01.07.2020
Digitaaliset kaksoset kolmelle helsinkiläiselle alakoululle
Playsign Oy on yhdessä Helsingin kaupungin kanssa kehittänyt Energiaviisaat kaupungit –hankkeessa kolmelle alakoululle selainpohjaiset digitaaliset kaksoset kouluista. Digikaksoset ovat käyttöliittymiä, jotka visualisoivat kouluista mitattua energia- ja olosuhdetietoa koulujen rakennusmallien päälle. Kokeilu alkoi keväällä 2020 ja jatkuu vuoden 2020 loppuun asti.
Haasteet
Palvelurakennusten kuten koulujen käyttäjillä ei ole perinteisesti ollut mahdollisuutta saada tietoa oman toimintansa vaikutuksista palvelurakennusten sisäolosuhteisiin tai energiankulutukseen. Rakennuksista kerättävä tieto on ollut hajallaan eri järjestelmissä: Energiayhtiöllä, rakennusautomaatiojärjestelmien toimittajilla ja kaupungilla. Tietoa ei ole havainnollistettu rakennusten käyttäjille eikä kaupungin kiinteistönhallinnalle kokonaisvaltaisesti. Kaupungin toimijoilla ei ole aikaisemmin ollut myöskään hyvää yleiskuvaa siitä, mitä mahdollisuuksia datan kerääminen ja visualisointi tuovat tai mitä visualisointi puolestaan datalta, rakennusmalleilta ja datayhteyksiltä vaatii.
Tavoitteet
Tavoitteena kokeilussa oli toteuttaa kolmelle koululle tiedon käyttöliittymät, jotka mahdollistavat energiankulutuksen, kuten sähkön, lämmön ja veden kulutuksen sekä olosuhdetiedon, kuten esimerkiksi hiilidioksidi-, lämpötila- ja kosteusarvojen visualisoimisen ja seuraamisen reaaliajassa. Tällä tavoin myös käyttäjien tietoisuutta koulurakennuksen sisäolosuhdetiedosta ja energiankulutuksesta ja niihin vaikuttamisen mahdollisuuksista pyrittiin lisäämään. Pääkäyttäjäryhmänä Playsign Oy:n ratkaisuilla ovat erityisesti 9-12 -vuotiaat koulujen oppilaat sekä koulujen opettajat. Kokeilun tavoitteena oli myös tutkia, voivatko koulujen digitaaliset kaksoset (linkki määritelmään) olla apuna opetuksessa, eli havainnollistaa ja opettaa energiaan- ja olosuhteisiin liittyviä asioita koululaisille.
Kehittämisprosessi
Pilottikouluista oli jo entuudestaan saatavilla erilaisista järjestelmistä peräisin olevaa dataa, jota ei oltu kuitenkaan tuotu ennen kokeilun alkua rakennusten käyttäjille näkyviin. Kolmeen pilottikouluun oli mm. asennettu Smart & Clean –sisäilmahankkeen aikana SmartWatcherin anturit, jotka mittaavat osasta koulujen tiloista hiilidioksidipitoisuutta, lämpötiloja, haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, pienhiukkasia, painesuhteita sekä huoneilman kosteutta. Kaikki pilottikoulut oli liitetty myös Nuuka Solutions Oy:n järjestelmään, josta voitiin seurata kohteiden energiankulutustietoja, SmartWatcherin keräämää tietoa sekä osittain myös koulurakennusten rakennusautomaation tietoja. Nuuka-järjestelmään tuotiin pilotin aikana myös lisää dataa kouluista, mm. aurinkoenergian tuotannosta. Playsign on pilotissa hyödyntänyt ja visualisoinut laajasti Nuuka data-alustaan kerättyjä tietoja.
Kahdesta alakoulusta löytyi lisäksi peruskorjauksen aikana toteutetut monipuoliset BIM-mallit, joita Playsign hyödynsi digikaksosten rakentamisessa. Yhdestä peruskoulusta oli saatavilla ainoastaan pohjapiirustukset, jonka perusteella toteutettiin kevyempi ja yksinkertaisempi 3D-malli koulurakennuksesta (kuva).
Kuva: yksinkertaisempi, pohjapiirroksesta pursotettu digikaksonen (ei kalusteita tai materiaaleja)
Kokeilussa tuotettiin Playsignin aikaisemmin CityIoT-hankkeessa kehitettyyn olosuhteiden visualisointijärjestelmään uusia ominaisuuksia, mistä täysin uutena kehitettiin energiadatan visualisointi ja energiatavoitteiden havainnollistaminen. Playsign kehitti lisäksi erityyppistä näkökulmaa malliin, jossa mallia pystyy sekä liikuttamaan, että zoomaamaan lähemmäs lintuperspektiivistä. Helsingin kaupunki ja Playsign sekä Collapick Company oy kehittivät myös yhteistyössä selittäviä tekstejä sekä rakennusten käyttövinkkejä energia- ja olosuhdetiedon yhteyteen. Playsignin toteuttamat ratkaisut ovat pelimoottoripohjaisia ja ne rakennettiin Unity-pelimoottorin pohjalle. Pelimoottori mahdollisti myös mallissa liikkumisen eli nk. ”kävelynäkymän” toteuttamisen (kuva alla).
Kuva: Kävelynäkymä ala-asteelta, mallissa monipuolisesti mm. kalusteita, jotka antavat energiatiedon visualisoinnille uusia mahdollisuuksia.
Jokaiselle kolmelle koululle esiteltiin oma järjestelmänsä elosyyskuussa 2020, ja järjestelmää alettiin käyttää osana koulun arkea. Järjestelmästä viestittiin suoraan opettajille kokousten sekä sähköpostiviestien avulla. Kolme vapaaehtoista oppilasryhmää opettajineen otettiin mukaan kokeiluun kokeilemaan eri koulujen digitaalisia kaksosia, antamaan palautetta kokeiluista, sekä tekemään vaikuttavuusarviointia kokeilun onnistumisesta.
Tulokset
Kokeilun aikana onnistuttiin toteuttamaan energia- ja olosuhdetiedon kolmelle koululle toimivat digitaaliset kaksoset, joita oppilaat ja opettajat pystyivät koulujen laitteilla käyttämään. Digikaksosia kehitettiin myös paljon eteenpäin käyttäjiltä saadun palautteen avulla. Kokeilusta opittiin paljon mm. siitä, millä tavalla tällaisia ratkaisuja voidaan skaalata tulevaisuudessa koko Helsingin rakennuskantaan. Paljon kuitenkin riippuu siitä, millaisia malleja rakennuksista on saatavilla, ja millaisia malleja hankkeet tuotavat. Tulevaisuutta ajatellen on hyvä, että rakennushankkeiden BIM-mallit soveltuisivat helposti myös digikaksosten laatimiseen ja myös tiedon visualisointiin. On visualisoinnin toteutuksen kannalta tärkeää, että BIM-malleissa tulee olla nk. space-objektit tai roomit, eli huonetilat erillisinä laatikoina, jotta niitä voidaan esimerkiksi värittää. Tätä varten Helsingissä on myös pidetty hankkeessa mukana tietomallinnuksesta vastaavat henkilöt, jotka määrittelevät rakennushankkeiden tietomallien vaatimuksia.
Tiedon pitää lisäksi olla yhdenmukaista: Rakennusmallien tilakoodien pitää täsmätä rakennusautomaation tilakoodeihin, ja mahdollisten IoT-antureiden tilakoodeihin. Kaikki tämä vaatii yhä yhdenmukaistamista ja kehittämistä Helsingissä. Kokeilun aikana on myös noussut keskusteluun digikaksosten ja datan julkaisemisen mahdolliset vaikutukset koulujen turvallisuuteen. Tämä keskustelu jatkuu yhä, koska ratkaisut ovat vielä niin uusia, että kaupungilla ei ole tarkkaa näkemystä. Kokeilut ovat hyviä herättämään keskustelua ja oppimista ja otamme kuitenkin kokeiluissa turvallisuusnäkökulmat huomioon pitämällä prosessissa mukana turvallisuudesta vastaavia tahoja. Playsign toteutti järjestelmäänsä salasanasuojauksen ottaakseen turvallisuusnäkökulmat huomioon.
Kuva: Koululaiset kokeilevat digitaalista kaksosta
Kokeilu on tuottanut tuloksia siitä, millaisista ratkaisuista rakennusten käyttäjät ovat kiinnostuneita, ja mitä hyötyä ratkaisuista voisi olla myös rakennetun omaisuuden hallinnalle. Hallinnan näkökulmasta pohjakuvaan tai malliin perustuvan näkymän hyviä puolia on esimerkiksi se, että siitä saa nopeasti kokonaiskuvan rakennuksen olosuhteista yhdellä vilkaisulla. Tämä auttaa rakennusten hallinnoijia viallisten mittausten havaitsemisessa, ilmanvaihdon toimivuuden varmistamisessa, tarpeenmukaisen ilmanvaihdon toiminnan tekemisessä ymmärrettäväksi rakennusten käyttäjille ja monessa muussa asiassa. IoT-antureiden mittauksista on löytynyt useita virheitä visualisoinnin ansiosta. Kokeilun aikana visualisoinnin avulla saatiin nopeasti tieto siitä, jos datayhteyksissä oli jotain isompia ongelmia, joita osui kokeilun ajalle useampia.
Opittu on paljon myös siitä, millaisilla tavoilla energiaan liittyviä suureita tulisi mitata ja ryhmitellä ja kuinka hankalaa tavoitteiden asettaminen energian suhteen on. Tavoitteiden tulee lisäksi olla saavutettavia, jos niitä halutaan visualisoida käyttäjille. Koronapandemian takia koulujen ilmanvaihtoa on myös tehostettu, joka lisää energiankulutusta ja hankaloittaa tavoitteiden saavuttamista. Suurin oppi kokeilusta on se, että Helsingin kaupungin mittarointitavat, datayhteydet ja datan laatu eivät vielä ole sillä tasolla, että rakennusten käyttäjien vaikutusta energiankulutuksessa ja olosuhteissa voitaisiin reaaliaikaisesti luotettavasti havaita ja käyttää täten käyttäytymistä ohjaavana tekijänä. Esimerkiksi yhden koulun aurinkoenergian mittaus saatiin kuukausien tappelun jälkeen näkymään Playsignin järjestelmässä, mutta energiamittari toimi 10 kwh:n tarkkuudella, joten pimeimpinä syyskuukausina se näytti lopulta aina nollaa.
Palautteet ja vaikuttavuusarviointi
Kokeilun aikana mukana olleille luokille sekä koulujen opettajille toteutettiin myös palautekyselyt ja vaikuttavuusarvioinnit. Kokeilusta pidettiin opettajien keskuudessa: ”Energia on vaikea aihe – Mahtavaa, että voitiin tehdä seurantaa omasta rakennuksesta. Oli tosi kiva juttu kaiken kaikkiaan! Hienoa, että tuollaisia tehdään!” – kommentoi Johanna, Playsignin kokeilussa mukana ollut luokanopettaja. Opettajat suhtautuivat kokeiluun jakautuvasti, joskin kaikki pitivät kokeilua hyödyllisenä. 44% vastanneista opettajista myös haluaisi käyttää vastaavaa järjestelmää osana opetusta tulevaisuudessa. Käyttöliittymän ymmärrettävyydessä ja informatiivisuudessa opettajille on vielä selvästi kehitettävää palautteen perusteella. Kaikki opettajat ovat sitä mieltä, että Helsingin tulisi jatkossakin kerätä ja visualisoida tietoa rakennusten käyttäjille vastaavilla tavoilla.
Palaute oppilailta oli positiivista, oman arvionsa mukaan olivat oppineet uusia asioita ja järjestelmä teki aiheet kiinnostavimmiksi. Kuitenkaan kaikkia järjestelmän ominaisuuksia ei oltu ymmärretty tai havaittu: Mittareita eivät kaikki tajunneet klikkailla lisätiedon saamiseksi, eivätkä kaikki ymmärtäneet, mitä mittareilla esitettiin. Suosikkitoiminto sekä aikuisilla että lapsilla oli selvästi mallissa käveleminen, joka aiheutti positiivista hihkuntaa. Eniten palautetta oppilailta tuli mallin pyörimisnopeudesta koneilla, ja tämän takia Playsign optimoi malleja vielä lisää, että ne toimisivat sujuvammin myös koulujen koneilla. Paljon optimoitavaa löytyi mm. ovenkahvoista ja ikkunkarmeista, ja niitä yksinkertaistamalla saatiin malleja merkittävästi kevyemmiksi. Lisäksi toteutettiin ”huonekalut-päälle”-nappi, jolla huonekalut sai halutessaan näkymään, mutta malli latautui alussa aina ilman niitä.
Vaikuttavuusarvioinnilla pyrittiin todentamaan järjestelmän vaikuttavuutta, esimerkiksi ymmärrystä koulun energia-asioista ja käyttäjien omista vaikutusmahdollisuuksista. Opettajille tehdystä vaikuttavuusarvioinnista voitiin päätellä seuraavaa: Järjestelmää oli käytetty harvemmin kuin Collapick companyn toteuttamaa järjestelmää, puolet vastanneista ei ollut käyttänyt järjestelmää ollenkaan, mutta 10% oli myös käyttänyt viikoittain. Opettajilla järjestelmän käytöllä ei ollut vaikutusta siihen, kuinka hyvin he tiesivät energiaan liittyviä faktoja, kuinka tärkeäksi he kokivat energiankulutukseen vaikuttavista vioista ilmoittamisen ja kokemukseen omista vaikutusmahdollisuuksista energiankulutukseen. Järjestelmän käyttö kuitenkin vähensi 22% vastaajista huolta koulun hiilijalanjäljestä. Lisäksi kokeilu lisäsi merkittävästi opettajien kokemusta siitä, että koulun olosuhteisiin voi vaikuttaa omalla toiminnalla myös. Järjestelmän käyttö lisäksi vähensi 44% vastaajista huolta koulun sisäolosuhteista ja sisäilman laadusta.
Kuva: Opettajien vastauksia vaikuttavuusarvioinnin loppukyselyyn Playsignin kokeilusta
Oppilaiden vaikuttavuusarvioinnista voitiin päätellä seuraavaa: Oppilaat olivat oppineet joitain faktoja energiasta, joitain taas ei. Eri luokkien erilaiset opetusmenetelmät ovat vaikuttaneet tuloksiin, parhaaseen tulokseen päästiin kokeilemalla järjestelmää, tekemällä tehtäviä ja keskustelemalla tuloksia läpi ryhmänä. Oppilaat käyttivät järjestelmää useammin, useita kertoja kokeilun aikana. Oppilaat kokivat, että heidän ymmärryksensä aiheesta ja siihen liittyvistä termeistä oli merkittävästi parantunut. Kuitenkaan kaikissa faktoihin liittyvissä kysymyksissä ei tullut parempia tuloksia loppukyselyssä. Koulun hiilijalanjälkeen ja sisäolosuhteisiin liittyvät huolet polarisoituivat: Toisilla huoli kasvoi, toisilla puolestaan väheni, kun tietoa oli molemmista enemmän.
Kumppanit
Helsingin kaupungin rakennetun omaisuuden hallinta sekä Helsingin kaupungin Kasvatuksen ja koulutuksen toimiala, sekä Playsign Oy. Kokeilun mahdollistajina toimivat Nuuka Solutions Oy sekä Smartwatcher Oy.
Lisätietoja
Toni Alatalo, Playsign Oy
Timo Määttä, Helsingin kaupunki