Взаимосвязанные «умные» города воплощают прекрасные мечты. В таких городах цифровые технологии объединяют множество уникальных городских функций для повышения эффективности и интеллектуальности работы. 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 «зелеными», последним козырем человечества против разрушения планеты.
Но создание «умных городов» — дело непростое. Новые технологии дороги, местные органы власти ограничены в своих возможностях, а политика смещается в сторону коротких избирательных циклов, что затрудняет создание высокоэффективной и финансово выгодной централизованной модели внедрения технологий, которая могла бы использоваться в городах по всему миру или на национальном уровне. Фактически, большинство ведущих «умных городов», о которых пишут в новостях, представляют собой лишь набор различных технологических экспериментов и региональных побочных проектов, и в плане перспектив для дальнейшего развития практически нет.
Рассмотрим мусорные контейнеры и парковки, которые оснащены «умными» датчиками и аналитическими системами; в этом контексте сложно рассчитать и стандартизировать рентабельность инвестиций (ROI), особенно когда государственные учреждения настолько разрознены (между государственными и частными службами, а также между городами, регионами и странами). Рассмотрим мониторинг качества воздуха; как легко рассчитать влияние чистого воздуха на здравоохранение в городе? Логично предположить, что «умные города» сложно реализовать, но и сложно отрицать их существование.
Однако в тумане цифровых преобразований есть проблеск надежды. Уличное освещение во всех муниципальных службах предоставляет городам платформу для внедрения интеллектуальных функций и впервые объединяет множество приложений. Посмотрите на различные проекты интеллектуального уличного освещения, реализуемые в Сан-Диего (США) и Копенгагене (Дания), и вы увидите, что их число постоянно растет. Эти проекты объединяют массивы датчиков с модульными аппаратными блоками, закрепленными на опорах освещения, что позволяет дистанционно управлять самим освещением и выполнять другие функции, такие как счетчики трафика, мониторы качества воздуха и даже детекторы оружия.
Начиная с высоты фонарных столбов, города стали уделять больше внимания «комфорту» городской среды на улицах, включая транспортный поток и мобильность, шумовое и воздушное загрязнение, а также новые возможности для бизнеса. Даже датчики парковки, традиционно размещаемые на парковках, могут быть дешево и эффективно подключены к инфраструктуре освещения. Целые города внезапно могут быть объединены в сеть и оптимизированы без необходимости перекапывать улицы, арендовать пространство или решать абстрактные вычислительные задачи, связанные со здоровым образом жизни и безопасностью улиц.
Это работает потому, что в большинстве случаев решения для интеллектуального освещения изначально не рассчитываются на экономию за счет таких решений. Вместо этого, жизнеспособность городской цифровой революции является случайным следствием одновременного развития технологий освещения.
Экономия энергии за счет замены ламп накаливания на светодиодные лампы, а также доступность источников питания и развитая инфраструктура освещения делают создание «умных городов» вполне осуществимым.
Темпы перехода на светодиодное освещение уже замедлились, а интеллектуальное освещение переживает бум. По данным аналитической компании Northeast Group, занимающейся интеллектуальной инфраструктурой, к 2027 году около 90% из 363 миллионов уличных фонарей в мире будут освещаться светодиодами. Треть из них также будет работать с интеллектуальными приложениями — тенденция, начавшаяся несколько лет назад. До тех пор, пока не будет выделено значительное финансирование и опубликованы соответствующие планы, уличное освещение лучше всего подходит в качестве сетевой инфраструктуры для различных цифровых технологий в крупных «умных» городах.
Экономьте на светодиодах
Согласно эмпирическим правилам, предложенным производителями осветительных приборов и датчиков, интеллектуальное освещение может снизить административные и эксплуатационные расходы, связанные с инфраструктурой, на 50–70 процентов. Но большая часть этой экономии (около 50 процентов, чего достаточно, чтобы это имело значение) может быть достигнута простым переходом на энергоэффективные светодиодные лампы. Остальная часть экономии достигается за счет подключения и управления осветительными приборами и передачи интеллектуальной информации об их работе по всей сети освещения.
Централизованная регулировка и наблюдение сами по себе могут значительно снизить затраты на техническое обслуживание. Существует множество способов, и они дополняют друг друга: планирование, сезонный контроль и корректировка времени; диагностика неисправностей и сокращение количества обслуживающих автомобилей. Эффект возрастает с размером сети освещения и отражается на первоначальной окупаемости инвестиций. Рынок утверждает, что такой подход может окупиться примерно за пять лет, а при внедрении более «мягких» концепций «умного города», таких как парковочные датчики, системы мониторинга дорожного движения, системы контроля качества воздуха и детекторы оружия, он может окупиться и за меньший срок.
Аналитическая компания Guidehouse Insights отслеживает темпы изменений в более чем 200 городах; по ее данным, четверть городов внедряют системы «умного» освещения. Продажи интеллектуальных систем стремительно растут. По расчетам ABI Research, к 2026 году глобальная выручка увеличится в десять раз и достигнет 1,7 миллиарда долларов. «Момент озарения» на Земле выглядит так: инфраструктура уличного освещения, тесно связанная с деятельностью человека, является перспективной платформой для «умных» городов в более широком контексте. Уже к 2022 году более двух третей новых установок уличного освещения будут подключены к центральной платформе управления для интеграции данных с множества датчиков «умного» города, сообщила ABI.
Адарш Кришнан, ведущий аналитик ABI Research, сказал: «Существует множество других возможностей для бизнеса для поставщиков решений для «умных городов», которые используют городскую инфраструктуру освещения, развертывая беспроводную связь, датчики окружающей среды и даже интеллектуальные камеры. Задача состоит в том, чтобы найти жизнеспособные бизнес-модели, которые побудили бы общество к масштабному и экономически эффективному внедрению многосенсорных решений».
Вопрос уже не в том, следует ли подключаться, а в том, как и насколько активно это делать. Как отмечает Кришнан, отчасти это связано с бизнес-моделями, но деньги уже поступают в «умные города» через кооперативную приватизацию коммунальных услуг (ГЧП), где частные компании берут на себя финансовые риски в обмен на успех в венчурном капитале. Подписочные контракты «как услуга» распределяют инвестиции на периоды окупаемости, что также стимулировало активность.
В отличие от этого, уличные фонари в Европе подключаются к традиционным сотовым сетям (обычно от 2G до LTE (4G)), а также к новому стандарту IoT HONEYCOMB — LTE-M. Также используются собственные технологии сверхузкополосной связи (UNB), Zigbee, небольшой набор технологий Bluetooth с низким энергопотреблением и производные от IEEE 802.15.4.
Альянс Bluetooth Technology Alliance (SIG) уделяет особое внимание «умным городам». Группа прогнозирует, что поставки маломощных Bluetooth-устройств в «умные города» вырастут в пять раз в течение следующих пяти лет, до 230 миллионов в год. Большинство из них используются для отслеживания активов в общественных местах, таких как аэропорты, стадионы, больницы, торговые центры и музеи. Однако маломощные Bluetooth-устройства также предназначены для наружных сетей. «Решение для управления активами повышает эффективность использования ресурсов «умного города» и помогает снизить эксплуатационные расходы города», — заявили в Bluetooth Technology Alliance.
Лучше использовать сочетание двух техник!
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 графики доставки, исключая параллельную поддержку нескольких приложений с датчиками или таких приложений, как камеры, которые этого требуют. Технологии ближнего действия дешевле и обеспечивают большую пропускную способность для разработки платформ освещения. Важно отметить, что они также могут играть резервную роль в случае отключения сигнала WAN и предоставлять техническим специалистам возможность считывать данные с датчиков напрямую для отладки и диагностики. Например, маломощный Bluetooth работает практически со всеми смартфонами на рынке.
Хотя более плотная сеть может повысить надежность, ее архитектура становится сложной и предъявляет более высокие требования к энергопотреблению взаимосвязанных точечных датчиков. Дальность передачи также является проблемой; покрытие с использованием Zigbee и Bluetooth с низким энергопотреблением составляет всего несколько сотен метров. Хотя существует множество конкурентоспособных и хорошо подходящих для сетевых датчиков, охватывающих целые районы, технологии ближнего действия представляют собой замкнутые сети, которые в конечном итоге требуют использования шлюзов для передачи сигналов обратно в облако.
В конце обычно добавляется сотовое соединение. Тенденция среди производителей интеллектуального освещения заключается в использовании сотового соединения «точка-облако» для обеспечения покрытия шлюза или сенсорного устройства на расстоянии от 5 до 15 км. Технология Beehive обеспечивает большую дальность передачи и простоту использования; по мнению сообщества Hive, она также предоставляет готовое сетевое решение и более высокий уровень безопасности.
Нейл Янг, руководитель направления «Интернет вещей» в GSMA, отраслевой организации, представляющей операторов мобильной связи, заявил: «Операторы Action… обеспечивают покрытие всей территории, поэтому не требуют дополнительной инфраструктуры для подключения устройств городского освещения и датчиков. В лицензированном спектре сотовая сеть обеспечивает безопасность и надежность, что означает, что оператор имеет наилучшие условия, может удовлетворить потребности большого количества пользователей, имеет гораздо более длительный срок службы батареи, требует минимального обслуживания и обеспечивает большую дальность передачи данных при низкой стоимости оборудования».
По данным ABI, из всех доступных технологий связи наибольший рост в ближайшие годы продемонстрируют сотовые конструкции. Ажиотаж вокруг сетей 5G и стремление разместить инфраструктуру 5G побудили операторов занять опоры освещения и установить небольшие сотовые конструкции в городских условиях. В США Лас-Вегас и Сакраменто развертывают сети LTE и 5G, а также датчики «умного города» на уличных фонарях через операторов AT&T и Verizon. Гонконг только что представил план по установке 400 фонарных столбов с поддержкой 5G в рамках своей инициативы «умный город».
Тесная интеграция оборудования
Нильсен добавил: «Компания Nordic предлагает многорежимные устройства ближнего и дальнего действия, в том числе SoC nRF52840, поддерживающий энергоэффективный Bluetooth, Bluetooth Mesh и Zigbee, а также Thread и собственные системы 2,4 ГГц. SiP nRF9160 на базе архитектуры Honeycomb от Nordic обеспечивает поддержку LTE-M и NB-iot. Сочетание этих двух технологий обеспечивает преимущества в производительности и стоимости».
Разделение частот позволяет этим системам сосуществовать: первая работает в свободном от разрешений диапазоне 2,4 ГГц, а вторая — везде, где есть LTE. На более низких и высоких частотах возникает компромисс между большей зоной покрытия и большей пропускной способностью. Но в системах освещения для соединения датчиков обычно используется беспроводная технология ближнего действия, для наблюдения и анализа — вычислительные мощности на периферии сети, а для отправки данных в облако и управления датчиками, что повышает уровень технического обслуживания, используется сотовая архитектура IoT.
До сих пор пара радиомодулей ближнего и дальнего действия устанавливалась отдельно, а не встраивалась в один и тот же кремниевый чип. В некоторых случаях компоненты разделялись, поскольку неисправности осветителя, датчика и радиомодуля различаются. Однако интеграция двух радиомодулей в единую систему приведет к более тесной технологической интеграции и снижению затрат на приобретение, что является ключевым фактором для умных городов.
Компания Nordic считает, что рынок движется в этом направлении. Она интегрировала технологии беспроводной связи ближнего радиуса действия и сотовой IoT-связи в аппаратное и программное обеспечение на уровне разработчиков, чтобы производители решений могли одновременно запускать обе технологии в тестовых приложениях. Плата DK от Nordic для nRF9160 SiP была разработана для разработчиков, чтобы «заставить работать их приложения IoT на основе сотовой сети»; Nordic Thingy:91 описывается как «полноценный готовый шлюз», который можно использовать в качестве готовой платформы для прототипирования или для проверки концепции на ранних этапах разработки продукта.
Обе системы используют многорежимную сотовую архитектуру nRF9160 SiP и многопротокольный SoC ближнего действия nRF52840. По данным Nordic, до коммерциализации встраиваемых систем, объединяющих эти две технологии для коммерческого развертывания IoT, осталось всего несколько месяцев.
Компания Nordic Nielsen заявила: «Благодаря созданной платформе для интеллектуального освещения городов, объединяющей все эти технологии, рынок четко понимает, как их комбинировать. Мы предоставили производителям решения для тестирования их совместной работы. Интеграция этих технологий в бизнес-решения крайне важна, и это лишь вопрос времени».
Дата публикации: 29 марта 2022 г.