Inteligentní identifikační systém zdrojů znečištění ovzduší

Nečistoty v ovzduší patří k základním ekologickým problémům, které viditelně ovlivňují zdraví a životy lidí. Množství škodlivin, které se v ovzduší nalézá, je způsobeno především činností člověka, přičemž k největším změnám došlo v průběhu dvacátého století.

Znečištění ovzduší dosáhlo svého nejhoršího stavu v období průmyslové revoluce. Bylo to v důsledku zvýšené těžby uhlí a jeho následného spalování, které způsobovalo intenzivnější výskyt oxidu siřičitého, sazí a popela ve vzduchu. Největší katastrofou byl takzvaný londýnský smog v roce 1952, kdy znečištění dosáhlo takového stupně, že na následky chorob dýchacích cest zemřelo 2000 lidí. S postupným omezením užívání uhlí jako paliva a po přijetí různých emisních limitů se stav ovzduší zlepšuje.

Látky, jejichž zvýšená přítomnost v ovzduší může ovlivňovat životní prostředí a životy lidí, jsou především chlorovodíky, oxidy síry a dusíku, fluór, chlór a další, například neviditelné a o to nebezpečnější radioaktivní částice. Hrozbu představují i freony, které poškozují ozónovou vrstvu. Problematikou znečištění ovzduší se proto pochopitelně zabývají odborníci na celém světě, i u nás.

Počátky

První příležitostí pro výzkum a využití senzorového měření v oblasti kvality ovzduší představoval pro společné vědecké týmy z výzkumných center IET, CENET a IT4I projekt IIS – inteligentní identifikační systém zdrojů znečišťování ovzduší. Prostřednictvím měřicí techniky došlo k plošnému nasazení většího počtu senzorů a k účelovému měření vlivu vybraných zdrojů. Rozsah látek, typy senzorů, vzorkování, přenosy, validace a interpretace tohoto systému tak poskytla vědeckým týmům přístup k jedné z největších databází výsledků měření senzory.

Na přístrojové vybavení a využití databázového portálu Floreon pro monitoring kvality ovzduší navázala dlouhodobá spolupráce s Moravskoslezským krajem, díky níž je systém IIS využíván nejen v dalších projektech, ale především pro měření v celé řadě lokalit a obcí Moravskoslezského kraje, jako je Havířov, Metylovice, Opava, Orlová, Karviná, Český Těšín, Třinec, Rychvald nebo Frýdek-Místek.

Další, navazující projekt CLAIRO přinesl vědcům svým dlouhodobým charakterem zásadní informace o stabilitě senzorů v čase a vlivu počasí a upřesnil technické podmínky měření. V jiných aktuálních projektech řešených prostřednictvím Norských fondů a zaměřených na přípravu akčních plánů pro ochranu ovzduší monitorují vědecké týmy CEET oblasti na česko-polské hranici a kolem dálnice D8 v Čechách.

Generace senzorů z roku 2018 byla právě díky podpoře z OPŽP nahrazena generací novou, jejíž senzory jsou menší, spolehlivější a lépe připojitelné. Jejich velkou výhodou je možnost propojení senzorových měření s akreditovanou zkušební laboratoří a unikátní infrastrukturou CEET. Měření senzory je tak součástí komplexnějšího systému monitoringu, který dbá i na jakost měření.

Nové trendy v monitoringu stavu ovzduší

Projekt IIS, realizovaný v roce 2020, reagoval na nové trendy v měření ovzduší. Využívání inovativní senzorové techniky začalo být atraktivní, ale přinášelo také mnoho otázek. „Prostřednictvím tohoto projektu jsme se snažili především pochopit, jak taková technika pracuje, jakým způsobem je při práci s ní nutné provádět nastavení a kontrolu, a dozvědět se, jak probíhá přenos dat a jaké jsou limity online měření,“ vysvětluje profesor Jiří Bílek z Institutu environmentálních technologií na Vysoké škole báňské Technické univerzity v Ostravě, na jejíž půdě se projekt uskutečnil. Podle jeho slov šlo o první projekt tohoto druhu, který nabízel alternativu drahému měření pomocí referenčních přístrojů. „Zároveň bylo jasné, že tyto nové technologie mají obrovský potenciál do budoucnosti,“ říká.

Unikátní pracoviště CEET

Prvotní myšlenka projektu se zrodila před několika lety v centru ENET, Centru energetických a environmentálních technologií Technické univerzity v Ostravě, které se zabývá výzkumem a vývojem v oblasti transformace vstupních surovin, zejména z odpadů a alternativních paliv, na využitelné formy energie a jejich následné efektivní využívání. Zaměřují se zde na výzkum a vývoj obnovitelných energetických zdrojů bez škodlivých vlivů na životní prostředí, zahrnující nové technologie dopravy a zpracování energetických surovin, jejich efektivní energetickou transformaci a moderní řešení takzvaných mikrogridů elektrické i tepelné energie s využitím akumulace.

Centrum disponuje unikátním laboratorním zázemím v čele s fundovanými odborníky pracujícími na vývoji bezpečné a spolehlivé energetické platformy zajišťující energetickou soběstačnost a surovinovou nezávislost regionu či státu s efektivním využitím odpadového hospodářství, maximálního podílu lokálních obnovitelných zdrojů a podporou akumulačních prostředků s řízením toku energie s využitím sofistikovaných metod umělé inteligence v maximálním souladu s energetickou koncepcí státu i Evropské unie.

„A právě odtud začala s podporou Stanislava Mišáka a Lucie Obalové komunikace s výrobci technologií,“ připomíná Jiří Bílek. „Na zdejších pracovištích IET a ENET vznikl tým, který měl za cíl vytvořit nový originální systém měření a zobrazování dat. Je nutné zdůraznit, že na trhu v té době neexistoval „věrohodný“ přístroj, a jednalo se tedy skutečně o vývoj,“ zdůrazňuje.

Odborný tým tvořili pracovníci ENETu a IT4Innovations, národního superpočítačového centra, kteří se podíleli na vývoji softwaru a propojení s existující platformou Floreon, jež se věnuje vytváření integrační a provozní platformy pro monitorování, modelování, predikci a podporu řešení krizových situací, a to především se zaměřením na oblast Moravskoslezského kraje. Systém vyvíjený v rámci projektu výzkumu a vývoje, umožňuje díky své modularitě a otevřenosti snadnou integraci různých tematických oblastí, regionů i dat. Jeho využití je především na úrovni podpory procesů krizového řízení, a to jak v rámci operativy, tak z pohledu simulací. Hlavním a nosným tématem je hydrologie, ale mimo tuto oblast se projekt zaměřuje i na další oblasti, které úzce souvisejí s problematikou krizového řízení a jeho podpory. Aktuálně se výzkumné týmy kromě jiného zaměřují právě na modelování znečištění životního prostředí. „Na IET pak pracovali terénní pracovníci a analytici, kteří techniku testovali, kalibrovali a průběžně kontrolovali,“ přibližuje Jiří Bílek technické aspekty projektu.

Průmyslovým partnerem projektu byla společnost ENVITECH Bohemia, které monitorovací systémy pro měření stavu ovzduší vyrábí a prodává. „Jejím úkolem bylo postavit to, co jsme na VŠB-TUO definovali,“ konstatuje Jiří Bílek.

Společnost už od svého vzniku v roce 1992 nabízí komplexní služby v oblasti monitoringu životního prostředí, zejména ovzduší. Základem práce společnosti je měření koncentrací znečišťujících látek ve formě polutantů v ovzduší, emisí u zdroje znečištění a ve vnitřním prostředí. K tomu zajišťují dodávku uceleného sortimentu prostředků pro monitorování kvality ovzduší, včetně systémů řízení, které doplňují jejich monitoring jako službu.

Cílem vzájemné spolupráce společnosti ENVItech se společnostmi CEET a IT4Innovations byla právě realizace inteligentního systému identifikace zdrojů znečištění ovzduší (IIS) na principu online modelu krátkodobých hodnot koncentrací vybraných zdravotně významných látek. V rámci této spolupráce byl pořízen komplexní systém pro sledování imisní zátěže a software pro hodnocení a interpretaci znečištění ovzduší s důrazem na efektivní využití pro strategické rozhodování ve státní správě a samosprávě a při řízení průmyslových zdrojů.

Základ IIS původně tvoří senzorové jednotky, které jsou napojeny na dvě monitorovací stanice s analyzátory založenými na principu referenčních metod. Měření pomocí senzorů umožní získat časový a prostorový obraz ve sledované lokalitě a určit tak vazbu na konkrétní proces nebo technologii. Jako hlavní uživatelské rozhraní pro veřejnost byl použit stávající systém Floreon+, vyvinutý společností IT4Innovations. Systém Floreon+ integruje data, modely a simulace z několika tematických oblastí, jako je doprava, hydrologie, mobilita obyvatelstva a nově také znečištění ovzduší. Byla vytvořena nová grafická podoba systému spolu s novým specializovaným grafickým rozhraním pro odborné uživatele, které poskytuje přístup k datům, datovým statistikám, analýzám a vizualizaci šíření znečištění ovzduší.

Systém IIS slouží Moravskoslezskému kraji a Ministerstvu životního prostředí, které jej využily k ověření vhodnosti nových technologií pro měření znečišťujících látek, jež dosud nebylo možné měřit online, a získaly tak nástroj pro rychlé, rozsáhlé a levné měření.

„První generace senzorů je již hlubokou minulostí,“ vypráví Jiří Bílek. „Dnes existují senzory EnviDust a EnviSENS, které zohledňují vše, co se v původním projektu IIS zjistilo. Tato inovovaná technika je nasazena například v deseti projektech Norských fondů a jejím prostřednictvím se proměřuje vliv lokálních topenišť na kvalitu ovzduší. Celkem se tak využívá přes sto senzorických jednotek,“ říká.

Pracoviště ENET má ve své struktuře akreditovanou laboratoř, která v minulosti prováděla kontrolní monitoringy, například při sanacích. „Monitoring je vždy velmi nákladný a je pouze tak dobrý, jak dobře se měří. Původní referenční technika stojí v řádech statisíců za kus a tady se najednou objevila funkční technika v ceně dvacetkrát nižší. Bylo tedy logické začít s jejím testováním. Současný vývoj náš odhad potvrdil, senzory se rozvíjejí neuvěřitelným tempem, a to jak v rozsahu látek, tak v přesnosti měření,“ doplňuje Jiří Bílek.

Svými slovy hodnotí spolupráci špičkových institucí i Stanislav Mišák, ředitel vysokoškolského ústavu CEET: „Systém IIS, vytvořený díky efektivní spolupráci IT4Innovations, CEET a ENVItech, je součástí komplexní strategie takzvané dekarbonizace regionu Moravskoslezského kraje, to znamená nalezení nových metod a technologií pro novou energetiku bez závislosti na fosilních palivech s maximálním posílením energetické nezávislosti a surovinové soběstačnosti. Pro vyhodnocení efektivity dekarbonizace regionu a dopadu nízkouhlíkových technologií na životní prostředí a společnost je nezbytné posouzení stavu kvality ovzduší před a po jejich implementaci, proto bylo vytvoření inteligentního identifikačního systému zdrojů znečišťování ovzduší naprosto nezbytné a jeho užití pro detekci potenciálních rizik vzniku havárií s návazným mapováním znečišťujících látek je zcela klíčové.“

Systém zavedený v projektu IIS se podle slov Jiřího Bílka stále zdokonaluje, ale obecně vždy obsahuje test ekvivalence, to znamená souměření senzorů s etalonem pomocí gravimetrie a optického prachoměru. „Zkušenosti nám postupně definovaly, jak často je třeba provádět průběžné kontroly a kdy je senzor ,na odpisʻ. Stále také objevujeme nová kouzla senzorových sítí. Po šesti letech monitoringu máme databázi s desítkami milionů hodnot a v ní je velký potenciál dalšího rozvoje. Nabízí se interpretace, kalibrace, validace a další postupy se zapojením umělé inteligence. Mám spíš pocit, že jsme i dnes na začátku nového systému měření, a to nejen ovzduší,“ rozvádí Jiří Bílek další budoucí možnosti.

„Zásadní je, že jsme zachytili aktuální téma s velkým potenciálem. Dává nám to šanci odborně růst a být důležitou součástí digitálního pojetí tvorby dat. Jednoduše být u toho. Projekt byl správným krokem, vedoucím k odborné i publikační činnosti. Myslím, že se shodneme, že i naši studenti by si měli tyto postupy osvojit a dobře se připravit na nové způsoby práce. Navíc se obávám, že tradiční měření zůstane spíše robustním prvkem kontroly než rutinním systémem měření,“ hodnotí výstupy pionýrského projektu na ostravské univerzitě Jiří Bílek. „Za náš tým mohu říci, že jsem rád, že jsme se do toho pustili a že jsme dostali vizionářskou podporu, a doufám, že ten krok znamená i bohatou budoucí spolupráci.“

Projekt ukázal i některá úskalí. „Zkušenosti z projektu ukázaly řadu velmi zajímavých limitů, jako třeba neschopnost současné technologie měřit emise přímo na komíně, což byla lákavá aplikace. A co se ukazuje jako zásadní, je, že na tento specifický hardware budeme potřebovat nový typ softwaru, který bude hodně autonomní a hodně názorný pro vizualizaci dat, protože čísla samotná začínají postrádat smysl. Musíme se na data začít dívat srozumitelněji, jako na obrázky. Tady vidím důležitou část dalšího vývoje,“ uzavírá příběh projektu Jiří Bílek.