Koen Triangle, projectmanager imec City of Things en Lode Hoste, Senior Researcher bij Nokia Bell Labs vertellen in meer detail over de technologieën die gebruikt werden in het project rond slimme straatverlichting.
Waarom slimme straatverlichting?
Een concept als slimme verlichting kent heel wat potentiële toepassingen. Stel je bijvoorbeeld voor dat je dankzij bewegings- en geluidssensoren pleinverlichting flexibel kan laten reageren op de start (en het einde) van je partijtje basketbal. Zo wordt de lichtsterkte verhoogd enkel als er echt gespeeld wordt; of dat je zichtbaarheid en veiligheidsgevoel op straat ’s nachts verhoogd wordt door de verlichting op je route automatisch te activeren op basis van de observaties van bewegingssensoren en camera’s; of dat de verlichtingspalen in je buurt ook dienst doen als weerstation; zo word je op basis van sensordata, en door middel van lichtsignalen en kleurcodes, op tijd geïnformeerd over naderende regen- en sneeuwbuien; of dat je nachtlawaai kan ontmoedigen door straatverlichting automatisch in een (heldere) noodstand te plaatsen wanneer geluidssensoren ’s nachts plotse hogere geluidsniveaus registreren; of dat de straatverlichting automatisch kan aangeschakeld worden (met een aangepaste lichtintensiteit) wanneer lichtsensoren een verminderde lichtwaarde meten – waardoor je meteen ook energieverbruik en lichtvervuiling beperkt;Al deze scenario’s werden (en worden nog tot eind december 2019) effectief uitgetest in de Antwerpse Smart Zone in het kader van een onderzoeksproject rond slimme verlichting. Twee gloednieuwe technologieën waren daarbij van cruciaal belang.
Wat als slimme straatverlichting enkel zou aanspringen als het basketbalveld in de stad ook echt gebruikt wordt? Het is een van de energievriendelijke toepassingen van Smart Lighting.
Het worldwide streams (WWS)-platform van Nokia Bell Labs: het vertragingsprobleem oplossen door cloud- en edge-dataverwerking te combineren
Een eerste technologische pijler van het slimme verlichtingsproject werd ontwikkeld door onderzoekspartner Nokia Bell Labs. Dankzij hun WWS-platform – een grootschalig platform voor de verwerking van multisite video en data – kan de informatie die door de talrijke sensoren en camera’s rond het Sint-Andriesplein wordt aangeleverd, in realtime worden verwerkt.
Concreet wordt alle sensorinformatie zo snel mogelijk verwerkt en geaggregeerd, om zo één keer per seconde een representatie op te stellen die alle hoogsemantische informatie bevat om de juiste acties te kunnen uitvoeren.
De daaropvolgende controletaak, noodzakelijk voor het eigenlijke aansturen van de slimme straatverlichting, wordt ingevuld door de imec rule engine (maar daarover zo dadelijk meer).
Met het WWS-platform wil Nokia Bell Labs de volgende stap zetten in een vlotte uitrol van Internet of Things (IoT)-diensten, zoals slimme straatverlichting. Vandaag worden IoT-toepassingen, waarvan het succes veelal afhangt van realtime beslissingen, immers nog te vaak geconfronteerd met de beperkingen van de onderliggende telecomnetwerken en hun specifieke architectuur.
Eén van die beperkingen is het zogenaamde ‘latency’-vraagstuk: de vertraging waarmee signalen worden doorgestuurd/ontvangen (denk bijvoorbeeld aan de vertraagde reactie van je gesprekspartner tijdens een videoconferentie). Heel dat vraagstuk is gebonden aan theoretische limieten, zoals de snelheid van het licht.
De nieuwste generatie telecomnetwerken is echter al zo sterk geëvolueerd dat hun responsiviteit al erg dicht tegen die lichtsnelheid aanleunt. Op dat vlak moeten we dus niet snel nieuwe doorbraken verwachten.
Volgens de onderzoekers van Nokia Bell Labs zit de sleutel daarom in een meer gedistribueerde architectuur – met cloud- en edge-componenten – waarop het WWS-platform volledig is afgestemd.
“Vandaag wordt (IoT-)software typisch voor cloud-omgevingen geschreven,” zegt Lode Hoste van Nokia Bell Labs. “Dat houdt in dat je alle informatie van alle sensoren naar de beslissingslogica centraal in het netwerk moet sturen om tot intelligente beslissingen te komen – waardoor je het onderliggende netwerk vaak onnodig belast. Latency en een hogere kost zijn dan ook het logische gevolg.”
“Het WWS-platform daarentegen is specifiek gebouwd om software op te breken in meerdere bouwblokken, waardoor je bepaalde componenten dichter bij de bron (de edge van het netwerk) kan gaan hosten, en andere meer centraal in het netwerk (de cloud).”
“In het geval van de Antwerpse Smart Zone, waar we bijvoorbeeld gebruik maken van bewegingscamera’s om de straatverlichting aan te sturen, wil dat zeggen dat je niet alle beelden doorheen het hele netwerk moet sturen. De beeldverwerking – het kijken of er iemand in aantocht is of niet – gebeurt zo dicht mogelijk bij de camera. Dat zorgt ervoor dat we de hoeveelheid broninfo die we moeten doorsturen naar de centrale beslissingslogica met maar liefst twee grootteordes kunnen verminderen!”
“Bovendien biedt deze manier van werken ook qua security en GDPR-regelgeving heel wat voordelen,” vult Koen Triangle (imec City of Things) aan. “Die lokale verwerking, dicht bij de sensoren, zorgt immers voor een duidelijke cut-off van waar beelden staan en verwerkt worden – waardoor je meteen de beste garanties krijgt op het vlak van gegevensbescherming.”
Voor de lokale verwerking doen de Smart Zone-partners momenteel een beroep op specifieke hardware – zoals de erg performante DGXI-server van imec die gehost wordt in het netwerk van partner Digipolis. “Maar we zien dat bepaalde camera’s nu al worden uitgerust om die lokale verwerking in de nabije toekomst rechtstreeks te ondersteunen,” observeert Lode Hoste.
“Het WWS-platform wil zich trouwens zo open en toegankelijk mogelijk opstellen en heeft dus geen specifieke vereisten naar sensoren toe. In het geval van de Smart Zone cases werd er – na een uitgebreide marktstudie en verschillende labotesten – gekozen voor sensoren die het AMQP-protocol supporteren, een populair brokering-systeem voor de communicatie van realtime events en streams,” besluit hij.
De rule engine van imec
“De rule engine – die door de onderzoekers van het imec Application Prototyping Team werd ontwikkeld – is het hart van het slimme verlichtingsproject,” aldus Koen Triangle. “Hij bevat de hele logica van het systeem: als er via het WWS-platform een specifieke trigger binnenkomt, is het de rule engine die weet – en beslist – wat er moet gebeuren.
Een voorbeeld: als de bewegings- en geluidssensoren op het basketbalpleintje merken dat er een wedstrijdje begint, dan krijgt de rule engine die info in realtime binnen via het WWS-platform, en beslist op basis daarvan om eveneens in realtime de lichtsterkte van de pleinverlichting te verhogen.”
“En daarin schuilt meteen ook het unieke van het hele systeem: dankzij de combinatie van het WWS-platform en onze innovatieve rule engine kunnen events in super-realtime verwerkt worden, met de laagst mogelijke latency. Daarin schuilt het grote verschil met bestaande systemen.”
Ook nuttig voor andere toepassingen zoals slimme, groene energiebevoorrading?
De slimme verlichtingscase in de Antwerpse Smart Zone loopt nog tot eind dit jaar. De volgende maanden staan vooral in het teken van het operationeel houden van het platform en het capteren van extra feedback. Het project zal uiteindelijk worden afgesloten met een eindrapport – met daarin een uitgebreide analyse van de verschillende cases en de belangrijkste lessen.
Maar zowel het WWS-platform als de rule engine hebben ondertussen bewezen breed inzetbaar te zijn, en kunnen ook tal van andere cases ondersteunen.
“Eén van de andere cases die we ondertussen uitgewerkt hebben, situeert zich in het domein van de slimme, groene energiebevoorrading: een markt met vele consumenten maar ook een toenemend aantal producenten (iedereen die thuis zonnepanelen geïnstalleerd heeft bijvoorbeeld). Het afstemmen van productie en consumptie in zo’n volatiele omgeving is een moeilijke oefening – maar werd ondertussen volledig gemodelleerd op het WWS-platform,” aldus Lode Hoste.
De imec rule engine op zijn beurt is in dit project opgezet als tool waarin ontwikkelaars logische regels over realtime datastromen (in dit geval afkomstig van het WWS-platform) kunnen definiëren. De volgende versie van de rule engine (waarvan de ontwikkeling zich in het eindstadium bevindt) zal toelaten om een groot deel van deze realtime regels via een visuele ‘drag-and-drop’ interface te configureren – zonder programmeerkennis. Dankzij deze visuele representatie zal de logische sturing van een IoT- of smart city-systeem inzichtelijker worden voor stakeholders, en hen toelaten die sturing zelf aan te passen waar nodig.
Meer weten?
Het slimme verlichtingsproject kwam tot stand dankzij de samenwerking tussen een aantal projectpartners. De bijdrage van Nokia Bell Labs en imec kwam in dit artikel al uitgebreid aan bod, maar speciale dank gaat ook uit naar: Stad Antwerpen coördineerde de installatie van de slimme verlichtingstechnologie, onder meer door het platform open te stellen waarmee de straatverlichting wordt aangestuurd – en nam de interactie met Fluvius voor haar rekening; Schréder leverde de verlichtingsarmaturen en het verlichtingsaansturingsplatform, en verleende intensieve ondersteuning bij het koppelen van de platformen; Digipolis had een adviserende rol, en onderzoekt hoe en of dit project op termijn vertaald kan worden in een permanente implementatie.
