Sistemi intelligenti per l’illuminazione delle Smart Cities

Questo articolo è una panoramica sui sistemi intelligenti di illuminazione pubblica basati su architetture di gestione intelligente per economizzare i costi di illuminazione e mantenere il massimo comfort visivo nelle zone pubbliche delle città. Per realizzare la gestione intelligente dell’illuminazione si fondono varie tecniche statistiche e algoritmi di intelligenza artificiale come le reti neurali artificiali, sistemi multi-agente, algoritmi EM e approcci di progettazione orientati ai servizi. Inoltre, utilizzando un’architettura modulare, completamente adattabile agli attuali sistemi di illuminazione, è possibile raggiunge l’ottimizzazione in termini di consumo energetico e di riduzione dei costi energetici.

 

Introduzione

Il concetto di Smart Cities (o città intelligenti) è una tendenza sempre più comune nei progetti basati sulla tecnologia. L’equilibrio tra ambiente e risorse naturali è una chiave di questi paradigmi che mirano ad aumentare il comfort nella vita quotidiana di cittadini e istituzioni applicando pratiche di sviluppo sostenibile. Uno degli obiettivi dei sistemi sviluppati nell’ambito del concetto di Smart Cities è quello di applicare nuove tecnologie per ottenere uno sviluppo economico sostenibile e fornire una migliore qualità della vita. Un sistema di illuminazione distribuito facilita l’implementazione di una nuova infrastruttura in una città; in altre parole, un’architettura modulare si adatta perfettamente ai sistemi di illuminazione esistenti di una città e, di conseguenza, ottimizza i consumi energetici e i relativi costi. Il tema dell’efficienza energetica è fondamentale non solo per ridurre i costi energetici, ma anche per promuovere la sostenibilità ambientale ed economica. Una delle spese maggiori che i governanti comunali devono contemplare è la bolletta energetica dell’illuminazione. I progressi tecnologici negli impianti di illuminazione esterna, unitamente al loro uso intelligente, consentiranno di ridurre i consumi elettrici complessivi.

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L’obiettivo è di realizzare un sistema in grado di centralizzare il controllo e la gestione intelligente dell’illuminazione stradale al fine di ridurre i costi di illuminazione e mantenere il massimo comfort visivo nelle aree illuminate. Ciò servirà ad evitare un’illuminazione eccessiva delle aree, in quanto spesso non è necessario mantenere la massima intensità luminosa per fornire un servizio ottimale. L’architettura di un sistema orientato alla gestione centralizzata di un impianto di illuminazione intelligente può essere ideata considerandola costituita da due unità. Una unità responsabile della gestione diretta delle varie installazioni e pannelli di controllo operante a livello di comunicazione con ciascun sito periferico, ottimizzando la capacità di controllare e monitorare ogni struttura e apparecchio di illuminazione quasi in tempo reale. A tal fine, il sistema deve fornire un’interfaccia di servizio a cui è possibile accedere per ogni installazione utilizzando un’interfaccia standardizzata, indipendente dalla tecnologia e dall’hardware di ciascuna installazione. L’obiettivo principale della seconda unità sarà quella di gestire il programma di illuminazione e il consumo di ogni installazione. Un “piano luce” è definito come il livello di emissione luminosa per ogni installazione disponibile periodicamente. In pratica, deve essere possibile stabilire questo piano di illuminazione programmando le preferenze dell’utente o osservando diversi fattori ambientali determinanti per stabilire di volta in volta il livello di luminosità appropriato per ogni sito. Pertanto, devono entrare in gioco diversi fattori: un orologio astronomico, il tempo e il traffico e il flusso dei pedoni. Inoltre, dovrebbe essere possibile prevedere il consumo in base ai modelli di luce assegnati a ciascuna zona, a seconda della tariffa economica. Per gestire questi vari elementi, il sistema combina diverse tecniche statistiche e di intelligenza artificiale. La combinazione di queste tecniche rende il sistema innovativo in termini di ottenimento di qualità d’illuminazione e di una previsione intelligente dei consumi e dei costi. La parte innovativa del sistema basato su tale architettura è la combinazione di questi metodi in un flusso funzionale che può ottenere automaticamente programmi di illuminazione intelligenti basati su dati di input come il traffico di pedoni, previsioni meteo o costo del consumo associato alle apparecchiature impiegate.

Illuminazione Intelligente per una Città Intelligente

Il concetto di città intelligenti, ambienti intelligenti o case intelligenti, sta sempre più emergendo nella nostra società. Una delle tante definizioni di città intelligenti è: “L’uso delle tecnologie intelligenti per rendere ai cittadini servizi più intelligenti, interconnessi ed efficienti, includendo l’amministrazione, l’istruzione, l’assistenza sanitaria, la sicurezza pubblica, la sicurezza immobiliare, il trasporto e le utenze”. Sembra chiaro che lo scopo delle città intelligenti è uno sviluppo economico sostenibile sulla base di nuove tecnologie per fornire una migliore qualità della vita e una gestione prudente delle risorse naturali attraverso il coinvolgimento di tutti i cittadini. Realizzare una città “intelligente” è uno degli obiettivi della ricerca attuale più spesso identificati come una strategia per mitigare i problemi causati dalla rapida crescita delle popolazioni urbane. Problemi come la mancanza di risorse, l’inquinamento, la congestione del traffico e il deterioramento delle infrastrutture, sono alcuni dei molti problemi che sono sempre più affrontati dalle grandi popolazioni urbane. Entro i campi relativi all’efficienza energetica, sempre più città in tutto il mondo sono impegnate nello sviluppo di progetti pilota come lo stoccaggio di energia in batterie per l’uso in edifici, illuminazione stradale e trasporto elettrico promuovendo l’uso di auto elettriche, ecc. Un altro esempio è un programma che mira ad implementare una rete di misuratori intelligenti, integrare automobili elettriche, aumentare l’efficienza energetica negli edifici, organizzare il traffico, ecc.

Alcune ricerche hanno affrontato la questione dell’efficienza energetica utilizzando applicazioni specifiche, come ad esempio l’approccio sistematico alla modellazione, all’ottimizzazione, al controllo e all’adattamento di un sistema di controllo dell’illuminazione con LED a colori. Attraverso il feedback del sensore di luce, il sistema di controllo è in grado di ottenere notevoli risparmi energetici senza sacrificare sostanzialmente la qualità dell’illuminazione. Le tecniche chiave utilizzate sono basate su metriche del colore dei LED e tenendo conto del consumo luminoso e dell’energia impiegata per i sistemi di illuminazione a LED. Per progettare e controllare un sistema di illuminazione esterna si possono anche impiegare metodi formali per realizzare un modello grafico, accompagnato da vari mezzi di controllo, compresi i metodi basati sull’intelligenza artificiale. In questo caso, il lavoro è focalizzato solo sulla fase di progettazione e sulla fase di controllo per funzioni come il controllo dinamico basato su sensori, gli stati di illuminazione multipli e le geometrie complesse. Ci sono anche alcuni strumenti già sviluppati che integrano sensori di temperatura, di luce ambientale, di potenza e di rilevamento delle immagini che consentono la gestione remota dell’illuminazione, il rilevamento dei guasti e la pianificazione dei modelli di illuminazione che regola l’illuminazione basata su sensori di presenza mantenendo la luminosità minima nelle ore inattive. In Figura 1 viene mostrato un pannello di telecontrollo per il controllo da remoto di un sistema Smart Lighting.

 

Figura 1 – Telecontrollo di un sistema Smart Lighting (Greenled industry)

Il controllo da remoto, o telecontrollo, di un sistema di illuminazione, indipendentemente dal particolare sistema o architettura utilizzata, consente una gestione intelligente ottimizzando il consumo e il suo associato costo. Un’architettura adattiva consente il controllo centralizzato di numerose installazioni di illuminazione pubblica. In particolare, consente un controllo intelligente distribuito e in tempo reale in base alle tecniche predittive e di analisi dell’illuminazione.

Architettura di un sistema Smart Lighting pubblico

Un sistema di illuminazione intelligente mira a impostare la gestione intelligente di tutta l’illuminazione pubblica, compreso il monitoraggio e il controllo in tempo reale delle luci, e a stabilire schemi di illuminazione che si adattino all’uso degli impianti stradali e autostradali pubblici. Una tipica architettura rispondente ai requisiti funzionali di un tale sistema è composta principalmente dal software di controllo e dall’insieme degli impianti di illuminazione pubblica accessibili via internet. I servizi includono hardware speciale per il controllo globale e individuale di ogni apparato, mentre la comunicazione tra i dispositivi avviene tramite PLC. Il software di controllo è composto da vari moduli: il livello di astrazione hardware consente la comunicazione con le strutture indipendentemente dall’hardware sottostante; il server di gestione contiene sia la gestione dei dispositivi che algoritmi intelligenti per una gestione efficiente dell’energia; il modulo “sorgente dei dati” acquisisce informazioni relative al flusso di pedoni e traffico, dati meteorologici e dati sul monitoraggio della struttura; il modulo “Analisi dati” si occupa dello studio delle informazioni raccolte per la rilevazione dei modelli di traffico pedonale, la gestione delle reti neurali per prevedere i consumi dalle intensità luminose, e le stime dei consumi online; infine, il modulo “Generatore di schemi di luminosità” consente la creazione di un’adeguata pianificazione della luce adatta all’illuminazione specifica della struttura in base agli standard di flusso pedonale e alle condizioni meteorologiche di ciascun caso; il modulo “Applicazione web” fornisce l’accesso a tutte le funzionalità per la configurazione dei programmi di illuminazione, il monitoraggio e il telecontrollo delle strutture. In Figura 2 un esempio di schema funzionale di un sistema Smart Lighting controllato via internet.

Figura 2 – Esempio di schema funzionale di un sistema Smart Lighting (http://www.smartlightingproject.it/)

Conclusioni

Un sistema di illuminazione pubblica intelligente realizzato con un’architettura modulare basata su tecniche e tecnologie avanzate è in grado di impostare programmi di illuminazione per tutti gli impianti di illuminazione controllati da remoto. Di conseguenza, ciò contribuisce al risparmio energetico ottenuto regolando selettivamente l’intensità della luce secondo necessità. L’utente può definire i propri schemi di illuminazione riferendosi alle ore durante le quali le luci sono accese e al livello di luminosità. Allo stesso modo, è possibile assegnare diversi schemi di luce per ogni giorno. Inoltre, non solo è possibile stabilire il programma di illuminazione in base alle preferenze dell’utente, ma il sistema deve disporre dei necessari dati per regolare automaticamente i livelli di illuminazione in base al flusso di traffico pedonale calcolato per ciascuna zona della città. Per raggiungere questo obiettivo, il sistema deve basarsi su informazioni storiche del flusso di personi e classificare i giorni per applicare idonei modelli di flusso pedonale/traffico. Sulla base di questi schemi, il sistema stabilisce un progetto illuminotecnico appropriato per ogni tipo di giornata. In questo senso, si possono applicare tecniche e algoritmi dell’intelligenza artificiale e processi che fondono tutto insieme per determinare il programma di illuminazione ottimale finale. Oltre ad architetture dedicate ai moderni impianti di illuminazione a LED, almeno fino alla completa modernizzazione delle città, è ancora importante l’adozione di un’architettura completamente adattabile ai tradizionali sistemi di illuminazione della città per ottimizzare la disponibilità di luce e il consumo di energia e i relativi costi.

 

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