Университеты Джиды предложили ученым Южно-Уральского государственного университета совместно участвовать в международном гранте по доработке и внедрению системы контроля за транспортными выбросами загрязняющих веществ на перекрёстках.
Cистема AIMS Eco, разработанная в ЮУрГУ, не просто добавка к светофору. Это комплекс, осуществляющий динамический мониторинг выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта на основе агрегации больших данных нейросетевыми методами.
Уличные обзорные камеры в городах позволяют наблюдать за площадью улично-дорожной сети до 40 тысяч квадратных метров. Что можно отследить через неё и распознать с помощью искусственного интеллекта? Прежде всего параметры дорожного траффика. Сколько автомобилей проходит через перекрёсток за единицу времени, какие это типы транспортных средств, их среднюю скорость и траекторию, потери времени на перекрёстке и уровень загруженности. Есть ещё принятый во всем мире параметр LOS – уровень обслуживания, который обозначается латинскими буквами от A до F – от свободного движения до хаотической пробки.
Однако, что, если задача более сложная – достаточно точно оценить уровень выбросов, в том числе оксидов углерода и азота, углеводородов, сажи, формальдегида, диоксида серы, бензапирена, керосина, бензина, а также мельчайших частиц PM2.5 и PM10, размерами не превышающих 2.5 и 10 нанометров соответственно?
Невооружённым «глазом» видеокамеры из этого списка можно распознать разве что шлейф сажи.
Кстати, автомобиль уезжает, а «облако» от шлейфа остаётся, пока не рассеется. Как увидеть и оценить его?
Конечно, приходится прибегать к помощи математических моделей. При этом не забыть учесть множество параметров, прежде всего атмосферных – температура воздуха, влажность, давление, скорость ветра. Имеет значение и плотность городской застройки.
Такие модели существуют, например, методика расчёта, реализованная с помощью программы «Магистраль»: она разработана в Санкт-Петербурге, а в 2019 году соответствующая методика утверждена ГОСТом. В Западном мире активно применяют методики и модели COPERT4 и OSPM для оценки количества выбросов от автотранспорта и их рассеивание. Они основаны на собранных статистических данных, а рециркулирующая часть шлейфа (остающееся «облако») представлена в виде прямоугольника. Такие модели не всегда дают надёжный результат.
Коллектив учёных кафедры «Автомобильный транспорт» ЮУрГУ под руководством Владимира Шепелева избрал трудный, но надёжный путь – моделирование приземной части шлейфа с помощью уравнений Навье-Стокса. В расчётах также участвует доцент Александр Глушков с кафедры математического и компьютерного моделирования и главный научный сотрудник НОЦ «Цифровая индустрия» ЮУрГУ Инна Елюхина.
Система дифференциальных уравнений Навье-Стокса описывает сложнейший, но насущный физический процесс – движение жидкости или газа с учётом турбулентности. Между прочим, Анри Навье и Джордж Стокс жили в девятнадцатом веке, а решать их уравнения в общем виде до сих пор не научились. Существование решения и возможность брать у него производную – одна из семи знаменитых математических задач миллениума, за которые институт Клэя в 2000 году обещает награду в миллион долларов.
Конечно, в конкретных случаях да с применением искусственного интеллекта такие уравнения решать можно. Учёные ЮУрГУ продолжают «штурмовать» его варианты. Результат служит основой расчётов, выполняемых системой AIMS Eco.
Система AIMS Eco состоит из нескольких модулей. Первый – рассчитывает трафик на перекрёстке (и способен работать «на одной видеокамере»). Второй – вычисляет объёмы выбросов, третий – определяет эффективность использования транспортной инфраструктуры (тот самый LoS). Четвёртый – модуль в онлайн-режиме регулирует фазы светофоров. Наконец пятый – аналитический модуль – изучает транспортный поток, определяет уровни выбросов и даёт предыдущему модулю – регулировщику – данные, как настроить светофоры так, чтобы и пробок не создавалось, и транспортные средства не слишком задерживались на перекрёстке, загрязняя воздух.
Система AIMS Eco уже установлена в нескольких городах. На сайте ЮУрГУ в режиме онлайн с её помощью можно следить за траффиком и транспортными выбросами на трёх перекрёстках Перми и двух перекрёстках Челябинска. Это демоверсия. В нашем городе она мониторит состояние воздуха на площади у главного корпуса ЮУрГУ и на пересечении улицы Ворошилова с Комсомольским проспектом.
Доценту ЮУрГУ Владимиру Шепелеву на основании данных из 4 городов удалось получить интересные факты. Например, значительную долю выбросов – до 40 % от общей массы – составляют автобусы.
«Одна из причин – в том, что у общественного транспорта выявлены самые низкие показатели скорости и самые большие задержки на регулируемых перекрёстках по сравнению с другими типами транспортных средств. Извлечение, интерпретация и агрегация большого количества разнородных данных с использованием искусственного интеллекта дает дополнительный инструмент транспортным инженерам в задаче обеспечения «приоритизации» общественного транспорта и формирования устойчивых интеллектуальных транспортных систем», – поясняет Владимир Шепелев.
Наконец, в применении любых цифровых технологий всегда встаёт вопрос: нельзя ли сделать то же с помощью технологий аналоговых? «Обычных» датчиков, определяющих уровень выбросов с помощью знакомых методов физики и химии?
Владимир Шепелев и его коллеги провели такое сравнение, использовав ПЭП – передвижной экологический пост, автомобиль, оборудованный «аналоговыми» приборами определения метеоусловий и загрязнения атмосферы. Такая лаборатория на колёсах существует у экологов ЮУрГУ.
Одновременные расчёты концентрации выбросов на основе технического зрения (AIMS Eco) с лабораторными измерениями показали совпадение 75–82 % результатов. Очень хороший показатель.
При этом развертывание и обслуживание одного виртуального поста AIMS Eco в 3–5 раз дешевле использования аналоговых датчиков и кратно превышает функциональные возможности!
Пока учёные ЮУрГУ публикуют статьи в журнале Mathematics и других международных научных изданиях, система внедрена в Магнитогорске, благодаря поддержке ПАО ММК – Магнитогорского металлургического комбината. Градообразующее предприятие, заботясь о здоровье жителей, внедряет в городе экологический периметр. На первом этапе уже функционируют 12 постов на основных перекрестках города, на следующих этапах планируется охват всей улично-дорожной сети города. Завод готов оценивать данные о выбросах транспорта, чтобы регулировать выбросы самого комбината в задаче недопущения предельно допустимой концентрации (ПДК).
Три цифровых поста экологического мониторинга внедрены в Перми при содействии местной Комиссии по природопользованию. Есть посты и в Челябинске, здесь партнёрами создателей AIMS Eco являются телекоммуникационные компании «Интерсвязь» и «Ростелеком».
Тем временем, системой заинтересовались в Санкт-Петербурге, Объединённых Арабских Эмиратах и Саудовской Аравии. Не исключено, что международные партнеры поддержат реализацию экологических постов своими государственными грантами. А значит, проект ЮУрГУ по цифровому мониторингу выбросов AIMS Eco ждёт большое будущее, и не только в России, а возможно, и по всему миру!