Comunicación presentada al V Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Bartomeu Alorda Ladaria, Coordinador del grupo de trabajo SmartDestination/SmartCity e investigador principal del proyecto SmartSensPort, Universitat de les Illes Balears
- Víctor Homar Santaner, Profesor titular del grupo de Meteorología, Universitat de les Illes Balears
- Maurici Ruiz Pérez, Director del servicio de sistemas de Información geográfica y teledetección, Universitat de les Illes Balears
Resumen
Las ciudades demandan de una mejora en la gestión del entorno y las interficies con infraestructuras de transporte suponen una gestión compleja. En este sentido, se propone la implementación de una red de sensores innovadora basada en tecnologías de monitorización que permiten una alta resolución temporal y espacial como base para el impulso del desarrollo de la gestión inteligente de la interfaz puerto-ciudad de Palma. La propuesta establece una metodología de análisis de correlaciones con la actividad portuaria de los buques. La red de sensores está formada por 8 estaciones de monitorización: 4 estaciones en la zona norte del puerto y 4 en la zona sur cubriendo un total de 29 muelles de atraque (14 en la zona norte y 15 en la zona sur). Las 8 estaciones se diseñaron para estar equipadas con sensores para medir niveles de ruido, gases contaminantes y concentración de partículas. Además, en 3 de ellas se han añadido sensores para medir variables atmosféricas. La monitorización de la calidad ambiental en el entorno portuario con frecuencias temporales cercanas a los minutos y una distancia media entre estaciones de 500 m ha permitido abordar metodologías de análisis de correlación con la actividad vinculada al puerto y a la ciudad de Palma.
Palabras clave
Red de Sensores, Contaminación Ambiental, Correlación de Variables, Internet de las Cosas, SmartCity
Interfaz puerto-ciudad
Los puertos de ciudades costeras son uno de sus principales motores económicos y de entrada tanto de visitantes como de mercancías. Los puertos y, en concreto, el transporte marítimo que generan tiene un impacto social, comercial, económico y medioambiental muy relevante en las Illes Balears. La sostenibilidad de los puertos pasa, hoy en día, por la monitorización del impacto derivado de las actividades portuarias tanto sobre el propio ámbito portuario, como sobre su entorno. En este sentido, la evaluación de la calidad del aire es quizá uno de los factores ambientales que mayor repercusión tienen en zonas industriales integradas en ciudades. El control de los niveles de polución resultado de las emisiones de contaminantes de los buques en puerto es una tarea compleja con un creciente impacto sobre la calidad del aire del entorno. En el caso de puertos integrados en ciudades se convierte en una fuente de alarma social que incide en la de por sí compleja gestión de la calidad del aire, sobre todo debido al tráfico de vehículos a motor. Aunque existe legislación que intenta reducir y mantener el control de los niveles de polución, la necesidad de una monitorización continua pone de relieve el importante papel que tienen las estaciones de medida. De hecho, las estaciones de medida de parámetros de la calidad medioambiental se instalan con el objetivo de aportar datos relevantes de medidas en continuo para la implementación de estrategias de minimización y estimulación de la sostenibilidad de ciertas actividades, gestionando su impacto sobre la calidad del aire y situando al ciudadano en el principal beneficiario de una mejor calidad del aire.
Para el control de la polución del aire y la monitorización de la calidad del aire se han venido usando varias estrategias, aunque la estrategia más extendida se caracteriza por el uso de los datos capturados por estaciones de monitorización convencionales situadas en emplazamientos significativos para el estudio de la exposición y, siguiendo las recomendaciones legales en términos de evaluación de la calidad del aire, y la toma de decisiones para el desarrollo de políticas públicas eficientes. Sin embargo, el equipamiento de las estaciones tradicionales de medida de la calidad del aire usadas es, en general, muy caro y requieren de un mantenimiento regular. Por este motivo, el número de estaciones de medida suele ser reducido y, por tanto, la densidad de las observaciones demasiado baja para análisis espaciales de distribución de los índices de calidad del aire. Otras alternativas se centran en el uso de estaciones móviles, clasificadas como instrumentos semi cuantitativos pero que ofrecen una estimación de la exposición a niveles de polución en diferentes emplazamientos.
Una alternativa, que está siendo explorada hoy en día, se centra en el uso de redes de sensores electroquímicos que incrementen la captura de datos en tiempo real de variables de la calidad del aire para la implantación de metodologías de análisis detallado tanto con una mayor resolución espacial como temporal. Estas redes de sensores se introducen para complementar las existentes estaciones de medida mejorando la toma de decisiones y la capacidad informativa hacia los ciudadanos. En estudios como los presentados por C. Borrego y otros 2016 se valoran el uso de microsensores que cabe destacar que no están incluidos en la legislación europea debido a los elevados requerimientos de calidad que se exigen y, que dichos sensores no alcanzan a conseguir. Las conclusiones de dichos estudios exponen las bondades a la hora de conseguir un incremento en la resolución espacial y temporal de las mediciones a través de estos sensores de bajo coste, y que en ciertas circunstancias pueden ofrecer un potencial beneficio para la definición de nuevas estrategias o aplicaciones en la gestión de la calidad del aire.
La iniciativa descrita en esta comunicación se alinea con esta última estrategia de monitorización y propone el uso de una red de microsensores para el análisis de correlaciones de las actividades de tráfico marítimo del puerto de Palma. Además, la implementación se engloba dentro de un proyecto de innovación del plan estratégico de innovación de Palma promovido por el Ajuntament de Palma en el marco de la iniciativa de la sociedad civil denominada #RLL2030, en el que colaboran la administración pública, representada por la Autoridad Portuaria de las Illes Balears, la Universitat de les Illes Balears y el sector empresarial, representado por la empresa Telco S.L. (MallorcaWifi).
Los objetivos de la actuación denominada SmartSensPORT son:
- Estudiar el uso de sensores de bajo coste para aumentar la resolución temporal y espacial de las variables a medir.
- Diseñar una red para monitorizar la contaminación ambiental de las actividades del puerto.
- Desarrollar una metodología de análisis de correlaciones entre las actividades del puerto y las tendencias de contaminación.
- Ayudar a la toma de decisiones de los gestores del puerto y, por tanto, mejorar la calidad de vida de los ciudadanos a partir del conocimiento y la innovación.
La Red SmartSensPort-Palma
Se ha diseñado una red de sensores formada por 8 estaciones de monitorización: 4 estaciones en la zona norte del puerto y 4 en la zona sur cubriendo un total de 29 muelles de atraque (14 en la zona norte y 15 en la zona sur). Las 8 estaciones se diseñaron para estar equipadas con sensores para medir niveles de ruido, gases contaminantes y concentración de partículas en suspensión. Además, en 3 de ellas se han añadido sensores para medir variables atmosféricas: precipitación acumulada, velocidad y dirección del viento, temperatura, humedad y presión.
Para el diseño de la red y la posición de las estaciones se han tenido en cuenta varias consideraciones:
- Los resultados de modelos de dispersión de contaminantes a partir de una fuente puntual de emisión a unos 60 metros de altura y considerando diversas condiciones meteorológicas significativas para el clima de la región.
- La dirección y fuerza del viento predominante en la zona del puerto.
- El modelado de las áreas de influencia del puerto sobre la ciudad se ha considerado a través del perfilado de las alturas de los edificios o la distribución de la población potencialmente afectada por cada muelle de atraque.
Así pues, tanto el número de estaciones como la situación y altura de éstas debería estar seleccionada con la intención de proporcionar registros observacionales con la mayor significancia.
Diseño de la red SmartSensPort-Palma
La arquitectura de la red SmartSensPort ha sido concebida para adaptarse a diferentes tecnologías de red de sensores y para concebir un modelo de colaboración multi-partenariado. La figura 1 representa el esquema de dicha propuesta en la que se permite tanto la abertura de datos en abierto, como la generación de acciones analíticas para el estudio de correlaciones con otras fuentes de datos (en este estudio la movilidad marítima) y la validación de calidad de los datos aportados por la red a través de la integración de la red oficial de estaciones de calidad del aire de la ciudad de Palma. La universidad a través de su grupo de trabajo SmartDestination se incorpora al proyecto con el objetivo de generar conocimiento útil para la toma de decisiones y la gestión de la interfaz puerto-ciudad.
La arquitectura propuesta es independiente de tecnologías de captura, estaciones de medida o fuentes de datos a procesar, pues el servidor que actúa como “almacén de datos” realiza procesos de sistematización de las fuentes para permitir la analítica tanto espacial como temporal de todas las fuentes. Así, mientras el grupo de trabajo da soporte a la administración pública para la toma de decisiones, los datos de la red de sensores son validados y ofrecidos como datos abiertos a través de la colaboración de la entidad privada responsable de la instalación y mantenimiento de la red de sensores. Este modelo de colaboración permite tanto la creación de fuentes de datos y la consideración de estos en la gestión de infraestructuras a través de la colaboración público-privada habitual, como la generación de nuevo conocimiento y, la implantación de modelos de innovación a través de actividades de investigación con colaboraciones interadministraciones con impactos a largo plazo. Generar conocimiento desde el sector público y para el sector público se propone con el objetivo de crear una gobernanza inteligente centrada en una mejora continua de la gestión a través de la mejora del conocimiento propio.
Estaciones de medida
En la implementación concreta realizada en el puerto de Palma, se propuso inicialmente el aprovechamiento de la red wifi del puerto para la conexión de los sensores, pero finalmente la empresa Mallorcawifi realizó una implementación de las 8 estaciones a través de equipos Libelium Plug-and-Play con conexión sin hilos basada en SigFox. La figura 2 muestra tres fotografías de las estaciones usadas en la red implementada en el puerto de Palma.
Las características de los sensores usados en las estaciones se resumen en la tabla I. La programación de las estaciones y su mantenimiento fue realizada por la empresa Mallorcawifi con el soporte de la empresa Libelium y de la validación por parte del equipo de investigadores de la Universitat de les Illes Balears.
Los datos de las estaciones eran recibidos por el servidor de red de SigFox, que emitía una réplica hacia el servidor de seguimiento de la red y de datos abiertos propuesto por Mallorcawifi y hacia el servidor de datos del laboratorio SmartDestination de la UIB. En este sentido, la UIB ha recibido el dato en bruto y ha realizado funciones de validación de la fuente de datos y validación estadística de los mismos para la autoridad portuaria del puerto.
Metodología de análisis
Medida de la actividad del puerto
La monitorización de la calidad ambiental en el entorno portuario con frecuencias temporales cercanas a los minutos y una distancia media entre estaciones de 500 m permite abordar multitud de estudios y análisis de asociación con la actividad vinculada al puerto, al Paseo Marítimo de Palma y a su entorno. La presente metodología de análisis muestra un ejemplo a través del análisis de la actividad portuaria relacionada con la entrada y salida de barcos de las zonas de atraque. Así, la “actividad portuaria” se ha representado a través de la cuantificación de la presencia de buques en el puerto. En concreto, se estima el nivel de actividad portuaria por medio del número de horas que un cierto buque permanece en el muelle. Esta variable se mide en horas-buque. De esta manera, si un buque permanece 3 horas en un muelle, la variable “actividad portuaria” se incrementa en 3 horas-buque. Mientras que, si dos buques permanecen 3 horas simultáneamente en el mismo muelle de atraque, se computan 6 horas-buque.
Esta variable ha permitido modelar la actividad portuaria a partir del uso de cada muelle de atraque. Con ello, se ha cuantificado, entre otros resultados, el volumen medio de actividad por muelle, franja horaria y por mes, ver figura 3. En este sentido, los resultados muestran que, globalmente, el puerto de Palma opera su mayor volumen de actividad durante el día en la franja horaria entre las 7 AM y las 7 PM. Además, esta actividad se reparte entre todas las zonas de atraque del puerto, siendo las terminales de pasajeros las de mayor afluencia acumulada durante el día. Además, se aprecia un periodo invernal con una menor actividad en las terminales de pasajeros, pero sin reducción significativa en la zona principal de descarga del transporte marítimo de mercancías en la isla.
Con esta información, se ha planteado el análisis relacional de la actividad portuaria, medida en términos de horas-buque, con datos de contaminación atmosférica y acústica en la zona portuaria. La elección de la metodología y parámetros de análisis se ha visto fuertemente condicionada por la disponibilidad de datos fiables y relevantes. El proceso de revisión, calibración y reprogramación de las estaciones durante el despliegue y mantenimiento de la red determina y supedita la disponibilidad y el análisis de datos. Estas continuas actuaciones en la red tienen que ser tenidas en cuenta en el uso de los datos ofrecidos por la red, pues los resultados pueden variar debido a la deriva que presentan los microsensores usados en el despliegue.
Resultados y discusión
El análisis de correlación y asociación realizado ha consistido en la evaluación de las evoluciones de concentraciones de contaminantes, partículas en suspensión y de los niveles de contaminación acústica en comparación con las dinámicas de actividad del puerto de Palma. Las resoluciones temporal y espacial punteras con las que se ha monitoreado la calidad ambiental en la zona portuaria, fruto del diseño innovador de la red SmartSensPort-Palma, plantea un reto en el análisis de los datos derivado del amplio rango de escalas espaciotemporales de procesos que la red está capacitada para medir. Cabe subrayar que aquellos procesos que producen variabilidad infra-horaria o supra-mensual no han sido considerados en esta primera fase de estudio.
En general, la actividad humana presenta una fuerte componente determinada por el ciclo diario. Ello ha motivado un primer análisis correlacional de las series de datos a través del ciclo diario con resolución horaria. Los resultados (Figura 4) muestran la variación a lo largo de un día medio de la actividad portuaria según la tipología de buque: crucero, ferry u otros. La comparación del ciclo de actividad con el de concentración de partículas en suspensión muestra un incremento en la concentración de PM10 con la punta diaria de actividad total portuaria, asociado a la intensa actividad portuaria, de ferris y otros principalmente, durante las primeras horas de la mañana. La disminución del nivel de partículas en suspensión durante el mediodía y tarde -pasado el pico de actividad- coincide con un incremento de la ventilación producida por una mayor velocidad media del viento durante esas horas.
Por otra parte, las actividades económicas y laborales están muy vinculadas también a un periodo semanal, lo cual ha motivado el análisis correlacional enfocado al ciclo semanal y con resolución diaria. Se han analizado, por tanto, valores promedio de cada día de la semana. Los resultados de este análisis (Figura 4) muestran que la concentración media por día de la semana de PM10 carece de relación aparente con la de actividad del puerto. Esto se puede constatar viendo como el ciclo diario medio de la actividad portuaria muestra un valle semanal el jueves, mientras que el ciclo de concentración de partículas en suspensión de diámetro menor que 10 µm refleja un máximo. A pesar del reducido tamaño de la muestra, se han calculado los coeficientes de correlación entre las series semanales de PM10 y de actividad por tipología de buque, a modo de indicación cuantitativa de las relaciones (o ausencia de ellas) visualmente identificables sobre la Figura 4. En este caso, se obtiene una correlación destacable de 0.72 entre el ciclo de PM10 y el ciclo de actividad de ferris. Una correlación más débil de 0.27 con la tipología cruceros y una correlación prácticamente nula con la tipología otros.
Análisis similares se han realizado con los niveles de contaminación acústica registrados. Así, el ciclo diario medio de los niveles de ruido registrados en la red no muestra una dinámica que guarde relación aparente con la actividad portuaria. De hecho, los niveles sonoros horarios medios reflejados en el ciclo diario oscilan entre los 55 y 65 dBA, lo cual supone una variación moderada que no refleja niveles puntuales medidos. El ciclo diario de nivel sonoro muestra una evolución con niveles bajos durante la noche y madrugada, y niveles sonoros crecientes durante las primeras horas de la mañana, coincidiendo con el incremento matinal de la actividad humana (portuaria y no portuaria).
Conclusiones
Las redes de sensores propuestas para mejorar la resolución temporal y espacial en la captura de datos son una alternativa viable y enmarcada en el concepto «smart» para monitorizar variables ambientales en los puertos y espacios de ciudad, ayudando a la toma informada de decisiones basadas en datos. El avance hacia la atribución causal inequívoca de las concentraciones de contaminantes requiere ineludiblemente de la disponibilidad de series de datos de mayor extensión, lo cual aconseja la continuación en el mantenimiento operativo y funcional de la red diseñada SmartSensPort-Palma. La continuidad en el apoyo a la infraestructura y al análisis de los datos permitiría abordar el estudio de esos procesos, así como la verificación de modelos de dispersión de contaminantes, herramientas esenciales para la identificación rigurosa e inequívoca de relaciones causales emisión-concentración. Este estudio ilustra, a modo de muestra del potencial de la infraestructura y del concepto Smart coligado, relaciones de asociación entre actividad portuaria y calidad ambiental en las escalas horaria, diaria y mensual.
Agradecimientos
Se agradece la colaboración a Jorge Martín, Jefe de Innovación y Calidad de la Autoridad Portuaria de Baleares, y al equipo humano de Wiongo (mallorcaWifi) encabezado por Mauricio Socias por sus aportaciones a la consecución del proyecto.
Referencias
- C. Borrego et al. (2016) Assessment of air quality microsensors versus reference methods: The EuNetAir joint exercise. Atmospheric Environment, 147. pp. 246-263. ISSN 1352-2310 doi: 10.1016/j.atmosenv.2016.09.050