Comunicación presentada al VI Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Guillem Peris-Sayol, Director de Proyecto, SENER Ingeniería
- Jorge Rodríguez-Lluva, Data Engineer, SENER Ingeniería
- Silvia Figuerola-Asencio, BI Analyst, SENER Ingeniería
- Fracisco Javier Guerrero-González, Data Scientist, SENER Ingeniería
- Javier Murillo-Ruiz, IT Engineer, SENER Ingeniería
- Francisco Javier Hernández-de-Blas, IT Engineer, SENER Ingeniería
Resumen
La movilidad urbana es la pieza central de cualquier Smart City, un factor económico crítico y un facilitador del desarrollo inteligente y sostenible. En el caso de las grandes ciudades, el transporte público y las infraestructuras subterráneas, como metros y cercanías, representan dos de los retos más importantes de las ciudades del futuro pues deben garantizar un transporte eficiente y sostenible. La ventilación de infraestructuras subterráneas es una tarea compleja ya que en su estudio se contemplan espacios subterráneos conectados entre sí, con trenes y personas moviéndose continuamente. Las condiciones ambientales en el interior juegan un papel crítico porque afectan directamente al bienestar de los usuarios. RESPIRA es una plataforma de Inteligencia Artificial que implementa un algoritmo dinámico de predicción de las condiciones ambientales en el interior de las estaciones y que permite controlar de manera eficiente todo el sistema de ventilación, anticipándose a posibles problemas, mejorando el confort de pasajeros y operarios y disminuyendo el consumo energético. RESPIRA está desarrollado completamente sobre la plataforma cloud de Azure y recopila información de temperatura, humedad y contaminantes a través de sensores IoT que transmiten la información a la nube utilizando la red de telefonía móvil existente en las infraestructuras subterráneas.
Palabras clave
Smart Cities, Ventilación, Metro, Inteligencia Artificial, Sostenibilidad, Condiciones Ambientales
Introducción
Desde hace ya varias décadas, muchas ciudades europeas han fomentado el urbanismo peatonal y ciclista, modelos de teletrabajo y zonas de bajas emisiones, buscando tener un sistema de transporte urbano más eficiente y sostenible. Sin embargo, lo cierto es que buena parte de los desplazamientos en las ciudades se siguen produciendo en vehículos privados, generando el colapso del sistema de transportes a las horas punta. Esto se debe a que las infraestructuras urbanas no están preparadas para el crecimiento de población que se ha dado en las ciudades en los últimos 50 años, donde se ha pasado de 751 millones en 1950 a 4.000 millones en 2018, con una proyección de 6.500 millones para 2050.
La continua migración de personas hacia las ciudades está poniendo infraestructuras clave como el transporte bajo una presión superlativa, por lo que es necesario la aplicación de las nuevas tecnologías para gestionar estas infraestructuras.
Smart cities: La importancia del suburbano y su digitalización
A principios del siglo XX, las ciudades empezaron a vivir las migraciones de población desde el campo hacia las urbes movidos por la búsqueda de mejores puestos de trabajo ofertados por la revolución industrial. Por ello, ciudades como Londres, Nueva York, Budapest, Paris, Estambul y Madrid apostaron por la creación de líneas de metro subterráneas que facilitasen el transporte de viajeros.
Hoy en día, estas líneas se siguen utilizando y son en muchas ocasiones la columna vertebral del transporte en las ciudades. Actualmente, hay en funcionamiento 178 redes de metro con más de 11.000 estaciones a lo largo de 14.000 km de vía en un total de 56 países en todo el mundo, que transportan 168 millones de pasajeros al día. Además, se prevee que esta red global de metro siga creciendo, aumentando la longitud de las líneas en un 31% para el año 2025 [1].
Sin embargo, la expansión de las redes de metro suburbanas tiene un cierto límite. La enorme inversión necesaria para la construcción de estas infraestructuras y la saturación del subsuelo de las ciudades suponen obstáculos para su desarrollo. Por ello, es necesario buscar maneras de optimizar estas infraestructuras para sacar el máximo rendimiento de las inversiones, transportando más personas en menos tiempo, a un menor coste y mejorando el confort.
Mediante la inversión en el desarrollo de nuevas tecnologías en el transporte, se pueden obtener mejoras en su eficiencia. Las tecnologías IoT, la recolección de datos y su tratamiento mediante técnicas de Inteligencia Artificial nos abren la puerta a nuevos modelos que nos permitan convertir las calles en espacios de movilidad en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible.
La importancia de la ventilación en infraestructuras subterráneas
Como se ha mostrado, el transporte público y concretamente las redes subterráneas de transporte como Metros o Cercanías, tienen gran importancia para mantener la movilidad de las grandes ciudades de forma sostenible.
Las condiciones ambientales en el interior de las infraestructuras subterráneas es un factor crítico que también afecta a la movilidad y a la elección del medio de transporte. La sensación de mala calidad de aire o temperaturas excesivamente altas desincentivan este medio de transporte, aunque en tiempos de viaje y coste sea más eficiente que otros como el transporte privado, líneas de autobuses u otros.
Mejorar las condiciones ambientales y la sensación de confort de los pasajeros es un aspecto clave para incentivar el uso del Metro y Cercanías y aumentar, por tanto, el uso de este medio de transporte. Para este fin, la ventilación es un elemento clave para garantizar unas correctas condiciones ambientales en el interior de las estaciones.
A diferencia de la ventilación de los espacios cerrados, donde existen equipos de climatización, la ventilación de este tipo de infraestructuras subterráneas se realiza mediante intercambio de aire entre el interior y el exterior en muchos puntos distribuidos a lo largo de toda la red. A su vez, todos estos puntos están conectados por un túnel donde circula el tren, que a su vez genera un movimiento de aire en el interior de la infraestructura por lo que no es fácil controlar los caudales de aire circulantes en cada instante de tiempo.
El objetivo principal del sistema de ventilación en situación normal es:
- Renovar el aire interior para garantizar unas concentraciones de contaminantes que no afecten a la salud de las personas.
- Extraer el calor generado por los trenes, ocupantes e instalaciones y que puede hacer que se alcancen temperaturas que afecten al confort de las personas.
Todos estos aspectos, conjuntamente con efectos geotérmicos que aparecen al encontrarse bajo el subsuelo, hacen que la ventilación de este tipo de infraestructuras sea una ciencia compleja y cuyo funcionamiento actual con un sistema no centralizado y basado en horarios fijos esté muy lejos de ser capaz de garantizar las condiciones ambientales de una forma eficiente desde un punto de vista energético.
RESPIRA: Ventilación inteligente en suburbanos
En este punto surge la necesidad de RESPIRA, un sistema de inteligencia artificial capaz de correlacionar todas las variables de forma centralizada para establecer la estrategia óptima de ventilación en infraestructuras subterráneas, buscando de forma simultánea la mejora de las condiciones ambientales y la eficiencia energética.
Este sistema tiene en cuenta no solo valores como la temperatura y la humedad, sino la sensación térmica de los pasajeros y trabajadores mediante un índice de confort, así como diversos criterios y variables, como la calidad del aire en el interior de las estaciones, las condiciones meteorológicas futuras, la operativa de la infraestructura y el consumo eléctrico de la ventilación entre otros.
Otra ventaja que proporciona el uso de la inteligencia artificial es poder obtener la influencia que tienen las instalaciones de ventilación en las condiciones ambientales de cada uno de los espacios (andenes y vestíbulos) y poder detectar puntos críticos de la red donde, con las instalaciones existentes, no es posible alcanzar condiciones aceptables. Esta ventaja permite al operador de la red focalizar las inversiones de mejora en la infraestructura, reduciendo costes.
Este sistema abarca todas las partes de un proceso digital:
- Internet of Things para la recogida de la información y gestión de los dispositivos de forma remota.
- Plataforma cloud para el almacenamiento y procesamiento de la información, donde se realizan los procesos de extracción, transformación y carga del dato en un modelo de datos único.
- Analítica descriptiva y visualización de la información con los KPI más relevantes.
- Generación y automatización de los algoritmos de inteligencia artificial para la actuación de los equipos mediante el SCADA de cliente.
- Integración del Sistema con el SCADA de cliente que gobierna la actuación de los equipos teniendo en cuenta aspectos de comunicaciones y seguridad.
El uso de una plataforma cloud permite flexibilidad, escalabilidad y rapidez al no afectar al SCADA existente y por tanto no requerir de intervenir en los servicios operativos del operador ferroviario.
Esta nueva plataforma se encuentra en fase de implantación en la red de metro de Barcelona. En una primera fase, el sistema se ha implantado en la Línea 1 en el primer semestre de 2020, lo que permitirá controlar todos los ventiladores de esta línea. En el resto de las líneas de la red convencional (líneas 2, 3, 4, 5), el sistema se implantará a lo largo de 2020.
Metodología: Caso Metro de Barcelona
Para poder predecir las condiciones del interior de la red de metro y planificar las estrategias de ventilación óptimas RESPIRA recopila más de 500 millones de datos al año. Estos datos son procesados a tiempo real de forma automática, lo que permite al sistema adaptarse a cambios que se puedan producir en el interior de la infraestructura; tanto cambios en la operación como en la renovación de las instalaciones.
En el siguiente apartado se presenta el esquema funcional de la plataforma RESPIRA aplicada a Metro de Barcelona. La siguiente figura muestra de forma esquemática el flujo de trabajo del sistema:
A continuación, se describen de forma resumida las diferentes etapas del producto digital aplicadas a RESPIRA.
Internet of Things
En una infraestructura ferroviaria subterránea en operación no es sencillo integrar equipos en la propia red de comunicaciones del operador y este hecho requeriría de un estudio de detalle para no afectar las comunicaciones en servicio. Una solución rápida y sencilla es utilizar la red de comunicaciones instalada por los operadores de telefonía móvil para mandar la información de las condiciones ambientales directamente a la nube.
Para la obtención de la temperatura, humedad y calidad del aire en las estaciones de Metro de Barcelona se han utilizado sensores con comunicaciones inalámbricas con antena integrada que utiliza un módem multiprotocolo que permite conectarse a los operadores de telefonía móvil mediante NB-IoT, GPRS o LTE Cat. M1. En la actualidad hay pocas infraestructuras subterráneas con señal NB-IoT o LTE por lo que se ha utilizado la red GPRS al ser la única disponible, aunque no es la más recomendable al requerir de un mayor gasto de energía. En el futuro con la implantación de redes NB-IoT / LTE los sensores podrán utilizar esta red de comunicaciones.
Los equipos se conectan a una plataforma SaaS en la nube de Azure, que permite la conexión con los dispositivos de forma bidireccional, permitiendo la modificación segura de diversos parámetros de los sensores como la tasa de muestreo o la frecuencia de envío de cada uno de los equipos.
Almacenamiento y Procesamiento
Los datos recogidos por la plataforma son exportados a un blobstorage y de ahí integrados en una base de datos SQL. En este proceso se procesa y se transforman los datos para su posterior análisis y uso.
El sistema no requiere únicamente de los datos reales de condiciones ambientales, sino que también requiere de datos meteorológicos exteriores y de datos que se encuentran ya registrados en el SCADA de cliente.
Se generan APIs de conexión que mediante una conexión segura obtiene esta información. En el caso de datos meteorológicos las conexiones se realizan con las APIs disponibles de las agencias meteorológicas AEMET / Meteocat. En el caso de datos del SCADA se realiza de forma cero intrusiva siendo la comunicación siempre desde los servidores de cliente a la nube y nunca de la nube a los servidores de Metro de Barcelona.
Visualización / Plataforma
Con todos los datos en la base de datos, se genera el modelo de datos único que permite realizar un análisis de los datos y visualizar los indicadores más relevantes como son las predicciones de temperatura y humedad para cada una de las estaciones con la estrategia de ventilación óptima.
También permite ver aquellas estaciones que tienen mayores problemas para mantenerse en los valores óptimos y por tanto en cuáles hay que invertir más en mantenimiento o futuras remodelaciones.
Machine Learning
Con todos los datos se aplican algoritmos de regresión y algoritmos de optimización para obtener la influencia que tienen las condiciones meteorológicas exteriores, los ventiladores y la operativa de la infraestructura en las condiciones ambientales de cada una de las estaciones.
Una vez el algoritmo entrenado se integra de forma automática en Azure, ejecutándose de forma horaria para determinar la mejor estrategia de ventilación.
El algoritmo dispone de diferentes modos de funcionamiento penalizando o beneficiando alguno de los siguientes aspectos:
- Sensación térmica de los pasajeros y operarios
- Temperatura de la pared
- Consumo eléctrico
- Niveles de calidad del aire
El sistema balancea entre todos los parámetros anteriores para determinar la estrategia óptima. Hay que destacar la complejidad del sistema y que todo está conectado por lo que no se puede gobernar una estación únicamente analizando los equipos de esta, sino que hay que analizar la red a nivel global.
Integración SCADA Cliente
El sistema define en qué régimen debe funcionar cada uno de los equipos de la red. Esta información queda reflejada en la nube y es el SCADA de Metro de Barcelona el que lee la información mediante un túnel VPN privado. Esta información es propagada por el SCADA a cada uno de los equipos de ventilación.
Por tanto, las comunicaciones entre el sistema y el SCADA de cliente son unidireccionales siempre desde los servidores de cliente a los servidores en la nube y nunca viceversa, esto hace que el sistema sea seguro y no haya interferencias con los servidores del operador.
Conclusiones
La ventilación de infraestructuras ferroviarias subterráneas es una ciencia compleja. La operativa actual de los equipos está basada en horario fijo y por tanto no se adapta a las condiciones y necesidades ambientales reales. Este hecho supone una ineficiencia del sistema desde un punto de vista energético, consumiendo mucha energía sin garantizar unas condiciones ambientales adecuadas.
Con las nuevas tecnologías disponibles, la captación de datos mediante sensores IoT, la flexibilidad y escalabilidad que permiten soluciones en la nube y la aplicación de la inteligencia artificial para correlacionar todas las variables complejas permite controlar de forma más eficiente y dinámica los sistemas de ventilación de infraestructuras subterráneas.
Este sistema se ha implantado en Metro de Barcelona y permitirá predecir y mejorar las condiciones ambientales utilizando de forma eficiente los equipos de ventilación, reduciendo a su vez el consumo eléctrico. A su vez, al correlacionar el funcionamiento de los equipos de ventilación con las condiciones ambientales permitirá determinar aquellos equipamientos críticos y priorizar las labores de mantenimiento en caso de fallo, así como detectar aquellos puntos de la red donde con la instalación existente no es posible garantizar unas condiciones ambientales adecuadas.
Agradecimientos
Agradecer a todo el personal de la “Unitat de Projectes de Sistemes i Equipament d’Estacions” de Transports Metropolitans de Barcelona por su buena predisposición y colaboración en todo momento. Agradecer también a todo el personal de SENER que con su esfuerzo y trabajo conseguirán hacer que los viajes en transporte suburbano sean más agradables.
Referencias
- Statistics Brief. Word Metro Figures 2018. (Uitp) (25 de mayo de 2020)