Mittausliiketoiminta tulevaisuudessa ja siihen sisältyvä laadunvarmistus Jari Silander (040 747 3881) & Teemu Näykki, Suomen ympäristökeskus N.N@ymparisto.fi 17.11.2015
SISÄLLYS Johdanto Ympäristömittaus Suomessa Markkinat Uudet menetelmät
JOHDANTO
Johdanto BigData Complex-Event Processing Crowdsourcing IoT Source (August 20, 2014 Most Hyped Tech: Big Data Out, IoT In Alex Woodie)
MONITOR2020 Kenttätyö Labora - torio Varastointi Alkukäsittely Ensikäyttö Toisiokäyttö Automaatio Uudet toimintamallit Liikkuvat alustat Teknologia Sensori- Mobiiliteknologia BigData Uudet liiketoiminnot Kansalaiset 6
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?
MIKÄ MEITÄ KIINNOSTAA? - Ympäristön tila ja sen luotettavuus (Kotamäki) 8
TILA-ARVION LUOTETTAVUUS - Ympäristön tila-arvion luotettavuus (Kotamäki) 9
MARKKINAT
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
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
Ympäristöseurannat voimavarat - ympäristöhallinto
Suomen hydrologinen seurantaohjelma & näytteenotto HAVAINTOVERKKO (2009-2012) ASEMIEN LUKUMÄÄRÄ SYKE MUUT YHTEENSÄ HYDROMETEOROLOGIA sadanta - 250 250 lumen vesiarvo 160-160 haihdunta (Class A) 5 5 10 PINTAVEDET vedenkorkeus 270 110 380 virtaama 190 110 300 jään paksuus 55-55 veden lämpötila 45-45 HYDROGEOLOGIA pohjavesialueet 80-80 roudan paksuus 40-40 18.11.2015
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
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..)
Yritysten ja ELY:jen näytteenotto SYKEn järjestelmä ~2012 (Kanninen, ELY)
Yritysten velvoitetarkkailut (arvio) kalataloudelliset 1000 kpl vesistötarkkailusuunnitelmia 700 kpl veden laadun havaintopaikkoja 4 500 kpl kasviplanktonhavaintopaikkoja 100 pohjaeläinpaikkoja noin 1 200 kpl. pohja- tai tekopohjavedenottamolupia ~300 kpl. ilman laatua seurataan noin 30 mittausverkoissa noin 60 paikkakunnalla 18
ph mittaukset Historia (Silander, SYKE) Kemisti Arnold Beckman keksi 1934, myöhemmin fotometrin. Vuosi Painot Myynti Hinta 1950 3 kg 5 000 1 500 e 2010 20 g 1 000 000 20 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.
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. 18.11.2015 20
UUDET MENETELMÄT
OPEN DATA CROWDSOURCING ENVIRONMENT OBSERVATIONS
CUSTOMER End-user OPEN DATA Services Data Integration INTEGRATION & Delivery Modeling DATA KAUPPA se CROWD DATA EQUIPMENT Sensors Cost Benefit
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.
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
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
(hinta < 50 e) ROADMAP DIY-SENSOR DISSERTATIONES CHIMICAE UNIVERSITATIS TARTUENSIS 140 TEEMU NÄYKKI Novel Tools for Water Quality Monitoring From Field to Laboratory 2011 2013 2015 PROTOTYPE COMMERICIAL VERSION
Testaus - Sechhi3000 (tutkimus & kehitys & laboratorio & koekäyttö) 28
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
MALLINNUS: Benfit of basic variables for models? - Optimize use of voluntary data Total Observations Classified bodies biomassa Total Number (%) number (%) Original 979 18 172 79 Modelling 1st round 2571 48 210 96 Modelling 2nd round 4174 77 217 99 Variable Number Site:id 17783 data 17783 Total biomassa 2751 Cyanobacterai (%) 2751 Trofiaindex 2751 A-chlorophyll 16462 Alkalinity ~10 000 Color ~20 000 Conductivity ~20 000 Total N ~20 000 Temperature ~20 000 Turbidity ~10 000 ~20 000 Lake_id ~20 000 Classificaton_id ~20 000 Montoring_sitei_ode ~20 000. ~20 000. ~20 000. ~20 000 Max. Dept ~20 000 Water type ~20 000 Municipality ~20 000 Catchment_nr ~20 000 Day ~20 000 Month ~20 000 Year ~20 000
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)
AUTOMAATTIMITTAUKSISTA (MMEA ja muuta hankkeet 32
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. 18.11.2015 33
Real-time uncertainty estimation Laboratories typically implement the quality management systems according to standard ISO/IEC 17025 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. 18.11.2015 34
Automated turbidity measuring system for real-time uncertainty estimation using AutoMUkit 18.11.2015 35
Quality assurance of field sensors 18.11.2015 Calibration platform for water quality sensors at LYNET laboratory in Oulu Tero Väisänen 36
YHTEENVETO Kokonaisepävarmuus kiinnostaa päätöksenteossa Mallintaminen tukee epävarmuuksien hallintaa BigData tuli jäädäkseen Automatisointi jatkuu, mallinnusta asemilla Organisaatiot ostavat palveluita Parhaat käytännöt yleistyvät Taloudellisuus korostuu 18.11.2015 37
Related publications Näykki T., Novel tools for water quality monitoring From field to laboratory, Dissertationes chimicae Universitatis Tartuensis, 140, University of Tartu, 2014, http://hdl.handle.net/10062/42500 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 10.1007/s10661-015-4856-0 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, http://hdl.handle.net/10138/135827 Näykki T., Virtanen A., Leito I., Software support for the Nordtest method of measurement uncertainty evaluation, Accredit Qual Assur 2012, 17:603 612 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):175 183 Näykki T., Jalukse L., Helm I., Leito I., Dissolved Oxygen Concentration Interlaboratory Comparison: What Can We Learn?, Water, 2013, 5, 420-442. 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, 19:259 268 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:10.1080/03067319.2014.983493 Handbook for Calculation of Measurement Uncertainty in Environmental Laboratories, Magnusson, B., Näykki, T., Hovind, H., Krysell, M., Report of the Nordtest project 1589-02, 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 2007. 18.11.2015 38