I dati statistici

L'air quality egg che corrisponde all'ID 98060 corrisponde ad uno strumento posizionato sulla Charing Cross Rd , una strada con un discreto traffico veicolare. In questo caso valuteremo le misurazioni relative al biossido d'azoto . La stazione ha eseguito oltre 240 misurazioni di presenza di NO2 nell'atmosfera che hanno ai fini statistici queste caratteristiche: media 324.06 ppb, varianza 55.07, deviazione standard 7.42, 99 percentile 346.5 ppb, 50 percentile 322.61 ppb, 1 percentile 315.5 ppb, max 346.5 ppb, min 315.5 ppb. Il percentile è il valore di una variabile (aleatoria) sotto il quale si verifica una certa percentuale dell'osservazione. Ad esempio il 10° percentile è il valore sotto al quale si trovano il 10% delle osservazioni. In ambito discreto, valutare un percentile significa determinare il termine di un insieme ordinato tale per cui lui e tutti gli altri termini ad esso inferiori sono in quantità pari al valore di percentile visto come percentuale. Sia per la qualità dell’aria che per le emissioni alla fonte, vi è il problema che la serie presenti dei valori vuoti in periodi limitati di non operatività

della strumentazione (complessa e che necessita di manutenzione e calibrazione, trattandosi di analizzatori chimici).Per questo motivo, gli indicatori statistici tradizionali (es. varianza) sono poco usati nel monitoraggio ambientale, e si preferisce ad esempio l’analisi per percentili. Dopo questo breve excursus , possiamo passare alla distribuzione del biossido di azoto in tutto il mese di agosto registrato dalla stazione 98060 (Figura 9).

Figura 9 Biossido di azoto

Questo sensore ha individuato un andamento normale del diossido, con un solo picco notevole ma che comunque è sotto la soglia di attenzione. Il valore sulle ordinate rappresenta una media giornaliera della misurazione fatta su una finestra di 8 ore. Il nodo 131 260 è invece un sensore posizionato sulla Statesbury st in una zona a nord di londra, lontano dal centro. Di questo strumento rileviamo i dati di monossido di carbonio nell'aria. Esso ha eseguito oltre 240 misurazioni, e queste hanno le seguenti

caratteristiche statistiche: media 16528.893, varianza 94429.915, 307.2954, max 17047.71, min 15829.37, 98percentile 17047.71 con 23 elementi al di sotto del percentile, 50percentile 16578.625 con 17 elementi. L'andamento del CO nel mese d'agosto secondo le nostre misurazioni è stato quello riportato in Figura 10.

Figura 10 Concentrazione CO

Anche in questo caso , è stato registrato un andamento normale della percentuale di ppb nell'aria di CO, con picchi che sono al di sotto della soglia d'allarme ma appena sopra la soglia di attenzione . Questo fattore individua questo sito come poco pericoloso, nel senso di monitoraggio ,ma che comunque deve essere tenuto d'occhio visto la tendenza dello stesso ad avere valori sopra la soglia d'attenzione. Un indice significativo che indica il livello di attenzione su una stazione più che su un'altra è la correlazione fra 98percentile e media. L’esistenza di una buona correlazione tra 98° percentile e media

significa che i siti ove si registrano le medie di lungo periodo più elevate, sono anche quelli dove con più probabilità si verificheranno anche i picchi. Questo aspetto assume una certa importanza sia dal punto di vista della prevenzione sanitaria che della programmazione del territorio. E’ infatti possibile mirare alla conoscenza di medie di lungo periodo per avere informazioni anche sulla probabilità di eventi acuti. La ricerca delle aree critiche all’interno della città dovrebbe quindi concentrarsi sulle medie di lungo periodo, non solo per gli inquinanti che hanno effetti a lungo termine come il benzene ma anche per quelli che sono legati ad effetti di tipo acuto. Anche le attività modellistiche potrebbero trarre utili indicazioni da tali relazioni tra le grandezze statistiche potendo indirizzarsi verso il calcolo di medie di lungo periodo; questo dovrebbe avvenire non solo per l’estrema difficoltà di ottenere all’interno degli ambiti urbani andamenti di tipo orario o giornaliero ad alta risoluzione, ma anche per la minore utilità da un punto di vista della difesa della salute della popolazione. Anche l’ipotetica individuazione esatta del dove (in quale punto della città) e quando si è registrato (utilizzo diagnostico della modellistica) o si registrerà un picco non appare di grande interesse pratico in quanto difficilmente appaiono percorribili e utili interventi di limitazione del traffico di tipo molto puntuale. Di un qualche interesse sarebbe la previsione degli eventi acuti del valore medio di inquinamento della città, anche se l’evoluzione della legislazione e delle pratiche di intervento mira sempre più a evitare provvedimenti d’urgenza e quindi ne riduce l’interesse [10]. In questo caso la correlazione tra il 98percentile e la media è 0.97, e questo indica che il sito è di forte interesse per le osservazioni a lungo periodo essendo possibile che in essa si verificano dei picchi che ovviamente saranno valutati in base al loro ripetersi e quindi in conseguenza di ciò saranno prese le eventuali contromisure. A questo punto possiamo

visualizzare l'andamento delle sostanze in tutti i nodi su i loro rispettivi grafici in modo da valutare l'andamento delle sostanze (Figura 11). Bisogna specificare che il VOC rappresenta la percentuale di particelle sottili con dimensione maggiore di 1micron che riportiamo ma che non hanno valenza statistica.

Figura 11 Andamenti sostanze in diverse stazioni

4.5.2 I dati statistici II

Il nostro lavoro ci ha portato a lavorare con un grandissimo numero di dati. Scorrendo la letteratura sul monitoraggio ambientale molto spesso dopo aver visionato i dati singoli

su una singola stazione si passa allo studio dei dati medi su una scala temporale mensile. Oltre ad una analisi statistica approfondita che può indicare come lo stesso dato si comporterà in futuro l'importante nel monitoraggio è il comportamento mensile degli inquinanti valutati nelle loro medie giornaliere, in quanto questi permettono direttamente di intervenire nel caso in cui si dovessero presentare anomalie di qualsiasi tipo. In questo caso ciò che si è fatto è stato prelevare le misurazioni orarie e calcolarne le medie giornaliere in modo da poter aver un quadro mensile che permetta di confrontare i dati anche in base al loro andamento. Ciò è importante perché permette di osservare piccoli cambiamenti o sbalzi negli andamenti e legarli ad altri fattori medi come temperatura e umidità che consento di dare uno sguardo più preciso sul tema. In particolare in questo caso noi abbiamo messo a confronto i valori di due stazioni e ne abbiamo calcolato la media mantenendo come sistema di riferimento l'evoluzione temporale. Questo andamento è possibile vederlo nelle figure 12 e 13.

Figura 12 Concentrazione media CO

L'andamento delle concentrazione di CO indica in maniera netta che le due funzioni sono praticamente vicine nelle misurazioni. Infatti la media in blu in figura tende a schiacciarsi verso le altre funzioni. La differenza delle misurazione può essere spiegata con la diversa posizione dei due sensori. Infatti il sensore rappresentato in verde rappresenta un air quality egg posizionato in una zona centrale, su una strada molto trafficata lungo il Tamigi, mentre la funzione in rosso rappresenta una stazione periferica che ovviamente misura un valore di CO più basso.

Figura 13 Concentrazione media NO2

Anche nel caso della figura 13 possiamo notare come l'andamento differisca di poco rispetto alle misurazioni delle due stazioni. In blu viene rappresentato l'andamento medio delle concentrazioni di NO2. In figura si nota come ad un certo punto il valore medio vada a schiacciarsi sui valori dei due sensori. Infine per completezza riportiamo anche i dati di umidità media e temperatura media per il mese di agosto. Questo dato ricopre un valore importante in quanto collegandolo alle percentuali di inquinanti ai valori del vento in quei giorni può dare informazioni importanti sia sulla pesantezza dei materiali presenti nell'aria e sia sulla distribuzione di queste in base a particolari condizioni metereologiche (Figura 14).

4.5.3 I dati statistici III

Nelle tabelle pubblicate su questo lavoro di tesi abbiamo potuto constatare che il nesso più importante fra misurazioni e eventi nocivi per la salute umana è rappresentata da quei livelli di allarme che sono sintetizzati nei decreti legislativi. Valutare l'andamento degli inquinanti rispetto ad un valore limite ci permette di indicare quali sono i picchi di queste grandezze durante la loro evoluzioni. Il superamento di questo livello non indica in maniera consequenziale che bisogna intervenire ad esempio con blocchi di traffico o bonifica della zona. Questo accade perchè occorre verificare nel passare del tempo (aspettare altri mesi ) quanti e in che posizione avvengono i massimi. In questo caso abbiamo notato che soprattutto nella stazione ubicata in centro città e posta vicino ad una arteria di traffico ci sono stati nel mese di agosto dei superamenti della soglia di allarme. Questo è avvenuto per tre volte nel corso del mese e quindi questo dato preso in questo contesto indica che sicuramente la situazione è preoccupante, e diventerà anormale se dovessero ripetersi durante l'anno per un numero di volte. Prendiamo visione (figura 15) dell'andamento del monossido di carbonio di due stazioni. Si può notare che solo la stazione indicata precedentemente supera il valore limite per sei volte durante il mese mentre la seconda stazione è ben al di sotto del livello di guardia e questo è supportato dal fatto che il sensore si trova in una zona residenziale che ovviamente registra un valore minore.

Figura 15 Andamento Co rispetto valore limite

Invece in figura 16 possiamo notare l'andamento della percentuale di NO2 di tre stazioni diverse che sottolineano sostanzialmente una normale concentrazione degli inquinanti, non bassa ma sicuramente al di sotto del valore limite. E' da registrarsi un solo picco evidente che però non rappresenta un pericolo urgente.

4.5.4 I dati statistici IV

Per concludere il nostro cammino nell'elaborazione statistica dei dati occorre fare un ultimo sforzo e calcolare un indice che è importante per indicare le conseguenze sulla salute umana. Il DAQI Index viene calcolato sulle concentrazioni di NO2 e stazione per stazione mi da un risultato che deve essere confrontato per trovare la banda di appartenenza. Individuando questa il risultato che otteniamo è un indice che mi indica la gravità della situazione e soprattutto come debba comportarsi l'uomo rispetto a questo grado di inquinamento. L'indice viene indicato in tutti i suoi parametri dalla DEFRA che è l'ente che si occupa di monitoraggio ambientale in Inghilterra. In questo caso con i dati che abbiamo possiamo calcolare il valore del DAQI e ottenere questi risultati: 1. DAQI 98060 = 324.06

2. DAQI 131260= 181.05 3. DAQI 102691= 323.33

Questi valori ora bisogna confrontarli con la tabella che in precedenza abbiamo indicato per vedere quale è lo situazione in quel punto. Il valore 324.06 ppb e 323.33 ppb indicano un livello moderato 5. Questo significa che per le persone che non presentano particolari patologie cardiache o respiratorie possono tranquillamente svolgere le loro attività all'aperto essendo cauti sull'esposizione giornaliere. Invece chi ha problemi come quelli sopra detti è invitato a ridurre l'esposizione all'esterno. Il DAQI registrato nel nodo 131260 registra un valore che corrisponde ad un indice low compreso tra 1e3. Questo indica sostanzialmente che non ci sono pericoli nell'esposizione all'aria aperta. A supporto di questi calcoli fatti si può tranquillamente visionare la pagina web

http://www.londonair.org.uk in cui è possibile confrontare i nostri valori con gli indici indicati nel mese di agosto dalle stazioni dislocate nella città di Londra. Dal confronto notiamo che in maniera precisa il dato indice 5 corrisponde a quello misurato dalle stazioni. Ovviamente va considerato che la posizione cambia leggermente non essendo possibile avere sensori nel punto preciso delle stazioni fisse però il dato rappresenta comunque un requisito di bontà.

Il lavoro presentato è consistito nell'implementazione di un servizio capace di monitorare l'ambiente . L'idea di base era quella di realizzare con la concorrenza di sistemi già esistenti e presenti sul territorio un sistema di monitoraggio in grado di offrire un modo diverso di raccolta e presentazione dei dati climatici e d'inquinamento. L'obiettivo che ci eravamo prefissi era quello di basarsi sulla piattaforma Xively, come sistema da cui prelevare i dati per il monitoraggio. Il principio di Xively di condivisione dei dati è stato sicuramente la base per questo progetto, anche se in questo caso la difficoltà era quella di trovare sistemi che dessero dati precisi, che fossero descritti in maniera ottimale e che soprattutto permettessero il prelievo continuo in modo da non inficiare il nostro lavoro. La dimostrazione della potenza di Xively è ovviamente suggerita da ciò che poi siamo riusciti a fare , visto la mole di dati che abbiamo ottenuto in cosi poco tempo. I dati ottenuti sono stati elaborati seguendo le linee guida della comunità europea e quindi la loro elaborazione è avvenuta allo stesso modo di come gli stessi vengono usati nel monitoraggio delle stazioni fisse . E' stato fatto un lavoro statistico sui dati, soprattutto per verificare la veridicità degli stessi. Il principio che ci eravamo posti e che già in precedenza è stato più volte menzionato era di creare un sistema che non indicasse con precisione l'inquinamento ma che desse un motivo d'allarme o che facesse da sentinella. Per quanto riguarda i dati sarebbe stato ancora più interessante se avessimo avuto modo di confrontare più stazioni, cosi da poter avere un approccio statistico migliore e magari una maggiore precisione. Comunque il nostro lavoro basato su pochi sistemi è estendibile a più. Il dimostrare di avere un sistema in

grado di fare monitoraggio ambientale con una spesa minore e con sistemi molto più piccoli di quelli utilizzati solitamente ci fa sperare che questo lavoro di tesi possa essere un veicolo per aprire la strada alla diffusione di questi sistemi in tutti i paesi. . Le potenzialità del sistema creato riguardano la possibilità di creare una rete distribuita composta da numerosi dispositivi , in modo tale da mettere in relazione i dati raccolti da ciascuna stazione e aggregarli in un'unica struttura di visualizzazione ed elaborazione. Questo potrebbe essere sfruttato da chiunque consideri questo tema come veramente importante per la vita umana, e il fatto che è impossibile trovare air quality egg in Italia mi spinge a pensare che sia il momento giusto per iniziare ad avvicinarci a questo tipo di problemi. Tutto ciò che è stato descritto in questo lavoro di tesi parte da un tema principale che ha trovato dimostrazione palese nel susseguirsi delle operazioni effettuate in questa opera. Internet of Things rappresenta una vera e propria rivoluzione che nei prossimi anni cambierà i nostri stili di vita. L'idea che due sensori posti in una parte del mondo possano parlare tra di loro e attraverso l'uso di strumenti software possano dare misurazioni abbastanza precise consultabili real-time da chiunque rende questa nuova evoluzione del mondo di Internet come un avvenimento di portata assoluta. Ed è forse l'obiettivo primario che ci eravamo posti per dimostrare la sua straordinaria potenzialità. Per quanto riguarda l'infrastruttura informatica si è scelto di usare il linguaggio C++ perchè l'offerta di librerie di comunicazione client/server è veramente sterminata. In questo caso si è utilizzata la libreria open cURL che consente di eseguire operazioni di richiesta client server impegnando poco l'hardware e quindi rendendo semplice la raccolta dati. E' da migliorare l'esecuzione dei programmi visto la problematica del multi tread sulla libreria risolvibile però con qualche applicazione Linux. Questo lavoro ha voluto dimostrare che i campi di applicabilità di questo sistema

sono innumerevoli . Infatti lo stesso sistema messo a punto per raccogliere i dati degli air quality egg può essere tranquillamente convertito per prelevare dati diversi e in questo il mondo di xively e di Internet of Things offrono idee davvero interessanti. Di sicuro da quanto finora detto appare chiaro che l'idea di permettere a sensori dislocati in vari punti della città di parlarsi con trasmissioni a corto raggio come ad esempio ZigBee è sicuramente un passo avanti rispetto a ciò che accade adesso con le stazioni fisse. Da questo punto di vista, un'ipotesi interessante è quella che prevede l'impiego di stazioni come semplici nodi di una rete, abilitati dallo sfruttamento di un protocollo di comunicazione a corto raggio per trasmissioni a radio frequenza.

In conclusione, si può affermare che gli sforzi volti all'implementazione del sistema hanno prodotto i risultati che erano stati prefissati preliminarmente, presentando un dispositivo che si pone in maniera innovativa nei confronti delle misurazioni ambientali. Le quattro prospettive principali che hanno guidato lo sviluppo del progetto, ossia l'interesse per l'ambiente, i costi ridotti, l'internet of things e la sostenibilità, provvedono a fornire una caratterizzazione originale al lavoro . La presenza di un'infrastruttura informatica, creata per il servizio di prelevamento dati, offre la possibilità di presentare i dati permettendone la consultazione in tempo reale.

1. From the Internet of Computers to the Internet of Things Friedemann Mattern and Christian Floerkemeier Distributed Systems Group, Institute for Pervasive Computing, ETH Zurich

2. The Internet of Things , Paper Prepared for the 1 Berlin Symposium on Internet and Society October 25-27, 2011, Rob van Kranenburg, Erin Anzelmo, Alessandro Bassi, Dan Caprio, Sean Dodson, Matt Ratto.

3. Internet of Things (IoT): A Vision, Architectural Elements, and Future Directions Jayavardhana Gubbi, Rajkumar Buyya, Slaven Marusic, Marimuthu Palaniswamia

4. Stephen Dye, “Machine – to – Machine (M2M) communications” 5. Vision and Challenges for Realising the Internet of Things, CERP-IoT

6. https://xively.com/dev/docs/api/

7. Architectural Styles and the Design of Network-based Software Architectures, Roy Thomas Fielding

8. http://curl.haxx.se/

9. https://xively.com/dev/tutorials/curl/

10. RFC 3986 URI Generic Syntax January 2005, Berners-Lee

11.http://www.igeam.it

12. Elaborato finale in: Corso Integrato in Chimica e Controllo degli inquinanti: Monitoraggio Ambientale e Laboratorio. Dottoressa Stefania Valloni.

13.http://www.isprambiente.gov.it

14. QUALITÀ DELL’ARIA DELLA PROVINCIA DI LUCCA STAZIONI