物联网技术在环境工程领域中的应用研究

李惠雨 宫宝涵 马鸿志 靳 勇

（1北京科技大学能源与环境工程学院环境工程系 北京 100083 2工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室 北京 100083 3北京市机动车排放管理中心 北京 100176）

引言

物联网是基于互联网和电信网等信息承载体，通过信息传感设备，将所有物品与互联网连接起来，以实现智能化识别和管理。物联网是信息化时代的重要产物，其重要性日益显现。随着社会信息化水平的提高，物联网技术蓬勃发展，逐渐渗入各个行业,得到了广泛的应用,带动了各个行业的信息化发展。而环境保护产业，则随着我国水资源受到污染、空气质量变差、生产生活废物增多、土地退化等环境问题逐渐受到重视。“十九大”中更是强调，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持保护环境的基本国策，壮大节能环保产业。而物联网应用到环保行业中，将促进环保工作的智能化和自动化，推动环境管理升级，对环境行业的发展具有深远的意义。

1 环保物联网在国内外的发展现状

所谓环保物联网是指在传统环保行业中引入自动化和信息化技术来实现环境保护科学化管理的系统网络，波及范围非常广，遍布于全国各地。其目的在于利用综合应用传感器、红外探测、射频识别等装置技术，实时采集污染源、生态等信息，构建全方位、多层次、全覆盖的生态环境监测网络，从而达到促进污染减排与环境风险防范、培育环保战略性新型产业等方面的目的[1]。由于采用多种传感设备进行采样，这些感知设备可以持续收集信息并自动快速扩大数据的规模，除此之外，环保物联网还具有多源、异质性和不确定性的特点[2]。

美国和欧洲一些国家对于物联网起步较早，2009年初，美国总统奥巴马首次提出物联网与环保相结合发展，将“智慧地球”的理念上升为国家战略。随着“智慧地球”吸引了世界各国的关注，在环保领域中如何充分利用各种信息通信技术，感知、分析、整合各类环保信息，对各种需求做出智能的响应，使决策更加切合环境发展的需要，以物联网为技术核心的“智慧环保”顺势而生，推动了环保物联网的迅猛发展[3]。目前，美国已成功将物联网应用到工业、农业、医疗、建筑、环境监测、空间和海洋探索等领域，应用范围极为广泛[4]。我国也不断投入大量的人力、物力和财力，出台了一系列政策，加速推动环保物联网的发展。2004年底，国家环保部启动国家环境数据中心建设项目，建立113个监测城市空气质量、城市流域水质以及城市污染源的系统等，为环境管理与决策提供环境信息支持和服务[5]。2015年，国务院办公厅印发了《生态环境监测网络建设方案》，提出“加快生态环境监测信息”传输网络与大数据平台建设，开展大数据关联分析，开放服务性监测市场。2015年3月，李克强总理提出制定“互联网＋”行动计划，推动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业相结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。2015年7月，国务院发布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，其中部署了“互联网＋”绿色生态重点行动，发挥互联网的优势推动环境行业的发展。2016年1月，国家发改委同有关部门制定了《“互联网＋”绿色生态三年行动实施方案》，将各项监测任务落到实处。

由此可以发现，环保物联网方兴未艾，政府、企业以及民众的高度关注更是加速推动了它的发展，特别是在环境监测、垃圾管理方面都有了较好的应用。

2 环保物联网在国内外的应用

目前，环保产业如环境监测、危废监管、工业污染治理、土壤修复等领域已有一定的物联网技术储备，同时也有一定的产业化基础。其中，应用最为广泛的是在线水质监测、空气质量监测和固废监管。

2.1 环保物联网在水质监测中的应用

为了及时检测出环境中的污染问题，确定被污染的程度以及之后的发展趋势，环境监测顺势而生。环境监测是需要将现代化技术与复杂的科学研究相结合的工作，而环保物联网是环境监测发展过程中至关重要的构成部分。将物联网应用到水质监测中，主要是利用各种电子传感器或视频监视器等传感设备，将其放置在被检测的入水处或出水处（主要是出水口），能够实时监测水中各类污染因子的含量，并且及时将数据采集上传至网络，系统通过收集的信息做出预防、控制或者报警等反应。这一系列的过程组成了监测体系，从而实现对水质、水污染源的监测和综合监管[6]。

（1）多参数水质监测系统

由布里斯托大学开发的多参数水质监测系统首次通过连接Wi-Fi网络进行数据采集，展示了未来的智慧城市如何通过覆盖城区的无线网络构建环境监测系统。该系统由数据采集，数据传输，数据存储和数据可视化的全过程组成，可以实现低成本、高频率采样和从网页获得实时读数，并且数据显示水温、pH和溶解氧的日循环，还可以观察到DO过度饱和。该系统可以进一步整合到城市水管理系统中，以提高水质监测效率[7]。

（2）GCould

由云智物联研发出的一款环保软件GCould，能够使用户和污水处理站同时实现监控和维护处理设备。GCould软件由用户应用软件和云服务器处理软件构成，两者协调完成污水处理站的监测维护。通过对企业污水站运行的各参数进行监控，将其数据进行分析，指导企业污水站运行，以保证污水站运行稳定，并且能根据进水水量和水质，自动调整投药量和鼓风机运行，节省运行管理费用。用户只需要登陆云服务器的专有网站即可实时了解污水处理站各设备运行状态、各传感器数值等污水处理相关运行情况，并根据这些信息远程操控污水处理站中的设备，对其进行相应的处理。目前一家正在使用该软件的酒厂中，已经可以实现无人值守，每个维护运行的人员可以管理几个污水站，企业只需要供电以及投加药剂，该软件成功为企业解决了运维难题。

这类基于物联网的水质在线监测系统，能实时、连续、准确地监测目标水域的水质状况和它的发展趋势，检测到的数据会自动上传到线上系统并且自动存储，可供随时取出分析，并且如果发现水质问题会自动报警，十分的便捷[8]。这些技术的推广，将物联网技术应用到污水处理中，有利于企业更快实现污水处理自动化，为生产和管理带来了极大的便利。

2.2 环保物联网在大气监测中的应用

将物联网技术应用到空气质量监测中，主要是在划分的较为敏感的生态环境区域或人流相对集中的区域，按照网格化布点的要求，布置多个自动监测站点，通过放置的传感器设备，对空气中的各类常规污染因子如可吸入颗粒物、一氧化碳、二氧化硫、和氮氧化合物等进行实时监测，将采集到的数据通过网络传输至监控中心，等其自动反馈，最终实现环境空气自动监测，确保该地区的空气质量[6]。

（1）OSIRIS空气质量传感网

OSIRIS是欧盟旗下对环境进行管理的一套综合信息基础架构，涵盖了现场监测、信息管理和服务三个阶段。其中，主要采用空气质量传感网对空气质量进行监测。空气质量传感网通过9个安装在建筑物楼顶的空气质量监测站，监测空气中的污染因子，数据通过无线技术传输至监控中心进行模拟预测分析，并将资料集成后以图形的方式呈现在地图上，作为决策单位的预警系统。当空气中扩散出有毒物质时，OSIRIS会派出带有传感器的微型无人空中飞行器进行采样，数据经分析生成时空模拟图，以便监控中心评估污染程度[4]。

（2）Airbox监控技术

Airbox项目由台湾民间社区LASS和企业讯舟科技发起，由于制作监测器的硬件软件资料完全公开，得到政府支持后激励了人们自愿参加PM2.5测试，仅用一年时间，在台湾全境安装完成557个台站部署监测设备，使得台湾成为全球空气监测点最为密集的城市。该设备根据站点之间的地理距离，将监测台聚类成网格状，针对不同的地区在精度和计算时间方面进行了最后的比较分析，降低预测误差率和计算时间，最终获得实时的PM2.5数据。该项目可以在精细的时空粒度水平上监测颗粒物质浓度。人们可以很容易地访问这些数据，这使得分析数据变得简单[9]。

（3）大气颗粒物监测出租车

为了监测大气污染物，山东大学和山东诺方电子科技有限公司历时两年，成功研发出高精度车载大气颗粒物监测系统，并于2017年底正式投产使用。该系统利用激光检测的原理，将传感设备安置在出租车顶灯上，随着出租车的移动，可实时传输位置和监测的PM2.5和PM10两项数据，这些数据经系统分析可自动形成一幅精细的城市霾图。该项目不增加人力物力成本，低碳节能，有利于指导政府精准治霾，并且成功将以往固定点监测转变到全路网无死角监测，开创了大气污染监测的新思路，提供了大气监测的新平台。

针对当前越来越严重的大气环境问题,加强对大气环境的监测是必不可少的。而基于物联网技术的大气环境监测系统,既有效提升了大气环境监测的效率,又节约了建设资源,可谓是一举两得,也为未来大气环境监测技术的不断提升提供了相应参考[10]。

2.3 环保物联网在固废监管中的应用

物联网与大数据能够通过视频监控、空间定位、电子数据标签扫描识别等技术手段，计算出废物的产生、储存、转移与处理及利用量之间的匹配关系，实时监测污染物的动向，统计它们的回收利用率，通过与历史数据以及同类设施比较判断数据可靠性，以此来为合理补贴、严格监管、预测预警以及精准治废提供依据[11]。

（1）Rewards for Recycling

美国密歇根南部垃圾处理和收集公司Richfield Management提出了新项目Rewards for Recycling，该项目将RFID标签封装在具有坚固、粘附性的颗粒上，贴在垃圾回收箱的正面和背面，通过阅读器可读取垃圾收集卡车的GPS坐标，利用物联网以及大数据可以统计各个家庭的垃圾回收记录，根据记录为居民提供当地饭店或者零售店的折扣，该公司自发起这个项目半年以来有些地区垃圾回收率从18%上升到50%，取得了激励公众的效果[4]。

（2）智能消毒垃圾桶

智能消毒垃圾桶由深圳九一科技有限公司开发，通过安装在智能垃圾桶中的识别卡检测出垃圾量，自动进行粉碎和压缩等处理，由桶中的存储系统记录数据。当存储系统记录的垃圾数量达到一定的上限时，会将数据信息上传到互联网终端。互联网终端数据库根据环境卫生人员收集垃圾的路径自动提供一个月内居民产生的垃圾量。该垃圾桶可以将信号自动发送到互联网来分析和选择最佳的处理路线，提高了垃圾处理链的工作效率。另外桶内装有自动杀菌消毒设备，能够将细菌和垃圾隔离开，切断了污染源，有效地保护环境。

（3）苏州市餐厨垃圾信息化监管平台

现阶段，我国的餐厨垃圾还未有妥善的管理与处置方法，经常出现掺水、漏收等违规行为，整体的处置流程未得到合理规范。为了解决这种现状，苏州市建立了餐厨垃圾信息化监管平台，该平台应用的系统基于M2M(即 Machine－to－Machine，即机器和机器连接)理念，将餐厨垃圾回收桶中安装RFID电子标签，实现“身份”标识。餐厨垃圾收运车辆中装有电子标签扫描机可以通过抓拍、定位读取回收桶的信息，将数据上传至网络端，完善收运信息，实现餐厨垃圾从现场收集、中途运输至终端处置的全过程监管，解决了对餐厨垃圾收运进行规范管理，规避违规收运等问题。

苏州市固废监管平台应用物联网技术在固废监管中取得的建设、管理效益，开启了中国固废数字化、智能化管理的新时代。同时，也论证了我国固废管理走向信息化的可行性与必要性，固废监管模式也为其它城市提供参考与借鉴[12]。

3 展望

虽然环保物联网技术现已有一定的产业化基础，但是总体来说我国现还处于起步阶段，仍然需要政府、企业以及科研人员共同去解决一些尚存的问题。

（1）随着环保行业对于物联网技术的需求日益旺盛，对服务水平和质量的要求也大大提高。然而现阶段大多数的环保企业还属于传统设备商，生产的在线监测仪器大部分依靠国外的先进技术，产品以化学分析类为主，价格和维护成本较高。在未来的发展中，设备商应逐步趋向于数据商，将物联网技术结合本国国情，加大研发力度，设计出更适合本国环境现状的系统与设备，自主进行综合分析、模拟、判断、预测[13]。

（2）在环保物联网的实际应用中，最主要的因素是传感设备。由于目前各种环境传感器的功能较为单一、种类少、可靠性不高，在未来的发展中可结合“互联网+”进行资源整合，进一步完善传感设备，建设覆盖大气、水、土壤等综合数据的智能环保解决方案。另外，应提高设备的耐用性，采用防潮、防火、抗酸、抗腐蚀等性能良好的材料，同时，优化环保设备的整体性能结构，避免传感设备与恶劣环境直接接触[1]。

（3）在未来，环境监测领域很有可能成为兵家必争之地，结合李克强总理提出的“互联网+”行动计划，将监测与其他行业进行跨领域整合，共同推动环保产业的发展。同时，通过监测及预估环境变化趋势，打造面向环保部门、企业和公众的全方位智慧环保服务体系，助力“蓝天行动”、“五水共治”等。

可以预见的是，环保物联网的发展趋势仍然会变化，但是以技术为主，创新为辅的大致道路还会继续持续下去。只要明确了理念和体系，将产业链完整化、可持续化，环保物联网的未来还有很大发展空间。

结语

总的来说，在新时期物联网迅猛发展的背景下，发展环保物联网是推动环境保护领域信息化的必然趋势。虽然目前环保物联网仍处于起步阶段，在核心技术、标准体系建设、应用和产业化方面仍存在着一些亟待解决的问题，但是随着经济社会及科学技术的不断发展，这些问题终将会得到有效解决，从而使物联网技术在环境保护中发挥出更大的作用。