Tổng quan về thành phố thông minh (Phần 2)
TS. Nguyễn Thị Thu Hà - Phòng Quản lý công nghệ và Thị trường công nghệ
I. Thách thức trong việc thiết kế thành phố thông minh
Những thách thức trong việc xây dựng các thành phố thông minh khá đa dạng và phức tạp; Chúng bao gồm chi phí, hiệu suất, tính bền vững, truyền thông, an toàn và an ninh, như được mô tả trong Hình 2. Những thách thức về thiết kế được điều chỉnh bởi nhiều yếu tố khác nhau bao gồm môi trường tự nhiên, chính sách của chính phủ, cộng đồng xã hội và nền kinh tế. Chi phí là yếu tố quan trọng nhất trong việc thiết kế thành phố thông minh. Chi phí bao gồm chi phí thiết kế và vận hành. Chi phí thiết kế là chi phí một lần. Chi phí hoạt động là cần thiết để duy trì thành phố thông minh. Chi phí thiết kế cần nhỏ để có thể thực hiện thành công. Đồng thời, một chi phí hoạt động nhỏ sẽ làm cho thành phố hoạt động được trong thời gian dài dễ dàng hơn với gánh nặng tối thiểu lên ngân sách thành phố. Tối ưu hóa chi phí trong suốt chu trình sống của hệ thống có thể là một vấn đề đầy thách thức.
Hình 2: Thách thức trong việc thiết kế thành phố thông minh
Hiệu suất hoạt động của các thành phố thông minh cũng là một thách thức quan trọng khác: hiệu suất hoạt động cao hơn có thể làm giảm chi phí và cải thiện tính bền vững của thành phố thông minh. Giảm lượng khí thải carbon và chất thải trong thành phố cũng cần thiết để tăng tính bền vững và giảm chi phí hoạt động. Các thành phố thông minh cần phải đối phó với việc tăng trưởng dân số trong khi phải đảm bảo tính bền vững lâu dài với chi phí hoạt động được tối ưu. Ngoài ra họ cũng cần phải chống chọi với thiên tai và hỏng hóc. Thiên tai có thể đến từ thiên nhiên và hỏng hóc có thể bắt nguồn từ nhiều lý do trong một hệ thống, chẳng hạn như hỏng hóc trong hệ thống ICT hoặc mất điện. Thiên tai cũng có thể dẫn đến việc hỏng hóc của các thành phần khác nhau trong các thành phố. Bất kỳ thiết kế đô thị thông minh nào cũng cần phải xem xét những thảm hoạ và hỏng hóc tiềm ẩn này để thành phố có thể nhanh chóng phục hồi từ những tình huống đó. Như vậy, chi phí thiết kế và hoạt động của các thành phố thông minh sẽ bị ảnh hưởng bởi những thách thức này.
Các thành phố thông minh có thể thực hiện thành công bằng việc sử dụng có hiệu quả nhiều thành phần thông minh bao gồm ICT, cảm biến, IoT và sẽ cần phải xử lý và lưu trữ lượng dữ liệu lớn. Sự an toàn của thông tin và cơ sở hạ tầng là một thách thức thiết kế quan trọng. Trên tất cả, an toàn công cộng là một ưu tiên thiết kế hàng đầu cho các thành phố thông minh, vì sự an toàn của người dân có tầm quan trọng tối cao và điều này cũng có thể làm tăng ngân sách thiết kế và hoạt động.
II. IoT và Big data trong thành phố thông minh
1. IoT trong thành phố thông minh
Hình 3: ứng dụng IOT trong thành phố thông minh
“Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (Internet of Things) là một phần của mạng internet toàn cầu trong tương lai, trong đó mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính”.
Trong IoT, "mọi thứ - things" dự kiến sẽ trở thành những thành phần tham gia tích cực trong các hoạt động kinh doanh, thông tin và hoạt động xã hội, nơi “mọi thứ” có thể tương tác và giao tiếp với nhau và với môi trường bằng cách trao đổi dữ liệu và thông tin "cảm biến", đồng thời cũng có thể tự động tác động ngược trở lại môi trường và có thể tác động lên chính nó bằng cách chạy các quy trình kích hoạt các hành động và tạo ra các dịch vụ có hoặc không có sự can thiệp trực tiếp của con người. Các giao diện dưới dạng dịch vụ tạo thuận lợi cho việc tương tác và biến mọi thứ trở nên thông minh trên Internet, truy vấn và thay đổi trạng thái của đối tượng và bất kỳ thông tin nào liên quan đến chúng (tất nhiên có tính đến các vấn đề an ninh và riêng tư).
Cốt lõi của việc thực hiện thành phố thông minh là IoT. Nói cách khác, IoT là xương sống kỹ thuật của các thành phố thông minh (Hình 3). Các thành phố thông minh cần có ba tính năng chính mà IoT có thể cung cấp: Trí thông minh, khả năng kết nối và thiết bị đo đạc. Việc sử dụng IoT có thể làm cho các dự án thành phố thông minh trở nên linh hoạt hơn. Điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, cảm biến thông minh, và RFID, về bản chất, tạo thành bộ khung cơ sở để phát triển các phần mềm tiện ích trong thành phố thông minh. Các thành phần chủ chốt của hệ thống IoT bao gồm thiết bị điện tử, cảm biến, mạng, phần mềm và firmware.
IoT trong thành phố thông minh là mạng lưới kết nối của các vật thể với nhau bao gồm máy tính, điện thoại thông minh, cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị đeo, tòa nhà, cấu trúc, phương tiện vận chuyển và hệ thống năng lượng... IoT đảm bảo việc liên lạc với nhiều loại hệ thống và ứng dụng để cung cấp các dịch vụ ngày càng thông minh, đáng tin cậy và an toàn. Một loạt các cảm biến bao gồm RFID, IR, và GPS kết nối các tòa nhà, cơ sở hạ tầng, vận tải, mạng và các tiện ích thông qua công nghệ thông tin và truyền thông (ICT). Các nhiệm vụ khác chẳng hạn như trao đổi thông tin và truyền thông, nhận dạng thông minh, xác định vị trí, theo dõi, kiểm soát ô nhiễm, và quản lý nhận dạng cũng có thể được thực hiện thông qua IoT.
Cyber-physical systems (CPS) có thể được đưa đến cuộc thảo luận liên quan đến IoT. Rất khó để phân biệt giữa CPS và IoT dựa trên các tài liệu sẵn có. CPS là một thực thể lớn hơn nhiều so với IoT; nói cách khác, IoT là một tập mạng con/truyền thông của CPS. Đó là việc thực hiện IoT trong một hệ thống vật lý dẫn đến CPS.
IoT có thể được khái niệm như một mạng lưới toàn cầu động có cấu hình của mạng. Có bốn thành phần chính của IoT: 1) thiết bị - the Things, 2) mạng cục bộ, 3) Internet, và 4) đám mây. Thiết bị là cảm biến, máy tính nhúng hoặc các hệ thống nhúng có thể truyền và nhận thông tin qua mạng để điều khiển một thiết bị khác hoặc tương tác với người dùng. Một ví dụ của Things là một cảm biến nhiệt độ, một vi điều khiển, hoặc một thiết bị dựa trên bộ vi xử lý. Mặt khác, lò vi sóng, vòi phun nước, nhà, máy giặt hoặc tòa nhà không thuộc phạm vi định nghĩa của Things. Tuy nhiên, IoT cùng với các thực thể vật lý này, chẳng hạn như các tòa nhà, có thể tạo thành các hệ thống điều khiển vật lý (CPS). Things có thể thực hiện như sau: 1) nhận dạng và lưu trữ thông tin, 2) thu thập thông tin, 3) hiểu các lệnh, 4) truyền và nhận tin nhắn, 5) cảm nhận và 6) kích hoạt. IoT có thể được sử dụng để xây dựng giao thông thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh và quản lý năng lượng thông minh… trong các thành phố thông minh.
2. Big data trong thành phố thông minh
Nói chung, big data (BD) đề cập đến một bộ sưu tập các bộ dữ liệu lớn và phức tạp khó có thể xử lý bằng các công cụ quản lý cơ sở dữ liệu thông thường hoặc các ứng dụng xử lý dữ liệu truyền thống. IoT, BD và các thành phố thông minh có mối quan hệ mật thiết với nhau. Dữ liệu đô thị được định danh trong không gian và thời gian, được tạo ra trong các thành phố thông minh có thể là BD. BD trong các thành phố thông minh có thể được tạo ra thông qua việc thu thập số liệu từ một tập lớn các cảm biến, cơ sở dữ liệu, e-mail, các trang web, và các phương tiện truyền thông xã hội, như trong Hình 4. Người ta ước tính rằng sự gia tăng của cảm biến, mạng xã hội, các trang web, ứng dụng hình ảnh và video, và các thiết bị di động đang tạo ra hơn 2,5 quintillion byte mỗi ngày. Có nhiều thách thức đối với BD, bao gồm hiển thị, khai thác, phân tích, chụp, lưu trữ, tìm kiếm và chia sẻ. BD yêu cầu các phương pháp xử lý mới để cho phép đưa ra quyết định nâng cao, khám phá sâu sắc và tối ưu hóa quy trình. Cơ chế phân tích dữ liệu tinh vi là cần thiết để tìm kiếm và trích xuất các mẫu và số liệu có giá trị từ tập số liệu lớn (BD) của các thiết bị IoT và thành phố thông minh.
Hình 4: Big data trong thành phố thông minh
BD có một số đặc điểm quan trọng bao gồm tính phức tạp, dung lượng lớn, đa dạng, biến đổi và tính xác thực. Ở mức trừu tượng, BD có thể có ba loại: dữ liệu doanh nghiệp, dữ liệu cộng đồng và dữ liệu giao dịch (Hình 4). Ví dụ về BD bao gồm dữ liệu không khí, hồ sơ chi tiết cuộc gọi, dữ liệu về gen, dữ liệu thương mại điện tử, chỉ mục tìm kiếm Internet, hồ sơ bệnh án, giám sát quân sự, lưu trữ ảnh, dữ liệu RFID, dữ liệu mạng cảm biến, dữ liệu mạng xã hội, lưu trữ video và nhật ký web. Việc lưu trữ một lượng lớn dữ liệu có thể rẻ do dung lượng lưu trữ rẻ tiền hiện có. Các BD được lưu trữ sau đó có thể được khai thác để lấy thông tin có giá trị khi cần thiết. BD phải được xử lý bằng các phương pháp và công cụ phân tích tiên tiến cũng như các thuật toán tối ưu để lấy ra những thông tin có ý nghĩa.
III. Kết luận
Thành phố là một hệ thống của các hệ thống có lịch sử độc đáo và được đặt trong các bối cảnh xã hội và môi trường cụ thể. Để thành phố phát triển, tất cả các hệ thống chính của thành phố cần phải được hợp tác với nhau bằng cách sử dụng tất cả các nguồn lực của chúng nhằm vượt qua những thách thức mà nó phải đối mặt.
Sự "thông minh" của thành phố mô tả khả năng tập hợp tất cả các nguồn lực của nó để hoạt động hiệu quả với hiệu suất tối đa nhằm hoàn thành các mục tiêu mà chính nó đã đặt ra.
Một thành phố thông minh có thể có một hoặc nhiều thành phần thông minh, bao gồm vận chuyển thông minh, lưới điện thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh và quản trị thông minh…
IoT, CPS, và BD là những công nghệ chủ chốt khi công nghệ thông tin và truyền thông ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai thành phố thông minh.
Các thành phố thông minh với chi phí thực hiện và vận hành tối thiểu là chìa khóa cho sự bền vững dài hạn.
Có một số thành phố thông minh với một số các cấu hình thành phần thông minh khác nhau đang hoạt động hiện nay ở nhiều nơi trên thế giới.
Sự cần thiết của các thành phố thông minh đang ngày càng tăng lên cùng với sự gia tăng dân số và do nguồn tài nguyên trên trái đất ngày càng hạn chế.
Tài liệu tham khảo
[1] A. J. Jara, D. Genoud, and Y. Bocchi, “Big Data in smart cities: From Poisson to human dynamics,” in Proc. 28th Int. Conf. Advanced Information Networking and Applications Workshops (WAINA), Victoria, BC, 2014, pp. 785–790.
[2] A. Zanella, N. Bui, A. Castellani, L. Vangelista, and M. Zorzi, “Internet of Things for smart cities,” IEEE Internet Things J., vol. 1, no. 1, pp. 22–32, 2014.
[3] C. Harrison, B. Eckman, R. Hamilton, P. Hartswick, J. Kalagnanam, J. Paraszczak, and P. Williams, “Foundations for smarter cities,” IBM J.Res. Develop., vol. 54, no. 4, 1–16, July–Aug. 2010.
[4] E. Mardacany, “Smart cities characteristics: Importance of built environments components,” in Proc. IET Conf. Future Intelligent Cities,London, United Kingdom, 2014, pp. 1–6.
[5] R. J. F. Rossetti, “Internet of Things (IoT) and smart cities,” Readings on Smart Cities, vol. 1, no. 7, Aug. 2015.
[6] ETSI Technology Clusters. [Online]. Available: http://www.etsi.org/ technologies-clusters.
[7] S.P. Mohanty, U. Choppali, E. Kougianos, Everything you wanted to know about smart cities: the Internet of things is the backbone. IEEE Consum. Electron. Mag. 5, 60-70. 2016.
[8] I. Celino and S. Kotoulas, “Smart cities,” IEEE Internet Comput., vol. 17, no. 6, pp. 8–11, 2013.
[9] ITU-T Focus Group on Smart Sustainable Cities, “Smart sustainable cities: An analysis of definitions,” Focus Group Technical Report, Geneva, Switzerland, Tech. Rep. FG-SSC-10/2014, 2014.
[10] P. Corcoran, “The Internet of Things,” IEEE Consum. Electron. Mag., vol. 5, no. 1, pp. 63–68, Jan. 2016.
[11] S. Harris, “Securing big data in our future intelligent cities,” in Proc. IET Conf. Future Intelligent Cities, London, 2014, pp. 1–4.
[12] Smarter Cities. [Online]. Available: http://www.ibm.com/ smarterplanet/us/en/smarter_cities/overview/