スマートシティインフラの技術的基盤

これは、IoTを実現する技術について執筆された、5回シリーズの最初の記事を要約したものです。この記事の全文は、wevolver.comでご覧いただけます。

スマートシティの概要

スマートシティは、相互接続され、クラウドに接続されたスマートオブジェクトで構成されます。それらのオブジェクトは、IoT（モノのインターネット）ネットワークの構成要素として連携し、より効率的で持続可能かつ便利な都市生活を実現します。また、スマートシティは、都市人口の増加、エネルギーの過剰消費、交通安全など、喫緊の社会問題への解決策となることも期待されています。スマートシティの目標である効率性、安全性、および持続可能性とは、経済的、社会的、環境的な持続可能性を目的としたものです。

スマートシティにおける最初の試みで活用される相互接続ネットワークとしては、エネルギー効率を高めるためのスマートグリッド、インテリジェントな交通管理や公害監視のためのセンシングおよびモニタリング技術、強化されたコンピューティングおよびデータストレージ、各サービスにアクセスしやすくするためのデジタルIDなどがあります。

基盤技術

スマートシティの中核となるのは、データを収集・共有する相互接続ネットワークです。このネットワークは、ノンストップで稼働するだけでなく、高いコネクティビティ、帯域幅、処理能力の要件を満たすと同時に、非常に低い電力で稼働できる必要があります。そのため、スマートシティに欠かせないIoTデバイスの主要技術は半導体技術となります。

半導体技術は、特にスマートセンサやモニタリング技術など、スマートオブジェクト内のチップやハードウェア部品に使用されています。IoTデバイス内のMCU（マイクロコントローラ）などのプロセッサには、デバイスがデータを識別して処理し、ネットワークと通信するためのソフトウェアを組み込む必要があります。ネットワークのほとんどがインターネットに接続されているため、IoTシステムの開発作業の大部分は、5G、LTE、WiFi、Bluetoothなどの高性能な接続オプションをデバイスに実装する作業になります。

スマートシティのインフラ

スマートグリッド

スマートグリッドは、高いエネルギー効率で動作し、スマートシティのインフラ全体に電力を供給する、完全に相互接続された電力システムです。スマートメータ技術が、電力供給の監視と安定化によってグリッドの信頼性を高めます。

スマートメータ

スマートメータは、電気、水道、ガスの使用量データを記録するインテリジェントな電子機器です。双方向の通信システムにより、サービスプロバイダとサプライヤは消費に関する情報を収集し、顧客のエネルギーパターンを監視することができます。

EV充電ステーションとスマートパーキング

EV充電ステーションは、グリッドからEVに電力を供給します。EVには家庭充電用のAC/DCコンバータが搭載されていますが、プラグイン充電ステーションではDCを直接供給して急速充電を行います。

分散型エネルギーシステム（DES）

スマートグリッドは、発電所から消費者にエネルギーが流れる集中型モデルから、再生可能エネルギーの分散型発電と直接的な消費者エンゲージメントというモデルへの転換を促進するものです。家庭用と公共用のソーラーパネル、風力タービン、バイオマス発電機、水力、地熱、ハイブリッド電源、およびEV充電器やスマートホームはすべて、発電や蓄電を行うことでグリッドに電力を供給します。

スマートモニタリングとセンサ

スマートシティは、スマート技術を使用して、環境から収集されたデータを精査し、それに基づいてアクションを起このしています。データは、センシング技術やスマートカメラを使用して収集されます。センサ技術は、バッテリ寿命を延ばすために超低消費電力で動作する必要があり、熱、レーダ、LiDAR、近接、化学的検出、太陽光などを利用します。

交通および汚染管理

交通管理用のセンサは、ミリ波（mmW）レーダを使用してデータを収集し、ネットワーク上で無線通信を行い、リアルタイムデータを交通システムにフィードバックします。これにより、事故防止、交通規制、交通量の少ないゾーンへの車両のルート変更など、さまざまなアプリケーションが可能になります。

スマートカメラ

メンテナンスおよび全体的な管理と安全を目的として、ビデオ監視もこのシステムの一部となっています。恒久監視の問題は、データセキュリティやプライバシーといった倫理的に重要な問題と紙一重であるため、依然として最も議論されている問題の1つです。

エッジコンピューティングとゲートウェイ

半導体センサやモニタリング技術によって収集された大量のデータは、保存および処理する必要があります。ゲートウェイは、収集したデータを保存し、精査および選別し、機密データをシステムに送り返して修正します。データは、「エッジコンピューティング」と呼ばれるノードのローカル分散ネットワークのモデルに従って処理されます。データの収集元に近い場所でデータを精査することで、共有された大量のデータをリアルタイムで処理することができます。

デジタルIDとその他の技術

デジタルIDは、スマートシティシステムに不可欠な要素となります。市民は行政サービスに直接接続し、自身のデジタルIDを使用してネットワークに接続できるようになります。これにより、公共輸送機関へのアクセス、取引の実行、駐車場の予約や運転ルートの計画、身分証明の提示などが可能になります。

まとめ

自律的でインテリジェントな相互接続IoTネットワークを実現するための技術が向上し続けることで、未来の都市設計がより明確に具体化し始めています。IoTシステムが都市の未来計画や改造計画に組み込まれるにつれて、世界中の市民がIoTシステムに触れる機会が増えるでしょう。その結果、無駄が少なく、エネルギー効率が高く、便利で安全な都市が実現するのです。しかし、これらの技術のロードマップや文化的・社会的な受け容れには、まだ課題が残されています。

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