Цель
Целью программы является создание комплекса экологического сопровождения городской среды на базе БПЛА. Будет создан экологический комплекс, который способен в полуавтоматическом режиме выявлять воздушные (NO2, CO, NH3, CO2, VOCs, PM2.5, PM10), водные (оптически активные компоненты (ОАК) и мусор) загрязнения, шум, оценивать уровень трафика, выявлять места повышенного расхода тепловой энергии и картировать полученные данные. Система мониторинга будет реализован на базе БПЛА, оснащенном комплексом фотохимических, оптических, акустических датчиков и инфракрасной камерой для мониторинга первичных источников загрязнения, присутствующих в городской среде. Система обработки данных будет обеспечивать решение задач распознавания, классификации и картирования выявленных загрязнений, шума, трафика, расхода тепловой энергии.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
- Разработка программно- аппаратной платформы беспилотного летательного комплекса для выполнения задач мониторинга в пределах городского хозяйства (ПАПБЛКГ)
- Разработка комплекса бортовых навесных систем для решения задач мониторинга городского хозяйства (выявления мусора, загрязнений воздушного и водного бассейнов)
- Разработка программных средств для решения задач классификации и распознавания, получаемых с борта БПЛА изображений и данных для решения задач картирования экологических нарушений воздушной и наземной среды города, теплопотерь
- Разработка системы отображения получаемых данных и результатов их анализа
- Разработка комплекса мер по обучению персонала использованию комплекса, применению полученных решений в процессе подготовки специалистов
Актуальность
Быстрорастущая экономика Казахстана, интенсивное освоение природных ресурсов, рост городов и недостаток систем контроля генерируют острые проблемы, связанные загрязнением окружающей среды. Сжигание угля, транспорт, миграция пыли, лесные пожары и некоторые виды производств снижают качество атмосферного воздуха. Загрязнители влияют на климатическую систему, гидрологический цикл и во конечном счете на здоровье населения. Грязный воздух повышает риски развития рака легких, ишемической болезни сердца, цереброваскулярной болезни, хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) и других инфекций органов дыхания. Концентрация основных загрязняющих веществ (PM10, NO2 и SO2) во многих городах Казахстана превышает годовые предельные значения Европейского союза (ЕС). Экономический ущерб, связанный с экологическими нарушениями, складывается из трех составляющих: штрафы, накладываемые на предприятия, выплаты за выбросы в окружающую среду и прямой ущерб здоровью населения. Согласно данным Комитета по статистике Министерства национальной экономики Республики Казахстан основные выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух осуществлялись промышленными предприятиями, доля которых в 2018 году составила 84,9 % от всех выбросов. По данным OECD выплаты за выбросы в окружающую среду в 2020 году в Казахстане составили 240 млн. долларов. Увеличение затрат на здравоохранение данным Всемирного банка (2013 году) в связи с загрязнением воздуха по 4-м отобранным областям Казахстана, составило 1 341 миллионов 600 тысяч долларов США. Приведенные данные говорят об остроте проблемы, однако, до сих пор проведено лишь ограниченное количество исследований загрязненности городских агломераций Казахстана. Государственное регулирование в области охраны окружающей среды предусматривает проведение выборочных и внеплановых проверок предприятий, но по методике проведения экологического мониторинга проверка предприятий с высокой степенью риска проводится в среднем 2 раза в год. В результате количество собранных данных недостаточно для полноценной поддержки принятия решений регулирующими органами. Остается неразвитым сектор мониторинга экологически важных городских объектов, таких как: парковые зоны, древесные насаждения и пр.; состояние которых является неотъемлемой частью экологического состояния мегаполиса.
Вместе с тем международный опыт показывает, что применение беспилотных летательных аппаратов позволяет значительно сократить уровень загрязнения благодаря более частому мониторингу и отслеживанию источников загрязнения, развитию зон отдыха и природных резерватов. Возможность проведения мониторинга предельно допустимых концентраций и выбросов веществ с помощью БПЛА на систематической круглогодичной основе позволит лучше контролировать деятельность предприятий на соответствие экологическому законодательству и регистрировать правонарушения в режиме, близком к режиму реального времени.
Применение систем интеллектуальной обработки собранных данных на базе методов искусственного интеллекта позволит выполнять распознавание источников загрязнения, прогнозировать распространение загрязняющих веществ, осуществлять мониторинг экологически важных городских объектов и картировать полученные результаты. Калибровка данных БПЛА на доступную спутниковую информацию (оперативную и архивную) позволит сразу перейти к относительным оценкам без необходимости проведения многолетних наблюдений для накопления релевантных архивов. Все это позволит не только сократить расходы, связанные с экологическими нарушениями и выплатам за выбросы в окружающую среду, но и улучшить здоровье населения городов за счет лучшего администрирования экологическими объектами города, что в конечном итоге также приведет к положительному экономическому результату за счет повышения производительности труда и уменьшению затрат по нетрудоспособности. Вместе с тем, использование БПЛА и методов искусственного интеллекта для контроля загрязнений и состояния экологических объектов в городских агломерациях находится на ранней стадии разработки. Таким образом возникает потребность в разработке беспилотных летательных платформ для применения в городе, разработке или модификации, в соответствии с условиями предметной области, методов обработки собираемых данных, анализе возможностей применения беспилотных платформ в различных погодных условиях и выполнении сопряжения разновысотных данных дистанционного зондирования, включая орбитальные платформы. Это позволит предложить комплексное решение для оперативного контроля экологической обстановки в пределах городской агломерации и на прилегающих территориях. Настоящая программа направлена на создание основных программно- аппаратных компонентов подобного комплекса. В результате его выполнения будут получены следующие результаты: разработаны опытные образцы БПЛА и сопутствующего наземного оборудования для мониторинга в городской среде; разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для обработки данных и изображений, поступающих с борта БПЛА и спутников Земли, для решения задач планирования полетов, мониторинга, картирования в процессе экологического сопровождения в городской агломерации; разработаны рекомендации по реализации технологических решений мониторинга городской среды; разработана техническая документация, документация пользователя по использованию системы; развиты соответствующие компетенции в сфере экологического мониторинга с использованием интеллектуального анализа гетерогенных данных об экологическом состоянии городской агломерации.
Прямые результаты
По результатам программы должны быть получены:
- Опытный образец БПЛА и сопутствующего наземного оборудования для мониторинга в городской среде.
- Методы, алгоритмы и программное обеспечение для обработки данных и изображений, поступающих с борта БПЛА, для решения задач планирования полетов, мониторинга, картирования в процессе экологического сопровождения в городской агломерации.
- Рекомендации по реализации технологических решений мониторинга городской среды.
- Техническая документация и документация пользователя по использованию системы.
Публикации
1) не менее 5 (пяти) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению программы, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти);
2) не менее 7 (семи) статей в журналах, рекомендованных КОКНВО.
3) не менее 1 (одной) монографии или учебных пособия в зарубежных и (или) казахстанских издательств;
4) не менее 1 (одного) патента в зарубежных патентных бюро (европейском, американском, японском) или не менее 1 (одного) зарубежного или международного патента, включенного в базу данных Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics) либо не менее 3 (трех) объектов интеллектуальной собственности, зарегистрированных в Национальном Институте интеллектуальной собственности Республики Казахстан.
Косвенные результаты программы
- Повышение экологических показателей городского хозяйства путем контроля и последующего влияния на снижение вредных выбросов, мусора и т.п.
- Снижение энергопотребления и тепла в быту и на производстве за счет контроля утечек тепла
- Повышение качества жизни населения за счет оздоровления экологической среды города
- Повышение образовательного уровня за счет внедрения в образовательный процесс подготовки специалистов результатов программы