Veštačkom inteligencijom protiv lošeg kvaliteta vazduha

“Na sreću naše vreme prate tehnologije poput veštačke inteligencije i superračunara koje nam mogu pomoći da ostvarimo uvid u životnu sredinu i procese koji se u njoj dešavaju na sasvim drugačiji način”, kaže dr Andreja Stojić iz Instituta za fiziku u Beogradu, koji je deo tima ATLAS projekta finansiranog od strane Fonda za nauku Republike Srbije.

Kako javnost u Srbiji poslednjih godina postaje sve više svesna lošeg kvaliteta vazduha i potrebom da se ovaj problem reši, u šezdeset četvrtoj epizodi Eureke razgovarali smo sa dr Stojićem kako nam veštačka inteligencija može pomoći u tome.

Kako ste prepoznali da bi mašinsko učenje moglo da pruži dodatnu dimenziju istraživanju?

Životna sredina je veoma kompleksan sistem. U njoj se definišu mnogi procesi u koje na primer spadaju atmosferska hemija, meteorološki procesi, topografija. Dakle, sijaset faktora oblikuje evoluciju zagađujućih supstanci na datom mestu. Ako bismo pokušali da napišemo jednačine i pristupimo tradicionalno rešavanju tog kompleksnog pitanja, bojim se da bi set jednačina bio beskonačno veliki i da ne ih bismo imali dovoljno da opišemo ono što se dešava. Drugi aspekt problema je tradicionalni pogled zastupljen u proučavanju životne sredine gde ljudi koji se njom bave pokušavaju sve da sagledaju uglavnom jednostavnim analizama izmerenih podataka, praktično gledanjem u brojeve koji bi trebalo nešto da znače. Zbrajanjem te dve činjenice zapravo dolazimo do onoga što moramo da uradimo ne bismo li unapredili stanje životne sredine. Moramo se izmestiti na neko novo stanovište, moramo se izmestiti sa tih jednostavnih polaznih osnova i to neminovno vodi u uključivanje novih tehnologija.

Često se raspravlja o glavom uzroku zagađenja, da li je to saobraćaj, industrija, privatna ložišta… Da li bi vaš projekat i u tom smeru mogao da pruži dodatne informacije?

Ne samo naš projekat. Tokom vanredng stanja smo u Institutu obavili merenja stanja kvaliteta vazduha. Igrom slučaja uspeli smo da uhvatimo stanje pre zatvaranja, a onda smo to učinili i za vreme i nakon zatvaranja. To je bila sjajna prilika da obavimo eksperiment u praktično relanim uslovima gde su nam pandemijski uslovi, iako negativni sami po sebi, omogućili da steknemo uvid u promenu stanja kvaliteta vazduha izazvanu promenjenim aktivnostima ljudi. Iz tih podataka koje tek treba da analiziramo iz svih mogućih uglova može se videti da se neka jedinjenja koja su karakteristična za saobraćaj možda ne ponašaju onako kako bismo očekivali. Recimo, koncentracija bezena je padala tokom vanrednog stanja ali nastavila je da pada i nakon njegovog ukidanja.

Pored praćenja koncentracije isparljivih organskih jedinjenja, preuzeli smo i podatke sa Epla i Gugla koji su bave mobilnošću ljudi i ne samo da li su koristili saobraćaj nego i šta su ljudi posećivali. Jesu li boravili u parkovima, da li su posećivali apoteke, išli na posao, ostajali kod kuće… I upravo to nam ukazuje da saobraćaj verovatno nije primarni izvor zagađenja. Šta su ključni izvori, imaćemo priliku da na osnovu dubokih analiza podataka konačno i shvatimo. Za sada znamo da su individualna ložišta jedan od ključnih problema zato što se u Srbiji kao primarno gorivo koristi lignit koji je niskokaloričan i za postizanje određene temperature treba spaliti velike količine ovog goriva što znači i veliku emisiju zagađujućih supstanci. Jedan od uzroka je i daljinski sistem grejanja koji je nedovoljno razvijen, a treba napomenuti i da je u Beogradu i okolini pozicioniran i veliki broj industrijskih postrojenja. Sve zajedno utiče na nepovoljno stanje kvaliteta vazduha. Tome bih morao da dodam da se neke mere koje bi mogle da budu donete na osnovu znanja koja do sada imamo nažalost ne donose. Jedan od ključnih problema u bavljenju zageđenjem vazduha je sigurno potpuno zastareli princip bavljenja tim problemom.

Kako se na globalnom nivou pristupa ovom problemu?

Možemo da pogledamo sve sa dve strane: jedna kaže da se, naročito u zapadnim zemljama, ali u poslednje vreme i u Kini, situacija popravlja zato što je odluka da se u tom smeru krene doneta i to ne samo od strane vlasti, već ljudi žele da žive u boljem ambijentu. Donosi se niz mera koje ljudi poštuju i sve ide svojim tokom. Primećeno je da mnoge zemlje Evrope imaju sve bolji kvalitet životne sredine. Sa druge strane, u nekom smislu primena najnaprednijih metoda analize i kod njih izostaje. U tom smislu ne moramo uopšte da zaostajemo za svetom. Naprotiv, imamo mogućnost da budemo pioniri u ovoj oblasti i naš projekat predstavlja jednu od osnova za praktična rešenja. Fokusirali smo se na sveobuhvatan način analize podataka koji dolaze iz ove oblasti. Podaci obiluju nesigurnostima koje su posledica raznih efekata, od mernih instrumenata do same analize ili pripreme podataka. Kada se tako procesirani podaci uvrste u neke metode veštačke inteligencije, sama predviđanja koja ona daje ali i način na koji povezuje na primer koncentracije polutanata sa ambijentom u kom se one dešavaju, postaju nesamerljivo bolja. Zamislite to znanje koje bi se iscrplo iz datih baza podataka kada bi se upreglo u neki format koji bi bio jasan donosiocima odluka, do čega bi to dovelo. To je, mislim, put za budućnost. Odnosno, to su sve tehnologije koje su danas aktuelne, koje postoje, ali su nezastupljene na onim mestima na kojima treba da bude. Tu smo da pokažemo njihovu prednost u odnosu na tradicionalni pristup. Da tradicionalni pristup funckioniše, danas ne bismo pričali o ovome. Treba promeniti čitavu paradigmu.

Kako se koriste veliki podaci?

Ono što je ključno za analizu bilo kog fenomena jeste broj primera. Na primer zamislimo da ste košarkaški trener i želite da sve tajne košarke otkrijete gledajući samo jedan tim koji igra stalno protiv drugog tima. Mogli biste svašta da zaključite, ali ako biste dobili posao u drugom timu, u kojoj meri bi to bilo primenljivo? U tom smislu posmatrajući životne sredinu, nameću se jednostavna pitanja. Stanje kvaliteta vazduha u gradu od 2 miliona ljudi može biti bolje ili lošije nego u nekom manjem gradu. Uzmimo za primer Valjevo koje ima problem sa kvalitetom vazduha. Da li uzroci stanja kvaliteta u Valjevu i Beogradu mogu biti isti? Mogu biti slični u nekoj meri, a iz nekih uglova ne mogu. Zatim možemo da se izmestimo iz naše zemlje i zapitamo se kakva je situacija u Nemačkoj, Rusiji, Kini, Japanu. Da li postoji neki najmanji zajednički sadržalac? Sasvim je moguće.

Možemo da se fokusiramo na jedan proces. Meni je interesantna grmljavina zato što kada imamo u atmosferi veliku količinu naelektrisanja, dolazi do inteziviranja nekih hemijskih reakcija koje produkuju nova jedinjenja. Inicijalno stanje vazduha se menja tokom grmljavine, ali nije isto kada grmi u zagađenoj i nezagađenoj sredini. Isto zavisi čime je zagađena, kojih jedinjenja ima, šta će da se desi. Ako bismo želeli takav proces da proučavamo u Beogradu – koliko ima dana kada grmi? Nema mnogo. Dođemo do onoga što je nužno učiniti, prikupiti podatke koji se sakpljaju decenijama unazad,a postoje javno dostupni repozitorijumi. Preuzeli smo baze podataka iz Evrope i Severne Amerike koji su vrlo detaljni i kvalitetni. Zamislie koliko primera za date fenomene imamo kada sakupimo podatke sa desetina hiljada mesta. Potrebno je povezati fenomen koji želimo da analiziramo (benzen) sa ambijentom u kom se evolucija koncentracije događa. Nameće se pitanje kako analizirati. Statistika ima svoje sjajne strane, ali i ograničenja kada je potrebno prepustiti analitici neki agnostički pristup, a to znači ne učitavati u sistem neka naša predubeđenja. Ako želimo da pustimo sistem da sam istraži kakve su veze, prirodno se nameće veštačka inteligencija. Drugi stub analize kada imamo mnogo podataka i metode koje su napredne, predstavlja superračunar koji je stožer svega ovoga. To što superračunari nisu ušli u analizu kvaliteta životne sredine, pokazuje da se generalno na planetarnom nivou ovim problemom još uvek ljudi ne bave na adekvatan način.

Ko može da koristi podatke do kojih dođete u svom projektu?

Ideja nije da metodologija koja bude razvijena ostane u naučnim ustanovama koje rade na projektu, već da napravimo sistem koji će omogućiti ljudima koji se ne razumeju u mašinsko učenje i skidanje podataka iz repoziorijuma, da koriste sve moći superkompjutera i veštačke inteligencije i objedinjenih podataka o stanju kvaliteta životne sredine. Želimo da napravimo platformu koja je jednostavna za korišćenje. Sistem u kom će bilo ko zaintersovan moći da se upita na primer šta određuje koncentraciju benzena u priobalju i u industrijskim sredinama, kakva je razlika između te evolucije u Evropi i Americi, kakva je uloga pritiska, kakva je veza između benzena i čestica… Pripadam onoj generaciji koja je čitala knjigu “1000 zašto, 1000 zato”. Ova platforma treba da bude neki digitalni oblik koji će odgovarati na beskrajno zašto.

Istraživač ste Laboratorije za fiziku životne sredine Instituta za fiziku. Kakav je to spoj – fizika i životna sredina?

U nekom trenutku se razmišljalo o zaposlenju, pa sam dobio poziv od druga da se priključim toj laboratoriji zajedno sa koleginicom Mirjanom Perišić. Sećam se kako je nekom prilikom u razgovoru jedan kolega rekao da je možda pravi trenutak da se bavimo životnom sredinom ovaj trenutak. Odnosno, da je sadašnje vreme ono koje nameću potrebu da se upregnu znanja i iskustva iz drugih oblasti i da pokušamo da saniramo ovo stanje kvaliteta životne sredine i ponudimo bolju budućnost svima nama zajedno, naročito našoj deci. Tako smo se Mirjana i ja našli tamo. Sama Laboratorija obuhvata dominantno eksperimentalne osnove bavljenja životnom sredinom. Analiziraju se i vazduh i zemljište, biološki uzorci, vrše se daljinska osmatranja, radi se i modeliranje. Tu su zaposleni fizičari, hemičari, meteorolozi. U jednom trenutku formirala se podgrupa koja je krenula u duboku analizu podataka primenom veštačke inteligencije. Mi smo timski igrači, volimo rad u timu i rezultati dolaze. Samo se nadam da ćemo uspeti svojim rezultatima da dođemo i do donosioca odluka kako bi oni kroz konkretne mere doveli do toga da vazduh koji dišemo bude bolji.