تطبيق نظام حاسوب الفوج للهياكل الأساسية لمدينة سمارت

' 1` المرجع المعني بالعملية اللامركزية في البيئات الحضرية

وتتطور بسرعة المدن الحديثة إلى نظم إيكولوجية مترابطة، حيث يولد ملايين أجهزة الاستشعار والكاميرات والأجهزة تدفقاً واسعاً من البيانات كل ثانية، وتزيد مبادرات المدن الذكية التي تشمل إدارة حركة المرور الذكية، والسلامة العامة، والرصد البيئي، وتزيد من سرعة تحليل البيانات والاستجابة لها، وتزيد البنى التحتية التقليدية التي تتسم بالهيمنة، وتضع قيوداً على النطاق المعماري وتقوض نقاط الزمن.

ما هو حاسب فوج؟

فحساب الفوج، الذي يشار إليه أحياناً بالربط الشبكي للضباب، هو هيكل حاسوبي موزع يمتد الغيوم إلى حافة الشبكة، ويُستدل من مصطلح " فوج " على سحابة أقرب إلى بيانات التجهيز الأرضي في المراكز المحلية بدلاً من إرسال كل شيء إلى مركز بيانات مركزي، ويتكون الهيكل عادة من ثلاثة مستويات: أجهزة استخبارات نهائية (أجهزة غيومية، مصوفة، كاميرات)

(أ) قام الكونسورتيوم المفتوح (وهو الآن جزء من اتحاد الإنترنت الصناعي) بتحديد هيكل مرجعي يركز على انخفاض درجة الحرارة، والتوعية بالمواقع، ودعم التنقل، وهذا الهيكل مناسب بشكل خاص لحالات استخدام المدن الذكية حيث يجب اتخاذ إجراءات بشأن البيانات في الثانية صباحاً، وفي إشارات المرور المسموعة، وتنسيق الاستجابة في حالات الطوارئ، وإدارة الحشود، مثلاً، عن طريق رفع التجهيز من السحابة المركزية، وتقليص تكاليف التراجع في المناطق الحضرية.

الفوائد الرئيسية للهياكل الأساسية لمدينة الذكاء

انخفاض درجة الحرارة وقابلية الاستجابة في الوقت الحقيقي

وفي مدينة ذكية، كثيرا ما يلزم اتخاذ قرارات في وقت حقيقي، ويجب أن يعدل نظام إدارة حركة المرور توقيتات الإشارة في غضون مليارات من أجل تجنب الازدحام؛ ويجب أن يكشف برنامج تحليلي للسلامة العامة عن السلوك المشبوه وسلطات الإنذار فورا، وأن يخفض الحوسبة إلى أدنى حد بيانات المسافات المادية، بدلا من إرسال لقطات تنبيهية إلى خادم سحابي يبعد مئات الأميال، وأن يقوم جهاز فرز البيانات في ممر حركة المرور على نحو مقطع الطريق، بتحديد فترات التأخير في عمليات الفيديو.

تحقيق الاستخدام الأمثل وتحقيق وفورات في التكاليف

وتولد المدن الذكية كميات هائلة من البيانات، إذ يمكن لأية كاميرا واحدة للمراقبة عالية التعريف أن تنتج عدة جيغابايت من الفيديو يوميا، ولا يمكن أن تؤدي تحويل جميع هذه البيانات الخام إلى السحابة إلى تغطية وصلات الشبكة وتحمل تكاليف كبيرة في نطاق الترددات، كما أن أجهزة التصفيف والضغط على البيانات عند الحافة، وعلى سبيل المثال، قد تُرسل شبكة الاستشعار البيئية متوسطات دورية بدلا من كل قراءة؛

تعزيز الأمن وخصوصية البيانات

كما أن العديد من تطبيقات المدن الذكية تتناول صوراً حساسة من لوحات المعلومات، وبيانات التعرف على الوجه، وأنماط استهلاك الطاقة، والمقاييس الصحية من الأجهزة القابلة للارتداء، وإحالة هذه البيانات إلى سحابة مركزية، وتكشفها عن التشويش، وتزيد من سطح الهجوم، وتسمح الحوسبة بتصنيف البيانات، أو التسميتها، أو التشفير قبل مغادرة الشبكة المحلية، ويمكن الاحتفاظ ببيانات حساسة في إطار نظام التجهيز الخارجي.

الموثوقية والقدرة على مواجهة الجرائم

ولا يُكفل دائماً الربط بين السحاب في البيئات الحضرية الكثيفة، ولا سيما أثناء الكوارث الطبيعية أو ازدحام الشبكات، ويكفل حساب الفوج استمرار الوظائف الحيوية في المدينة حتى عندما تقطع الصلة بالسحابة، ويمكن أن تعمل مجموعة من الضباب التي تتحكم في أضواء المرور بصورة مستقلة على أساس القواعد المحظورة مسبقاً أو على مدخلات الاستشعار المحلية، ويمكن أن تكيف نظم الإضاءة في الشوارع مع الظروف المحيطة دون الحاجة إلى اعتماد على بنية أساسية غير ذاتية.

Scalability and Flexibility

ومع نمو المدن، يتسع عدد الأجهزة المترابطة بشكل مطرد، إذ إن توسيع السحابة المركزية للتعامل مع ملايين النقاط النهائية هو أمر مكلف ومعقد على حد سواء، كما أن نطاقات الضباب المحسوبة أفقياً أكثر ارتفاعاً في الطلب، ويمكن إضافة أجهزة الاستشعار الجديدة أو المحركات إلى مجال ضبابي قائم دون تعطيل الهيكل العام، ويتيح هذا النهج النموذجي للمدن البدء في عمليات نشر تجريبية صغيرة (مثل الممر).

تطبيق نظام حاسبة الفوج: خريطة طريق خطوة خطوة خطوة على طريق ستيب

الخطوة 1: تقييم حالات الاستخدام وتحديد الشروط

ولا يتطلب كل تطبيق من تطبيقات المدن الذكية حساب الضباب، وتتمثل الخطوة الأولى في تحديد حالات الاستخدام التي تتسم فيها درجة منخفضة من الرضا أو مدخرات النطاق الترددي أو التشغيل خارج الخط بأهمية حاسمة، وتشمل هذه الحالات تحديد أولويات الحركة الذكية، وتحليلات مراقبة الفيديو، ووقف المركبات في حالات الطوارئ، ووقف السيارات الذكية، والرصد البيئي، ويحدد لكل مرشح العتبات القصوى للتساهل (مثلا، ومواءمة الإدارات الفرعية لخطوط الاتصال).

الخطوة 2: اختيار برنامج " فوج هارد واي "

ويمكن أن تتراوح مواضع الفوج من حواسيب صغيرة واحدة (مثلا، رسبي باي مع برامج حاسوبية مصممة خصيصا) إلى مراكز بيانات صغيرة صناعية (مثلا، مدخل ديل إدغي، ميكا) وتشمل معايير الاختيار القدرة على التجهيز، والقدرة على التخزين، والربط بين الشبكة الدولية/الشبكة، و 5 جيزو، و لوروانز) التصنيفات البيئية (البرنامج الزمني، والتراب، والنموذج).

الخطوة 3: تصميم شبكة علم الاجتماع وتدفق البيانات

(ب) خطة [تضع رموز ضبابية على أساس مصادر البيانات والتغطية المطلوبة، مثلاً، تضع عقداً في مقاطع رئيسية، بالقرب من محطات الحافلات، أو داخل أعمدة أضواء الشوارع، وتبيّن كيف تتدفق البيانات من أجهزة الاستشعار إلى أجهزة الموجات الضبابية، وكيف تتواصل هذه الأجهزة فيما بينها (مختلفة أو نجمة)، وعندما تُرسل البيانات إلى السحابة، ويمكن التخلص من البيانات المستبقاة بعد التجهيز المحلي.

الخطوة 4: تنفيذ ضوابط الأمن والوصول

:: أن تكون العوالق النقالة متاحة مادياً، مما يجعلها عرضة للتلاعب، وأن تُكفل كل عقدة من العواصم ذات الثقة المتجذرة، وأن تُخزن وتُؤمن الأحذية، وأن تنفذ نظاماً متبادلاً للفحص على أساس التسلسل بين الأجهزة، وأجهزة التنقيب عن الضباب، والسحب، وأن تستخدم إدارة الهوية والوصول لتوثيق جميع الاتصالات، وأن تنفذ البيانات الحساسة، نظاماً للكشف النهائي، مصمماًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً لبرمجيات مختلفةً.

الخطوة 5: النشر، والإدماج، والتقدير

:: توزيع رموز الضباب على مراحل: البدء في وضع نموذجي في منطقة خاضعة للرقابة (مثل بضعة مباني في المدينة) للتحقق من صحة الرطوبة والدقة والموثوقية، وإدماج رموز الضباب مع ظهورات السحب القائمة (مثل البحيرات الموجودة في بيانات المدن ونظم المعلومات الجغرافية) عن طريق تطبيقات نظام المعلومات الإدارية المتكامل.

الخطوة 6: الرصد، والتعهد، وتحقيق الحد الأمثل

ومن الضروري القيام بعمليات رصد متواصل بعد النشر، واستخدام أدوات مثل بروميثيوس وغرافانا لتتبع صحة العقيدات، واستخدام وحدة منع الحمل/الذكر، وحركة النقل الشبكي، وتنفيذ تحديثات دقيقة للبرامجيات والبرامجيات الثابتة، وإنشاء عملية لإدارة دورة الحياة لاستبدال المعدات (مثلاً بعد 5 سنوات)، وتحليل البيانات التشغيلية لتحديد الفرص المتاحة لاستهلاك الطاقة على النحو الأمثل، وتعديل قواعد تجهيز البيانات الجديدة،

التغلب على التحديات والنظر في المسائل الرئيسية

إدارة الأجهزة في سكال

وتشكل إدارة آلاف من قطعان الضباب المتناثرة جغرافيا تحديا تشغيليا كبيرا، وقد يُجري كل عقد تطبيقات مختلفة، ويحتاج إلى تشكيلات فريدة، ويقع في أماكن يصعب الوصول إليها (مثلا، الأعمدة الأرضية)، ويمكن أن تؤدي برامجيات التفتيش المركزية (مثلا، الكوبرنيتات عند الحافة، ومحطة Azure IoT Hub) إلى التشغيل الآلي لعمليات النشر، ومع ذلك، فإن القدرات على إدارة المدن يجب أن تستثمر في مجال الرصد الصحي.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

Smart city environments are heterogenous-sensors from multiple manufacturers, legacy systems, and different communication protocols (Zigbee, Thread, NB‐IoT, 4G/5G). Fog nodes must bridge these protocols and provide a unified data model. Adoption interoperability standards such as IE 1934 (Fog Computing and Networking) and the OpenFog Reference Architecture help frameworks

الامتثال للأمن والخصوصية

فلوائح خصوصية البيانات أصبحت أكثر صرامة في جميع أنحاء العالم، ويمكن أن يساعد في هذا المجال الحاسوبي، ولكن أيضاً يستحدث مخاطر جديدة - تلاعباً فيزيائياً، أو هجمات على جانبية، أو تحديثات في إطار برامجيات البرمجيات الخبيثة، ويجب على المدن تنفيذ استراتيجية متعمقة للدفاع: ضمان الأحذية، والاختبارات على الأجهزة، والاتصالات المشفرة، وهيكل شبكة عدم الثقة، وضمان عدم وجود تصنيف في البيانات أو إجراء مراجعة حسابات على نطاقات.

التكلفة ومجموع تكلفة الملكية

وفي حين أن حساب الضباب يمكن أن يقلل من تكاليف النطاق الترددي السحابي، فإنه يتطلب استثماراً أولياً في المعدات والتركيب والصيانة، وينبغي أن يقارن مجموع تكلفة تحليل الملكية بالتفصيل تكلفة عقد الأنهار الضبابية مقابل النطاق الترددي المودع، والحساب السحابي المخفض، وتحسين الموثوقية، وفي كثير من الحالات، يمكن أن تحدث نقطة الكسر في الثانية والثالثة لتطبيقات ذات النطاق الترددي العالي مثل برامج مراقبة الفيديو.

مستقبل حواسيب الفوج في التنمية الحضرية

وسيصبح حساب الفوج أكثر تكاملاً حيث تعتمد المدن شبكات من 5 جي، ومركبات مستقلة، وذكاء اصطناعي عند الحافة. ويسمح الاتصال ذو التبعية المنخفضة الموثوقة من حيث التبعية، مع عقدات ضبابية، بالتحكم في المكوكات المستقلة ذاتياً في الوقت الحقيقي، وعمليات التسليم القائمة على الطائرات بدون طيار.

وعلاوة على ذلك، فإن الاستدامة هي المحرك للابتكار، إذ يمكن للزواحف التي تعمل بالطاقة المتجددة (البوابات المعزَّزة) أن تقلل من البصمة الكربونية لتجهيز البيانات الحضرية، كما أن الأجهزة ذات الكفاءة في استخدام الطاقة (المجهزات القائمة على نظام الرصد الدولي، والمسرِّعات المتخصصة في مجال الطاقة مثل نظام NVIDIA Jetson) تجعل من الممكن استخدامه في حساب المواقع البعيدة عن الشبكة، مع توسيع نطاق المعلومات إلى بلايين الأجهزة البيئية التي يمكن قياسها.

خاتمة

فالحسابات الفوجية ليست مجرد امتداد للحوسبة السحابية؛ فهي تكنولوجيا أساسية لبناء بنية أساسية ذكية ومرنة وفعالة في المدن، ومن خلال الانتقال إلى حافة الشبكة، يمكن للمدن أن تحقق مستوى منخفض من الاتساع، ووفورات النطاق الترددي، والأمن، والموثوقية الخارجية التي تتطلبها التطبيقات الحضرية الحديثة، ويستلزم التنفيذ الناجح إجراء تقييم دقيق لحالات الاستخدام، والاختيار الاستراتيجي للمعدات والبرامجيات، وتسريع مستويات الأمن،