Съвременни системи за екологичен мониторинг в градска среда

Екологичният мониторинг е съвременен инструмент за мениджмънт на околната среда. Системите за мониторинг представляват координирани структури от сензорни и комуникационни устройства за наблюдение, установяване и записване на данни или функции, свързани с природна или изкуствено създадена среда, с цел съставяне на история, изготвяне на анализи, прогнозиране на бъдещото развитие и подпомагане на управленски решения. Екологичният мониторинг се изпълнява на различни нива. Изпълнителната агенция по околна среда администрира националната мрежа по екологичен мониторинг. За определени обекти е регламентирано провеждане на собствен мониторинг чрез решения по ОВОС, комплексни разрешителни и екологични програми. Освен това, общинските органи могат да изграждат местни системи за наблюдение и контрол в градската среда. Най-напреднали от тях са системи, които са част от концепцията Smart City в някои европейски градове.

Екологичният мониторинг е система за наблюдение и контрол на околната за човека среда с цел изготвяне на програми за нейното опазване, за рационално ползване на ресурсите и информиране на населението при ситуации опасни за здравето на хората, за състоянието на средата и обектите. В системите за екологичен мониторинг се различават три нива. Първото е на наблюдение и измерване на параметрите (събиране и предаване на информацията), второто е за обработка на информацията, създаване на база данни, оценка и подготовка на решения, а третото е потребителско – за информиране за състоянието на средата и използване на информацията за решения, прогнози и проучвания.

Съвременни предизвикателства в мониторинга на градска среда
Около 75% от населението на Европейския съюз е избрало да живее в градски райони. Концепцията на Smart City, като следващ етап в урбанизацията, доведе до инвестиции за по-високо качество на живот, рационално управление на ресурсите и нови разработки в устойчивостта на околната среда. Интелигентните градове могат да се разглеждат като екосистеми, макар и с голям технически компонент. Този тип градски метаболизъм е отворена и динамична система, която консумира, трансформира и продуцира материали и енергия, развива се и се адаптира към промените, като взаимодейства с хората и други екосистеми.

Сред основните предизвикателства на живота в градска среда днес са замърсяването на въздуха, високите нива на шум и свързаните с тях натоварен транспорт, липса на места за паркиране и задръствания. Обществото става все по-чувствително към тях и изисква информираност и ефективни решения.

Замърсяването на въздуха уврежда човешкото здраве и околната среда. Според Световната здравна организация (СЗО) на качеството на околната среда се дължат около 20% от смъртните случаи в ЕС. Въпреки факта, че се правят усилия за намаляване на автомобилните и промишлените емисии през последните години, концентрациите на замърсители във въздуха продължават да са високи и проблеми с качеството на въздуха в повечето градове все още съществуват. Значителна част от населението на Европа, в това число и България, живее в райони (най-вече градове), където показателите за качество на въздуха превишават пределно допустимите концентрации (ПДК) за няколко замърсители на въздуха: озон, азотен диоксид и прахови частици.

Според анализи и доклади около 40 млн. души в 115-те най-големи градове в ЕС са изложени на въздух, в който най-малко един замърсител е с превишени стойности спрямо насоките на СЗО. Такова замърсяване представлява сериозна заплаха за здравето. Опасността е на местно, регионално, а също на международно ниво, тъй като замърсяването на въздуха може да е и резултат от трансгранично преместване на замърсители в атмосферата от други места, в резултат на лошото качество на въздуха там.

Според статистика на Европейската агенция по околна среда (ЕЕА) има тенденция към подобряване качеството на въздуха през последните години, въпреки че в някои райони все още е далеч от здравословните стойности. Поради тази причина мониторингът на параметрите на околната среда е особено важен, за да се разбере, къде са основните точки на замърсяване и да се предприемат действия те да достигнат подходящи стойности във всеки град.

Шумът в околната среда също оказва влияние върху голям брой европейци и обществото го възприема като един от основните проблеми на околната среда. Той може да засегне хората както във физиологично, така и в психологично отношение, нарушавайки основни дейности като сън, почивка, работа, обучение и комуникация.

Нова концепция в системите за екологичен мониторинг на градове
В отговор на общественото търсене и ръководена от три основни аспекта на управление се появи нова концепция за градски екологичен мониторинг, която има за цел да предложи по-добро качество на живот на гражданите, да минимизира въздействието върху околната среда, както и да намали разходите. Сценарият за паркиране е един от най-важните проблеми в един град, който включва всички три аспекта. Навсякъде по света замърсяването на атмосферата и претоварените пътища снижават качеството на живот, което води до загуба на време и на гориво. Европейската комисия е изчислила, че икономическите загуби в резултат на забавяне на трафика възлизат на 150млрд. € на година в Европа. Търсенето на свободни места за паркиране има значителен принос за утежняване на задръстванията и е основна причина за стрес при шофьорите. Според изчисления в Барселона един милион шофьори прекарват средно по 20 минути всеки ден, търсейки място за паркиране, като по този начин произвеждат 2400 тона емисии на CO2.

Проектът Smart Santander, разработен от няколко фирми и институции, включително и Telefonica I+D и Университета на Кантабрия, има за цел проектиране, разполагане и функциониране на система в испанския град Сантандер, съставена от сензори, изпълнителни механизми, камери и екрани, които предлагат полезна информация на гражданите. 1125 устройства Waspmotes са поставени за наблюдение на 5 различни параметри - шум, температура, слънчева радиация, CO и свободни места за паркиране.

Това е уникална за целия цвят система за мониторинг, която позволява в градски мащаб да протичат експериментални изследвания в подкрепа на типичните приложения и услуги за бъдещите интелигентни градове. Тази система е достатъчно голяма, отворена и гъвкава, за да се даде възможност за интегриране и на други експериментални съоръжения както в хоризонтална, така и във вертикална посока, като се стимулира развитието на нови приложения за различни потребители. Включени са и експериментални изследвания в областта на Internet of Things (IoT), основаващи се на реалистична оценка на тестове за приемливост от страна на потребителите. Това е не просто множество от устройства, датчици, жични и безжични мрежи, свързани с Интернет, а тясна интеграция между реален и виртуален свят с комуникация между хора и устройства. Проектът включва разполагането на 20,000 сензори в няколко европейски градове – Сантандер (Испания), Белград (Сърбия), Гилфорд (Англия) и Любек (Германия), с използване на широка гама от технологии.

Нови технологии
Основно постижение в тази система е решението на Libelium OTA (Over the Air), стандарт за приемане и предаване на информация в безжична комуникационна система, който е основа за Over the Air Programming (OTAP) за безжични сензорни мрежи и IoT. Това позволява всички сензорни възли да се програмират безжично и дистанционно, а системата да може да се обновява по всяко време и на всяко място. Такова решение позволява за пръв път ОТА да използва безжична нискоскоростна и с ниска консумация мрежа ZigBee (IEE 802.15.4), която работи на честотни канали 868 МHz, 915 МHz и 2.4 GHz. Тя има уникалната способност да се самоорганизира и самовъзстановява, защото устройствата се идентифицират едно с друго и самостоятелно формират мрежата. Ако някое от устройствата не работи, мрежата се възстановява сама и започва предаване по нов маршрут.

Използваните в проекта 1125 безжични сензорни възли са поставени на различни места в града, за да измерват петте показатели – температура, слънчево греене, шум, СО и свободни паркоместа. Те са свързани към Waspmotes чрез газова сензорна платка (СО сензор), паркинг сензорна платка (сензор за паркоместа), Smart City сензорна платка (сензор за шум) или директно към Waspmotes (сензорите за температура и слънчева радиация). Всеки датчик предава по два радиоканала на 2.4GHz (с изключение на сензорите за паркиране). DigiMesh е протокол, избран за изпращане на информация за околната среда. В същото време, IEEE 802.15.4 протоколът се използва за извършване на експерименти в рамките на мрежата. Всички възли в мрежата Smart Santander могат да се използват за тестване на нови алгоритми, без никакво прекъсване, а гражданите продължават да получават информация за заобикалящата ги среда.

Ако някой от тези пет параметъра надмине определен праг, системата анализира информацията и може да реагира с изпращане на аларма на централния възел (безжичния шлюз, в този случай – Meshlium). За да се знае къде се намират сензорите, всеки Waspmote се интегрира към Глобалната система за позициониране (GPS), която доставя информация за точното му местоположение и за времето. Достигнат е 40км обхват на радиовръзката (Line of Sight, LOS) с използване на 868MHz модули. Високата ефективност на Waspmote прави показанията точни, а предаването е изключително надеждно и гъвкаво, при поставяне на възлите на средно разстояние един от друг 1.5км.

Освен това, данните се предават чрез GPRS/3G, като вторичен радио модул за по-добра достъпност и в ситуации, когато е много важно да се гарантира, че съобщението е получено, както при пожароизвестяване. Тъй като GPRS/3G модулът е четири-бандов, той може да работи в четири различни честотни ленти с връзка с всеки мобилен оператор, което го прави приложим в цял свят. По този начин описаният проект е подходящ за всяка страна.

Една от основните характеристики на Waspmote е ниската консумация на енергия: 9mA в режим на работа, 62µА в режим на заспиване и 0,7µА в режим на хибернация. Waspmote спи през повечето време, за да се спести енергия. След няколко минути (програмируеми от потребителя) Waspmote се събужда, чете от сензорите, изпълнява безжичната комуникация и преминава отново в режим на заспиване. При създаване на безжичната сензорна мрежа градът е разделен на 22 зони. Всяка зона има безжичен гейтуей за събиране на данните от сензорите, които я покриват. Броят на сензорите зависи от покриваната площ. Зоните се включват една по една като независими мрежи, които работят на различни честотни канали без да си влияят.

Всеки безжичен сензорен възел е поставен в кутия, която го защитава от външните условия. Сензорите са поставени върху стълбовете на уличните лампи или на сградните фасади, за да се сведе до минимум визуалното въздействие на града. Всяка кутия има електрическо оборудване за свързване с лампите без опасност за обществените инсталации. Свързването е в линия с токови прекъсвачи и предпазители, за да се избегнат токови проблеми. Трансформатор адаптира тока и напрежението за захранване на възлите. Част от сензорите измерват магнитното поле, за да открият къде има свободни места за паркиране. Магнитните сензори са свързани с Waspmote със сензорна платка за интелигентно паркиране. Тези сензори откриват промени в магнитното поле, генерирани от паркираните коли. За да е възможно това, сензорите се поставят под пътната повърхност във водоустойчив корпус. Отворът се затваря със специален материал и не се забелязва.

Всеки безжичен гейтуей Meshlium събира данните от всички сензори в рамките на своята зона, съхранява данните в база данни MySQL и изпраща информацията до интернет чрез 3G или Ethernet връзка. Шлюзовете са поставени на върха на сгради за максимизиране на площта на обхваната. Благодарение на тази система параметрите на околната среда могат да се наблюдават за по-нататъшни анализи, а гражданите могат да ги следят на карта в реално време. Освен това, системата е мащабно мрежа за експериментиране за тестване на различни алгоритми в реална среда в целия свят.

Съвременни тенденции в системите за екомониторинг
В момента контролът на качеството на околната среда в по-голямата част от Европа, включително и в България, се реализира чрез непрекъснати и прекъснати измервания, които се извършват с автоматизирани, полуавтоматизирани или ръчни устройства, с оборудване за вземане на проби, газ-анализатори, химически анализатори за други среди и т.н. Те използват сложни аналитични стандартизирани методи. Такова оборудване е скъпо и следователно с него не може да се изгради гъста мрежа за мониторинг.

В същото време средата в урбанизираните територии е много динамична. Замърсителите са най-разнообразни заради различните дейности, емитират се от източници с различна гъстота, има и вариации във времето – денонощни и сезонни, а влияние оказват и кумулативния ефект, релефа и климата. За да има по-детайлна картина за замърсяването на околната среда в градовете, те се нуждаят от по-гъста мрежа за мониторинг, реализирана с устройства на по-достъпни цени. Освен това системата трябва да е интегрирана с другите системи на интелигентния град, за да е полезна както във вземане на важни управленски решения за намаляване на замърсяването, така и в ежедневието на жителите, които да комуникират с нея в реално време.

За да е възможно това, са необходими нови рентабилни микро-сензорни технологии, базирани на газ-чувствителни наноматериали, които да се използват за наблюдение на атмосферния въздух и на трафика на пътната мрежа в интелигентни градове. Те предлагат възможности за картографиране в реално време на замърсяването на въздуха чрез свързване на няколко сензора с безжични мрежи и GSM. Това е от решаващо значение за получаване на точни дисперсионни модели на въздушните замърсители и оценка на експозицията на населението.

Затова в рамките на ЕС започна изграждане на мрежа, свързваща институции от 28 европейски страни, и финансирана в рамките на програмата за Европейско сътрудничество за научни и технически изследвания (COST), която има за цел да разработи достъпни и с ниска консумация на енергия сензори за оценка на замърсителите в средата. Това съсредоточва усилията за мониторинг върху една нова парадигма за създаване на интердисциплинарна и високо координирана мрежа за дефиниране на иновативни подходи в наносензорните технологии, безжичните сензорни системи, изчислителните методи, методите на моделиране, визуализация и комуникация.

През последните години анализът на дейността на мрежата показа, че новите сензорни технологии, моделирането на качеството на околната среда, прогнозирането на замърсяването и свързаните с тях методи на стандартизация вече се осъществяват на международно ниво, но все още има нужда от сериозни усилия за координация и стимулиране на новите парадигми. Само мултидисциплинарното сътрудничество ще осигури по-чист въздух в Европа за намаляване на негативните ефекти върху здравето на човека за бъдещите поколения в интелигентните градове.