Umjetna inteligencija za uštede u gradskoj rasvjeti

Javna rasvjeta predstavlja dominantno zastupljenu distribuiranu infrastrukturu na području gradova, a ujedno tehnološki veoma zastarjelu čija modernizacija s aspekta energetske učinkovitosti trenutno predstavlja jedno od najisplativijih ulaganja u tehnološko-ekonomskom smislu. Kao sveprisutna i nužna gradska infrastruktura troši 15% svjetske električne energije te je ujedno tehnološki prilično zastarjela i na pragu sveobuhvatne modernizacije s aspekta energetske učinkovitosti. LED rasvjeta ima 2,5x manju potrošnju i 5x duži životni vijek od halogene rasvjete, a zbog šireg spektra poboljšava periferni vid vozača te smanjuje vrijeme reakcije kočenja za oko 25%. Ipak, procjenjuje se da je do danas modernizirano oko 10% postojećih rasvjetnih tijela u Hrvatskoj, što je ujedno i svjetski prosjek. S druge strane, smatra se da je LED rasvjeta zrela tehnologija, uz Kinu kao glavni konkurent u proizvodnji. Konkurentnost na zapadnom tržištu uvjetovana je stoga novim tehnološkim pomacima u smjeru smanjenje potrošnje i vremena povrata investicije, a prije svega uz nedvojbeni trend transformacije tijela javne rasvjete u komunikacijske čvorove i mrežu senzora te integracije putem ICT-a.

Daljnje optimiranje javne LED rasvjete danas je usmjereno na daljinsko upravljanje i dinamičku prilagodbu mikrolokacijskim uvjetima što ujedno otvara značajne dodatne mogućnosti za smanjenje potrošnje energije. Istovremeno, odabir javne rasvjete kao infrastrukturne okosnice za ostvarenje komunikacije različitih senzora i podsustava gradske infrastrukture, kao što su energetski, cestovni, pješački i informacijski promet te meteorološki uvjeti, nazire se kao jedan od izglednih modela za stvaranje temelja pametnih gradova.

U okviru projekta „Inteligentna i modularna platforma za upravljanje i nadzor sustava javne rasvjete pametnog grada – SmartCityLight“ (https://www.fer.unizg.hr/smartcitylight) koji je sufinancirala Europska unija iz Europskog fonda za regionalni razvoj kroz Operativni program konkurentnost i kohezija 2014. – 2020. (KK.01.1.1.07.0032) i u provedbi Ministarstva znanosti i obrazovanja, prikupljeni su stvarni mikrolokacijski uvjeti u Sisku kao gradu koji je prvi uveo LED rasvjetu i danas ima preko 11.000 LED lampi umreženih u središnji digitalni sustav.

Projekt “SmartCityLight” vodi Fakultet elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu, a voditelj je prof. dr. sc. Mario Vašak uz tehničkog voditelja izv. prof. dr. sc. Vinka Lešića. Vrijednost projekta je 8,375,885.04 kn, podijeljena s partnerskim poduzećem LED elektronika d.o.o. Za projektno istraživanje podnesene su dvije patentne prijave ispred Europskog patentnog ureda.

– Mikrolokacijski uvjeti u Sisku podrazumijevaju gustoću cestovnog prometa, pješake sa svojstvenim demografskim obilježjima te vremenske uvjete za nekoliko odabranih reprezentativnih ulica u gradu. Praćenje podataka provedeno je tijekom ljetnog, zimskog i prijelaznog režima, radnih i neradnih dana te različitih vremenskih trenutaka u danu i različite tipične prometne gustoće na temelju povijesnih podataka koje su dostupne partneru LED elektronika d.o.o. s različitih lokacija gdje ima instaliranu opremu. Na temelju povijesnih podataka i korištenjem neuronskih mreža načinjene su predikcije budućih kretanja na temelju kojih se definira veći broj scenarija za osvjetljenje, a zatim dinamički prilagođava količina potrebnog osvjetljenja. Time se smanjuje osvjetljenje kada uistinu nije potrebno na ulici, a znanstvena literatura navodi potencijalno ostvarene uštede i do 50 posto, objašnjava za Universitas portal prof. dr. sc. Mario Vašak.

Istovremeno, osim osiguravanja ušteda načinjeni su i algoritmi koji povećavaju kvalitetu osvjetljenja i usmjeravaju cijeli sustav da u središte stavlja društveni karakter te ima značajan utjecaj na gradove sa socioekonomskog stajališta jer se direktno dotiče samih korisnika, od sigurnosnih utjecaja do potencijalno boljih rješenja u prometnoj infrastrukturi i racionalizaciji utrošenog vremena i financijskih resursa, a također otvara i brojne vizualne mogućnosti. Ulica je podijeljena na segmente od četiri lampe i u svakom segmentu definirane su proizvoljne točke od interesa, na slici ilustrativno navedene oznakama A-K.

U svakoj točki, modelira se rasprostiranje svjetlosti iz svakog pojedinog svjetlosnog izvora pristupom praćenja izravnih i reflektiranih zraka svjetlosti (eng. ray-tracing) čime je moguće točno odrediti količinu svjetlosti u svakoj pojedinoj točki, a time i postići upravo odabranu željenu vrijednost. Na ovaj način, istovremeno se optimizira cijeli trodimenzionalni prostor i postiže kompromis između željenog osvjetljenja u pojedinim točkama interesa. Moguće je na isti način definirati i točke interesa u kojima se svjetlost želi potpuno smanjiti da bi se izbjeglo svjetlosno zagađenje. Kompromisu su pridruženi težinski koeficijenti koji definiraju prioritete pojedinih točaka i željenog osvjetljenja, a mogu ih definirati sami korisnici, gradska poduzeća ili vanjski subjekti koji održavaju rasvjetu. Sve zajedno, dinamički se mijenja u prostoru i vremenu s obzirom na ranije spomenute mikrolokacijske uvjete. Segmenti ceste od posebnog interesa, kao što je blizina škole, bolnice ili prometnog čvora, mogu imati različito definirane točke i prioritete u odnosu na sporedne ulice i pješačke zone.

Sustav nudi značajne mogućnosti informiranja cijele gradske populacije te edukacije u smjeru energetske učinkovitosti. Projektom, diseminacijom i proizvodom očekuje se značajno utjecati na gradsku kulturu, podizanje razine svijesti o zelenoj energiji i učinkovitom radu različitih sustava, prometnoj kulturi te podizanje osjećaja izravnog utjecaja na povećanje kvalitete života i čuvanje okoliša. Napredno, cjenovno-optimalno upravljanje sustavom gradske rasvjete i integracije podataka o gradskoj infrastrukturi također stvara temelj za transformaciju prema sigurnom i odgovornom društvu.

Od izv. prof. dr. sc. Vinka Lešića saznajemo da istraživački tim projekta “SmartCityLight” provodi eksperimentalnu fazu demonstracije rješenja na odabranim lokacijama u gradu provodeći mjerenja osvijetljenosti ceste u različitim vremenskim uvjetima i režimima rada, istovremeno anketirajući stanovnike o zadovoljstvu rasvjete, željama i navikama, a zatim i informirajući o dobivenim rezultatima:

– Mišljenje korisnika o potrebnoj količini osvjetljenja osnovna je polazna točka te ujedno i vrlo subjektivna. Već na samom početku projekta, anketiranje je pokazalo da većina stanovništva smatra da bi smanjenje svjetlosnog zagađenja, a zatim i povećanje energetske učinkovitosti trebali biti jasni prioriteti za optimizaciju te prihvaćaju kompromis u odnosu na osiguranu količinu osvjetljenja, ističe Lešić.

Uzimajući sve u obzir, načinjen je veliki broj scenarija koji, ovisno o pragovima vrijednosti vezanim uz vremenske uvjete kao što su vidljivost, temperatura i padaline koji definiraju snijeg, kišu u maglu, zatim gustoću prometa na cesti te broj i karakteristiku pješaka, kao što su dobne skupine, problemi s vidom ili kretanjem. Scenariji kreiraju profil osvjetljenja ovisno o trenutku u danu i definiraju potrebnu količinu osvjetljenja.

Slika dolje prikazuje simulaciju na razini jedne godine za Ulicu Kralja Tomislava uz 100 lampi i stvarne prikupljene uvjete: gustoću prometa dobivenu iz navigacijskih servisa, vremenske uvjete dobivene iz mjerenja na lokaciji te karakteristike pješaka dobivenih anketiranjem. Plava krivulja predstavlja trenutni profil moderne visokoefikasne LED rasvjete koji je prisutan na lokaciji, a ovisno o kategoriji prometnice, u sumrak i zoru svijetli većim intenzitetom nego tijekom kasnih noćnih sati. Ujedno pokazuje i ovisnost potrošnje o duljini trajanja noći u ljetnim i zimskim režimima. Ljubičasta krivulja predstavlja scenarij potpunog gašenja rasvjete kada nema nikoga na cesti, a time i teoretski maksimum mogućih ušteda koje u ovom slučaju iznose 35% u odnosu na trenutno stanje. Realniji scenarij smanjenja osvjetljenja na 30% kada nije potrebno (nema nikoga na cesti) prikazan je zelenom krivuljom i osigurava uštede od 27% u odnosu na trenutno stanje.

Trenutno se procjenjuje da je svega oko 1 % svjetske rasvjete umreženo s nekakvim centralnim sustavom za daljinsko upravljanje. Paralelni trend interneta stvari (IoT) i teme rasprostranjene mreže senzora usmjerene ka podizanju kvalitete života (mjerenje UV zračenja, alergena, ispušnih plinova, buke i dr.) također pronalaze svoje područje u domeni pametnih gradova procjena je da će se ova dva puta susresti u bliskoj budućnosti, a gradska rasvjeta poslužiti kao platforma za implementaciju. S tim ciljem, industrijski partner dizajnirao je elektroničke uređaje koji se mogu priključiti na postojeće suvremene LED lampe koristeći standardizirane dostupne priključke, a koji lampu bilo kojeg proizvođača pretvaraju u inteligentni čvor povezan sa središnjim sustavom za daljinsko upravljanje i otvaraju put spomenutim inteligentnim upravljačkim algoritmima za optimizaciju rasvjete u gradu.

U Hrvatskoj je u zadnje 3 godine zamijenjeno 10% LED rasvjetnih tijela, a u idućih 5 godina očekuje se zamijeniti preko 80% rasvjetnih tijela novom LED tehnologijom što je gotovo u koraku sa svjetskim prosjekom. U tom smjeru, Milano je 2015. godine započeo zamjenu 14.0000 rasvjetnih tijela, u Los Angelesu gotovo jednaka brojka zamjene rasvjetnih tijela dovršena je 2013. godine, u New Yorku 250.000 u 2014. godini, u Buenos Aires 125.000 postojećih rasvjetnih tijela od 2014. godine.