Чем мы дышим: как оцифровать воздух в городах

Но сам факт появления хоть каких-то данных о состоянии воздуха дает положительный эффект: люди и компании начинают более осознанно и ответственно следить за загрязнением атмосферы. CityAir позволяет не просто вести мониторинг, но и обрабатывать полученную информацию для последующего анализа.

Проект объединяет несколько принципиальных технологий. Первая касается непосредственно оборудования. «Чтобы качественно оцифровать воздух в городах, целесообразно измерять концентрацию примесей в воздухе при помощи чего-то компактного, дешевого и энергоэффективного, – говорит Дмитрий Трубицын, главный идеолог проекта и директор по развитию CityAir. – Сенсорика в мире бурно развивается; то, что через 10 лет прибор размером со спичечный коробок сможет измерять примеси в воздухе с лабораторной точностью, не кажется фантастикой. Пока это не так, но уже появились решения в среднем ценовом диапазоне, которые фундаментально меняют рынок классических постов мониторинга величиной с киоск. Плотные сети мониторинга строятся и масштабируются за счет компактных постов размером с обувную коробку – конечно, эти решения более гибкие и дешевые в покупке и обслуживании».

Из передовых коммерчески доступных сенсоров компания вытягивает максимум за счет хитрых алгоритмов анализа сигналов, сотрудничает с мировыми исследовательскими группами, занимающимися созданием новых технологий. «Вернее, они работают, а мы направляем их усилия, говорим, какие характеристики сенсоров были бы интересны», – смеется Дмитрий.

Сегодня компания выпускает малогабаритную станцию мониторинга воздуха CityAir, которая собирает информацию о состоянии окружающей среды в режиме онлайн и передает ее на сервер посредством беспроводного или проводного канала передачи данных. Важнейшие элементы станции – датчики мелкодисперсных частиц PM2,5. Именно эти частицы считаются самым распространенным и опасным загрязнителем воздуха в городах. PM2,5 – частицы различной природы, которые могут находиться в воздухе как в жидком, так и в твердом состоянии. Особенность этого класса загрязнителей – диаметр 2,5 мкм и менее, который позволяет им проникнуть в человеческий организм, минуя защитные барьеры. CityAir также измеряет температуру и относительную влажность воздуха, атмосферное давление. Здесь главное – модульность: за счет присоединения датчиков система может улавливать любые примеси, для которых есть качественные сенсоры.

Сам CityAir выпускает два модуля расширения. Первый измеряет содержание в воздухе диоксида азота NO2, озона O3 и оксида углерода CO, второй – содержание сероводорода H2S и диоксида серы SO2. Такой комплекс закрывает все потребности мониторинга городской атмосферы: именно эти примеси являются главными индикаторами состояния воздушной среды.

Но даже первоклассные сенсоры сами по себе не могут строить прогнозы и решать задачи по моделированию – например, они не в силах ответить на вопрос, что будет, если в городе поменять автомобильный трафик. Каждый датчик лишь фиксирует состояние. Чтобы иметь возможность делать анализ, строить непрерывные карты, моделировать последствия тех или иных решений, необходима специализированная математика.

Кого-кого, а прекрасных математиков в Академгородке хватает. Это второе направление, которым занимается CityAir. Здесь и решение задачи, где рассчитывается поле скоростей ветра, делается прогноз, строятся предположения об источниках эмиссии, считаются химические реакции. Все это сопоставляется с тем, что в реальности измеряет наземная сеть мониторинга, и исходя из этого через обратную связь корректируются граничные условия и математические модели. «Это горячая тема, в мире ей занимаются всего несколько десятков лабораторий, но нам удалось привлечь очень сильную команду математиков и специалистов по моделированию, – говорит Дмитрий Трубицын. – Следующий шаг – нейросетевые технологии, потому что если решать аэродинамику по-честному, считать весь рельеф и здания, то не хватит вычислительных мощностей. Тут и появляются нейросети, которые выступают своеобразным искусственным интеллектом синоптика».

Третье направление, ключевой продукт CityAir – IT-платформа, позволяющая строить и объединять сети мониторинга атмосферного воздуха. Данные с базовых станций поступают на облачные серверы в режиме реального времени, обрабатываются, в том числе взаимодействуя с математическими моделями, – в результате заказчикам становится доступна различная аналитическая информация. Все это есть на открытой демонстрационной карте на сайте cityair.io. Например, нажав на Москву, можно в режиме реального времени увидеть данные с 13 постов мониторинга, динамику изменений, а также подробно изучить экологический профиль города: процент дней с разным качеством воздуха за всю историю наблюдений или за сезон, среднее качество атмосферы.

Чтобы точно знать, что происходит в городе, логично было бы плотно расставить станции. Но это невероятно дорого и сложно: пришлось бы поместить микростанцию на каждый дом. Их количество можно существенно уменьшить за счет применения дополнительных математических методов, которые позволяют видеть, что происходит, не только там, где стоит станция, но и в ее окрестностях. При таком решении, например, на всю Москву понадобятся не десятки тысяч, а всего 500 постов мониторинга.

Уже сейчас можно зайти на сайт cityair.ioи в реальном времени посмотреть данные о качестве воздуха и его динамике в разных городах, где CityAir развернул сеть мониторинга с исследовательскими целями: в Москве, Челябинске, Новосибирске, Лондоне, Лиссабоне и т.д. Правда, только в отдельных районах: ни один город полностью сетью станций не покрыт, хотя шаги в этом направлении уже делаются. Базовые станции CityAir установлены Красноярским научным центром Сибирского отделения Российской академии наук, также создается сеть мониторинга для публичной системы информирования о качестве воздуха на Сахалине.

В зависимости от комплектации такая станция стоит от 310 тыс. руб. (пост с датчиком, измеряющим концентрацию взвешенных частиц) до 1 млн (пост, определяющий концентрацию взвешенных частиц и пяти газов). Для компаний и предприятий сумма не очень большая, но для частных лиц – неподъемная. А чтобы мониторинг заработал в полную силу, станции должны быть везде, где живут люди.

Во всем мире драйверами рынка решений для развертывания плотных и недорогих сетей мониторинга являются государственные и межгосударственные организации. Так, директива Евросоюза 2008/50/EC обязывает европейские города контролировать качество воздуха и принимать меры по его улучшению, в России запущены нацпроект «Экология» и федеральная программа «Чистый воздух», губернатор Калифорнии Джерри Браун в 2017 году подписал билль о борьбе с загрязнением воздуха на уровне местных сообществ – комьюнити могут претендовать на госфинансирование проектов по улучшению окружающей среды.

Постепенно данные об уровне чистоты атмосферы становятся востребованным продуктом. Сервисы на их основе можно продавать различным государственным структурам, задачей которых является забота о здоровье и качестве жизни граждан, а также коммерческим компаниям и даже самим горожанам. Это понимают телекоммуникационные операторы и системные интеграторы во всем мире – именно они, планируя в будущем получать прибыль, готовы инвестировать в развитие сервисов «умных» городов, включая мониторинг качества воздуха. В России CityAir является технологическим партнером «Мегафона» и «ЭР-Телекома» и ведет переговоры с мировыми лидерами индустрии Smart Cities, подробности которых пока не раскрывает.

Сам CityAir тоже изучает варианты инвестирования в создание плотных сетей мониторинга качества воздуха в крупных городах. «Мы за свой счет можем накрыть город, развернув сеть, и не обязательно российский, – поясняет Трубицын. – По нашим исследованиям, в большом городе есть достаточное количество коммерческих потребителей данных о состоянии атмосферы: рекомендательные рекламные сети, градостроительные и экологические службы, риелторские компании и даже производители лекарств, которые уже сейчас стараются запускать рекламные кампании препаратов для аллергиков и астматиков в наиболее загрязненных городах. Многие мировые бренды начинают более ответственно относиться к собственному влиянию на окружающую среду и готовы создавать полезные экологические сервисы и проекты, чтобы показать, что разделяют ценности своих потребителей. Наши данные и аналитика могут быть полезны для них».

Проблема экологии – тема деликатная и чувствительная, это я понял, еще работая в National Geographic. Несмотря на то что мотивы активистов правильные, их действия в публичной плоскости часто неконструктивны. И с CityAir я познакомился не просто так – приценивался, сколько стоит станция, чтобы разместить на своем доме. С моей точки зрения, это огромный и реальный вклад в экологию. Но мой семейный бюджет пока такого не позволяет: ценник для одного человека достаточно большой, потому что станции имеют профессиональную метеорологическую точность – это не игрушки с Aliexpress за 20 тыс. руб.

Но оказалось, что я не один. Сейчас Трубицын вынашивает идею краудфандинга. Вы ставите флажок в нужной точке на карте – как только он наберет финансирование, вместо флажка появится реальная станция. В моем квартале живет более 5000 человек, так что проект вполне рабочий.

Проблема загрязнения воздуха оюычно комплексная, и часто нельзя назвать конкретного виновника плохой экологической ситуации. «Экологию невозможно рассматривать отдельно от других элементов жизни города, промышленности, транспорта, – говорит Дмитрий Трубицын. – Чтобы привести ее в норму, нужно хотя бы начать что-то делать. Давайте пока все оцифруем. Потом, где можно, улучшим. И дышать станет легче».