چکیده
مفهوم "شهرهای هوشمند" اهمیت بسیاری دارد چرا که هدف آن ارتقاء استانداردهای زندگی شهروندان از طریق بهبود زیرساخت شهرها، مدیریت ترافیک، حاکمیت، مدیریت آب و زباله، مدیریت برق، سیستم های سلامت، سیستم های ایمنی و امنیت، سیستم های آموزشی و غیره است. این مقاله مفهوم شهرهای هوشمند را توصیف می کند و مزیت های متعدد آن را بر می شمارد. همچتیت خدمات و کاربردهای مختلف مورد نیاز برای ایجاد یک شهر هوشمند و نقش فناوری های اطلاعات و ارتباطات (ICT) را در پیاده سازی آن ها مورد بررسی قرار می دهد. علاوه بر این، چالش های موجود در سیستم های فعلی ICT در ارتباط با نقش آن ها در پیاده سازی شهر هوشمند مورد بحث قرار می گیرد. این مقاله درباره ویژگی های پیشنهادی فناوری های نسل پنجم (5G) بحث می کند و توضیح می دهد که چگونه فناوری نسل پنجم می تواند بهترین ابزار برای پیاده سازی موفق شهرهای هوشمند باشد. در این مقاله موارد استفاده شهر هوشمند که توسط فناوری نسل پنجم توانمند شده است بیان می شود. فناوری نسل پنجم بر زیرساخت اینترنت اشیا (IoT) تاثیرگذار است و راه توسعه شهرهای هوشمند را هموار می کند.
کلید واژه ها: شهرهای هوشمند، فناوری های نسل پنجم (5G)، اینترنت اشیا (IoT)، ماشین به ماشین (M2M)، فناوری های اطلاعات و ارتباطات (ICT)
1. مقدمه
مفهوم "شهرهای هوشمند" در کشورهای در حال توسعه از اهمیت زیادی برخوردار شده است. در اینجا به بررسی دقیق ماهیت شهر هوشمند و دلیل نیاز به آن می پردازیم. خدمات و کاربردهایی که در پیاده سازی یک شهر هوشمند مورد نیاز هستند به طور کامل بررسی می شوند.
1-1 تعریف شهر هوشمند
به طور کلی تعریف پذیرفته شده ای برای یک شهر هوشمند وجود ندارد.
شهر هوشمند به معنای چیزهای مختلف در شهرهای متفاوت است. بنابراین مفهوم شهر هوشمند از یک شهر به شهر دیگر و از یک کشور به کشور دیگر متفاوت است و به سطح توسعه، تمایل به تغییر و اصلاح، منابع و اشتیاق ساکنان شهر وابسته است. یک شهر هوشمند می تواند دلالت های متفاوتی در برزیل نسبت به مثلاً اروپا داشته باشد. حتی در یک کشور نیز روش یکسانی برای تعریف یک شهر هوشمند وجود ندارد. این تعریف به طور مستمر به دلیل نواوری در فناوری در حال تغییر است. شهر یک سیستم پیچیده است و دربرگیرنده حوزه ها، زیرساخت ها، سازمان ها و فعالیت های مختلفی است. تمامی این موارد می بایست به صورت یکپارچه و هماهنگ با یکدیگر کار کنند تا یک شهر هوشمند ایجاد شود.
یک شهر هوشمند پایدار به عنوان یک شهر نوآورانه در نظر گرفته می شود که از فناورهای متعدد و ابزارهای دیگر برای بهبو کارآیی عملیات و خدمات شهری استفاده می کند و در نتیجه کیفیت زندگی شهروندان را ارتقاء می دهد و پایداری را با توجه به جنبه های اقتصادی، اجتماعی و زیست محیط تضمین می کند.
یک شهر هوشمند پایدار می بایست شکل هایی از زیرساخت ICT هوشمند، تحرک هوشمند، زندگی هوشمند، اقتصاد هوشمند، محیط زیست هوشمند، حاکمیت هوشمند و شهروندان هوشمند را در اختیار داشته باشد. این موضوع در ارتباط با یکپارچه سازی راهکارها، ارائه قابلیت همکاری متقابل و هماهنگی در بین سیستم های موجود در یک شهر همراه با مشارکت شهروندان و ذینفعان است.
هدف بنیادین یک شهر هوشمند می تواند اطمینان از این مساله باشد که شهروندان از منابع کافی آب، برق و گاز، تسهیلات مناسب اقامتی و حمل و نقل قابل اطمینان و سریع مطمئن باشند تا بتوانند به سرعت و با ایمنی به مقصد خود دست یابند. همچنین شهر هوشمند می بایست حاکمیت خوبی را ارائه کند و اطمینان دهد که شهروندان در فرآیند تصمیم گیری مشارکت داده می شوند. شهر هوشمند می بایست ایمنی و امنیت ساکنان در منازل خود و در هر جایی دیگری از جمله مکان های عمومی مانند خیابان ها، ایستگاه های اتوبوس، ایستگاه های قطار، فرودگاه ها، مراکز خرید، محل کار و غیره را تضمین کند. شهر هوشمند می بایست ساکنان را برای دسترسی به مراقبت سلامتی و آموزش با کیفیت حتی در مکان ها راه دور توانمند کند
1-2 نیاز به شهرهای هوشمند
شهرها به عنوان موتور رشد اقتصادی در نظر گرفته می شوند. ما شاهد هستیم که تمایل جهانی نسبت به مهاجرت مردم به شهرها به دلیل دسترسی به کار، تسهیلات بهداشتی و آموزشی وجود دارد. این سبب افزایش ازدحام در شهرها می شود و فشار زیادی بر منابع، افزایش تقاضا برای انرژی، آب و بهداشت و درمان و همچنین خدمات عمومی، آموزش، مراقبت سلامتی و غیره می شود. شهرها می بایست کارآمدتر شوند و برای مدیریت این وضعیت رشد شهرنشینی هوشمندتر شوند و راه های جدیدی را برای مدیریت پیچیدگی ها، افزایش کارآمدی و کاهش هزینه ها بیابند. هدف نهایی شهر هوشمند می بایست بهبود و ارتقاء کیفیت زندگی برای شهروندان و اطمینان از پایداری آن باشد.
فناوری های شهر هوشمند می توانند خدمات را به جوامع کم جمعیت فعلی با ارائه مدیریت راه دور سلامت، ارائه آموزش از راه دور، توزیع بهتر آب و برق، مدیریت موثر زباله و غیره ارائه کنند
1-3 شهرهای هوشمند: خدمات و کاربردها
خدمات و کاربردهایی که سبب "هوشمند شدن" یک شهر می شوند شامل این موارد هستند: موارد لازم برای بهبود زیرساخت شهر، موارد لازم برای ارتقاء کیفی زندگی ساکنان از طریق تضمین وضعیت بهتر اجتماعی و اقتصادی و موارد مورد نیاز برای حاکمیت بهتر شهر.
1-3-1 خدمات و کاربردها برای زیرساخت بهتر شهر
طراحی زیرساخت شهر در کمترین سطح می بایست اطمینان دهد که آب، برق و گاز کافی در اختیار ساکنان قرار می گیرد و زباله ها جمع آوری می شود. همچنین می بایست اطمینان دهد که راه ها و جاده های مناسب با روشنایی خوب و سیستم های حمل و نقل عمومی مناسب وجود دارد و ترافیک به طور موثر کنترل و مدیریت می شود تا امکان جابجایی راحت خودروها وجود داشته باشد.
جدا از ارائه برق به منازل، شرکت های خدماتی می بایست تجهیزات سنجش مشتریان را کنترل کنند تا از نظارت لحظه ای میزان مصرف آگاه باشند و به این صورت تامین منابع لازم به طور موثر متوازن و کنترل می شود. این کار سبب هوشمند شدن خدمات می شود. ساکنان می بایست این امکان را داشته باشند که برق را از طریق منابع تجدیدپذیر همانند انرژی خورشیدی در پشت بام تولید کنند و به این صورت نیاز داخلی آن ها به برق تامین می شود. همچنین آن ها می بایست بتوانند که برق مازاد را به شبکه برق تحویل دهند و منبع درآمد مناسبی را به این صورت کسب نماید.
تامین آب برای شهرواند می بایست دارای کیفیت خوبی باشد و همچنین سیستم هایی برای نظارت بر کیفیت آب در نقاط مختلف تامین آب مانند مخازن ذخیره سازی، مراکز توزیع و در محل مصرف کننده موجود داشته باشد. این مساله از اهمیت زیادی برخوردار است که آب ارائه شده به مشتری از کیفیت قابل قبولی برای مصرف برخوردار باشد. تامین آب می بایست قابل اطمینان باشد و شرکت های خدماتی بایستی توانایی نظارت بر فشار و عبور لحظه ای و همچنین نشت دقیق آب را داشته باشند. این امور می تواند منجر به بهبود جمع آوری درآمدها برای شرکت های خدماتی شود.
مدیریت شهری می بایست سیستم موثر مدیریت زباله را پیاده سازی کند که بتواند جمع آوری و دفع زباله را از طریق ردیابی و هدایت خودروهای خدمات جمع آوری زباله مورد نظارت و کنترل قرار دهد. روش های مناسب جداسازی زباله می بایست در مبدا اجرا شوند.
سیستم حمل و نقل عمومی می بایست تمام روش های موجود مانند اتوبوس، ترن های برقی و مترو را با یکدیگر یکپارچه کند به طوری که یک سیستم بلیت واحد برای تمامی آن ها قابل استفاده باشد. همچنین می بایست سیستم مناسب اعلام زمان بندی در تمامی ایستگاه ها وجود داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که مسافران به موقع می توانند به سیستم حمل و نقل دسترسی داشته باشند.
یک شهر هوشمند می بایست توانایی مدیریت موثر ترافیک را بدون ایجاد راه بندان ترافیکی نداشته باشد. عبور و مرور می بایست بسیار روان باشد. سیستم سیگنال دهی چراغ های راهنمایی می بایست با خدمات دیگر همانند آمبولانس ها و پلیس یکپارچه باشد تا در شرایط اضطراری به آن ها اجازه عبور راحت را بدهد.
چراغ های روشنایی در خیابان ها می بایست به اندازه کافی باشد و به طور موثر مدیریت شوند به طوری که به صورت خودکار با تشخیص افراد در خیابان خاموش یا روشن شوند. این کار منجر به صرفه جویی در انرژی می شود.
1-3-2 خدمات و کاربری ها برای بهتر شدن وضعیت اجتماعی و اقتصادی ساکنان
خدمات و کاربری ها برای بهبود زیرساخت شهری تاثیر مثبتی بر سلامت اجتمعی شهروندان خواهد داشت. علاوه بر این، جنبه هایی همانند ایمنی و امنیت، دسترسی به سلامت و آموزش مناسب نیز در بهبود شرایط اقتصادی و اجتماعی شهروندان از اهمیت زیادی برخوردار است.
یکی از مشکلاتی شهرها با آن مواجه هستند افزایش جرم، ناآرامی اجتماعی و مذهبی و ترس از حملات تروریستی است. به این منظور لازم است که شهرها مورد نظارت قرار بگیرند، نقاط مشکل خیز شناسایی شوند و اقدامات پیشگیرانه و اصلاحی انجام شود. این کار می تواند شامل نظارت تصویری 24 ساعته خیابان ها، مکان ها عمومی مانند ایستگاه های مسافری، مراکز خرید و غیره باشد. همچنین تجزیه و تحلیل رفتار شهروندان برای تشخیص فعالیت های مجرمانه الزامی است. حتی توانایی تشخیص افراد در بین جمعیت نیز ضروری است. علاوه بر این, نیاز به یکپارچه سازی داده ها از منابع دیگر (مانند گواهینامه رانندگی، پاسپورت، کارت های شناسایی و غیره) برای مقایسه و انجام اقدامات سریع وجود دارد. منازل می بیست با استفاده از نظارت و کنترل 24 ساعته و راه دور امن شوند.
لازم است دسترسی سریع به مراقبت سلامتی وجود داشته باشد حتی برای شهروندانی که به بیمارستان ها نزدیک نیستند که این کار از طریق سیستم های نظارت راه دور بر سلامت امکان پذیر است. این مساله برای مراقبت از نوزدان و کهن سالان بسیار مهم است.
مصرف انرژی در منازل می بایست به طور هوشمندانه از طریق کنترل لامپ ها و دیگر وسایل و یکپارچه کردن آن ها با سیستم های امنیتی خانه مدیریت شود که این کار منجر به ایجاد خانه های هوشمند می شود.
فرصت های آموزشی می بایست بری تمامی افراد و صرف نظر از فاصله تا موسسات آموزشی از طریق دسترسی راه دور سریع به کلاس های درس فراهم شود. این کار افراد را ترغیب به مطالعه و افزایش آگاهی می کند و فرصت های شغلی بهتری را در اختیار آن ها قرار می دهد.
1-3-3 خدمات و کاربردها برای مدیریت بهتر
مدیریت شهر می بایست سیستم هایی را برای مشارکت فعالانه شهروندان پیاده سازی کند. سیستم های مختلف خدمات شهری می بایست یکپارچه شوند تا نمای کلی از تمامی خدمات با درک روابط داخلی آن ها را فراهم کند. سیستم های ردیابی و شناسایی جرم و جنایت می بایست سبب واکنش سریع تر پلیس شود. سیستم های مدیریت فاجعه و واکنش به شرایط اضطراری می بایست سیستم های بیمارستانی، سیستم های آمبولانس، خودروهای آتش نشانی و سیستم های بکسل اضطراری را یکپارچه کند.
سیستم های مدیریتی می بایست شفافیت و سادگی استفاده را در تمامی خدمات همانند پرداخت مالیات، ثبت نام اموال، پرداخت صورتحساب خدمات و غیره امکان پذیر سازند.
شکل 1 شرکت های مختلف خدمات شهری همانند برق، آب، مدیریت زباله، حمل و نقل و غیره را نشان می دهد که هر یک دارای خدمات و کاربردهای مستقل خود هستند. این خدمات و کاربردها تعاملی با یکدیگر ندارند.
2. شهرهای هوشمند: نیازمندی های ICT
فناوری های اطلاعات و ارتباطات (ICT) در پیاده سازی موفق شهرهای هوشمند نقش حیاتی دارند. قابیت اتصال و کنترل از مولفه های کلیدی در شهرهای هوشمند هستند که از طریق فناوری های ICT امکان پذیر می شوند. فناوری های ICT کنترل و مدیریت از راه دور تمامی عناصر مورد نیاز در فضای شهر هوشمند را انججرا می کنند. فناوری های ICT به یکپارچه کننده خدمات و کاربردهای مختلف تبدیل شده است و ساختار کنترل و فرمان دهی مرکزی را در اختیار مدیریت شهری قرار می دهد. حجم عظیمی از داده های شهری می بایست به صورت لحظه ای جمع آوری و تحلیل شود تا امکان واکنش مناسب فراهم شود. در این بخش نگاهی به نحوه توانمند سازی شهر هوشمند توسط فناوری های ICT می اندازیم.
2-1 توانمندسازی شهر هوشمند توسط فناوری های ICT
زیرساخت اصلی توانمند کننده شهرهای هوشمند، قابلیت اتصال شهر است. شهرهای هوشمند دربرگیرنده تعداد زیادی از کاربردهای اینترنت اشیا هستند که در آن میلیاردها دستگاه دیجیتالی با توان مصرفی پایین همانند حسگرها و فعال کننده ها توسط فناوری های شبکه ثابت یا سیار می بایست به یکدیگر متصل شوند. اتصال چنین دستگاه هایی بر بستر سیم کشی ثابت بسیار هزینه بر است و تقریباً غیرممکن است و به لین دلیل شبکه های سیار تنها راه انجام این کار هستند. دنیای ارتباطات تغییر عظیمی به سوی ماشین ها به جای انسان ها داشته است. قرار دادن یک سیم کارت در دستگاه ها و سپس اتصال آن ها از طریق یک شبکه به سیم به برخی زیرساخت های کنترلی راحت تر است که می تواند بر مبنای شبکه ثابت فیبر نوری باشد. این مساله در کاربردهای اینترنت اشیا در شهرهای هوشمند نقش اساسی دارد.
2-2 نیازمندی های فناوری های ICT در شهرهای هوشمند
ما می توانیم نیازمندی های ICT در شهر هوشمند را براساس دسته بندی های ذیل طبقه بندی کنیم:
کل شهر می بایست با استفاده از تجهیزات کنترل کننده و نظارتی به یکدیگر متصل شود. محل ها و نقاط کلیدی می بایست شناسایی شوند. حسگرهای مناسب، دوربین ها، فعال کننده ها و غیره براساس روش کنترل می بایست نصب و راه اندازی شوند. این دستگاه های تظارتی می توانند حجم عظیمی از داده ها را تولید کنند که نیازمند جمع آوری و یکپارچه سازی به روشی مناسب هستند. سپس آن ها می بایست با سیستم های پشتیبان ارتباط برقرار کنند تا این داده ها را تحلیل کنند و اقدامات مناسب را اتخاذ نمایند یا یان داده ها را برای کاربردهای دیگر به کار کیرند. سیستم های پشتیبان می بایست توانایی کنترل دستگاه ها از طریق فعال کننده ها را داشته باشند. بنابراین، آگاهی کامل و دقیق از شهر می بایست در اختیار مدیریت شهری قرار گیرد.
سیستم های فنی در فضای شهر هوشمند می بایست توانایی دسترسی لحظه ای به اطلاعات، تحلیل و اقدام مناسب براساس ان ها را داشته باشد. این منجر به مدیریت موثر و یکپارچه شهر می شود.
2-3 عناصر ICT یک شهر هوشمند
فناوری ها و سیستم های مختلفی که در ساخت یک شهر هوشمند مورد استفاده قرار می گیرند در این بخش ارائه شده است. عناصر اصلی ICT شامل یک مجموعه حسگر در شهر است که در تمامی نقاط مورد نیاز برای نظارت و کنترل توسط دوربین های CCTV، حسگرها، تگ های RFID، دستگاه های سیار، SIMS جاسازی شده، فعال کننده ها و غیره نصب می شوند. این نقاط شامل راه بندهای ترافیکی، ایستگاه های اتوبوس و قطار، خطوط انتقال آب و غیره است. این نقاط می توانند به جمع آوری کنندگان حسگری/ تجهیزات متصل شوند که سپس از طریق شبکه ارتباطی بی سیم یا سیمی به دستگاه هایی چون روترها یا سوئیچ ها برای انتقال و کنترل داده ها متصل می شوند.
فناوری های شبکه های ارتباطی زیرساخت شهرهای هوشمند را برای مسیرهای ارتباطی راحت، قابل اطمینان و مخفی دستگاه ها، رایانه ها و افراد با یکدیگر فراهم می کنند. این مسیر ارتباطی شامل شبکه های سیمی، بی سیم و ماهواره ای، اتصال ماشین به ماشین، شبکه منطقه ای خانگی (HAN)، شبکه منطقه ای فردی (PAN)، شبکه منطقه ای محلی (LAN)، شبکه منطقه ای شهری (MAN) و شبکه منطقه ای وسیع (WAN) است.
قابلیت دسترسی به داده ها به طور لحظه ای از طریق کاربری های مختلف در موفقیت شهر هوشمند نقش مهمی دارد. این کار به طور دستی توسط ماموران شهری یا به طور خودکار توسط سیستم ها قابل انجام است و در نتیجه اقدامات مناسب انجام می شود. همچنین قابلیت دسترسی نیازمند راه اندازی مراکز داده پیشرفته و زیرساخت ابری است که کاربردهای مختلف شهری را با یکدیگر یکپارچه می کنند.
تحلیل داده ها با کارآمدی زیاد با استفاده از الگوریتم های پیشرفته هوش مصنوعی که توسط یادگیری ماشین انجام می شود، توانمند کننده مهمی برای کاربردهای شهر هوشمند است چرا که تصمیم گیری ها می بایست به طور آنی و در حوزه های مختلف انجام شوند. این می تواند شامل درک وضعیت فعلی یک سیستم و پیش بینی شرایط آتی آن با استفاده از تحلیل پیش بینی کننده باشد.
خدمات و کاربردها در بین ساختارهای مختلف شامل خانه های هوشمند، ساختمان های هوشمند، امنیت هوشمند، حمل و نقل هوشمند، آموزش هوشمند، مراقبت هوشمند، خدمات هوشمند، مدیریت هوشمند و غیره است.
در نهایت، مرکز مدیریت و فرماندهی یکپارچه برای ارائه یک رابط واحد به منظور مشاهده تمامی اطلاعات شهری مورد نیاز است. این مراکز فرماندهی به این معنا نیستند که تنها یک مرکز برای یک شهر قابل به کارگیری است بلکه مراکز کوچک تر بسیاری نیز در نقاط مختلف شهر وجود دارد.
شکل 2 یکپارچگی خدمات و دپارتمان های مختلف شهری را نشان می دهد که به اشتراک گذاری داده ها در میان یکدیگر را امکان پذیر ساخته است و برای ارائه نمایش کلی و کنترل عملکرد کل شهر و هوشمندسازی شهر مورد نیاز است.
بنابراین فناوری های ICT برای خودکار کردن کارکردهای شهری و ارائه موثر خدمات مورد استفاده قرار می گیرند که به موجب آن دخالت انسان به حداقل می رسد و سبب شفافیت در سیستم می شود. این مساله اطمینان می دهد که نقش آفرینان در شهر هوشمند از جمله شهروندان، کسب و کارها، کارکنان دولت و غیره به طور منسجم در کنار یکدیگر کار کنند و منجر به مدیریت موثر شهر می شود.
3. محدودیت های فعلی در پیاده سازی شهرهای هوشمند
پیاده سازی شهر هوشمند به نحوه هزینه کرد، برنامه ریزی و عملکرد یک شهر وابسته است. یکی از محدودیت ها در پیاده سازی شهرهای هوشمند می تواند مقاومت دپارتمان های مختلف دولتی نسبت به اشتراک داده های خود با یکدیگر باشد. البته این موضوع مورد نظر این مقاله نیست و ما فرض می کنیم که این به اشتراک گذاری داده ها انجام می شود و به ارتباط داخلی فناوری برای به اشتراک گذاری داده های معنادار به منظور بهبود مدیریت شهر و در نتیجه ارتقاء کیفیت زندگی ساکنان می پردازیم.
قابلیت اتصال نقش کلیدی در زیرساخت مشترک دارد چرا که بسیاری از کاربری ها براساس آن پیاده سازی می شوند و به داده ها اجازه می دهد تا عمل اشتراک گذاری را انجام دهند. نیازمندی های شبکه ها در حال تغییر است. قابلیت اتصال در هر زمان، در هر جا و با هر چیزی مورد نیاز است، به این معنا قابلیت اتصال در هر زمان (روز یا شب)، در هر جا (داخل ساختمان، خارج ساختمان، در حرکت) در بین انسان ها، انسان به انسان (H2H)، ماشین به شی، شی به شی و ماشین به ماشین مورد نیاز است.
این مساله نیازمند شبکه ارتباطی موثر با قابلیت اطمینانی بیش از 99 درصد است و تاخیر بسیار کم انتها به انتها حدود 1 میلی ثانیه، پشتیبانی از تعداد زیادی دستگاه اینترنت اشیا، پهنای بسیار زیاد و پشتیبانی از دستگاه ها با طول عمر باتری زیاد است. سیستم های فعلی نسل سوم/ چهارم دارای محدودیت هایی در رفع این نیازها هستند.
4. نسل پنجم (5G) چیست؟
سیستم فعلی تکامل بلند مدت نسل چهارم (4G LTE) از انتقال داده ها با سرعت حداکثر 100 مگابیت بر ثانیه پشتیبانی می کند . در حال حاضر به سمت نسل پنجم (5G) در حرکت هستیم. ما در حال توسعه فناوری های پیچیده تر و هوشمندتر هستیم.
فناوری نسل پنجم به عنوان یک معماری شبکه ارتباطی مبتنی بر نرم افزار قابل توصیف است که به طور پویا به منظور ارائه لایه کنترل مناسب برای یک کاربرد معین قابل برنامه ریزی است. این موضوع سبب تسهیل موارد استفاده جدید و متنوع کسب و کارها می شود.
1 ویژگی های فناوری نسل پنجم
ویژگی های پیشنهادی نسل پنجم توان بالقوه تغییر مفهوم ارتباطات سیار را دارد. این ویژگی ها عبارتند از:
4-2 امکان پذیر ساختن موارد استفاده متنوع
فناوری نسل پنجم از الزامات تاخیر کمتر از 1 میلی ثانیه برای کاربری های حیاتی و همچنین تاخیرهای معمولی برای کاربردهای غیر حیاتی پشتیبانی می کند. همچنین از موارد استفاده متنوعی پشتیبانی می کند که سطوح بالایی از قابلیت شبکه را برای کنترل فرآیند و سطح معمولی قابلیت شبکه را برای کاربردهایی که چندان حساس به فرآیند نیستند فراهم می کند.
همچنین می تواند از کاربردهایی پشتیبانی کند که نیازمند حجم بالایی از اطلاعات برای پردازش لحظه ای هستند یا آن هایی که تنها میزان کمی از اطلاعات را برای پردازش نیاز دارند.
5. فناوری نسل پنجم: توانمند کننده فناوری برای شهرهای هوشمند
اینترنت اشیا به عنوان یکی از موارد استفاده اصلی در فناوری نسل پنجم در حال ظهور است. آگاهی در حال رشدی از تاثیر تبدیلی وجود دارد که اینترنت اشیا می تواند بر زیرساخت یک شهر و در نتیجه اهمیت فناوری نسل پنجم به عنوان توانمندکننده این فرآیند داشته باشد. بحث درباره اینترنت اشیا از کاربردهای آن همانند خودروهای متصل و سنجش هوشمند تا طیف وسیعی از فعالیت های تجاری در بخش های مختلف صنعتی مانند تولید، خدمات و غیره در حال گسترش است. فناوری نسل پنجم امکانات جدیدی را برای کاربردهای شهر هوشمند ایجاد می کند. فناوری نسل پنجم دستگاه هایی جدیدی را برای اتصال به اینترنت صرف نظر از موقعیت و زمان آن ها به یکدیگر متصل می کند که سبب یکپارچگی بیشتر بین کاربردهای مختلف می شود.
5-1 محرک های تقاضا برای شهر هوشمند
اگرچه ارتقاء قابلیت ارتقاء فناوری به نسل پنجم امکان پذیر است اما تصمیم به پذیرش آن به تقاضا برای بهبود خدمات و سرویس های جدید و کاربردهای آن ها همراستا با مزیت های اجتماعی- اقتصادی آن ها دارد. محرک های اصلی برای افزایش ترافیک سیار در شهر شامل درخواست ساکنان شهر، مدیریت شامل و کسب و کارهای شهر برای استفاده از خدمات بر روی شبکه سیار است.
5-1-1 محرک های مدیریت شهری
هدف اصلی مدیریت ضهری اطمینان از سلامت ساکنان با ارائه خدمات کافی همانند برق، گاز، آب، بهداشت و درمان و غیره به صورت موثر و اقتصادی است. با بهبود اقدامات و اطمینان از این که کمبودی از لحاظ منابع وجود ندارد، درآمد دپارتمان های مختلف خدماتی قابل افزایش است. همچنین با بهبود جاده ها و سیستم های حمل و نقل شهری، بهره وری ساکنان ارتقاء می یابد و منجر به افزایش درآمدهای مالیاتی می شود.
5-1-2 محرک های ساکنان شهر
نیازهای اصلی ساکنان شهر دستیابی به منابع قابل اطمینان همانند آب، برق، گاز، امکانات بهداشت و درمان، سیستم حمل و نقل خوب همراه با ایمنی و امنیت فردی است. ساکنان فراتر از این نیازمند می خواهند که از کیفیت زندگی در منزل و مکان های دیگر لذت ببرند.
5-1-3 محرک های کسب و کارهای شهر
کسب و کارها در شهر نیازمند فرصت های جدیدی است که به دلیل ارتقاء خدمات موجود یا ارائه خدمات جدید ایجاد شده است. این می تواند سبب جذب سرمایه گذاری شود و فرصت های اشتغال را برای ساکنان شهر ایجاد کند. این محرک ها می تواند منجر به نتایج ذیل شود:
5-2 فناوری نسل پنجم: توانمندکننده فناوری شهر هوشند
فناوری نسل پنجم همراه با ویژگی های پیشرفته اش که در ابتدای این بخش توضیح داده شد، به منظور بررسی درخواست های شهر هوشمند در جایگاه خوبی قرار گرفته است. ویژگی های فناوری نسل پنجم که پذیرش ایترنت اشیا در مقیاس بزرگ را امکان پذیر می سازد عبارت است از:
ماهیت پیشنهادی بسیار مقیاس پذیر و زمینه ای مربوط به شبکه های نسل پنجم می تواند از تنوع اینترنت اشیا و کاربردهای دیگر مورد نیاز شهرهای هوشمند که دارای نیازهای مختلفی برای قیمت گذاری، تحرک، تاخیر، قابلیت اطمینان و انعطاف شبکه هستند پشتیبانی کند.
6. کاربردهای شهر هوشمند و خدمات فعال شده توسط فناوری نسل پنجم
کاربردهای و خدمات محدودی از شهرهای هوشمند که توسط فناوری نسل پنجم امکان پذیر شده است در ذیل مورد بررسی قرار گرفته است.
6-1 خانه های هوشمند
یک خانه هوشمند می بایست نیازمندی های ساکنان را رفع نماید در حالی که آن ها در خانه و همچنین خارج از خانه مستقر هستند. این نیازمندی ها شامل نظارت و کنترل راه دور بر منازل، حفاظت و مدیریت کودکان و کهن سالان است. همچنین می بایست یک پلتفورم درگاه خانگی وجود داشته باشد که فناوری های مختلف را به عنوان ورودی ها بپذیرد و با سیستم مانیتورینگ متمرکز ارتباط برقرار کند.
موارد استفاده در خانه های هوشمند شامل نظارت و کنترل از راه دور امنیت خانه و کنترل از راه دور وسایل خانگی همانند هیترها، یخچال ها، سیستم های روشنایی، آبگرمکن ها و غیره است. انتظار می رود که منازل به منابع عظیمی از اطلاعات تبدیل شوند و میزان زیادی از داده ها را تولید کنند. آن ها مجموعه ای از دستگاه های متصل هستند که نه تنها اطلاعاتی درباره محیط خود ارائه می دهند بلکه همچنین با یکدیگر نیز ارتباط برقرار می کنند.
گوشی های همراه به عنوان رسانه ترجیحی نسبت به تلویزیون، سینما، رادیو و روزنامه پدیدار شده است. تلویزیون های هوشمند، گیت وی های هوشمند، کنسول های هوشمند و حتی تبلت ها می توانند به عنوان مرکز اصلی ارائه محتوای سرگرمی در خانه با یکدیگر رقابت کنند. تلویزیون های با کیفیت Ultra HD به رسانه ای برای پخش هزاران کانال UHD تبدیل شده اند. منازل نمایشگرهای مختلف تلویزیونی را در اختیار خواهند داشت و انتقال محتوا بین این نمایشگرها به رشته اصلی فعالیت تبدیل شده است. انتظار می رود که دانلود لحظه ای فیلم ها و نمایش آن ها از طریق فناوری نسل پنجم امکان پذیر باشد.
ویژگی های قابلیت اتصال دستگاه های بزرگ، سرعت زیاد و تاخیر بسیار کم از جمله مواردی است که فناوری نسل پنجم موارد فوق را امکان پذیر ساخته است.
6-2 آموزش هوشمند
روش سنتی آموزش با امکان پذیر شدن یادگیری در هر جایی منسوخ شده است. این نوع آموزش دیگر نیازی به سیستم مبتنی بر کلاس درس ندارد. قابلیت اتصال و راهکارهای مبتنی بر شبکه به زیرساخت اصلی تبدیل شده اند. دوره های آموزشی آنلاین متعدد که توسط قابلیت اتصال امکان پذیر شده است، به امری معمولی تبدیل شده اند. دانشجویان می توانند دروس آموزشی مورد نظر خود را انتخاب کنند. البته نیاز به ارائه آموزش با کیفیت به افرادی که امکان مسافرت ندارند وجود دارد.
یک جهان متصل به این معنا است که بخش اعظمی از والدین می توانند از فرآیند یادگیری فرزندان خود تبعیت کنند یا به آن بپیوندند. محدودیت کلاس های درس فیزیکی برداشته می شود و یادگیری با وجود فناوری های مختلف به صورت مجازی امکان پذیر شده است.
ویژگی های سرعت بالا و تاخیر بسیار کم فناوری نسل پنجم سبب امکان پذیر شدن ویژگی های فوق شده است و راه را برای آموزش هوشمند هموار می کند.
6-3 سلامت هوشمند
مشخصات فناوری نسل پنجم از موارد استفاده مراقبت سلامتی به شرح ذیل پشتیبانی می کند:
فناوری نسل پنجم در بهبود کیفیت برای فرآیندهای سلامت از راه دور ذیل تاثیرگذار است:
6-4 سیستم های حمل و نقل هوشمند
حوادث جاده ای با به کارگیری سیستم های هشداردهی از طریق ارتباطات خودرویی به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. خودروهای در حال خروجی می توانند به خودروهای دیگر اطلاع دهند که قصد دارند از بزرگراه خارج شوند و خودروهای وارد شونده به تقاطع ها پیام هشداری به دیگر خودروها ارسال می کنند. ترمزگیری خودکار در زمانی که خودرو مانعی را تشخیص می دهد سبب کاهش قابل ملاحظه تصادفات می شود.
برخی از ویژگی های خودرویی که توسط فناوری نسل پنجم توانمند شده است عبارتند از [9]:
تقاضا برای خودروهای متصل به صورت جهانی در حال افزایش است . خودروهایی که دارای ویژگی های قابلیت اتصال بودند تنها 7 درصد در سال 2013 بود. انتظار می رود که فروش خودرو در سال 2020 تعداد 92 میلیون باشد که 69 درصد آن دارای قابلیت اتصال خواهند بود.
ارتباطات خودرو به خودرو (V2V) شامل یک شبکه بی سیم است که اتومبیل ها پیام هایی را به یکدیگر همراه با اطلاعاتی درباره خود ارسال می کنند. این داده ها شامل سرعت، موقعیت، جهت حرکت، ترمزگیری و از دست رفتن پایداری است. فناوری نسل پنجم با ویژگی بالقوه تاخیر کم خود می تواند خودروهای متصل را امکان پذیر سازد.
ارتباطات خودرو با زیرساخت(V2I) دربرگیرنده یک شبکه بی است که اتومبیل ها پیام هایی را با زیرساخت های نصب شده در کنا جاده یا ماهواره ها رد و بدل می کنند که این اطلاعات شامل سرعت، موقعیت، جهت حرکت، ترمزگیری و از دست دادن پایداری است. فناوری نسل پنجم با توجه به ویژگی تاخیر بسیار پایین خود می تواند این ارتباطات را امکان پذیر سازد.
با پشتیبانی از ویژگی هایی چون اطلاعات وضعیت (مانند موقعیت، سرعت، شتاب و غیره) یا اطلاعات رخدادها (مانند ترافیک، جاده لغزنده، مه و غیره) که از طریق خودروها به خودروهای مجاور یا ایستگاه های پایه ارسال می شود، امکان جمع آوری و پردازش آن ها و اطلاع رسانی به خودروهای دیگر وجود دارد. این کار سبب جلوگیری از تصادفات در تقاطع ها می شود. فناوری نسل پنجم می تواند چنین موارد استفاده ای را امکان پذیر سازد.
فناوری نسل پنجم نسل بعدی خدمات سیار مانند رانندگی متصل و خودکار را امکان پذیر می کند.
6-5 ایمنی هوشمند و سیستم های نظارتی
ارائه ایمنی و امنیت به ساکنان شهرها یکی از نقش های مهم مدیریت شهر هوشمند است. همواره تهدیدهایی از سوی سارقان، آشوبگران و تروریست ها وجود دارد که می تواند منجر به از دست رفتن جان انسان ها شود و اثر منفی بر زندگی اجتماعی شهروندان داشته باشد.
شهرهای هوشمند می توانند امکانات نظارت تصویری و واکنش سریع را فراهم کنند. دوربین های نظارت ترافیکی می بایست امکان مشاهده و ضبط شرایط ترافیکی را داشته باشند. نظارت تصویری در دستگاه های خودپرداز، بانک ها، جواهر فروشی ها و جاده ها در امینی شهروندان نقش مهمی دارد.
فناوری نسل پنجم در شهر هوشمند یکپارچگی مشاهده لحظه ای از طریق دوربین ها و دسترسی به مکان ویژه را امکان پذیر می سازد. این کار منجر به شناسایی مجرمان یا شناسایی افراد در بین جمعیت می شود.
6-6 شبکه برق هوشمند
فناوری شبکه هوشمند از تجزیه و تحلیل دقیق و لحظه ای برق مصرفی و قطعی برق پشتیبانی می کند. فناوری نسل پنجم اتصالات بیشتر و کم هزینه دستگاه ها را امکان پذیر می سازد به طوری که پوشش دهی کاملی از سوی شبکه انرژی امکان پذیر خواهد بود. با استفاده از فناوری نسل پنجم تعداد زیادی از دستگاه های غیر متصل انرژی به طور لحظه ای به منظور پیش بینی دقیق تقاضای برق از طریق یکپارچه سازی آن ها امکان پذیر است. این کار به توازن بار و کاهش محتمل هزینه انرژی در منازل کمک می کند. همچنین قطع های با کاهش زمان از کار افتادگی به سرعت رفع می شوند.
فناوری نسل پنجم روشنایی هوشمند خیابان ها را امکان پذیر می سازد و دستگاه ها و حسگرهای متعددی در خیابان ها می توانند عبور و مرور افراد پیاده و خودروها را به طور لحظه ای رصد کنند و روشنایی معابر عمومی را در زمان عدم حضور افراد یا خودروها در خیابان کاهش دهند.
7. تاثیر اقتصادی فناوری نسل پنجم بر شهرهای هوشمند
راهکارهای شهر هوشمند که به مدیریت شبکه های برق و ترافیک خودروها اعمال شده است می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه ها و استفاده مناسب از میلیاردها دلار از طریق کاهش مصرف انرژی، مصرف سوخت و به کارگیری انرزی شود. راهکارهای فناوری نسل پنجم به شهرها این امکان را می دهند تا دفعات رفت و آمد را کاهش دهند، ایمنی عمومی را بهبود بخشند و بهره وری قابل توجهی در شبکه هوشمند ایجاد کنند [11].
شبکه های نسل پنجم با استفاده از شبکه های سلولی کوچک ساخته می شوند و دربرگیرنده 10 تا 100 برابر آنتن نسبت به شبکه های نسل سوم و چهارم هستند. این شبکه ها از افزایش تعداد دستگاه ها که منجر به اتصال بیشتر شبکه می شود پشتیبانی می کنند. انتظار می رود که اپراتورهای مخابراتی 275 میلیارد دلار در زیرساخت نسل پنجم سرمایه گذاری کنند که می تواند سه میلیون شغل جدید ایجاد کند و تولید ناخاص ملی (GDP) را به میزان 500 میلیارد دلار تقویت کند. خود زیرساخت جدید شبکه نسل پنجم می تواند مشاغل زیادی ایجاد کند. دولت ها می بایست از نصب زیرساخت های جدید نسل پنجم حمایت کنند چرا که تغییر در حال وقوعی از برج های مخابراتی سنتی به سایت های سلولی کوچک نصب شده بر روی لامپ ها وجود دارد.
براساس مطالعه ای که توسط موسسه New Policy انجام شده است، هر تغییر از نسل فعلی ارتباطات به نسل جدید سبب ایجاد فرصت های جدید شغلی بسیاری در نصب و پیاده سازی آن ها و همچنین خدمات قابل ارائه توسط آن ها می شود. این مساله می تواند تاثیر مثبتی بر تولید ناخالص ملی داشته باشد.
8. نتیجه گیری ها
هدف "چشم انداز یکپارچه" شهرهای هوشمند بهبود کیفیت زندگی شهروندان به صورت پایدار است. از اهمیت زیادی برخوردار است که همکاری بسیار خوبی بین ذینفعان مختلف در فضای شهر هوشمند وجود داشته باشد.
صنعت و ارائه دهندگان خدمات نمی توانند بر سیستم های بی سیم نسل سوم و چهارم فعلی برای ارائه قابلیت اطمینان، تاخیر کوتاه، راندمان انرژی دستگاه ها و غیره که در چشم انداز شهر هوشمند مورد نیاز است، تکیه کنند.
فناوری نسل پنجم در پیاده سازی اینترنت اشیا که زیرساخت اصلی شهرهای هوشمند را شکل می دهد نقش حیاتی دارد و در نتیجه به توانمند کننده ای برای شهرهای هوشمند تبدیل شده است. فناوری نسل پنجم می تواند شبکه های بی سیم را به میلیاردها دستگاه همانند خودروها، وسایل خانگی، ماشین آلات و فناوری های پوشیدنی متصل کند. موقعیت های نوآورانه از فناوری های شهر هوشمند همانند حسگرهای متصل و داده ها برای ارائه موثر و کارآمد خدمات استفاده می کنند. بنابراین، فناوری نسل پنجم اینترنت اشیا را ارتقاء می دهد و سبب رشد و توسعه شهرهای هوشمند می شود.
فناوری نسل پنجم زنجیره های ارزش را در هم می ریزد و فرصت های جدیدی را برای پیاده سازی شهرهای هوشمند فراهم می کند. فناوری نسل پنجم می تواند فرصت های جدیدی را در شهرهای هوشمند با ایجاد اشتغال به دلیل پیاده سازی ساختار خود و همچنین به عنوان نتیجه ای از فراهم شدن کاربردهای جدید، امکان پذیر سازد. این موضوع می تواند منجر به ارتقاء رشد اقتصادی و افزایش GDP سالانه در یک شهر شود.
همچنین می توانیم انتظار داشته باشیم که فرصت های شعلی در کسب و کارهای متداول به دلیل سیستم های خودکار ایجاد شده توسط نسل پنجم از بین بروند که نمونه آن خودروهای خودکار، پارکینگ های هوشمند، سیستم های هوشمند مدیریت زباله و غیره است.
فناوری نسل پنجم می تواند پهنای باند دسترسی شهروندان را افزایش دهد. این فناوری می تواند دسترسی کاربران سیار به سرعت زیاد را افزایش دهد اما این خطر وجود دارد که این فناوری در دسترس افراد فقیر در کشورهای در حال توسعه قرار نگیرد. این سبب افزایش شکاف بین ثروتمندان و فقرا می شود.
مدیران شهرهای هوشمند می بایست اطمینان دهند که تمامی شهروندان به طور یکسان می توانند از مزیت های فرصت های جدید و خدمات ارتقاء یافته توسط فناوری نسل پنجم بهره ببرند. چنین خدماتی می بایست قابل دسترسی و قابل پرداخت توسط تمامی افراد باشند. همچنین قوانین شفافی درباره جمع آوری و استفاده از داده های شهروندان می بایست ایجاد شود تا از سوء استفاده جلوگیری شود و حریم خصوصی شهروندان حفظ شود.
توان بالقوه شهرهای هوشمند توسط فناوری نسل پنجم شکوفا می شود و مشاغل و کسب و کارهای جدید ایجاد می شود. فناوری نسل پنجم امکان رشد اقتصادی و بهبود خدمات و کیفیت زندکی برای تمامی افراد را فراهم می کند.
منابع:
