Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων ελέγχου του οδοφωτισμού μέσω τηλεδιαχείρισης είναι πολλά, και τα σημαντικότερα από αυτά είναι η εξοικονόμηση ενέργειας και η βελτίωση της απόδοσης λειτουργίας των φωτιστικών.
Άρθρο του κ. Παναγιώτη Α. Κονταξή*
Οι δυνατότητες που δημιουργούν οι υποδομές των έξυπνων πόλεων (smart cities) έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον των υπεύθυνων χάραξης πολιτικής, των επιχειρήσεων κοινής ωφέλειας, των διαχειριστών δημοσίων έργων, των κατοίκων αλλά και διαφόρων άλλων φορέων των πόλεων.
Οι σύγχρονοι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές των έξυπνων πόλεων δίνουν τη δυνατότητα αξιοποίησης των υποδομών, όπου μέσω ελέγχου και ανάλυσης των μετρήσεων μπορούν να επιτύχουν εξοικονόμηση ενέργειας, μείωση του κόστους, βελτίωση της δημόσιας ασφάλειας και μια σειρά από άλλα οφέλη για την κοινότητα.
Ωστόσο, ορισμένες εφαρμογές που σχετίζονται με τις έξυπνες πόλεις παραμένουν αναπόδεικτες, και οι επιχειρησιακές τους περιπτώσεις είναι πολύ διφορούμενες όταν προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν το κόστος και τα οφέλη. Εξαίρεση αποτελεί ο οδοφωτισμός.
Η επιχειρηματική υπόθεση για τον εκσυγχρονισμό της υποδομής οδικού φωτισμού με φωτιστικά LED και «έξυπνους» ελεγκτές αποτελεί, πλέον, βεβαιότητα. Αυτό που κάποτε φάνταζε σαν κάτι μακρινό, σχεδόν αόρατο στοιχείο της υποδομής των πόλεων, έχει γίνει τώρα το κλειδί για το ξεκλείδωμα της έξυπνης πόλης.
Πέρα από το ξεκάθαρο βραχυπρόθεσμο όφελος της χρήσης φωτιστικών LED και έξυπνων συστημάτων οδοφωτισμού, η ίδια η υποδομή έχει επίσης τη δυνατότητα να ενεργοποιήσει μια σειρά από αναδυόμενες εφαρμογές στα πλαίσια των έξυπνων πόλεων.
Τα οφέλη
Τα οφέλη των φωτιστικών LED και του έξυπνου οδοφωτισμού επικεντρώνονται στη μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και στη βελτιωμένη απόδοση λειτουργίας. Η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται με δύο τρόπους:
α. Με τη χρήση πιο αποδοτικών φωτιστικών τεχνολογίας LED.
β. Με τη δυνατότητα μείωσης της έντασης φωτισμού μέσω των έξυπνων ελεγκτών.
Ο συνδυασμός των δύο παραπάνω τρόπων έχει ως αποτέλεσμα 60% έως 80% μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, καθώς και αντίστοιχη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Τα φωτιστικά LED έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και λιγότερες βλάβες, ενώ τα έξυπνα συστήματα φωτισμού δρόμου εντοπίζουν αμέσως τις πιθανές βλάβες, μειώνοντας σημαντικά το κόστος λειτουργίας και συντήρησης (O&M cost).
Επιπλέον, η σημαντική μείωση του κόστους των φωτιστικών LED τα τελευταία χρόνια (πάνω από 65% από το 2012) τα καθιστούν ανταγωνιστικά σε σχέση με τα φωτιστικά νατρίου υψηλής πίεσης (HPS).
Έλεγχος συστημάτων οδοφωτισμού
Ο έλεγχος των συστημάτων οδοφωτισμού επιτυγχάνει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά η πιθανή εξοικονόμηση πρέπει να σταθμίζεται έναντι της πρόσθετης πολυπλοκότητας και του κόστους. Με βάση τον τύπο διαχείρισης, υπάρχουν τρεις τύποι συστημάτων ελέγχου φωτισμού: ο αυτόνομος, ο κεντρικός και ο δυναμικός έλεγχος.
Με τον αυτόνομο έλεγχο οδοφωτισμού, τα φωτιστικά είναι προγραμματισμένα (συνήθως από τον κατασκευαστή) με καθορισμένες χρονικές περιόδους λειτουργίας. Αυτή είναι μακράν η απλούστερη και φθηνότερη λύση, καθώς δεν απαιτεί περαιτέρω έλεγχο και συστήματα δικτύου. Ωστόσο, επειδή ο προγραμματισμός είναι συνήθως περιορισμένος, συχνά δεν υπάρχει τρόπος προσαρμογής του ελέγχου για τα Σαββατοκύριακα και τις αργίες.
Επιπλέον, οι εσωτερικοί χρονομετρητές μπορεί να μην είναι ακριβείς και οποιαδήποτε αναβάθμιση του συστήματος μπορεί να απαιτεί αλλαγές σε κάθε στύλο φωτισμού. Εναλλακτικά, οι αισθητήρες μπορεί να ανιχνεύσουν το φυσικό φως και να ενεργοποιούν ή όχι το φωτιστικό.
Στον κεντρικό έλεγχο οδοφωτισμού, ένα κεντρικό σύστημα στέλνει το σήμα ελέγχου σε όλα τα φωτιστικά που ανήκουν στην ίδια ομάδα (συνήθως μέσω της γραμμής ισχύος). Αυτή η ρύθμιση είναι σχετικά απλή και φθηνή στην εφαρμογή, αλλά επιτρέπει και κάποια ευελιξία στην προσαρμογή του φωτισμού, εάν μεταβληθούν οι ανάγκες.
Επιπλέον, η ροή πληροφοριών είναι προς μία μόνο κατεύθυνση. Ενώ ο κεντρικός κόμβος μπορεί να καθορίσει την κατάσταση μιας ομάδας φωτιστικών, δεν λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με την ατομική τους κατάσταση ή άλλες συνθήκες.
Τόσο τα κεντρικά όσο και τα δυναμικά συστήματα ελέγχου απαιτούν την εφαρμογή συστημάτων τεχνολογίας πληροφοριών και επικοινωνιών (ΤΠΕ) διαφορετικού βαθμού πολυπλοκότητας. Ενώ παρέχουν πρόσθετες επιλογές για εξοικονόμηση ενέργειας, απαιτούν επίσης πρόσθετους πόρους και τεχνογνωσία για την υλοποίηση και τη συντήρηση. Η προστιθέμενη πολυπλοκότητα, όμως, αυξάνει τους κινδύνους αστοχιών του συστήματος.
Με τη δυναμική διαχείριση του οδοφωτισμού είναι δυνατή η επίτευξη του μέγιστου βαθμού ελέγχου. Όχι μόνο μπορούν να ελεγχθούν τα φωτιστικά σώματα (είτε σε ομάδες είτε σε μεμονωμένη βάση), αλλά μπορεί επίσης ο κεντρικός διακομιστής ελέγχου να συλλέξει πληροφορίες για την κατάστασή τους ανάλογα με τις εγκατεστημένες επιλογές (όπως είναι π.χ. βλάβες, κατανάλωση ενέργειας, θερμοκρασία λειτουργίας ή περιβάλλοντος, φωτισμός, κίνηση, παρουσία οχημάτων). Οι αλλαγές στον προγραμματισμό μπορούν επίσης να γίνουν στον κεντρικό διακομιστή ελέγχου, αντί να απαιτούνται αλλαγές στο φυσικό υλικό (φωτιστικό). Ωστόσο, αυτή η πρόσθετη ευελιξία συνοδεύεται από σημαντική πολυπλοκότητα, και επομένως από πρόσθετο κόστος.
Τα τελευταίας τεχνολογίας ευφυή συστήματα διαχείρισης φωτισμού ελέγχονται γενικά από ένα κέντρο εντολών, το οποίο είναι συχνά ένας διακομιστής που διατηρείται στα γραφεία των τοπικών διαχειριστών.
Αυτός ο διακομιστής παρακολουθεί μεγάλο αριθμό φωτιστικών και στέλνει εντολές που καθορίζουν την κατάσταση του κάθε φωτιστικού ξεχωριστά. Οι εντολές δεν λαμβάνονται απευθείας από τα συστήματα ελέγχου, αλλά πρώτα περνούν από συγκεντρωτές (concentrators), οι οποίοι στη συνέχεια μεταβιβάζουν τα μηνύματα σε τοπικά δίκτυα που αποτελούνται από περιορισμένο αριθμό φωτιστικών και τους ενεργοποιητές (actuators) ελέγχου.
Πρωτόκολλα επικοινωνίας
Υπάρχουν δύο επίπεδα σε ένα σύστημα οδοφωτισμού που πρέπει να συνδεθούν μέσω του συστήματος επικοινωνίας: το κέντρο εντολών στους συγκεντρωτές και οι συγκεντρωτές σε μεμονωμένα φωτιστικά. Οι πληροφορίες μπορούν να μεταδοθούν είτε ενσύρματα είτε ασύρματα, ενώ οι δύο επιλογές διαφοροποιούν τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που είναι διαθέσιμα για χρήση.
Η ασύρματη επικοινωνία μεταξύ του κέντρου εντολών και των συγκεντρωτών απαιτεί τη γεφύρωση των συγκριτικά μεγάλων αποστάσεων μέσω των ασύρματων σημάτων.
Τα πρωτόκολλα που έχουν κατά καιρούς χρησιμοποιηθεί είναι τα εξής: Wi-Fi, GPRS, 6LowPAN, WiMax, LoRA, NB-IoTm, DALI, ZigBee.
Τα ασύρματα σήματα μεταξύ των συγκεντρωτών και των μεμονωμένων φωτιστικών μπορούν να υλοποιηθούν σε διάταξη πλέγματος, που έχει το πλεονέκτημα ότι η έλλειψη οπτικής επαφής δεν διακόπτει τη σύνδεση μεταξύ μεμονωμένων κόμβων. Εάν είναι απαραίτητο, η ισχύς του σήματος μπορεί να ενισχυθεί μέσω επαναληπτών (repeaters). Τα κατάλληλα πρωτόκολλα για αυτό το επίπεδο περιλαμβάνουν:
- Το DALI (Digital Addressable Lighting Interface), ένα πρότυπο εγκεκριμένο από την IEC που έχει αναπτυχθεί για τον έλεγχο φωτισμού. Ωστόσο, αυτό μπορεί να ελέγξει μόνο έως και 64 κόμβους.
- Το 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), ένα πρότυπο που δεν ορίζει κάποιο συγκεκριμένο πρωτόκολλο δρομολόγησης για ένα συγκεκριμένο σύστημα. Αυτό επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία, αλλά απαιτεί πρόσθετη προσπάθεια για τον καθορισμό των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται για μια συγκεκριμένη εγκατάσταση.
- Το ZigBee, μια εναλλακτική λύση χαμηλού κόστους, χαμηλής κατανάλωσης και χαμηλής ταχύτητας δεδομένων για ασύρματα δίκτυα. Ωστόσο, έχει ελλείψεις όσον αφορά τις ταχύτητες μετάδοσης πακέτων πληροφορίας και μπορεί να μειώσει την απόδοση του δικτύου.
Το πρωτόκολλο που υπερίσχυσε για εφαρμογές ελέγχου του οδοφωτισμού είναι το ZigBee. Αναπτύχθηκε από τη ZigBee Alliance, που περιλαμβάνει πολλά μέλη (Chipcon, Mitsubishi, Ember, Freescale, AMI Semiconductor, Invensys, CompXs).
Ειδικότερα, το ZigBee είναι μια προδιαγραφή για μια σουίτα πρωτοκόλλων επικοινωνίας υψηλού επιπέδου που υποστηρίζονται αποκλειστικά από την ZigBee Alliance που χρησιμοποιεί υπηρεσίες επικοινωνίας που βασίζονται στο πρότυπο IEEE 802.15.4. Στοχεύει σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, μικρή κατανάλωση (περίπου 60mW) και ασφαλή δικτύωση.
Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων των συσκευών Zigbee είναι 250 Kbps στα 2,4 GHz. Οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούν την τεχνική του Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), η οποία διασφαλίζει την αξιοπιστία της μετάδοσης του σήματος, αποφεύγοντας παρεμβολές από άλλα σήματα και επεκτείνοντας έτσι το μέγιστο εύρος λειτουργίας έως και 150m.
Τα δίκτυα Zigbee μπορούν να περιλαμβάνουν έως και 65.336 συσκευές, και κάθε κόμβος μπορεί να αλληλεπιδράσει με κάθε άλλο κόμβο, κάτι που τελικά οδηγεί σε ένα πολύ μεγάλο δίκτυο. Τα πλεονεκτήματα αυτά καθιστούν τα δίκτυα ZigBee μια ισχυρή επιλογή για να πλαισιώσουν και να ελέγξουν ένα έξυπνο σύστημα οδοφωτισμού.
Πλεονεκτήματα – δυνατότητες
Διάφορες στρατηγικές σε διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας για τον έλεγχο του οδοφωτισμού έχουν αναπτυχθεί όλα αυτά τα χρόνια. Ανάλογα με το είδος των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται, καθεμία έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Τα έξυπνα φωτιστικά μπορεί να είναι εξοπλισμένα με μια πληθώρα αισθητήρων για τη ρύθμιση της κατάστασης λειτουργίας τους. Ένα είδος είναι οι αισθητήρες φωτισμού, μέσω των οποίων υπάρχει η δυνατότητα να μετράται η διαθεσιμότητα του φυσικού φωτός (είτε λόγω μεταβολής λόγω καιρικών συνθηκών, είτε λόγω της ώρας) και να ρυθμίζεται συμπληρωματικά η φωτεινή ροή των φωτιστικών σωμάτων, με στόχο τη μεγιστοποίηση της εξοικονόμησης ενέργειας.
Ένα άλλο είδος είναι οι αισθητήρες κίνησης και παρουσίας, που δίνουν τη δυνατότητα ανίχνευσης της κίνησης των οχημάτων και είτε ενεργοποιούνται πλήρως τα φωτιστικά που βρίσκονται στην περιοχή κίνησης των οχημάτων είτε ρυθμίζονται στην απαραίτητη στάθμη φωτισμού, ανάλογα και με τις εξωτερικές συνθήκες.
Επίσης, τα έξυπνα φωτιστικά μπορεί να φέρουν και άλλα είδη αισθητήρων, όπως είναι οι αστρονομικοί διακόπτες – χρονοδιακόπτες, αλλά και άλλους που σχετίζονται με περιβαλλοντικές μετρήσεις κ.λπ.
Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων ελέγχου μέσω τηλεδιαχείρισης των φωτιστικών είναι πολλά, όπως η εξοικονόμηση ενέργειας, μέσω των αισθητήρων φωτισμού. Μέσω των δεδομένων που συλλέγονται από το σύστημα τηλεδιαχείρισης (δεδομένων όπως είναι ηλεκτρικές μετρήσεις, χρόνοι χρήσης κλπ.), υπάρχει δυνατότητα μείωσης και του κόστους συντήρησης.
Αυτή η εποπτεία αυξάνει την αξιοπιστία της εγκατάστασης. Το σύστημα μπορεί να λειτουργεί και χωρίς την εποπτεία πραγματικού χρόνου, μέσω των ενημερώσεων που στέλνει το σύστημα στους διαχειριστές. Η ρύθμιση των επιπέδων φωτισμού, εκτός της εξοικονόμησης ενέργειας, μέσω της προσαρμοστικότητας βελτιώνει την ποιότητα φωτισμού, δηλαδή επιτυγχάνει τα επίπεδα φωτισμού που απαιτούνται από τα διεθνή και ευρωπαϊκά – εθνικά πρότυπα.
Η ποιότητα αλλά και η επάρκεια φωτισμού που επιτυγχάνεται, όπως προαναφέρθηκε, αυξάνει και το αίσθημα ασφάλειας, καθώς κανένα μέρος στο οποίο κινούνται οχήματα δεν θα είναι υποφωτισμένο. Η αρχιτεκτονική του συστήματος ελέγχου δίνει μεγάλη ευελιξία, καθώς μπορεί να επεκταθεί χωρίς ιδιαίτερες τροποποιήσεις.
Εν κατακλείδι
Οι πόλεις, σε όλο τον κόσμο, μεγαλώνουν. Οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι έως το 2050, περίπου το 68% του συνολικού πληθυσμού θα ζει σε αστικές περιοχές. Αποτελεί προτεραιότητα, λοιπόν, η εξεύρεση λύσεων για τη διαχείριση του κόστους λειτουργίας και συστημάτων.
Χάρη σε νέες λύσεις, ο σημερινός έξυπνος δημόσιος φωτισμός μπορεί να βοηθήσει τις πόλεις να πραγματοποιήσουν εξοικονόμηση κόστους σε ενέργεια, λειτουργίες και συντήρηση, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει στη δημιουργία ενός πιο ελκυστικού και ασφαλέστερου περιβάλλοντος.
Επιπλέον επιτρέπει απομακρυσμένη παρακολούθηση, διαχείριση και έλεγχο ολόκληρης της υποδομής φωτισμού, καθώς και λήψη πληροφοριών για την απόδοση.
Βιβλιογραφία
[1] https://www.itron.com/na [2] https://ruggedised.eu/legacy/ [3] https://intelilight.eu/ [4] https://tvilight.com/ [5] https://lucia-project.eu/ [6] https://www.fondalighting.com/ [7] https://www.aecilluminazione.com/*Ο κ. Παναγιώτης Α. Κονταξής είναι λέκτορας εφαρμογών στη μονάδα Τεχνολογίας Φωτισμού του Ερευνητικού Εργαστηρίου Κτιριακών και Βιομηχανικών Ενεργειακών Συστημάτων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών, στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής.