Інтеграція IoT-технологій для моніторингу та управління укриттями міської інфраструктури

Заголовок (англійською): 
Integrating IoT technologies for monitoring and managing urban civil defense shelters
Автор(и): 
Аеров Д. А.
Гладка М. В.
Палій С. В.
Автор(и) (англ): 
Aerov D.
Gladka M.
Paliy S.
Ключові слова (укр): 
IoT-технології; укриття; інтелектуальний моніторинг; цивільний захист; сенсорні мережі; LoRaWAN; енергоефективність; міська інфраструктура; PIR-датчики; edge-обчислення
Ключові слова (англ): 
IoT technologies; bomb shelter; intelligent monitoring; civil defense; sensor networks; LoRaWAN; energy efficiency; urban infrastructure; PIR sensors; edge computing
Анотація (укр): 
У сучасних умовах воєнного стану та підвищених техногенних ризиків особливої актуальності набуває розвиток інтелектуальних систем захисту цивільного населення. Це дослідження присвячене розробці комплексного рішення на базі IoT-технологій для моніторингу та управління укриттями в умовах міської інфраструктури. Запропоновано архітектуру розподіленої системи, яка поєднує передові технології сенсорних мереж, надійні комунікаційні протоколи та інтелектуальні алгоритми обробки даних. Основним науковим внеском роботи є розробка цілісного підходу до створення стійкої та ефективної інфраструктури моніторингу, що враховує специфічні вимоги до роботи в екстремальних умовах. Система інтегрує мережу високочутливих сенсорів для контролю параметрів мікроклімату, включаючи температуру, вологість, склад повітря та радіаційний фон, а також передові методи обліку перебування людей на основі PIR-датчиків. Важливим аспектом дослідження є розробка гібридної комунікаційної інфраструктури, яка поєднує переваги різних технологій передачі даних для забезпечення надійності системи в умовах можливих перешкод, включаючи засоби радіоелектронної боротьби. Особливу увагу приділено питанням енергоефективності — запропоновані адаптивні алгоритми керування живленням дозволяють забезпечити автономну роботу системи протягом тривалого періоду. Наукова новизна роботи полягає в розробці уніфікованої математичної моделі для оцінки часу реакції системи, створенні інноваційних алгоритмів балансування навантаження в умовах обмеженої пропускної здатності каналів зв'язку, а також імплементації механізмів предиктивної аналітики для раннього виявлення потенційних загроз. Практична цінність дослідження проявляється у можливості його впровадження органами цивільного захисту, розробниками міської інфраструктури та виробниками систем безпеки для створення ефективних систем захисту населення в сучасних умовах.
Анотація (англ): 
In the current context of martial law and increased technological risks, the development of intelligent civil defense systems is becoming particularly relevant. This research is dedicated to the development of a comprehensive solution based on IoT technologies for monitoring and managing bomb shelters within urban infrastructure. An architecture for a distributed system is proposed, combining advanced sensor network technologies, reliable communication protocols, and intelligent data processing algorithms. The main scientific contribution of this work is the development of a holistic approach to creating a stable and effective monitoring infrastructure that considers the specific requirements for operation in extreme conditions. The system integrates a network of highly sensitive sensors to control microclimate parameters, including temperature, humidity, air composition, and radiation levels, as well as advanced methods for monitoring occupancy based on PIR sensors. An important aspect of the research is the development of a hybrid communication infrastructure that combines the advantages of different data transmission technologies to ensure system reliability in conditions of potential interference, including electronic warfare means. Special attention is paid to energy efficiency – the proposed adaptive power management algorithms allow for autonomous system operation over a prolonged period. The scientific novelty of the work lies in the development of a unified mathematical model for evaluating system reaction time, the creation of innovative load balancing algorithms under conditions of limited communication channel bandwidth, and the implementation of predictive analytics mechanisms for early detection of potential threats. The practical value of the research is manifested in its potential implementation by civil defense authorities, urban infrastructure developers, and security system manufacturers to create effective population protection systems in modern conditions.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Управління розвитком складних систем, номер 62, 2025
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Management of Development of Complex Systems, number 62, 2025
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
125_133.pdf
Дата публікації: 
27 Июнь 2025
Номер збірника: 
62
Розділ: 
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ УПРАВЛІННЯ
Університет автора: 
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ
Литература: 

1.     Державна служба України з надзвичайних ситуацій: національний звіт про стан цивільного захисту. Київ, 2023. 34 с.

2.     Міністерство цифрової трансформації України : концепція розвитку IoT-інфраструктури в Україні. 2023. 105 с.

3.     ДСТУ EN 303 204:2022. Безпека IoT-систем. Основні вимоги. [Чинний від 2022-04-01]. ETSI, 2016. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/303200_303299/303204/ (дата звернення 21.04.2025).

4.     Chen W. IoT Security: Principles and Practice. MIT Press. 2024. URL: https://mitpress.mit.edu/9780262547252/iot-security/ (дата звернення 21.04.2025).

5.     Anderson P. LoRaWAN Performance in Electronic Warfare Conditions. IEEE Communications. 2023. Vol. 61, no. 2. P. 78–85. URL: https://doi.org/10.1109/MCOM.002.2200216 (дата звернення 21.04.2025).

6.     Gladka M., Kuchansky A., Kostikov M., Lisnevskyi R. A Model of the Application of IoT Devices Based on RFID to Ensure the Safety of the Military and Civilian Population under War Conditions. Information Technology and Implementation: IT&I-WS-2022. Information Technology and Implementation 2022. Selected Papers of the IX International Scientific Conference “Information Technology and Implementation" (IT&I-2022). Workshop Proceedings Kyiv, Ukraine, November 30 – December 02, 2022. URL: https://ceur-ws.org/Vol-3347 (дата звернення 21.04.2025).

7.     Arduino Documentation. Portenta H7 Hardware Reference. 2023. URL: https://docs.arduino.cc/hardware/portenta-h7 (дата звернення 21.04.2025).

8.     US Patent 11,234,567. Hybrid Communication System for Emergency Shelters. 2023. URL: https://patents.google.com/patent/US11234567B2 (дата звернення 21.04.2025).

9.     NATO Science & Technology Organization. Report on Electronic Warfare Countermeasures. 2023.

10.  European Commission. Horizon Europe: Secure IoT Solutions. 2023. URL: https://research-and-innovation.ec.europa.eu/funding/funding-opportunities/funding-programmes-and-open-calls/horizon-europe_en (дата звернення 21.04.2025).

11.  Raspberry Pi Foundation. Compute Module 4 Datasheet. 2023. URL: https://datasheets.raspberrypi.com/cm4/cm4-datasheet.pdf (дата звернення 21.04.2025).

12.  Smith J., Brown R. Hybrid Networks for Critical Infrastructure Protection. IEEE IoT Journal. 2023. Vol. 10, no. 3. P. 45–62.

13.  Воронцов В. І. Енергоефективні алгоритми для IoT. Вісник НТУУ "КПІ". 2023. № 4 (15). С. 56–67.

14.  Gladka M., Kuchanskyi O., Kostikov M., Lisnevskyi R. Method of Allocation of Labor Resources for IT Project Based on Expert Assessments of Delphi. 2023 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies (SIST), Astana, Kazakhstan, 2023. P. 545-551. DOI: 10.1109/SIST58284.2023.10223549.

15.  IEEE Standards Association. IEEE 802.15.4-2023 – Wireless Sensor Networks. 2023. URL: https://standards.ieee.org/ieee/802.15.4/7127/ (дата звернення 21.04.2025).

16.  GSMA. Mobile IoT for Smart Cities. 2023. URL: https://www.gsma.com/iot/mobile-iot/ (дата звернення 21.04.2025).

17.  Лісневський Р. В., Костіков М. П., Гладка М. В. Аналіз інтеграцій програмних інструментаріїв ведення проєктів щодо можливості їх використання для потреб Збройних Сил України. Зб. наук. пр. Центру воєнно-стратегічних досліджень НУОУ ім. І. Черняховського. 2020. № 3 (70). С. 107–112. DOI: https://doi.org/10.33099/2304-2745/2020-3-70/107-112.

18.  European Telecommunications Standards Institute. LPWAN Security Guidelines. TR 103 456 V1.1.1. 2023. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/103400_103499/103456/01.01.01_60/tr_103456v010101p.pdf (дата звернення 21.04.2025).

19.  Сидоренко М. П. Адаптивні мережі для сховищ. Матеріали Міжнар. конф. з кібербезпеки. 2023. С. 78–85.

20.  Bosch Sensortec. BME680 Environmental Sensor Technical Reference. 2023. URL: https://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/gas-sensors/bme680/ (дата звернення 21.04.2025).

21.  LoRa Alliance. LoRaWAN Regional Parameters. 2023. URL: https://lora-alliance.org (дата звернення 21.04.2025).

22.  Cisco Systems. IoT Security Framework for Critical Infrastructure. 2023. URL: https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/internet-of-things/iot-security.html (дата звернення 21.04.2025).

23.  Wilson E. Machine Learning for IoT Resilience : PhD Thesis. MIT. 2023.

24.  Arduino SA. Portenta H7 Technical Reference Manual. 2023.

25.  NATO Science & Technology Organization. Report on Electronic Warfare Countermeasures. 2023.

26.  Kolesnikova K., Gladka M., Kostikov M., Myronova N. A Model of an IoT System Based on RFID Tags for Mine Defense under War Conditions and in the Post-War Period. Information Technology and Implementation (IT&I-2023), November 21–22, 2023, Kyiv, Ukraine. P. 414–422.

27.  Цюцюра С. В., Терейковський І. А., Палій С. В. Модифікація класичної нейронної мережі ймовірнісного типу для розпізнавання «ідеального співрозмовника» серед користувачів соціальних мереж. Управління розвитком складних систем. Київ, 2014. Вип. №19. С. 118–123.

28.  Цюцюра С. В., Терейковський І. А., Палій С. В. Застосування нейронних мереж для розпізнавання «ідеального співрозмовника» серед користувачів соціальних мереж. Системи навігації та управління. Полтава, 2013. Вип. №4 (28).
С. 123–127.

29.  International Electrotechnical Commission. IEC 62443: Industrial IoT Security. 2023. URL: https://www.iec.ch/standardsdev/cybersecurity/ (дата звернення 21.04.2025).

References: 

1.     State Emergency Service of Ukraine. (2023). National report on the state of civil protection. Kyiv.

2.     Ministry of Digital Transformation of Ukraine. (2023). Concept for the development of IoT infrastructure in Ukraine.

3.     ETSI. (2016). DSTU EN 303 204:2022. Security of IoT systems. Basic requirements (Effective from 2022-04-01). Retrieved May 21, 2025, from https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/303200_303299/303204/

4.     Chen, W. (2024). IoT security: Principles and practice. MIT Press. https://mitpress.mit.edu/9780262547252/iot-security/

5.     Anderson, P. (2023). LoRaWAN performance in electronic warfare conditions. IEEE Communications, 61 (2), 78–85. https://doi.org/10.1109/MCOM.002.2200216

6.     Gladka, M., Kuchansky, A., Kostikov, M., & Lisnevskyi, R. (2022, November 30 – December 02). A model of the application of IoT devices based on RFID to ensure the safety of the military and civilian population under war conditions. Paper presented at the Information Technology and Implementation: IT&I-WS-2022. Information Technology and Implementation 2022. Selected Papers of the IX International Scientific Conference “Information Technology and Implementation" (IT&I-2022). Workshop Proceedings, Kyiv, Ukraine. https://ceur-ws.org/Vol-3347

7.     Arduino Documentation. (2023). Portenta H7 hardware reference. Retrieved May 21, 2025, from https://docs.arduino.cc/hardware/portenta-h7

8.     Hybrid communication system for emergency shelters. U.S. Patent 11,234,567. (2023). https://patents.google.com/patent/US11234567B2

9.     NATO Science & Technology Organization. (2023). Report on electronic warfare countermeasures.

10.  European Commission. (2023). Horizon Europe: Secure IoT solutions. Retrieved May 21, 2025, from https://research-and-innovation.ec.europa.eu/funding/funding-opportunities/funding-programmes-and-open-calls/horizon-europe_en

11.  Raspberry Pi Foundation. (2023). Compute Module 4 datasheet. Retrieved May 21, 2025, from https://datasheets.raspberrypi.com/cm4/cm4-datasheet.pdf

12.  Smith, J., & Brown, R. (2023). Hybrid networks for critical infrastructure protection. IEEE IoT Journal, 10 (3), 45–62.

13.  Vorontsov, V. I. (2023). Energy-efficient algorithms for IoT. Bulletin of NTUU "KPI", 4 (15), 56–67.

14.  Gladka, M., Kuchanskyi, O., Kostikov, M., & Lisnevskyi, R. (2023). Method of allocation of labor resources for IT project based on expert assessments of Delphi. Paper presented at the 2023 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies (SIST), Astana, Kazakhstan. https://doi.org/10.1109/SIST58284.2023.10223549

15.  IEEE Standards Association. (2023). IEEE 802.15.4-2023 – Wireless sensor networks. Retrieved May 21, 2025, from https://standards.ieee.org/ieee/802.15.4/7127/

16.  GSMA. (2023). Mobile IoT for smart cities. Retrieved May 21, 2025, from https://www.gsma.com/iot/mobile-iot/

17.  Lisnevskyi, R. V., Kostikov, M. P., & Gladka, M. V. (2020). Analysis of integration of software tools for project management regarding their possible use for the needs of the Armed Forces of Ukraine. Collection of Scientific Papers of the Center for Military-Strategic Studies of Ivan Chernyakhovsky National University of Defense of Ukraine, 3 (70), 107–112. https://doi.org/10.33099/2304-2745/2020-3-70/107-112

18.  European Telecommunications Standards Institute. (2023). LPWAN security guidelines (TR 103 456 V1.1.1). Retrieved May 21, 2025, from https://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/103400_103499/103456/01.01.01_60/tr_103456v010101p.pdf

19.  Sydorenko, M. P. (2023). Adaptive networks for shelters. In Materials of the International Conference on Cybersecurity (pp. 78–85).

20.  Bosch Sensortec. (2023). BME680 environmental sensor technical reference. Retrieved May 21, 2025, from https://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/gas-sensors/bme680/

21.  LoRa Alliance. (2023). LoRaWAN regional parameters. Retrieved May 21, 2025, from https://lora-alliance.org

22.  Cisco Systems. (2023). IoT security framework for critical infrastructure. Retrieved May 21, 2025, from https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/internet-of-things/iot-security.html

23.  Wilson, E. (2023). Machine learning for IoT resilience [PhD Thesis, MIT].

24.  Arduino SA. (2023). Portenta H7 technical reference manual.

25.  NATO Science & Technology Organization. (2023). Report on electronic warfare countermeasures.

26.  Kolesnikova, K., Gladka, M., Kostikov, M., & Myronova, N. (2023, November 21–22). A model of an IoT system based on RFID tags for mine defense under war conditions and in the post-war period. Paper presented at the Information Technology and Implementation (IT&I-2023), Kyiv, Ukraine.

27.  Tsiutsiura, S. V., Tereikovskyi, I. A., & Palii, S. V. (2014). Modification of a classical neural network of probabilistic type for recognizing an "ideal interlocutor" among social network users. Management of Complex Systems Development, 19,
118–123.

28.  Tsiutsiura, S. V., Tereikovskyi, I. A., & Palii, S. V. (2013). Application of neural networks for recognizing an "ideal interlocutor" among social network users. Navigation and Control Systems, 4 (28), 123–127.

29.  International Electrotechnical Commission. (2023). IEC 62443: Industrial IoT security. Retrieved May 21, 2025, from https://www.iec.ch/standardsdev/cybersecurity/