Requisitos técnicos para la Smart City desde el servicio de alumbrado exterior de la ciudad

A comienzos del pasado año, el Comité Español de Iluminación lanzó una publicación en colaboración con el IDAE, con el objeto de hacer llegar a los municipios, y principalmente a los técnicos de alumbrado, un documento técnico y divulgativo que trate sobre las Smart Cities, pero con el enfoque desde el servicio de Alumbrado de las propias ciudades.

Este documento surge debido a las inquietudes que nuestros asociados (Comité Español de iluminación) nos transmiten, debido principalmente a la enorme variedad de sistemas de control y regulación, sistemas de transmisión de información, sensórica y sistema de gestión de la información basados en diferentes tecnologías y funciones en las que los técnicos encargados de desarrollar proyectos de iluminación exterior que quieren implementar estas soluciones no saben cuál es mejor para su proyecto. Asimismo, en muchos casos, el desconocimiento real de las posibilidades técnicas, ventajas y limitaciones de cada tecnología, se traduce en la especificación de un sistema muy general en el que no se puede distinguir entre una solución tecnológica específica u otra similar. En otros casos, puede ocurrir que se acabe definiendo un sistema que, debido a los muchos requisitos que se le imponen, sea imposible de suministrar e implementar.

Para lograr este objetivo, este documento desarrolla los siguientes puntos:

1. Identificar las diferentes tecnologías disponibles en el mercado para sistemas de control y regulación, comunicación, sensórica y gestión de la información, aptas para su aplicación en la concepción de una Smart City, y sus características, funciones y beneficios clave.
2. Ayudar a decidir cuál es el sistema más adecuado y la tecnología para cada proyecto según las necesidades y requisitos que se deban cubrir.
3. Definición del proceso de selección de las distintas alternativas posibles.
4. Mostrar la normativa y estándares vigentes hasta la fecha que se aplican a las Smart Cities y a los diferentes sistemas que puedan estar relacionados.

Pero antes de comenzar a definir cada uno de los puntos se hacía vital el realizar la pregunta clave:

• ¿Cómo desarrollar una Smart City desde el servicio de Alumbrado?

Para contestar a esta pregunta es importante definir antes lo que es una Smart City, y una posible definición sería aquella ciudad capaz de utilizar la tecnología de la información y comunicación (TIC), con una visión holística, con el objetivo de crear mejores infraestructuras para los ciudadanos, o lo que es lo mismo, poner la tecnología disponible al servicio del ciudadano. Desde transporte público, pasando por ahorro energético, sostenibilidad o eficiencia en todos sus aspectos.

Los expertos destacan cuatro fases en la evolución hacia una smart city que no tienen por qué seguirse en un orden secuencial:

• Vertical, en la que se dota a los servicios urbanos de tecnología para mejorar su gestión.
• Horizontal, en la que se desarrolla una plataforma de gestión transversal de los diferentes servicios.
• Conectada, en la que se interconectan y comienzan a interoperar los diferentes servicios verticales o sectoriales a través de una plataforma de gestión.
• Inteligente, donde se gestiona la ciudad de forma integrada y en tiempo real y se genera un ecosistema basado en la inteligencia compartida entre todos los agentes.

GRÁFICO 1

Una ciudad que hace uso de las TIC para la gestión eficiente de su complejidad y su prestación de servicios                                      (Fuente: https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/736x/27/9d/a7/279da792f47931195932654e2f051574.jpg)

Si existe un servicio en la ciudad que es vital para el desarrollo hacia una Smart city, ese es el de alumbrado, y todos los expertos coinciden en ponerle como el servicio inicial a tratar para una Smart city por su topología y funcionalidad. Las soluciones inteligentes de alumbrado público permiten la supervisión, el control y la gestión remota de las redes de alumbrado público.

Y para garantizar el éxito de la Smart City, es imprescindible que la vertical de alumbrado en su diseño inicial, se base siempre en soluciones robustas, escalables e interoperables en su conjunto, para que pueda interactuar con otras verticales y crear sinergias beneficiosas para los ciudadanos. Es recomendable antes de comenzar la construcción de una Smart city, el realizar una reflexión sobre las necesidades de la ciudad y las posibles aplicaciones que queremos realizar tanto en el entorno Smart City, como en la vertical de alumbrado en particular.  El alumbrado en una ciudad inteligente es una de las verticales más importantes, pero tiene muchas similitudes con otras.

En líneas generales, la arquitectura de cualquier vertical en sí misma en una ciudad inteligente está compuesta por tres capas principales:

1. Capa Física o de Hardware
2. Capa de comunicaciones o de red
3. Capa de Software o aplicaciones

GRÁFICO 2
(Fuente: Signify Una ciudad que hace uso de las TIC para la gestióneficiente de su complejidad y su prestación de servicios)

Esta imagen representa por capa algunos de los estándares del mercado hoy en día, sin dejar de lado que pueden existir otros igualmente válidos, que aparezcan o desaparezcan ya que es un mercado en continua evolución.

GRÁFICO 3

Una vez conocido esto, es vital pensar que el primer paso para abordar el desarrollo de servicios públicos inteligentes es la elaboración de una estrategia holística integrada, la cual delinea las prioridades y acciones que deben realizar las distintas áreas municipales^[1]. Para ello, se contemplan las siguientes acciones^[2]:

• Análisis de los objetivos estratégicos del territorio y los objetivos operativos de las áreas de gestión.
• Definir el modelo o esquema conceptual que dé una respuesta satisfactoria a las aspiraciones como smart city.
• Mapa de prioridades, estableciendo las áreas de aplicación del modelo smart city y sus sub-áreas, así como sus respectivos indicadores de medición de ejecución (KPI).

Estrategia Smart Lighting

El despliegue de la smart city desde el alumbrado va a suponer, con casi total seguridad, la modificación o adaptación de la infraestructura de alumbrado existente para incorporar las tecnologías que lo transformen en un alumbrado inteligente o smart lighting.

Entre las principales razones por las que el alumbrado inteligente es relevante y hacia donde enfoca sus objetivos, destacan las siguientes^[3]:

• Sostenibilidad medioambiental:
  • ahorro energético y reducción de emisiones de CO2,
  • reducción de la contaminación lumínica,
  • protección del medio natural.
• Gestión y activos del mantenimiento:
  • aumento de la eficiencia y reducción de costes,
  • optimización de inventario de las instalaciones,
  • extensión de la vida de las luminarias.
• Sostenibilidad social:
  • aumento de la sensación de seguridad,
  • mejorar la accesibilidad de espacios públicos,
  • transparencia en la gestión,
  • participación ciudadana.

• Nuevas funcionalidades:
  • promover la identidad y la cultura (activando diferentes escenas temporalmente),
  • apoyo en la respuesta ante emergencias,
  • apoyar alternativas de movilidad.
• Crecimiento organizacional:
  • conexión con otras verticales,
  • liderazgo sobre el despliegue de la estrategia smart city,
  • uso de datos para toma de decisiones y nuevas iniciativas.

Cada una de las capas que componen la vertical de alumbrado, contiene elementos clave que son necesarios para el correcto despliegue de la visión de la ciudad inteligente:

En la Capa de Hardware se encuentran las luminarias (autónoma o conectada), los conectores (ya sean de arquitectura NEMA o Zhaga libro 18), los nodos de comunicación (para ofrecer conectividad), los sensores (que se puedan integrar en las luminarias o independientes de ellas), los componentes internos de las luminarias (Driver, SPD…etc), y los elementos integrados en el cuadro (que puede comprender el propio cuadro, un controlador para su telegestión, Gateway y Router/SIM).

GRÁFICO 4

(Fuente: Carandini. Ejemplo de Luminaria de Alumbrado Público con base Zhaga superior e interior para montar sensores y/o nodos de comunicación exteriores.)

La capa de comunicaciones o de red, contempla el transporte de los datos recogidos en la capa de Hardware hacia la capa de software. Y en ella se engloban todas las tecnologías de comunicación existentes, ya sean cableadas o Wireless, licenciada o no licenciada, mallada o en estrella…etc.

GRÁFICO 5

(Fuente: Next-Generation Wireless in Logistics, A DHL perspective on the evolution of wireless networks and the future of IoT in logistics. DHL Trend Research.)

Las comunicaciones cableadas incluyen soluciones en bus de datos y podemos disponer de comunicaciones en DMX/RDM, DALI/DALI2, PLC (Power Line Communication), Ethernet (TCP/IP).

Mientras que en las comunicaciones inalámbricas o wireless disponemos de comunicaciones celulares (2G, 3G, 4G y 5G), Long Term Evolution Category M1 (LTE-M) o Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) si hablamos de redes licenciadas y en redes no licenciadas podemos hablar de NFC (Near Field Communication), Bluetooth, Zigbee, 6LowPAN o incluso LoRa entre otras.

Para analizar cual es la que mejor se adapta a cada caso, es importante determinar su implantación y despliegue, el alcance nominal máximo, la velocidad de transmisión, la frecuencia de comunicación, la latencia, el modo de actualizar firmware y por supuesto viabilidad en la transmisión de datos en función de lo que se quiera comunicar, ya que no es lo mismo comunicar imagen de video las 24 horas del día, que comunicar un estado de una válvula un par de veces al día, los requerimientos son diferentes, y en función de los requerimientos, será mejor un tipo de comunicación u otra.

Por último, en la capa de Software es donde reside la mayor parte de la inteligencia del sistema y donde confluyen todas las aplicaciones de gestión de datos. Esta capa se encarga de recopilar los datos de diferentes componentes de los sistemas, configurar o programar los dispositivos, analizar los datos y ejecutar los algoritmos definidos por el usuario.

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(Fuente Prilux; tipos de dispositivos para gestión)

En esta capa, se puede supervisar el rendimiento de los activos instalados y personalizar todo tipo de avisos al usuario, ya sean alarmas o informes de fallo, de modo que el mantenimiento se pueda realizar en el momento y lugar precisos. También es en esta capa sonde se puede analizar el rendimiento del sistema global mediante la extracción de informes de funcionamiento.

En muchos documentos se puede denominar a esta capa, como capa de CMS, o CMS o capa de alojamiento de CMS – CMS puede tener diferentes significados, aunque generalmente tienen el mismo propósito: Software de gestión central, Sistema de gestión central o Sistema de gestión de la ciudad. En el contexto de la smart city y contando con IoT, CMS se refiere al software de administración central, una aplicación que permite configurar, controlar, comandar y monitorear dispositivos conectados en red de forma remota.

Las acciones que suelen realizarse en esta capa una vez se requiere acceso mediante instalación local o en remoto son los siguientes:

• Gestión de activos locales para el inventariado.
• Geoposicionamiento de los puntos de luz.
• Cambios de perfiles de regulación.
• Reprogramación de Drivers.
• Programación de sensores locales.
• Configuración de redes autónomas.
• Gestión de activos para configurar, controlar, ordenar y supervisar diferentes tipos de activos.
• Gestión de reportes, alarmas e informes.
• Gestión de interacción con otros servicios.

El concepto de plataformas de ciudades inteligentes ha surgido de la idea de, integrar los flujos de datos de sensores y dispositivos de todas las verticales de ciudades inteligentes, para permitir una gestión y análisis coordinados de los datos de la ciudad a través de una única interfaz. Sin embargo, debido a la inmensa complejidad, las ciudades históricamente han carecido de una perspectiva holística y han invertido principalmente en soluciones aisladas en varias verticales de ciudades inteligentes, separadas entre sí con sus propias redes y sistemas de gestión de software. Hasta ahora, la creación de plataformas de ciudades inteligentes ha sido en gran medida una cuestión de integración posterior al despliegue de diferentes sistemas. Sin embargo, dicha integración se ha realizado con diversos grados de éxito debido a problemas de interoperabilidad. No obstante, el énfasis en la interoperabilidad ha aumentado en los últimos años y las empresas activas dentro de verticales de ciudades inteligentes específicas, están agregando cada vez más funcionalidad para soluciones de ciudades inteligentes adicionales a sus ofertas principales. Esta Plataforma de gestión global de la Smart City, se encuentra en su capa más alta.

Una vez clara la estructura de una Smart City y, con el objetivo de ofrecer medios abiertos en todo el ámbito del ecosistema que necesite una ciudad inteligente, se crean soluciones y asociaciones o consorcios que dan cabida al paso de información entre diferentes soluciones que facilitan la integración en terceros, a la estandarización de soluciones para abrir la puerta a la adaptabilidad de los sistemas y a la globalización de dichas soluciones que proporcionan la interoperabilidad entre diferentes procedimientos. Estas soluciones y organizaciones son las siguientes:

• API:

Una API (Interfaz de Programación de Aplicaciones) es una interfaz de programa que utiliza un conjunto de funciones, procedimientos, definiciones y protocolos de comunicación que permite interacciones / interconexiones, comunicación e intercambio continuo de datos entre diferentes sistemas (como CMS), software y dispositivos conectados.

La API actúa en esa capa superior de la ciudad inteligente, cohesionando la plataforma única horizontal de gestión total de la smart city, con cada una de las soluciones verticales que llegan a ella. Cada vertical tiene su API específica, y es una pasarela de información de un software a otro.

Las API pueden funcionar de maneras diferentes, según el momento y el motivo de su creación. Sin embargo, nos vamos a centrar en la estandarización de las API mediante el consorcio TALQ, en la API de tipo REST, ya que son las API más populares y flexibles que se encuentran en la web actualmente, en la API para plataformas de código abierto tipo FIWARE que son muy ampliamente utilizadas y por último haremos una mención a uCiFi que está empezando a ser popular en cuanto a estandarización del modelo de datos:

• Estándar REST:
  En la API de tipo REST, el cliente envía las solicitudes al servidor como datos. El servidor utiliza esta entrada del cliente para iniciar funciones internas y devuelve los datos de salida al cliente. REST significa transferencia de estado representacional.

El uso de API de REST ha permitido la aparición del concepto “Open API” donde las empresas publican su API lo que permite a los desarrolladores tener acceso a la codificación de un sistema propietario. En otras palabras, los desarrolladores pueden codificar/programar fácilmente diferentes sistemas o aplicaciones según los requisitos para establecer una interconexión e interoperación adecuada entre ellos.

GRÁFICO 7

(Fuente: REST: https://images.app.goo.gl/dsSKwZkcxMfBxUVb7)

• TALQ

Es el nombre de un consorcio y protocolo Smart City que permite a las redes de dispositivos exteriores (ODN) de varios proveedores interoperar y comunicarse con un único software de gestión central (CMS) a través de un protocolo de aplicación estándar.

El Consorcio TALQ tiene como objetivo definir un protocolo de ciudad inteligente globalmente aceptado para el software de administración central (CMS) para configurar, controlar, ordenar y monitorizar redes heterogéneas de dispositivos de ciudad inteligente.

GRÁFICO 8

(Fuente: TALQ: https://images.app.goo.gl/yN4nRymmv8unvQof9)

• FIWARE

FIWARE es una plataforma de código abierto con un ecosistema colaborativo de desarrolladores, centros de innovación, aceleradoras, ciudades y multitud de empresas. FIWARE fue financiado por el VII Programa Marco de la Unión Europea dentro de su proyecto de colaboración público-privada para el Internet del Futuro (FI-PPP – Future Internet Public-Private Partnership). A principios de 2012, el consorcio europeo formado por Telefónica y Orange y las consultoras Engineering y Atos anunció un proyecto para desarrollar estándares de FIWARE para smart cities.

• UCIFI
  Por último, cabe resaltar el crecimiento de UCIFI, que es una asociación de ciudades, servicios públicos y líderes en IoT sin ánimo de lucro y comprometidos con las Smart Cities y su liberalización en cuanto a sistemas abiertos se refiere.

UCIFI, cubre todas las capas de la Smart City, abarca toda su arquitectura, y tiene una misión muy definida:
La primera misión de uCIFI es definir un modelo de datos unificado para todos los objetos de ciudades inteligentes, basado en el formato de datos OMA LwM2M estandarizado. Los expertos en ciudades inteligentes han contribuido al modelo unificado de datos uCIFI Versión 1, que está diseñado para ser extensible para cubrir más objetos y más aplicaciones en el futuro. El modelo de datos uCIFI es adecuado para implementarse en cualquier red IoT, incluidas las redes inalámbricas de malla LoRaWAN, NB-IoT, 802.15.4G, así como las redes propietarias IoT.

Una vez que analizas integraciones y sinergias, es importantísimo tener en cuenta un aspecto clave en este tipo de arquitecturas tecnológicas, que es la ciberseguridad, y que es un factor vital a la hora del diseño del Software, proteger de daños a los usuarios y a la infraestructura urbana es prioritario para el diseñador de la Smart City. Al desarrollar soluciones de IoT (Internet of Things o Internet de las cosas) innovadoras, se debe implementar el nivel más alto de seguridad. Al centrarse en la seguridad del producto y las medidas de seguridad de la empresa, se debe tener como objetivo optimizar la disponibilidad, integridad y confidencialidad de los datos y la información reservada de los usuarios, ya sean ciudades o ciudadanos, así como su protección frente a posibles vulnerabilidades.

La seguridad debe ser uno de los factores principales a la hora del diseño del Software ya que juega un rol vital, proteger de daños a los usuarios y a la infraestructura urbana es prioritario para el diseñador de la Smart City. Al desarrollar soluciones de IoT (Internet of Things o Internet de las cosas) innovadoras, se deben implementar los estándares más altos de seguridad para cada una de las capas que componen el sistema.

Por último están las consideraciones financieras, para poder cuantificar todos los costes asociados a todas las fases, el mayor indicador sería el Coste Total de Propiedad (TCO, acrónimo de Total Cost of Ownership). El TCO es una métrica que mide la cantidad de dinero gastado en la adquisición de cualquier dispositivo, y su cálculo se basa no solo en el precio de compra sino también en la cantidad de dinero gastado desde una perspectiva a largo plazo. Por lo tanto, el TCO mide el coste de adquisición, mantenimiento y operación de un activo determinado.

GRÁFICO 9

Y por supuesto el tipo de despliegue económico de la Smart city, ya sea bajo infraestructura propia, mediante cuenta ajena o por suscripción o en un modelo mixto.

En definitiva y como resumen final, desde nuestro punto de vista, la visión de una Smart City debe tener una plataforma horizontal de gestión global, y varias verticales de soluciones que lleguen a ellas cubriendo las necesidades de la ciudad, pero el orden en cual se debe realizar podría ser indiferente, siempre que toda la arquitectura se realice con soluciones abiertas, robustas y estandarizadas. Por lo tanto, una ciudad puede apostar por desarrollar verticales que cubran las necesidades de la ciudad en primera instancia y a posteriori aglutinarlas todas ellas hacia capas superiores, en una plataforma de gestión de la Smart City, creando sinergias entre todas ellas, o a la inversa, se puede definir primero dicho horizontal, para después salir de él con verticales que lleguen a cubrir dichas necesidades hacia capas inferiores.

Está claro que la red de alumbrado es el servicio ideal para comenzar a plantear la conectividad de una Ciudad Inteligente, y jugamos un papel preponderante porque la red de alumbrado abarca toda la ciudad, es repetitiva, y su altura de instalación te permite optimizar las comunicaciones e integrar sensorizaciones diversas. El Smart Lighting más que nunca dará paso a la Smart City.

No nos deben asustar todas las posibilidades de conectividad disponibles hoy en día, la Smart City es una ciudad que pone toda su tecnología al servicio de los ciudadanos, y sin conectividad, esto no es posible.

Pero claro, tanta tecnología es abrumadora, y nuestros clientes nos preguntan muy a menudo, ¿cuál es la tecnología de comunicaciones idónea?, ¿cómo se debe empezar?, ¿cuándo deben comenzar? y ¿Cuál es la arquitectura ideal de una Smart City?

No existe una manera de conectividad mejor que otra en general, sino que existen muchas y en función de la aplicación, se necesitará una u otra. Muy probablemente la Ciudad inteligente perfecta, disponga de múltiples tipos de comunicación, de múltiples verticales, de múltiples pasarelas de información y de una única plataforma horizontal sobre la que se integren todos sus verticales, desarrollada a medida para la propia ciudad, eso sí, todo ello mediante tecnología estandarizada, con soluciones abiertas e interoperables.

La visión de una Smart City debe tener una plataforma horizontal de gestión global, y varias verticales de soluciones que lleguen a ellas cubriendo las necesidades de la ciudad, pero el orden en cual se debe realizar podría ser indiferente, siempre que toda la arquitectura se realice con soluciones abiertas y estandarizadas. Por lo tanto, una ciudad puede apostar por desarrollar verticales que cubran las necesidades de la ciudad en primera instancia y a posteriori aglutinarlas todas ellas hacia capas superiores, en una plataforma de gestión de la Smart City, creando sinergias entre todas ellas, o a la inversa, se puede definir primero dicho horizontal, para después salir de él con verticales que lleguen a cubrir dichas necesidades hacia capas inferiores.

El momento es ahora, la tecnología disponible hace que sea el momento idóneo. El inmovilismo hará de nuestra ciudad una ciudad retrasada en términos de conectividad, y la conectividad llama al negocio y a la prosperidad económica, las empresas y la industria, siempre elegirán ciudades conectadas.

No nos deben asustar todas las posibilidades de conectividad disponibles hoy en día, la Smart City es una ciudad que pone toda su tecnología al servicio de los ciudadanos, y sin conectividad, esto no es posible. Hoy en día, gracias a la tecnología que poseemos, nos debemos sentir en la obligación de hacer de nuestras ciudades mejores lugares para vivir.

Accede a la Guía de Requerimientos Técnicos de la Smart City en el Alumbrado

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AUTOR: Grupo de Trabajo Smart City Comité Español de Iluminación