Energy efficiency is the key component of sustainable development in cities

miimu_airaksinen

The UN Habitat New Urban Agenda was released a few weeks in Quito, Equador. The task to write a new urban agenda has not been easy, given that pre-conditions and interests are different in different UN countries. At the same time, there is an urgent need to act in favour of sustainable development in cities.

The striking fact is that urban settlements covers roughly 2.7% of the surface area of the globe, but consume 70% of resources and hence produces 75% of CO2 emissions. Moreover, we face many challenges if we are to transform our cities into healthy, safe and comfortable living and working areas.

Starting from these pre-conditions, the New Urban Agenda for the first time highlights the importance of energy. As is well-known, energy production is the main source of CO2 emissions and air quality problems in cities. Energy is needed in cities for transport, heating, cooling, lighting as well as for water and sanitary systems. We also need energy to run equipment and appliances. To transform ourselves into low carbon society, we need to de-carbonise our energy production, but also, very importantly, we need to use energy more efficiently. Energy that does not need to be produced is the most environmental friendly. Energy efficiency is not only beneficial in preventing pollution but is also a key component for resilient cities. Energy efficiency entails reducing overall demand and more importantly reducing peak demand. In combination with smart technologies, demand can be controlled based on self-learning and adaptive algorithms to reduce and shift the demand even more efficiently without compromising users’ well-being, but rather in ways that can also further enhance well-being.

Smart cities and efficient resources

In addition to energy, the concept of smart cities was for the first time raised onto the agenda. The concept of smart cities is quite unique, since it is applicable both to industrialised cities/districts and to developing economies. The benefit of smart cities is that by using easy-to-install and adaptable sensors and self-learning control algorithms, existing infrastructure can be made more efficient. Moreover, new methods allow for generating urban services more efficiently in developing countries, without heavy and costly infrastructure requirements. Good examples for this are the implementation of renewable energy sources for cities and communities. In addition, smart communications enable citizen engagement and ownership within their own living areas, which evidently improves the perceived living quality and attractiveness of the area.

Smart systems enable us to use our resources more efficiently. This can be done by using and combining data from different sources. Currently, in modern buildings, there are typically over 20 000 data points, and hence in cities there exists an unimaginable amount of data; it is evident that no-one has the capacity to process all the data. We need, therefore, smart self-learning and predictive systems to make the most of the data available. One of the leading principles in smart cities is to enrich data to create meaningful information that supports our decision-making and helps in making our everyday lives run smoothly and that helps us to achieve environmental sustainability. More importantly, this saves time for the most important things in our lives.

Miimu Airaksinen
Research Professor
UN Habitat Policy Unit 9

Miimu Airaksinen was nominated in 2015 as an expert for the United Nations Policy Unit 9 on Urban Services and Technology to prepare the UN urbanization strategy.

Twitter: @MiimuAiraksinen

Smart City is on its way – towards interoperable systems or vendor lock-in?

Digitalisation is rapidly taking over every part of the urban environment: roads, vehicles, energy networks, security systems, and water and waste systems. Information can be gathered from places of all kinds, and used in all kinds of ways to provide better services. This evolution is developing into a megatrend known as the Smart City: an urban environment in which full use is made of ICT technologies and where services are flexible and run in real-time.

In his VTT blog, Matti Kokkala described Smart City as a development trend from large, centralised units towards distributed and networked solutions. In its essence Smart City will enable more modular, decentralized operating models and empower citizens and businesses to create valuable services in the urban environment. Although Smart City still lacks a precise definition, it is generating a huge amount of buzz both internationally and nationally. Leading cities and technology companies are currently investing heavily in new Smart City solutions. The Smart City market is expected to grow significantly in the next few years and will thus also present a major possibility for Finnish companies.

Smart City is also an important theme domestically in Finland. It offers cities the opportunity to create new valuable services, improve productivity, streamline processes and save costs. It also introduces new ways to engage citizens and businesses, and tools for more sustainable and environmentally aware city planning.

Fragmented Smart City solutions a key challenge

Despite the huge potential, in practice Smart City solutions tend to be fragmented, where cities but also the different Smart City sectors such as mobility, built environment and energy work in isolation. This has created a situation in which innovations do not diffuse between cities and sectors, economies of scale are not reached and markets do not grow to their full potential. Traditionally IT procurements by cities in Finland and by the public sector in general, have been problematic. In many cases procurements lead to a vendor lock-in situation where large closed and vertically integrated solutions are procured that are not interoperable with the systems of other cities. Even though the needs are to a large degree the same, dedicated solutions are built for each city. This poses challenges also for the suppliers, which have to spend a great deal of resources to unnecessary tailoring and integration, instead of benefiting from economies of scale. On the other hand, also SMEs have suffered from large procurements, which typically favour large companies.

Although the Smart City evolution is still in its early stages, there is a danger that such fragmentation continues and that dedicated vertically integrated solutions are built for each city and sector. At the other end, a scenario can be also envisioned where a single player (whether public or private) takes a gatekeeper role and creates one huge silo to which all of the data is integrated.

Interoperability and modularity in a key role

Interoperability and modularity should be at centre of Smart City development. It is worth remembering that for example the global success of the Internet and mobile networks was based largely on interoperability and a modular, scalable architecture both on a technical and business level. Valuable lessons can be learned from these historical examples and leveraged also in Smart City development.

Many positive development trends are emerging in Finland. For example open source code is increasingly used in procurements. Also, the use of open data and open APIs is becoming more common and seems to be a very promising trend. In parallel to these, additional ways to achieve interoperability and a multi-buyer and multi-vendor market could be introduced. A key tool in this respect could be the testing and certification of the interoperability of the systems. Recently for example in Finland, the National Archive of Health Information Services (Kanta) has introduced a testing and certification service, which suppliers can use to validate system interoperability and enable the transfer of prescriptions from health centres to pharmacies. System interoperability could also be enhanced by city procurement. When many cities are procuring  systems for similar purposes, they could agree on common principles and interfaces that would be used, but still procure the systems independently, and thus enable the emergence of multi-vendor market.

Towards more interoperability in Smart City

These kinds of horizontal processes could be developed for all Smart City sectors and all cities in Finland. Many activities are ongoing which support the evolution towards interoperability, such as the joint strategy between six leading Finnish cities – 6AIKA, the creation of a National Service Channel based on Estonia’s Data Exchange Layer X-road, Tekes programmes (e.g. Witty City and Smart Procurement), the increased usage of APIs and the introduction of MyData, i.e. personal data gathered from each and every one of us. Additionally, single actors such as Forum Virium (e.g. the CitySDK project), Association of Finnish Local and Regional Authorities, The Finnish Centre for Open Systems and Solutions (COSS), buildingSMART Finland and ITS Finland have shown good example and also VTT plans to contribute in order to make this evolution path a reality.

Interoperability will be a key issue in the evolution of Smart Cities. The different stakeholders working with Smart City solutions need to be challenged to come up with new ways to support modularity and interoperability. Finland could also lead the way in enabling an open multi-buyer and multi-vendor environment in the global Smart City competition. Now is the right time to move firmly towards a horizontal Smart City market-structure, before it gets locked into closed solutions.

Thomas Casey,

Research Scientist, Business Ecosystem Development

Smart City tulee – kohti yhteentoimivia järjestelmiä vai toimittajaloukkua?

Digitaalisuus on kovaa vauhtia leviämässä kaupunkiympäristön jokaiseen kolkkaan: teihin, ajoneuvoihin, energiaverkkoihin, turvallisuusjärjestelmiin sekä vesi- ja jätehuoltoon. Tietoa pystytään keräämään mitä erilaisimmista paikoista ja hyödyntämään mitä erilaisimmilla tavoilla. Kehitys on kiteytymässä yhteen megatrendiin, joka kulkee nimellä Smart City: kaupunkiympäristö, jossa ICT-teknologioita hyödynnetään täysimääräisesti ja palvelut toimivat reaaliaikaisesti ja joustavasti.

Matti Kokkala kuvasi Smart Cityä VTT:n blogissaan erityisesti kehityksenä keskitetyistä suurista yksiköistä kohti hajautettuja ja verkottuneita ratkaisuja. Smart City mahdollistaakin aivan uudet modulaarisemmat toimintamallit. Vaikka termi hakee vielä tarkkaa määrittelyä ja voi tapauksesta riippuen pitää sisällään erilaisia teknologioita ja toimialoja, vipinää sen ympärillä on valtavasti niin kansainvälisellä kuin kansallisellakin tasolla. Kaupungit ja teknologiayhtiöt investoivat tällä hetkellä vahvasti uusiin ratkaisuihin ja kehitykseen. Smart City -markkinan uskotaankin kasvavan merkittävästi seuraavien vuosien aikana. Vientipotentiaali suomalaisille yrityksille on siis mittava.

Myös kotimaisella tasolla Smart City on tärkeä teema ja se voi parantaa merkittävästi tuottavuutta ja luoda uudenlaista arvoa. Smart City -ratkaisut tarjoavat kaupungeille mahdollisuuden sujuvoittaa prosesseja, säästää kustannuksissa ja kuroa kiinni julkisen sektorin alijäämää. Tämän lisäksi tarjolla on uudenlaisia tapoja aktivoida kaupunkilaisia sekä edistää kestävää, ympäristötietoisempaa kehitystä. Horisontissa näkyy myös merkittävä mahdollisuus edistää yritystoiminnan kehittymistä kaupungeissa.

Haasteena sirpaloituneet järjestelmät

Haasteitakin on edessä. Vaikka potentiaali on valtava, käytännössä kuitenkin Smart City -ratkaisut ovat tällä hetkellä paljolti sirpaloituneita ja kaupungit sekä toimialasektorit (esim. liikenne, rakennettu ympäristö ja energia) toimivat erillään. Tämä on johtanut tilanteeseen, jossa innovaatiot eivät leviä kaupunkien ja sektorien välillä eivätkä markkinat pääse kasvamaan täysimääräisesti. Perinteisesti kuntien ja ylipäätään julkisen sektorin IT-hankinnat ovat olleet ongelmallisia. Usein päädytään ns. toimittajaloukkuun ja tilataan suljettuja, räätälöityjä ja vertikaalisti integroituja ratkaisuja, jotka eivät toimi yhteen muiden kuntien järjestelmien kanssa. Karkeasti sanottuna tarpeet ovat usein samat, mutta pyörää keksitään uudelleen. Asetelma on ollut ongelmallinen myös toimittajayrityksille, jotka joutuvat räätälöimään ja integroimaan ratkaisuja liikaa eivätkä pääse hyödyntämään skaalaetuja. Toisaalta myös PK-sektori on kärsinyt, koska se ei ole päässyt täysimääräisesti mukaan isoihin hankintoihin, jotka tyypillisesti menevät suurille yrityksille.

Vaikka Smart City-kehitys on vasta alkumetreillä, uhkakuva on, että tämänkaltainen siiloutuminen, jossa kehitetään kaupunki- ja sektorikohtaisia ratkaisuja, jatkuu. Toisaalta toisessa ääripäässä uhkakuvana on myös, että monen eristyksessä olevan pienen siilon sijaan meillä on yksi valtava siilo, johon kaikki tietomme integroidaan, minkä johdosta yksi iso taho (oli se sitten yritys tai julkinen toimija) on portinvartijaroolissa.

Yhteentoimivuus ja modulaarisuus avainasemassa

Smart City-kehityksen keskiössä tulisikin olla järjestelmien yhteentoimivuus, avoimuus ja modulaarinen lähestymistapa. On hyvä muistaa, että esimerkiksi Internetin ja mobiiliverkkojen maailmanlaajuisen menestyksen takana oli nimenomaan yhteentoimivuus ja modulaarinen skaalautuva arkkitehtuuri niin teknisellä kuin liiketoiminnan tasolla. Historiallisista esimerkeistä voidaan oppia ja tuoda parhaita käytäntöjä myös Smart City-kehitykseen ja -ratkaisuihin.

Positiivista on, että erilaisia tapoja avoimuuden lisäämiseen on alkanut levitä. Avoimen lähdekoodin käyttö järjestelmähankinnoissa on lisääntymässä. Myös avoin data ja avoimien toiminnallisten ja ohjelmointirajapintojen (APIen) käyttö ovat yleistymässä ja hyvin lupaava kehityssuunta. Rinnalle voitaisiin tuoda myös muitakin menetelmiä yhteentoimivuuden ja monen ostajan ja toimittajan markkinan aikaansaamiseksi. Yksi keskeinen työkalu voisi olla järjestelmien yhteentoimivuuden testaus ja sertifiointi. Esimerkiksi Kansallinen Terveysarkisto (Kanta) tarjoaa jo nyt testaus- ja sertifiointipalvelun, jolla toimittajat voivat varmistaa järjestelmien yhteentoimivuuden ja reseptejä voidaan näin siirtää kätevästi terveysasemilta eri apteekkeihin.

Tilaajapuolella esimerkiksi kaupunkien hankinnoilla voitaisiin parantaa yhteentoimivuutta. Kun monta kaupunkia on tilaamassa samanlaista järjestelmää, hankinnoille voitaisiin sopia yhteiset raamit, mutta ne voisi toteuttaa paikallisesti, ja näin pystyttäisiin hyödyntämään toisaalta skaalaetuja, mutta toisaalta samalla räätälöimään ratkaisuja paikallisiin tarpeisiin ja mahdollistaa ns. monitoimittajaratkaisut.

Kohti horisontaaleja toimintatapoja

Horisontaaleja toimintatapoja voitaisiin kehittää kaikille Smart City-sektoreille ja kaikkiin kuntiin. Meneillään on useita aktiviteetteja, jotka tukevat kehityssuuntaa kohti yhteentoimivuutta: mm. kuuden suurimman kaupungin yhteisstrategia 6AIKA, Viron X-road arkkitehtuuriin perustuvan Kansallisen palveluväylän rakentaminen, Tekesin ohjelmat (mm. Fiksu kaupunki ja Huippuostajat), APIen hyödyntäminen  sekä meistä kaikista kerätyn henkilötiedon (ns. MyDatan) esiintuominen. Lisäksi yksittäiset toimijat kuten Forum Virium (mm. CitySDK-projekti), Kuntaliitto, COSS ry (Avoin Kunta-aloite), buildingSMART Finland sekä ITS Finland ovat näyttäneet esimerkkiä ja myös VTT on näissä talkoissa mukana.

Yhteentoimivuus tulee olemaan yksi keskeisimmistä haasteista Smart City -kehityksessä. Oleellista on haastaa toimijakenttää miettimään uudenlaisia toimintamalleja, jotka tukevat modulaarisuutta ja yhteentoimivuutta. Suomi voisi toimia suunnannäyttäjänä, ja ottaa avoimuuden valttikortikseen myös kansainvälisessä Smart City-kilpailussa. Nyt on oikea aika pyrkiä vahvasti kohti horisontaalista Smart City -markkinarakennetta ennen kuin se lukkiutuu suljettuihin ratkaisuihin.

Thomas Casey

Tutkija, Liiketoimintaekosysteemien kehitys

Smart City: local but networked, distributed but integrated

_MG_5470

The concept smart city pops up frequently in the context of urban development. The concept definitely has a positive flavour, but I have found myself thinking, what does it actually mean?

There is no unique definition for a smart city. The interpretations and definitions used by different interest groups, stakeholders or regions vary. Often one gets an impression that a smart city is the same as a digital city, sometimes its meaning is close to that of a sustainable city.

It is a challenging term, because who would like his contribution to the development not be called smart, i.e. there is no such thing as a dumb city. While most of human activities take place in cities you may see almost anything included within the smart city concept. So, why should we use a special term if it includes everything in a city?

Towards distributed smart solutions

The basis of developing systems has always been to move towards an optimum defined by multiple criteria, often economic aspects being among the core criteria. Traditionally an optimum has been reached by centralized solutions. Economy of scale has been achieved by systems with a distinctive point of control. For example, power grids have been built around large power plants. Public transport systems have been based on somebody deciding the schedules and routes on behalf of others.

Retail shopping has moved to large shopping centres. Even the governance in a society has meant a powerful central administration making decisions on behalf of the citizens.

The development of information and communication technology ICT has enabled search for new kinds of optima. The outcome of implementation processes in various systems is often regarded as ‘smart’.

Concerning energy, for example, distributed local production is feasible up to the extreme that every building may become a power source. However, a system of distributed production is better than the old centralized system only if the energy network is managed properly. The transition to smart grids has only been possible thanks to advanced ICT.

New on-demand service concepts are emerging in public transport, which is still based to large extent to predetermined schedules and routes. Like in the case of energy, if you produce more than you need, you may offer your capacity to be used by others. Without advanced ICT the linking of service providers and users would not be possible.

In retail industry the rapidly growing shopping over internet has created a need to rethink the urban logistics. The role of shopping centres and department stores is undergoing a significant change. At the same time the end delivery to the individual customers is seeking new forms. Increased efficiency and better response to customer needs is possible only by use of advance ICT.

In order to make use of public services you had to go to the city centre or at least to the local centre in the suburb. Due to the changes in relative costs of operations in the societies, the development has unfortunately meant that the distances to the service points have gradually increased. Thanks to ICT, you are more and more able to use the services at your home or even when travelling. The savings for the service provider are evident.

ICT also enables citizens to participate in decision making much more than before. While tools exist to enable receiving of information, it is much more difficult for the authorities to keep their work behind closed doors. Citizens are now able to interact with both with the officials and with the elected representatives more than ever before. Despite of the challenge of digital divide, the development of ICT has altogether meant a huge increase in the power of citizens.

Act local, be networked

All the examples above have meant that the meaning of geographical location has changed. You can act locally but at the same time use resources in places you do not even know. Administrative borders can no more be at the same to optimal borders for operations. Without integrating the resources and operations the world with distributed resources would be like the societies centuries ago – and nobody wants that.

In the old systems, data was gathered into a central location, where it was then, often after a significant delay, analyzed. The conclusions drawn were then transmitted back along the chain as instructions. In the current distributed systems data can be gathered and analyzed anywhere. This allows a much larger set of input data and much wider resources for assessment and conclusions. The central decision maker is not always needed at all. Open data – just make the data available and somebody will for his own interest analyse it – is essential in this process.

The essence of being smart in the modern society is in acting locally but being networked outside of your own geographical location. The technological systems can only be managed if they are properly integrated. ICT is the enabler which, when properly used for networking and integration, provides social, environmental, and economic benefits for all.

Cities all over the world see this as an opportunity towards better quality of life. Therefore, the smart city agendas will have a central place in urban development projects. While those projects are always huge investments, they also provide lucrative business opportunities for technology providers. No wonder that practically all largest technology providers have their own smart city agendas.

Matti Kokkala

Professor, Senior Advisor, Smart Cities

Smart City: paikallinen mutta verkottunut, hajautettu mutta yhteenpelaava

_MG_5470

Kaupunkikehityksestä puhuttaessa ei voi välttyä törmäämästä käsitteeseen smart city.  Jätän termin tarkoituksella kääntämättä suomeksi, koska mahdolliset käännökset, kuten älykäs kaupunki, älykaupunki, fiksu kaupunki ja nokkela kaupunki, tuovat kukin oman vivahteensa eivätkä ne vastaa  kansainvälistä smart city -käsitettä.

Adjektiivi smart tekee termin hankalaksi, sillä kukapa haluaisi, että oma tekeminen olisi vähemmän smart. Kun suurin osa ihmisten tekemisistä tapahtuu kaupungeissa, termin smart city alle on eri yhteyksissä selitetty kuuluvan melkein mitä tahansa hyvää tarkoittavaa toimintaa. Miksi siis tarvittaisiin erityistä termiä, jonka piiriin kaikki kaupunkien tekeminen sisältyy?

Usein smart city -termiä käytettäessä saa mielikuvan, että kyse olisi teknologiasta ja nimenomaan tieto- ja viestintäteknologiasta. Kuitenkin smart tarkoittaa paljon enemmän.  Itse asiassa vastaani ei ole tullut yhtäkään tahoa tai henkilöä, joille smart citystä puhuttaessa teknologia olisi itseisarvo, vaikka sen rooli paremman toimintaympäristön ja parempien palveluiden mahdollistajana onkin aina ymmärretty.

Smart city on käsitteenä elänyt jo kymmenkunta vuotta ja näyttää siltä, että se on tullut jäädäkseen. Käsitteellä täytyy siten olla syvempikin merkitys.

Kohti hajautettuja ratkaisuja

Perinteisesti yhteiskunnan järjestelmien optimi sen eri merkityksissä on saavutettu erilaisilla keskitetyillä ratkaisuilla. Esimerkiksi energian tuotanto ja jakelu ovat perustuneet suuriin voimaloihin. Julkinen liikenne puolestaan on perustunut kiinteisiin reitteihin, aikatauluihin ja vain julkiseen liikenteeseen varattuun ajoneuvokalustoon. Vähittäiskauppa on hakenut tehokkuutta suurten ostokeskusten ja tavaratalojen avulla, ja julkinen hallinto ja päätöksenteko julkisista palveluista on luovutettu valittujen edustajien ja virkamiesten luoman keskushallinnon varaan.

Tieto- ja viestintätekniikan kehitys on mahdollistanut tehokkuuden ja vaikuttavuuden hakemisen aivan uudella tavalla. Hajautettu energiantuotanto on mahdollista, kun paikallinen, jopa rakennuskohtainen, energiantuotanto voidaan tuoda hallitusti osaksi koko energiajärjestelmää.

Liikenne muuttuu resurssi­tehokkaammaksi ja paremmin tarvetta vastaavaksi, kun kuljetuspalvelut saadaan reagoimaan ketterämmin todelliseen tarpeeseen esimerkiksi kutsuperustaisen liikenteen tai monikäyttöisen ajoneuvo­kaluston avulla.

Vähittäiskaupassa nopeasti kasvanut ostosten tekeminen internetin kautta on asettanut ostokeskukset ja tavaratalot aivan uuteen tilanteeseen. Kaivataan uusia tehokkaita ja asiakastarvetta vastaavia tapoja jaella ostokset loppukäyttäjille.

Julkinen hallinto ja julkiset palvelut ovat tiedonkulun helpottumisen vuoksi aivan uudella tavalla kansalaisten seurannan alla. Valtuutetut ja viranhaltijat eivät enää julkisen paineen vuoksi pysty toimimaan suljettujen ovien takana, vaan kansalaiset haluavat ja pystyvät vaikuttamaan päätöksentekoon asioiden valmistelusta toteutukseen.

Toimi paikallisesti, verkotu kansainvälisesti

Edellä olevat esimerkit tarkoittavat, että fyysisen paikan merkitys on muuttunut. Toiminta voi näkyä paikallisena, mutta suuri osa tekemisestä voi tapahtua melkeinpä missä tahansa maailmassa.  Muodolliset yhteiskunnan hallinnon rajat menettävät yhä useammin merkityksenä, maantieteellisiä rajoja ei ole välttämättä edes olemassa. Kuitenkin ilman resurssien hallittua yhteensovittamista hajautetut toimintamallit johtaisivat sekaannukseen, mitä kukaan ei tavoittele.

Perinteisesti järjestelmien toiminnasta on aina kerätty tietoa keskitetysti ja sitä on myös analysoitu ja hyödynnetty keskitetysti. Johtopäätöksiä on sitten vyörytetty päätöksentekoketjuja pitkin eteenpäin.  Hajautettujen järjestelmien maailmassa myös tietoa voidaan kerätä ja analysoida hajautetusti. Tämä mahdollistaa paljon suuremman tietomäärän analysoinnin paljon suuremmilla resursseilla. Avoin tieto – periaatteella aseta tieto saataville ja joku muu voi hyödyntää sitä – on olennainen osa uutta toimintatapaa.

Ollakseen nyky-yhteiskunnassa smart tulee toimia paikallisesti, mutta samanaikaisesti globaalisti verkottuneesti.  Hajautettuja teknisiä järjestelmiä voidaan hyödyntää hallitusti vain, jos ne pelaavat yhteen tarvetta vastaavasti. Tieto- ja viestintätekniikka on apuväline, joka mahdollistaa sekä ihmisten verkottumisen että teknisten järjestelmien yhteen kytkemisen niin, että tuloksena on sosiaalista, taloudellista ja ekologista hyötyä yhteiskunnassa.

Kaupungit kaikkialla maailmassa näkevät tämän suurena mahdollisuutena paremman toimintaympäristön ja elämänlaadun tuottamiseksi.  Smart city -ohjelmilla tulee siten olemaan keskeinen merkitys kaupunkien kehittämisessä jatkossakin. Koska kaupunkien kehityshankkeet ovat aina suuria investointeja, ne tarjoavat myös teknologioiden toimittajille merkittäviä liiketoimintamahdollisuuksia. Siksi on luonnollista, että myös maailman suurimmilla teknologiayrityksillä on suuria ja näkyviä smart city -ohjelmia.

Matti Kokkala

Professori, Senior Advisor, Smart Cities