Inteligentny wymiar architektury

Nowy gmach Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej nazwany został jednym z najnowocześniejszych, inteligentnych budynków w Polsce.

Na pierwszy rzut oka daleki jest od futurystycznych wizji przemycanych w światowych realizacjach. Cechuje go prostota i elegancja, a nie zadziwiająca, błyskotliwa i krzykliwa forma. Nasuwa się pytanie, czy rzeczywiście w tych przestronnych, jasnych wnętrzach rozproszona jest inteligencja? Czy coś nas tu może zaskoczyć albo przechytrzyć?

Hasło "inteligentny budynek" nasuwa skojarzenia z filmami science-fiction, migającymi diodami, futurystycznymi kształtami oraz efektami świetlnymi. Na świecie pojawiają się już obiekty wykorzystujące najnowsze technologie i przełamujące bariery w zakresie konstrukcji. Wykorzystując skomplikowane struktury w kreacji przestrzeni, obiekty te potrafią dostosowywać się w czasie do zmian otoczenia - ulegają modyfikacjom w zależności od intencji swych użytkowników. Owe inteligentne budynki próbują odpowiadać na coraz to nowe wyzwania stawiane architekturze wobec dynamicznie rozwijających się nowych technologii.
Prym w tej dziedzinie wiodą obiekty komercyjne, których zadaniem jest przyciągnięcie jak najszerszej klienteli. Najnowocześniejsze centra handlowe, salony samochodowe czy obiekty muzealne dają upust nowym możliwościom, szokują nowymi pomysłami i rozwiązaniami. Zupełnie inną funkcję pełnią obiekty dydaktyczne. Ich zadaniem jest stworzenie atmosfery pracy i skupienia, komfortowych warunków do przekazywania i zdobywania wiedzy.

Widok gmachu Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

Y-GMACH
Forma elewacji budynku nasuwa skojarzenie z otwartą książką, a centralny fragment, ujmujący ciemne szkło w kwadratowe pole, przypomina wielki ekran komputera. Plan budynku przypomina literę Y, na którą składają się 3 skrzydła symetrycznie rozchodzące się z centralnego trzonu. Środek litery Y na pierwszym i drugim piętrze zajmują laboratoria komputerowe. Centralne umiejscowienie umożliwia im dobre skomunikowanie po obwodzie centralnego trzonu, a tym samym zezwala na wgląd do pracowni przez przeszklenia na całej długości laboratoriów. Światło do pracowni komputerowych dochodzi więc w sposób pośredni i nie rozprasza uwagi pracujących tam studentów. Widziane przez szybę migające ekrany monitorów są natomiast pierwszym dowodem na obecność elektroniki w nowym gmachu ETI. Jednakże to tylko wyposażenie wnętrza, niezbędne do przeprowadzenia zajęć dydaktycznych. A gdzie znajduje się mózg inteligentnego gmachu?
Miejscem, w którym dokonują się procesy związane z zarządzaniem obiektem jest stacja nadzorcza systemu  BMS (Building Menagement System), zlokalizowana pod Audytorium.

STERY BMS
Mogłoby się wydawać, iż jedynie promienie słoneczne wpadające przez duże przeszklenia mają wgląd w przestrzeń wewnetrzną obiektu, i jedynie światło jest "operatorem" zmian w tym obiekcie. A jednak wnętrze - na pozór przewidywalne - jest pod stałą kontrolą szeregu systemów odpowiadających za sprawne funkcjonowanie oraz komfort użytkowania budynku.

Hol przy pracowniach komputerowych na pierwszym piętrze

System BMS odpowiedzialny jest za sterowanie i integrację różnego typu instalacji, takich jak: systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, systemy elektryczne i zasilające, oświetleniowe, sygnalizacji pożaru (SSP), oddymiania, sygnalizacji włamania i napadu (SSWN), kontroli dostępu (SKD), telewizji dozorowej, okablowania strukturalnego, audiowizualnych, zasilania awaryjnego. Procedury zarządzania i obsługi BMS (opartego na aparaturze SIEMENS) wykonywane są przez System DESIGO. Cechuje go łatwość użytkowania, ze względu na graficzny interfejs administratora, umożliwiający obróbkę danych. Administrator korzysta z lokalnego panelu z wyświetlaczem, na którym informacje prezentowane są w postaci czytelnych tekstów, symboli lub wykresów. System DESIGO dzięki budowie modułowej może być adaptowany do specyfiki budynku zapewniając definiowalny zakres usług zarządzających budynkiem (możliwość rozbudowy systemu). Można określić, np. procedurę sterowania ogrzewaniem i oświetleniem w zależności od godzin pracy i okresów wakacyjnych. Harmonogramy czasowe umożliwiają automatyczne wyłączanie oświetlenia i ogrzewania w salach po zakończeniu zajęć dydaktycznych, sterowanie oświetleniem ogólnym (hole, toalety, korytarze) jak również wyłączanie klimatyzacji w pomieszczeniach niewykorzystywanych w okresach wakacyjnych. Ważną rolą systemu BMS jest także automatyczne generowanie alarmów w przypadku wystąpienia awarii. Po alarmie następuje jego automatyczna detekcja, rejestracja i transfer do urządzeń operatora jak również transmitowanie komunikatów alarmowych do urządzeń zdalnych, takich jak: telefony komórkowe, faksy, drukarki, komputery PC i przeglądarki Web, za pośrednictwem komunikatów SMS oraz poczty elektronicznej  (e-mail).

INTELIGENTNY PRZEPŁYW INFORMACJI
Wymianę informacji pomiędzy komponentami systemu DESIGO zapewniają standardowe, powszechnie stosowane na całym świecie protokoły: BACnet  oraz  LONMARK. (Światowy standard BACnet został opracowany specjalnie dla potrzeb usług w budynkach przez stowarzyszenie ASHRAE, czyli American Socjety of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Ponadto, system DESIGO wykorzystuje standardy takie jak: Ethernet, LON, EIB/KNX, Modbus, M-bus i OPC. Dzięki otwartemu protokołowi komunikacyjnemu BACnet (Building Automation and Control network) urządzenia mogą być wzajemnie połączone oraz skonfigurowane, co umożliwia ich współdziałanie z systemem DESIGO. Informacje zebrane od poszczególnych urządzeń za pośrednictwem protokołu BACnet dostępne są poprzez graficzny interfejs administratora, który umożliwia modyfikowanie monitorowanych parametrów systemu oraz zdalne sterowanie urządzeniami. Dane dostępne są również za pośrednictwem internetu przy zastosowaniu odpowiedniego systemu bezpieczeństwa. Wszystkie dane dotyczące systemu są rejestrowane i podlegają analizie, co ułatwia monitorowanie i optymalizację pracy instalacji.

Laboratorium komputerowe

WYMAGANIA SUPERKOMPUTERÓW
Jednym z wyzwań dla systemu BMS jest siedziba Centrum Informatycznego Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej (CI TASK). Zlokalizowana na trzecim  piętrze gmachu ETI sieć komputerowa TASK to największa i najwydajniejsza sieć miejska w rejonie Polski Północnej. Podłączona jest do niej najpotężniejsza i najszybciej licząca maszyna w Polsce - superkomputer "GALERA" - jeden z największych klastrów w Europie. Na takim klastrze mogłoby grać jednocześnie milion graczy, nie przeszkadzając sobie nawzajem.
CI TASK obsługuje całe środowisko naukowe Polski północnej zajmujące się zagadnieniami z dziedziny chemii, fizyki, matematyki, inżynierii, elektroniki oraz oceanografii. Komputery dużej mocy (KDM) umożliwiają, na przykład komputerową analizę oporów powierza i aerodynamiki samolotów w celu zwiększenia ich prędkości i zmniejszenia zapotrzebowania na paliwo. Innym przykładem mogą być badania nad substancjami o potencjalnym wykorzystaniu w terapii nowotworowej.
Centrum TASK, zgodnie z wymaganiami stawianymi dla pomieszczeń z KDM, wyposażone jest w inteligentny system dystrybucji zasilania, system klimatyzacji precyzyjnej, niezależne systemy wentylacji oraz pełną ochronę przeciwpożarową serwerowni CI TASK, za co odpowiada system BMS.
Nasuwa się refleksja jak dalece można zwiększyć inteligencję gmachu ETI, gdyby udało się system BMS sprzężyć z superkomputerem o tak wielkiej mocy ...

WPAŚĆ W OKO SYSTEMU
Ze względu na rangę informacji przetwarzanych i archiwizowanych w Centrum TASK, dostęp do Centrum jest ściśle chroniony i kontrolowany. System ochrony dostępu wykorzystuje nowatorskie urządzenie, jakim jest czytnik tęczówki oka. Czy wystarczy więc mrugnąć okiem, żeby dostać się do środka? Tak, o ile system nas zaakceptuje. 
Nieinwazyjna metoda identyfikacji użytkownika oparta jest na analizie zdjęcia tęczówki oka i wykorzystuje aparaturę Panasonic BM-ET330. Aparatura rejestruje obraz tęczówki oka osoby skupiającej swój wzrok na zadanym punkcie, a system w czasie mniejszym niż 2 sekundy weryfikuje dane dotyczące tej osoby, porównując zdjęcie jej oka z obrazami znajdującymi się w bazie danych systemu. System ten wyróżnia niezwkle niskie prawdopodobieństwo błędnej akceptacji - 1:1200000. Poza tym czytnik wyposażony jest w zabezpieczenia antysabotażowe.

Czytnik tęczówki oka

Na serwerach obliczeniowych CI TASK swoje konta posiada obecnie 650 użytkowników, natomiast baza danych systemu odpowiadającego za kontrolę dostępu może być poszerzona do 5000 użytkowników. Dodatkowo system ten stwarza możliwość integracji z innymi systemami kontroli dostępu (ze względu na współpracę z protokołem Wiegand), a wbudowana kamera CCTV zezwala na integrację  z systemami telewizji dozorowej.

TELE-KONTROLA I ELEKTRONICZNY KLUCZ
System telewizji dozorowej jest najczęściej stosowanym zabezpieczeniem ochrony dostępu. W opisywanym gmachu również ma swoje zastosowanie. Monitory telewizji dozorowej znajdują się tuż przy wejściu głównym, na portierni. Cyfrowy rejestrator zapisuje obrazy z 16 kamer umieszczonych na zewnątrz i wewnątrz budynku, rejestrując zdarzenia zarówno za dnia, jak i w nocy. W ramach prac studenckich opracowywano projekt wykorzystujący dwie zsynchronizowane kamery do  zliczania i rozpoznawania osób. Jedna z kamer odpowiedzialna jest za detekcję ruchu przy drzwiach, druga - za detekcję twarzy.

Szafa Key Watcher

Innym systemem odpowiedzialnym za kontrolę dostępu do pomieszczeń dydaktycznych (i już funkcjonującym w nowym gmachu ETI) jest system "Key Watcher". Jest to system kontrolujący obieg kluczy używanych w obiekcie. Klucze umieszczone są w dwóch szafach, a system identyfikuje je za pomocą przywieszki, do której są one przytwierdzone. Przywieszki wyposażono w element RFID (Radio Frequency Identyfication) i umiejscowiono w gnieździe z elektroniczną blokadą. Każdy klucz ma numer i nazwę, odpowiadającą numerowi pomieszczenia. Poboru kluczy dokonać mogą jedynie upoważnione osoby - za pośrednictwem karty RFID lub poprzez kod ID i PIN. Po wprowadzeniu numeru klucza, który chce się pobrać oraz podaniu odpowiedniego kodu PIN, system poprzez miganie zielonej diody i system dźwiękowy wskazuje szafę, w której znajduje się klucz. Po otworzeniu drzwi szafy, należy pobrać klucz z podświetlonego w międzyczasie gniazda i zamknąć szafę. W przeciwnym razie uruchomiony zostanie system alarmowy. Klucze przydzielane są użytkownikom tylko na określony czas.
W kolejnej fazie system ma być rozbudowany o funkcję przypominania sms-em o przetrzymanym kluczu.

Hol z widoczną po lewej stronie szafą Key Watcher

BIBLIOTEKA NA CHIP
Innym rozwiązaniem wykorzystującym RFID, czyli identyfikację obiektów za pomocą fal radiowych, jest system biblioteczny. Gwarantuje on nowoczesne rozwiązanie identyfikacji, kontroli i ochrony księgozbioru oraz samoobsługowych wypożyczeń i zwrotów książek. RFID wykorzystuje dane w pamięci znacznika, na który składa się chip zawierający pamięć oraz antena umożliwiająca bezprzewodową transmisję. Studenci posiadający elektroniczną legitymację studencką (ELS) mogą wypożyczać książki  za pomocą urządzenia do samowypożyczeń. Wystarczy włożyć ELS w okno czytnika i położyć wybrane pozycje w odpowiednim miejscu urządzenia. Student ma tym samym dostęp do swojego konta czytelniczego obrazującego wykaz wypożyczonych dzieł i terminy zwrotów.

Zwroty książek możliwe są dzięki specjalnej wrzutni, w której po prostu umieszcza się książki. Wypożyczona wcześniej za pomocą automatu pozycja znika wtedy z danego konta czytelnika, uzyskując status "w bibliotece". Ta inteligentna biblioteka posiada także strefę bezpieczeństwa, na którą składają się etykiety zabezpieczające na materiałach bibliotecznych oraz chroniące przed kradzieżą książek bramki RFID zlokalizowane przy wyjściu. System ten usprawnia funkcjonowanie biblioteki oraz zapewnia komfort użytkowania ze względu na zintegrowanie karty bibliotecznej z legitymacją studencką

ELEKTRONICZNA LEGITYMACJA STUDENCKA
ELS to jednak nie tylko legitymacja oraz karta biblioteczna zintegrowane w jednym dokumencie. ELS może spełniać także  funkcję biletu okresowego ZKM, co likwiduje problem nadmiaru kart w portfelu. Ta inteligentna karta stwarza okazję zastosowania nowoczesnych rozwiązań w zakresie kontroli dostępu, identyfikacji, rejestracji czasu pracy czy sprawdzania obecności studentów na zajęciach. Istnieją projekty zakładające samodzielny dostęp studentów do laboratoriów wykorzystujący terminale ELS oraz czytnik linii papilarnych. Związane to będzie z rejestrem użytkowników, co pozwoli na dotarcie do osoby odpowiadającej za ewentualne szkody.
Kolejne przyszłościowe zastosowanie ELS to zintegrowanie w niej karty dostępu na teren Politechniki Gdańskiej (w tym parking). ELS może w przyszłości umożliwić także realizację mikropłatności w punktach ksero czy w bufecie, likwidując straty czasu związane z odliczaniem monet.

ELS, czyli elektroniczna legitymacja studencka

Możliwości kart inteligentnych mogą być rozszerzone także o funkcję udostępniania pokoi pracownikom bez użycia kluczy lub obsługiwania wideodomofonu, a także o wgląd do elektronicznego kalendarza wykładowcy, a przez to zapoznania się z możliwymi terminami skorzystania z konsultacji. Obecnie studenci mają już wgląd do swoich ocen za pomocą internetu (portal StudentInfo), co jest pierwszym krokiem do realizacji systemu E-indeks.

E-DYDAKTYKA
Warto wspomnieć także o funkcjonującym już systemie umożliwiającym przeprowadzanie telekonferencji. I tak na przykład: inauguracja roku akademickiego 2008/2009 odbyła się w 3 salach równocześnie (ze względu na liczbę studentów) i pozwoliła użytkownikom poszczególnych sal na śledzenie przebiegu zdarzeń w pozostałych dwóch salach, stosując system bezprzewodowy. Przebieg uroczystości można było oglądać także w internecie.

Audytorium

Wyposażenie multimedialne audytoriów umożliwiające prowadzenie telekonferencji stwarza możliwość kształcenia na odległość, natomiast pochylenie widowni gwarantuje studentom fizycznie uczęszczającym na wykłady dobrą widoczność z każdego jej miejsca. Udogodnienia dla wykładowców przewiduje z kolei projekt inteligentnej sali wykładowej, umożliwiający automatyczne przygotowanie stanowiska do prezentacji multimedialnych. Pracownik wchodząc do takiej sali wykładowej (po uprzednim przygotowaniu prezentacji na komputerze w swoim pokoju) zastanie projektor multimedialny w gotowości do wyświetlenia swojej prezentacji. System ten umożliwia komunikację pomiędzy urządzeniami sali wykładowej (czytniki kodów RFID, komputer wyposażony w kartę WiFi, projektor multimedialny) a komputerem w pokoju wykładowcy (połączonym z jednostką centralną), przy użyciu urządzenia PDA. W trakcie drogi wykładowcy do sali oprogramowanie agentowe rozpozna harmonogram zajęć (przypisanie wykładowcy do danej sali) i pobierze z zasobów katalogowych wykładowcy odpowiednią prezentację, co umożliwi mu jej odtworzenie tuż po wejściu do sali. Co więcej, zmiany slajdów mogą odbywać się poprzez odpowiedni ruch ręki.

Wymienione w artykule przykłady inteligentnych rozwiązań zastosowanych w gmachu ETI są dowodem na wieloaspektowe potraktowanie inteligentnych systemów wspomagających budynek. _"Inteligencja" gmachu ETI nie ogranicza się jedynie do optymalizacji kosztów użytkowania budynku i zapewnienia bezpieczeństwa osób z niego korzystających, ale również zapewnia komfort użytkowania i proponuje system usprawniający proces dydaktyczny. Ten naszpikowany elektroniką budynek otwarty jest na coraz to nowe scenariusze rozbudowy inteligentnych systemów.
Oprócz tych praktycznych zastosowań warto jeszcze poruszyć wątek kreacji zmiany w zakresie estetyki budynku. Wyobraźmy sobie, iż fragment elewacji przypominający wielki ekran, ożyłby nagle za sprawą rzuconych na niego projekcji. Mogą to być obrazy rejestrowane prze zainstalowane w obiekcie kamery. Po pewnej obróbce stałyby się one abstrakcyjną kompozycją, modyfikowalną w czasie rzeczywistym i wrażliwą na ruch użytkowników gmachu. Uatrakcyjnienie przestrzeni budynku mogłoby także nastąpić za sprawą różnych efektów świetlnych, np. poprzez zmianę barwy światła w zależności od intencji użytkowników przestrzeni, bądź ze względu na zmiany zachodzące w otoczeniu.
Wprowadzenie takich elementów nie tylko uatrakcyjniłoby charakter przestrzeni gmachu, ale jeszcze silniej podkreśliłoby więź pomiędzy architekturą a technologią. Być może stanie się to wyzwaniem dla przyszłych dyplomantów Wydziału ETI oraz Wydziału Architektury i wspólnie przyczynią się oni do realizacji nowych pomysłów z zakresu architektury inteligentnej.

Zobacz także tabelę: Inteligentne rozwiązania w gmachu ETI

październik 2008 r.