Múdre mestá potrebujú čistý vzduch – v uliciach aj v budovách

City Air Management

Na riešenie otázky znečistenia ovzdušia v mestách je určená jedna z vôbec prvých reálnych aplikácií fungujúca na cloudovej platforme pre internet vecí Siemens MindSphere. Ide o inteligentný softvér z produkcie Siemens, založený na umelých neurónových sieťach, ktorý je určený na monitorovanie a presné predpovedanie znečistenia ovzdušia vo veľkých mestách na niekoľko dní dopredu. Jeho úlohou je poskytnúť mestám a ich obyvateľom informácie potrebné na minimalizáciu alebo ideálne na úplnú elimináciu extrémnych stavov znečistenia ovzdušia skôr, ako k nim skutočne dôjde, a tým zlepšiť kvalitu života v mestách. Systém City Air Management monitoruje a predpovedá úroveň znečistenia ovzdušia v nasledujúcich 3–5 dňoch s presnosťou až 90 % a súčasne tiež simuluje efekt krátkodobých opatrení, ktoré mesto môže urobiť. Mestá si môžu vybrať zo zoznamu 17 krátkodobých opatrení a ihneď zistiť, aký vplyv budú mať na kvalitu ovzdušia v najbližších dňoch.

Ak zvolia správne, môžu udržať kvalitu vzduchu cez deň aj v noci v medziach stanovených hodinových limitov. Predpovede znečistenia ovzdušia sú založené na sofistikovanom algoritme, ktorý pracuje s umelou neurónovou sieťou. Prognóza kvality ovzdušia sa vytvára na základe historických dát znečistenia ovzdušia, aktuálnej predpovede počasia a charakteristiky dopravnej situácie. Následné konkrétne opatrenia sa potom stanovujú pre sedem hlavných KPI (kľúčových ukazovateľov výkonnosti), vrátane NOx, PM10 a PM2,5.

„Systém City Air Management monitoruje a predpovedá úroveň znečistenia ovzdušia v nasledujúcich 3–5 dňoch s presnosťou až 90 % a súčasne tiež simuluje efekt krátkodobých opatrení, ktoré mesto môže urobiť.“

Získanie prístupu k predpovedaným ukazovateľom KPI v každom okamihu a schopnosť simulovať vplyv krátkodobých opatrení na konkrétne dni môže zásadne ovplyvniť každodenný boj so znečisťovaním ovzdušia. Keď sa k tomu navyše pridá prístup súčasne k dopadu strednodobých aj dlhodobých opatrení v meste, máme základ, ktorý umožňuje lepšie rozhodovanie v dlhšom časovom horizonte.

Ako to funguje

Systém City Air Management od Siemens spracováva dáta z meraní emisií plynov, ako sú oxid uhoľnatý, oxid uhličitý a oxidy dusíka, a vývoj týchto emisií prepája s ďalšími dostupnými zdrojmi dát, napríklad údajmi o počasí v rovnakom období, teda vlhkosti vzduchu, slnečnom žiarení, oblačnosti a teplote. Do modelu sa zahŕňajú aj opakované udalosti, ako sú pracovné dni a víkendy, sviatky, veľtrhy a športové podujatia, pretože výrazne rôznymi spôsobmi ovplyvňujú dopravu a teda aj emisie. Analytická a prediktívna technológia pre City Air Management využíva platformu pre vývoj neurónových sietí, ktorá sa úspešne využíva už 25 rokov. Počas tejto doby bol tento systém natoľko vylepšený, že je teraz schopný vytvárať a trénovať rôzne typy rekurentných neurónových sietí, neurónové siete na posilňovanie učenia i hlboké neurónové siete. V systéme predpovedania znečistenia ovzdušia sa využívajú rekurentné neurónové siete, ktoré sú pre túto úlohu najvhodnejšie, pretože umožňujú, aby sa v internom dynamickom modeli prostredia latentne premietol aj rad skrytých, teda nedostupných a teda aj nepozorovaných informácií o znečisťovaní ovzdušia spôsobených dopravou, priemyslom, poľnohospodárstvo apod. Tento dynamický model sa buduje v priebehu trénovania siete. Neurónová sieť sa musí naučiť predpovedať stupeň znečistenia ovzdušia pre prototypové prostredie na základe všetkých dát, ktoré má k dispozícii, vrátane sezónnych a okamžitých predpovedí počasia. Počas špecifického mestského tréningu, ktorý zahŕňal stovky iterácií, program trvalo znižoval rozdiel medzi vlastnými prognózami a skutočnými úrovňami znečisťujúcich látok nameraných v mestskej atmosfére. Tento výsledok sa dosiahol zmenou váh jednotlivých parametrov.

Presnosť

Už realizované projekty na sledovanie kvality ovzdušia ukazujú, že pre každú hodinu nasledujúceho dňa je miera chybovosti nižšia ako 20 %. Päť dní vopred bola miera chybovosti predikcie menšia ako 28 %. Tento dobrý výsledok sa ale dá ešte zlepšiť, pretože v priebehu času budú k dispozícii ďalšie údaje a dôjde k lepšiemu pochopeniu ich vzájomných korelácií. Na základe prediktívneho systému je možné poskytovať aj tzv. citlivosti pre každý vstupný faktor modelu. Citlivosť je meradlom závislosti predpovede znečistenia ovzdušia na príslušnom vstupnom faktore. Ak je napríklad citlivosť vstupného faktora rýchlosti vetra veľká pre NO2 a má naňho negatívny vplyv, zvýšenie rýchlosti vetra povedie k zníženiu koncentrácie NO2. Tieto informácie možno samozrejme tiež kvantifikovať, a to tak, že sa určí presná korelácia medzi rýchlosťou vetra a NO2.

Modelovanie scenárov pomocou systému City Air Management

Samotná prognóza nemôže znížiť znečistenie ovzdušia. Preto Siemens spojil systém City Air Management so svojim nástrojom City Performance Tool (CyPT). Špičkový simulačný nástroj CyPT sa už používa vo viac ako 40 mestách po celom svete v mnohých rôznych rozhodovacích scenároch. CyPT meria vplyv strategických plánov miest a porovnáva tradičné metódy s najmodernejšími technológiami. Mestá si môžu vybrať zo zoznamu 17 krátkodobých opatrení a simulovať ich dopad v nasledujúcich 3 – 5 dňoch, čo im pomôže dodržať denné alebo hodinové stanovené limity znečistenia ovzdušia. Ak napríklad systém prognózy kvality vzduchu predpovedá nadpriemerné úrovne znečistenia v niektorých častiach mesta v najbližších niekoľkých dňoch v dôsledku nárastu hustoty dopravy, mesto môže zaviesť krátkodobé opatrenia, ako je bezplatná verejná doprava, uzavretie parkovacích miest alebo ulíc a pod.

Okrem krátkodobých opatrení je k dispozícii aj 40 strednodobých až dlhodobých opatrení, ku ktorým patrí zvýšenie poplatkov za produkciu exhalácií, uzavretie parkovísk v meste alebo zatraktívnenie miestnych verejných tranzitných systémov.

Pevné častice ohrozujú zdravie aj v budovách

Znečistenie vzduchu polietavými časticami patrí k najviac nebezpečným javom, ktoré ohrozujú zdravie ľudí predovšetkým vo veľkých mestách. Pevných častíc, ktoré spôsobujú množstvo závažných ochorení, sa ale nemusíte nadýchať len vonku na prašnej ulici. Nebezpečenstvo číha aj za múrmi budov. Čeliť mu by mal pomôcť detektor veľkosti cigaretovej krabičky, ktorý vyvinuli odborníci z divízie Siemens Building Technologies. Vylietajú z výfukov áut, komínov obytných budov a elektrární a spolu s dymom z otvorených ohnísk – polietavé pevné častice, jedna z najnebezpečnejších látok znečisťujúcich vzduch vôbec. Autority zaoberajúce sa ochranou životného prostredia sledujú pevné častice vo vzduchu už dlhé roky, pretože môžu u ľudí spôsobovať množstvo závažných pľúcnych ochorení.

Veľmi jemné častice s priemerom do 2,5 mikrometra, označované ako PM2,5, sú obzvlášť nebezpečné, pretože pri nádychu alebo fajčení sa nasávajú hlboko do pľúc. Európska agentúra pre životné prostredie predpokladá, že v Európe zomrie každoročne viac ako 400 000 ľudí v dôsledku ochorení pľúc spôsobených práve PM2,5. Situácia je ešte horšia v rozvíjajúcich sa ekonomikách, ako je Čína alebo India. Zatiaľ čo súčasné normy pre koncentráciu pevných častíc vo vzduchu v EÚ stanovujú limit 25 mikrogramov na meter kubický vzduchu, priemerná hodnota v mnohých mestách tzv. tretieho sveta prekračuje tento limit viac ako štvornásobne. Nie je teda divu, že v Číne patria detektory pevných častíc k najpredávanejším „elektrickým spotrebičom“. Tento typ čidiel ale doteraz nebol k dispozícii pre automatizačné systémy komerčných budov.

Škatuľka, ktorá chráni zdravie

Nový detektor je tvorený čidlom a malým vetrákom, ktorý nasáva vzduch. Celé zariadenie je umiestnené na stene miestnosti a priebežne kontroluje čistotu vzduchu pomocou laserovej diódy, ktorá je schopná stanoviť na základe rozptylu svetla koncentráciu pevných častíc až 2,5 PM, tzn., že „vidí“ častice až 2,5 mikrometra malé. Odhaduje ale aj koncentráciu PM10, teda častíc s veľkosťou až 10 mikrometrov, ktoré sú približne rovnako veľké ako zrnká peľov, ktoré vyvolávajú alergie, ale pre zdravie ľudí nie sú také nebezpečné ako PM2,5. Aj napriek tomu ale predstavujú pre pľúca záťaž, a preto je potrebné sledovať aj ich. Snímač okamžite zobrazuje namerané aktuálne hodnoty pre obe triedy PM na displeji v rôznych farbách, ktoré sa menia podľa stanovenej koncentrácie. Namerané hodnoty potom možno prostredníctvom dátového kábla priebežne odosielať do centrálneho automatizačného systému budovy. To ale nie je všetko. Pracuje sa aj na vývoji aplikácie, ktorá by umožňovala prepojiť tento detektor so snímačom oxidu uhličitého a lepšie tak regulovať vetranie budovy. Oxid uhličitý sa uvoľňuje v uzavretých priestoroch z ľudského dychu. Akonáhle jeho koncentrácia prekročí určitú hranicu, čidlá automaticky aktivujú ventilačný systém, ktorý začne do budovy vháňať čerstvý vzduch. V mnohých veľkých mestách je ale koncentrácia pevných častíc v okolitom vzduchu taká vysoká, že vetranie budovy nie je žiaduce. V tom prípade môže „zasiahnuť“ práve detektor pevných častíc, ktorý automatickému spusteniu priamej ventilácie zabráni.

Jednoduchá výmena

Veľkou prednosťou nového detektora pevných častíc je jeho ľahká prevádzka. Keďže tieto snímače počas prevádzky nasávajú vzduch, v priebehu času dochádza k znečisteniu laserovej optiky, ktorou sú vybavené. Štandardne by sa musel celý snímač odpojiť od napájacích káblov, vybrať a nahradiť novou jednotkou. Pretože ale de facto stačí vymeniť iba malý laserový modul, celé zariadenie je koncipované tak, aby bola jeho výmena maximálne jednoduchá. Prakticky sa dá vymeniť tak rýchlo, ako napríklad batérie v diaľkovom ovládači televízora. Snímač taktiež ponúka úsporný režim, vďaka ktorému sa nemusí laserový modul meniť tak často. V úspornom režime snímač vykonáva iba obmedzený počet meraní za hodinu a vďaka tomu sa neznečisťuje tak rýchlo. Tým sa tiež pochopiteľne zvyšuje životnosť laserového modulu. Snímač je ale vybavený aj funkciou rýchleho spustenia. Akonáhle sa človek ocitne vo vzdialenosti asi jedného metra od čidla, detektor sa „prebudí“ a začne merať. Aktuálna hodnota koncentrácie pevných častíc sa potom zobrazí na displeji v priebehu niekoľkých sekúnd. Táto mimoriadne rýchla analýza vzduchu je pre tento detektor unikátna.