Complexe systemen eenvoudig managen

Secure management of large scale socio-technical systems

Energienetwerken die nooit meer uitvallen. Het weerbericht tot op de straat nauwkeurig. Altijd de beste cloud-diensten voor de laagste prijs. Als het aan de sectie Systeemkunde van de TU Delft ligt, zijn deze scenario's straks geen toekomstmuziek meer, maar realiteit.  

De moderne wereld kent vele grootschalige sociaaltechnische systemen, zoals het internet, het elektriciteitsnetwerk en het (water)wegennet. Vaak betreft het zeer complexe systemen, vanwege de ingewikkelde technieken enerzijds en een veelheid aan organisatorische lagen anderzijds. Socio-technische systemen zijn derhalve moeilijk te beheren. Onderzoekers bij de faculteit TBM zijn nu bezig een gedeelte van die complexiteit te automatiseren. Als dat lukt, hoeven stakeholders zich niet meer te vermoeien met de operationele controle, maar kunnen zij zich concentreren op de strategische keuzes voor het hele systeem. 

RobuSmart

Een concreet voorbeeld is het NWO-project RobuSmart, gericht op de robuustheid van elektriciteitsnetwerken (smart grids). “Een van de problemen die bij smart grids speelt, is het risico van blackouts”, vertelt Martijn Warnier, universitair docent Systeemkunde bij de TU Delft. “Als het elektriciteitsnet overladen wordt, kunnen er leidingen knappen of wordt het systeem uitgeschakeld om beschadiging te voorkomen. De resterende stroom verspreidt zich dan over andere leidingen, met wederom kans op overlading en kapotte lijnen. Dit kan tot een grote blackout leiden. Met RobuSmart trachten we de robuustheid van smart grids te kwantificeren. Zo wordt duidelijk welke elektriciteitsnetwerken de grootste kans op een blackout hebben. Die informatie willen we gebruiken om intelligentie in het systeem aan te brengen.” 

Smart grids zijn veelal dermate grote systemen (schaal Europa, met vele transformatoren  en leidingen), dat zij decentraal moeten worden aangestuurd. “Je kunt niet op één plek een computer neerzetten die alles regelt”, aldus Warnier. “Je zult dus lokaal intelligentie in het systeem moeten stoppen, bijvoorbeeld bij de knopen in het netwerk. Door de robuustheid lokaal uit te rekenen, kunnen we het netwerk sealfhealing eigenschappen geven: zodat als een leiding begint te overloaden, de elektriciteit automatisch via een andere route wordt verspreid. Het systeem lost dan zelf de problemen op. Als we hierin slagen, hoeven stakeholders zich niet meer druk te maken over zaken als robuustheid, maar kunnen zij zich op andere aspecten richten, zoals het aansluiten van meer groene energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie aan het elektriciteitsnetwerk.”

‘RobuSmart: Increasing the Robustness of Smart Grids through distributed energy generation: a complex network approach’ loopt van 2011 - 2015. 

SHINE

Bij SHINE, en ander project waaraan Warnier meewerkt, draait alles om het slim monitoren van vele verschillende informatiestromen. In een stedelijk gebied, zoals Rotterdam, zijn allerlei sensoren aanwezig: van radarsystemen voor trams en meetapparatuur voor de luchtkwaliteit tot smartphones waarmee mensen berichtjes en foto's twitteren, bijvoorbeeld van het weer ter plaatse. Warnier: “De vraag is nu: hoe kunnen we de data uit al die bronnen, van verschillende eigenaren bovendien, aan elkaar koppelen? En deze vervolgens dusdanig ontsluiten dat beleidsmakers en publiek de gegevens op slimme wijze kunnen raadplegen en gebruiken, bijvoorbeeld in de vorm van een app?”

SHINE kan bijvoorbeeld superrouting mogelijk maken: welke route kun je het beste nemen, rekening houdend met gezondheid (luchtvervuiling, hooikoorts), energieverbruik (windsnelheid, heuvels), geluid, gevoelstemperatuur en afgesloten straten. Ook kan SHINE cruciale informatie verschaffen voor het plannen van buitenactiviteiten, zoals festivals. “Belangrijk in ons onderzoek is bovendien dat we de informatiestromen in het systeem zelforganiserend willen maken. De eindgebruiker moet zich geen zorgen hoeven maken over welke sensoren er met elkaar moeten praten. ”

Sensing Heterogeneous Information Network Environment (SHINE) is het 'vlaggenschip'-project van Direct (Delft Institute for Research on ICT), met een looptijd van 2012 -2015.

Cloud computing

Nog een veelbelovend onderzoeksproject betreft Infrastructure as a service (Iaas). Bij deze snelgroeiende vorm van cloud computing kunnen computergebruikers naar eigen behoefte gebruik maken van een virtuele infrastructuur. De serviceprovider is eigenaar van de hardware; de afnemer betaalt alleen voor wat hij gebruikt. “Wat in deze markt speelt, is dat cloud-aanbieders sterk wisselende prijzen hanteren, omdat zij aan spot pricing doen. Ook is het heel gemakkelijk om informatie in een cloud te importeren, maar des te moeilijker om het te exporteren. Voor prijsbewuste Iaas-gebruikers die graag van cloud wisselen levert dat problemen op.”

Warnier en zijn collega's hebben een service gebouwd die de actuele prijzen van cloud-aanbieders in de gaten houdt, namens de klant onderhandelt, en zorgt dat de afgesproken dienst automatisch gemigreerd wordt. De service test bovendien periodiek of de cloud-serviceprovider zich aan de afspraken in de service level agreement houdt. “Als eindgebruiker heb je dus altijd de beste cloud-dienst voor de beste prijs, zonder dat je zelf steeds de prijzen moet vergelijken en actie moet nemen om over te stappen.”


Energiecommunities

Nieuwe uitdagingen staan al op stapel, zoals het Europese project CIVIS: Cities as drivers of social change. “Nu al kunnen huishoudens zelf elektriciteit produceren en overcapaciteit verkopen aan fysieke elektriciteitsnetwerken”, licht Warnier toe. “Maar CIVIS gaat nog een stap verder: als huishoudens stroom kunnen leveren, dan kunnen zij zich ook organiseren tot een virtuele elektriciteitscentrale. Zo zouden groepen vrienden of bijvoorbeeld belangenorganisaties hun overcapaciteit kunnen verkopen, maar ook kunnen doneren aan maatschappelijke doelen, zoals een school of lokaal ziekenhuis. We gaan nu onderzoeken of we de technologie kunnen ontwikkelen om die communityvorming te bewerkstelligen. De eerste pilots gaan in oktober 2015 van start in Stockholm en Trento. 

Beeld:  Power blackout in een groot deel van Manhattan tijdens de orkaan Sandy, eind oktober 2012. Een voorbeeld van de kwetsbaarheid van infrastructuren (hier het electriciteitsnetwerk) onder extreme omstandigheden.
© Creative Commons/TenSafeFrogs

Meer vrijheid

Door het onderzoekswerk van Warnier krijgen beleidsmakers en eindgebruikers van grootschalige sociotechnische systemen in de toekomst meer vrijheid. Operationele zaken worden geautomatiseerd, waardoor men meer tijd krijgt voor andere managementtaken. Bovendien, bijvoorbeeld in het geval van smart grids, kan er meer zekerheid van kritieke infrastructuren (zoals ziekenhuizen) worden geboden.