نقش اینترنت اشیا در ویژگی‌های شهر هوشمند

این سطح از هوشمندی دیجیتالی به دستگاه‌هایی که در گذشته غیر هوشمند (dump) بودند، اجازه می‌دهد بدون دخالت هیچ اپراتوری با انسان‌ها به تعامل بپردازند و به بهترین شکل دنیای فیزیکی و دیجیتالی را با یکدیگر ادغام کند. در اواسط آذرماه 98 همایشی در تهران با موضوع تهران هوشمند به همت شهرداری تهران برگزار شد که در آن همایش محورهای مختلفی همچون نقش داده‌ها، ضرورت فرهنگ‌سازی و توامند‌سازی شهروندان در شهر هوشمند، اقتصاد پایدار مبتنی بر داده‌ها و موضوعات دیگر بررسی شد. همایشی که نشان داد اینترنت اشیا ظرفیت بالایی در کاهش هزینه‌های شهری و بهبود کیفیت زندگی مردم دارد، اما شهر هوشمند چیست و چه عواملی باعث هوشمندسازی یک شهر می‌شوند؟ 

شهر هوشمند چیست؟

در یک شهر هوشمند از فناوری‌اطلاعات و ارتباطات با هدف بهبود راندمان عملیاتی، به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات با مردم و بهبود سطح کیفی خدمات دولتی و آسایش شهروندان استفاده می‌شود. انتظار می‌رود با هوشمندسازی یک شهر، عملکرد خدمات‌ شهری بهینه شود، رونق اقتصادی بهبود پیدا کند است و کیفیت زندگی مردم با استفاده از فناوری‌های هوشمند و تحلیل داده‌ها بهتر از قبل شود. سرمایه فیزیکی هر شهری زیرساختی است که بر پایه آن کار می‌کند، اما برای آن‌که زیرساخت فیزیکی بهترین عملکرد را داشته باشد به زیرساخت اجتماعی و دانش ارتباطی که به آن سرمایه فکری می‌گویند نیاز دارد. سرمایه فکری یکی از مهم‌ترین دارایی‌های هر کشوری است که موفقیت و بالندگی را برای یک کشور به ارمغان می‌آورد. شهر هوشمند یکی از مفاهیم کلیدی اینترنت اشیا است که ارتباط مستقیم با فناوری‌های ارتباطی و اطلاع‌رسانی دارد. شهر هوشمند بر حفظ سرمایه‌های زیست‌محیطی و اجتماعی و به‌کارگیری انرژی‌های پاک تاکید خاصی دارد. بسیاری از مردم معتقد هستند که شهرها بیش از اندازه شلوغ هستند. اگر شما هم چنین عقیده‌ای دارید، باید بدانید که کارشناسان پیش‌بینی کرده‌اند که جمعیت کره زمین تا سال 2030 به رقم 8 میلیارد و 600 میلیون نفر خواهد رسید که بخش عمده‌ای از آن‌ها ساکن شهرها هستند. به همین دلیل کارشناسان حوزه شهری پیشنهاد داده‌اند، قبل از آن‌که شهرها به رشد انفجاری خود نزدیک شوند باید آن‌ها را برای ورود چنین حجم عظیمی از مردم آماده کنیم. به عبارت دیگر، شهرها باید مدرن‌تر، به‌روزتر و هوشمندتر شوند تا بتوانند به نیازهای این جمعیت عظیم پاسخ دهند. برخی تصور می‌کنند که افزایش بی‌رویه برج‌ها و آسما‌ن‌خراش‌ها یا راه‌سازی‌های بدون وقفه ظاهری زیبا و مدرن به یک شهر می‌دهند، در حالی که تعریف دنیای مدرن نشان می‌دهد زمانی یک شهر مدرن خواهد بود که زیرساخت‌ها و سامانه‌های هوشمند مختلفی در آن به کار گرفته شده باشد. 

یک شهر هوشمند چه مزایایی دارد؟

شهرهای هوشمند دیگر یک ایده خیالی نیستند، زیرا راه‌کارهای خلاقانه اینترنت اشیا اجازه داده گجت‌های هوشمند به سرعت پیشرفت کنند و در ساختمان‌های مسکونی و تجاری قابل استفاده باشند. مردم می‌توانند از گوشی‌های همراه برای اتصال به خانه‌ها و خودروها استفاده کنند و بر مبنای زیرساخت‌های یک شهر هوشمند به انوع مختلفی از خدمات هوشمند دسترسی داشته باشند. اتصال و جفت کردن دستگاه‌ها و داده‌ها با زیرساخت‌های فیزیکی و خدمات شهری هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و باعث پایداری عملکردها می‌شود. یک شهر هوشمند می‌تواند توزیع انرژی را بهینه‌سازی کند، جمع‌آوری زباله‌ها را ساده‌تر کند، ترافیک را کاهش دهد و کیفیت هوایی که استشمام می‌کنیم را بهبود بخشد. خودروهای متصل به شبکه می‌توانند با پارکومتر پارکینگ و حتا جایگاه‌های سوخت ارتباط برقرار کنند تا خلوت‌ترین جایگاه سوخت یا نزدیک‌ترین محل پارک را به رانندگان پیشنهاد دهند. سطل‌های زباله هوشمند به‌طور خودکار داده‌هایی برای شرکت‌های مدیریت پسماندهای زباله ارسال می‌کنند تا فرآیند بازیابی به بهترین شکل انجام شود. گوشی‌های هوشمند می‌توانند جای کارت‌های ملی و کارت‌های بانکی را بگیرند تا فرآیند انجام کارهای دولتی شتاب بیشتری پیدا کند. لوله‌های انتقال آب می‌توانند به حس‌گرهایی تجهز شوند تا هرکجا نشتی کوچکی در زیرزمین به وجود آمد به سرعت اطلاعات را برای سازمان انتقال آب ارسال کنند تا قبل از آن‌که یک لوله آب به علت فرسودگی شکسته شود و آب بیهوده هدر رود کارشناسان به سرعت نسبت به جایگزینی آن اقدام کنند. هیچ پایانی برای شهرنشینی وجود ندارد. بزرگ شدن شهرها و وجود امکانات مختلف رفاهی، اجتماعی و فرهنگی در بیشتر شهرها باعث شده تا به تدریج مردم از روستاها و مناطقی که در آن زندگی می‌کنند مهاجرت کنند و به شهرها بیایند. درست است که اینترنت اشیا این ظرفیت را دارد تا بهترین امکانات و خدمات را در اختیار صنعت کشاورزی قرار دهد تا مانع خالی شدن روستاها از سکنه شود، اما روند مهاجرت از روستاها به شهرها یک واقعیت است. آمارها نشان می‌دهند نزدیک به 54 درصد از مردم جهان در شهرها سکونت دارند و پیش‌بینی شده تا سال 2050 این میزان به 66 درصد برسد. به موازات این مهاجرت به شهرها در سه دهه آینده جمعیت زمین نزدیک به 2.5 میلیارد نفر بیشتر از مقدار کنونی 7.5 میلیارد نفر خواهد رسید.

یک شهر هوشمند چه ویژگی‌های شاخصی دارد؟

شهرهایی که زیرساخت آن‌ها در حوزه‌های مختلف به ویژه در حوزه سلامت و زندگی بر مبنای زیرساخت‌های الکترونیکی طراحی شده به نیازهای مهم افراد به شکل هوشمندانه‌ای پاسخ می‌دهند. درست است که زیرساخت‌های فیزیکی از اصلی‌ترین مولفه‌های شکل‌گیری زندگی شهرنشینی هستند، اما در دنیای امروز شهرها به فناوری‌های ارتباطی روز وابستگی شدیدی پیدا کرده‌اند. محیط، اقتصاد، حمل‌ونقل و زندگی هوشمند و افراد آشنا با فناوری‌های هوشمند از معیارهای اصلی یک شهر هوشمند هستند. کارشناسان معتقد هستند اگر شهری شش معیار اصلی محیط هوشمند (smart environment)، حمل‌نقل هوشمند (smart mobility)، اقتصاد هوشمند (smart economy)، حکمرانی هوشمند (smart governance)، زندگی هوشمند (smart living) و مردم هوشمند (smart people) را داشته باشد در گروه شهرهای هوشمند قرار می‌گیرد. معیارهای شش‌گانه‌ فوق تنها زمانی نوید تحقق یک شهر هوشمند را می‌دهند که مولفه‌های کلیدی اتصال بی‌سیم گسترده، داده‌های باز، امنیت زیرساخت‌ها و طرح‌های کسب درآمد منعطف به درستی تحلیل و پیاده‌سازی شده باشند. 

10 عامل کلیدی که موفقیت یک شهر هوشمند را تضمین می‌کنند 

هر یک از معیارهای شش‌گانه‌ای که به آن‌ها اشاره شد، زیرمجموعه‌های گسترده‌ای دارند که عدم تحقق هر یک از آن‌ها باعث ایجاد اختلال در پیاده‌سازی یک شهر هوشمند می‌شوند. در کنگره جهانی موبایل که سال گذشته میلادی برگزار شد، شرکت‌های مخابراتی وعده دادند که شبکه‌های 5G از سال 2020 در اختیار مردم قرار خواهند گرفت. 5G یکی از مولفه‌های کلیدی دستیابی به یک شهر هوشمند است، زیرا سرعت انتقال اطلاعاتی که ارائه می‌کند، اجازه می‌دهد حجم زیادی از اطلاعات بدون هیچ‌گونه تاخیری به خدمات ابری یا مراکز داده ارسال شوند و پس از پردازش برای دستگاه‌های مربوطه بازپس فرستاده شوند. به همین دلیل است که گفته می‌شود مسئولان شهری و سایر نهادهای مربوطه قبل از آن‌که به سراغ هوشمندسازی شهرها بروند باید تحقیق و برنامه‌ریزی دقیقی انجام دهند، پیش‌نیازها را شناسایی کنند و گام به گام به سراغ معیارهای کلیدی هوشمندسازی شهری بروند. اگر این‌گونه نباشد ناهماهنگی شدیدی ایجاد می‌شود و همه چیز به جای آن‌که به سمت آسایش و رفاه سوق پیدا کند به سمت بی نظمی و افزایش هزینه‌ها متمایل خواهد شد. 
به همین دلیل لازم است 10 مولفه‌ای که اجازه می‌دهند معیارهای شش‌گانه بالا به درستی پیاده‌سازی شوند را به شکل دقیقی بررسی کرد. 

1. قابلیت اتصال در هر مکانی

یک شهر هوشمند بر مبنای ارتباطات بی‌سیم با توان عملیاتی پایین، تاخیر بسیار، سرعت کم و عدم پایداری به وجود نخواهد آمد. شرکت‌ها نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی را کلید حل این مشکلات توصیف کرده‌اند. برای آن‌که بتوان به دستگاه‌های مهم و حیاتی اجازه داد به شکل خودکار تصمیم‌گیری‌های بلادرنگ اتخاذ کنند باید زیرساخت‌های مبتنی بر 5G در مکان‌های مختلف یک شهر قرار بگیرند. اینترنت 5G باید در دسترس دوربین‌های متصل به شبکه، حس‌گرها و دستگاه‌های پردازشی قرار بگیرد تا بدون تاخیر اطلاعات را ارسال و دریافت کنند. معماری ارتباطی شهری باید بر مبنای شبکه گسترده کم مصرف (LPWA) سرنام low-power wide-area network
طراحی شود. شبکه گسترده کم مصرف، یک شبکه گسترده مخابرات بی‌سیم است که برای ارتباطات طولانی مدت با نرخ انتقال داده کم برای استفاده در بستر اینترنت اشیا طراحی شده ‌است. شبکه‌ای که می‌تواند از دستگاه‌های با توان کم پشتیبانی کند. 

2. انرژی‌های پیشرفته با ویژگی ارتجاعی
(Resilient and Advanced Energy)

شهرهای هوشمند به شبکه‌های انرژی پیشرفته نیاز دارند که پایدار، ایمن، پویا و ارتجاعی باشند. یکی از شروط اصلی پیاده‌سازی یک شهر هوشمند دسترسی به انرژی پیشرفته با ویژگی ارتجاعی است. باتری‌های یو‌پی‌اس یکی از ملزومات جدایی‌ناپذیر مراکز داده و یکی از مولفه‌های مهم و ناپیدای شهرهای هوشمند هستند. شهری که دسترسی به سامانه‌های ارتباطاتی و اطلاعاتی آن تنها زمانی امکان‌پذیر است که جریان برق برقرار باشد و در زمان بروز مشکلات پیش‌بینی نشده و زمانی که مردم به خدمات نیاز دارند از دسترس خارج باشد را نمی‌توان یک شهر هوشمند توصیف کرد. 

3. حفظ امنیت و حریم خصوصی

به دلیل این‌که داده‌ها توسط حس‌گرهای مختلفی دریافت می‌شوند و در بیشتر موارد این داده‌ها در ارتباط با مردم، خودروها و سایر اطلاعات حساس هستند، مبحث امنیت باید از همان ابتدا در زیرساخت‌های هوشمند شهر به درستی لحاظ شده باشد. متاسفانه در بحث هوشمندسازی شهرها این امکان وجود ندارد که بگویید در آینده راهکارهای امنیتی را تدوین خواهیم کرد یا از پروتکل‌ها و الگوریتم‌های ضعیف استفاده کنید. مبحث امنیت فراتر از محافظت از تجهیزات و سامانه‌های نصب شده در یک شهر هوشمند است. امنیت در حوزه اینترنت اشیا به معنای عدم دسترسی افراد غیرمجاز به داده‌هایی است که حس‌گرها جمع‌آوری می‌کنند. 

4. حس‌گرها و سنجه‌ها

جمع‌آوری داده‌ها در یک شهر هوشمند اجتناب‌ناپذیر است. شهرهای هوشمند به‌طور پیوسته داده‌هایی جمع‌آوری می‌کنند و اطلاعات پردازش شده در اختیار مردم قرار می‌دهند. داده‌هایی در ارتباط با اوضاع جوی، جهت وزش باد و شدت آن، دمای سطح جاده‌ها و شرایط فیزیکی جاده‌ها، کیفیت هوا و وضعیت آلاینده‌ها، ترافیک پیاده‌روها، ترافیک خودروها به ویژه در معابر پر تردد، میزان رطوبت خاک، وضعیت آلودگی صوتی، سطح نور و سطح دید به ویژه در فصل‌هایی که میزان دید افقی کاهش پیدا می‌کند، سطح آب در مخازن، ارتعاش زمین، فشار دریچه‌ها و دوربین‌ها از جمله موارد هستند که باید اطلاعات مربوط به آن‌ها توسط دستگاه‌های هوشمند جمع‌آوری شوند (شکل 1). زمانی که داده‌های فوق جمع‌آوری شد، در مرحله بعد باید برای سامانه‌هایی ارسال شوند تا پردازش شوند و نتایج به دست آمده در اختیار متخصصان بخش‌های مختلف قرار گیرد تا مشکلات احتمالی برطرف شوند. 

5. دستگاه‌هایی با توان پردازش محلی

در شهرهای آینده با حجم عظیم داده‌ها و شتاب در تصمیم‌گیری‌ها روبرو هستیم که اجازه نمی‌دهند داده‌ها برای پردازش به سمت سرورهای ابرمحور ارسال شوند. در یک شهر هوشمند، پویایی حرف اول را می‌زند، به ویژه زمانی‌که خودران‌ها به خیابان‌ها و جاده‌ها می‌آیند و هواپیماهای بدون سرنشین دیگر یک فناوری عجیب شناخته نمی‌شوند. سامانه‌های شهری نمی‌توانند به عنوان گره‌های غیر هوشمند که متصل به یک هسته هوشمند هستند توسعه پیدا کنند. به همین دلیل باید گره‌هایی با قابلیت پردازش محلی اطلاعات طراحی کنیم تا بتوانند به صورت یک شبکه توزیع شده در کنار یکدیگر برخی از پردازش‌های حساس را انجام دهند و در کنار یکدیگر کار کنند. تصمیم‌گیری در سریع‌ترین زمان ممکن با هدف حل مشکل ترافیک شهری به پردازش محلی نیاز دارد. کارشناسان برای غلبه بر این مشکل راهکار مراکز داده کنار خیابانی که به شکل توزیع شده به یکدیگر متصل هستند را پیشنهاد داده‌اند. 

6. جدول‌ها و پیاده‌روها راهکاری برای ذخیره‌سازی و دسترسی آنی به داده‌ها 

فضای ذخیره‌سازی و توان محاسباتی ارتباط جدایی‌ناپذیری با یکدیگر دارند. در بیشتر موارد نیازی نیست اطلاعاتی که پردازش شده‌اند را دومرتبه پردازش کرد و باید از اطلاعات ذخیره شده استفاده کرد. یک شهر هوشمند به فضای ذخیره‌سازی مناسبی برای زیرساخت‌ها نیاز دارد تا بتوان شبکه‌ای از اطلاعات ذخیره شده متصل به یکدیگر ایجاد کرد. حجم بزرگی از داده‌هایی که هر دقیقه جمع‌آوری می‌شوند باید به بهترین شکل و منطبق با فضای ذخیره‌سازی محلی ذخیره‌سازی شوند تا اطلاعات تکراری ذخیره نشوند و رسانه ذخیره‌ساز نیز به سرعت پر نشوند. اجازه دهید به مثالی در این زمینه اشاره کنیم. یک وسیله خودران در یک روز در حدود 4 ترابایت داده‌ تولید می‌کند. سامانه‌های حمل‌ونقل نیز ویدیوهایی با جزییات زیادی که دوربین‌ها ثبت کرده‌اند تولید می‌کنند که برای مراکز داده ابرمحور ارسال می‌شوند. ارسال چنین حجم عظیمی از اطلاعات به مراکز داده بزرگ، هدررفت انرژی و افزایش هزینه‌ها را به همراه دارد، حال اگر به یک فضای ذخیره‌سازی با قابلیت پردازش محلی دسترسی داشته باشیم، قادر هستیم داده‌ها را به شکل محلی پردازش کنیم و  دانش لازم را به دست آوریم. 
به همین دلیل است که برخی از کارشناسان پیشنهاد داده‌اند مراکز داده کوچکی در خیابان‌ها تعبیه شود و از جداول کنار خیابان‌ها و حتا پیاده‌روها به عنوان ابزارهایی برای ذخیره‌سازی داده‌های محلی استفاده شود. ایده‌ای که عجیب و خنده‌دار به نظر می‌رسد، اما با کمی تامل متوجه می‌شویم که اتصال چند خیابان به یکدیگر و ذخیره‌سازی اطلاعات در خود خیابان‌ها بار محاساباتی سنگینی از دوش مرکز داده بر می‌دارد و اجازه می‌دهد داده‌ها به شکل محلی پردازش شوند و تنها اطلاعات پالایش شده برای مرکز داده ارسال شوند. جالب آن‌که برخی از کشورهای اروپایی گام‌هایی برای تحقق این ایده برداشته‌اند. 

7. نگه‌داری و ارتقا سخت‌افزارها

زیرساخت‌های یک شهر هوشمند به نگه‌داری و ارتقا نیاز دارند. این امکان وجود ندارد که دستگاه یا فناوری را خریداری کنید و انتظار داشته باشید تا بیست سال آینده بدون مشکل کار کند. شاید چنین رویکردی در مدیریت سنتی یک شهر فرآیند عادی قملداد می‌شد، اما در ارتباط با یک شهر هوشمند امکان‌پذیر نیست. فناوری‌های مختلف به‌طور پیوسته در حال پیشرفت هستند تا مصرف انرژی را کاهش و راندمان را افزایش دهند. به‌طور مثال رک‌سرورهای یک شهر هوشمند قرار نیست برای همیشه به یک شکل طراحی و استفاده شوند. 

8. توسعه برنامه‌های ثالث و واسط‌های برنامه‌نویسی

برنامه‌های ثالث و زیرساخت‌های لازم برای طراحی برنامه‌های اینترنت اشیا در دسترس همه قرار دارند، اما توسعه‌دهندگان تنها زمانی می‌توانند به زیرساخت‌های هوشمند دسترسی پیدا کنند و برنامه‌هایی برای زیرساخت‌ها بنویسند که نهادهای مسئول زیرساختی ایمن برای دسترسی به داده‌ها در اختیار آن‌ها قرار دهند. دسترسی به اطلاعات یک شهر هوشمند ضوابط و قواعد خاص خود را دارد و قرار نیست به هر توسعه‌دهنده‌ای اجازه داده شود به‌طور شخصی به اطلاعات دسترسی پیدا کند. به همین دلیل به وجود شرکت‌های نرم‌افزاری که مورد تایید نهاهای قانونی هستند و تخصص آن‌ها طراحی برنامه‌های اینترنت اشیا است نیاز است. 

9. رابط کاربری

در حوزه دستگاه‌های مصرفی همچون کامپیوترها و گوشی‌های هوشمند رابط کاربری باید منعطف، ساده و جامع باشد تا بتوانند با یک رابط کاربری بزرگ‌تر که فضای شهری است ارتباط برقرار کنند. شهرهای هوشمند فضای عمومی را به یک رابط کاربری بزرگ تبدیل می‌کنند که واقعیت افزوده و تعامل با اصوات نقش کلیدی در آن خواهند داشت. به عبارت دقیق‌تر در آینده مشاهده خواهید کرد که واقعیت افزوده به یکی از مولفه‌های جدایی‌ناپذیر زندگی شما تبدیل می‌شود. تئوری تبدیل فضا به رابط کاربری
(space becomes the interface)، مفهومی عمیق است که کاربردهای متنوع و پیچیده‌ای در برنامه‌ریزی شهری و معماری دارد. 

10. طراحی بهتر

به لحاظ سنتی، شاهد هستیم که زیرساخت‌های شهری و خدمت‌رسانی یک طراحی غیر جذاب دارند. یک شهر هوشمند بر طراحی بهتر و زیباتر زیرساخت‌های عمومی تاکید خاصی دارد تا تعامل با زیرساخت‌ها ساده‌تر و جذاب‌تر شود. مادامی که طراحی زیرساخت‌های کلیدی درست نباشد، امکان به‌کارگیری تمامی قابلیت‌های کاربردی دستگاه‌های همراه برای تعامل با شهر هوشمند فراهم نخواهد شد.
منابع:
https://wireless.electronicspecifier.com/iot-1/adding-flexibility-to-iot-system-development
https://medium.com/motius-de/smart-city-urbanization-2-0-and-a-more-connected-ecosystem-6f8518a2fd42
https://readwrite.com/2017/07/17/brian-lakamp-what-makes-cities-smart-cl1/
https://www.coxblue.com/10-things-to-consider-in-planning-and-building-a-smart-city/