إنارة الشوارع توفر منصة مثالية للمدن الذكية المترابطة

المدن الذكية المترابطة تجلب أحلامًا جميلة. في هذه المدن، تدمج التقنيات الرقمية وظائف مدنية فريدة ومتعددة لتحسين الكفاءة التشغيلية والذكاء الاصطناعي. 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 تعد بأن تكون صديقة للبيئة، وهي آخر ورقة رابحة للبشرية ضد تدمير الكوكب.

لكن المدن الذكية تتطلب جهدًا شاقًا. فالتقنيات الجديدة مكلفة، والحكومات المحلية مقيدة، والسياسات تتجه نحو دورات انتخابية قصيرة، مما يُصعّب تحقيق نموذج مركزي لنشر التكنولوجيا عالي الكفاءة التشغيلية والمالية، يُعاد استخدامه في المناطق الحضرية عالميًا أو وطنيًا. في الواقع، معظم المدن الذكية الرائدة التي تتصدر عناوين الأخبار هي في الواقع مجرد مجموعة من التجارب التكنولوجية المختلفة والمشاريع الإقليمية الجانبية، مع وجود القليل مما يُتوقع توسيعه.

لننظر إلى حاويات النفايات ومواقف السيارات، المُجهزة بأجهزة استشعار وتحليلات ذكية؛ في هذا السياق، يصعب حساب وتوحيد عائد الاستثمار، خاصةً مع تشتت الجهات الحكومية (بين الجهات الحكومية والخدمات الخاصة، وكذلك بين البلدات والمدن والمناطق والدول). لننظر إلى مراقبة جودة الهواء؛ كيف يُمكن بسهولة حساب تأثير الهواء النظيف على الخدمات الصحية في المدينة؟ منطقيًا، يصعب تطبيق المدن الذكية، ولكن يصعب أيضًا إنكارها.

مع ذلك، ثمة بصيص أمل في ضباب التغيير الرقمي. تُتيح إنارة الشوارع في جميع الخدمات البلدية منصةً للمدن لاكتساب وظائف ذكية والجمع بين تطبيقات متعددة لأول مرة. انظر إلى مشاريع إنارة الشوارع الذكية المختلفة التي تُنفّذ في سان دييغو بالولايات المتحدة وكوبنهاغن بالدنمارك، وستجد أنها تتزايد. تجمع هذه المشاريع بين مجموعات من أجهزة الاستشعار ووحدات أجهزة معيارية مثبتة على أعمدة الإنارة، مما يسمح بالتحكم عن بُعد في الإضاءة نفسها وتشغيل وظائف أخرى، مثل عدادات حركة المرور، وأجهزة مراقبة جودة الهواء، وحتى أجهزة كشف الأسلحة النارية.

من أعلى أعمدة الإنارة، بدأت المدن تُعنى بـ"ملائمة الحياة" في شوارعها، بما في ذلك تدفق حركة المرور وسهولة التنقل، والضوضاء وتلوث الهواء، وفرص الأعمال الناشئة. حتى أجهزة استشعار وقوف السيارات، التي كانت تُدفن عادةً في مواقف السيارات، يُمكن ربطها بالبنية التحتية للإضاءة بتكلفة منخفضة وكفاءة عالية. يُمكن ربط مدن بأكملها فجأةً بشبكات وتحسين أدائها دون الحاجة إلى حفر الشوارع أو استئجار مساحات أو حل مشكلات الحوسبة المجردة المتعلقة بحياة صحية وشوارع أكثر أمانًا.

هذا صحيح لأن حلول الإضاءة الذكية، في أغلب الأحيان، لا تُحسب في البداية بناءً على المدخرات التي توفرها. بل إن جدوى الثورة الرقمية الحضرية هي نتيجة عرضية للتطور المتزامن للإضاءة.

إن توفير الطاقة من خلال استبدال المصابيح المتوهجة بإضاءة LED ذات الحالة الصلبة، إلى جانب إمدادات الطاقة المتوفرة بسهولة والبنية التحتية الشاملة للإضاءة، يجعل المدن الذكية ممكنة.

لا تزال وتيرة التحول إلى مصابيح LED ثابتة، وتشهد الإضاءة الذكية ازدهارًا ملحوظًا. ووفقًا لمجموعة نورث إيست، وهي شركة متخصصة في تحليل البنية التحتية الذكية، ستُضاء حوالي 90% من مصابيح الشوارع في العالم، والبالغ عددها 363 مليون مصباح، بمصابيح LED بحلول عام 2027. كما سيعمل ثلث هذه المصابيح أيضًا بتطبيقات ذكية، وهو اتجاه بدأ قبل بضع سنوات. وإلى حين نشر تمويل ومخططات عمل كافية، تُعدّ إضاءة الشوارع الخيار الأمثل كبنية تحتية شبكية لمختلف التقنيات الرقمية في المدن الذكية واسعة النطاق.

توفير تكلفة LED

وفقًا للقواعد العامة التي اقترحها مصنعو الإضاءة وأجهزة الاستشعار، يمكن للإضاءة الذكية خفض تكاليف الإدارة والصيانة المتعلقة بالبنية التحتية بنسبة تتراوح بين 50% و70%. ولكن يمكن تحقيق معظم هذه الوفورات (حوالي 50%، وهي نسبة كافية لإحداث فرق) ببساطة عن طريق التحول إلى مصابيح LED الموفرة للطاقة. أما بقية الوفورات فتأتي من توصيل وحدات الإضاءة والتحكم فيها، ونقل معلومات ذكية حول كيفية عملها عبر شبكة الإضاءة.

يمكن للتعديلات والملاحظات المركزية وحدها أن تُخفّض تكاليف الصيانة بشكل كبير. هناك طرق عديدة، تُكمّل بعضها البعض: الجدولة، والمراقبة الموسمية، وتعديل التوقيت؛ وتشخيص الأعطال وتقليل حضور شاحنات الصيانة. يزداد التأثير مع حجم شبكة الإضاءة، وينعكس إيجابًا على حالة عائد الاستثمار الأولية. يقول السوق إن هذا النهج يُمكن أن يُغطي تكاليفه في حوالي خمس سنوات، ولديه القدرة على تغطية تكاليفه في وقت أقل من خلال دمج مفاهيم المدن الذكية "الأكثر مرونة"، مثل تلك المُزوّدة بأجهزة استشعار وقوف السيارات، ومراقبي حركة المرور، ومراقبة جودة الهواء، وأجهزة كشف الأسلحة النارية.

تتتبع شركة جايدهاوس إنسايتس، وهي شركة تحليل سوق، أكثر من 200 مدينة لقياس وتيرة التغيير؛ وتشير إلى أن ربع المدن تُطبّق أنظمة إضاءة ذكية. وتشهد مبيعات الأنظمة الذكية ارتفاعًا هائلاً. وتتوقع شركة إيه بي آي للأبحاث أن تتضاعف الإيرادات العالمية عشرة أضعاف لتصل إلى 1.7 مليار دولار بحلول عام 2026. "لحظة الإلهام" للأرض هي كالتالي: تُعدّ البنية التحتية لإضاءة الشوارع، المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأنشطة البشرية، هي الطريق الأمثل كمنصة للمدن الذكية في سياق أوسع. وذكرت إيه بي آي أنه بحلول عام 2022، سيتم ربط أكثر من ثلثي تركيبات إضاءة الشوارع الجديدة بمنصة إدارة مركزية لدمج البيانات من أجهزة استشعار متعددة للمدن الذكية.

قال أدارش كريشنان، المحلل الرئيسي في شركة ABI Research: "هناك العديد من فرص الأعمال المتاحة لموردي المدن الذكية الذين يستفيدون من البنية التحتية لأعمدة الإنارة الحضرية عبر نشر تقنيات الاتصال اللاسلكي، وأجهزة الاستشعار البيئي، وحتى الكاميرات الذكية. ويتمثل التحدي في إيجاد نماذج أعمال فعّالة تشجع المجتمع على نشر حلول متعددة المستشعرات على نطاق واسع وبتكلفة معقولة."

لم يعد السؤال المطروح هو: هل ينبغي الربط أم لا؟ بل كيف، وبأي قدر من الربط أصلًا. وكما يلاحظ كريشنان، يتعلق جزء من هذا بنماذج الأعمال، لكن الأموال تتدفق بالفعل إلى المدن الذكية من خلال خصخصة المرافق التعاونية (PPP)، حيث تتحمل الشركات الخاصة مخاطر مالية مقابل نجاحها في رأس المال الاستثماري. وتوزع عقود الاشتراك "كخدمة" الاستثمار على فترات الاسترداد، مما حفّز النشاط أيضًا.

في المقابل، تُربط مصابيح الشوارع في أوروبا بشبكات العسل التقليدية (عادةً من الجيل الثاني (2G) حتى الجيل الرابع (LTE) 4G)، بالإضافة إلى جهاز إنترنت الأشياء الجديد HONEYCOMB، LTE-M. كما تدخل تقنية النطاق الضيق للغاية (UNB) الخاصة حيز التنفيذ، إلى جانب تقنية Zigbee، وهي مجموعة محدودة من تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة، ومشتقات IEEE 802.15.4.

يُولي تحالف تقنية البلوتوث (SIG) اهتمامًا خاصًا بالمدن الذكية. ويتوقع التحالف أن تنمو شحنات أجهزة البلوتوث منخفضة الطاقة في المدن الذكية خمسة أضعاف خلال السنوات الخمس المقبلة، لتصل إلى 230 مليون جهاز سنويًا. ويرتبط معظمها بتتبع الأصول في الأماكن العامة، مثل المطارات والملاعب والمستشفيات ومراكز التسوق والمتاحف. ومع ذلك، يستهدف البلوتوث منخفض الطاقة أيضًا الشبكات الخارجية. وصرح تحالف تقنية البلوتوث: "يُحسّن حل إدارة الأصول استخدام موارد المدن الذكية ويُساعد في خفض تكاليف التشغيل الحضرية".

إن الجمع بين التقنيتين أفضل!

لكل تقنية جدلها الخاص، وقد حُلّ بعضها بالنقاش. على سبيل المثال، تقترح جامعة نيو برونزويك قيودًا أكثر صرامة على الحمولة وجداول التسليم، مستبعدةً الدعم المتوازي لتطبيقات أجهزة الاستشعار المتعددة أو لتطبيقات مثل الكاميرات التي تتطلب ذلك. تُعد تقنية المدى القصير أقل تكلفةً وتوفر إنتاجيةً أكبر لتطوير إعدادات الإضاءة كمنصة. والأهم من ذلك، أنها يمكن أن تلعب دورًا احتياطيًا في حالة انقطاع إشارة شبكة WAN، وتوفر وسيلةً للفنيين لقراءة أجهزة الاستشعار مباشرةً لتصحيح الأخطاء والتشخيص. على سبيل المثال، تعمل تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة مع جميع الهواتف الذكية المتوفرة في السوق تقريبًا.

على الرغم من أن الشبكة الأكثر كثافةً تُعزز المتانة، إلا أن بنيتها تُصبح مُعقدة وتُزيد من استهلاك الطاقة لأجهزة الاستشعار المترابطة من نقطة إلى نقطة. كما يُمثل مدى الإرسال مشكلةً؛ إذ لا تتجاوز التغطية باستخدام تقنيتي زيجبي وبلوتوث منخفض الطاقة بضع مئات من الأمتار كحد أقصى. ورغم أن مجموعةً مُتنوعةً من التقنيات قصيرة المدى تُعتبر تنافسيةً ومناسبةً لأجهزة الاستشعار القائمة على الشبكة والممتدة على نطاق الجوار، إلا أنها شبكات مُغلقة تتطلب في النهاية استخدام بواباتٍ لإرسال الإشارات إلى السحابة.

عادةً ما يُضاف اتصال خلية النحل في النهاية. يتجه موردو الإضاءة الذكية إلى استخدام اتصال خلية النحل من نقطة إلى سحابة لتوفير تغطية للبوابات أو أجهزة الاستشعار على مسافة تتراوح بين 5 و15 كيلومترًا. توفر تقنية خلية النحل نطاق إرسال واسعًا وبساطة في الاستخدام؛ كما توفر شبكات جاهزة للاستخدام ومستوى أمان أعلى، وفقًا لمجتمع خلية النحل.

قال نيل يونغ، رئيس قسم إنترنت الأشياء في GSMA، وهي هيئة صناعية تمثل مشغلي شبكات الهاتف المحمول: "يغطي مشغلو Action المنطقة بأكملها، وبالتالي لا يتطلبون بنية تحتية إضافية لتوصيل أجهزة الإضاءة الحضرية وأجهزة الاستشعار. تتميز شبكة Honeycomb في الطيف المرخص بالأمان والموثوقية، مما يعني أن المشغل لديه أفضل الظروف، ويمكنه تلبية عدد كبير من الاحتياجات، مع عمر بطارية أطول بكثير وصيانة بسيطة، ومسافة إرسال طويلة لمعدات منخفضة التكلفة."

من بين جميع تقنيات الاتصال المتاحة، ستشهد تقنية HONEYCOMB أكبر نمو في السنوات القادمة، وفقًا لشركة ABI. وقد دفع الاهتمام بشبكات الجيل الخامس (5G) والتنافس على استضافة البنية التحتية لها، المشغلين إلى استخدام أعمدة الإنارة وملء وحدات صغيرة بتقنية HONEYCOMB في المناطق الحضرية. في الولايات المتحدة، تعمل مدينتا لاس فيغاس وساكرامنتو على نشر شبكات LTE و5G، بالإضافة إلى أجهزة استشعار المدن الذكية، على أضواء الشوارع من خلال شركتي الاتصالات AT&T وVerizon. وقد كشفت هونغ كونغ مؤخرًا عن خطة لتركيب 400 عمود إنارة يدعم تقنية 5G كجزء من مبادرة المدينة الذكية.

التكامل الوثيق للأجهزة

وأضافت نيلسن: "تقدم شركة نورديك منتجات متعددة الأوضاع قصيرة وطويلة المدى، حيث يدعم نظام nRF52840 SoC تقنيات بلوتوث منخفضة الطاقة، وبلوتوث ميش، وزيجبي، بالإضافة إلى أنظمة Thread وأنظمة 2.4 جيجاهرتز الخاصة. يوفر نظام nRF9160 SiP القائم على تقنية Honeycomb من نورديك دعمًا لتقنيتي LTE-M وNB-iot. ويحقق الجمع بين التقنيتين مزايا في الأداء والتكلفة."

يتيح فصل الترددات لهذه الأنظمة التعايش، حيث تعمل الأولى في نطاق 2.4 غيغاهرتز دون الحاجة إلى إذن، بينما تعمل الثانية أينما توفرت شبكة LTE. عند الترددات المنخفضة والعالية، هناك توازن بين تغطية أوسع وسعة إرسال أكبر. أما في منصات الإضاءة، فعادةً ما تُستخدم تقنية الاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى لربط أجهزة الاستشعار، وتُستخدم قوة الحوسبة الطرفية للمراقبة والتحليل، ويُستخدم إنترنت الأشياء بتقنية قرص العسل لإرسال البيانات إلى السحابة، بالإضافة إلى التحكم في أجهزة الاستشعار لتحقيق مستويات صيانة أعلى.

حتى الآن، أُضيف زوج أجهزة الراديو قصيرة المدى وطويلة المدى بشكل منفصل، ولم يُدمج في شريحة السيليكون نفسها. في بعض الحالات، تُفصل المكونات نظرًا لاختلاف أعطال المُضيء والمستشعر والراديو. ومع ذلك، فإن دمج جهازي الراديو في نظام واحد سيؤدي إلى تكامل تقني أوثق وخفض تكاليف الاستحواذ، وهما عاملان أساسيان في المدن الذكية.

تعتقد شركة نورديك أن السوق يتجه نحو هذا الاتجاه. فقد دمجت الشركة تقنيات الاتصال اللاسلكي قصير المدى وتقنية إنترنت الأشياء بتقنية خلية النحل في الأجهزة والبرامج على مستوى المطورين، مما يتيح لمصنعي الحلول تشغيلهما معًا في تطبيقات الاختبار. صُممت لوحة نورديك DK لـ nRF9160 SiP للمطورين لتمكينهم من "تشغيل تطبيقات إنترنت الأشياء بتقنية خلية النحل الخاصة بهم"؛ ووُصفت لوحة Nordic Thingy:91 بأنها "بوابة جاهزة متكاملة" يمكن استخدامها كمنصة جاهزة للنماذج الأولية أو كدليل على صحة المفهوم لتصاميم المنتجات المبكرة.

يتميز كلاهما بتقنية nRF9160 SiP متعددة الأوضاع بتقنية قرص العسل، وتقنية nRF52840 SoC قصيرة المدى متعددة البروتوكولات. ووفقًا لشركة Nordic، فإن الأنظمة المدمجة التي تجمع بين التقنيتين لنشر إنترنت الأشياء تجاريًا لا تفصلها سوى أشهر قليلة عن التسويق التجاري.

صرحت شركة نورديك نيلسن: "لقد تم تجهيز منصة إضاءة المدن الذكية بجميع تقنيات الاتصال هذه؛ ويتضح للسوق كيفية دمجها معًا. لقد قدمنا ​​حلولًا لمجلس تطوير المصنّعين لاختبار كيفية عملها معًا. إن دمجها في حلول الأعمال أمرٌ ضروري، وفي غضون فترة وجيزة."