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對于人們來(lái)說(shuō)，城市就像磁鐵一樣有著(zhù)巨大吸引力。根據聯(lián)合國的數據，地球上近一半的人口生活在人口超過(guò)50萬(wàn)的城市里，到2050年，這個(gè)數字將上升到三分之二以上。此外，人口超過(guò)1,000萬(wàn)的特大城市數量已從1990年的10個(gè)增加到了今天的28個(gè)，預計到2030年將增至41個(gè)。 不過(guò)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、衛生、交通、醫療和教育條件。而且，城市的服務(wù)提供成本比農村要低得多，在環(huán)境發(fā)展上也更具可持續性。 但隨著(zhù)城市規模的擴大，問(wèn)題也會(huì )成倍增加。其中一個(gè)最棘手的問(wèn)題是交通擁堵。交通擁堵阻塞了城市動(dòng)脈，阻礙了經(jīng)濟發(fā)展，對人類(lèi)健康的影響更是糟糕。汽車(chē)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，被認為對健康危害最大。 傳統做法是通過(guò)控制交通來(lái)減少污染，比如收取擁堵費或阻止某些車(chē)輛在特定日期出行，既麻煩又沒(méi)有考慮到天氣和道路工程或事故等短暫交通狀況。 但是現在，通過(guò)廣泛部署借助低功耗無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (LPWAN) 以無(wú)線(xiàn)方式連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的商用空氣質(zhì)量傳感器，有望生成細粒度數據以幫助城市規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(guān)機構正在采用剛剛起步的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)凈化城市空氣，但要實(shí)現適合未來(lái)智能城市的污染控制系統，還有很長(cháng)的路要走。 擁堵的交通 福特汽車(chē)公司在美國的生產(chǎn)線(xiàn)為大眾帶來(lái)了獨立出行的便利性，城市規劃人員很快接受了這場(chǎng)文化革命。例如，二十世紀20年代洛杉磯的城市規劃主要是面向汽車(chē)設計的。這座城市的人口密度低，郊區偏遠，這是因為在從1910年開(kāi)始的十年快速擴張中，人們可以很方便地開(kāi)車(chē)四處活動(dòng)。如今，洛杉磯的交通系統已經(jīng)成為了昔日成功的犧牲品。交通分析師INRIX稱(chēng)，2017年，該市的擁堵程度連續第六年位居世界之首。有公司說(shuō)，洛杉磯的通勤者一年有超過(guò)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有的問(wèn)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(chē)上，造成的交通問(wèn)題很?chē)乐�，而且還會(huì )變得更糟。以孟買(mǎi)為例，該市人口約1,850萬(wàn)，擁有230萬(wàn)輛汽車(chē)，在過(guò)去7年中增長(cháng)了55%，2017年的新車(chē)登記量約為每天700輛。北京的車(chē)輛擁堵情況也同樣令人印象深刻，在這個(gè)2,170萬(wàn)人口的大都市中，有597萬(wàn)輛汽車(chē)（圖1）。 
圖1：北京的交通擁堵情況極其嚴重。這個(gè)大都市擁有597萬(wàn)輛汽車(chē)，人口為2,170萬(wàn) (資料來(lái)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(lái)源。不過(guò)韓國光州的一項研究表明，該市超過(guò)三分之一的顆粒物來(lái)自柴油和汽油動(dòng)力汽車(chē)。 北京的情況與之類(lèi)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。世界衛生組織 (WHO) 指南規定，24小時(shí)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(jià)。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(méi)有北京那么糟糕，但孟買(mǎi)擁有數量龐大的汽車(chē)，排放標準的門(mén)檻也很低，這座城市的空氣質(zhì)量也常常令人震驚。據《印度時(shí)報》報道，孟買(mǎi)在全球859個(gè)城市中污染程度排名第63位，是第四大污染最嚴重的特大城市。2016年，該市的PM2.5平均數字為64μg/m3。盡管北京和孟買(mǎi)異常糟糕，西方城市也沒(méi)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。 根據世界衛生組織的數據，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(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(dòng)機，并將其拖到污染嚴重的地區，利用發(fā)動(dòng)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(chē)進(jìn)入北京12次。 控制空中顆粒物的傳統方法包括在全國污染嚴重地區部署監測設備，先用數月的時(shí)間大致了解污染狀況，再采取嚴厲措施，如限制汽車(chē)出行或提高排放稅來(lái)緩解交通擁堵，直到空氣質(zhì)量提升。這些舉措沒(méi)有考慮到天氣和汽車(chē)事故等暫時(shí)性因素，而嚴厲的管控方案也會(huì )讓司機不滿(mǎn)，通常難以持久。 利用常規技術(shù)限制顆粒物污染 通過(guò)部署傳感器和網(wǎng)絡(luò )攝像頭等現代電子設備，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(lái)繪制城市大片區域隨時(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(guò)收集哮喘患者何時(shí)使用吸入器的數據來(lái)確定污染嚴重區域。 在美國以外，奧斯陸允許一般車(chē)輛在公交專(zhuān)用道通行，提供大量的充電站和特權停車(chē)場(chǎng)，并取消了電動(dòng)汽車(chē)的通行費。挪威是全世界人均擁有電動(dòng)汽車(chē)最多的國家，對于一個(gè)人口520萬(wàn)的國家來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)超過(guò)了10萬(wàn)輛。奧斯陸在2016年的平均PM2.5讀數為11μg/m3。德國德累斯頓正嘗試通過(guò)實(shí)施污染吸收“環(huán)保墻”（圖2）來(lái)過(guò)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(lái)吸收微粒污染。 (資料來(lái)源：綠色城市解決方案) 網(wǎng)絡(luò )改進(jìn)污染控制方式 減少進(jìn)入城市的汽車(chē)數量這一舉措勢必會(huì )對空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。更少的排氣管意味著(zhù)更低的排放量。但這種影響往往并沒(méi)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，收費區的車(chē)流量比10年前減少了近四分之一。但公共汽車(chē)的數量增加了，自2000年以來(lái)，出租車(chē)和私人出租汽車(chē)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（中部地區上升至35μg/m3），而在2016年，這個(gè)數字為15μg/m3（中部地區上升至18μg/m3）。這是一個(gè)明顯的改善，但這個(gè)數字仍然遠高于世界衛生組織規定的閾值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(gè)要素可能會(huì )影響其他要素（有時(shí)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(shí)間內降低平均污染水平需要數據 - 大量及時(shí)準確的數據。 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 能夠快速生成、整理和分析來(lái)自傳感器的數據，這些傳感器緊湊、廉價(jià)，通過(guò)LPWAN以無(wú)線(xiàn)方式連接到云端，使城市規劃人員能夠利用大數據來(lái)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 基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染控制系統將包含四個(gè)基本要素： ● 無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量傳感器，用于監測和報告污染水平； ● LPWAN連接，將數據從短程無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸到云端； ● 云服務(wù)器，能夠分析來(lái)自數萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器的數據； ● 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(jià)、電池供電的PM2.5傳感器正在投入商用。來(lái)自這些傳感器的數據可以與來(lái)自金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器的數據互為補充。MOS氣體傳感器可以調整為重點(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(hù)了解車(chē)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(wú)線(xiàn)協(xié)議（例如低功耗藍牙 (BLE) 或 Zigbee）的射頻收發(fā)器配合使用， 以便數據可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連續傳輸。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)城市以監測空氣污染。 LPWAN在短距離無(wú)線(xiàn)傳感器的局域網(wǎng) (LAN) 和云之間建立穩健、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) (圖3)。
圖3：LPWAN在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和云之間建立遠程連接。 (資料來(lái)源：metamorworks/Shutterstock.com) 一旦數據通過(guò)LPWAN上傳到云端，就可以對其進(jìn)行整理和分析，從而近乎實(shí)時(shí)地詳細了解城市空氣污染變化情況。隨著(zhù)歷史數據庫的建立，算法可以引用過(guò)去的事件來(lái)準確預測未來(lái)的情形將如何發(fā)展，從而使相關(guān)機構能夠在需要時(shí)采取預防措施。有了這些信息，將可以采取比傳統措施更精妙的行動(dòng)，比如管制交通流量、暫時(shí)降低環(huán)保車(chē)輛的道路通行費，以及通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )或互聯(lián)網(wǎng)迅速建議公民避開(kāi)可能很快變得危險的區域。 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，與蜂窩基礎設施提供商聯(lián)盟GSMA合作，在格林威治皇家行政區推出了一項基于物聯(lián)網(wǎng)的試驗。這個(gè)名為“智能倫敦”的項目結合了傳感器、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)LPWAN和大數據分析技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò )包括連接到車(chē)輛、自行車(chē)和行人的低成本靜態(tài)和移動(dòng)設備�，F有格林威治空氣質(zhì)量監測站的數據可以對這些傳感器的數據進(jìn)行補充。 這些數據使相關(guān)機構能夠盡早作出決定。例如，當用戶(hù)所在地區的污染水平可能上升時(shí)，可以將空氣質(zhì)量檢測數據通過(guò)智能手機發(fā)送給訂閱了AirTEXT服務(wù)的用戶(hù)。根據數據分析結果，該區采取了一些減輕污染的措施，比如禁止使用大型運輸卡車(chē)，而是雇用用自行車(chē)投遞包裹的承包商。 雖然格林威治的實(shí)驗還處于初期階段，但PM2.5的水平已經(jīng)出現了適度下降（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正在對PM2.5水平產(chǎn)生影響。 (資料來(lái)源：格林威治皇家行政區) 首爾 韓國首都有一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染監測計劃，由當地電信運營(yíng)商運營(yíng)。作為一個(gè)發(fā)達國家來(lái)說(shuō)，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(guò)遍布全國的基礎設施收集空氣質(zhì)量數據，包括韓國的450萬(wàn)根電線(xiàn)桿、33萬(wàn)個(gè)移動(dòng)基站、6萬(wàn)個(gè)公共電話(huà)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。傳感器數據通過(guò)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)LPWAN中繼到公司現有的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。 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(kāi)車(chē)，比如在高峰時(shí)段免收公共交通費，關(guān)閉停車(chē)場(chǎng)，以及在污染達到高峰時(shí)對某些柴油車(chē)實(shí)行罰款和禁令，但這些措施只減少了大約2%的交通量。據美國U.S. News & World Report雜志報道，韓國政府發(fā)言人稱(chēng)，過(guò)去五年P(guān)M2.5的改善停滯不前。 基于空氣質(zhì)量數據采取行動(dòng) 倫敦和首爾的經(jīng)驗表明，檢測污染是一回事，根據信息采取行動(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(lái)看，城市規劃人員將受益于廣泛的監控網(wǎng)絡(luò )和云存儲所積累的大量當前和歷史數據。 改進(jìn)響應措施 如何對物聯(lián)網(wǎng)生成的數據做出反應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)獲得準確的信息，能夠在決策過(guò)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。 引入增強型傳感器技術(shù) 低功耗無(wú)線(xiàn)和半導體技術(shù)的進(jìn)步使空氣質(zhì)量傳感器變得更便宜、更小巧、維護工作更少、更精確且覆蓋距離更遠。因此，未來(lái)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節點(diǎn)數量，因為數據可以聚合到大型網(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雜性。 部署城市級LPWAN LPWAN在物聯(lián)網(wǎng)建設中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)有一個(gè)先發(fā)優(yōu)勢，因為大多數城市已經(jīng)建立了4G（以及越來(lái)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(shù)。一旦就位，這些LPWAN將提供一個(gè)主干網(wǎng)，為城市任何區域快速、廉價(jià)地部署無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。 利用人工智能提前行動(dòng) 基于巨大的數據資源和服務(wù)器場(chǎng)的強大功能，工程師們將開(kāi)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(dòng)建議，以減輕危險程度。例如，韓國正在建設的空氣凈化廠(chǎng)將在空氣污染達到臨界值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，而中國的無(wú)人機則在污染嚴重區域噴灑水或化學(xué)物質(zhì)，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(chē)為伍，但尾氣排放的PM2.5對人類(lèi)健康是一種潛在危害。大多數城市已經(jīng)意識到了呼吸系統疾病造成的生產(chǎn)力損失和衛生系統負擔，一些城市已經(jīng)在努力降低污染水平。這些開(kāi)創(chuàng )性的努力值得稱(chēng)贊，但實(shí)施成本高，管理復雜，成果有限。 物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)近乎實(shí)時(shí)地生成連續的精確數據流來(lái)解決傳統監控系統的弱點(diǎn)，使規劃人員能夠做出更明智的決策來(lái)減少交通流量。不過(guò)物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，在工程師們推出下一代無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、城市級LPWAN和5G蜂窩基礎設施之前，物聯(lián)網(wǎng)在空氣污染控制方面的全部潛力尚無(wú)法實(shí)現。這些基礎設施需要將數據提供給AI算法，然后算法可以觸發(fā)提前預防措施。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Steven Keeping是貿澤電子的特約撰稿人，曾獲得英國布萊頓大學(xué)的BEng（榮譽(yù)學(xué)士）學(xué)位。Steven先在Eurotherm和BOC的電子部門(mén)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(lǐng)域的高級編輯以及出版方面的工作長(cháng)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(guò)，負責《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》雜志的相關(guān)工作。2006年，Steven成為了專(zhuān)攻電子行業(yè)的獨立記者， 他目前居住在悉尼。 |
