Internet of Things in Smart Cities - Review

Esse texto vai abordar uma revisão do material "Internet of Things in Smart Cities", escrito por Ramendra Verma e Prem Behl, que aborda dos conceitos de Internet das Coisas aplicados nas Smart Cities.

Chegamos na era da hiper conectividade, onde não só pessoas são conectadas, mas também processos e coisas. Essa rede com conexão continua está empregada no nosso cotidiano para trocas, uso de dados e sensoriamento. A Internet das Coisas (IoT) é uma evolução que permite que acontece conexão e iteração de bilhões de dispositivos. Esse fenômeno tem crescido e ganhado destaque nos últimos anos, apresentando uma projeção sem precedentes para difusão desse conceito e suas tecnologias.

Algumas alavancas tecnológicas são apresentadas, como é possível observar na figura a seguir.

• Mobile Internet: Essa tecnologia combina os requerimentos de largura de banda e velocidade. Com o surgimento do 5G e outras tecnologias sem fio, o conceito de IoT tem se destacado.
• Artificial Intelligence: Com a larga absorção de dados, o uso de inteligência artificial e aprendizado de máquina se torna essencial, requisitando ainda mais o uso de IoT.
• Cyber Security: Com a exposição de múltiplas camadas de dados, a segurança cibernética se torna imprescindível, sendo aplicada em diversos dispositivos, processos e comunicação.
• Edge Computing: Com o advento da computação de ponta, é aberto a possibilidade de desenvolver diversas aplicações que exigem menor tempo de resposta possível.
• Predictive Analysis: Ferramenta para garantir efinciência e produtividade nos negócios, uso de algorítimos e técnicas de estatística alvancam o crescimento de IoT.
• Cognitive Computing: Permite uma experiência melhorada das aplicações de IoT nos dispositivos inteligentes.
• IoT Plataforms: Permite a entrega das aplicações de IoT e gerenciamento de dispositivos de forma rápida e com baixo custo.

Para atender as demandas urbanas, as cidades têm se destcado no uso de IoT, principalemtne no contexto de Smart Cities. Existindo um amplo mercado e uma série de políticas públicas para disseminar as tecnologias e os conceitos envolvidos. Isso permite que a informação seja utilizada para integração com interoperabilidade, promovendo elementos essenciais para o desenvolvimento urbano.

Segue uma lista de aplicações chave de IoT em Smart Cities:

• Gerenciamento Inteligente do Tráfego;
• Iluminação Inteligente;
• Saúde Inteligente;
• Coleta de Lixo;
• Monitoramento Inteligente do Ambiente;
• Abastecimento de Água Inteligente;
• Medidores Inteligentes;
• Estacionamentos Inteligentes.

Uma estrutura política adequada, vai garantir a efetiva ação dos conceitos trabalhados até agora. Não somente promover inovação, mas também submeter padrões, regulamentação e políticas públicas. Um passo importante para esse processo é a criação de centros especializados em cada etapa desse processo.

 Assim, é possível destacar o exemplo da Índia e suas polítcias quanto a Internet das Coisas no ambiente de Smart City: 

1. Criação de uma Industria de IoT com investimento de 15 bilhões de dólares a partir de 2020;     
2. Desenvolvimento e Capacitação;                                                                                                        
3. Pesquisa e Desenvolvimento;                                                                                                           
4. Desenvolver produtos de IoT especifico para necessidades dos Indianos;                                      
5. Padronização para dar suporte ao Smart Nation no desenvolvimento das tecnologias.

People-Centric Service Intelligence for Smart Cities - Overview

É apresentado neste trabalho uma síntese do artigo proposto em sala "People-Centric Service Intelligence for Smart Cities", escrito por Hong Xu e Xuexian Geng.

Os objetivos dramáticos das Smart Cities incluem qualidade de vida, sustentabilidade e desenvolvimento, o que tornam atrativos para pesquisadores de diversas áreas, tratando de questões multidisciplinares. Dentro desses objetivos, estão todos os pilares de uma sociedade/cidade sendo cada um desenvolvido de uma forma inteligente agregando tecnologia e políticas efetivas.

Para atingir esses objetivos, governo e industria coletam uma gama de informações nucleares das Smart Cities com a utilização de tecnologias de comunicação e informação (ICT), também com o uso d Earth Observation (EO). Assim com o uso de Big Data, Inteligência Artificial e Aprendizado de Máquina, formam departamentos para que esses dados sejam tratados e devidamente utilizados para os fins de desenvolvimento e decisões chave.

O Serviço Centrado nas Pessoas, é a proposta desse trabalho, utilizar desse tipo de inteligência para ser o cerne das Smart Cities. Essa inteligência é um paradigma na era da informação, diferente da inteligência de negócio, apresenta compromisso com teorias, estratégias e tecnologias que atendam as necessidades e demandas dos cidadãos urbanos.

Duas questões são importantes precisam ser respondidas para o desenvolvimento de inteligência baseada no Serviço Centrado nas Pessoas nas Smart Cities: Como definir os níveis dessa abordagem e Quais são os desafios inerentes da mesma. A seguir, uma tabela que sintetiza os níveis.

Para questão dos desafios é listado alguns tópicos que os pesquisadores precisam focar:

• Infraestrutura: Os desafios da inteligência em infraestrutura são conteúdo sensível ao comportamento humano, conexão de informações de conhecimento coletivo e integração entre infraestruturas.
• Dinâmica Humana: As interações multi-espaço, efeitos de agregação de indivíduos e suas relações espaço-temporais, variação de componentes, culturas e forças.
• Entendimento e Predição Humana: A percepção, pensamento, sentimento, decisão, interação e ação dos seres humanos; as diferenças entre indivíduos, grupos e culturas; a influência de outros seres humanos e meio ambiente; e o mecanismo de explicação das teorias da previsão.
• Interface Homem-Máquina: As tecnologias IHM de baixo custo e onipresentes no ambiente urbano; pessoas envolvidas em serviços de IHM orientados a conteúdo com base na integração de informações de várias fontes; e transparência e IHM favorável à cultura, com menos mídia.

Neste artigo ainda é proposto duas estruturas, uma teórica e outra técnica, para inteligência baseada no Serviço Centrado para Pessoas ser aplicada no contexto de Smart Cities. Na estrutura teórica, as necessidades da população é dividida em seis camadas, como proposto na teoria de Maslow [1]: implementação computacional(1), teoria do comportamento(2), teoria da atitude(3), teoria social(4), teoria do valor(5) e teoria da auto-atualização(6). Já a implementação técnica é organizada nos nível de 'digital city', 'open city', 'intelligent city'. 

Por fim, existe uma proposta de esquema ambiciosa, concentra-se no coletivo, perceber, processar, aprender e decidir em um padrão de pensamento coletivo.

Dentro do artigo também são apresentados diversos projetos da cidade inteligente de Wuhan, na China, para relacionar as estruturas teóricas e técnicas, inclusive mostrando as funções dos projetos. Dentre todos listados, serão destacados três nesse texto.

Smart decision-making system for govern  

Uma plataforma de governança digital é construída sob a estrutura da plataforma pública de dados geográficos, desenvolvida para fornecer serviços integrados e inteligentes para organizações e gerenciamento do governo, o que também melhora a capacidade de tomada de decisão do governo ao introduzir o governo eletrônico.

Estrutura Teórica: Capacidades Computacionais(0) /Demanda, Escolha (1).

Estrutura Técnica: 'Digital City'.

Smart Fisheries Pilot Project

A tecnologia de detecção de IoT está integrada em todo o processo de produção da aquicultura, gerenciamento e serviço, também plataforma em nuvem de computação é construída para suportar gerenciamento dinâmico fino unificado de aquicultura. Representa o desenvolvimento direção da "agricultura inteligente".

Estrutura Teórica: Capacidades Computacionais(0) /Demanda, Escolha e Preferência(1).

Estrutura Técnica: 'Digital City'.

Intelligent pension platform 

Fornece para pessoa idosa com uma série serviços incluindo serviço de limpeza, manutenção elétrica, compra de alimentos, cuidado humano, aprendizado de entretenimento, custódia e assistência de emergência. Esta plataforma inovou o serviço, no modelo técnico e no modelo de gestão de idosos, especialmente idosos com mais de 60 anos.

Estrutura Teórica: Capacidades Computacionais(0) /Demanda, Escolha e Preferência(1)/Saúde e Segurança(2).

Estrutura Técnica: 'Digital City'.

                                 Referências

[1] Maslow, A.H. A Theory of Human Motivation. Psychol. Rev. 1943, 50, 370–396.

  

Emerging Smart Microgrid Power Systems: Philosophical Reflections (Chapter 18)

Esse trabalho é uma síntese do entendimento do capítulo "Emerging Smart Microgrid Power Systems: Philosophical Reflections", proposto em sala de aula, escrito por Antonio Carlos Zambroni de Souza, Benedito Donizeti Bonatto  e Paulo Fernando Ribeiro.

O texto tem como objetivo informar profissionais da área de engenharia o entendimento dos princípios filosóficos nas tecnologias e no seu desenvolvimento. O debate inclui definições, conceitos, relações entre diferentes aspectos, sistemas variados, sociedade, natureza, tecnologia e ética. Dentro de todo esse contexto, ainda é lançado um olhar quanto aos Sistemas Elétricos de Potência e das novas tecnologias/conceitos que estão surgindo no segmento.

Os conceitos de engenharia e filosofia, quando agrupados, se tornam uma nova matéria que se torna indispensável dentro da academia e também na aplicação da tecnologia dentro da sociedade. Com a alta sofisticação dos projetos, essa temática ganha uma grande importância para que seja estudado os impactos e resoluções que esses desenvolvimentos trarão nos diversos aspectos da implantação. 

A Filosofia da Tecnologia é apresentada nos dias atuais como um mosaico de ideias e sugestões que nada minimizam a relevância dos aspectos de engenharia e desenvolvimento. Nessa visão, conceitos primordiais da filosofia são contextualizados com aspectos e domínios da tecnologia. Isso tudo é importante para que os profissionais  possam entender e caracterizar melhor seu campo de trabalho e ajudar a operar com mais responsabilidade e consciência .

Quando esses aspectos são encarados no contexto de Smart Grids, algumas perguntas devem ser feitas, para que sejam criadas as relações dos conceitos de filosofia e tecnologia nesse grande passo que os Sistemas Elétricos de Potência estão alcançando.

O desenvolvimento dos Smart Grids, que passa por uma série de transformações tecnológicas  e conceituais, pode ser relacionado com as grandes revoluções já vividas na humanidade. Uma delas é a revolução industrial, que evidentemente mudou todo o cenário global de mercado, cidades, infraestrutura, cultura, etc. Esse tipo de revolução gera desdobramentos filosóficos sem precedentes, mudam uma cadeia de pensamento e transformam a sociedade como um todo. Por isso deve existir uma preocupação de entender os impactos das tecnologias dentro das mudanças do sistema elétrico.

Estudos e pesquisas na área de Smart Grids apresentam características multidisciplinaridade e exige uma visão integrada de ciência, economia, tecnologia, aspectos sociais, segurança para atualização de serviços na nova óptica de consumidores, infraestrutura da rede, automação e introdução de renováveis como fonte de geração.

Conforme essas tecnologias vão avançando, complexidades e interdependências se tornam evidentes. No desenvolvimento da rede em uma mais inteligentes, certos aspectos devem ser considerados:

• A complexidade das novas tecnologias e estruturas operacionais;
• Os diferentes tios de comportamentos dos agentes do sistema e suas consequências;
• A interação entre os agentes ativos e as hierarquias de controle;
• A performance baseada nos padrões governamentais.

Nesse contexto, após responder às reflexões dos aspectos tecnológicos, tanto quanto a introdução de fontes renováveis e avanço das tecnologias de comunicação e informação, devemos abrir destaque para os impactos sociais que essas proporcionar. Isso deve ser abordado em três áreas:

1. Integração com os renováveis;
2. Desenvolvimento dos smart grids para acomodar a produção e consumo de energia por meio dos incentivos de mercado;
3. Desenvolvimento de modelos para entender os aspectos não tecnológicos do consumo e geração, sociais, questões éticas. 

Os aspectos discutidos aqui permitem futuros engenheiros a exercitar seu sólido conhecimento de base também com virtudes e valores como ética, transparência, justiça, atenção e preocupações de interesse geral para o desenvolvimento sustentável da humanidade.

Revisão do Artigo: "Smart Cities: Myths and Realities"

Quando o tema Smart City é o objeto de debate, muitas perguntas surgem, para algumas encontramos algumas respostas e exemplos, porém outras as respostas estão sendo entendidas ou em desenvolvimento. Dentro do conceito, uma coisa fica clara, Smart City é um tópico multidisciplinar que aborda diversos conhecimentos de engenharia, tecnologia da informação, infraestrutura, arquitetura, economia, política pública, entre outros muitos assuntos.

Na origem do nome, a ideia principal era optimização e automação das infraestruturas urbanas, com a introdução das tecnologias de comunicação e modernização das estruturas tradicionais de políticas publicas. Empresas como IBM, tinham grande interesse não disseminação do conceito, logo investiram com grande interesse no marketing dessa evolução.

O conceito de cidade inteligente não se limita somente à difusão de novas tecnologias, mas analisa as necessidades das pessoas e da comunidade: a tecnologia é a ferramenta, não o resultado. O conceito tem sido aplicado em diferentes domínios: físico e cultural. No domínio físico, temos construções; redes elétricas; recursos naturais; gerenciamento de água e desperdício; mobilidade e logística. No domínio cultural, temos educação; políticas inovadoras; inclusão social; modo de governar, entre outras práticas.

A seguir é apresentada uma lista das características de uma Smart City:

• Smart Governance: Transparência e abertura de dados, também inclusão da população nas tomadas de decisão;                                                                                                                                 
• Smart Economy: Negócios e comércio digital, tecnologias de comunicação e informação possibilitando inovação, conglomerados inteligentes e sistemas ecológicos;                                       
• Smart Mobility: Integração e suporte das logísticas e transporte por meio de tecnologias de comunicação e informação, opções autônomas e limpas de transporte, informação em tempo real, redução de custo e redução na emissão de CO2;                                                                                    
• Smart Evironment: Presença de redes elétricas inteligentes, geração distribuída, renováveis, monitoramento moderno, controle de poluição, construções "verdes", planejamento urbano, reciclagem, entre outros fatores;                                                                                                            
• Smart People: Acesso na educação, recursos humanos, incentivo a criatividade e a inovação;                                                                                                                                                                         
• Smart Living: Saúde universal, segurança pública apurada,qualidade de moradia, altos níveis de coesão social.

Existem diversos tipo de índices, classificações e metodologias para medir "nível de inteligência" de uma cidade, podemos citar algumas referências: "The EU Project Mapping the Smart Cities in Europe (2014): sample of European cities"; "The Intelligent Community Forum: Smart 21 Communities"; "The Global Power City Index"; "The University of Vienna"; entre outros importantes.

Dentro do contexto apresentado, a informação ganha um protagonismo inegável, com a difusão das técnologias, as cidades vão produzir toneladas de dados que vão alimentar uma  base para retirada de informações imprescindíveis para funcionamento e desenvolvimento do meio urbano. Assim, tecnologias de Big Data são requeridas e são a chave para solucionar grandes desafios inerentes à essa nova realidade.

É possível dizer que um arranjo que traz a população como foco do debate, que apresenta a informação como protagonista, que consegue investir em desenvolvimento e pesquisa, por fim apresenta políticas públicas que valorizem o uso da tecnologia como solução para melhoria do espaço urbano, conseguirá abrigar os aspectos de uma Smart City.

                                                            Referências

Autor do Artigo: VM. Elisabet, "Smart Cities: myths and Realities" in INTERNATIONAL SUMMER SCHOOL “SMART GRIDS AND SMART CITIES” Barcelona, 6-8 June, 2017.

DOE SG - We Don't Have Much Time

Esse material traz uma perspectiva americana do fenômeno "Smart Grid", onde em primeiro plano reforça-se que a infraestrutura dos sistema elétrico tradicional já galgou patamares incríveis e apresentou uma agenda formidável com o desenvolvimento e desafios ao longo dos tempos. No segundo plano é lançado um olhar otimista sobre os avanços que estão por vir, esses que estão totalmente relacionados aos adventos que a internet trouxe para dentro dos sistemas elétricos de potência.

Para um curto prazo, uma rede elétrica mais inteligente vai funcionar de forma mais eficiente, possibilitando a entrega de um serviço melhor, assim como impactos sociais significativos. Já numa visão duradoura, o conceito "Smart Grid" será considerado uma transformação  similar ao que conhecemos como grandes revoluções da história, será uma mudança na cultura mundial, na forma trabalhar, na forma de nos relacionarmos entre a gente e com o meio ambiente.

Uma rede elétrica mais inteligente estará preocupada em entregar uma confiabilidade jamais alcançada, acessibilidade constante, acomodação total das fontes de energia renováveis e tradicionais, redução da emissão de carbono, agregar avanços que ainda serão descobertos ( talvez por alguns alunos desse curso de mestrado) e impulsionar a corrida global por diferentes mercados.

Assim como outros fenômenos que revolucionaram o mundo em que vivemos, chegaremos a um momento de difusão máxima do conceito, quando isso ocorrer não será possível imaginar uma vida antes de existir o Smart Grid. Caminharemos a passos largos para essa revolução, porém ainda esta aberto para as diversas possibilidades futuras.

Smart Grid: Technology and Applications - Capítulo 1

Neste capítulo do livro, tem o início destacando os aspectos da geração, da transmissão e distribuição dos sistema elétrico tradicional, evidenciando sua robustez e o quanto esse sistema apresenta evolução na entrega e "inteligência". Os avanços revolucionários nos sistemas de comunicação, caracterizou uma oportunidade para os sistemas elétricos de potência pudessem realizar operações de monitoramento e controle com maior eficiência, flexibilidade e com menores custos. Neste contexto, os Smart Grids é apresentado como uma oportunidade para utilizar as tecnologias de informação e comunicação (ICT) para revolucionar os sistemas elétricos de potência.

Com a busca por elementos que caracterizassem uma redução na emissão de carbono, fruto de um movimento em escala mundial, surgem as modificações para nossos sistemas elétricos, mudanças essas que alcançam todas as camadas do processo. Com isso surge uma questão, que para se tornarem viáveis, essas mudanças precisam se tornar baratas e possuir um confiabilidade, passando a atrelar ao processo de modernização com as ICTs. 

Assim, podemos perceber que num contexto que transitamos de uma estrutura tradicional, que já era inteligente,  para uma estrutura mais inteligente que passa abrigar avanços tecnológicos, substituição de equipamentos e introdução novos esquemas de rede, toda essa mudança impulsiona o setor. Também é possível destacar a introdução dos sistemas de geração renováveis, que acrescentam um grau maior de complexidade, apesar dos seus grandes benefícios financeiros e ambientais. Atrelado a tudo isso, está a geração distribuída que começa a modificar uma hierarquia estrutural e mudar, muitas vezes, os papéis dentro do sistema elétrico de potência.

Entendendo o contexto e as motivações para os avanços discutidos, segue uma lista de atributos que caracterizam um Smart Grid: 

• Integração das informações para uma melhor resposta as demandas e gerenciamento do consumo;
• Acomodar as fontes renováveis de energia, geração distribuída, opções de armazenamento, micro-geração, garantindo uma interconexão com rede de forma simples e eficiente;
• Apresentar otimização e eficiência por meio de peração e gerenciamento inteligente;
• Garantir confiabilidade e segurança no abastecimento, apresentando: resiliência a distúrbios, ataques e desastres naturais, manutenção preditiva e "auto-cura";
• Manter a qualidade da energia;
• Abertura de acessoos aos mercados.

Também são enumerados no capítulo uma série de exemplos que exemplificam os desafios e as soluções que são impostas nesse novo cenário de redes inteligentes.

Podemos separar as tecnologias que são requisitos para um Smart Grid , sendo esta tecnologia desenvolvida ou em desenvolvimento, em três patamares: "Tecnologias da Informação e Comunicação" ; "Tecnologias de Sensoriamento, Medição, Controle e Automação" e " Eletrônica de Potência e Armazenamento de Energia".

Tecnologias da Informação e Comunicação:

1. Comunicação Bidirecional para proporcionar melhor conectividade;
2. Arquitetura aberta para "plug-and-play" de aplicações do consumidor, veículos elétricos e micro geração;
3. Software e Hardware necessários para promover melhores informações para consumidor, permitindo melhor controle de sua demanda;
4. Software para garantir a segurança das informações e padronização para promover escalabilidade, interoperabilidade dos sistemas de informação e comunicação.

Tecnologias de Sensoriamento, Medição, Controle e Automação:

1. IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes), para garantir proteção avançada, medições, histórico de faltas e eventos;
2. Elementos que garantem a segurança do sistema: PMU (Unidade de Medição Fasorial) e WAMPAC (Monitoramento, proteção e controle de área ampla);
3. Integração dos equipamentos e elementos do sistema junto com o ICTs para gerar dignósticos rápidos e velocidade na resposta aos eventos por todo o sistema;
4. Aplicações inteligentes para maximizar a segurança;
5. Permitir melhor gerenciamento e controle por parte dos consumidores. 

Eletrônica de Potência e Armazenamento de Energia:

1. Uso de HVDC (conversores para alta tensão), FACTS para permitir transporte de longa distancia e integração com as fontes renováveis;
2. Conexão eficiente entre fontes renováveis e armazenamento de energia por meio de interface de eletrônica de potência e dispositivos eletrônicos de suporte;
3. Capacitores em Série, UPFC (Controlador de Fluxo de Potência Unifilar) e dispositivos FACTS para promover melhor controle no fluxo de potência;
4. HVDC, FACTS e filtros ativos com comunicação e controle integrados para garantir melhor flexibilidade, confiabilidade e qualidade nos serviços;
5. Armazenamento de Energia para facilitar a melhor flexibilidade e confiabilidade dos sistemas de potência.