Simulace plastového znečištění oceánů

Název simulace: Simulace plastového znečištění oceánů

Autor: Štěpán Kovařík - kovs04

Modelovací nástroj: NetLogo

Stav projektu: NA PROJEKTU SE PRACUJE, STRÁNKA NENÍ DOKONČENA

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 , 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) , 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.

Metoda

Pro zanesení myšlenky do funkčního prostředí byl využit program NetLogo , 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

• 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 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.

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]

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 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]

Rychlost lodě - sběr plastu

boat-speed-while-harvesting: Rychlost lodě při sběru plastu [1 - 10 km/h]

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

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] Důvod vybrání přístavu: Victoria je aktivním přístavem v rámci operací projektu The Ocean Cleanup

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

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"]

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
  • 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

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.

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. 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.

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". 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.