Giới thiệu

Trong nhiều góc độ khác nhau, không có định nghĩa rõ ràng về “thành phố thông minh”, và trong các góc độ khác cũng không có quan điểm chung nào về việc thiết lập một thành phố thông minh. Điểm chung cho hầu hết các định nghĩa “Thành phố thông minh” là thuật ngữ về thành phố được ứng dụng công nghệ thông tin và các công nghệ mới để cải thiện tính bền vững, tính hiệu quả và chất lượng dịch vụ công cộng, nâng cao mức sống của người dân. Do đó, thành phố thông minh tạo thành một hệ sinh thái gắn kết, trong đó các dịch vụ thông minh khác nhau có thể tương tác hiệu quả và không tạo thành các giải pháp dọc riêng biệt.

Thành phố thông minh liên tục bị ảnh hưởng bởi các xu hướng mới. Do đó, các đô thị trong thành phố thông minh cũng phải linh hoạt và dễ thích nghi để theo kịp sự phát triển nhanh chóng này. Các xu hướng cũng có tác động trực tiếp đến các khu vực cụ thể trong Thành phố thông minh. Ví dụ như nơi có lượng dữ liệu lớn hơn thì sẽ đặt ra yêu cầu cao hơn đối với việc lưu trữ dữ liệu và cơ sở hạ tầng truyền thông cơ bản. Có 3 xu hướng tác động đến cơ sở và sự phát triển của thành phố thông minh đó là:

Xu hướng kỹ thuật: Đề cập đến các xu hướng trong công nghệ truyền thông và các tiến bộ kỹ thuật liên quan khác như 5G, dữ liệu lớn và dịch vụ đám mây. Những xu hướng này sẽ làm cho các thành phố thông minh đặt ra yêu cầu cao hơn đối với cơ sở hạ tầng truyền thông cơ bản.

Xu hướng ứng dụng: Đề cập đến các ứng dụng hoặc công cụ giúp người dân, doanh nghiệp và chính quyền thành phố phát triển dịch vụ ứng dụng ở các khu vực mới. Có nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau trong Thành phố thông minh, bao gồm chăm sóc sức khỏe, giao thông, y học, năng lượng, đèn đường, tài nguyên, cảm biến, thùng rác, tòa nhà, cơ sở hạ tầng, chính quyền và cơ quan thông minh...

Xu hướng mô hình hạ tầng ICT: Đề cập đến cách mà thành phố thông minh lựa chọn mô hình triển khai hạ tầng ICT với các điều kiện về phát triển dịch vụ, hiệu quả, linh hoạt và đổi mới. Liên quan đến sự phát triển nhanh chóng của các giải pháp cho các thành phố thông minh, tầm quan trọng của mô hình triển khai hạ tầng ICT được lựa chọn sẽ tăng lên đáng kể. Một số mô hình khác nhau sẽ tồn tại trên thị trường và các tác nhân khác nhau sẽ hỗ trợ các mô hình khác nhau đó. Mô hình triển khai hạ tầng ICT được coi là nền tảng mà một thành phố lựa chọn để xây dựng các giải pháp thông minh của mình và do đó trên mô hình ICT sẽ xác định nhiều quy tắc áp dụng cho các ứng dụng và nhà cung cấp dịch vụ.

Bài viết này sẽ mô tả các xu hướng kỹ thuật tác động trực tiếp đến sự phát triển của thành phố thông minh.

Xu hướng kỹ thuật ảnh hưởng đến sự phát triển của cơ sở hạ tầng thành phố thông minh

Các xu hướng kỹ thuật được mô tả trong bài viết này đã được đưa ra bằng cách xác định và đánh giá theo ba tiêu chí, đó là sự liên quan, thời gian và cường độ để xác định các xu hướng quan trọng nhất đối với cơ sở hạ tầng của Thành phố thông minh.

Hình 1: Xác định các xu hướng kỹ thuật quan trọng nhất đối với cơ sở hạ tầng của Thành phố thông minh

Trong đó:

Các xu hướng được đánh giá là phù hợp nhất là Internet vạn vật kết nối IoT (Internet of Things), 5G, dữ liệu lớn và dịch vụ đám mây.

1. Internet vạn vật kết nối IoT (Internet of Things)

IoT đề cập đến việc sử dụng các cảm biến - đó là các thiết bị nhỏ ghi lại các loại dữ liệu khác nhau, chẳng hạn như nhiệt, ánh sáng, tốc độ và trọng lượng và giao tiếp không dây trong các loại sản phẩm vật lý trên quy mô lớn, nơi các thiết bị được kết nối với internet và hoạt động mà không có sự tương tác của con người. Khi nhiều cảm biến được kết nối sẽ tạo ra dữ liệu lớn, cho phép thế giới vật lý được phân tích chi tiết trong nhiều trường hợp trong thời gian thực. Thông tin được sử dụng cho các mục đích bao gồm tối ưu hóa cơ sở hạ tầng thành phố và sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Một số dịch vụ IoT đặt ra yêu cầu về năng lực, các truy cập dịch vụ khác và cơ sở hạ tầng.

Có một số xu hướng chung trong khu vực IoT đặt ra yêu cầu đối với cơ sở hạ tầng của Thành phố thông minh, bao gồm:

Nhiều ứng dụng: Trong tương lai, các giải pháp IoT sẽ được tìm thấy ở hầu hết các khu vực và một số lượng lớn các thiết bị vật lý, như đèn đường và tòa nhà, sẽ phải được kết nối bằng sợi.

Tăng trưởng mạnh mẽ trong IoT: Số lượng thiết bị IoT được ước tính sẽ tăng khoảng 30% mỗi năm cho đến năm 2020.

Công nghiệp là động lực chính: Sự phát triển của IoT sẽ được thúc đẩy chủ yếu bởi ngành công nghiệp.

Đánh giá

Ngoài các xu hướng chung, một số yếu tố đang tạo điều kiện cho IoT phát triển nhanh chóng:

Giá áp trên cảm biến: Giá của các cảm biến đã giảm trong 5 năm qua và ước tính cho thấy nó sẽ tiếp tục giảm khoảng 5% mỗi năm trong vài năm tới. Việc giảm giá áp trên cảm biến sẽ giúp ta lắp đặt được nhiều cảm biến ở quy mô lớn để kết nối một số lượng lớn các thiết bị trong thành phố.

Cơ sở hạ tầng sợi: Nếu một thành phố có cơ sở hạ tầng sợi mở rộng, nó sẽ cung cấp năng lượng mở rộng nhanh hơn cho mạng cảm biến vì cơ sở hạ tầng cần thiết cho các cảm biến truyền thông tin trực tiếp qua mạng cáp quang hoặc qua mạng không dây.

Vùng phủ sóng không dây: Hầu hết các cảm biến yêu cầu truy cập mạng không dây để truyền dữ liệu vì các kết nối khác, chẳng hạn như cáp quang, không có sẵn ở tất cả các vị trí. Truy cập vào mạng không dây sẽ được thực hiện thông qua việc tăng cường phát triển, mở rộng và sẵn có 5G, WiFi và LoRa.

(LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu). LoRa được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như mạng cảm biến (sensor network)).

IPv6: Giao thức internet mới nhất cho phép số lượng địa chỉ IP duy nhất gần như vô hạn, giúp nhận dạng nhiều thiết bị IoT hơn.

Bộ xử lý và lưu trữ tốt hơn: Dữ liệu lớn được tạo ra bởi các cảm biến phải được lưu trữ và xử lý đầy đủ trong thiết bị IoT.

Mặc dù lĩnh vực IoT phát triển nhanh chóng, tuy nhiên vẫn còn một số thách thức, đòi hỏi phải đầu tư lớn. Đó là:

Quyền riêng tư và bảo mật: Dữ liệu lớn được tạo ra kéo theo các vấn đề nhạy cảm về quyền riêng tư, bảo mật và tạo thành lỗ hổng cho xã hội và công dân. Do đó, cần thiết phải có một chiến lược rõ ràng xung quanh vấn đề bảo mật dữ liệu.

Cung cấp điện: Một số lượng lớn các cảm biến sẽ được lắp đặt ở những nơi không có điện. Mạng lưới điện sẽ phải được mở rộng hoặc việc sử dụng pin/pin mặt trời sẽ phải được tăng lên.

Nền tảng và cảm biến lỗi thời: Các nền tảng cũ sẽ khó quản lý số lượng, loại dữ liệu và thông tin được tạo ra bởi các thiết bị IoT cần phải đầu tư nền tảng mới. Ví dụ, trong công nghiệp, các cảm biến đã được cài đặt cũng có những hạn chế của chúng, vì nhiều trong số các thiết bị này không thể hoạt động tự chủ như các thiết bị IoT, chúng phụ thuộc vào đầu vào và tương tác của con người.

2. Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5 (5G)

Mạng di động thế hệ tiếp theo - 5G - thường được gọi là mạng kết nối và “chia sẻ dữ liệu mọi lúc, mọi nơi bởi bất cứ đâu, bất cứ người nào và bất cứ điều gì”. Điều đó sẽ làm cho 5G không chỉ là công nghệ mới duy nhất mang tính cách mạng, mà còn là sự kết hợp của việc mở rộng, tăng số lượng cột di động và nâng cấp theo giai đoạn các công nghệ hiện có trong thông tin di động.

Các nhóm và tổ chức công nghiệp đã xác định một bộ 8 yêu cầu cho 5G:

· Kết nối 1-10 Gbps đến các điểm cuối trong trường dữ liệu;

· 1 mili giây end-to-end chậm trễ khứ hồi (độ trễ);

· Băng thông 1000X trên một đơn vị diện tích;

· Số lượng thiết bị được kết nối 10-100X;

· (Perception of) 99.999% khả dụng;

· (Perception of) 100% phủ song;

· Giảm 90% mức sử dụng năng lượng mạng;

· Tuổi thọ pin lên đến 10 năm đối với các thiết bị loại máy, công suất thấp.

Mạng 5G sẽ yêu cầu số lượng trạm cơ sở trên mỗi đơn vị diện tích cao hơn nhiều, tức là, vị trí của cột phủ sóng dày đặc hơn so với mạng di động ngày nay. Sự phát triển của 5G sẽ được thúc đẩy chủ yếu bởi các tác nhân thương mại và hợp tác nghiên cứu toàn cầu. Mạng 5G đầu tiên dự kiến sẽ có sẵn trên thị trường vào năm 2020.

Đánh giá về mạng 5G

Sẽ còn 2-3 năm nữa trước khi các mạng 5G đầu tiên dự kiến sẽ được cài đặt cho mục đích thương mại, có tác động lớn trong tương lai và trở nên phổ biến rộng rãi hơn.

5G sẽ tạo ra một số lượng lớn các ứng dụng cho thành phố thông minh. Một vài ví dụ như sau:

Xe thông minh và tự lái: Xe tự lái yêu cầu kết nối với độ trễ rất thấp, đây là một trong những yêu cầu được xác định cho 5G. Ví dụ: nếu có tai nạn, xe tự lái (a self-driving) được kết nối nhanh chóng cảnh báo những chiếc xe khác phía sau nó để đảm bảo an toàn nếu xảy ra điều kiện khắc nghiệt về giao thông và thời tiết.

Nhà thông minh: Các thiết bị thông minh ở nhà như màn hình TV và máy tính sẽ có thể giao tiếp với nhau.

Các dịch vụ khẩn cấp: Chẳng hạn, đội cứu hỏa hoặc đội phản ứng khẩn cấp sử dụng mũ bảo hiểm thông minh để truyền phát video ngay lập tức đến các giám sát viên cung cấp lời khuyên về cách quản lý các tình huống rủi ro trong thời gian thực.

Chăm sóc sức khỏe thực tế ảo: Độ trễ thấp của 5G cho phép cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe từ xa. Các bác sĩ sử dụng robot mới và kết nối với độ trễ rất thấp để thực hiện kiểm tra bệnh nhân hoặc thậm chí thực hiện phẫu thuật từ xa.

3. Dữ liệu lớn (Big Data)

Dữ liệu lớn đề cập đến số lượng lớn dữ liệu được sản xuất và có sẵn trong xã hội kỹ thuật số cũng như các cơ hội mới để phân tích và sử dụng thông tin. Số lượng dữ liệu đang tăng theo cấp số nhân và đã có hơn 90% tất cả dữ liệu trên thế giới được tạo ra chỉ trong 2 năm qua. Dữ liệu thường được mô tả dưới dạng dữ liệu có cấu trúc (ví dụ: dữ liệu do hệ thống tạo ra) hoặc dữ liệu không có cấu trúc (ví dụ: dữ liệu từ phương tiện truyền thông xã hội hoặc email).

Dữ liệu lớn chủ yếu có 2 ứng dụng:

Phân tích dữ liệu lớn: Phân tích dữ liệu lớn nhằm mục đích nhập số lượng lớn dữ liệu để có được cái nhìn sâu sắc hơn về thông tin, dữ liệu.

Dữ liệu lớn hoạt động: Mô tả việc sử dụng dữ liệu lớn hoạt động liên tục trong thời gian thực, liên quan đến cả việc đọc và ghi dữ liệu được sử dụng trong hầu hết các nguồn dữ liệu có cấu trúc.

Đánh giá

Dữ liệu lớn là một nguồn tài nguyên dữ liệu to lớn của một thành phố và được ước tính sẽ tạo ra giá trị rất lớn. Do đó, điều quan trọng là thành phố phải đảm bảo quyền truy cập mở vào dữ liệu cho người dân và các doanh nghiệp.

Nếu được sử dụng đúng cách, dữ liệu lớn sẽ cho phép một số lượng lớn các giải pháp mới cho Thành phố thông minh. Một vài ví dụ như sau:

Dịch vụ giao thông được cải thiện: Với sự trợ giúp của thẻ RFID (Radio Frequency Identification, nghĩa là việc nhận dạng bằng tần số của sóng vô tuyến) hoặc ô tô được kết nối, giao thông đường bộ có thể được giám sát dễ dàng hơn. Cảm biến trên đường được sử dụng để đo lưu lượng, sự ô nhiễm và dữ liệu được truyền đến trung tâm chỉ huy giao thông để chuyển hướng lưu lượng, giảm khí thải ở những khu vực đặc biệt dễ bị tổn thương.

Bãi đỗ xe: Dữ liệu lớn cũng được sử dụng để chuyển hướng xe ô tô đến chỗ đỗ xe có sẵn gần nhất. Các nhà quy hoạch thành phố sử dụng dữ liệu để hiểu khu vực nào có nhu cầu đỗ xe lớn nhất và sắp xếp xây dựng các bãi đỗ xe mới.

Thu gom rác thải: Các nhà hoạch định thành phố cũng sử dụng dữ liệu lớn cho các mục đích như xem xét các khu vực khác nhau và sử dụng thông tin đó để cải thiện việc thu gom chất thải.

Ánh sáng thông minh hơn, hiệu quả hơn: Ánh sáng thông minh tự hủy kích hoạt khi không có cư dân ở gần và ánh xạ đến việc tiêu thụ năng lượng trong thành phố. Cách cư dân di chuyển xung quanh thành phố được ánh xạ để tối đa hóa việc sử dụng lối đi bộ.

3. Dịch vụ điện toán đám mây

“Dịch vụ điện toán đám mây” là công nghệ trong đó tài nguyên lớn được mở rộng, như sức mạnh xử lý, lưu trữ và tính năng, được cung cấp dưới dạng dịch vụ trực tuyến. Thay vì người dùng phải sở hữu và chịu trách nhiệm về các tài nguyên này, thì họ có thể dễ dàng truy cập và sử dụng chúng qua internet, trực tiếp từ trình duyệt web hoặc thông qua phần mềm và ứng dụng đặc biệt. Ví dụ về các dịch vụ đám mây thường được sử dụng bao gồm thư trên web (Gmail) lưu trữ dữ liệu trực tuyến (Dropbox) và hệ thống CRM (Salesforce.com).

Các dịch vụ đám mây thường được chia thành 3 loại, tùy thuộc vào dịch vụ được cung cấp:

SaaS hoặc Phần mềm như dịch vụ (Software-as-a-Service): Người dùng có quyền truy cập vào phần mềm trên mạng của nhà cung cấp dịch vụ đám mây và không phải quản trị cơ sở hạ tầng bên dưới, như phần cứng, hệ điều hành, lưu trữ,... Ví dụ như thư trên web và Google Docs.

PaaS hoặc Nền tảng như dịch vụ (Platform-as-a-Service): Người dùng, thường là lập trình viên hoặc nhà phát triển hệ thống, có quyền truy cập vào các môi trường phát triển khác nhau để tạo ra các ứng dụng và phần mềm của riêng họ. Ví dụ là MS Azure và Google App Engine.

IaaS hoặc Hạ tầng như dịch vụ (Infrastructure-as-a-Service): Nhà cung cấp cung cấp sức mạnh xử lý, lưu trữ và các thành phần mạng giúp người dùng cài đặt và chạy bất kỳ phần mềm nào, bao gồm cả hệ điều hành. Ví dụ là Oracle VirtualBox và VMware.

Các dịch vụ đám mây thường được phân phối thành 3 mô hình khác nhau:

Đám mây chung (Public cloud): Dịch vụ này có sẵn cho công chúng, được sở hữu và quản lý bởi nhà cung cấp và được chia sẻ bởi nhiều khách hàng và người dùng. Đám mây công cộng hay còn gọi là đám mây chung thường được liên kết nhiều nhất với các dịch vụ đám mây.

Đám mây riêng (Private cloud): Cơ sở hạ tầng và các dịch vụ đi kèm được điều hành riêng cho một công ty hoặc tổ chức duy nhất. Chúng được quản lý nội bộ bởi một nhà cung cấp bên ngoài và được đặt trong cả trung tâm máy tính bên trong và bên ngoài.

Đám mây lai (Hybrid cloud): Một sự kết hợp của nhiều dịch vụ đám mây cho phép tích hợp các dịch vụ đám mây này.

Có một số ví dụ về dịch vụ đám mây đang được sử dụng cho các thành phố thông minh hiện nay, đó là:

Dự án Dubuque bền vững thông minh hơn, Dubuque, Iowa, Mỹ: Các dịch vụ đám mây do IBM cung cấp đang được sử dụng để cung cấp các ứng dụng cho công chúng, giúp công chúng giám sát và kiểm soát mức tiêu thụ điện và nước, nơi các dịch vụ đám mây cho phép các ứng dụng phối hợp với nhau để cải thiện hiệu suất sử dụng các dịch vụ.

Dự án Santander thông minh, Santander, Tây Ban Nha: Hệ điều hành điện thoại Telefónica đang sử dụng các dịch vụ đám mây để giúp thành phố nâng cao hiệu quả của các dịch vụ vệ sinh, như thu gom rác thải.

Dự án ClouT: ClouT, được đồng tài trợ bởi Ủy ban Châu Âu EU và các tổ chức nghiên cứu của Nhật Bản, đang tạo ra các giải pháp thành phố thông minh đặc biệt bằng cảm biến Internet of Things kết hợp với dịch vụ đám mây.

Đánh giá

Các dịch vụ đám mây dự kiến sẽ có được vị thế mạnh hơn, bởi vì Thành phố thông minh và các tác nhân của nó sử dụng dịch vụ đám mây để tránh chi phí ban đầu và đảm bảo tính linh hoạt cao hơn. Khi chọn các tác nhân bên ngoài, một thành phố phải có sự hiểu biết rõ ràng về quyền sở hữu dữ liệu của thành phố, vì các vấn đề liên quan đến quyền riêng tư cá nhân sẽ bị nảy sinh bởi những tác nhân không được phép truy cập vào dữ liệu của thành phố.

Kết luận

Xu hướng kỹ thuật và dịch vụ thông minh sẽ tạo ra cơ hội lớn cho Thành phố thông minh, nhưng điều quan trọng đối với một thành phố thông minh là phải có chiến lược phát minh cẩn thận về cơ sở hạ tầng cơ bản của thành phố, như mạng cáp quang và không dây. Điều cần thiết là tránh các tiêu chuẩn không được phân bổ và tạo điều kiện cho cơ sở hạ tầng mở và trung lập với nhà điều hành, đây là điều kiện tiên quyết để có hiệu suất đổi mới và tính linh hoạt cao hơn trong Thành phố thông minh.

Tránh các giải pháp tích hợp theo chiều dọc và giải pháp tích hợp bên trong và thay vào đó tạo ra các giải pháp tích hợp theo chiều ngang. Điều này cho phép chia sẻ thông tin dễ dàng và linh hoạt hơn. Xu hướng kỹ thuật IoT và 5G sẽ tăng nhu cầu về một mạng không dây và cáp quang mở rộng cho thành phố thông minh.

Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang diễn ra trên toàn thế giới, Việt Nam cũng đang ứng dụng các công nghệ mới như dữ liệu mở, điện toán đám mây, IoT, trí tuệ nhân tạo… để tận dụng được sức mạnh tổng hợp của tất cả các nguồn dữ liệu trong việc phát triển thành phố thông minh nhằm giải quyết các vấn đề mà mô hình quản trị đô thị truyền thống không thể giải quyết được một cách hiệu quả.

Lê Thị Thùy Trang

Tài liệu tham khảo

[1] Deloitte: Smart Cities “The importance of a smart ICT infrastructure for smart cities”;

[2] Deloitte (2015): Smart Cities PoV - How rapid advances in technology are reshaping our economy and society;

[3] GSMA Intelligence (2014): Understanding 5G: Perspectives on future technological advancements in mobile. Accessed June 2016 from https://www.gsmaintelligence.com/research/?file=141208-5g.pdf&download;

[4] Russel, R (2015): “IoT & Smart Cities: Not horizontal, cross vertical!” Accessed June 2016 from http://www.labcities.com/iot-smart-cities-not-horizontal-cross-vertical/;

[5] SINTEF (2013): “Big Data, for better or worse: 90% of world's data generated over last two years”. Accessed June 2016 from www.sciencedaily.com/releases/2013/05/130522085217.htm.