Ежедневно перед жителями планеты Земля встают новые вызовы и задачи: то нависнет всемирной угрозой глобальное потепление, то выяснится, что существующие методы «очищения» (или, скорее, незагрезнения) окружающей среды являются, если не вредящими, то, по крайне мере, не в той мере, в которой считали ранее, приносящими реальную пользу[1]. Для тех, кто делает деньги, и для тех, кто подсчитывает ущерб, нанесенный природе первыми, встает вопрос оптимизации различных процессов, в том числе под ракурсом определения возможностей, а именно:
1) тратить меньше энергии на поддержание того же уровня энергетического обеспечения;
2) избавиться от ненужных процессов, либо сократить уровень потребления до минимально приемлемого.
Для достижения новых экономических высот, а также спасения экологии, подходит множество решений, но сегодня мы попробуем остановиться на том, могут ли технологии Интернета вещей позволить вывести энергетическую эффективность и энергосбережение на новый уровень, а также оценить востребованность таких решений.
Что должно быть известно об энергетической экономии «потребителю»?
Можно предположить, что о проблемах эффективного и экономного потребления энергии люди стали задумываться со времен осознания, что некоторые ресурсы являются невозобновимыми, однако процесс поддался формализации фактически лишь в 70-ых годах прошлого века, во время энергетического кризиса.[2] В качестве иллюстрирующего примера решений того периода специалистами приводится эволюция технологий строительства жилых домов – от «имеющих огромные запасы для повышения тепловой эффективности» до домов-термосов.[3] Хотя сейчас стоят задачи иного характера, новые инструменты могут гипотетически принести даже более ощутимую пользу. В частности, в сфере потребления электроэнергии Россия занимает 4 место в мире, в связи с чем закономерно правительство задумывается о возможностях сокращения объемов потребления[4].
Законодательно рассматриваемые понятия обозначены следующим образом: под энергетической эффективностью понимаются характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, а под термином энергосбережения подразумевается реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования.[5] Для удобства в дальнейшем обозначим эти термины совместно как энергетическую экономию.
Стоит отметить, что власти действительно заинтересованы в развитии этого направления: создан портал ГИС в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 01.06.2010 г. № 391«О порядке создания государственной информационной системы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности»; Распоряжением Правительства РФ от 19.04.2018 N 703-р утвержден план мероприятий по повышению энергетической эффективности экономики Российской Федерации, в том числе за счет использования средств автоматизации; в апреле текущего года вступил в силу Приказ Минстроя России от 17.11.2017 N 1550/пр «Об утверждении Требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений», при поддержке Правительства РФ проводится ежегодная международная специализированная выставка «Энергосбережение и энергоэффективность. Инновационные технологии и оборудование», в рамках которой, в том числе, презентовали проекты, связанные с IoT.[6] Приучать к экономии население пытаются уже давно, и буквально недавно была произведена очередная попытка закрепить норму энергопотребления, при превышении которой стоимость потребленной энергии рассчитывается уже из куда более высоких ставок.[7]
Но главным «потребителем» технологий, которые позволят экономить энергию, являются организации промышленного и энергетического сектора, как частные бизнес-структуры, так и находящиеся под управлением государства. Достаточно сложно увлечь участников рынка новой тенденцией одними лишь нормами, запретами и повышением тарифов. Для этих целей, вероятно, происходит активная «раскрутка» с целью показать, что IoT уже зарекомендовал себя в этой сфере. Конечно же, невозможно обойтись и без экономических стимулов, которые собой представляют не только гипотетическую выгоду в будущем, но и обеспечение модернизации с помощью денежных средств уже здесь и сейчас. Например, в соответствии с Постановлением Правительства Санкт-Петербурга от 06.06.2018 N 472 «Об утверждении Порядка предоставления в 2018 году субсидий субъектам деятельности в сфере промышленности Санкт-Петербурга в целях возмещения части затрат организаций, связанных с проведением энергетического обследования, и(или) части затрат организаций, связанных с приобретением энергосберегающего оборудования в рамках реализации мероприятий или программ по энергосбережению и повышению энергетической эффективности» субъекты, подпадающие под действие указанного нормативного акта, вправе компенсировать за счет субсидий из регионального бюджета вплоть до 4 миллионов рублей. Для уровня субъекта РФ – достаточно серьезная сумма, но и проблема решается нетривиальная, поскольку по оценкам специалистов отсутствие возврата на инвестиции на горизонте 2–3 лет, скорее всего, приведет к отрицательному ответу на вопрос о внедрении IoT-технологий.[8]
Еще в 2009 году специалистами McKinsey&Company крайне положительно оценивалась возможность совершенствования экономики России в ключе энергетической экономии.[9] В последнее время в СМИ все чаще появляются примеры эффективного внедрения IoT-технологий в деятельность компаний. Рассмотрим немного детальнее некоторые из них:
1. Челябэнергосбыт внедрил автоматическую систему контроля и учета электроэнергии в 1 тыс. многоквартирных домов[10]. Информация со счетчика каждого потребителя мгновенно поступала в центр обработки данных Челябэнергосбыта. При этом, при создании системы были также предприняты меры по предупреждению фальсификации показаний - при попытках вскрытия, повреждения, махинациях со счетчиком потребителю временно прекращалась подача света. После замены приборов учета количество перегрузок в электросетях и аварий из-за попыток нелегального присоединения к сетям на трансформаторных подстанциях резко снизилось. Только за первый месяц работы автоматической системы нагрузка на электросети и трансформаторные подстанции уменьшилась в пять раз.
2. Также, в Челябинске лидер телекоммуникационного рынка Южного Урала, крупнейшая IT-компания «Интерсвязь», организует систему датчиков для выращивания сельскохозяйственных структур[11]. С этой целью, в теплицах осуществляется мониторинг показателей воздуха, а также удаленно контролируется расход электроэнергии. Более того, для контроля периодичности полива и времени сбора урожая, компанией «Интерсвязь» была разработана система контроля влажности почвы для отслеживания глубины ее промерзания. Такие показания совместно с данными метеостанции необходимы для определения времени полива и сбора урожая.
3. В настоящий момент осуществляется разработка системы умной городской энергетики, которая позволяет в режиме реального времени управлять инфраструктурой города. Подобная модель была представлена на SAP Форум в 2017 году[12]. Данная система может автоматически включать и выключать освещение в городе, а также настраивать оптимальную конфигурацию освещения – например, включать или затемнять лампы при движении автомобиля. В рамках решения также реализована системе предиктивных ремонтов, чтобы оптимизировать затраты и прогнозировать техобслуживание оборудования.
4. По заявлениям АО «ЭР-Телеком Холдинг», в 52 городах России уже построена сеть промышленного Интернета вещей, с помощью которого провайдер предлагает провести «цифровую трансформацию производства, бизнес-объектов и городской инфраструктуры».[13]
Для бизнеса как «потребителя» таких решений складывается красивая картинка, а желание угнаться за двумя зайцами уже кажется реальной перспективой. Но не все так гладко, как кажется на первый взгляд, и некоторыми экспертами осторожно делаются предположения о том, что IoT может стать своего рода белым слоном, которого индийские правители дарили неугодным подданным: с таким слоном нельзя было делать ничего, кроме как содержать.[14] Основная проблема заключается в том, что эффект от внедрения таких технологий нужно рассчитать, а как раз таки с расчетами в публичном доступе ощущается недостаток. Одним из немногих примеров является анализ от специалистов из PricewaterhouseCoopers, однако и они оценивают экономический эффект, который может быть оказан на отрасль посредством внедрения IoT-технологий, с помощью масштабирования конкретных примеров отдельных организаций, при этом не раскрывая сами исходные данные.[15] Но как же новичку отправиться в путь к энергоэффективности, если инструментом избран Интернет вещей?
О чем должен задуматься «потребитель» при использовании энергоэффективных технологий с IoT?
Решение «потребителя» перейти к использованию технологий Интернета вещей сопровождается множеством вопросов, главные из которых: «какие технологии существуют?» и «какой отдать предпочтение?». Попытаемся дать ответ на них со стороны наблюдателей.
В настоящий момент, на рынке энергоэффективных технологий представлены несколько стандартов связи, в основе которых лежит сочетание проводных и беспроводных каналов, а именно:
1. GSM/GPRS представляет собой буквально «технологию беспроводной телефонной связи» (Global System for Mobile communication). Иными словами, данный вид связи используется многими из нас уже больше десятилетия и не воспринимается в качестве передового явления.
Именно по причине того, что данный вид связи представляет собой стандарт мобильной связи, передача сигнала на дальние расстояния имеет определенную специфику:
|
Плюсы |
Минусы |
|
Высокое качество сигнала |
Возможно искажение сигнала |
|
Конфиденциальность |
Небольшой (средний) радиус действия базовой станции |
Недостатки, в данном случае, объясняются именно первоначальной целью разработки указанного стандарта - сотовая связь была создана с расчетом на большое количество функций: отправка СМС, голосовая и факсимильная почта. Данные функции для передачи сигнала счетчика на базовую станцию остаются не востребованными.
В настоящий момент, такой вид связи применятся компаниями для сбора и передачи информации со счетчиков. ГУП «Водоканал Санкт-Петербург» на своем сайте описывает работу интеллектуальных приборов учета следующим образом: информацию с прибора учета воды считывает устройство, оборудованное системой сбора данных протокола М-Bus. В свою очередь, собранные данные по беспроводному каналу связи (GSM/GPRS) передаются на сервер.
Такую модель также применяет СПб ГУП «Ленсвет» для сбора и передачи показаний счетчиков, которые входят в автоматизированную информационно-измерительную систему коммерческого учета электроэнергии (АИИ КУЭ, АСКУЭ). Процесс автоматизированного сбора показаний Начальник управления коммерческого учета электроэнергии СПб ГУП «Ленсвет» Игоря Перевалова описывает следующим образом: c счетчика электроэнергии по средствам интерфейса RS232 данные поступают на модем, затем по средствам GSM связи и технологии CSD (протокол v. 110) данные поступают на модем сервера, откуда уже по RS232 поступают на COM-сервер и далее по локальной сети Ethernet на сервер базы данных. После обработки данные по запросам поступают на АРМ (Автоматизированные Рабочие Места). Осуществление запросов и вывод данных происходит с помощью сертифицированного программного обеспечения «Альфа-Центр». При этом, в настоящий момент в состав автоматизированной системы входят 1594 узла учета.
Описанная модель сбора и передачи данных использует проводные и беспроводные каналы связи и является стандартной для большинства ресурсоснабжающих организаций, хотя и не единственной. В связи с появлением новой потребности передаче информации маленького объема, на большие расстояния, с использованием надежного сигнала, появилась задача разработки новых стандартов. Именно для этого были разработаны сети LPWAN, а также специальные стандарты сотовой связи, рассчитанные на дальние расстояния и содержащие небольшой набор функций.
2. NB-IoT (Narrow band IoT – узкополосный Интернет вещей) – стандарт, который был разработан на базе существующих стандартов мобильной связи, как более адоптированная версия упомянутого GSM.
Для работы NB-IoT в рамках сети сотовой связи выделяются узкие полосы частот на существующих базовых станциях. Устройства NB-IoT подключающиеся к сети проходят процедуру регистрации в сети, аналогичную обычным мобильным телефонам, после чего могут осуществлять обмен данными с сетью.
Стандарт NB-IoT обеспечивает значительно более высокую энергоэффективность устройств, по сравнению с обычными сотовыми стандартами сетей второго, третьего и четвертого поколения, за счет значительного снижения скорости обмена данными и упрощения стека протоколов, приближаясь по эффективности к сетям LPWAN. Кроме того, стандарт позволяет устройствам передавать данные с большими временными промежутками не теряя регистрацию в сети. Устройства NB-IoT авторизуются при подключении к сотовой сети с помощью стандартных SIM карт, аналогично обычным мобильным телефонам.
В связи с тем, что NB-IoT – это стандарт сотовой связи, поэтому для работы базовых станций необходимо получить лицензию. В связи с этим, вероятно протокол NB-IoT будут использовать компании, присутствующие на рынке мобильной связи, иначе строительство сети с ноля для охвата мегаполиса потребует существенных инвестиций.
В 2018 г. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) выделила операторам связи (так называемой «большой четверке» - МТС, Мегафон, Tele 2, Билайн) полосы радиочастот под развертывание сетей для Интернета вещей по стандарту NB-IoT. Операторы подчеркивают, что решение ГКРЧ о выделении радиочастот - крайне важное событие для развития IoT в России.
3. LPWAN сети. Переходя к сетям, следует понимать, что под ними подразумевается несколько технологий, благодаря которым происходит соединение датчиков и контроллеров с Интернетом. Сети Wi-Fi и сотовой связи при этом не используются. Рассматривая данные сети, можно выделить их следующие достоинства и недостатки:
|
Плюсы |
Минусы |
|
Большой радиус действия (более 10 км) |
Относительно низкая пропускная способность, вследствие использования низкой частоты радио канала. Варьируется в зависимости от используемой технологии передачи данных на физическом уровне. |
|
Энергоемкость (срок службы батареи – несколько лет) |
Задержка передачи данных от датчика до конечного приложения, связанная с временем передачей радиосигнала, может достигать от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. |
|
Масштабность (много устройств от одной базовой станции) |
Отсутствие единого стандарта, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных LPWAN-сетей. |
|
Выделенный канал связи (не GSM, и не Интернет) |
–––––––––––––––– |
При этом с точки зрения развертывания одного из видов LPWAN сети, кроме технических особенностей также имеет значение организация бизнес процессов. Владельцы патента обычно хотят контролировать не только физический уровень, но и производство (реализацию) конечных устройств и базовых станций.
Одной из сетей LPWAN является LoRaWAN (протокол сети LoRa), которая обмениваются данными только тогда, когда им есть, что передать. В обычных мобильных сетях устройства часто вынуждены «просыпаться» для синхронизации с сетью и проверки сообщений для получения и/или отправки. Такая синхронизация приводит к значительному расходу энергии и сокращает автономный срок работы устройства от аккумулятора. Аналитики GSM провели множество исследований сетей LPWAN, в результате чего пришли к выводу: автономность LoRaWAN-устройств в 3-5 раз выше по сравнению с другими технологиями. Более, того у данной сети высокая пропускная способность, что означает возможность получать сообщения с очень большого числа устройств.
Организация связи посредством технологии LoRa для «потребителя» не составит трудностей - чипы LoRa для конечных устройств присутствуют в свободной продаже, документация на них открыта, делать устройства на них могут все желающие.
Другой представитель сети LPWAN – «Стриж», от российской компании «Стриж Телематика». Среди общих положительных черт, «Стриж» выделяется надежностью передачи сигнала: сигнал от модема поступает сразу на несколько базовых станций. При этом стены и конструкции не являются серьезной преградой для сигнала. Кроме того, за счет дальности передачи данных и особенностей протокола «Стриж» обслуживает сотни тысяч датчиков одной радиоточкой напрямую. Это в разы сокращает общую стоимость оборудования и работ по его установке.При этом, для развертывания сети «Стриж» необходимо учитывать, что компания «Стриж Телематика» самостоятельно производит практически все компоненты, необходимые для пользования данной технологией. Иными словами, базовая станция, конечные устройства, а также услуги по подключению, установке и предоставлению сервера оказываются исключительно «Стриж Телематика», с взиманием абонентской платы.
Такая степень закрытости не только не позволяет реализовать многие проекты вообще, но и даже там, где реализация возможна, представляет серьёзный риск для бизнеса: пользователь оказывается привязан к единственному поставщику по всем уровням решения.
Последним из «большой тройки» стандартов выступает стандарт Sigfox — исторически первая крупная компания на этом рынке. Разработчиком системы является французская компания, основанная в 2009 году. Sigfox, как и другие сети LPWAN, обеспечивает простую, надежную и экономически эффективную связь для устройств, которые передают малый объем информации.
С точки зрения организации системы с использование данного стандарта, то у компании производителя необходимо приобрести базовые станции, а также заключить договор на разворачивание сети с платным доступом абонентов. При этом, Sigfox не стал узурпировать рынок чипов и конечных устройств — он договорился с другими производителями о поддержке своей сети, проблемы приобретения устройства, поддерживаемое Sigfox, возникнуть не должно. Однако, с подключением такого устройства к сети в России, вероятно, возникнут трудности: если в Европе Sigfox успел развернуться, то сейчас, с появлением LoRa, его экспансия фактически остановилась.
Таким образом, появление новых задач провоцирует новые технические решения, что создает конкуренцию на рынке стандартов связи, где каждая из рассмотренных технологий имеет свои недостатки и преимущества. Как бы то ни было, LPWAN-сети в РФ при всей их перспективности пока находятся на этапе тестирования.
Что волнует «потребителей» технологий на самом деле?
По словам начальника Производственно-технического управления ГРО «ПетербургГаз» Евгения Живлюка «интернет вещей», применяемый в области энергетики (в широком ее понимании) носит неполноценный характер. Фактически использование IoT сводится к диспетчерским функция или, иными словами, сбору данных. Ни о какой управленческой, исполнительной функции IoT-устройств речи пока не идет и на это есть несколько причин. Во-первых, люди не знают к чему применить IoT-технологии и первый вопрос, который вы услышите: почему не использовать wi-fi? Не ясны, прежде всего, преимущества и перспективы IoT-решений. Во-вторых, существуют определенные нормативные ограничения, особенно в сфере, относящейся к компетенции МЧС. Идеология нормативного регулирования в сфере энергетической безопасности состоит в том, что во всех случаях должна обеспечиваться независимость работы энергетических систем. С одной стороны, это означает, что все технические устройства должны иметь «ручной» режим управления и регулировки, но, с другой стороны, в любом случае внешнее вмешательство в работу таких устройств должно быть полностью исключено. Поэтому говорить об IoT-технологиях приходится только в гипотетическом ключе.
Создание интеллектуальной системы управления транспортировкой газа, в том числе с использованием IoT-решений, безусловно, возможно – по аналогии с чайником и кофеваркой, которые договариваются о том, когда готовить кофе, координировать свою работу могли бы и газорегуляторные пункты. Однако внедрение такой системы вряд ли оправдано еще и потому, что газораспределительный комплекс обладает свойством саморегуляции через «гидравлическое» взаимодействие его элементов.
IoT-технология целесообразно использовать в рамках одной организации, в «закрытых системах» и, прежде всего, в части реализации диспетчерских функций. Например, с использованием «интернета вещей» вполне возможно было бы обеспечивать безопасность в зданиях, в которых не находятся постоянно люди, осуществлять проверку загазованности помещений дистанционно. Еще более актуален сбор данных о транспортировке газа и определении расхода газа конкретными потребителями. Пожалуй, только в последнем случае на текущий момент можно говорить об использовании IoT-технологий в контексте решения задачи повышения энергоэффективности.
Игорь Перевалов из СПб ГУП «Ленсвет» также настроен скептически: «Cейчас технически невозможно постоянно отслеживать технические параметры сети, необходимо постоянное соединение с каждым из установленных счетчиков, в связи с чем проверка проводится вручную два раза в месяц с целью снятия контрольных показаний и проверки исправности каналообразующей аппаратуры».
Опрошенные нами эксперты также подчеркивают, что IoT-технологии интересны «потребителю» прежде всего в контексте решения экономических задач – сбора данных о потребленных ресурсах и их оплате соответственно, намного реже интерес вызывает сама «энергоэффективность» проектов.
Вместо выводов
Энергетическая экономия как глобальная задача имеет много разных направлений решения. В идеальном варианте их объединяет одно общее свойство – технологичность. И IoT надо сказать является не единственной технологией, которая должна (опять же в идеальном варианте) существенно повысить энергоэффективность. Однако на пути к энергоэффективности и энергосбережению нельзя, да и невозможно пренебрегать требованиями безопасности и экономической целесообразности, которые в своей совокупности даже не всегда выступают противовесами. Как следствие, IoT-технологиям еще предстоит доказывать свою состоятельность в этой сфере и, вероятно, не стоит ждать послаблений – существуют слишком весомые препятствия на пути у развития технологий, которые на предрассудки и не спишешь.
[1] Гранатштейн М. Почему пластиковая тара и бензиновый транспорт не вреднее бумажного пакета и электромобиля? Мифы и факты об экологичном быте // https://knife.media/eco-myths/
[2] Практические вопросы реализации государственной политики в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности // http://teach.khti.ru/mod/resource/view.php?id=493
[3] Волков А.А., Вахидова Б.Р. Энергосбережение в строительстве: из опыта стран ЕС // Интерактивная наука. 2016. №7. С. 33-35.
[4] Обзор электроэнергетической отрасли России // https://www.ey.com/Publication/vwLUAssets/EY-power-market-russia-2018/$File/EY-power-market-russia-2...
[5] Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Ст. 2.
[6] Технологии LoRa от НТЦ «Арго» на выставке «Энергосбережение и энергоэффективность. Инновационные технологии и оборудование» // http://energysaving-expo.ru/exhibition/news/news_detail.php?ID=1885
[7] Дятел Т., Дзагуто В., Крючкова Е. Счетчики подключают к потолку. Белый дом опять начал реформу энерготарифов для населения // https://www.kommersant.ru/doc/3758393
[8] «Интернет вещей» в мире и в России // https://www.crn.ru/news/detail.php?ID=118184
[9] Энергоэффективная Россия // https://www.mckinsey.com/~/media/McKinsey/Business%20Functions/Sustainability%20and%20Resource%20Pro...
[10] Бутусов. А. Умные сети для энергоэффективности // https://iot.ru/energetika/umnye-seti-dlya-energoeffektivnosti
[11] Дыбин А. «О нашей работе вы не узнаете, но вы её почувствуете». Как в Челябинске интернет вещей помогает выращивать овощи и следить за экологией // https://www.znak.com/2018-11-14/kak_v_chelyabinske_internet_vechey_pomogaet_vyrachivat_ovochi_i_sled...
[12] SAP Форум 2017: новые сценарии для будущего с интернетом вещей // https://habr.com/company/sap/blog/326974/
[13] «ЭР-Телеком» построил сеть промышленного Интернета вещей в 52 городах России // https://yola.b2b.domru.ru/news/er-telekom-postroil-set-promyshlennogo-interneta-veshchey-v-52-goroda...
[14] Интернет вещей: а не застряли ли мы на месте? // https://habr.com/post/427035/
[15] «Интернет вещей» (IoT) в России Технология будущего, доступная уже сейчас // https://www.pwc.ru/ru/publications/iot/IoT-inRussia-research_rus.pdf
