Оптимизация передачи данных в городских информационных системах на основе методов теории графов

Д. А. Рыбаков

---

Аннотация: Городские информационные системы Москвы, управляемые Департаментом информационных технологий (ДИТ), представляют собой сложную распределенную экосистему, генерирующую и обрабатывающую огромные объемы гетерогенных данных. Эффективная передача этих данных, особенно для критических сервисов с жесткими требованиями к задержкам и надежности, является ключевым фактором функционирования «умного города» и качества госуслуг. Критически необходима оптимизация передачи данных в ГИС Москвы на основе теории графов для повышения QoS, надежности и эффективности.
Цель исследования – разработка и верификация методов оптимизации передачи данных в городских информационных системах на основе теории графов. Задачи включают снижение задержек, повышение надежности и эффективности использования сетевых ресурсов для критически важных сервисов.
Методы. Исследование основывалось на детальном моделировании инфраструктуры ДИТ Москвы в виде взвешенного графа, где вершины представляли узлы обработки/хранения данных, а ребра – каналы связи с атрибутами пропускной способности, задержки и надежности. Потоки данных для ключевых сервисов специфицировались с требованиями QoS. Для оптимизации были применены специализированные графовые алгоритмы: модифицированный A* с географической эвристикой для QoS-маршрутизации, алгоритмы балансировки нагрузки на основе поиска максимального потока/минимальной стоимости и методы обеспечения отказоустойчивости через поиск k-непересекающихся путей (k=2).
Результаты. Применение алгоритма A* позволило снизить среднюю задержку передачи видеопотоков для системы «Безопасный город» на 22–35 % по сравнению с базовыми подходами, гарантированно обеспечивая соблюдение SLA (<150 мс). Алгоритмы балансировки нагрузки снизили 95-й процентиль задержки транзакций записи к врачу с 65 мс до 42 мс за счет предотвращения перегрузок ключевых узлов. Использование двух непересекающихся резервных путей сократило время восстановления работы критических сервисов после сбоя канала с 500 мс до 50 мс.
Выводы. Полученные результаты убедительно доказывают высокую практическую ценность применения теории графов для оптимизации передачи данных в масштабных городских системах. Учет географической специфики и иерархической структуры сети Москвы оказался критически важным фактором успеха.

Ключевые слова: теория графов, городские информационные системы, оптимизация передачи данных, качество обслуживания

Для цитирования. Рыбаков Д. А. Оптимизация передачи данных в городских информационных системах на основе методов теории графов // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2025. Т. 27. № 5. С. 168–179. DOI: 10.35330/1991-6639-2025-27-5-168-179

Список литературы

1. Karunuzhali D., Meenakshi B., Keerthi L. A QoS-aware routing approach for Internet of Things-enabled wireless sensor networks in smart cities. Multimedia Tools and Applications. Vol. 84. Pp. 17951–17977. DOI: 10.1007/s11042-024-18125-y
2. Debajit S. Applications of graphs in smart cities. In book: Handbook of Research on Data-Driven Mathematical Modelling in Smart Cities. 2023. Pp. 40–54. DOI: 10.4018/978-1-6684-6408-3.ch003
3. Wester C.H. Schoonenberg, Inas S. Khayal, Amro M. Farid. A Hetero-functional graph theory for modeling interdependent smart city infrastructure: book. Springer. 196 p. DOI: 10.1007/978-3-319-99301-0
4. Jing Q., Yuhan Ch., Zhihong T. et al. Automatic concept extraction based on semantic graphs from big data in smart city. IEEE Transactions on Computational Social Systems. 2019. Pp. 1–9. DOI: 10.1109/TCSS.2019.2946181
5. Dhanasekaran S., Dhanalakshmi G., Logeshwaran J. et al. Multi-model traffic forecasting in smart cities using graph neural networks and transformer-based multi-source visual fusion for intelligent transportation management. International Journal of Intelligent Transportation Systems Research. 2024. Vol. 22. Pp. 1–22. DOI: 10.1007/s13177-024-00413-4
6. Ицков А. Г. Элементы дискретной математики. Теория множеств, комбинаторика, теория графов. Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2023. ISBN: 978-5-4344-0992-6. С. 77–94
7. Гришко Н. В. Спектральная теория конечных регулярных графов как средство моделирования процессов передачи данных в компьютерных сетях» // Cборник трудов конференции «Донецкие чтения 2022: образование, наука, инновации, культура и вызовы современности». 2022. С. 143–145
8. Рогалевич П. И., Жихарев А. П. «Система «Умный Город». Организация передачи данных» // Современные средства связи. 2022. Т. 1. № 1. С. 344–345. EDN: GVASPT
   

Информация об авторе

Рыбаков Даниил Александрович, аспирант кафедры информатики, Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова;
115054, Россия, Москва, Стремянный переулок, 36;
инженер данных отдела анализа и обработки данных Департамента информационных технологий города Москвы;
107078, Россия, Москва, Яковоапостольский переулок, 12с1;
rybakov.daniel99@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-8959-4427, SPIN-код: 7155-6461