Simulace plastového znečištění oceánů

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 , 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.

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 , 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 [5 - 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

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.

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.

Pohyb sběrné lodi v realitě.

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 (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.

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

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]

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]

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]

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]

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]

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]

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]

Scénář 2 10 lodí / 5km/h sběrná rychlost

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

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]

Scénář: 10 lodí / 10km/h sběrná rychlost

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

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.

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.

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