Mọi thứ đều đang trở nên thông minh hơn: điện thoại, xe hơi… cùng với xu hướng gia tăng ứng dụng kết nối mạng ngày càng nhiều, ngay cả thiết bị nhà bếp. Thuật ngữ được dùng để định nghĩa xu hướng này là IoT (Internet of Thing). Trong các tòa nhà hiện đại, nhiều hệ thống đang được hội tụ vào cùng một mạng lưới dữ liệu. Xu hướng hội tụ này dẫn đến khái niệm về các tòa nhà thông minh. Đó là các tòa nhà sử dụng IoT để thu thập những dữ liệu và tạo nên các tùy chỉnh tự động cho hệ thống, báo động nhân viên khi có bất thường và cung cấp những dữ liệu cần thiết giúp chủ sở hữu tòa nhà đưa ra những quyết định chính xác hơn. Nếu xu hướng hội tụ này phát triển cao hơn, khả năng liên kết và các siêu dữ liệu lớn hơn, chúng ta có thể bắt đầu tưởng tượng đến các thành phố thông minh.
Thành phố thông minh là gì?
Một thành phố thông minh có thể được định nghĩa theo nhiều cách. Xét ở mức độ nhất định, một thành phố thông minh sở hữu một hệ thống mạng phân phối các thiết bị chuyên thu thập dữ liệu về cư dân thành phố. Các chuyên viên y tế, nhân viên thực thi pháp luật và các nhà quy hoạch đô thị có thể sử dụng dữ liệu này để cải thiện, giám sát sự phát triển của thành phố và các dịch vụ đi kèm.
Tốc độ sử dụng công nghệ gia tăng một mặt được xem là cách hiệu quả để thu hẹp khoảng cách số, nhưng mặt khác, lại bị xem là tăng thêm bất lợi cho những người không tiếp cận công nghệ. Tuy nhiên, bất kể các tác động tích cực và tiêu cực, thị trường này vẫn có tiềm năng phát triển rất lớn. Theo ước tính từ công ty kỹ thuật quốc tế Arup, thị trường của ngành công nghiệp thành phố thông minh sẽ đạt 400 tỷ USD vào năm 2020.
Xét ở mức độ rộng hơn, thành phố thông minh được định nghĩa bao gồm tất cả cơ sở hạ tầng thông minh trong thành phố. Theo báo cáo của Merrill Lynch và Ngân hàng Hoa Kỳ, thị trường này sẽ tăng đến 1.6 nghìn tỷ USD vào năm 2020. Xem xét ở cùng mức độ này, báo cáo của Frost và Sullivan ước tính ngành công nghiệp toàn cầu sẽ tăng đến 1.5 nghìn tỷ USD vào năm 2020.
Thành phố thông minh và tòa nhà thông minh hưởng lợi lẫn nhau
Hãy tưởng tượng một thành phố có thể chủ động về giá theo thời biểu sử dụng điện từ các tiện ích cho đến tòa nhà thông minh. Sau đó, các hệ thống trong tòa nhà dựa vào sở thích của người sở hữu để tự tắt bớt lượng điện sử dụng trong giờ cao điểm, hoặc tự tăng điện trở lại khi giá điện rẻ hơn trong giờ không cao điểm. Cách làm này không chỉ giúp giảm thiểu gánh nặng điện năng trong giờ cao điểm, mà còn giúp tiết kiệm chi phí đáng kể cho người dùng.
Một số hệ thống có thể tích hợp và giao tiếp với các thiết bị đo thông minh. Hệ thống tự động của tòa nhà (BAS) có thể giảm nhiệt độ trong các phòng không sử dụng. Các bộ cảm biến trong hệ thống điều khiển ánh sáng giúp tự động tắt bớt đèn trong thời gian chờ, hoặc giảm ánh sáng ở các khu vực không có người dùng. Việc sạc các phương tiện giao thông tự động cũng có thể chậm lại trong giờ cao điểm, và nhanh hơn khi ngoài giờ cao điểm.
Những thiết bị đo thông minh này giúp giảm lượng điện ở các khu vực không có người dùng, không ảnh hưởng đến khu vực đang có người làm việc và góp phần tiết kiệm chi phí điện năng cho chủ sở hữu. Tương lai này nằm trong tầm tay, nhưng sẽ khó mà thành công nếu các TTDL và cơ sở hạ tầng địa phương không được nâng cấp, và thiếu sự hợp tác.
Thành phố thông minh cần các cơ sở hạ tầng thông minh
Một thử thách lớn đối với các thành phố thông minh là nhu cầu về một cơ sở hạ tầng mạng tin cậy và có khả năng mở rộng, giúp tổng hợp toàn bộ dữ liệu trong một khu vực địa lý rộng lớn. Phần lớn các nguồn dữ liệu này (ví dụ: cảm biến về mưa và các thành phần không khí…) không đòi hỏi một lượng băng thông lớn. Tuy nhiên, việc phân tích và phán đoán chuyên sâu trong một số thiết bị bảo mật mạng và camera giám sát an ninh có thể tiêu tốn lượng băng thông rất lớn nếu thực hiện trực tiếp ngay trên hệ thống mạng.
Các thành phố như Philadenphia đang lên kế hoạch đầu tư cơ sở hạ tầng mạng và phát triển quan hệ đối tác với Comcast. Sự hợp tác này sẽ mang đến một hệ thống cáp sợi quang đơn mốt tốc độ cao kết nối với hơn 200 tòa nhà trong thành phố. Cơ sở hạ tầng sợi quang sử dụng trong dự án này sẽ cần thời gian đáng kể để hoàn tất. Đây là cách tiếp cận hiệu quả cho các khu vực kết nối đảm bảo hai yếu tố: nhỏ gọn về mặt địa lý và kết nối liên tục. Với các phạm vi rộng hơn, một số hạ tầng khác ngoài cáp sợi quang cần được bổ sung thêm. Các thành phố thường chọn tận dụng mạng không dây hoặc mạng di động LTE.
Các nhà cung cấp như AT&T và Verizon đã bắt đầu hợp tác với các thành phố để cung cấp kết nối thông qua cơ sở hạ tầng mạng không dây hiện có. Các thành phố có xu hướng chọn cách này vì cơ sở hạ tầng đã có sẵn tại chỗ và thành phố không phải sở hữu hoặc chịu trách nhiệm bảo dưỡng. Ngoài ra, chi phí sử dụng mạng di động sẵn có cũng thấp hơn nhiều so với chi phí đầu tư một cơ sở hạ tầng cáp sợi quang mới.
Một công nghệ khác là tần số vô tuyến 900 MHz, cũng không bị kiểm soát và được sử dụng miễn phí. Mỗi nút trong mạng lưới vô tuyến này sẽ giao tiếp với nút tiếp theo cho đến khi dữ liệu được truyền đến trung tâm điều khiển chính. Lưu lượng tạo ra trong hệ thống này sẽ bị giới hạn, vì lưu lượng có thể tăng theo cấp số mũ khi tiếp cận đến điểm trung tâm điều khiển.
Một vấn đề chính đối với các thiết bị này là khả năng mở rộng mạng để sử dụng cho truyền thông. Nếu lưu lượng đang được tùy chỉnh theo thời gian thực để sử dụng cho các camera giao thông, lưu lượng của các camera đó có thể là nguyên nhân khiến hiệu quả truyền tải thấp đi. Nguy cơ thất thoát các gói dữ liệu trên công nghệ LTE hay RF có thể gây ra các lỗ hổng lớn về dữ liệu, tạo ra các dữ liệu vô dụng. Để đối phó tình huống này, hầu hết các công nghệ hiện nay cần thêm một hệ thống truyền thông thứ hai để chọn lựa.
Tác động lên các trung tâm dữ liệu
Nhu cầu lưu lượng của toàn bộ các thiết bị trong thành phố thông minh sẽ là một con số khổng lồ. Để xử lý được lưu lượng này, các TTDL của thành phố cần được nâng cấp đáng kể so với năng lực hiện có của hệ thống.
Tính riêng tư của dữ liệu cũng cần được chú ý hơn. Trong một số trường hợp, các TTDL có thể xử lý một lượng nhỏ dữ liệu riêng tư nhưng phải tuân thủ theo quy định, chẳng hạn như luật HIPAA (Luật liên bang quy định những người có thể xem và tiếp cận thông tin sức khỏe của bệnh nhân).
Thách thức lớn nhất cho các TTDL là phải tăng cường khả năng mở rộng và dự phòng. Với nhiều thành phố và các TTDL, chi phí phát sinh để tăng tính dự phòng cho hệ thống điện và cáp dữ liệu hiện tại không hợp lý. Khả năng tiến hành bảo dưỡng định kỳ theo kế hoạch mà không ngắt điện hệ thống thường bị bỏ qua trong nhiều trường hợp. Những thách thức này sẽ thay đổi khi nhiều thiết bị thông minh dần được kiểm soát bởi các TTDL thành phố. Tiêu chuẩn về thiết kế TTDL được xuất bản bởi BICSI, ANSI/BICSI 002-2014, Thiết kế TTDL và hướng dẫn thực hành tốt nhất có nêu rõ năm lớp của TTDL, đưa ra chi tiết giúp người dùng xác định thành phần nào cần được dự phòng để đạt đến một lớp nhất định.
Khá nhiều TTDL thành phố hiện nay được xếp vào loại F2 hoặc F3, và cần được nâng cấp lên F4 khi bắt đầu chạy các ứng dụng thông minh của thành phố.
Lo ngại về bảo mật
Một yếu tố gây hạn chế tốc độ tăng trưởng các dịch vụ thông minh chính là những lo ngại về bảo mật an ninh mạng và quyền riêng tư của cộng đồng. Việc bổ sung nhiều thiết bị kết nối mạng sẽ khiến hệ thống càng dễ bị tấn công hơn. Vấn đề này còn được quan tâm đặc biệt vì các thiết bị kết nối không dây không bị giới hạn trong phạm vi một tòa nhà, mà còn được sử dụng rộng khắp thành phố. Có nhiều phương pháp đối phó tình huống này, trong đó, các nhà thiết kế ICT tập trung vào khả năng tương tác với khách hàng và những người có liên quan.
Đầu tiên, bạn cần bảo mật lớp vật lý đối với các thiết bị kết nối mạng. Nhiều thiết bị như camera an ninh được bảo vệ trong hộp chứa để tránh các hành vi phá hoại. Ngoài ra, các cảm biến kết nối quan trọng cũng cần được bảo vệ trong các hộp chứa cứng cáp. Nếu một thiết bị khó bị can thiệp về vật lý, khả năng bị tấn công cũng được giảm thiểu.
Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng một lớp vật lý tách rời và chuyên dụng với hệ thống mạng. Khi một tòa nhà mới đang ở giai đoạn xây dựng ban đầu, đó là thời điểm để bổ sung các cơ sở hạ tầng mạng và cáp sử dụng cho thành phố. Điều này cần sự hợp tác chặt chẽ với kiến trúc của các doanh nghiệp. Thành phố cũng có thể yêu cầu lắp đặt một đường cáp song song với cáp quang trục của doanh nghiệp nếu khái niệm thành phố thông minh được triển khai trong một tòa nhà mới. Đây sẽ là cách tốt nhất để giữ hệ thống mạng độc lập khỏi các hệ thống mạng doanh nghiệp.
Tầm quan trọng của sự hợp tác
Một trong những thách thức lớn nhất cho các thành phố thông minh là nhu cầu hợp tác giữa các bộ phận và tổ chức trong thành phố. Ví dụ: bộ phận cung cấp nước có kế hoạch riêng trong việc sử dụng thiết bị kết nối mạng để đo lường mức nước sử dụng, trong khi những tổ chức thực thi pháp luật cần tập trung hơn trong việc lắp đặt các máy phát hiện súng ống gắn trên đèn đường. Đây là những yếu tố giúp thành phố kết nối nhiều hơn, thông minh hơn. Tuy nhiên, nếu các nhà cung cấp và cộng đồng ICT không hợp tác được với các bộ phận này, ta sẽ mất đi cơ hội để phát triển.
Tương tự, tiềm năng của thành phố thông minh sẽ bị giới hạn nếu các ngành công nghiệp xây dựng và ICT không cộng tác mật thiết với các nhà quy hoạch đô thị. Một thành phố thông minh không còn là giấc mơ khi có sự hỗ trợ của IoT. Tương tự, thành phố thông minh mà không kết nối với các tòa nhà thông minh khác, sẽ không bao giờ chạm tới được một tương lai như hình dung của nhiều người về thành phố thông minh.
Kết quả là, các nhà thiết kế ICT của các tòa nhà nên hợp tác để tận dụng những máy đo thông minh và ủng hộ từ chính quyền địa phương. Sử dụng các giao thức mở là điều tối cần thiết để tích hợp thành công các hệ thống tòa nhà vào hệ thống thành phố thông minh. Những giao thức mở như xAP, X10, Zigbee và BACnet được sử dụng ngày càng phổ biến.
Nếu bạn gặp phải các giao thức độc quyền, hãy tìm cách làm việc với các nhà sản xuất để trích xuất dữ liệu từ hệ thống điều khiển. Chẵng hạn như cổng ‘dry contact’ trên các thiết bị cũng có thể giúp kết nối các hệ thống tự động lại với nhau. Khi nhiều hệ thống riêng biệt trong tòa nhà cùng kết nối với nhau và với hệ thống các thiết bị của thành phố thông minh, chúng ta sẽ đạt được những thay đổi bất ngờ.
Sự phát triển thành phố thông minh không chỉ bị chi phối bởi công nghệ, mà còn liên quan đến nhu cầu của khách hàng. Cộng đồng ICT thường xuyên phải giải quyết hàng loạt vấn đề của khách hàng nên rất có kinh nghiệm về mặt này so với các nhà làm chính sách. Nếu có cơ hội phát triển thành phố thông minh, các chuyên gia ICT sẽ mang đến một cách tiếp cận khác cho các nhà làm luật, trở thành người ủng hộ công nghệ và đại diện cho khách hàng. Cách tiếp cận này sẽ giúp các nhà làm luật và chính quyền thành phố tránh được tình trạng cứ ứng dụng giải pháp công nghệ rồi sau đó mới đi giải quyết sự cố. Phát triển công nghệ không chỉ dựa trên các phát minh, mà còn cần được xem xét theo nhu cầu người dùng.
Kết luận
Có được một mạng kết nối mọi thiết bị trong tương lai là sáng kiến vô cùng hấp dẫn đối với nhiều người. Điều này được trông đợi sẽ mang đến nhiều lợi ích đáng kể cho các chủ sở hữu tòa nhà thông minh, cư dân thành phố và ngành công nghiệp ICT. Với nỗ lực tạo nên các giải pháp thiết thực đáp ứng nhu cầu thực tế, các chuyên gia ICT sẽ là một bộ phận quan trọng trong thị trường đang tăng trưởng rất nhanh này.
Một yếu tố quan trọng nữa để xây dựng thành công thành phố thông minh, chính là yêu cầu hợp tác và thảo luận giữa các bên liên quan. Các tổ chức và cá nhân dẫn dắt xu hướng này sẽ không phải là những chuyên gia hàng đầu về công nghệ mới, mà là những người có kinh nghiệm và kỹ năng làm việc hiệu quả cùng nhau.
Nguyễn Văn Đông Minh
Theo ICT Today
