Difference between revisions of "Simulace plastového znečištění oceánů"

From Simulace.info
Jump to: navigation, search
(→‎Nastavitelné parametry a ukazatele)
(→‎Nastavitelné parametry a ukazatele)
 
(116 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 1: Line 1:
−
'''Název simulace:''' Simulace plastového znečištění oceán
+
'''Název simulace:''' Simulace plastového znečištění oceánů
  
 
'''Autor:''' Štěpán Kovařík - kovs04
 
'''Autor:''' Štěpán Kovařík - kovs04
Line 5: Line 5:
 
'''Modelovací nástroj:''' NetLogo
 
'''Modelovací nástroj:''' NetLogo
  
−
'''Stav projektu:''' NA PROJEKTU SE PRACUJE, STRÁNKA NENÍ DOKONČENA
+
'''Stav projektu:''' PROJEKT DOKONČEN
  
 
=Definice problému=
 
=Definice problému=
Line 14: Line 14:
  
 
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.
 
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=
 
=Metoda=
Line 34: Line 36:
 
* 1. Nejdříve byla analyzována vzdálenost mezi dvěma body na mapě pomocí nástroje FreeMapTools <ref name =fourth><i> Measure Distance on a Map - FreeMapTools </i> https://www.freemaptools.com/measure-distance.htm </ref>
 
* 1. Nejdříve byla analyzována vzdálenost mezi dvěma body na mapě pomocí nástroje FreeMapTools <ref name =fourth><i> Measure Distance on a Map - FreeMapTools </i> https://www.freemaptools.com/measure-distance.htm </ref>
 
[[File:Vzdalenost realita.png]]
 
[[File: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 <ref name =fifth> <i>Distance Calculator 2D - CalculatorSoup</i> https://www.calculatorsoup.com/calculators/geometry-plane/distance-two-points.php </ref> 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, vydělit osmi.
+
* 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 <ref name =fifth> <i>Distance Calculator 2D - CalculatorSoup</i> https://www.calculatorsoup.com/calculators/geometry-plane/distance-two-points.php </ref> 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.
 
[[File:Vzdalenost vypocet.png]]
 
[[File:Vzdalenost vypocet.png]]
  
 +
==Nastavitelné parametry a ukazatele==
  
−
===Nastavitelné parametry a ukazatele===
 
  
 
'''Sběrné lodě'''
 
'''Sběrné lodě'''
  
−
'''boats-num:''' Nastavení počtu sběrných lodí, které se úklidu účastní. [1-10]
+
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. <ref name = eleventh> <i>The Ocean Cleanup - Expected impact  </i> https://theoceancleanup.com/oceans/ </ref>
 
*Výpočet: The Ocean Cleanup počítá s plánem až 10 sběrných lodí, což určí strop počtu. <ref name = eleventh> <i>The Ocean Cleanup - Expected impact  </i> https://theoceancleanup.com/oceans/ </ref>
  
Line 48: Line 50:
 
'''Kapacita lodě'''
 
'''Kapacita lodě'''
  
−
'''boat-capacity:''' Nastavení kapacity sběrných lodí.  
+
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 - 2 0000 kg] [8 - 20 kontejnerů]<ref name = seventh> <i>The Ocean Cleanup - System 03 Delivers: Our Biggest Plastic Extraction to Date </i> https://www.youtube.com/watch?v=wjF0gB29OG4 </ref>
+
*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]<ref name = seventh> <i>The Ocean Cleanup - System 03 Delivers: Our Biggest Plastic Extraction to Date </i> https://www.youtube.com/watch?v=wjF0gB29OG4 </ref>
  
 
Ukazatel: Počet kontejnerů s kapacitou 1000 kg: Kolik kontejnerů je sběrná loď schopná pojmout  
 
Ukazatel: Počet kontejnerů s kapacitou 1000 kg: Kolik kontejnerů je sběrná loď schopná pojmout  
Line 57: Line 59:
 
'''Rychlost lodě - cestování'''
 
'''Rychlost lodě - cestování'''
  
−
boat-speed: Rychlost lodě při běžném cestování [20 - 60<ref name = ninth> <i>Marine Insight - What is The Speed of a Ship at Sea? </i> https://www.marineinsight.com/guidelines/speed-of-a-ship-at-sea/ </ref>km/h]
+
boat-speed: Rychlost lodě při běžném cestování [20 - 60km/h]
 +
*Výpočet: Container ships dle webu Marine Insight<ref name = ninth> <i>Marine Insight - What is The Speed of a Ship at Sea? </i> https://www.marineinsight.com/guidelines/speed-of-a-ship-at-sea/ </ref> 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<ref name = sixth> <i>Jednotky.cz - Uzel </i> https://www.jednotky.cz/rychlost/uzel </ref> [boat-speed / 1.82]
+
Ukazatel: Rychlost lodě při běžném cestování v uzlech
 +
*Výpočet: [boat-speed / 1.82] <ref name = sixth> <i>Jednotky.cz - Uzel </i> https://www.jednotky.cz/rychlost/uzel </ref>
  
  
 
'''Rychlost lodě - sběr plastu'''
 
'''Rychlost lodě - sběr plastu'''
  
−
boat-speed-while-harvesting: Rychlost lodě při sběru plastu [1 - 10<ref name = eight> <i>The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide </i> https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/ </ref><ref name = tenth> <i>MedicalNewsToday - What is the average walking speed? </i> https://www.medicalnewstoday.com/articles/average-walking-speed </ref>km/h]
+
boat-speed-while-harvesting: Rychlost lodě při sběru plastu [5 - 10 km/h]
 +
*Výpočet:
 +
** Sběrná loď při sběru urazí tolik co člověk při chůzi. <ref name = eight> <i>The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide </i> https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/</ref>
 +
** Člověk při chůzi urazí cca 5 km/h. <ref name = tenth> <i>MedicalNewsToday - What is the average walking speed? </i> https://www.medicalnewstoday.com/articles/average-walking-speed </ref>
  
−
Ukazatel: Rychlost lodě při sběru plastu v uzlech [boat-speed-while-harvesting / 1.82]
+
Ukazatel: Rychlost lodě při sběru plastu v uzlech
 +
*Výpočet: [boat-speed-while-harvesting / 1.82]
  
  
 
'''Proměnné spojené s přístavem'''
 
'''Proměnné spojené s přístavem'''
  
−
selected-port: Přístav [Victoria / San Francisco / Los Angeles]
+
selected-port: Přístav [Victoria / San Francisco / Los Angeles]<ref name = fourteenth> <i>Searates - United States Sea Ports </i> https://www.searates.com/maritime/united_states </ref>
 +
Důvod vybrání přístavu:
 +
Victoria je aktivním přístavem v rámci operací projektu The Ocean Cleanup<ref name = fifteenth> <i>The Ocean Cleanup - Dashboard </i> https://theoceancleanup.com/dashboard/#system03 </ref>
 +
* San Francisco a Los Angeles jsou velkoměstské přístavy vhodné pro velké lodě a jsou v blízkých lokacích.<ref name = fourteenth> <i>Searates - United States Sea Ports </i> https://www.searates.com/maritime/united_states </ref>
  
−
emptying-speed: Rychlost vykládky plastu v přístavu [6000 - 20000 kg/h] - vypočteno tak, aby vycházelo vykládání na 3-5 minut na kontejner [(1000 * 60) / emptying-speed]
+
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]
−
Ukazatel: Kontejnerů odbaveno za hodinu [emptying-speed / 10000]
 
  
  
Line 81: Line 94:
  
 
number-of-plastics: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní počet plastu v shluku [Realita: 108 000 000 000 ks]
 
number-of-plastics: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní počet plastu v shluku [Realita: 108 000 000 000 ks]
−
Výpočet reality:  
+
*Výpočet:
−
*Počet plastů v GPGP: 1 800 000 000 000
+
**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]
+
**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"] <ref name = second> <i> Great Pacific Garbage Patch </i> https://theoceancleanup.com/great pacific-garbage-patch/</ref>
+
**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"] <ref name = thirteenth> <i> Great Pacific Garbage Patch </i> https://theoceancleanup.com/great pacific-garbage-patch/</ref>
 +
 
 +
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 <ref name = twelfth> <i>Science Daily - Twenty-four trillion pieces of microplastics in the ocean and counting </i> https://www.sciencedaily.com/**releases/2021/10/211027122120.htm </ref>
 +
**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.<ref name = fifteenth> <i>The Ocean Cleanup - Dashboard </i> https://theoceancleanup.com/dashboard/#system03 </ref>
 +
 
 +
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. <ref name = sixteenth> <i>Coastal Interpretive Center - North Pacific Gyre, or How the Great Pacific Garbage Patch was Formed </i> https://interpretivecenter.org/north-pacific-gyre-part-ii/ </ref>
 +
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. <ref name = fifteenth> <i>The Ocean Cleanup - Dashboard </i> https://theoceancleanup.com/dashboard/#system03 </ref>
 +
 
 +
[[File:GPGP cruising.JPG]]
 +
 
 +
 
 +
Názorná ukázka pohybu sběrných lodí.
 +
 
 +
[[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 (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>
 +
 
 +
=Výsledky=
  
−
*Počet mikroplastů v oceánech: 24 400 000 000 000
+
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.
−
*Hmotnost mikroplastů v oceánech: 82 000 000 kg až 578 000 000 kg <ref name = twelfth> <i>Science Daily - Twenty-four trillion pieces of microplastics in the ocean and counting </i> https://www.sciencedaily.com/*releases/2021/10/211027122120.htm </ref>
 
−
*Průměrná hmotnost mikroplastů v oceánech: (82 000 000 / 578 000 000) / 2 = 330000000
 
−
*Hmotnost jednoho mikroplastu = 330000000 / 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'''
 
  
 +
'''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]
  
  
 +
[[File: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]
  
  
 +
[[File: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]
  
−
total-plastics-weight: Vstupní hodnota vyjadřující úvodní celkovou hmotnost plastů v shluku [Realita: 77 116 393 kg]
 
−
Výpočet:
 
−
Studie z roku 2021 analyzovala oceán pro plastové zneštění a zjistila hmotnost 82 000 000 - 578 000 000  na 24 400 000 000 000 mikroplastů - průměrná hmotnost je tedy 330 000 000 a vydělením dostaneme průměrnou hmotnost mikroplastu 0,0000135 kg. 0,0000135 * <ref name = twelfth> <i>Science Daily - Twenty-four trillion pieces of microplastics in the ocean and counting </i> https://www.sciencedaily.com/releases/2021/10/211027122120.htm </ref>
 
  
−
'''Kontrola souladu vstupních hodnot pro generování shluku s reálnými hodnotami ve světě'''
+
[[File:All High - Los Angeles.JPG]]
  
−
Ukazatel: Shoda s realitou [%] [(number-of-plastics / 108000000000) * 100]
 
  
−
Ukazatel: Shoda s realitou [%] [((total-plastics-weight / 77116393) * 100)]
+
'''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.
  
−
Ukazatel: Celková shoda úvodního počtu a hmotnosti plastů s realitou [%] [(((number-of-plastics / 108000000000) * 100) + ((total-plastics-weight / 77116393) * 100)) / 2]
+
==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]
  
−
'''Přísun plastu do plastového shluku'''
+
[[File: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]
 +
 
 +
[[File: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]
  
−
plastic-income: Kolik plastu přibyde do shluku za hodinu. [0 - 100]
+
[[File:All Low - Los Angeles.JPG]]
  
−
total-income-weight: Kolik celkové hmotnosti plastů přibyde do shluku za hodinu [0-100]
 
  
 +
'''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.
  
−
'''Obecné údaje o stavu simulace'''
+
==Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných v realistických podmínkách==
  
−
Ukazatel: updated-plastics-count: Aktuální počet plastu v oceánu [ks]
+
Neměnné proměnné, které se dle získaných údajů nejvíce blíží skutečnosti:
  
−
Ukazatel: Kolik je v oceánu plastu [tuny] [updated-plastics-weight-sum / 1000]
+
*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===
  
−
'''Údaje o uražených kilometrech'''
+
*Počet lodí: 5
 +
*Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
  
−
Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů [total-distance-traveled]
 
  
−
Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů sběrem [total-distance-spent-harvesting]
+
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 5 sběr.JPG]]
  
  
−
Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů cestováním [total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting]
+
===Scénář 2 10 lodí / 5km/h sběrná rychlost===
  
−
Ukazatel: Podíl sběrné vzdálenosti k celku [%] [(total-distance-spent-harvesting / total-distance-traveled) * 100]
+
*Počet lodí: 10
 +
*Rychlost lodě při sběru plastu: 5 [km/h]
  
  
−
Ukazatel: Celkem uraženo kilometrů cestováním [total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting]
+
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 5 sběr.JPG]]
  
−
Ukazatel: Podíl cestovací vzdálenosti k celku [%] [((total-distance-traveled - total-distance-spent-harvesting) / total-distance-traveled) * 100]
 
  
 +
'''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
  
−
'''Údaje o uplynulém čase'''
 
  
−
Ukazatel: Uplynulý čas [měsíce] [total-time-passed / 720]
 
  
−
Ukazatel: Uplynulý čas [dny] [total-time-passed / 24]
+
===Scénář 3: 5 lodí / 10km/h sběrná rychlost===
  
−
Ukazatel: Uplynulý čas [hodiny] [total-time-passed]
+
*Počet lodí: 5
 +
*Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]
  
  
−
Ukazatel: Čas strávený sběrem [dny] [total-time-spent-harvesting / boats-num]
+
[[File:Scénáře 3 - 5 lodě 10 sběr.JPG]]
  
−
Ukazatel: Čas strávený sběrem [%] [(total-time-spent-harvesting / boats-num) / total-time-passed * 100]
 
  
 +
===Scénář: 10 lodí / 10km/h sběrná rychlost===
  
−
Ukazatel: Čas strávený cestováním [DNY] [total-time-spent-cruising / boats-num]
+
*Počet lodí: 10
 +
*Rychlost lodě při sběru plastu: 10 [km/h]
  
−
Ukazatel: Čas strávený cestováním [%] [(total-time-spent-cruising / boats-num) / total-time-passed * 100]
 
  
−
===Chování simulace===
+
[[File:Scénáře 3 - 10 lodě 10 sběr.JPG]]
  
−
====Plasty====
 
−
====Sběrné lodě====
 
−
====Přístavy====
 
  
−
=Výsledky=
+
'''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=
 
=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.<ref name = first> <i> The Ocean Cleanup </i> https://theoceancleanup.com/ </ref>
 +
 +
 +
==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>
  
 
=Kód a přílohy=
 
=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=
 
=Reference a použité zdroje=

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"