Waste management in smart cities using the Internet of Things network (IOT)
Subject Areas : wasteMohsen Bijanpoor 1 , Reza Ehtesham rasi 2 * , Davvod Gharakhany 3
1 - PhD student, Department of Industrial Management, Qazvin branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran.
2 - Assistant Professor, Department of Industrial Management, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran. *(Correspondence Author)
3 - Assistant Professor, Department of Industrial Management, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran.
Keywords: Internet of things, recycling, waste, separation, smart city.,
Abstract :
Background and Objective: Today's world is a world of consumption. Earth's resources are limited and human desire to consume all kinds of goods is increasing day by day. Protecting the environment is a global responsibility and the inhabitants of the planet all over the world should be committed to it. In recent years, the issue of waste has clearly become a crisis in most countries of the world, especially developing and underdeveloped countries, and therefore the use of new and efficient tools, programs and approaches to prevent and control the urban waste crisis is absolutely necessary. It is essential. Waste management is the most important task of city management that imposes huge costs on city residents. The collection, disposal and recycling of urban wastes requires spending significant costs to invest in the creation of a fleet of wastes, as well as the implementation of recycling or destruction of urban wastes. Also, spending exorbitant operating costs for the wages of workers and drivers, paying fuel costs and fleet maintenance has turned urban waste management into an expensive but necessary process in urban management. Internet of Things (IOT) is one of the new and desirable tools to reduce the costs of urban waste management.
Material and Methodology: In this article, by reviewing the literature on the subject, the concept of a smart city is first stated, and then the basic necessities of creating smart cities are examined. In the next step, the prerequisites and methods of using the Internet of Things as well as the necessary equipment for using the Internet of Things in urban waste management have been introduced.
Findings: Based on the review of the subject literature and previous research and considering the existing conditions of the country, a 5-layer model of Internet of Things deployment was proposed to optimize urban waste management costs. Also, the barriers to using the Internet of Things network in cities have been briefly stated.
Discussion and Conclusion: Setting up the 5-layer Internet of Things network proposed in this article has an important role in reducing the costs of waste transportation due to the availability of reservoirs in which a sufficient amount of waste has been collected for transportation. In other words, by using the Internet of Things network in cities, the urban waste transportation network will be activated only when the collection of sufficient waste from the target reservoirs is certain. Also, the proposed Internet of Things network, by making available the data related to the collectable amounts of each type of urban waste, enables the planning of the delivery of the raw materials needed for the daily production of the recycling factories of each type of urban waste, and from this This way will increase the production of recycled goods. In order to use the Internet of Things in urban waste management, the operation of separating waste from its origin becomes a daily operational necessity, which itself causes an increase in the production of recycled goods and a decrease in burial operations or disposal of waste in incinerators.
1. A third of urban waste ends up in open dumpsites. (2018). Retrieved from united nation environment programme: https://www.unep.org/news-and-stories/press-release/third-urban-waste-ends-open-dumpsites-or-environment-latin-america
2. Gapminder, U. n. (2017). world Population prospects, Population Divisio (2017). United Nations , Department Of Economic and social Affairs .
3. (2018). Retrieved from World Bank: www.wordbank.com
4. Retrieved from Mashreghnews : www.mashreghnews.ir/947927 " How much waste is produced in Iran? " , 2020. (In Persian)
5. Bakıcı, T., Almirall, E., Wareham, J., 2013. Asmartcityinitiative: The case of Barcelona. Journal of the Knowledge Economy 4(2),135–148.
6. Candanedo, I. S., Nieves, E. H., González, S. R., Martín, M.T.S., Briones, A.G., 2018. Machin elearningpredictivemodelforindustry4.0.In:Proceedings oftheInternational Conference on Knowledge Managementin Organizations, pp.501–510. Cham:Springer
7. Harrison, C., Eckman, B., Hamilton, R., Hartswick, P., Kalagnanam, J., Paraszczak, J., Williams, P., 2010. Foundations for smarter cities. IBM J. Res. Dev. 54 (4), 1e16.)
8. Retrieved from EghtesadOnLine: https://www.eghtesadonline.com/n/1nVc " Garbage turnover in Iran " , 2019. (In Persian)
9. Jiuping Xu, M., Yi Shi, S., & and Siwei Zhao, S. (2019). Reverse Logistics Network-Based Multiperiod Optimization for Construction and Demolition Waste Disposal. Journal of Construction Engineering and Management.
10. Retrieved from mehrnews.com/xYTfZ : Retrieved from Mehrnews.com , " The cost of 1700 billion tomans for garbage collection", 2022 . (In Persian)
11. Fatimah, Y., Govindan, K., Murniningsih, R., & Setiawan, A. (2020). A sustainable circular economy approach for smart waste management system to achieve sustainable development goals: Case study in Indonesia. Journal of Cleaner Production.
12. Kauf, S. (2019). Smart logistics as a basis for the development of the smart city. Published by Elsevier.
13. Sharma, M., Joshi, S., Kannan, D., Govindan, K., Singh, R., & Purohit, H. (2020). Internet of Things (IoT) adoption barriers of smart cities’ waste management: An Indian context. Journal of Cleaner Production 270.
14. González-Briones, A., Chamoso, P., asado-Vara, R., Rivas, A., Omatu, S., & MCorchado, J. (2019). Internet ofThingsPlatformtoEncourageRecyclinginaSmartCity. Elsevier.
15. Kumar, H., Singh, M. K., Gupta, M., & Madaan, J. (2018). Moving towards smart cities: Solutions that lead to the Smart City Transformation Framework. Technological Forecasting & Social Change( journal homepage: www.elsevier.com/locate/techfore)
16. Mohanty, S. ,. (2016). Every thing you wanted to Know about smart cities : The Internet Of things Is The Backbone. IEEE concumer Electronic Magazine,5 , 60-70.
17. Bettina Yanling, T. F. (2015). Creating the cities of tomorrow. Singapore: Danish Smart City Competencies in the Singaporean Market.
18. Internet of Things Protocls. (2022). Retrieved from smartic: https://smartic.ir/internet Of Things Protocols
19. LPWAN. (2022). Retrieved from Meftah: https://meftah.com/news/LPWAN.
نقش و کاربرد اینترنت اشیا برای هوشمندسازی مدیریت پسماندهای شهری
زمینه و هدف : جهان امروز ، جهان مصرف است. منابع کره زمین محدود است و اشتیاق انسان به مصرف انواع کالاها روز به روز افزایش می یابد . حفظ محیط زیست یک مسئولیت جهانی است و ساکنین کره زمین در سرتاسر جهان می بایست به آن متعهد باشند. در سال های اخیر ، موضوع پسماند ها در اغلب کشور های جهان خصوصا کشورهای در حال توسعه و توسعه نیافته به وضوح به یک بحران تبدیل شده است و لذا بکار گیری ابزار ، برنامه ها و رویکردهای جدید و کارآمد برای پیشگیری و کنترل بحران پسماندهای شهری کاملا ضروری است. مديريت پسماندها ، مهمترین وظیفه مدیریت شهری است که هزینه های گزافی بر ساکنین شهرها تحمیل میکند . عمليات جمع آوري ، دفع و بازیافت پسماندهای شهری مستلزم صرف هزینه های قابل توجه برای سرمایه گذاری در ایجاد ناوگان حمل پسماندها و نیز اجرای عملیات بازیافت و یا امحا پسماندهای شهری است. همچنین صرف هزينه هاي عملياتيگزاف برای دستمزد کارگران و رانندگان ، پرداخت هزینه های سوخت و تعمیر و نگهداری ناوگان ، مدیریت پسماندهای شهری را به فرآیندی پر هزینه اما ضروری در مدیریت شهری بدل کرده است . اینترنت اشیاء ( IOT )1 یکی از ابزارهای نوین و مطلوب برای کاهش هزینه های مدیریت پسماندهای شهری است .
روش بررسی: در این مقاله با بررسی ادبیات موضوع ابتدا مفهوم شهر هوشمند بیان شده است و سپس ضرورتهای بنیادی ایجاد شهرهای هوشمند مورد بررسی قرارگرفته اند. درگام بعدی پیش نیازها و شیوه های بکارگیری اینترنت اشیاء و نیز تجهیزات ضروری برای بکارگیری اینترنت اشیا در مدیریت پسماندهای شهری معرفی شده اند.
یافتهها: بر اساس بررسی ادبیات موضوع و نیز تحقیقات پیشین و با در نظر گرفتن شرایط موجود کشور ، یک مدل 5 لایه استقرار اینترنت اشیاء برای بهینه سازی هزینههای مدیریت پسماندهای شهری پیشنهاد گردید. همچنین به اختصار ، موانع بکارگیری شبکه اینترنت اشیاء در شهرها بیان گردیده است.
بحث و نتیجهگیری : راه اندازی شبکه 5 لایه اینترنت اشیاء پیشنهادی این مقاله ، بدلیل دردسترس قرار دادن مخازنی که مقدارکافی پسماند برای حمل درآنها جمع شده است ، نقش مهمی درکاهش هزینه های حمل پسماندها دارد. به عبارت دیگربا بکارگیری شبکه اینترنت اشیاء درشهرها ، شبکه حمل و نقل پسماندهای شهری ، فقط زمانی فعال میگردد که برداشت پسماندکافی ازمخازن هدف قطعی است . همچنین شبکه اینترنت اشیاء پیشنهادی ، از طریق در دسترس قراردادن داده های مربوط به مقادیر قابل جمع آوری هر نوع از پسماندهای شهری ، امکان برنامهریزی تحویل مواد اولیه مورد نیاز برای تولید روزانه کارخانجات بازیافت هر یک از انواع پسماندهای شهری را میسر می نماید و از این طریق موجب افزایش تولیدکالاهای بازیافتیخواهد شد. برای بکارگیری اینترنت اشیاء در مدیریت پسماندهای شهری ، عملیات تفکیک ازمبدا پسماندها به یک ضرورت اجرائی روزانه تبدیل می شود که خود موجب افزایش تولید کالاهای بازیافتی و کاهش عملیات دفن و یا امحا پسماندها در زباله سوزها میشود.
کلمات کلیدی : اینترنت اشیاء ، بازیافت ، پسماند ، تفکیک ، شهر هوشمند
Abstract :
Context and purpose: Today's world is a world of consumption. Earth's resources are limited and human desire to consume all kinds of goods is increasing day by day. Protecting the environment is a global responsibility and the inhabitants of the planet all over the world should be committed to it. In recent years, the issue of waste has clearly become a crisis in most countries of the world, especially developing and underdeveloped countries, and therefore the use of new and efficient tools, programs and approaches to prevent and control the urban waste crisis is absolutely necessary. It is essential. Waste management is the most important task of city management that imposes huge costs on city residents. The collection, disposal and recycling of urban wastes requires spending significant costs to invest in the creation of a fleet of wastes, as well as the implementation of recycling or destruction of urban wastes. Also, spending exorbitant operating costs for the wages of workers and drivers, paying fuel costs and fleet maintenance has turned urban waste management into an expensive but necessary process in urban management. Internet of Things (IOT) is one of the new and desirable tools to reduce the costs of urban waste management.
Research method: In this article, by reviewing the literature on the subject, the concept of a smart city is first stated, and then the basic necessities of creating smart cities are examined. In the next step, the prerequisites and methods of using the Internet of Things as well as the necessary equipment for using the Internet of Things in urban waste management have been introduced.
Findings: Based on the review of the subject literature and previous research and considering the existing conditions of the country, a 5-layer model of Internet of Things deployment was proposed to optimize urban waste management costs. Also, the barriers to using the Internet of Things network in cities have been briefly stated.
Discussion and conclusion: Setting up the 5-layer Internet of Things network proposed in this article has an important role in reducing the costs of waste transportation due to the availability of reservoirs in which a sufficient amount of waste has been collected for transportation. In other words, by using the Internet of Things network in cities, the urban waste transportation network will be activated only when the collection of sufficient waste from the target reservoirs is certain. Also, the proposed Internet of Things network, by making available the data related to the collectable amounts of each type of urban waste, enables the planning of the delivery of the raw materials needed for the daily production of the recycling factories of each type of urban waste, and from this This way will increase the production of recycled goods. In order to use the Internet of Things in urban waste management, the operation of separating waste from its origin becomes a daily operational necessity, which itself causes an increase in the production of recycled goods and a decrease in burial operations or disposal of waste in incinerators.
Keywords : Internet of things, recycling, waste, separation, smart city
مقدمه :
جمعيت جهان در سال های اخير رشد چشمگيري داشته است . سرعت رشد جمعیت جهان ، سالانه معادل 1.1% برآورد شده است. در دسامبر سال 2017 ، بر اساس نظر سازمان آمار در ایالات متحده آمریکا ، جمعیت جهان ، بيش از 7 ميليارد و 600 ميليون نفر تخمین زده شده است .[1] اگر نرخ رشد سالانه جمعیت جهان برابر 1.1% فرض شود ، تا سال 2040 جمعیت کره زمین به حدود 9 ميليارد نفر خواهد رسید. [2] روند افزایش جمعیت جهان در سال های اخیر ، موجب افزايش بيش از پيش مصرف و در نتيجه افزايش توليد انواع پسماند در شهرها شده است . آمارها نشان می دهد در سال 2012 ، شهرهاي مختلف جهان ، حدود 1.3 ميليارد تن پسماند جامد توليد كرده اند. بعبارت دیگر ، هر فرد در جهان ، روزانه معادل 1.2 كيلوگرم پسماند تولید می کند.[2] بر اساس گزارش بانک جهانی در سال 2018 ، میزان تولید سالانه پسماند شهری در جهان حدود 2.1 میلیارد تن بوده است. در همین گزارش ، بانک جهانی پیش بینی کرده است که اگر اقدامات فوری برای کنترل تولید پسماند در جهان انجام نشود ، تا سال 2050 پسماند تولیدی سالانه جهان با رشدی 70 درصدی به سالانه 3.4 میلیارد تن خواهد رسید. [3]
در ایران روزانه ۵۰ هزار تن پسماند تولید مي شود و اين در حاليست كه فقط حدود ۱۰ درصد آنها بازیافت میشوند. در شهر تهران ، میزان تفکیک از مبدأ پسماند هاي شهري درحدود ۲ درصد پسماند های تولیدی روزانه است.[4] عمليات جمع آوري و دفع پسماندها ، بدلیل صرف هزينه هاي سرمايه گذاري گزاف برای ناوگان جمع آوری و حمل پسماند و نیز لزوم صرف هزینه های چشم گیرعملياتي ، مانند هزینه های سوخت ، نگهداري و تعميرات ، عملیاتی بسیار پر هزینه است . بنابراین حتی کاهش های اندک در هزینه های عملیاتی جمع آوري و دفع پسماندها ، منجر به صرفه جويي هاي بزرگ در هزینه ها ی شهرداري ها مي شود. بطور میانگین بين 60 تا 80 درصد هزينه هاي مديريت پسماند های جامد شهری مربوط به هزینه های جمع آوري و حمل و نقل پسماند ها است. [5]
براساس تازهترین آمارهای اعلام شده ، در جهان سالانه حدود 2 میلیارد تن پسماند صنعتی و شهری تولید میشود که ارزش بازار آن از مرحله جمع آوری تا بازیافت ، به حدود 500 میلیارد دلار میرسد. ارزش افزوده حاصل از بازیافت پسماند در جهان به اندازهای است که حدود 15 درصد تولید ناخالص داخلی برخی کشورهای صنعتی را تشكيل مي دهد . [6]درحالی که در جهان به طور متوسط 70 درصد پسماندهای تولید شده بازیافت میشود ، بصورت خوشبینانه این رقم در ايران به حدود 20 درصد میرسد و این به آن معناست که در كشور سالانه حدود 16میلیون تن پسماند ، در خاک دفن مي شود . در فرآيند دفع پسماند ها در کشور ، تنها 2 درصد از پسماند ها با رعايت اصول بهداشتی دفن مي شوند. طبق آمارهای جهانی، در استرالیا با توجه به شرایط زمین ۷۰ درصد پسماند ها دفن و ۳۰ درصد پس ماندها بازیافت مي شود. در كشور ژاپن تنها 3 درصد پسماند ها دفن مي شود در حاليكه ۱۷ درصد آنها بازیافت مواد و ۷۴ درصد پس ماندها در مسير بازیافت انرژی قرار مي گيرند [7] بر اساس آمارهای فائو ( FAO ) 2 هرسال ۱.۳میلیارد تن غذا درجهان ضایع می شود . بیشترین ضایعات مربوط به میوه و سبزیجات، ماهی و غلات است. ایران به تنهايي ٢,٧درصد از ضایعات غذا در جهان را ايجاد مي كند . اين مقدار ضايعات معادل 3٥میلیون تن غذا است .براساس اعلام سازمان بهداشت جهانی در سال ۲۰۱۸ سرانه تولید جهانی پسماند در هر روز حدود ۳۰۰ گرم بوده است. [5] در ايران رقم سرانه تولید روزانه پسماند به بیش از ۷۱۰ گرم مي رسد . سرانه تولید روزانه پسماند شهر تهران ۷۹۰ گرم است كه بیش از ۲ برابر متوسط جهانی است [8]
بنا براظهارات مدیرعامل سازمان مدیریت پسماند شهرداری تهران در آبان ماه 1401 ، سالانه بیش از 1700 میلیارد تومان صرف هزینه های جمع آوری و حمل پسماندهای شهر تهران می گردد .[9] این در حالی است که بیش از 70 درصد این هزینه ، فقط صرف هزینه های حمل و نقل و جمع آوری روزانه پسماندها می گردد. یکی از دلایل مهم افزایش هزینه های جمع آوری و حمل هر واحد پسماند در مدیریت پسماندهای شهری ، عدم تطبیق حجم پسماند های موجود در مخازن هدف با حجم و ظرفیت کامیون های حمل زباله و نیز تفکیک نشده بودن پسماند های مخازن جمع آوری است . بعنوان مثال ممکن است در برنامه مسیر جمع آوری استاندارد فعلی یا موجود یک کامیون جمع آوری پسماند شهرداری تهران ، گذر از محل مخازن خالی مکررا اتفاق بیفتد در حالیکه کامیون ذیربط علی رغم خالی بودن مخزن از پسماند یا ناکافی بودن آن اجبارا مسیر های لازم را طی کرده است وعلاوه بر این زمان یا ساعت کاری راننده یا کارگران جمع آوری نیز صرف شده است . این فرآیند به آن معناست که هزینه های کارگری و نیز هزینه های سوخت مصرفی کامیون ها و نیز استهلاک آنها بدون عایدی کافی ( حجم کافی پسماند قابل جمع آوری ) صرف شده اند. اگر بتوان در مبدا تولید پسماند ها ، آنها را به انواع پسماند های موجود تفکیک نمود و سپس برنامه جمع آوری پسماندها را بسته به هر نوع پسماند ، برنامه ریزی کرد ، قطعا در کاهش هزینه های جمع آوری و بازیافت پسماند ها موثر خواهد بود . اما هرنوع برنامه ریزی دقیقی نیاز به اطلاعات دقیق خواهد داشت. بعبارت دیگر تا ندانیم که کدام مخزن پسماند ، در کجا ، چقدر و از چه نوع زباله ای در خود جای داده است عملا نمی توانیم برای مدیریت هزینه های کامیون های حمل زباله و نیز افزایش بازیافت کاری از پیش ببریم . بدون تردید ، یکی از راه های کنترل هزینه های مدیریت پسماندهای شهری ، خصوصا در کلان شهرهای ایران ، ایجاد شهرهای هوشمند و نیز شبکه های اینترنت اشیاء در بستر شهرهای هوشمند است. در شهرهای هوشمند با بهره گیری از اینترنت اشیاء می توان به اطلاعات دقیقی از وضعیت موجود مخازن جمع آوری پسماند های شهری درهر زمان و هر مکان دست یافت. در این مقاله ابتدا به معرفی مفهوم و شاخص های" شهر هوشمند " پرداخته خواهد شد . سپس از طریق گذر از مفاهیم و تجربیات ایجاد شهرهای هوشمند در جهان ، یک شبکه 5 لایه اینترنت اشیاء برای مدیریت پسماندهای شهری در کلان شهرهای ایران پیشنهاد می گردد.
ICT بستر اصلی شهر هوشمند
فنآوری اطلاعات و ارتباطات یا 3 ICT موجب افزایش تولید داده های شهری و ظهور ابزار و زمینه های مناسب برای ایجاد هوشمندی در شهرها گردیده است . مفهوم شهر هوشمند ابتدا در سال 2008 توسط شرکت IBM مطرح شد و به عنوان کاربرد ICT برای به دست آوردن، تحلیل و ادغام اطلاعات مهم در مورد شهرها تعریف گردید . هدف اساسی شهر هوشمند ، دستیابی به توسعه پایدار شهری و افزایش توان رقابتی کلی شهرها است. مفهوم شهر هوشمند به طور گستردهای برای روبرو شدن با مسائل چالش برانگیزی همچون کمبود منابع ، آلودگی های زیست محیطی، تراکم ترافیک و خطرات پنهان برای سلامتی و ایمنی مورد استفاده قرار میگیرد ودر مدیریت پسماند های جامد شهری (MSWM ) 4 نیز مفید است. [10]در کشور های توسعه یافته ، استفاده از ادغام فنآوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) و اینترنت اشیاء (IOT) یک رویکرد نسل جدید برای بهبود موثر و کارآمد سیستم مدیریت جهانی پسماند است . ادغام ICT و IOT ، استفاده از سنجش محلی، ادغام دادهها، تجزیه و تحلیل اشیاء و اقدامات شناختی در حوزه مدیریت پسماند را ممکن می کند . با ادغام ICT و IOT ، انباشت پسماند میتواند در زمان واقعی ردیابی و نظارت شود تا مدیریت کارآمد و موثر پسماند را ممکن سازد و ویژگیهای پسماند های انبوه و متنوع را تغییر دهد تا به منبع مواد و انرژی ارزشمندی تبدیل شود. [11]
مفهوم شهر هوشمند و اینترنت اشیاء
به دلیل افزایش فرآیندهای شهرنشینی و نیز افزایش تعداد ساکنان شهرها ، معانی متعددی که باعث مشکلات اقتصادی و زیستمحیطی در مناطق شهری شده اند در حیطه تعریف مفهوم شهر هوشمند قرار می گیرند. بر همین اساس است که شبکههای هوشمند انرژی اجازه میدهند تا در عین حالیکه مصرف انرژی کاهش می یابد ، انتشار CO2 نیز کاهش یابد . مفهوم "شهر هوشمند" روز به روز محبوبتر میشود، اما تا به امروز هیچ تعریف پذیرفته شدهای برای شهر هوشمند وجود ندارد. تحلیل ادبیات موضوع در این زمینه ، دو تعریف را برای عنوان شهرهوشمند ، در دسترس قرار می دهد: [12]. گروهی شهر هوشمند را شهري مي دانند كه با فنآوریهای ICT کار می کند و گروهی دیگر ، شهر هوشمند را به عنوان يك پارادایم جدید در توسعه شهری می شناسندکه در آن سرمایه انسانی و اجتماعی، آموزش و محیط طبیعی داراي نقش کلیدی است. سابينا كوف[11] 5در مقاله خود شهر هوشمند را " شهری پیشرفته و با فنآوری بالا که با استفاده از فنآوریهای نوین ، مردم ، اطلاعات و عناصر شهری را به یکدیگر متصل میکند. " تعریف می کند . ویژگی بارز شهر هوشمند تبادل هوشمند اطلاعات بین زیرسیستم های مختلف در شهر است. این امر به افزایش بهرهوری و یکسان سازی اکوسیستم شهرکمک میکند شهرهای هوشمند نمیتوانند بدون پشتیبانی لجستیک و راهحلهای هوشمندکار کنند. در عین حال، لجستیک هوشمند میتواند مفاهیم شهر هوشمند را پشتیبانی کند. [12]لجستیک هوشمند به استفاده از هوشمندی در اجرای وظایف لجستیک اشاره دارد. فنآوریهای جدید هوشمندی ، که به عنوان سیستمهای هوشمند پشتیبانی کامپیوتری شناخته میشوند، خودکارسازی کامل فرآیندها را میسر می کنند. در میان راهحلهای هوشمندسازی سیستم لجستیک می توان به موارد ذیل اشاره کرد : [13] :
1- سیستمهای حمل و نقل هوشمند (ITS )6 : سیستمهای حمل و نقل هوشمند ، سیستمهای لجستیک مستقلی هستند که بدون سرنشین، حرکت مستقل مردم و بار را با کمترین سهم نیروی انسانی تامین میکنند.
2- اينترنت اشياء ( IOT) : اینترنت اشیاء جهان را به صورت جهانی كاملا پیوسته تصور میکند که در آن همه اشیاء صلاحیت و توانايي برقراری ارتباط با یکدیگر را دارند. این اتصال منجر به شکلگیری دنیایی دیجیتال میشود که در آن برای تشکیل جوامع هوشمند ، از طریق کاربرد فنآوریهای اینترنت ، برنامههای هوشمندسازی اجرا میشوند.
IOT را می توان به عنوان اکوسیستمی که در آن تعدادی از دستگاههای تعبیهشده دیجیتالی از طریق سرویسهای اینترنتی با مرکز پشتیبانی یا سرور تعیین شده ارتباط برقرار میکنند تعریف کرد . این وسایل ، اغلب اشیاء هوشمند نامیده میشوند و به عنوان عناصری در سازهها یا وسایل نقلیه وجود دارند و یا در محیط اطراف پراکنده شدهاند. [13]ظهور تکنولوژیهای اینترنت مانند رایانش ابری، اینترنت اشیاء ( IOT) و تکنولوژیهای تلفن همراه در شهرهای هوشمند ، توجهات را در شهرهای هوشمند به سمت توسعه یک اکوسیستم پایدار جلب کردهاست. هریسون7 و همکاران در سال ۲۰۱۰ شهر هوشمند را به عنوان گذرگاه اتصال زیرساختهای فیزیکی، اجتماعی، تجاری و ICT برای ارتقاء سطح دانش جامعه توصیف کردند .
ستون هاي یک شهر هوشمند
زیرساخت هاي نهادي ( سازمانهای خصوصی و دولتی ) ، زیرساخت هاي فیزیکی، زیرساخت هاي اجتماعی و زیرساخت هاي اقتصادي به عنوان چهار ستون یا چهار مضمون در یک شهر هوشمند معرفی شده اند .چهار ستون یک شهر هوشمند در شکل( 1 ) نشان داده شده است. اداره شهرهاي هوشمند ، وابسته به زیرساخت هاي نهادي است و با مشارکت در تصمیم گیري، خدمات عمومی و اجتماعی، حاکمیت شفاف ، راهبرد ها و چشم اندازهاي سیاسی مرتبط است. [14] نهادها در واقع نقش پل ارتباطی میان تصمیم گیران ، سیاستگذاران و مدیران شهر با ساکنین شهرها را ایفا می کنند و از طریق آنها و با جلب مشارکت ساکنین شهرها در مدیریت و فرآیندهای نوین ، برنامه های نوآورانه و نوین ، قابلیت اجرایی بیشتری خواهند یافت. ستون زیرساخت هاي فیزیکی ، استمرار منابع براي پایداری فرآیندهای شهری را در حال و آینده تضمین می کند . [13] کیفیت زیرساخت هاي فناوري اطلاعات و ارتباطات، عملکرد یک شهر هوشمند را افزایش می دهد. علاوه بر زیرساخت فناوري اطلاعات و ارتباطات، کیفیت و در دسترس بودن شبکه اشیاء هوشمند از اهمیت مشابهی در تحقق شهرهاي هوشمند برخوردار است. زیرساخت هاي فیزیکی بیشتر به ساختمان هاي سبز، برنامه ریزي شهري سبز، نوسازي ساختمان ها و امکانات و انرژي هوشمند اشاره دارند . [14] زیرساخت هاي اجتماعی یک شهر هوشمند متشکل از سرمایه هاي انسانی ، سرمایه های فکری و کیفیت زندگی است. آگاهی، مسئولیت و تعهد شهروندان نقشی اساسی در مقبولیت مفهوم و کارکرد شهرهای هوشمند دارند و لذا زیرساخت هاي اجتماعی براي ارتقا ، پیشرفت و نیز پایداري یک شهر هوشمند بسیار اهمیت دارند و بدون آگاهی اجتماعی ، پایداری در یک شهر هوشمند عملا تداوم نمی یابد .زیرساخت اقتصادی شهر هوشمند یا اقتصاد هوشمند نیز متناسب با بهره گیری از فرایندهای دیجیتالی روز جهان در اقتصاد شهر هوشمند تعریف می گردد . بهره گیری از برترین و کارآمدترین روش های تجارت و کسب و کار الکترونیکی با هدف افزایش بهره وري در مدیریت شهر ها را "اقتصاد هوشمند " می نامند .
علی رغم مزیت های بی شمار ایجاد شهرهای هوشمند ، بسیاری از پروژه های استقرار شهر هوشمند با چالش های فراوانی از جمله نیاز به بهره گیری از تکنولوژی های خاص و نیز اختلاف در تفسیر مفاهیم روش های استقرار شهر هوشمند مواجه هستند. ازجمله این چالشها می توان به چالش های مرتبط با سیاستگذاری ها و قوانین مورد نیاز ،چالش ساختارها و زیر ساخت های موجود و مورد نیاز حمل و نقل و انرژی ، چالش های مربوط به امنیت شبکه ، چالش هاي فناوري یا میزان مورد نیاز پوشش عملکرد ها و نیز ظرفیت عملی و اجرایی ، چالش منابع مالی مورد نیاز و نیز سودآوری و منافع مالی پروژه شهرهای هوشمند و چالش عدم رغبت شهروندان به همکاری با پروژه های شهرهوشمند اشاره نمود.
کاربرد اینترنت اشیاء در مدیریت پسماند های شهری
ارزش داده ها خصوصا در یک دهه اخیر به طور شگفت آوری افزایش یافته است . تا کمتر از یک دهه پیش، به نظر میرسید که ذخیره داده ها کاری عبث و بعضا هزینه سازی است که کفایت لازم برای پیشبرد فرآیندها و یا پیش بینی آنها را ندارد . پیشرفتهای حاصل شده در دهه اخیر در محاسبات و تجزیه و تحلیل ، عملا داده ها را به یکی از منابع اصلی برای کار دانشمندان تبدیل کردهاست. تحلیل گران داده ها و اطلاعات ، با استفاده از تکنیکهای سنتی و نیز هوش مصنوعی در بسیاری از موارد اطلاعات ارزشمندی را استخراج می کنند که پیش
شکل 1 : ستون های یک شهر هوشمند
Figure 1: The pillars of a smart city
از آن غیرقابلتصور بود .یکی از منابع اصلی تولید داده که میتواند منجر به مزایای فراوانی شود، شهر ها هستند. . با توجه به مطالعات متعدد ، شهرها میتوانند مقادیر زیادی از دادههای روزانه را تولید کنند و در سراسر طیف وسیعی از بخشهای شهر گسترش دهند. بخشهای انرژی، ترافیک و حمل و نقل عمومی، خدمات یا مدیریت عمومی تنها نمونههایی از بخشهایی هستند که میتوانند تا حد زیادی از تجزیه و تحلیل اطلاعات ایجاد شده در یک شهر بهره مندگردند . در چند سال گذشته، از طریق برنامههای کاربردی مختلف ، مطالعات مختلفی برای ایجاد پلتفرمهای سازگار با بازیابی داده های شهری ، پردازش داده ها و قرار دادن اطلاعات در دسترس شهروندان انجام شدهاست. با این حال، هنوز هیچ استانداردی وجود ندارد که به عنوان مدلی برای پیاده سازی پلتفرم شهرهوشمند بکارگرفته شود و یک شهر را طبق الگوی مذکور به شهر هوشمند تبدیل کرد . [15]
یکی از این فعالیتهای مفید ، تشویق کاربران یک شهر به بازیافت پسماند است و لذا ضرورت دارد که راهحلهایی برای مسئله بازیافت بکار گرفته شود. اکثریت قریب به اتفاق کشورهای اروپایی اقداماتی را برای بازیافت پسماند ها و ضایعات اتخاذ کردهاند با این حال، برای اینکه این طرح ها بتوانند به وظيفه بازيافت کمک كنند ، لازم است که یک شبکه جمعآوری پسماند نیز ایجاد شود. برخی کشورها یک سری ظروف یا مخازن رنگی جمع آوری تفکیکی پسماند در خیابان ها و معابر نصب کردهاند که در آن شهروندان یا کاربران پسماندها را با توجه به نوع آنها در مخازن جمع آوری پسماند قرار میدهند. در برخی دیگر از کشور ها نیز سیستم جمع آوری مواد اولیه برای صنعت بازیافت بعضا در سوپرمارکتهایی استقرار دارند که در آنها مصرف کنندگان مجاز به تحویل مجموعهای از ضایعات و ظروف بستهبندی برای انجام فرایندهای بازیافت آنها هستند.[16]
یکی از معایب اصلی سیستم های جمع آوری پسماند های تفکیکی و بازیافت آنها اینست که ، بازیافت پسماند اغلب به صورت داوطلبانه انجام میشود، بنابراین توسعه مکانیزم هایی که بازیافت را تشویق کند تا شهرهای ما را به شهرهای هوشمند تبدیل کند، بسیار مفید و کارآمد خواهند بود. یکی از این مکانیزم ها می تواند یک ماژول از یک پلتفرم شهر هوشمند و یا یک پلتفرم خود اتكا باشدکه میتواند دادههای خود را به دست آورد، آنها را پردازش کند و در نهایت تصمیمگیری کند. برای دستیابی به این هدف ، در این مقاله یک پلتفرم پیشنهاد می شود که تمام فرایندهایی که برای بکار گرفتن پلتفرم اینترنت اشیاء ( IOT ) درجمع آوری و بازیافت هوشمند پسماند های شهری مورد نیاز است را بیان می دارد . یک پلتفرم می تواند از طریق استفاده از الگوریتم " گیمیفیکیشن " تلفن همراه ، کاربران یا شهروندان را به شرکت در تفکیک پسماند های شهری و به تبع آن بازیافت آنها تشویق نماید. ارتباط با برنامه کاربردی تلفن همراه ، شهروندان وکاربران را با مدیران ذیربط جمع آوری و بازیافت پسماند های شهری در یک ارتباط دو طرفه قرار می دهد که به پیشبرد اهداف بازیافت پسماند های شهری کمک می کند .
معماري سامانه مدیریت هوشمند پسماند های شهری :
درلایههای مختلف معماری شبکه ، سیستمها اغلب بر اساس یک الگو یا مدل مرجع ساخته می شوند. بعبارت دیگر الگوی مرجع در ساخت شبکه ، درواقع یک چهارچوب تکنولوژیک و نیز مفهومی است که روش و ابزار تولید داده ها ، مسیر انتقال داده ها و نیز ترتیب انتقال داده بین لایه های مختلف شبکه درآن تعیین گردیده است. معروفترین مدل یا الگوی معماری ساخت شبکه ، اتصال متقابل سامانههای باز 8 ( OSI ) است که در آن 7 لایه در نظر گرفته شده است که عبارتند از لایه فیزیکی ، لایه پیوند داده ، لایه شبکه ، لایه انتقال ، لایه جلسه ، لایهنمایش و لایهی کاربرد . شبکه اینترنت اشیاء نیز با مدلی چند لایه ساخته می شود . برخی از مدل هفت لایه OSI برای ساخت شبکه اینتر نت اشیاء استفاده می کنند و سایرین ممکن است از مدل های سه لایه ( ادراک ، شبکه ، کاربرد ) ، مدل چهار لایه( ادراک ، پشتیبانی ، شبکه ، کاربرد ) و یا مدل پنج لایه ( ادراک ، انتقال، پردازش ، کاربرد ، کسب و کار یا لایه فیزیکی ) استفاده کنند .
یپوند داده ها ، شبکه ، انتقال و کاربرد پروتکلهای مورد استفاده بطور معمول بر اساس تعداد لایه های شبکه متفاوت خواهند بود . بعنوان مثال یک شبکه IoT میتواند چند پروتکل را بکار گیرد که هر پروتکل می تواند امکانات ارتباطی میان لایه های مختلف شبکه را میسر کند و یا با سایر پروتکل ها درجهت ایجاد امنیت و یا انتقال داده ها ارتباط برقرار نماید . بعنوان مثال ، بلوتوث و وایرلس، برقراری ارتباط در لایه پایینی شبکه را میسر می کنند و پروتکل9 DDS (سرویس توزیع دادهها) و پروتکل 10MQTT در لایه کاربرد بکار گرفته می شوند . شکل 2 طرح شماتیک یک پروژه 3 لایه اینترنت اشیاء را نشان می دهد براي استاندارد سازي معماری اینتر نت اشیاء ، نیاز به پشتیبانی از یک مدل معماري مرجع ، بسیار مهم است. بسیاري از مدل هاي پروژه بر روي یک معماري معمولی مبتنی بر تجزیه و تحلیل نیازها یا بر روي برخی لایه ها متمرکز شده اند که الگوي اساسی معماري مرجع را تشکیل می دهند. حتی با یک معماري انعطاف پذیر، هنوز هم چالش هاي مربوطه بخصوص امنیت و حریم خصوصی وجود خواهند داشت . بنابراین، براي غلبه بر این چالش ها، معماري هاي جدید استاندارد می بایست با تمرکز بر روی سیستم های کیفیت خدمات ، فاکتورهاي مهمی مانند ، پایداري ، یکپارچگی داده ها، محرمانه بودن و قابلیت اطمینان را تقویت کند. کیفیت خدمات 11(QoS)، به هر فناوری اطلاق می شود که ترافیک داده را برای کاهش از دست دادن بستهها، تأخیر و نوسان در شبکه مدیریت میکند.QoS با تعیین اولویت برای انواع خاصی از دادهها ، منابع شبکه را کنترل و مدیریت میکند.
شکل 2 : لایه های یک شبکه اینتر نت اشیاء 3 لایه ای برای جمع آوری پسماند های شهری
Figure 2: Layers of an internet network of 3-layer objects for collecting urban waste
پروتکل هاي اینترنت اشیاء در مدیریت پسماند های شهری
پروتکل های اینترنت اشیاء 12 بخش مهمی از تکنولوژی اینترنت اشیاء هستند و بدون وجود آنها هیچیک از سخت افزارهای لایه های مختلف اینترنت اشیاء کار نخواهند کرد زیرا در واقع این پروتکلهای IoT هستند که سختافزارها ی لایه های مختلف اینترنت اشیاء را قادر میسازند تا دادهها را به شیوه ای ساختارمند و هدفمند تبادل نمایند. در واقع این تبادل داده و اطلاعات بین سنسورها، دستگاهها ، گیتها، سرورها و برنامههای کاربردی کاربر ( اپلیکیشن ها ) هستند که ماهیتی را با عنوان " اینترنت اشیاء " خلق می کنند. پروتکل اینترنت اشیاء در واقع زبان مشترکی است که تمامی سنسور ها ، گیت ها و دستگاه ها و ... در ساختار شبکه اینترنت اشیاء برای تبادل اطلاعات و برقراری ارتباط از آن استفاده می نمایند . براي مدیریت پسماند مبتنی بر اینترنت اشیاء، به فراخور نیاز شبکه میتوان از هریک از استاندارد های موجود استفاده کرد ولی لزوما نیاز به کاربرد همه آنها در شبکه اینترنت اشیاء وجود ندارد. عواملی مانند موقعیت جغرافیایی ، موقعیت مکانی ، نوع انرژی مصرفی ، ضرورت استفاده از باتری ، وضعیت توپوگرافی منطقه ای که پروژه اینترنت اشیاء درآن اجرا می شود و نیز مجموع هزینههای استقرار اینترنت اشیاء در پروژه مورد نظر از جمله عوامل اصلی و کلیدی در انتخاب نوع پروتکل اینترنت اشیاء هستند . پروتکل های مطرح برای ایجاد شبکه های اینترنت اشیاء به شرح ذیل هستند . [17] 13 :
پروتکل 1 ) برنامههای محدود شده (COAP ) 14
پروتکل برنامههای محدد شده برای ترجمهی مدل HTTP طراحی شد تا بتوان از آن در محیطهای محدودکنندهی دستگاه و شبکه استفاده کرد.
پروتکل 2) انتقال تلهمتری صفبندی پیامها ( MQTT )15
یک پروتکل پیامرسان سبک وزن از نوع انتشار و اشتراک (pub/sub). این پروتکل برای دستگاههای مبتنی بر باتری طراحی شده و معماری آن ساده و سبکوزن است که باعث مصرف کمتر انرژی در دستگاهها میشود. پروتکل مبتنی بر مدل اشتراک، انتشار و کارگزار است. در این مدل، وظیفهی ناشر جمعآوری داده و ارسال اطلاعات به مشترکین از طریق لایه میانجی یعنی کارگزار است. از سوی دیگر نقش کارگزار تضمین امنیت از طریق بررسی متقابل تایید ناشران و مشترکان است.
پروتکل 3 ) وای فای (WIFI)16
پروتکل وای فای یک اتصال اینترنت فراهم میکند تا دستگاههای نزدیک به آن که در محدودهی خاصی قرار دارند، متصل شوند. راه دیگر برای استفاده از " وای فای "17 ایجاد یک نقطه اتصال یا " هات اسپات " 18 وای فای است ؛ یعنی تلفنها یا کامپیوترها میتوانند با پخش یک سیگنال، اتصال اینترنت بیسیم یا سیمی را با دستگاههای دیگر به اشتراک بگذارند.
پروتکل 4 ) زیگبی 19
شبکههای مبتنی برزیگبی با مصرف انرژی کم، توان عملیاتی کم (حداکثر 250 کیلوبیت در ثانیه) و محدودهی اتصال 100 متر بین گرهها شناخته میشوند. کاربردهای معمول استفاده از این پروتکل اینترنت اشیاء شامل شبکههای حسگر، شبکههای شخصی (WPAN)، اتوماسیون خانگی، سیستمهای هشدار و سیستمهای نظارتی میشود. پروتکل زیگبی، توان استانداردی برای شبکههای رادیویی خودپیکربندی و کوتاهبرد و برای استفاده در سیستمهای تلهمتری ، ارتباط بین انواع سنسورها و دستگاههای نظارتی و نیز خواندن بیسیم نتایج اندازهگیری کنتورهای انرژی و گرما و ... فرآهم کرده است.
پروتکل 5 ) بلوتوث20 تکنولوژی بلوتوث یک استاندارد باز است که در مشخصهی 21(IEEE) با شماره IEEE 802.15.1 تعریف میشود و ویژگیهای فنی آن شامل سه کلاس توان انتقال ERP 1-3 با محدودهی به ترتیب 100، 10 و 1 متر در فضای باز میشود. رایجترین کلاس آن نیز مورد دوم یعنی 10 متر است که به فرد امکان میدهد به دستگاههایی در اتاقهای مختلف و حتی در طبقات مختلف، متصل شوند.
پروتکل 6 ) پیامرسانی و حضور گسترشپذیر ( XMPP )22
این پروتکل امکان تبادل فوری دادههای ساختاریافته اما قابل توسعه بین دو یا چند مشتری شبکه را فراهم میکند. از آغاز به طور گستردهای به عنوان یک پروتکل ارتباطی مورد استفاده قرار گرفته است. با گذشت زمان و ظهور مشخصات سبکوزن XMPP، یعنی XMPP-IoT، در زمینهی اینترنت اشیاء نیز مورد استفاده قرار گرفت.
پروتکل 7) سرویس توزیع دادهها ( DDS )23
پروتکل DDS برای ارتباطات فوری ماشین به ماشین که توسط گروه مدیریت شیء (24(OMG طراحی شد، تبادل دادههای مقیاسپذیر، قابل اعتماد، با کارآیی بالا و قابل تعامل را بین دستگاههای متصل مستقل از سختافزار و پلتفرم نرمافزاری را امکانپذیر میسازد. این پروتکل از معماری بدون واسطه و چندپخش برای ارائهی QoS باکیفیت بالا و اطمینان از ارتباط دستگاهها استفاده میکند. معماری پروتکل DDS مبتنی بر لایهی انتشار-اشتراک داده محوری( DCPS ) 25 ولایهی (اختیاری) بازسازی محلی داده DLRL 26 است. درحالی که لایهی DCPS مسئول توزیع داده آگاهانه، قابل مقایس و کارآمد برای مشترکین است، DLRL رابطی برای عملکردهای DCPS ارائه میدهد که امکان انتقال دادهها بین اشیاءء متصل به اینترنت اشیاء را فراهم میکند.
پروتکل 8 ) پیشرفتهی صفبندی پیام ( AMQP ) 27
این پروتکل ویژگیهایی مانند جهتگیری پیام، صفبندی، مسیریابی ( از جمله سرتاسری و انتشار/اشتراک ) ، قابلیت اطمینان و امنیت را ارائه میدهد. احتمالا بزرگترین مزیت AMQP) مدل ، ارتباطی قوی آن است. این پروتکل میتواند تراکنشهای کامل را تضمین کند؛ اگرچه این ویژگی کاربردی است اما همیشه چیزی نیست که کاربردهای IoT به آن احتیاج داشته باشند.
پروتکل 9 ) موج ضعیف ماشین به ماشین28 ( LwM2M )
آنچه LwM2M را از دیگر پروتکل های اینترنت اشیاء متمایز میسازد این است که این استاندارد به طور ویژه برای برآورده ساختن الزامات مدیریت جامع دستگاههای دارای محدودیت منابع طراحی شده است. LwM2M در سال 2014 توسط اوپن موبایل آلیانس 29 راهاندازی شد و یک استاندارد کاملا مناسب و تعریفشده برای ارتباطات دادههای اینترنت اشیاء و مدیریت دستگاه ارائه میدهد.
پروتکل 10 ) شبکه سلولی30
شبکه سلولی یکی از گستردهترین و شناختهشدهترین گزینههای موجود برای برنامههای اینترنت اشیاء است و یکی از بهترین گزینهها برای مواردی است که ارتباط در فواصل طولانیتر مورد نیاز است. اگرچه استانداردهای سلولی قدیمی 2G و 3 G امروزه درحال حذف شدن هستند اما شرکتهای مخابراتی به سرعت در حال گسترش استانداردهای جدیدتر و سریعتر مانند 4G/LTE و 5 G هستند..
پروتکل 11 ) لورا ون و لورا 31
لورا یک تکنولوژی بیسیم غیرسلولی برای بردهای طولانی است که همانطور که از نام آن مشخص است، یک ارتباط دوربُرد ارائه میدهد. این پروتکل کم مصرف و با انتقال ایمن داده برای کاربردهای ماشین به ماشین و استقرار اینترنت اشیاء است. لورا یک فناوری اختصاصی است که اکنون بخشی از پلتفرم فرکانس رادیویی سمتک32 محسوب میشود . لورا ون 33. نیز به دنبال لورا طراحی شده و به عنوان یک پروتکل باز ، مبتنی بر ابر به دستگاهها امکان میدهد با لورا ارتباط برقرار کنند.
پروتکل 12 ) پروتکل Z-Wave
یکی دیگر از گزینههای اختصاصی در پروتکل اینترنت اشیاء، پروتکل Z-Wave است ؛ یک پروتکل ارتباطی شبکهی بیسیم که بر اساس فناوری فرکانس رادیویی کم مصرف ساخته شده است . Z-Wave همانند وایفای و بلوتوث به دستگاههای هوشمند امکان میدهد با رمزگذاری ارتباط برقرار کنند و در نتیجه سطحی از امنیت را در اینترنت اشیاء ارائه میدهد. از این پروتکل معمولا برای محصولات هوشمند سازی خانگی و سیستمهای امنیتی و نیز درکاربردهای تجاری مانند تکنولوژیهای مدیریت انرژی، استفاده میشود.
پروتکل 13 ) پروتکل RPL34در اینترنت اشیاء
پروتکل مسیریابی برای شبکههای کمتوان و پراتلاف در اینترنت اشیاء یا پروتکل RPL در اینترنت اشیاء یک پروتکل مسیریابی IPv6 است که توسط کارگروه مهندسی اینترنت35 (IETF) برای اینترنت اشیاء استانداردسازی شده است. پروتکل RPL از پروتکلهای مسیریابی در اینترنت اشیاء، یک توپولوژی درخت مانند را شکل میدهد که مبتنی بر فرآیند بهینهسازی متفاوتی به نام تابع هدف 36 (OF) است
پیشنهاد سامانه ای برای مدیریت هوشمند پسماند های شهری :
دراین مقاله ، مبتنی بر بکار گیری پروتکل های ذیربط در ایجاد شبکه اینترنت اشیاء ، طراحی و ساخت یک سامانه جمع آوری و بازیافت پسماند های شهری پیشنهاد گردیده است . این سامانه شامل مخازن یا سطل های پسماند هوشمند تفکیکی است که دارای سنسور های ویژه نشان دهنده مقدار پسماند موجود در مخازن است و داده های تولیدی سنسورها از طریق ابنترنت و با بکار گیری پروتکل های طراحی شبکه های اینترنت اشیاء ، به سرور ها منتقل می گردد. پس از انتقال داده های مخازن پسماند تفکیکی مستقر در مناطق مختلف مسکونی شهر به سرور ها ، داده هاي دریافت شده به کمک نرم افزار های طراحی شده و نیز توانایی های تعیین شده برای اپلیکیشن اندروید ذیربط درگوشی های تلفن های همراه کاربران ( شهروندان) ،آنالیز وتحلیل می شود ودر نهایت مخازن پسماند ی که می بایست در فرآیند اجرای بهینه سازی هزینه های جمع آوری و حمل پسماند های تفکیکی تخلیه شوند ، معین و بصورت روزانه محتویات آنها به مراکز هاب تخصصی ویژه هر نوع پسماند انتقال می یابد . در این فرآیند ، عملیات مسیریابی نیز با لحاظ اهداف کمترین فاصله و کمترین مدت حمل برای تخلیه مخازن پسماند معین شده انجام می شود و لذا کارگران ویژه جمع آوری و حمل پسماند ، برای دستیابی سیستم به بهینه سازی هزینه های جمع آوری و حمل و بازیافت پسماند های شهری بصورت روزانه و بر اساس شرایط روز ، مسیرحرکت ماشین جمع آوری پسماند را از طریق اتصال به شبکه اینترنت اشیاءء طراحی شده دریافت می نمایند . انتخاب بهینه مخازن پسماند برای جمع آوری با توجه به قواعد تعریف شده اقتصادی ، موجب کاهش هزینه های جمع آوری و در نتیجه بهبود کارآیی شبکه جمع آوری پسماند های شهری خواهد شد . این مقاله برای جمع آوری و بازیافت پسماند های شهری ، طراحی و ساخت یک سامانه شبکه اینترنت اشیاء با معماری 5 لایه را پیشنهاد می کند . لایه های سامانه پیشنهادی به شرح ذیل خواهند بود :
لایه برنامه و مدیریت کسب و کار : لایه برنامه و مدیریت کسب وکار در واقع ، یک برنامه کاربردی ساده توسعهیافته در اندروید است که مشخصات کاربران را مدیریت میکند . این برنامه نتایج عملکرد هر کاربر یا شهروند را به وی نشان میدهد و آنها را به روز رسانی میکند و جریمه ها و جوایز کاربر یا شهروند را به وی نشان میدهد .( این جرایم یا پاداش ها همان جوایز یا جریمه هایی هستند که از طریق لایه هوشمند دولت ( شهرداری ) به شهروند یا کاربر ذیربط تخصیص یافته است) . لایه برنامه و مدیریت کسب وکار ، متشکل از حداقل یک عامل اجرایی است که مسئول استقرار و راه اندازی اجزای اصلی در سایر لایه ها است. ارتباط مدیر کسب و کار با کاربران ( شهروندان ) از طریق اپلیکیشن یا برنامه های نرم افزاری ذیربط انجام می شود. بروز رسانی مداوم برنامه های اجرایی و اپلیکیشن ها از جمله وظایف لایه مدیریت کسب و کار است. علاوه بر این "مدیریت جامع" سامانه اینترنت اشیاء شامل استفاده از برنامه هاي مربوط به تولید اطلاعات ( مانند تولید گزارش حاصل از آنالیز داده های دریافتی از سایر لایه ها ) ، تولید نمودارها و موارد مشابه از جمله وظایف لایه مدیریت کسب و کار است.
لایه زیر ساخت شهر هوشمند : عوامل این لایه ، اطلاعات را از ساختارهای دادهای لایه مدیریت کسب و کار دریافت میکنند. این لایه در صورت لزوم ، وضعیت مخازن پسماند را برای تصمیمگیری بررسی میکند. عوامل موتورکلان داده ، دادههای دریافتشده توسط " پردازش رویداد پیچیده " را برای تشخیص الگوی آنها تجزیه و تحلیل میکنند. این معماری برای به دست آوردن داده های مرتبط برای تجزیه و تحلیل ، دارای یک عامل " داده باز " است(مانند داده هواشناسی). در واقع ، اجزای لایه زیر ساخت شهر هوشمند ، بعنوان میان افزار ، بین کاربران و سیستم چند عاملی اینترنت اشیاء عمل میکنند. هر مخزن پسماند ، دارای یک یا چند ابزار مرتبط است که مسئولیت ایجاد یا تولید " ساختار داده " تعریف شده را بر عهده دارد . ( مانند مقدار و نوع پسماند موجود در مخازن پسماند ، وضعیت پر یا خالی بودن یا بطور کلی حجم اشغال شده مخزن پسماند و ... ). این ابزار میان افزار با استفاده از LPWAN37 ، داده ها را به عوامل لایه داده ارسال میکنند.[18]
فناوری LPWAN به دستگاه های IoTاجازه می دهد تا با یک بار شارژ کامل باتری ، تا سقف 1 سال با اطمینان کامل کار کنند. این فناوری، برای راهکارهایی با محدودیت جابجایی که فاقد منبع قدرت قابل اطمینان برای شارژ مجدد هستند بسیار ایدهآل است.
لایه ارتباطی شبکه : لایه ارتباطی شبکه ، وظیفه انتقال داده های اندازه گیري شده در لایه زیر ساخت یا ادراك را به لایه پردازش شبکه بر عهده دارد. در سامانه هاي پردازش ، فناوری های 38 GSM ، Z-wire ، ZigBee وجود دارند .
لایه تولید اطلاعات : در این لایه ، اشیاء یا دستگاه های بکار رفته در معماری شبکه اینترنت اشیاء ، از فعالیت یا بکارگیری زیرساخت های شهر هوشمند ، اطلاعات ضروری و لازم را تولید می کنند . در معماري شبکه های اینترنت اشیاء ، لایه تولید داده یا لایه درک و شناسایی ، با سطوح و کیفیت های متفاوت سخت افزاری طراحی و اجرا می شوند . وظیفه دریافت داده های فیزیکی، پردازش و انتقال امن آنها به لایه هاي دیگر در شبکه اینترنت اشیاء ، بر عهده لایه تولید اطلاعات است. این لایه با بکار گیری فناوری های روز
، داده های مورد نیاز در مورد عملکرد مخازن پسماند تفکیکی نظیر وزن ، سطح پر شدگی ، دما ، رطوبت و محل استقرار مخازن پسماند تفکیکی را تولید وبه سایر لایه ها ارائه می دهد .
لایه دولت هوشمند : این لایه ، نتایج بدستآمده برای جمعآوری پسماند از مخازن پسماند توسط لایه شهر هوشمند را در یک منطقه خاص مدیریت میکند . اگر ظرفیت کامیونهای حمل پسماند های تفکیکی تا اندازه مورد نیاز یا برآورد شده تکمیل نگردد ، وظیفه لایه دولت هوشمند( شهرداری) ، ترغیب کاربران یا شهروندان برای پیوستن به تفکیک پسماند ها و انتقال آنها به مخازن پسماند تفکیکی است و این وظیفه را از طریق برنامه ریزی پرداخت پاداش به شهروندان(کاربران) ، جریمه کردن شهروندان و نیز ایجاد تغییر در قیمت خرید پسماند های تفکیک شده توسط شهروندان (کاربران) انجام می دهد .
شکل 3 : یک شبکه اینتر نت اشیاء 5 لایه ای برای جمع آوری پسماند های شهری
Figure 3: A 5-layer Internet of Things network for urban waste collection
موانع کاربرد اینترنت اشیاء در مدیریت پسماند های شهری
شهرنشینی کنونی ، نیازمند استراتژیهای قوی و برنامهریزی نوآورانه برای مدرن کردن زندگی شهری است. بسیاری از شهرها با دیجیتالی شدن، هوشمند شدن و هوشمند تر شدن ، کیفیت و عملکرد خدمات شهری را افزایش میدهند. مانو شارما و سادهان شو جوشي و همكاران [12] در مقاله خود تحت عنوان " اینترنت اشیاء (IOT) موانع مدیریت پسماند شهرهای هوشمند : یک زمینه هندی " با رویکردی مقدماتی ، یک چهارچوب ساختاری از موانع پذیرش اینترنت اشیاء ( IOT ) در مدیریت پسماند شهرهای هوشمند را توسعه داده اند. آنها در مطالعه خود از روشهای ترکیبی تصمیمگیری چند معیاره استفاده کردند و ۱۵ مانع استقرار اینترنت اشیاء در شهرهای هوشمند هند را به شرح ذیل شناسایی کردند :
امنیت و حریم خصوصی : سیستمها ممکن است با حملاتی مانند نوشتن متن از طریق سایت، یا داشتن کانالهای جانبی که منجر به آسیبپذیری میشوند، مواجه شوند.
قابلیت اطمینان / عدم تحرک : چالشهای " قابلیت اطمینان " با توجه به مشارکت گسترده و تعداد زیادی از فنآوریهای هوشمند افزایش مییابند. ریسک شکست در تحرک بیشتر است و ارتباط درونی میان آنها کمتر قابلاعتماد است.
فقدان شفافیت : ابهام و عدم شفافیت در پاسخگویی تسهیلاتی که می بایست در سیستم فعال شده IoT وجود داشته باشند. این امر خطر جداسازی افراد با فنآوری شهر هوشمند را افزایش میدهد .
هزینه عملیاتی و دوره بازپرداخت تمدید شده : هزینهها ، نگرانی اصلی ذینفعان در پیادهسازی IoT به دلیل هزینه بالای متخصصان، دستگاههای هوشمند، نصب، نگهداری، و هزینه آموزش برای انتقال دانش به کارگران است.
استانداردسازی : استانداردسازی ارتباط دو طرفه و تبادل اطلاعات میان دستگاههای هوشمند، محیطها، اشیاء هوشمند و دیگر سیستمها در شبکه اینترنت اشیاء ضروری است..
فقدان هنجارهای نظارتی ، سیاستها و جهتها : فقدان نرمها و سیاستهای نظارتی ، منجر به استانداردهای ناامن و راهنمایی های ناقص برای انجام اقدامات در شبکه اینترنت اشیاء خواهد شد. بنابراین چهارچوب های قانونی برای پشتیبانی از پیادهسازی IoT می بایست قوی و کارآمد باشند.
فقدان سیستم اطلاعات مشترک : در هنگام اتخاذ تصمیم برای ایجاد یک شبکه IOT ، فقدان یکپارچگی در میان شبکههای فنآوری اطلاعات به دلیل عدم تجانس یا ادغام در میان شبکههای موجود ، یکی از موانع ایجاد وگسترش شبکه اینترنت اشیاء است .
فقدان یکپارچگی در میان شبکههای فنآوری اطلاعات : یکی از مشکلات راه اندازی شبکه اینترنت اشیاء ، اختلال عدم تجانس شبکه ، بدلیل ادغام شبکه های غیرمتجانس موجود اینترنت اشیاء است . برای اجرای موفق IOT ، به یک زیرساخت یکپارچه برای تفکیک پسماند ، جمعآوری پسماند و جابجایی پسماند نیاز است .
نیروی کار ماهر محدود : پیادهسازی IOT نیازمند متخصصان فنی و آموزشدیده است. برای فراهم کردن دسترسی آسان و کاربر پسند به خدمات اینترنت اشیاء ، میبایست نیروی انسانی فنی و ماهر مربوط کارآمد باشند . فقدان دانش و مهارت فنی در میان برنامه ریزان ، مقامات و سیاست گذاران كه ممكن است فاقد قابلیتهای سازمانی و مهارتهای حرفهای نیز باشند ، سیستم مدیریت پسماند را تحتتاثیر قرار خواهد داد .
فقدان دانش فنی در میان برنامه ریزان : مقامات و سیاست گذاران ممکن است فاقد قابلیتهای سازمانی و مهارتهای حرفهای مورد نیاز شبکه های اینترنت اشیاء باشند. این موضوع ، سیستم مدیریت پسماند را تحتتاثیر قرار خواهد داد .
اتصال ناکافی اینترنت : به دلیل اتصال ضعیف اینترنت ، ممکن است مشکلاتی در پیادهسازی IOT مدیریت پسماند بوجود بیاید .
مسائل شکست سیستم / یکپارچگی : دادهها میتوانند توسط عوامل مختلفی که فراتر از کنترل فردی هستند ، مانند خرابی سرور، تحریف شوند. یکپارچگی دادهها نشاندهنده حافظت از دادهها و نیز حفاظت از شبکه است. دادهها به طور مداوم به روز میشوند و هر زمان که توسط کاربران نهایی در دسترس قرار میگیرند ، به شکل اصلی خود خواهند بود .
در دسترس بودن دادهها : دسترسی فوری به اطلاعات برای کاربران با در دسترس بودن فوری دادهها تضمین میشود. فراهم کردن دادهها در هر زمان که مورد نیاز کاربران است ، هدف سیستم فعال شده با IOT است. جریان اطلاعات ممکن است با دسترسی ضعیف به دادهها مسدود شود.
مصرف بالای انرژی : مصرف برق دستگاههای IOT یک نگرانی جدی است. دستگاههای RFID بدون منبع قدرت برای پیادهسازی IOT ترجیح داده می شوند . با افزایش تقاضا برای دستگاههای IOT ، انتظار میرود که هزینه انرژی زنجیرههای ارزش به طور مداوم افزایش یابد .
زیرساخت / معماری فنآوری اطلاعات : زیرساختهای فنآوری اطلاعات باید با توجه به نیاز شهرهای هوشمند توسعه یابند. فنآوری های ارتقا یافته ، تنها وقتی متناسب با معماری شبکه اینترنت باشند ، قابل پذیرش و مفید خواهند بود .
در حال حاضر مدیریت پسماند های شهری ، یک مساله مهم درکشورهای در حال توسعه است . یکی از راه حل های موثر و کارآمد برای حل مشکل مدیریت پسماند های شهری بهره گیری از اینترنت اشیاء (( IOT است. با این فرض ، می توان گفت در هر شهری ، هر یک از موانع ایجاد شبکه اینترنت اشیاء ، ممکن است به یک عامل مهم بازدارنده برای بهره گیری از اینترنت اشیاء تبدیل و موجب عدم موفقیت پروژه های اینترنت اشیاء در مدیریت پسماندهای شهری شود .
نتیجه گیری
شهر هوشمند سامانه اي است که قابلیت همکاري بین سامانه هاي فرعی یک شهر را ، براي بهبود کیفیت زندگی شهروندان تسهیل می کند. شهرهاي هوشمند بدلیل نیاز به پردازش فراوان داده ها و نیز بدلیل ناهمگونی ابزارهای هوشمند مرتبط در شبکه های هوشمند شهری ، هنوز با چالش ها ی جدي روبرو هستند.
مفهوم شهر هوشمند هنوز در حال تحول است و آزمایش و اجراي آن در محدوده کشورهاي توسعه یافته محدود شده است .دستگاه هاي هوشمند ، مقدار عظیمی از داده ها را تولید می کنند و لذا به ذخایر بزرگ داده نیاز دارند. در نتیجه تولید داده هاي کلان ، روشهاي معمول پردازش داده براي استفاده در معماري هاي مدرن شهر هوشمند کارآمد نیستند . بنابراین تحلیل و آزمایش داده هاي کلان در شهرهاي هوشمند واقعی ، یک فرصت تحقیق امیدوارکننده براي شهرهاي هوشمند آینده است. حفظ امنیت داده هاي حساس در محیط هاي متصل از ضروریات بهره گیری از IOT است . اگر شهروندان در مورد امنیت داده هاي حساس خود قانع نشوند ، تمایلی به استفاده از پلت فرم های ذیربط در شهرهاي هوشمند نخواهند داشت بنا براین ، یکی از مهمترین مراحل آمده سازي جامعه براي استفاده از وسایل هوشمند در مدیریت پسماند های شهری ، اطمینان بخشی به آنها برای حفظ حریم خصوصی ، فرهنگ سازي و مدیریت دانش شهري است. بر اساس تحقیق انجام شده ایجاد یک شبکه اینترنت اشیاء برای مدیریت پسماند های شهری ، با هدف کاهش هزینه های مدیریت پسماندهای شهری بسیار بصرفه خواهد بود. راه اندازی شبکه 5 لایه اینترنت اشیاء پیشنهادی این مقاله ، بدلیل در دسترس قرار دادن مخازنی که مقدارکافی پسماند برای حمل درآنها جمع شده است ، نقش مهمی در کاهش هزینه های حمل پسماندهای شهری دارد . به عبارت دیگر با بکار گیری شبکه اینترنت اشیاء در شهرها ، شبکه حمل و نقل پسماندهای شهری ، فقط زمانی فعال می گردد که برداشت پسماند کافی از مخازن هدف قطعی است . همچنین شبکه اینترنت اشیاء پیشنهادی ، از طریق در دسترس قراردادن داده های مربوط به مقادیر قابل جمع آوری هر نوع از پسماند های شهری ، امکان برنامه ریزی تولید روزانه مراکز تخصصی بازیافت هر نوع از پسماند ها را فراهم می نماید و از این طریق بر افزایش تولید کالاهای بازیافتی از پسماند های شهری اثر مثبت خواهد داشت . برای بکارگیری اینترنت اشیاء ضرورت تفکیک از مبدا پسماندها به یک عملیات روزانه اجرایی تبدیل می شود و این موضوع به بازیافت بیشتر کالاها از پسماندها منجر می گردد و نقش مهمی در حغاظت محیط زیست خواهد داشت .بنابراین در یک کلان شهر ، راه اندازی شبکه اینترنت اشیا 5 لایه ، از طریق افزایش بازیافت می تواند به حفاظت از محیط زیست و نیز کاهش هزینه های جمع آوری پسماند های شهری کمک شایانی نماید.
منابع
[1] A third of urban waste ends up in open dumpsites. (2018). Retrieved from united nation environment programme: https://www.unep.org/news-and-stories/press-release/third-urban-waste-ends-open-dumpsites-or-environment-latin-america
[2] Gapminder, U. n. (2017). world Population prospects, Population Divisio ( 2017 ). United Nations , Department Of Economic and social Affairs .
[3] (2018). Retrieved from World Bank: www.wordbank.com
[4] Retrieved from Mashreghnews : www.mashreghnews.ir/947927 " How much waste is produced in Iran? " , 2020 , In Persian
[5] Bakıcı, T.,Almirall,E.,Wareham,J.,2013.Asmartcityinitiative:ThecaseofBarcelona.JournaloftheKnowledgeEconomy4(2),135–148. Candanedo, I.S.,Nieves,E.H.,González,S.R.,Martín,M.T.S.,Briones,A.G.,2018.Machinelearningpredictivemodelforindustry4.0.In:Proceedings oftheInternational Conference onKnowledgeManagementinOrganizations,pp.501–510. Cham:Springer
[6] Harrison, C., Eckman, B., Hamilton, R., Hartswick, P., Kalagnanam, J., Paraszczak, J., Williams, P., 2010. Foundations for smarter cities. IBM J. Res. Dev. 54 (4), 1e16.]
[7] Retrieved from EghtesadOnLine: https://www.eghtesadonline.com/n/1nVc " Garbage turnover in Iran " , 2019, In Persian
[8] Jiuping Xu, M., Yi Shi, S., & and Siwei Zhao, S. (2019). Reverse Logistics Network-Based Multiperiod Optimization for Construction and Demolition Waste Disposal. Journal of Construction Engineering and Management.
[9] Retrieved from mehrnews.com/xYTfZ : Retrieved from Mehrnews.com , " The cost of 1700 billion tomans for garbage collection" , 2022 , " In Persian
[10] Fatimah, Y., Govindan, K., Murniningsih, R., & Setiawan, A. (2020). A sustainable circular economy approach for smart waste management system to achieve sustainable development goals: Case study in Indonesia. Journal of Cleaner Production.
[11] Kauf, S. (2019). Smart logistics as a basis for the development of the smart city. Published by Elsevier.
[12] Sharma, M., Joshi, S., Kannan, D., Govindan, K., Singh, R., & Purohit, H. (2020). Internet of Things (IoT) adoption barriers of smart cities’ waste management: An Indian context. Journal of Cleaner Production 270.
[13] González-Briones, A., Chamoso, P., asado-Vara, R., Rivas, A., Omatu, S., & MCorchado, J. (2019). Internet ofThingsPlatformtoEncourageRecyclinginaSmartCity. Elsevier.
[14] Kumar, H., Singh, M. K., Gupta, M., & Madaan, J. (2018). Moving towards smart cities: Solutions that lead to the Smart City Transformation Framework. Technological Forecasting & Social Change( journal homepage: www.elsevier.com/locate/techfore)
[15] Mohanty, S. ,. (2016). Every thing you wanted to Know about smart cities : The Internet Of things Is The Backbone. IEEE concumer Electronic Magazine,5 , 60-70.
[16] Bettina Yanling, T. F. (2015). Creating the cities of tomorrow. Singapore: Danish Smart City Competencies in the Singaporean Market.
[17] Internet of Things Protocls. (2022). Retrieved from smartic: https://smartic.ir/internet Of Things Protocols
[18] LPWAN. (2022). Retrieved from Meftah: https://meftah.com/news/LPWAN.
[1] - Internet of Things (IOT)
[2] - Food and Agriculture Organization of the United Nations
[3] - Information Communications Technology
[4] - Municipal solid waste management
[5] - Kauf, Sabina
[6] - Intelligent transportation systems
[7] -Harrison
[8] - Interconnection of open systems
[9] - Data Distribution Service
[10] - Message Queue Telemetry Transport
[11] - Quality of service
[12] - IoT Protocols
[13] - Internet of Things Protocls, 2022
[14] - Constrained Application Protocol
[15] - Message Queuing Telemetry Transport
[16] - Wireless Fidelity(WIFI)
[17] - WiFi
[18] - Hotspot
[19] - ZigBee
[20] -Bluetooth
[21] - Institute of Electrical and Electronic Engineers
[22] - Extensible Messaging Presence Protocol
[23] - Data-Distribution Service
[24] - Object management group
[25] - Data-centric publishing-sharing layer
[26] - Local data reconstruction layer
[27] - Advanced Message Queuing Protocol
[28] - Light weight M2M
[29] - Open Mobile Alliance
[30] - Cellular
[31] - LORA : Long Range
[32] - Semtech
[33] - LoRaWAN
[34] - Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks
[35] - Internet Engineering Task Force
[36] - Objective Function
[37] - low-power wide-area network
[38] - Group Special Mobile