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智慧城市之層層面面
 

【作者: Mark Patrick】   2020年04月07日 星期二

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全球人口一直在增長,越來越多人正在遷移到城市環境,為社會和經濟發展創造了大量的機會。因此,要為每個城市公民都提供良好生活品質,基礎設施和現有資源面臨更大的壓力。快速都市化和採用日益先進技術來支援更美好生活方式,此雙重趨勢導致了「智慧城市」出現。


雖然我們都認同技術即將成為智慧城市支柱,但它本身並不能推動實施。這要仰仗城市治理、商界以及實際公民,他們需要利用現有技術來實現上述目標。為了實現更高可持續性,促進經濟增長和提高生產效率,透過關鍵基礎設施投資、深思熟慮的政策和廣泛公眾參與,對於城市環境轉型至關重要。



圖1 : 智慧城市的推動實施要仰仗城市治理、商界以及實際公民,他們需要利用現有技術來實現上述目標。
圖1 : 智慧城市的推動實施要仰仗城市治理、商界以及實際公民,他們需要利用現有技術來實現上述目標。

IDC智慧城市支出指南(Smart Cities Spending Guide)指出,2019年針對智慧城市計畫的年度財政支出達到 950 億美金,到 2022 年將增至 1580 億美金,其中包括智慧街道照明、視覺監控、高級公共交通和智慧交通流量管理等應用。全球研究人員和技術開發人員正在研究可以採取哪些措施來最大化智慧計畫之影響,同時將部署成本降至最低。實現這一目標之最佳途徑是盡可能利用現有基礎設施。


智慧解決方案:應對城市生活問題

過去二十年中,快速都市化導致特大城市(人口超過一千萬)快速湧現,孟買(Mumbai)、雅加達(Jakarta)、波哥大(Bogota)、上海和拉哥斯(Lagos)都是快速增長城市的例證。隨著需求不斷攀升,在這些地區提供能源和水等重要公共服務正變得越來越具有挑戰性,而技術在為資源管理提供智慧解決方案層面可以發揮重要作用。自動讀表基礎設施 (AMI) 結合智慧讀表、感測器硬體、軟體分析、資料網路和資料管理機制,能夠實現公用事業公司與其客戶之間雙向通訊。遠端感測器設備可使住戶能夠不斷擷取相關資源(如水)消耗資料,並便於進行洩漏檢測,以便公用事業公司減少浪費。



圖2 : 隨著需求不斷攀升,在城市提供能源和水等重要公共服務越來越具有挑戰性,而技術在為資源管理提供智慧解決方案層面可以發揮重要作用。(Source:ARC Advisory Group)
圖2 : 隨著需求不斷攀升,在城市提供能源和水等重要公共服務越來越具有挑戰性,而技術在為資源管理提供智慧解決方案層面可以發揮重要作用。(Source:ARC Advisory Group)

交通擁塞是人口稠密城市另一嚴重的問題。為了應對這一挑戰,各國政府紛紛建立合作平台,以推廣電動車和共用交通,並鼓勵使用公共交通系統。智慧交通號誌燈和智慧交通訊號在道路上出現可以更好管理交通流量,這些感測器仰仗各種回應式感測器,能夠在給定時間點知曉特定狀況,而不僅僅是「啞的」計時器。除了為通勤圈生成即時交通更新外,捕獲資料還可以隨著時間推移與人工智慧(AI)平台一起使用,來預測典型交通模式並優化交通流量。


智慧街燈將能夠適應行人、自行車者和車輛運動。在未檢測到物體運動時,可以變暗,當有活動被檢測到,街燈變亮,從而可節省能源,降低營運成本,並延長照明燈具使用壽命。


為了確定犯罪行為發生,並減輕犯罪行為之影響,城市監控系統也非常重要。高階數位影像系統可?明市政官員和警員從集中控制室觀察整個城市正在發生的事情。類比攝影鏡頭更替為IP攝影鏡頭帶來了監控領域重大技術的變革,因為它有助於連接到網路基礎設施。


此外,視訊分析和演算法(如遊蕩檢測、聲音檢測和密集人群控制)進展也已證明非常有價值。但這裡必須指出,雖然這一切具有明顯安全的益處,但同時也引起了對個人隱私的嚴重關切。在未來智慧城市營運的其他層面,這肯定會是一個反覆出現問題,因為各種不同資料都需要處理,並且可能由不同利益相關方共用。


智慧城市關鍵技術

智慧城市之「智慧」層面來自於已使用的感測器、連線性和資料分析,物聯網(IoT)技術和AI可將所有這些整合在一起。物聯網基礎設施將被視為智慧城市的「神經系統」,作為獲取和傳輸資料的一種機制,並提供一個平台來提供一系列不同的服務。


一個典型智慧系統旨在使用多個感測器來同時監控物件各種的屬性。以前,街燈專用於照亮公共區域,但放眼未來,這些街燈可為智慧城市提供所需的物聯網基礎設施,同時盡可能利用已部署的現有硬體。當下,我們開始看到普通街燈演變為智慧電線桿,具有運動、溫度和空氣品質感測功能,以及攝影鏡頭(可能包括四到六組,以獲得多向視圖)都整合在一起,智慧電線桿上還可安裝能量收集系統(如太陽能電池或小型風力渦輪發電機)用來供電,使它們能夠自我維持。


智慧城市基礎設施使用的通訊協定將取決於所執行的任務屬性,以及必須面對的應用條件和約束。典型IoT設備透過有線連接(如乙太網路)或無線連接(例如藍牙或LoRa)連接到本地網路閘道或資料集中器(DCU)等設備。然後,這些本地通訊協定傳輸資料將轉換為IP並透過支援回載(backhaul)網路發送。由於有許多種可用的協定,它們對硬體要求和相關的成本產生不同影響,因而決定採用何種最佳的協定需要深思熟慮。工程師可從下述多種技術進行選擇:頻寬受限短距離無線技術(如BLE和Zigbee)或低功耗廣域網路(LPWAN)技術(如LoRa、Wi-SUN、Sigfox和NB-IoT)等。


Wi-Fi通常被視為第一和最直接選擇,因為它如今已經是無處不在,令人難以置信。然而,其功耗卻是一個巨大問題,意味著不適用於大部分智慧城市功能(除家庭和樓宇自動化之外),這催生了另一種技術IPv6,用於低功耗無線個人局域網路(6LoWPAN)。這種技術支援部署小型、節能物聯網感測器節點,具備有限處理能力,在智慧型電網和工業監控實施中已經司空見慣。



圖3 : 智慧城市基礎設施使用的通訊協定將取決於所執行的任務屬性,以及必須面對的應用條件和約束。(Source:ARCAdvisoryGroup)
圖3 : 智慧城市基礎設施使用的通訊協定將取決於所執行的任務屬性,以及必須面對的應用條件和約束。(Source:ARCAdvisoryGroup)

雖然6LoWPAN運作在較小範圍,LoRa、Sigfox和NB-IoT是遠端LPWAN主要參與者。這些技術具備低功耗特性,能夠支援更長電池壽命,因此當少量資料需要在一天內多次以相對較遠距離發送時,它們非常有效。LoRa 和 Wi-SUN(一種在智慧公用事業市場日益受到關注的新協定)屬於非蜂巢LPWAN 協定,在無需許可頻譜中運作,而NB-IoT透過蜂巢頻率傳輸(相關成本需要考慮)。


NB-IoT的網路效率遠遠超出非蜂巢 LPWAN 所能及之目標, 僅使用部分可用頻譜便提高支援大量新連接能力。這降低功耗,支援電池壽命可超過10年。NB-IoT也具有很長覆蓋距離,因為它可以穿透地下,並進入封閉空間(在室內提供 20+dB 覆蓋)。


5G 是智慧城市催化劑?

倘若沒有強大網路支援,許多智慧城市解決方案將無法實現。行動通訊將成為連接最終使用者(即公民自己)與其居住城市之管道。圍繞5G技術的炒作/爭論在一年多來越來越多,當下,我們終於看到所有努力開始結出果實。5G帶來的優勢包括高速(高達10Gbps)和更大頻寬(用於應對更多連接設備)。除此之外,另一個關鍵優勢是設備ping 網路與獲得回應之間延遲時間縮短,這得益於延遲性能極大改善。


透過提供對高性能網路基礎設施進接,5G將為智慧設備開闢新途徑,並實現更多工自動化。然而,即便進行了一些初始部署,但廣泛5G推出,並在之後達到其承諾功能(透過毫米波傳輸、波束成形等),這似乎還有很長路要走。


大數據和人工智慧

如今,有大約 70 億台設備連接到Internet,,而且該數目一直都在上升,行動用戶和基於機器連接之間的平衡點更多地向後者移動。大多數預測表明,到未來十年中期,連接設備將達到200億至300億台(另一些人認為,連接設備數目將會更大)。有效城市規劃很大程度仰仗擷取資料準確性和複雜資料分析。倘若沒有分析和 AI 來處理這些資料並從中創建有價值訊息,那麼從智慧設備生成並透過Internet發送的大量資料將毫無用處。


在智慧城市環境中,AI已經開始扮演重要角色。一些早期成功應用包括智慧停車(能夠定位到未被佔用停車位,並緩解駕駛員挫折感)、智慧收費系統(識別車牌以便根據使用狀況收費)和自我調整交通訊號(透過改善車輛流量縮短通勤時間)等。在執法/反恐層面,也可以有其他成功實施應用:利用AI處理巨大時長之影像,並應用面部識別技術來標記正在接受調查的人,或識別被盜車輛車牌。


可以得出結論,智慧城市註定會有一個更光明未來,需要支援智慧城市的多種技術已經或正在成為現實,其中包括獲取資料的感測器、用於傳輸拮取資料的無線/有線連線性、以及根據需要處理資料所需的AI技術。但是,在涉及到資料隱私以及安全性時,仍然存在一些問題需要解決。因此,要充分發揮智慧生活潛力,尚需要一些時間。


(本文作者Mark Patrick任職於貿澤電子)


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