Transformace městských služeb pomocí internetu věcí

Některé koncepty jsou již vyzkoušeny v zahraničí a našim městům tak kromě silné vůle a ochotě celého politického vedení nic neschází k jejich replikaci. Vybrali jsme ty zásadní.

Naše města čelí zcela novým výzvám 21. století. Zvyšuje se tlak na otevřenost státní správy a místních samospráv skrze poskytování otevřených dat, na rozpočtové, a tudíž zejména provozní úspory, na kvalifikaci zaměstnanců a jejich akceschopnost, či na znalosti a schopnosti správně nasadit inovativní koncepty do praxe (například skrze propracované Smart City programy). Následující smart koncepty internetu věcí již vyzkoušeli Britové a jejich koncepční zavádění v ČR a SR tak brání jen absence systematické programové podpory ze strany veřejného sektoru.

Chytřejší ulice

Jedna ze součástí Smart City programu města Milton Keynes (MK Smart) je zlepšení infrastruktury pro parkování pomocí sítě senzorů (tzv. chytré parkování). Poskytují informace v reálném čase o obsazenosti parkovacích míst v celém městě a řidiči si mohou volná místa zarezervovat skrze mobilní aplikaci. Profesor Gerd Kortuem, vedoucí pracovní skupiny pro energetiku v rámci MK smart, tvrdí, že systém významně snižuje dopravní zácpy a mnohem méně lidí parkuje ilegálně. Rada města také využívá tato data k určení správného omezení doby parkování: například senzory odhalily, že čas potřebný k doprovodu člena rodiny z parkoviště k vlaku je v průměru 16 minut, proto bylo omezení stání prodlouženo na 20 minut.

Kromě parkování město Milton Keynes instalovalo senzory i do velkých sběrných nádob na tříděný odpad s cílem získat přehled o jejich naplnění. Městu tak ušetřily investice do dalších svozných vozidel, protože umožňují efektivnější využití těch stávajících.

Chytré pouliční osvětlení, které dokáže zaznamenávat kvalitu ovzduší, hluk a pohyb, jsou integrální částí programu Future City Glasgow. Pokud se blíží cyklista, tak se veřejné osvětlení automaticky přepne z úsporných 40 % na 100 % výkonu. Osvětlení se ovládá dálkově, což město využívá například při pouličních festivalech a venkovních koncertech.

Bezpečnost města

Integrované operační centrum města Glasgow zaměstnává pracovníky ke zpracování a vyhodnocení obrazu z kamerového systému. 600tisícové město provozuje na 400 kamer s vysokým rozlišením, které automaticky detekují neobvyklé události, například odložená zavazadla či ležící osoby, a spouštějí alarm. Programový ředitel Future city Glasgow doplňuje, že se tak pracovníci centra konstantně nedívají na obrazovky, ale jsou upozorněni jen v případě události. Profesor Kortuem dodává, že kamerový dohled nad incidenty, jakými jsou výbuchy, dopravní nehody či loupežná přepadení s sebou přináší i vyšší dohled na občany. I když vidí možný rozvoj se zapojením občanů s tím, jak sami obyvatelé budou nakupovat a využívat takové systémy, hrozí zde reálně, že někteří budou šmírovat a donášet.

Doprava

Vysokokapacitní výpočetní výkony, sběr dat, analytické nástroje a otevřená data jsou motorem pokroku v dopravě. Nové možnosti mobilních telefonů umožnily spotřebitelům využívat rostoucí řadu aplikací pro plánování a rezervaci cest. Díky datům z mnoha zdrojů může internet věcí výrazně zlepšit způsob, jakým cestujeme. Počet čidel v motorových vozidlech a systémech veřejné dopravy roste. Průměrný rodinný vůz současnosti má větší výpočetní výkon než první přistávací modul na měsíci. Mnoho výrobců elektrických vozidel nyní nabízí aplikace, které mohou vzdáleně monitorovat energii baterie a plán nabíjení.

Kooperativní systémy

Při pohledu dále do budoucna by mohla již vyvíjená plně autonomní vozidla (vozidla bez řidiče) být integrována do dopravního systému inteligentních komunikací, světelné signalizace, dopravního značení, pouličního osvětlení a parkování. Tento koncept se nazývá kooperativní systémy, v rámci nichž spolu komunikují vozidla mezi sebou a s infrastrukturou, a je významně podporován automobilovým průmyslem. Inovace v automobilech tak postrčí i vývoj telematické infrastruktury. Byť to vše zní futuristicky, podobná realita může nastat do 15 let i u nás. V ČR se ročně prodá cca 150 tis. nových vozidel, v roce 2013 jezdilo na naší síti 63 % vozidel starších 10 let, které budou nově platit ekologický poplatek, a budou proto postupně vyměňovány. Automobilky jdou s nabídkou cestou poloautomatických a úsporných vozidel. Japonský Nissan například vyhlásil svůj závazek výroby bezemisních a beznehodových plně automatických vozidel do roku 2020. 

Na konci tohoto roku bude město Milton Keynes testovat využití tzv. autonomního vozidla Lutz Pathfinder. Dvousedadlové elektrické vozidlo je vybaveno senzory a kamerami a jeho úkolem bude jezdit kolem pěších zón města. Vozidlo je schopno komunikovat a bude možno si jej „stopnout“ skrze mobilní aplikaci. Taková vozidla mohou v budoucnu vyřešit potřeby taxi služby (viz film Total Recall) či nabídku veřejné dopravy v pozdních nočních hodinách, za relativně nízký poplatek.

Tento rádoby futuristický pohled podává aktuálně důležitou informaci – budoucnost dopravy spočívá v integraci všech druhů a možností dopravy do jednoho distribuovaného dopravního systému poskytující i tzv. on-demand services, tj. dopravní služby na objednávku v reálném čase. Cestující si tak budou moci plánovat své cesty s mnohem větší jistotou. Budou schopni vidět celou trasu, jednotlivé navazující spoje a údaje o jejich zpoždění. To povede, dle strategie britského ministerstva dopravy z 2013, k vyššímu využívání udržitelných druhů dopravy.

Chytré zastávky

Samotnému konceptu, ale v širším kontextu, se věnujeme v samostatném článku. Pasáže níže jsou dokladem, že tento koncept je již nasazován, byť v redukované podobě. 

Senzory kolem autobusových zastávek pomáhají detekovat počet lidí stojících kolem a měřit tak poptávku po veřejné dopravě, což je předpoklad ke vzniku přepravních služeb na zavolání/objednání (tzv. on-demand services). Teoreticky tak mohou města lépe koordinovat nabídku veřejné dopravy a vytvořit lépe odpovídající službu reálným potřebám cestujících. 

Město Glasgow sbírá data o počtech lidí, kteří se pohybují pěšky nebo na kole s cílem zjistit nejčastější trasy těchto lidí a odstranit překážky, které v současné době lidem brání využívat jízdní kolo. Analýza dat pak slouží k cílenějším investicím města do podpory cyklistiky a zvyšování její bezpečnosti a dostupnosti.

Energetika

Program inteligentních měřičů za 10,9 miliard liber (409 miliard Kč) je doposud největší britskou vládní investicí do technologií internetu věcí. Do roku 2020 bude vybudována národní komunikační infrastruktura, do které bude připojeno až 53 milionů inteligentních měřičů spotřeby elektřiny a zemního plynu v domácnostech a malých podnicích. Síť domácnosti (tzv. Home Area Network) doplněná o displej bude poskytovat údaje o spotřebě energie v blízce reálném čase a přístup k těmto datům bude řídit centrální regulační subjekt.

Vytápění ve Velké Británii představuje 79 % domácí spotřeby energie. Důkazy naznačují, že inteligentní měřiče mohou zpočátku poskytnout 2–3% snížení spotřeby energie prostřednictvím změn v chování spotřebitelů. Pokud budou měřiče používány v kombinaci s termostaty, senzory počasí a bojlery, mohly by se úspory energie pohybovat v rozmezí 6–29 %. Tyto technologie mají potenciál snížit účty za energie, emise oxidu uhličitého a celkovou poptávku po elektřině. 

Inteligentní měřiče by mohly pomoci rozložit poptávku po energiích, pokud budou podporovány dynamickými tarify podle doby použití, které odrážejí variabilní náklady její výroby. Internet věcí také zvýší potenciál pro inteligentní řízení na straně nabídky. Inteligentní sítě (Smart grids) budou vyrovnávat změny v poptávce a dodávkách z občasných zdrojů energie skladováním energie. Tím také zajistí optimální dodávky do hlavních systémů, dokonce až na úroveň jednotlivých zařízení. Využitím baterií pro skladování energie v připojených zařízeních (například elektrických vozidlech) může být optimalizována dodávka energií ve špičce a mimo ni. 

Do budoucna britská vláda zvažuje prozkoumat pobídky pro skladování energií domácnostmi a malými podniky nebo zvětšit flexibilitu sítě tím, že se zautomatizují platby ze strany provozovatelů distribuční sítě zákazníkům za poskytnutí skladovací kapacity.

Zavedení internetu věcí do oblasti energetiky se však neobejde bez rizik. Pro dosažení potenciálních ekonomických a společenských přínosů je nutné vyřešit tři reálné hrozby:

• zvyšující se poptávku po energiích (samotný provoz statisíců měřičů a jejich komunikace budou vyžadovat další energii)
• nedostatečné zabezpečení sítě (hrozby krádeže a zneužití osobních dat spotřebitelů a jejich derivace, např. jsou-li doma, a dále problém standardizace komunikace těchto měřičů, která je již nyní velmi odlišná, např. firma Sigfox využívá mobilní síť, Zigbee připojuje měřiče do domácí sítě, Thread připojuje termostat od Nest napřímo, WiFi je často používána pro propojení síťových prvků, například od firmy Bosch)
• rozdílnou dostupnost sítě (například rozdílné komunikační pokrytí venkova)

Zdravotnictví

Internet věcí by mohl pomoci přesunout zdravotní péči od stávající masivní konzumace léčiv k prevenci a dát lidem větší kontrolu nad rozhodnutími, která ovlivňují jejich zdraví a pohodlí. Na druhé straně by tyto technologie mohly integrovat poskytování zdravotní péče, zlepšit klinické výsledky a přinést značnou efektivitu nákladů pro nemocnice. Telehealth – dodávka vzdálených služeb zdravotnické péče – je stále více proveditelným konceptem díky vzestupu počtu připojených inteligentních zařízení.

Současné demografické trendy silně naznačují, že evropské zdravotnictví čekají v nadcházejících letech velké výzvy. Počet obyvatel Spojeného království by mohl být do roku 2050 nejvyšší v Evropě (77 milionů) s tím, že je stále více lidí, kteří se dožijí velmi vysokého věku. Tyto trendy budou nevyhnutelně vyvíjet tlak na veřejné služby. Britská studie z let 2007–08 odhadla, že průměrná hodnota zdravotních služeb pro domácnosti důchodců činí 5 200 liber (tj. necelých 200 000 Kč), což je o 186 % více než pro domácnosti bez důchodců. Podobný poměr jistě bude platit i pro Českou a Slovenskou republiku.

Také chronická onemocnění budou významně formovat budoucí nároky na zdravotnictví. Předpokládá se, že v průběhu následujících 25 let se náklady na přímou léčbu diabetes ve Velké Británii zvýší z 9,8 na 16,9 miliard liber ročně (tj. na 172 %). Počet britských dospělých a dětí, kteří jsou obézní, nadále roste. Stejně významné dopady na zdravotní péči budou mít i psychické nemoci. Náklady spojené s léčbou demence se v současné době odhadují na 23 miliard liber ročně, a tyto výdaje se rok od roku zvyšují.

Potenciál pro internet věcí v oblasti zdravotní a sociální péče je viděn v těchto třech příležitostech: 

• prevence a včasné rozpoznání nemoci (skrze senzory a měřiče tlaku, srdečního tepu, množství cukru v krvi atp.)
• výzkum (velký objem dat o vlivu medikace na pacienta, jeho životním stylu a jeho prostředí – alergeny, sluneční záření, znečištění), osobní zpětná vazba o vlivu pohybové aktivity na zdraví atp.
• zdravotní péče na míru

Nasazení technologií provází i možné hrozby:

• zabezpečení dat a otázka vlastnictví (Dodavatelé „měřičů zdraví“ budou s daty nakládat a mohou je skladovat i mimo území daného státu, proto bude zapotřebí zavést protokoly správného nakládání s daty, uživatelé budou chtít vědět, kdo má k datům přístup a co se s daty děje nebo může dít.)
• zabezpečení hardwaru a jeho interoperabilita (Riziko hackování nemocnice připojené do internetu věcí a hackování samotných měřičů mohou ohrozit nasazení celého konceptu; interoperabilitou se pak míní schopnost zařízení dodávat data i na jiných místech, například při dovolené v zahraničí, či možnost vzdálené aktualizace softwaru zařízení.)
• změnový management (Vycvičený zdravotní personál a obeznámení uživatelé budou mít lví podíl na optimálním nasazení tohoto konceptu do praxe.)

Levná zařízení, která můžeme mít připnuta na svém těle, a telehealth by mohly snížit počet návštěv lékaře a umožnit lidem dřívější návrat z nemocnic, což je řešením stále nekončící nestability poplatků ve zdravotnictví a neustále se zvyšujících nákladů státu. 

Soukromá nemocnice The Spire ve městě Hove již využívá pro své pacienty bezdrátová detekční a záznamová zařízení, která přenášejí data o srdečním tepu, úrovni dýchání a teplotě pacienta a upozorňuje zdravotníky, pokud hodnoty přesáhnou stanovenou mez. Britové připravují nasazení takového systému i do státních nemocnic. Data ze systému mohou sloužit ke kontinuálnímu monitorování trendů zdraví jednotlivců či skupin a účinnosti podané medikace.

Několik produktů na trhu také poskytuje možnosti vzdáleného automatického dohledu nad osobami žijícími o samotě. Například by Vám předaly informace o tom, že Vaše babička dnes nevstala v 8 hodin z postele či si nezapnula varnou konvici, jak obvykle dělá. Jiný koncept staví na infračerveném senzoru umístěném na stropě všech místností v bytě, který spustí alarm v momentě, kdy dojde k pádu dané osoby bez opětného zvednutí. Systém Vám následně umí zaslat varovnou SMS. Takové systémy zvyšují klid a zmírňují obavy o starší lidi, kteří si přejí zůstat ve svém bytě sami.

Budovy

Inteligentní budovy se stanou centrem pro širokou škálu aplikací internetu věcí. V budovách jsou stále častěji instalovány různé senzory, které shromažďují údaje o pohybu, teple, světle a využití prostoru. Tyto informace by mohly umožnit systémům řízení budov (BMS), aby téměř v reálném čase upravovaly např. klima budovy. Údaje z čidel mohou být také analyzovány jako součást následného navrhování budov a systémů.

Výhody a rizika inteligentních budov samozřejmě rostou, pokud uvažujeme v měřítku celého chytrého města. Život a práce mezi inteligentními budovami by mohly mít dalekosáhlé důsledky pro naše chování díky informacím o našem bezprostředním okolí, a o tom, jak se chováme ve veřejných prostorách. Existují již vládní iniciativy podporující rozvoj inteligentních měst ve Velké Británii, včetně Smart Cities Fora, které bylo zřízeno s cílem stavět na strategii informační ekonomiky.

Budovy připojené k internetu věcí by mohly vytvořit významné příležitosti pro minimalizaci nákladů prostřednictvím optimalizace energie a prediktivní údržby. Nedávná publikace Royal Academy of Engineering upozorňuje na tyto a jiné výhody a mimo jiné uvádí:

„Nedávné pokroky ve sběru dat a analýze otevírají nové možnosti pro chytré stavební technologie. Vůbec poprvé mají systémy řízení budov (BMS) schopnost učit se a dokonce i předvídat potřeby a preference jejich obyvatelů s ohledem na světlo, teplotu a další služby, což přinese úspory energie prostřednictvím cílených dodávek. Pokračující expanze a modernizace bezdrátových sítí a „skoky“ ve výpočetním výkonu znamenají, že dnešní architekti chytrých budov mají k dispozici nástroje používající data tak, aby zastavěné prostředí bylo pohodlnější a zároveň snížilo naši uhlíkovou stopu.“

Informace ze senzorů mohou architektům dávat zpětnou vazbu o reálném využívání bytu či domu a také sloužit pro modelování na základě informací v reálném čase, označovaném BIM úroveň 3. Tímto způsobem tak půjdou řešit např. energetické štítky budov či prezentace modelů budoucích staveb s reálnými hodnotami ze senzorů. Takové budovy také nabídnout zcela novou úroveň práce pro správy budov a optimalizují se jak investice do technického vybavení, tak i údržba. Chytrá budova je jakýmsi intranetem věcí seskupujícím senzory pomocí wifi sítě. Typická komerční chytrá budova tak v sobě zahrnuje několik tisíc detekčních a spouštěcích zařízení.

Zemědělství

Zemědělství je jednou z prvních oblastí lidské činnosti a nyní má být transformováno technologií. Internet věcí v tomto ohledu nabízí potenciální pokrok. Například senzory vlhkosti půdy společně s daty z meteorologických stanic pomohou upřesnit prognózy pro zavlažování. Tato data jsou využívána velkými zemědělskými provozovnami s cílem určit, kolik vody dané plodiny potřebují a také kdy ji potřebují. Ostatní senzory mohou shromažďovat údaje o teplotě, světle, kyselosti půdy a obsahu hnojiv. Sledování hospodářských zvířat pomůže včas identifikovat onemocnění a úrazy či příležitosti ke zlepšení chovu. „Inteligentní farmy“ mohou sdílet data s ostatními farmami, různými částmi dodavatelského řetězce, regulátory a spotřebiteli.

Existují tři velké příležitosti pro zemědělství:

• maximalizace výnosů 
• zlepšení sledovatelnosti potravin
• řešení problémů v oblasti životního prostředí

Plně autonomní farmy jsou stále ještě konceptem budoucnosti. Avšak již nyní existují příklady použité zemědělské robotiky. Společný program vedený univerzitami v Osnabrück a Wageningen je pomocí robotů identifikovat a odstranit plevel. Robotické přístupy založené na chytrých malých strojích jsou také rozvíjeny na univerzitě Harper Adams. Výsledky těchto programů naznačují, že řízený provoz zemědělství – kde stroje jedou po opakovatelných trasách s větší přesností – by mohly snížit vstupní náklady a náklady na stroje až o 75 %.

Malé zemědělské podniky přispívají do celosvětové produkce potravin ze 70 %. Doposud nebyly pro chytré zemědělství osloveni. Britská vláda plánuje podpořit rozvoj této oblasti skrze sadu demonstračních projektů. 

My, spotřebitelé, jsme stále více znepokojeni tím, co jíme a jaké jídlo nakupujeme. Internet věcí by mohl sehrát významnou roli při sledování potravin z „farmy na stůl“. Čidla s geolokací mohou poskytnout informace spotřebitelům týkající se původu potravin a metod výroby. To se může stát důležité zejména pro vysoce hodnotné produkty, kde provenience je pro zákazníky klíčová.

Z regulačního hlediska by internet věcí mohl umožnit technologické sledování polohy a pohybu potravin v rámci dodavatelského řetězce, a tím poskytnout silnější pobídky pro zemědělce a producenty potravin pro obeznámení se s „osvědčenými postupy“. To by mohlo přinést kvalitnější plodiny a lepší životní podmínky zvířat. Je zřejmé, že plodiny a potravinářské výrobky prodávané ve stejné podobě, v jaké jsou vyráběny (jako například zelenina), jsou snadněji sledovatelné, než potraviny zpracovávané (jako maso nebo obilí).

Internet věcí může pomoci i s řešením globálních environmentálních problémů. Například senzory pro dobytek (3D akcelerometry) mohou v blízce reálném čase monitorovat pohyb zvířat a detekovat zranění či nemoc, což umožní farmářům promptně reagovat. Další potenciál je ve sdílení dat, které umožní například odhalit šířící se nemoc včas. Dalším přínosem je chytřejší nakládání s vodou, 70 % pitné vody na světě se používá v zemědělství a její správné dávkování bude určitě přínosné.

Pro chytré zemědělství byly shledány tři hlavní překážky:

• nekompatibilní zařízení (mezi softwarem různých strojů a systémem, neexistence standardu pro sdílení a prezentaci dat)
• nedostatečná infrastruktura (špatná konektivita farem k internetu či mobilní síti, Britové uvažují o využití satelitní technologie a rádiové komunikace v pásmu 870–915 MHz)
• nedostatečné technické znalosti (Pokročilejší stroje a digitální technologie budou vyžadovat nové technické znalosti agronomů včetně práce s daty, školství tím bude nuceno přepracovat své osnovy pro zemědělství tak, aby propojilo vědecké, inženýrské a digitální znalosti.)

Rizika

Relativně triviální události (jako je například výpadek dodávky proudu) budou v internetu věcí velkou komplikací. Propojené systémy mohou vytvořit dominový efekt výpadků routerů a zařízení. Zákeřné kybernetické útoky, zaměřené na bezdrátové sítě nebo na internetové odkazy z BMS do cloudového serveru, mohou způsobit zcela podobné efekty.

Bezpečná fúze externích dat se stavovými daty budovy bude také vyžadovat ujištění o původu těchto údajů. Útok na BIM senzory (například termostaty), které tak vytvoří falešné údaje, by mohly vytvářet problémy např. s regulací teploty. Útoky na požární signalizaci, CCTV nebo zámky dveří by také mohly vytvořit falešné alarmy pro záchranné složky či policii. Pokud bude například senzor neustále spouštěn kvůli útoku hackera, může si on-line správa budovy myslet, že je rozbitý a vypne jej. 

Mezi další potenciální rizika patří:

• odhalení vzorců přítomnosti v budově, možná až na úroveň identit jednotlivců (tj. kdo a kdy je doma)
• vyvození soukromých nebo citlivých informací z různorodých, veřejně dostupných otevřených souborů dat
• zachycování bezdrátových datových komunikací za účelem krádeže důvěrných informací
• nasazení virů a trojských koní na úrovni zařízení, jakož i v samotném BMS

Vlastnictví dat je dále komplikováno detaily vlastnictví. Budova může být pronajata jednou organizací jiné a správa budovy prováděna třetí. Výrobci motorů byli známí tím, že pronajímali své motory provozovatelům letadel; tento model by mohl být okopírován stavebními firmami řídícími novou budovu po celou dobu její životnosti. Ty budou muset zajistit, aby komunikace senzorů a zařízení či BMS byla šifrována a zabezpečena, aby pojišťovny mohly zvažovat zabezpečení BIM při hodnocení rizik. Budou muset nalézt vhodný kompromis mezi náklady a riziky při určování úrovně požadovaného šifrování datové komunikace v budovách. Plánované demonstrátory inteligentních budov by se proto kromě avizovaných energetických úspor měly zaměřit i na bezpečný internet věcí.

Čím může město přispět?

V roce 2013 město Londýn čelilo obvinění, že narušilo soukromí občanů tím, že chytré popelnice umožňovaly záznam informací o chytrých telefonech lidí, kteří procházeli kolem. Proto většina pilotních provozů internetu věcí staví na dostupnosti a otevřenosti informací s cílem aktivizovat firmy a občany k využití těchto dat pro nové mobilní aplikace. Například nedávno spuštěná Otevřená iniciativa města Bristol chce učinit z města „otevřené programovatelné město“. Koncem roku tak budou technologické firmy, výzkumné organizace a malé a střední podniky moci využívat optickou síť města, superpočítač Bristolské univerzity a senzorickou technologii k pilotním inovativním řešením, od autonomního vozidla až k monitorování spotřeby energie. Pan radní Hilton klade důraz na filosofii celého pojetí, a to je, že instalované senzorické sítě musí být z principu otevřené tak, aby byly vytvářeny věci, které lidé ve svých ulicích či jejich sousedství opravdu chtějí, protože chtějí informace a chtějí se angažovat.