余沐釩

(武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，武漢 430063)

引 言

自從習(xí)近平總書記提出“綠水青山就是金山銀山”，2017年李克強(qiáng)總理親自將“堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”寫入政府工作報(bào)告，同年國務(wù)院頒布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃2018-2020》，把大氣污染的防治當(dāng)成與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)并重的頭等大事，人民群眾對(duì)空氣質(zhì)量的關(guān)注與要求也顯著提升。我們渴望能在藍(lán)天白云下呼吸新鮮空氣。目前我國對(duì)大氣污染的防控也已初見成效，但仍可以更加系統(tǒng)、高效地開展防控，從而大幅度提升效果。

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通信、人工智能、區(qū)塊鏈……不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)正催生著我國社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的變革，也顛覆了環(huán)境治理的傳統(tǒng)手段。要想打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，不僅要有“辦法”，還要有“技術(shù)”。本文中，筆者將通過物聯(lián)網(wǎng)的整體體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合我國實(shí)際情況，來著重分析心中所構(gòu)建的大氣污染防控體系：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立國家層次的防控體系，并輔以全民參與體系。未來的藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)一定要依靠科技創(chuàng)新，才能最終得以實(shí)現(xiàn)。

1 構(gòu)建國家防控體系

1.1 國家防控體系模型

物聯(lián)網(wǎng)的整體體系結(jié)構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，筆者按照這三個(gè)層次及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行展開，構(gòu)造如圖1所示的國家防控體系模型。

圖1 國家防控體系模型Fig.1 Model of national prerention and control system

按照圖1這個(gè)模型，對(duì)應(yīng)的智慧環(huán)保平臺(tái)分為感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層。其中感知互動(dòng)層是利用任何可以隨時(shí)隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)或流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量、污染源、生態(tài)、輻射等環(huán)境因素的“更透徹的感知”。網(wǎng)絡(luò)傳輸層就是是利用環(huán)保專網(wǎng)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合4G/5G、衛(wèi)星通訊和北斗導(dǎo)航定位技術(shù)，將遙感監(jiān)測、現(xiàn)場監(jiān)測等感知互動(dòng)層獲得的數(shù)據(jù)與政府信息系統(tǒng)中儲(chǔ)存的生態(tài)環(huán)境信息進(jìn)行交互和共享，實(shí)現(xiàn)“更全面的互聯(lián)”。應(yīng)用服務(wù)層則是利用云服務(wù)模式，建立面向?qū)ο蟮男畔⒎?wù)門戶，實(shí)現(xiàn)政務(wù)公開、公眾服務(wù)、互動(dòng)交流等各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為環(huán)境監(jiān)控、污染防治、生態(tài)保護(hù)等提供“更智慧的決策”。

1.2 三個(gè)層級(jí)聯(lián)防聯(lián)控響應(yīng)

在“國家防控體系模型”中，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層級(jí)相互關(guān)聯(lián)，形成能夠?qū)崿F(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理的聯(lián)防聯(lián)控響應(yīng)系統(tǒng)。下面筆者將通過這三個(gè)層次，來具體分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大氣防控體系的應(yīng)用。

1.2.1 感知層——全面感知、信息獲取

在感知層，國家借助各型各類傳感器、以及射頻識(shí)別技術(shù)等，通過各種微型站，對(duì)常見大氣污染源(如煙囪等)進(jìn)行監(jiān)控，采集污染的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.1.1 傳感器

傳感器的概念是將獲取到的數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)化為可以處理的電信號(hào)的形式的工具。在防控大氣污染方面，根據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果，根據(jù)不同地區(qū)污染程度差異，通過不同的密度布置安排相應(yīng)的智能傳感器，進(jìn)行對(duì)污染物的采集與檢測。例如，在每一片相應(yīng)的面積中，布置相應(yīng)檢測PM2.5的傳感器；在工廠煙囪附近，安排檢測相應(yīng)的氣體的檢測傳感器；在垃圾焚燒廠附近，由于垃圾焚燒過程中可能產(chǎn)生多種混合氣體，安排多種智能傳感器進(jìn)行檢測；在舊能源汽車的排氣口，統(tǒng)一安置傳感器進(jìn)行汽車尾氣的成分、濃度的分析、檢測。

同時(shí)，各智能傳感器將嵌入通信芯片，用于建立其自組網(wǎng)，這一環(huán)節(jié)將在下文網(wǎng)絡(luò)層中，進(jìn)行詳細(xì)闡釋。

1.2.1.2 RFID射頻識(shí)別技術(shù)

當(dāng)前，汽車尾氣是大氣污染的重要來源之一，除了使用傳感器對(duì)汽車尾氣進(jìn)行檢測以外，也要對(duì)每個(gè)汽車的信息進(jìn)行讀取。這里就需要用到自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，以及視覺識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)車牌進(jìn)行識(shí)別，通過天網(wǎng)工程，對(duì)排放情況進(jìn)行宏觀視頻監(jiān)控，一旦相關(guān)傳感器檢測到尾氣異常，就可以立即判斷來源，同時(shí)做出響應(yīng)。

同時(shí)，垃圾堆放與焚燒也產(chǎn)生較為突出的大氣污染，如果垃圾未分類，在焚燒的過程中將產(chǎn)生大量有害氣體，因此，垃圾分類是環(huán)境保護(hù)的重要環(huán)節(jié)，習(xí)總書記也對(duì)垃圾分類工作作出重要指示因此，我國也在加速推進(jìn)垃圾分類制度。為此，除了各種普及宣傳活動(dòng)，社區(qū)可以在垃圾桶上張貼二維碼，百姓通過掃碼可以更詳細(xì)了解垃圾分類的規(guī)則；同時(shí)，專業(yè)人員對(duì)不同類別垃圾進(jìn)一步處理之后，添加射頻標(biāo)簽，在焚燒及其他處理之前，需要閱讀器檢測到射頻標(biāo)簽內(nèi)容匹配才能執(zhí)行，防止不同種類的處理方式錯(cuò)誤。

此外，防偽識(shí)別子系統(tǒng)利用RFID射頻識(shí)別技術(shù)把企業(yè)信息(企業(yè)代碼、企業(yè)名稱、許可濃度范圍、企業(yè)聯(lián)系人、電話等)寫入芯片。對(duì)于傳感器組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器的節(jié)點(diǎn)之間，也可以使用RFID讀寫技術(shù)，作為其標(biāo)志的標(biāo)簽，來傳遞、認(rèn)證信息。

1.2.1.3 基于北斗的BDS定位技術(shù)

在上文提到的傳感器，除了對(duì)需要監(jiān)控的位置的氣體排放等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，由于污染源可以分為點(diǎn)源、面源、移動(dòng)源，因此，也要能夠及時(shí)反應(yīng)污染源的位置信息。使用基于北斗的定位技術(shù)可以完成實(shí)時(shí)定位，做到對(duì)污染發(fā)生位置的準(zhǔn)確定位。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層——數(shù)據(jù)傳送、安全加密

通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實(shí)時(shí)將前端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。同時(shí)，由于部分環(huán)境相關(guān)信息屬于國家機(jī)密，不允許被篡改，因此也需要用到網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)技術(shù)對(duì)信息傳輸進(jìn)行防控。

1.2.2.1 OSI模型

在感知層中，有大量傳感器等獲取到海量的污染物檢測的信息，這些信息無法在傳感器本身中做出響應(yīng)，因此需要通過網(wǎng)絡(luò)層傳回應(yīng)用層。

在污染檢測的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，各環(huán)節(jié)均采用OSI模型及標(biāo)準(zhǔn)。在物理層中，信息編碼子系統(tǒng)把信息采集子系統(tǒng)獲得的模擬電信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，采用紅外無線傳輸?shù)男问?，在各傳感器等前端之間傳輸數(shù)據(jù)。然后通過數(shù)據(jù)鏈路層，采用網(wǎng)關(guān)來接入網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，逐級(jí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，也可以用到5G等技術(shù)。

1.2.2.2 自組網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)

要將傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于感知層所采用的智能傳感器而言，還可以構(gòu)建Ad hoc自組網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)結(jié)合，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)記，RFID通過讀寫器與主機(jī)連接倒互聯(lián)網(wǎng)中，二者相結(jié)合，可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取節(jié)點(diǎn)的污染信息，若污染物出現(xiàn)異常情況，可以通過RFID以及BDS的定位技術(shù)來獲取污染源對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置，及時(shí)對(duì)污染源進(jìn)行針對(duì)的處理。

1.2.2.3 網(wǎng)絡(luò)信息安全

由于部分環(huán)境保護(hù)檢測數(shù)據(jù)屬于國家保密協(xié)議中的機(jī)密內(nèi)容，不能隨意向外界公開，也不能隨意被修改。因此在信息傳輸?shù)倪^程中，需要做到加密傳輸，對(duì)其權(quán)限進(jìn)行限制。

同時(shí)，在對(duì)一些企業(yè)，例如發(fā)電廠、垃圾焚燒廠進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，傳感器等微型監(jiān)測站中的芯片會(huì)存儲(chǔ)相關(guān)污染值，而部分黑心的企業(yè)，可能會(huì)企圖通過篡改芯片中的數(shù)值來瞞天過海。因此，要對(duì)相關(guān)存儲(chǔ)了污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的芯片的訪問權(quán)限、修改權(quán)限進(jìn)行設(shè)置。例如，有關(guān)人員必須同時(shí)通過虹膜、指紋識(shí)別方可訪問，倘若訪問失敗，也將拍照記錄“不速之客”，對(duì)其進(jìn)行追查。

此外，還需要通過入侵檢測系統(tǒng)(IDS)，來監(jiān)測系統(tǒng)被攻擊的情況，使用基于特征與基于異常的IDS相結(jié)合，除了防止外部黑客入侵，也可以防止內(nèi)部出現(xiàn)“內(nèi)鬼”，規(guī)避未知的數(shù)據(jù)被盜用風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 應(yīng)用層——數(shù)據(jù)分析、智能響應(yīng)

對(duì)獲取到的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理、云計(jì)算，將分析結(jié)果呈現(xiàn)給決策者，并通過無人機(jī)等智能技術(shù)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)處理。

1.2.3.1 大數(shù)據(jù)處理與云計(jì)算

在感知層中獲取了大量的監(jiān)測到的污染信息數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層。由于海量的數(shù)據(jù)并不能直觀處理，因此，需要通過數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。這里就要用到大數(shù)據(jù)分析處理以及云計(jì)算的技術(shù)。

對(duì)于采集到的大數(shù)據(jù)，首先通過Hadoop分析，篩選出值得注意的污染信息，并將其結(jié)構(gòu)化。再對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整合。在分析數(shù)據(jù)的過程中，可以充分使用人工智能的技術(shù)，讓人工智能對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，不斷更新、尋找更合適的算法模型。

在整合出分析結(jié)果后，利用BDS及大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將微站布置的點(diǎn)位，以及監(jiān)測到的相關(guān)污染物的濃度，生成污染物的分布的熱力圖并直觀地呈現(xiàn)出來。

1.2.3.2 決策者處理

將數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果直觀的呈現(xiàn)在立法者、決策者面前?？梢酝ㄟ^頒布相關(guān)法律法規(guī)的形式，來對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，例如排放的指標(biāo)；可以根據(jù)檢測到的污染分布的大數(shù)據(jù)，安排更合理的傳感器、檢測基站的分布密度；可以對(duì)突發(fā)的污染情況做出及時(shí)的響應(yīng)處理；可以鼓勵(lì)大眾使用排放更少的新能源汽車。

1.2.3.3 無人機(jī)、機(jī)器人響應(yīng)處理

對(duì)于突發(fā)情況，派人去現(xiàn)場處理可能來不及，同時(shí)消耗的人力成本較高，部分工作也具有一定的危險(xiǎn)性，因此可以通過包括無人機(jī)、機(jī)器人在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)來解決這些問題。

例如，派無人機(jī)前往現(xiàn)場進(jìn)行勘察，若勘察發(fā)現(xiàn)依然需要專業(yè)人員前往處理，再出動(dòng)相應(yīng)人員到場，這樣大大節(jié)省了人力成本。

同時(shí)，對(duì)于煙囪這一類的位置，對(duì)人來說較為危險(xiǎn)，也可也將指令指派給機(jī)器人進(jìn)行處理，這樣也能規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，做到以人為本，同時(shí)機(jī)器人能夠更精確的定點(diǎn)操作，提高工作效率。

1.3 輔以全民參與體系

國家防控體系從宏觀上設(shè)計(jì)了大氣污染防控系統(tǒng)，各級(jí)政府將起著主導(dǎo)作用，但在具體實(shí)施過程中，民眾的參與也是非常重要的輔助，保護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)，因而在國家防控體系的基礎(chǔ)上，也可以構(gòu)造基于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的全民參與體系模型，圖2顯示了這一模型的構(gòu)成與基本思路。

圖2 全民參與體系模型Fig.2 Model of national participation system

對(duì)于人民群眾來說，不可能人手配發(fā)傳感器，可以為全體群眾搭建一個(gè)APP作為平臺(tái)，利用基于北斗的BDS系統(tǒng)，獲取定位信息，用戶可以向平臺(tái)中發(fā)送照片、視頻對(duì)污染現(xiàn)象進(jìn)行舉報(bào)，這些便匯成了全民體系的感知層。

由于全民參與所獲取的數(shù)據(jù)，不一定具有精確的專業(yè)性，因此需要另外一條傳輸路徑，從而不與國家監(jiān)測的數(shù)據(jù)沖突。可以通過手機(jī)間的信息組成一個(gè)自組網(wǎng)，對(duì)各個(gè)個(gè)體采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，全民體系的網(wǎng)絡(luò)層得以搭建。

在應(yīng)用層面，當(dāng)采集到了群眾獲取到的數(shù)據(jù)后，由于群眾采集到的信息可能存在大量重復(fù)與冗余，因此同樣需要通過Hadoop分析，對(duì)數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行篩選，對(duì)有意義的信息，同樣可以對(duì)國家采集到的數(shù)據(jù)做出完善補(bǔ)充和處理。同時(shí)，對(duì)于提供有效信息的人，應(yīng)當(dāng)給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)。

2 預(yù)期效果

通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)造國家防控體系，并輔以全民參與體系，能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染進(jìn)行全方位的防控，預(yù)期效果具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防控

2.1.1 通過傳感器可精確檢測、分析污染源情況；接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可獲取節(jié)點(diǎn)的污染信息；一旦出現(xiàn)異常污染情況，通過RFID以及BDS的定位技術(shù)可獲取污染源對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置，及時(shí)精準(zhǔn)施策有效防控；

2.1.2 利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，提高數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確率以及傳輸?shù)陌踩裕行Х乐共环ㄆ髽I(yè)或個(gè)人篡改數(shù)據(jù)；

2.1.3 利用BDS及大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將大氣污染防控的監(jiān)測點(diǎn)、污染物性質(zhì)、濃度及污染物分布的熱力圖等直觀呈現(xiàn)，為政府決策提供有力依據(jù)與支持。

2.2 優(yōu)化環(huán)境管理

2.2.1 使環(huán)保工作者準(zhǔn)確了解各類污染源的種類和分布狀況并實(shí)時(shí)監(jiān)控各類污染物的排放情況，實(shí)現(xiàn)有效管理；

2.2.2 幫助環(huán)境管理人員科學(xué)預(yù)測未來空氣質(zhì)量情況，及時(shí)統(tǒng)籌規(guī)劃，有的放矢的控制污染物排放，使重大污染造成的危害降到最低。

2.3 有效降低成本

通過無人機(jī)、機(jī)器人等承擔(dān)一些復(fù)雜及危險(xiǎn)工作，能有效提高工作精度與效率，大大節(jié)省人力資源，并讓人類避免因高危工作帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而顯著降低污染防控成本。

2.4 提升社會(huì)效益

愛護(hù)環(huán)境應(yīng)從從身邊的小事做起。鼓勵(lì)全體民眾參與到大氣污染防控中來，不僅能對(duì)國家采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完善補(bǔ)充和處理，也能夠增強(qiáng)大眾的環(huán)保意識(shí)，從而構(gòu)建“愛護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)”的良好社會(huì)氛圍。

3 結(jié) 語

3.1 結(jié)果分析

藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)中，通過全方位推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，與大氣污染的防控體系相結(jié)合，短期內(nèi)也許會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)上的不完美，但長期來看，這套體系總體可以逐漸完善，因此預(yù)期將取得非常可觀的結(jié)果，能夠讓大氣污染防控更加科學(xué)、更加精準(zhǔn)、更加有效。

3.2 現(xiàn)實(shí)意義

首先，大氣污染防控體系的構(gòu)建，將有效減少污染，從而提升空氣質(zhì)量，進(jìn)一步改善整個(gè)環(huán)境的狀況，讓全國人民每天都能看到更藍(lán)的天，呼吸到更新鮮的空氣，身體更健康，對(duì)政府更有信心。

同時(shí)，綠水青山就是金山銀山。隨著各企業(yè)的排放得到逐漸規(guī)范，環(huán)境不斷得到優(yōu)化，也能夠拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)更高效的發(fā)展，整個(gè)社會(huì)將會(huì)得到可持續(xù)發(fā)展。

3.3 應(yīng)用前景

科學(xué)發(fā)展是與時(shí)俱進(jìn)的，如果能夠全方位的運(yùn)用將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為工具，與大氣污染的防控體系相融合，完全可以為“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的勝利提供堅(jiān)強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)保障，更好地解決大氣污染的難題，打贏這場藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。同時(shí)筆者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)作為應(yīng)用前景廣泛的新興智能化技術(shù)，勢必能為我國的環(huán)境保護(hù)事業(yè)注入新的能量，在大氣污染的防控、乃至整個(gè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的方面都有很好的應(yīng)用前景，同時(shí)也能為環(huán)境保護(hù)的其他環(huán)節(jié)、乃至其他領(lǐng)域做出表率，讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮更大的作用。

致謝：本文撰寫過程中，得到了長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院王建平教授、湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院楊圣洪博士的指導(dǎo)，使得大氣污染方面的一些專業(yè)性問題及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)細(xì)節(jié)的把控上，能夠更加精準(zhǔn)和具有說服力，在此致以誠摯謝意！