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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，城市的服務提供成本比農村要低得多，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 (LPWAN) 以無線方式連接到物聯(lián)網 (IoT) 的商用空氣質量傳感器，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。一些比較積極的相關機構正在采用剛剛起步的物聯(lián)網來凈化城市空氣，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20年代洛杉磯的城市規(guī)劃主要是面向汽車設計的。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（圖1）。 
圖1：北京的交通擁堵情況極其嚴重。這個大都市擁有597萬輛汽車，人口為2,170萬 (資料來源：Travelerpix/Shutterstock.com) 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。南京大學環(huán)境學院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。 盡管沒有北京那么糟糕，但孟買擁有數(shù)量龐大的汽車，排放標準的門檻也很低，這座城市的空氣質量也常常令人震驚。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，43%死于慢性阻塞性肺病，29%死于肺癌。 污染治理1.0版 有許多城市的相關機構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重地區(qū)部署監(jiān)測設備，先用數(shù)月的時間大致了解污染狀況，再采取嚴厲措施，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)技術限制顆粒物污染 通過部署傳感器和網絡攝像頭等現(xiàn)代電子設備，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絡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”（圖2）來過濾空氣中的微粒。
圖2：德累斯頓等德國城市正在利用“環(huán)保墻”來吸收微粒污染。 (資料來源：綠色城市解決方案) 網絡改進污染控制方式 減少進入城市的汽車數(shù)量這一舉措勢必會對空氣質量產生一定影響。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并在一段時間內降低平均污染水平需要數(shù)據(jù) - 大量及時準確的數(shù)據(jù)。 物聯(lián)網 (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)網空氣污染控制系統(tǒng) 基于物聯(lián)網的空氣污染控制系統(tǒng)將包含四個基本要素： ● 無線空氣質量傳感器，用于監(jiān)測和報告污染水平； ● LPWAN連接，將數(shù)據(jù)從短程無線傳感器網絡傳輸?shù)皆贫耍?br /> ● 云服務器，能夠分析來自數(shù)萬個無線傳感器的數(shù)據(jù)； ● 預測算法，用于建議為防止空氣污染達到危險水平而需要采取的措施。 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)可以通過網絡連續(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 (LAN) 和云之間建立穩(wěn)健、安全的遠程連接。一些LPWAN技術目前正在商業(yè)化，包括LTE-M和NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox和Weightless等蜂窩物聯(lián)網技術 (圖3)。
圖3：LPWAN在無線傳感器網絡和云之間建立遠程連接。 (資料來源：metamorworks/Shutterstock.com) 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確預測未來的情形將如何發(fā)展，從而使相關機構能夠在需要時采取預防措施。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，以及通過蜂窩網絡或互聯(lián)網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驗，與蜂窩基礎設施提供商聯(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)網的試驗。這個名為“智能倫敦”的項目結合了傳感器、蜂窩物聯(lián)網LPWAN和大數(shù)據(jù)分析技術。傳感器網絡包括連接到車輛、自行車和行人的低成本靜態(tài)和移動設備�，F(xiàn)有格林威治空氣質量監(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)使相關機構能夠盡早作出決定。例如，當用戶所在地區(qū)的污染水平可能上升時，可以將空氣質量檢測數(shù)據(jù)通過智能手機發(fā)送給訂閱了AirTEXT服務的用戶。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，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的水平已經出現(xiàn)了適度下降（圖4）。
圖4：倫敦格林威治，基于物聯(lián)網的空氣污染控制系統(tǒng)正在對PM2.5水平產生影響。 (資料來源：格林威治皇家行政區(qū)) 首爾 韓國首都有一個基于物聯(lián)網的空氣污染監(jiān)測計劃，由當?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設施收集空氣質量數(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LPWAN中繼到公司現(xiàn)有的4G和新5G移動網絡。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，首爾的空氣質量控制措施產生的效果有限。市政府已經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PM2.5的改善停滯不前。 基于空氣質量數(shù)據(jù)采取行動 倫敦和首爾的經驗表明，檢測污染是一回事，根據(jù)信息采取行動，使其產生有意義的影響是另一回事。但物聯(lián)網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)控網絡和云存儲所積累的大量當前和歷史數(shù)據(jù)。 改進響應措施 如何對物聯(lián)網生成的數(shù)據(jù)做出反應在很大程度上取決于政治環(huán)境，但技術可以確保公眾及時獲得準確的信息，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 低功耗無線和半導體技術的進步使空氣質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。 擴展傳感器網狀網絡 傳感器的廣泛部署還得益于藍牙®網狀網絡和Zigbee®固有的網狀網絡兼容性等技術發(fā)展。網絡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)可以聚合到大型網絡上的一個點，并從該點進行中繼。這樣的安排降低了成本和復雜性。 部署城市級LPWAN LPWAN在物聯(lián)網建設中發(fā)揮著關鍵作用。蜂窩式物聯(lián)網有一個先發(fā)優(yōu)勢，因為大多數(shù)城市已經建立了4G（以及越來越多的5G）網絡，從而在早期就吸引了大都市蜂窩式物聯(lián)網服務供應商。LoRaWAN、Sigfox和Weightless正忙于在各大城市建設基礎設施，以支持它們的技術。一旦就位，這些LPWAN將提供一個主干網，為城市任何區(qū)域快速、廉價地部署無線傳感器網絡。 利用人工智能提前行動 基于巨大的數(shù)據(jù)資源和服務器場的強大功能，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雜相互作用，做出準確的預測，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重區(qū)域噴灑水或化學物質，以沖走積聚的PM2.5。 總結 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)城市已經意識到了呼吸系統(tǒng)疾病造成的生產力損失和衛(wèi)生系統(tǒng)負擔，一些城市已經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，管理復雜，成果有限。 物聯(lián)網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)網仍處于起步階段，在工程師們推出下一代無線傳感器網絡、城市級LPWAN和5G蜂窩基礎設施之前，物聯(lián)網在空氣污染控制方面的全部潛力尚無法實現(xiàn)。這些基礎設施需要將數(shù)據(jù)提供給AI算法，然后算法可以觸發(fā)提前預防措施。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Steven Keeping是貿澤電子的特約撰稿人，曾獲得英國布萊頓大學的BEng（榮譽學士）學位。Steven先在Eurotherm和BOC的電子部門工作了七年， 然后又加入了《Electronic Production》雜志，擔任電子制造、測試和設計領域的高級編輯以及出版方面的工作長達13年。Steven還曾在英國和澳大利亞的三一鏡報、CMP和RBI工作過，負責《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》雜志的相關工作。2006年，Steven成為了專攻電子行業(yè)的獨立記者， 他目前居住在悉尼。 |
