Взаимосвязанные умные города воплощают прекрасные мечты. В таких городах цифровые технологии объединяют множество уникальных гражданских функций, повышая операционную эффективность и интеллектуальность. По оценкам, к 2050 году 70% населения мира будет жить в умных городах, где жизнь будет здоровой, счастливой и безопасной. Что особенно важно, они обещают быть экологичными, последним козырем человечества в борьбе с разрушением планеты.
Но умные города — это тяжёлая работа. Новые технологии стоят дорого, местные органы власти ограничены, а политика переходит к коротким избирательным циклам, что затрудняет создание высокоэффективной и финансово эффективной централизованной модели внедрения технологий, которая могла бы использоваться в городских районах как на глобальном, так и на национальном уровне. По сути, большинство ведущих умных городов, упомянутых в заголовках новостей, — это всего лишь набор различных технологических экспериментов и региональных проектов, не имеющих перспектив для расширения.
Давайте рассмотрим мусорные контейнеры и парковки, которые стали «умными» благодаря датчикам и аналитике. В этом контексте окупаемость инвестиций (ROI) сложно рассчитать и стандартизировать, особенно учитывая раздробленность государственных учреждений (между государственными и частными службами, а также между городами, регионами и странами). Взгляните на мониторинг качества воздуха. Как легко рассчитать влияние чистого воздуха на здравоохранение в городе? Логично, что «умные» города сложно реализовать, но и сложно отрицать.
Однако в тумане цифровых перемен есть проблеск света. Уличное освещение во всех муниципальных службах предоставляет городам платформу для внедрения интеллектуальных функций и впервые за всю историю объединяет несколько приложений. Взгляните на различные проекты интеллектуального уличного освещения, реализуемые в Сан-Диего (США) и Копенгагене (Дания), и вы увидите, как их становится всё больше. Эти проекты сочетают в себе массивы датчиков с модульными аппаратными блоками, закреплёнными на фонарных столбах, что позволяет удалённо управлять самим освещением и выполнять другие функции, такие как подсчёт трафика, мониторинг качества воздуха и даже детекторы огнестрельного оружия.
С высоты фонарного столба города начали заботиться об удобстве жизни на улицах, включая транспортный поток и мобильность, шум и загрязнение воздуха, а также открывающиеся возможности для бизнеса. Даже парковочные датчики, традиционно устанавливаемые на парковках, можно недорого и эффективно подключить к инфраструктуре освещения. Целые города внезапно могут быть объединены в сеть и оптимизированы без необходимости перекапывать улицы, арендовать помещения или решать абстрактные вычислительные задачи, связанные с более здоровой жизнью и безопасными улицами.
Это работает, потому что, по большей части, решения в области умного освещения изначально не рассчитаны на экономию. Наоборот, жизнеспособность городской цифровой революции — это случайное следствие одновременного развития освещения.
Экономия энергии за счет замены ламп накаливания твердотельными светодиодными лампами, а также общедоступные источники питания и обширная инфраструктура освещения делают создание умных городов осуществимым.
Темпы перехода на светодиодное освещение уже замедлились, а интеллектуальное освещение переживает бум. По данным Northeast Group, аналитика интеллектуальной инфраструктуры, к 2027 году около 90% из 363 миллионов уличных фонарей в мире будут оснащены светодиодами. Треть из них также будут использовать интеллектуальные приложения — эта тенденция началась несколько лет назад. До тех пор, пока не будет выделено значительное финансирование и опубликованы чертежи, уличное освещение наилучшим образом подходит в качестве сетевой инфраструктуры для различных цифровых технологий в крупных умных городах.
Экономьте стоимость светодиодов
Согласно практическим рекомендациям производителей осветительных приборов и датчиков, интеллектуальное освещение может сократить административные и эксплуатационные расходы, связанные с инфраструктурой, на 50–70%. Однако большую часть этой экономии (около 50%, что достаточно, чтобы иметь ощутимый эффект) можно было бы достичь просто за счёт перехода на энергосберегающие светодиодные лампы. Остальная часть экономии достигается за счёт подключения и управления осветительными приборами, а также передачи интеллектуальной информации об их работе по всей осветительной сети.
Централизованные корректировки и наблюдения сами по себе могут значительно снизить расходы на техническое обслуживание. Существует множество способов, которые дополняют друг друга: планирование, сезонный контроль и корректировка сроков; диагностика неисправностей и сокращение количества выездов ремонтных бригад. Влияние увеличивается с размером сети освещения и отражается на первоначальной окупаемости инвестиций. Рынок утверждает, что такой подход может окупиться примерно за пять лет и потенциально окупится быстрее за счёт внедрения более «мягких» концепций умного города, таких как парковочные датчики, системы мониторинга дорожного движения, системы контроля качества воздуха и детекторы огнестрельного оружия.
Аналитическая компания Guidehouse Insights отслеживает более 200 городов, чтобы оценить темпы изменений. По данным компании, четверть городов внедряют интеллектуальные системы освещения. Продажи интеллектуальных систем стремительно растут. ABI Research подсчитала, что к 2026 году мировая выручка вырастет в десять раз и достигнет 1,7 миллиарда долларов. «Момент лампочки» Земли — это как раз то, что нужно: инфраструктура уличного освещения, тесно связанная с деятельностью человека, — это путь вперёд в качестве платформы для умных городов в более широком контексте. По данным ABI, уже к 2022 году более двух третей новых установок уличного освещения будут подключены к центральной платформе управления для интеграции данных с нескольких датчиков умного города.
Адарш Кришнан, главный аналитик ABI Research, отметил: «У поставщиков решений для умных городов, использующих инфраструктуру городских фонарных столбов для беспроводного подключения, датчиков окружающей среды и даже умных камер, есть гораздо больше возможностей для бизнеса. Задача состоит в том, чтобы найти жизнеспособные бизнес-модели, которые стимулируют общество к масштабному и экономически эффективному внедрению многосенсорных решений».
Вопрос уже не в том, стоит ли подключаться, а в том, как и насколько это важно. Как отмечает Кришнан, отчасти это связано с бизнес-моделями, но деньги уже поступают в умные города через кооперативную приватизацию коммунальных услуг (ГЧП), когда частные компании берут на себя финансовые риски в обмен на успех в венчурном капитале. Контракты «как услуга» на основе подписки распределяют инвестиции по срокам окупаемости, что также стимулирует активность.
В Европе уличные фонари, напротив, подключаются к традиционным сотовым сетям (обычно от 2G до LTE (4G)), а также к новому устройству стандарта HONEYCOMB IoT — LTE-M. Также набирает популярность фирменная технология сверхузкополосной связи (UNB), ZigBee, небольшая версия Bluetooth с низким энергопотреблением и производные от него IEEE 802.15.4.
Альянс Bluetooth Technology Alliance (SIG) уделяет особое внимание умным городам. По прогнозам группы, поставки маломощных Bluetooth-устройств в умные города вырастут в пять раз в течение следующих пяти лет, достигнув 230 миллионов в год. Большинство из них связано с отслеживанием активов в общественных местах, таких как аэропорты, стадионы, больницы, торговые центры и музеи. Однако маломощные Bluetooth-устройства также предназначены для использования в уличных сетях. «Это решение для управления активами повышает эффективность использования ресурсов умного города и помогает снизить эксплуатационные расходы», — заявил Альянс Bluetooth Technology Alliance.
Сочетание двух методов — лучше!
Однако у каждой технологии есть свои противоречия, некоторые из которых были разрешены в ходе дискуссий. Например, UNB предлагает более строгие ограничения на полезную нагрузку и сроки доставки, исключая параллельную поддержку нескольких сенсорных приложений или таких приложений, как камеры, которым это необходимо. Технологии ближнего действия дешевле и обеспечивают большую пропускную способность для разработки настроек «освещение как платформа». Важно отметить, что они также могут играть резервную роль в случае отключения сигнала WAN и предоставлять техническим специалистам возможность напрямую считывать показания датчиков для отладки и диагностики. Например, Bluetooth с низким энергопотреблением работает практически со всеми смартфонами на рынке.
Хотя более плотная сеть может повысить надёжность, её архитектура становится сложной и предъявляет более высокие требования к энергопотреблению взаимосвязанных датчиков типа «точка-точка». Дальность передачи данных также проблематична: покрытие при использовании ZigBee и Bluetooth с низким энергопотреблением составляет не более нескольких сотен метров. Хотя различные технологии передачи данных с малым радиусом действия конкурентоспособны и хорошо подходят для датчиков, работающих в сетях и охватывающих соседние районы, они представляют собой закрытые сети, которые в конечном итоге требуют использования шлюзов для передачи сигналов обратно в облако.
В конце обычно добавляется сотовое соединение. Среди поставщиков интеллектуального освещения наблюдается тенденция к использованию сотового соединения типа «точка-облако» для обеспечения покрытия шлюзов или датчиков на расстоянии от 5 до 15 км. Технология Beehive обеспечивает большую дальность передачи данных и простоту использования; она также обеспечивает готовое сетевое решение и более высокий уровень безопасности, по данным сообщества Hive.
Нил Янг, руководитель направления «Интернет вещей» в GSMA, отраслевой организации, представляющей операторов мобильной связи, отметил: «Действие операторов… обеспечивает покрытие всей территории, поэтому не требует дополнительной инфраструктуры для подключения городских осветительных приборов и датчиков. В лицензированном спектре сотовая сеть обеспечивает безопасность и надежность, а это означает, что оператор имеет наилучшие условия, может поддерживать большое количество устройств, значительно увеличить срок службы батареи, минимизировать техническое обслуживание и обеспечить большую дальность передачи данных с использованием недорогого оборудования».
По данным ABI, из всех доступных технологий связи технология HONEYCOMB будет демонстрировать наибольший рост в ближайшие годы. Ажиотаж вокруг сетей 5G и борьба за размещение инфраструктуры 5G побудили операторов устанавливать небольшие сотовые модули на фонарных столбах в городских условиях. В США Лас-Вегас и Сакраменто внедряют LTE и 5G, а также датчики «умного города» на уличных фонарях через операторов AT&T и Verizon. Гонконг только что представил план установки 400 фонарных столбов с поддержкой 5G в рамках своей инициативы «умный город».
Тесная интеграция оборудования
Нильсен добавил: «Nordic предлагает многорежимные устройства ближнего и дальнего радиуса действия благодаря своей системе на кристалле nRF52840 с поддержкой Bluetooth с низким энергопотреблением, Bluetooth Mesh и ZigBee, а также Thread и собственных систем 2,4 ГГц. Система nRF9160 SiP от Nordic на базе Honeycomb поддерживает LTE-M и NB-iot. Сочетание этих двух технологий обеспечивает преимущества в производительности и стоимости».
Частотное разделение позволяет этим системам сосуществовать: первая работает в свободном диапазоне 2,4 ГГц, а вторая — везде, где есть LTE. На более низких и более высоких частотах существует компромисс между более широкой зоной покрытия и большей пропускной способностью. Однако в платформах освещения беспроводные технологии ближнего радиуса действия обычно используются для соединения датчиков, периферийные вычислительные мощности — для наблюдения и анализа, а сотовый Интернет вещей — для отправки данных обратно в облако, а также для управления датчиками для более высоких уровней обслуживания.
До сих пор пара радиомодулей ближнего и дальнего действия добавлялась отдельно, а не встраивалась в один и тот же кремниевый чип. В некоторых случаях компоненты разделяются, поскольку отказы осветителя, датчика и радиомодуля различаются. Однако интеграция двух радиомодулей в единую систему обеспечит более тесную технологическую интеграцию и снижение затрат на приобретение, что является ключевым фактором для умных городов.
Компания Nordic считает, что рынок движется в этом направлении. Компания интегрировала технологии беспроводной связи малого радиуса действия и сотовой связи Интернета вещей в аппаратное и программное обеспечение на уровне разработчиков, чтобы производители решений могли одновременно запускать эти технологии в тестовых приложениях. Плата DK от Nordic для SiP nRF9160 была разработана для разработчиков, чтобы «заставить свои сотовые IoT-приложения работать»; Nordic Thingy:91 описывается как «полноценный готовый шлюз», который можно использовать в качестве готовой платформы для прототипирования или проверки концепции на ранних этапах разработки продуктов.
Оба устройства оснащены многорежимным сотовым чипом nRF9160 SiP и многопротокольной системой-на-кристалле малого радиуса действия nRF52840. По данным Nordic, встраиваемые системы, объединяющие эти две технологии для коммерческого развертывания Интернета вещей, появятся в продаже всего через несколько месяцев.
Компания Nordic Nielsen заявила: «Платформа интеллектуального городского освещения уже создала все эти технологии связи; рынок чётко представляет, как их объединить. Мы предоставили решения для производителей, чтобы они могли протестировать их взаимодействие. Их объединение в бизнес-решения — вопрос времени».
Время публикации: 29 марта 2022 г.