51 Izvedba in zagotavljanje kakovostnih avtomatskih meritev za znanstveno prouč evanje mikrometeorologije kraških jam Boštjan Grašič * , Primož Mlakar * , Marija Zlata Božnar * , Darko Popović * , Dragana Kokal * , Franci Gabrovšek ** Povzetek V prispevku je predstavljena izgradnja in delovanje jamskega informacijskega sistema v Postojnski jami. Podrobneje je opisana izgradnja osnovnih gradnikov jamskega informacijskega sistema kot je pet jamskih avtomatskih merilnih postaj s senzorji za merjenje temperature zraka, pretoka zraka, koncentracije CO 2 ter centralne enote za zbiranje, shranjevanje, obdelavo in prikaz podatkov. Sistem zagotavlja kakovostne avtomatske meritve za znanstveno prouč evanje mikrometeorologije kraških jam. Izgradnja temelji na dobri praksi katere osnovo predstavljajo dolgoletne izkušnje s področ ja meritev v zunanji atmosferi in pet let izkušenj z meritvami v kraških jamah ter upoštevanje nač ela nenehnega izboljševanja na osnovi priporoč il ISO 9001 standarda za zagotavljanje kakovosti. Ključ ne besede: izvedba in zagotavljanje kakovostnih meritev, kraške jame, mikroklima Key words: quality measurements implementation and assurance, carst caves, microclimate Uvod Za znanstveno prouč evanje mikrometeorologije kraških jam potrebujemo kakovostne avtomatske meritve različ nih fizikalnih velič in na različ nih merilnih mestih za katere prepostavljamo, da nam lahko dovolj dobro opisujejo glavna dogajanja v jami. Za kakovostno spremljanje fizikalnih velič in v zunanji atmosferi so na voljo podrobna priporoč ila Svetovne meteorološke organizacije (World Meteorological Organization, 2008), medtem ko za spremljanje mikrometeorologije v kraških jamah še ni podobnih priporoč il. Podatki so kakovostni kadar izpolnjujejo vnaprej določ ene zahteve kot so natač nost, oziroma negotovost, loč ljivost, reprezentativnost, pravoč asnost in druge zahteve, ki so odvisne od namena uporabe. Kakovostne meritve lahko zagotavljamo z uporabo ustreznih senzorjev, pretvornikov, ustreznih z rač unalnikom podprtih obdelav pa tudi z ustreznim sistemom vodenja kakovosti. Kljub temu, da so vsi izmerjeni podatki neidealni – imajo več jo ali manjšo merilno negotovost, so za določ en namen povsem uporabni, č e je njihova kakovost znana (World Meteorological Organization, 2008). Svetovna meteorološka organizacija priporoč a zelo podrobno kako je potrebno meriti meteorološke spremenljivke (World Meteorological Organization, 2008). Priporoč ila se razlikujejo glede na namen meritev. Za sinoptič ne merilne postaje, ki posredujejo podatke za napovedovanje vremena, so najbolj striktna. Na primer: meritve temperature zraka se morajo izvajati v posebnih meteroloških hišicah, ki so postavljene 2 m od tal. Okolica merilnikov mora biti pokošen travnik. V bližini ne sme biti visokih dreves in zgradb. Veter se meri na višini 10 m od tal. Sinoptič ne postaje morajo biti postavljene na lokacijah, ki so reprezentativne za več je področ je. Veliko sinoptič nih postaj je postavljenih ob letališč ih. Za okoljske postaje, ki merijo kvaliteto zraka pa so zahteve bolj ohlapne, zato jih lahko postavimo v naselja. * MEIS storitve za okolje, d.o.o., Mali Vrh pri Šmarju 78, SI-1293 Šmarje-Sap, Slovenija ** Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Titov trg 2, SI-6230 Postojna, Slovenija 52 V okviru tega prispevka predstavljamo pridobljene izkušnje in spoznanja pri izgradnji in zagotavljanju kakovostnih avtomatskih meritev za znanstveno prouč evanje mikrometeorologije kraških jam, ki temeljijo na dobri praksi in ustrezni dopolnitvi in prilagoditvi priporoč il Svetovne meteorološke organizacije za meritve v zunanji atmosferi (World Meteorological Organization, 2008). Jamski informacijski sistem Jamski informacijski sistem je sestavljen iz poljubnega števila jamskih avtomatskih merilnih postaj in vozlišč za prenos podatkov ter jamske centralne enote. Jamske avtomatske merilne postaje na izbranih lokacijah neprekinjeno izvajajo meritve različ nih okoljskih parametrov (npr. temperature zraka, koncentracijo CO 2 , itd) v vnaprej predpisanih č asovnih intervalih tako za vzorč enje kot za statistič ne obdelave in jih v digitalni obliki posredujejo centralni enoti. Podatke lahko centralna enota pridobiva direktno iz jamske merilne postaje ali preko dodatnih vozlišč za prenos podatkov. Jamska centralna enota je sestavljena iz enega ali več strežniških rač unalnikov, ki opravljajo več različ nih nalog: zbiranje podatkov iz avtomatskih merilnih postaj, dodatno preverjanje in obdelava zbranih podatkov, shranjevanje preverjenih in obdelanih podatkov v ustrezno strukturirano zgodovinsko bazo podatkov, zagotavljanje dostopa uporabnikom do baze podatkov (sprotnih in zgodovinskih) in dostop do prikaza zadnjih izmerjenih vrednosti na javni spletni strani. Kakovost jamskega informacijskega sistema je odvisna tudi od njegovega namena, saj je na primer izgradnja sistema za sprotni nadzor (monitoring) jame manj kompleksna in zahtevna kot pa na primer izgradnja sistema za znanstveno prouč evanje, kjer je poleg bolj kompleksne zgradbe zahtevana tudi več ja kakovost meritev. Jamski informacijski sistem mora med drugim zagotavljati tudi orodja za analize in znanstveno prouč evanje, kot so na primer č asovni grafi, histogrami, rože vetrov, daljše č asovne statistike in sonč nice ( Božnar et al., 2015). Dodatno mora tak sistem zagotavljati in vzdrževati popolno zgodovinsko bazo meritev. Na meseč ni ravni je potrebno delovanje celotnega sistema periodič no pregledovati in preverjati, da bi pravoč asno ugotovili napake, odstopanja, itd. Za takšen namen je zelo primeren nač in izdelovanja QA/QC (Quality Assurance/Quality Control) poroč il vsak mesec, kjer so vse meritve prikazane in primerjane na č asovnih grafih. Dodatno se v poroč ilu izdela tudi razpoložljivost, statistika in kakovost vseh merjenih spremenljivk (parametrov) ter vizualizira vse meritve na primeren nač in (na primer meritve vetra v obliki rož vetrov). Po pregledu poroč ila se po potrebi podatki v bazi ustrezno preč istijo (označ ijo kot neveljavni), organizira pa se tudi ustrezen ukrep za popravilo meritve, kadar je to potrebno. Reden periodič en pregled vseh gradnikov jamskega informacijskega sistema (postaj, vozlišč , podatkovnih mul, rač unalnikov, itd) na terenu je potreben vsaj vsake tri mesece ne glede na dobre rezultate QA/QC poroč il. Preventivno č išč enje senzorjev in filtrov ter vizualni pregled opreme sistema prepreč i veliko nepotrebnih izrednih vzdrževalnih del. Vč asih je glede na uporabljene gradnike potreben preglede na terenu tudi pogosteje. Sistem bo deloval bolj kakovostno, č e vsebuje tudi avtomatiko za sprotno odkrivanje napak v meritvah, pri prenosu podatkov ali pri shranjevanju na centralni enoti. opozorilo lahko sproži relativno hitro izvedbo izrednega servisa in s tem odpravo napake pred rednim periodič nim pregledovanjem. 53 Kakovosten jamski informacijski sistem mora zagotavljati vsaj 98% razpoložljivost podatkov. Jamska avtomatska merilna postaja Jamsko merilno postajo sestavljajo senzorji povezani z merilnimi vmesniki in napravami ter vgradni ali osebni rač unalnik. Vgradni rač unalnik neprekinjeno zajema, zbira in kontrolira podatke iz merilnih vmesnikov ter jih samodejno ali na zahtevo posreduje eni ali več centralnim enotam. Pri izvedbi jamske avtomatske merilne postaje je kakovost odvisna od konč nega namena jamskega informacijskega sistema. Medtem, ko so za namen varovanja zdravja in življenja ljudi v jami povsem dovolj manj natanč ni indikatorski merilniki (detektorji), je za znanstveno prouč evanje jam potrebna uporaba znanstvene opreme, ki jo sestavljajo senzorji in naprave ter programska oprema. Znanstvena oprema za take potrebe mora biti zelo kakovostna in prilagodljiva oziroma mora imeti možnosti dograjevanja in dopolnitev. Glavne znač ilnosti takšne jamske avtomatske merilne postaje so: • uporaba kakovostnega merilnega vmesnika (data loggerja) za priklop vsaj nekaj senzorjev za merjenje različ nih parametrov, ki omogoč a majhno porabo električ ne energije, dodatno shranjevanje na lasten stalni spominski medij (na primer CF kartico), ki je prilagodljiv ter odporen na ekstremno okolje v jami in ga je možno tudi reprogramirati; • uporaba naprednega neprekinjenega napajanja, ki temelji na mikrokontrolerju z izredno majhno porabo električ ne energije in mora skrbeti za: dobro kondicijo baterije, mora premostiti krajšne izpade elektrike (vsaj do 2 dni), vnaprej signalizirati operacijskemu sistemu skorajšen izklop zaradi zašč ite podatkov na stalnem spominskem mediju, ki je obč utljiv na nenadne izpade električ ne energije in mora spremljati stanje baterije vsaj tako dobro kot ostale parametre v okolju, • poraba električ ne energije mora biti č im manjša in optimizirana (trenutno stanje elektronike omogoč a skupno porabo pod 2W), da se v okolico postaje ne oddaja preveč energije, ki lahko omogoč a rast raznih mikroorganizmov v bližnji okolici; • tudi pri zagotavljanju energije je potrebno upoštevati lokalno onesnaževanje jame ali pa tudi direkten vpliv na meritve; aktivni viri, kot so to na primer gorivne celice ali agregati, ne pridejo v poštev, ker oddajajo CO 2 in se moč no grejejo, zato pride zaenkrat v poštev samo dovod energije preko dolgih kablov (več dela pri izgradnji za neprekinjeno napajanje) ali baterij (preprostejša montaža, vendar jih je potrebno periodič no polniti), • ustrezno je potrebno zavarovati senzorje pred kondezacijo vode in padajoč imi vodnimi kapljicami (na primer CO 2 senzor z lastnim gretjem ali majhnim nastreškom, itd) in priključ ke (konektorje), kjer je pri montaži potrebno biti pazljiv, da nikjer ne povzroč imo zadrževanja vode, oziroma, da poskrbimo za njeno odtekanje; • uporaba ustreznega dobro izoliranega ohišja in tudi silikagela, kar z odpadno toploto uporabljene elektronike onemogoč a kondenzacijo vode na ohišju, ki se dogaja v jami kljub relativno nespremenljivi temperaturi zraka glede na zunanji zrak, saj je velikokrat v jamah prisotna 100% relativna vlaga; • IoT (Internet of Things) vgradni rač unalnik na osnovi standarnega vgradnega operacijskega sistema (embedded Linux) z ustreznim trajnim spominskim medijem (mikroSD kartica), možnostjo Ethernet in/ali WiFi povezave ter povezave preko RS232/RS485/RS422 ali USB z merilnim vmesnikom (data loggerjem) tudi na daljše razdalje. 54 Za meritev posameznih fizikalnih velič in v jamah priporoč amo glede na njihove znač ilnosti, kakovost in izkušnje sledeč e senzorje: • temperatura zraka: pasivni PT100 uporovni senzor; • pretok zraka: ultrasonič ni senzor; • ogljikov dioksid CO 2 : CO 2 sonda na osnovi NDIR (Nondispersive infrared sensor) senzorja (absorbcijska presvetlitvena metoda merjenja plinov na osnovi IR svetlobe) Na izbiro senzorja vpliva tudi njegova č asovna konstanta, ki mora biti ustrezno manjša glede na nač in merjenja fizikalne velič ine v jami. Za znanstveno prouč evanje jame morajo zadostiti senzorji spodnjim č asovnim intervalom vzorč enja, ki morajo za vsako spremljano fizikalno velič ino zadostiti Nyquist–Shannon teoremu vzorč enja, ki pravi, da je potrebno vzorč iti z vsaj dvakratno frekvenco vzorč enja kot je frekvenca opazovanega signala (Shannon, 1949), v praksi pa vsaj z desetkratno za kakovostnejše rezultate: • temperatura zraka: 10 sekund; • pretok zraka: 1 sekunda; • ogljikov dioksid CO 2 : 10 sekund (pod 20 sekund) Programska oprema kakovostne jamske avtomatske merilne postaje ima možnosti majših dopolnitev in prilagoditev na terenu v obliki nastavitvenih datotek in pa možnosti nadgradnje. Sestavljajo je skupina različ nih programov, ki skrbijo za neprekinjeno in sprotno zajemanje podatkov iz senzorjev ter posredovanje obdelanih podatkov centralni enoti: • program za zajem, statistič no obdelavo in kontrolo signalov iz senzorjev; • program za lokalno shranjevanje podatkov za omejen č as (do 1 meseca); • dodaten program za lokalno vizualizacijo podatkov na mestu meritve; • program za prenos podatkov na centralno enoto; • ter program za nadzor delovanja vseh ostalih programov (zaustavitev in ponoven zagon ob nepravilnem delovanju katerega izmed njih. Za dolgoroč no kakovostno delovanje jamske avtomatske merilne postaje je osrednjega pomena avtomatska kontrola podatkov iz senzorjev (Mlakar et al., 1990). Osnovna naloga kontrole podatkov je neprekinjeno avtomatsko preverjanje podatkov. V primeru detekcije napake meritve se takšni podatki označ ijo kot neveljavni, kljub temu pa se pošljejo v centralno enoto, kjer služijo za avtomatsko opozarjanje na napako in analizo napake pred odhodom serviserjev na popravilo na terenu. Kot primer ene izmed avtomatskih kontrol predstavlja preverjanje ali je stalnost hitrosti pretoka zraka izven mej s č imer se detektira okvaro senzorja. Drug primer je preverjanje ali so vrednosti v predpisanem območ ju meritve in ali je standarna deviacija meritve v predpisanem območ ju (predpisana območ ja so določ ena za vsako fizikalno spremenljivko posebej). Pomembna lastnost avtomatske merilne postaje, ki vpliva na kakovost merilnih podatkov, je tudi reprezentativnost meritev (World Meteorological Organization, 2008). Reprezentativnost najbolje opisujejo metapodatki merilne postaje, ki natanč no opisujejo za vsako merilno okoljsko spremenljivko vrsto senzorja, njegove lastnosti, kakovost, podrobno lokacijo, datum kalibracije ter senzorjevo okolico. V jamskih merilnih sistemih se je z razvojem digitalnih fotoaparatov kakovost metapodatkov pomembno izboljšala, saj lahko z rednim fotografiranjem avtomatske merilne postaje ob vseh spremembah iz več različ nih zornih kotov vodimo zelo kakovostno bazo metapodatkov. 55 Jamska centralna enota Vsi merilni podatki iz jamskih avtomatskih postaj se po različ nih komunikacijskih poteh zbirajo, dodatno obdelujejo in shranjujejo na jamski centralni enoti. Število jamskih centralnih enot je za različ ne potrebe lahko različ no. Kakovost centralne enote se ne razlikuje bistveno glede na vrsto okoljskega informacijskega sistema, v grobem pa MEISove določ ajo naslednje znač ilosti: • zgrajena je na osnovi zmogljivega rač unalnika, po potrebi se posamezne naloge lahko razporedijo na več medsebojno povezanih osebnih rač unalnikov; • mora opravljati vse osnovne naloge centralne enote kot so zbiranje podatkov iz avtomatskih merilnih postaj, shranjevanje podatkov v izvorni obliki (obič ajno v obliki prenosnih datotek), shranjevanje podatkov v skupno enotno bazo podatkov, obdelava in dodatna kontrola podatkov v bazi in zagotavljanje dostopa do shranjenih podatkov; • skupna enotna ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) baza podatkov, ki omogoč a atomič nost (vsaka operacija v bazi podatkov mora biti izvedena do konca), konsistenco (baza podatkov mora ostati enovita in popolna po vsaki izvedeni operaciji), loč enost (rezultat vzporednega izvajanja operacij mora biti enak rezultatu izvajanja istih operacij zaporedno) in trajnost podatkov (po vsaki izvedeni operaciji mora ostati baza podatkov trajno obstojna) ter temelji na SQL (Structured Query Language) relacijskem urejevalnem sistemu podatkovnih baz, ki je kompatibilen vsaj SQL-92 standardu (International Organization for Standardization, 1992), ki predstavlja tretjo več jo revizijo SQL jezika za poizvedovanje v bazah podatkov; • na voljo mora imeti širikopasoven dostop do svetovnega spleta ali lokalne mreže, ki zagotavlja možnost dostopa do podatkov več uporabnikom soč asno, • v bazi podatkov se mora za vsako meritev posebej beležiti tako č as opravljene meritve kot č as dospetja in shranitve podatka na centralni enoti, izrač unana razlika v teh č asih določ a zakasnitev prenosa podatkov in je pomemben podatek za vzdrževalce sistema, ki z analizo teh podatkov lahko odkrivajo težave na komunikacijskih poteh, dodatno pa je pomemben tudi za sisteme, kjer so sprotni podatki bolj pomembni od zakasnjenih, • vse shranjene podatke v izvorni obliki, bazo podatkov, programsko opremo in po potrebi tudi sliko operacijskega sistema je potrebno redno periodič no varnostno shranjevati na vsaj 100 km oddaljeni lokaciji, saj je samo v takšnem primeru možno centralno enoto vzpostaviti v ponovno delovanje tudi v primeru najhujših naravnih nesreč po priporoč ilih standarda ISO/IEC 27040:2015 (International Organization for Standardization, 2015b); • dologoroč no kakovostno delovanje centralne enote določ a tudi napredno neprekinjeno napajanje, ki lahko premošč a krajše č asovne izpade električ ne energije (do 30 minut), v primeru daljšega č asovnega izpada električ ne energije pa rač unalniško opremo nadzorovano izključ i, saj je več ina trajnih spominskih medijev (na primer trdi diski, itd) obč utljiva na nenadne izklope; • prostor, kjer se nahaja rač unalniška oprema mora biti ustrezno klimatiziran, za zagotavljanje č im daljše življenske dobe rač unalniške opreme, ki se z izpostavljenostjo višjim tempraturam krajša; • centralna enota je opremljena s sistemom avtomatskega opozarjanja (alarmiranjem) o izpadih prenosa podatkov iz avtomatskih postaj, podatkovnih vozlišč (komunikatorjev), o izpadu delovanja ostalih centralnih enot in o napakah na postajah, sistem opozarjanja je prilagodljiv in omogoč a tudi vsakodnevno ponavljanje opozarjanja. Za opozarjanje je možnih več vrst opozoril glede na osebe, ki se jih opozarja (vzdrževalci, uprabniki), opozarjanje pa poteka preko različ nih medijev, ki so 56 trenutno na voljo (pošiljanje kratkih SMS sporoč il na mobilne telefone, uporaba elektronske pošte, pošiljanje FAX sporoč il preko klasič nih modemov, itd). Kakovost okoljskega informacijskega sistema je glede na njegov namen več ja za sisteme, ki so prilagojeni zahtevam za znanstveno prouč evanje. Glavno razliko predstavljajo programska orodja in vmesniki za dostop do podatkov. Za sisteme za trenutni nadzor (monitoring) okolja je obič ajno dovolj dostop do trenutnih podatkov in kratka zgodovina v obliki č asovnih grafov. Za znanstveno prouč evanje pa so potrebna bolj napredna orodja za pregled in analizo dolgih č asovnih vrst podatkov kot so na primer č asovni grafi, histogrami, rože vetrov, daljše č asovne statistike in sonč nice (Božnar et al. 2015; Grašič et al. 2003; Mlakar & Božnar 1995; Bož nar 2004; Lesjak et al. 2002) . Prenos podatkov v jamskem informacijskem sistemu Prenos podatkov v jamskem informacijskem sistemu predstavlja edinstven problem, ki temelji predvsem na dejavnikih ekstremnega okolja (tako za opremo kot za ljudi). V jamah vlada popolna tema, sonč no sevanje pa je na voljo le na vhodih v jame. V več ini primerov vlada v slovenskih jamah 100% relativna vlaga, ki ima velik vpliv na kakovost brezzič nih komunikacij (Mottola et al., 2010). V vseh treh dimenzijah prostora so jame zelo razgibane in več inoma nepravilnih geometrijskih oblik, kar skoraj povsod dodatno slabi ali onemogoč a brezžič ne komunikacije na daljše razdalje. Zaradi vseh naštetih razlogov je tudi poraba energije za brezžič ne povezave več ja. Okolje je v veliko toč kah pravzaprav podobno vesolju, zato je tudi zelo primerno za uporabo in testiranje novih DTN tehnologij za vesolje (Gabrovšek et al., 2014). Uporaba DTN tehnologij je zelo primerna za jamsko okolje, ker je odporna na prekinitve in motnje komunikacij ter se lahko prilagodi različ nih tehnikam prenosa, vendar pa zato podatki niso povsem sprotni, kar pa za jamski informacijski sistem, ki je namenjen znanstvenemu prouč evanju, ni ključ no. Dodatno je DTN tehnologija uporabna zaradi možnosti uporabe nekonvencionalne oblike za prenos podatkov (podatkovna mula na vlaku, mobilni telefoni in tablice vodič ev) (Božnar et al., 2012; Gabrovšek et al., 2014; Grašič et al., 2010; Grašič et al., 2011; Vrbinc et al., 2010). Glavne znač ilnosti kakovostnega omrežja za prenos podatkov temeljijo na odpornosti na prekinitve in motnje komunikacijskih poti: • sistem samodejno poskuša ponovno vzpostaviti komunikacijo ob motnji ali prekinitvi, • komunikacija poteka z uporabo standardnega protokola, ki ima zmožnost odkrivanja napak, • med prekinitvijo se podatki kopič ijo in č akajo na ponovno vzpostavitev prenosa, • ob ponovni vzpostavitvi se prenašajo samo podatki, ki še niso prenešeni, ostali se ne prenašajo po nepotrebnem ter s tem ne zapolnjujejo komunikacijskih poti, zaradi tega se tudi vodi evidenca prenosov. Jamski informacijski sistem Postojnske jame »Jam'ca« Primer izvedbe in zagostavljanja kakovostnih meritev za znanstveno prouč evanje klime v kraških jamah predstavlja jamski informacijski sistem Postojnske jame z interno oznako »Jam'ca«. Postojnska jama je ena najpomembnejših turistič nih jam na svetu in najbolj 57 obiskan turistič ni cilj v Sloveniji. V zadnjih letih jo vsako leto obišč e preko pol milijona turistov, od leta 1819 pa jo je obiskalo že več kot 37 milijonov obiskovalcev. Preko 20 km dolg jamski sistem s petimi znanimi vhodi, je razvit v krednem apnencu med Pivško kotlino in Planinskim poljem. V grobem lahko reč emo, da je sistem razvit v dveh nivojih: turisti obišč ejo zgornji nivo, ki je hidrološko neaktiven. Spodnji nivo sestavljajo kanali z aktivnim tokom ponikalnice Pivke, ki jo lahko v sistemu spremljamo slabe 4 km in odteka po še neraziskanih rovih proti Planinski jami. Postojnska jama je zibelka speleobiologije in je v vrhu jam z največ jo biodiverziteto na svetu. Eden glavnih izzivov upravljanja turistič nih jamah je, kako razvijati jamski turizem s pripadajoč o infrastrukturo in pri tem č im manj vplivati na obč utljivo jamsko okolje ter zagotoviti varnost obiskovalcev in zaposlenih. Poleg neposrednega fizič nega vpliva pri gradnji jamske infrastrukture, č lovek s svojimi dejavnostmi in prisotnostjo najbolj vpliva na jamsko atmosfero. Jamska mikroklima je ključ en dejavnik jamskega ekosistema, od katerega je odvisno preživetje številnih endemnih jamskih živalskih vrst, pomembno pa vpliva tudi na ohranitev in izloč anje sige. Na zemljevidu Postojnske jame (Slika 1) so predstavljene lokacije jamskih avtomatskih merilnih postaj v Postojnski jami, ki delujejo od leta 2010. Lokacije so bile določ ene glede na namen in razpoložljiva denarna sredstva. Postaja »Vodopad« opisuje razmere v bližini enega izmed vhodov v jamo, postaja »Lepe jame« razmere v turistič no najbolj obiskanem delu jame, postaja »Tartar« razmere v bližini toka reke Pivke v jami, postaja »Pisani rov« pa razmere v delu jame, ki je najbolj oddaljen in neodvisen od turistič nega vpliva v jami. Dodatno se nahaja v jami tudi postaja »Prehod« v »Kongresni dvorani«, kjer je na voljo optič na povezava z internetom in služi predvsem kot glavno vozlišč e za prenos podatkov iz jame v centralno enoto izven jame. Na diagramu (Slika 2) so prikazani glavni gradniki okoljskega informacijskega sistema »Jam'ca« v Postojnski jami. 58 Slika 1: Lokacije jamskih avtomatskih merilnih postaj v Postojnski jami (avtorica kartografije: Stanka Šebela, Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Postojna, Slovenija) 59 Slika 2: Diagram glavnih gradnikov okoljskega informacijskega sistema »Jam'ca« v Postojnski jami Jamska avtomatska merilna postaja »JaMo« Glavni gradniki jamske avtomatske merilne postaje so predstavljeni na diagramu (Slika 3) in so za vse postaje v sistemu »Jam'ca« enaki, zato v nadaljevanju sledi samo podroben opis postaje »Pisani rov«, opis pa velja tudi za vse ostale postaje. Postaja za meritve posameznih okoljskih spremenljivk v jami je opremljena s sledeč imi senzorji: • temperatura zraka: PT100 senzor, tip »Pt100 Therometer 1/5 DIN«, natanč nost ±0.10°C, območ je od −65°C do +70°C, odzivni č as < 20 sekund, dolgoroč na stabilnost 0.1°C/leto, proizvajalec MicroStep-MIS; • pretok zraka: ultrasonič ni senzor vetra, tip »WindSonic«, natanč nost hitrosti vetra ±2% pri 12 m/s, natanč nost smeri vetra ±3% pri 20 m/s, območ je hitrosti vetra od 0 m/s do 60 m/s in smeri vetra od 0° do 359°, proizvajalec Gill Instruments Limited; • ogljikov dioksid CO 2 : CO 2 sonda, tip »GMT 200 series«, natanč nost ±(1.5 % od območ ja + 2 % od izmerka), območ je od 0 ppm do 10000 ppm, odzivni č as < 20 sekund, dolgoroč na stabilnost <±5 % od območ ja /2 leti, proizvajalec Vaisala. Zajem izmerjenih podatkov poteka iz merilnega vmesnika microStep-MIS AMS 111, preko RS485 komunikacijskega vmesnika. Za zajem, zbiranje, statistič no obdelavo, kontrolo, lokalno shranjevanje in prenos v centralno enoto skrbi okoljsko vozlišč e MEIS JaMo. Naprava JaMo temelji na vgradnem rač unalniku Arduino Yún, ki omogoč a relativno dobro rač unalniško zmogljivost glede na porabo (manj kot 2W), kakovostno brezžič no WiFi povezovanje in trajni spominski medij microSD. Dodatno je naprava JaMo 60 opremljena tudi s kakovostnim neprekinjenim napajanjem na osnovi 12V svinč eve baterije, ki omogoč a premostitev izpada električ ne energije do 12 ur ali več glede na kapaciteto baterije ter dodatno omogoč a tudi nadzorovan izklop naprave za zašč ito podatkov na spominskem mediju. Programska oprema okoljskega vozlišč a MEIS JaMo ustreza vsem lastnostim opisanim v podpoglavju »Jamska avtomatska merilna postaja«, podroben opis pa je na voljo v prispevku (Grašič et al., 2011). Vsa elektronika jamske merilne postaje, razen senzorjev, je namešč ena v ustrezno izolirano ohišje, ki onemogoč a kondezacijo vode na ohišju. Slika merilne postaje na lokaciji »Pisani rov« je predstavljena na slikah (Slika 4). Posebnost te postaje predstavlja relativno velika razdalja (cca. 500 m) med merilnim vmesnikom na lokaciji »Pisani rov« in okoljskim vozlišč em JaMo na lokaciji »Pisani vhod«. JaMo je postavljen na to lokacijo zaradi bližine jamske železniške proge po kateri se obč asno pripelje jamski turistič ni vlakec opremljen s podatkovno mulo za prenos podatkov na osnovi DTN tehnologije (Gabrovšek et al., 2014). Senzorji so namešč eni glede na možnosti in potrebe na posameznih lokacijah. Medtem ko so na lokacijah »Pisani rov«, »Pisani vhod« in »Tartar« pritrjeni z uporabo steznih plastič nih vezic kar na obstoječ e nosilce (Slika 6), se na lokacijah »Vodopad« in »Lepe jame« uporablja prenosni stolp (Slika 7). Slika 3: Diagram glavnih gradnikov jamske avtomatske merilne postaje 61 Slika 4: Slike jamskih avtomatskih merilnih postaj za meritve na lokacijah »Pisani rov« (levo zgoraj je slika izoliranega ohišja v katerem se nahaja merilni vmesnik, levo spodaj pa slika okoljskega vozlišč a »JaMo« prav tako v izoliranem ohišju) in »Vodopad« (desno) Slika 5: Slike jamske avtomatske merilne postaje za meritve na lokaciji »Tartar« 62 Slika 6: Slike montaže senzorjev na lokacijah »Pisani rov - vhod« (levo) in »Tartar« (desno«). Slika 7: Slike montaže senzorjev na prenosne merilne stolpe (levo na lokaciji »Lepe jame«, desno na lokaciji »Vodopad«). Centralna enota jamskega okoljskega sistema »Jam'ca« Jamska centralna enota sistema »Jam'ca« se nahaja v prostorih MEIS-a) in ustreza vsem opisanim lastnostim v podpoglavju »Jamska centralna enota«. 63 Sestavljena je iz več rač unalnikov primerne zmogljivosti: • okoljskega vozlišč a JaMo z oznako »Centrala«, ki je glavno vozlišč e za sprejem podatkov preko svetovnega spleta (interneta) na osnovi Arduino Yun vgradnega rač unalnika ali preko Ad-Hoc brezžič ne povezave s podatkovno mulo JaMu; • zmogljivega strežniškega rač unalnika z oznako »Maid« na osnovi Intel I7 mikroprocesorja in veliko količ ino trajnega spomina na trdem disku (1 TB), kjer je namešč ena programska oprema za dodatno kontrolo in shranjevanje prejetih podatkov iz postaj v MySQL bazo podatkov, na tem rač unalniku je namešč ena tudi programska oprema za dostop do shranjenih podatkov ter prenos izmerjenih vrednosti za zadnjih 5 dni iz vseh postaj v obliki grafov na javno spletno stran (Slika 8 in Slika 9) (Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU & MEIS, 2015), • najetega strežniškega prostora izven prostorov MEISa za gostovanje javne spletne strani, • ter osebnega rač unalnika z oznako »CinCin« opremljenega s sistemom avtomatskega opozarjanja (alarmiranja) na detektirane izpade ali napake v sistemu »Jam'ca« prek elektronskih sporoč il in kratkih SMS sporoč il. Dostop do vseh sprotnih in zgodovinskih podatkov je omogoč en z uporabno namenskega prikazovalnega programa »Mungo«, ki omogoč a pregled, grafič no predstavitev in statistič ne prikaze tudi izven internega omrežja MEISa na osebnih rač unalnikih. Za vizualizacija in statistič no obdelavo so na voljo tudi druga namenska orodja kot je na primer program »webSolarRose« za risanje sonč nic ( Slika 10). Slika 8: Vstopna slika javno dostopne spletne strani jamskega okoljskega sistema »Jam'ca« na spletni strani http://www.meis.si/jamca 64 Slika 9: Primer predstavitve izmerjenih podatkov jamske merilne postaje na javno dostopni spletni strani jamskega okoljskega sistema »Jam'ca« za preteklih 5 dni Slika 10: Analiza merilnih podatkov iz lokacije »Pisani rov« z uporabo orodja »Sonč nica« (levo: povpreč na koncentracija CO 2 , sredina: povpreč na temperatura T2, desno: standardna deviacija povpreč ne temperature T2) z uporabo namenskega programa »webSolarRose« DTN prenos podatkov Za prenos podatkov v jamskem okoljskem sistemu »Jam'ca« se uporablja DTN tehnologija prenosa podatkov, ki je predstavljena v podpoglavju »Prenos podatkov v jamskem informacijskem sistemu«. Za prenos podatkov se uporabljata dve DTN podatkovni muli JaMu (Slika 11), ki se izmenjujeta na turistič nem vlakcu, ko zmanjka električ ne energije v baterijah. Podatkovna mula JaMu vsebuje za varč evanje z energijo senzor vibracij, ki skrbi, da se JaMu izklopi, kadar vlak miruje. S tem je ob kapaciteti sedmih eno-celič nih LiPo baterij, ki znaša 42 Ah, zagotovljena avtonomija približno za 25 dni. Ob sreč anju z jamsko postajo ima podatkovna mula na voljo povpreč no 10-15 sekund za izmenjavo podatkov. 65 Slika 11: Slika DTN podatkovne mule montirane na turistič nem vlakcu v Postojnski jami z uporabo magnetnega nosilca Zaključ ki V okviru tega prispevka so predstavljene pridobljene izkušnje pri izgradnji in zagotavljanju kakovostnih avtomatskih meritev za znanstveno prouč evanje mikrometeorologije kraških jam, ki temeljijo na dobri praksi in ustrezni dopolnitvi in prilagoditvi priporoč il Svetovne meteorološke organizacije za meritve v zunanji atmosferi (World Meteorological Organization, 2008). Slika 12: Demingov krog PDCA (planiraj – izvedi – preveri – ukrepaj) z zagozdo, ki jo predstavlja standard povzeto po standardu kakovosti ISO9001:2015 (International Organization for Standardization, 2015b) Izgradnja in zagotavljanje kakovostnih avtomatskih meritev je v skladu z najnovejšo izdajo standarda kakovosti ISO9001:2015 (International Organization for Standardization, 2015b), ki določ a sedem glavnih nač el vodenja kakovosti med katerimi je bilo pri našem delu najbolj izpostavljeno nač elo nenehnega izboljševanja (Slika 12), (International Organization for Standardization, 2015a). Nekatere pridobljene izkušnje in spoznanja predstavljene v tem prispevku bi bilo za izvajanje mikrometeoroloških meritev v jami 66 možno v prihodnosti uporabiti tudi kot standard (zagozdo Demingovega kroga PDCA, Slika 12). Dodatno so v okviru tega prispevka opisane tudi možnosti kakovostnega prenosa podatkov v okoljskih merilnih sistemih, ki jih priporoč ila Svetovne meteorološke orgranizacije še ne pokrivajo (World Meteorological Organization, 2008) in so osnovane na podlagi uporabe sodobne DTN tehnologije, ki se razvija za komunikacije v vesolju in na področ jih s slabo ali neobstoječ o infomacijsko infrastrukturo. V zadnjih č asih se mnogokrat narobe predpostavlja, da je možno enako dobre meritve kot iz kakovostne merilne naprave pridobiti z več jo količ ino meritev iz več manj kakovostnih merilnih naprav vč asih celo indikatorjev (detektorjev), kar je posledica hitrega razvoja in dostopnosti cenejših in manj kakovostnih merilnih naprav. Odgovore ali je to možno, predstavlja tudi ta prispevek, ki predstavlja potrebne pogoje za kakovostne meritve. Glede na pregled lastnosti kakovostnega avtomatskega merilnega sistema lahko zaključ imo, da lahko več ja količ ina meritev (tako v č asu kot prostoru) samo v nekaj lastnostih ohranja ali poveč uje kakovost merilnega sistema kot je na primer razpoložljivost in sprotnost podatkov, pod določ enimi pogoji tudi reprezentativnost in loč ljivost, nikakor pa ne more izboljšati lastnosti kot je natanč nost. Zahvala Za izvedbo predstavljenega jamskega informacijskega sistema »Jam'ca« smo bili sofinancirani s strani raziskovalnega projekta ARRS z oznako L2-6762. Literatura Božnar, M., Mlakar, P., Grašič , B., Gabrovšek, F. (2012). “E-learning” lectures for setting up a modern DTN communications based cave micrometeorological stations, example of Postojna Cave, Slovenia. Guide Book and Abstracts, 16–17. Božnar, M. Z. (2004). Environmental information systems in Slovenia---the present and future state. Nuovo Cimento C Geophysics Space Physics C, 27, 307. https://doi.org/10.1393/ncc/i2004-10022-2 Božnar, M. Z., Grašič , B., Mlakar, P., Soares, J., de Oliveira, A. P., Costa, T. S. (2015). Radial frequency diagram (sunflower) for the analysis of diurnal cycle parameters: Solar energy application. Applied Energy, 154, 592–602. Gabrovšek, F., Grašič , B., Božnar, M. Z., Mlakar, P., UdØn, M., Davies, E. (2014). Karst show caves – how DTN technology as used in space assists automatic environmental monitoring and tourist protection – experiment in Postojna Cave. Natural Hazards and Earth System Science, 14(2), 443–457. https://doi.org/10.5194/nhess-14-443-2014 Grašič , B., Mlakar, P., Božnar, M. Z., Lesjak, M. (2003). Use of open source operating system and TCP/IP connectivity in urban environmental monitoring. In IEEE International conference on industrial technology, Vols 1 and 2, Proceedings (pp. 1257–1261). Grašič , B., Vrbinc, S., Božnar, M., Mlakar, P., Popović , D. (2010). Delay and Disruption Tolerant Networking (DTN) test bed in Slovenia. Nova vizija tehnologij prihodnosti, 103–114. Grašič , B., Vrbinc, S., Mlakar, P., Božnar, M. (2011). Software applications for environmental measurements using DTN connectivity. Zbornik 14. Mednarodne Multikonference Informacijska Družba - IS 2011, 10.-14. Oktober 2011, 207–210. Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, MEIS. (2015). Projekt JAMCA: Ocena vpliva naravnih in antropogenih procesov na mikrometeorologijo Postojnske jame z uporabo numerič nih 67 modelov ter sodobnih metod zajemanja in prenosa okoljskih podatkov. Retrieved November 21, 2016, from http://www.meis.si/jamca/ International Organization for Standardization. (1992). ISO/IEC 9075:1992 Information technology - Database languages - SQL. Maynard, Massachusetts. Retrieved from http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=16663 International Organization for Standardization. (2015a). ISO/IEC 27040:2015 Information technology - Security techniques - Storage security. International Organization for Standardization. (2015b). ISO 9001:2015 Quality management systems - Requirements. Lesjak, M., Grašič , B., Božnar, M. Z., Mlakar, P. (2002). New Internet connected air pollution monitoring network of Slovenia. Development and Application of Computer Techniques to Environmental Studies, 185–190. Mlakar, P., Božnar, M. (1995). Environmental information systems in Slovenia. Air Pollution III. Vol. 2, Air Pollution Engineering and Management, 259–266. Mlakar, P., Diallo, B., Lesjak, M., Č uhaljev, I. (1990). Avtomatizirano vrednotenje kvalitete podatkov v rač unalniških ekoloških merilnih sistemih. Programska merilna oprema, 77–83. Mottola, L., Picco, G. Pietro, Ceriotti, M., Gunǎ , Ş ., Murphy, A. L. (2010). Not All Wireless Sensor Networks Are Created Equal: A Comparative Study on Tunnels. ACM Trans. Sen. Netw., 7(2), 15:1--15:33. https://doi.org/10.1145/1824766.1824771 Shannon, C. E. (1949). Communication in the presence of noise. Proceedings of the IRE, 37(1), 10–21. Vrbinc, S., Grašič , B., Božnar, M. Z., Mlakar, P. (2010). SymbioNode Data Carrier in Delay and Disruption Tolerant Networking (DTN). In Collaboration, Software and Services in Information Society (CSS-COT 2010) (pp. 1–6). Retrieved from http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary;jsessionid=93FAF44D8DB8208A18608CA39866 C45F?doi=10.1.1.374.4830%5Cnhttp://www.n4c.eu/Download/8.4/DTN_SYMBIONODE_IJS _v5.0.pdf World Meteorological Organization. (2008). Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, WMO-No. 8.