Energie-Inkasso mit IoT automatisieren

«Als selbstständiges, öffentlich-rechtliches Unternehmen im Eigentum der Stadt Bern sorgen wir in der Stadt und in der Region Bern für modernes Leben und Arbeiten.» Die ewb versorgt die Stadt und Region Bern zuverlässig mit Energie, sauberem Wasser und Glasfaser-Anbindung. Darüber hinaus bietet die ewb kluge Mobilitätslösungen für den Individualverkehr an, verwertet Kehricht zu wertvoller Energie und liefert mit dem Contracting-Modell Antworten auf Fragen zum Ausbau der dezentralen Energieproduktion. Als Energieproduzentin nimmt ewb ihre Verantwortung für eine nachhaltige Energiezukunft wahr. Sie bietet nachhaltige Lösungen und setzet mit eigenen Produktionsanlagen den politischen Wunsch des Stadtberner Stimmvolks nach dem Ausstieg aus der Kernenergie um.

(Quelle: www.ewb.ch)

Tausende IoT-Devices liefern alle paar Sekunden Daten in die Cloud oder führen von dort Steuerbefehle aus. Jedes Device funktioniert wie ein eigenständiger Server – mit all den typischen Eigenschaften und Vor- und Nachteilen. Die Anforderungen an ein IoT-Netzwerk mit seinen vielen Knoten sind sehr hoch: die eingesetzte Hardware muss sicher, robust, fehlertolerant, manipulationssicher, unempfindlich auf äussere Einflüsse sein und sie muss zentral verwaltet werden können – von der Inbetriebnahme über Updates und Fehlerbehebung sowie Krisenintervention. Die IoT-Devices müssen vom Hersteller so ausgeliefert werden, dass sie nach der Installation vor Ort vollautomatisch konfiguriert, provisioniert und identifiziert werden. Manuelle Konfigurationsschritte sind bei der Installation zu vermeiden.

Unsere IoT-Lösung ist seit einigen Jahren bei ewb in Betrieb, ausgelegt für wenige Tausend Messpunkte. Mit dem stetigen Wachstum des IoT-Netzwerks auf über Zehntausend Messpunkte steigen auch die Anforderungen an die Wartung und Verwaltung der IoT-Devices. Die Erweiterung unserer IoT-Cloud-Lösung durch Services eines bekannten Softwareherstellers ist gescheitert: Die Betriebskosten wären mit den kostenpflichtigen Cloud-Services zu hoch, eine rentable Skalierung war nicht ersichtlich. Der Funktionsumfang der Suite liess im Bereich der Software- und Konfigurationsverwaltung zu wünschen übrig und viele herausfordernde Themen (OS Update auf IoT-Device, abgesicherte Wartungsverbindung, Deployment-Zustand, etc.) sind durch die Services nicht abgedeckt. Wir mussten somit einen eigenen Weg gehen.

Bei den ersten Generationen unserer Lösung für ewb haben wir den Weg eingeschlagen, nebst der Entwicklung eigener Software möglichst viele Services und Komponenten spezialisierter IoT-Hersteller im Hard- und Softwarebereich einzusetzen. Diesen Grundsatz haben wir auch in der nunmehr vierten Generation beibehalten und ausgebaut. Die neue Generation basiert auf zwei getrennten Clouds: eine Cloud für die Nutzdaten (Messen und Steuern) und eine spezialisierte Cloud für die Verwaltung der IoT-Devices. Die Cloud für die Nutzdaten ist schon seit einer früheren Generation im Einsatz und wurde für die aktuelle Skalierungsstufe optimiert hinsichtlich Ressourcenverbrauch und Performance. Die Cloud für die Verwaltung der Devices stammt von einem spezialisierten Hersteller.  Sie ist neu hinzugekommen, nachdem wir mit der alten Architektur hinsichtlich OS-Updates und Mengengerüst an Grenzen gestossen sind. Unsere neue IoT-Cloud deckt nun die Use Cases von der Herstellung der Devices über Provisioning/Inbetriebnahme, geschützte Kommunikation, OS- und Firmware-Update bis zum Monitoring und Job-Kontrolle ab.

• Die mit IoT ermittelten Daten werden primär für das effiziente Energie-Inkasso verwendet. Dafür ist es Voraussetzung, dass End-zu-End (vom Messpunkt bis Rechnungsstellung) alles automatisiert ist.
• ewb bietet die ewb.EIGENVERBRAUCH-Produkte auf dem Markt als Whitelabel-Lösungen an; eine gute Skalierung ist für kleine bis grosse Installationen und Energieversorger sehr wichtig.
• Für grosse Immobilien-Projekte und neue Whitelabel-Kunden ist eine kurze Time-to-market existentiell.
• Dank tiefen Kosten für Installation, Betrieb und Unterhalt der IoT-Infrastruktur erzielen Immobilienbesitzer eine höhere Rendite.

IoT ist primär viel Technik. Daher möchten wir die relevanten, technischen Highlights nicht unerwähnt lassen.

Automatisierung

• Die Länge unserer «Automatisierungskette» ist einzigartig. Bestehende IoT-Produkte und -Plattformen sind auch hochgradig automatisiert, aber auf einen Bereich spezialisiert. Durch unsere Kombination aus Individuallösung und Komponenten spezialisierter Hersteller können wir eine durchgängige Automatisierung bieten.
• Offen für verschiedene Hardware. Die naturgemäss unterschiedliche Firmware ist aus demselben Sourcecode erstellt worden. Wir stellen automatisiert sicher, dass auf der heterogenen Plattform alle Funktionen identisch ausgeführt werden.
• Systemweite Updates in der heterogenen Plattform. Updates können bei vielen Knoten nicht zeitgleich installiert und migriert werden, denn es sind immer ein paar offline. Deshalb wird aktualisiert sobald ein Gerät online ist, der Abschluss pro Gerät erkannt, die Konfiguration migriert und neu verteilt. Dafür ist eine Versionsverwaltung über alle beteiligten Firmen und Systeme nötig. Die Build- und Deployment-Pipeline transportiert diese kleine Information über bestehende Behälter und steuert damit Konfigurationsgenerator und -verteilung.

Security

• Unsere Sicherheitsmechanismen sind konzeptuell, der Sourcecode wird durch unabhängige, von ewb beauftragten Sicherheitsexperten reviewed und geprüft. Dies führt zu einem wesentlich höheren Level als nur Penetrationtest.
• Die IoT Geräte sind komplett remote aktualisierbar bis und mit Kernel und Bootloader.

Stabilität

• OS-Update in jedem Fall. Keine Redundanz bei Netzwerk und Stromversorgung oder ein USV, trotzdem darf während dem OS-Update zu jedem Zeitpunkt der Strom ausfallen.
• Selbstheilung. Die Betriebszustände aller Komponenten und Deploymentvorgängen werden überwacht, das Inventar ist automatisch. Bei Problemen treten Selbstheilungsmechanismen in Kraft.
• Performancekritische Funktionen werden instruktionsweise zeitgemessen und überwacht, damit Veränderungen in der Performance frühzeitig erkannt werden. Nicht nur Änderungen am Code beeinflussen die Performance, Datenänderungen und das dynamische Verhalten des IoT-Geräte-Schwarms beeinflussen das Laufzeitverhalten genauso.

Thomas Schuoler

Digitalisierer