城市是吸引人們的強(qiáng)大磁鐵。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 萬的大都市中，到 2050 年，這一數(shù)字將上升到三分之二以上。此外，人口超過 1000 萬的特大城市的數(shù)量– 從 1990 年的 10 個(gè)增加到今天的 28 個(gè)，預(yù)計(jì)到 2030 年將增加到 41 個(gè)。

這不一定是壞消息。管理良好的大都市鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展并改善其居民的就業(yè)前景、住房、電力、水、衛(wèi)生、交通、醫(yī)療保健和教育。與為農(nóng)村人口提供服務(wù)相比，提供服務(wù)的成本要低得多，而且在環(huán)境上更可持續(xù)。

但隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市面臨的問題也會(huì)成倍增加。最棘手的問題之一是交通擁堵。擁堵堵塞了城市動(dòng)脈，阻礙了經(jīng)濟(jì)進(jìn)程，但其對(duì)人類健康的影響更為嚴(yán)重。交通不斷向空氣中排放有害排放物，包括直徑為 2.5 微米（或更小）的大氣顆粒物 (PM)。這種 PM2.5 污染深入肺部，被認(rèn)為對(duì)健康最有害。

控制交通以限制污染的傳統(tǒng)嘗試（例如擁堵收費(fèi)或阻止某些車輛在特定日期行駛）很麻煩，并且未能考慮天氣和道路工程或事故等瞬態(tài)交通狀況等因素。

但現(xiàn)在，商業(yè)空氣質(zhì)量傳感器的廣泛部署—— 通過低功耗無線局域網(wǎng) (LPWAN)無線連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) ——有望生成細(xì)粒度數(shù)據(jù)，城市規(guī)劃者需要對(duì)大氣污染的積累（和清除）。一些開創(chuàng)性的權(quán)威正在采用新興的物聯(lián)網(wǎng)來凈化城市的空氣，但需要做更多的工作來實(shí)施適合未來智慧城市的污染控制系統(tǒng)。

卡馬格頓

亨利福特位于美國的生產(chǎn)線因向大眾引入了獨(dú)立機(jī)動(dòng)性而受到贊譽(yù)，城市規(guī)劃者很快就接受了這場文化革命。例如，1920 年代洛杉磯的設(shè)計(jì)幾乎是由汽車決定的。從 1910 年開始的十年快速擴(kuò)張期間，人們可以輕松地使用汽車四處走動(dòng)，從而創(chuàng)造了這座城市的低人口密度和偏遠(yuǎn)的郊區(qū)。今天，洛杉磯的交通系統(tǒng)已成為其自身成功的犧牲品。交通分析師 INRIX 的數(shù)據(jù)顯示，2017 年，該市的擁堵狀況連續(xù)第六年成為世界上最嚴(yán)重的城市。該公司表示，洛杉磯的通勤者注定每年要花費(fèi) 100 多個(gè)小時(shí)與高峰時(shí)段的擁堵作斗爭。

但擁堵并不是美國獨(dú)有的問題。在中國和印度，迅速擴(kuò)張的中產(chǎn)階級(jí)將大部分可支配收入花在汽車上，問題很嚴(yán)重，而且會(huì)變得更糟。例如，孟買擁有約 1850 萬居民和 230 萬輛汽車，在過去 7 年中增長了 55%，2017 年每天的新車登記數(shù)量約為 700 輛。北京的車隊(duì)同樣令人印象深刻， 2170 萬的大都市人口為 597 萬（圖 1）。

圖 1：北京的擁堵程度非常嚴(yán)重。該市擁有 597 萬輛汽車，為 2170 萬大都市人口提供服務(wù)（來源：Travelerpix/Shutterstock.com）

顆粒物污染的來源及其影響

PM2.5 污染有很多來源，包括燃煤和燃油發(fā)電站、家庭烹飪，甚至是灰塵和海鹽等天然來源。但在韓國光州進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，該市超過三分之一的顆粒物可歸因于柴油和汽油動(dòng)力車輛。

北京也有類似的情況。2017年3月下旬，全市PM2.5濃度為238μg/m 3，全市全年平均為90μg/m 3。世界衛(wèi)生組織 (WHO) 指南指出，24 小時(shí)內(nèi) PM2.5 的平均讀數(shù)僅為 25μg/m 3是不健康的。中國城市的居民正在為流動(dòng)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(bào)告得出結(jié)論，北京（以及中國其他擁堵城市）的所有死亡人數(shù)中有 31.8% 可能與 PM2.5 相關(guān)。

雖然沒有北京、孟買那么糟糕，擁有龐大的車隊(duì)和低排放標(biāo)準(zhǔn)，但這座城市經(jīng)常遭受令人震驚的空氣質(zhì)量。《印度時(shí)報(bào)》報(bào)道稱，該市在全球 859 個(gè)城市中排名第 63 位，是污染最嚴(yán)重的特大城市。2016年，全市PM2.5平均水平為64μg/m 3。盡管北京和孟買是異類，但西方城市沒有理由沾沾自喜。洛杉磯記錄的 PM2.5 年平均讀數(shù)為 18μg/m 3。在歐洲，巴黎在 2018 年 2 月 記錄了 55μg/m 3的峰值讀數(shù)。

據(jù)世界衛(wèi)生組織稱，空氣污染是造成非傳染性疾病的主要原因，導(dǎo)致大約 24% 的成年人死于心臟病，25% 死于中風(fēng)，43% 死于慢性阻塞性肺病，29% 死于肺癌。

污染緩解 1.0

幾個(gè)城市當(dāng)局已經(jīng)努力完成清理居民空氣的任務(wù)。有些嘗試比其他嘗試更奇怪。據(jù)英國廣播公司報(bào)道，德里一直在考慮將噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在平板上并將其拖到污染嚴(yán)重的地區(qū)，以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的推力將顆粒物推入大氣層并遠(yuǎn)離肺部。北京最近還引入了一個(gè)許可證制度，限制非居民一年內(nèi)只能開車進(jìn)入城市12次。

控制空氣中顆粒物的更傳統(tǒng)嘗試包括在國家污染熱點(diǎn)上部署監(jiān)測設(shè)備幾個(gè)月，以建立一種模式，然后采取嚴(yán)厲措施，例如限制進(jìn)入或提高排放稅，以阻止交通，直到空氣變得更清晰。此類舉措未能考慮到天氣和汽車事故等瞬態(tài)因素，而強(qiáng)硬的解決方案會(huì)使駕駛員感到沮喪，并且通常會(huì)產(chǎn)生短期結(jié)果。

使用傳統(tǒng)技術(shù)限制顆粒物污染

通過部署傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭等現(xiàn)代電子產(chǎn)品，一些美國城市正在取得更好的成果。例如，伊利諾伊州芝加哥市使用安裝在燈柱上的傳感器來構(gòu)建城市大片區(qū)域隨時(shí)間推移的污染圖片，而賓夕法尼亞州匹茲堡的居民可以使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭放大特定的污染源排放并記錄污染事件以識(shí)別模式。在其他地方，肯塔基州路易斯維爾通過收集哮喘患者何時(shí)使用吸入器的數(shù)據(jù)來識(shí)別污染熱點(diǎn)。

在美國以外，奧斯陸允許公交專用道進(jìn)入，提供大量充電站和優(yōu)先停車位，并免除電動(dòng)汽車的通行費(fèi)。挪威擁有世界上人均純電動(dòng)汽車數(shù)量最多的國家，這個(gè)擁有 520 萬人口的國家擁有超過 100,000 輛。奧斯陸 2016 年的平均 PM2.5 讀數(shù)為 11μg/m 3。德國德累斯頓正試圖通過實(shí)施吸收污染的“綠墻”來過濾空氣中的顆粒物（圖 2）。

圖 2：德累斯頓等德國城市正在使用“綠墻”來吸收顆粒物污染。（來源：綠色城市解決方案）

連通性改善污染控制

減少進(jìn)入城市的汽車數(shù)量的舉措必然會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生一些影響。更少的排氣管等于更低的排放。但影響往往沒有預(yù)期的那么高。例如，倫敦在 2003 年推出了擁堵收費(fèi)計(jì)劃。到 2014 年，收費(fèi)區(qū)的交通量比十年前減少了近四分之一。但是公交車的數(shù)量增加了，出租車和私人出租汽車的行程自 2000 年以來增加了近 30%。

倫敦的擁堵費(fèi)是否改善了城市人口的空氣質(zhì)量？2003年全市PM2.5平均讀數(shù)為25μg/m 3 （中部地區(qū)升至35μg/m 3 ），而2016年為15μg/m 3 （中部地區(qū)升至18μg/m 3 ）。這是一個(gè)顯著的改善，但仍然意味著空氣質(zhì)量遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織的閾值 10μg/m 3。

倫敦的經(jīng)驗(yàn)表明，解決空氣污染問題受許多相關(guān)因素的支配，改變一個(gè)因素會(huì)（有時(shí)是有害的）影響其他因素。要在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)污染高峰做出快速反應(yīng)并降低平均水平，需要數(shù)據(jù)……大量及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 能夠通過 LPWAN 連接到云的緊湊型廉價(jià)無線傳感器快速生成、整理和分析數(shù)據(jù)，這將使城市規(guī)劃者能夠利用大數(shù)據(jù)來改善空氣污染控制。

構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)空氣污染控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染系統(tǒng)將包括四個(gè)基本要素：

• 用于監(jiān)測和報(bào)告污染水平的無線空氣質(zhì)量傳感器；
• LPWAN連接將數(shù)據(jù)從短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫耍?/li>
• 能夠分析來自數(shù)以萬計(jì)無線傳感器的數(shù)據(jù)的云服務(wù)器；
• 預(yù)測算法，建議采取措施防止空氣污染達(dá)到危險(xiǎn)水平。

緊湊、廉價(jià)、電池供電的 PM2.5 傳感器正在商業(yè)化。來自這些設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)充，該傳感器可以調(diào)整以獲取廢氣中普遍存在的二氧化氮 (NO 2 ) 和一氧化碳 (CO)，從而給出空氣污染的總體指示由車輛創(chuàng)造。這些傳感器通常與使用電池友好型無線協(xié)議（如藍(lán)牙低功耗 (BLE) 或 Zigbee）的射頻收發(fā)器配對(duì)，以便數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)連續(xù)傳輸。由于 PM2.5 和氣體傳感器價(jià)格便宜且不引人注目，它們可以廣泛分布在城市中以監(jiān)測空氣污染。

LPWAN 在短距離無線傳感器的局域網(wǎng) (LAN) 和云之間形成穩(wěn)健、遠(yuǎn)程、安全的連接。一些 LPWAN 技術(shù)目前正在商業(yè)化，包括蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如 LTE-M 和 NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox 和 Weightless（圖 3）。

圖 3： LPWAN 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云之間形成遠(yuǎn)程連接。（來源：metamorworks/Shutterstock.com）

一旦通過 LPWAN 將數(shù)據(jù)上傳到云端，就??可以對(duì)其進(jìn)行匯總和分析，以構(gòu)建幾乎實(shí)時(shí)、精細(xì)的整個(gè)城市空氣污染變化情況的圖景。隨著歷史數(shù)據(jù)庫的建立，算法可以參考過去的事件來準(zhǔn)確預(yù)測未來的模式將如何發(fā)展——使當(dāng)局能夠在需要時(shí)采取預(yù)防措施。此類信息將允許采取比傳統(tǒng)措施更微妙的行動(dòng)，例如調(diào)節(jié)交通流量、暫時(shí)降低清潔車輛的道路通行費(fèi)以及通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)快速建議市民避開可能很快變得危險(xiǎn)的區(qū)域。

早期采用者

倫敦

倫敦正在通過與蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施提供商聯(lián)盟 GSMA 合作，在格林威治皇家自治市推出基于物聯(lián)網(wǎng)的試驗(yàn)，從而積累其在擁塞控制方面的經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目被稱為智能倫敦，它結(jié)合了傳感器、蜂窩物聯(lián)網(wǎng) LPWAN 和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括附在車輛、自行車和人員上的低成本靜態(tài)和移動(dòng)設(shè)備。現(xiàn)有格林威治空氣質(zhì)量監(jiān)測站的數(shù)據(jù)補(bǔ)充了這些數(shù)據(jù)。

這些信息使當(dāng)局能夠盡早做出決定。例如，來自空氣質(zhì)量測量的數(shù)據(jù)被用于通過智能手機(jī)通知向 AirTEXT 服務(wù)的訂戶通知他們所在地區(qū)的污染水平何時(shí)可能上升。作為數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，該行政區(qū)已經(jīng)采取了緩解污染的措施，例如禁止使用大型送貨卡車，而是聘請(qǐng)了騎自行車運(yùn)送包裹的承包商。

雖然格林威治的實(shí)驗(yàn)還處于早期階段，但 PM2.5 的水平正在呈現(xiàn)適度下降（圖 4）。

圖 4：倫敦格林威治，基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染控制正在對(duì) PM2.5 水平產(chǎn)生影響。（來源：格林威治皇家自治市）

漢城

韓國首都是當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營商運(yùn)營的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣污染監(jiān)測計(jì)劃的所在地。對(duì)于發(fā)達(dá)國家來說，韓國的空氣很臟。2018 年 3 月下旬，首爾 PM2.5 達(dá)到峰值 100μg/m 3。Air Map Korea 項(xiàng)目通過全國基礎(chǔ)設(shè)施收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括韓國的 450 萬個(gè)電線桿、330,000 個(gè)移動(dòng)基站、60,000 個(gè)公用電話亭和 4,000 個(gè)中央辦公室。除了 PM2.5 和 PM10 水平之外，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(wǎng) LPWAN 中繼到公司現(xiàn)有的 4G 和新的 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。收集后，這些信息每分鐘都會(huì)傳輸?shù)焦镜目罩械貓D平臺(tái)。

到目前為止，首爾的空氣質(zhì)量倡議取得的成果有限。市政府已采取措施鼓勵(lì)人們下車——例如在高峰時(shí)段免收公共交通費(fèi)、關(guān)閉停車場、在污染達(dá)到高峰時(shí)對(duì)某些柴油燃料車輛實(shí)施罰款和禁令——但這些措施減少了交通只有大約百分之二。據(jù)《美國新聞與世界報(bào)道》報(bào)道，韓國政府發(fā)言人將過去五年 PM2.5 的改善描述為停滯不前。

對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采取行動(dòng)

倫敦和首爾的經(jīng)驗(yàn)表明，測量污染是一回事，根據(jù)信息采取行動(dòng)以產(chǎn)生有意義的影響是另一回事。但物聯(lián)網(wǎng)還處于早期階段，從中期來看，城市規(guī)劃者將受益于廣泛的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和云存儲(chǔ)所積累的大量當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。

改善反應(yīng)

如何對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)做出反應(yīng)在很大程度上取決于政治氣候，但技術(shù)可以通過確保公眾及時(shí)了解準(zhǔn)確信息，在決策過程中發(fā)揮更大的作用。這樣，公民更有可能接受使個(gè)人出行更加昂貴甚至受到限制的措施。

引入增強(qiáng)型傳感器技術(shù)

低功率無線和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步正在使空氣質(zhì)量傳感器更便宜、更小、維護(hù)更少、更準(zhǔn)確和更遠(yuǎn)。因此，未來的污染控制計(jì)劃將能夠利用更大的傳感器部署和更高的測量精度。

擴(kuò)展傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙? 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和 Zigbee ?固有的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)兼容性等發(fā)展也有助于廣泛部署。網(wǎng)絡(luò)允許傳感器相互通信，減少所需的 LPWAN 節(jié)點(diǎn)數(shù)量，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以聚合到大型網(wǎng)絡(luò)上的單個(gè)點(diǎn)并從中轉(zhuǎn)。這種布置降低了成本和復(fù)雜性。

部署全市 LPWAN

LPWAN 在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)提供了早期優(yōu)勢，因?yàn)?4G（以及越來越多的 5G）網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在大多數(shù)城市建成，從而為都市蜂窩物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的供應(yīng)商提供了早期牽引力。LoRaWAN、Sigfox 和 Weightless 正忙于在主要城市建立基礎(chǔ)設(shè)施以支持他們的技術(shù)。一旦到位，這些 LPWAN 將為在城市的任何區(qū)域快速且廉價(jià)地部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供骨干網(wǎng)。

使用人工智能及早采取行動(dòng)

基于龐大的數(shù)據(jù)資源并利用服務(wù)器群的力量，工程師將開發(fā)算法，智能地考慮影響空氣污染的因素之間的復(fù)雜相互作用，產(chǎn)生準(zhǔn)確的預(yù)測并建議早期（和微妙的）行動(dòng)以降低危險(xiǎn)水平。例如，韓國正在建造的空氣凈化廠將在空氣污染達(dá)到閾值時(shí)自動(dòng)開啟，以及中國的無人機(jī)，它們?cè)谖廴緹狳c(diǎn)噴灑水或化學(xué)物質(zhì)以沖走 PM2.5 的積累。

總之

盡管城市仍然依賴柴油和汽油車輛，但排氣管排放的 PM2.5 對(duì)人類健康是潛在的危害。主要城市正在意識(shí)到由呼吸系統(tǒng)疾病引起的生產(chǎn)力損失和衛(wèi)生系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，一些城市已經(jīng)努力降低污染水平。這些開創(chuàng)性的努力值得稱贊，但實(shí)施起來成本高、管理復(fù)雜且產(chǎn)生的結(jié)果有限。

物聯(lián)網(wǎng)通過近乎實(shí)時(shí)地生成連續(xù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)流來解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的弱點(diǎn)，使規(guī)劃人員能夠做出更明智的決策以減少交通流量。然而，物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段，直到工程師推出下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、城市范圍的 LPWAN 和 5G 蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施來將數(shù)據(jù)提供給 AI 算法，其空氣污染控制的全部潛力才能實(shí)現(xiàn)然后可以觸發(fā)早期預(yù)防措施。

審核編輯：符乾江