1. Εισαγωγή
Το όραμα της "έξυπνων πόλεων" είναι το αστικό κέντρο του μέλλοντος, το οποίο είναι ασφαλές, ασφαλές περιβαλλοντικά πράσινο και αποτελεσματικό, διότι όλες οι δομές - είτε για ενέργεια, νερό, μεταφορά κ.λπ., σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και διατηρούνται χρησιμοποιώντας προηγμένες, τα ολοκληρωμένα υλικά, τους αισθητήρες, τα ηλεκτρονικά και τα δίκτυα που είναι διασυνδεδεμένα με μηχανογραφικά συστήματα που αποτελούνται από βάσεις δεδομένων, ιχνηλάτες και αλγόριθμους λήψης αποφάσεων. Οι ερευνητικές και τεχνικές προκλήσεις στο δρόμο προς αυτό το όραμα περιλαμβάνουν πολλούς τεχνικούς τομείς όπως τη φυσική, τη χημεία, τη βιολογία, τα μαθηματικά, την πληροφορική, τα συστήματα, τη μηχανική, την ηλεκτρονική και την πολιτικού μηχανικού. Στο απλούστερο επίπεδο είναι το βασικό στοιχείο και ο σχετικός μηχανισμός "ανατροφοδότησης" ή αυτο-παρακολούθησης. Ο καθένας πρέπει να αναγνωρίζεται ή, εάν υπάρχει ήδη, να είναι προσαρμοσμένος για την κατάλληλη εφαρμογή. Στο επόμενο επίπεδο είναι ο σχεδιασμός του συστήματος που κάνει χρήση αυτών των στοιχείων. Συνδέεται με αυτό θα ήταν η διασύνδεση με την ηλεκτρονική δυνατότητα "παρακολούθησης" για κάθε δεδομένη λειτουργία. Στη συνέχεια, είναι η πλήρης δομή ή η υπηρεσία που παρέχεται και, τέλος, η ενσωμάτωση πληροφοριών σε όλες τις σχετικές και φαινομενικά άσχετες πτυχές μιας βασικής υποδομής των αστικών κέντρων. Μια πόλη που παρακολουθεί και ενσωματώνει τις συνθήκες όλων των κρίσιμων υποδομών της, συμπεριλαμβανομένων δρόμων, γεφυρών, σηράγγων, σιδηροδρομικών / υπόγειων γραμμών, αερολιμένων, θαλάσσιων λιμένων, επικοινωνιών, ύδατος, ενέργειας, ακόμη και μεγάλα κτίρια, μπορεί να βελτιστοποιήσει καλύτερα τους πόρους της, , και να παρακολουθεί τις πτυχές ασφαλείας, ενώ ταυτόχρονα μεγιστοποιεί τις υπηρεσίες στους πολίτες της. Η διαχείριση της αντιμετώπισης έκτακτης ανάγκης σε φυσικές αλλά και ανθρωπογενείς προκλήσεις στο σύστημα μπορεί να επικεντρωθεί και να επιταχυνθεί. Με τα προηγμένα συστήματα παρακολούθησης και τους ενσωματωμένους έξυπνους αισθητήρες, τα δεδομένα μπορούν να συλλεχθούν και να αξιολογηθούν σε πραγματικό χρόνο, βελτιώνοντας τη λήψη αποφάσεων της πόλης. Για παράδειγμα, οι πόροι μπορούν να δεσμευθούν πριν από ένα κύριο ρεύμα ύδατος, τα πληρώματα αλατιού που αποστέλλονται μόνο όταν μια συγκεκριμένη γέφυρα έχει συνθήκες παγοποίησης και η χρήση επιθεωρητών μειώνεται γνωρίζοντας την κατάσταση ζωής όλων των δομών. Στο μακροπρόθεσμο όραμα, τα συστήματα και οι δομές των Smart Cities θα παρακολουθούν τις δικές τους συνθήκες και θα πραγματοποιούν αυτο-επισκευή, όπως απαιτείται. Το φυσικό περιβάλλον, ο αέρας, το νερό και οι περιβάλλοντες χώροι πρασίνου θα παρακολουθούνται με μη παρεμβατικούς τρόπους για βέλτιστη ποιότητα, δημιουργώντας έτσι ένα βελτιωμένο περιβάλλον διαβίωσης και εργασίας που είναι καθαρό, αποτελεσματικό και ασφαλές και προσφέρει αυτά τα πλεονεκτήματα στο πλαίσιο της αποτελεσματικότερη χρήση όλων των πόρων. Το παρόν έγγραφο εξετάζει μια τρέχουσα πρωτοβουλία υπό την ηγεσία του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven για τη δημιουργία μιας ατζέντας έρευνας, ανάπτυξης και ανάπτυξης που προωθεί αυτό το όραμα. Αυτό είναι αγκυροβολημένο στην εφαρμογή της νέας τεχνολογίας στα τρέχοντα προβλήματα των αστικών κέντρων, με ταυτόχρονη αναζήτηση 20 ετών στο μέλλον και την ιδέα ενός πλαισίου πόλης που μπορεί να υπάρχει.
2. Baclkm-ound
Οι πρόσφατες εξελίξεις σε έξυπνα υλικά και έξυπνες δομές μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες: εκείνες στις οποίες αναπτύσσονται πραγματικά νέα υλικά (αυτογνωσία και διάγνωση) και εκείνες στις οποίες αναπτύσσονται και διασυνδέονται νεότεροι, μικρότεροι και πολυάριθμοι μικροαισθητήρες ή οπτικά συστήματα με συστήματα απόκρισης. Στην πρώτη κατηγορία, οι εξελίξεις όπως οι βελτιωμένες υγρές κρυστάλλινες απεικονίσεις και οι τεχνητοί μύες αντικατοπτρίζουν τις εξελίξεις που ωθούν τα όρια της μικρογράφησης στο μοριακό επίπεδο. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η ανάπτυξη βελτιωμένων μεμβρανών για διεργασίες διαχωρισμού που είναι πιο ευαίσθητες και ειδικές για συγκεκριμένα χημικά είδη. Η δεύτερη κατηγορία έχει περισσότερο ενδιαφέρον για τους σχεδιαστές και τους μηχανικούς σε ότι η εφαρμογή των αισθητήρων και των μηχανισμών απόκρισης σε δομές παρέχει μια ευκαιρία να μειωθεί η μάζα και το συνολικό κόστος. Τα οφέλη που προκύπτουν από αυτές τις εφαρμογές επεκτείνονται επίσης στις πολιτικές υποδομές όπως οι γέφυρες και τα φράγματα. Ωστόσο, παρόλο που η πρωτοβουλία ξεκινά με αυτή την κατηγορία, οι μακροπρόθεσμοι στόχοι της ιδέας των έξυπνων πόλεων ενσωματώνονται στην πρώτη. Αρκετά από τα ερευνητικά θέματα που εντοπίστηκαν είναι: η κατηγοριοποίηση των κρίσιμων υποδομών προσδιορισμού των παραμέτρων που πρέπει να παρακολουθούνται, ανάλυση των μετρούμενων παραμέτρων σε διαχειρίσιμα μέτρα απόδοσης. εφαρμογή της τρέχουσας Ε & Α σε έξυπνους αισθητήρες, ανάπτυξη υλικών, αισθητήρων και τεχνολογιών μέτρησης · και την επέκταση των δυνατοτήτων υπολογιστικής μετάδοσης, δικτύωσης και ολοκλήρωσης. Τα τελευταία είκοσι χρόνια, τα έξυπνα υλικά και δομές, γνωστά και ως «ευφυή» ή «προσαρμοστικά» υλικά και δομές, αποτέλεσαν το επίκεντρο σημαντικής έρευνας. Τον τελευταίο καιρό, οι πολιτικές αιτήσεις, που ενδιαφέρουν τόσο την κυβέρνηση όσο και την ακαδημαϊκή κοινότητα, έχουν εξελιχθεί από αυτό που ήταν αρχικά και πρωτίστως στρατιωτικό και αεροδιαστημικό. Οι στρατιωτικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές / έρευνες, από ενσωματωμένους μικρο-ενεργοποιητές για τον έλεγχο της ροής σε αεροτομές και σε συστοιχίες μικροβαλβών, στην έρευνα των κραμάτων μνήμης σχήματος και στη διαγνωστική παρακολούθηση σύνθετων δομών, έχουν υποστηριχθεί καλά από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ και από τη NASA, με σημαντική έρευνα σε ακαδημαϊκά συνδεδεμένα ερευνητικά κέντρα, όπως το Δομικό και Σύνθετο Εργαστήριο του Πανεπιστημίου Stanford και το Κέντρο για τη Δυναμική και τον Έλεγχο των Έξυπνων Κατασκευών στο Πανεπιστήμιο του Harvard. Πιο πρόσφατα, εξελίσσεται μια διαφοροποιημένη βάση μαζί με τις τεχνολογικές ανάγκες και τις προσδοκίες των πολιτικών και βιομηχανικών τομέων για την αντιμετώπιση των βιολογικών, υποδομών και μεταφορικών αναγκών. Ως αποτέλεσμα, διεξάγονται δυναμικές και διεπιστημονικές ερευνητικές εργασίες σε πολλά πανεπιστημιακά και κυβερνητικά ιδρύματα. Το όραμα των έξυπνων πόλεων βασίζεται σε αυτές τις προσπάθειες και επικεντρώνεται στην ενσωμάτωσή τους για χρήση στο αστικό περιβάλλον. Η εξέταση και διερεύνηση σύνθετων "μεγα-συστημάτων" πέρα από το συστατικό ή ακόμα και το διακριτό σύστημα, απαιτεί καινοτομίες βασισμένες σε ενοποιητικές και ολιστικές προσεγγίσεις. Αυτά τα συστήματα mega περιλαμβάνουν την αειφορία - αποφεύγοντας τις περιβαλλοντικές βλάβες, την αποδοτική χρήση ενέργειας και υλικών και τη μηχανική του κύκλου ζωής, ως ολοκληρωμένες λύσεις. Εκτός από την ήδη αναπτυσσόμενη και διευρυμένη βάση χρηματοδότησης για αυτές τις τεχνολογίες, οι βιώσιμες λύσεις θα πρέπει να περιλαμβάνουν χορηγίες από νέους φορείς, όπως το Υπουργείο Ενέργειας και την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος, καθώς και τη διεθνή συνεργασία. Επιπλέον, ο νόμος Congressional Bill, HR 115, Νόμος για την Ανάπτυξη της Εθνικής Υποδομής του 1999, υποδηλώνει την ισχυρή ανάγκη (και κυβερνητικό ενδιαφέρον) για ακόμα πιο δημιουργικές και αποτελεσματικές μεθόδους χρηματοδότησης των σχετικών με τις υποδομές πρωτοβουλιών και τη συγκέντρωση των απαραίτητων πόρων για την κάλυψη των υφιστάμενων και προβλεπόμενων χρηματοδοτήσεων υποδομών.
3. Η Προσέγγιση
Προκειμένου να υλοποιηθεί αυτό το όραμα, αναλήφθηκε αυτή η πρωτοβουλία για την οικοδόμηση μιας συμμαχίας πανεπιστημίων, κυβερνήσεων, επιχειρηματικών ενώσεων, του ιδιωτικού τομέα και του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven. Η πρόθεση είναι να αναπτυχθεί μια δομή που να συνδέει τις ανάγκες των αστικών κέντρων με τους πόρους της ακαδημαϊκής κοινότητας και της εργαστηριακής κοινότητας, προσδιορίζοντας με τον τρόπο αυτό αποτελεσματικά τις τεχνολογίες στα αντίστοιχα χαρτοφυλάκιά τους, τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν μέσω του έργου επίδειξης στην εμπορευματοποίηση στις πόλεις. Όταν δεν υπάρχει τεχνολογία, τότε θα ξεκινήσει μια εφαρμοσμένη ερευνητική προσπάθεια για την αντιμετώπιση αυτών των αναγκών. Το μοντέλο που επιλέχθηκε για να ξεκινήσει αυτή η εκκίνηση είναι αυτό της βορειοανατολικής περιοχής των Η.Π.Α. Αυτό βασίστηκε σε μια απλή ανάλυση αναγκών που έβλεπε την πυκνότητα του πληθυσμού και την ηλικία των περιφερειών αστικών κέντρων, ξεκινώντας από τη Νέα Υόρκη. Το περιφερειακό μοντέλο που περιγράφεται παρακάτω μπορεί να επεκταθεί σε εθνικό και διεθνές επίπεδο.
4. Πρόοδος
Η ιδέα των έξυπνων πόλεων, αν και σε στάδιο σχεδιασμού από τα τέλη του 1998, έλαβε την πρώτη της χρηματοδότηση τον Ιανουάριο του 2000. Από τότε η συμμαχία άρχισε να διαμορφώνεται με 2 περιφερειακά πανεπιστήμια που προσχώρησαν στην ομάδα μαζί με μια κρατική αρχή της Νέας Υόρκης που ασχολείται με μια μεγάλη αστική αναπτυξιακό πρόγραμμα. Επιπλέον, η Ένωση Περιβαλλοντικών Επιχειρήσεων της Πολιτείας της Νέας Υόρκης συμφώνησε να συγκαλέσει ένα συμβούλιο εκπροσώπων επιχειρήσεων για να συνεχίσει τη διαδικασία ταυτοποίησης αναγκών και προτεραιοτήτων Ε & Α. Κατά τη διάρκεια του Αυγούστου 2000, η πρωτοβουλία πραγματοποίησε την υλοποίηση των πρώτων ιδιωτικών και δημόσιων χρηματικών πόρων. Σε αυτό το σημείο η έννοια έχει ωριμάσει, μέσω της ανταλλαγής με τα μέλη της συμμαχίας και έχει ξεκινήσει ένα ενεργό πρόγραμμα Ε & Α. Το σχήμα 1 δείχνει την κατάσταση της ατζέντας Ε & Α με υποστηριζόμενες τρεις περιοχές ώθησης, τις παθητικές δομές, τις υπόγειες υπηρεσίες και τα οικολογικά κτίρια. Ένα τέταρτο, αυτό των υγρών συστημάτων, βρίσκεται στο στάδιο της αναθεώρησης της πρότασης. Καθώς οι πρωτοβουλίες συνεχίζουν να ωριμάζουν, αναμένεται να προστεθούν νέες περιοχές ώθησης καθώς οι σημερινοί αυτοί αρχίζουν να παράγουν μια ροή προϊόντων στον εμπορικό τομέα.
5. Το Μέλλον
Με την πρώιμη επιτυχία του οράματος, η πρωτοβουλία αναμένεται να αναπτυχθεί και να αναλάβει εθνική προβολή :. Οι επόμενοι 12 έως 18 μήνες θα πρέπει να δουν τα δύο πρώτα προϊόντα να μιμούνται για την αντιμετώπιση των αναγκών της πόλης. Η ώθηση της παθητικής δομής αναμένεται να ολοκληρώσει την έρευνα ή έναν απομακρυσμένο οπτικό αισθητήρα πλήρους πεδίου με δυνατότητες για τη μέτρηση της δομικής υποβάθμισης από τις ηλικίες των γέφυρων μέχρι την αποκόλληση των προσόψεων των κτιρίων από τούβλα. Ο δεύτερος, που προέρχεται από την υπόγεια ωστική υπηρεσία, θα είναι ένα σύστημα ανίχνευσης και απεικόνισης με δυνατότητα υψηλής ανάλυσης για να εντοπίσει όχι μόνο επιλεγμένα συστήματα, όπως υπόγεια αγωγούς φυσικού αερίου και νερού αλλά και τις ενοχλητικές αρθρώσεις τους. Όπως και κάθε μεγάλη επιχείρηση όπως αυτή, η επιτυχία της θα έγκειται στην ικανότητα να ταιριάζει δημιουργικά τις ανάγκες των τελικών χρηστών με την πρακτική Ε & Α και τη δημιουργία ενός μηχανισμού χρηματοδότησης που θα υποστηρίζει. Αυτοί οι δύο τομείς θα αποτελέσουν στοιχεία υψηλής προτεραιότητας κατά το επόμενο έτος. Η εκπαίδευση αποτελεί ζωτικό μέρος του μέλλοντος των έξυπνων πόλεων. Η πρωτοβουλία προβλέπει τη διεξαγωγή 2 εργαστηρίων κατά τους επόμενους 12 μήνες για να ξεκινήσει η διαδικασία εκπαίδευσης των επιχειρηματικών και κυβερνητικών ηγετών μας. Επιπλέον, μια διαδικασία προσέγγισης έχει αρχίσει να εξετάζει το σημερινό πρόγραμμα σπουδών της κολέγιας με τη σκέψη των αναγκών των μελλοντικών πτυχιούχων.
Τέλος, είναι καιρός να επεκτείνουμε το όραμα για να ζητήσουμε συμβολή από τη διεθνή κοινότητα. Τα αστικά κέντρα σε όλο τον κόσμο αντιμετωπίζουν παρόμοιες προκλήσεις. Αυτό το διεθνές εργαστήριο επέκτασης ζωής, που συγκεντρώνει εκπροσώπους της Νέας Υόρκης και του Παρισιού, αποτελεί την αρχή αυτής της προσπάθειας.
6. Συμπέρασμα
Παρουσιάστηκε ένα όραμα για την πόλη του μέλλοντος - το οποίο στηρίζεται στην ενσωμάτωση της επιστήμης και της τεχνολογίας μέσω των συστημάτων πληροφοριών. Ένα μέλλον που θα απαιτήσει μια επανεξέταση των σχέσεων μεταξύ κυβέρνησης, διαχειριστών πόλεων, επιχειρήσεων, πανεπιστημίων και της ερευνητικής κοινότητας. Ο τίτλος αυτού του οράματος είναι οι έξυπνες πόλεις.