物联网将如何协助治理城市空气污染

· 2260次阅读 · 2021-02-20

对于人们来说，城市就像磁铁一样有着巨大吸引力。根据联合国的数据，地球上近一半的人口生活在人口超过50万的城市里，到2050年，这个数字将上升到三分之二以上。此外，人口超过1,000万的特大城市数量已从1990年的10个增加到了今天的28个，预计到2030年将增至41个。

不过这并不一定是坏事。管理有方的大都市鼓励经济发展，能够改善居民的就业前景、住房、电力、水、卫生、交通、医疗和教育条件。而且，城市的服务提供成本比农村要低得多，在环境发展上也更具可持续性。

但随着城市规模的扩大，问题也会成倍增加。其中一个最棘手的问题是交通拥堵。交通拥堵阻塞了城市动脉，阻碍了经济发展，对人类健康的影响更是糟糕。汽车不断地将有害尾气（包括直径小于等于2.5μm的大气颗粒物）排入空中。这种PM2.5污染会深入肺部，被认为对健康危害最大。

传统做法是通过控制交通来减少污染，比如收取拥堵费或阻止某些车辆在特定日期出行，既麻烦又没有考虑到天气和道路工程或事故等短暂交通状况。

但是现在，通过广泛部署借助低功耗无线局域网 (LPWAN) 以无线方式连接到物联网 (IoT) 的商用空气质量传感器，有望生成细粒度数据以帮助城市规划人员对大气污染的累积（和清除）做出更积极的反应。一些比较积极的相关机构正在采用刚刚起步的物联网来净化城市空气，但要实现适合未来智能城市的污染控制系统，还有很长的路要走。

拥堵的交通

福特汽车公司在美国的生产线为大众带来了独立出行的便利性，城市规划人员很快接受了这场文化革命。例如，二十世纪20年代洛杉矶的城市规划主要是面向汽车设计的。这座城市的人口密度低，郊区偏远，这是因为在从1910年开始的十年快速扩张中，人们可以很方便地开车四处活动。如今，洛杉矶的交通系统已经成为了昔日成功的牺牲品。交通分析师INRIX称，2017年，该市的拥堵程度连续第六年位居世界之首。有公司说，洛杉矶的通勤者一年有超过100个小时处于高峰拥堵时刻。

但交通拥堵并不是美国独有的问题。在中国和印度，迅速扩张的中产阶层把大部分可支配收入花在了汽车上，造成的交通问题很严重，而且还会变得更糟。以孟买为例，该市人口约1,850万，拥有230万辆汽车，在过去7年中增长了55%，2017年的新车登记量约为每天700辆。北京的车辆拥堵情况也同样令人印象深刻，在这个2,170万人口的大都市中，有597万辆汽车（图1）。

图1：北京的交通拥堵情况极其严重。这个大都市拥有597万辆汽车，人口为2,170万 (资料来源：Travelerpix/Shutterstock.com)

颗粒物污染源及其影响

PM2.5污染源很多，包括燃煤和燃油发电站、家庭烹饪，甚至还有灰尘和海盐等自然界来源。不过韩国光州的一项研究表明，该市超过三分之一的颗粒物来自柴油和汽油动力汽车。

北京的情况与之类似。2017年3月下旬，北京的PM2.5浓度为238μg/m3，该市全年平均浓度为90μg/m3。世界卫生组织 (WHO) 指南规定，24小时内PM2.5的平均值达到25μg/m3即为不健康。这座中国城市的居民正在为出行便利性付出高昂的代价。南京大学环境学院2016年的一份报告指出，北京（以及中国其他拥堵城市）31.8%的死亡病例可能与PM2.5有关。

尽管没有北京那么糟糕，但孟买拥有数量庞大的汽车，排放标准的门槛也很低，这座城市的空气质量也常常令人震惊。据《印度时报》报道，孟买在全球859个城市中污染程度排名第63位，是第四大污染最严重的特大城市。2016年，该市的PM2.5平均数字为64μg/m3。尽管北京和孟买异常糟糕，西方城市也没有理由沾沾自喜。洛杉矶的PM2.5年平均值达到了18μg/m3。在欧洲，巴黎在2018年2月达到了55μg/m3的峰值读数。

根据世界卫生组织的数据，空气污染是导致非传染性疾病的主要原因，大约24%的成人死于心脏病，25%死于中风，43%死于慢性阻塞性肺病，29%死于肺癌。

污染治理1.0版

有许多城市的相关机构都在努力治理空气污染。有些城市所采用的方式比较特别。据英国广播公司 (BBC) 报道，印度德里曾尝试在平板上安装喷气式发动机，并将其拖到污染严重的地区，利用发动机的推力将微粒推到大气中，避免人们吸入。北京最近还推出了一项许可制度，限制非本地居民一年内只能驾车进入北京12次。

控制空中颗粒物的传统方法包括在全国污染严重地区部署监测设备，先用数月的时间大致了解污染状况，再采取严厉措施，如限制汽车出行或提高排放税来缓解交通拥堵，直到空气质量提升。这些举措没有考虑到天气和汽车事故等暂时性因素，而严厉的管控方案也会让司机不满，通常难以持久。

利用常规技术限制颗粒物污染

通过部署传感器和网络摄像头等现代电子设备，美国一些城市正在取得不错的效果。例如，伊利诺伊州芝加哥市使用装在灯柱上的传感器来绘制城市大片区域随时间变化的污染图，而宾夕法尼亚州匹兹堡市的居民则可以使用网络摄像头放大特定的排放源，并对污染事件进行记录，以确定污染情况。在其他地方，肯塔基州的路易斯维尔市则通过收集哮喘患者何时使用吸入器的数据来确定污染严重区域。

在美国以外，奥斯陆允许一般车辆在公交专用道通行，提供大量的充电站和特权停车场，并取消了电动汽车的通行费。挪威是全世界人均拥有电动汽车最多的国家，对于一个人口520万的国家来说，电动汽车超过了10万辆。奥斯陆在2016年的平均PM2.5读数为11μg/m3。德国德累斯顿正尝试通过实施污染吸收“环保墙”（图2）来过滤空气中的微粒。

图2：德累斯顿等德国城市正在利用“环保墙”来吸收微粒污染。 (资料来源：绿色城市解决方案)

网络改进污染控制方式

减少进入城市的汽车数量这一举措势必会对空气质量产生一定影响。更少的排气管意味着更低的排放量。但这种影响往往并没有预期的那么大。比如，伦敦在2003年推出了拥堵收费计划。到2014年，收费区的车流量比10年前减少了近四分之一。但公共汽车的数量增加了，自2000年以来，出租车和私人出租汽车的出行量增加了近30%。

伦敦的交通拥堵费改善了空气质量吗？ 2003年，伦敦的PM2.5平均值为25μg/m3（中部地区上升至35μg/m3），而在2016年，这个数字为15μg/m3（中部地区上升至18μg/m3）。这是一个明显的改善，但这个数字仍然远高于世界卫生组织规定的阈值10μg/m3。

伦敦的经验表明，治理空气污染是多要素综合作用，改变一个要素可能会影响其他要素（有时这种影响甚至是负面的）。要对污染峰值做出快速反应并在一段时间内降低平均污染水平需要数据 - 大量及时准确的数据。

物联网 (IoT) 能够快速生成、整理和分析来自传感器的数据，这些传感器紧凑、廉价，通过LPWAN以无线方式连接到云端，使城市规划人员能够利用大数据来改进空气污染控制措施。

建立物联网空气污染控制系统

基于物联网的空气污染控制系统将包含四个基本要素：

● 无线空气质量传感器，用于监测和报告污染水平；
● LPWAN连接，将数据从短程无线传感器网络传输到云端；
● 云服务器，能够分析来自数万个无线传感器的数据；
● 预测算法，用于建议为防止空气污染达到危险水平而需要采取的措施。
紧凑、廉价、电池供电的PM2.5传感器正在投入商用。来自这些传感器的数据可以与来自金属氧化物半导体（MOS）气体传感器的数据互为补充。MOS气体传感器可以调整为重点检测废气中普遍存在的二氧化氮 (NO2) 和一氧化碳 (CO)，从而让用户了解车辆造成的空气污染整体情况。传感器通常与使用电池友好型无线协议（例如低功耗蓝牙 (BLE) 或 Zigbee）的射频收发器配合使用，以便数据可以通过网络连续传输。由于PM2.5传感器和气体传感器价格便宜并且不引人注目，因此它们可以广泛部署在整个城市以监测空气污染。

LPWAN在短距离无线传感器的局域网 (LAN) 和云之间建立稳健、安全的远程连接。一些LPWAN技术目前正在商业化，包括LTE-M和NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox和Weightless等蜂窝物联网技术 (图3)。

图3：LPWAN在无线传感器网络和云之间建立远程连接。 (资料来源：metamorworks/Shutterstock.com)

一旦数据通过LPWAN上传到云端，就可以对其进行整理和分析，从而近乎实时地详细了解城市空气污染变化情况。随着历史数据库的建立，算法可以引用过去的事件来准确预测未来的情形将如何发展，从而使相关机构能够在需要时采取预防措施。有了这些信息，将可以采取比传统措施更精妙的行动，比如管制交通流量、暂时降低环保车辆的道路通行费，以及通过蜂窝网络或互联网迅速建议公民避开可能很快变得危险的区域。

早期践行者

伦敦

伦敦正在利用其在拥塞控制方面的经验，与蜂窝基础设施提供商联盟GSMA合作，在格林威治皇家行政区推出了一项基于物联网的试验。这个名为“智能伦敦”的项目结合了传感器、蜂窝物联网LPWAN和大数据分析技术。传感器网络包括连接到车辆、自行车和行人的低成本静态和移动设备。现有格林威治空气质量监测站的数据可以对这些传感器的数据进行补充。

这些数据使相关机构能够尽早作出决定。例如，当用户所在地区的污染水平可能上升时，可以将空气质量检测数据通过智能手机发送给订阅了AirTEXT服务的用户。根据数据分析结果，该区采取了一些减轻污染的措施，比如禁止使用大型运输卡车，而是雇用用自行车投递包裹的承包商。

虽然格林威治的实验还处于初期阶段，但PM2.5的水平已经出现了适度下降（图4）。

图4：伦敦格林威治，基于物联网的空气污染控制系统正在对PM2.5水平产生影响。 (资料来源：格林威治皇家行政区)

首尔

韩国首都有一个基于物联网的空气污染监测计划，由当地电信运营商运营。作为一个发达国家来说，韩国的空气质量是很差的。2018年3月下旬，首尔的PM2.5峰值达到了100μg/m3。韩国航空地图项目通过遍布全国的基础设施收集空气质量数据，包括韩国的450万根电线杆、33万个移动基站、6万个公共电话亭和4000个交换中心。除了PM2.5和PM10水平，传感器还跟踪温度、噪音水平和湿度。传感器数据通过蜂窝物联网LPWAN中继到公司现有的4G和新5G移动网络。这些信息在被收集后，每分钟都会传送到公司的航空地图平台。

到目前为止，首尔的空气质量控制措施产生的效果有限。市政府已经采取措施鼓励人们不要开车，比如在高峰时段免收公共交通费，关闭停车场，以及在污染达到高峰时对某些柴油车实行罚款和禁令，但这些措施只减少了大约2%的交通量。据美国U.S. News & World Report杂志报道，韩国政府发言人称，过去五年PM2.5的改善停滞不前。

基于空气质量数据采取行动

伦敦和首尔的经验表明，检测污染是一回事，根据信息采取行动，使其产生有意义的影响是另一回事。但物联网目前还处于起步阶段，从中期来看，城市规划人员将受益于广泛的监控网络和云存储所积累的大量当前和历史数据。

改进响应措施
如何对物联网生成的数据做出反应在很大程度上取决于政治环境，但技术可以确保公众及时获得准确的信息，能够在决策过程中发挥更大的作用。这样，公民就更有可能接受使个人行动成本更高甚至受到限制的措施。

引入增强型传感器技术
低功耗无线和半导体技术的进步使空气质量传感器变得更便宜、更小巧、维护工作更少、更精确且覆盖距离更远。因此，未来的污染控制计划将能够利用更多的传感器和更高的检测精度。

扩展传感器网状网络
传感器的广泛部署还得益于蓝牙®网状网络和Zigbee®固有的网状网络兼容性等技术发展。网络允许传感器相互通信，减少了所需的LPWAN节点数量，因为数据可以聚合到大型网络上的一个点，并从该点进行中继。这样的安排降低了成本和复杂性。

部署城市级LPWAN
LPWAN在物联网建设中发挥着关键作用。蜂窝式物联网有一个先发优势，因为大多数城市已经建立了4G（以及越来越多的5G）网络，从而在早期就吸引了大都市蜂窝式物联网服务供应商。LoRaWAN、Sigfox和Weightless正忙于在各大城市建设基础设施，以支持它们的技术。一旦就位，这些LPWAN将提供一个主干网，为城市任何区域快速、廉价地部署无线传感器网络。

利用人工智能提前行动
基于巨大的数据资源和服务器场的强大功能，工程师们将开发算法，智能地考虑影响空气污染的各种因素的复杂相互作用，做出准确的预测，并提出尽早（和精妙的）行动建议，以减轻危险程度。例如，韩国正在建设的空气净化厂将在空气污染达到临界值时自动启动，而中国的无人机则在污染严重区域喷洒水或化学物质，以冲走积聚的PM2.5。

总结

尽管城市仍然不得不与柴油和汽油车为伍，但尾气排放的PM2.5对人类健康是一种潜在危害。大多数城市已经意识到了呼吸系统疾病造成的生产力损失和卫生系统负担，一些城市已经在努力降低污染水平。这些开创性的努力值得称赞，但实施成本高，管理复杂，成果有限。

物联网通过近乎实时地生成连续的精确数据流来解决传统监控系统的弱点，使规划人员能够做出更明智的决策来减少交通流量。不过物联网仍处于起步阶段，在工程师们推出下一代无线传感器网络、城市级LPWAN和5G蜂窝基础设施之前，物联网在空气污染控制方面的全部潜力尚无法实现。这些基础设施需要将数据提供给AI算法，然后算法可以触发提前预防措施。

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