物联网技术将如何净化城市空气

城市是吸引人们的强大磁铁。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 万的大都市中，到 2050 年，这一数字将上升到三分之二以上。此外，人口超过 1000 万的特大城市的数量– 从 1990 年的 10 个增加到今天的 28 个，预计到 2030 年将增加到 41 个。

这不一定是坏消息。管理良好的大都市鼓励经济发展并改善其居民的就业前景、住房、电力、水、卫生、交通、医疗保健和教育。与为农村人口提供服务相比，提供服务的成本要低得多，而且在环境上更可持续。

但随着城市规模的扩大，城市面临的问题也会成倍增加。最棘手的问题之一是交通拥堵。拥堵堵塞了城市动脉，阻碍了经济进程，但其对人类健康的影响更为严重。交通不断向空气中排放有害排放物，包括直径为 2.5 微米（或更小）的大气颗粒物 (PM)。这种 PM2.5 污染深入肺部，被认为对健康最有害。

控制交通以限制污染的传统尝试（例如拥堵收费或阻止某些车辆在特定日期行驶）很麻烦，并且未能考虑天气和道路工程或事故等瞬态交通状况等因素。

但现在，商业空气质量传感器的广泛部署—— 通过低功耗无线局域网 (LPWAN)无线连接到物联网 (IoT) ——有望生成细粒度数据，城市规划者需要对大气污染的积累（和清除）。一些开创性的权威正在采用新兴的物联网来净化城市的空气，但需要做更多的工作来实施适合未来智慧城市的污染控制系统。

卡马格顿

亨利福特位于美国的生产线因向大众引入了独立机动性而受到赞誉，城市规划者很快就接受了这场文化革命。例如，1920 年代洛杉矶的设计几乎是由汽车决定的。从 1910 年开始的十年快速扩张期间，人们可以轻松地使用汽车四处走动，从而创造了这座城市的低人口密度和偏远的郊区。今天，洛杉矶的交通系统已成为其自身成功的牺牲品。交通分析师 INRIX 的数据显示，2017 年，该市的拥堵状况连续第六年成为世界上最严重的城市。该公司表示，洛杉矶的通勤者注定每年要花费 100 多个小时与高峰时段的拥堵作斗争。

但拥堵并不是美国独有的问题。在中国和印度，迅速扩张的中产阶级将大部分可支配收入花在汽车上，问题很严重，而且会变得更糟。例如，孟买拥有约 1850 万居民和 230 万辆汽车，在过去 7 年中增长了 55%，2017 年每天的新车登记数量约为 700 辆。北京的车队同样令人印象深刻， 2170 万的大都市人口为 597 万（图 1）。

图 1：北京的拥堵程度非常严重。该市拥有 597 万辆汽车，为 2170 万大都市人口提供服务（来源：Travelerpix/Shutterstock.com）

颗粒物污染的来源及其影响

PM2.5 污染有很多来源，包括燃煤和燃油发电站、家庭烹饪，甚至是灰尘和海盐等天然来源。但在韩国光州进行的一项研究表明，该市超过三分之一的颗粒物可归因于柴油和汽油动力车辆。

北京也有类似的情况。2017年3月下旬，全市PM2.5浓度为238μg/m 3，全市全年平均为90μg/m 3。世界卫生组织 (WHO) 指南指出，24 小时内 PM2.5 的平均读数仅为 25µg/m 3是不健康的。中国城市的居民正在为流动性付出高昂的代价。南京大学环境学院 2016 年的一份报告得出结论，北京（以及中国其他拥堵城市）的所有死亡人数中有 31.8% 可能与 PM2.5 相关。

虽然没有北京、孟买那么糟糕，拥有庞大的车队和低排放标准，但这座城市经常遭受令人震惊的空气质量。《印度时报》报道称，该市在全球 859 个城市中排名第 63 位，是污染最严重的特大城市。2016年，全市PM2.5平均水平为64µg/m 3。尽管北京和孟买是异类，但西方城市没有理由沾沾自喜。洛杉矶记录的 PM2.5 年平均读数为 18µg/m 3。在欧洲，巴黎在 2018 年 2 月 记录了 55µg/m 3的峰值读数。

据世界卫生组织称，空气污染是造成非传染性疾病的主要原因，导致大约 24% 的成年人死于心脏病，25% 死于中风，43% 死于慢性阻塞性肺病，29% 死于肺癌。

污染缓解 1.0

几个城市当局已经努力完成清理居民空气的任务。有些尝试比其他尝试更奇怪。据英国广播公司报道，德里一直在考虑将喷气发动机安装在平板上并将其拖到污染严重的地区，以利用发动机的推力将颗粒物推入大气层并远离肺部。北京最近还引入了一个许可证制度，限制非居民一年内只能开车进入城市12次。

控制空气中颗粒物的更传统尝试包括在国家污染热点上部署监测设备几个月，以建立一种模式，然后采取严厉措施，例如限制进入或提高排放税，以阻止交通，直到空气变得更清晰。此类举措未能考虑到天气和汽车事故等瞬态因素，而强硬的解决方案会使驾驶员感到沮丧，并且通常会产生短期结果。

使用传统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产品，一些美国城市正在取得更好的成果。例如，伊利诺伊州芝加哥市使用安装在灯柱上的传感器来构建城市大片区域随时间推移的污染图片，而宾夕法尼亚州匹兹堡的居民可以使用网络摄像头放大特定的污染源排放并记录污染事件以识别模式。在其他地方，肯塔基州路易斯维尔通过收集哮喘患者何时使用吸入器的数据来识别污染热点。

在美国以外，奥斯陆允许公交专用道进入，提供大量充电站和优先停车位，并免除电动汽车的通行费。挪威拥有世界上人均纯电动汽车数量最多的国家，这个拥有 520 万人口的国家拥有超过 100,000 辆。奥斯陆 2016 年的平均 PM2.5 读数为 11µg/m 3。德国德累斯顿正试图通过实施吸收污染的“绿墙”来过滤空气中的颗粒物（图 2）。

图 2：德累斯顿等德国城市正在使用“绿墙”来吸收颗粒物污染。（来源：绿色城市解决方案）

连通性改善污染控制

减少进入城市的汽车数量的举措必然会对空气质量产生一些影响。更少的排气管等于更低的排放。但影响往往没有预期的那么高。例如，伦敦在 2003 年推出了拥堵收费计划。到 2014 年，收费区的交通量比十年前减少了近四分之一。但是公交车的数量增加了，出租车和私人出租汽车的行程自 2000 年以来增加了近 30%。

伦敦的拥堵费是否改善了城市人口的空气质量？2003年全市PM2.5平均读数为25µg/m 3 （中部地区升至35µg/m 3 ），而2016年为15µg/m 3 （中部地区升至18µg/m 3 ）。这是一个显着的改善，但仍然意味着空气质量远高于世界卫生组织的阈值 10µg/m 3。

伦敦的经验表明，解决空气污染问题受许多相关因素的支配，改变一个因素会（有时是有害的）影响其他因素。要在一段时间内对污染高峰做出快速反应并降低平均水平，需要数据……大量及时和准确的数据。

物联网 (IoT) 能够通过 LPWAN 连接到云的紧凑型廉价无线传感器快速生成、整理和分析数据，这将使城市规划者能够利用大数据来改善空气污染控制。

构建物联网空气污染控制系统

基于物联网的空气污染系统将包括四个基本要素：

• 用于监测和报告污染水平的无线空气质量传感器；
• LPWAN连接将数据从短距离无线传感器网络传输到云端；
• 能够分析来自数以万计无线传感器的数据的云服务器；
• 预测算法，建议采取措施防止空气污染达到危险水平。

紧凑、廉价、电池供电的 PM2.5 传感器正在商业化。来自这些设备的数据可以通过金属氧化物半导体 (MOS) 气体传感器进行补充，该传感器可以调整以获取废气中普遍存在的二氧化氮 (NO 2 ) 和一氧化碳 (CO)，从而给出空气污染的总体指示由车辆创造。这些传感器通常与使用电池友好型无线协议（如蓝牙低功耗 (BLE) 或 Zigbee）的射频收发器配对，以便数据可以通过网络连续传输。由于 PM2.5 和气体传感器价格便宜且不引人注目，它们可以广泛分布在城市中以监测空气污染。

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

图 3： LPWAN 在无线传感器网络和云之间形成远程连接。（来源：metamorworks/Shutterstock.com）

一旦通过 LPWAN 将数据上传到云端，就​​可以对其进行汇总和分析，以构建几乎实时、精细的整个城市空气污染变化情况的图景。随着历史数据库的建立，算法可以参考过去的事件来准确预测未来的模式将如何发展——使当局能够在需要时采取预防措施。此类信息将允许采取比传统措施更微妙的行动，例如调节交通流量、暂时降低清洁车辆的道路通行费以及通过蜂窝网络或互联网快速建议市民避开可能很快变得危险的区域。

早期采用者

伦敦

伦敦正在通过与蜂窝基础设施提供商联盟 GSMA 合作，在格林威治皇家自治市推出基于物联网的试验，从而积累其在拥塞控制方面的经验。该项目被称为智能伦敦，它结合了传感器、蜂窝物联网 LPWAN 和大数据分析技术。传感器网络包括附在车辆、自行车和人员上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补充了这些数据。

这些信息使当局能够尽早做出决定。例如，来自空气质量测量的数据被用于通过智能手机通知向 AirTEXT 服务的订户通知他们所在地区的污染水平何时可能上升。作为数据分析的结果，该行政区已经采取了缓解污染的措施，例如禁止使用大型送货卡车，而是聘请了骑自行车运送包裹的承包商。

虽然格林威治的实验还处于早期阶段，但 PM2.5 的水平正在呈现适度下降（图 4）。

图 4：伦敦格林威治，基于物联网的空气污染控制正在对 PM2.5 水平产生影响。（来源：格林威治皇家自治市）

汉城

韩国首都是当地电信运营商运营的基于物联网的空气污染监测计划的所在地。对于发达国家来说，韩国的空气很脏。2018 年 3 月下旬，首尔 PM2.5 达到峰值 100µg/m 3。Air Map Korea 项目通过全国基础设施收集空气质量数据，包括韩国的 450 万个电线杆、330,000 个移动基站、60,000 个公用电话亭和 4,000 个中央办公室。除了 PM2.5 和 PM10 水平之外，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 和新的 5G 移动网络。收集后，这些信息每分钟都会传输到公司的空中地图平台。

到目前为止，首尔的空气质量倡议取得的成果有限。市政府已采取措施鼓励人们下车——例如在高峰时段免收公共交通费、关闭停车场、在污染达到高峰时对某些柴油燃料车辆实施罚款和禁令——但这些措施减少了交通只有大约百分之二。据《美国新闻与世界报道》报道，韩国政府发言人将过去五年 PM2.5 的改善描述为停滞不前。

对空气质量数据采取行动

伦敦和首尔的经验表明，测量污染是一回事，根据信息采取行动以产生有意义的影响是另一回事。但物联网还处于早期阶段，从中期来看，城市规划者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。

改善反应

如何对物联网产生的数据做出反应在很大程度上取决于政治气候，但技术可以通过确保公众及时了解准确信息，在决策过程中发挥更大的作用。这样，公民更有可能接受使个人出行更加昂贵甚至受到限制的措施。

引入增强型传感器技术

低功率无线和半导体技术的进步正在使空气质量传感器更便宜、更小、维护更少、更准确和更远。因此，未来的污染控制计划将能够利用更大的传感器部署和更高的测量精度。

扩展传感器网状网络

蓝牙® 网状网络和 Zigbee ®固有的网状网络兼容性等发展也有助于广泛部署。网络允许传感器相互通信，减少所需的 LPWAN 节点数量，因为数据可以聚合到大型网络上的单个点并从中转。这种布置降低了成本和复杂性。

部署全市 LPWAN

LPWAN 在构建物联网方面发挥着关键作用。蜂窝物联网提供了早期优势，因为 4G（以及越来越多的 5G）网络已经在大多数城市建成，从而为都市蜂窝物联网服务的供应商提供了早期牵引力。LoRaWAN、Sigfox 和 Weightless 正忙于在主要城市建立基础设施以支持他们的技术。一旦到位，这些 LPWAN 将为在城市的任何区域快速且廉价地部署无线传感器网络提供骨干网。

使用人工智能及早采取行动

基于庞大的数据资源并利用服务器群的力量，工程师将开发算法，智能地考虑影响空气污染的因素之间的复杂相互作用，产生准确的预测并建议早期（和微妙的）行动以降低危险水平。例如，韩国正在建造的空气净化厂将在空气污染达到阈值时自动开启，以及中国的无人机，它们在污染热点喷洒水或化学物质以冲走 PM2.5 的积累。

总之

尽管城市仍然依赖柴油和汽油车辆，但排气管排放的 PM2.5 对人类健康是潜在的危害。主要城市正在意识到由呼吸系统疾病引起的生产力损失和卫生系统的负担，一些城市已经努力降低污染水平。这些开创性的努力值得称赞，但实施起来成本高、管理复杂且产生的结果有限。

物联网通过近乎实时地生成连续的准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以减少交通流量。然而，物联网还处于起步阶段，直到工程师推出下一代无线传感器网络、城市范围的 LPWAN 和 5G 蜂窝基础设施来将数据提供给 AI 算法，其空气污染控制的全部潜力才能实现然后可以触发早期预防措施。

审核编辑：符乾江