Inteligentne opomiarowanie mediów komunalnych w dobie IoT

Proces cyfryzacji oraz nowe regulacje związane z poprawą efektywności energetycznej, a także wzrost znaczenia rozwiązań smart i automatyzacji sieci to źródła przemian, jakie dokonują się w przedsiębiorstwach działających w sektorze mediów komunalnych i energetycznych. Przygotowany w 2019 roku przez grupę roboczą do spraw internetu rzeczy (ang. Internet of Things – IoT) przy Ministerstwie Cyfryzacji raport pt. IoT w polskiej gospodarce [1] kreśli także perspektywy dla inteligentnego opomiarowania. Jest ono jedną ze składowych IoT oraz inteligentnych budynków (ang. Smart Home) i inteligentnych miast (ang. Smart City). Ten kierunek rozwoju jest procesem globalnym i obejmie wszystkie dziedziny naszego życia – od ochrony zdrowia, poprzez transport, usługi, po zarządzanie budynkami. Chodzi jednak o to, by odbywało się to z korzyścią dla ogółu społeczeństwa.

Nowe technologie łączności i przetwarzania danych dają możliwość budowy IoT, czyli sieci łączącej przewodowo lub bezprzewodowo urządzenia charakteryzujące się autonomicznym (niewymagającym zaangażowania człowieka) działaniem w zakresie pozyskiwania, udostępniania, przetwarzania danych lub wchodzenia w interakcje z otoczeniem pod wpływem tych danych. Sieć ta ma m.in. służyć tworzeniu inteligentnych systemów kontrolno-pomiarowych i analitycznych czy układów sterowania praktycznie w każdej dziedzinie życia, gospodarki czy nauki [1].

Autorzy raportu wśród branż o szczególnym potencjale rozwoju w Polsce w oparciu o IoT wskazują inteligentne miasta i budynki. „Inteligentne miasto” to przestrzeń, która wykorzystuje technologie informacyjno-komunikacyjne w celu zwiększenia interaktywności i wydajności infrastruktury miejskiej. To nie tylko szeroki dostęp do informacji czy sprawna komunikacja, ale także optymalne wykorzystanie infrastruktury miejskiej i zasobów, z których mieszkańcy korzystają – energii elektrycznej, gazu, ciepła i wody. Niezbędna jest też dbałość o stan środowiska, a zwłaszcza niski poziom zanieczyszczeń.

Z technologicznego punktu widzenia kluczowe jest wdrożenie IoT, czyli łączności między urządzeniami (M2M – machine to machine), która daje możliwość komunikacji, gromadzenia i przetwarzania danych oraz ich wymiany przez te urządzenia za pomocą sieci komputerowej. To wyposażenie w czujniki przestrzeni miejskiej, domów i budynków, aby umożliwić monitorowanie zdarzeń w czasie rzeczywistym i/lub wymianę informacji zarówno między maszynami, jak i ludźmi [1].

Realizacja koncepcji inteligentnego miasta obejmuje m.in.: zarządzanie odpadami (np. monitorowanie odpadów w czasie rzeczywistym), badanie poziomu zanieczyszczenia środowiska w czasie rzeczywistym, monitoring rzek i zbiorników wodnych, a także monitoring domów i budynków (inteligentne budynki i automatyka budynkowa) oraz dostarczanie mediów – w tym monitorowanie zużycia i wykrywanie anomalii.

Powyższe przykłady zastosowań dotyczą inteligentnych miast i budynków z perspektywy popytu – czyli od strony mieszkańców, którzy mają być beneficjentami usług. Ale IoT to także dostawcy technologii i urządzeń dla Smart City – m.in. sensorów, urządzeń gromadzących i wysyłających dane, urządzeń zapewniających łączność (GPRS, 5G, LoRaWAN, LoRa, Sigfox, 868 MHz, 900 MHz, NB IoT, LTE Cat0, LTE Cat1, LTE Cat M ZigBee, 802.15.4, Wi-Fi, RFID, NFC, Bluetooth, Z-Wave i HomeKit), szyn integracyjnych, systemów do zarządzania danymi, systemów raportowych i analitycznych (AI), a także warstwy aplikacyjnej dostarczającej usługi końcowe [1].

Nie ma inteligentnych budynków i miast bez inteligentnego opomiarowania

Inteligentny budynek jest bowiem systemem czujników i urządzeń wykonawczych posiadających jeden zintegrowany system zarządzania pozwalający na zdalny dostęp do danych. Dane z czujników wywołują automatyczne reakcje systemu lub czeka on na interakcje użytkownika. Podstawowe funkcje automatyki budynkowej to m.in.: sterowanie oświetleniem i odbiornikami energii elektrycznej, sterowanie systemami kontroli dostępu, sterowanie klimatem wewnętrznym – kontrola temperatury, jakości powietrza i wydajności wentylacji, monitoring i optymalizacja produkcji i zużycia energii oraz monitoring zużycia wody. Inteligentne opomiarowanie liczników mediów ma za zadanie m.in.: detekcję wycieków i redukcję awarii, monitorowanie zużycia i jego optymalizację, monitorowanie jakości dostaw.

Branża mediów komunalnych – wody i ciepła od dawna ma świadomość korzyści płynących z połączenia rozwiązań IoT z AI (internetu rzeczy sztuczną inteligencją – ang. Artificial Intelligence) oraz BI i Big Data (Business Intelligence z dużymi zbiorami danych). Coraz więcej firm buduje swoje kompetencje i przyszłość w tych obszarach. Z drugiej strony rośnie świadomość klientów końcowych dotycząca możliwości wykorzystywania danych do optymalizacji wydatków domowych. Wielu odbiorców końcowych już oczekuje, żeby dane zbierane z mierników IoT w sektorach branżowych, takie jak koszty energii elektrycznej, ciepła, wody, ścieków czy gazu, były dostępne online na smartfonie.

Najbliższe lata będą decydujące dla rozwoju IoT i firm oferujących technologie opomiarowania. Autorzy raportu wskazują, że dotychczasowa praktyka i statystyki z zagranicy pokazują, że wdrażanie inteligentnych mierników jest realizowane głównie po to, aby mierzyć zużycie – 67% wdrożeń za granicą oraz do monitorowania infrastruktury firm – 75% wdrożeń tych rozwiązań używanych jest do kontrolowania bezpieczeństwa [1].

W Polsce firmy także widzą korzyści wynikające z IoT – głównie wodociągi i ciepło systemowe. Są to nie tylko szybko wykryte wycieki z uszkodzonej instalacji, ale także optymalizacja procesów, szybsze przesyłanie danych i ich analiza, monitorowanie bezpieczeństwa sieci. Ich klienci z kolei mają większą wiedzę o zużyciu wody, ciepła czy gazu.

Kolejny atut IoT w sferze inteligentnego opomiarowania to fakt, że systemy zdalnego odczytu mają infrastrukturę opartą na własnych rozwiązaniach telekomunikacyjnych i może to zostać wykorzystane w szerszym zakresie jako platforma komunikacji masowej urządzeń IoT i alternatywa dla GSM czy LTE.

Gazownictwo

Wdrożenie zdalnego odczytu liczników rozszerza znacząco możliwość implementacji opomiarowania w obiektach, w których dotychczasowa technologia rejestratorów była nieopłacalna ekonomicznie [1] – np. zdalny odczyt opomiarowania gazomierzy odbiorców indywidualnych w taryfach W1–W3, zdalna obsługa gazomierzy przedpłatowych oraz obsługa gazomierzy windykacyjnych. Licznik przedpłatowy umożliwia pobór paliwa gazowego tylko w przypadku posiadania środków na rachunku, po jego uprzednim doładowaniu u sprzedawcy. Gazomierz taki ma zawór ze zdalnym otwarciem i zamknięciem. Ma również mechanizmy uniemożliwiające jego ponowne załączenie w przypadku rozszczelnienia się instalacji gazowej. Gazomierze tego typu instaluje się na razie wyłącznie u odbiorców, którzy mają problemy z regulowaniem należności (gazomierze windykacyjne). Ale z czasem będą montowane także w gospodarstwach domowych, w których terminowo opłacane są rachunki. Autorzy raportu wskazują także, że IoT przyczyni się do poprawy bezpieczeństwa dzięki identyfikacji awarii i monitorowaniu przekroczenia progów alarmowych ciśnienia roboczego w sieciach gazowych oraz w zakresie opomiarowania domowych czujników metanu i tlenku węgla.

Wodociągi i woda niezafakturowana

Ważne miejsce w rozwoju inteligentnego opomiarowania zajmuje kwestia wody niezafakturowanej (ang. NRW – Non-Revenue Water). Jest to różnica pomiędzy objętością wyprodukowanej i wtłoczonej do sieci wody a objętością wody, która w procesie dystrybucji nie została dostarczona do klienta i tym samym nie została w żaden sposób zafakturowana. Składają się na nią wycieki, nielegalne pobory wody, ale też straty technologiczne podczas pracy na sieci. Wraz z nowelizacją Prawa wodnego w 2017 roku i powołaniem Wód Polskich znaczenia nabrało minimalizowanie kosztów produkcji wody niezafakturowanej. Wymaga to monitorowania i bilansowania zużycia wody w strefach DMA (District Metered Area), ale również znajomości m.in. topologii sieci oraz panującego w niej ciśnienia. Zebranie i przetworzenie tych danych ułatwi IoT. Co więcej, przedsiębiorstwa wod-kan nie będą zmuszone do inwestowania oraz utrzymywania własnej infrastruktury komunikacyjnej – mogą skorzystać z komunikacji w ramach internetu rzeczy.

Bariery rozwoju w sektorze inteligentnego opomiarowania mediów komunalnych

Autorzy raportu największe zagrożenie dla rozwoju inteligentnego opomiarowania sektora energii i usług komunalnych w kontekście IoT widzą w przeregulowaniu prawa. Trzeba zapewniać otwartość, eliminować bariery i równocześnie nie dopuszczać do tworzenia monopoli i ograniczeń w tworzeniu nowych standardów komunikacyjnych oraz wprowadzaniu nowych technologii. Im mniej ograniczeń prawnych lub proceduralnych, tym szybciej można komercjalizować nowe technologie, tworząc w oparciu o nie dojrzałe rozwiązania. Z ostrożnością należy podchodzić do centralizowania procesów związanych z dostępem do danych. Czasochłonne procedury dostępu do informacji mogą znacząco ograniczyć innowacyjność branży i motywację do szybkiego reagowania na zmiany.

Kolejną barierą jest sama dostępność usług komunikacyjnych w domenie publicznej lub B2B, która zależy od decyzji strategicznych i inwestycyjnych operatorów telekomunikacyjnych.

Budowa nowych technologii komunikacyjnych wymagać będzie inwestycji prywatnych podmiotów w rozwój infrastruktury z perspektywą długoterminowych kontraktów. Struktura własności powinna sprzyjać dywersyfikacji dostawców i zapobieganiu monopolizacji przez dostawcę rozwiązania w nowej technologii. Grozi to bowiem zahamowaniem innowacyjności i rozwoju oraz „konserwacją rynku” na lata. Jest to szczególnie ważne w tych branżach, gdzie przedsiębiorstwa publiczne mają dominujący udział w rynku [1].

Zalecenia w zakresie standardów i rynku

Zdaniem ekspertów kluczem do rozwoju IoT w Polsce jest otwartość standardów rozumiana jako pełna jawność metod wymiany danych na wszystkich warstwach, gwarantowana ustawowo. W modelu tym każde wdrożenie IoT wymagałoby dostarczenia samego rozwiązania oraz kompletnej jawnej dokumentacji dla zamawiającego wraz z wymogiem dostępności dla innych podmiotów. Takie podejście da praktycznie nieograniczone możliwości integracji zarówno dla małych projektów lokalnych, jak i ogólnokrajowych i będzie stymulatorem innowacyjności oraz łączenia różnych rozwiązań. Jawność przełoży się także na poziom bezpieczeństwa, który wzrasta w systemach o otwartym dostępie do protokołów, bazujących na przyjętych metodach kryptograficznych, a nie „tajności” protokołu.

Ponadto eksperci zalecają popularyzację dobrych praktyk prowadzenia projektów IoT, co pozwoli unikać błędów proceduralnych w nadzorowaniu innowacyjnych projektów. Obecne procedury przetargowe skupiają się na szczegółach technicznych zamiast na ocenie wyników i jakości działania rozwiązań docelowych. Model, w którym dostawca gwarantuje jakość zabezpieczoną karami umownymi, zapewnia klientowi bezpieczeństwo inwestycji. Dostawca z kolei ma większą dowolność w wyborze środków technicznych dla realizacji założonych planów. W celu zapewnienia jakości oraz wsparcia projektów realizowanych przez samorządy należy wypracować zestaw dobrych praktyk wraz z ustandaryzowanym słownikiem pojęć w obszarze IoT.

W zakresie wyboru dostawców usług opomiarowania pomocne będzie przygotowanie i opublikowanie „Polskiego leksykonu pojęć IoT”, który będzie wykorzystywany w przetargach i zakupach na bazie Prawa zamówień publicznych oraz komercyjnie. Umożliwi to realne przekazanie wiedzy i informacji samorządom. W zakresie urządzeń IoT w miejsce regulacji należy wprowadzić dobrze zdefiniowane procedury oceny pomiaru jakości i dopuszczenia do użytkowania. Możliwe jest wprowadzenie dobrowolnych certyfikatów jakości przez jednostki komercyjne na ogólnych, wspólnych dla wszystkich warunkach, np. przez operatorów telekomunikacyjnych, które zwiększałyby wiarygodność docelowych rozwiązań.

Pełny raport dostępny jest na stronie Ministerstwa Cyfryzacji.

Literatura

1. https://www.gov.pl/attachment/82ad18f8-2ac1-4433-a1ea-f887b522e46b (dostęp: 2.09.2020).
2. https://www.gov.pl/web/cyfryzacja/grupa-robocza-ds-internetu-rzeczy-internet-of-things-iot (dostęp: 2.09.2020).
3. http://www.apator.com/pl/grupa-apator/strategia/filary-strategiczne (dostęp: 2.09.2020).
4. https://www.bosch.pl/internet-rzeczy/local-dom (dostęp: 2.09.2020).