A Hetero-functional Graph Theory for Modeling Interdependent Smart City Infrastructure

شهرها همیشه نقش برجسته ای در شکوفایی تمدن داشته اند. در واقع، هر تمدن بزرگی که می‌توانیم به آن فکر کنیم، با برجستگی یک یا چند شهر پر رونق مرتبط است. و بنابراین درک شهرها - ساکنان آنها، مؤسسات آنها، زیرساختهای آنها - اینکه آنها چه هستند و چگونه به طور مستقل و با هم کار می کنند - برای رشد جمعی ما به عنوان یک تمدن انسانی اهمیت اساسی دارد. علاوه بر این، شهر "هوشمند" قرن بیست و یکم، در نتیجه تغییرات آب و هوایی جهانی و شهرنشینی در مقیاس بزرگ، به عنوان یک چالش بزرگ اجتماعی ظاهر خواهد شد.

این کتاب بر نقش سیستم‌های زیرساختی وابسته به هم در چنین شهرهای هوشمندی تمرکز می‌کند، به‌ویژه که به سؤالات به موقع و تکان‌دهنده در مورد تاب‌آوری و پایداری مربوط می‌شود. به طور خاص، هدف این کتاب ارائه، در یک جلد، یک رویکرد تئوری گراف ناهمگون عملکردی (HFGT) سازگار از زیرساخت‌های شهر هوشمند وابسته به هم به‌عنوان یک حوزه کاربردی فراگیر از سیستم‌های مهندسی است. این کار ممکن است با ادبیات رو به رشد در مورد شبکه‌های چند لایه، که با وجود پیشرفت‌های نظری قابل توجه در سال‌های اخیر، دارای محدودیت‌های مدل‌سازی است که مانع از کاربرد دنیای واقعی آن‌ها برای زیرساخت‌های شهر هوشمند وابسته به توپولوژی دلخواه می‌شود، مقایسه شود. در مقابل، این کتاب نشان می‌دهد که HFGT را می‌توان به طور گسترده برای تعداد دلخواه توپولوژی‌های متصل به هم وابسته زیرساخت‌های شهر هوشمند اعمال کرد. همچنین، برای اولین بار، تمام شش ماتریس HFGT را در یک ماتریس مجاورت سیستم یکپارچه می کند.

این کتاب تمام تلاش خود را می‌کند تا برای مخاطبان وسیعی از متخصصان و محققان سیستم‌های زیرساخت (مانند برنامه‌ریزان سیستم‌های برق، مهندسین حمل‌ونقل، و هیدرولوژیست‌ها و غیره) قابل دسترسی باشد. در نتیجه، این کتاب به طور گسترده مفاهیم نظری نمودار را برای شهود و وضوح بیشتر تجسم کرده است. با این وجود، این کتاب به یک پایگاه روش شناختی مشترک از خوانندگان خود نیاز دارد و خود را به جامعه مهندسی سیستم های مبتنی بر مدل (MBSE) و جامعه علوم شبکه (NSC) هدایت می کند. برای جامعه MBSE، ما امیدواریم که HFGT به عنوان کمی سازی بسیاری از مفاهیم ساختاری موجود در زبان های مهندسی سیستم های مبتنی بر مدل مانند SysML پذیرفته شود. برای NSC، ما امیدواریم که دیدگاه جدیدی را در مورد چگونگی ساخت نمودارهایی با معنا و بینش اساسی ارائه کنیم. در نهایت، امیدواریم که HFGT برای غلبه بر بسیاری از محدودیت‌های نظری و مدل‌سازی که مانع از توانایی ما در درک سیستماتیک ساختار و عملکرد شهرهای هوشمند شده‌اند، عمل کند.

Cities have always played a prominent role in the prosperity of civilization. Indeed, every great civilization we can think of is associated with the prominence of one or more thriving cities. And so understanding cities -- their inhabitants, their institutions, their infrastructure -- what they are and how they work independently and together -- is of fundamental importance to our collective growth as a human civilization. Furthermore, the 21st century “smart” city, as a result global climate change and large-scale urbanization, will emerge as a societal grand challenge.

This book focuses on the role of interdependent infrastructure systems in such smart cities especially as it relates to timely and poignant questions about resilience and sustainability. In particular, the goal of this book is to present, in one volume, a consistent Hetero-Functional Graph Theoretic (HFGT) treatment of interdependent smart city infrastructures as an overarching application domain of engineering systems. This work may be contrasted to the growing literature on multi-layer networks, which despite significant theoretical advances in recent years, has modeling limitations that prevent their real-world application to interdependent smart city infrastructures of arbitrary topology. In contrast, this book demonstrates that HFGT can be applied extensibly to an arbitrary number of arbitrarily connected topologies of interdependent smart city infrastructures. It also integrates, for the first time, all six matrices of HFGT in a single system adjacency matrix.

The book makes every effort to be accessible to a broad audience of infrastructure system practitioners and researchers (e.g. electric power system planners, transportation engineers, and hydrologists, etc.). Consequently, the book has extensively visualized the graph theoretic concepts for greater intuition and clarity. Nevertheless, the book does require a common methodological base of its readers and directs itself to the Model-Based Systems Engineering (MBSE) community and the Network Science Community (NSC). To the MBSE community, we hope that HFGT will be accepted as a quantification of many of the structural concepts found in model-based systems engineering languages like SysML. To the NSC, we hope to present a new view as how to construct graphs with fundamentally different meaning and insight. Finally, it is our hope that HFGT serves to overcome many of the theoretical and modeling limitations that have hindered our ability to systematically understand the structure and function of smart cities.