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27 DE AGO DE 2019

Criando Cidades Conectadas por meio da IoT - internet das coisas

Inúmeras cidades, tanto pequenas ou grandes em todo o mundo estão optando não apenas por tecnologias, mas fazendo esforços para implementar redes de IoT - internet das coisas, afim de ajudar na resolutividade de problemas urbanos, como cong

2050 CIDADES Criando Cidades Conectadaspor meio da IoT - internetdas coisas ROGER MEDKE · 27 DE AGO DE 2019

Inúmeras cidades, tanto pequenas ou grandes em todo o mundo estão optando não apenas por tecnologias, mas fazendo esforços para implementar redes de IoT - internet das coisas, afim de ajudar na resolutividade de problemas urbanos, como congestionamento de tráfego, alagamentos, poluição e segurança para melhorar a qualidade de vida e bem estar de seus cidadãos.

Sensores inteligentes que são instalados pela cidade, em veículos e em prédios conectados a aplicativos e os dispositivos que são usados pelas pessoas que moram ou trabalham na cidade produzem dados que são usados em todas essas cidades conectadas. Os dados de IoT então são usados para informar decisões de como os espaços públicos devem ser projetados, de como melhorar o uso dos recursos e de como entregar serviços e utilitários públicos de forma mais eficiente e efetiva.

Ao pensar em cidades conectadas, talvez você imagine grandes cidades com iniciativas de cidades inteligentes mais avançadas como Londres, Nova York, Chicago, Toronto, Tóquio, Barcelona, Shenzhen, Rio de Janeiro ou até Amsterdã. No entanto, as cidades pequenas não só podem como também devem ser beneficiar da conexão de pessoas, serviços e infraestruturas.

Vamos explorar as cidades conectadas e alguns dos desafios envolvidos no desenvolvimento de soluções de IoT que abrangem toda a cidade, bem como suas aplicações e casos reais.

Aplicativos de IoT - Internet das Coisas

Alguns dos principais problemas que estão sendo resolvidos com a aplicação de tecnologias de IoT em escala metropolitana, incluem:

Gestão de energia (Smart Grids)

As tecnologias de IoT que são aplicadas para resolver os problemas de gerenciamento de energia nas cidades conectadas incluem, tecnologias de rede inteligente, tecnologias de medição inteligente e plataformas inteligentes para iluminação pública.

As redes inteligentes fazem com que a entrega de eletricidade fique mais eficiente por meio da aplicação de análises preditivas aos dados que são coletados dos sensores instalados em toda a rede para corresponder a capacidade à demanda. Os sensores inteligentes que monitoram a rede geralmente estão conectados a neighborhood area networks (NANs) ou Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) por meio de tecnologias de rede como LoRa, SigFox, NB-IoT ou LTE-M.

Esses dispositivos incluem sensores de temperatura e unidades de medida de fasor (PMUs), que medem a corrente, a voltagem e a frequência do sinal elétrico. Esses sensores são usados para monitorar a eficiência dos geradores de energia renovável que estão conectados à rede, como painéis solares ou turbinas eólicas e para identificar onde posicionar os geradores para maximizar a energia gerada. Os dados dos sensores em geradores, nas linhas de transmissão, nos cabos, nos transformadores e nas subestações também são usados pelos fornecedores para detectar falhas e determinar o planejamento da manutenção, a chamada manutenção preditiva, utilizando algoritmos de previsão de falhas que podem vir a ocorrer.

Os sistemas de medição inteligentes compostos por (medidores - hardwares e o sistema - software) que são instalados nas unidades consumidoras (casas, empresas e prédios), permitem que o uso de energia seja monitorado remotamente e que o fornecimento seja controlado remotamente, o que leva a uma economia de custo em relação à leitura e à comutação manual do medidor, feita pelo (leiturista). Os componentes dos dispositivos que são incorporados aos medidores inteligentes incluem sensores sensíveis de choque ou magnetorresistência anisotrópica (MRA) e PMUs. Esses sensores monitoram o uso e a eficiência de energia, monitoram o funcionamento do próprio dispositivo medidor inteligente e também detectam se há violação dos dispositivos. Os consumidores beneficiam-se do monitoramento em tempo real quando os dados produzidos por esses sensores são agregados e apresentados por meio de aplicativos através de seus smartphones ou pela Web, mostrando painéis de visualização e relatórios. Esses painéis e aplicativos permitem rastrear os custos e os padrões de consumo, permitem identificar as atividades e os dispositivos que usam mais energia e modificar o comportamento deles em resposta a essas análises.

Combinados com dispositivos inteligentes que possuem componentes atuadores integrados, como retransmissores que agem como comutadores remotos ou relés, os medidores inteligentes auxiliam no gerenciamento de carga. Por exemplo, dispositivos com alto gasto de energia, como bombas de piscina ou sistemas de AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado) são comutados automaticamente para executar em períodos que não sejam de pico, o que ajuda a evitar indisponibilidades e interrupções e economiza dinheiro dos consumidores por meio de tarifas mais baixas. Programas semelhantes estão sendo lançados para outros utilitários de medição como água e gás. Por exemplo, a cidade de Barcelona adotou medidores de água inteligentes. Com esses medidores de água inteligentes, a cidade pôde aplicar mineração e análise de dados juntamente com visualização em tempo real e ferramentas de relatório que usam os dados do sensor que são produzidos pelos dispositivos de medição inteligentes para informar melhor os consumidores, o que levou a um uso de água mais eficiente e, consequentemente, à economia para os cidadãos. A cidade de A cidade de Shenzhen implementou medidores de água e gás em 100% das residências para combater os vazamentos e os desperdícios, implementando uma Rede NB-IoT para conectar esses dispositivos e melhorar Ganhos significativos gestão de vazamentos e melhoria abastecimento, tanto para os residentes quanto para as companhias de água e gás.

Iluminação Pública

Em espaços públicos, a iluminação pública inteligente baseada em LED, com uso eficiente de energia, combinando luminárias Led, com fotocélulas inteligentes e software de telegerenciamento vem ganhando força a cada dia, pelo simples fato de gerar impactos significativos em escala, vem sendo instaladas em centenas de metrópoles e cidades no mundo todo, desde Barcelona (Espanha) até Adelaide (Austrália), como aqui no Brasil algumas cidades pequenas com menos de 20 mil habitantes estão começando adotar essas novas tecnologias também. Estima-se que no Brasil existam hoje cerca de 20 milhões de pontos de iluminação pública. No mundo, mais de 300 milhões de lâmpadas de iluminação pública estejam em operação. Essas lâmpadas de iluminação pública de LED inteligentes resultam em uma economia de energia significativa, não apenas devido à redução do uso de energia dos LED em relação à iluminação pública tradicional, mas também porque as lâmpadas podem ser controladas de forma centralizada e a intensidade das lâmpadas pode ser ajustada com base na proximidade de pessoas ou de tráfego. Esses ajustes podem ser pré-programados ou realizados por meio da análise de dados de sensores de detecção de movimento e de proximidade, como sensores infravermelhos passivos (PIR), sensores ultrassônicos ou sensores de micro-ondas (Doppler), ou ainda por meio da aplicação de algoritmos de visão de computação para detectar a presença de veículos ou de pedestres usando conexões de vídeo ao vivo das câmeras. Os cidadãos também podem optar por fornecer os dados de localização dos rastreadores de GPS integrados em seus telefones celulares ou carros conectados.

As plataformas de iluminação inteligente geralmente fornecem a estrutura necessária para conectar outros sensores em uma cidade conectada, geralmente implementados como uma rede de conectividade como LoRa, SigFox, NB-IoT ou LTE-M.

Segurança ambiental

Os sensores ambientais são usados para monitorar canais, parques e espaços verdes públicos, e os dados dos sensores podem ser usados para identificar espaços que requerem limpeza ou proteção. Esses sensores ambientais também são usados para rastrear as condições ambientais em locais em toda a cidade, como temperatura, umidade, precipitação e, sobretudo, qualidade do ar.

Os sensores ambientais geralmente são lançados por meio da inclusão de componentes adicionais nos sensores para ampliar os recursos dos nós de origem dos sensores inteligentes dentro da rede de conectividade LoRa, SigFox, NB-IoT ou LTE-M, podendo ser fornecida por redes públicas ou privadas, ou pelas plataformas de iluminação pública. Em uma rede típica, os nós dos sensores inteligentes são dispositivos baseados em microcontrolador de baixo uso de energia, ativados por baterias ou células solares e conectados por meio de diversos topologias e protocolos de comunicação.

Em um ambiente urbano, redes de sensores wireless são propensas à interferências geradas pelas condições climáticas, como chuva e neblina, e por superfícies refletoras nos prédios e na água que causam interferência no sinal como resultado da evasão por caminhos múltiplos quando o sinal apresenta vários caminhos. Já com a utilização de sensores conectados por meio de redes como LoRa, SigFox, NB-IoT ou LTE-M esses problemas podem ser mitigados, resultando em sistemas mais estáveis e com menor propensão de interferências de fatores externos, como em redes wireless.

Os sensores de qualidade do ar ajudam a solucionar os problemas de poluição do ar que muitas cidades enfrentam, causados por emissões veiculares ou industriais. As emissões podem ser monitoradas diretamente por meio de sensores de CO2 instalados nos veículos. Os dados coletados dos sensores de qualidade do ar que estão conectados a redes de conectividade por meio de gateway aos serviços de nuvem que analisam os dados. Os dados coletados são analisados em lotes de dados para fornecer um relatório histórico e insights, mas a análise também pode ocorrer em tempo real usando os serviços de análise de fluxo que são oferecidos pelas plataformas de IoT. Esses serviços permitem que os incidentes de qualidade do ar sejam previstos por meio da análise em tempo real dos dados dos sensores, o que permite gerar avisos antecipados para que as pessoas possam evitar as áreas mais poluídas, ajudando a melhorar a saúde e o bem-estar dos cidadãos que moram ou trabalham em áreas afetadas. A análise dos dados de qualidade do ar acoplados aos dados de emissão também pode ser usada para rotear novamente o tráfego para impedir o aumento das emissões nessas áreas da cidade.

Gerenciamento de resíduos

O gerenciamento de resíduos é outra área na qual os dados dos sensores são usados para reduzir os custos e melhorar a eficiência em uma cidade conectada. Os sensores podem ser adequados aos processos de descarte de resíduos existentes. Por exemplo, as cidades conectadas podem conectar sensores inteligentes baseados em células aos recipientes de coleta de lixo para que a rota de coleta dos caminhões possa ser planejada somente quando esses estiverem cheios, além disso, é possível usar algoritmos de visão computacional em feeds de câmeras para identificar áreas em que há acúmulo de lixo, onde mais recipientes de lixo precisariam ser instalados.

Em Chicago, o monitoramento de onde havia acúmulo de lixo e a integração dos dados sobre o clima e a localização de prédios vazios permitiu uma análise de dados que ajudou a prever onde os ratos estavam fazendo ninhos para que as autoridades pudessem dedetizar as áreas antecipadamente. Essa implementação resultou na redução do número de ratos e em uma economia de custo de 20% em relação à abordagem de dedetização anterior que ocorria após o registro de reclamações.

Em implementações de cidades conectadas de crescimento sustentável, como a cidade de Songdo na Coreia do Sul, os resíduos podem ser processados de forma ainda mais eficiente eliminando também a coleta manual de lixo. Em Songdo os cidadãos precisam identificar os diferentes tipos de lixo com etiquetas inteligentes RFID codificadas e usar um leitor integrado ao sistema de descarte de lixo pneumático automatizado para que cada tipo de lixo seja descartado sem nenhuma coleta manual e sem a necessidade de uma classificação secundária, para que ele seja processado separadamente e enterrado, reciclado ou queimado como combustível com base nos dados codificados na etiqueta.

Nova York adotou o projeto começando no centro de Manhattan, onde mais de 170 dos compartimentos “inteligentes” movidos a energia solar de Bigbelly já foram instalados. Cada contêiner é equipado com um chip que detecta quando a caixa está cheia ou com muito mau cheiro, permitindo que os coletores de lixo façam uma coleta onde são mais necessários. Mas a cidade achou que a caixa já de alta tecnologia ainda poderia usar uma atualização.

Transporte

As cidades conectadas melhoram a experiência de transporte das pessoas por meio da análise dos dados dos sistemas de relatório de vias, incluindo sensores de vias, câmeras de vídeo nas laterais das vias e avisos de velocidade variáveis. A aplicação de tecnologias de IoT para resolver problemas de transporte envolve enviar os dados reunidos dos sensores aos serviços de análise para produzir insights acionáveis que são usados diretamente para acionar os atuadores conectados aos dispositivos inteligentes, como sinais de trânsito adaptáveis, ou aplicados indiretamente, para informar decisões sobre políticas e aperfeiçoar os processos. Em Songdo, essa solução envolve o monitoramento de dados de localização geográfica de rastreadores de GPS e de etiquetas RFID em veículos, analisando o progresso dos veículos para detectar incidentes ou congestionamentos e, em seguida, ajustar diretamente os sinais de trânsito em tempo real para controlar o fluxo do tráfego e reduzir atrasos.

Os sinais de trânsito adaptáveis têm sido adotados em cidades no mundo todo, incluindo Sydney, Nova Jersey, Toronto, Patras, Barcelona e Londres. A análise histórica dos dados de sensores de tráfego e de vias também pode ser usada para ajustar os limites de velocidade e os pedágios, o que permite manipular o fluxo de tráfego em longo prazo. Além de serem usados para rotear o tráfego para desviar de acidentes, os sensores também relatam as condições das vias e pontes para que a manutenção possa ser planejada quando necessário.

Os dados de relatório de vias provenientes dos sensores e das câmeras podem ser usados para gerenciar o estacionamento na rua. Por exemplo, os dados podem ser publicados por meio de aplicativos móveis de estacionamento inteligente que exibem as vagas de estacionamento disponíveis, encaminham o motorista diretamente para a vaga mais próxima disponível e gerenciam o pagamento das taxas de estacionamento para diminuir a dificuldade de estacionar.

O transporte público também pode ser melhorado de forma adaptável, usando dados de uso provenientes de sistemas inteligentes de emissão de tickets e horários de rota provenientes de sensores e rastreadores de GPS integrados aos veículos. Soluções de IoT podem fornecer relatório em tempo real sobre a disponibilidade do serviço e sobre atrasos para os passageiros que estão esperando em estações e paradas. Ela também pode ajustar as tabelas de horários em longo prazo para refletir de forma mais precisa os horários registrados e usar análises para prever a demanda de diferentes serviços em diferentes horários do dia e, assim, ajustar os horários ou introduzir serviços adicionais para melhorar a eficiência.

Gestão de emergência e cumprimento da lei

Os dados das redes de sensores fornecem visibilidade em tempo real do que está acontecendo na cidade para que a lei seja cumprida e para que os responsáveis por responder às emergências tomem decisões melhores. Esse reconhecimento de situação pode ser usado para fazer previsões diárias, para planejamento e análise de hipóteses e, em momentos de crise, para ajudar com respostas rápidas a incidentes. Por exemplo, os sensores de vias que monitoram o tráfego podem ser usados em circunstâncias comuns para desviar os veículos de cumprimento da lei do congestionamento (em alguns países). Ou, em uma situação emergencial, como uma enchente, os mesmos dados do sensor indicam quais vias estão com acesso limitado ou impedido (tráfego menor que o comum) e também podem ser usados para priorizar quais áreas devem ser evacuadas e quais vias devem ser bloqueadas para reparo posterior. O caso de Buenos Aires que sofreu por longos anos os efeitos dos alagamentos resolveu o problema da cidade implementando em 2013 cerca de 30 mil sensores de fluxo e vazão em galerias e bueiros na cidade, eliminando 100% os problemas de alagamentos e reduzindo drasticamente os custos com manutenção e limpeza desses sistemas pluviais.

A rede de sensores que abrange toda a cidade conectada à infraestrutura, seja ela de redes inteligentes ou de iluminação inteligente geralmente inclui câmeras que podem ser usadas para monitorar a disponibilidade das vagas de estacionamento ou para detectar a presença de pessoas e ajustar os níveis de iluminação. Essas câmeras também podem ser usadas pelos órgãos de cumprimento da lei para vigilância por meio da aplicação de pesquisa de vídeo e de ferramentas de análise aos feeds brutos da câmera. Esses dados das câmeras e dos sensores, combinados com outras fontes, como o conteúdo das redes sociais, pode ser analisado usando técnicas de aprendizado de máquina e de inteligência artificial para prever quando algum crime pode estar prestes a ocorrer e se tiver por exemplo sensores de disparos de arma de fogo espalhados pela cidade é possível detectar inclusive onde ouve esses disparos, como por exemplo analisando os resultados do projeto implementado em várias cidades dos Estados Unidos usando a solução da ShotSpotte.

Primeiros passos para criar cidades conectadas

Conforme as cidades conectadas amadurecem, elas precisam se dimensionar e evoluir rapidamente para atender às mudanças nos requisitos dos cidadãos. Os desafios contínuos das cidades conectadas maduras incluem integração, proteção para o futuro e avaliação de impacto.

Mais da metade da população mundial vive em áreas urbanas. À medida que as áreas urbanas se expandem e mais cidades adotam a IoT, aumenta a probabilidade de que as cidades conectadas se expandam para regiões conectadas e áreas conectadas ainda maiores. Assim, as cidades conectadas podem incluir dados e serviços de um escopo de IoT maior, por exemplo, de educação e assistência médica inteligente.

As tecnologias usadas para implementar as cidades conectadas precisarão ser atualizadas ao longo do tempo para as mais recentes, para que elas acompanhem as correções de segurança e os aprimoramentos de desempenho mais recentes. Além disso, à medida que as cidades conectadas crescerem, elas desejarão aproveitar as novas tecnologias e os novos processos de negócios que ficarem disponíveis, por exemplo, o uso de drones aéreos para entregas do varejo, realidade que a China já está implementando ao vermos os mais de 10 mil aeroportos sendo construídos para atender toda uma rede de entrega via Drones. Além dos Drones com capacidade de carga de 1 tonelada que entram em operação em 2020, pela gigante do comércio eletrônico a JD.COM. Ou a Amazon Prime que já fornece esse serviço nos Estados Unidos.

A maneira que os cidadãos interagem com os dispositivos de IoT e suas expectativas de comportamento na cidade conectada serão inevitavelmente alteradas ao longo do tempo, com a evolução do estilo de vida e da cultura. As implementações das cidades conectadas precisarão ser alteradas para refletir esses requisitos.

Em todo esse processo, as infraestruturas e as tecnologias legadas precisarão ser mantidas, modernizadas e ampliadas. Algum grau de proteção para o futuro será necessário para permitir a ampliação e a manutenção da solução ao longo do tempo. Por exemplo, as cidades devem prestar atenção às melhores práticas do mercado, como a adoção de uma abordagem de microserviços para projetar a arquitetura da plataforma da cidade conectada e o uso de serviços acoplados e de APIs em relação à tecnologia. Assim, os serviços podem ser atualizados de forma independente e incremental. Além disso, as soluções de IoT devem ser projetadas visando flexibilidade e escalabilidade. No entanto, a IoT avança rapidamente, portanto, é melhor direcionar-se pelos requisitos dos cidadãos em vez de tentar antecipar os requisitos de um futuro mais distante.

As iniciativas das cidades conectadas também devem estar preparadas para usar os dados históricos coletados dos sensores inteligentes para demonstrar de que forma eles estão progredindo em busca da resolução dos problemas que eles devem resolver por meio do aplicativo ou das tecnologias de IoT. Isso envolve a quantificação da economia de tempo e custo ao longo do tempo e a descrição e a avaliação de KPIs relacionados à melhoria da sustentabilidade, da redução do congestionamento de tráfego, da melhoria dos tempos de resposta de emergência, do aumento do engajamento do cidadão e assim por diante. Demonstrar a efetividade da solução é geralmente uma pré-condição para proteger os investimentos contínuos e a aprovação da comunidade. As plataformas de IoT fornecem serviços analíticos e ferramentas de visualização que podem auxiliar nesse processo.

A implementação de cidades conectadas é um processo longo. Os benefícios das cidades conectadas talvez não sejam imediatos e, a princípio, há uma grande probabilidade de que eles sejam incrementais. No entanto, no longo prazo, as eficiências e a economia de custo alcançadas por meio da aplicação da IoT nos cenários urbanos permitirão que as cidades dimensionem a infraestrutura municipal e aumentem a sustentabilidade, oferecendo benefícios econômicos significativos.

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Fonte: LinkedIn