«شهرهای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا: سیر تحول و چشم‌انداز آینده»

تحول و آیندهٔ شهرهای هوشمند با تکیه بر اینترنت اشیا

در دهه‌ی گذشته، مفهوم «شهر هوشمند» به‌طور پیوسته در حال توسعه بوده است. این روند، تحت تأثیر رشد روزافزون شهرنشینی در سراسر جهان و نیاز به مدیریت چالش‌های ناشی از آن شکل گرفته است. در این مدت، پروژه‌های متعددی در زمینهٔ شهرهای هوشمند اجرا شده‌اند — برخی در حد نمونه‌های آزمایشی، اما تعداد رو‌به‌رشدی از آن‌ها به سامانه‌های پایدار و عملیاتی تبدیل شده‌اند که به بهبود عملکرد شهر و ارتقای کیفیت زندگی شهروندان کمک کرده‌اند.

ازاین‌رو، شهرهای هوشمند همچنان یک الگوی بسیار مهم و مرتبط محسوب می‌شوند که برای دستیابی به ظرفیت کامل خود و ارائهٔ راهکارهایی پایدار و مقاوم، به توسعهٔ بیشتر نیاز دارند.

در این نوشتار، تمرکز اصلی بر «اینترنت اشیا (IoT)» به‌عنوان فناوری توانمندساز شهر هوشمند قرار دارد. در همین راستا، مقاله به بررسی وضعیت کنونی شهرهای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا می‌پردازد و تجارب و ابتکارهای شهری مرتبط را مرور می‌کند؛ یعنی مواردی که در آن‌ها فناوری IoT در خدمات شهری به‌کار گرفته شده و تأثیر قابل‌توجهی ایجاد کرده است.

همچنین، نوشتار  به معرفی فناوری‌های کلیدی توسعه‌یافته در این حوزه و نقش آن‌ها در تحقق مفهوم شهر هوشمند می‌پردازد. افزون بر این، به برخی چالش‌های موجود اشاره می‌کند و به معرفی طرح‌ها و فناوری‌هایی می‌پردازد که در حال توسعه هستند تا این چالش‌ها را برطرف کنند.

اگرچه این الگوهای پایداری و کارآمدی همواره برای مدیران شهری اهمیت داشته‌اند، اما تنها در سال‌های اخیر بوده است که فناوری امکانات گسترده‌ای را در اختیار مسئولان قرار داده است تا با استفادهٔ صحیح از آن‌ها صرفه‌جویی‌های قابل توجهی حاصل شود. همزمان، بهبود روزمرهٔ زندگی شهروندان، یک مفهوم جدید شهری را تثبیت کرده است که در آن فرآیندها و سیستم‌های مختلف شهر به‌طور مداوم و در زمان و مکان نظارت می‌شوند.

اینترنت اشیا (IoT) به‌عنوان فناوری تحول‌آفرین شناخته می‌شود که کاربرد آن در طیف وسیعی از حوزه‌ها و سناریوها امکان‌پذیر است. طبق گزارش اخیر مک‌کنزی، تأثیر اقتصادی بالقوهٔ IoT تا سال ۲۰۲۵ می‌تواند به ۱۱.۱ تریلیون دلار در سال برسد و بزرگ‌ترین منبع ارزش در میان تمامی فناوری‌های تحول‌آفرین باشد، فراتر از اینترنت موبایل، خودکارسازی کارهای دانش‌بنیان، رایانش ابری و رباتیک پیشرفته. اینترنت اشیا «. IoT » اطلاعات لازم برای پشتیبانی از خدمات هوشمند مبتنی بر زمینه را فراهم می‌کند که پشت توسعه فضاهای هوشمند قرار دارند. با پیشرفت فناوری‌های IoT، چشم‌انداز شهر هوشمند کم‌کم به واقعیت نزدیک می‌شود. هدف یک شهر هوشمند ایجاد یک اکوسیستم ثروتمند است که در آن عملکرد شهر بهینه شده و کارآمدی افزایش یابد، و همزمان فرصت‌های جدیدی ایجاد شود که زندگی شهروندان را بهبود بخشد.

چشم‌انداز شهرهای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا

ایدهٔ شهر هوشمند اولین بار در سال ۱۹۹۳ مطرح شد، زمانی که شهر سنگاپور خود را به‌عنوان یک «شهر هوشمند» معرفی کرد. بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰، مفهوم «شهر دیجیتال» مطرح شد که ارتباط نزدیکی با ایدهٔ شهر هوشمند داشت. اما تا سال ۲۰۱۰، علاقه به شهرهای هوشمند به‌طور تصاعدی افزایش نیافته بود و اولین نمونه‌های واقعی از شهرهای هوشمند تازه شروع به اجرا شدند.

در این بخش، مروری جامع اما غیرجامع‌الاطراف از شهرهای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا در سراسر جهان ارائه می‌شود، تا راهکارهای به‌کار رفته و خدمات ارائه‌شده بررسی شوند، نه تنها برای یافتن نقاط مشترک و تفاوت‌ها، بلکه برای نمایش روند تحول تجربیات عملی در پیاده‌سازی شهرهای هوشمند طی سال‌ها.

اصطلاح «شهر هوشمند» گاهی در معنای وسیع‌تر نیز استفاده می‌شود. در برخی موارد، داشتن زیرساخت ارتباطی مناسب برای یک شهر کافی است تا آن را «هوشمند» بدانند؛ و در موارد دیگر، شاخص‌های غیرتکنیکی مانند سواد، ورزش سازمان‌یافته یا حمایت از استارت‌آپ‌ها به‌عنوان عناصر کلیدی شهر هوشمند در نظر گرفته می‌شوند. در این مقاله، تمرکز بر شهرهایی است که حداقل یک عنصر قوی IoT در تعریف شهر هوشمند آن‌ها حضور دارد.

 

انتخاب شهرها و ملاحظات تحلیل

تا به امروز، رتبه‌بندی‌های متعددی از شهرها منتشر شده است، هم در منابع علمی و هم توسط سازمان‌های مشاوره‌ای. بنابراین، این نوشتار قصد ندارد شهرهای منتخب را رتبه‌بندی کند. معیارهای انتخاب و ویژگی‌های مورد تحلیل در بخش‌های بعدی، فهرستی جامع اما غیرجامع‌الاطراف از شهرهایی است که به نظر نویسندگان، نمایانگر تحول مفهوم شهر هوشمند مبتنی بر IoT هستند و همزمان برخی از شکاف‌ها و چالش‌های موجود را نشان می‌دهند.

شهرهای مورد بررسی شامل: سانتاندر (اسپانیا)، بوسان (کره جنوبی)، سنگاپور، شنژن (چین)، آتلانتا (آمریکا)، آمستردام (هلند)، سانی‌شاین کوست (استرالیا) و ریودوژانیرو (برزیل) هستند.

این بررسی با هدف نشان دادن تنوع رویکردها و پراکندگی در شهرهای مختلف دنیا انجام شده است. در برخی موارد، این پراکندگی حتی در خود یک شهر نیز مشاهده می‌شود. تحلیل هر شهر بر این اساس است که امروزه شباهت‌ها بیشتر در خدمات ارائه‌شده دیده می‌شوند، نه در راهکارها یا استراتژی‌های ارائهٔ آن‌ها، و این تحلیل با دیدگاهی جهانی انجام شده تا تنوع فرهنگی و ژئوپولیتیکی نیز در نظر گرفته شود.

شایان ذکر است که اطلاعات مربوط به خدمات واقعی ارائه‌شده در شهرهای هوشمند، اغلب از طریق انتشارات علمی یا فنی در دسترس نیست و بیشتر از بروشورها و اطلاعیه‌های خبری سطح بالا به دست می‌آید که تحلیل دقیق‌تر روش‌شناختی را دشوار می‌کند.

ارزش اصلی این بررسی در بینش‌هایی است که از شباهت خدمات شهری و تفاوت‌های راهبردی و فنی میان شهرهای مختلف به دست می‌آید. چالش‌های باز که در بخش ۴ مطرح می‌شوند، از همین بینش‌ها ناشی می‌شوند.

 

سانتاندر

پروژهٔ SmartSantander با هدف ایجاد یک مرکز آزمایشی اروپایی برای تحقیق و آزمایش روی معماری‌ها، فناوری‌های کلیدی، خدمات و برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا در زمینهٔ شهر هوشمند اجرا شد. این پلتفرم شامل زیرساخت IoT در حال رشد در سراسر شهر سانتاندر (اسپانیا) است که بیش از ۱۲,۰۰۰ حسگر و دستگاه مختلف IoT (حسگرهای ثابت و متحرک، برچسب‌های NFC، دستگاه‌های دروازه‌ای، تلفن‌های هوشمند شهروندان و غیره) را شامل می‌شود.

زیرساخت نصب‌شده شامل حدود ۳۰۰۰ دستگاه IEEE 802.15.4، ۲۰۰ دستگاه (عمدتاً دروازه) مجهز به ماژول ۳G و ۲۰۰۰ برچسب NFC/QR کد است که هم در مکان‌های ثابت (فروشگاه‌ها، نقاط گردشگری، ایستگاه‌های اتوبوس) و هم روی وسایل نقلیه (اتوبوس‌ها و تاکسی‌ها) نصب شده‌اند. علاوه بر این، تلفن‌های هوشمند شهروندانی که اپلیکیشن مربوطه را نصب کرده‌اند، جزو زیرساخت آزمایشی محسوب می‌شوند.

برای مدیریت این زیرساخت و ارائه خدمات به کاربران و توسعه‌دهندگان، از پلتفرم FIWARE استفاده شده است. مهم‌ترین جزء این پلتفرم، Orion Context Broker است که امکان دسترسی لحظه‌ای به داده‌های حسگرها را از طریق استاندارد NGSIv2 فراهم می‌کند.

چندین نمونه کاربردی و خدمات پایلوت در این پلتفرم اجرا شده است:

• پایش محیطی: اندازه‌گیری دما، CO، صدا و آلاینده‌های هوا توسط حسگرها، چه ثابت و چه متحرک روی خودروها.
• مدیریت و راهنمایی پارکینگ: حسگرهای زیرسطحی برای تشخیص ظرفیت پارکینگ، و تابلوهایی برای هدایت رانندگان به جایگاه‌های خالی.
• پایش ترافیک: اندازه‌گیری حجم ترافیک، اشغال مسیرها، سرعت خودروها و طول صف‌ها.
• آبیاری پارک‌ها و باغ‌ها: حسگرها برای بهینه‌سازی آبیاری و ارائه اطلاعات به مدیران فضای سبز.
• مدیریت زباله: حسگرهای موجود در مخازن کاغذ، پلاستیک و مقوا برای بهینه‌سازی جمع‌آوری.
• حسگری مشارکتی: امکان گزارش رویدادها و حوادث توسط کاربران و اطلاع‌رسانی به دیگر کاربران.

 

بوسان

شهر بوسان از سال ۲۰۰۵ فناوری‌های ICT را تحت عنوان «شهر همه‌جا حاضر» یا u-City به کار گرفت. در آن زمان، شورا بر نصب حسگرهای مختلف برای جمع‌آوری داده‌ها و بهبود خدمات شهری تمرکز داشت. u-City از زیرساخت ابری ارائه‌شده توسط همکاری شرکت‌ها استفاده می‌کرد، اما راهکارها و پلتفرم‌ها اختصاصی بودند و داده‌ها با مکانیزم‌های غیر استاندارد ذخیره می‌شدند.

پس از ۸ سال توسعه u-City، شورا متوجه شد که استفاده از استانداردهای جهانی IoT/M2M برای موفقیت و پایداری شهر هوشمند ضروری است.

فاز دوم پروژهٔ شهر هوشمند بوسان از سال ۲۰۱۶ با بودجه دولتی آغاز شد تا قابلیت همکاری میان سرویس‌ها، پلتفرم‌ها، شبکه، دستگاه‌ها و امنیت ایجاد شود. در سال ۲۰۱۷ هفت برنامهٔ آزمایشی اجرا شدند:

• چراغ خیابان هوشمند: صرفه‌جویی انرژی، افزایش ایمنی و زیبایی خیابان‌ها با LED و دوربین‌های مداربسته.
• خط عابر هوشمند: کاهش تصادفات با سیستم تشخیص عابر و توقف خودرو.
• پارکینگ هوشمند: کاهش تراکم ترافیک و افزایش راحتی رانندگان با ارائه اطلاعات پارکینگ در زمان واقعی.
• مدیریت انرژی ساختمان: کاهش مصرف انرژی با نصب هوشمند سنسورها و مترها.
• حمایت از افراد آسیب‌پذیر: اطلاع‌رسانی مکان افراد ضعیف به مراقبان.
• پیشگیری از گم شدن کودکان: اطلاع‌رسانی مکان کودکان به والدین و مراقبان.
• مدیریت فروشگاه هوشمند: نظارت بر تجهیزات فروشگاه، محیط و روند مراجعه‌کنندگان به‌صورت زنده.

 

منطقه سان‌شاین کوست

منطقه Sunshine Coast در استرالیا از سال ۲۰۱۶ اجرای برنامه شهر هوشمند را آغاز کرد، با هدف «ایجاد اقتصادی قوی‌تر، جامعه‌ای ایمن‌تر و بهبود ارائه خدمات به ساکنان، کسب‌وکارها و بازدیدکنندگان».
مزایای مورد انتظار از این طرح شامل کاهش انتشار کربن، کاهش ازدحام ترافیکی و مصرف منابع، ارتقای سطح خدمات و کیفیت زندگی شهروندان، کاهش هزینه‌های خدمات شهری، افزایش ایمنی و طراحی و برنامه‌ریزی مبتنی بر داده است. چارچوب شهر هوشمند این منطقه با همکاری شرکت‌های Cisco و Telstra طراحی شد.

پروژه‌های اجرایی این منطقه شامل موارد زیر است:

• اپلیکیشن شورای سان‌شاین کوست (SCC App): ارائه اطلاعات درباره امکانات، رویدادها، تورهای راهنما و همچنین مرکز اطلاع‌رسانی بحران با شماره‌های تماس اضطراری.
• خیابان هوشمند: ارائه اینترنت رایگان عمومی (WiFi) برای جمع‌آوری داده درباره نحوه استفاده مردم از فضاهای عمومی. تاکنون بیش از ۲۰۰ نقطه دسترسی نصب شده است.
• شمارنده‌های عابران پیاده و دوچرخه‌سواران: برای پایش تعداد کاربران پارک‌ها و مسیرهای پیاده‌روی و کمک به برنامه‌ریزی و نگهداری بهتر.
• روشنایی خیابانی LED متصل به شبکه: چراغ‌ها به‌صورت خودکار هنگام طلوع و غروب روشن و خاموش می‌شوند تا مصرف انرژی و انتشار CO₂ کاهش یابد.
• حسگرهای سطل زباله: اندازه‌گیری سطح زباله و ارسال هشدار هنگام پر یا خالی بودن سطل‌ها برای بهینه‌سازی جمع‌آوری زباله.
• سیستم آبیاری هوشمند: رطوبت خاک را پایش کرده و در صورت نیاز هشدار آبیاری می‌دهد. همچنین حسگرهای جریان آب نشتی‌ها را شناسایی می‌کنند تا از هدررفت آب جلوگیری شود.
• حسگرهای سیلاب: نصب‌شده بر روی جاده‌ها و پل‌هایی که مستعد آب‌گرفتگی هستند.

 

ریودوژانیرو

راهبرد شهر هوشمند ریودوژانیرو در ابتدا برای آماده‌سازی شهر جهت المپیک ۲۰۱۶ طراحی شده بود، اما وقوع رانش مرگبار زمین در سال ۲۰۱۰ ساخت مرکز عملیات شهری (Centre of Operations) را برای مقابله با بلایای طبیعی و هماهنگی واکنش‌های اضطراری تسریع کرد.
راهکار انتخاب‌شده مبتنی بر پلتفرم اختصاصی IBM برای شهرهای هوشمند بود. تمرکز اصلی این طرح بر ایمنی و امنیت شهری است؛ هم در زمینه پیشگیری و مدیریت بلایا و هم در زمینه شفافیت اطلاعات.

خدمات اصلی ارائه‌شده در این طرح شامل موارد زیر است:

• پایش و واکنش اضطراری: ویدئوهای دوربین‌های نظارتی شهر، هسته اصلی مرکز عملیات هوشمند (IOC) را تشکیل می‌دهند که بر کنترل ترافیک و وضعیت آب‌وهوا تمرکز دارد تا فعالیت‌های روزمره شهر بدون اختلال پیش برود.
• اشتراک داده میان نهادهای دولتی: سازمان‌های شهری مستقر در IOC از طریق پلتفرم IBM داده‌ها را میان خود تبادل می‌کنند تا کارایی خدمات افزایش یابد.
• پلتفرم Rio Agora: ترکیبی از یک شبکه اجتماعی آنلاین با پورتال Central 1746 است که به شهروندان امکان می‌دهد درباره سیاست‌های عمومی با شهرداری گفت‌وگو کنند و درخواست‌هایی مانند جمع‌آوری زباله، تعمیر جاده‌ها یا گزارش فعالیت‌های غیرقانونی را ثبت نمایند. این درخواست‌ها در سیستم IOC ثبت و پیگیری می‌شوند.

 

جمع‌بندی بررسی شهرها

همان‌طور که در جدول ۱ خلاصه شده است، بررسی شهرها نشان می‌دهد که تفاوت‌های زیادی میان آن‌ها وجود دارد، اما در عین حال وجوه اشتراک قابل‌توجهی نیز دیده می‌شود.
به‌طور کلی، چشم‌انداز کلان شهرهای هوشمند شامل درک بهتر از شهر برای بهبود خدمات عمومی است.
اهداف اصلی معمولاً شامل موارد زیر هستند:

• افزایش ایمنی و امنیت،
• بهبود بهره‌وری انرژی،
• کاهش مصرف منابع،
• دستیابی به پایداری،
• تقویت اقتصاد،
• و بهبود ارتباط میان شهر، شهروندان و حتی بین خود شهروندان.

راهبرد تحقق این اهداف معمولاً شامل جمع‌آوری داده از طریق حسگرها، دوربین‌ها و ورودی‌های مستقیم شهروندان است.
همچنین، ارتقای زیرساخت‌های ارتباطی و پردازشی و به‌طور کلی دیجیتالی‌سازی فرآیندهای کلیدی نقش اساسی دارد.

در برخی شهرها، خدمات هوشمند بلافاصله در مقیاس گسترده اجرا می‌شوند، اما در بسیاری دیگر ابتدا پروژه‌های آزمایشی کوچک انجام می‌شود تا تجربه و داده لازم به‌دست آید.
به‌طور کلی، یک شهر در یک گام «هوشمند» نمی‌شود، بلکه این فرآیند تکاملی و چندمرحله‌ای است.
شهرهای پیشرو از حدود سال ۲۰۱۰ آغاز به توسعه راهکارهای شهر هوشمند کرده‌اند و اکنون پس از چند سال، به سطح بالایی از بلوغ در این زمینه رسیده‌اند.

 

فناوری‌های کلیدی توسعه‌یافته

در یک شهر هوشمند، انواع حسگرها و عملگرها (اکچویتورها) برای اندازه‌گیری داده‌های مفید در سراسر شهر نصب می‌شوند. این دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) از طریق فناوری‌های مختلف شبکه، داده‌های اندازه‌گیری‌شده و فرمان‌های کنترلی را به پلتفرم اینترنت اشیا ارسال می‌کنند. داده‌های ذخیره‌شده در این پلتفرم‌ها سپس در برنامه‌های شهر هوشمند برای حل مشکلات مختلف شهری به کار می‌روند.

در سال‌های اخیر، خدمات هوشمند شهری که از هوش مصنوعی (AI) و کلان‌داده (Big Data) استفاده می‌کنند، معرفی و اجرا شده‌اند. از آنجا که امنیت داده و حفظ حریم خصوصی به موضوعی حیاتی تبدیل شده است، فناوری‌های مرتبط با آن نیز به بخش ضروری پلتفرم‌های شهر هوشمند بدل شده‌اند.

بنابراین در این بخش، مروری کلی بر فناوری‌ها و استانداردهای اصلی مورد استفاده در دستگاه‌های IoT، شبکه‌ها، پلتفرم‌ها، هوش مصنوعی و کلان‌داده و امنیت ارائه می‌شود.

 

فناوری‌های حسگر و عملگر

اینترنت اشیا از چندین لایهٔ فناوری تشکیل شده است که امکان تبادل داده میان اشیا را از طریق اینترنت فراهم می‌سازد تا در نهایت بتوان اقدامات هوشمند و خودکار انجام داد. ارزش این فرآیند به کیفیت داده‌های جمع‌آوری‌شده بستگی دارد، از این‌رو حسگرها و عملگرها یکی از اجزای حیاتی فناوری IoT و پایه‌ای‌ترین بخش در هر سامانهٔ هوشمند به شمار می‌آیند.

حسگرها دستگاه‌هایی هستند که تغییرات محیطی را شناسایی کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی (ولتاژ یا جریان) تبدیل می‌کنند. برای مثال، حسگرهای دما، صدا، رطوبت، فشار یا آلودگی.
در مقابل، عملگرها دستگاه‌هایی هستند که فرمان‌های دریافتی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند؛ مانند باز و بسته‌کردن شیرها، فعال یا غیرفعال کردن رله‌ها، تغییر رنگ یا موقعیت، و یا به‌صدا درآوردن آلارم.

این دستگاه‌ها سال‌هاست که در صنایع مختلف به کار می‌روند، اما با کوچک‌سازی و اتصال بی‌سیم از طریق اینترنت، فرصت‌های جدیدی در حوزه‌های گوناگون — از جمله شهرهای هوشمند — ایجاد کرده‌اند.

اینترنت اشیا شیوهٔ استفاده از حسگرها را دگرگون کرده است؛ زیرا داده‌های جمع‌آوری‌شده اکنون در فضای ابری تحلیل می‌شوند تا راهکارهای هوشمند برای انسان، ماشین و محیط ایجاد شود.

از آنجا که حسگرها و عملگرها اساس IoT را تشکیل می‌دهند، طراحی راهکارهای کم‌هزینه و کارآمد برای آن‌ها حیاتی است؛ زیرا مسئول پایش و کنترل محیط و بهینه‌سازی عملکرد در حوزه‌هایی چون شهرهای هوشمند، حفاظت محیط‌زیست، انرژی و صنعت هستند.

انواع متعددی از حسگرها در سامانه‌های IoT استفاده می‌شوند:
حسگرهای جریان، دما، ولتاژ، رطوبت، فشار و غیره — بسته به نوع کاربرد.

یکی از جنبه‌های مهم طراحی سامانه‌های پایش شهری، نحوهٔ استقرار حسگرها و عملگرها است. در این زمینه، سه نوع کلی از حسگرها وجود دارد:

الف) حسگرهای ثابت (Stationary Sensors)

در این حالت، تمام گره‌های شبکه در مکان‌های ثابت نصب می‌شوند. طراحی شبکه در این روش حیاتی است تا محدودهٔ پایش به‌خوبی پوشش داده شود و ارتباط بی‌سیم پایدار باقی بماند.
این نوع حسگرها در شهرهای هوشمند برای کنتورهای هوشمند آب، فاضلاب، روشنایی عمومی، پارکینگ و ترافیک بسیار کاربرد دارند.

ب) حسگرهای متحرک (Mobile Sensors)

در این حالت، حسگرها بر روی وسایل نقلیه نصب می‌شوند تا هنگام حرکت داده جمع‌آوری کنند. این وسایل می‌توانند ربات‌ها، پهپادها یا وسایل نقلیه عمومی مانند اتوبوس‌ها و کامیون‌های جمع‌آوری زباله باشند.
مزیت آن‌ها پوشش گسترده‌تر و هزینهٔ کمتر است، اما حفظ اتصال بی‌سیم و طراحی مسیر حرکتی از چالش‌های آن به شمار می‌رود.

ج) حسگرهای جمع‌سپاری‌شده (Crowd-Sourced Sensors)

در این روش، از دستگاه‌های شهروندان — به‌ویژه تلفن‌های هوشمند مجهز به حسگر — برای جمع‌آوری داده استفاده می‌شود.
این نوع حسگرها دو دسته‌اند:

• حسگری مشارکتی: کاربران خود داده ثبت می‌کنند (مثلاً گزارش خرابی تجهیزات شهری یا رویدادهای فرهنگی).
• حسگری فرصت‌محور: داده‌ها به‌طور خودکار از طریق گوشی کاربر جمع‌آوری می‌شود (مثلاً برای پایش ترافیک، وضعیت جاده یا کیفیت هوا).

 

فناوری‌های شبکه

محیط اینترنت اشیا شامل تعداد بسیار زیادی دستگاه هوشمند است که معمولاً از نظر توان پردازشی، حافظه و انرژی محدودیت دارند.
بنابراین، پیاده‌سازی IoT نیازمند پروتکل‌های ارتباطی کارآمد و کم‌مصرف است.

از دید ارتباطات بی‌سیم، فناوری‌های ارتباطی IoT به دو دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند:

1.        شبکه‌های شخصی بی‌سیم با توان کم (WPAN)

2.      شبکه‌های گسترده کم‌مصرف (LPWAN)

. WPAN

این شبکه‌ها برای ارتباطات کوتاه‌برد با توان و پیچیدگی کم طراحی شده‌اند. رایج‌ترین فناوری‌ها در این گروه عبارت‌اند از:

• IEEE 802.15.4 مبنای فناوری‌هایی مثل Zigbee
• Bluetooth به‌ویژه Bluetooth Low Energy یا BLE
• NFC و RFID

در بسیاری از شهرهای هوشمند اولیه، شبکه‌های Zigbee برای اتصال حسگرها به کار رفتند و داده‌ها از طریق دروازه (Gateway) به اینترنت منتقل شدند.
BLE به‌دلیل مصرف انرژی پایین و زمان راه‌اندازی سریع، در محیط‌های IoT بسیار پرکاربرد است.
NFC نیز برای ارتباطات بسیار نزدیک (چند سانتی‌متر) و شناسایی اشیای خاص به کار می‌رود.

. LPWAN

این فناوری‌ها جدیدترند اما به‌سرعت رشد کرده‌اند و اکنون پرکاربردترین گزینه در شهرهای هوشمند محسوب می‌شوند.
ویژگی‌های اصلی آن‌ها:

• مصرف انرژی پایین
• پوشش بسیار وسیع (تا چند کیلومتر)
• پشتیبانی از صدها یا هزاران گره در یک شبکه

رایج‌ترین فناوری‌های این دسته عبارت‌اند از:

• LoRa
• SigFox
• NB-IoT
• LTE-M

هرکدام ویژگی‌های خاص خود را دارند:

• SigFox متعلق به یک شرکت واحد و فعال در بیش از ۳۰ کشور.
• LoRa استانداردشده توسط «LoRa Alliance» و قابل استفاده در شبکه‌های خصوصی و اپراتوری.
• NB-IoT مبتنی بر فناوری مخابرات سلولی (LTE) و استانداردسازی‌شده توسط 3GPP.

این فناوری‌ها پوششی در حد کیلومتر دارند و باتری آن‌ها ممکن است چندین سال دوام بیاورد. اما سرعت انتقال داده در آن‌ها پایین است -(از ۱۰۰ بیت‌برثانیه در SigFox تا ۲۰۰ کیلوبیت‌برثانیه در NB-IoT.

هیچ فناوری واحدی وجود ندارد که برای همهٔ کاربردهای شهر هوشمند مناسب باشد. انتخاب فناوری به نیازهای هر شهر و زمان اجرای پروژه بستگی دارد.

در آغاز، فناوری‌های WPAN مانند Zigbee و BLE گزینه‌های اصلی بودند، اما امروزه LPWAN‌ها رایج‌ترین انتخاب‌اند. در آینده، شبکه‌های 5G به‌احتمال زیاد جایگزین خواهند شد، زیرا علاوه بر مصرف انرژی کم و پوشش وسیع، قابلیت اطمینان، کیفیت خدمات و امنیت بالاتری را نیز ارائه می‌کنند — ویژگی‌هایی که برای خدمات حیاتی شهرهای هوشمند ضروری است.

 

کاربردهای شهر هوشمند

شهروندان از شهرهای هوشمند انتظار دارند که با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین ICT، خدمات شهری را بهبود داده و هزینه‌های زندگی را کاهش دهند.در کره‌جنوبی، خدمات شهر هوشمند در ده دسته اصلی طبقه‌بندی شده‌اند: مدیریت شهری، حمل‌ونقل، سلامت، محیط‌زیست، امنیت، پیشگیری از بلایا، مدیریت زیرساخت‌ها، آموزش، فرهنگ و گردشگری، لجستیک و اشتغال.

با توجه به تنوع شهرها، خدمات هوشمند بسته به اندازه، موقعیت و سیاست‌های هر شهر متفاوت‌اند. به‌طور کلی، چهار حوزه اصلی خدمات شهر هوشمند عبارت‌اند از:

• حمل‌ونقل هوشمند: ایجاد سیستم حمل‌ونقل پاسخ‌گو و سازگار با خودروهای خودران و ارائه خدمات مبتنی بر تقاضا برای شهروندان.
• محیط‌زیست هوشمند: مدیریت هوشمند منابع آبی، پیشگیری از بلایای مرتبط با آب و به‌کارگیری فناوری‌های نو برای پایش کیفیت هوا و آب.
• انرژی هوشمند: توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر و ایجاد سامانه‌های مدیریت تقاضا برای افزایش خودکفایی انرژی شهر.
• امنیت هوشمند: استفاده از فناوری‌های نو برای خدمات سریع و دقیق در حوزه ایمنی شهری و مدیریت بحران‌ها.

 

هوش مصنوعی و کلان‌داده

ارزش اصلی اینترنت اشیا در شهر هوشمند، در بینش‌هایی است که از داده‌های حسگرها و کاربران استخراج می‌شود. این بینش‌ها باعث تصمیم‌گیری بهتر، خودکارسازی فرآیندها و بهبود کیفیت زندگی شهروندان می‌شوند.

کلان‌داده‌ها معمولاً با پنج ویژگی شناخته می‌شوند 5V
حجم (Volume)، سرعت (Velocity)، تنوع (Variety)، صحت (Veracity) و ارزش (Value).
این ویژگی‌ها نشان می‌دهند داده‌ها چه مقدار، با چه سرعت و کیفیتی تولید می‌شوند و چه ارزشی برای تصمیم‌گیری دارند.برای مدیریت این داده‌ها از دریاچه‌های داده (Data Lake) استفاده می‌شود؛ جایی که داده‌های متنوع ذخیره شده و از طریق APIهای شهر هوشمند قابل دسترسی و تحلیل هستند.

الگوریتم‌های هوش مصنوعی به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. تحلیل داده (Data Analytics)

• تحلیل توصیفی: مرور داده‌های گذشته و نمایش شاخص‌ها (مثلاً اوج ترافیک).
• تحلیل تشخیصی: بررسی علت رخدادها (مثلاً ازدحام به‌دلیل تعمیر جاده).
• تحلیل پیش‌بینی: پیش‌بینی وضعیت آینده با استفاده از داده‌های تاریخی.
• تحلیل تجویزی: ارائه راه‌حل برای بهبود شرایط (مثلاً تنظیم چراغ‌های راهنمایی برای کاهش ترافیک).

۲. یادگیری ماشین (Machine Learning)

• نظارتی (Supervised): آموزش مدل با داده‌های برچسب‌دار (مثلاً تشخیص نوع وسیله نقلیه از الگوی حرکت کاربر).
• بدون‌نظارت (Unsupervised): کشف الگوها و خوشه‌ها در داده‌ها (مثلاً شناسایی گروه‌های رفتاری گردشگران).
• یادگیری تقویتی (Reinforcement): یادگیری از طریق پاداش و خطا (مثلاً تنظیم هوشمند چراغ‌های راهنمایی).
• یادگیری عمیق (Deep Learning): استفاده از شبکه‌های عصبی چندلایه برای پردازش داده‌های حجیم مانند تصویر و ویدئو.

در پایان، بصری‌سازی داده‌ها اهمیت بالایی دارد تا الگوها، روندها و روابط پنهان مشخص شوند (مثلاً با نمودار، نقشه حرارتی یا دایره‌ای).

 

امنیت در شهر هوشمند

شهر هوشمند از سیستم‌ها و دستگاه‌های متعدد IoT تشکیل شده است و آسیب‌پذیری هر بخش می‌تواند کل شهر را تهدید کند. برای کاهش این خطرات، چند فناوری کلیدی امنیتی توسعه یافته است:

۱. راه‌اندازی امن (Secure Boot)

از بارگذاری سیستم‌عامل یا نرم‌افزارهای غیرمجاز جلوگیری می‌کند. با استفاده از امضای دیجیتال و کلیدهای رمزنگاری در سخت‌افزار، اطمینان حاصل می‌شود که فقط نرم‌افزار معتبر اجرا شود.

۲. شبکه‌های امن (Secure Networks)

داده‌ها هنگام انتقال بین دستگاه‌ها و پلتفرم IoT رمزگذاری می‌شوند.
نمونه‌ها:

• BLE 4.2 با اتصال رمزگذاری‌شده،
• Zigbee با الگوریتم AES-128،
• 5G (3GPP) با رمزنگاری هویت مشترکین (IMSI) و چارچوب احراز هویت یکپارچه.

۳. احراز هویت و کنترل دسترسی

به‌دلیل محدودیت سخت‌افزاری دستگاه‌های IoT، از روش‌های سبک‌تر برای کنترل دسترسی استفاده می‌شود. شامل نظارت دقیق بر فعالیت‌ها، ایزوله‌سازی دستگاه‌های مشکوک و کنترل بر پایه نقش‌ها.

۴. حفاظت از داده‌ها

حفظ تمامیت داده‌ها (مانند فایل‌های سیستمی، تنظیمات، گزارش‌ها) حیاتی است. از روش‌های CRC و توابع هش SHA-2 برای بررسی صحت داده‌ها استفاده می‌شود.
همچنین، قوانین بین‌المللی مانند GDPR اروپا و قانون حفاظت از داده‌های شخصی کره، برای حفظ حریم خصوصی و ناشناس‌سازی داده‌های شهروندان اجرا می‌شوند.

 

 

 

 

 

چالش‌های باز در شهرهای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا

با افزایش جمعیت شهری، مشکلاتی مانند ترافیک، مصرف بی‌رویه انرژی و کمبود منابع تشدید شده است. شهرهای هوشمند مجهز به اینترنت اشیا (IoT) به‌عنوان راه‌حلی برای این چالش‌ها مطرح شده‌اند، اما هنوز با موانع فنی، مدیریتی و حقوقی روبه‌رو هستند. مهم‌ترین این چالش‌ها عبارت‌اند از:

۱. رفع جزیره‌ای بودن برنامه‌ها

اکثر سامانه‌های شهر هوشمند به‌صورت جداگانه طراحی شده‌اند و امکان اشتراک داده‌ها بین آن‌ها محدود است. راه‌حل، استفاده از پلتفرم‌های مشترک و استانداردهای باز (مانند OASC) برای جداسازی منابع داده از برنامه‌ها و افزایش قابلیت همکاری است. در کنار چالش‌های فنی، موانع مدیریتی مانند رقابت میان سازمان‌ها و بودجه‌های مجزا نیز باید حل شود.

۲. حرکت به‌سوی پلتفرم‌های منعطف و استاندارد

هر شهر هوشمند زیرساخت و پلتفرم خاص خود را دارد که باعث دشواری در تبادل و تکرار راهکارها می‌شود. راهکار، گذار از پلتفرم‌های اختصاصی و قفل‌شده به سامانه‌های ماژولار بر پایه استانداردهایی مانند oneM2M و NGSI-LD و استفاده از نرم‌افزارهای متن‌باز (مانند FIWARE) است تا از انحصار فروشندگان جلوگیری شود.

۳. همکاری میان شهرها و سازمان‌ها

برای ارائه خدمات یکپارچه (مانند حمل‌ونقل یا پارکینگ) لازم است پلتفرم‌های مختلف شهرها با هم در ارتباط باشند. این کار با ایجاد پلتفرم‌های فدرال IoT ممکن است، اما نیازمند توافق میان سازمان‌ها درباره مالکیت داده و بودجه است. چنین ساختاری می‌تواند بازارهای داده و اپلیکیشن‌های شهری را شکل دهد.

۴. ایجاد فرصت‌های تجاری جدید

شهر هوشمند فقط برای کارایی و پایداری نیست، بلکه بستری برای اقتصاد داده‌محور و مدل‌های جدید کسب‌وکار است. اقتصاد مشارکتی (Peer-to-Peer) و استفاده از داده به‌عنوان دارایی مشترک، فرصت‌هایی برای شرکت‌ها و شهروندان ایجاد می‌کند. بااین‌حال، اشتراک و ارزش‌گذاری داده باید بر پایه قراردادهای شفاف و ارزش واقعی اطلاعات باشد.

۵. شفافیت و مشارکت شهروندان

پایداری شهرهای هوشمند بدون مشارکت فعال شهروندان ممکن نیست. باید از مدل‌های بالا به پایین فاصله گرفت و به سمت هم‌آفرینی خدمات (co-creation) حرکت کرد؛ جایی که شهروندان، شرکت‌ها و نهادها در طراحی خدمات مشارکت دارند. همچنین باید نگرانی‌های مربوط به حریم خصوصی و امنیت داده با رویکرد «امنیت از مرحله طراحی» رفع شود.

۶. ادغام در شبکه‌های آینده و رایانش نوین

با گسترش ۵G و افزایش حجم دستگاه‌های متصل، نیاز به پهنای باند بالا و تأخیر بسیار پایین افزایش یافته است. استفاده از رایانش لبه (Edge Computing) در کنار مجازی‌سازی شبکه (Network Virtualization) می‌تواند این چالش را کاهش دهد. نهادهایی مانند 3GPP و ETSI در حال تدوین استانداردهایی برای هماهنگی این فناوری‌ها هستند.

۷. تقویت تاب‌آوری و پایداری خدمات حیاتی

خدمات حیاتی شهر مانند امدادرسانی و زیرساخت‌های اضطراری باید بدون قطعی و با اطمینان بالا (۹۹.۹۹٪) کار کنند. این نیازمند زیرساخت‌های فیزیکی و دیجیتالی مقاوم، خودترمیم‌شونده و ایمن است. در حال حاضر نمونه‌های واقعی از چنین سامانه‌های حیاتی وجود ندارد و تحقیقات برای دستیابی به آن ادامه دارد.

۸. قوانین حریم خصوصی داده

به‌دلیل حجم عظیم داده‌های شخصی در شهرهای هوشمند، حفظ حریم خصوصی اهمیت ویژه‌ای دارد. مقرراتی مانند GDPR اروپا بر رضایت کاربران، حق حذف داده‌ها و ناشناس‌سازی اطلاعات تأکید دارد. پلتفرم‌های شهری باید این الزامات را در طراحی خود لحاظ کنند تا داده‌های شخصی مطابق قانون جمع‌آوری و پردازش شود.

 

تکنولوژی‌های کلیدی برای شهر هوشمند وجود دارند و در حال اجرا هستند، اما توسعه آن‌ها اغلب به‌صورت جداگانه و غیرقابل‌تکرار انجام می‌شود. حرکت به‌سوی استانداردسازی، پلتفرم‌های باز و همکاری میان نهادها، مسیر اصلی تحقق شهرهای هوشمند است.
چالش‌های اصلی دیگر، تاب‌آوری داده‌ها و شبکه‌ها، حفظ امنیت و حریم خصوصی، و جلب مشارکت فعال شهروندان است.در نهایت، شهرهای هوشمند می‌توانند بهره‌وری و کیفیت زندگی را به‌طور چشمگیری بهبود دهند، اما تحقق کامل آن نیازمند هم‌افزایی میان فناوری، مدیریت و فرهنگ همکاری است.

https://www.mdpi.com/1424-8220/21/13/4511