Yhteenliitetyt älykaupungit luovat kauniita unelmia. Tällaisissa kaupungeissa digitaaliset teknologiat yhdistävät useita ainutlaatuisia yhteiskunnallisia toimintoja parantaakseen toiminnan tehokkuutta ja älykkyyttä. On arvioitu, että vuoteen 2050 mennessä 70 % maailman väestöstä asuu älykaupungeissa, joissa elämä on terveellistä, onnellista ja turvallista. Ratkaisevasti lupaamme vihreää, ihmiskunnan viimeistä valttikorttia planeetan tuhoa vastaan.
Mutta älykaupungit ovat kovaa työtä. Uudet teknologiat ovat kalliita, paikallishallinnot ovat rajoitettuja ja politiikka siirtyy lyhyisiin vaalikierroksiin, mikä vaikeuttaa erittäin toimivan ja taloudellisesti tehokkaan keskitetyn teknologian käyttöönottomallin saavuttamista, jota voidaan käyttää uudelleen kaupunkialueilla maailmanlaajuisesti tai kansallisesti. Itse asiassa useimmat otsikoissa mainituista johtavista älykaupungeista ovat vain kokoelma erilaisia teknologiakokeiluja ja alueellisia sivuprojekteja, joilla on vain vähän odotuksia laajentumisesta.
Tarkastellaanpa roskalavoja ja pysäköintialueita, jotka ovat älykkäitä sensoreineen ja analytiikkansa ansiosta. Tässä yhteydessä sijoitetun pääoman tuottoa (ROI) on vaikea laskea ja standardoida, varsinkin kun valtion virastot ovat niin pirstaloituneet (julkisten ja yksityisten palvelujen välillä sekä kaupunkien, alueiden ja maiden välillä). Tarkastellaanpa ilmanlaadun seurantaa. Kuinka on helppo laskea puhtaan ilman vaikutus kaupungin terveyspalveluihin? Älykkäitä kaupunkeja on loogisesti vaikea toteuttaa, mutta myös vaikea kieltää.
Digitaalisen muutoksen sumussa on kuitenkin valonpilkahdus. Katuvalaistus kaikissa kunnallisissa palveluissa tarjoaa kaupungeille alustan älykkäiden toimintojen hankkimiseen ja useiden sovellusten yhdistämiseen ensimmäistä kertaa. Katsokaa erilaisia älykkäitä katuvalaistushankkeita, joita toteutetaan San Diegossa Yhdysvalloissa ja Kööpenhaminassa Tanskassa, ja niiden määrä kasvaa. Näissä hankkeissa yhdistyvät anturiryhmät modulaarisiin laitteistoyksiköihin, jotka on kiinnitetty valaisinpylväisiin, jotta itse valaistusta voidaan etäohjata ja käyttää muita toimintoja, kuten liikennelaskuria, ilmanlaadun valvontaa ja jopa aseidenpaljastimia.
Kaupungit ovat alkaneet kiinnittää huomiota kaupungin "elämyksellisyyteen" kaduilla jo valopylväiden korkeudesta lähtien, mukaan lukien liikenteen sujuvuus ja liikkuvuus, melu ja ilmansaasteet sekä nousevat liiketoimintamahdollisuudet. Jopa perinteisesti pysäköintialueille haudatut pysäköintianturit voidaan liittää edullisesti ja tehokkaasti valaistusinfrastruktuuriin. Kokonaiset kaupungit voidaan yhtäkkiä verkottaa ja optimoida ilman, että katuja tarvitsee kaivaa ylös, vuokrata tilaa tai ratkaista abstrakteja laskentaongelmia terveellisempään elämään ja turvallisempiin kaduihin liittyen.
Tämä toimii, koska älykkäitä valaistusratkaisuja ei useimmiten alun perin lasketa älyratkaisujen tuottamien säästöjen varaan. Sen sijaan kaupunkien digitaalisen vallankumouksen elinkelpoisuus on sattumanvarainen seuraus valaistuksen samanaikaisesta kehityksestä.
Hehkulamppujen korvaaminen puolijohde-LED-valaistuksella tuo energiansäästöä sekä helposti saatavilla olevat virtalähteet ja laaja valaistusinfrastruktuuri tekevät älykkäistä kaupungeista mahdollisia.
LED-valojen käyttöönoton vauhti on jo tasainen, ja älyvalaistus kukoistaa. Älykkään infrastruktuurin analyytikko Northeast Groupin mukaan noin 90 % maailman 363 miljoonasta katuvalaisimesta on led-valaistuja vuoteen 2027 mennessä. Kolmasosa niistä käyttää myös älykkäitä sovelluksia, mikä alkoi muutama vuosi sitten. Kunnes merkittävää rahoitusta ja suunnitelmia julkaistaan, katuvalaistus sopii parhaiten verkkoinfrastruktuuriksi erilaisille digitaalisille teknologioille suurissa älykaupungeissa.
Säästä LED-kustannuksissa
Valaistus- ja anturivalmistajien ehdottamien nyrkkisääntöjen mukaan älykäs valaistus voi vähentää infrastruktuuriin liittyviä hallinto- ja ylläpitokustannuksia 50–70 prosenttia. Mutta suurin osa näistä säästöistä (noin 50 prosenttia, mikä riittää tekemään eron) voitaisiin saavuttaa yksinkertaisesti vaihtamalla energiatehokkaisiin LED-lamppuihin. Loput säästöt tulevat valaisimien kytkemisestä ja ohjaamisesta sekä älykkään tiedon välittämisestä niiden toiminnasta valaistusverkossa.
Pelkästään keskitetyt säädöt ja havainnointi voivat merkittävästi vähentää kunnossapitokustannuksia. Keinoja on monia, ja ne täydentävät toisiaan: aikataulutus, kausiluonteinen ohjaus ja ajoituksen säätö; vianmääritys ja huoltoautojen määrän väheneminen. Vaikutus kasvaa valaistusverkon koon kasvaessa ja heijastuu takaisin alkuperäiseen sijoitetun pääoman tuottoprosenttiin. Markkinoiden mukaan tämä lähestymistapa voi maksaa itsensä takaisin noin viidessä vuodessa, ja sillä on potentiaalia maksaa itsensä takaisin lyhyemmässä ajassa sisällyttämällä "pehmeämpiä" älykaupunkikonsepteja, kuten pysäköintitutkia, liikenteenvalvontaa, ilmanlaadun valvontaa ja aseidenpaljastimia.
Markkina-analyytikko Guidehouse Insights seuraa yli 200 kaupunkia arvioidakseen muutoksen vauhtia; sen mukaan neljännes kaupungeista on ottamassa käyttöön älykkäitä valaistusjärjestelmiä. Älykkäiden järjestelmien myynti on pilvissä. ABI Research laskee, että maailmanlaajuiset liikevaihdot kymmenkertaistuvat 1,7 miljardiin dollariin vuoteen 2026 mennessä. Maapallon "hehkulamppuhetki" on tällainen: Katuvalaistusinfrastruktuuri, joka on läheisesti yhteydessä ihmisen toimintaan, on tie eteenpäin älykkäiden kaupunkien alustana laajemmassa kontekstissa. Jo vuonna 2022 yli kaksi kolmasosaa uusista katuvalaistusasennuksista on kytketty keskitettyyn hallinta-alustaan, joka integroi tietoja useista älykaupunkiantureista, ABI sanoi.
ABI Researchin pääanalyytikko Adarsh Krishnan sanoi: ”Älykaupunkien toimittajilla on paljon enemmän liiketoimintamahdollisuuksia, kun he hyödyntävät kaupunkien valaisinpylväsinfrastruktuuria ottamalla käyttöön langatonta yhteyttä, ympäristöantureita ja jopa älykameroita. Haasteena on löytää kannattavia liiketoimintamalleja, jotka kannustavat yhteiskuntaa ottamaan käyttöön monianturiratkaisuja laajamittaisesti kustannustehokkaalla tavalla.”
Kysymys ei ole enää siitä, pitäisikö yhteydet luoda, vaan siitä, miten ja kuinka paljon ne ylipäätään luodaan. Kuten Krishnan huomauttaa, osittain tämä liittyy liiketoimintamalleihin, mutta rahaa virtaa jo älykaupunkeihin osuuskuntapohjaisen yleishyödyllisten palvelujen yksityistämisen (PPP) kautta, jossa yksityiset yritykset ottavat taloudellisen riskin vastineeksi menestyksestä riskipääomassa. Tilauspohjaiset "as-a-service" -sopimukset jakavat investoinnit takaisinmaksuajoille, mikä myös vauhditti toimintaa.
Sitä vastoin eurooppalaisia katuvaloja yhdistetään perinteisiin hunajakennoverkkoihin (yleensä 2G:stä LTE:hen (4G)) sekä uuteen HONEYCOMB IoT -standardin mukaiseen laitteeseen, LTE-M:ään. Myös patentoitu ultra-narrowband (UNB) -teknologia on tulossa käyttöön yhdessä Zigbeen, pienen virrankulutuksen Bluetooth-muunnoksen, ja IEEE 802.15.4 -johdannaisten kanssa.
Bluetooth Technology Alliance (SIG) painottaa erityisesti älykaupunkeja. Ryhmä ennustaa, että pienitehoisten Bluetooth-laitteiden toimitukset älykaupunkeihin viisinkertaistuvat seuraavan viiden vuoden aikana 230 miljoonaan kappaleeseen vuodessa. Suurin osa liittyy omaisuuden seurantaan julkisilla paikoilla, kuten lentokentillä, stadioneilla, sairaaloissa, ostoskeskuksissa ja museoissa. Vähätehoisia Bluetooth-laitteita on kuitenkin suunnattu myös ulkokäyttöön tarkoitettuihin verkkoihin. ”Omaisuudenhallintaratkaisu parantaa älykaupunkien resurssien käyttöä ja auttaa vähentämään kaupunkien käyttökustannuksia”, Bluetooth Technology Alliance totesi.
Kahden tekniikan yhdistelmä on parempi!
Jokaisella teknologialla on kuitenkin omat kiistansa, joista osa on ratkaistu keskustelussa. Esimerkiksi UNB ehdottaa tiukempia rajoituksia hyötykuormalle ja toimitusaikatauluille, sulkemalla pois rinnakkaistuen useille anturisovelluksille tai sovelluksille, kuten kameroille, jotka sitä vaativat. Lyhyen kantaman teknologia on halvempaa ja tarjoaa suuremman läpimenon valaistusalustan asetusten kehittämiseen. Tärkeää on, että ne voivat myös toimia vararoolissa WAN-signaalin katkeamisen sattuessa ja tarjota teknikoille keinon lukea antureita suoraan virheenkorjausta ja diagnostiikkaa varten. Esimerkiksi vähän virtaa kuluttava Bluetooth toimii lähes kaikkien markkinoilla olevien älypuhelimien kanssa.
Vaikka tiheämpi verkko voi parantaa verkon kestävyyttä, sen arkkitehtuurista tulee monimutkainen ja se asettaa suurempia energiantarpeita toisiinsa kytketyille pisteestä pisteeseen -antureille. Myös siirtoetäisyys on ongelmallinen; Zigbeen ja pienitehoisen Bluetoothin peittoalue on korkeintaan muutaman sadan metrin. Vaikka useat lyhyen kantaman teknologiat ovat kilpailukykyisiä ja sopivat hyvin verkkopohjaisiin, naapurimaiden laajuisiin antureihin, ne ovat suljettuja verkkoja, jotka vaativat lopulta yhdyskäytäviä signaalien lähettämiseen takaisin pilveen.
Hunajakennoyhteys lisätään yleensä loppuun. Älyvalaistuksen toimittajien trendinä on käyttää pilvihenkistä hunajakennoyhteyttä 5–15 km:n kantaman yhdyskäytävän tai anturilaitteen peittoalueen tarjoamiseksi. Hive-yhteisön mukaan Beehive-teknologia tuo mukanaan laajan lähetysalueen ja yksinkertaisuuden; se tarjoaa myös valmiita verkkoratkaisuja ja korkeamman turvallisuustason.
Neill Young, GSMA:n, mobiiliverkko-operaattoreita edustavan toimialajärjestön, esineiden internetin vertikaaliyksikön johtaja, sanoi: ”Operaattorit… kattavat koko alueen, joten kaupunkivalaistuslaitteiden ja -anturien kytkemiseen ei tarvita lisäinfrastruktuuria. Lisensoidulla spektrillä hunajakennoverkko on turvallinen ja luotettava, mikä tarkoittaa, että operaattorilla on parhaat mahdolliset olosuhteet, ja se voi tukea suurta määrää tarpeita, paljon pidemmän akun keston, minimaalisen huollon ja pitkän siirtoetäisyyden edullisilla laitteilla.”
ABI:n mukaan HONEYCOMB tulee kasvamaan eniten kaikista saatavilla olevista yhteysteknologioista tulevina vuosina. 5G-verkkojen ympärillä nouseva kohu ja 5G-infrastruktuurin ylläpitämisestä johtuva kamppailu ovat saaneet operaattorit tarttumaan valaisinpylväisiin ja täyttämään ne pienillä hunajakennoyksiköillä kaupunkiympäristöissä. Yhdysvalloissa Las Vegas ja Sacramento ottavat käyttöön LTE- ja 5G-verkkoja sekä älykaupunkisensoreita katuvalaisimissa operaattoreiden AT&T ja Verizon kautta. Hongkong on juuri julkistanut suunnitelman asentaa 400 5G-yhteensopivaa valaisinpylvästä osana älykaupunkialoitettaan.
Laitteiston tiivis integrointi
Nielsen lisäsi: ”Nordic tarjoaa monialaisia lyhyen ja pitkän kantaman tuotteita, ja sen nRF52840 SoC tukee pienitehoista Bluetoothia, Bluetooth Meshiä ja Zigbeetä sekä Threadia ja omia 2,4 GHz:n järjestelmiä. Nordicin hunajakennopohjainen nRF9160 SiP tarjoaa sekä LTE-M- että NB-IoT-tuen. Näiden kahden teknologian yhdistelmä tuo suorituskyky- ja kustannusetuja.”
Taajuuserottelu mahdollistaa näiden järjestelmien rinnakkaiselon, jolloin ensin mainitut toimivat luvattomalla 2,4 GHz:n kaistalla ja jälkimmäiset kaikkialla, missä LTE sijaitsee. Alemmilla ja korkeammilla taajuuksilla on kompromissi laajemman alueen peittoalueen ja suuremman siirtokapasiteetin välillä. Valaistusalustoilla lyhyen kantaman langatonta teknologiaa käytetään kuitenkin tyypillisesti antureiden yhteenliittämiseen, reunalaskennan tehoa käytetään havainnointiin ja analysointiin, ja hunajakenno-esineiden internetiä käytetään datan lähettämiseen takaisin pilveen sekä antureiden ohjaukseen korkeampia ylläpitotasoja varten.
Tähän mennessä lyhyen ja pitkän kantaman radiot on lisätty erikseen, eikä niitä ole rakennettu samalle piisirulle. Joissakin tapauksissa komponentit on erotettu toisistaan, koska valaisimen, anturin ja radion viat ovat kaikki erilaisia. Kahden radion integrointi yhdeksi järjestelmäksi johtaa kuitenkin tiiviimpään teknologiaintegraatioon ja alhaisempiin hankintakustannuksiin, jotka ovat keskeisiä näkökohtia älykkäissä kaupungeissa.
Nordic uskoo markkinoiden olevan menossa tähän suuntaan. Yritys on integroinut lyhyen kantaman langattomat ja hunajakennorakenteiset IoT-yhteysteknologiat laitteistoon ja ohjelmistoon kehittäjätasolla, jotta ratkaisuvalmistajat voivat käyttää niitä samanaikaisesti testisovelluksissa. Nordicin nRF9160 SiP:lle tarkoitettu DK-piirilevy suunniteltiin kehittäjille, jotta he "saaisivat hunajakennorakenteiset IoT-sovelluksensa toimimaan". Nordic Thingy:91:tä on kuvailtu "täysimittaiseksi valmiiksi yhdyskäytäväksi", jota voidaan käyttää valmiina prototyyppialustana tai konseptitodistuksena varhaisissa tuotesuunnitteluissa.
Molemmissa on monitilakennorakenteinen nRF9160 SiP ja moniprotokollinen lyhyen kantaman nRF52840 SoC. Nordicin mukaan sulautetut järjestelmät, jotka yhdistävät nämä kaksi teknologiaa kaupallisiin IoT-käyttöönottoihin, ovat vain "kuukausien" päässä kaupallistamisesta.
Nordic Nielsen sanoi: ”Älykaupunkivalaistusalusta on perustettu kaikille näille liitäntätekniikoille; markkinoilla on hyvin selkeä käsitys siitä, miten ne yhdistetään. Olemme tarjonneet valmistajille ratkaisuja kehitysneuvostolle testataksemme, miten ne toimivat yhdessä. Niiden yhdistäminen liiketoimintaratkaisuiksi on välttämätöntä, vain ajan kysymys.”
Julkaisun aika: 29.3.2022