Državljanska znanost: poskusite to doma

Novembra 2015 se je nekaj sto ljudi zbralo na sestanku v Ben Avonu, soseski s približno 2000 ljudmi, gnezdenimi ob reki Ohio severozahodno od Pittsburga. Tako kot prejšnji tovrstni zbori so tudi prebivalci spoznali najnovejše podatke o neželenem sosedu.

Ta soseda je bila Koksarska delavnica Shenango, obrat za predelavo premoga, ki je obdajal en konec otoka neposredno nasproti Ben Avonu. Prebivalci že dolgo sumijo, da emisije rastlin redno onesnažujejo zrak do te mere, da je življenje tam nevarno. Za slab zrak so krivili astmo, slabost, glavobol in številne druge bolezni, ki so jih trpele njihove družine. Toda v preteklosti niso imeli dokončnih dokazov zunaj lastnih izkušenj.

Tako so jih našli.

Kmalu po tem, ko se je srečanje začelo, je v prvi vrsti sedel predstavnik ameriške agencije za varstvo okolja, računalniški znanstvenik univerze Carnegie Mellon Randy Sargent in se začel vrteti skozi posnetke s posnetkov iz kamer, ki je pomagal sosednji točki proti Shenango. Snemanje kadrov vsakih 5 sekund, 24 ur na dan, so kamere olajšale to, kar je skupnost skozi leta poskušala: gledati dim.

Razlikovanje strupenih oblakov od zgolj pare je težaven posel, zato se je skupnost obrnila na Sargent, ki deluje iz CREATE laboratorija CREATE (Community Robotics, Education in Technology Empowerment). S sodelavcem Yen-Chia Hsu je razvil algoritem računalniškega vida, da na vsaki sliki odkrije slabe vrste dima.

Tako dobljeni videoposnetek, ki je sestavljen iz več sto sličic, prikazuje sam črni, rjavi, modri in oranžni oblak v enem mesecu. V paru z zveznimi, lokalnimi in skupnostnimi podatki o senzorjih, zbranih iz ustreznih dni, se je na videz Ben Avonovega suma končno znašlo: Shenango je izpustil količine strupenih snovi v zrak petkrat na vsakih sedem dni.

Kanal Shenango

Mesec dni kasneje je družba DTE Energy objavila, da bo zaprla svoj obrat Shenango, saj je navedla šibek trg jekla in pomanjkanje kupcev. Do januarja je elektrarna spekla zadnjo serijo premoga in zdaj je predvidena za rušenje.

"Rekli so, da gre za gospodarska vprašanja, vendar me zanima, ali se je časovna premica spremenila zaradi pritiska skupnosti, " je povedala Bea Dias, direktorica projekta za CREATE Lab. "Algoritem je bil orodje, ki je njihovim glasom dalo večjo težo, dodatno nogo, da bi lahko šlo za primer. Toda tehnik ne bi deloval, če ne bi imel aktivne skupnosti, ki bi ga uporabljala. Ljudje bi ga postavili pred nosilci odločanja nenehno."

Skupina Dias je zadolžena, da neposredno sodeluje s skupnostmi, da jim zagotovi strojno, programsko opremo in druge rešitve za reševanje njihovih težav. Algoritem računalniškega vida se je izkazal za izjemno močno realizacijo tega mandata. Je pa le en primer na področju, ki je v zadnjih letih doživelo osupljivo rast: visokotehnološka orodja za državljansko znanost.

Vstopnica s popolnim dostopom

Tudi če na dvorišču nimate tovarne, ki bi izčrpala slab zrak, se boste morda še vedno želeli vključiti v nekakšno državljansko znanost - to je raziskovanje navdušenih amaterjev bodisi sam bodisi v sodelovanju s profesionalnimi znanstveniki. Na srečo za vas je za vsakogar nekaj.

Želite pomagati pri iskanju eksoplanetov in kvazarjev skozi terabajte podatkov vesoljskega teleskopa? Pojdite v Zooniverse. Mogoče imate v mislih laboratorijski projekt, a opreme si ne morete privoščiti. Brez problema; natisnite dele iz osnutka v laboratoriju odprtokodnega podjetja Source.

Kako pa je s kakšno samostojno biologijo? Lokalni bioprostori, na primer BioCurious v Santa Clari v Kaliforniji ali podzemni znanstveni prostor Baltimore v Marylandu, lahko svetujejo in pomagajo pri projektih, ki segajo od črpanja DNK do tiskanja celičnih kultur.

Razmišljanje s projekti in zbiranje podatkov o množici je dva glavna poklica državljanske znanosti, glavni spodbuda za to pa je krepitev vloge.

"Ta nedavna doba federalne deregulacije osvetljuje pomanjkljivosti in vrzeli v nadzoru, in kadar se ne moremo zanašati na vladni poseg, se moramo zanesti nase, " je dejala Gretchen Gehrke, vodja podatkov in zagovorništva iz Public Lab. Toda dostop do potrebnih orodij za to je lahko izziv, je dodala.

"Dostop" pogosto preprosto pomeni "cene cene." Zahvaljujoč nenehnim stroškom senzorjev in mikrokontrolerjev, dostopu do satelitskih podatkov in pripravljenosti drugih, da delijo tehnično znanje, so sofisticirana orodja, ki so bila nekoč na voljo samo institucionalnim raziskovalcem, v rokah vseh, ki jih želijo.

(Foto: Andrew Thaler)

Razmislite o vzorcih spektrometra na osnovi Raspberry Pi, ki ga gostijo strani skupnosti Public Lab. Spektrometri se uporabljajo za določanje informacij o predmetu ali snovi z analizo njegovih svetlobnih lastnosti. Komercialna ročna različica znaša približno 1500 dolarjev; zajetni laboratorijski konj je petkrat večji od tega. Ali z malo napotkov, lahko sami zgradite enega za približno 70 dolarjev.

Drug pionir državljanov-znanosti je Andrew Thaler (na spodnji sliki), globokomorski raziskovalec in svetovalec morske ekologije, ki je začel oceanografijo za vse zaradi ovir za dostop. Naveden cilj organizacije: "Omogočanje raziskovalcev, učiteljev in državljanskih znanstvenikov s pomočjo poceni strojne opreme z odprtimi kodami."

Glavno orodje, ki ga je Thaler razvijal je CTD, ki se uporablja v oceanografiji za merjenje prevodnosti (slanost), temperature in tlaka. To je bistveno orodje za preučevanje in razumevanje vodnega okolja, toda če ga želite, se pripravite, da boste z vilicami najmanj 6000 do 10.000 dolarjev.

(Foto: Andrew Thaler)

Thaler je z veliko potrpljenja in sodelovanja s prijatelji in sodelavci razvil CDT za 300 dolarjev. Najdražja komponenta je sam senzor, ki deluje skoraj 200 dolarjev. Kljub preizkusu naprave, ki je stala 200-krat več, je Thalerjev CTD podatke vrnil z 2-odstotno mero napake dražje enote.

"Vedno bolj je treba znanstvenike opomniti, da so tudi državljani, " je dejal Thaler. "Seveda, morda imate dostop do obsežne donacije za raziskave in lahko kupite trgovsko enoto za 60 000 dolarjev. Toda to je velika ovira za vstop skupin v skupnosti, ki želijo nadzorovati lastne vodne poti. Če začnete tudi podpirati programe, ki so isti del opreme cenejša, veliko več znanosti se naredi."

Dostop do orodij za spremljanje in robotiko je vsaj eni morski skupnosti pomagal doseči pomemben cilj. V Mehiki je več ribiških vasi uporabljalo Open ROV, isto platformo za odprtokodno robotiko, ki jo Thaler uporablja v svojih programih za usposabljanje za izvajanje raziskovanj agregatov za drstenje nasadov iz Nassaua. Skupina je ključna grebenasta riba in življenjsko pomembna komercialna vrsta, skupnost pa je ustanovila zaščiteno morsko območje, da bi jo zaščitili pred uničenjem lovcev.

(Foto: Michelle Z. Donahue)

Napovedovanje težav

V Pittsburghu se CREATE Lab ni ustavil pri Shenangu. Druga naloga njegovega poslanstva je pomagati skupnostim graditi na znanju in orodjih, ki jih pridobijo z delom z znanstveniki CMU. In ker je Pittsburgh, kakršen je, še vedno nekoliko v rokah svojih zapuščin iz jeklene dobe, Shenango ni edina stvar, ki smrdi.

Vpišite Smell Pittsburgh, aplikacijo, ki je izšla iz dela CREATE Lab's Shenango. Aplikacija je še vedno v razvoju in zamišljena kot orodje, ki bi ga lahko sčasoma uporabili v katerem koli mestu v državi, prebivalcem pa omogoča, da označijo žaljive vonjave po okolju, ki so zabeleženi v aplikaciji in o katerih poročajo lokalnemu zdravstvenemu oddelku. Po prijavi aplikacija prikaže zemljevid, ki prikazuje vsa druga poročila o vonju iz istega dne in časa.

Mark Dixon, dokumentarec in industrijski inženir, s sedežem v Pittsburghu, je aplikacijo opisal kot način, kako motivirati ljudi, da se ukvarjajo z nečim, kar bi radi spremenili v svojem okolju.

"Tu je" dolina slabosti ", ki se pojavi, ko prijavite težave in se nič ne zgodi, " je dejal Dixon. "Ta aplikacija pospešuje ljudi v tej dolini, in prva stvar, ki jo vidijo, je, da niso sami. Poleg tega lahko resnično vidijo obseg težave."

Dixon si prizadeva za nadgradnjo uporabnosti aplikacije. En projekt je vključeval razvoj algoritma, ki združuje poročila Smell Pittsburgh in podatke nacionalne vremenske službe, da bi preizkusili in napovedali prihajajoče dneve #Stinkburgh, kot so označeni na Twitterju. Potem ko je v 10-dnevnem preizkusnem obdobju dosegel približno 75-odstotno uspešnost, je Dixon svoje podatke delil s skupino lokalnih geekov podatkov, vključno z razvijalcem Smell Pittsburgh. Zaradi tega se lahko v prihodnjih različicah aplikacije obeta zanesljivejša napoved slabih zračnih dni.

Napoved je tudi en cilj drugačne aplikacije, Mosquito Habitat Mapper. Aplikacija, ki jo je junija 2017 predstavil Inštitut za globalne okoljske strategije (IGES) v sodelovanju z NASA, želi aplikacijo prepoznati in odpraviti nevarne habitate komarjev.

Aplikacija, ki je že preizkušena v Barbudi, Peruju in Čilu, usposablja ljudi, da prepoznajo ličinke komarjev, ki jih najdejo, posnamejo sliko in odstranijo stoječo vodo, poleg tega pa v zbirko podatkov aplikacije zabeležijo čas, lokacijo, datum in lokalne okoljske pogoje. Do danes je projekt zbral okrog 1.500 podatkovnih točk - še premalo za smiselne napovedi. Toda upanje je, da lahko dolgoročno kopičenje boljših podatkov s tal v krajih, kjer je bolezen, ki jih prenašajo komarji, resno vprašanje javnega zdravja, pomaga izboljšati modele napovedi, ki trenutno temeljijo na vremenskih in podnebnih podatkih, ki jih zbirajo sateliti.

"Veliko ne vemo, kako se komarji odzivajo na mikroklimo, " je dejala Rusty Low, višja znanstvenica IGES-a, ki je vodila razvoj aplikacije. "Iščemo subregionalna, podsezonska orodja, ki jih bodo javni zdravstveni delavci in skupnosti lahko uporabili za boljše razumevanje tveganja za bolezni."

V Baltimoru bi lahko doktorska študentka Johna Hopkinsa Weather Scott Cubes mestnim načrtovalcem dala tudi več dela, ko gre za načrtovanje zdravih mest v toplejši prihodnosti. Scottove kocke, ki so nastale kot posledica njenih študij urbane toplote, so opremljene s senzorji na osnovi Arduino za merjenje temperature, vlažnosti, ozona, dušikovega dioksida, žveplovega dioksida in vodikovega sulfida. Petindvajset kock je razporejenih na 25 mestih po mestu, Scott pa upa, da jih bo poleti več.

(Foto: Anna Scott)

Podatki zgodnjega spremljanja so pokazali, da bi lahko večje število majhnih zelenih površin, kot so žepni parki, boljše za zniževanje temperatur po mestu kot več velikih parkov, pravi Kristin Baja, nekdanja načrtovalka podnebne odpornosti v Baltimoru. Te informacije bi lahko spremenile percepcijo 16.000 prostih serij v mestu iz neugodnih v koristne.

Larry Bannerman v bližini Baltimorejeve postaje Turner Station gosti dve Scottovi kocki. Njegova pretežno afroameriška skupnost ima izkušnje, da se bori z lokalnimi onesnaževalci in se bori za zaščito. Rekel je, da je vesel, da ima dodatno kartico v svoji palubi, če jo potrebuje.

"Imeli bomo kristalno jasno sliko tega, kar je v našem zraku, " je dejal. "To znanje v žepu bo naše največje bogastvo, če bomo morali narediti nekaj sprememb."

Pogled iz vesolja

Po mnenju Johna Amosa bodo državljani, ki prispevajo državljane, ključni za reševanje problema, ki ga pogosto zanimajo: večje količine vizualnih podatkov bodo bolj uporabne.

Neprofitna organizacija, ki jo je ustanovil, SkyTruth, je uporabila satelitsko analizo posnetkov, da je pokazala, da je razlitje nafte Deepwater Horizon leta 2010 večje od javno izjavljenih ocen družbe BP. Čeprav skupina še naprej uporablja človeške oči za spremljanje satelitskih posnetkov zaradi vplivov na okolje zaradi razlitja, površinskega rudarjenja in drugih industrijskih dejavnosti, SkyTruth trenutno dela na področju dodajanja umetne inteligence, strojnega učenja in velikih podatkov.

SkyTruth Alerts je storitev, za katero se uporabniki lahko prijavijo, da bodo obveščeni o določenih okoljskih spremembah na določenem območju - recimo o novem dovoljenju za vrtanje plina, kršitvi dovoljenja ali poročilu o kemičnem razlitju ali puščanju zemeljskega plina. Sprva razvita kot interno orodje, opozorila so trenutno raztresena z obalne straže in držav-okoljskih oddelkov za poročanje. Približno 3000 ljudi je trenutno uporabnikov tega orodja.

Cilj razvoja storitve je vključevati vse več virov in orodij podatkov ter uporabljati AI in sisteme strojnega učenja za primerjavo novih satelitskih posnetkov in zgodovinskih posnetkov. S tovrstnimi referencami lahko analiza zazna spremembe še preden se poročajo po uradnih kanalih.

Sveti gral je omogočiti uporabnikom, da delijo svoja opažanja in opozorila, s čimer ustvarijo vrsto skupnih skupnih skrbi.

V resnici so podatki, pridobljeni s strani množice, ki so jih prispevali uporabniki SkyTruth za ločen projekt FrackFinder, privedli do več raziskav, zaradi katerih je Maryland prepovedal fracking leta 2017. Johns Hopkins raziskovalec javnega zdravja Brian Schwartz je preučil več posledic za življenje v bližini zdrobljivih vrtin, vključno z astma in prezgodnja rodnost. Čeprav je črpal iz številnih virov podatkov za študije, ni bilo nobenih drugih možnosti za vrsto podatkov, ki so jih prispevali uporabniki SkyTruth-a, je dejal.

"Večkrat smo se srečali z izvoljenimi državnimi predstavniki in predstavili svoje ugotovitve ter odgovorili na vsa njihova vprašanja, " je dejal Schwartz. "Nekateri od njih so v časopisnih zgodbah in drugod poročali, da so jih 'zdravstvene raziskave Johnsa Hopkinsa' končno prepričale, naj glasujejo za prepoved. To so naše študije."

Moč lokalnega opazovanja človeka na terenu v kombinaciji s krčenjem podatkov računalništva v oblaku omogoča, da se potencialni problemi razkrijejo v realnem času, je ugotovil Amos.

"Ne gre samo za stvari, ki so se že zgodile, ampak tudi stvari, ki se dogajajo v okolju, preden kaj vemo o tem, da se zavemo, da se nekaj dogaja, na kar moramo biti pozorni, " je dejal Amos. "Zame je to tehnološko usmerjena revitalizacija okoljurizma."

In zanimanje za izkoriščanje nastajajoče tehnologije, da bi bili preprosto radovedni, bo samo od tu raslo, doda CREATE Lab's Dias.

"Te vrste tehnologij ne bi smele biti samo v laboratorijih ali prostorih z večjimi izdajami, " je dejala. "Biti bi morali biti dostopni vsakodnevnim ljudem, ustvarjati in ne samo porabiti. In ideja je, da ko ljudje enkrat bolje obvladajo tehnologijo, lahko vsakdanje stvari odnesejo s police in skupaj pokvarijo nekaj, kar jim ustreza."