Chytrá města potřebují čistý vzduch – v ulicích i v budovách

City Air Management

K řešení otázky znečištění ovzduší ve městech je určena jedna z vůbec prvních reálných aplikací fungující na cloudové platformě pro internet věcí Siemens MindSphere. Jedná se o inteligentní software z produkce Siemens, založený na umělých neuronových sítích, který je určený k monitorování a přesnému předpovídání znečištění ovzduší ve velkých městech na několik dní dopředu. Jeho úkolem je poskytnout městům a jejich obyvatelům informace potřebné k minimalizaci anebo ideálně k úplné eliminaci extrémních stavů znečištění ovzduší dříve, než k nim skutečně dojde, a tím zlepšit kvalitu života ve městech. Systém City Air Management monitoruje a předpovídá úroveň znečištění ovzduší v následujících 3–5 dnech s přesností až 90 % a současně také simuluje efekt krátkodobých opatření, která město může učinit. Města si mohou vybrat ze seznamu 17 krátkodobých opatření a ihned zjistit, jaký dopad budou mít na kvalitu ovzduší v příštích dnech.

Pokud zvolí správně, mohou udržet kvalitu vzduchu ve dne i v noci v mezích stanovených hodinových limitů. Předpovědi znečištění ovzduší jsou založeny na sofistikovaném algoritmu, který pracuje s umělou neuronovou sítí. Prognóza kvality ovzduší se vytváří na základě historických dat znečištění ovzduší, aktuální předpovědi počasí a charakteristiky dopravní situace. Následná konkrétní opatření se pak stanovují pro sedm hlavních KPI (klíčových ukazatelů výkonnosti), včetně NO_x, PM10 a PM2,5.

Získání přístupu k předpovídaným ukazatelům KPI v každém okamžiku a schopnost simulovat dopad krátkodobých opatření pro konkrétní dny může zásadně ovlivnit každodenní boj se znečišťováním ovzduší. Když se k tomu navíc přidá přístup současně k dopadu střednědobých i dlouhodobých opatření ve městě, máme základ, který umožňuje lepší rozhodování v delším časovém horizontu.

Jak to funguje

Systém City Air Management od Siemens zpracovává data z měření emisí plynů, jako jsou oxid uhelnatý, oxid uhličitý a oxidy dusíku, a vývoj těchto emisí propojuje s dalšími dostupnými zdroji dat, například údaji o počasí ve stejném období, tedy vlhkosti vzduchu, slunečním záření, oblačnosti a teplotě. Do modelu se zahrnují rovněž opakované události, jako jsou pracovní dny a víkendy, svátky, veletrhy a sportovní akce, protože výrazně různými způsoby ovlivňují dopravu a tedy i emise. Analytická a prediktivní technologie pro City Air Management využívá platformu pro vývoj neuronových sítí, která se úspěšně využívá již 25 let. Během této doby byl tento systém natolik vylepšen, že je nyní schopen vytvářet a trénovat různé typy rekurentních neuronových sítí, neuronové sítě pro posilování učení i hluboké neuronové sítě. V systému předpovídání znečištění ovzduší se využívají rekurentní neuronové sítě, které jsou pro tento úkol nejvhodnější, poněvadž umožňují, aby se v interním dynamickém modelu prostředí latentně promítla i řada skrytých, tedy nedostupných a tudíž i nepozorovaných informací o znečišťování ovzduší způsobených dopravou, průmyslem, zemědělstvím apod. Tento dynamický model se buduje v průběhu trénování sítě. Neuronová síť se musí naučit předpovídat stupeň znečištění ovzduší pro prototypové prostředí na základě všech dat, která má k dispozici, včetně sezónních a okamžitých předpovědí počasí. Během specifického městského tréninku, který zahrnoval stovky iterací, program trvale snižoval rozdíl mezi vlastními prognózami a skutečnými úrovněmi znečišťujících látek naměřených v městské atmosféře. Tohoto výsledku se dosáhlo změnou vah jednotlivých parametrů.

Přesnost

Již realizované projekty pro sledování kvality ovzduší ukazují, že pro každou hodinu následujícího dne je míra chybovosti nižší než 20 %. Pět dnů předem byla míra chybovosti predikce menší než 28 %. Tento dobrý výsledek se ale dá ještě zlepšit, protože v průběhu času budou k dispozici další údaje a dojde k lepšímu pochopení jejich vzájemných korelací. Na základě prediktivního systému lze poskytovat i tzv. citlivosti pro každý vstupní faktor modelu. Citlivost je měřítkem závislosti předpovědi znečištění ovzduší na příslušném vstupním faktoru. Pokud je například citlivost vstupního faktoru rychlosti větru velká pro NO₂ a má na něj negativní vliv, zvýšení rychlosti větru povede ke snížení koncentrace NO₂. Tyto informace lze samozřejmě také kvantifikovat, a to tak, že se určí přesná korelace mezi rychlostí větru a NO₂.

Modelování scénářů pomocí systému City Air Management

Samotná prognóza nemůže snížit znečištění ovzduší. Proto Siemens spojil systém City Air Management se svým nástrojem City Performance Tool (CyPT). Špičkový simulační nástroj CyPT se již používá ve více než 40 městech po celém světě v mnoha různých rozhodovacích scénářích. CyPT měří dopad strategických plánů měst a srovnává tradiční metody s nejmodernějšími technologiemi. Města si mohou vybrat ze seznamu 17 krátkodobých opatření a simulovat jejich dopad v příštích 3–5 dnech, což jim pomůže dodržet denní nebo hodinové stanovené limity znečištění ovzduší. Pokud například systém prognózy kvality vzduchu předpovídá nadprůměrné úrovně znečištění v některých částech města v příštích několika dnech v důsledku nárůstu hustoty dopravy, město může zavést krátkodobá opatření, jako je bezplatná veřejná doprava, uzavření parkovacích míst nebo ulic apod.

Kromě krátkodobých opatření je k dispozici také 40 střednědobých až dlouhodobých opatření, ke kterým patří zvýšení poplatků za produkci exhalací, uzavření parkovišť ve městě nebo zatraktivnění místních veřejných tranzitních systémů.

Pevné částice ohrožují zdraví i v budovách

Znečištění vzduchu polétavými částicemi patří k nejvíce nebezpečným jevům, které ohrožují zdraví lidí především ve velkých městech. Pevných částic, které způsobují řadu závažných onemocnění, se ale nemusíte nadýchat jen venku na prašné ulici. Nebezpečí číhá i za zdmi budov.  Čelit mu by měl pomoci detektor o velikosti cigaretové krabičky, který vyvinuli odborníci z divize Siemens Building Technologies. Vylétají z výfuků aut, komínů obytných budov a elektráren a spolu s kouřem z otevřených ohnišť – polétavé pevné částice, jedna z nejnebezpečnějších látek znečišťujících vzduch vůbec. Autority zabývající se ochranou životního prostředí sledují pevné částice ve vzduchu již dlouhá léta, poněvadž mohou u lidí způsobovat řadu závažných plicních onemocnění.

Velmi jemné částice o průměru do 2,5 mikrometru, označované jako PM2,5, jsou obzvláště nebezpečné, poněvadž při nádechu nebo kouření se nasávají hluboko do plic. Evropská agentura pro životní prostředí předpokládá, že v Evropě zemře každoročně více než 400 000 lidí v důsledku onemocnění plic způsobených právě PM2,5. Situace je ještě horší v rozvíjejících se ekonomikách, jako je Čína nebo Indie. Zatímco současné normy pro koncentraci pevných částic ve vzduchu v EU stanovují limit 25 mikrogramů na metr krychlový vzduchu, průměrná hodnota v mnoha městech tzv. třetího světa překračuje tento limit více než čtyřnásobně. Není tedy divu, že v Číně patří detektory pevných částic k nejprodávanějším „elektrickým spotřebičům“. Tento typ čidel ale dosud nebyl k dispozici pro automatizační systémy komerčních budov.

Krabička, která chrání zdraví

Nový detektor je tvořený čidlem a malým větrákem, který nasává vzduch. Celé zařízení je umístěno na zdi místnosti a průběžně kontroluje čistotu vzduchu pomocí laserové diody, která je schopná stanovit na základě rozptylu světla koncentrace pevných částic až 2,5 PM, tzn., že „vidí“ částice až 2,5 mikrometru malé. Odhaduje ale také koncentraci PM10, tedy částic o velikosti až 10 mikrometrů, které jsou přibližně stejně velké jako zrnka pylů, které vyvolávají alergie, ale pro zdraví lidí nejsou tak nebezpečné jako PM2,5. I přesto ale představují pro plíce zátěž, a proto je potřeba sledovat i je. Snímač okamžitě zobrazuje naměřené aktuální hodnoty pro obě třídy PM na displeji v různých barvách, které se mění podle stanovené koncentrace. Naměřené hodnoty pak lze prostřednictvím datového kabelu průběžně odesílat do centrálního automatizačního systému budovy. To ale není vše. Pracuje se rovněž na vývoji aplikace, která by umožňovala propojit tento detektor se snímačem oxidu uhličitého a lépe tak regulovat větrání budovy. Oxid uhličitý se uvolňuje v uzavřených prostorách z lidského dechu. Jakmile jeho koncentrace překročí určitou hranici, čidla automaticky aktivují ventilační systém, který začne do budovy vhánět čerstvý vzduch. V mnoha velkých městech je ale koncentrace pevných částic v okolním vzduchu tak vysoká, že větrání budovy není žádoucí. V tom případě může „zasáhnout“ právě detektor pevných částic, který automatickému spuštění přímé ventilace zabrání.

Snadná výměna

Velkou předností nového detektoru pevných částic je jeho snadný provoz. Poněvadž tyto snímače během provozu nasávají vzduch, v průběhu času dochází k znečištění laserové optiky, kterou jsou vybaveny. Standardně by se musel celý snímač odpojit od napájecích kabelů, vyjmout a nahradit novou jednotkou. Poněvadž ale de facto stačí vyměnit pouze malý laserový modul, celé zařízení je koncipováno tak, aby byla jeho výměna maximálně snadná. Prakticky se dá vyměnit tak rychle, jako třeba baterie v dálkovém ovladači televizoru. Snímač také nabízí úsporný režim, díky kterému se nemusí laserový modul měnit tak často. V úsporném režimu snímač provádí pouze omezený počet měření za hodinu a díky tomu se neznečišťuje tak rychle. Tím se také pochopitelně i zvyšuje životnost laserového modulu. Snímač je ale vybaven i funkcí rychlého spuštění. Jakmile se člověk ocitne ve vzdálenosti asi jednoho metru od čidla, detektor se „probudí“ a začne měřit. Aktuální hodnota koncentrace pevných částic se pak zobrazí na displeji během několika sekund. Tato mimořádně rychlá analýza vzduchu je pro tento detektor zcela unikátní.