منصة إنترنت الأشياء لإدارة البنية التحتية للمياه

بشكل أعم، إنترنت الأشياء هو أوسع معنى للمصطلحات، التي تبدو وكأنها شبكة من الأجهزة أو أجهزة الاستشعار المتصلة بالإنترنت. هذه التكنولوجيا تجد التطبيق في مختلف جوانب الحياة البشرية. وهو يلعب دورا رئيسيا كعامل تكنولوجيا للتحول الرقمي.

عندما يتعلق الأمر برحلة إنترنت الأشياء، يعد جمع البيانات وإدارتها إحدى المهام الصعبة. يفرض التغييرات التالية على مجال الأعمال:

• ومن المؤكد أنه يزيد من ثروة البيانات التي تحول القيمة المضافة للأعمال التجارية القائمة على البيانات .
• ويمهد هذا الطريق لخلق فرص لخدمات جديدة في وسائل الأصول، والحصول في الوقت الحقيقي، ورصد البيانات والذكاء الاصطناعي (AI).

ساعد إنترنت الأشياء العديد من الشركات في الحصول على بيانات العملاء والتشغيل. واستُخدمت هذه البيانات في التحليل والصيانة وتعزيز الراحة في الكفاءة التشغيلية.

القياس عن بعد أو القياس الذكي هو واحد من المجالات الرئيسية في مجال إنترنت الأشياء (IoT). يحتوي القياس الذكي على مجموعة متنوعة من التطبيقات استنادًا إلى الظروف والمكان. ومن المعتقد أن البنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) يؤدي إلى انخفاض في التكلفة والطلب لخدمة العملاء مع تحسين الاتصالات. يجد تطبيقه في المباني العامة، وإعادة التطوير الحضري، ومواقف السيارات، والنقل الأرضي، والهندسة الهيدروليكية، واستهلاك الطاقة، وما إلى ذلك، وتوسيع القياس الذكي على نطاق واسع يؤدي إلى تكامل منصة إنترنت الأشياء التي هي قادرة على تعزيز البيانات التي تم جمعها من خلال أجهزة الاستشعار. هذا التكامل بين إنترنت الأشياء يحسن العمليات والجودة وضمان استمرارية الخدمة. عندما يتعلق الأمر بالقياس الذكي في شبكة التوزيع، تلعب AMIs دورًا حيويًا ليس فقط في التوزيع ولكن أيضًا ضروريًا للمراقبة والرصد والتحكم في مستوى التوزيع والاستهلاك. العامل الرئيسي الذي يؤثر على AMI هو الاتصال بين العدادات وخوادم المرافق. تشمل المزايا وحالات الاستخدام لتطبيق منصة إنترنت الأشياء المركزية ما يلي:

1. يلعب إنترنت الأشياء دورًا تنبؤًا في الصيانة الاستثنائية.
2. فإنه يسجل استراتيجية قائمة على التقويم للحفاظ على الأجهزة وأجهزة الاستشعار في الشكل.
3. طريقة فعالة للحصول على البيانات للتحليلات واعتماد أدوات الذكاء الاصطناعي.
4. التحكم في السعة في شبكة التوزيع.
5. المراقبة المركزية والكشف عن الأحداث الحرجة.

و ينبغي أن تحتاج أجهزة الاستشعار و الأجهزة المنتشرة جغرافيا إلى بنية تحتية لل اتصالات كشرط أساسي. بالإضافة إلى التطبيقات والفوائد المختلفة، يجب تصميم منصة إنترنت الأشياء نفسها بطريقة بحيث في التقييم المستقبلي يجب أن تكون قادرة على دمج البنية الموسعة أو حالات الاستخدام للحصول على البيانات.

• تحليل البيانات من أجهزة الاستشعار والأجهزة في خط توزيع المياه ، للعثور على أي فاقد أو تسرب باستخدام الأجهزة الصوتية، ودرجة الحرارة، والضغط في شبكة توزيع المياه.
• معالجة البيانات المتنوعة من أجهزة الاستشعار في مجال النظام السكني مثل المصعد، نظام المراقبة، موقف للسيارات، الضوابط البيئية، إلخ.
• التحكم في الوصول في أماكن مختلفة مثل مكان العمل، المنزل، التجمعات العامة، إلخ.
• مراقبة جودة المياه باستخدام بيانات الاستشعار لإدارة مياه الشرب.

لا تقتصر إدارة إمدادات المياه باستخدام التكنولوجيا الذكية التي يتم تشغيلها بواسطة إنترنت الأشياء على التطبيق الواحد فقط. و يمكن تطبيق هذه التدابير في قطاعات مختلفة مثل ما ذكر أعلاه. وعند دمج هذه التكنولوجيا، يتم استخدام جمع البيانات وتحليل البيانات عبر قطاعات مثل إدارة المياه/مياه الصرف الصحي، والنقل، والطاقة، والمباني، والأمن، والاتصالات، وإدارة البيئة.

بنية منصة إنترنت الأشياء في القياس الذكي:

لتنفيذ طريقة رشيقة لرصد وإدارة نظام توزيع المياه ، هناك حاجة إلى نظام متعدد الطبقات مع البروتوكولات الصناعية المختلفة للاندماج في النظام المركزي. يمكن تبسيط النظام في نموذج مرجعي لإنترنت الأشياء من أربع طبقات. وتشكل الأجهزة الموزعة أو أجهزة الاستشعار المثبتة في الحقل الطبقة المادية الأساسية للنموذج المرجعي. يتم إرسال البيانات المكتسبة من خلال بروتوكول الاتصال الآمن (TCP/IP، جهاز البوابة، إلخ) إلى الخادم البعيد. يوفر الخادم البعيد البيانات إلى طبقة الإدارة لإجراء مزيد من العملية وتحليل احتياجات التطبيق.

الوحدة المركزية:

يتم استلام البيانات المرسلة من الطبقة المادية في الوحدة المركزية (CU)، التي تقوم بعمليات التحليل والتحكم. تمثل وحدة المعالجة المركزية طبقة إدارة إنترنت الأشياء حيث يمكن تنفيذ وظائف مثل التحسين وإدارة البيانات وما إلى ذلك.

تتم معالجة البيانات عبر الإنترنت التي تلقتها البوابة بواسطة خوارزمية طبقة التطبيق، والتي تحدد الأنماط المخفية وتحلل البيانات على أساس تطبيقها. تربط الخوارزمية المعلومات التاريخية وفي الوقت الحقيقي للتنبؤ بالأحداث.

من خلال المراقبة عبر الإنترنت للمعلمات المتاحة، تقوم خوارزميات التنبؤ والتحسين بتنفيذ الإجراءات اللازمة في حالة حدوث أحداث جديدة أو متوقعة. بينما يتم تخزين البيانات في وحدة التخزين المركزية لمنع فقدان البيانات المحتملة.

المتطلبات التقنية الأساسية وتطبيقها لمنصة إنترنت الأشياء والقياس الذكي هي:

• وحدات مركزية للحصول على البيانات من الطبقة المادية
• جمع البيانات ومعالجتها وتحليلاتها
• إدارة الأجهزة وأجهزة الاستشعار في الميدان
• إدارة البيانات
• تحليلات الشبكة
• اتصال آمن للغاية
• منصة مفتوحة المصدر
• التكامل وقابلية التطبيق في المستقبل
• بروتوكولات الاتصالات الصناعية
• وحدة إدارة الوصول (IAM)
• وظيفة الذكاء الاصطناعي
• بيانات الفوترة الآنية

وقد صمم النظام بطريقة تمكنه من التكيف مع الزيادة في الأحجام الجديدة التي ستدار. و ينبغي أن يكون قادرا على توسيع نطاق عدده في أجهزة الاستشعار الميدانية و حمولة النظام. عندما يتعلق الأمر بالمداخن التقنية، يجب أن تكون قادرة على إدارة التحديث المستمر، والتحكم في الإصدار المركزي، وسلامة التشغيل المحدثة.

دور معالجة الصور والذكاء الاصطناعي:

تحتوي معدات إمدادات المياه على عدد من البيانات المفقودة التي لا يتم التقاطها بواسطة نظام الرصد والمراقبة. للحصول على خدمات صيانة جيدة وأفضل هذه البيانات أيضا تلعب دورا رئيسيا. كما أنه من النادر أو المستحيل التقاط جميع البيانات من الحقل دون فقدان.

من أجل إنشاء نظام مستقل يجمع كل ما تحتاجه من بيانات مماثلة، الحل القائم على الصورة يلعب دورا حاسما. لحالة النظر في خطوط أنابيب المياه مع عدة عدادات التناظرية الرقمية، مع بيانات الصورة من متر يمكن معالجتها وتحويلها إلى القراءة الرقمية .

النظر في نظام التصوير الحراري الذي يلعب الدور الرئيسي في درجة الحرارة والتسرب والتنبؤ بالخسارة. هذه الأنواع من بيانات الصور تقطع بشكل كبير معدل نقل البيانات من عدة مئات من نقاط البيانات إلى صورة واحدة.

بروتوكولات الاتصال:

عندما يتعلق الأمر بنظام القياس الذكي لإدارة المياه في اتجاهين الاتصال هو وظيفة هامة. و هناك بروتوكولات اتصال مختلفة متبعة بين أجهزة الاستشعار الميدانية و نظم الإدارة المركزية و بين المستهلك و المورد. وقد تم تعريف بروتوكولات الاتصال المختلفة ومقارنتها من حيث معدل البيانات، والتردد، ونطاق التغطية، والاستقرار، والتكلفة.

4G/5 G:

كما ينمو إنترنت الأشياء بسلاسة، هناك حاجة إلى تقنية تدعم كمية كبيرة من نقل البيانات في عرض النطاق الترددي العالي للغاية مع انخفاض زمن الوصول لبنية إنترنت الأشياء المعقدة. شركةإريكسون السويدية للاتصالات (رأس المال USD25 مليار دولار)، نوكيا الفنلندية للاتصالات وشركة البيانات (رأس مال 18 مليار دولار أمريكي) وشركة كوالكوم الأمريكية (USD81 مليار دولار أمريكي) هي الشركات الكبرى التي وضعت نفسها في تطوير 4G و 5G.

4G (تطور طويل الأجل – LTE) التكنولوجيا السابقة من 5G هي التكنولوجيا الصعبة التي هي السبب في ارتفاع عدد الأجهزة الذكية الاتصال. 4G يستخدم الوصول المتعدد المتعامد الذي يجعل من الصعب دعم تطبيق إنترنت الأشياء في المستقبل. التي توفر الإطار المشترك اللازم لأحدث تطبيقات إنترنت الأشياء.

تجلب تقنيات الاتصالات اللاسلكية هذه المعنى لإنترنت الأشياء نظرًا للميزة الرئيسية المتمثلة في الوصول العالمي وقابلية التطوير والتنوع وانخفاض تكلفة الجهاز وانخفاض تكلفة النشر وعمر البطارية الطويل.

لاسلكيشارت:

وهي تقنية لاسلكية تربط أجهزة الاستشعار الميدانية والأجهزة التي تدير نقل البيانات في الوقت الحقيقي. يجد التطبيق في الطبقة المادية حيث شبكة شبكة لأجهزة الاستشعار وأجهزة إنترنت الأشياء في بنية الإدارة المركزية. يتم نشر هذا المعيار في عملية المراقبة والتحكم التي تتطلب اتصال البيانات في الوقت الحقيقي بين أجهزة الاستشعار.

سيغفوكس:

Sigfox هي واحدة من تقنية الشبكة الواسعة ذات الطاقة المنخفضة (LPWAN) المستخدمة في بناء شبكة لاسلكية من الأجهزة المتصلة. يجد التطبيق في مشاريع مثل مصادر الطاقة المحدودة (في ترتيب مللي أمبير أو عشرات مللي أمبير في الإرسال) ووضع بعيد المدى (عشرات الكيلومترات) لنقل البيانات باستخدام شبكة إنترنت الأشياء. وهو يعمل في نطاق التردد من 868 إلى 869 ميغاهيرتز في منطقة الاتحاد الأوروبي ومن 902 إلى 928 ميغاهيرتز في منطقة الولايات المتحدة . Sigfox هي تقنية مناسبة تماما لإدارة البنية التحتية للمياه القائمة على إنترنت الأشياء لأنها تظهر أداء مرتفع في شبكات الاستشعار عالية الكثافة، من بروتوكولات الاتصالات الأخرى التي تحصل على الانزعاج مع الاصطدام.

حوسبة الحافة:

تقوم الحوسبة الطرفية بمعالجة البيانات التي تم جمعها من مستشعر الحقل أو الأجهزة بشكل جزئي/كامل مما يتيح خدمات فعالة وسريعة الاستجابة. تعد الحوسبة Edge نموذجًا حديثًا يقلل بشكل كبير من زمن وصول الخدمة ويحسن جودة الخدمات (QoS) في نقل البيانات. وهو يعالج مهام معالجة البيانات في الجزء العلوي من الأجهزة حافة مختلفة (بوابات إنترنت الأشياء). وهي تمكن من استخدام كل من عرض النطاق الترددي للأجهزة والشبكة عن طريق الحد من الاتصال السحابي. وهذا يقلل بشكل كبير من عدد وحجم نقل البيانات عبر الشبكة الخلوية مما يوفر نوعية أفضل من الخدمة وجودة الخبرة.

تتم معالجة البيانات من الحقل مسبقًا عند الحافة قبل أن تصل إلى التطبيق الذي يعمل على النظام الأساسي السحابي . و تتاح هذه البيانات عن الاستهلاك و الأحداث المكتشفة و التسرب وما إلى ذلك لل مستعملين النهائيين لنظام الرصد عن طريق منصة على شبكة الإنترنت.

الاستنتاج:

تم العثور على عداد المياه الميكانيكية التجارية في 1850s، وشهدت تكنولوجيا قياس المياه تحسنا كبيرا في الدقة والدقة والموثوقية. مع الطفرة في قطاع تكنولوجيا المعلومات جعلت AMI في إدارة المياه وسيلة فعالة من حيث التكلفة لجمع البيانات المتولدة من أجهزة الاستشعار.

مع اختراع AMIs، أصبح التواصل بين العميل ومقدم الخدمة أفضل. و سوق هذه التكنولوجيات آخذة في الاتساع, كما أن تكنولوجيات الاستشعار و الاتصالات الشبكية آخذة في التحسن. و القطاع البلدي و الزراعي هو المجال الرئيسي الذي تشكل فيه إدارة الموارد المائية حالة أولية. مع تحسين تصميم البنية التحتية، وتشغيل النظام الأكثر كفاءة ، تحصل هذه القطاعات على جودة عالية من الخدمة. بالنسبة لنظام قياس المياه المتقدمة والمستقلة ، تلعب البيانات دورًا حاسمًا . مع نظام قياس المياه الفعال، هناك إمكانية لتحسين كفاءة الطاقة. هناك حاجة كبيرة لجمع البيانات لتحقيق فوائد الطاقة، وتحليل متطلبات الأداء لتلبية احتياجات التركيب المحددة، وما إلى ذلك.

هذا الحل الرقمي هنا قادر على معالجة وتعديل البروتوكولات والمعايير في سوق تنافسية. يسمح التصميم المرن بتكييف هذا التطبيق بسهولة للقياس الذكي للسلع الأخرى.