数字经济时代的技术融合与应用创新趋势分析

陈晓红

(湖南商学院，湖南 长沙 410200)

1.引言

近年来，学术界和产业界提出了“智慧城市”和“智慧环保”的概念，智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。“智慧环保”则是“数字环保”的延伸发展，是互联网与信息化技术在环保领域的深化结合，它在“数字环保”的基础上，在前端感知系统增加智能应用设备，利用多种信息通信技术，通过云计算、虚拟化、大型计算机将环保物联网整合起来，建设成为一个集强大感知能力、智能处理能力和综合管理能力于一体的新一代网络“智慧”环保系统，从而为环境管理和决策提供更为动态和精准的支撑[1]，而数字环保是智慧环保的基础。与传统的城市环境治理模式相比，实现环境监测设备的数字化和网络化是智慧环保的基础[2]。虽然智慧环保与智慧城市建设是历史发展的必然趋势，但是智慧环保在智慧城市建设中的实践并非一帆风顺。智慧城市建设为环保行业带来机遇的同时，也带了挑战。如何更好地实现智慧城市中的智慧环保是当今世界面临的一个重大问题。中国，作为一个积极倡议智慧环保与环保城市建设的发展中国家，更应该努力寻找其中的缘由。

本文首先探讨智慧城市建设的发展新趋势、政策演进趋势以及智慧城市建设为环保行业带来的机遇与挑战。在此基础上，发现目前环保行业存在的痛点与现状，然后根据目前环保行业面临的现状与痛点，指出数字新技术在环保行业中的应用创新趋势，以及数字新技术对环保大数据的集成与共享、生态环境综合决策科学化与监管精准化、环境监测“大气110”平台等方面产生的有利的影响，最后结合湘江水污染分析与精准治理以及长株潭地区空气污染智慧协同治理，介绍了智慧城市中智慧环保的应用实例。

2.智慧城市的发展趋势

2008年IBM提出“智慧地球”的概念。智慧地球分成三个要素，即“3I”：物联化、互联化、智能化，是指把新一代的IT、互联网技术充分运用到各行各业，把感应器嵌入、装备到全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道，通过互联网形成“物联网”；而后通过超级计算机和云计算，使得人类以更加精细、动态的方式和生活，从而在世界范围内提升“智慧水平”，最终就是“互联网＋物联网＝智慧地球”。

按照IBM的定义，“智慧地球”包括三个维度：第一，能够更透彻地感应和度量世界的本质和变化；第二，促进世界更全面地互联互通；第三，在上述基础上，所有事物、流程、运行方式都将实现更深入的智能化，企业因此获得更智能的洞察。

2.1 国内智慧城市发展历程

2009年IBM又在《智慧地球赢在中国》计划书中提出关于智慧世界在中国发展的六大智慧板块，分别为“智慧电力”、“智慧医疗”、“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧供应链”和“智慧银行”。一方面，在数字经济时代的背景下，物联网、云计算等技术的发展热潮不断升温；另一方面，城镇化发展过程中带来的人口增长、环境污染、交通拥堵等各类“城市病”不断恶化。建设智慧城市，促进城市健康、安全和可持续发展，已经成为全球城市发展的共同诉求和大势所趋。

近年来，我国智慧城市的建设正如火如荼地进行着，各部委相继发布落实智慧城市健康发展的各项任务，确保智慧城市建设健康有序推进，其中主要包括建立不同类型智慧城市试点。住建部自2013年起，住房和城乡建设部先后两批开展了193个智慧城市试点，住建部和科技部公布了第三批国家智慧城市试点名单84个，住建部智慧城市建设以“城镇化”为主要特点。科技部、国家标准化管理委员会下发了《开展智慧城市试点示范工作的通知》，确定了20个“智慧城市”技术和标准的首批试点城市，其中副省级城市9个。开展“智慧城市”技术和标准试点旨在将科技技术标准体系，云计算、物联网等国家科技计划项目与各试点城市对接，推动我国自主创新成果在智慧城市中推广应用共同开展的一项示范性工作，促进我国智慧城市的健康可持续发展，探索“智慧城市”在我国的全面建设的有效模式。工信部公布首批68个国家信息消费试点城市名单，包括京津沪在内的大部分省市省会在列。它主要强调利用各种数字技术将“工业化、信息化”两化融合，提高工业效率，加强信息的有效利用。

制定的十三五规划中提出，预计2020年对智慧城市的投资总规模将超过5万亿元。到2020年将建成一批特色鲜明的智慧城市，它们的综合竞争优势将明显提高，在保障和改善民生服务、创新社会管理、维护网络安全等方面也会取得显著成效。这些智慧城市将聚集和辐射带动其他城市向着智慧城市建设与发展。

智慧城市的发展既离不开城市信息化基础设施的建设，也离不开对各类基础设施采集、记录的庞大数据资源进行的专业化分析处理以及管理决策支持[16]。

2.2 智慧城市政策演进

我国的智慧城市相关政策密集出台，着力建设健康可持续发展的智慧城市。我国首次提到智慧城市是2012年1月颁布的《国务院关于印发工业转型升级规划(2011－2015年)的通知》，该通知的核心思想为推进工业化和信息化的深度融合，实现工业转型升级，从推进物联网应用的角度，明确了智慧城市的应用领域。为给智慧城市建设与发展创造良好的环境和条件，2014年3月，中共中央、国务院印发《国家新型城镇化规划(2014－2020年)》，这是首次把智慧城市建设引入国家战略规划，提出统筹利用城市发展的物质资源、信息资源和智力资源，使用大数据、云计算、物联网等新一代信息技术推动智慧城市发展。为规范和推动智慧城市的健康发展，构筑创新2.0时代的城市新形态，2014年8月，经国务院同意，国家发展改革委等八部委联合印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，指导意见指出到2020年，建成一批特色鲜明的智慧城市，剧集和辐射带动其他城市的健康可持续发展，同时在这些智慧城市中要实现公共服务便捷化、城市管理精细化、生活环境宜居化、基础设施智能化、网络安全长效化等目标。

近年来提出了新型智慧城市的概念以及发展，引领“智慧城市”向“新型智慧城市”发展。2015年，新型智慧城市被首次写入政府工作报告。新型智慧城市是以为民服务全程全时、城市治理高效有序、数据开放共融共享、经济发展绿色开源、网络空间安全清朗为主要目标，通过体系规划、信息主导、改革创新，推进新一代信息技术与城市现代化深度融合、迭代演进，实现国家与城市协调发展的新生态，随着国家治理体系和治理能力现代化地不断推进，随着“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念地不断深入，随着网络经济技术的发展不断成熟，城市发展有了更高更长远的发展要求，推动了从传统意义上的“智慧城市”建设向着“新型智慧城市”建设演变。2016年国家“十三五”规划纲要中明确提出“建设一批新型示范性智慧城市”，同时相关部门提出在“十三五”时期，将针对性地组织100个城市开展新型智慧城市“试点”，同时开展智慧城市建设效果评价工作。2016年4月，习近平总书记在网络安全和信息化工作座谈会上明确指出：分级分类推进新型智慧城市建设，打通信息壁垒，构建全国信息资源共享体系，更好用信息化手段感知社会态势、畅通沟通渠道、辅助科学决策。同年10月，习近平在政治局集体学习中进一步对我国新型智慧城市的建设和发展提出了要求：以推行电子政务、建设新型智慧城市等为抓手，推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。

这一系列的相关政策先后为智慧城市建设提供了基石，实现了从无到有、从试点试探到辐射带动、从传统模式到新型模式转变的中国特色的建设道路。

智慧城市正在经历着从1.0到2.0的转变。智慧城市1.0是指智慧城市建设的初级阶段。在该阶段强调地更多是“信息化”和“工业化”的有效融合，通过各类信息技术和数字技术与城市管理、民生服务和产业发展等领域的融合应用，实现城市各部门的信息化建设，例如政务部门的电子化和信息化系统建设等。由于各类信息基础设施建设不断完善；智慧城市理念不断走向成熟；大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术迅猛发展；仅仅关注城市各部门的信息化建设显然不足以满足城市未来长远、可持续发展的需求；传统智慧城市建设所造成的“信息烟囱”、“数据孤岛”、“重技术轻应用”等问题逐渐暴露，推动我国的智慧城市建设从1.0到 2.0 转变。

第二届世界互联网大会“互联网之光”博览会上展示了“新型智慧城市”建设的四个重点，如下：

(1)物联网开放体系架构

提出具有自主知识产权的物联网开放体系架构方案，掌握网络发展和网络空间安全的主导、主动和主控权。

(2)城市开放信息平台

以“平台＋大数据”为策略，提供城市资源大数据通用服务平台，致力于实现数据共融共享，消除信息孤岛，保障数据安全，提高大数据应用水平。

(3)城市运行指挥中心

全面透彻感知城市运转，接入社会及网络数据，实现跨部门的协调联动，提升对突发事件的应急处置效率。

(4)网络空间安全体系。

涵盖“城市基础设施安全、城市数据中心安全、城市虚拟社会安全”的安全体系。

在《“十三五”国家信息化规划》中确定了新型智慧城市的建设行动目标，到2018年，分级分类建设100个新型示范性智慧城市；到2020年，新型智慧城市建设取得显著成效，形成无处不在的惠民服务、透明高效的在线政府、融合创新的信息经济、精准精细的城市治理、安全可靠的运行体系。

2.3 智慧城市建设为环保产业带来机遇与挑战

2.3.1 智慧环保的必要性

随着构建资源节约型、环境友好型社会被确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项战略任务，国家对环境保护的重视程度日益提高，重点项目和国拨资金逐年增大，在“十二五”期间全国环保信息化建设取得了飞跃式的发展，智慧环保的建设需求尤为迫切。主要体现在领导高度重视、需求更为迫切、建设百家争鸣、公众意识强烈等现象。随着系统基础环保网络建设发展迅速、环保应用系统建设加强、环境应急系统将陆续进入实质性建设阶段、环境信息化相关标准建设不断完善等环境信息化的表现陆续出现，“智慧环保”的概念成为当代信息技术发展的必然，也为新时期环境保护科学发展提供了崭新之路。

智慧城市是运用智能信息管理、智慧支撑技术、高速多网传输、智能环境感知等信息和网络技术来分析、整合城市运行系统的各项关键信息，从而对民生、环保、公共安全、城市服务、经济活动在内的各种需求做出智能响应，智慧环保是智慧城市建设的关键一环。随着国家城镇化的推进以及智慧城市的发展，对环保产业的需求和诉求越来越高，绿色发展和绿色治理理念将成为必然趋势。环保产业因智慧城市建设不断延伸，智慧城市因环保产业发展而得到进一步增值，形成双赢的局面，智慧环保是人心之所向、发展之关键、大势之趋势。环保产业与智慧城市需要相互促进，共同发展。一方面，智慧城市的治理和运营需要绿色发展理念，与环保有着天然的契合性。对污染源监控、饮用水水源监测、辐射安全、排污收费、机动车尾气污染防治、环境应急、环境预警、环境执法、环境投诉、建设项目审批等内容进行数字化、网络化、智能化的认知与管理，是智慧城市建设的重要内涵。另一方面，环保产业也需要融入智慧城市建设，实现产业链条的延伸与拓展。传统环保产业专注的只是单一的某一个点，如工业治理、清洁生产、市政工程等，各个环节之间相互割裂、彼此分离。而智慧城市是系统化、整体化、动态化的治理模式，环保产业需要借助信息技术手段，延伸上下游产业链，拓展运营和服务范围，系统地融入智慧城市建设中。

2.3.2 智慧环保的建设目标

利用大数据、物联网、区块链、人工智能等新技术，以数据为核心，把数据获取、传输、处理、分析、决策服务，形成一体化的创新与智慧模式，让环境管理、环境监测、环境应急、环境执法和科学决策更加精准有效，为环境管理和环境保护提供全方位的智慧管理与服务支持。其中大数据，指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行存储、管理和处理的数据集合[3]。其大量性(Volume)[4]、多样性(Variety)、高速性(Velocity)的 3V 特点[5]最为重要。智慧环保的总目标主要体现在测得准、传得快、算得清、管得好四个方面。

2.3.3 智慧环保重点拓展的业务领域

智慧环保的概念可用于环境的政务管理、应急管理、质量检测、生态保护、核与辐射安全等多个方面，可重点拓展的业务领域也颇为广泛，具体包括环监运营与信息管理、环保政务资源协同管理、企业工况监控管理、环境地理信息共享管理、污染源在线监测、环保及安监视频、环境数据中心、环保APP应用管理、环境事故应急检测指挥、环保移动执法、环境信息中心、环境综合业务办公管理、危险固废综合管理、环境质量监测预警等。

2.3.4 智慧环保的层级架构

智慧环保的架构主要分为感知层、传输层、智慧层和服务层四个层次。其中，感知层利用可以实时感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，实现对环境质量、污染源、生态、辐射等环境因素的“更透彻的感知”；传输层利用环保专网、运营商网络，结合3G、卫生通讯等技术，将遥感监测、现场检测仪等获得的感知数据，政府信息系统中储存的环境信息进行交互和共享，实现“更全面的互联互通”；智慧层以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段，以及可视化技术，整合和分析海量大的跨地域、跨行业的环境信息，实现海量信息大数据储存、实时处理、深度挖掘和模型分析，实现“更深入的智能化”；服务层利用云服务模式，建立面向对象的信息服务门户，如政务公开、公众服务、互动交流，和各业务应用系统，为环境质量、污染防治、生态保护、辐射管理等业务提供“更智慧的决策”。

2.3.5 智慧环保的支撑技术

根据上一小节讲到的智慧环保的各个层级的功能，可以看出要有效地实现智慧环保，必须要有足够的技术支撑，主要包括各类新兴的信息技术和数字技术，具体有物联网、区块链、云计算、大数据挖掘、智能GIS、遥感监测六个种类。

(1)物联网

物联网技术是指通过各种传感设备(传感器、射频设备技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描等)采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息并与互联网、无线专网进行交互传输信息的一个巨大网络，能够实现物与物、物与人的网络连接、识别、管理和控制。

(2)区块链

区块链是一种按照时间顺序，将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式结构，并以密码学方式保证的、不可篡改和不可伪造的分布式账本[6]。其是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。结合区块链技术可实现环境质量评估、自然生态检测、核辐射检测、污染源排放等大数据的网络存储。区块链的不可变账本使监管机构更容易对碳排放配额进行审计和监督，还可以有效解决环保公益中的信任危机问题。

(3)云计算

云计算是以服务为特征的一种网络计算，它以新的业务模式提供高性能、低成本的持续计算和存储服务，支撑各类信息化应用。

(4)大数据挖掘

大数据挖掘是发现数据中有用模式的过程，通过海量观测数据的处理来确定数据的趋势和模式，与传统数据分析相比，其本质区别在于在无明确假设的前提下挖掘信息、发现知识，因此具有未知、有效和实用三个特征。

(5)智能 GIS

采用多维GIS融合技术，将“时间维(Time)、空间维(Space)和仿真(VR)技术”相结合的三维GIS平台，真正实现“物联网前端感知、应用时态分析、管理虚拟仿真、多维GIS空间分析”一体化的GIS可视化应用创新模式，将三维GIS的发展带入了多维GIS时代。

(6)遥感监测

遥感技术是指借助对电磁波敏感的仪器，在不与探测目标接触的情况下，记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息，揭示目标物的特征、性质及其变化的综合探测技术。

3.数字新技术在智慧环保中的应用创新

目前环保行业正面临着以下痛点与现状。

3.1 环保行业现状与痛点

(1)环保数据价值的提升迫在眉睫

各级环保部门每时每刻都在产生海量的数据，却缺乏系统性的分析与可视化处理，其价值没有得到真正体现。

(2)篡改、伪造环境监测数据时有发生

数据质量是环境监测工作的生命线，环保数据的真实性、综合性、长期性是环境监测最基本的要求。

(3)污染排放难以量化

在目前的系统中，每个产品的环境影响都难以确定，其生态足迹也没有被纳入价格考量，消费者缺乏购买绿色产品的动机，企业也没有动力出售这类产品。

(4)环境监测数据信息孤岛现象明显

当前我国环保部门的应用系统由于大多是独立建设，在数据共享、业务协同方面缺乏统筹规划，导致重复建设、“信息孤岛”现象普遍。

(5)环境潜在风险评价欠缺

现有环境监测系统不能精准阐明环境质量现状及其变化趋势，更无法精准评价环境潜在的风险。

(6)公众参与不足

缺乏相应的激励机制，如废品回收，目前的回收项目，民众往往没有获得合理恰当的激励和奖励，参与积极性普遍较低，推广难度大。

(7)环境公益腐败现象普遍

环境公益机构接受的捐款难以追踪资金流向，官僚、腐败和低效率在慈善领域中普遍存在。

针对目前环保行业存在的痛点及现状，不仅引发以下问题的思考：

如何“更快速”感知影响城市环境、人体健康、生命安全的实时指标？如何“更全面”感知污染排放、环境污染、应急事故的变化过程？如何“更有效”判定环境监察执法与应急处置工作的执行状态与效果？如何“更智慧”决策重点城市、区域和流域重大环境管理问题？这一系列问题的出现推动着数字新技术在其行业的应用创新。

3.2 数字新技术带来的改变

融合物联网、区块链、大数据、人工智能与机器人、虚拟现实、模拟仿真等数字新技术，以数据为核心，整合数据采集、分析挖掘、决策服务，形成一体化的创新与智慧模式，让环境管理、监测、应急、执法和决策更加精准有效，为环境管理和保护提供全方位的智慧管理与服务支持。各数字新技术的相互结合方式及作用如下：

(1)物联网＋区块链＋人工智能：物联网实时采集环保数据，区块链为采集数据提供共享、验证、溯源机制，人工智能为采集提供智慧感知能力。

(2)大数据＋区块链：区块链和智能合约技术为大数据平台提供数据共享机制，区块链还能为大数据提供安全机制，提供数据的验证与溯源。

(3)大数据＋人工智能：大数据挖掘与分析是环境管理与决策的基础，人工智能助力智慧环保挖掘数据中深层次信息。

(4)大数据＋模拟仿真＋虚拟现实：大数据为模拟仿真提供基础数据，模拟仿真结果指导环境管理、应急、执法和决策，同时结果作为数据加入大数据集合中，虚拟现实能够加强用户对环境变化感知。

无论是单个数字新技术的实现，还是多个数字技术的结合，都在有形或者无形的过程中影响着方方面面。以下介绍数字新技术的应用创新。

3.2.1 人工智能物联网构建生态环境全方位监测网络

在物联网时代一个显著的特征就是大数据时代的到来。很显然，要想处理好这些信息，进行筛选、分析、数据挖掘等任务，单靠人是不行的。而现有的数据库系统其固有的弊端又对这些信息的处理能力有限，包括现有的计算方式和软件能力也限制了信息的过滤能力。而人工智能的目标就在于为人们提供能够有所超越的信息处理能力，提高信息采集和应用的效率。而对于人工智能，其也经历了计算主义到联结主义的变迁，自身也在不断地完善过程中。因而，物联网与人工智能之间的联系，本应当是非常密切的。因此，人工智能与物联网的结合会使彼此之间的作用得以扩展。人工智能与物联网的结合构建了生态环境的全方位监测网络。比如可以利用无人机、传感技术、视频监控技术、射频识别技术、全球定位技术等人工智能技术，实现各种数据的自动识别、采集与筛选；以Lora、Sigfox、NB－IoT为代表的低功耗广域网络传输技术实现环保物联网数据的高效传输；分布式云存储提升环保物联网数据的可用性、可靠性和可共享性等都是人工智能互联网可以实现的功能。

3.2.2 区块链促进环保大数据的集成与共享

当人们在比特币的背景下谈论区块链时，与大数据的联系似乎有些牵强。金融服务行业正在开始认真研究区块链技术。瑞银集团首席信息官Oliver Bussmann表示，区块链技术可以将交易处理时间从几天缩短到几分钟。金融服务业务采用区块链技术势在必行。想象一下这个数量级的区块链。其庞大的数据湖包含了所有金融交易的全部历史记录，并且全部可供分析。共享经济的迅猛发展加速了数字经济的增长，基于共享经济产生的海量数据，通过分析和预测实现精准匹配，又加速共享经济的发展[7]。伴随大数据技术的共享经济企业得到快速发展，随之而来的信息安全、隐私保护以及监管等诸多问题也日益凸显，单独依靠大数据技术的共享经济商业模式难以为继，而区块链技术通过其加密分享、分布式账本等特征为数据的流通与共享提供新的方法与思路，可以与大数据技术形成互补[8]。

区块链提供了分类账的完整性，但不能用于分析。这就是大数据和相关分析工具将会发挥作用的地方。在比特币的大规模采用的带动下，区块链技术在商业和金融领域获得了成功。它促进的快速和安全的交易可能会彻底改变传统的数据系统。总结起来，区块链对大数据的主要影响为：使用区块链跟踪生产过程中的“三废”和碳排放情况，可以防止公司和政府背弃其环境承诺或误报其进展，减少欺诈和数据伪造现象发生；通过海量多源数据融合与挖掘技术，可以实现环保大数据的集成与高效管理；区块链与智能合约保证多源异构大数据共享的安全。区块链以其可信任性、安全性和不可篡改性，为环保大数据开放共享提供了有力保障，区块链让更多的环保大数据被解放出来。

3.2.3 大数据驱动的智能分析技术促进生态环境综合决策科学化与监管精准化

如今社会，大数据无处不在。人们每天都要面临着复杂而又庞大的大数据，并且还要对其进行智能分析。大数据自身所具有的独特性驱动了智能分析技术的发展[9]。针对目前环境数据的特征，借助物联网、云计算、大数据、人工智能等技术，通过环境管理的决策理论、方法和平台，为政府、企业的环境监测与管理提供全面的决策支持：区域生态环境质量及其潜在风险的综合评价；资源能源最优调度与分配；区域环境质量的实时预警预报；环境政策效果的定量评估与优化；企业节能减排措施；工程项目的环境评价；环境规划与城市规划；环境应急决策与管理。

3.3 数字新技术在智能环保中的典型应用分析

数字新技术的发展得到了很大的推广，并且得到了认可。

(1)环境监测“大气 110”平台

大气110，依托国家“千人计划”专家小组、国家环保部污染源监控工程技术中心建立，是专注于生态环境监测、生态大数据分析的公共服务平台，为全国各个城市提供精确的空气质量预报和数据分析服务，为公众提供身边环境状况服务和健康生活向导。国家环境保护污染源监控工程技术中心使用“云链”技术开发“大气110”平台，融合应用区块链、物联网和大数据技术，专注于大气监测、生态大数据分析等公共服务，实现通过定位系统实时展示当地的空气状况、污染地图、污染排名、污染对比等信息。并且“大气110”平台具有多元化的数据源、丰富的数据产品，可以满足环保部门、科研院所、普通大众、企业、社会组织等的环保数据需求。

(2)碳链

碳链是一个去中心化的平台，通过在学校、医院、小区、商务写字楼、公园、公交车站等地建立人工智能碳排放站点，借助物联网实时采集碳排放数据，并利用碳积分(碳链CBN)对企业和个人的低碳减排行为进行激励，引导民众节能减排，爱护环境，保护大自然。

中国环境保护部携手国际环境保护组织协会、港澳台、中华环境保护基金、美丽中国基金共同发起建立碳链基金会运营主体，推出碳链，利用区块链、物联网和人工智能技术解决当前环保大健康产业的痛点。

(3)贵阳市生态环境大数据试点

采用“网格化布点＋多元数据融合＋时空数据分析”模式，对全区域内大气环境、水环境、声环境等基础环境质量信息进行全面、连续、有效记录。

通过多源数据分析，现实污染源头的快速追溯。网格化服务系统的实现，让每一个“环保天眼”监测点都可实时上传监测数据，发现异常数据可迅速定位，然后结合大数据分析功能，利用数据库里关于该区域所有餐厅、工厂、建筑工地、道路交通等方面的数据信息，追溯污染源头。

污染处理的快速响应。当污染发生时，生态环境大数据中心自动将指令发至责任区域的网格管理员手机上，要求在最短时间内处理污染事件，使区域内环境恢复正常。

(4)厦门固废动态信息监管平台

为进一步提高厦门市固体废物信息化监管能力和水平，福建省厦门市环保局率先在全省组织开发了固体废物动态信息监管平台。基于物联网先进技术，集RFID、GPS、GIS、GPRS和视频监控等先进技术于一体，有助于环保部门收集固体废物基础数据收集，全面掌握固体废物相关信息。

(5)华为＆软通智慧环保解决方案

2017年8月28日，软通动力与华为云达成同舟共济伙伴关系，双方将基于华为云，在云解决方案研发、云迁移和咨询服务能力搭建、云人才培养、云销售推广等方面深入合作。本次面向智慧环保行业的联合解决方案，正是双方深入落实同舟共济伙伴关系的成果之一。软通动力与华为云合作开发的基于环保行业的联合解决方案，通过华为的先进物联网网络技术，结合软通动力成熟的智慧环境监测运营经验，可快速定位污染来源，减少周边污染物排放对市控点监测数据的影响，将破解环保行业难题，带动行业的革新，为环境大数据的发展走向跨越式发展铺平道路。华为联合软通动力打造智慧环境监测运营服务解决方案：

充分利用云计算、大数据、物联网、人工智能等数字新技术，针对以大气环境、水环境为核心的多种环境监测对象，构建环境与社会全向互联的智慧型环保感知网络，实现环境监测监控的现代化和智能化。

监测系统横跨各个渠道提高及时性和精确性。

通过移动互联设备，环保应用信息平台及时高效地发布适用于不同受众的有用的信息，最终达到“一体化建设、实时动态监管、长效运营服务”的良好效果。

(6)金正环保污废水处理新模式

国内领先的环保行业特种膜生产与新生水回用上市公司金正环保携手NW Blockchain Limited公司推出NewBchain项目，使用区块链、物联网和大数据技术革新目前污水处理行业商业模式和运营模式，面向全球打造创新性区块链污废水处理分布式经济业务生态。

无论是项目创造者、参与者、还是消费者，都可以参与NewBchain，以投身到环境保护和污水治理中，并通过NewBchain获得消费、交易、管理自己的各种权益。通过这种方式，使得NewBchain每一环的参与者都得到激励，从而促进NewBchain及水污染环境治理保护的发展。

4.湘江流域和长株潭地区智慧环保的实践与探索

4.1 实践探索一：湘江流域的智慧环保

湘江是湖南的母亲河，约占湖南省面积的40%，哺育了湖南60%的人民，支持了湖南省70%的经济。随着流域内经济社会的高速发展，水环境污染、水生态破坏等问题日益突出。湘江流域污染治理已受到高度重视，出台了首个由国务院批复的区域性重金属污染治理试点方案《湘江流域重金属污染治理实施方案》，连续实施了2个“一号重点工程”，取得了显著成效，湘江流域环境质量变化显著。但随着治理工程的深入推进，流域水质评价不够精准，污染物构成不明晰，经济社会的发展对水质的影响难以评估的问题凸显，治理政策措施亟待优化。

基于此，本文借助智能水质自动监测和处理技术，采集了大量湘江流域环境相关大数据。其中包括2006－2016年湘江干流和各支流188个断面的水质监测数据；300多家工业企业排放数据；湘江流域各县市区的河流、山川、森林、耕地分布状况数据；近十年气温、降水、极端气候变化的日值数据；湘江流域蒸发量、径流(水位，流量，流速)、泥沙含量、土壤含水量等数据；涉及近十年湖南省各县市区的人口、GDP、产业结构、能源消耗等年度统计数据。

通过对湘江流域环境相关大数据的深入挖掘研究，动态分析了湘江流域水质变化规律，找出了湘江流域主要污染源，分析了经济发展对水质变化的影响，预测了湘江流域水质未来变化趋势，提出了湘江流域精准治理的政策建议。

4.1.1 湘江流域水质变化规律

为了解决多指标评估的不确定性问题，提出基于证据推理法的水质综合评价方法，对从不同水质监测点提取的数据，利用正交求和方法综合证据，通过证据的积累缩小集合，从而获得水质综合评价结果。该方法评价的结果更加精准，能够实现同一水质类别水体之间的优劣比较，方便水污染的针对性治理。

通过对“十一五”、“十二五”期间的水质综合评价可以发现(图2)，湘江干流水质整体呈上升趋势，“十一五”期间，干流水质有波动且略微下降，“十二五”期间，水质逐年变好，趋势明显。主要原因是“十二五”以来，实施了包括湘江流域重金属污染综合治理专项工程在内的一系列流域污染治理工程和措施。

图2 湘江流域水质时间变化趋势

图3 湘江流域水质地域特征

通过对湘江流域水质空间分布规律分析发现(图3和图4)，永州－衡阳境内监测断面水质持续下降，株洲市境内断面水质最好，但与湘潭交界处水质急剧下降，湘潭境内断面水质整体较差，进入长沙后，水质有所提升。永州整体水质要好于下游各地区的水质，但在“十一五”和“十二五”期间波动较大下游的株洲在整体水质和好转的趋势来看都要优于长沙、湘潭和衡阳地区，说明在湘江保护与治理工程中，株洲好于其他地区。与此同时，国控断面优于省控断面，绿埠头、归阳镇、霞湾、昭山、樟树港为国控断面，这几个断面水质普遍优于其他断面，饮用水保护区水质较优，绿埠头、枫溪、白石、猴子石为饮用水保护区，水质较好。对于各支流来说，蒸水、浏阳河的水质最差，致使支流注入的下游邻近断面熬洲、三汊矶的水质出现大幅度下降，湘潭段城区由于涟水的汇入，导致湘江干流被支流污染。

图4 断面及支流之间水质特征

4.1.2 湘江流域主要污染源

运用聚类分析，可以将湘江流域的污染分为三大类(表1)，第一类地区主要受重金属镉、砷、铅污染，主要包括衡阳、永州、株洲等地区，第二类地区主要受重金属砷污染，主要包括长沙、株洲、湘潭等地区，第三类地区主要受有机物氨氮、溶解氧、总磷污染，主要包括长沙和衡阳等地区。

表1 各断面主要污染源聚类分析

进一步可以发现湘江干流主要受重金属铅、镉、铜、锌的影响，而各支流中，涟水和浏阳河以及耒水的主要污染物包含有机物，主要是农业污染造成的，大部分支流的重金属污染都较严峻(表2)，这是与湖南有色金属资源丰富分不开。

4.1.3 经济发展对水质变化的影响

通过匹配监测点水质数据和相应县(区)的经济数据，应用空间面板回归方法研究经济发展对湘江流域水质环境的影响情况。考虑到流域水质污染存在空间相关性，上游的污染物随着水的流动会扩散到下游地区，我们构建了分析湘江流域经济发展对水质影响的空间面板回归模型。

通过表3的回归结果可以发现，湘江流域水质污染在地理空间上具有非常明显的空间联动性，在分析湘江流域水质时需要考虑空间交互的影响，人均GDP与水质综合效应显著正相关，即随着人均GDP的增高，水质变好，城市化率与水质综合效应显著负相关，即随着城市化率的增高，水质变差，人均粮食产量与水质综合效应显著负相关，即随着人均粮食产量的增长，水质变差。

表3 各种因素对水质影响

4.1.4 湘江流域水质预测

提出灰色神经网络组合模型(图5)，预测步骤：

(一)数据准备阶段：水质指标及相关因素的历史数据整理与预处理；

(二)初步预测：代入GM(1，1)模型，得到预测值1，通过关联度计算，找出灰色关联度大于0.5的七个因素并建立GM(0，8)模型，得到预测值2，预测值1和预测值2加权得到初步预测值，并计算出相应的残差序列；

(三)残差修正阶段：建立由残差序列训练得到的BP神经网络模型，预测残差序列，修正初步预测，得到最终预测值。

图5 灰色神经网络组合模型

根据预测结果(图6和表4)，十三五期间，湘江流域水质整体呈现上升趋势，“十三五”期间湘江流域水质整体上达到II类水质标准，在2020年达到《湘江流域科学发展总体规划》的管理目标。其中溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷均达到Ⅱ类水质标准，重金属铅、砷、镉均达到Ⅰ类水质标准。

图6 湘江流域综合水质预测结果

表4 湘江流域水质标准预测结果

预测结果说明，在圆满完成《湖南省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的目标下，政府继续加大环境污染治理投资、调整产业结构，加强对高能耗工业企业的能耗控制，加强对湘江流域以及洞庭湖水域的排放监管以及污染治理，能使得湘江流域水质实现流域环境质量全面达标。

4.1.5 湘江流域精准治理的政策建议

针对前述大数据分析结果，提出有效政策建议：

(1)近期：分流域、分区域、分类施策

将基于证据推理的水质综合评价方法引入湘江流域水质综合评价试点，为全国制定新的水质评价标准提供科学基础，严格对接《水十条》和《土十条》等上位法规政策标准，确保流域保护相关规定与上位规章政策高度一致，加强污染对象二维治理，分域施策。

加强流域重金属污染防治及地下水监测的同时，高度重视生活污染和农业面源污染防治着力加强上游污染源头治理和过程控制，杜绝浏阳河、蒸水、涟水等支流超标或未经处理污染排放，重点监测衡阳、永州、株洲、湘潭等地冶金、造纸、钢铁等行业污染排放，以及长沙、衡阳、郴州地区的有机物排放。

严格环境执法监管力度，建立公平奖惩制度。引进第三方水质监测评估机构，定期综合测评流域水质，并将结果公布于众。

(2)中期：统筹协调流域发展

实施全流域规划管理与水环境协同治理和保护、促使污染外部性内部化，全面推进小流域河长制，加快“毛细血管”水环境综合整治。

将流域内10公里以上小流域全部纳入水环境质量监测网络，整合各类监测信息，构建河长制管理信息系统，严格落实小流域属地管理责任，分河道建档立卡，明确市县乡村四级职责。

建立小流域网格化监管追责体系，加强全流域配套生态友好型工程设计与建设，加强全流域政府不同部门的横向和纵向数据系统整合共享。

(3)远期：促进机制改革与管理创新

健全湘江流域保护政策体系，构建政府-公众-企业多方参与的社会共同治理机制，强化“治理连线、政府主导、部门实施、全社会参与”的良性机制。

建立湘江流域环境大数据管理机制，加快建成涵盖环境监测综合管理平台、重点污染源全过程物联网监控平台、环境信息多渠道综合发布平台等物联网＋大数据的智慧环保体系。将末端监测扩展到“生产—治理—排放”全过程监控，为精准化监管提供技术支撑。

推动建立流域环境法律体系，实现不同主体的利益协调机制。将流域环境法规以及相关配套的体制、机制和政策固化到法律文本中，对各相关法律进行“生态化”改造。

4.2 实践探索二：区域空气污染智慧协同治理

近年来，区域大气污染(雾霾)的突出问题引起了党和国家领导的高度重视。党的十八大以来，习近平同志关于社会主义生态文明建设的一系列重要论述，立意高远，内涵丰富，思想深刻，对于我们深刻认识生态文明建设的重大意义，坚持和贯彻新发展理念，正确处理好经济发展同生态环境保护的关系，坚定不移走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，加快建设资源节约型、环境友好型社会，推动形成绿色发展方式和生活方式，推进美丽中国建设，实现中华民族永续发展。习近平主席说过，青山就是美丽，蓝天也是幸福。李克强总理也说过，坚决打好蓝天保卫战。长株潭城市群是国家首批的“三区十群”大气污染防治重点区域，在全省空气环境质量排名中靠后，PM2.5污染较重且具有明显的区域性复合特征，亟须提出科学有效的污染防控方法与措施。

基于此，本文从湖南省环境监测中心站采集了2013－2016年全年长株潭城市群23个监测点PM2.5、SO2、NOX、PM10、O3等多项污染物约1000万条实时浓度监测数据和PM2.5组分分析数据，以及从国家气象数据中心采集了同期地面气象观测数据、交通流量数据等400余万条多元异构数据，

运用大数据分析技术与方法，以长株潭城市群为典型案例，系统分析了城市群区域大气污染特征，找出了城市群区域PM2.5污染主要来源，并进行城市群环境政策的空气质量改善效果模拟仿真，构建了城市群区域大气环境污染实时预警系统，提出了城市群区域空气污染总量控制策略。

4.2.1 城市群区域大气污染特征分析

本文运用ArcGIS地理信息系统，采用克里金插值算法、分歧系数法分析长株潭城市群PM2.5污染时空分布特征，结果表明长株潭城市群大气污染变化趋势基本一致。

由图7、图8得出以下关于区域PM2.5污染的时间变化特征的结论：

(1)长株潭城市群PM2.5浓度的日变化规律呈现出较为明显的双峰结构，PM2.5质量浓度的起伏主要受前体污染物排放和气象因素的影响。

(2)长株潭城市群PM2.5污染的季节性变化规律为：冬季＞秋季＞春季＞夏季，主要原因是冬季燃煤、秋季秸秆燃烧导致颗粒物及气态前体物(SO2、NOx)的排放量增加。

图7 长株潭城市群PM2.5浓度的日变化图

图8 长株潭城市群PM2.5污染的季节性变化图

采用MoranI指数分析法，得出2013－2016年PM2.5浓度Moran散点图。由这些散点图可以总结出区域PM2.5污染的空间分布特征为：城市群区域PM2.5污染存在较强的空间相关性；采用分歧系数算法，研究发现中心城区一次污染物在PM2.5中的占比明显高于郊区，而郊区二次污染物的占比高于中心城区。

4.2.2 城市群区域 PM2.5 污染主要来源解析

(1)区域PM2.5污染组分特征分析

采用质量平衡方法对PM2.5的化学组分进行重构，研究表明二次水溶性无机离子(SNA)、有机颗粒物及主要矿物尘(Fe＋Ca＋Si＋Al)是长株潭城市群 PM2.5 中重要组分(见图 9)，其中 SNA 年均浓度约占 PM2.5 的 30%，长株潭城市群PM2.5的二次污染特征明显。

图9 2013－2016年长株潭城市群PM2.5

(2)区域PM2.5主要污染来源解析

采用EPA PMF 5.0软件和受体模型，解析得到长株潭三市PM2.5污染的主要来源因素及其贡献率如表5：

表5 PM2.5主要来源的年均贡献率

(3)区域 PM2.5 空间溯源分析

引入浓度权重轨迹分析法(CWT)计算潜在源区气流轨迹权重浓度，进而反映不同空间轨迹的污染程度(见图10)。研究表明，长株潭城市群PM2.5污染在空间范围的主要源区就是其自身区域，其北部的岳阳和西部的江西萍乡地区也对长株潭城市群有一定的传输影响。

图10 长株潭城市群PM2.5的潜在源区

4.2.3 城市群环境政策的空气质量改善效果模拟仿真

区域大气环境质量受一系列理化反应、传输效应和气候效应的复杂影响，导致环境政策和空气质量改善发生偏离。基于CMAQ环境质量模型，调节三维气象场参数，构建了“本土化”的区域大气污染模拟仿真平台，从而建立了总量控制区域“大气污染物排放——环境空气质量”间的响应关系(见图11)。

图11 长株潭区域复合型大气污染——细颗粒物PM2.5污染浓度非线性响应决策模型流程图

节能减排政策实施基准年与目标年PM2.5环境质量浓度分布对比如图12：

图12 节能减排政策对基准年与目标年PM2.5环境质量浓度的影响效果

4.2.4 城市群区域大气环境污染实时预警系统平台

利用已采集的环境监测和气象大数据建立半参数预测模型，实现对未来24小时区域空气质量的实时滚动预测(见图13)，除冬季部分极端天气外，预测优度均在80%以上，能较好地反映PM2.5浓度的逐时变化趋势。

图13 工业废气、汽车尾气、工地扬尘分别导致PM2.5浓度变化趋势

5.智慧环保的前景展望

5.1 管理制度改革引领智慧环保

为加快智慧环保建设，确保生态环境质量持续稳定改善，必须实现环保方面的管理制度改革，如环保机构监测监察执法垂直管理制度改革等。新的行政管理体制往往涉及工作流程的转变，同时促使信息化系统不断改进。具体实现方法如下：

(1)统筹上下关系

智慧环保的建设是一个从上至下的过程，要充分协调，把握好中央和地方的关系，通过层级制度保证政策的落实。

(2)明确指标体系

坚持顶层设计体系，以技术的落地应用为终极目标，根据智慧环保需求设计指标体系。

(3)完善配套制度

将政府环保相关部门、企业行业及社会机构和公众都囊括起来，不断制定和完善环保技术所需的众多相关配套制度

(4)规范实施举措

狠抓执行公开，夯实监督基础；强化技能培训，提升监督能力；加大巡查力度，增强监督实效。

5.2 业务系统集成建设智慧环保

以环保服务与业务为系统功能导向和驱动，集成各大业务系统，建设智慧环保平台。业务系统集成建设的智慧环保使生态环境将更安全，绿色发展将更协调，政府管理将更高效，公共服务将更完善，最终的结果是市民生活更绿色，更便捷。

由于篇幅有限，这里主要简单说明主要业务系统及功能如下：

(1)生态环境全要素监控系统：实现生态环境要素全面监测功能

(2)网格化环境监管系统：以污染源全生命周期的监督管理为主线，实现对政府责任部门、排污单位、治污企业等监管对象的监管。

(3)生态环境审计系统：进行精准化监督管理与考核评价

(4)生态环境决策支持管理系统：实现决策指挥功能。

(5)智慧环保民生服务系统：实现公众服务功能。

(6)生态环境应急系统和体系：实现对生态环境事件的紧急处置。

5.3 技术创新融合支撑智慧环保

智慧环保的建设需要相关技术的不断创新与融合，着重在物联网感知能力、大数据服务能力、决策分析计算能力、可视化展示能力四个方面深化研究、不断创新，为智慧环保中环境监控、环境信息共享、环境数据分析、环保智慧决策、环境执法与应急的建设提供支撑与推力。

其中四个方面的特点分别如下：

(1)物联网感知能力的特点

环境网格检测传感网络建设；智能机器人实时动态环境巡视能力；穿戴式传感器提供更细粒度的环境感知能力。

(2)大数据服务能力的特点

整合、关联环保相关数据，提升公众服务能力；利用大数据实现环境事件重现与推演，实现智能环境应急演练。

(3)决策分析计算能力的特点

通过环境大数据实现环境事件模拟与分析，预测环境事件、事前验证决策效果；污染源企业精准锁定，治污措施定制推荐，提升治理能力。

(4)可视化展示能力的特点

视频编解码创新，实现大容量高并发监；虚拟现实加强用户对环境变化感知。

6.结论

智慧环保是智慧化城市治理的尝试和先驱，其应用和执行的效果直接关系到未来城市的发展方向和治理水平，对城市治理具有重要的理论意义和现实意义[10]。数字经济是中国将迈上经济强国的新台阶，实现历史性大变革的新时代。而大数据、物联网、人工智能、区块链、虚拟现实等数字新技术的不断融合，形成颠覆性的技术变革，深度拓展先进技术的场景应用，从而促进数字经济的发展。

综合来看，数字新技术正成为推动经济发展和技术变革的重要力量，新技术、新模式不断融合发展，引领着新一轮的技术创新、管理创新和应用创新。由于目前我国环保发展和应用中仍然面临各种困难和问题，所以应该充分利用数字新技术的信息优势，将互联互通、协调一体的城市环境治理理念与物联网系统、大数据和云计算等先进设备和技术相结合，真正实现智慧城市的智慧环保。