Улучшение управления городскими водными ресурсами с помощью IoT-шлюза 5G/4G для систем удаленного мониторинга и сигнализации

I. Введение

A. Растущие проблемы управления городскими водными ресурсами

Управление городскими водными ресурсами сталкивается с растущим давлением со стороны растущей урбанизации и спроса на воду, старения инфраструктуры, приводящего к значительным потерям воды, а также угроз загрязнения и загрязнения.

Поскольку все больше людей мигрируют в города, потребление городской воды резко возросло во всем мире, что создает нагрузку на существующие системы водоснабжения. Многие города уже испытывают периодическую нехватку воды и ее нормирование. Модернизация городской инфраструктуры водоснабжения не поспевает за ростом населения.

Кроме того, города теряют огромные объемы очищенной воды из-за утечек в старых, ветшающих водопроводных трубах. В некоторых регионах зафиксированы потери воды, превышающие 50%. Устранение утечек является сложной задачей, поскольку большая часть сети трубопроводов проходит под землей.

Как будто растущего спроса и системных потерь недостаточно, качество городской воды также сталкивается с риском загрязнения промышленными сбросами, стоками с ферм и дорог, а также случайным случайным загрязнением. Поддержание безопасности воды требует бдительного мониторинга на обширных трубопроводных сетях.

B. Развитие интеллектуальных решений для водоснабжения: 5G/4G и Интернет вещей

Чтобы решить эти взаимосвязанные проблемы количества, безопасности и качества воды, города по всему миру обращаются к интеллектуальным решениям по управлению водными ресурсами. Эти решения используют датчики, мониторинг в реальном времени, анализ данных и автоматизацию для оптимизации каждого аспекта городской системы водоснабжения.

Ключевыми факторами, лежащими в основе интеллектуального управления водными ресурсами, являются высокоскоростное подключение 5G/4G и Интернет вещей (IoT). Вместе они позволяют осуществлять удаленный мониторинг и контроль распределения воды в режиме реального времени. Датчики, встроенные в трубопроводную сеть, непрерывно передают данные через сети 5G/4G на централизованные облачные платформы. Сложная аналитика выявляет аномалии, утечки, взрывы и риски загрязнения, активируя автоматические клапаны и выдавая оповещения.

Таким образом, 5G/4G и Интернет вещей действуют как «цифровая нервная система», предоставляя менеджерам по водоснабжению улучшенную видимость и контроль над быстро меняющимися ситуациями по всему городу. Вместо реагирования на пожары власти могут упреждающе решать проблемы с помощью прогнозной разведки. Благодаря ускорению глобального покрытия 5G городские системы водоснабжения, наконец, могут подвергнуться крупномасштабной цифровой трансформации.

II. Демистификация технологии: 5G/4G и Интернет вещей для управления водными ресурсами

A. Технология 5G/4G: обеспечение непрерывного подключения

Что такое 5G/4G?

5G и 4G LTE представляют собой новейшие поколения сотовой мобильной связи. Они обеспечивают сверхширокополосный доступ в Интернет для устройств посредством радиоволн, а не кабелей или Wi-Fi.

4G LTE обеспечивает скорость соединения ~10–50 Мбит/с – в 10–30 раз быстрее, чем 3G. 5G идет еще дальше со скоростью ~100–500 Мбит/с с задержками менее миллисекунды. Кроме того, 5G поддерживает в 100 раз больше одновременно подключенных устройств на квадратный километр, чем 4G.

Вместе высокая скорость, низкая задержка и поддержка большого количества устройств обеспечивают мониторинг и управление в режиме реального времени даже в плотной городской среде с тысячами датчиков и исполнительных механизмов.

Преимущества 5G/4G для управления водными ресурсами: скорость, надежность и более широкое покрытие.

По сравнению с проводными соединениями, такими как оптоволокно, сотовые сети имеют ключевые преимущества:

Высокая скорость передачи данных поддерживает потоковое видео с дронов для проверки утечек и камер видеонаблюдения для проверки труб.
Сверхнизкая задержка позволяет использовать чувствительные ко времени приложения, такие как автоматические запорные клапаны, реагирующие на предупреждения датчика загрязнения.
Повсеместное покрытие, даже в изолированных сельских трубопроводах или подземных водных объектах, контролируемых через надземные ретрансляторы.
Надежность и резервирование с плавным переключением при сбое между взаимосвязанными базовыми станциями сотовой связи.
Масштабируемость, позволяющая легко добавлять тысячи датчиков в крупные городские трубопроводные сети только за счет усовершенствований программного обеспечения.

Эти возможности идеально соответствуют требованиям к интеллектуальной инфраструктуре водоснабжения, обеспечивающим повсеместное распространение, оперативность реагирования и готовность к будущему.

Б. Роль шлюза Интернета вещей: устранение разрыва

Датчики, исполнительные механизмы и контроллеры установлены по всей сети водоснабжения, а 5G/4G обеспечивает глобальную связь. Однако эти два мира соединяет важнейший промежуточный компонент: шлюз Интернета вещей.

Что такое шлюз Интернета вещей?

Шлюз Интернета вещей — это аппаратное устройство, установленное локально на объектах водной инфраструктуры. Он служит центром соединения контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов с использованием протоколов ближнего действия, таких как Bluetooth, LoRaWAN или Zigbee. Он агрегирует и обрабатывает потоки данных из них, переводит их в оптимизированные форматы и безопасно передает через 5G/4G на центральные облачные платформы. команды в обратном направлении.

Таким образом, шлюз IoT соединяет полевые устройства и контроллеры с системами удаленной аналитики и управления на больших расстояниях.

Функционал IoT-шлюза в системах водного хозяйства: сбор, агрегирование и передача данных

Ключевые обязанности, выполняемые шлюзом Интернета вещей, включают:

Сбор данных в режиме реального времени от таких датчиков, как расходомеры воды, манометры и датчики качества воды, установленных в сети трубопроводов.
Форматирование и агрегирование данных в стандартизированные схемы, оптимизированные для передачи по сотовой связи. Сюда входит буферизация данных, шифрование и сжатие.
Возможность подключения и передача через 5G/4G на облачные платформы через регулярные промежутки времени или на основе установленных критериев.
Обработка команд для приведения в действие элементов управления, таких как клапаны, насосы или оповещения, на основе облачной аналитики или ручных действий оператора.
Периферийная аналитика для локальной автоматизации, зависящей от времени. Например, аномальные показания датчиков могут напрямую активировать механизмы безопасности до подтверждения облака.

Таким образом, шлюз IoT обрабатывает огромный трафик и обработку данных, обеспечивая при этом простую конструкцию датчиков. Вместе они обеспечивают комплексный мониторинг и контроль в крупных сетях водоснабжения.

III. Внедрение решения: пошаговое руководство

Теперь мы рассмотрим ключевые этапы развертывания решения Интернета вещей для интеллектуального управления водными ресурсами на основе подключения 5G/4G.

A. Компоненты системы и развертывание

Архитектура решения включает датчики, шлюзы, сети 5G/4G и облачную аналитику:

Датчики и устройства сбора данных: они обнаруживают такие параметры, как расход, давление, качество и такие события, как утечки, взрывы или кражи. Они используют такие технологии, как ультразвуковые, электромагнитные и механические расходомеры, датчики давления, датчики мутности/pH, регистраторы шума и многое другое. Прочный для полевых условий.

Возможность подключения 5G/4G и шлюз Интернета вещей. Мультисенсорные шлюзы Интернета вещей рассчитаны на работу в суровых условиях. Они собирают и передают данные датчиков через 5G/4G на облачные серверы. Шлюзы также помогают принимать решения по местному управлению. 5G/4G обеспечивает надежное покрытие сети в реальном времени.

Облачная платформа для хранения и анализа данных: данные датчиков временных рядов хранятся в облачных базах данных для применения аналитики машинного обучения, описательной аналитики, геопространственной аналитики, создания информационных панелей и многого другого. Пользователи получают доступ к аналитической информации через веб-панели или мобильные панели управления и настраивают уведомления о событиях.

Модульная природа позволяет настраивать развертывание в городах с разной степенью развития водной инфраструктуры. Можно выбрать датчики для автоматизации существующих ручных измерений или фильтрации или сразу построить автоматизированные интеллектуальные сети водоснабжения с замкнутым контуром управления.

Б. Конфигурация и управление данными

После установки оборудования следующие шаги включают настройку, процессы и интеграцию:

Настройка параметров датчиков и протоколов связи. Инженеры настраивают подключение датчиков с помощью шлюзов, интервалов выборки, схем/форматов данных, гибких правил агрегации/аналитики на периферии, критериев оповещений и уведомлений, идентификаторов устройств и протоколов безопасности.

Использование облачной платформы для визуализации и анализа данных. Конвейеры данных датчиков, логические схемы и архитектура хранения настраиваются в облачных озерах и хранилищах данных. Панели данных предназначены для операций, обслуживания и управления. Аналитика строит модели прогнозирования. Интеграция позволяет другим корпоративным системам использовать службы данных о воде, такие как выставление счетов, реестры активов, заявки на техническое обслуживание и т. д., для консолидированного принятия решений.

В совокупности гиперсвязанное решение Интернета вещей обеспечивает сквозную прозрачность, одновременно снижая операционные риски и затраты на протяжении всего жизненного цикла распределения воды. Далее мы рассмотрим конкретные варианты использования для создания интеллектуальных предприятий водоснабжения.

IV. Приложения: мониторинг и решение водных проблем.

A. Практические примеры: Интернет вещей 5G/4G в действии

Следующие тематические исследования отражают реализацию проектов:

Мониторинг уровня воды и скорости потока в режиме реального времени

Расходомеры и индикаторы уровня оцифровывали показания манометров, полученные вручную, по всей трубопроводной сети через Интернет вещей. Это позволило выявить аномальные потоки, свидетельствующие об утечках или хищениях ниже по течению. Ранее утечки, продолжавшиеся в течение нескольких дней, привели к огромным потерям воды и эрозии недр еще до открытия. Мониторинг в режиме реального времени обеспечивает раннюю диагностику и экономит миллионы галлонов топлива, прежде чем они будут потрачены впустую.

Во время пикового летнего использования пониженный уровень в резервуарах автоматически активирует насосы большей производительности для пополнения верхних резервуаров без перелива или нормирования. Датчики качества также помогают оптимизировать параметры очистки.

Власти поддерживают цифровые водные балансы для планирования ресурсов без накладных расходов на полевой персонал. Автоматизация также повышает безопасность труда за счет сокращения посещений объектов.

Системы обнаружения и предотвращения утечек

Акустические датчики, подключенные к Интернету вещей, непрерывно отслеживают слабые вибрации утечки в сети трубопроводов, которые регистрируются. Затем эксперты математически триангулируют потенциальные точки нарушений и соответственно направляют инспекторов, а не ищут вслепую. Даже начавшаяся коррозия металлических труб может стать заметной задолго до появления трещин.

Некоторые платформы применяют алгоритмы машинного обучения к акустическим данным, чтобы отличить сигнатуры утечек от окружающего шума. Оповещения уведомляют органы водоснабжения о существенных или ухудшающихся утечках заблаговременно по сравнению с видимыми событиями нарушения. В целом, цифровизация предотвращает потерю миллионов галлонов благодаря упреждающему контролю.

Мониторинг качества воды и контроль загрязнения

Онлайн-датчики качества воды предупреждают о случаях загрязнения промышленными стоками, канализационными линиями, химическими заводами или террористической деятельностью в сети водоснабжения. Автоматические приводы мгновенно останавливают поток загрязненной воды в резервуары, в то время как незатронутые линии продолжают работать, избегая общегородских отключений.

Облачная аналитика сопоставляет показания датчиков выше по потоку, чтобы отслеживать источники загрязнения для следственных групп. После очистки сетевые датчики подтверждают восстановление качества воды во всех узлах сети, прежде чем возобновить подачу, предотвращая воздействие на здоровье. Раньше лабораторное тестирование воды приводило к неизбежным задержкам, подвергая группы населения риску.

Подключение 5G/4G и Интернет вещей позволяют городским агентствам обеспечивать безопасность воды для граждан, сводя при этом к минимуму перебои в работе. Далее мы суммируем трансформационное воздействие на управление городскими водными ресурсами.

V. Преимущества и преимущества: почему Интернет вещей 5G/4G меняет правила игры

Внедрение сенсорной сетевой системы водоснабжения на базе шлюзов Интернета вещей 5G/4G обеспечивает многоплановые преимущества:

А. Повышение эффективности и снижение затрат

Раннее обнаружение утечек и проблем с трубами позволяет быстро их устранить, предотвращая каскадные эффекты. Снижает затраты на ремонт, потери воды и воздействие на окружающую среду.
Прогнозная аналитика о возникающих рисках на основе шаблонов данных в реальном времени повышает эффективность обслуживания. Eg. Предупреждения о коррозии труб или повышении напряжения позволяют выполнить целенаправленную замену, а не внезапно сломать трубу.
Автоматизированное управление насосами и клапанами оптимизирует операции по производству, хранению и распределению воды, сводя к минимуму вмешательство человека. Алгоритмы динамически распределяют ресурсы на основе прогнозов спроса.
Снижение затрат на мониторинг на местах за счет оцифровки и автоматизации по сравнению с ручным считыванием показаний водомеров, предохранительных клапанов и т. д., требующих большого количества рабочей силы.

В совокупности улучшенная прозрачность в сочетании с автоматизацией приводит к существенной экономии затрат и повышению надежности поставок.

B. Повышение общественной безопасности и защиты окружающей среды

Упреждающее реагирование на события загрязнения воды с помощью круглосуточного автоматического обнаружения предотвращает кризисы в области здравоохранения за счет своевременного выявления и решения проблем.
Ответственное использование воды, обеспечиваемое интеллектуальными счетчиками, приводит к устойчивому использованию ограниченных запасов пресной воды.
Сокращение потерь воды, не приносящих дохода, гарантирует, что доступная вода будет удовлетворять нужды потребителей без потерь за счет предотвратимых утечек воды.
Снижение эрозии почвы и ущерба дорогам за счет обнаружения подземных утечек до появления нарушений поверхности благодаря непрерывному мониторингу вибрации.

Ответственное управление водными ресурсами защищает природные ресурсы для будущих поколений, одновременно защищая граждан от опасности.

VI. Преодоление проблем и соображения

Несмотря на многочисленные преимущества, реализация интеллектуальных сетей водоснабжения с поддержкой 5G/4G предполагает преодоление определенных технологических проблем и проблем управления изменениями:

A. Проблемы безопасности и защита данных

Взаимосвязанные системы повышают подверженность киберрискам. Хакеры, проникающие в оперативные сети, могут поставить под угрозу системы обращения с химическими веществами или здоровье населения. Строгие меры предосторожности имеют жизненно важное значение, учитывая растущий уровень угроз критически важной инфраструктуре во всем мире.

Внедрение надежных мер кибербезопасности: сквозное шифрование на всех устройствах, в сетях и в облаке, включая взаимную аутентификацию устройств, конфиденциальность и анонимизацию данных.
Обеспечение конфиденциальности данных и соблюдения нормативных требований: строгий контроль доступа к данным, протоколы прозрачности и согласия для систем наблюдения, отслеживающих людей.

Технологический контроль должен дополнять повышение осведомленности о кибербезопасности и сотрудничество между специалистами по ИТ-безопасности, персоналом предприятий водоснабжения и правоохранительными органами.

B. Первоначальные инвестиции и развитие инфраструктуры

Крупномасштабная сенсоризация и создание сетей требуют значительных первоначальных капиталовложений для приобретения оборудования, программного обеспечения, системной интеграции и управляемых услуг. Ограниченные муниципальные бюджеты могут затянуть сроки окупаемости инвестиций на годы. Устранение этого барьера требует:

Поэтапный подход, балансирующий затраты, сложность и реализацию выгод от изменений
Инновационные модели финансирования, такие как лизинг оборудования, управляемые услуги, государственно-частное партнерство, национальные программы с централизованным субсидированием.
Поддерживающие правила и политики, такие как государственные гранты на инфраструктуру, фонды зеленых инициатив, налоговые льготы для инвестиций в водные технологии.

Со временем накопление экономии средств за счет повышения эффективности, снижения потерь и сохранения ресурсов позволит финансировать дальнейшую модернизацию городской водной инфраструктуры.

VII. Будущее городского управления водными ресурсами: взгляд в будущее

Хотя системы водоснабжения Интернета вещей с поддержкой 5G уже обещают огромную ценность, технологические инновации на горизонте могут ускорить создание интеллектуальных систем водоснабжения:

А. Достижения в области сенсорных технологий и анализа данных

Рост миниатюризации, встроенный в устройства интеллект и сбор энергии расширят возможности применения экономичных датчиков для мониторинга состояния водной инфраструктуры и обнаружения загрязнения.

Параллельные достижения в области облачной аналитики, машинного обучения и периферийных вычислений усилят диагностические возможности для раннего выявления проблем в инфраструктуре для профилактического обслуживания.

B. Интеграция с искусственным интеллектом (ИИ) для профилактического обслуживания

Помимо реагирования на устранение неисправностей, ИИ позволит перейти к прогнозному обслуживанию водной инфраструктуры. Сложные алгоритмы, анализирующие телеметрию, события, профили активов и модели использования, позволяют прогнозировать сбои или риски производительности на недели или месяцы вперед.

Такое расширенное планирование может оптимизировать работу предприятий водоснабжения и трансформировать управление жизненным циклом устаревшей инфраструктуры.

C. Создание устойчивой и устойчивой инфраструктуры водоснабжения

Поскольку изменение климата ускоряет экстремальные погодные явления, создание адекватных буферов и дублирования механизмов водоснабжения становится обязательным посредством комплексного моделирования.

Управление водными ресурсами следующего поколения готовит к редким, но весьма разрушительным сценариям, таким как ливневые паводки, продолжительные засухи или землетрясения, посредством планирования действий на случай чрезвычайных ситуаций с помощью гидрологического моделирования.

VIII. Заключение: устойчивое будущее для наших городов

A. Обзор преимуществ Интернета вещей 5G/4G для управления водными ресурсами

В заключение, возможности подключения 5G и 4G LTE в сочетании с сетевыми датчиками и облачной аналитикой могут существенно изменить городские предприятия водоснабжения за счет:

Оптимизация добычи, передачи и эффективности использования воды
Минимизация потерь воды за счет профилактического обслуживания и предотвращения потерь
Обеспечение безопасности воды для населения посредством мониторинга загрязнения
Содействие ответственному использованию гражданами благодаря интеллектуальным счетчикам
Принятие обоснованных, дальновидных решений на основе шаблонов данных

Вместе они обеспечивают ускоренный прогресс на пути к устойчивой и устойчивой водной инфраструктуре.

Б. Призыв к действию для более широкого внедрения этой технологии

Беспрецедентная видимость и контроль, открываемые благодаря модернизации систем водоснабжения для работы на 5G IoT, представляют собой убедительное экономическое обоснование для коммунальных предприятий и муниципалитетов во всем мире.

Это позволяет сохранить драгоценные водные ресурсы для будущих поколений посредством эффективного управления, что крайне важно, поскольку изменение климата истощает существующие ресурсы.

Более широкое внедрение, поддержанное благоприятной политикой регулирования, может максимизировать дивиденды для общественного здравоохранения и окружающей среды от технологических инноваций для жизненно важной инфраструктуры.

Время действовать сейчас. Давайте коллективно поднимемся, чтобы ответственно управлять нашим водным будущим!

IX. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

A. Необходима ли технология 5G/4G для управления водными ресурсами?

В то время как 4G LTE предлагает возможности подключения для реализации интеллектуальных приложений водоснабжения в режиме реального времени, более высокие скорости 5G, меньшая задержка и способность поддерживать гораздо большее количество датчиков делают его идеальным для крупномасштабного развертывания в плотной городской инфраструктуре. Сверхнадежные возможности также позволяют использовать критически важные приложения для мониторинга общественного здравоохранения/безопасности и автоматического реагирования на чрезвычайные ситуации.

Б. Как я могу узнать больше об Интернете вещей 5G/4G для управления водными ресурсами?

Несколько ресурсов предоставляют более подробную информацию:

Ассоциации по исследованию водных ресурсов в вашей стране (например, AWWA), освещающие новые технологии
Поставщики решений Интернета вещей, специализирующиеся на применении датчиков, средств связи и аналитики в водном секторе
Операторы мобильной связи (провайдеры связи), стимулирующие развертывание сетей нового поколения, необходимых для интеллектуальных сетей водоснабжения
Правительственные инициативы по цифровизации вокруг умных городов и модернизации инфраструктуры
Конференции и специализированные торговые мероприятия по таким темам, как цифровизация коммунальных услуг, мониторинг в реальном времени, интеллектуальные сети водоснабжения.
Техническое исследование успешных пилотных проектов или производственных систем для инноваций в области городского водоснабжения
Онлайн-хранилища знаний, такие как блоги, официальные документы и руководства от практиков водного IoT.
Возможности взаимного обучения посредством экскурсий по управляемым объектам, посвященных инициативам в области цифровых водных ресурсов или семинаров по выработке идей.

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,