Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Fernando Terroso Sáenz, Investigador, Universidad de Murcia
- Victoria Moreno Cano, IT Manager, Odin Solutions S.L
- Aurora González Vidal, Investigadora, Universidad de Murcia
- Miguel Angel Zamora-Izquierdo, Profesor Titular, Universidad de Murcia
- Antonio F. Skarmeta, Catedrático de Universidad, Universidad de Murcia
Resumen
En esta comunicación se describen las actuaciones llevadas a cabo dentro del proyecto europeo Entropy, que busca el diseño de un sistema que motive cambios en la conducta de las personas respecto al uso energético, a fin de incrementar su conciencia ambiental y de que adopten un estilo de vida más sostenible en la sociedad. Para conseguir un mayor nivel de implicación y motivación, se hará uso de aplicaciones para móvil, internet de las cosas para recoger datos de sensorización y del estado del consumo en los edificios, y el uso de la plataforma de gestión y monitorización de edificios inteligentes City Explorer, la cual permite definir actuaciones y reglas de mejora de la gestión energética en edificios basado en la experiencia con los usuarios.
Introducción
El consumo energético de edificios es uno de los principales sectores de consumo energético a nivel global, seguido por el transporte (32%) y la industria (25%). Según informes recientes (Petersen et al. 2009), los edificios consumieron cerca del 41% del total de la energía en Europa en 2010. En los Estados Unidos, los edificios constituyen el 41% del consumo energético primario, un 44% y 36% más que el transporte y la industria, respectivamente.
Tal y como indica el informe Smarter 2020 , la mayoría de los edificios – incluyendo tanto los de nueva como los de antigua construcción – no han incorporado todas las oportunidades que actualmente existen para incrementar su eficiencia energética. El desaprovechamiento de energía es debido, en su mayor parte, a una ineficaz climatización e iluminación. Considerando todos estos factores, resulta crucial llevar a cabo un cuidadoso estudio del potencial ahorro energético que puede lograrse.
En su Plan de Eficiencia Energética 2011, la Comisión Europea afirma que el mayor potencial de ahorro energético reside en los edificios (European Comission 2011). Para aprovechar dicho potencial, es necesario implementar soluciones innovadoras sobre un conocimiento sólido de los principales factores involucrados en el consumo energético en edificios, incluyendo aquí el comportamiento de los ciudadanos con respecto a dicho consumo. Sin embargo, entender las diferentes formas en las que se usa la energía dentro de los edificios es un problema complejo debido a la escasez de datos fiables, así como la gran variedad de tipos de edificios.
En este contexto, las tecnologías de la información y las comunicaciones (TICs) resultan indispensables en el desarrollo de soluciones que reduzcan los aspectos de ineficiencia energética anteriormente mencionados. En concreto, las TICs pueden ayudar tanto a proporcionar una mayor eficiencia energética como a lograr un cambio de comportamiento de los ciudadanos basado en la monitorización, la gestión y el control inteligente de los datos de consumo energético. Esto, además, proporcionaría información valiosa a los ciudadanos, la industria y los gobiernos acerca del consumo energético y emisiones de CO2. En este sentido, se estima que las TICs pueden reducir potencialmente las emisiones anuales de los edificios en un 1.68 GtCO2 antes del 2020.
Sin embargo, los despliegues tecnológicos deben ir acompañados de una participación activa de los usuarios, pues este aspecto puede ser la mayor barrera para la total adopción y eficacia de cualquier solución. Esto puede lograrse incrementando la concienciación general de los consumidores respecto a los principales contribuidores al consumo energético, su impacto en el medio ambiente, así como los motivos para cambiar algunas de sus rutinas diarias a fin de conseguir reducir potencialmente la energía consumida y sus gastos derivados, consiguiendo a su vez una mejor calidad de vida.
Teniendo en cuenta la necesidad de reducir el consumo energético y el potencial ofrecido por las TICs, el presente trabajo introduce un innovador ecosistema TIC orientado a incrementar la eficiencia energética a través de la comprensión por parte de los consumidores, su implicación y el cambio de ciertos hábitos, así como el soporte de características sensibles a la energía en el equipamiento TIC. La presente propuesta se basa en la aplicación del internet de las cosas, el modelado y análisis de datos, así como en sistemas de recomendación y gamificación.
Este trabajo se enmarca dentro del proyecto europeo Entropy – “Design of an innovative energy-aware IT ecosystem for motivating behavioural changes towards the adoption of energy efficient lifestyles – de la convocatoria EE-07-2016-2017 “Behavioural change toward energy efficiency through ICT ”, y en el caso de uso llevado a cabo en el Campus de Espinardo de la Universidad de Murcia, a través de la plataforma tecnológica City Explorer.
Aspectos tecnológicos clave
Según el informe técnico de la Comisión Europea de Medio Ambiente , la realización de acciones interventivas centradas en el comportamiento de los consumidores puede lograr hasta un 20% de ahorro energético extra con respecto al modo de funcionamiento normal de una infraestructura.
Teniendo en cuenta lo anterior, la presente propuesta se basa en tres ramas de investigación diferenciadas que motivan el cambio de hábitos de los usuarios. La Figura 1 esquematiza los principales pilares tecnológicos de esta propuesta.
Por un lado, las tecnologías del internet de las cosas se usarán para: 1) la correcta y eficiente – desde el punto de vista energético – conexión de un conjunto de sensores heterogéneos; 2) la recolección de datos basados en mecanismos de crowdsensing móvil, que permitirá la captación de datos de una gran masa de fuentes; y, 3) la aplicación de esquemas de comunicación orientados a la captación de datos.
Se usarán técnicas avanzadas de modelado y análisis de los datos recogidos, tanto de las redes de sensores desplegadas como de los usuarios finales, y la extracción a partir de los mismos de conocimiento haciendo uso de técnicas basadas en la web semántica y la minería de datos.
Por último, el tercer elemento de la propuesta se centra en el desarrollo de aplicaciones móviles y juegos personalizados enfocados a proporcionar a los usuarios información relacionada con la energía, incentivar la interacción con usuarios relevantes en las redes sociales (ej. usuarios dentro de una determinada área en una ciudad) e incrementar la concienciación respecto a las diferentes formas de reducir el consumo energético en sus actividades diarias. Para lograr un cambio gradual de hábitos se hará uso de sistemas de recomendación de estilos de vida. También de técnicas de gamificación para describir el proceso y resultado donde elementos propios de los videojuegos pueden introducirse en determinadas situaciones, transformando dichas situaciones en experiencias cercanas a un juego. Finalmente, también se desarrollarán juegos que combinen datos tanto del mundo real como del digital, para estimular la colaboración y reafirmar los resultados obtenidos de una manera sostenible por los ciudadanos.
Arquitectura general
A la hora de integrar las tecnologías arriba indicadas, se ha definido una arquitectura conceptual consistente en 4 capas diferentes (ver Figura 2). Cada una de ellas tiene un rol determinado y una serie de funcionalidades asignadas.
La capa de comunicaciones del internet de las cosas es la del despliegue de la infraestructura de comunicaciones y la responsable de la interconexión de los diferentes dispositivos con las capas superiores de la arquitectura. Dicha infraestructura abarca tantos sensores inalámbricos como cableados instalados en diferentes áreas y capaces de monitorizar el consumo energético así como otras variables ambientales (ej. CO2, polución en el aire, etc.). Además, dicha infraestructura es energéticamente eficiente tanto a nivel de procesamiento como de comunicación ya que se tiene en cuenta el uso de tecnologías basadas en IPv6. Por último, esta capa contiene también una serie de mecanismos de agregación de datos heterogéneos, tales como los mencionados sensores, así como aquellos obtenidos mediante mecanismos de crowdsensing móvil.
La capa de modelado y fusión de datos es la responsable de proporcionar una representación común a los datos obtenidos mediante el uso de modelos semánticos apropiados. En concreto, incluye dos modelos bien diferenciados:
- El modelo semántico de los parámetros monitorizados por la infraestructura de red que describe las entidades y conceptos relevantes para la monitorización del consumo de energía, sus parámetros de producción, así como otras variables medioambientales que puedan tener cierto impacto sobre dicho consumo.
- El modelo semántico de comportamiento de usuarios que describe los perfiles de usuario respecto a la adopción de estilos de vida energéticamente eficientes.
Por tanto, esta segunda capa se encarga de mapear los datos recibidos con estos dos modelos a fin de incrementar su expresividad, su potencial extensibilidad e interconexión con otros tipos de datos, extrayendo conocimientos más avanzados.
La capa de diseño y despliegue de algoritmos es la responsable del desarrollo de mecanismos que permitan proveer a los usuarios de recomendaciones sobre estilos de vida energéticamente eficientes. Estas recomendaciones vienen proporcionadas por el adecuado razonamiento de los resultados obtenidos a través de los análisis realizados por dichos algoritmos sobre los datos capturados, después de haber sido mapeados en los modelos semánticos contenidos en la anterior capa y, en algunos casos, también interconectados con conjuntos de datos externos.
Para el análisis se usa un amplio abanico de algoritmos incluyendo clasificación, reconocimiento de patrones o análisis predictivo respecto al consumo energético, y sus costes asociados serán tenidos en cuenta. Además, esta capa contiene las técnicas de gamificación que permiten describir e interconectar los conceptos y situaciones respecto a la involucración de los usuarios finales en actividades diarias eficientes energéticamente. Esta información será el bloque fundamental para la transformación de dichas actividades en experiencias gamificadas con un ámbito y objetivos predefinidos.
Por último, la capa de servicios y aplicaciones se destina a motivar y ayudar el cambio gradual de comportamiento de los ciudadanos a fin de obtener ahorros energéticos significativos a través de las TICs. Entre otros elementos, contiene un framework para una visualización avanzada de los parámetros bajo monitorización y la generación de informes de los resultados de los análisis, de acuerdo con el dominio de aplicación, en un formato amigable. En cuanto a las aplicaciones, estas incluyen el desarrollo de “juegos serios” a fin de incrementar la concienciación y estimular la colaboración, así como aplicaciones personalizadas enfocadas a la interacción mediante social media entre los ciudadanos involucrados.
City Explorer: La plataforma
City Explorer es una plataforma de tele-gestión integral basada en productos embebidos que integran los últimos avances en electrónica. Estos productos permiten llevar a cabo un control fino con bajo consumo de energía para soluciones innovadoras en ciudades y agricultura.
Esta plataforma es proporcionada por la empresa Odin Solutions S.L., una spin-off de la Universidad de Murcia. Los productos electrónicos (sensores y controladores) integrados en City Explorer permiten la monitorización de condiciones ambientales (temperatura, humedad, CO2, etc.) y el control remoto de infraestructuras de ciudad (iluminación, aire-acondicionado, ventilación, paneles solares, farolas, válvulas de riego, etc.).
Los dispositivos electrónicos que componen City Explorer soportan un amplio abanico de comunicaciones tales como Ethernet, Wifi, GPRS/4G y Radio 868/433/169Mhz que permiten conectarse través de Internet a la plataforma de gestión. La plataforma de tele-gestión proporciona un sistema inteligente de procesamiento de datos, toma de decisiones y administración segura multiusuario.
El sistema integral de tele-gestión está compuesto por:
- Sensores y actuadores que monitorizan las condiciones ambientales y ejecutan acciones sencillas basadas en los principales estándares industriales (4-20mA, Modbus, RS232, Radio, Wifi, RFID, etc.).
- Controladores que recopilan los datos monitorizados y lanzan acciones complejas automatizadas. Los controladores tienen módulos inteligentes para iniciar acciones basadas en temporizadores, calendarios, etc. Además, pueden comunicarse con dispositivos electrónicos (iluminación, aire-acondicionado, electrodomésticos, etc.) mediante protocolos estandarizados (X10, KNX, etc.) para tener un control fino y regular su funcionamiento según las necesidades del cliente.
- Central de procesamiento de datos y plataforma web. La plataforma proporciona base de datos, gestión eficiente y segura de las comunicaciones con los sensores y controladores, y un interfaz amigable y accesible desde Internet.
- Clientes web compatibles con múltiples dispositivos (Ordenador, Smartphone y Tablet) para acceder a los datos monitorizados y personalizar las acciones automatizadas mediante una interfaz. El acceso no depende del sistema operativo.
City Explorer permite definir actuaciones y reglas de mejora de la gestión energética en edificios basado en la experiencia con los usuarios. En los despliegues realizados de City Explorer para la Universidad de Murcia, todo el personal de la misma tiene la posibilidad de convertirse en un agente más del sistema.
City Explorer permite tanto el acceso a toda la información disponible, como la gestión de los diferentes actuadores integrados en el sistema, por ejemplo, mediante la edición de reglas de control. En este sentido, la Universidad de Murcia se encuentra participando en materia de eficiencia energética desde hace varios años, con más de treinta edificios conectados a City Explorer (ver Figura 4). Los servicios ofrecidos en cada edificio son diferentes dependiendo de su contexto.
Conclusiones
Si tenemos en cuenta que los edificios constituyen el mayor sector de consumo energético, resulta crucial el diseño y posterior desarrollo de soluciones destinadas a la reducción de su consumo basándose en el uso de técnicas eficientemente energéticas que involucren la activa participación de ciudadanos y usuarios.
El presente trabajo describe un nuevo enfoque para dicho tipo de soluciones bajo la integración de tecnologías que facilitan el desarrollo de ecosistemas TIC de gestión energética que incentiven determinados cambios de comportamiento en los usuarios finales. Dichos ecosistemas hacen uso de: 1) el internet de las cosas por su capacidad para interconectar gran cantidad de dispositivos de una manera energéticamente eficiente junto con otros mecanismos de recolección de datos distribuidos tales como crowdsensing; 2) técnicas avanzadas de modelado y análisis de datos; y, 3) sistemas de recomendación y gamificación.
Este nuevo enfoque es aplicado en el escenario desplegado en la Universidad de Murcia como caso de uso del proyecto Entropy y a través de la plataforma tecnológica City Explorer.
Referencias
- D. Petersen, J. Steele, and J. Wilkerson. Wattbot: a residential electricity monitoring and feedback system. In Proceedings of the 27th international conference extended abstracts on Human factors in computing systems, pages 2847-2852. ACM, 2009.
- European Commission (2011), Energy Efficiency Plan 2011, COM (2011) 109 final.