Los retos de las Smart Cities, un complejo ecosistema de tecnologías

En las últimas décadas, el avance de la electrónica digital y las telecomunicaciones ha transformado por completo la medición y control de los procesos de energía, un aspecto clave en el diseño y funcionamiento de los sistemas electromecánicos desde los inicios de la Revolución Industrial. Hoy en día, los equipos cuentan con una capacidad de cálculo en tiempo real casi ilimitada, dando lugar a las llamadas smart cities o ciudades inteligentes

Por Odón de Buen, director general de la Conuee

En un sentido simple, los llamados “sistemas inteligentes” miden, registran, transmiten, almacenan y procesan los datos de variables medidas en millones de puntos en tiempo real.

Por lo mismo, el punto de partida es la medición, es decir, la determinación de las magnitudes de un conjunto amplio de características y fenómenos físicos, tales como tiempo, longitud, velocidad, masa, temperatura, energía o peso. Dichas variables se determinan a partir de la medición, que consiste en comparar la dimensión de un objeto o fenómeno dado con el de una unidad establecida como referencia, generalmente mediante algún instrumento graduado conforme al patrón establecido para dicha unidad.

Para transmitir y almacenar el dato medido hay que registrarlo, lo que implica anotarlo o consignarlo en una ubicación intermedia para su posterior consulta o referencia. Esta información puede desplegarse en el propio instrumento de medición en un valor puntual o en registros gráficos que muestran variaciones respecto a otro parámetro (generalmente, el tiempo). Esto es relevante en el proceso de una ciudad inteligente, ya que muchos de los datos que antaño eran registrados en papel por una persona, ahora son analizados por dispositivos que operan en tiempo real y almacenan y envían la información inmediatamente a procesamiento.

El ecosistema tecnológico de las ciudades inteligentes
La operación de una smart city involucra el registro y manejo de enormes volúmenes de datos, con cálculos muy sofisticados, en tiempo real y a gran velocidad, en sistemas que aprovechan un conjunto amplio de tecnologías que se han desarrollado e integrado en el último siglo:

Los semiconductores. Un avance fundamental para la electrónica es el desarrollo de dispositivos basados en semiconductores, los cuales son elementos que se comportan como conductores o aislantes, dependiendo de diversos factores, como el campo electromagnético, la presión, la radiación o la temperatura del ambiente en el que se encuentren.
El transistor. De los dispositivos basados en semiconductores, el transistor, que aparece en 1948, es de los más importantes y utilizados para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. También cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
Los circuitos integrados. Incluyen varios transistores en una sola pieza (un chip) y llegaron en 1958.
Los microprocesadores En 1970, los circuitos integrados dan lugar a la aparición de los microprocesadores, un componente central de las computadoras actuales, capaces de ejecutar un conjunto de instrucciones integradas en un programa a partir de la solución de operaciones aritméticas y de lógica simple.
La digitalización. El desarrollo central en los sistemas modernos de manejo, procesamiento y transmisión de información son los sistemas digitales, que utilizan una base numérica binaria, la cual permite manejar y almacenar la información en pulsos, interruptores encendido/apagado o cualquier forma de un registro básico de “sí o no”.
Almacenamiento de datos. Aparece asociado a las computadoras que requieren de un almacenamiento primario o principal (que guarda el código que permite arrancarla y hacerla funcionar) y el secundario o auxiliar, que ha tenido muchas formas: primero con discos y cintas magnéticas y, posteriormente, con discos apoyados en equipos de rayos láser.

Otro conjunto de tecnologías clave son las asociadas a las telecomunicaciones, que evolucionan desde la aparición del telégrafo a mediados del siglo XIX; el teléfono, que data de la segunda mitad de esa misma centuria; la transmisión inalámbrica, reflejada en la invención de la radio en 1906; la automatización de procesos y la expansión del servicio telefónico a lo largo de la primera mitad del siglo XX;  y la comunicación satelital, que arranca en 1957 con la puesta en órbita por la Unión Soviética del primer satélite artificial y que toma forma en 1962 con la emisión de la primera señal de televisión.

Por último, y como la pieza final de este ecosistema tecnológico, llega Internet, que nace en 1962 como un concepto que llevaría, a partir de finales de los ochentas, a una red de computadoras interconectadas globalmente para acceder desde cualquier lugar del mundo a datos y programas.

Redes inalámbricas de sensores (RIS): un elemento clave
Como producto de los procesos anteriores, aparecen las redes inalámbricas de sensores (RIS). Su existencia, relativamente reciente (del 2000 a la fecha), es clave en el funcionamiento de una gran cantidad y variedad de equipos y sistemas en el presente y, más importante, para el futuro cercano. Las RIS pueden describirse como un conjunto de nodos que cooperan para medir y controlar un ambiente dado, permitiendo la interacción entre personas y/o máquinas, y el contexto físico que los rodea.

Un nodo en una RIS se compone de cuatro elementos: (a) sensor, (b) micro controlador, (c) transmisor-receptor y (d) módulo de potencia (que incluye su administración y puede operar con energía solar, térmica y la de las vibraciones) [1].

Hoy día, el procesamiento de datos se lleva a cabo con grandes volúmenes, en tiempo real y a gran velocidad, en computadoras que aprovechan los múltiples desarrollos tecnológicos

El Internet de las cosas (IoT) y el Big data
Este rápido crecimiento de las posibilidades de medición y actuación ha traído consigo nuevos conceptos como el Internet de las cosas y el Big data. El primero se refiere a todo lo que se puede monitorear y operar a través de internet, mientras que el segundo nos remite a la existencia, manejo y aprovechamiento de grandes volúmenes de datos que pueden ser utilizados más allá de los sistemas de donde éstos se obtienen.

En estas definiciones es muy relevante distinguir la diferencia entre datos e información. Un dato es una representación simbólica de alguna situación o conocimiento, sin ningún sentido semántico, describiendo situaciones y hechos sin transmitir mensaje alguno; puede ser un número, una letra o un hecho. A su vez, la información es un conjunto de datos, adecuadamente procesados, para proveer un mensaje que contribuya a la toma de decisiones.

Por lo mismo, lo que hace inteligente a un proceso no es tanto su capacidad de medir, registrar, transmitir, almacenar y procesar grandes volúmenes de datos, sino su capacidad de ser útil para tomar decisiones que resulten, en el caso de los centros urbanos, en la mejora de la calidad de vida de sus habitantes.

Las aplicaciones
Actualmente, el concepto de smart city se aplica a varios conjuntos de sistemas dentro de una ciudad, los cuales incluyen a las redes eléctricas, la industria, el transporte, los edificios, los servicios urbanos y la seguridad pública, entre otros.

Redes eléctricas. La infraestructura avanzada de medición (AMI, por sus siglas en inglés) es una aplicación de la electrónica digital asociada a las telecomunicaciones y una tecnología habilitadora que permite incrementar la eficiencia en el proceso de distribución de electricidad; incluye el hardware, el software, las comunicaciones, los sistemas asociados con la distribución de energía, los relacionados con el consumidor y el software de gestión de datos de medidores inteligentes. La AMI tiene el potencial de transformar la forma en que los servicios públicos, clientes y terceros administran la generación, entrega y uso de electricidad, y posibilita acciones de reacción inmediata en presencia de eventos que perturban la operación de la red.
Industria. Las “fábricas del futuro” están diseñadas y organizadas para garantizar la disponibilidad de toda la información pertinente en tiempo real mediante la conectividad de todos los elementos que participan en la cadena de valor, así como por la capacidad de obtener el valor óptimo en los procesos a partir de los datos de un cliente individual. A través de la interacción entre seres humanos, objetos y sistemas en una dinámica en tiempo real, se tendrá una cadena de valor optimizada y auto-organizada [2].
Edificios. Hoy en día, los inmuebles pueden contar con tecnología para controlar remotamente y en tiempo real varios dispositivos automatizados, lo que permite a operadores y ocupantes administrar y regular el edificio para lograr confort, eficiencia energética y seguridad, principalmente.
Transporte. Son múltiples, en variedad y alcance, las aplicaciones digitales y de comunicaciones asociadas a la transportación; éstas pueden ir integradas a los vehículos en lo individual, pero también mejorar la eficiencia del transporte público, ofreciendo alternativas e información a usuarios en tiempo real; gestionar el tráfico a través de la semaforización inteligente o sistemas automatizados de parquímetros; o bien, reducir los costos de logística de las empresas (de transporte de pasajeros y mercancías), entre otras estrategias.
Servicios urbanos. En el ámbito urbano, las RSI están transformando el uso de la infraestructura de postes de alumbrado público (y el propio servicio), ya que permiten nuevos usos de ellos, como la propia optimización del alumbrado, la inclusión de sensores acústicos, monitoreo de la calidad del aire y, de manera inminente, el apoyo a la navegación de vehículos autónomos [3].
Seguridad pública. Es una de las aplicaciones más comunes en las ciudades de la actualidad. Consiste en el despliegue de sistemas distribuidos de monitoreo en miles de puntos de la geografía urbana. Su elemento más notable son las cámaras de seguridad, cuya información se procesa en plataformas compartidas de datos.

Las ciudades inteligentes son el reflejo de la evolución de tecnologías que se han ido agregando para desembocar en nuevos ecosistemas que integran a otros existentes

Preocupaciones asociadas al desarrollo de las smart cities
Un aspecto clave es el que involucra la integración de diversas plataformas de datos para generar un efecto sinérgico; es decir, la oportunidad de compartir datos e integrarlos en aplicaciones orientadas a los ciudadanos a través de sus dispositivos digitales.

Estas posibilidades traen consigo preocupaciones relacionadas con la seguridad en el manejo de la información y la eventualidad de que los sistemas puedan ser controlados por terceros, con propósitos distintos a la adecuada operación de los sistemas.

La integración de lámparas LED con controles de red e inteligentes pueden llevar a ahorros en la facturación eléctrica mayores al 50 %, respecto a lo instalado en la actualidad

También existen inquietudes alrededor de la gobernanza de las smart cities, como la capacidad de los gobiernos locales para identificar las necesidades de la urbe; la pericia técnica de interlocución ante proveedores de alta complejidad tecnológica a la hora de diseñar, especificar y adquirir equipos más adecuados, así como la cooperación y trabajo abierto con la gran variedad de actores relacionados al diseño y operación de los sistemas.

Sobre el valor de las normas internacionales
Dado el acelerado cambio tecnológico de los sistemas asociados a las ciudades inteligentes, es de vital importancia que se haga uso de las normas técnicas aceptadas por los principales actores internacionales, muy particularmente para que se pueda tener interoperabilidad entre dispositivos y marcas, lo que incluye una semántica compartida hasta arquitecturas de referencia comunes, utilizando una terminología bien definida y al alcance de la comprensión de todos los actores del mercado.

A través del control remoto y la automatización, los operadores y ocupantes del inmueble pueden obtener confort, eficiencia energética y seguridad

Una revolución imparable
Con el trepidante desarrollo de la electrónica y la transformación digital contemporáneas, registrar, almacenar y procesar los datos procedentes de mediciones de variables en todo tipo de plataformas y equipos se ha vuelto una práctica de lo más común, creciente en volumen y complejidad; hoy en día, sirve para operar todo tipo de sistemas, incrementando la automatización de procesos y haciendo más eficiente su operación.

Por lo mismo, las ciudades inteligentes son el reflejo de la evolución de tecnologías que se han ido agregando y complementando para desembocar en nuevos “ecosistemas” que integran a otros existentes. Sin embargo, aprovechar al máximo estos desarrollos trae consigo varios retos para la política pública en los tres niveles de gobierno, como por ejemplo:

Complejidad. Las smart cities operan a partir de la suma de varios sistemas complejos (electricidad, transporte, servicios urbanos, seguridad, etcétera)
Carácter integral. Es un asunto de varias agendas, que incluye el suministro de electricidad, las telecomunicaciones y el transporte, a los tres niveles de gobierno
Alta velocidad de evolución. Esto complica un seguimiento regulatorio, además de que puede generar rápida obsolescencia en las soluciones y, también, volver anticuados los sistemas tradicionales de servicios
Dificultades para valorar beneficios no cuantificables. Esto afecta su correcta valoración a la hora de tomar decisiones de inversión y puede obstaculizar el desarrollo de los mercados asociados de productos y sistemas

En muchos sentidos y de maneras muy diversas, los desarrollos tecnológicos descritos anteriormente seguirán transformando el comportamiento de la economía y la sociedad. Sin embargo, es primordial que como sociedad regulemos el funcionamiento, calidad y eficiencia de estos sistemas, para lo cual es necesario que quienes son responsables de su aprovechamiento, diseño, instalación y/o regulación dispongan de conocimientos e información actualizada, lo que en última instancia permitirá obtener los beneficios que estos desarrollos prometen.
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Odón de Buen
Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM, maestro en Energía y Recursos por la Universidad de Berkeley, en California, y profesor asociado de la Maestría en Ingeniería Energética de la UNAM. Autor de diversos reportes técnicos sobre ahorro de energía y fuentes renovables, publicados tanto en México como en EEUU. Actualmente es Director General de la Conuee.
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Referencias:
1. IEC, Internet of Things: Wireless Sensor Networks. , in White Paper2017, International Electrotechnical Commission. p. 78.

2. IEC, Factory of the future, 2015, International Electrotechnical Commission. p. 51.

3. World., S.C. Smart pole lights the way. . [cited 2017 Septiembre]; Available from: https://smartcitiesworld.net/energy/smart-pole-lights-the-way-2098.