Jste zde

Smart City v životním prostředí

Antonín Vojáček, 20. Prosinec 2020 - 20:02

Výraz "Smart City" je již slyšet ze všech stran. Ale jaké technologie se pod tímto označením vlastně aktuálně skrývají? Dnes se podíváme na možnosti v oblasti životního prostředí měst s využitím IoT senzorů, dronů a konceptu Digital Twins.

Smart City, tedy chytré město, je již několik let starý pojem, který obecně označuje moderní řešení organizace města a jeho služeb s použitím moderních technologií cloudového sběru a vyhodnocení mnoha dat IoT z velkého počtu různých bezdrátových senzorů, levných odolných bezdrátových displejů a terminálů, kamerových systému s vyhodnocením umělou inteligencí, rozšířené reality, autonomních systémů detekce a rozpoznání lidí i předmětů či kombinace udržitelných obnovitelných zdrojů energie.

Chytré řízení města pak zahrnuje hned několik oblastí, které lze realizovat sice samostatně, ale až jejich celkové spojení realizuje celkovou žádanou funkci Smart City.

Mezi základní oblasti chytré automatizace měst patří:

chytrá doprava města,
chytré životním prostředí města,
chytrá energetika města,
chytré instituce a ostatní služby.

V minulém článku "Smart City v dopravě" jsme se zabývali dopravnou chytrých měst. V tomto článku se konkrétně zaměříme na druhou položku životních podmínek měst. Životní prostředí již dnes dost často uvažované jako politický výraz, ale zde jej rozumím ono prostředí, které má sloužit ke zdravému a příjemnému životu jeho obyvatel a poskytovat co možná nejlepší možné podmínky pro život.

Smart zavlažování a regulace vlhkosti prostředí

S rostoucími teplotami ve městech zcela jistě bude nutné řešit jejich ochlazování větším podílem zeleně v ulicích a náměstích. Vzhledem k předpokládaným budoucím rostoucím problémům vodou (její množství a cena) se rozhodně ve velké míře bude muset realizovat efektivní automatické zavlažování veřejné zeleně. Využití moderní IoT technologie snadného bezdrátového měření a řízení (ovládání) umožňuje již poměrně snadno realizovat distribuované a přesně řízené lokální zavlažování půdy v závislosti na roční době, předpovědi počasí, umístění a natočení na určitou světovou stranu, lokální teploty a větrnosti, či doby přímého slunečního záření (osvětlení / zastínění). Všechny tyto faktory společně s lokální kvalitou půdy a typem zavlažované rostliny mají vliv na průběh potřebného množství zálivky v čase. Například každý strom může mít bezdrátové řízení zavlažování dodávající potřebné množství vody přímo ke kořenům či rozdílně plošně zavlažovat travnaté plochy podle jejich vysušení.

Navíc plošné kropení neslouží jen k zalévání zeleně, ale v horkých dnech společně s fontánami i významně kultivují teplotu a vlhkost lokálního prostředí pro lidi, kteří v odpočívají v parcích nebo jen čistě procházejí pro ulicích.

Ve městech by pak k zavlažování šlo efektivně využít upravenou lokální kanalizaci, která aktuálně ve většině měst společně se splašky nutné k vyčištění i odvádí mnoho dešťové vody ze střech domů. Ta by však nemusela odvádět do čističek odpadních vod, ale odděleně odkládat v lokálních nádržích dané lokality a efektivně rovnou využívat právě pro zavlažování místní lokální zeleně. Samozřejmě v době dlouhodobého sucha s možností jejich dopouštění z vodovodního řadu. Lokální řídící rozvaděč pak poměrně snadno může sbírat data ze zmíněných lokálních blízkých okolních bezdrátových senzorů a tak pružně reagovat na aktuální stav prostředí v konkrétních místech a zapínat / vypínat nebo plynule regulovat průtok zavlažování.

Smart pěstování a údržba zeleně

Veřejná zeleň nepotřebuje jen zavlažování, ale také pravidelnou kontrolu a kultivaci. Zejména travnaté plochy potřebují vhodně provedené sečení, což je aktuálně velmi probírané téma zda a jak moc trávu sekat. Spíše zda sekat či nesekat vhodný přístup spočívá v sečení ne v předem daných termínech v roce, ale k tomu úkonu přistupovat operativně podle výšky trávy a budoucího množství očekávaných srážek. Pokud ještě není příliš vysoká, půda je vyschlá a navíc předpovědi neočekávají déšť, je zcela nevhodné provádět sečení. Nicméně také stromy či keře je nutné kontrolovat a případně rozhodovat o potřebě jejich zastřižení ve vhodnou vegetační dobu.

Blockchain systém pak umožňuje sledovat plodiny po dobu celého růstu. Umělou inteligenci a robotizaci lze velmi dobře použít k interpretaci obrazů v terénu a aplikaci hnojiv a pesticidů s chirurgickou přesností nebo k řešení plevelů. V tomto směru mohou velmi dobrou službu provádět kamerové systémy s funkcí automatického objektového obrazového rozboru, tzv. OBIA (Object-Based Image Analysis), ať již napevno připevněné a trvale monitorující danou plochu nebo prostředí (například v parcích) nebo pohyblivé kamerové systémy například na dronech, které provedou nasnímání dané oblasti například jednou či dvakrát za měsíc.

Drony mohou pomoci zejména ve velkých parcích či loukách a sadech měst, kde dokáží pokrýt stovky akrů v jednom letu a shromažďují díky infračervené technologii, multispektrální obrazy a širokou škálu informací o stavu půdy, potřebách zavlažování, růstu plodin, existenci patogenů. Multispektrální analýza umožňuje například sledovat zdravotní stav rostlin nebo rozlišení vegetačních stavů. S termokamerou lze u rostlin zjistit tzv. water stress či vegetační index. Data zmapovaná z oblastí lze pak po analýze a zpracování aplikovat do řídicích jednotek automatizovaných údržbových zařízení, jako například robotických sekaček či křovinořezů nebo podle nich vhodně naplánovat termíny výjezdu čet správy a údržby zeleně.

Koncept digitálních dvojčat (digital twins)

Systém či koncept tzv. digitálních dvojčat byl sice primárně navržen pro průmyslové výrobní procesy, ale následně se rozšířil i do oblasti automatizovaných budov a vlastně i všech oblastí plně automatizovaných zařízení a systémů. Zjednodušeně řečeno zde jde o to, že jeden reálný automaticky řízený fungující systém (reálně fungující / běžící) je současně "imitován" i druhým čistě digitálně virtuálně souběžně na počítačovém systému běžícím modelem a výsledky jsou v reálném čase nejen porovnávány a vyhodnocovány odlišnosti ukazující na možné chyby v řízení, ale na základě chování virtuálního digitálního systému lze i dopředu předpovídat potřebné údržby reálného systému, životnosti komponent, poruchovost, náklady apod.

Koncept digitálního dvojčete, virtuální reprezentace skutečných entit, které přinášejí data z různých zdrojů, tak vstoupil do říše inteligentních měst a slibuje, že umožní správám měst a urbanistům lépe se rozhodovat pomocí dat integrace a vizualizace z celého městského prostoru. Zatímco urbanisté již roky používají 2D a 3D modely a počítačově podporované navrhování, integrace dat v reálném čase ze zařízení IoT, polohy, počasí, dopravy, pohybu lidí a dalších zdrojů byla pro urbanistické plánování a operace.

Začátkem tohoto roku společnost Microsoft oznámila aktualizaci platformy Azure Digital Twins, která umožňuje modelování a vytváření digitálních reprezentací propojených prostředí, jako jsou budovy, továrny, farmy, energetické sítě, železnice, stadiony a města, a poté tyto entity oživit živým provedením prostředí, které integruje IoT a další zdroje dat. K podpoře otevřenosti a interoperability přichází Azure Digital Twins s otevřeným modelovacím jazykem Digital Twins Definition Language (DTDL). Součástí Azur systému digitálních dvojčat pak mají být i Azure Maps, s jejichž pomocí lze poskytovat geoprostorovéh služeby, včetně přístupu k provozu v reálném čase, veřejné dopravě a datům o počasí.

Siemens MindSphere City Graph je pak řešení, které nabízí nový způsob optimalizace správy města. Vytváří digitální dvojče městských prostorů, které městům umožňují modelovat, monitorovat a řídit fyzickou infrastrukturu. Díky integraci dat IoT, starších systémů a dalších zdrojů dat mohou zúčastněné strany ve městě získat přehled a porozumět změnám, které nastanou. MindSphere City Graph poskytuje poskytovatelům řešení otevřenost pro integraci a poskytování udržitelné hodnoty pro město a zároveň umožňuje otevřená data pro města prostřednictvím otevřeného standardního přístupu.

Budoucnost - zelené domy

Poslední roky se v různých médiích hodně probírá téma tzv. zelených domů. V případě měst to jsou obvykle projekty přizpůsobení domů pro možnost jejich "osázení" rostlinami, což by mělo současně snižovat teplotu měst a potřebu klimatizování místností domů během horkých měsíců léta, zároveň provádět přídavnou izolaci domů pro snížení nutnosti vytápění v zimě, pomáhat čistit ovzduší od prachu a CO2 z městské dopravy a navíc zlepšovat psychický stav obyvatel města, protože prostě zeleň a zelená barva působí na lidi obvykle uklidňujícím / relaxačním dojmem. Osázení zelení se nejen musí přizpůsobovat provedení střech, ale i bočních stěn, zejména výškových domů.

Výše uvedené výhody jsou bezesporu všechny platné, nicméně bohužel se s koncepcí zelených domů v nějakém masovém měřítku spojují i určité dost velké nevýhody v oblasti poměrně složitého řešení údržby zeleně (její pravidelná úprava, aby nepřerostla či naopak její obnova, pokud něco uhyne) a také výrazně větší energetické, časové i organizační náklady na opravy takové budovy, protože je při každé vnější opravě budovy bude potřeba nejdříve "zeleň" šetrně odstranit a následně po opravě opět implementovat. Na konceptu tzv. zelených budov určitě mnoho dobrého je, ale při masovém reálném použití v oblasti městských budov bude nejdříve nutné opravdu implementovat všechny moderních technologie automatických dronových létajících robotů, které úkony údržby zeleně budou zcela samostatně provádět.