物聯(lián)網(wǎng)將如何協(xié)助治理城市空氣污染

對于人們來說，城市就像磁鐵一樣有著巨大吸引力。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，地球上近一半的人口生活在人口超過50萬的城市里，到2050年，這個數(shù)字將上升到三分之二以上。此外，人口超過1,000萬的特大城市數(shù)量已從1990年的10個增加到了今天的28個，預(yù)計到2030年將增至41個。

不過這并不一定是壞事。管理有方的大都市鼓勵經(jīng)濟發(fā)展，能夠改善居民的就業(yè)前景、住房、電力、水、衛(wèi)生、交通、醫(yī)療和教育條件。而且，城市的服務(wù)提供成本比農(nóng)村要低得多，在環(huán)境發(fā)展上也更具可持續(xù)性。

但隨著城市規(guī)模的擴大，問題也會成倍增加。其中一個最棘手的問題是交通擁堵。交通擁堵阻塞了城市動脈，阻礙了經(jīng)濟發(fā)展，對人類健康的影響更是糟糕。汽車不斷地將有害尾氣（包括直徑小于等于2.5μm的大氣顆粒物）排入空中。這種PM2.5污染會深入肺部，被認為對健康危害最大。

傳統(tǒng)做法是通過控制交通來減少污染，比如收取擁堵費或阻止某些車輛在特定日期出行，既麻煩又沒有考慮到天氣和道路工程或事故等短暫交通狀況。

但是現(xiàn)在，通過廣泛部署借助低功耗無線局域網(wǎng) (LPWAN) 以無線方式連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的商用空氣質(zhì)量傳感器，有望生成細粒度數(shù)據(jù)以幫助城市規(guī)劃人員對大氣污染的累積（和清除）做出更積極的反應(yīng)。一些比較積極的相關(guān)機構(gòu)正在采用剛剛起步的物聯(lián)網(wǎng)來凈化城市空氣，但要實現(xiàn)適合未來智能城市的污染控制系統(tǒng)，還有很長的路要走。

擁堵的交通

福特汽車公司在美國的生產(chǎn)線為大眾帶來了獨立出行的便利性，城市規(guī)劃人員很快接受了這場文化革命。例如，二十世紀(jì)20年代洛杉磯的城市規(guī)劃主要是面向汽車設(shè)計的。這座城市的人口密度低，郊區(qū)偏遠，這是因為在從1910年開始的十年快速擴張中，人們可以很方便地開車四處活動。如今，洛杉磯的交通系統(tǒng)已經(jīng)成為了昔日成功的犧牲品。交通分析師INRIX稱，2017年，該市的擁堵程度連續(xù)第六年位居世界之首。有公司說，洛杉磯的通勤者一年有超過100個小時處于高峰擁堵時刻。

但交通擁堵并不是美國獨有的問題。在中國和印度，迅速擴張的中產(chǎn)階層把大部分可支配收入花在了汽車上，造成的交通問題很嚴(yán)重，而且還會變得更糟。以孟買為例，該市人口約1,850萬，擁有230萬輛汽車，在過去7年中增長了55%，2017年的新車登記量約為每天700輛。北京的車輛擁堵情況也同樣令人印象深刻，在這個2,170萬人口的大都市中，有597萬輛汽車。

顆粒物污染源及其影響

PM2.5污染源很多，包括燃煤和燃油發(fā)電站、家庭烹飪，甚至還有灰塵和海鹽等自然界來源。不過韓國光州的一項研究表明，該市超過三分之一的顆粒物來自柴油和汽油動力汽車。

北京的情況與之類似。2017年3月下旬，北京的PM2.5濃度為238μg/m3，該市全年平均濃度為90μg/m3。世界衛(wèi)生組織 (WHO) 指南規(guī)定，24小時內(nèi)PM2.5的平均值達到25μg/m3即為不健康。這座中國城市的居民正在為出行便利性付出高昂的代價。南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院2016年的一份報告指出，北京（以及中國其他擁堵城市）31.8%的死亡病例可能與PM2.5有關(guān)。

盡管沒有北京那么糟糕，但孟買擁有數(shù)量龐大的汽車，排放標(biāo)準(zhǔn)的門檻也很低，這座城市的空氣質(zhì)量也常常令人震驚。據(jù)《印度時報》報道，孟買在全球859個城市中污染程度排名第63位，是第四大污染最嚴(yán)重的特大城市。2016年，該市的PM2.5平均數(shù)字為64μg/m3。盡管北京和孟買異常糟糕，西方城市也沒有理由沾沾自喜。洛杉磯的PM2.5年平均值達到了18μg/m3。在歐洲，巴黎在2018年2月達到了55μg/m3的峰值讀數(shù)。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，空氣污染是導(dǎo)致非傳染性疾病的主要原因，大約24%的成人死于心臟病，25%死于中風(fēng)，43%死于慢性阻塞性肺病，29%死于肺癌。

污染治理1.0版

有許多城市的相關(guān)機構(gòu)都在努力治理空氣污染。有些城市所采用的方式比較特別。據(jù)英國廣播公司 (BBC) 報道，印度德里曾嘗試在平板上安裝噴氣式發(fā)動機，并將其拖到污染嚴(yán)重的地區(qū)，利用發(fā)動機的推力將微粒推到大氣中，避免人們吸入。北京最近還推出了一項許可制度，限制非本地居民一年內(nèi)只能駕車進入北京12次。

控制空中顆粒物的傳統(tǒng)方法包括在全國污染嚴(yán)重地區(qū)部署監(jiān)測設(shè)備，先用數(shù)月的時間大致了解污染狀況，再采取嚴(yán)厲措施，如限制汽車出行或提高排放稅來緩解交通擁堵，直到空氣質(zhì)量提升。這些舉措沒有考慮到天氣和汽車事故等暫時性因素，而嚴(yán)厲的管控方案也會讓司機不滿，通常難以持久。

利用常規(guī)技術(shù)限制顆粒物污染

通過部署傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭等現(xiàn)代電子設(shè)備，美國一些城市正在取得不錯的效果。例如，伊利諾伊州芝加哥市使用裝在燈柱上的傳感器來繪制城市大片區(qū)域隨時間變化的污染圖，而賓夕法尼亞州匹茲堡市的居民則可以使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭放大特定的排放源，并對污染事件進行記錄，以確定污染情況。在其他地方，肯塔基州的路易斯維爾市則通過收集哮喘患者何時使用吸入器的數(shù)據(jù)來確定污染嚴(yán)重區(qū)域。

在美國以外，奧斯陸允許一般車輛在公交專用道通行，提供大量的充電站和特權(quán)停車場，并取消了電動汽車的通行費。挪威是全世界人均擁有電動汽車最多的國家，對于一個人口520萬的國家來說，電動汽車超過了10萬輛。奧斯陸在2016年的平均PM2.5讀數(shù)為11μg/m3。德國德累斯頓正嘗試通過實施污染吸收“環(huán)保墻”來過濾空氣中的微粒。

網(wǎng)絡(luò)改進污染控制方式

減少進入城市的汽車數(shù)量這一舉措勢必會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。更少的排氣管意味著更低的排放量。但這種影響往往并沒有預(yù)期的那么大。比如，倫敦在2003年推出了擁堵收費計劃。到2014年，收費區(qū)的車流量比10年前減少了近四分之一。但公共汽車的數(shù)量增加了，自2000年以來，出租車和私人出租汽車的出行量增加了近30%。

倫敦的交通擁堵費改善了空氣質(zhì)量嗎？ 2003年，倫敦的PM2.5平均值為25μg/m3（中部地區(qū)上升至35μg/m3），而在2016年，這個數(shù)字為15μg/m3（中部地區(qū)上升至18μg/m3）。這是一個明顯的改善，但這個數(shù)字仍然遠高于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的閾值10μg/m3。

倫敦的經(jīng)驗表明，治理空氣污染是多要素綜合作用，改變一個要素可能會影響其他要素（有時這種影響甚至是負面的）。要對污染峰值做出快速反應(yīng)并在一段時間內(nèi)降低平均污染水平需要數(shù)據(jù) - 大量及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 能夠快速生成、整理和分析來自傳感器的數(shù)據(jù)，這些傳感器緊湊、廉價，通過LPWAN以無線方式連接到云端，使城市規(guī)劃人員能夠利用大數(shù)據(jù)來改進空氣污染控制措施。

建立物聯(lián)網(wǎng)空氣污染控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染控制系統(tǒng)將包含四個基本要素：

緊湊、廉價、電池供電的PM2.5傳感器正在投入商用。來自這些傳感器的數(shù)據(jù)可以與來自金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氣體傳感器的數(shù)據(jù)互為補充。MOS氣體傳感器可以調(diào)整為重點檢測廢氣中普遍存在的二氧化氮 (NO2) 和一氧化碳 (CO)，從而讓用戶了解車輛造成的空氣污染整體情況。傳感器通常與使用電池友好型無線協(xié)議（例如低功耗藍牙 (BLE) 或 Zigbee）的射頻收發(fā)器配合使用， 以便數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)連續(xù)傳輸。由于PM2.5傳感器和氣體傳感器價格便宜并且不引人注目，因此它們可以廣泛部署在整個城市以監(jiān)測空氣污染。

LPWAN在短距離無線傳感器的局域網(wǎng) (LAN) 和云之間建立穩(wěn)健、安全的遠程連接。一些LPWAN技術(shù)目前正在商業(yè)化，包括LTE-M和NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox和Weightless等蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

一旦數(shù)據(jù)通過LPWAN上傳到云端，就可以對其進行整理和分析，從而近乎實時地詳細了解城市空氣污染變化情況。隨著歷史數(shù)據(jù)庫的建立，算法可以引用過去的事件來準(zhǔn)確預(yù)測未來的情形將如何發(fā)展，從而使相關(guān)機構(gòu)能夠在需要時采取預(yù)防措施。有了這些信息，將可以采取比傳統(tǒng)措施更精妙的行動，比如管制交通流量、暫時降低環(huán)保車輛的道路通行費，以及通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)迅速建議公民避開可能很快變得危險的區(qū)域。

早期踐行者

倫敦

倫敦正在利用其在擁塞控制方面的經(jīng)驗，與蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施提供商聯(lián)盟GSMA合作，在格林威治皇家行政區(qū)推出了一項基于物聯(lián)網(wǎng)的試驗。這個名為“智能倫敦”的項目結(jié)合了傳感器、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)LPWAN和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括連接到車輛、自行車和行人的低成本靜態(tài)和移動設(shè)備?，F(xiàn)有格林威治空氣質(zhì)量監(jiān)測站的數(shù)據(jù)可以對這些傳感器的數(shù)據(jù)進行補充。

這些數(shù)據(jù)使相關(guān)機構(gòu)能夠盡早作出決定。例如，當(dāng)用戶所在地區(qū)的污染水平可能上升時，可以將空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)通過智能手機發(fā)送給訂閱了AirTEXT服務(wù)的用戶。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，該區(qū)采取了一些減輕污染的措施，比如禁止使用大型運輸卡車，而是雇用用自行車投遞包裹的承包商。

雖然格林威治的實驗還處于初期階段，但PM2.5的水平已經(jīng)出現(xiàn)了適度下降。

首爾

韓國首都有一個基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染監(jiān)測計劃，由當(dāng)?shù)仉娦胚\營商運營。作為一個發(fā)達國家來說，韓國的空氣質(zhì)量是很差的。2018年3月下旬，首爾的PM2.5峰值達到了100μg/m3。韓國航空地圖項目通過遍布全國的基礎(chǔ)設(shè)施收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括韓國的450萬根電線桿、33萬個移動基站、6萬個公共電話亭和4000個交換中心。除了PM2.5和PM10水平，傳感器還跟蹤溫度、噪音水平和濕度。傳感器數(shù)據(jù)通過蜂窩物聯(lián)網(wǎng)LPWAN中繼到公司現(xiàn)有的4G和新5G移動網(wǎng)絡(luò)。這些信息在被收集后，每分鐘都會傳送到公司的航空地圖平臺。

到目前為止，首爾的空氣質(zhì)量控制措施產(chǎn)生的效果有限。市政府已經(jīng)采取措施鼓勵人們不要開車，比如在高峰時段免收公共交通費，關(guān)閉停車場，以及在污染達到高峰時對某些柴油車實行罰款和禁令，但這些措施只減少了大約2%的交通量。據(jù)美國U.S. News & World Report雜志報道，韓國政府發(fā)言人稱，過去五年P(guān)M2.5的改善停滯不前。

基于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采取行動

倫敦和首爾的經(jīng)驗表明，檢測污染是一回事，根據(jù)信息采取行動，使其產(chǎn)生有意義的影響是另一回事。但物聯(lián)網(wǎng)目前還處于起步階段，從中期來看，城市規(guī)劃人員將受益于廣泛的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和云存儲所積累的大量當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。

改進響應(yīng)措施

如何對物聯(lián)網(wǎng)生成的數(shù)據(jù)做出反應(yīng)在很大程度上取決于政治環(huán)境，但技術(shù)可以確保公眾及時獲得準(zhǔn)確的信息，能夠在決策過程中發(fā)揮更大的作用。這樣，公民就更有可能接受使個人行動成本更高甚至受到限制的措施。

引入增強型傳感器技術(shù)

低功耗無線和半導(dǎo)體技術(shù)的進步使空氣質(zhì)量傳感器變得更便宜、更小巧、維護工作更少、更精確且覆蓋距離更遠。因此，未來的污染控制計劃將能夠利用更多的傳感器和更高的檢測精度。

擴展傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

傳感器的廣泛部署還得益于藍牙?網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和Zigbee?固有的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)兼容性等技術(shù)發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)允許傳感器相互通信，減少了所需的LPWAN節(jié)點數(shù)量，因為數(shù)據(jù)可以聚合到大型網(wǎng)絡(luò)上的一個點，并從該點進行中繼。這樣的安排降低了成本和復(fù)雜性。

部署城市級LPWAN

LPWAN在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)有一個先發(fā)優(yōu)勢，因為大多數(shù)城市已經(jīng)建立了4G（以及越來越多的5G）網(wǎng)絡(luò)，從而在早期就吸引了大都市蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商。LoRaWAN、Sigfox和Weightless正忙于在各大城市建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，以支持它們的技術(shù)。一旦就位，這些LPWAN將提供一個主干網(wǎng)，為城市任何區(qū)域快速、廉價地部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

利用人工智能提前行動

基于巨大的數(shù)據(jù)資源和服務(wù)器場的強大功能，工程師們將開發(fā)算法，智能地考慮影響空氣污染的各種因素的復(fù)雜相互作用，做出準(zhǔn)確的預(yù)測，并提出盡早（和精妙的）行動建議，以減輕危險程度。例如，韓國正在建設(shè)的空氣凈化廠將在空氣污染達到臨界值時自動啟動，而中國的無人機則在污染嚴(yán)重區(qū)域噴灑水或化學(xué)物質(zhì)，以沖走積聚的PM2.5。

總結(jié)

盡管城市仍然不得不與柴油和汽油車為伍，但尾氣排放的PM2.5對人類健康是一種潛在危害。大多數(shù)城市已經(jīng)意識到了呼吸系統(tǒng)疾病造成的生產(chǎn)力損失和衛(wèi)生系統(tǒng)負擔(dān)，一些城市已經(jīng)在努力降低污染水平。這些開創(chuàng)性的努力值得稱贊，但實施成本高，管理復(fù)雜，成果有限。

物聯(lián)網(wǎng)通過近乎實時地生成連續(xù)的精確數(shù)據(jù)流來解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的弱點，使規(guī)劃人員能夠做出更明智的決策來減少交通流量。不過物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，在工程師們推出下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、城市級LPWAN和5G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施之前，物聯(lián)網(wǎng)在空氣污染控制方面的全部潛力尚無法實現(xiàn)。這些基礎(chǔ)設(shè)施需要將數(shù)據(jù)提供給AI算法，然后算法可以觸發(fā)提前預(yù)防措施。

審核編輯：郭婷