Smart cities aneb města budoucnosti III.

Tento článek je pokračování sérií článků Smart Cities aneb města budoucnosti. V minulém článku jsme se seznámili s praktickými aplikacemi ve dvou ze šesti oblastí chytrých měst. Představili jsme si příklady konkrétních aplikací a způsobů řešení v oblasti chytré dopravy a chytré správy a řízení města, které již existují v některých ze světových měst. V podobném duchu se nese rovněž i tento článek, opět se tedy zaměříme na konkrétní projekty a aplikace tentokrát ovšem z oblasti chytrého bydlení (smart living) a životního prostředí (smart environment).

Ze slovíčka smart se stala především marketingová značka, kdy se dnes mnoho nových produktů automaticky označují smart, aniž by k tomu byl zjevný důvod. Je tedy nutné rozlišovat mezi technologickým pokrokem a řešením, které přinese přidanou hodnotu koncovému zákazníkovi, což je v případě města občan. O takovém řešení můžeme v jistém smyslu říci, že je „smart“. V následujících odstavcích jsme se pokusili vybrat takové projekty, které jsou jednak někde prakticky implementovány a především přinášejí užitek občanům daného města ať už ve formě zvýšení komfortu, úspory energie či času nebo zlepšení životního prostředí.

1. Efektivní svoz odpadu

První velmi zajímavá aplikace je v holandském městě Rotterdam, kde se zaměřili na optimalizaci a zefektivnění svážení odpadu [2]. Jednotlivé kontejnery v sobě obsahují snímače zaplněnosti. Snímače pracují na principu odrazu ultrazvukové vlny, kdy se měří, jak dlouho trvá odraz ode dna kontejneru. Čím více je tedy v kontejneru odpadu, tím více se zmenšuje doba trvání odrazu ultrazvukové vlny. Kromě měření zaplněnosti je možné ještě měřit teplotu, která může upozornit na případný požár, a snímat pohyb kontejneru, který upozorní na vandalismus. Veškerá data jsou prostřednictvím 2G/3G sítě vysílány ze snímačů na server (umístěný také v kontejneru), kde jsou vyhodnocována. Právě na serveru probíhá největší přínos celé aplikace, kdy na základě informace o aktuálně zaplněných kontejnerech dochází k naplánování trasy pro popelářské vozy.

Obr. 1 – a) Trasa bez informací o zaplněnosti; b) Optimalizovaná trasa na základě poskytnutých dat [2]

Řidiči v popelářském voze mají tablet, který jim ukazuje nejoptimálnější cestu pro sběr odpadu. Na základě aktuální zaplněnosti kontejnerů server umožňuje predikovat, kdy asi dojde k zaplnění dalších kontejnerů a celá trasa se tak neustále optimalizuje. Tento přístup dokáže uspořit mezi 20–40 % nákladů na sběr odpadu v závislosti na velikosti města a rozmístění jednotlivých kontejnerů. Podobný systém je nainstalován i v jiných městech. V Antverpách dokonce i během rané fáze realizace zredukovali počet popelářských vozů pro sběr podzemních kontejnerů ze 4 na 2. Rozdíl v plánování a tvorbě optimalizované varianty trasy je vidět na Obr. 1, kdy v případě obrázku a) jsou sváženy všechny kontejnery postupně, zatímco v případě obrázku b) je trasa vytvořena tak, aby popelářský vůz vyvezl jen ty kontejnery, které jsou plné alespoň z 90 %. Hlavním přínosem je tedy možnost snížit čas nutný pro svoz odpadu a zároveň plánovat cesty pro popelářské vozy nejkratší možnou cestou. Tím dochází k úsporám pohonných hmot, snížení emisí, redukce kongescí, snížení pravděpodobnosti dopravních nehod při manévrování kolem popelářských vozů i případně ke snížení nutnosti počátečních investic, jak bylo ukázáno na příkladu města Antverpy.

2. Úspora energií pomocí chytrého pouličního osvětlení

Celosvětově je uváděno, že okolo 19 % energie spotřebovávané ve světě je použito pro osvětlení. Městské osvětlení je tedy velkým potenciálním zdrojem pro úspory energií. V mnoha městech světa se již vlády pustily do postupné rekonstrukce veřejného osvětlení. Velké úspory lze docílit již jen samotnou záměnou běžných žárovek (v ČR jsou nejrozšířenější vysokotlaké sodíkové výbojky) za LED osvětlení. Cena LED s technologickým rozvojem postupně klesá a lze očekávat, že v budoucnosti bude docházet k záměně právě za tuto technologii. Zde je ovšem třeba poznamenat, že LED osvětlení může mít jiné parametry světla a nedoporučuje se využívat úplně všude. Například v historických centrech měst se preferuje autenticita a turistická atraktivita před úsporami.

Kromě výměny samotného světelného zdroje je dalším velkým potenciálem pro úsporu tzv. chytré osvětlení, které spočívá ve vzdáleném ovládání a monitoringu světelných zdrojů. Toto lze použít bez ohledu na to, ať již používáte LED nebo stávající technologie. Chytré osvětlení spoří energii tím, že intenzita osvětlení je využívána pouze v takovém množství, které je nezbytné, a měří každý Watt, který je spotřebován. Data z jednotlivých zdrojů jsou posílány do centrálního stanoviště, kde jsou vyhodnocována a na jejich základě lze každodenně optimalizovat provoz veřejného osvětlení. Dále lze uspořit náklady pomocí monitorování poruch jednotlivých lamp v reálném čase. Tyto systémy od různých výrobců jsou nainstalovány v mnohých městech světa, např. Londýn, Moskva, Gatwick, Adelaide, Rio de Janeiro, Šanghaj, Amsterdam, Barcelona či San Francisco. Zavádění těchto systémů do měst spočívá v postupné náhradě starších systémů za nové. Nejčastěji se postupuje výměnou osvětlení po jednotlivých ulicích. Model financování může být buď přímou investicí z veřejných rozpočtů nebo pomocí EPC (Energy Perfornamce Conract), kdy se celá investice zaplatí z budoucích dosažených úspor.

Obr. 2 – a) Lampy komunikujicí s komunikačním uzlem ; b) Komunikace mezi lampami a centrálním systémem [3]

Bez ohledu na výrobce se systémy většinou skládají z několika součástí. Každá lampa na sobě obsahuje zařízení (na Obr. 2a označeno jako Telecells), které jednak slouží jako regulátor a rovněž jako komunikátor. Lampy v sobě samozřejmě mají i napájení a jsou připojeny do páteřní infrastrukturální sítě, která je dostupná všude po městě. Úspor se dosahuje především řízením intenzity osvětlení v době, kdy na ulicích není žádný pohyb. Tuto činnost má na starosti právě regulátor, který pomocí snímače pohybu vyhodnocuje, zdali je na ulici pohyb či není. Pokud je na ulici pohyb zaregistrován, pak se intenzita lampy nemění a zůstává na vyšší či maximální úrovni. V případě že není přítomen žádný pohyb, pak se intenzita lampy snižuje na minimum a tím i energetická spotřeba. Je důležité upozornit, že není vhodné lampu plně vypnout a rozsvítit ji pouze v případě, kdy je zaznamenán nějaký pohyb, jelikož to je pro lidský mozek velmi nekomfortní a také to není úplně bezpečné, protože poté není vidět do dálky. Využívá se tedy pouze snížení intenzity a tím snížení energetické spotřeby (viz Obr. 3). Tato část řízení osvětlení je plně autonomní a funguje i v případě výpadku komunikace s centrálním serverem.

Jak je vidět z Obr. 3a, v případě rezidenčních oblastí je pohyb osob v nočních hodinách minimální a je tedy zbytečné, aby lampy svítily na svůj maximální výkon po celou noc. Z tohoto důvodu dojde ke snížení intenzity osvětlení na minimální hladinu, což má za následek snížení světelného výkonu a tedy značnou úsporu energie. Naproti tomu je k diskuzi, jestli je výhodné podobné technologie instalovat v centru měst (Obr. 3b), kde je velký pohyb osob i v nočních hodinách a úspory tedy nedosahují takových hodnot. V tomto případě je nutné důkladně spočítat dobu návratu investice při investici do podobné technologie.

Obr. 3 – Úspora energie při využití chytrého pouličního osvětlení v a) rezidenční oblasti a b) centru města [3]

Jak již bylo naznačeno, samotná lampa slouží rovněž i jako komunikátor a lze s ní tedy komunikovat. Existují dva různé přístupy, kdy buď lampa může komunikovat přímo s centrálním serverem pomocí IP připojení nebo předá informace lampě (nejčastěji pomocí rádiové komunikace), která slouží jako komunikační uzel pro určitou skupinu lamp, a až ta následně odešle data do centrálního serveru. Jelikož je zbytečné a i finančně a datově náročné, aby každá lampa měla IP připojení přímo na nadřazený centrální systém, pak se využívá toho, že se určí jedna lampa, která má na sobě komunikační uzel (na Obr. 2b označeno jako Basestation). Ten umožňuje sběr dat z jednotlivých lamp v jejím okolí. Dosah tohoto komunikačního uzlu je řádově jednotky kilometrů v závislosti na výrobci. Pro komunikaci mezi lampami a komunikačním uzlem se nejčastěji využívá rádiová komunikační pásma, která jsou zdarma. Velmi rozšířenou technologií je Ultra Narrow Band (UNB). Obrovskou výhodou tohoto systému je jeho snadná modularita a rozšiřitelnost, kdy přes stejný komunikační uzel mohou komunikovat kromě lamp i jiné systémy (snímače teploty či kvality vzduchu, parkovací senzory, snímač intenzity dopravy, atd.). Přidáním dalších zařízení dochází k uskutečnění konceptu internetu věcí (Internet of Things), kdy je možné pomocí internetu komunikovat s různými zařízeními a získávat tak užitečné informace [1].

Samotný komunikační uzel má přiřazenou svoji IP adresu a pomocí bezdrátové zabezpečené komunikace (např. VPN) komunikuje přímo s centrálním serverem, kde dochází ke sběru dat ze všech lamp a probíhá jejich vyhodnocování v čase. Architektura komunikace mezi komunikačním uzlem a centrálním serverem je zobrazena na Obr. 2b. Komunikace je obousměrná, takže server může data nejen přijímat, ale rovněž i posílat. Informace, které se posílají mezi serverem, jsou časové programy lamp (čas vypnutí/zapnutí), aktuální stav (informace o potřebě servisu/údržby), spotřeba nebo další informace od ostatních snímačů (teplota, kvalita vzduchu, apod.). Dále je možné lampu vzdáleně manuálně ovládat, měnit její parametry pro provoz a do budoucna může být využita jako přípojné místo pro poskytování informací obyvatelům či sběr dat.

Konkrétním příkladem podobné aplikace může být město Manchester, které v květnu 2015 zahájilo 3letý program za £ 33 milionů, který má za cíl vyměnit 56 000 pouličních žárovek za LED s možností stmívání a dálkového ovládání [4]. Celý systém lze samozřejmě rozšířit o případné další snímače. Očekávaný přínos celého projektu je, že náklady na osvětlení by se měly snížit o 60 % s plánovaným zvýšením cen elektřiny o 4 %. Zároveň se očekává, že dojde ke snížení spotřeby o 60 % při roční spotřebě v roce 2015 odpovídající 30 219 367 kWh a ročních nákladech £ 3 203 253. Hlavní motivací pro tak mohutnou investici je především vývoj cen elektřiny, kterou můžeme vidět na Obr. 4 (ceny v britských librách £). Od roku 2004/2005 se cena za kWh zvýšila z 4,5 p na 11.25 p v roce 2014/2015.

Obr. 4 – Vývoj cen elektřiny u města Manchester v průběhu let [4]

3. Kvalitní voda a životní prostředí

Zlepšení životního prostředí a dodržování národních a evropských směrnic ve vztahu ke kvalitě vody, vzduchu a hlukových limitů je nezbytnou součástí kvalitního života. Především z tohoto důvodu existují systémy na měření a dodržování těchto limitů. Právě toto má za cíl i systém VisionTech4Life [8]. Jedná se o systém, který nabízí celou řadu nejrůznějších senzorů měřicí různé veličiny určující kvalitu vody, vzduchu a hlukových limitů. Snímač kvality vody měří nejrůznější parametry a koncentraci iontů (např. vápník, chlorid, fluorid, lithium, draslík, stříbro, sodík či pH). Další typy snímačů umí změřit přítomnost vody (případně její průtok), míru hluku či důležité parametry, které určují kvalitu životního prostředí (smog, apod.).

Jednotlivé snímače jsou podobně jako v předchozím příkladě pouličního osvětlení spojeny bezdrátově s bránou (gateway), která veškerou komunikaci buď uloží do lokální databáze nebo data přeposílá na nadřazený systém prostřednictvím Ethernetu, Wi-Fi či 3G sítí. Celou architekturu můžeme vidět na Obr. 5. Díky přístupu k datům v reálném čase pomocí nadřazeného systému je možné včas zasáhnout proti mimořádné událost, kterou může způsobit nadměrná produkce znečišťujících látek od průmyslové továrny či kontaminaci pitné vody, které jsme například byli svědkem počátkem roku 2016 v pražských Dejvicích a Bubenči. Dalším velkým benefitem je, že zákazník má pod kontrolou historický vývoj jednotlivých sledovaných veličin v různých lokalitách a může tak zaujímat budoucí stanovisky a zlepšovat životní prostředí v kritických oblastech.

Obr. 5 – Ukázka architektury systému VisionTech4Life

Podobné systémy nacházejí uplatnění v různých systémech počínaje čističkách odpadních vod přes průmyslové zóny či zemědělské oblasti až po rezidenční oblasti. Měřit a mít pod kontrolou kvalitu pitné vody či vzduchu je klíčová pro zdraví a kvalitní život všech občanů.

S pitnou vodou souvisí ještě jeden velký problém – nekontrolovatelný únik pitné vody při prasknutí či nehodě na potrubí. Dle statistik American Water Works Association dojde jen ve Spojených státech ročně k 237 600 (!) poruchám na vodovodních rozvodech, které daňové poplatníky ročně stojí $2,8 miliard a dle American Society of Civil Engineers denně z poškozeného vodovodního potrubí odteče asi 26,5 (!) miliard litrů vody. Další zajímavou statistiku vypočítala Světová banka, která zavedla termín Non-Revenue Water (NRW), který představuje celosvětové náklady v důsledku ztráty vody netěsností, krádeží či chybami při vyúčtování. Tento účet je neuvěřitelných $14 miliard, což představuje téměř 350 miliard Kč (kurz amerického $ v 10/2016 – 24,6 Kč) – tedy téměř třetinu českého státního rozpočtu.

Abychom zjistili únik vody je nutné do potrubí strategicky umístit senzory měřicí fyzikální veličiny, které se mění v případě, že dojde k úniku vody v potrubí. Při vzniku poruchy na vodovodním potrubí dochází k úniku vody vysokou rychlostí, což v poškozeném místě způsobuje vibrace materiálu. Unikající voda a chvění v potrubí tvoří šum, který se šíří materiálem potrubí do okolního prostředí a na blízká kontaktní místa jako jsou ventily, šoupata a jiné armatury. Tyto jevy lze změřit a vyhodnotit, kde dochází k úniku vody.

Data z jednotlivých senzorů jsou obdobně jako u předchozích příkladů přenášena bezdrátově pomocí rádiové komunikace, ethernetu či 3G sítí do centrálního dispečinku, kde jsou vyhodnocována pomocí specializovaných software a algoritmů. Na základě této analýzy lze určit místo, kde pravděpodobně dochází k úniku vody. Jeden příklad za všechny, jak podobné systémy mohou být efektivní.

Přívodní potrubí pro kanadské městečko Olds se blížilo své maximální kapacitě a město stálo před důležitým rozhodnutím, kdy mohlo buď draze zainvestovat do rozšíření přívodní sítě nebo provést analýzu stávající sítě [5]. Rozhodli se pro provedení auditu stávající sítě, kdy porovnávali množství dodané vody vůči vodě spotřebované. Z auditu vyšlo, že celých 39 % (!) dodané vody se ztrácí v důsledku úniku vody z potrubí. Následovala tedy fáze hledání míst, kde dochází k těmto únikům, pro něž byla využita sada strategicky rozmístěných senzorů, které každý den snímaly akustické vzory v potrubích a postupně detekovaly jednotlivá místa úniků. Data ze senzorů byla přenášena do centrálního serveru, kde byla vyhodnocována a zároveň pomocí GIS byly zobrazeny umístění senzorů a pravděpodobná místa úniků vody. V průběhu času se databáze historických dat neustále zvětšovala a došlo k vytvoření komplexního posouzení stavu celého systému rozvodů vody.

Jen za prvních šest měsíců bylo lokalizováno a opraveno celkem 21 míst, kde docházelo k úniku vody ve výši 287 691 m² vody. To představuje úspory ve výši $ 177 336, což pro 8tisícové městečko není určitě zanedbatelná částka. Podíl ztracené vody v potrubí se tak podařilo snížit z 39 % na 29 %.

4. Informace o zajímavých místech všude kolem nás

Další důležitá věc, která souvisí s celým konceptem chytrých měst, je dostupnost bezdrátového internetu co největšímu počtu lidí. Město Barcelona nabízí bezdrátový internet zdarma v širším centru a postupně zavádí internet do parků, zahrad a dalších míst. V současnosti je nainstalováno více než 650 přístupových bodů a tento počet není zdaleka konečný [6]. V nejbližších letech se očekává, že přibyde dalších tisíc. Jedná se o jeden z největších bezplatně dostupných internetů v Evropě. Přímou souvislost s dostupností internetu má i další barcelonská iniciativa, která se jmenuje BCN Contacless [7]. Jak můžete vidět na Obr. 4, jedná se o využití technologií NFC a QR prostřednictvím informačních štítků.

Obr. 6 – Využití technologie NFC a QR v Barceloně

Pro čtenáře, kteří nejsou obeznámeni s NFC, se jedná o technologii, která slouží k bezdrátové komunikaci mezi jednotlivými elektrickými přístroji. Samotná komunikace probíhá mezi aktivním vysílačem a pasivním prvkem. Při blízkém kontaktu těchto dvou prvků zahájí vysílač komunikaci na frekvenci 13,56 MHz, čímž vytvoří elektromagnetické pole, které dokáže napájet pasivní přijímač. Právě toto je důvod, proč klasický NFC štítek nepotřebuje žádné napájení. Samotná komunikace je omezena do maximální vzdálenosti 5 cm, což je obecně považováno za jeden z ochranných prvků, jelikož nehrozí žádné nebezpečí v podobě jiného zařízení, které by se snažilo připojit do probíhající komunikace. Jednoduše řečeno váš chytrý telefon vysílá do svého okolí elektromagnetické vlny, které jsou schopny napájet onen NFC štítek a samotný přenos dat z informačního štítku začne, jakmile přiblížíte své zařízení, podporující NFC, do dosahu tohoto radiofrekvenčního pole fungujícího na stejné frekvenci. Informační štítek v sobě obsahuje čip, který v sobě má uloženou informaci (typicky odkaz na internetovou stránku), která je následně zpracována v příjemci a může vyvolat příslušnou akci (typicky otevře internetový prohlížeč s uloženou internetovou stránkou).

QR kód (který můžeme vidět na Obr. 6 vedle nápisu NFC) je naproti tomu prostředek, který umožňuje zakódovat do obrázku libovolnou textovou informaci. Informace je kódována pomocí bílých a černých čtverečků, které jsou uspořádány do matice. Nejčastěji se používá pro zakódování právě internetového odkazu či kontaktních údajů.

Po načtení QR kódu nebo po přiložení chytrého zařízení k NFC dojde k vyvolání příslušné akce. Jak již bylo zmíněno výše, nejčastěji dojde k otevření příslušné internetové stránky s informacemi o daném místě, možnosti koupě vstupenky, kalendáři událostí či jízdních řádech. Těchto přístupových míst je zatím několik stovek.

Podobně se stejné přístupové body dají využívat například k zapojení občanů v anketách o budoucí podobě určitých míst (například parků). Zde na konkrétním místě pomocí Wi-Fi připojení občan může v aplikaci vidět různé scénáře řešení a přímo hlasovat. Toto poslouží městské části k posouzení vhodnosti jednotlivých řešení a zapojením občanů do výběru i pro lepší akceptaci výsledného řešení. Podobně je možné i informovat městské části o problémech ve městech či na silnicích, jako je tomu například v případě Jablonce nad Nisou, kde od roku 2015 využívají aplikaci lepsimisto.cz [9]. Aplikace slouží k rychlému hlášení nedostatků ve městě prostřednictvím fotografií pořízených mobilem. Občané tak mohou snadno informovat o černých skládkách, potřebě úklidu města, technickém stavu vozovek a chodníků, nefunkčním pouličním osvětlení, atd.

5. Závěr

V tomto článku jsme si představili několik zajímavých technologií a řešení, které jsou již prakticky realizovány v některém z měst z oblasti chytrého bydlení a životního prostředí. Při plánování rozvoje chytrých měst je nepochybně přínosem, když dochází k integraci již implementovaných a osvědčených řešení. Je důležité zdůraznit, že náklady na energie, ať už se jedná o elektřinu či o pitnou vodu, jsou velkými náklady pro každé město a tedy nás daňové poplatníky. Právě snižování energetické náročnosti a maximalizace využití energie různých systémů v rámci města je bezesporu oblast, ve které lze najít velké množství úspor pomocí chytrých řešení, které dokáží včas detekovat a v reálném čase předat informaci o nějaké mimořádné události. Zároveň lze na základě historie stanovovat různé strategie a optimalizovat fungování systémů co nejefektivněji.

6. Literatura

1. Bahga, A.; Madisetti, V. (2014). Internet of Things: A Hands-On Approach:. Vpt. p. 50. ISBN 978-0-9960255-1-5. Retrieved February 10, 2015.
2. ENEVO: Optimising Waste Collection [online]. Infogram: ©2016 [cit. 19.10.2016]. Dostupné z: http://www.enevo.com/products/
3. Telensa: IoT Integration [online]. Infogram: ©2016 [cit. 19.10.2016]. Dostupné z: http://www.telensa.com/iot-integration/
4. Manchester: Smart city [online]. Infogram: ©2016 [cit. 19.10.2016]. Dostupné z:
   http://www.manchester.gov.uk/site/custom_scripts/smarter_city/case_studies.php?id=138644
5. Water World: Patching Up The Pipes [online]. Infogram: ©2016 [cit. 21.10.2016]. Dostupné z:
   http://www.waterworld.com/articles/print/volume-30/issue-7/editorial-features/patching-up-the-pipes-how-smart-technologies-help-cities-prevent-leaks-and-save-money.html
6. Barcelona: Wi-FiSmart city [online]. Infogram: ©2016 [cit. 19.10.2016]. Dostupné z:
   http://smartcity.bcn.cat/en/barcelona-wi-fi.html
7. Barcelona: BCN Contacless [online]. Infogram: ©2016 [cit. 19.10.2016]. Dostupné z:
   http://smartcity.bcn.cat/en/bcn-contactless.html
8. Libelium: Water and air quality monitoring [online]. Infogram: ©2016 [cit. 20.10.2016]. Dostupné z:
   http://www.libelium.com/water-and-air-quality-monitoring-in-civil-works/
9. Jablonecký deník: Aplikace Lepší místo funguje [online]. Infogram: ©2016 [cit. 26.10.2016]. Dostupné z: http://jablonecky.denik.cz/zpravy_region/aplikace-lepsi-misto-funguje-20150912.html