Urban and social data analysis techniques for knowledge extraction in smart cities

Abstract

The high rate of urbanization with the challenges that accompany it and the demand for resource savings and the achievement of sustainability and resilience at national and international level, have led to the emergence and widespread dissemination of the vision of “smart city”. The purpose of transforming a “conventional” city into a “smart” one is to improve operational efficiency and provide better quality government services and the well-being of citizens. As the city is a “system of systems” that extends in six dimensions that include individual services to address urban needs, it becomes obvious that effective planning and systematic development of smart cities requires in-depth knowledge about the city. This knowledge that is necessary in policy-making and innovation comes from the exploitation of urban data produced, circulated and consumed in the various data infrastructures of the city. The realization of the smart cities’ vision has attracted the interest of many scholars and practitioners, who have proposed various solutions, both specific (e.g. for a specific city, problem, need, etc.) and general (e.g. multi-purpose services, architectures, etc.), based on their research interests and expertise. However, as this vision matures, new research challenges arise involving: i) modeling and standardizing smart cities to enable the design of generic solutions and measure the effectiveness of urban interventions; and ii) the design of services that utilize data for support for decision-making in the design of smart cities. An interesting challenge is also the investigation on security and privacy protection issues in smart cities, as huge amounts of urban heterogeneous data directly or indirectly related to citizens are generated and used on a daily basis. Based on these remarks, this thesis focuses on the extraction of knowledge from urban and social data and the development of techniques, frameworks and services that will contribute to the decision-making process regarding the design and management of smart cities. Specifically, this thesis, considering that smart city acts as a “data engine”, deals with the following problems: i) systematic investigation on urban data contribution to SC vision realization; ii) smart city modeling and standardization; iii) addressing the vulnerabilities of online social networks in smart cities; and iv) design and development of data-driven smart services for smart cities. The thesis contributes to tackling these problems by proposing effective techniques and efficient frameworks aimed at extracting knowledge about smart cities through the utilization of urban and social data.

Ο υψηλός ρυθμός αστικοποίησης με τις προκλήσεις που τον συνοδεύουν και η απαίτηση για την εξοικονόμηση πόρων και την επίτευξη της αειφορίας και της ανθεκτικότητας σε εθνικό και διεθνές επίπεδο, οδήγησαν στην ανάδυση και την εύρεια διάδοση του οράματος της “ευφυούς πόλης”. Σκοπός του μετασχηματισμού μιας “συμβατικής” πόλης σε “ευφυή” είναι η βελτίωση της λειτουργικής αποτελεσματικότητας της πόλης, η παροχή καλύτερης ποιότητας κρατικών υπηρεσιών και η επίτευξη της ευημερίας των πολιτών. Δεδομένου ότι η πόλη αποτελεί ένα “σύστημα συστημάτων” που εκτείνεται σε έξι διαστάσεις, που περιλαμβάνουν μεμονωμένες υπηρεσίες για την αντιμετώπιση των αστικών αναγκών, καθίσταται σαφές ότι ο αποτελεσματικός σχεδιασμός και η συστηματική ανάπτυξη των ευφυών πόλεων απαιτεί την απόκτηση βαθειάς γνώσης για την πόλη. Η γνώση αυτή που ειναι απαραίτητη στη χάραξη πολιτικής και στην καινοτομία προέρχεται από την αξιοποίηση των αστικών δεδομένων που παράγονται, κυκλοφορούν και καταναλώνονται στις διάφορες υποδομές δεδομένων της πόλης. Η υλοποίηση του οράματος των ευφυών πόλεων έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον πολλών μελετητών και επαγγελματιών, οι οποίοι πρότειναν διάφορες λύσεις, τόσο συγκεκριμένες (π.χ. για μια συγκεκριμένη πόλη, πρόβλημα, ανάγκη κ.λπ.) όσο και γενικές (π.χ. υπηρεσίες πολλαπλών χρήσεων, αρχιτεκτονικές κ.λπ.), με βάση τα ερευνητικά τους ενδιαφέροντα και την τεχνογνωσία τους. Ωστόσο, καθώς το όραμα ωριμάζει, εμφανίζονται νέες ερευνητικές προκλήσεις που αφορούν: α) την μοντελοποίηση και την τυποποίηση των ευφυών πόλεων ώστε να καταστεί εφικτός ο σχεδιασμός γενικευμένων λύσεων και η μέτρηση της απόδοσης των παρεμβάσεων, και β) το σχεδιασμό υπηρεσιών που αξιοποιούν δεδομένα για υποστήριξη της λήψης απόφασεων κατά το σχεδιασμό των ευφυών πόλεων. Επιπλέον, ενδιαφέρον παρουσιάζει η διερεύνηση των θεμάτων της ασφαλείας και της προστασίας ιδιωτικού απορρήτου στις ευφυείς πόλεις, καθώς τεράστιες ποσότητες αστικών ετερογενών δεδομένων που σύνδεονται άμεσα ή έμμεσα τους πολίτες παράγονται και αξιοποιούνται καθημερινά σε αυτές. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή εστιάζει στην εξαγωγή γνώσης από αστικά και κοινωνικά δεδομένα και στην ανάπτυξη τεχνικών, πλαισίων και υπηρεσιών που θα συμβάλουν στη διαδικασία λήψης αποφάσεων σχετικά με το σχεδιασμό και τη διαχείριση των ευφυών πόλεων. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται σε τέσσερις θεματικούς άξονες, που είναι οι ακόλουθοι: α) συστηματική ανασκόπηση της συμβολής των αστικών δεδομένων στην πραγματοποίηση του οράματος των ευφυών πόλεων, β) μοντελοποίηση και τυποποίηση των ευφυών πόλεων, γ) αντιμετώπιση των τρωτών σημείων των διαδικτυακών κοινωνικών δικτύων στις ευφυείς πόλεις, και δ) σχεδιασμός και ανάπτυξη υπηρεσιών που βασίζονται σε δεδομένα (data-driven services) για ευφυείς πόλεις.