Comunicación presentada al V Congreso Edificios Inteligentes
Autores
- Ismael Torres, Ingeniero I+D, Prodevelop
- Dr. Félix Jesús Villanueva, Profesor Contratado Doctor, Universidad de Castilla-La Mancha
- Javier Sánchez, Ingeniero I+D, Answaretech
- Carlos Jiménez, Project Manager I+D, Abalia Consulting
Resumen
El proyecto CitiSim proporciona una plataforma inteligente y abierta para la ciudad y sus edificios, que da soporte para la digitalización tanto de servicios tradicionales (iluminación, gestión de residuos, agua, etc.) como de nuevos servicios basados en TIC y datos IoT en tiempo real. Con esta visión, CitiSim proporciona un entorno para el desarrollo y despliegue de servicios de valor añadido. En el presente artículo, se detalla cómo la visualización 3D y la realidad aumentada tienen un papel clave dentro de CitiSim, a la hora de monitorizar y gestionar edificios inteligentes integrados en el marco de una ciudad de una manera revolucionaria e intuitiva, tanto para los usuarios como para los gestores de las instalaciones
Palabras clave
CitiSim, 3D, Realidad Aumentada, IoT, I+D+i, Edificio Inteligente, Ciudad Inteligente
Introducción
El plan nacional de territorios inteligentes [1] define 5 áreas de intervención prioritarias, siendo los objetos internos de ciudad una de ellas. Se entiende como objeto interno a los edificios, puertos, aeropuertos y estaciones. En relación con los edificios, se ha definido una norma nacional de edificio inteligente (UNE 178108). Esta iniciativa abre un nuevo mercado en la industria, que contará con un modelo que define la relación de los edificios con la ciudad, e identifica los datos que deben intercambiarse para poder interactuar y ofrecer mejores servicios a los ciudadanos y a los usuarios de las ciudades. Los edificios pueden ser definidos como elementos que impactan en los servicios públicos sin ser parte de estos, en cierto modo los edificios pueden verse como Nodos IoT.
La información básica que pueden proporcionar los edificios es: Información general, información sobre consumos, mediciones de sustentabilidad y servicios para la gestión de eventos y crisis.
El presente trabajo se enmarca en un contexto de evolución hacia la era digital, donde se han creado numerosas herramientas y mejoras tecnológicas que dirigen a la sociedad hacia un ecosistema inteligente, monitorizado y controlado. De hecho, hoy en día se han desarrollado numerosas plataformas orientadas a la solución de los problemas existentes en las ciudades (tráfico, contaminación, movilidad, energía…); sin embargo, la gran heterogeneidad entre los servicios, tecnologías y protocolos dificulta la sinergia de todos ellos. Y ahí es donde CitiSim plantea una solución basada en la innovación y la colaboración.
Plataforma CitiSim
¿Qué es CitiSim?
CitiSim surge de un proyecto de I+D+i formado por un consorcio internacional. Bajo el sello de ITEA3, incluye a seis socios industriales y a 3 universidades, todos ellos con experiencia relevante en las diferentes disciplinas requeridas.
CitiSim es una plataforma de servicios inteligentes que ofrece información de valor sobre multitud de variables de carácter urbano, y cuyo conocimiento impacta directamente en un amplio espectro de usuarios con diferentes intereses.
En ese sentido, CitiSim aparece ante la necesidad de una plataforma global que pone a disposición de los desarrolladores mediante interfaces abiertas y bien conocidas servicios específicos que toda ciudad debe poner a disposición de los ciudadanos y de las empresas para un mayor desarrollo territorial inteligente. Por tanto, la gestión de edificios inteligentes resulta en una clara aplicación dentro del ecosistema CitiSim, donde la plataforma se orienta a crear una e-infraestructura para la gestión de esos edificios inteligentes. Se crea así un entorno para el desarrollo y despliegue de servicios con herramientas estándares y comunes y, del mismo modo, se establecen los conceptos de realidad aumentada y 3D para la interpretación de la información recogida.
Las principales aportaciones técnicas de CitiSim son:
- Integración de múltiples fuentes de datos para una monitorización continua en una plataforma única.
- Una plataforma definida por sus servicios, protocolos y herramientas para apoyar el desarrollo avanzado de servicios inteligentes.
- Una herramienta de visualización 3D para monitoreo y control de edificios inteligentes.
- Un marco de simulación a gran escala para apoyar el proceso de decisión estratégica y táctica.
- La homogeneización de un marco de referencia para la definición y desarrollo de servicios de valor añadido.
- Una creciente comunidad abierta en torno a CitiSim para la diseminación y explotación de resultados.
Arquitectura
La arquitectura de CitiSim da soporte a la integración de cualquier tipo de servicio desarrollado por el edificio/ciudad proporcionando acceso a la información en tiempo real del edificio. Se trata de una arquitectura totalmente distribuida, escalable y orientada a facilitar el desarrollo de servicios avanzados sobre ella (multilenguaje, multiplataforma, de fácil despliegue y administración, etc.).
Existen tres capas bien diferenciadas en la arquitectura:
- La primera de ellas es lo que denominamos núcleo de la arquitectura (ver Figura 7), y que representa el conjunto mínimo de servicios que se deben desplegar de cara a obtener una instancia útil de CitiSim. Está formado por:
- Un servicio de gestión de eventos distribuidos: Permite publicar y obtener eventos de acuerdo con el modelo de datos definido para CitiSim; este modelo incluye información IoT y eventos generados por parte de servicios a partir de la información básica. La información se clasifica en canales de eventos, habiéndose definido un conjunto de eventos atendiendo a la funcionalidad de la información (energía, temperatura, ocupación de espacios, calidad del aire, accesos, etc.). Este servicio se implementa de forma federada (eficiencia) y con réplicas (fiabilidad).
- Servicio de persistencia: Está directamente asociado a un servicio de gestión de eventos distribuidos y se ocupa de almacenar automáticamente toda la información volcada en dichos canales a una base de datos. Esta base de datos permite llevar un registro histórico de lo que ha pasado en el edificio y generar informes analíticos, así como reproducir eventos para simular información y probar nuevos servicios.
- Servidor de propiedades: Alberga información de la infraestructura TIC del edificio relativa a los sensores/actuadores desplegados, p. ej. posición en el caso de los sensores estáticos, precisión, modelo, marca, etc.
- Servicio de localización: Almacena la estructura física del edificio y sus coordenadas indoor/outdoor relativas y absolutas.
- Servicio de configuración y descubrimiento de servicios: Permite a los nuevos nodos desplegados integrarse en la plataforma con una filosofía Place & Play obteniendo referencias a los principales puntos de acceso al servicio de la instancia de CitiSim donde se integran.
- Por encima de la capa núcleo o core, tenemos capa de conocimiento que permite modelar el edificio usando técnicas de inteligencia artificial “common sense”. Este módulo tiene una componente de investigación importante con dos objetivos principales. El primero es la composición automática de servicios de cara a implementar edificios auto adaptativos, p. ej. debe ser capaz de inferir que, ante el fallo de un sensor de presencia, una cámara de seguridad y un algoritmo de detección de movimiento proporcionan la misma interfaz. El segundo es la contención de daños y evacuación de personas en situaciones de emergencia, pudiendo modelizar la estructura física y la infraestructura TIC, así como sus interacciones.
- La tercera capa es la de Adquisición/interconexión de CitiSim con dominios de referencia en el ámbito de los edificios inteligentes. El adaptador MQTT nos permite tener acceso a multitud de sensores que utilizan este protocolo e integrarlos fácilmente. El adaptador Apache Kafka, nos permite utilizar su ecosistema de procesamiento Big Data y visualización para facilitar el desarrollo de servicios de análisis de cantidades masivas de datos en tiempo real.
La implementación actual arquitectura de CitiSim toma como punto de partida el middleware Internet Communication Engine (ICE) de la empresa ZeroC. Este middleware, con licencia dual, es probablemente uno de los middlewares RPC más eficientes y con más flexibilidad del mercado.
Servicios de Valor Añadido
CitiSim se presenta como una plataforma global de servicios inteligentes, convirtiéndose en el marco de referencia para infinidad de servicios de valor añadido, ya sea a nivel de ciudad inteligente o, en este caso concreto, enfocados a la gestión de edificios inteligentes. En cualquier caso, el resultado supone un beneficio directo a nivel de experiencia real del ciudadano y a la hora de desarrollar nuevas formas de negocio de soluciones y servicios profesionales para empresas. De igual forma, CitiSim se convierte en una plataforma óptima para gerentes de edificios, haciendo que sus inmuebles se revaloricen y se posicionen en un lugar privilegiado en el mercado gracias a la innovación aportada por CitiSim.
Desde servicios ligados a ahorro de costes, enfocados a la eficiencia energética, así como la detección de fugas de agua o la gestión óptima de residuos, iluminación y otras infraestructuras comunes, CitiSim es también la puerta de entrada a servicios de seguridad y salud, tales como controles de acceso, detección de incendios, escapes de gas y fallos eléctricos e incluso de prevención y ayuda a la evacuación en caso de emergencia. Asimismo, CitiSim permite aprovechar la inteligencia colectiva de los usuarios del edificio, por ejemplo, para reportar averías o situaciones de riesgo, pudiendo ser registradas por una plataforma común interconectada que automáticamente escala la incidencia al servicio correspondiente, minimizando tiempos de respuesta y, llegado el caso, evitando problemas mayores.
CitiSim se convierte, por tanto, en un ecosistema totalmente modular en el cual se pueden crear y convivir fácilmente plataformas y servicios inteligentes de terceros de forma colaborativa.
Tecnología 3D
El modelado de información de edificios (BIM), es el proceso de generación y gestión de representaciones digitales de las características físicas y funcionales de los lugares o edificios utilizando software dinámico de modelado de edificios en 3D y en tiempo real, para optimizar la gestión de los mismos durante su ciclo de vida (diseño, construcción y operación). El concepto BIM abarca la geometría del edificio y las infraestructuras físicas, tales como agua, basura, electricidad, gas, servicios de comunicaciones, carreteras, ferrocarriles, puentes, puertos y túneles. Pero el concepto de BIM ha ido evolucionando y ahora también incluye infraestructuras digitales y datos provenientes de sensores y dispositivos instalados en el edificio (IoT) y de servicios externos (Smart cities). La interacción de los edificios con su ciudad y viceversa es un punto clave a la hora de tener más información y gestionar mejor los edificios, prueba de ello es el nuevo plan nacional de territorios inteligentes.
CitiSim usa la tecnología 3D para representar información de infraestructuras (edificios, calles, aceras, áreas verdes y mobiliario urbano) junto con información en tiempo real proveniente de dispositivos instalados en edificios, plataformas de ciudades inteligentes, servicios de valor añadido y servicios externos como por ejemplo un servicio meteorológico y un servicio sismológico. Una de las ventajas de CitiSim es que nos abstrae del origen y tipología de las fuentes de datos, y nos permite integrar fácilmente diversas fuentes de datos, es decir, podemos integrar datos provenientes de diferentes fabricantes y que usen diferentes protocolos de comunicación.
Para la renderización de gráficos en 3D dentro de un visor web usamos WebGL que es una especificación estándar que define una API implementada en JavaScript. Por otro lado, los modelos de los edificios son definidos por medio de IndoorGML. En la Figura 6. Edificio ITSI – Modelado 3D con sensores se muestra un ejemplo en 3D de un edificio con algunos de los sensores disponibles. El usuario puede interactuar con los mismos para ver la última lectura de un sensor y unas gráficas con las lecturas de las últimas horas.
Algunas de las ventajas de los modelos 3D es que se pueden girar para observar diferentes perspectivas y recoger vistas adicionales. También se puede jugar con la opacidad de las diferentes capas de información para ver de un solo vistazo lo que está ocurriendo detrás de las paredes. Además, permite sobreponer informaciones de diferentes tipos: geometría edificios, infraestructuras, sensores. Se pueden definir modelos y visualizaciones por cada uno de los servicios disponibles en un edificio, por ejemplo, si el edificio dispone de un servicio de gestión de incidencias. Estas se pueden visualizar en 3D para que sea más fácil llevar su gestión por parte de los empleados de mantenimiento del edificio.
Otro uso interesante del modelado 3D es su uso para la gestión de crisis, como por ejemplo en caso de terremotos o incendios, ya que nos ayuda a monitorizar el área afectada y evaluar las situaciones de peligro sin tener que entrar en el edificio.
Realidad aumentada
Cuando nuevas tecnologías surgen, todas las áreas de negocios buscan la manera de integrarlas en sus productos y servicios con el fin de actualizarse y comprobar cómo estas nuevas capacidades se adaptan a su contexto. La realidad aumentada no es una excepción de esa manera de proceder y aunque muchos campos intentan aplicarla sin aún obtener resultados positivos, es en el campo de la industria, la construcción y la gestión de espacios donde esta tecnología tiene su mayor potencial. Siendo más específicos, en el sector de los edificios inteligentes ofrece grandes ventajas y comodidades en la actualidad, que afectan tanto a los residentes en el edificio como a los profesionales de mantenimiento y construcción de este.
Como principales aliados para el desarrollo de soluciones enfocadas a Edificios Inteligentes encontramos: realidad aumentada, inmótica, IoT y Big Data. Estas tecnologías juntas son capaces de ofrecer un control e interfaz sin igual frente a problemas y situaciones diarias gracias al análisis de datos, la automatización y las nuevas interfaces de usuario.
A continuación, se exponen las ventajas del uso de la Realidad Aumentada en edificios inteligentes diferenciados por usuarios objetivo:
- Usuario residencial. Obtendrían un gran control sobre los dispositivos de su hogar, siendo capaces de realizar tareas tan diversas como encenderlos y apagarlos, así como controlarlos usando una interfaz común usando sistemas de voz, manos libres o gestuales. Además, ser capaces de monitorizar datos del hogar como la temperatura, el gasto energético del hog, ser capaces de vincular notas e instrucciones a objetos del entorno, etc.
- Usuarios profesionales. Estos usuarios se beneficiarán al utilizar todas las funcionalidades de los usuarios residenciales más la posibilidad de visualizar en tiempo real las instalaciones internas del edificio, para saber la posición del cableado, las tuberías, etc. Por si fuera poco, un acceso a material multimedia de formación desde los dispositivos les permitiría conocer cuál es el método de proceder más adecuado a la hora de construir, montar, reparar y retirar un dispositivo.
- Profesionales de las emergencias. Poseer una versión digitalizada del edificio y tener la realidad monitorizada permite a las fuerzas de seguridad y acción civil, una mejor preparación ante una situación de rescate o peligro, así como la visualización de rutas de escape o seguimiento optimizadas según el estado actual del edificio y sus accesos.
En CitiSim estamos desarrollando, usando el motor Unity, una solución de Realidad Aumentada para HoloLens en la cual se van a añadir funcionalidad tanto para profesional de mantenimiento como profesionales de emergencias, por lo que incluirá también funcionalidades para usuarios residenciales, aunque no completas ni optimizadas.
Caso práctico: gestión de emergencias
Para demostrar la utilidad de CitiSim se ha definido un caso práctico para la gestión de una emergencia provocada por un terremoto, que implica la evacuación de las personas ubicadas en el edificio ITSI usado como piloto y que se encuentra dentro del campus de la Universidad de Castilla-La Mancha. Tanto en el edificio, como en sus alrededores se han instalado una serie de dispositivos (paneles de información digitales, señales inteligentes, sensores, actuadores, etc.).
Se han definido varias rutas de escape para que los usuarios vayan al punto de encuentro en caso de un incidente grave. Las rutas de escape se recalculan en tiempo real dependiendo de la información obtenida de los dispositivos y otros servicios de valor añadido de CitiSim, cómo son el motor de reglas complejas y el servicio de reporting. Las rutas de escape son mostradas a los usuarios a través de los paneles de información y los visores 3D y realidad aumentada. También se hace uso del servicio de megafonía inteligente para dar indicaciones. En la Figura 7 se muestra la ruta de escape usando realidad aumentada, aunque del mismo modo define una ruta para los servicios de emergencia para que localicen a las personas atrapadas en el edificio, que previamente se han identificado por medio de dispositivos Kinect.
Conclusiones
CitiSim pretende situarse a la cabeza de la innovación en el campo de edificios/ciudades inteligentes fusionando los conceptos de análisis, monitorización, visualización e inmersividad en un único entorno tecnológico.
Se ha presentado la plataforma open source de ciudad inteligente CitiSim, que dispone de una serie de funcionalidades de integración y de visualización sobre las cuales se facilita la construcción de servicios inteligentes de valor añadido. En el presente artículo se han descrito dos de los servicios disponibles en la plataforma, como son el uso del 3D y de la realidad aumentada para facilitar la gestión y monitorización de los edificios en tiempo real. Además, se ha descrito un interesante caso práctico que permite ver la utilidad de la plataforma ante situaciones de emergencia.
CitiSim es un proyecto de I+D Europeo, con sello ITEA3, financiado por el Minetur, Subprograma: Acción Estratégica Economía y Sociedad Digital (AEESD) y por el CDTi mediante ayuda Innoglobal.