Воздух под контролем: как с помощью ИИ в Вышке научились вести мониторинг перемещения загрязняющих веществ
Система прогнозирования пространственного распределения вредных веществ в атмосферном воздухе с помощью ИИ, разработанная в Вышке, была представлена в программе «Чудо техники» на телеканале НТВ. На данный момент система тестируется и совершенствуется на данных, поступающих более чем с 20 реальных точек контроля, расположенных в разных городах и регионах страны.
Мониторинг перемещения загрязняющих веществ в атмосфере востребован для оценки воздействия на здоровье человека, окружающую среду, контроля над выбросами и планирования эффективных мер по защите окружающей среды. Существует необходимость определить, как будет двигаться выброс при имеющихся физических параметрах: температуре, скорости и направлении ветра, атмосферном давлении и т.д.
Для решения этой задачи ученые Центра искусственного интеллекта НИУ ВШЭ применили модели рассеивания: заранее зная источник и параметры вещества, можно построить прогноз распространения этих веществ на определенной территории и в определенное время. При этом учитывается динамика погодных условий во время выброса.
Система прогнозирования на основе искусственного интеллекта обучена подстраиваться под разные ситуации и может предсказывать перемещение вредных веществ с меньшими вычислительными затратами по сравнению с классическими математическими моделями. Интеллектуальная система позволяет также решать задачу идентификации первичного источника выброса при известных значениях наблюдений и погодных условиях. Модель строит путь от точки фиксации выброса до предполагаемого источника и моделирует этот выброс. Все стадии обработки данных в системе связаны между собой и позволяют решать различные задачи, связанные с распространением выбросов.
Игорь Черницин
Работе системы был посвящен сюжет программы «Чудо техники» на телеканале НТВ. «Когда мы предоставляем этот удобный инструмент для городских служб экомониторинга, они могут гораздо быстрее заметить какой-то уровень превышений и предотвратить его. И, соответственно, предугадывать, что будет происходить на следующий день, и контролировать технологические процессы компаний», — рассказал журналистам Игорь Черницин, стажер-исследователь Научно-учебной лаборатории междисциплинарных эмпирических исследований НИУ ВШЭ в Перми.
Система работает с данными, получаемыми со станций контроля качества воздуха. Сначала данные проверяются и конвертируются в корректный для дальнейшей обработки формат при помощи аналитических моделей и модели рассеивания. С помощью моделей краткосрочного прогнозирования система получает концентрацию определенного вещества для следующего дня — это и есть прогноз в точке контроля. Модель обучена и протестирована на нескольких веществах — частицах пыли, сероводороде, оксиде азота, аммиаке и метане. Но при необходимости круг веществ может быть расширен на этапе обучения системы.
Преимущества модели по сравнению с существующими аналогами заключаются в быстроте обучения и точности прогноза. Обучение модели занимает не более 10 минут, и с каждым новым прогнозом оно сокращается вплоть до секунды, модель обучается ежедневно.
Алексей Масютин
«Еще одна задача — это разбор полетов, выяснение того, откуда этот выброс произошел, что привело к его возникновению. Это обратная задача, когда по имеющейся траектории мы вычисляем, какая наиболее вероятная точка — источник этого выброса. Когда у нас есть несколько предприятий, мы можем с большей вероятностью найти виновника этого выброса и именно с этим предприятием работать», — в свою очередь отметил в эфире НТВ Алексей Масютин, руководитель Центра ИИ НИУ ВШЭ.
На данный момент система тестируется и совершенствуется на данных, поступающих более чем с 20 реальных точек контроля в Москве, Новосибирске, Перми и Челябинске. В своей работе модель не только учитывает исторические данные за несколько лет, но и использует онлайн-измерения. Разработка Центра ИИ востребована как среди промышленных предприятий для контроля уровня загрязнения, так и среди государственных учреждений для принятия решений о дальнейших мерах с целью снижения влияния выбросов на окружающую среду.
В НИУ ВШЭ получен патент на изобретение №2799893 — «Система прогнозирования пространственного распределения вредных веществ в атмосферном воздухе» от 13.07.2023.