Difference between revisions of "Simulace plastového znečištění oceánů"

From Simulace.info
Jump to: navigation, search
(→‎Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných v realistických podmínkách)
(→‎Nastavitelné parametry a ukazatele)
 
(6 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 89: Line 89:
 
emptying-speed: Rychlost vykládky plastu v přístavu [6000 - 20000 kg/h]
 
emptying-speed: Rychlost vykládky plastu v přístavu [6000 - 20000 kg/h]
 
*Výpočet: Odhadový výpočet, aby vykládání trvalo 3-10 minut na kontejner. [(1000 * 60) / emptying-speed]
 
*Výpočet: Odhadový výpočet, aby vykládání trvalo 3-10 minut na kontejner. [(1000 * 60) / emptying-speed]
−
 
−
Ukazatel: Kontejnerů odbaveno za hodinu
 
−
*Výpočet: [emptying-speed / 1000]
 
−
 
−
Ukazatel: Kolik minut trvá vyložit jeden kontejner
 
−
*Výpočet: [(1000 * 60) / emptying-speed]
 
  
  
Line 226: Line 220:
 
[[File:Links.gif]]
 
[[File:Links.gif]]
  
−
Ve chvíli, kdy má sběrná loď plnou kapacitu jde se vyložit do přístavu, a poté se vrací zpět ke sběru plastu, dokud není oceán vyčištěn. V takovém případě obdrží uživatel hlášku "Oceán vyčištěn".  
+
Ve chvíli, kdy má sběrná loď plnou kapacitu jde se vyložit do přístavu, a poté se vrací zpět ke sběru plastu, dokud není oceán vyčištěn (je dán práh vyčištění na x < 5, aby se alespoň nějakým způsobem zohlednily uniklé plasty - žádný systém není dokonalý). V takovém případě obdrží uživatel hlášku "Oceán vyčištěn".  
  
 
poznámka: Lze simulovat přísun plastu do oceánu každý den, nicméně je velmi náročné ne-li nemožné určit, kolik plastu do oblasti GPGP přibývá každý den - jedná se tak o experimentální hodnoty. Nicméně je vhodné zmínit že GPGP se časem zvyšuje a odhaduje se, že od roku 1945 se zvětšil 16x - nelze však určit, zda se jednalo o nepřesnou studii, a též nelze správně kalibrovat přísun plastu, jelikož studie na konkrétní velikost GPGP jsou od sebe časově velmi vzdálené. <ref name = seventeenth> <i>Scientific Reports - Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic </i> https://www.nature.com/articles/s41598-018-22939-w </ref><ref name = eighteenth> <i>Our World in Data - How much plastic waste ends up in the ocean? </i> https://ourworldindata.org/how-much-plastic-waste-ends-up-in-the-ocean </ref><ref name = nineteenth <i>IUCN - Plastic pollution </i> https://www.iucn.org/resources/issues-brief/plastic-pollution </ref><ref name = twentieth <i>The Ocean Cleanup - Understanding The Problem </i> https://theoceancleanup.com/research-old/ </ref>
 
poznámka: Lze simulovat přísun plastu do oceánu každý den, nicméně je velmi náročné ne-li nemožné určit, kolik plastu do oblasti GPGP přibývá každý den - jedná se tak o experimentální hodnoty. Nicméně je vhodné zmínit že GPGP se časem zvyšuje a odhaduje se, že od roku 1945 se zvětšil 16x - nelze však určit, zda se jednalo o nepřesnou studii, a též nelze správně kalibrovat přísun plastu, jelikož studie na konkrétní velikost GPGP jsou od sebe časově velmi vzdálené. <ref name = seventeenth> <i>Scientific Reports - Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic </i> https://www.nature.com/articles/s41598-018-22939-w </ref><ref name = eighteenth> <i>Our World in Data - How much plastic waste ends up in the ocean? </i> https://ourworldindata.org/how-much-plastic-waste-ends-up-in-the-ocean </ref><ref name = nineteenth <i>IUCN - Plastic pollution </i> https://www.iucn.org/resources/issues-brief/plastic-pollution </ref><ref name = twentieth <i>The Ocean Cleanup - Understanding The Problem </i> https://theoceancleanup.com/research-old/ </ref>
Line 240: Line 234:
 
'''Testovaný vzorek při měřítku 1 : 10 000 000'''
 
'''Testovaný vzorek při měřítku 1 : 10 000 000'''
 
*Počet plastů: 108 000 000 000 / 10 000 000 = 10 800 [ks]
 
*Počet plastů: 108 000 000 000 / 10 000 000 = 10 800 [ks]
−
*Celková hmotnost: 10 800 * 0.000714041  = ~ 7 [kg]
+
*Celková hmotnost: 10 800 * 0.000714041  = 7,7 [kg]
  
 
==Soubor scénářů 1: Veškeré proměnné na maximální hodnoty==
 
==Soubor scénářů 1: Veškeré proměnné na maximální hodnoty==
Line 253: Line 247:
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 +
  
 
[[File:All high - Victoria.JPG]]
 
[[File:All high - Victoria.JPG]]
Line 265: Line 260:
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 +
  
 
[[File:All high - San Francisco.JPG]]
 
[[File:All high - San Francisco.JPG]]
Line 277: Line 273:
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 
*Přísun plastu: 0 [ks/h]
 +
  
 
[[File:All High - Los Angeles.JPG]]
 
[[File:All High - Los Angeles.JPG]]
Line 348: Line 345:
  
 
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 5 sběr.JPG]]
 
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 5 sběr.JPG]]
 +
  
 
===Scénář 2 10 lodí / 5km/h sběrná rychlost===
 
===Scénář 2 10 lodí / 5km/h sběrná rychlost===
Line 353: Line 351:
 
*Počet lodí: 10
 
*Počet lodí: 10
 
*Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
 
*Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
 +
  
 
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 5 sběr.JPG]]
 
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 5 sběr.JPG]]
 +
  
 
'''Hlavní poznatky k scénáři 1 a 2:'''
 
'''Hlavní poznatky k scénáři 1 a 2:'''
Line 360: Line 360:
 
*Počet lodí nemá žádný vliv na poměry % ve vztahu k cestování vs sběr - což dává smysl.
 
*Počet lodí nemá žádný vliv na poměry % ve vztahu k cestování vs sběr - což dává smysl.
 
*Křivka sběrných km je mnohem blíže ke křivce cestovaných km v případě 5-ti lodí
 
*Křivka sběrných km je mnohem blíže ke křivce cestovaných km v případě 5-ti lodí
 +
  
  
Line 369: Line 370:
  
 
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 10 sběr.JPG]]
 
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 10 sběr.JPG]]
 +
  
 
===Scénář: 10 lodí / 10km/h sběrná rychlost===
 
===Scénář: 10 lodí / 10km/h sběrná rychlost===
Line 377: Line 379:
  
 
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 10 sběr.JPG]]
 
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 10 sběr.JPG]]
 +
  
 
'''Hlavní poznatky k scénáři 3 a 4:'''
 
'''Hlavní poznatky k scénáři 3 a 4:'''
Line 384: Line 387:
 
=Závěr=
 
=Závěr=
  
−
'''O problému'''
+
==O problému==
  
 
Plastové znečištění je významným problémem, který se s lidstvem táhne už dlouho. Je dozajista vhodné podporovat podobné projekty jako The Ocean Cleanup, které uklidí nepořádek po ostatních, nicméně autor projektu se domnívá, že pokud se problém nevyřeší u zdroje, tak se jedná pouze o "náplastové řešení". Můžeme pouze doufat, že se plán vyčistit 90% plovajícího plastu v oceánu do roku 2040 povede, a že se plastové znečištění více dostane do povědomí.<ref name = first> <i> The Ocean Cleanup </i> https://theoceancleanup.com/ </ref>
 
Plastové znečištění je významným problémem, který se s lidstvem táhne už dlouho. Je dozajista vhodné podporovat podobné projekty jako The Ocean Cleanup, které uklidí nepořádek po ostatních, nicméně autor projektu se domnívá, že pokud se problém nevyřeší u zdroje, tak se jedná pouze o "náplastové řešení". Můžeme pouze doufat, že se plán vyčistit 90% plovajícího plastu v oceánu do roku 2040 povede, a že se plastové znečištění více dostane do povědomí.<ref name = first> <i> The Ocean Cleanup </i> https://theoceancleanup.com/ </ref>
  
  
−
'''O simulaci'''
+
==O simulaci==
  
 
Autor narazil na nespočet problému při práci s NetLogem. Hlavní překážkou, kvůli které musel model procházet přibližně 10-ti verzemi (a to pouze pro účely distribuce plastu a jeho hmotnosti), jelikož se model stával výpočetně velmi složitým, což nebylo možné v hardwarových perferiích autora zvládnout. Z toho důvodu se model, byť funkční, spoléhá na pouhé odhady chování, a není možné do něj pronést skutečných 108 miliard želv, jak po jednom, tak po shlucích (shluky vyžadují arrays do kterých byly vnášeny hodnoty, což opět vedlo k technickým překázkám. Čím přesnější měřítko a přesné hodnoty, tím přesnější a realističtější chování simulace - pokud by se našel stroj dostatečně výkonný, dokázal by realitu spolehlivě odrazit. Simulace přesto spolehlivě ukazuje přibližné chování sběrných lodí, umožňuje škálovatelnost a mnohé scénáře, a je možné na tomto modelu stavět a rozšiřovat ho, případně zdokonalovat. Největší posun v modelu by bylo řešení, které by nemělo významnou výpočetní zátěž, ale stále by reflektovalo realitu spolehlivě - autor vyzkoušel přes 5 možných přístupů, a veškeré skončily se stejným problémem - nakonec se usnesl na přístupu, který dává smysl, a je teoreticky správný. Z hlediska počtu systémů - sběrných lodí, které projekt The Ocean Cleanup plánuje nasadit, se 10 jeví rozumných, což lze podložit i výsledky této simulace, kdy byl projekt čištění významě rychlejší ve scénářích, kdy bylo použito lodí 10. Scénáře s rychlostmi sběru 10km/h jsou sice optimistické, ale již nyní aktuální design sběrných lodí v realitě občas vynechává plasty, což by větší rychlostí mohlo tento nedostatek pouze zhoršit.<ref name = eighth> <i>The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide </i> https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/ </ref>
 
Autor narazil na nespočet problému při práci s NetLogem. Hlavní překážkou, kvůli které musel model procházet přibližně 10-ti verzemi (a to pouze pro účely distribuce plastu a jeho hmotnosti), jelikož se model stával výpočetně velmi složitým, což nebylo možné v hardwarových perferiích autora zvládnout. Z toho důvodu se model, byť funkční, spoléhá na pouhé odhady chování, a není možné do něj pronést skutečných 108 miliard želv, jak po jednom, tak po shlucích (shluky vyžadují arrays do kterých byly vnášeny hodnoty, což opět vedlo k technickým překázkám. Čím přesnější měřítko a přesné hodnoty, tím přesnější a realističtější chování simulace - pokud by se našel stroj dostatečně výkonný, dokázal by realitu spolehlivě odrazit. Simulace přesto spolehlivě ukazuje přibližné chování sběrných lodí, umožňuje škálovatelnost a mnohé scénáře, a je možné na tomto modelu stavět a rozšiřovat ho, případně zdokonalovat. Největší posun v modelu by bylo řešení, které by nemělo významnou výpočetní zátěž, ale stále by reflektovalo realitu spolehlivě - autor vyzkoušel přes 5 možných přístupů, a veškeré skončily se stejným problémem - nakonec se usnesl na přístupu, který dává smysl, a je teoreticky správný. Z hlediska počtu systémů - sběrných lodí, které projekt The Ocean Cleanup plánuje nasadit, se 10 jeví rozumných, což lze podložit i výsledky této simulace, kdy byl projekt čištění významě rychlejší ve scénářích, kdy bylo použito lodí 10. Scénáře s rychlostmi sběru 10km/h jsou sice optimistické, ale již nyní aktuální design sběrných lodí v realitě občas vynechává plasty, což by větší rychlostí mohlo tento nedostatek pouze zhoršit.<ref name = eighth> <i>The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide </i> https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/ </ref>

Latest revision as of 22:51, 17 June 2024

Název simulace: Simulace plastového znečištění oceánů

Autor: Štěpán Kovařík - kovs04

Modelovací nástroj: NetLogo

Stav projektu: PROJEKT DOKONČEN

Definice problému

Vynálezem plastu člověk zhotovil zcela nový problém, který tkví v samotné podstatě plastových výrobků - jejich vlastnosti, které jsou pro konzumní společnost tak lákavé, jsou zároveň velkým trnem v oku přírody, jelikož rozklad takového plastu trvá neprakticky dlouho. Jedním z dopadů neschopnosti lidstva bezpečně a spolehlivě zpracovávat plastové odpady na makroekonomickém měřítku je znečištění řek a oceánů. Tato práce se pokouší pomocí simulace takového znečištění přinést užitečný vhled do problematiky jak pro laika, který nemá o základních skutečnostech povědomí, tak pro zkušené experty, kteří mohou potenciálně výsledky simulace a spojitosti v ní vytvořené použít pro podporu rozhodovacího procesu v rámci definice klíčových faktorů nejen na samotné znečištění oceánů, ale i na jeho mitigaci. Jednou z organizací, která si dala za úkol tento problém řešit, je Ocean Cleanup [1], z jejichž přístupu a metod tato simulace vychází. Oblast zaměření simulace je orientována na největší shluk plastu v oceánu, kterým je Great Pacific Garbage Patch (GPGP) [2], který se nachází západně od Kalifornie, USA.

Cílem simulace je zkoumat mitigační schopnosti úklidových lodí v oblasti Great Pacific Garbage Patch a navrhnout hrubý plán projektu, který by symbolizoval optimální počet nasazených úklidových lodí pro efektivní odbyt plastu a hlavní faktory příspívající do navyšujícího se znečištění a efektivity samotného úklidu.

Poznámka: Autor před začátkem projektu - tedy při vypracování projektového záměru - nebyl schopen přesně odhadnout technické překážky či proveditelnost / reference na určité aspekty projektového záměru, čili ačkoliv je záměr projektu a jeho oblast totožná, jedná se o úpravy ve formě proměnných, což však vzhledem k velké šíře náhodných vlivů v realitě nemá příliš velký dopad na účel simulace, která je tak či tak pouze odhadem a pomůckou.

Metoda

Pro zanesení myšlenky do funkčního prostředí byl využit program NetLogo [3], který slouží pro modelování agentních simulací. Agenti jsou jednotlivé subjekty v daném systému a prostředí, kteří spolu určitým způsobem interagují - stejně jako v oceánu interagují úklidové lodě a kusy plastu. Z důvodu podobnosti těchto jevů byl na základě autorova úsudku o vhodnosti zvolen právě tento program.

Agenti simulace:

  • plastics = Jednotlivý kus plastu - v základu je staticky vygenerován, je však možné ho generovat jako přísun nového plastu.
  • boats = Sběrné lodě, které sbírají kusy plastu, a odváží ho do přístavu.
  • ports = Přístavy, ze kterých vyplouvají sběrné lodě, a kde vykládají svůj náklad.

Model

Mapa simulace

Mapa simulace.png

Simulace se odehrává v oceánských vodách pacifického oceánu mezi Havají a pobřežím Kalifornie, kde se shlukuje největší shluk oceánského plastového znečištění na světě. Měřítko mapy je 1 patch = 8km v realitě.

Výpočet měřítka:

  • 1. Nejdříve byla analyzována vzdálenost mezi dvěma body na mapě pomocí nástroje FreeMapTools [4]

Vzdalenost realita.png

  • 2. V dalším kroku byly stejné vzdálenosti analyzovány pomocí XY soustavy souřadnic přímo v NetLogu, kde byly totožné body zaznamenány ve formě X/Y souřadnic. Z nich pak byla pomoc nástroje CalculatorSoup [5] vypočítána vzdálenost, která se následně porovnala se vzdáleností v realitě. Výsledky porovnání byly pak zprůměrovány a zaokrouhleny. Pro větší kalibraci je vhodné zvolit vícero bodů, nicméně autorovi se číslo shodovalo i z předchozích iterací se starou verzí mapy, která měla velmi podobné měřítko. Veškeré vzdálenostní metriky které operují s kilometry je teda pro potřeby NetLoga, například rychlost sběrné lodě přímo v kódu, vydělit osmi.

Vzdalenost vypocet.png

Nastavitelné parametry a ukazatele

Sběrné lodě

boats-num: Nastavení počtu sběrných lodí, které se úklidu účastní. [1-10]

  • Výpočet: The Ocean Cleanup počítá s plánem až 10 sběrných lodí, což určí strop počtu. [6]


Kapacita lodě

boat-capacity: Nastavení kapacity sběrných lodí.

  • Výpočet: Každá loď má zásobník na 8 kontejnerů po 1000kg, ale viditelně je místa dostupného víc. [8 000 kg - 20 000 kg] [8 - 20 kontejnerů][7]

Ukazatel: Počet kontejnerů s kapacitou 1000 kg: Kolik kontejnerů je sběrná loď schopná pojmout

  • Výpočet: [boat-capacity / 1 000]


Rychlost lodě - cestování

boat-speed: Rychlost lodě při běžném cestování [20 - 60km/h]

  • Výpočet: Container ships dle webu Marine Insight[8] jedou rychlostí 16 - 24 uzlů.
    • 16 * 1,852 = 29,632 = ~ 30 km/h
    • 24 * 1,852 = 44,448 = ~ 45 km/h
    • Přidány spodní i horní rezervy pro účely simulace.

Ukazatel: Rychlost lodě při běžném cestování v uzlech

  • Výpočet: [boat-speed / 1.82] [9]


Rychlost lodě - sběr plastu

boat-speed-while-harvesting: Rychlost lodě při sběru plastu [5 - 10 km/h]

  • Výpočet:
    • Sběrná loď při sběru urazí tolik co člověk při chůzi. [10]
    • Člověk při chůzi urazí cca 5 km/h. [11]

Ukazatel: Rychlost lodě při sběru plastu v uzlech

  • Výpočet: [boat-speed-while-harvesting / 1.82]


Proměnné spojené s přístavem

selected-port: Přístav [Victoria / San Francisco / Los Angeles][12] Důvod vybrání přístavu: Victoria je aktivním přístavem v rámci operací projektu The Ocean Cleanup[13]

  • San Francisco a Los Angeles jsou velkoměstské přístavy vhodné pro velké lodě a jsou v blízkých lokacích.[12]

emptying-speed: Rychlost vykládky plastu v přístavu [6000 - 20000 kg/h]

  • Výpočet: Odhadový výpočet, aby vykládání trvalo 3-10 minut na kontejner. [(1000 * 60) / emptying-speed]


Vstupní hodnoty pro generování plastového shluku

number-of-plastics: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní počet plastu v shluku [Realita: 108 000 000 000 ks]

  • Výpočet:
    • Počet plastů v GPGP: 1 800 000 000 000
    • 94% z 1 800 000 000 000 = 0,94 * 1 800 000 000 000 = 1 692 000 000 000 [počet mikroplastů - ty pro předmět simulace nejsou důležité, jelikož sběrnou lodí nejdou zachytit]
    • 6% z 1 800 000 000 000 = 0,6 * 1 800 000 000 000 = 108 000 000 000 [počet makroplastů = v kontextu projektu nazývány pouze jako "plasty"] [14]

Ukazatel: Měřítko [1:X]: Měřítko vyjadřující kolikanásobně větší je situace v realitě. [Realita: 77 116 393 kg]

  • Výpočet:
    • Počet mikroplastů v oceánech: 24 400 000 000 000
    • Hmotnost mikroplastů v oceánech: 82 000 000 kg až 578 000 000 kg [15]
    • Průměrná hmotnost mikroplastů v oceánech: (82 000 000 / 578 000 000) / 2 = 330 000 000 kg
    • Hmotnost jednoho mikroplastu = 330 000 000 / 24 400 000 000 000 = 0,0000135 kg
    • Celková hmotnost mikroplastů v GPGP = 0,0000135 * 1 692 000 000 000 = 22 883 607 kg
    • Celková hmotnost makroplastů v GPGP = 100 000 000 - 22 883 607 = 77 116 393 kg
    • Průměrná hmotnost jednoho makroplastu = 108 000 000 000 / 77 116 393 = 0,000714041


Tlačítka pro měřítka reality

Tlačítko: Nastavit hodnoty na normu [vždy před nastavením měřítek]

  • Akce:
    • set number-of-plastics 0
    • set boat-capacity 8 000
    • set emptying-speed 6 000

Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 100 000 000 k realitě

  • Akce:
    • set number-of-plastics 1080


Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 10 000 000 k realitě

  • Akce:
    • set number-of-plastics 10 800


Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 1 000 000 k realitě

  • Akce:
    • set number-of-plastics 108 000


Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 1 k realitě [POZOR]

  • Akce:
    • set number-of-plastics 108 000 000 000


Přísun plastu do plastového shluku

plastic-income: Kolik plastu přibyde do shluku za hodinu. [0 - 1000]

  • Výpočet: Experimentální hodnota. Ačkoliv máme odhad, kolik plastů či celkové hmotnosti přichází do oceánů, není možné spolehlivě určit, kolik z takového počtu / hmotnosti přijde do oblasti GPGP.

Ukazatel: Počet plastů za den [ks]

  • Výpočet: [plastic-income * 24]

Ukazatel: Přísun plastu za den [kg]

  • Výpočet: [plastic-income * 24 * 0.000714]


Obecné údaje o stavu simulace

Ukazatel: Aktuální počet plastu v oceánu [ks]

  • Výpočet: [updated-plastics-count]

Ukazatel: Kolik je v oceánu plastu [tuny]

  • Výpočet: [updated-plastics-weight-sum / 1000]


Údaje o uražených kilometrech

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů [km]

  • Výpočet: [total-distance-traveled]

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů sběrem [km]

  • Výpočet: [total-distance-spent-harvesting]

Ukazatel: Podíl sběrné vzdálenosti k celku [%]

  • Výpočet: [(total-distance-spent-harvesting / total-distance-traveled) * 100]

Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů cestováním [km]

  • Výpočet: [total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting]

Ukazatel: Podíl cestovací vzdálenosti k celku [%]

  • Výpočet: [((total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting) / total-distance-traveled) * 100]


Údaje o uplynulém čase

Ukazatel: Uplynulý čas [měsíce]

  • Výpočet: [total-time-passed / 720]

Ukazatel: Uplynulý čas [dny]

  • Výpočet: [total-time-passed / 24]

Ukazatel: Uplynulý čas [hodiny]

  • Výpočet: [total-time-passed]

Ukazatel: Čas strávený sběrem [dny]

  • Výpočet: [total-time-spent-harvesting / boats-num]

Ukazatel: Čas strávený sběrem [%]

  • Výpočet: [(total-time-spent-harvesting / boats-num) / total-time-passed * 100]

Ukazatel: Čas strávený cestováním [Dny]

  • Výpočet: [total-time-spent-cruising / boats-num]

Ukazatel: Čas strávený cestováním [%]

  • Výpočet: [(total-time-spent-cruising / boats-num) / total-time-passed * 100]

Chování simulace

1. Úvodní konfigurace - generování plastu, přiřazení proměnných, zvolení aktivního přístavu Pro spuštění simulace je vhodné nastavit rozumné parametry umístěné nalevo od mapy. Po kliknutí na tlačítko "SPUSTIT SIMULACI" se vygeneruje shluk plastu s náhodným roztroušením, aby stav přibližoval realitu, v předem definovaném místě, které odpovídá přibližné lokalitě v realitě.[13]

pozn.: Je důležité si dávat pozor na hodnoty pohybující se v šesti-číselných rozměrech co se týče počtu plastu, jelikož se pak tvoří příliš mnoho entit. Z toho důvodu je simulace pouze v malých měřítkách oproti realitě. Byl vyzkoušen i plán 1 želva = x počtu plastu, ale i v tomto případě nebylo NetLogo schopné unést výraznou výpočetní složitost. Pro pomůcku je tedy vhodné používat měřítko.

2. Spuštění simulace Poté, co je krok 1 úspěšně proveden, což lze ověřit vygenerovaným shlukem plastu na mapě, je možné spustit simulaci pomocí tlačítka "SPUSTIT SIMULACI". V tuto chvíli se začne shluk plastu pomalu pohybovat, což reprezentuje oceánské proudy, které způsobují samotné shlukování. [16] Od zadaného přístavu vyplují směrem ke shluku sběrné lodě, které začnou tvořit pseudo-rojnici a začnou v bezprostřední blízkosti režim sběru, který zpomalí běžnou cestovací rychlost (tedy z 20-60 km/h na 1-10 km/h). Ve chvíli kdy sběrná loď dosbírá svojí linku a skončí na přibližném konci plastového shluku, udělá otáčecí manévr, a postupuje novou linku v rojnici. Tímto způsobem sběrné lodě minimalizují potřebné otáčky a sesbírají co nejvíce plastu, což v zásadě odpovídá realitě.

Pohyb sběrné lodi v realitě. [13]

GPGP cruising.JPG


Názorná ukázka pohybu sběrných lodí.

Links.gif

Ve chvíli, kdy má sběrná loď plnou kapacitu jde se vyložit do přístavu, a poté se vrací zpět ke sběru plastu, dokud není oceán vyčištěn (je dán práh vyčištění na x < 5, aby se alespoň nějakým způsobem zohlednily uniklé plasty - žádný systém není dokonalý). V takovém případě obdrží uživatel hlášku "Oceán vyčištěn".

poznámka: Lze simulovat přísun plastu do oceánu každý den, nicméně je velmi náročné ne-li nemožné určit, kolik plastu do oblasti GPGP přibývá každý den - jedná se tak o experimentální hodnoty. Nicméně je vhodné zmínit že GPGP se časem zvyšuje a odhaduje se, že od roku 1945 se zvětšil 16x - nelze však určit, zda se jednalo o nepřesnou studii, a též nelze správně kalibrovat přísun plastu, jelikož studie na konkrétní velikost GPGP jsou od sebe časově velmi vzdálené. [17][18][19][20]

Výsledky

Jelikož je účel simulace odrazit fenomén GPGP z reálného světa a zjistit důležité faktory mající vliv na výsledky simulace, především na čas strávený úklidem, je vhodné opět zmínit, že z důvodu technických překážek je velmi obtížné tuto realitu pronést do prostředí NetLogo v měřítku 1:1. Z toho důvodu je pro testování vztahů mezi proměnnými použito měřítko 1:10 000 000.

Realita:

  • Počet plastů: 108 000 000 000 [ks]
  • Celková hmotnost: 77 116 393 [kg]

Testovaný vzorek při měřítku 1 : 10 000 000

  • Počet plastů: 108 000 000 000 / 10 000 000 = 10 800 [ks]
  • Celková hmotnost: 10 800 * 0.000714041 = 7,7 [kg]

Soubor scénářů 1: Veškeré proměnné na maximální hodnoty

Scénář 1: Přístav Victoria

  • Počet lodí: 10
  • Přístav: Victoria
  • Rychlost lodě při cestování: 60 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]
  • Kapacita lodě: 20000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]


All high - Victoria.JPG


Scénář 2: Přístav San Francisco

  • Počet lodí: 10
  • Přístav: San Francisco
  • Rychlost lodě při cestování: 60 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]
  • Kapacita lodě: 20000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]


All high - San Francisco.JPG


Scénář 3: Přístav Los Angeles

  • Počet lodí: 10
  • Přístav: Přístav Los Angeles
  • Rychlost lodě při cestování: 60 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]
  • Kapacita lodě: 20000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 20000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]


All High - Los Angeles.JPG


Hlavní poznatky ze souboru scénářů:

  • Přístav Victoria způsobí mírně menší hodnoty co se týče času stráveného sběrem, a atktéž podíl sběrné vzdálenosti se liší o 7 %.
  • Křivka Pokles počtu plastu v čase je pro přístavy San Francisco a Los Angeles strmější než pro přístav Victoria.
  • Křivka cestovaných kilometrů má větší výkyvy u přístavů San Francisco a Los Angeles
  • Křívka cestovaných kilometrů a sběrných kilometrů se protne dříve u přístavů San Francisco a Los Angeles než u přístavu Victoria - což dává smysl, protože je nejdál.

Soubor scénářů 2: Veškeré proměnné na minimální hodnoty

Scénář 1: Přístav Victoria

  • Počet lodí: 1
  • Přístav: Victoria
  • Rychlost lodě při cestování: 20 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
  • Kapacita lodě: 8 000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 6 000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]

All Low - Victoria.JPG


Scénář 2: Přístav San Francisco

  • Počet lodí: 1
  • Přístav: San Francisco
  • Rychlost lodě při cestování: 20 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
  • Kapacita lodě: 8 000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 6 000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]

All Low - San Francisco.JPG


Scénář 3: Přístav Los Angeles

  • Počet lodí: 1
  • Přístav: Los Angeles
  • Rychlost lodě při cestování: 20 [km/h]
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
  • Kapacita lodě: 8 000 [kg]
  • Rychlost vykládání: 6 000 [kg/h]
  • Přísun plastu: 0 [ks/h]

All Low - Los Angeles.JPG


Hlavní poznatky:

  • Celková doba trvání je v průměru o (1 - (((52 + 52 + 57) / 3) / ((1419 + 1420 + 1276) / 3)) * 100 = (1-(5(3,66 / 1 371)) * 100)= 96 % delší než scénář, kdy jsou proměnné na maximálních hodnotách.

Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných v realistických podmínkách

Neměnné proměnné, které se dle získaných údajů nejvíce blíží skutečnosti:

  • Přístav: Victoria
    • Důvod: Přístav Victoria je aktuálně hlavní přístav The Ocean Cleanup.
  • Kapacita lodě: 20 000 [kg]
    • Důvod: Na palubě je zřetelně velké množství místa dle dostupných videí pojme 20 000kg bez problému.
  • Rychlost vykládání: 12 000[kg/h]
    • Důvod: Ačkoliv se jedná o odhad, autor považuje přemístění metrového balíku do 5-ti minut jako realistický scénář.
  • Rychlost lodě při cestování: 45 [km/h]
    • Důvod: Dle dostupných informací je toto běžná cestovací rychlost pro nákladní lodě středního typu - viz kapitola o parametrech a ukazatelích.

Scénář 1: 5 lodí / 5km/h sběrná rychlost

  • Počet lodí: 5
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]


Scénáře 3 - 5 lodě 5 sběr.JPG


Scénář 2 10 lodí / 5km/h sběrná rychlost

  • Počet lodí: 10
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]


Scénáře 3 - 10 lodě 5 sběr.JPG


Hlavní poznatky k scénáři 1 a 2:

  • Počet lodí má významný vliv na trvání projektu (265 dní při 5-ti lodích / pouhých 101 dní při 10-ti lodích).
  • Počet lodí nemá žádný vliv na poměry % ve vztahu k cestování vs sběr - což dává smysl.
  • Křivka sběrných km je mnohem blíže ke křivce cestovaných km v případě 5-ti lodí


Scénář 3: 5 lodí / 10km/h sběrná rychlost

  • Počet lodí: 5
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]


Scénáře 3 - 5 lodě 10 sběr.JPG


Scénář: 10 lodí / 10km/h sběrná rychlost

  • Počet lodí: 10
  • Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]


Scénáře 3 - 10 lodě 10 sběr.JPG


Hlavní poznatky k scénáři 3 a 4:

  • Celkový čas projektu je opět relativně výrazně menší u menšího počtu lodí.
  • Křivka sběrných km je opět blízko ke křivce cestovaných km v případě 5-ti lodí

Závěr

O problému

Plastové znečištění je významným problémem, který se s lidstvem táhne už dlouho. Je dozajista vhodné podporovat podobné projekty jako The Ocean Cleanup, které uklidí nepořádek po ostatních, nicméně autor projektu se domnívá, že pokud se problém nevyřeší u zdroje, tak se jedná pouze o "náplastové řešení". Můžeme pouze doufat, že se plán vyčistit 90% plovajícího plastu v oceánu do roku 2040 povede, a že se plastové znečištění více dostane do povědomí.[1]


O simulaci

Autor narazil na nespočet problému při práci s NetLogem. Hlavní překážkou, kvůli které musel model procházet přibližně 10-ti verzemi (a to pouze pro účely distribuce plastu a jeho hmotnosti), jelikož se model stával výpočetně velmi složitým, což nebylo možné v hardwarových perferiích autora zvládnout. Z toho důvodu se model, byť funkční, spoléhá na pouhé odhady chování, a není možné do něj pronést skutečných 108 miliard želv, jak po jednom, tak po shlucích (shluky vyžadují arrays do kterých byly vnášeny hodnoty, což opět vedlo k technickým překázkám. Čím přesnější měřítko a přesné hodnoty, tím přesnější a realističtější chování simulace - pokud by se našel stroj dostatečně výkonný, dokázal by realitu spolehlivě odrazit. Simulace přesto spolehlivě ukazuje přibližné chování sběrných lodí, umožňuje škálovatelnost a mnohé scénáře, a je možné na tomto modelu stavět a rozšiřovat ho, případně zdokonalovat. Největší posun v modelu by bylo řešení, které by nemělo významnou výpočetní zátěž, ale stále by reflektovalo realitu spolehlivě - autor vyzkoušel přes 5 možných přístupů, a veškeré skončily se stejným problémem - nakonec se usnesl na přístupu, který dává smysl, a je teoreticky správný. Z hlediska počtu systémů - sběrných lodí, které projekt The Ocean Cleanup plánuje nasadit, se 10 jeví rozumných, což lze podložit i výsledky této simulace, kdy byl projekt čištění významě rychlejší ve scénářích, kdy bylo použito lodí 10. Scénáře s rychlostmi sběru 10km/h jsou sice optimistické, ale již nyní aktuální design sběrných lodí v realitě občas vynechává plasty, což by větší rychlostí mohlo tento nedostatek pouze zhoršit.[21]

Kód a přílohy

Zdrojový kód a mapa v .zip: File:Kovs04 - simulation - OceanCleanup.zip

Zdrojový kód a mapa v .rar: File:Kovs04 - simulation - OceanCleanup.rar

Reference a použité zdroje

  1. ↑ 1.0 1.1 The Ocean Cleanup https://theoceancleanup.com/
  2. ↑ Great Pacific Garbage Patch https://theoceancleanup.com/great-pacific-garbage-patch/
  3. ↑ NetLogo, a multi-agent programmable modeling environment. https://ccl.northwestern.edu/netlogo/
  4. ↑ Measure Distance on a Map - FreeMapTools https://www.freemaptools.com/measure-distance.htm
  5. ↑ Distance Calculator 2D - CalculatorSoup https://www.calculatorsoup.com/calculators/geometry-plane/distance-two-points.php
  6. ↑ The Ocean Cleanup - Expected impact https://theoceancleanup.com/oceans/
  7. ↑ The Ocean Cleanup - System 03 Delivers: Our Biggest Plastic Extraction to Date https://www.youtube.com/watch?v=wjF0gB29OG4
  8. ↑ Marine Insight - What is The Speed of a Ship at Sea? https://www.marineinsight.com/guidelines/speed-of-a-ship-at-sea/
  9. ↑ Jednotky.cz - Uzel https://www.jednotky.cz/rychlost/uzel
  10. ↑ The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/
  11. ↑ MedicalNewsToday - What is the average walking speed? https://www.medicalnewstoday.com/articles/average-walking-speed
  12. ↑ 12.0 12.1 Searates - United States Sea Ports https://www.searates.com/maritime/united_states
  13. ↑ 13.0 13.1 13.2 The Ocean Cleanup - Dashboard https://theoceancleanup.com/dashboard/#system03
  14. ↑ Great Pacific Garbage Patch https://theoceancleanup.com/great pacific-garbage-patch/
  15. ↑ Science Daily - Twenty-four trillion pieces of microplastics in the ocean and counting https://www.sciencedaily.com/**releases/2021/10/211027122120.htm
  16. ↑ Coastal Interpretive Center - North Pacific Gyre, or How the Great Pacific Garbage Patch was Formed https://interpretivecenter.org/north-pacific-gyre-part-ii/
  17. ↑ Scientific Reports - Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic https://www.nature.com/articles/s41598-018-22939-w
  18. ↑ Our World in Data - How much plastic waste ends up in the ocean? https://ourworldindata.org/how-much-plastic-waste-ends-up-in-the-ocean
  19. ↑ IUCN - Plastic pollution https://www.iucn.org/resources/issues-brief/plastic-pollution
  20. ↑ The Ocean Cleanup - Understanding The Problem https://theoceancleanup.com/research-old/
  21. ↑ The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/
Retrieved from "http://www.simulace.info/index.php?title=Simulace_plastového_znečištění_oceánů&oldid=26076"