對(duì)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(gè)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(gè)增加到了今天的28個(gè)，預(yù)計(jì)到2030年將增至41個(gè)。

不過這并不一定是壞事。管理有方的大都市鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)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(kuò)大，問題也會(huì)成倍增加。其中一個(gè)最棘手的問題是交通擁堵。交通擁堵阻塞了城市動(dòng)脈，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)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(huì)深入肺部，被認(rèn)為對(duì)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(fèi)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(xì)粒度數(shù)據(jù)以幫助城市規(guī)劃人員對(duì)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(jī)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(shí)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。

01

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(dú)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(jì)的。這座城市的人口密度低，郊區(qū)偏遠(yuǎn)，這是因?yàn)樵趶?910年開始的十年快速擴(kuò)張中，人們可以很方便地開車四處活動(dòng)。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(gè)小時(shí)處于高峰擁堵時(shí)刻。

但交通擁堵并不是美國獨(dú)有的問題。在中國和印度，迅速擴(kuò)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(huì)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(gè)2，170萬人口的大都市中，有597萬輛汽車（圖1）。

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(xiàng)研究表明，該市超過三分之一的顆粒物來自柴油和汽油動(dòng)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(shí)內(nèi)PM2.5的平均值達(dá)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(jià)。南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院2016年的一份報(bào)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(shí)報(bào)》報(bào)道，孟買在全球859個(gè)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(dá)到了18μg/m3。在歐洲，巴黎在2018年2月達(dá)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。

02

污染治理1.0版

有許多城市的相關(guān)機(jī)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(bào)道，印度德里曾嘗試在平板上安裝噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其拖到污染嚴(yán)重的地區(qū)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)許可制度，限制非本地居民一年內(nèi)只能駕車進(jìn)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(shí)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(shí)性因素，而嚴(yán)厲的管控方案也會(huì)讓司機(jī)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(cuò)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(shí)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(duì)污染事件進(jìn)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(shí)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(dòng)汽車的通行費(fèi)。挪威是全世界人均擁有電動(dòng)汽車最多的國家，對(duì)于一個(gè)人口520萬的國家來說，電動(dòng)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(shí)施污染吸收“環(huán)保墻”（圖2）來過濾空氣中的微粒。

03

網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)污染控制方式

減少進(jìn)入城市的汽車數(shù)量這一舉措勢必會(huì)對(duì)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(fèi)計(jì)劃。到2014年，收費(fèi)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(fèi)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(gè)數(shù)字為15μg/m3（中部地區(qū)上升至18μg/m3）。這是一個(gè)明顯的改善，但這個(gè)數(shù)字仍然遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的閾值10μg/m3。

倫敦的經(jīng)驗(yàn)表明，治理空氣污染是多要素綜合作用，改變一個(gè)要素可能會(huì)影響其他要素（有時(shí)這種影響甚至是負(fù)面的）。要對(duì)污染峰值做出快速反應(yīng)并在一段時(shí)間內(nèi)降低平均污染水平需要數(shù)據(jù) - 大量及時(shí)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(jià)，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(jìn)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(gè)基本要素：

1無線空氣質(zhì)量傳感器，用于監(jiān)測和報(bào)告污染水平；

2LPWAN連接，將數(shù)據(jù)從短程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫耍?/p>

2云服務(wù)器，能夠分析來自數(shù)萬個(gè)無線傳感器的數(shù)據(jù)；

3預(yù)測算法，用于建議為防止空氣污染達(dá)到危險(xiǎn)水平而需要采取的措施。

緊湊、廉價(jià)、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(bǔ)充。MOS氣體傳感器可以調(diào)整為重點(diǎn)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(lán)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(jià)格便宜并且不引人注目，因此它們可以廣泛部署在整個(gè)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(yuǎn)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)（圖3）。

一旦數(shù)據(jù)通過LPWAN上傳到云端，就可以對(duì)其進(jìn)行整理和分析，從而近乎實(shí)時(shí)地詳細(xì)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(jī)構(gòu)能夠在需要時(shí)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(dòng)，比如管制交通流量、暫時(shí)降低環(huán)保車輛的道路通行費(fèi)，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(xiǎn)的區(qū)域。

04

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(yàn)，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(xiàng)基于物聯(lián)網(wǎng)的試驗(yàn)。這個(gè)名為“智能倫敦”的項(xiàng)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(dòng)設(shè)備。現(xiàn)有格林威治空氣質(zhì)量監(jiān)測站的數(shù)據(jù)可以對(duì)這些傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。

這些數(shù)據(jù)使相關(guān)機(jī)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(shí)，可以將空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)通過智能手機(jī)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(yùn)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(shí)驗(yàn)還處于初期階段，但PM2.5的水平已經(jīng)出現(xiàn)了適度下降（圖4）。

圖4：倫敦格林威治，基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染控制系統(tǒng)正在對(duì)PM2.5水平產(chǎn)生影響。

首爾

韓國首都有一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染監(jiān)測計(jì)劃，由當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營商運(yùn)營。作為一個(gè)發(fā)達(dá)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(dá)到了100μg/m3。韓國航空地圖項(xiàng)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(gè)移動(dòng)基站、6萬個(gè)公共電話亭和4000個(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)。這些信息在被收集后，每分鐘都會(huì)傳送到公司的航空地圖平臺(tái)。 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(lì)人們不要開車，比如在高峰時(shí)段免收公共交通費(fèi)，關(guān)閉停車場，以及在污染達(dá)到高峰時(shí)對(duì)某些柴油車實(shí)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(bào)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。

05

基于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采取行動(dòng)

倫敦和首爾的經(jīng)驗(yàn)表明，檢測污染是一回事，根據(jù)信息采取行動(dòng)，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(chǔ)所積累的大量當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。

改進(jìn)響應(yīng)措施

如何對(duì)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(shí)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(gè)人行動(dòng)成本更高甚至受到限制的措施。

引入增強(qiáng)型傳感器技術(shù)

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

擴(kuò)展傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

傳感器的廣泛部署還得益于藍(lán)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(diǎn)數(shù)量，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以聚合到大型網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)點(diǎn)，并從該點(diǎn)進(jìn)行中繼。這樣的安排降低了成本和復(fù)雜性。

部署城市級(jí)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(gè)先發(fā)優(yōu)勢，因?yàn)榇蠖鄶?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(gè)主干網(wǎng)，為城市任何區(qū)域快速、廉價(jià)地部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

利用人工智能提前行動(dòng)

基于巨大的數(shù)據(jù)資源和服務(wù)器場的強(qiáng)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(dòng)建議，以減輕危險(xiǎn)程度。例如，韓國正在建設(shè)的空氣凈化廠將在空氣污染達(dá)到臨界值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，而中國的無人機(jī)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。

06

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(duì)人類健康是一種潛在危害。大多數(shù)城市已經(jīng)意識(shí)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(fù)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(shí)施成本高，管理復(fù)雜，成果有限。

物聯(lián)網(wǎng)通過近乎實(shí)時(shí)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(diǎn)，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(jí)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(shí)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。

原文標(biāo)題：治理城市空氣污染？看物聯(lián)網(wǎng)如何大顯身手

文章出處：【微信公眾號(hào)：貿(mào)澤電子】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq