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Contenido principal

Edificios, transportes y redes inteligentes

¿Qué significa que una pieza de infraestructura sea "inteligente"?
Consideremos un aparato simple, la humilde aspiradora. Cuando limpiamos con una aspiradora, nos corresponde guiarla por las esquinas y asegurarnos que no omitimos un lugar. Una aspiradora inteligente está equipada con sensores, almacenamiento y algoritmos, lo que significa que puede autoguiarse alrededor de las esquinas y recordar donde ya está limpio.
Algo es inteligente si recopila datos sobre su entorno y los utiliza para tomar decisiones inteligentes sobre qué pasos seguir. Eso sucede ahora en todos los niveles de infraestructura, desde edificios hasta sistemas de transporte regional hasta redes eléctricas de varios países.

Edificios inteligentes

Un edificio moderno es algo más que paredes y ventanas. La iluminación interior compensa para cielo nublado y habitaciones sin ventanas. El aire acondicionado nos mantiene frescos durante los meses cálidos y la calefacción mantiene la temperatura durante los meses fríos. Cerraduras controlan quién puede entrar, y cuándo.
Un edificio inteligente utiliza la tecnología para optimizar la comodidad y la seguridad del edificio, al tiempo que minimiza el impacto ambiental y el costo.
Consideremos solo el aspecto de iluminar un edificio. Según el Departamento de Energía de EE.UU., en 2011 la iluminación representó aproximadamente el 20% del consumo total de energía en edificios comerciales.start superscript, 1, end superscript Idealmente, la iluminación en edificios debería encenderse solo cuando es estrictamente necesario: cuando no hay suficiente luz natural del sol y cuando una habitación está en uso.
¡Sensores al rescate! Los sensores de ocupación utilizan radiación infrarroja u ondas ultrasónicas para detectar el movimiento de humanos en una habitación. Los sensores de nivel de luz miden los fotones para detectar luz ambiental. Una red de sensores de ocupación y de nivel puede decidir cuándo encender o apagar las luces.
Diagrama de una oficina con un sensor de nivel de luz en la ventana, un sensor de ocupación en el techo, y luces en el techo. El cielo está nublado afuera de la oficina, así que las luces están encendidas.
Las luces están encendidas en esta oficina, gracias a los datos combinados de un sensor infrarrojo de ocupación y un sensor de luminosidad.
Los sensores de ocupación por sí solos pueden reducir en 50% el consumo de energía de un edificio para iluminación, especialmente cuando se utiliza en cuartos de uso intermitente, como aulas, salas de conferencias y baños.squared
Los edificios inteligentes pueden utilizar tecnologías similares basadas en sensores para nuevos enfoques de seguridad, facilitando a los ocupantes entrar en el edificio y dificultándolo a los intrusos. Un estacionamiento puede detectar cuando se acerca un auto, tomar una foto, identificar el número de matrícula con algoritmos de reconocimiento, y abrir la puerta solo si la placa pertenece a un empleado. Dentro del edificio, un robot con visión infrarroja puede pasear y registrar cualquier actividad sospechosa.
Foto de un robot de seguridad con una niña que lo mira.
Robot de seguridad ALSOK. Fuente de la imagen: Fumiaki Yoshimatsu
Toda esta tecnología inteligente, y más, se implementa en The Edge, un edificio de oficinas de 15 pisos en Ámsterdam que está cubierto por 28,000 sensores. Eso suena a una gran cantidad de tecnología a energizar, pero The Edge en realidad produce más energía que la que consume, gracias a su eficiencia energética basada en datos y un techo cubierto de paneles solares.cubed
Los edificios inteligentes generan una gran cantidad de datos. El uso inmediato de esos datos es para automatizar la funcionalidad del edificio, pero también son útiles para los administradores. Los tableros de datos muestran estadísticas como el uso de energía por habitación, lugares con temperatura alta y ocupación diaria.
Un montaje de capturas de pantalla de tableros de datos, muestra métricas como el uso promedio de energía, visitantes a lo largo del tiempo, tipo de café utilizado, etc.
Panel de datos para edificios inteligentes. Fuente de la imagen: Bloomberg/Deloitte
🤔 Considera los edificios en los que pasas tiempo. ¿Cómo podrían estos edificios ser más inteligentes con redes de sensores y algoritmos? ¿Qué riesgos de privacidad y seguridad prevés?

Transporte inteligente

En 2014, había más de 250 millones de vehículos en las carreteras de EE.UU., incluidos automóviles, autobuses y camiones.start superscript, 4, end superscript Muchos de los automóviles y autobuses transportan a la gente que viaja a su trabajo durante una hora pico. En un mundo ideal, todo mundo podría llegar a sus destinos de forma segura y pasar el menor tiempo posible en congestiones de tráfico.
El transporte inteligente utiliza datos de sensores para lograr que el transporte público y el privado se acerque a los objetivos de mayor seguridad y menos congestión.
Los patrones del tráfico son complejos. Como la mayoría de los vehículos los conducen humanos con reacciones individuales, no siguen simples reglas de partículas en un sistema, y por ello tienden a obstruir más de lo necesario.
Esta simulación de tráfico muestra lo rápido que pueden ocurrir los congestionamientos (puedes jugar tú mismo):
Contenedor video de Khan Academy
AP CSP example: Traffic simulationVer la transcripción del video
Las tecnologías basadas en sensores pueden ayudar al ajustar la señalización de caminos dinámicamente: cambiar el tiempo de los semáforos, ajustar los límites de velocidad de acuerdo a condiciones meteorológicas y de tráfico, y advertir a los vehículos cuando hay uno parado delante de ellos. Las agencias de policía también pueden utilizar tecnologías basadas en sensores para hacer cumplir los límites de velocidad y otras reglas.
Foto de una carretera con un letrero LED arriba que dice "Límite de velocidad 45, baja visibilidad"
Un signo de límite de velocidad reducido debido a condiciones de baja visibilidad en la carretera. Fuente de la imagen: Oregon DOT
Una manera de reducir la congestión es animar a las gente a utilizar transporte público, como autobuses y trenes, en lugar de conducir automóviles. Pero la falta de confiabilidad del transporte público a menudo impide que los conductores se conviertan en pasajeros. La gente quiere que el transporte sea confiable y ahí es donde entra la tecnología.
Los autobuses inteligentes pueden usar receptores GPS a bordo para determinar su posición actual y redes inalámbricas para transmitir su posición. Los pasajeros a bordo se benefician de los anuncios en audio y video de las próximas paradas, y los pasajeros en espera se benefician de las aplicaciones de rastreo móvil que informan cuando el autobús llegará a su parada.
Un mapa de Chicago, con tres líneas de autobuses superpuestas. Cada línea de autobuses tiene puntos que representan los puntos de la línea y los iconos de autobuses representan los autobuses actuales. Una animación muestra los autobuses que se mueven de una parada a la siguiente.
Un período de dos minutos en una aplicación de seguimiento de autobuses de Chicago, acelerado.
En una ciudad bien coordinada, los semáforos incluso pueden ajustar su tiempo para adaptarse mejor al horario de un autobús, al alargar luz verde o acortar un rojo para ayudar a que un autobús mantenga el horario previsto.start superscript, 5, end superscript
Diagrama de un autobús en un semáforo. Tanto el autobús como el semáforo tienen sensores inalámbricos y el semáforo está en verde.
El semáforo permanece verde para dejar pasar al autobús.
¿Qué hay con los trenes? Pueden ser la forma más rápida de viajar por tierra, pero también la más complicada, pues múltiples trenes comparten rieles. Los despachadores se encargan de tomar decisiones de ruta, y necesitan tener en cuenta factores como el horario del tren, cuánto tiempo ha trabajado la tripulación, y la prioridad de la carga del tren.
Diagrama de dos trenes que se acercan a una unión entre sus rieles. Un signo de interrogación se muestra sobre la unión.
¿Cuál tren debe ir primero? Los despachadores deben decidir.
Los despachadores humanos pueden tomar buenas decisiones para un único cruce de ferrocarriles, pero es difícil prever los efectos dominó de su decisión sobre toda la red.
En su lugar, los trenes inteligentes pueden utilizar computadoras y datos GPS para tomar decisiones de despacho automatizado. Una computadora que toma una decisión utiliza algoritmos similares a una que selecciona una jugada de ajedrez, pues ambas situaciones requieren un entendimiento de los efectos inmediatos de una decisión así como de los efectos sobre decisiones futuras.start superscript, 6, end superscript
Un diagrama de un árbol de decisiones, con un nodo arriba que se bifurca en dos nodos, y cada uno de esos dos nodos se bifurca en otros dos nodos.
Un algoritmo de despacho automatizado que considera todos los resultados posibles.
Con la decisión de despachar, los trenes siguen sus nuevas instrucciones de enrutamiento. No se requiere intervención humana, pero los despachadores humanos todavía pueden cambiar las órdenes de enrutamiento cuando sea necesario.
Diagrama de 4 trenes en rieles con tres uniones.
Los trenes siguen las órdenes de enrutamiento del algoritmo de despachamiento automatizado.
🤔 Los automóviles autoconducidos son otra forma de transporte inteligente que cada día es más posible. ¿Cómo podrían afectar la seguridad y la congestión de nuestras carreteras?

Redes Inteligentes de electricidad

Toda esta tecnología inteligente es posible gracias a la energía eléctrica. Cuando se inventaron los generadores eléctricos, cada fábrica generaba su propia energía. Hoy en día, la mayoría de los hogares, empresas e infraestructura obtienen electricidad desde una red eléctrica regional.
América del Norte y Europa comenzaron a construir redes eléctricas hace un siglo y ahora tienen redes eléctricas interconectadas que cubren grandes regiones:
Mapas de América del Norte y Europa con estados y regiones coloreadas, cada color correspondiente a una cuadrícula asincrónica diferente. Hay 9 colores correspondientes a 9 redes en el mapa de América del Norte, y 5 colores correspondientes a 5 redes en el mapa de Europa.
Redes asíncronas de área amplia en América del Norte y Europa. Fuentes de imágenes: Bouchel, Kimdime
Pero esas redes eléctricas de área amplia se construyeron para una población mucho más pequeña con necesidades de energía más simples. Como resultado, no distribuyen la potencia de la manera más eficiente posible, y peor, ¡pueden fallar por completo! Durante el apagón del noreste en 2003, un error de software en una sola central eléctrica provocó una interrupción masiva que afectó a 55 millones de personas en EE.UU. y Canadá. Los semáforos dejaron de funcionar, los suministros de agua quedaron contaminados, los trenes eléctricos dejaron de correr y las redes celulares se apagaron.start superscript, 7, end superscript
Un mapa de los EE.UU. y Canadá, con las siguientes regiones resaltadas en rojo: Michigan, Ohio, Pennsylvania, Nueva York, Nueva Jersey, Connecticut, Boston, Ontario.
Regiones con sistemas energéticos afectados por el apagón del noreste en 2003. Fuente de la imagen: Lokal_Profil
Una red inteligente utiliza tecnología para mejorar la forma como la electricidad va de las centrales eléctricas a los consumidores, y para evitar que las fallas locales se conviertan en interrupciones generalizadas. En primer lugar, todo lo que transporta la energía se monitorea con sensores conectados en red, incluidos los transformadores, las líneas de transmisión y los medidores de energía.
Diagrama de red eléctrica. La energía va de la central eléctrica a las líneas de transmisión de alta tensión, a los transformadores a voltaje medio, a transformadores a bajo voltaje, hasta una casa. Sensores inalámbricos se muestran sobre cada parte del flujo.
Una red eléctrica equipada con sensores inalámbricos.
Las computadoras analizan esos datos para identificar posibles problemas, apagan automáticamente la menor parte posible de la red y notifican a la compañía eléctrica. Las computadoras también pueden elegir el mejor día para apagados proactivos de mantenimiento según patrones de uso diario.
Dos diagramas de una red eléctrica, muestran antes y después de una interrupción. La izquierda muestra 8 líneas de potencia de baja transmisión junto a 7 casas, todas tomando energía de una línea de transmisión media. La derecha muestra un incendio entre dos líneas de energía de baja transmisión, y una interrupción de energía para la casa más cercana. Las tres casas a la derecha se alimentan de la línea de transmisión media original, y las tres casas de la izquierda se alimentan de otra línea de transmisión media.
Una red en operación normales a la izquierda comparada con la misma red con un corte local a la derecha. La energía se corta a la casa central, pero los interruptores inteligentes enrutan la energía para mantener el flujo hacia otras casas.
Las redes inteligentes también están mejor preparadas para aprovechar las nuevas fuentes de energía renovable, como la solar y eólica. Ambas fuentes de energía dependen del clima, pero una red inteligente sabe todo sobre el clima, para poder elegir las fuentes de energía renovables cuando sea posible y recurrir a las tradicionales en otros momentos.
Diagrama de una red inteligente que elige una fuente de energía. Se muestran tres generadores de energía, una fábrica que emite humo, un parque eólico y paneles solares. Cada una está conectada a una línea de transmisión de alta tensión conectada a un centro de control que se conecta a líneas de transmisión de media tensión. Un sol brilla y se destacan las líneas de conexión de los paneles solares.
En un día soleado, una red inteligente puede utilizar más energía solar.

Riesgos de seguridad en sistemas inteligentes

Una parte importante que hace tan inteligentes a estos sistemas es su interconexión. En lugar de que un solo dispositivo decida de acuerdo solo en sus propios datos del sensor, una vasta red de dispositivos interconectados puede tomar mucho mejores decisiones según los datos conjuntos de sensores.
Esa misma interconexión es también la mayor debilidad de un sistema inteligente, pues significa que muchos dispositivos están conectados a Internet de acceso público, ya sea directa o indirectamente. Esperemos que esas conexiones estén aseguradas con cifrado y protegidas con cortafuegos; pero aún así, si un objetivo es tentador, los ciberdelincuentes pueden buscar maneras de atacarlo.
El objetivo más grande son las redes inteligentes, pues son la fuente de electricidad que alimenta todo lo demás y a menudo cubren un área geográfica grande.
En diciembre de 2015, piratas informáticos atacaron con éxito la red de energía ucraniana, que interrumpió las operaciones de 3 empresas de distribución de energía y cortó la energía a 225,000 clientes. Los hackers usaron una combinación de técnicas: phishing lanza, múltiples tipos de malware y un ataque DOS en las líneas telefónicas.start superscript, 8, end superscript Al final, los humanos fueron el eslabón más débil del sistema, por uso de contraseñas inseguras y apertura de correos sospechosos que iniciaron la cadena de ataque.
🤔 ¿Qué estrategias pueden usar las compañías energéticas para evitar que los atacantes tengan acceso a sus sistemas internos?

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