Proyecto Nodo Urbano

Nodo Urbano

Cómo conseguiremos transformar nuestras ciudades en ciudades inteligentes? La carrera ya ha empezado, pero las reglas del juego todavía no están escritas. Varias propuestas están actualmente analizándose en diversos lugares del mundo para intentar alcanzar un sistema que transforme de forma radical la forma en que vivimos en nuestras urbes, generando servicios y recursos ahora inexistentes. Pero, sobre todo, reduciendo los costes.

Andrés está caminando por una calle de su ciudad. Ya es de noche y, mientras avanza, las luces de los nodos van de forma obediente incrementando su luminosidad a medida que se acerca ydebilitándose después de su paso. Absorto en su teléfono de última generación, no percibe este detalle ni el de que la alta velocidad de comunicación de su dispositivo móvil es debida a una red inteligente de datos desplegada a nivel de calle en el interior de los nodos junto a los que camina.

En otro punto de la ciudad, en su sala de control, un técnico municipal lanza un proceso computacional que se ejecutará no en un solo ordenador de un clásico centro de datos, sino en la red urbana de computación que aúna todo el sobrante de potencia de cálculo existente en los pequeños microprocesadores instalados dentro de los nodos urbanos. En un instante, la tarea lanzada termina y pasa a iniciar otra.

Este relato puede parecer de un libro de fantasía, pero ya está aquí. Nuestro grupo de trabajo ha unido sus esfuerzos para desarrollar un nuevo concepto de mobiliario urbano que de entrada englobe muchos de los requisitos que se plantean en todas las ciudades del mundo: el nodo urbano.

En el actual marco de crisis económica, todas las ciudades del mundo han visto diezmadas sus capacidades de inversión. En paralelo se ha producido un gran incremento de sus necesidades. Hoy en día es vital reducir los costes de los servicios para poder seguir prestándolos. Por ello resulta imprescindible reducir consumos.

Este nuevo concepto lo podemos aproximar por un elemento del mobiliario urbano activo, modular y reconfigurable, que realiza silenciosamente diversas tareas. Toma información de su entorno y la procesa, sirve de soporte a las redes públicas de telecomunicaciones, genera energía y la sirve a la red, puede usarse como punto de información y publicidad, y, llegado el caso, puede servir de punto de abastecimiento de electricidad para los ya presentes vehículos eléctricos.

Ya en pleno siglo XXI, han pasado más de 140 años desde que aparecieran lo que podríamos llamar pre-nodos: las farolas eléctricas. En el marco de las nuevas tecnologías, de la innovación –innovación que debe tomarse como pilar fundamental para emerger de la actual crisis– es hora de hacer avanzar este viejo concepto y adaptarlo a los tiempos modernos. En este sentido, ha sido necesario también dotarlo de un nuevo nombre que lo disocie de la estricta iluminación urbana. Porque, aunque en algún caso su forma externa nos pueda recordarlas, cabe tener bien presente que no son lo mismo atendiendo a que en su lista de funcionalidades puede aparecer la de iluminar las calles de noche, pero no necesariamente. De su diseño modular esperamos que se adapte a las necesidades del entorno donde se instale, pero no obligatoriamente iluminará. Y en todo caso, de hacerlo, lo hará de forma inteligente controlando el consumo de energía y analizando en tiempo real las necesidades de iluminación de su entorno para el confort de los ciudadanos.

Edificio Futurista

 

La revolución de los sensores

Uno de los aspectos que sustentan la actual revolución tecnológica es la drástica disminución del precio de los componentes electrónicos. Esto es tan solo comparable a su progresiva reducción de tamaño, a su integración en microchips y a su incremento de potencia. Hoy en día es posible disponer de un amplio abanico de sensores por pocas decenas de euros. Esto en otro tiempo hubieran sido imposible. Su elevado precio hubiera disuadido a cualquiera de incorporar tan solo un puñado de ellos en una ubicación. Así, un nodo urbano será capaz de recoger datos de calidad a bajo coste como la temperatura, la humedad, la presión atmosférica, diversos parámetros de la contaminación, ruido, iluminación, etc., a un coste muy bajo, y además hacerlo donde se necesite.

La modularidad de su diseño va a permitir configurar nodos a medida de las necesidades y de las posibilidades de una ubicación. Esto facilitará, como ya está pasando en pruebas piloto en ciudades como Barcelona, controlar desde el grado de llenado de los contenedores de basura para sintonizar su recogida, hasta la humedad del terreno para poner en marcha los riegos o por dar alertas por exceso de monóxido de carbono en lugares con gran tránsito.

De las lecturas combinadas de estos sensores simples podrán, además, deducirse otros factores como la presencia de un fuego: incremento de temperatura combinado con un aumento de monóxido de carbono y una disminución de la humedad. Estos datos, procesados adecuadamente, podrían dar origen a un sistema de intervención rápida, con el consiguiente ahorro en vidas y daños materiales.

Pero la innovación en los sensores no acaba aquí, puesto que ya existen sensores más complejos capaces de ofrecer directamente combinaciones de datos: las cámaras. Existen cámaras de bajo coste que posibilitarán todo un amplio abanico de posibilidades. Del tratamiento automático de las imágenes, de forma que no se vea comprometida la privacidad, se puede extraer muchísima información: desde una gestión remota de las plazas de aparcamiento de una calle, dato que publicado puede dar pie a una reducción del tiempo de búsqueda con el consiguiente ahorro en combustible y comodidad del ciudadano, hasta la gestión del tráfico, pasando por la detección de accidentes de tráfico.

 

La gestión de la energía

Para iniciar el estudio del diseño del nodo urbano, nuestro grupo de trabajo se valió de un grupo internacional de estudiantes de ingeniería en su fase de proyecto final. Estos, pertenecientes a nueve países tanto europeos como del continente americano, tuvieron que enfrentarse a un reto que les impusimos al inicio del mismo. Los nodos urbanos deberían crear más energía que la que gastasen para su funcionamiento. Otra imposición fue la de no disponer de baterías para almacenarla, por su precio y por su todavía alto mantenimiento.

Obviamente, estas imposiciones tienen difícil solución. Pero no son imposibles de cumplir. Para su funcionamiento, los nodos urbanos irán conectados a una de las redes públicas de energía más extensas, la del alumbrado público, y por ende a la red general de suministro eléctrico. El nodo calculará en cada momento si su balance neto de producción/consumo de energía es positivo o negativo, y actuará en consecuencia tomando o cediendo energía a la red.

Así se logra solucionar el importante problema del almacenamiento de energía. Si en un punto de la red se logra una tasa positiva de producción, ésta cederá su energía a la red municipal de suministro –no a la de las compañías productoras– posibilitando que en otro lugar de la ciudad se use, reduciendo la necesidad energética del conjunto y, por tanto, el coste del consumo energético. De esta forma, teniendo en cuenta que una red urbana de energía es muy extensa y que existen diferentes tipos de dispositivos conectados a ella (motores, semáforos, bombas de suministro, etc.) se puede modular la producción con el gasto. Tan solo en el caso de que la red en su conjunto tuviera una tasa positiva de generación de energía, caso del todo deseable, sería necesario verter el sobrante en la red de las compañías de suministro.

Para lograr la producción de energía eléctrica se hicieron las dos propuestas clásicas: energía eólica y energía solar. Resulta evidente que dichos vectores de generación de energía no van a ser instalados en todos los nodos -recordemos la modularidad de esta iniciativa. No resultaría coherente instalar células solares en calles estrechas flanqueadas por edificios de una cierta altura donde la producción energética solar no resulte económicamente viable, pero sí que podría ser rentable la colocación de turbinas atendiendo a que su configuración facilita la canalización del aire.

Por ello se habrá de decidir, en base a la realización de estudios adecuados, qué tipos de generadores se podrán ubicar en cada lugar. Obviamente, en una ciudad mediterránea y costera como la nuestra, Vilanova i la Geltrú, se podrá aprovechar todo su frente marítimo, generoso en sol y brisa, mientras que en ciudades del interior la distribución deberá incorporar otros parámetros como pueden ser la orografía, buscando puntos elevados, más apropiados para su instalación.

Otro tema considerado es el del suministro de ‘combustible’ a la ya incipiente flota de vehículos eléctricos. Aquí queda por recorrer un largo camino. Aspectos como la estandarización de las conexiones, o cómo se va a tarificar su uso, queda pendiente de determinar. En cualquier caso, se ha planteado que la red pública de suministro de energía sirva de base para reabastecer estos vehículos mientras se encuentran estacionados. No es difícil imaginarse a alguien que aparca en un lugar, se identifique y que, mediante un conector apropiado o mediante un sistema de inducción, recargue sus baterías mientras va al trabajo, compra, o simplemente va al cine. Después de usar este servicio y gracias a su identificación, se le carga cómodamente este servicio en su cuenta corriente. Los beneficios podrían repartirse entre la compañía suministradora, si se ha usado su energía, o directamente a las arcas municipales, por aprovechar la energía generada.

Paisaje Futurista

 

Telecomunicaciones. ¿Hablamos?

Uno de los principales problemas actuales en todas las ciudades, y también fuera de ellas, es la ubicación de las estaciones-base de telefonía móvil. Todo el mundo desea tener una buena cobertura en su teléfono, pero nadie quiere tener cerca una de las estaciones que les da servicio. Lo cual constituye todo un reto técnico que en la actualidad no está resuelto. La lejanía de las estaciones obliga a los dispositivos a emitir con mayor potencia, lo que se provoca un perverso efecto inverso. Cuando hablamos o cuando se transmiten datos, el dispositivo que normalmente llevamos en nuestro bolsillo o pegado a nuestro oído nos regala con una mayor cantidad de radiación, que es justo lo que pretendíamos evitar alejando a las antenas. Tener las estaciones-base más cercanas disminuiría en gran medida este problema. Pero, ¿cómo hacerlo sin crear alarma social?

Actualmente se está desplegando ya la cuarta generación de comunicaciones móviles, e incluso hay países como Japón o Estados Unidos donde se hacen pruebas con la quinta. Con ella se incrementa la velocidad de los datos y se aumenta la capacidad de cada estación. Pero también, como problema añadido, disminuye su radio de cobertura. Consecuencia directa de esto será la necesidad de incrementar el número de estaciones base de telefonía.

En nuestra propuesta planteamos el hecho de que el interior de algunos de los nodos urbanos albergue una pequeña estación base, de poca potencia y de reducido radio de cobertura. En la actualidad ya existen pico, nano o incluso femto, estaciones que solucionan la cobertura en aparcamientos subterráneos, en el interior de los túneles del metro, o en centros comerciales. La tecnología existe y esta socialmente aceptada.

Trasladar este concepto a la calle significaría una revolución parecida a la que en su momento supuso el concepto de nuestra vieja farola. Si quisiéramos iluminar una calle, tenemos dos posibilidades: la primera, instalar un gran foco en un extremo, y la segunda, instalar muchas luces a lo largo de su recorrido. En el primer caso quien estuviera al principio de la calle estaría iluminado en exceso, al igual que con las estaciones base, pero el que estuviera al final, apenas recibiría luz, carecería de ‘cobertura lumínica’. Por ello, al igual que se hizo con la iluminación, pese a que tiene sus problemas técnicos, es mejor distribuir la cobertura de la telefonía en pequeñas estaciones. Al fin y al cabo no se trata de problemas distintos: tanto la luz como las ondas de la telefonía móvil son radiaciones electromagnéticas, eso sí, de distinta longitud de onda. Pero no oímos a nadie quejándose de la luz de las farolas.

Este sistema además tiene una ventaja asociada. Cada estación ubicada en un nodo tendría una conexión propia a la red de fibra óptica. Ello incrementaría la velocidad de las comunicaciones de forma exponencial. Al haber más miniestaciones base, habría menos usuarios por estación, con lo que la capacidad de comunicación de cada antena se tendría que repartir menos. Cada antena tiene una capacidad limitada de comunicación que debe repartirse entre sus usuarios. La ecuación es sencilla: a más antenas, menos usuarios por antena; es decir, menos a repartir.

 

Computación ubicua: hacia el Internet de las Cosas

Uno de los motivos por los que es famoso el Centro Europeo de Física de Altas Energías (CERN) tiene poco que ver con la física. Es el lugar donde nació la World Wide Web, donde se desarrolló el embrión de la actual internet.

Hoy en día, sus experimentos en física de partículas arrojan tanta información que ningún ordenador del mundo por si solo es capaz de procesar con la velocidad necesaria. Ni tan siquiera el más poderoso de ellos. Sabiendo esto de antemano, ya llevan muchos años desarrollando estrategias que permitan poder procesar el ingente volumen de información que arroja cada uno de los experimentos que realizan. La red WLCG (Wordwide LHC Computing Grid), una red compuesta por cientos de miles de procesadores, trata de absorber la información vertida por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

En paralelo, en muchos centros del mundo donde es necesaria una gran capacidad de cómputo a bajo coste se usa la tecnología conocida como Grid Computing. Tecnología que suma la potencia de muchos ordenadores pequeños para que cooperen en la realización de un gran trabajo. Se trata de una tecnología ya madura y de uso cotidiano.

En el diseño del nodo, como elemento de gestión y control del mismo, dentro del marco de su modularidad, nuestro equipo introdujo el uso de un miniordenador de bajo precio, que tan populares son hoy en día: el microcomputador Raspberry pi. Junto a él propusimos también el uso de una placa microcontroladora para la gestión de los sensores, la Arduino uno.

Todo esto permite que los nodos sean extremadamente flexibles. Sus programas no solo son actualizables para mejorar su rendimiento y eliminar posibles fallos, sino que además es posible cambiarlos para reconfigurar sus funcionalidades. Además, hacerlo en red y, por tanto, remotamente. Con ello se previene su obsolescencia de funcionamiento y permite que estén preparados para diseños y utilidades que todavía no estén creadas cuando se pongan en funcionamiento.

Pero es que, además, permiten otra cosa. Permiten que su exceso de capacidad de computación sea usada colaborativamente, en grid, para realizar tareas de procesado clásico. Es decir, usadas en su conjunto como un gran ordenador.

Actualmente, en el BSC (Barcelona Supercomputing Center) se está desarrollando la siguiente generación del superordenador Mare Nostrum. Se está haciendo con versiones más sofisticadas de ordenadores basados en arquitectura ARM, como la de nuestra propuesta. Usar los cientos de microprocesadores instalados en los nodos permitirá a nuestras ciudades transformarse, paradójicamente, en auténticas smart cities convirtiéndose en un gran ordenador potente, flexible, y además, tolerante a fallos. La avería de uno de los nodos no significará un paro en el funcionamiento, sino tan solo una pequeña merma en la potencia de cálculo.

Puente Futurista

 

El futuro, ya presente

El objetivo inmediato del Proyecto Nodo Urbano es construir, en base a las especificaciones ya diseñadas y escritas, un prototipo a escala real y perfectamente funcional para su evaluación. El objetivo final es mucho más ambicioso. Impulsado desde Neapolis, en Vilanova i la Geltrú, y con el soporte de la Universidad Politécnica de Catalunya, no trata tan solo de diseñar y construir una nueva línea de equipamientos urbanos, sino de perseguir un objetivo final más importante: el de abrir camino hacia la estandarización.

Realmente, la forma final del nodo urbano no es trascendente más que a ciertos niveles funcionales y estéticos. Debe adaptarse a su entorno y a la personalidad de cada ciudad. Nuestros estudiantes hicieron muchas propuestas. A nivel de ingeniería electrónica tampoco, puesto que la placas y los sensores son reemplazables por otros y su corazón, su microprocesador, también lo es.

Lo que es realmente importante es el concepto de nodo en sí, a partir del cual redactar finalmente unos estándares que permitan a distintos fabricantes ponerse de acuerdo y propiciar toda una nueva vía de desarrollo industrial. Tan solo en el caso de que nos pongamos de acuerdo en el cómo, seremos capaces de fabricar grandes cantidades de nodos, disminuir su coste y propiciar toda una nueva suerte de programas informáticos potentes y efectivos.

Está claro que nuestras ciudades deben ir adaptándose a los nuevos retos y hacerlo, además, rápidamente. El nodo urbano es una propuesta, tal vez no la única, pero que permitiría solucionar muchos problemas ya presentes y buen número de futuros desafíos.

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