النموذج الوظيفي في سياق تخطيط الهياكل الأساسية في مدينة ذكية

ما هو النموذج الخيالي؟

فالنموذج الوظيفي هو الانضباط الهندسي للنظم الذي يكسر نظاما معقدا في وظائفه وعملياته وتدفقاته التأسيسية، وفي سياق الهياكل الأساسية للمدينة الذكية، يوفر تمثيلاً بسيطاً للكيفية التي تعمل بها نظم النقل، وتوفير الطاقة، وإدارة المياه، والسلامة العامة، ويتفاعل معها، وينشأ هذا النهج من التحليل المنظم وأساليب التصميم في هندسة البرامجيات، ولكنه ثبت أنه ذو قيمة متساوية بالنسبة للنظم الحضرية التي يتعين أن تعمل فيها مجموعات متعددة من أدوات تحديد الأسباب دون المستوى على اتباعها معاً.

لماذا نُظُرُ الأمورَ المهنية للمدنِ الذكيةِ

فالمدن الذكية ليست مجرد مدن ذات أجهزة استشعار مضافة؛ فهي نظم إيكولوجية تلتقي فيها البيانات والهياكل الأساسية المادية لتحسين نوعية الحياة والكفاءة الاقتصادية والاستدامة البيئية، والنموذج الوظيفي هو العمود الفقري لهذا التقارب، ويساعد المخططين على تصور نظام النظم بأكمله، وتحديد الأماكن التي يمكن فيها إعادة استخدام البيانات في مختلف الإدارات، وتحفيز آثار التغييرات في السياسات أو التحسينات التكنولوجية.

تحسين قابلية التشغيل البيني

ومن أكبر التحديات في مشاريع المدن الذكية، الحصول على بائعين ونظم تركية مختلفة للتحدث مع بعضهم البعض، ويعرف نموذج وظيفي أوجها وصل واضحة وتدفقات معلومات، فعلى سبيل المثال، قد يحتاج نظام إدارة حركة المرور إلى استهلاك بيانات الطقس من شبكة منفصلة، ويبين النموذج بالضبط ما هي البيانات المطلوبة، في أي شكل، وفي أي تواتر، مما يقلل الاحتكاك فيما بعد.

تخصيص الموارد على أساس الأدلة

فميزانيات المدن محدودة، وكثيرا ما تسيَّس قرارات الهياكل الأساسية، فالنموذج الوظيفي يقدم مبررا كميا للاستثمارات، ومن خلال تحفيز ديناميات الطلب والعرض في الوقت الحقيقي، يمكن للمخططين أن يعطوا الأولوية لتمويل العناصر التي تعد بأعلى عائد على الكفاءة أو القدرة على التكيف، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يحدد نموذج أنماط استهلاك الطاقة في جميع المباني العامة أفضل المرشحين الذين يعيدون النظر في أوضاعهم، مما يوفر الملايين من التكاليف التشغيلية.

Resilience and Adaptation

ويقتضي تغير المناخ والنمو السكاني وجود بنية أساسية مرنة - تسمح النماذج الوظيفية لموظفي المدينة بالسير ] ماذا لو كان] سيناريوهات : ما يحدث إذا انكسرت المياه الرئيسية الرئيسية أثناء موجة حرارية؟ وكيف تتحول أنماط المرور أثناء إجلاء الأحداث الرئيسية؟ وتكشف النماذج عن الاختناقات والضعف قبل أن تصبح كوارث، ولأن النماذج جذابة، يمكن تحديثها مع توافر بيانات جديدة.

الأنواع الرئيسية للنموذج الوظيفي المستخدمة في التخطيط الحضري

لا يوجد نموذج واحد يلتقط كل شيء الممارسون يختارون من عدة نماذج نموذجية تبعاً لجانب النظام الذي يحتاجونه للتحليل

نماذج العمليات

وتركز نماذج العمليات على تسلسل الأنشطة التي تحول المدخلات إلى نواتج، وقد تشمل هذه العملية في نظام ذكي لجمع النفايات مستويات لملء المكتشفة، وخوارزميات تحديد المسارات، وتعليمات الإرسال، والتحقق من جمعها، وباستخدام نموذج العملية التجارية والإخطار أو رسوم التدفق، تساعد هذه النماذج على تحديد حالات التأخير، والتنازلات غير الضرورية، وفرص التشغيل الآلي، وهي ذات قيمة خاصة بالنسبة لتدفقات العمل التي تشمل حدوداً شاملةً للإدارة.

نماذج تدفق البيانات

وترسم نماذج تدفق البيانات كيفية انتقال المعلومات من خلال النظام العصبي الرقمي للمدينة، وهي تحدد مصادر البيانات (المجسات، وقواعد البيانات، والمقاييس، والتجهيزات (المحركات التحليلية، واللوحات) والمقصدات (صانعو القرار، والمحاضرين) ويكشف نموذج جيد لتدفق البيانات عن مخاطر الخصوصية: إذا كانت البيانات الشخصية موزعة عن طريق عقد غير مشفوع، فإن النموذج يُعلم الفجوة أيضاً.

النماذج المادية

إن نظم المعلومات الجغرافية والتوائم الرقمية هما النموذج المادي المهيمن، إذ تمثلان أصولاً ملموسة مثل الجسور، والأنابيب، وأعمدة الكهرباء، وتتبعان مسارات في المكان، وعندما تقترن نماذج وظيفية، تظهر النماذج المادية ليس فقط أين توجد الأصول بل كيف تتصرف تحت الحمولة، فعلى سبيل المثال، فإن التوأم الرقمي لشبكة تدفئة المقاطعات يلتقط كلا من مخططات الأنابيب والخواص الحرارية للماء في إطار نماذج التحديث.

النماذج الهجينة والمتعددة الأحرف

ويستفيد معظم مشاريع المدن الذكية من الجمع بين نهجين أو أكثر من نهج النموذج في وجهة نظر متعددة المستويات، وقد يظهر نموذج متكامل الطلب على الطاقة في المبنى )عمليات(، وتبادل البيانات مع الشبكة الذكية )تدفق البيانات(، وموقعها المتصل بقاعدة التدفئة الرئيسية )الفيزيائية(، وهذا النهج المطبق يتيح تحليل الأسباب الجذرية التي لا يمكن أن يوفرها نموذج واحد، وعلى سبيل المثال، يمكن ربط الارتفاع المفاجئ في كمية الكهرباء بتشكيلات العامة القريبة.

النموذج الوظيفي عبر خطوط الدخان الرئيسية

ويجلب كل مجال من مجالات البنية التحتية الحضرية متطلبات نموذجية فريدة، فيما يلي أهم القطاعات التي حقق فيها النموذج الوظيفي أثراً قابلاً للقياس.

النقل والتنقل

وتعتمد نظم إدارة حركة المرور الذكية اعتماداً كبيراً على النماذج الوظيفية لتنسيق إشارات المرور التكييفية، وتحديد المسارات في الوقت الحقيقي، والاستجابة للحوادث.() وتلتقط نماذج العملية التسلسل من كشف المركبات إلى تعديل الإشارات، في حين تبين نماذج تدفق البيانات كيف تتفاعل بيانات سرعة حركة السيارات ذات الصلة مع استخدام الطرق السحابية على الوجه الأمثل.() وتستخدم المدن الرائدة هذه النماذج لتحفيز أثر الممرات المخصصة للحافلات أو تسعيرها قبل إجراء تغييرات مادية في المتوسط()

نظم الطاقة

فالتحول إلى مصادر الطاقة المتجددة الموزعة يجعل من النماذج الوظيفية أمرا لا غنى عنه لتحقيق استقرار الشبكة، إذ تحفز النماذج التفاعلية بين توليد الطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات، والاستجابة للطلبات، والشبكة الرئيسية، وتكفل نماذج تدفق البيانات أن تصل إشارات التسعير في الوقت الحقيقي إلى أجهزة قياس حرارة الأسر المعيشية دون أي طاقات، وتساعد نماذج العمليات المرافق على توحيد إجراءات التحول إلى نمط الجزيرة أثناء انقطاع الكهرباء.

إدارة المياه

ويستخدم مديرو مرافق المياه نماذج وظيفية لرصد الدورة بأكملها والسيطرة عليها: العرض، والعلاج، والتوزيع، والاستهلاك، وإعادة تدوير مياه الفضلات، وتضع نماذج العمليات سلسلة من خطوات المعالجة القائمة على مستويات ملوثة مكتشفة؛ ونموذج تدفق البيانات يكفل إدماج قراءات الاستشعار عن بعد من أنابيب التوزيع بقواعد بيانات الطلب التاريخية، ويظهر تطبيق حيوي بوجه خاص كشف التسرب، ويبيّن الضغط المتوقع والتدفق عبر شبكة التفجيرات الحرارية في سنغافورة.

شبكات الاتصالات

5[G and fiber-optic networks are the digitalurg system of a intelligence city. Functional models help planners decide where to place cell towers and small cells for maximum coverage and capacity. Data flow models map the routing of IoT telemetry from streetlights, park meters, and environmental sensors back to central analytics platforms. without these models, network upgrades can be overprovision

وضع نموذج وظيفي: خطوات عملية

ويتطلب الانتقال من المفهوم إلى نموذج وظيفي عملي نهجا منظما، ويتم تكييف الخطوات التالية من أفضل الممارسات الهندسية للنظم ومن التنفيذ الفعلي للمدينة الذكية في العالم.

الخطوة 1: تحديد حدود النظام وأصحاب المصلحة الرئيسيين

ولا يشمل أي نموذج مدينة بأكملها، وتتمثل الخطوة الأولى في تحديد نطاق ما سيمثله النموذج بوضوح، هل هو تقاطع واحد؟ شبكة طاقة على مستوى المنطقة؟ نظام للاستجابة في حالات الطوارئ على نطاق المدينة؟ إشراك جميع أصحاب المصلحة - مخططو المدن، ومتعهدو المرافق، وممثلو المواطنين، وموردو التكنولوجيا - للاتفاق على الأهداف ومقاييس النجاح.

الخطوة 2: مهام الجرد والتدخلات

إدراج جميع المهام التي يجب أن يؤديها النظام من الأهداف الرفيعة المستوى (مثل " ضمان الوصول المنصف للمياه " ) إلى العمليات المنخفضة المستوى (مثل " تشغيل المضخة الاحتياطية عند هبوط الضغط إلى أدنى من الحد الأدنى " )، وللاطلاع على كل وظيفة، يلاحظ مدخلاته ونواتجه ومحفزاته وبياناته المطلوبة، ويحدد النظم الخارجية أو الجهات الفاعلة التي تتفاعل مع النموذج، مثل بوابات الدفع، والخدمات الجوية، أو النظم البلدية المتاخمة.

الخطوة 3: اختيار الإشعار الصحيح بالنمذجة

)أ( اختيار لغة نموذجية تضاهي تعقيد المشروع وجمهوره المتوقع: بالنسبة للأفرقة ذات التوجه العملي، فإن مخططات نشاط BPMN أو UML تعمل جيدا، وإذا كان هيكل البيانات هو الشاغل الرئيسي، أو مخططات ER أو إدارة التنمية المستدامة، وبالنسبة للتكامل المتعدد الجوانب، فإن النظر في نظام " سيزم " أو نظام آرتش، الذي يتيح الوصل بين العمليات والبيانات والنماذج الافتراضية.

الخطوة 4: البناء، والتقدير، والتبسيط

البدء بنموذج خط الأساس الذي يمثل العمليات الجارية، وتقييمه بمقارنة النواتج المحاكاة مع البيانات التاريخية الحقيقية، وبعد أن يكون خط الأساس، يعدل النموذج ليعكس التغييرات المقترحة - إضافة جهاز استشعار جديد، وزيادة تواتر الحافلات، أو إدخال برنامج للاستجابة للطلبات - إجراء محاكاة لمقارنة النتائج، واستخدام فترات الثقة الإحصائية للإبلاغ عن النتائج، وليس مجرد تقديرات.

الخطوة 5: إنشاء الإدارة ومراقبة الارتداد

وتتطور النماذج الوظيفية مع تغيرات المدينة، حيث تُعين مشرفا نموذجيا مسؤولا عن الحفاظ على الاتساق عبر التحديثات، واستخدام مستودعات مراقبة النسخ (مثل جيت) لتتبع التغيرات، وتُحدَّث نماذج نموذجية على خط البيانات الرسمي للمدينة بحيث يُضاف جهاز كشف جديد عن حلقات المرور إلى الشبكة المادية، ويُعَلَم النموذج الوظيفي تلقائيا إلى التنقيح، وبدون الحكم، تصبح النماذج سريعة العزلة وتفقد المصداقية.

النشرات العالمية الحقيقية للنمذجة الوظيفية في المدن الذكية

وقد أضفت عدة مدن رائدة الطابع المؤسسي على النموذج الوظيفي باعتباره ممارسة تخطيط أساسية، وتوفر تجاربها دروسا قيمة للآخرين.

سنغافورة: سنغافورة الافتراضية والتوأم الرقمي

(ج) إن سنغافورة Virtual Singapore] هي واحدة من أكثر المبادرات ذكاءً في مجال نماذج المدن على الصعيد العالمي، وهي تدمج بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، والنماذج الجغرافية 3D، ونماذج العمليات الوظيفية للطاقة، والمياه، والاتجار، ونظم النفايات في منصة تعاونية واحدة.() ويمكن لمخططي المدن أن يختبروا أثر ارتفاعات البناء الجديدة على التدفق الريحي، ويضعون طرق الإجلاء الأمثل

Barcelona: Integrated Sensor Networks and Process Modeling

وقد بدأ تطور مدينة برشلونة الذكية بمشاريع الاستشعار المسيل للسيارات الذكية والنفايات والإضاءة، ثم اعتمدت المدينة منصة حضرية مبنية على نماذج وظيفية لربط هذه الجزر، كما أن نماذج العملية تحدد سلسلة الإجراءات التي تولدت عن أحداث مثيرة: إذ أن جهاز الاستشعار في مواقف السيارات يكتشف مسارات السيارات، على التوالي، وطلب الدفع، وتنبيها لإنفاذ مواقف السيارات إذا لم يكن هناك أجر، ونماذج مستكملة لضمان توافر البيانات في الوقت الحقيقي.

التحديات في مجال النماذج الوظيفية للمدن الذكية

ورغم فوائدها، فإن النماذج الوظيفية في المناطق الحضرية الكبيرة تواجه عقبات مستمرة، والاعتراف بها أمر حاسم الأهمية للنشر الناجح.

تعقيد تكامل البيانات

وتُجمع البيانات في عشرات الأشكال والنظم القديمة، من جداول بيانات في إدارات المشتريات إلى نظم معالجة المياه في إطار نظام SCADA، ويستلزم بناء نموذج وظيفي موحد تنظيف البيانات ورسمها ومواءمةها، ويمكن أن يُفترض أن يُفترض أن بعض الأفرقة تتخلى عن نماذجها لصالح تكاملها، وتشمل الحلول الاستثمار في منابر بيانات مشتركة ذات مؤشرات قياسية موحَّدة، واعتماد عناصر تقنية موحَّدة تتعلق بالنظمية ([1]).

الجدولة النموذجية والأداء

وقد لا يؤدي نموذج وظيفي يعمل في تقاطع واحد إلى تحفيز التفاعلات عبر مقاطعة بأكملها بسبب الانفجار المختلط، إذ إن المحاكاة الفعلية لشبكة حركة المرور في المدينة بأكملها، مثلا، تتطلب قدرة هائلة على المقارنات وأجهزة نموذجية فعالة، وتلجأ مدن كثيرة إلى النموذج الهرمي: وهو نموذج رفيع المستوى يلتقط الزهرة العامة، بينما لا يُحتج بالنموذج التفصيلي للنموذج إلا عند الحاجة إليه (ه).

النماذج الحالية

وتتطور الهياكل الأساسية الحضرية باستمرار - تُعاد ترقية الطرق، وتُستبدل أجهزة الاستشعار، وتُرفع البرامجيات، وإذا لم يتم تحديث النموذج الوظيفي في أماكن مغلقة، فإنها تفقد الدقة، وكثيرا ما تفتقر المدن إلى الموظفين أو عمليات الإدارة للحفاظ على النماذج، وتتمثل إحدى أفضل الممارسات الناشئة في معاملة النموذج الوظيفي باعتباره " وثيقة حية " تتلقى تلقائياً من نظم إدارة الأصول وسجلات التغيير، ومع التشغيل الآلي، يلزم إجراء استعراض إنساني للتأكد من صحة التغييرات في الجسم.

الموازنة بين التفاصيل وقابلية الفهم

وقد تكون النماذج الوظيفية التي تستهدف المهندسين أكثر تفصيلاً من اللازم لأعضاء مجلس المدينة أو الجمهور، وتُتجاهل النماذج المعقدة للغاية؛ وتُضلل نماذج بسيطة للغاية، والحل هو إيجاد آراء متعددة لنفس النموذج الأساسي - وهو موجز تنفيذي ضعيف الوزن لمتخذي القرارات، ونظرة تقنية مشروحة تماماً للمشغلين، ويتطلب ذلك أدوات نموذجية تدعم عملية التصفية والضرب الخاصة، وهي سمة لا تزال تُضفي عليها.

الاتجاهات المستقبلية: معلومات عن المعلومات، وبيانات عن الوقت الحقيقي، والنماذج المستمرة

ومع نضج مشاريع المدن الذكية، تعززت النماذج الوظيفية بالتكنولوجيات الناشئة التي تعد بمعالجة أوجه القصور الحالية وفتح القدرات الجديدة.

AI and Machine Learning Integration

وبدلا من الاعتماد على قواعد محددة يدويا فقط، يمكن أن تتضمن النماذج الوظيفية نماذج للتعلم الآلي التي تتعلم السلوك الطبيعي للنظام من البيانات التاريخية، فعلى سبيل المثال، قد يتضمن نموذجا لعملية الصيانة المتوقعة للمصعدات شبكة عصبية تتوقّع احتمال الفشل استنادا إلى سجلات اليقظة ودرجات الحرارة، كما أن المنظمة تساعد على التأقلم مع اكتشاف الوظائف: يمكن للتعلم غير الموصوف أن يفسّر مسارات الحساسية ويُقترح تلقائياً.

استيعاب البيانات في الوقت الحقيقي

وسيعمل النموذج الوظيفي المقبل في إطار أسلوب محاكاة مستمر، يستوعب مسارات البيانات في الوقت الحقيقي لتحديث التوقعات المتعلقة بالطيران، وهذا يشكل " توأم رقمي " يعكس الحالة الراهنة للمدينة التي تتسم بالثواني، ويمكِّن النماذج الحالية من التحكم في التكيُّف: فعلى سبيل المثال، يمكن لنموذج للطاقة الذي يكشف الغطاء السحابي المفاجئ أن يكيف بصورة استباقية الجداول الزمنية للمبنى HVAC قبل أن ترتفع درجات الحرارة في الداخل.

النموذج المحوسب والمشروب

وتخلق البنيانات النموذجية المركزية نقطة واحدة من الفشل والثبات، وستوزع النظم المستقبلية عمليات التنفيذ النموذجية على أجهزة الحافة: يدير مراقب حركة المرور المحلي نسخة مبسطة من نموذج تدفق حركة المرور، ولا يرسل سوى نتائج إجمالية إلى السحابة، مما يحسن القدرة على التكيف ويقلل من تكاليف عرض النطاق الترددي، كما أنه يتيح ] وضع نماذج للملكية المحمية .

توحيد المعايير والنماذج المفتوحة

ولتجنب قفل البائعين وتعزيز التعاون بين المدن، تتحرك الصناعة نحو معايير مفتوحة للنماذج الوظيفية، وتقوم منظمات مثل منتدى التوأم الرقمي المفتوح و مؤسسة " FIN-IN-IN-IN-FWRE " بوضع هياكل مرجعية مشتركة تحدد كيفية تحديد العناصر الوظيفية التي ينبغي وصفها، واكتشافها، وربطها.

الاستنتاج: وضع النماذج الوظيفية

فالنموذج الوظيفي ليس عملية نظرية؛ بل هو أداة عملية لتصميم وتقييم وإدارة النظم الاجتماعية - التقنية المعقدة التي تشكل أساس المدن الذكية، إذ أن من خلال الخلاص من تفاصيل التنفيذ والتركيز على ما يجب أن يحققه النظام، يمكن للمخططين اتخاذ قرارات استثمارية أفضل، وتحسين التعاون بين جميع أطراف الحكم، وبناء الهياكل الأساسية التي تكون مرنة للإخفاقات التقنية وللاحتياجات الاجتماعية المتغيرة.