Mittausliiketoiminta tulevaisuudessa ja siihen sisältyvä laadunvarmistus

Transkriptio

1 Mittausliiketoiminta tulevaisuudessa ja siihen sisältyvä laadunvarmistus Jari Silander ( ) & Teemu Näykki, Suomen ympäristökeskus

2 SISÄLLYS Johdanto Ympäristömittaus Suomessa Markkinat Uudet menetelmät

3 JOHDANTO

4 Johdanto BigData Complex-Event Processing Crowdsourcing IoT Source (August 20, 2014 Most Hyped Tech: Big Data Out, IoT In Alex Woodie)

5

6 MONITOR2020 Kenttätyö Labora - torio Varastointi Alkukäsittely Ensikäyttö Toisiokäyttö Automaatio Uudet toimintamallit Liikkuvat alustat Teknologia Sensori- Mobiiliteknologia BigData Uudet liiketoiminnot Kansalaiset 6

7 Tiedon arvoketju: Aineistot Informaatio Tieto Ratkaisut Horisontaalinen + vertikaalinen integrointi tarpeen! Laboratorio Datan käsittely Informaation varastointi Tieto/ ratkaisut Näytteiden keruu Alkutuotanto-orientoitunut ketju Arvoketju Laatu erinomainen - Näytteenottajat sertifioitu - Laboratoriot akkreditoitu Arvopotentiaalia jää varastoon Reaaliaikaisuus?

8 MIKÄ MEITÄ KIINNOSTAA? - Ympäristön tila ja sen luotettavuus (Kotamäki) 8

9 TILA-ARVION LUOTETTAVUUS - Ympäristön tila-arvion luotettavuus (Kotamäki) 9

10 MARKKINAT

11 Ympäristöseurannat Suomessa Valtio yritys muut 1. Ympäristöhallinnon seuranta (lakiin perustuva) 2. Yritysten seuranta ( velvoitetarkkailu ) 3. Muut (ei kattavaa tietoa) Suurin osa tiedosta syntyy muualla kuin ympäristöhallinnossa

12 Ympäristöseurannat Suomessa Potentiaali ympäristöhallinto 1. Luonnonvarojen seuranta (vesi, ilma, maa+eläimet+kasvit, 2. Paineiden seuranta (vedenotto/käyttö, säännöstely, jätevesi, ) 3. Ympäristön tilan seuranta (vesi, ilma, metsät, biodiversiteetti, haitalliset aineet melu) 4. Vesi ja terveys & alueiden käyttö & ymp. Politiikka & ymp. näytepankit

13 Ympäristöseurannat voimavarat - ympäristöhallinto

14 Suomen hydrologinen seurantaohjelma & näytteenotto HAVAINTOVERKKO ( ) ASEMIEN LUKUMÄÄRÄ SYKE MUUT YHTEENSÄ HYDROMETEOROLOGIA sadanta lumen vesiarvo haihdunta (Class A) PINTAVEDET vedenkorkeus virtaama jään paksuus veden lämpötila HYDROGEOLOGIA pohjavesialueet roudan paksuus

15 Yritys ja luvat LAINSÄÄDÄNTÖÄ (Ympäristölaki & asetus) Vesiseurannat (Vesilaki Vesilain 2 luvun 22 :n) Ilmapäästöt (Ilmansuojelulaki 1982 / Ilman & Ilmanlaadun puitedirektiivi (1996/62/EY) /&asetus) Melu (ympäristönsuojelulain 43 ja 46 & Maankäyttö- ja rakennuslaki (132/1999) & (2002/49/EY). YRITYS 1. Suunnittelu 2. Toteutus 3. Raportointi 4. Kulut 5. Toimenpiteiden toteutus SIDOSRYHMÄT TARKKAILUSUUNNITELMA LUPAEHDOT TIEDON KÄYTTÖ (kansalaiset, raportointi, muu käyttö) VIRANOMAINEN (lupa, valvonta, ICT) TOIMINNANHARJOITTAJA (paine, suure, mittaus, käsittely, raportointi Vapaaeht. Ymp. hallintajärjestelmä ASIANTUNTIJA- LAITOS KONSULTTI Standardi menetelmät ja ohjeet Serti- ja verifionti SIDOSRYHMÄ POLIISI

16 Yritysten tarkkailun kuvaus Päästöjen tarkkailu (pääosin toiminnanharjoittajan suorittamiin toimiin viranomaisten hyväksymän tarkkailusuunnitelman mukaisesti) Raja-arvojen muoto (Päästöraja-arvot on määriteltävä yksiselitteisesti) Päästöjen mittaustavat ja menetelmät (vaihtoehtoisia menetelmiä) Jatkuvat mittaukset Jaksottaiset sekä näytteenotto ja analyysit Näytteenotto ja analyysit Laskennalliset menetelmät Päästö- ja tarkkailumääräyskehikko Lupamääräykset (Ilma, vesi, jätehuolto, melu ja tärinä, häriöt ja poikkeustilanteet) Tarkkailu- ja raportointi (päästöt, raportointi) Muut määräykset (energiatehokkuus..)

17 Yritysten ja ELY:jen näytteenotto SYKEn järjestelmä ~2012 (Kanninen, ELY)

18 Yritysten velvoitetarkkailut (arvio) kalataloudelliset 1000 kpl vesistötarkkailusuunnitelmia 700 kpl veden laadun havaintopaikkoja kpl kasviplanktonhavaintopaikkoja 100 pohjaeläinpaikkoja noin kpl. pohja- tai tekopohjavedenottamolupia ~300 kpl. ilman laatua seurataan noin 30 mittausverkoissa noin 60 paikkakunnalla 18

19 ph mittaukset Historia (Silander, SYKE) Kemisti Arnold Beckman keksi 1934, myöhemmin fotometrin. Vuosi Painot Myynti Hinta kg e g e Pääpaino anturien kehittämisessä: Epävarmuuden hallinta Stabiiliuden hallinta *(Association for Sensor Technology 2014) Kestävyys ja stabiilius parantunut, metallioksidielektrodien tultua markkinoille (Zhuiykov 2010). Nykyisin kentällä voidaan mitata luotettavasti mm. ph:ta, happea, lämpötilaa, sameutta ja sähkönjohtavuutta.

20 Need for water quality sensor measurements The need for sensor technology is indicated also by the size of global markets. Revenues for the global sensor market in 2009 were estimated to be 33 billion, reaching 53 billion by 2013 [Frost & Sullivan, 2010]. The environmental sector is one of the fastest growing in the sensor market. Measurements such as monitoring emissions from mines and waste treatment plants are a rapidly growing business sector

21 UUDET MENETELMÄT

22 OPEN DATA CROWDSOURCING ENVIRONMENT OBSERVATIONS

23 CUSTOMER End-user OPEN DATA Services Data Integration INTEGRATION & Delivery Modeling DATA KAUPPA se CROWD DATA EQUIPMENT Sensors Cost Benefit

24 CROWDS: REVIEW & LESSONS LEARNED 1. No clustering X = Scientific sampling -> mass participation Y = Basic -> Elaborate (Roy, H. et.al (2012) Understanding Citizen Science and Environmental Monitoring, UK Environmental Observation Framework Hobfeld, T, Hirth, M. et. Al. (2014). Best Practices and Recommendations for Crowdsourced QoE - Lessons learned from the Qualinet Task Force "Crowdsourcing. White paper verision. COST action IC1003.

25 CROWD SOURCING EXAMPLES PAPER COMPUTER WWW MOBILE IoT HYDROLOGICAL ICE BREKA UPS 1693 WEATHER JEFFERSON USA 1776 BIRDS ~1900 GAME ANIMALS 1970 s BUTTERFLY 1999 PLANT ENEMY ~2000 LAKE WIKI 2011 SENSOR 2013 LAKE Järvi- MeriWiki 2014 MEGATRENDS: URBANIZATION DIGITALSATION GLOBALISATION MOTIVATION: SAFETY SELFACTUALIZATION SOCIAL SIZE: 1k 10k 100k

26 Levävahti visuaalinen havainto (Silander, SYKE) (hinta 0 e) Koejärjestely (n. 274 kpl, sovellus App kaupassa, mainostettu esim. Maailmankylä tapahtumassa) Vapaaehtoisia (n. 127 kpl vertailtavissa) Ammattilaisten (A&B, n. 46 kpl kuvia jotka hyväksyttiin vertailuun) Vertailut: 0 levää & 1 ei levää (A = B ~0,97; A ja B = kansalainen ~0,9) Vertailu: 0, 1, 2, 3 (A=B ~0,56; A= kansalainen ~0,67; B = kansalainen ~0,14) 26

27 (hinta < 50 e) ROADMAP DIY-SENSOR DISSERTATIONES CHIMICAE UNIVERSITATIS TARTUENSIS 140 TEEMU NÄYKKI Novel Tools for Water Quality Monitoring From Field to Laboratory PROTOTYPE COMMERICIAL VERSION

28 Testaus - Sechhi3000 (tutkimus & kehitys & laboratorio & koekäyttö) 28

29 MALLINNUS - Optimize (Msc. Thesis Jadwiga Buchwald) Class Ecology Chemical priority (33) Biology lake (4) Chemical pollution (15) Plankton (4) Fish Total biomass Mixed Models N P Temp O ph Time

30 MALLINNUS: Benfit of basic variables for models? - Optimize use of voluntary data Total Observations Classified bodies biomassa Total Number (%) number (%) Original Modelling 1st round Modelling 2nd round Variable Number Site:id data Total biomassa 2751 Cyanobacterai (%) 2751 Trofiaindex 2751 A-chlorophyll Alkalinity ~ Color ~ Conductivity ~ Total N ~ Temperature ~ Turbidity ~ ~ Lake_id ~ Classificaton_id ~ Montoring_sitei_ode ~ ~ ~ ~ Max. Dept ~ Water type ~ Municipality ~ Catchment_nr ~ Day ~ Month ~ Year ~20 000

31 SATELLIITTIHAVAINNOT (MMEA ja MONITOR2020 hanke ENVIBASE Sentinel2.. ) Today you can use uncertainty of snow maps (develop in MMEA) S FSC,t = (FSC) (FSC) (FSC) S S + (FSC) + (FSC) t S S (FSC) S Maa-asemat n. 20 kpl (intensiivimittauksia)

32 AUTOMAATTIMITTAUKSISTA (MMEA ja muuta hankkeet 32

33 Field Proficiency Tests SYKE has organized five proficiency tests and one pilot comparison for field sensors Keravanjoki, Vantaa 2013 and 2014 Oulujoki, Oulu 2014 Gulf of Finland, R/V Aranda 2014 Evo, Lammi 2015 Kallavesi, Kuopio 2015 Measurands: dissolved oxygen, conductivity, ph, temperature, turbidity Overall, the results have been positive

34 Real-time uncertainty estimation Laboratories typically implement the quality management systems according to standard ISO/IEC Validation Proficiency tests Quality control Estimation of measurement uncertainty Challenge: The anticipated pressure for utilization of field sensors in situ in water monitoring requires immediate actions in setting up similar tools for assessment of the quality of data produced by these instruments. ENVICAL SYKE has investigated the real-time estimation of measurement uncertainty for field measurement A novel approach for the automated turbidity measuring system with a computer software application (AutoMUkit) for real-time uncertainty estimation

35 Automated turbidity measuring system for real-time uncertainty estimation using AutoMUkit

36 Quality assurance of field sensors Calibration platform for water quality sensors at LYNET laboratory in Oulu Tero Väisänen 36

37 YHTEENVETO Kokonaisepävarmuus kiinnostaa päätöksenteossa Mallintaminen tukee epävarmuuksien hallintaa BigData tuli jäädäkseen Automatisointi jatkuu, mallinnusta asemilla Organisaatiot ostavat palveluita Parhaat käytännöt yleistyvät Taloudellisuus korostuu

38 Related publications Näykki T., Novel tools for water quality monitoring From field to laboratory, Dissertationes chimicae Universitatis Tartuensis, 140, University of Tartu, 2014, Näykki T., Virtanen A., Kaukonen L., Magnusson B., Väisänen T., Leito I. Application of the Nordtest method for real-time uncertainty estimation of on-line field measurement, Environ Monit Assess, 2015, 187:630, DOI /s Leivuori M., Näykki T., Leito I., Helm I., Jalukse L., Kaukonen L., Hänninen P., Ilmakunnas M., Field measurement intercomparison. Field measurement of dissolved oxygen concentrations. Reports of the Finnish Environment Institute, 24/2014: Suomen ympäristökeskus, 2014, Näykki T., Virtanen A., Leito I., Software support for the Nordtest method of measurement uncertainty evaluation, Accredit Qual Assur 2012, 17: Näykki T., Koponen S., Väisänen T., Pyhälahti T., Toivanen T., Leito I., Validation of a new measuring system for water turbidity field measurements, Accredit Qual Assur, 2014, 19 (3): Näykki T., Jalukse L., Helm I., Leito I., Dissolved Oxygen Concentration Interlaboratory Comparison: What Can We Learn?, Water, 2013, 5, Näykki T., Magnusson B., Helm I., Jalukse L., Väisänen T., Leito I., Comparison of measurement uncertainty estimates using quality control and validation data, J Chem Metrol, 2014, 8 (1): 1 12 Näykki T., Leivuori M., Björklöf K., Väisänen R., Laine M., Väisänen T., Leito I., Proficiency test of ph, Conductivity and Dissolved Oxygen Concentration Field Measurements in River Water, Accredit Qual Assur, 2014, 19: Näykki T., Sara-Aho T., T. Väisänen, Leito I., Application of enriched stable 196 Hg isotope for monitoring the stability of total mercury in water samples, accepted for publication in Int J Environ Anal Chem, 2014, doi: / Handbook for Calculation of Measurement Uncertainty in Environmental Laboratories, Magnusson, B., Näykki, T., Hovind, H., Krysell, M., Report of the Nordtest project , June 2003 (revised in 2004 and 2011). Measurement uncertainty revisited: Alternative approaches to uncertainty evaluation, (As a part of Eurolab expert group on measurement uncertainty), Eurolab Technical Report No. 1/2007, March