چالش های وسایل هوشمند که باید در ساختن شهرهای رویایی هوشمند هدف قرار گیرند

در سرتاسر جهان، جوامع و صنایع تنها بر روی منابع آب و انرژی شان تکیه می‌ کنند. برای انرژی و به خصوص برق، در دو قرن گذشته این موضوع بر پایه سوخت های فسیلی بنا نهاده شده است. در قرن جدید باید چالش هایی هدف قرار داده شده که قبلا هرگز وجود نداشته است. این چالش ها به حدی مهم هستند که باید در برگیرنده مسائل فعلی باشند. اگر بخواهیم شهر هوشمندی را ایجاد کنیم و این رویا را به واقعیت تبدیل کنیم باید این چالش ها را قبل از هر چیزی هدف قرار دهیم. برخی از چالش های کلیدی که امروزه با آن ها روبرو هستیم عبارت است از :

• مقررات ملی و بین المللی که جایگزینی برای سوخت های فسیلی پیدا می کند. در این شرایط مسئولان باید روش های پاک تر و جدیدتری را برای تولید برق و کاهش تولید CO2 بیابند.
• ماهیت توزیع شده انرژی های تجدیدپذیر باعث تولید موارد متعددی می شود که به مدیریت در لحظه نیاز دارد.
• مانیتورینگ امن جریان انرژی برای مدیریت و مقاصد مالی در خانواده ها و سایر نهادها
• در نظر گرفتن تقاضای مشتریان در کشورهای توسعه یافته و تقاضای در حال رشد در اقتصادهای در حال توسعه
• تعادل عرضه و تقاضا برای ایجاد شبکه های برق کارآمدتر
• رشد سریع در ذخیره سازی مقیاس شبکه برای برنامه های تقاضا و پاسخ
• برقی کردن حمل و نقل که منجر به وصل شدن میلیون ها باطری به شبکه و  تغییر زمان اوج مصرف می شود.

هیچ کدام از این چالش ها را نمی توان بدون اعمال فناوری های اینترنت اشیا هدف قرار داد. وسایل و ابزارهای مرتبط با انرژی طیف وسیعی از خدمات را پوشش می دهند. در شکل ۱، ما طیف وسیعی از بخش ها و فعالیت ها را از تولید انرژی تا توزیع و استفاده مصرف کنندگان شناسایی می کنیم. لایه های بیرونی نمودار، نمونه هایی از برنامه های مرتبط با این بخش را ارائه می کنند. بیشتر این ها برای همه بخش ها مانند مدیریت دارایی ها، عیب یابی ها و نگهداری پیش بینی شده مشترک خواهند بود. در حالی که روش تجزیه و تحلیل انجام شده بستگی به بافت و زمینه برنامه دارد اما در صورت امکان داده های جمع آوری شده در منبع باید برای همه این برنامه ها به کار رود. در چنین شرایطی می توان مطمئن بود که داده ها دقیق هستند و دچار اختلال نشده اند.

بخش انرژی نیازمند استفاده از فناوری اینترنت اشیاست:

هدف مصرف کنندگان و تامین کنندگان امروزی شامل امن و کارآمد بودن انرژی، منبع پایدار انرژی، انتقال و مصرفی است که درک می شود و تعادلی بین منبع و نقاضا ایجاد می گردد. همه این ها باید توسط زیرساخت های بهینه سازی شده ای متعادل گردند. در همین زمان، نیاز به دیجیتالی شدن این عملیات باعث شده است برای رسیدن به اهداف همه کسب وکارها دست در دست هم حرکت کنند. هوشمندسازی شبکه ها با تجهیز همه بخش های موجود، نیازمند تجزیه و تحلیل ماهرانه داده ها برای درک کارکرد این وسایل و تعیین مواردی است که به بهینه سازی نیاز دارد. بر اساس گفته های آژانس بین المللی انرژی، مصرف کل انرژی موجود در سال ۲۰۱۶ به ۲۱۰۰۰ تریلیون وات رسید که ۳٫۲ درصد بیشتر از سال قبل بود. چیزی که بیشتر مشهود است رشد دو برابر بازار انرژی تا سال ۲۰۴۰ خواهد بود. تقاضای جهانی برای مصرف گاز تا سال ۲۰۲۳ با نرخ میانگین ۱٫۶ درصد رشد خواهد داشت.  تحقیقات موجود نشان می دهد در سال ۲۰۱۶ سرمایه گذاری های کلی در بخش برق و انرژی از سرمایه گذاری موجود بر روی بخش گاز و نفت پیشی خواهد گرفت و افراد برای تامین برقشان از انرژی های تجدید پذیر همچون  باد، امواج دریا، انرژی های خورشیدی و سایر موارد استفاده خواهند کرد. با اینحال بیش از یک میلیارد نفر از جمعیت سرتاسر جهان هنوز به برق کافی دسترسی ندارند و برطرف کردن این نیازها فشار بیشتری بر دوش شبکه ها و تامین کنندگان وارد می کند.

شکل۱: اینترنت اشیا در بخش انرژی

شکل ۲ مولفه های زنجیره تامین انرژی، از طریق تولید، انتقال، توزیع و در نهایت مصرف و صدور صورتحساب را نشان می دهد. موازی با این فعالیت ها،  تجزیه و تحلیل داده ای مورد نیاز برای صدور صورتحساب و سنجش عملکردهاست. اخیرا نسل جدید مبتنی بر مصرف، از قبیل استفاده از ریزپردازنده های اجتماعی، پنل های خورشیدی  و ذخیره سازی شروع به اضافه شدن به معادله عرضه و تقاضا شده است. شکل نشان می دهد اتصال این اجزا به هم در زنجیره تامین از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. اتصال و ارتباط چیزی فراتر از خود اتصال است. این ارتباط موارد زیر را شامل می شود:

• سخت افزارها و اجزای تشکیل دهنده- اجزای تشکیل دهنده سیلیکونی، ماژول ها، سنسورها، دستگاه ها و سایر روش های جمع آوری داده ای
• خدمات برقراری ارتباط که  موجب تبادل داده ها بین پلتفرم های اینترنت اشیا و در سرتاسر آن می شود و به افراد اجازه می دهد دستگاه ها را مدیریت کنند، داده ها را تجزیه و تحلیل نمایند و به رشد برنامه ها کمک کنند.
• مدیریت ذخیره سازی داده ها و تامین مسائل تحلیلی و یکپارچه سازی راه حل ها

ارتباط و اتصال در صنعت تامین برق چالش های زیادی پیش روی افراد قرار خواهد داد. از جمله این چالش ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• حجم وسیعی از داده ها

• سیستم های آی تی قانونی

• نیاز به تامین امنیت بهبود یافته به خاطر اتصال و ارتباط با سیستم های خارجی

• تمایز قائل شدن بین  طول عمر دارایی ها و فناوری های به کار رفته

انواع مختلفی از فناوری های برقراری ارتباط برای مقاصد مختلفی مفید خواهد بود. این ها در برگیرنده ارتباطات خطوط برق و فناوری های شبکه ای رادیوفرکانسی همچون وای فای و Zigbee به همراه WAN است.  انواع مختلفی از فناوری های سلولار نیز مورد استفاده قرار می گیرد که از جمله آن ها می توان به ۳G/4G با سلولار کم قدرت مثل فناوری اینترنت اشیا با باند باریک اشاره کرد. در این شرایط از فناوری های بی سیم  همچون فناوری LoRa و SigFox استفاده می شود.ROLA انتخاب های متعددی برای بیشتر برنامه ها دارد و به کاربران اجازه می دهد انرژی را  مانیتور کنند و بسنجند. طول عمر بالای باطری ها، توانایی های روی زمین و در خاک به همراه هزینه های پایینش باعث شده است گزینه خوبی برای افراد باشد. این فناوری همپنین از موقعیت یابی جغرافیایی برای سناریوهای مختلف نیز  پشتیبانی می کند. یکی از نمونه های چنین فناوری اپراتور Proximus است که اتصال NB-IoT را به شبکه هایش اضافه کرده و تلاش می کند ردپای LORA را بهبود ببخشد. برای کسب اطلاعات بیشتر به  https://www.proximus.com/en/news/proximus -launches-nb-iot-network-support-digitalmeters مراجعه کنید.

Semtech تولید کننده تراشه های LORA، تولیدکنندگان متر را هم تحت پوشش خود دارد و به آن ها کمک می کند فناوری Lora را در مترهای هوشمند اینترنت اشیای خود برای بهبود مدیریت تسهیلات یکپارچه سازی نماید.

شکل ۲: اجزای تشکیل دهنده زنجیره تامین انرژی

برنامه های اینترنت اشیا به اطمینان و اعتبار موارد موجود می افزایند. برنامه های کاربردی نشان داده شده در شکل ۱ همگی با مجموعه ای داده ها آغاز می شوند که از عناصر به هم متصل شده شبکه و دارایی های موجود به دست آمده اند. دستگاه های مختلف انواع مختلفی از داده ها همچون ولتاژ، فرکانس، بارگذاری قدرت، وضعیت سوییچ، دما، ویبراسیون و سایر پارامترهایی که مهندسان دوست دارند برای توصیف شرایط شان مورد استفاده قرار دهند  ارائه می کنند.

 پیگیری دارایی ها:

پیگیری دارایی ها بخشی از اینترنت اشیای صنعتی است. استفاده از  دارایی ها به عنوان ابزار نکته کلیدی برای پیگیری آن ها و پیشگیری از بروز مشکلات مرتبط با شبکه است. تجهیزات الکتریکی به کمک تکنسین های برق و قدرت به طور دقیق بررسی می شوند و گاهی از اوقات هم از هلیکوپترهایی که با دوربین تجهیز شده اند استفاده می گردد. این  موضوع ،مشکلاتی که می تواند به شکست فرآیندها، اتش سوزی یا انفجار منجر شود را شناسایی می کند.  علاوه بر این، با افزایش تمایل افراد به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، فناوری های پیشرفته هواپیماهای بدون سرنشین هم برای مانیتور کردن اتصالات جدیدی که منابع تجدیدپذیر را به شبکه های الکتریکی استاندارد متصل می کنند مورد نیاز خواهند بود. هواپیماهای بدون سرنشین برای بررسی شبکه در بخش های مختلف اروپا مورد استفاده قرار می گیرد. این هواپیماها می توانند داده هایی را جمع آوری کنند که به تکنسین ها  اجازه می دهد مدل های مجازی از بخش های مختلف شبکه ایجاد نمایند.

دستگاه های هوشمند اینترنت اشیا که به انرژی مرتبط هستند در برگیرنده مترها، اینورترها، برنامه ها، ترموستات ها هستند که می توانند داده های موجود را جمع آوری کنند و در اختیار برنامه ها قرار دهند تا عملکرد دارایی ها، کاربرد ، توسعه شان بهینه سازی شود. با اینحال چنین داده هایی را تنها زمانی می توان هوشمند و عملی کرد که به صورت لحظه ای نشان داده شوند و پردازش گردند.

نگهداری پیش بینی شده:

نگهداری پیش بینی شده یکی از موارد مهم برای بیشتر صنایع موجود است.  این موضوع به معنای مقایسه بخش های خاص وضعیت لحظه ای شبکه با داده های قبلی از شکست هاست. تجزیه و تحلیل داده ها در زمان واقعی و در لحظه می تواند احتمال بروز مشکل در آینده نزدیک را پیش بینی کند و به افراد کمک نماید مشکلات موجود را قبل از رخ دادنشان شناسایی و برطرف کنند.  اینکار باعث می شود قابلیت اعتماد و اطمینان شبکه با کاهش داون تایم، بهبود یابد. روش های جدیدی مدیریت داده ها برای ارائه بینش های جدید و درک داده های چمع آوری شده از ابزارهای موجود در شبکه در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، Weather Company که تحت مدیریت IBM فعالیت می کند مدل پیش بینی را توسعه داده است که  کلان داده را با یادگیری ماشینی ترکیب می کند تا بتواند خروجی امن و موثری را برای مدیریت ابزار ارائه کند. نگهداری پیش بینی شده و سایر برنامه های اینترنت اشیا، بخشی از یک چرخه تکراری بهبود مستمر هستند.این همان مفهومی است که در  صنایع  تولیدی به خوبی درک می شود.

با جمع آوری داده های جدید و اضافه شدن به پایگاه داده های متخصصان، می توان اطلاعات بیشتری درباره بخش های مختلف شبکه به دست آورد. این موضوع در سال های قبل در اختیار کاربران قرار نداشت. به کمک این روش، نگهداری پیش بینی شده دقت بیشتری خواهد داشت  و می تواند درک درستی از شبکه در حال کار ارائه کند.

سنجش هوشمند:

در انتهای زنجیره تامین مصرف کننده، سنجش های هوشمندی نصب شده اند که می توانند اطلاعات و داده های دقیقی در اختیار افراد قرار دهند. سنجش هوشمند زیر مجموعه ای از شبکه هوشمند است که از AMR تکامل یافته است. علاوه بر دریافت داده های دقیق درباره مصرف کننده، سنجش هوشمند فرصت هایی را برای تامین داده ها برای طیف وسیعی از برنامه ها فراهم می کند و می تواند به مدیریت انرژی منازل، پاسخگویی به تقاضا و شارژ و ذخیره سازی انرژی دستگاه های الکتریکی کمک کند.

 مدیریت ارتباط با مشتری:

مدیریت ارتباط با مشتری (CRM) به خاطر تقاضای زیاد از طرف مسئولان و مصرف کنندگان به یک موضوع بسیار مهم تبدیل شده است.  با رشد روزافزون نیازهای مصرف کنندگان، ابزارها باید موثرتر باشند و با ایرادات کمتری به کار خود ادامه دهند.

همین امر موجب رضایت مصرف  کنندگان می شود و به آن ها کمک می کند از خدمات موجود راضی باشند و به اطلاعات صورتحسابشان اعتماد کنند. تغییرات بزرگی در شبکه های سنتی رخ خواهد داد.

دستگاه های الکتریکی:

شارژ دستگاه های الکتریکی نیز به یک مشکل بزرگ تبدیل شده است چون افراد زیادی در حال استفاده از این دستگاه ها هستند و آن ها را از موقعیت های مختلف همچون محل کارشان شارژ می کنند. به همین خاطر شبکه های الکتریکی ممکن است با اضافه بار ناشی از مصرف زیاد برق مواجه شوند. این موضوع نیازمند مانیتورینگ اضافی فشار بر روی شبکه است. تعداد رو به رشد دستگاه های الکتریکی باعث تخلیه شبکه می شود و می تواند نیاز به برق را افزایش دهد. بر اساس تحقیقات انجام شده، فروش سالانه انرژی در آگوست سال ۲۰۱۸ به ۴ میلیون رسیده است. برای پاسخ دادن  به این نیاز، شرکت هایی همچون رنو، قراردادهایی را با شرکای کلیدی شان در بازار تامین انرژی اروپا امضا کرده اند. ین شرکت با مشارکت EDF، Total و Enel با هدف توسعه یک اکوسیستم هوشمند الکتریکی برای ترویج استفاده وسیع خودروهای الکتریکی اقدامات خود را آغاز کرده است.

 انرژی های تجدید پذیر  اضافه شده به این ترکیب:

از زمانی که سازمان ملل متحد اعلام کرد تغییرات عمده ای برای کاهش اثرات تغییرات آب و هوایی در سراسر جهان مورد نیاز است، تمرکز افراد بر روی انرژی های تجدیدپذیر هم بیشتر شد.

به همین خاطر  توصیه می شود تا سال ۲۰۳۰، ۴۵ درصد از نشر کربن در محیط زیست باید کاهش پیدا کند. دولت انگلستان اعلام کرده است که تلاش می کند تا سال ۲۰۲۵ به چنین هدفی دست پیدا کند. یکی دیگر از نشانه های بزرگ تغییر، حرکتی بود که شرکت Scottish Power در سال ۲۰۱۸ انجام داد. این شرکت اولین شرکت بزرگی در انگلستان بود که تلاش کرد از انرژی باد استفاده کند.  این شرکت تلاش می کند سرمایه گذاری های بیشتری بر روی انرژی های تجدیدپذیر همچون نور خورشید، امواج دریا، انرژی های دیگر داشته باشد.

 آب:

همه ما خیلی خوب می دانیم که بحران کمبود آب در سرتاسر جهان یک بحران جدی است و شدت خشکسالی ها روز به روز بیشتر می شود. با رشد جمعیت در نواحی روستایی و شهری، تقاضا برای تامین آب هم بیشتر خواهد شد.  آژانس بین المللی انرژی ادعا می کند بیش از ۳۴ درصد آب های موجود به خاطر مشکلاتی همچون خطاهای سنجش، توزیع نادرست شبکه ها، دزدی از بین می روند.

سایر عوامل موثر بر سرمایه گذاری بیشتر در زیرساخت های آب و فاضلاب شامل زیرساخت های قدیمی و افزایش پیچیدگی های مدیریت  و نگهداری تسهیلات آب و فاضلاب است. سیستم های نظارت بر کنترل و جمع آوری داده ها (SCADA) در دستیابی به اطلاعات از دستگاه های از راه دور مانند شیرها و پمپ ها مفید هستند و کنترل از راه دور از یک پلتفرم نرم افزار میزبان را ارائه می دهند. دولت انگلیس تلاش می کند شرکت های ارائه دهنده و تامین کننده آب مورد نیاز شهرها را مجبور کند از مترهای هوشمند استفاده نمایند.

به نظر می رسد صنعت آب باید مصرف آب و هدر رفت آن را مجبور است تا سال ۲۰۴۰ تا ۵۰ درصد کاهش دهد. Thames Water بزرگ ترین کمپانی تامین کننده آب پروژه های متعددی را در سال ۲۰۱۸ آغاز کرده است تا لوله کشی هایش را بررسی کند و وجود نشتی در شبکه ۲۰۰۰۰ مایلی اش را کشف نماید. این موضوع در برگیرنده استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین، ماهواره ها و سایر ابزارهایی است که شرایط موجود را بررسی می کنند و نشتی های احتمالی را می یابند. این شرکت  در نظر دارد تا سال ۲۰۲۰ الی ۲۰۲۵ نشتی آب را تا ۱۵ درصد کاهش دهد. اهدافی که قبلا تنظیم شده بود میسر نشد و همین امر موجب  تحمیل جریمه های سنگینی بر روی دوش شرکت ها گردید.

استفاده از اتصالات کم قدرت نیز کاربردی در اندازه گیری و مدیریت آب و همچنین قدرت است. در اسپانیا، FACSA، در حال توسعه مترهای هوشمند آب مبتنی بر LORA است تا بتواند پروژه شهر هوشمند را با موفقیت بیشتری دنبال کند. Telstra نیز گزارش کرده است که در حال استفاده از Telstra برای مانیتورینگ آب در استرالیاست.

آینده شهرهای هوشمند:

راه حل های شبکه هوشمند و انرژی های هوشمند روز به روز در حال افزایش است و برای رسیدن به اهداف مختلف طراحی شده است.  دید طولانی مدت اینترنت اشیای علاوه بر هدف قرار دادن چالش های فعلی  تلاش می کند تامین قدرت پروژه های مرتبط با شهر هوشمند را هم مدنظر داشته باشد و همه خدمات را به هم وصل سازد.

اینکار ممکن است نیازمند فناوری اتصال و ارتباط عمومی باشد که از سیستم های به هم متصل شده پشتیبانی می کند. با اینحال همه مواردی که بیان کردیم به شبکه امنی نیاز دارند که عنصر کلیدی دیگر برای بهبود مستمر است.