L’Intelligenza Artificiale nei sistemi d’illuminazione a LED per le Smart Cities

L’evoluzione dei LED al livello di potenza ha apportato un cambiamento rivoluzionario nel settore dell’illuminazione. L’illuminazione a LED è ormai la nuova luce di questo secolo. Essendo fondamentalmente luce allo stato solido, inizialmente varie difficoltà ai progettisti dell’elettronica di potenza. Una piccola variazione di tensione di alimentazione del LED crea una grande variazione di corrente. La tecnica di controllo alla base di questo dispositivo, sia a tensione costante che a corrente costante, è ora ben consolidata. Il prossimo livello di avanzamento per questo sistema d’illuminazione sono le funzionalità intelligenti e l’applicazione dell’Internet of Things (IOT). Il basso tempo di accensione, la facilità di controllo e la diversa capacità di generazione del colore sono fondamentalmente a favore di questa tecnologia incentivata anche dal progresso dei microcontrollori per uso generale a basso costo e dalla tecnologia wireless come il Wifi, BLE, LoRA ecc. tutto ciò ha reso intelligente la tecnologia di illuminazione a LED, candidata ideale per le applicazioni IOT. La luce intelligente è ormai diventata un’esigenza odierna. Ciò ha contribuito all’obiettivo di efficienza energetica e alla riduzione del carico di illuminazione sulla rete. A metà di questo decennio, la grande spinta di strumenti di Intelligenza Artificiale come l’apprendimento automatico, il deep learning e i big data, ha reso quest’area più redditizia per eseguire il “Machine Learning” per l’illuminazione a LED. Le proprietà fisiche della luce, come l’indice di resa cromatica, la temperatura di colore correlata che sono difficili da gestire utilizzando il tradizionale controller, possono essere previste facilmente utilizzando il machine learning. Gli strumenti di intelligenza artificiale ora coadiuvano il progettista dell’illuminazione a ottimizzare i parametri fisici in modo migliore. L’installatore di apparati d’illuminazione può fare una migliore pianificazione, realizzare installazioni senza errori, può servirsi di applicazioni di realtà aumentata e la messa in servizio automatica dell’impianto d’illuminazione. L’utente finale trarrà vantaggio anche dalla correzione tempestiva dell’illuminazione e sarà in grado di comprendere facilmente situazioni di radiazioni luminose dannose. Come noto, ogni tecnologia presenta vantaggi e criticità. L’applicazione dell’intelligenza artificiale ai sistemi a LED presenta delle sfide tra cui la necessità di una possibile più ampia accettazione da parte degli utenti, l’integrità dei dati e la privacy.

In questo articolo viene presentato l’approccio ad un’architettura di un sistema d’illuminazione a LED pubblica per le Smart Cities, ovvero per le future città “intelligenti”.

Introduzione

Il concetto di Smart Cities (o città intelligenti) è una tendenza sempre più comune nei progetti basati sulla tecnologia. Equilibrare l’ambiente e risorse naturali è una chiave pratica e responsabile di questi paradigmi che mirano ad aumentare il comfort nella vita quotidiana dei cittadini e delle istituzioni applicando pratiche di sviluppo sostenibile. Uno degli obiettivi dei sistemi sviluppati sotto il concetto di Smart Cities è applicare nuove tecnologie per ottenere uno sviluppo economico sostenibile e fornire una migliore qualità della vita.

Questo articolo è orientato a descrivere un sistema di illuminazione intelligente a LED di tipo distribuito che consente l’implementazione di una nuova infrastruttura in una città; in altre parole, si tratta di un’architettura che possa essere anche completamente adattabile ai sistemi di illuminazione esistenti di una città e che, di conseguenza, ottimizza i consumi energetici e i costi. Il tema dell’efficienza energetica è fondamentale non solo per ridurre i costi energetici, ma anche per promuovere sostenibilità ambientale.

Una delle spese maggiori che i comuni devono contemplare è la bolletta dell’illuminazione. Progressi tecnologici negli impianti di illuminazione esterna, insieme al loro uso intelligente, consentirà di ridurre i consumi complessivi.

In sostanza, l’obiettivo è quello di realizzare un sistema in grado di centralizzare il controllo e la gestione intelligente dell’illuminazione stradale al fine di ridurre costi di illuminazione e mantenere il massimo comfort visivo nelle aree illuminate. Ciò servirà ad evitare un’illuminazione eccessiva delle aree poiché spesso non è necessario mantenere la massima intensità luminosa per fornire un servizio ottimale.

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L’architettura e la funzionalità di un sistema intelligente di illuminazione di una città è costituita da due parti: una parte responsabile della gestione diretta dei vari impianti e del quadri di comando, con funzione anche di comunicazione con ogni sito, ottimizzando la capacità di controllare e monitorare ogni struttura e apparecchio di illuminazione quasi in tempo reale. A questo fine, questa prima parte dell’architettura 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 base di ogni installazione.

L’obiettivo principale della seconda parte, che può essere definita “l’Intelligence” del sistema, sarà quello di gestire il programma di illuminazione, il consumo e la previsione dei flussi di traffico pedonale per ciascun sito. Inoltre, viene definito un piano luce per pianificare il livello di emissione luminosa oraria per ogni installazione. Deve essere possibile stabilire questo piano di luce programmando le preferenze dell’utente o osservando diversi determinanti fattori ambientali per stabilire il livello di luminosità appropriato per ogni sito in ogni momento. Quindi, diversi fattori devono entrare in gioco: orologio astronomico, meteo e flusso pedonale. 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 con efficienza, il sistema ipotizzato in questo articolo combina diverse tecniche statistiche e di Intelligenza Artificiale (AI) come le reti neurali artificiali (ANN), l’Algoritmo RM, i metodi basati su ANOVA e un Servizio Approccio Orientato (SOA). La combinazione di queste tecniche rende il sistema innovativo in termini di ottenimento di una previsione intelligente dei consumi e dei costi. La parte innovativa di questo sistema è la combinazione di questi metodi in un flusso operativo in grado di ottenere automaticamente programmi di illuminazione intelligenti basati su dati di input come il flusso di pedoni o traffico, condizioni meteorologiche e costo del consumo associato agli apparecchi di illuminazione.

L’Architettura

Il sistema d’illuminazione a LED per le Smart Cities descritto in questo articolo mira a inquadrare la gestione intelligente di tutta l’illuminazione pubblica, compreso il monitoraggio e il controllo in tempo reale delle luci e per stabilire schemi di illuminazione che si adattino all’uso delle installazioni stradali e autostradali pubbliche.

Il sistema è composto principalmente dal software di controllo (Intelligent Street Lighting Software) e dall’insieme degli impianti di illuminazione pubblica accessibili via internet. Le strutture includono hardware speciale per aziende globali e individuali per il controllo di ogni apparecchiatura, mentre la comunicazione tra i dispositivi avviene tramite PLC. Il software di controllo è composto da tre moduli:

• Il livello 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.

La sezione “Fonte dati” acquisisce informazioni relative al flusso di pedoni, 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, gestione delle reti neurali per prevedere il consumo da intensità della luce.

• Il modulo “Generatore di schemi di luminosità” consente la creazione di un’adeguata progettazione della luce adatta all’illuminazione specifica della struttura a seconda degli standard di flusso pedonale e delle condizioni meteorologiche di ogni sito.

Un’applicazione web fornisce l’accesso a tutte le funzionalità per la configurazione dei programmi di illuminazione, il monitoraggio e il controllo delle strutture. In Figura 1 viene illustrato lo schema di principio dell’architettura del sistema d’illuminazione.

Figura 1 – Schema dell’architettura del sistema d’illuminazione

 

L’obiettivo ideale della progettazione dell’architettura del sistema d’illuminazione stradale è quello di garantire affidabilità e fornire un controllo sicuro e stabile senza l’intervento umano. Tuttavia, poiché gli utenti dovrebbero sapere se il sistema funziona normalmente, è necessaria l’interazione tra il sistema e gli utenti. In situazioni specifiche particolari il sistema dovrebbe poter essere controllato manualmente dagli utenti. Il sistema dovrebbe includere la possibilità di eseguire automaticamente (“intelligentemente”) o interagire manualmente in base all’illuminazione utilizzata e alle esigenze specifiche.

Il funzionamento del sistema

La definizione di un’adeguata configurazione illuminotecnica per ogni ambiente è uno degli obiettivi del progetto. Una configurazione di base, o light, si riferisce a un insieme di orari in cui l’area viene illuminata in base ai livelli di luminosità associati a ciascuna ora del giorno. Ciò consentirà di risparmiare sui consumi di illuminazione, mantenendo uno stato di massimo comfort visivo nelle aree illuminate poiché possono verificarsi molte situazioni in cui non è necessario mantenere un livello massimo di intensità della luce per fornire un ottimale servizio al territorio, che generalmente provoca consumi eccessivi.

I piani d’illuminazione possono essere impostati manualmente o tramite un processo intelligente. Nel primo caso, l’utente è invitato a pianificare le fasce orarie e il flusso luminoso di ciascuna fascia oraria. In quest’ultimo caso, si procede all’osservazione di diversi fattori ambientali che possono essere influenti nel determinare l’illuminazione adeguata per un’area particolare, come il flusso pedonale, o le condizioni meteorologiche, che influenzano il livello di luce ambientale, specialmente all’alba e al tramonto.

Per realizzare i modelli d’illuminazione in base a fattori ambientali e alle diverse preferenze dell’utente, si potrebbe procedere in due diverse modalità di generazione di schemi luminosi per un determinato periodo di tempo. Una modalità prevede di generare schemi senza stabilire una stima di spesa massima, mentre l’altra modalità può fissarla. Per spesa massima si intende l’importo massimo da spendere per la bolletta dell’illuminazione per il periodo in cui i modelli di luce sono definiti. Entrambi i processi condividono la logica iniziale. Il primo passo raccoglie i dati storici del flusso pedonale e del traffico di diverse settimane. Successivamente, viene eseguita una classificazione mediante analisi della varianza (ANOVA) per determinare in quale giorno della settimana i modelli condividono il flusso pedonale e del traffico in base alle diverse ore della giornata.

Dopo aver ottenuto i gruppi di giorni, a ciascun gruppo viene applicato un algoritmo di clustering EM al fine di determinare l’ora della notte in cui tende ad esserci un numero simile di pedoni. Quindi, il processo di regolazione dei livelli di illuminazione viene determinato in base alla proporzione di cluster generati dopo l’applicazione della tecnica EM per ciascun gruppo di giorni. I processi si concentrano principalmente sulla distribuzione ottimale di illuminazione e degli orari specifici in cui il sistema deve fornire gli stessi livelli di luce in scenari con caratteristiche ambientali simili. Il livello della distribuzione viene stabilito in base a caratteristiche come la tariffa oraria, con o senza restrizioni di tempo, le ore serali che possono influenzare le esigenze di illuminazione e le proporzioni di cluster in base al traffico e ai flussi dei pedoni.

Conclusioni

Un sistema d’illuminazione come quello descritto in questo articolo è in grado di impostare orari di illuminazione per tutti gli impianti di illuminazione pubblica controllati. Di conseguenza, questa soluzione

contribuisce al risparmio energetico ottenuto regolando l’intensità della luce. L’utente può definire i propri schemi di luce, che si riferiscono alle ore durante le quali le luci sono accese e a quale livello di luminosità. Allo stesso modo, è possibile assegnare diversi modelli di luce per ogni giorno. Inoltre, non solo è possibile stabilire il programma di illuminazione in base alle preferenze dell’utente, ma il sistema può essere in grado di regolare automaticamente i livelli di luce in base al flusso pedonale calcolato per ciascuna zona della città. Per raggiungere questo obiettivo, il sistema si basa su informazioni storiche del flusso di pedoni classificando i giorni per trovare modelli di flusso pedonale. Sulla base di questi schemi, il sistema stabilisce un progetto illuminotecnico appropriato per ogni tipo di giornata.

In questo senso, vengono applicate tecniche e algoritmi di Intelligenza Artificiale in un processo che fonde tutto insieme per determinare il programma di illuminazione finale ideale.

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