Senzorové sítě pomáhají v boji proti povodním a znečištění hlukem v New Yorku

Výzkumníci z Newyorské univerzity používají rozmístěné senzorové sítě k vytváření opatření na ochranu před povodněmi a hlukem.

Říká se, že když dokážete věc změřit, můžete ji i ovládat, nebo alespoň ji ovlivňovat. Výzvou pro úsilí města New Yorku o snížení negativních dopadů záplav na úrovni ulic a hlukového znečištění bylo, jak tyto problémy efektivně měřit. Multidisciplinární týmy z Center for Urban Science and Progress (CUSP) Newyorské univerzity (NYU) vyvinuly senzorové sítě, které umožňují téměř v reálném čase získávat data týkající se záplav a hlukového znečištění a analyzovat je, což dává New York City zřetelnou výhodu při shromažďování dat, která pomáhají bojovat s těmito náročnými problémy. Geneze vývoje snímače hluku v roce 2015 započala tím, že hluk byl (dle obyvatel) jedním z největších problémů kvality života v New Yorku, přesto mělo město k dispozici pouhých 50 policistů, kteří každoročně řeší miliony souvisejících stížností. S podporou grantu Národní vědecké nadace z roku 2015 byl založen projekt Sounds Of New York City (SONYC) s cílem vybudovat a nasadit snímače hluku ve spolupráci s  NYC Department of Environmental Protection, městskou agenturou, která má za úkol prosazovat hlukový kód. Charlie Mydlarz, odborný asistent výzkumu na NYU CUSP, vedl úsilí o návrh senzorů pro projekt, který zahrnuje rozsáhlé monitorování hluku, technologii strojového učení, analýzu tzv. velkých dat a hlášení občanských věd, aby bylo možné efektivněji monitorovat, analyzovat a reagovat na hlukové znečištění ve městě. Přístup využívající senzorové sítě na monitorování ve městě byl použit také v projektu FloodNet, konsorciu složeném z výzkumníků z NYU a City University of New York (CUNY) a zaměstnanců městské agentury v kanceláři starosty města pro klimatickou odolnost (MOCR) a kanceláři technologického ředitele, včetně profesorek NYU CUSP Andrey Silverman, Elizabeth Henaff, Tegy Brain, a také Charlie Mydlarze.

„Uvědomili jsme si, že je k dispozici jen málo nebo žádná kvantitativní data či data o povodních v reálném čase. V té chvíli jsme si uvědomili, že musíme data sbírat sami,“ řekla Andrea Silverman, NYU Tandon School of Engineering a NYU College of Global Public Health.

Zpočátku byl výzkum profesorek Silverman, Henaff a Brain soustředěn na měření kontaminantů v záplavových vodách. Výzkumný tým však rychle zjistil, že je obtížné určit, kdy cestovat do terénu, aby odebíral vzorky povodňové vody. Nebylo jasné, kolik srážek způsobí záplavy na úrovni ulic na různých místech NYC.

„S touto výzvou jsme začali hledat datové soubory, které by poskytly informace o povodních, a uvědomili jsme si, že nejsou k dispozici žádná kvantitativní data nebo data o povodních v reálném čase, a to nejen v New Yorku, ale v městských prostředích po celém světě,“ řekla Andrea Silverman. „Tehdy jsme si uvědomili, že musíme tato data sbírat sami.“

 

Jak fungují senzorové sítě

FloodNet, který byl založen v roce 2020, sdružuje komunity, výzkumníky a vládní agentury města New Yorku, aby vyvíjely senzory hladiny vody a shromažďovaly data o frekvenci, závažnosti a dopadech záplav v New Yorku. Data a znalosti získané prostřednictvím FloodNet mohou nakonec využít místní obyvatelé, výzkumníci a městské úřady k řešení povodňových rizik. Ve skutečnosti město New York uznalo důležitost dat z povodňových senzorů ve své zahajovací zprávě „Pracovní skupina pro reakci na extrémní počasí“ a uvedlo nasazení senzorů jako iniciativu ve svém akčním plánu na zlepšení reakce města na příští extrémní srážky. Zatímco obecný plán senzorových sítí SONYC a FloodNet staví na stejném základním konceptu senzorových sítí, každá je založena na jiném typu senzorových technologií. Pro projekt SONYC jsou páteřní technologií vysoce kvalitní, levné a robustní mikrofony MEMS (Micro Electro Mechanical System), zatímco senzory FloodNet pracují pomocí dolů směřujícího ultrazvukového pulsu vytvořeného piezo měničem s přijímačem, který je umístěn za ním a detekuje odrazy pulsu. Čas mezi přenosem a detekcí impulsu umožňuje výpočet vzdálenosti, kterou lze převést na hloubku záplavy. Senzory FloodNet jsou namontovány na informačních a světelných sloupech na vybraných místech v New York City náchylných k záplavám. Senzory jsou vyladěny tak, aby detekovaly pouze odrazy od velkých povrchů, jako je záplavová voda, spíše než menší přechodné povrchy včetně kol zamčených ke sloupkům, na nichž jsou senzory namontovány.

 

Od nezpracovaných dat k použitelným informacím

Jak SONYC, tak FloodNet již mají určité využití. V nejnovější iteraci SONYC nazvané SONYC Home se senzory montují na okna Newyorčanů, kteří si stěžovali na hluk, často kvůli chronickým problémům s hlukem způsobeným výstavbou nebo svozem odpadu.

„Se snímačem hluku mají obyvatelé možnost vidět a pracovat s daty, která přicházejí z vnějšího zdroje hluku,“ řekl Mydlarz. „Schopnost doplnit data ze senzorů sledováním hluku umožňuje stěžovatelům podniknout aktivní kroky k řešení problému a doufejme jej nakonec také vyřešit. Tato data jsou přímo směrována do NYC Dep, kde řeší hluk na základě dat.“

Silvermanová poukazuje na to, že podobný je FloodNet určený na poskytování informací komunitám. „Senzor sám o sobě nezabrání zaplavení čtvrti. Ale existuje mnoho potenciálních využití dat, která mohou pomoci informovat o tom, kam by měly zásahy směřovat.“

„Schopnost doplnit data ze senzorů pozorováním šumu umožňuje stěžovatelům podniknout aktivní kroky k řešení problému a doufejme jej nakonec i vyřešit,“ řekl Charlie Mydlarz z institutu NYU Center for Urban Science and Progress.

 

Další kroky: rozšíření sítě a datový panel

FloodNet již prokázal svou hodnotu jako způsob, jak městu poskytovat data v reálném čase, naposledy během extrémních bouří Henri a Ida na konci roku 2021. Senzory FloodNet dokázaly zaznamenat profily záplav na úrovni ulic, u některých záplav do hloubky 91,5 cm. Tyto schopnosti zůstaly „pod radarem“, protože FloodNet je stále ve fázi beta. Silvermanová však očekává, že počátkem roku 2022 může začít poskytovat více informací s tím, jak se síť rozšíří a uvolní se datový panel. Základní technologie senzorů SONYC a FloodNet jsou přenosné do jiných měst a obcí. Výzvou však není jen nasazení senzorové sítě ve městě, ale také získání souhlasu a spolupráce představitelů města, aby to fungovalo a byl vytvořen rámec pro praktické využití dat.

 „Technologie sama o sobě není spojena s jedním místem,“ říká Mydlarz. „Výzvou je integrace do agentur a do města samotného. Nemůžete jen tak přijít do města se sítí senzorů a očekávat, že ji zde začnou okamžitě používat. Existuje proces, který znamená mluvit se správnými lidmi, pochopit místní kontext, budovat partnerství v rámci správných agentur a pochopit, jak nasadit síť senzorů v rámci místních omezení.“