Difference between revisions of "Simulace plastového znečištění oceánů"
(→Soubor scénářů 2: Veškeré proměnné na minimální hodnoty) |
(→Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných) |
||
| Line 264: | Line 264: | ||
==Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných== | ==Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných== | ||
| − | Počet lodí: | + | *Počet lodí: |
| − | Přístav: | + | *Přístav: |
| − | Rychlost lodě při cestování: [km/h] | + | *Rychlost lodě při cestování: [km/h] |
| − | Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h] | + | *Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h] |
| − | Kapacita lodě: [kg] | + | *Kapacita lodě: [kg] |
| − | Rychlost vykládání: [kg/h] | + | *Rychlost vykládání: [kg/h] |
| − | Přísun plastu: [ks/h] | + | *Přísun plastu: [ks/h] |
==Soubor scénářů 4: Experimentování s přísunem plastu== | ==Soubor scénářů 4: Experimentování s přísunem plastu== | ||
Revision as of 20:29, 17 June 2024
Název simulace: Simulace plastového znečištění oceánů
Autor: Štěpán Kovařík - kovs04
Modelovací nástroj: NetLogo
Stav projektu: NA PROJEKTU SE PRACUJE, STRÁNKA NENÍ DOKONČENA
Contents
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
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]
- 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.
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 [1 - 10 km/h]
- Výpočet:
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]
Ukazatel: Kontejnerů odbaveno za hodinu
- Výpočet: [emptying-speed / 1000]
Ukazatel: Kolik minut trvá vyložit jeden kontejner
- Výpočet: [(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 8000
- set emptying-speed 6000
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 10800
Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 1 000 000 k realitě
- Akce:
- set number-of-plastics 108000
Tlačítko: Nastavit hodnoty na měřítko 1 : 1 k realitě [POZOR]
- Akce:
- set number-of-plastics 108000000000
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]
Názorná ukázka pohybu sběrných lodí.
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".
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 [kg]
Soubor scénářů 1: Veškeré proměnné na maximální hodnoty
- Počet lodí:
- Přístav:
- Rychlost lodě při cestování: [km/h]
- Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h]
- Kapacita lodě: [kg]
- Rychlost vykládání: [kg/h]
- Přísun plastu: [ks/h]
Soubor scénářů 2: Veškeré proměnné na minimální hodnoty
- Počet lodí:
- Přístav:
- Rychlost lodě při cestování: [km/h]
- Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h]
- Kapacita lodě: [kg]
- Rychlost vykládání: [kg/h]
- Přísun plastu: [ks/h]
Soubor scénářů 3: Zkoumání vlivů jednotlivých proměnných
- Počet lodí:
- Přístav:
- Rychlost lodě při cestování: [km/h]
- Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h]
- Kapacita lodě: [kg]
- Rychlost vykládání: [kg/h]
- Přísun plastu: [ks/h]
Soubor scénářů 4: Experimentování s přísunem plastu
Počet lodí: Přístav: Rychlost lodě při cestování: [km/h] Rychlost lodě při sběru plastu: [km/h] Kapacita lodě: [kg] Rychlost vykládání: [kg/h] Přísun plastu: [ks/h]
Závěr
Kód a přílohy
Reference a použité zdroje
- ↑ The Ocean Cleanup https://theoceancleanup.com/
- ↑ Great Pacific Garbage Patch https://theoceancleanup.com/great-pacific-garbage-patch/
- ↑ NetLogo, a multi-agent programmable modeling environment. https://ccl.northwestern.edu/netlogo/
- ↑ Measure Distance on a Map - FreeMapTools https://www.freemaptools.com/measure-distance.htm
- ↑ Distance Calculator 2D - CalculatorSoup https://www.calculatorsoup.com/calculators/geometry-plane/distance-two-points.php
- ↑ The Ocean Cleanup - Expected impact https://theoceancleanup.com/oceans/
- ↑ The Ocean Cleanup - System 03 Delivers: Our Biggest Plastic Extraction to Date https://www.youtube.com/watch?v=wjF0gB29OG4
- ↑ Marine Insight - What is The Speed of a Ship at Sea? https://www.marineinsight.com/guidelines/speed-of-a-ship-at-sea/
- ↑ Jednotky.cz - Uzel https://www.jednotky.cz/rychlost/uzel
- ↑ The Ocean Cleanup - System 03: A Beginner’s Guide https://theoceancleanup.com/updates/system-03-a-beginners-guide/
- ↑ MedicalNewsToday - What is the average walking speed? https://www.medicalnewstoday.com/articles/average-walking-speed
- ↑ 12.0 12.1 Searates - United States Sea Ports https://www.searates.com/maritime/united_states
- ↑ 13.0 13.1 13.2 The Ocean Cleanup - Dashboard https://theoceancleanup.com/dashboard/#system03
- ↑ Great Pacific Garbage Patch https://theoceancleanup.com/great pacific-garbage-patch/
- ↑ Science Daily - Twenty-four trillion pieces of microplastics in the ocean and counting https://www.sciencedaily.com/**releases/2021/10/211027122120.htm
- ↑ Coastal Interpretive Center - North Pacific Gyre, or How the Great Pacific Garbage Patch was Formed https://interpretivecenter.org/north-pacific-gyre-part-ii/
- ↑ Scientific Reports - Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic https://www.nature.com/articles/s41598-018-22939-w
- ↑ 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
- ↑ IUCN - Plastic pollution https://www.iucn.org/resources/issues-brief/plastic-pollution
- ↑ The Ocean Cleanup - Understanding The Problem https://theoceancleanup.com/research-old/
