Optimization of data transfer in urban information systems based on graph theory methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The Moscow Urban Information Systems managed by the DIT represent a complex distributed ecosystem generating and processing huge volumes of heterogeneous data. Efficient transmission of this data, especially for critical services with strict requirements for latency and reliability, is a key factor in the functioning of the "smart city" and the quality of public services. Optimization of data transmission in the Moscow GIS based on graph theory is critical to improve QoS, reliability and efficiency.

Aim. The research objective is to develop and verify methods for optimizing data transmission in urban information systems based on graph theory. The objectives include reducing delays, improving reliability, and enhancing the efficiency of network resources for critical services.

Methods. The study was based on detailed modeling of the Moscow DIT infrastructure as a weighted graph, where vertices represent data processing/storage nodes, and edges represent communication channels with attributes of throughput, latency and reliability. Data flows for key services were specified with QoS requirements.

Results. For optimization, specialized graph algorithms are used: modified A* with geographic heuristics for QoS routing, load balancing algorithms based on searching for the maximum flow/minimum cost, and methods for ensuring fault tolerance through searching for k-disjoint paths (k = 2). Using the A* algorithm allow us to reduce the average delay in video stream transmission for the Safe City system by 22-35 % compared to the basic approaches, while guaranteeing SLA compliance (<150 ms). The load balancing algorithms reduce the 95th percentile of transaction delays for making an appointment with a doctor from 65 ms to 42 ms by preventing overloads of key nodes. Using two disjoint backup paths reduce the recovery time for critical services after a channel failure from 500 ms to 50 ms.

Conclusions. The obtained results convincingly prove the high practical value of applying graph theory to optimizing data transmission in large-scale urban systems. Taking into account the geographical specificity and hierarchical structure of the Moscow network proved to be a critical factor in success.

About the authors

D. A. Rybakov

Plekhanov Russian University of Economics; Department of Information Technology, City of Moscow

Author for correspondence.
Email: rybakov.daniel99@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-8959-4427
SPIN-code: 7155-6461

Postgraduate Student of the Department of Computer Science 

Russian Federation, 36, Stremyannyy lane, Moscow, 115054, Russia; 12с1, Yakovoapostolsky lane, Moscow, 107078, Russia

References

  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. 2024. 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. Itskov A.G. Elements of discrete mathematics. Set theory, combinatorics, graph theory: Izhevsk: Izhevsk Institute of Computer Research, 2023. Pp. 77-94. (In Russian)
  7. Grishko N.V. Spectral theory of finite regular graphs as a mean of modeling data transmission processes in computer networks. Proceedings of the conference "Donetsk Readings 2022: Education, Science, Innovation, Culture and Challenges of Our Time". 2022. Pp. 143-145. (In Russian)
  8. Rogalevich P.I., Zhikharev A.P. Smart City System. Organization of data transmission. Modern Means of Communication. 2022. Vol. 1. No. 1. Pp. 344-345. EDN: GVASPT. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Rybakov D.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».