IoT System for Water Quality Management

 Autonomous System Internet of Things (IoT) for Water Quality Monitoring and Operational Support in Threats Identification

ASIR

Early warning system,Autonomous IoT System, Identification of threats,Pollution of rivers

The goal of the project is to develop and introduce to the market an innovative Autonomous Internet of Things (IoT) System for Water Quality Monitoring and Operational Support for Threat Identification adapted to river environment conditions, operating continuously. This system integrates three components that are innovative on a global scale:

(1) Autonomous Measurement Station – monitoring 10 key physicochemical water parameters such as: pH, chlorides, nitrates(V), ammonium ions, orthophosphates(V), conductivity, oxygen, water temperature, flow velocity, depth. Seven of these will be measured using the patent technology (P.446260) of the applicant, with a roller system module equipped with several hundred disposable and inexpensive miniature sensors that do not require calibration or cleaning. After a sensor loses its analytical parameters, it is automatically replaced with a new one. The continuity of operation for 365 days a year is ensured by a micro-hydroelectric generator powered by flowing water and the heating of electronic systems for stable operation in winter conditions.

(2) Smart Cloud-based Management System for Measurement Stations (SCMS-MS) – a platform for monitoring, managing, and analyzing data equipped with AI modules that identify anomalies and predict water parameter values 72 hours in advance.

(3) Interactive National River Pollution Risk Map – a tool supporting the selection of an optimal measurement plan and the proper placement of measurement stations in the area under study.

The project is being carried out by an experienced interdisciplinary consortium consisting of Warsaw University of Technology – Leader, IMGW-PIB, and companies MAGLY and NEBUCODE. The commercialization model based on the low cost of the measurement station and a subscription offer tailored to the needs of different recipients will make the developed system available to every interested party.

From 01-09-2024 to 30-08-2027

Przedmiotem i celem projektu jest opracowanie Autonomicznego Systemu Internetu Rzeczy (IoT) do Monitorowania Jakości Wód oraz Operacyjnego Wspomagania Identyfikacji Zagrożeń składającego się z Autonomicznej Stacji Pomiarowej (ASP), Inteligentnego Chmurowego Systemu Zarządzania Stacjami Pomiarowymi (ICSZ-SP) oraz Interaktywnej Krajowej Mapy Ryzyka Zanieczyszczeniem Rzek (IKMR). ASP będzie dostosowana do warunków rzecznych oraz będzie monitorować w trybie ciągłym 365 dni w roku 10 kluczowych parametrów fizykochemicznych: pH, zawartość  chlorków, azotanów(V), jonów  amonowych, ortofosforanów(V), tlenu, przewodność, temperatura wody, prędkość przepływu i głębokość. ICSZ-SP nie tylko zasygnalizuje bieżące zagrożenia dla ekosystemów, ale będzie również w stanie przewidywać potencjalne skutki dla środowiska, umożliwiając odpowiednie i wczesne działania w celu eliminacji zanieczyszczeń. Natomiast IKMR będzie narzędziem wspierającym we: właściwym doborze lokalizacji ASP na obszarze badanym,  optymalnym planowaniu większych sieci pomiarowych ASP oraz doborze odpowiedniego programu pomiarowego. 

Cel projektu wpisuje się w założenia konkursu, w tym dot. opracowania nowoczesnego narzędzia spełniającego założenia systemu baz danych do zbierania i przetwarzania wyników z wykorzystaniem projektów stacji pomiarowej tworzących w systemie rzecznym sieć punktów pomiarowych niezbędnych do zautomatyzowanego monitoringu i identyfikacji zagrożeń.

Odbiorcami opracowywanego w ramach projektu rozwiązania będą różnorodne podmioty:  instytucje odpowiedzialne  za gospodarkę wodną i ochronę środowiska, przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjne, jednostki samorządu terytorialnego ale również przedsiębiorstwa niezależnie od ich wielkości, które będą zainteresowane monitorowaniem jakości wód w trybie ciągłym. Koszt sprzedaży stacji pomiarowej szacuje się na 60 000 zł netto / sztuka natomiast koszt sprzedaży subskrypcji systemu ICSZ-SP jest szacowany na od 50 zł netto do 600 zł netto msc./ aktywna stacja pomiarowa, w zależności od wybranego planu (plany różnią się dostępnymi modułami systemu).

Najistotniejsze funkcjonalności rezultatu końcowego projektu to:

(1) Autonomiczna Stacja Pomiarowa będzie reprezentować nową generację inteligentnych narzędzi do monitorowania jakości wody w sposób ciągły, i będzie cechować się następującymi funkcjonalnościami:

(1a) Unikalna technologia autonomii energetycznej, specjalnie zaprojektowana, w celu dostosowania do warunków atmosferycznych rzek będących na obszarach niskiego nasłonecznienia, zapewniając nieprzerwane działanie urządzenia przez 365 dni w roku dzięki ciągłemu generowaniu energii z płynącej wody poprzez zastosowanie innowacyjnej technologii mikro hydrogeneratora.

(1b) System pomiarowy będzie bazować na innowacyjnych modułach pomiarowych zintegrowanych z automatycznie wymienialnymi po utracie parametrów analitycznych miniaturowych sensorach na elastycznym podłożu zwiniętym w rolkę, które nie będą wymagać kalibracji, ani regularnego czyszczenia. Miniaturowe sensory będą wykonane w technologii elektroniki drukowanej. Jest to jeden z dwóch obszarów elektroniki rozwijający się obecnie najszybciej dzięki taniej technologii wytwarzania i możliwości łatwego skalowania. Moduły pomiarowe będą natomiast zintegrowane z konstrukcją stacji pomiarowej i systemem próbkowania wody dostarczającym próbki wody do modułu pomiarowego w przepływie laminarnym z głębokości nawet do 10 m. Podejście to znacząco obniży koszty eksploatacji i zwiększy dostępność szczególnie wśród podmiotów nie posiadających personelu o specjalistycznych kwalifikacjach.

(1c)  Konstrukcja stacji, oparta na nowoczesnej technologii 3D, będzie modułowa umożliwiając jej dalszy rozwój, jednocześnie zapewniając  wysoką wyporność, wytrzymałość i efektywność kosztową.

(1d) System podgrzewania zintegrowany z układami elektronicznymi Autonomicznej Stacji Pomiarowej, który umożliwi jej działanie nawet w ekstremalnych warunkach zimowych, eliminując potrzebę kosztownego demontażu sezonowego. Jej komunikacyjne zdolności będą oparte na nowoczesnych energooszczędnych technologiach Internetu Rzeczy (IoT), co otworzy drzwi do nowych możliwości w zakresie budowania sieci pomiarowej typu mesh oraz dwukierunkowej komunikacji w czasie rzeczywistym. Dzięki temu stacja będzie mogła również odbierać informacje, plany pomiarowe czy instrukcje do wykonania od operatora.

(1e) Zaawansowany system antykradzieżowy i antywandalistyczny, który nie tylko będzie monitorować swoje otoczenie, ale również skutecznie świetlnie i dźwiękowo odstraszać potencjalne zagrożenia, gwarantując bezproblemową pracę przez wiele lat.

(2) Inteligentny Chmurowy System Zarządzania Stacjami Pomiarowymi (ICSZ-SP) zostanie zaprojektowany jako zaawansowana wszechstronna platforma działająca w infrastrukturze chmurowej do monitorowania, zarządzania i analizy danych zebranych z autonomicznych stacjach pomiarowych. Jego architektura będzie oparta na szeregu innowacyjnych modułów:

(2a) Moduł prognozowania wartości parametrów fizykochemicznych wody, który bazując na opracowanych zaawansowanych modelach matematycznych regresji dla interakcji parametrów wodnych, intensywnemu treningu sieci neuronowych oraz opracowanym samoczynnym algorytmom doskonalącym w oparciu o dane historyczne i rzeczywiste będzie prezentować wiarygodne prognozy parametrów fizykochemicznych analizowanej wody na najbliższe 72 godziny, co umożliwi operatorowi podjęcie w odpowiednio wczesnym czasie decyzji i działań mających na celu eliminację zagrożenia pojawienia się zanieczyszczenia wody.

(2b) Moduł identyfikujący anomalie w danych pomiarowych, który pozwoli  na błyskawiczne wykrywanie ewentualnych nieprawidłowości w działaniu systemu pomiarowego,  umożliwiając  operatorom  podjęcie szybkiej reakcji w celu zachowania ciągłości monitoringu.

(2c) Moduł optymalizacji lokalizacji stacji pomiarowych oraz planowania sieci pomiarowej. Prawidłowa lokalizacja stacji pomiarowej i jej program pomiarowy jest kluczowy do prowadzenia efektywnego i wiarygodnego w odniesieniu do całego badanego obszaru monitoringu stanu jakości wody. Moduł ten umożliwi operatorowi stworzenie wiarygodnego i efektywnego programu pomiarowego, będzie dostarczał sugestii optymalizujących rozmieszczenie stacji w badanym obszarze oraz ułatwi tworzenie sieci pomiarowej na większych obszarach.

(2d) Moduł diagnostyczny, który pozwoli na śledzenie aktualnego stanu zużycia oraz działania komponentów i systemów w autonomicznej stacji pomiarowej. W razie zbliżania się do zużycia danego komponentu, wykrycia uszkodzeń czy innych nieprawidłowości, przedstawi on natychmiastową diagnozę pozwalającą na szybkie, efektywne i skuteczne prace konserwacyjne.

(2e)Moduł REST API, który pozwoli na swobodne i intuicyjne połączenie oraz synchronizację danych generowanych i zbieranych przez system ICSZ-SP z zewnętrznymi bazami danych. Dzięki temu operatorzy systemu będą mogli bezproblemowo zintegrować dane z zewnętrznymi aplikacjami i systemami, które wykorzystują w codziennej pracy lub potrzebne są im do realizacji określonych projektów lub/i zadań.

(2f) Moduł obrazujący wyniki stacji pomiarowych, który będzie on odpowiedzialny za prezentację stanu jakości wód w intuicyjnej i estetycznej formie. Dzięki niemu operatorzy stacji pomiarowych będą mogli w łatwy i szybki sposób udostępniać wyniki badań wybranej grupie odbiorców poprzez przejrzystą platformę internetową aktualizowaną w czasie rzeczywistym.

(2g) Moduł umożliwiający ustawienie automatycznego dostarczania powiadomień o istotnych wydarzeniach związanych z działaniem stacji pomiarowych. Będzie on dawał operatorowi możliwość wyboru rodzaju powiadomienia (email, SMS, push), nadawania powiadomieniom wagi czy też tworzenia schematów dostarczania konkretnych rodzajów powiadomień dla konkretnych osób lub/i grup.  Umożliwi to operatorom planowanie wewnętrznych schematów operacyjnych zapewniających szybką reakcję w każdej sytuacji, co przełoży się na zwiększone bezpieczeństwo i efektywność działania sieci pomiarowej.

(2h) Całość ICSZ-SP zostanie dopełniona przez innowacyjny centralny model danych oparty o Sztuczną Inteligencję. Jego zaawansowane możliwości pozwolą na zbieranie i analizowanie informacji pochodzących od wielu różnych podmiotów (które wyrażą na to zgodę), od indywidualnych stacji pomiarowych po bardziej skomplikowane sieci monitorujące. Ta zdolność do agregacji dużej ilości danych w jednym miejscu przyniesie niespotykane dotąd korzyści. Sztuczna Inteligencja, będąca sercem tego modelu, będzie nieustannie uczyć się na podstawie napływających danych. Oznacza to, że im więcej informacji będzie przetwarzane przez system, tym bardziej zaawansowane i precyzyjne staną się algorytmy SI innych modułów. Ich zdolność do adaptacji i uczenia na podstawie nowych danych pozwalających na identyfikację wzorców, które są niewidoczne przez tradycyjne systemy monitorowania. W praktyce przełoży się to na zdolność systemu do wczesnego wykrywania potencjalnych zagrożeń dla jakości wód, identyfikacji nowych źródeł zanieczyszczeń czy prognozowania przyszłych zmian w ekosystemach wodnych na podstawie bieżących i historycznych danych. Dodatkowo, centralny model danych oparty na Sztucznej Inteligencji umożliwi tworzenie skomplikowanych symulacji i modeli prognostycznych. To zaawansowane narzędzie analityczne w przyszłości umożliwi ekspertom podejmowanie decyzji opartych na wiarygodnych danych i wnikliwej analizie, a nie jedynie na subiektywnych obserwacjach czy intuicji. W efekcie, zastosowanie Sztucznej Inteligencji w centralnym modelu danych przyniesie prawdziwą rewolucję w dziedzinie monitoringu jakości wód, umożliwiając bardziej efektywne, szybkie i precyzyjne zarządzanie zasobami wodnymi oraz reagowanie na zagrożenia w sposób bardziej świadomy i przemyślany.

(3) Interaktywna Krajowa Mapa Ryzyka Zanieczyszczeniem Rzek (IKMR-ZR) będzie nowoczesnym i innowacyjnym narzędziem mającym na celu dostarczenie aktualnych informacji na temat ryzyka zanieczyszczeniem rzek w kraju. Mapa zostanie opracowana na bazie ogólnodostępnych danych, które zostaną zintegrowane, przetworzone i zanalizowane pod kątem sektorowych źródeł zanieczyszczeń powodujących podwyższony poziom ryzyka zanieczyszczeniem dla danego odcinka rzeki. Narzędzie będzie w stanie dostarczać informacji niezbędnych dla dokładnego zrozumienia sytuacji ekologicznej rzek w różnych regionach kraju. Jednym z kluczowych elementów mapy będzie zdolność do prezentowania informacji w sposób zintegrowany. Operatorzy opracowywanego systemu będą mogli nie tylko sprawdzić poziom ryzyka zanieczyszczenia w konkretnym obszarze, ale także zrozumieć przyczyny tego zjawiska. Mapa uwzględni zarówno czynniki naturalne, takie jak procesy erozyjne czy naturalne występowanie pewnych substancji w wodzie, jak i te wynikające z działalności człowieka, takie jak zrzuty ścieków z zakładów przemysłowych. Dla potencjalnych klientów, takich jak lokalne władze, przedsiębiorstwa czy organizacje ekologiczne, mapa stanie się cennym źródłem wiedzy. Umożliwi identyfikację obszarów szczególnie narażonych na zanieczyszczenia oraz głównych typów zanieczyszczeń występujących w danym regionie. Narzędzie te wesprze ich przy planowaniu lokalizacji stacji pomiarowych lub sieci pomiarowych, których celem będzie skuteczne i reprezentatywne dla obszaru badanego monitorowanie jakości wód w trybie ciągłym. Ponadto, mapa będzie stanowić również kluczowy element dla wnioskodawcy w kontekście sukcesu komercyjnego projektu. Przy użyciu tego narzędzia wnioskodawca będzie mógł precyzyjnie i efektywnie kierować swoje działania marketingowe i sprzedażowe w konkretne regiony lub branże, które najbardziej potrzebują opracowanego rozwiązania. W rezultacie, interaktywna krajowa mapa ryzyka zanieczyszczeniem rzek  nie tylko wzbogaci ofertę wnioskodawcy, ale również pozwoli zbudować jego pozycję na rynku jako lidera w dziedzinie innowacyjnych rozwiązań monitorujących jakość wód.

Uzasadnienie stanowiące podstawę do podjęcia badań nad niniejszym tematem:

Badania przeprowadzone przez WWF wskazują, że do 2027 roku aż 90% badanych dorzeczy w krajach UE będzie charakteryzować się nieodpowiednią jakością wód, co oznacza że wiele krajów nie osiągnie prawnie zobowiązującego celu Unii Europejskiej dotyczącego przywrócenia odpowiedniej jakości wód słodkich na kontynencie. Aby rozpocząć przywracanie odpowiedniej jakości wód, kluczowe jest wprowadzenie monitorowania ich stanu w trybie ciągłym.  Mimo tragicznych wydarzeń związanych z katastrofą na rzece Odra w 2022 roku, w Polsce liczba stacji do ciągłego monitoringu jakość wody wynosi jedynie 9 szt. (stan na dzień 12.10.2023 r.). Podobna sytuacja ma miejsce w większości krajów europejskich. Ta niska intensywność monitoringu wód w trybie ciągłym w Polsce i innych krajach Europy Wschodniej jest spowodowana brakiem dostosowanych do naszych warunków infrastrukturalnych i środowiskowych rozwiązań technologicznych. 

Istniejące sensory i stacje pomiarowe, takie jak te dostarczane przez min.: YSI, NEXSENS, HYDROMET czy OTT, stały się standardem w zakresie monitoringu jakości wody, lecz ich pierwotne przeznaczenie to zastosowania oceaniczne i morskie. Rozwiązania te nie radzą sobie w zróżnicowanych środowiskach rzecznych. Zarastanie biofilmem, który jest powszechny w rzekach, znacząco wpływa na parametry analityczne sensorów tych urządzeń – a w konsekwencji wymusza regularną kalibrację i konserwację przez wykwalifikowany personel, co jest kosztowne i czasochłonne. Stacje pomiarowe w związku z brakiem nasłonecznienia czy ekstremalnie niskimi temperaturami wymagają częstego interweniowania ze strony człowieka. Istniejące na rynku rozwiązania technologiczne, takie jak panele słoneczne czy małe akumulatory w stacjach pomiarowych, są niewystarczające w tutejszych warunkach. Systemy przesyłania danych oraz systemy IT dostępnych rozwiązań są przestarzałe – wymuszają integrację, przetwarzanie i analizę ogromnych zbiorów danych w sposób manualny co jest również kosztowne i czasochłonne. Światowe korporacje skupiają się od lat na sprawdzonych technologiach, co doprowadziło do zastojów w tworzeniu innowacji w dziedzinie monitorowania jakości wody. Jest to wynik technologicznego kredytu, jaki te firmy zaciągnęły, koncentrując się na jednym podejściu przez zbyt długi czas. Istnieje więc pilna potrzeba eksplorowania nowych, innowacyjnych rozwiązań, które będą lepiej dostosowane do specyfiki ekosystemów rzecznych i odpowiedzą na dynamicznie zmieniające się warunki środowiskowe.

Problemy badawcze:

(1) Opracowanie tanich w produkcji, niewymagających kalibracji ani czyszczenia miniaturowych sensorów umieszczonych na elastycznych podłożach, które będą służyć do pomiaru parametrów wody, takich jak przewodność, tlen, pH, chlorki, azotany(V), jonów amonowe oraz ortofosforany(V). Celem jest opracowanie sensorów tego typu w technologii elektroniki drukowanej oraz ich integracja w osobne moduły pomiarowe. Te moduły będą zawierać setki elastycznych sensorów różnego typu, umieszczonych na zwiniętych rolkach elastycznego podłoża, co umożliwii automatyczną wymianę sensora na nowy, gdy jego parametry analityczne ulegną pogorszeniu w systemie rolkowym. Natomiast miniaturyzacja sensorów oraz ich dostosowanie do przemysłowych technologii produkcji elektroniki drukowanej pozwoli znacznie obniżyć koszty produkcji w porównaniu do konkurencyjnych rozwiązań.

(2) Opracowanie konstrukcji stacji pomiarowej o dużej wyporności, wytrzymałości i modułowości, a także opracowanie systemu zasilania oraz technologii podgrzewania układów elektronicznych, które zapewnią niezawodne jej działanie przez 365 dni w roku. Planowane jest opracowanie technologii mikro hydrogeneratora generującego energię z płynącej wody, zintegrowanego z akumulatorem podtrzymującym i panelami słonecznymi. Będzie to system zasilania, który zapewni ciągłą pracę stacji, niezależnie od warunków atmosferycznych. Planowane jest opracowanie technologii umieszczania zintegrowanych warstw miedzi pomiędzy tradycyjnymi warstwami obwodów drukowanych, co umożliwi podgrzewanie układów do temperatury 0°C, zapewniając ich poprawne działanie nawet w ujemnych temperaturach. Planowane jest opracowanie konstrukcji stacji pomiarowej w technologii 3D FDM o specjalnie zaprojektowanym wypełnieniu, które zwiększy wytrzymałość i wyporność stacji jednocześnie zapewniając modularność umożliwiającą jej prostą rozbudowę. 

(3) Opracowanie skutecznego algorytmu opartego na sztucznej inteligencji (SI) prognozującego wartości parametrów fizykochemicznych wody na 72 godziny do przodu, opracowanie  efektywnego algorytmu SI identyfikującego anomalie w systemie pomiarowym oraz budowa wydajnej architektury centralnego modelu danych, który będzie wykorzystywać SI do ciągłego rozwoju każdego z algorytmów na podstawie napływających danych. Planowane jest opracowanie algorytmu AI opartego o sieci neuronowe typu LSTM do prognozowania parametrów fizykochemicznych, opracowanie algorytmu AI opartego o Isolation Forest do wykrywania anomalii w danych oraz badania nad opracowaniem centralnego modelu danych stosując podejście Federated Learning oraz Embeddings for Similarity Learning. 

(4) Identyfikacja i parametryzacja kluczowych czynników środowiskowych oraz antropogenicznych kształtujących ryzyko zanieczyszczeniem rzek oraz właściwe odwzorowanie ich wzajemnych zależności czasowo-przestrzennych w skali kraju. Zadaniem będzie: (i)  opracowanie zintegrowanej, dostępnej cyfrowo informacji przestrzennej wskazującej obszary najbardziej narażone na sektorowe zanieczyszczenia rzek stanowiącej narzędzie komunikacyjne do podnoszenia świadomości społecznej i będącej podstawą zakładania lokalnych sieci pomiarowych, (ii) identyfikacja i parametryzacja kluczowych czynników środowiskowych oraz antropogenicznych kształtujących ryzyko zanieczyszczeniem rzek oraz właściwe odwzorowanie ich wzajemnych zależności czasowo-przestrzennych w skali kraju do oceny poziomu ryzyka w skali lokalnej (iii) opracowanie modelu czasowo-przestrzennych zależności kształtujących poziom ryzyka zanieczyszczeniem rzek w różnych skalach przestrzennych pozwalającego na ukierunkowanie i optymalizację sieci pomiarowej.

Rozwiązanie powyższych problemów badawczych przyczyni się do opracowania innowacyjnego na skalę międzynarodową rozwiązania umożliwiającego monitorowanie parametrów fizykochemicznych wody w trybie ciągłym dostosowanego do warunków rzecznych. Rozwiązanie to pozwoli na znaczące skrócenie czasu reakcji na pojawiające się problemy czy też katastrofy ekologiczne umożliwiając podjęcie w odpowiednie wczesnym czasie decyzji i działań mających na celu eliminację zagrożenia pojawienia się zanieczyszczenia wody.

Rezultatem projektu jest wprowadzenie na rynek innowacyjnego, dostosowanego do warunków rzecznych Autonomicznego Systemu Internetu Rzeczy (IoT) do Monitorowania Jakości Wód oraz Operacyjnego Wspomagania Identyfikacji Zagrożeń w trybie ciągłym. System ten będzie integrować trzy główne komponenty: 

(1) Autonomiczną Stację Pomiarową (ASP) o najważniejszych funkcjonalnościach: 

(1a) System autonomii energetycznej stacji pomiarowej (zdolność do nieprzerwanego, samodzielnego działania przez 365 dni w roku bez potrzeby interwencji zewnętrznej lub regularnej wymiany akumulatora), 

(1b) Monitoring 10 parametrów fizykochemicznych wody (zdolność do dokładnego monitorowania 10 kluczowych parametrów fizykochemicznych wody. Są to: pH, chlorki, azotany(V), jony amonowe, ortofosforany(V), przewodność, tlen, temperatura wody,  prędkość przepływu, głębokość), 

(1c) System  pomiarowy nie wymagający kalibracji ani czyszczenia (zdolność do prowadzenia ciągłych powtarzalnych pomiarów bez wymogu kalibracji ani czyszczenia przez co najmniej  3 miesiące, potem wymiana modułu pomiarowego), 

(1d) Prosta konserwacja systemu pomiarowego (z możliwością wymiany modułów pomiarowych  przez osoby nie posiadające specjalnych kwalifikacji w mniej niż 5 minut), 

(1e) Uniwersalny system komunikacyjny Internetu Rzeczy IoT (działający niezawodnie w różnych środowiskach i warunkach dzięki technologiom GSM (w wariantach 3G, 4G LTE), LORA oraz Bluetooth, umożliwiając zdalna diagnostytkę, prostą konserwację oraz dwustronną komunikację z systemem ICSZ-SP)

(1f) Konstrukcja w technologii 3D (wytrzymała, wyporna i modularna konstrukcja umożliwiająca ciągły rozwój funkcjonalności oraz dostosowanie do indywidualnych potrzeb klienta)

(1g) System podgrzewania umożliwiający pracę w warunkach zimowych (nieprzerwane działanie, bez ryzyka przerw technicznych związanych z ujemnymi temperaturami)

(1h) System antywandalistyczny i antykradzieżowy (zapewniający skuteczną ochronę przed aktami wandalizmu i próbami kradzieży poprzez monitorowanie otoczenia i wydawanie odstraszających komunikatów głosowych)

(2) Inteligentny Chmurowy System Zarządzania Stacjami Pomiarowymi (ICSZ-SP) o najważniejszych funkcjonalnościach:

(2a) Moduł obrazujący w formie platformy, wyniki ze stacji pomiarowych udostępniany przez podmiot (możliwość prostego i szybkiego udostępnienia danych pomiarowych w wybrany przez operatora systemu sposób pod wybraną domeną internetową dla określonej grupy odbiorców)

(2b) Moduł identyfikujący anomalie w danych fizykochemicznych wody (zdolność do szybkiego wykrywania anomalii pomiarowych wywołanych błędnym działaniem systemu pomiarowego skracając czas reakcji i minimalizując potencjalne przerwy w monitoringu)

(2c) Moduł prognozowania wartości parametrów fizykochemicznych wody na 72h do przodu (umożliwiający szybką reakcję na pojawiające się problemy czy też katastrofy ekologiczne dając szansę operatorom na podjęcie w odpowiednio wczesnym czasie decyzji i działań mających na celu eliminację zagrożenia pojawienia się zanieczyszczenia wody)

(2d) Moduł Automatycznych Powiadomień (dający operatorom możliwość przypisania do odpowiednich alertów systemu wagi powiadomień i przypisania powiadomienia w dowolnej formie SMS, email lub powiadomienie push dla każdego użytkownika lub grup systemu oddzielnie upraszczając znacząco organizację pracy poszczególnych działów operatora)

(2e) Moduł diagnostyczny do wykrywania uszkodzeń elementów autonomicznych stacji pomiarowych (umożliwiający szybką zdalną diagnoza ewentualnych uszkodzeń redukując czas prac konserwacyjnych i przestoju pomiarów)

(2f) Moduł REST API (umożliwiający prostą integrację z dowolnymi zewnętrznymi systemami chmurowymi)

(2g) Centralny model danych oparty o SI (umożliwiający ciągłą optymalizację i ulepszanie działania modułu AI identyfikującego anomalię w danych fizykochemicznych wody oraz prognozującego wartości fizykochemicznych wody na najbliższe 72h)

(3)  Interaktywną Krajową Mapę Ryzyka Zanieczyszczeniem Rzek (IKMR-ZR) o najważniejszych funkcjonalnościach:

(3a) Moduł decyzyjny do optymalizacji lokalizacji stacji oraz planowania sieci pomiarowej (również zintegrowany z ICSZ-SP dający operatorom możliwość poprawnego umieszczenia stacji pomiarowej na obszarze badanym bez konieczności angażowania specjalistycznej kadry, dobrania odpowiedniego planu pomiarowego oraz optymalnego planowania sieci pomiarowych)

(3b) Mapa prezentowana publicznie na stronie sprzedażowej ASIR, obejmująca cały kraj i przedstawiająca ryzyko zanieczyszczeniem rzek w sposób – umożliwiając potencjalnym klientom głębsze zrozumienie problemu poprzez dostęp do dokładnych danych o ryzyku dla danego obszaru oraz możliwość rozróżnienia i zidentyfikowania przyczyn wystąpienia ryzyka. 

Ważną funkcjonalnością rezultatu projektu jest również przełomowe podejście do komercjalizacji poprzez model biznesowy zapewniający wszechstronną dostępność opracowywanego rozwiązania. Planowane jest wprowadzenie stacji pomiarowej o niskim koszcie wdrożenia, wynoszącym 60 000 zł netto za jednostkę, co uczyni technologię dostępną dla szerokiego grona odbiorców (konkurencyjne rozwiązania to min. 250 000 zł). Dodatkowo, przewiduje się ofertę kilku rodzajów subskrypcji systemu ICSZ-SP w kwotach od 50 zł netto do 600 zł netto / miesięcznie za jedną aktywną stację pomiarową, które będą różnić się zakresem dostępnych modułów, w zależności od potrzeb zainteresowanego podmiotu. Dzięki temu podejściu powstanie system monitoringu jakości wody, który będzie kompleksowy, niezawodny, ale co najważniejsze, dostępny dla różnorodnych podmiotów – od mniejszych przedsiębiorstw, przez instytucje badawcze, aż po podmioty państwowe, niezależnie od ich skali działalności. Przyczyni się to do podnoszenia dostępności do informacji o jakości otaczających nas wód oraz podnoszenia świadomości społecznej na temat znaczenia ochrony wód i ekosystemów wodnych w naszym kraju, w Europie i na świecie.

Zakładany rezultat projektu jest ukierunkowany na rozwiązanie problemu związanego z niską intensywnością monitoringu wód rzecznych w trybie ciągłym w Polsce, Europie i na świecie, która jest spowodowana brakiem dostępnych na rynku rozwiązań technologicznych dostosowanych do warunków rzecznych. Mimo tragicznych wydarzeń związanych z katastrofą na rzece Odrze w 2022 roku, w Polsce liczba stacji do ciągłego monitoringu jakość wody wynosi jedynie 9 szt. (stan na dzień 12.10.2023 r.). Podobna sytuacja ma miejsce w Europie i na świecie. 

Dostępne na rynku rozwiązania czyli boje pomiarowe producentów takich jak NEXSENS, YSI, OTT, HYDROMET, LG itd. oferujące monitoring parametrów fizykochemicznych wody w trybie ciągłym są przeznaczone do zastosowania na obszarach wysoce nasłonecznionych w wodach o niskim zróżnicowaniu środowiskowym takich jak duże jeziora, oceany i morza. Sensory w postaci sond multi parametrycznych stosowane w dostępnych na rynku bojach pomiarowych nie są przystosowane do zróżnicowanych i dynamicznie zmieniających się warunków wód rzecznych. Rzeki, ze względu na swoją zmienność, mają większą zawartość zanieczyszczeń, osadów i czynników biologicznych. To przyczynia się do szybkiego zarastania sensorów przez biofilm, co z kolei prowadzi do szybkiego pogorszenia parametrów analitycznych sensorów, niedokładnych pomiarów, zwiększenia ryzyka podejmowania błędnych decyzji i konieczności prowadzenia kontrolnych manualnych poborów próbek. Wynikająca z tego potrzeba regularnej konserwacji  systemów pomiarowych przez wykwalifikowany personel generuje dodatkowe ogromne koszty operacyjne. Ponadto, ceny sond multi parametrycznych, które zaczynają się od 240 000 złotych, stanowią barierę ekonomiczną dla większości podmiotów.  Boje pomiarowe dostępne na rynku charakteryzują się również niską wypornością, co ogranicza możliwość używania większych akumulatorów oraz zaawansowanych systemów zabezpieczeń. Ich zasilane oparte jedynie o panele słoneczne, sprawia, że są narażone na szybkie wyładowywanie się akumulatorów w warunkach słabego nasłonecznienia lub/i niskich temperatur. Niskie temperatury negatywnie wpływają też na działanie układów elektronicznych, prowadząc do przerw w działaniu stacji, problemów z komunikacją i konieczności sezonowego demontażu, co z kolei zakłóca ciągłość danych i zwiększa koszty. Systemy analizy danych dostępne na rynku skupiają się głównie na prezentacji danych w formie wykresów lub eksportowaniu ich. Brakuje kompleksowych narzędzi umożliwiających dokładną analizę, co wymaga manualnej pracy wielu specjalistów. Nie ma także modelu do oceny ryzyka zanieczyszczenia rzek dla potrzeb wspierania operatorów systemów pomiarowych w prawidłowym umieszczeniu stacji pomiarowych, efektywnym i optymalnym rozmieszczaniu sieci pomiarowych oraz dobieraniu odpowiednich programów pomiarowych.

Podsumowując, na rynku brak jest rozwiązań alternatywnych do wspomnianych sond multi parametrycznych, brak jest nowoczesnych konstrukcji stacji pomiarowych, brak jest rozwiązań efektywnych energetycznie, które pozwoliłyby na nieprzerwane ich działanie w warunkach dłuższego braku słońca czy też na energooszczędne podtrzymywanie stałej temperatury układów elektronicznych zapewniając ich niezawodność oraz brak jest systemów analizy danych opartych o SI oraz uczenie maszynowe, które mogłyby dostarczyć niezwykle ważnych funkcjonalności analitycznych takich jak np. prognozowanie jakości wody. Zakładany rezultat projektu uzupełnia te braki, zaspokaja ww. potrzeby co daje mu dużą szansę na praktyczne zastosowanie.

Proponowany rezultat projektu to produkt w postaci Autonomicznego Systemu Internetu Rzeczy (IoT) do Monitorowania Jakości Wód oraz Operacyjnego Wspomagania Identyfikacji Zagrożeń w trybie ciągłym. System ten będzie integrować trzy główne komponenty: Autonomiczną Stację Pomiarową (ASP), Inteligentny Chmurowy System Zarządzania Stacjami Pomiarowymi (ICSZ-SP) oraz Interaktywną Krajową Mapę Ryzyka Zanieczyszczeniem Rzek (IKMR-ZR). 

W dostępnych na rynku bojach pomiarowych stosuje się sensory w formie sond multiparametrycznych, które mierzą do 6 parametrów i są zanurzone bezpośrednio w wodzie. Te sensory nie są przystosowane do zróżnicowanych i dynamicznie zmieniających się warunków wód rzecznych. Rzeki, ze względu na swoją zmienną naturę, mają większą zawartość zanieczyszczeń, osadów i czynników biologicznych, co skutkuje szybkim zarastaniem sensorów przez biofilm. Parametry analityczne sensorów szybko się pogarszają, co prowadzi do niedokładnych pomiarów, zwiększając ryzyko podejmowania błędnych decyzji. Regularna konserwacja tych urządzeń przez wykwalifikowany personel generuje dodatkowe koszty. Sondy multiparametryczne kosztują od 240 000 złotych, co stanowi barierę ekonomiczną dla wielu instytucji. Proponowane rozwiązanie pozwala na pomiar aż 10 kluczowych parametrów wody. Siedem z nich, takich jak pH, chlorki, azotany(V), jony amonowe, ortofosforany(V), przewodność oraz tlen, będzie mierzone w innowacyjny sposób przy użyciu opracowywanych modułów pomiarowych z unikalnym systemem rolkowym. System ten składa się z rolki zasobnikowej przechowującej elastyczną folię z kilkaset miniaturowymi sensorami oraz rolki odbiorczej zintegrowanej z silnikiem krokowym. Gdy sensor traci swoje parametry analityczne, system rolkowy przesuwa zużyty sensor na rolkę odbiorczą, wprowadzając nowy sensor z rolki zasobnikowej. Po zużyciu wszystkich sensorów, folia z miniaturowymi sensorami jest wymieniana. Wymiana może być przeprowadzana przez osoby nie posiadające specjalnych kwalifikacji w ciągu maks. 5 minut. Dzięki temu podejściu, wiarygodność pomiarów jest utrzymywana przez co najmniej 3 miesiące. Koszt jednej rolki sensorycznej to jedynie 600 zł netto. W przyszłości istnieje także potencjał do tworzenia rolek mierzących inne parametry fizykochemiczne wody, kompatybilnych z tą technologią. Pozostałe trzy parametry takie jak temperatura wody, prędkość przepływu oraz głębokość  będą mierzone za pomocą dostępnych komercyjnie sensorów.

Obecnie dostępne boje pomiarowe mają niską wyporność i modułowość, nie mogą również być rozbudowywane, co ogranicza możliwość zamontowania większych akumulatorów oraz zaawansowanych systemów, takich jak zabezpieczenia antywandalistyczne czy antykradzieżowe. Zasilane są jedynie z paneli słonecznych, co prowadzi do problemów w warunkach ograniczonego nasłonecznienia lub niskich temperatur. W takich okolicznościach akumulatory tracą pojemność i wyładowywują się w zaledwie 3-4 dni. Niskie temperatury również mają negatywny wpływ na funkcjonowanie układów elektronicznych tych rozwiązań. Skutkuje to przerwami w działaniu, problemami komunikacyjnymi, koniecznością sezonowego demontażu, a co za tym idzie, przerwami w ciągłości zbieranych danych i wzrostem kosztów operacyjnych. Dostępne na rynku boje pomiarowe są kosztowne, przykładowo najtańszy model NEXSENS (bez systemu pomiarowego) to wydatek przekraczający $2000. Istniejące rozwiązania, gdy napotykają problemy, wymagają interwencji konserwacyjnych bez możliwości wstępnej diagnozy, co podnosi koszty i komplikuje proces. W dodatku, brak w nich efektywnych systemów prewencyjnych przeciw aktom  wandalizmu czy kradzieży wskutek ograniczonej wyporności i braku modułowości konstrukcji. Ograniczenia te wynikają z metody produkcyjnej konstrukcji, jaką jest technologia wtryskowa, co utrudnia integrację zaawansowanych systemów wewnątrz konstrukcji. W rejonach bez zasięgu GSM, dostępne boje nie są w stanie przesyłać danych, co uniemożliwia zdalne monitorowanie pomiarów w czasie rzeczywistym. Wszystkie te problemy stanowią barierę dla prowadzenia przez zainteresowane podmioty efektywnego i ciągłego monitoringu parametrów wody. Proponowane rozwiązanie będzie oparte na konstrukcji stworzonej w technologii 3D z specjalnie zaprojektowanym wypełnieniem składającym się z oddzielnych komór powietrza, co zwiększa wytrzymałość i wyporność konstrukcji oraz umożliwia dodanie dodatkowych funkcjonalności. Konstrukcja będzie również modułowa, co pozwoli na łatwe dostosowywanie się do różnych wymagań klientów. System zasilania zostanie oparty na innowacyjnym mikrohydrogeneratorze, który będzie zdolny generować energię z płynącej wody. Przy przepływie 1.00 m/s będzie w  stanie dostarczyć energii wystarczającej do nieprzerwanego 365 dni w roku, nawet w zimie (większość rzek ma przepływ znacznie wyższy niż 1 m/s). Układy elektroniczne w proponowanym rozwiązaniu będą zawierały opracowywaną w ramach projektu technologię zintegrowanej warstwy miedzi pomiędzy tradycyjnymi warstwami obwodów drukowanych. Dzięki temu układy elektroniczne będą podgrzewane tak, aby utrzymać ich temperaturę powyżej 0 °C, co zapewni ich niezawodność nawet w niskich temperaturach i dostarczy niezawodny przesył danych i funkcjonowanie systemu bez ryzyka przerw technicznych. Proponowany system będzie miał również uniwersalny system komunikacyjny IoT oparty na technologiach GSM (w wariantach 3G, 4G LTE), LORA oraz Bluetooth. Dzięki temu będzie oferował wielokanałową i wszechstronną komunikację, zintegrowaną z systemem diagnostycznym umożliwiającym zdalną podstawową diagnozę oraz dedykowaną aplikację techniczną komunikującą się przez Bluetooth (np. z łodzi), która znacząco ułatwi dogłębną diagnozę, analizę, konfigurację i konserwację. Gdy zasięg GSM będzie w planowanej lokalizacji niedostępny, system będzie korzystał z technologii LoRa. W takiej sytuacji, specjalnie opracowana stacja przekierowująca zostanie umiejscowiona na lądzie i podłączona do stałego zasilania. Stacja przekierowująca będzie miała wzmocniony nadajnik GSM + LoRa, i będzie  zbierała dane od stacji pomiarowej i przesyłała je dalej do chmury, co umożliwi pokrycie obszarów poza zasięgiem GSM zwiększając dostępność proponowanego rozwiązania. Dzięki modułowej konstrukcji, proponowane rozwiązanie będzie również wyposażone w dedykowany system antywandalistyczny i antykradzieżowy. System ten będzie chronić stację pomiarową przed aktami wandalizmu i kradzieży, monitorując otoczenie i emitując odpowiednio skonstruowane komunikaty świetlne i głosowe, co znacznie zminimalizuje ryzyko wystąpienia takich aktów oraz zwiększy zaufanie do produktu

Obecnie dostępne na rynku systemy analizy danych do stacji pomiarowych są ograniczone i służą głównie do prezentacji danych w postaci prostych wykresów lub eksportowania ich do innych formatów. Kompleksowa i dokładna analiza tak dużej ilości danych jest niezbędna w celu uzyskania rzetelnych informacji. To z kolei wymusza na operatorach tych systemów manualną analizę przeprowadzaną przez wielu specjalistów, co jest czasochłonne, kosztowne i podatne na błędy. Proponowane rozwiązanie to Inteligentny Chmurowy System Zarządzania Stacjami Pomiarowymi (ICSZ-SP), który wyróżni się szeregiem innowacyjnych funkcjonalności. System ICSZ-SP będzie posiadał również rewolucyjny moduł SI prognozowania wartości parametrów wody na nadchodzące 72h o średnim błędzie bewzględnym (MAPE ≤ 20%) , co pozwoli operatorom monitoringu na szybką reakcję na ewentualne zagrożenia. Anomalie pomiarowe związane  z błędnym działaniem systemu pomiarowego będą rozpoznawane dzięki dedykowanemu modułowi SI o AUC-ROC ≥0.65, skracając czas reakcji na potencjalne błędy i skracając przerwy w monitoringu. Aby usprawnić komunikację, zostanie opracowany moduł Automatycznych Powiadomień, który umożliwii indywidualne dostosowanie wagi i formy powiadomień dla różnych użytkowników lub grup. Z kolei moduł diagnostyczny pozwoli na błyskawiczne wykrywanie potencjalnych uszkodzeń stacji pomiarowych, co znacząco zredukuje czas koniecznych prac konserwacyjnych. Integracja z innymi systemami chmurowymi stanie się łatwa dzięki modułowi REST API. System ICSZ-SP będzie również posiadał moduł optymalizacji lokalizacji stacji i skutecznego planowanie sieci pomiarowej, umożliwiając ich efektywne rozmieszczenie. Będzie to możliwe dzięki opracowywanej w ramach projektu Interaktywnej Krajowej Mapy Ryzyka Zanieczyszczeniem Rzek. Całość systemu ICS-SP zostanie zintegrowana z dedykowanym centralnym modelem danych opartym o oddzielny model SI, który będzie bazując na pojawiających się danych i analizowaniu zależności na bieżąco doskonalić działanie modułów AI w całym systemie.

Ważną cechą rezultatu projektu jest również innowacyjne podejście do komercjalizacji, które opiera się na atrakcyjnym modelu biznesowym nakierowanym na dostępności opracowywanego systemu dla mniejszych i większych podmiotów pod kątem ekonomicznym. Koszt stacji pomiarowej szacowany jest na zaledwie 60 000 zł netto za jednostkę, w porównaniu konkurencyjne rozwiązania to koszt min.  250 000 zł. Ponad to będziemy oferować różne plany subskrypcji systemu ICSZ-SP, z cenami szacowanymi od 50 zł netto do 600 zł netto msc./aktywna stacja pomiarowa – każdy z planów będzie dostosowany do indywidualnych potrzeb klienta i różnić się będzie zakresem dostępnych modułów  systemu ICSZ-SP.  Model ten zapewni dostępność rozwiązania  dla różnorodnych podmiotów – od mniejszych przedsiębiorstw, przez instytucje badawcze, aż po podmioty państwowe, niezależnie od ich skali działalności. 

Powyżej opisane cechy i funkcjonalności proponowanego rozwiązania względem tych dostępnych na rynku świadczą o tym, że rezultat projektu w postaci Autonomicznego Systemu Internetu Rzeczy (IoT) do Monitorowania Jakości Wód oraz Operacyjnego Wspomagania Identyfikacji Zagrożeń w trybie ciągłym to innowacja produktowa na skalę międzynarodową.