توفر إضاءة الشوارع منصة مثالية للمدن الذكية المترابطة

المدن الذكية المترابطة تُحقق أحلامًا جميلة. في هذه المدن، تتكامل التقنيات الرقمية لتشمل وظائف مدنية فريدة متعددة، مما يُحسّن الكفاءة التشغيلية والذكاء. وتشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2050، سيعيش 70% من سكان العالم في مدن ذكية، حيث ستكون الحياة صحية وسعيدة وآمنة. والأهم من ذلك، أنها تُبشّر بأن تكون صديقة للبيئة، فهي سلاح البشرية الأخير في مواجهة تدمير كوكب الأرض.

لكنّ بناء المدن الذكية ليس بالأمر السهل. فالتقنيات الجديدة باهظة الثمن، والحكومات المحلية مقيدة، والسياسة تتغير وفقًا لدورات انتخابية قصيرة، مما يجعل من الصعب تحقيق نموذج مركزي لنشر التكنولوجيا بكفاءة تشغيلية ومالية عالية، وقابل للتطبيق في المناطق الحضرية عالميًا أو وطنيًا. في الواقع، معظم المدن الذكية الرائدة التي تتصدر عناوين الأخبار ليست سوى مجموعة من التجارب التكنولوجية المختلفة والمشاريع الجانبية الإقليمية، ولا يُتوقع لها مستقبل واعد.

لننظر إلى حاويات القمامة ومواقف السيارات، المُجهزة بأجهزة استشعار وتحليلات ذكية؛ في هذا السياق، يصعب حساب العائد على الاستثمار وتوحيده، خاصةً مع تشتت الجهات الحكومية (بين الوكالات العامة والخدمات الخاصة، وكذلك بين المدن والمناطق والدول). لننظر إلى مراقبة جودة الهواء؛ كيف يُمكن بسهولة حساب تأثير الهواء النظيف على الخدمات الصحية في مدينة ما؟ منطقياً، يصعب تطبيق مفهوم المدن الذكية، ولكن يصعب إنكاره أيضاً.

مع ذلك، ثمة بصيص أمل وسط ضباب التحول الرقمي. إذ توفر إنارة الشوارع في جميع الخدمات البلدية منصةً للمدن لاكتساب وظائف ذكية ودمج تطبيقات متعددة لأول مرة. انظر إلى مشاريع إنارة الشوارع الذكية المتنوعة التي تُنفذ في سان دييغو بالولايات المتحدة وكوبنهاغن بالدنمارك، ستجدها في ازدياد مستمر. تجمع هذه المشاريع بين مصفوفات من أجهزة الاستشعار ووحدات أجهزة معيارية مثبتة على أعمدة الإنارة، مما يسمح بالتحكم عن بُعد في الإضاءة نفسها وتشغيل وظائف أخرى، مثل عدادات المرور، وأجهزة مراقبة جودة الهواء، وحتى أجهزة كشف الأسلحة.

انطلاقاً من أعلى أعمدة الإنارة، بدأت المدن بمعالجة مفهوم "جودة الحياة" في شوارعها، بما في ذلك انسيابية حركة المرور، والحد من التلوث الضوضائي والهوائي، واستكشاف فرص الأعمال الناشئة. حتى أجهزة استشعار مواقف السيارات، التي كانت تُدفن تقليدياً في ساحات الانتظار، يُمكن ربطها بشبكة الإنارة بكفاءة وبتكلفة منخفضة. وبذلك، يُمكن ربط المدن بأكملها بشبكة واحدة وتحسين أدائها دون الحاجة إلى حفر الشوارع أو استئجار مساحات أو حلّ مسائل حسابية معقدة تتعلق بحياة صحية وشوارع أكثر أماناً.

ينجح هذا الأمر لأن حلول الإضاءة الذكية، في معظمها، لا تُحسب في البداية على أساس تحقيق وفورات من خلالها. بل إن جدوى الثورة الرقمية الحضرية هي نتيجة عرضية للتطور المتزامن للإضاءة.

إن توفير الطاقة الناتج عن استبدال المصابيح المتوهجة بإضاءة LED ذات الحالة الصلبة، إلى جانب مصادر الطاقة المتاحة بسهولة والبنية التحتية الواسعة للإضاءة، يجعل المدن الذكية أمراً ممكناً.

إن وتيرة التحول إلى تقنية LED بطيئة بالفعل، بينما يشهد مجال الإضاءة الذكية ازدهارًا كبيرًا. ووفقًا لمجموعة نورث إيست، المتخصصة في تحليل البنية التحتية الذكية، سيتم إضاءة حوالي 90% من مصابيح الشوارع البالغ عددها 363 مليون مصباح في العالم بمصابيح LED بحلول عام 2027. كما سيتم تشغيل تطبيقات ذكية على ثلث هذه المصابيح، وهو اتجاه بدأ قبل بضع سنوات. وحتى يتم توفير تمويل كبير ونشر مخططات تفصيلية، تُعد إضاءة الشوارع الأنسب كبنية تحتية شبكية لمختلف التقنيات الرقمية في المدن الذكية واسعة النطاق.

وفر تكلفة مصابيح LED

وفقًا للإرشادات العامة التي يقترحها مصنّعو الإضاءة وأجهزة الاستشعار، يمكن للإضاءة الذكية أن تخفض تكاليف الإدارة والصيانة المتعلقة بالبنية التحتية بنسبة تتراوح بين 50 و70 بالمئة. لكن معظم هذه الوفورات (حوالي 50 بالمئة، وهي نسبة كافية لإحداث فرق ملحوظ) يمكن تحقيقها ببساطة عن طريق التحوّل إلى مصابيح LED الموفرة للطاقة. أما باقي الوفورات فتأتي من ربط وحدات الإضاءة والتحكم بها، ونقل المعلومات الذكية حول كيفية عملها عبر شبكة الإضاءة.

يمكن للتعديلات والمراقبة المركزية وحدها أن تُخفّض تكاليف الصيانة بشكل ملحوظ. هناك طرق عديدة ومتكاملة لتحقيق ذلك، منها: الجدولة، والتحكم الموسمي، وتعديل التوقيت؛ وتشخيص الأعطال، وتقليل الحاجة إلى شاحنات الصيانة. ويزداد هذا التأثير مع ازدياد حجم شبكة الإضاءة، مما يُحسّن العائد على الاستثمار. وتشير التوقعات السوقية إلى أن هذا النهج يُمكن أن يُغطي تكاليفه في غضون خمس سنوات تقريبًا، بل وقد يُغطيها في وقت أقل من خلال دمج مفاهيم المدن الذكية "الأكثر مرونة"، مثل تلك التي تتضمن أجهزة استشعار مواقف السيارات، وأجهزة مراقبة حركة المرور، وأنظمة مراقبة جودة الهواء، وأجهزة كشف الأسلحة.

تُجري شركة Guidehouse Insights، المتخصصة في تحليل السوق، دراساتٍ لأكثر من 200 مدينة لقياس وتيرة التغيير؛ وتشير إلى أن ربع المدن تُطبّق أنظمة الإضاءة الذكية. وتشهد مبيعات هذه الأنظمة نموًا متسارعًا. وتُقدّر شركة ABI Research أن الإيرادات العالمية ستتضاعف عشر مرات لتصل إلى 1.7 مليار دولار بحلول عام 2026. ويُمكن تشبيه هذا التحول الجذري في عالمنا بـ: بنية إنارة الشوارع، المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأنشطة البشرية، تُمثّل المنصة الأمثل للمدن الذكية في سياق أوسع. وبحلول عام 2022، سيتم ربط أكثر من ثلثي تركيبات إنارة الشوارع الجديدة بمنصة إدارة مركزية لدمج البيانات من أجهزة استشعار متعددة في المدن الذكية، وفقًا لشركة ABI.

قال أدارش كريشنان، كبير المحللين في شركة ABI Research: "تتوفر فرص تجارية عديدة لموردي حلول المدن الذكية الذين يستفيدون من بنية أعمدة الإنارة الحضرية من خلال نشر تقنيات الاتصال اللاسلكي، وأجهزة الاستشعار البيئية، وحتى الكاميرات الذكية. ويكمن التحدي في إيجاد نماذج أعمال مجدية تشجع المجتمع على نشر حلول متعددة المستشعرات على نطاق واسع وبطريقة فعالة من حيث التكلفة."

لم يعد السؤال هو ما إذا كان ينبغي الربط، بل كيف، وإلى أي مدى ينبغي الربط في المقام الأول. وكما يلاحظ كريشنان، فإن جزءًا من هذا يتعلق بنماذج الأعمال، لكن الأموال تتدفق بالفعل إلى المدن الذكية من خلال خصخصة المرافق التعاونية (الشراكة بين القطاعين العام والخاص)، حيث تتحمل الشركات الخاصة المخاطر المالية مقابل النجاح في رأس المال الاستثماري. وقد ساهمت عقود "الخدمة" القائمة على الاشتراك في توزيع الاستثمار على فترات استرداد التكاليف، مما حفز النشاط أيضًا.

في المقابل، يتم ربط أعمدة الإنارة في أوروبا بشبكات قرص العسل التقليدية (عادةً من الجيل الثاني إلى الجيل الرابع LTE) بالإضافة إلى جهاز معيار HONEYCOMB IoT الجديد، LTE-M. كما تدخل تقنية النطاق الضيق للغاية (UNB) الخاصة حيز الاستخدام، إلى جانب Zigbee، وانتشار محدود لتقنية Bluetooth منخفضة الطاقة، ومشتقات IEEE 802.15.4.

يولي تحالف تقنية البلوتوث (SIG) اهتمامًا خاصًا بالمدن الذكية. ويتوقع التحالف أن تنمو شحنات تقنية البلوتوث منخفضة الطاقة في المدن الذكية خمسة أضعاف خلال السنوات الخمس المقبلة، لتصل إلى 230 مليون وحدة سنويًا. ويرتبط معظمها بتتبع الأصول في الأماكن العامة، مثل المطارات والملاعب والمستشفيات ومراكز التسوق والمتاحف. ومع ذلك، تستهدف تقنية البلوتوث منخفضة الطاقة أيضًا الشبكات الخارجية. وأوضح تحالف تقنية البلوتوث أن "حلول إدارة الأصول تُحسّن من استخدام موارد المدن الذكية وتساعد على خفض تكاليف التشغيل الحضرية".

الجمع بين التقنيتين أفضل!

لكل تقنية جدلياتها، وقد حُسم بعضها بالنقاش. على سبيل المثال، تقترح شركة UNB قيودًا أكثر صرامة على الحمولة وجداول التسليم، ما يستبعد الدعم المتوازي لتطبيقات الاستشعار المتعددة أو للتطبيقات التي تتطلب ذلك، مثل الكاميرات. تتميز تقنية المدى القصير بانخفاض تكلفتها وقدرتها على توفير إنتاجية أعلى لتطوير إعدادات الإضاءة كمنصة. والأهم من ذلك، أنها تؤدي دورًا احتياطيًا في حال انقطاع إشارة الشبكة الواسعة (WAN)، وتوفر للفنيين وسيلة لقراءة بيانات المستشعرات مباشرةً لأغراض تصحيح الأخطاء والتشخيص. على سبيل المثال، تعمل تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة مع جميع الهواتف الذكية تقريبًا في السوق.

على الرغم من أن الشبكة الأكثر كثافة تُحسّن من متانتها، إلا أن بنيتها تصبح معقدة وتفرض متطلبات طاقة أعلى على أجهزة الاستشعار المتصلة من نقطة إلى نقطة. كما أن نطاق الإرسال يُمثّل مشكلة؛ إذ لا تتجاوز التغطية باستخدام تقنيتي Zigbee وBluetooth منخفض الطاقة بضع مئات من الأمتار كحد أقصى. ورغم أن العديد من التقنيات قصيرة المدى تُعدّ منافسة ومناسبة لأجهزة الاستشعار الشبكية التي تغطي نطاقًا واسعًا من الجوار، إلا أنها شبكات مغلقة تتطلب في نهاية المطاف استخدام بوابات لإعادة إرسال الإشارات إلى السحابة.

تُضاف عادةً وصلة قرص العسل في النهاية. ويتجه مُصنّعو أنظمة الإضاءة الذكية نحو استخدام تقنية اتصال قرص العسل من نقطة إلى سحابة لتوفير تغطية للبوابات أو أجهزة الاستشعار بمدى يتراوح بين 5 و15 كيلومترًا. توفر تقنية خلية النحل نطاق نقل واسعًا وسهولة في الاستخدام؛ كما أنها توفر حلول شبكات جاهزة ومستوى أمان أعلى، وفقًا لمجتمع Hive.

قال نيل يونغ، رئيس قسم إنترنت الأشياء في جمعية GSMA، وهي هيئة صناعية تمثل مشغلي شبكات الهاتف المحمول: "يتمتع مشغلو شبكات Action بتغطية شاملة للمنطقة بأكملها، وبالتالي لا يحتاجون إلى بنية تحتية إضافية لربط أجهزة الإضاءة الحضرية وأجهزة الاستشعار. تتميز شبكة Honeycomb ضمن الطيف المرخص بالأمان والموثوقية، مما يعني أن المشغل يتمتع بأفضل الظروف، ويمكنه تلبية عدد كبير من الاحتياجات، مع عمر بطارية أطول بكثير، وصيانة أقل، ومسافة نقل طويلة باستخدام معدات منخفضة التكلفة."

من بين جميع تقنيات الاتصال المتاحة، ستشهد تقنية HONEYCOMB أكبر نمو في السنوات القادمة، وفقًا لشركة ABI. وقد دفع الاهتمام المتزايد بشبكات الجيل الخامس (5G) والتنافس المحموم على استضافة بنيتها التحتية، شركات الاتصالات إلى استغلال أعمدة الإنارة وتزويدها بوحدات HONEYCOMB صغيرة في المناطق الحضرية. في الولايات المتحدة، تقوم مدينتا لاس فيغاس وساكرامنتو بنشر تقنيتي LTE و5G، بالإضافة إلى أجهزة استشعار المدن الذكية، على أعمدة الإنارة من خلال شركتي AT&T وVerizon. وقد كشفت هونغ كونغ مؤخرًا عن خطة لتركيب 400 عمود إنارة مزود بتقنية 5G كجزء من مبادرتها للمدن الذكية.

التكامل المحكم للأجهزة

وأضاف نيلسن: "تقدم نورديك منتجات متعددة الأوضاع قصيرة المدى وطويلة المدى، حيث يدعم نظامها المتكامل nRF52840 تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة، وتقنية بلوتوث ميش، وتقنية زيجبي، بالإضافة إلى تقنية ثريد وأنظمة 2.4 جيجاهرتز الخاصة بها. كما يوفر نظامها المتكامل nRF9160، المبني على بنية Honeycomb، دعمًا لتقنيتي LTE-M وNB-iot. ويجمع هذا النظام بين هاتين التقنيتين ليحقق مزايا في الأداء والتكلفة."

يُتيح فصل الترددات لهذه الأنظمة التعايش، حيث يعمل الأول في نطاق 2.4 جيجاهرتز المتاح للجميع، بينما يعمل الثاني في أي مكان تتوفر فيه شبكة LTE. عند الترددات المنخفضة والعالية، توجد مفاضلة بين تغطية مساحة أوسع وسعة نقل بيانات أكبر. ولكن في منصات الإضاءة، تُستخدم عادةً تقنية لاسلكية قصيرة المدى لربط أجهزة الاستشعار، وتُستخدم قوة الحوسبة الطرفية للمراقبة والتحليل، ويُستخدم نظام إنترنت الأشياء ذو ​​البنية الخلوية لإرسال البيانات إلى السحابة، بالإضافة إلى التحكم في أجهزة الاستشعار لمستويات صيانة أعلى.

حتى الآن، تمت إضافة جهازي الراديو قصير المدى وطويل المدى بشكل منفصل، ولم يتم دمجهما في شريحة سيليكون واحدة. في بعض الحالات، يتم فصل المكونات لأن أعطال جهاز الإضاءة والمستشعر وجهاز الراديو تختلف. مع ذلك، سيؤدي دمج جهازي راديو في نظام واحد إلى تكامل تقني أوثق وتكاليف اقتناء أقل، وهما عاملان أساسيان للمدن الذكية.

ترى شركة نورديك أن السوق يتجه نحو هذا المسار. وقد دمجت الشركة تقنيات الاتصال اللاسلكي قصير المدى وتقنية إنترنت الأشياء ذات البنية الخلوية في الأجهزة والبرامج على مستوى المطورين، مما يتيح لمصنعي الحلول تشغيلها معًا في تطبيقات الاختبار. صُممت لوحة نورديك DK الخاصة بـ nRF9160 SiP لتمكين المطورين من "تشغيل تطبيقات إنترنت الأشياء ذات البنية الخلوية"؛ ووُصفت منصة نورديك Thingy:91 بأنها "بوابة جاهزة للاستخدام" يمكن استخدامها كمنصة جاهزة لإنشاء النماذج الأولية أو لإثبات جدوى التصاميم الأولية للمنتجات.

يتميز كلا النظامين بمعالج nRF9160 SiP متعدد الأوضاع ذي بنية قرص العسل، ومعالج nRF52840 SoC متعدد البروتوكولات قصير المدى. ووفقًا لشركة نورديك، فإن الأنظمة المدمجة التي تجمع بين هاتين التقنيتين لتطبيقات إنترنت الأشياء التجارية على بُعد "أشهر" فقط من طرحها في الأسواق.

صرحت شركة نورديك نيلسن قائلةً: "تم إنشاء منصة إضاءة المدن الذكية باستخدام جميع تقنيات الربط هذه؛ والسوق يدرك تمامًا كيفية دمجها معًا، وقد وفرنا حلولًا للوحات تطوير الشركات المصنعة لاختبار كيفية عملها معًا. إن دمجها في حلول تجارية أمرٌ لا غنى عنه، وفي غضون فترة وجيزة."