حوسبة الحافة لإنترنت الأشياء (IOT)

أصبحت حوسبة الحافة اليوم تقنية تكميلية أساسية لإنترنت الأشياء، حيث تُسهم في تسريع معالجة البيانات، وتقليل زمن الانتقال، وتعزيز أمن مجموعة واسعة من أجهزة إنترنت الأشياء.

يعتمد العديد من التطبيقات الحديثة على حوسبة الحافة في إنترنت الأشياء لأداء وظائفها. بدءًا من الأجهزة المتصلة التي تمكِّن مقدِّمي الرعاية الصحية من متابعة المرضى عن بُعد. تعمل أجهزة الاستشعار على تحسين حركة المرور في المناطق المزدحمة، وتتحكم الأنظمة في السدود الكهرومائية - تطبيقاتها واسعة ومتنوعة.

أشار تقرير حديث إلى أن عدد أجهزة إنترنت الأشياء حول العالم سيصل إلى 18 مليارًا بحلول نهاية عام 2025، بزيادة قدرها 1.6 مليار مقارنةً بالعامين السابقين.¹

تُعَد حوسبة الحافة ضرورية لضمان معالجة البيانات التي تولِّدها هذه الأجهزة عند الحافة، بدلًا من إرسالها إلى السحابة، حيث قد يؤدي ذلك إلى إبطاء الشبكات مثل الإنترنت بشكل كبير.

وفقًا لتقرير Fortune Business Insights، بلغت قيمة السوق العالمية لحوسبة الحافة أكثر قليلًا من 10 مليارات دولار أمريكي قبل عامين فقط. ومن المتوقع أن تصل قيمته إلى 182 مليار دولار أمريكي خلال السنوات الست القادمة، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 38.2%.²

تُعَد حوسبة الحافة إطار عمل الحوسبة الموزعة الذي يعمل على نقل تطبيقات المؤسسات إلى أقرب مصادر البيانات التي تعتمد عليها في وظائفها، مثل أجهزة حوسبة الحافة.

من خلال نقل التطبيقات إلى أقرب مكان إلى المصدر، تساعد حوسبة الحافة على تسريع الوقت المستغرق للوصول إلى الرؤى. كما يحسِّن ذلك من أوقات الاستجابة ويزيد من عرض النطاق الترددي. مع انتشار شبكات الجيل الخامس (5G)، أصبح بإمكان الأجهزة المتصلة بالإنترنت توليد كميات هائلة من البيانات.

تساعد حوسبة الحافة على ازدهار التقنيات الحديثة التي تعتمد على هذه البيانات مثل الحوسبة السحابية والذكاء الاصطناعي.

يشير مصطلح إنترنت الأشياء (IoT) إلى شبكة من الأجهزة المادية، غالبًا ما تُعرَف باسم الأجهزة "الذكية"، والمزودة بأجهزة استشعار وبرمجيات. تتصل هذه الأجهزة بشبكة مثل الإنترنت، ما يسمح لها بجمع كميات كبيرة من البيانات ومشاركتها.

ومن الأمثلة على أجهزة إنترنت الأشياء الأجهزة المنزلية الذكية مثل الثلاجات وأجهزة تنظيم الحرارة (الثرموستات)، بالإضافة إلى أنظمة أكثر تقدمًا مثل توربينات الرياح والسدود الكهرومائية والطائرات دون طيار.

تعزز حوسبة الحافة بشكل كبير كفاءة أجهزة إنترنت الأشياء من خلال معالجة البيانات التي تجمعها بالقرب من مصدرها. يتجنَّب هذا الأسلوب نقل البيانات إلى مركز البيانات أولًا.

من خلال معالجة البيانات بالقرب من مكان جمعها، تعمل حوسبة الحافة على تقليل أوقات معالجة بيانات إنترنت الأشياء بشكل كبير، ما يزيد من كفاءة التقنية ويوسِّع نطاق حالات استخداماتها وتطبيقاتها.

تستخدم حوسبة الحافة لإنترنت الأشياء الأجهزة وأجهزة الاستشعار لدفع البيانات عبر النظام، ومعالجتها وتخزينها، كل ذلك دون الحاجة إلى نقلها إلى مركز بيانات. ومن خلال توزيع أعباء العمل على عدة أجهزة، تضمن حوسبة الحافة لإنترنت الأشياء ألّا يتحمل أي جهاز عبئًا زائدًا. وفيما يلي نظرة فاحصة على هذه العملية.

1. جمع البيانات: يجمع جهاز الاستشعار في جهاز إنترنت الأشياء (IOT) البيانات. من الأمثلة على ذلك سرعة الرياح واتجاهها على التوربين، أو درجة حرارة الغرفة على الثرموستات الذكي.
2. المعالجة المحلية: تتم معالجة البيانات محليًا عبر جهاز الحافة، عادةً بوابة أو خادم قريب، والذي يحللها باستخدام موارد الحوسبة المحلية.
3. تصفية البيانات: يعمل جهاز الحافة على تصفية البيانات غير المنسقة التي جمعها، ويتخلص من المعلومات غير المهمة ويعالج ما هو مهم.
4. الأتمتة: ربما تكون الخطوة الأكثر حساسية في العملية بأكملها، حيث تُتيح حوسبة الحافة صناعة القرار المؤتمتة لبعض أجهزة إنترنت الأشياء (IOT). يمكن برمجة أجهزة الاستشعار لاتخاذ إجراءات محددة استنادًا إلى البيانات الفورية، مثل إيقاف تشغيل آلة ترتفع حرارتها أو توجيه مركبة ذاتية القيادة لتجنُّب وقوع حادث.
5. المعالجة السحابية: تتضمن الخطوة الأخيرة في العملية تحديد البيانات التي يجب إرسالها إلى السحابة لمزيد من المعالجة والتخزين وتحليل البيانات. على سبيل المثال، إذا كان الهدف هو استخلاص رؤى لذكاء الأعمال أو لأغراض التدريب.

تتشابه أجهزة إنترنت الأشياء وأجهزة الحافة إلى حد كبير، لدرجة أن المصطلحين يُستخدمان غالبًا بالتبادل. ومع ذلك، هناك بعض الاختلافات الجديرة بالملاحظة. بشكل عام، أجهزة إنترنت الأشياء هي عناصر مادية متصلة بالشبكة، تولِّد البيانات من خلال مستشعر واحد أو أكثر. أجهزة الحافة هي أيضًا قطع من الأجهزة. على عكس أجهزة إنترنت الأشياء، تم تصميمها لجمع البيانات ومعالجتها واتخاذ الإجراءات بناءً عليها، وليس مجرد تخزينها.

عادةً ما تكون أجهزة الحافة أكثر تعقيدًا من أجهزة إنترنت الأشياء وتحتوي على أجزاء أكثر. تحتوي بعض أجهزة الحافة على كلٍّ من قدرة المعالجة وموارد الحوسبة.

عندما يكون جهاز الحافة مدمجًا بشكل كبير داخل جهاز إنترنت الأشياء، يمكن اعتباره جزءًا من الجهاز نفسه بدلًا من كونه نظامًا منفصلًا. على سبيل المثال، عندما يكون جهاز إنترنت الأشياء مزودًا بتخزين للبيانات وقدرة معالجة كافية لاتخاذ قرارات بسيطة وسريعة الاستجابة.

يؤدي التعلم الآلي (ML)، وهو نوع من الذكاء الاصطناعي الذي يركِّز على تعليم أجهزة الكمبيوتر كيفية التعلم مثل البشر، دورًا مهمًا في معظم تطبيقات حوسبة الحافة وإنترنت الأشياء. 

باستخدام التعلم الآلي، يمكن تدريب أجهزة إنترنت الأشياء وأجهزة الحافة على التنبؤ واتخاذ إجراءات استنادًا إلى البيانات التي جمعتها وخزنتها وعالجتها. 

تجمع واجهات برمجة التطبيقات (APIs) الخاصة بالتعلم الآلي البيانات من أجهزة إنترنت الأشياء على الحافة، وتستخدم خوارزميات التعلم الآلي لاكتشاف الأنماط والتغيُّرات في الظروف البيئية والمزيد. باستخدام هذه المعلومات، يمكن لجهاز الحافة التعلم للتعرُّف على ظروف أو حالات شاذة معينة وإطلاق العمليات المؤتمتة.

على سبيل المثال، يمكن برمجة جهاز حافة مزوَّد بالتعلم الآلي ومتصل بمستشعرات تدفق المياه لفتح قنوات الصرف أو إغلاقها، بحيث يسمح بتوجيه المياه في اتجاهات مختلفة لمنع الفيضانات.

من خلال جهاز يُعرَف باسم بوابة إنترنت الأشياء، يمكن لأجهزة الحافة وأجهزة إنترنت الأشياء الاتصال ببيئات الحوسبة السحابية الحديثة لتحسين وظائف مثل تصفية البيانات والتحليلات. بوابات إنترنت الأشياء هي أجهزة صغيرة مصممة لتوصيل أجهزة إنترنت الأشياء بالسحابة عن طريق ترجمة بروتوكولات الاتصال وجمع البيانات ومعالجتها محليًا.

تساعد بوابات إنترنت الأشياء على ضمان تدفق بيانات موثوق به وآمن بين أجهزة إنترنت الأشياء أو أجهزة الحافة والأنظمة والخدمات السحابية، ما يعزز الكفاءة ويحسِّن أمن الشبكات بشكل عام. تستخدم بوابات إنترنت الأشياء مجموعة من قدرات التشفير لجعل البيانات غير قابلة للقراءة أثناء انتقالها بين الأجهزة والمستخدمين والسحابة؛ لضمان قدرة المستخدمين المصرَّح لهم فقط على الاطلاع عليها.

من خلال بوابات إنترنت الأشياء، تُتيح أجهزة إنترنت الأشياء مجموعة واسعة من الخدمات السحابية مثل المنازل والمدن الذكية، وإدارة المنشآت عن بُعد، وإدارة سلسلة التوريد.

إن الجمع بين قوة حوسبة الحافة وتنوع التطبيقات التي توفِّرها أجهزة إنترنت الأشياء يوفر مجموعة واسعة من الفوائد. وفيما يلي بعض من أكثرها شيوعًا.

لقد غيَّرت حوسبة الحافة في إنترنت الأشياء طريقة المؤسسات في مراقبة أداء أصولها الأكثر قيمة، وجمع البيانات وتخزينها ومعالجتها. بدءًا من تشغيل المركبات ذاتية القيادة بأمان، إلى تعزيز أمن المدن وتحسين كفاءة أنظمة التصنيع المعقدة، إليك خمسة من أبرز حالات الاستخدام.

يستخدم العاملون في الرعاية الصحية مستشعرات إنترنت الأشياء وحوسبة الحافة لمراقبة المرضى عن بُعد ومعالجة مجموعة واسعة من الحالات. تؤدي حوسبة الحافة في إنترنت الأشياء دورًا حيويًا في مراقبة المرضى عن بُعد، من تتبُّع العلامات الحيوية إلى إرسال التنبيهات بشأن تغييرات الحالات المزمنة مثل السكري وأمراض القلب. جعلت هذه التقنية العملية أكثر أمانًا وسهولة لكلٍّ من المرضى ومقدِّمي الرعاية.

تمكِّن حلول إنترنت الأشياء وقدرات حوسبة الحافة المركبات ذاتية القيادة، من السيارات إلى الطائرات دون طيار وأنظمة الأسلحة، من أداء مجموعة واسعة من المهام بأمان وفاعلية. تحتاج الطائرات والطائرات دون طيار والسيارات جميعها إلى الاستجابة للتغيُّرات في بيئتها في الوقت شبه الفعلي.

أدَّت التطورات في حوسبة الحافة لإنترنت الأشياء إلى تقليل اعتماد المركبات ذاتية القيادة على الحوسبة السحابية، ما يُتيح معالجة البيانات على حافة الشبكة بدلًا من مركز البيانات.

يتضمن إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) إضافة مستشعرات إنترنت الأشياء إلى الآلات المعقدة والمكلفة المستخدمة في العديد من عمليات التصنيع الصناعي. تحلل هذه المستشعرات في الحافة وأجهزة إنترنت الأشياء تدفقًا مستمرًا من البيانات، من خلال استخدام خوارزميات التعلم الآلي المتقدمة لاكتشاف فرص التحسين.

يمكن أيضًا إضافة مستشعرات إنترنت الأشياء إلى الأجزاء الضعيفة أو المعرَّضة للخطر في نظام التصنيع لمساعدة المهندسين على فهم أسباب حدوث الأعطال بشكل أفضل.

تعتمد المدن الذكية، وهي مناطق حضرية متصلة تعتمد على التكنولوجيا لجمع البيانات وتحليلها لتحسين جودة حياة المواطنين، بشكل كبير على حوسبة الحافة وتقنيات إنترنت الأشياء.

في المدن الذكية، تعتمد الحكومات المحلية على المستشعرات المثبَّتة على الطرق والمركبات ومحطات الطاقة وغيرها لتقديم معلومات فورية حول الأحوال والظروف. تساعدهم هذه المعلومات على تحسين شبكات الطاقة وأنظمة المرور وأنظمة الاستجابة للطوارئ وغيرها من المكونات الحيوية للبنية التحتية.

أتاحت تقنيات إنترنت الأشياء إدارة معظم جوانب سلاسل التوريد الحديثة عن بُعد. توفِّر المستشعرات المثبَّتة في المنتجات أثناء التصنيع، على سبيل المثال، معلومات فورية عن حالتها وموقعها. تُتيح هذه البيانات للمستخدمين الحصول على صورة في الوقت الفعلي لمخزونهم وتحسين تدفق البضائع.

في التطبيقات الأكثر تطورًا، استخدمت الشركات حوسبة الحافة في أنظمة إنترنت الأشياء لأتمتة جوانب من إدارة المخزون، ما أتاح تحرير الموارد البشرية للاستفادة منها في مجالات أخرى.