Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Carlos Ventura Quilón, Jefe Dpto. Telecomunicaciones y Smartcity, Ayto. Rivas Vaciamadrid
- Álvaro Palomo Navarro, Jefe de Proyectos, Aqua-Consult Ingenieros
- Asier González Gómez, Jefe de Proyectos, Aqua-Consult Ingenieros
- Ángel González García, Ingeniero Hardware, Aqua-Consult Ingenieros
- Irene Carlos Lorenzo, Jefe de Proyectos, Aqua-Consult Ingenieros
- Hugo López, Data Scientist, Novelti
- Daniel Higuero, Arquitecto Jefe, Novelti
- Álvaro Agea, CTO, Novelti
Resumen
El proyecto de agua inteligente apunta a desarrollar y desplegar un sistema cibernético físico de la demanda (CPS) para optimizar la eficiencia del consumo de agua y la seguridad en las áreas de colegios públicos de Rivas Vaciamadrid. El sistema se compone de medidores de flujo de agua de alta precisión instalados en la tubería principal de suministro de agua de la sala de estar para proporcionar datos de flujo de agua en tiempo real, válvulas eléctricas basadas en solenoides para controlar (abrir-cerrar) el suministro de agua en el centro, plataforma para recopilar la información para almacenarla y transmitirla. IoT y Big Data Platform Sofia2, donde se reciben datos de los sensores, se almacenan y analizan en tiempo real, aprendizaje automático capaces de aprender los patrones de comportamiento de agua, higiene personal o áreas verdes.
Palabras clave
Sistema Ciber-Físico, IoT, Big Data, Sofia2, Eficiencia, Agua, Edificio Inteligente
Introducción
La optimización de los recursos naturales en una ciudad es uno de los asuntos primordiales para la sostenibilidad y evolución hacia el concepto establecido de Ciudad Inteligente. Por una parte, las empresas, bien públicas o privadas, encargadas de su distribución, tratamiento (y generación en el caso de la energía) deben asegurar su abastecimiento hasta el usuario final con las mínimas pérdidas; por otro lado, el usuario final debe hacer un uso responsable y sostenible de dicho recurso. Sin embargo, en ambos casos, tan solo es posible establecer medidas para la optimización del recurso natural cuando se posee suficiente información sobre las distintas fases de generación, producción, tratamiento, distribución y utilización.
IWESLA (Improving Water Efficiency and Security in Living Areas) es un proyecto de innovación que busca la creación de un sistema ciber-físico (CPS, por sus siglas en inglés) para el consumo eficiente y la seguridad del agua en los edificios desde el punto de vista del usuario final. Un CPS combina sensores y elementos de actuación, comunicaciones, computación y big data, junto con aplicaciones de visualización y gestión para el usuario final. Todos estos elementos se unen bajo la Plataforma FEET & Big Data Sofia2 (de aquí en adelante Sofia2) como núcleo del sistema (Minsite – Indra 2016). El resultado es un análisis preciso en tiempo real del consumo de agua desagregado en el edificio, con una visión global y específica por parte del usuario de las estadísticas relacionadas con cada punto de consumo.
La aplicación de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) para la creación de sistemas inteligentes para la eficiencia de la gestión del agua urbana mediante la desagregación de los consumos ha sido objeto de interés en otros proyectos. Ejemplos de ellos son los proyectos europeos iWidget (iWidget 2013); y proyectos de carácter privado llevados a cabo por organizaciones como IBM en la ciudad estadounidense de Dubuque (IBM 2011), o el llevado a cabo por Canal de Isabel II en España (Cubillo et al. 2008). Sin embargo, estos proyectos se han centrado principalmente en la desagregación del consumo en pequeñas viviendas o viviendas unifamiliares. El CPS presentado en este artículo proporciona un avance más allá de los conseguidos anteriormente al centrar la aplicación del CPS a edificios de otros usos, como edificios públicos; además de importantes avances en cuanto a escalabilidad, análisis de datos, seguridad y mejora de los datos sobre el consumo de agua disponibles para la administración.
La adopción de dicho CPS en los edificios de una Ciudad inteligente, permite acercar a dicha ciudad a las políticas europeas de eficiencia en el consumo de agua (European Innovation Partnership for Water, EIP-Water) y concienciación de la industria y ciudadanos sobre su alto valor (SPIRE PPP).
Elementos del sistema ciber-físico
El CPS diseñado en IWESLA se compone de varios elementos organizados en tres capas de sistema. La primera capa está formada por el hardware de información y control, el cual envía los datos correspondientes a las muestras de caudal a la siguiente capa, recibiendo a su vez comandos de control y configuración. La segunda capa actúa como middleware del sistema con la plataforma Sofia2 interconectada con el servicio externo big data, el cual accede a sus bases de datos para recopilar datos en bruto y devolver información procesada. Por último, la tercera capa integra la aplicación web de visualización y gestión del CPS, la cual se comunica con Sofia2 por medio del API (Application Programming Interface) de gestión, obteniendo la información procesada para su visualización y permitiendo al usuario configurar y actuar sobre el sistema de forma manual.
Hardware de información y control
La capa de hardware está formada por un caudalímetro ultrasónico de alta precisión, una electroválvula, una mota de captura y envío de información, la cual también controla el caudalímetro y la electroválvula; y un servidor de datos que sirve de puerta de enlace para las comunicaciones entre el hardware y Sofia2.
El caudalímetro ultrasónico proporciona la mayor precisión de caudal instantáneo (0.025m3/h) para caudalímetros comerciales y diámetros típicos en acometidas principales de edificios (Cominola et al. 2015). También proporciona la capacidad de tomar muestras de caudal con periodos de un segundo, lo cual ha sido identificado como esencial para poder llevar a cabo la desagregación de consumo (Cubillo et al. 2008). La electroválvula proporciona la posibilidad de actuar sobre el abastecimiento de agua al edificio permitiendo cerrar el paso mediante pulsos eléctricos.
Middleware
La capa middleware consta de la plataforma Sofia2 y el servicio big data en tiempo real externo. Dentro de Sofia2, las siguientes funcionalidades son utilizadas dentro del CPS de IWESLA:
- Capa de adquisición: la cual se encarga de la recogida de información proveniente del servidor de datos, junto con un primer procesado para su inserción en la base datos en tiempo real.
- Capa de análisis: dentro de la cual el motor de reglas lleva a cabo el procesamiento de los datos en bruto (antes del servicio big data) y de la información devuelta por el servicio big data. Con ella, se realizan diversos cálculos sobre el consumo de agua, la gestión de alertas y la gestión de comandos, los cuales son visualizados por la aplicación web, y usados para la toma de decisiones en el sistema.
- Capa de datos: formada por las bases de datos de tiempo real e histórico, almacena toda la información del CPS.
- Capa de interoperabilidad: permite a la aplicación web obtener la información almacenada en las distintas ontologías de Sofia2 e insertar información introducida por el usuario. Igualmente, permite la visualización de la información utilizando cuadros de mandos creados directamente en Sofia2.
En paralelo, el servicio big data en tiempo real analiza la información en bruto recogida en la acometida principal del edificio por el caudalímetro. Este servicio se compone de los elementos mostrados en la Figura 2a: algoritmo de desagregación, análisis big data y notificador. El desagregador (Figura 2b) es el algoritmo encargado de la identificación de los distintos tipos de uso del agua (grifos, WCs, duchas, urinarios, electrodomésticos) dentro del edificio. Para ello emplea una técnica de ventana deslizante. De esta forma, la señal de caudal total con muestras por segundo es comparada con las firmas hídricas previamente extraídas del edificio bajo un entorno controlado.
Un ejemplo de estas firmas se muestra en la Figura 3. Las firmas son ordenadas de forma descendiente teniendo en cuenta su caudal máximo, y en este orden son comparadas con el consumo real agregado. Cuando la firma encaja con el consumo real, se sustrae de dicho consumo y se continúa con la desagregación.
Una vez desagregado el consumo, el análisis big data examina la información extraída para determinar si los consumos detectados corresponden a los patrones habituales asociados a los puntos de consumo o a situaciones anómalas de consumo. En el segundo caso, se genera una alerta de consumo anómalo asociado al punto de consumo de agua, la cual es enviada a Sofia2 por el elemento Notificador de la Figura 2a.
Visualización y control para usuarios
La visualización de los datos y el control del CPS se llevan a cabo mediante una aplicación web que sirve de front-end de datos, la cual se comunica con Sofia2 mediante la API de Gestión.
Dicha aplicación consta de:
- Una herramienta de generación de informes donde se proporciona información sobre:
- El consumo desagregado en el edificio entre los distintos puntos de consumo y con distintas escalas temporales (horario, diario, mensual y anual).
- Información sobre las alertas producidas.
- Un log completo del sistema.
- Estadísticas del sistema sobre los datos procesados.
- Un cuadro de control donde el usuario puede configurar las notificaciones que le llegan asociadas a las alertas generadas y la activación de las acciones automáticas del sistema. Este cuadro de mando también permite al usuario autorizado llevar a cabo acciones sobre la electroválvula de forma manual.
Instalación y rendimiento del CPS en un entorno real
Dentro del proyecto IWESLA, y con participación del Ayuntamiento de Rivas Vaciamadrid, el CPS fue instalado en un colegio público Jose Hierro de la localidad bajo condiciones de alto consumo, en unas instalaciones con 780 alumnos y 45 miembros de la plantilla. Dichas instalaciones constan de un edificio principal donde se encuentran las aulas, y un pabellón polideportivo también de uso municipal. La instalación de los equipos hardware en el edificio se muestra en la Figura 4, con Sofia2 y la aplicación web alojadas en servidores externos asociados al proyecto.
Tras la instalación del hardware, se procedió a la extracción de las firmas hídricas asociadas a los diferentes puntos de consumo en ambos edificios, en un entorno controlado, donde cada dispositivo de consumo fue accionado de forma síncrona. Se realizaron diversas pruebas de solapamiento de consumos (Figura 3). Una vez extraídas las firmas, estas fueron alimentadas al sistema externo de big data completándose así, la instalación y puesta en marcha del CPS.
Una vez iniciado el envío de datos, estos son procesados por Sofia2 y el servicio big data, y mostrados en la aplicación web de visualización y gestión (Figura 5). En la parte superior se muestra la vista general de la aplicación donde el usuario obtiene de una forma rápida y concisa todos los datos asociados a la información ofrecida por la herramienta.
Dichos datos incluyen la cantidad de datos procesados, consumo de agua total, número de alertas, y número de actuaciones sobre la electroválvula. Por último, mediante la aplicación también se permite al usuario final enviar comandos a la mota para actuar sobre la electroválvula.
Análisis de beneficios para las ciudades y conclusiones
Teniendo en cuenta el papel fundamental de las TIC dentro de la gestión inteligente del agua en el contexto de las Ciudades Inteligentes, tal y como resalta la norma AENOR-CTN 178 UNE 178101‑1 (AENOR/CTN 178 2015), su aplicación en el control del consumo de agua llevado a cabo en los edificios debe ser un objetivo para alcanzar los ratios de eficiencia y sostenibilidad exigibles. De esta manera, se puede proveer la información detallada necesaria para promover un cambio de en los hábitos de los consumidores a la vez que se detectan de manera temprana posibles consumos anómalos.
Previo al desarrollo del sistema en cuestión, los desarrolladores han conseguido reducciones de hasta el 25% del consumo de agua en edificios públicos y grandes consumidores (en edificios públicos de municipios de la Comunidad de Madrid) donde la desagregación no forma parte del sistema, simplemente con la monitorización y visualización de los datos en tiempo real. Por ello, el paso más allá proporcionado por el CPS desarrollado en IWESLA espera mejorar estos resultados proporcionando información mucho más detallada junto con las herramientas de actuación automática ante posibles consumos no deseados, como posibles fugas. Como ventajas adicionales, la modularidad del sistema, junto con el uso de Sofia2 y estándares de comunicación abiertos, hacen posible su escalabilidad e integración con otros servicios de las Ciudades Inteligentes o con otras plataformas ciudad.
Asimismo, el CPS desarrollado también contribuye al progreso en la eficiencia del consumo de agua en edificios de manera que:
- Evoluciona los avances hechos en materia de desagregación de consumos de agua a nivel de viviendas unifamiliares a edificios completos con una alta ocupación.
- Crea un sistema con aprendizaje semi-supervisado capaz de estudiar el funcionamiento de cada sensor y detectar anomalías, detectar patrones y construir modelos de comportamiento.
- Incorpora mecanismos de seguridad capaces de interrumpir el suministro de agua para evitar desperfectos y gastos económicos asociados.
- Se alinea con las políticas europeas de eficiencia en el consumo de agua (EIP-Water) y concienciación de la industria y ciudadanos sobre su alto valor (SPIRE PPP).
En estos momentos el sistema se encuentra en fase de prueba con la monitorización de un centro público escolar Jose Hierro en la localidad de Rivas Vaciamadrid donde los datos recabados se comparten con los responsables de la gestión del centro y los alumnos para su concienciación en el consumo de agua. Finalmente, se espera que el sistema se extienda al resto de centros educativos del municipio bajo la iniciativa Luz Verde, que busca un cambio en el modelo energético en todos los edificios públicos. En este apartado desde el gobierno municipal se pretende que de los ahorros conseguidos de un consumo eficiente y responsable de los centros un 50% del mismo se ponga a disposición del centro escolar para mejoras culturales o lúdicas de los alumnos del propio centro y el otro 50% a mejoras en optimización y ahorro energético, en el marco de un proceso participativo de las comunidades educativas, emulando procesos que han sido exitosos en otros municipios.
Agradecimientos
El proyecto IWESLA es un experimento dentro de la subvención 644400 de la Comisión Europea bajo el proyecto CPSE-Labs y la iniciativa Smart Anything Everywhere, dentro del programa Horizonte 2020. Los autores también agradecen al Ayuntamiento de Rivas Vaciamadrid su apoyo y colaboración en el proyecto.
Referencias
- AENOR/CTN 178, 2015. UNE 178101-1 Ciudades Inteligentes. Infraestructuras. Redes de los Servicios Públicos. Parte 1: Redes de Agua (1 febrero 2017).
- Cominola, A. et al., 2015. Benefits and challenges of using smart meters for advancing residential water demand modeling and management: A review. Environmental Modelling & Software, 72, pp.198–214.
- Cubillo, F., Moreno, T. & Ortega, S., 2008. Microcomponentes y factores explicativos del consumo doméstico de agua en la Comunidad de Madrid, Madrid.
- IBM, 2011. Smart Water Pilot Study Report, Dubuque (20 enero 2017).
- iWidget, 2013. i-widget.eu – Project Aims (20 enero 2017).
- Minsite – Indra, 2016. Plataforma SOFIA2 (1 febrero2016).