Mittausliiketoiminta tulevaisuudessa jasiihen sisältyvä laadunvarmistus

Jari Silander (040 747 3881) & Teemu Näykki, SuomenympäristökeskusN.N@ymparisto.fi

17.11.2015

SISÄLLYS

JohdantoYmpäristömittaus SuomessaMarkkinatUudet menetelmät

JOHDANTO

Source (August 20, 2014 Most Hyped Tech: Big Data Out, IoT In Alex Woodie)

Johdanto

BigDataComplex-Event Processing

CrowdsourcingIoT

66

Automaatio

Liikkuvatalustat

Sensori-Teknologia

Mobiili-teknologia

Uudettoimintamallit

BigDataUudet

liiketoiminnotKansalaiset

Kenttätyö Labora -torio

Alku-käsittely Varastointi Ensi-

käyttöToisio-käyttö

MONITOR2020

Näytteidenkeruu

Laboratorio

Datankäsittely

Informaationvarastointi

Tieto/ratkaisut

Alkutuotanto-orientoitunut ketju• Arvoketju• Laatu erinomainen

- Näytteenottajat sertifioitu- Laboratoriot akkreditoitu

• Arvopotentiaalia jää varastoon• Reaaliaikaisuus ?

Tiedon arvoketju: Aineistot – Informaatio – Tieto – RatkaisutHorisontaalinen + vertikaalinen integrointi tarpeen!

8

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

9

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

MARKKINAT

1. Ympäristöhallinnon seuranta (lakiin perustuva)2. Yritysten seuranta (”velvoitetarkkailu”)3. Muut (ei kattavaa tietoa)

Suurin osa tiedosta syntyy muualla kuin ympäristöhallinnossa

Ympäristöseurannat SuomessaValtio – yritys – muut

Ympäristöseurannat SuomessaPotentiaali 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

18.1

1.20

15

Suomen hydrologinen seurantaohjelma &näytteenotto

HAVAINTOVERKKO (2009-2012) ASEMIEN LUKUMÄÄRÄSYKE MUUT YHTEENSÄ

HYDROMETEOROLOGIAsadanta - 250 250lumen vesiarvo 160 - 160haihdunta (Class A) 5 5 10PINTAVEDETvedenkorkeus 270 110 380virtaama 190 110 300jään paksuus 55 - 55veden lämpötila 45 - 45HYDROGEOLOGIApohjavesialueet 80 - 80roudan paksuus 40 - 40

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).

YRITYS1. Suunnittelu2. Toteutus3. Raportointi4. Kulut5. Toimenpiteiden toteutus

SIDOSRYHMÄT

Yritys ja luvat

TARKKAILUSUUNNITELMALUPAEHDOT

TOIMINNANHARJOITTAJA(paine, suure, mittaus,

käsittely, raportointi

VIRANOMAINEN(lupa, valvonta, ICT)

Standardimenetelmät jaohjeet

Vapaaeht. Ymp.hallintajärjestelmä

SIDOSRYHMÄ POLIISI

ASIANTUNTIJA-LAITOSKONSULTTI

TIEDON KÄYTTÖ (kansalaiset,raportointi, muu käyttö)

Serti- javerifionti

Päästöjen tarkkailu (pääosin toiminnanharjoittajan suorittamiin toimiinviranomaisten hyväksymän tarkkailusuunnitelman mukaisesti)

Raja-arvojen muoto (Päästöraja-arvot on määriteltävä yksiselitteisesti)

Päästöjen mittaustavat ja –menetelmät (vaihtoehtoisia menetelmiä)Jatkuvat mittauksetJaksottaiset sekä näytteenotto ja analyysitNäytteenotto ja analyysitLaskennalliset menetelmät

Päästö- ja tarkkailumääräyskehikkoLupamääräykset (Ilma, vesi, jätehuolto, melu ja tärinä, häriöt japoikkeustilanteet)Tarkkailu- ja raportointi (päästöt, raportointi)Muut määräykset (energiatehokkuus..)

Yritysten tarkkailun kuvaus

Yritysten ja ELY:jen näytteenotto SYKEnjärjestelmä ~2012 (Kanninen, ELY)

kalataloudelliset 1000 kplvesistötarkkailusuunnitelmia 700 kplveden laadun havaintopaikkoja 4 500 kplkasviplanktonhavaintopaikkoja 100pohjaeläinpaikkoja noin 1 200 kpl.pohja- tai tekopohjavedenottamolupia ~300

kpl.ilman laatua seurataan noin 30

mittausverkoissa noin 60 paikkakunnalla

18

Yritysten velvoitetarkkailut (arvio)

Kemisti Arnold Beckman keksi 1934, myöhemmin fotometrin.

Vuosi Painot Myynti Hinta1950 3 kg 5 000 1 500 e2010 20 g 1 000 000 20 e

Pääpaino anturien kehittämisessä:• Epävarmuuden hallinta• Stabiiliuden hallinta*(Association for Sensor Technology 2014)

Kestävyys ja stabiilius parantunut, metallioksidielektrodien tultuamarkkinoille (Zhuiykov 2010).

Nykyisin kentällä voidaan mitata luotettavasti mm. pH:ta, happea,lämpötilaa, sameutta ja sähkönjohtavuutta.

pH mittaukset – Historia(Silander, SYKE)

Need for water quality sensormeasurements

• The need for sensor technology is indicated alsoby the size of global markets.

• Revenues for the global sensor market in 2009were estimated to be 33 billion €, reaching 53billion € by 2013 [Frost & Sullivan, 2010].

• The environmental sector is one of the fastestgrowing in the sensor market.– Measurements such as monitoring emissions from

mines and waste treatment plants are a rapidlygrowing business sector.

18.11.2015 20

UUDET MENETELMÄT

OPENDATA

CROWDSOURCINGENVIRONMENTOBSERVATIONS

se

Data Integration& Delivery

End-userServices

Modeling

EQUIPMENT

INTEGRATION

OPEN DATA

DATA

CROWD DATA

KAUPPA

CUSTOMER

Cost Benefit

Sensors

CROWDS: REVIEW & LESSONS LEARNED

1. No clusteringX = Scientific sampling -> mass participationY = Basic -> Elaborate

(Roy, H. et.al (2012) Understanding Citizen Science and Environmental Monitoring, UKEnvironmental 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 actionIC1003.

CROWD SOURCING EXAMPLES

HYDROLOGICALICE BREKA UPS

1693

WEATHERJEFFERSON

USA1776

BIRDS~1900

GAME ANIMALS1970’s

BUTTERFLY1999

PLANT ENEMY~2000

LAKEWIKI2011

SENSOR2013

LAKE Järvi-MeriWiki

2014

PAPER COMPUTER WWW MOBILE IoT

MEGATRENDS:URBANIZATION DIGITALSATION GLOBALISATION

MOTIVATION:SAFETY SELFACTUALIZATION SOCIAL

SIZE:1k 10k 100k

26

Levävahti –visuaalinen havainto(Silander, SYKE)

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)

(hinta 0 e)

2011 2013 2015

ROADMAP DIY-SENSORDISSERTATIONES CHIMICAE UNIVERSITATIS TARTUENSIS 140 TEEMU NÄYKKI Novel Tools forWater Quality Monitoring – From Field to Laboratory

(hinta < 50 e)

COMMERICIAL VERSIONPROTOTYPE

28

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

MALLINNUS- Optimize (Msc. Thesis Jadwiga Buchwald)

Class

Ecology Chemical ”priority”(33)

Chemical ”pollution”(15)

Biology”lake” (4)

FishPlankton (4)

Total biomass

PN Temp O pH Time…

Mixed Models

Variable NumberSite:id 17783data 17783Total biomassa 2751Cyanobacterai (%) 2751Trofiaindex 2751A-chlorophyll 16462Alkalinity ~10 000Color ~20 000Conductivity ~20 000Total N ~20 000Temperature ~20 000Turbidity ~10 000

~20 000Lake_id ~20 000Classificaton_id ~20 000Montoring_sitei_ode ~20 000. ~20 000. ~20 000. ~20 000Max. Dept ~20 000Water type ~20 000Municipality ~20 000Catchment_nr ~20 000Day ~20 000Month ~20 000Year ~20 000

Number (%)Total

number (%)

Original 979 18 172 79Modelling1st round 2571 48 210 96

Modelling2nd round 4174 77 217 99

Totalbiomassa

Observations Classified bodies

MALLINNUS: Benfit of basic variables for models?- Optimize use of voluntary data

SATELLIITTIHAVAINNOT(MMEA ja MONITOR2020 hanke ENVIBASE ”Sentinel2..”)

Today you can use uncertainty of snow maps (develop in MMEA)

S FSC , t =(FSC)

(FSC) S +(FSC)

t S(FSC)

S

(FSC)S +

(FSC)S

Maa-asemat n. 20 kpl (intensiivimittauksia)

32

AUTOMAATTIMITTAUKSISTA(MMEA ja muuta hankkeet

Field Proficiency Tests

• SYKE has organized five proficiency tests andone 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

18.11.2015 34

• Laboratories typically implement the quality managementsystems according to standard ISO/IEC 17025– Validation– Quality control

• Challenge:The anticipated pressure for utilization of field sensors in situ inwater monitoring requires immediate actions in setting up similartools for assessment of the quality of data produced by theseinstruments.

• ENVICAL SYKE has investigated the real-time estimation ofmeasurement uncertainty for field measurement– A novel approach for the automated turbidity measuring system

with a computer software application (AutoMUkit) for real-timeuncertainty estimation.

– Proficiency tests– Estimation of measurement uncertainty

Automated turbidity measuring systemfor ”real-time” uncertainty estimation using AutoMUkit

18.11.2015 35

Calibration platform forwater quality sensors atLYNET laboratory in Oulu

Quality assurance of field sensors

Tero Väisänen 3618.11.2015

YHTEENVETO

• Kokonaisepävarmuus kiinnostaapäätöksenteossa

• Mallintaminen tukee epävarmuuksien hallintaa• BigData tuli jäädäkseen• Automatisointi jatkuu, mallinnusta asemilla• Organisaatiot ostavat palveluita• Parhaat käytännöt yleistyvät• Taloudellisuus korostuu

18.11.2015 37

• Näykki T., Novel tools for water quality monitoring – From field to laboratory, Dissertationes chimicaeUniversitatis 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 Nordtestmethod 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., Fieldmeasurement intercomparison. Field measurement of dissolved oxygen concentrations. Reports of theFinnish 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 uncertaintyevaluation, Accredit Qual Assur 2012, 17:603–612

• Näykki T., Koponen S., Väisänen T., Pyhälahti T., Toivanen T., Leito I., Validation of a new measuringsystem 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 measurementuncertainty 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 QualAssur, 2014, 19:259–268

• Näykki T., Sara-Aho T., T. Väisänen, Leito I., Application of enriched stable 196Hg isotope for monitoringthe 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 2004and 2011).

• Measurement uncertainty revisited: Alternative approaches to uncertainty evaluation, (As a part ofEurolab expert group on measurement uncertainty), Eurolab Technical Report No. 1/2007, March 2007.

18.11.2015 38

Related publications