浅析物联网技术在“蓝天保卫战”中的应用

余沐钒

(武汉理工大学计算机与人工智能学院，武汉 430063)

引 言

自从习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”，2017年李克强总理亲自将“坚决打好蓝天保卫战”写入政府工作报告，同年国务院颁布《打赢蓝天保卫战三年行动计划2018-2020》，把大气污染的防治当成与国民经济建设并重的头等大事，人民群众对空气质量的关注与要求也显著提升。我们渴望能在蓝天白云下呼吸新鲜空气。目前我国对大气污染的防控也已初见成效，但仍可以更加系统、高效地开展防控，从而大幅度提升效果。

物联网、大数据、云计算、5G通信、人工智能、区块链……不断涌现的新技术正催生着我国社会与经济的变革，也颠覆了环境治理的传统手段。要想打赢蓝天保卫战，不仅要有“办法”，还要有“技术”。本文中，笔者将通过物联网的整体体系结构，结合我国实际情况，来着重分析心中所构建的大气污染防控体系：结合物联网技术建立国家层次的防控体系，并辅以全民参与体系。未来的蓝天保卫战一定要依靠科技创新，才能最终得以实现。

1 构建国家防控体系

1.1 国家防控体系模型

物联网的整体体系结构可以分为感知层、网络层和应用层，笔者按照这三个层次及其相关技术进行展开，构造如图1所示的国家防控体系模型。

图1 国家防控体系模型Fig.1 Model of national prerention and control system

按照图1这个模型，对应的智慧环保平台分为感知互动层、网络传输层、应用服务层。其中感知互动层是利用任何可以随时随地感知、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”。网络传输层就是是利用环保专网、运营商网络，结合4G/5G、卫星通讯和北斗导航定位技术，将遥感监测、现场监测等感知互动层获得的数据与政府信息系统中储存的生态环境信息进行交互和共享，实现“更全面的互联”。应用服务层则是利用云服务模式，建立面向对象的信息服务门户，实现政务公开、公众服务、互动交流等各类业务应用系统，为环境监控、污染防治、生态保护等提供“更智慧的决策”。

1.2 三个层级联防联控响应

在“国家防控体系模型”中，感知层、网络层和应用层三个层级相互关联，形成能够实现全面感知、可靠传输、智能处理的联防联控响应系统。下面笔者将通过这三个层次，来具体分析物联网技术在大气防控体系的应用。

1.2.1 感知层——全面感知、信息获取

在感知层，国家借助各型各类传感器、以及射频识别技术等，通过各种微型站，对常见大气污染源(如烟囱等)进行监控，采集污染的相关数据。

1.2.1.1 传感器

传感器的概念是将获取到的数据信息，转化为可以处理的电信号的形式的工具。在防控大气污染方面，根据对历史数据进行分析的结果，根据不同地区污染程度差异，通过不同的密度布置安排相应的智能传感器，进行对污染物的采集与检测。例如，在每一片相应的面积中，布置相应检测PM2.5的传感器；在工厂烟囱附近，安排检测相应的气体的检测传感器；在垃圾焚烧厂附近，由于垃圾焚烧过程中可能产生多种混合气体，安排多种智能传感器进行检测；在旧能源汽车的排气口，统一安置传感器进行汽车尾气的成分、浓度的分析、检测。

同时，各智能传感器将嵌入通信芯片，用于建立其自组网，这一环节将在下文网络层中，进行详细阐释。

1.2.1.2 RFID射频识别技术

当前，汽车尾气是大气污染的重要来源之一，除了使用传感器对汽车尾气进行检测以外，也要对每个汽车的信息进行读取。这里就需要用到自动识别技术，以及视觉识别系统，对车牌进行识别，通过天网工程，对排放情况进行宏观视频监控，一旦相关传感器检测到尾气异常，就可以立即判断来源，同时做出响应。

同时，垃圾堆放与焚烧也产生较为突出的大气污染，如果垃圾未分类，在焚烧的过程中将产生大量有害气体，因此，垃圾分类是环境保护的重要环节，习总书记也对垃圾分类工作作出重要指示因此，我国也在加速推进垃圾分类制度。为此，除了各种普及宣传活动，社区可以在垃圾桶上张贴二维码，百姓通过扫码可以更详细了解垃圾分类的规则；同时，专业人员对不同类别垃圾进一步处理之后，添加射频标签，在焚烧及其他处理之前，需要阅读器检测到射频标签内容匹配才能执行，防止不同种类的处理方式错误。

此外，防伪识别子系统利用RFID射频识别技术把企业信息(企业代码、企业名称、许可浓度范围、企业联系人、电话等)写入芯片。对于传感器组成的无线传感网络，传感器的节点之间，也可以使用RFID读写技术，作为其标志的标签，来传递、认证信息。

1.2.1.3 基于北斗的BDS定位技术

在上文提到的传感器，除了对需要监控的位置的气体排放等指标进行监控，由于污染源可以分为点源、面源、移动源，因此，也要能够及时反应污染源的位置信息。使用基于北斗的定位技术可以完成实时定位，做到对污染发生位置的准确定位。

1.2.2 网络层——数据传送、安全加密

通过现代网络信息技术，实时将前端采集到的数据传输到数据处理中心。同时，由于部分环境相关信息属于国家机密，不允许被篡改，因此也需要用到网络安全相关技术对信息传输进行防控。

1.2.2.1 OSI模型

在感知层中，有大量传感器等获取到海量的污染物检测的信息，这些信息无法在传感器本身中做出响应，因此需要通过网络层传回应用层。

在污染检测的信息通过网络传输的过程中，各环节均采用OSI模型及标准。在物理层中，信息编码子系统把信息采集子系统获得的模拟电信号，进行模数(A/D)转换，采用红外无线传输的形式，在各传感器等前端之间传输数据。然后通过数据链路层，采用网关来接入网络，通过网络层、传输层，逐级将数据传输到应用层。在数据传输过程中，也可以用到5G等技术。

1.2.2.2 自组网与无线传感网络

要将传感器接入互联网，对于感知层所采用的智能传感器而言，还可以构建Ad hoc自组网来进行数据的传输，从而组成无线传感网络。

同时，将无线传感网络与RFID技术结合，对传感器节点的位置进行标记，RFID通过读写器与主机连接倒互联网中，二者相结合，可以通过无线传感网络获取节点的污染信息，若污染物出现异常情况，可以通过RFID以及BDS的定位技术来获取污染源对应节点的位置，及时对污染源进行针对的处理。

1.2.2.3 网络信息安全

由于部分环境保护检测数据属于国家保密协议中的机密内容，不能随意向外界公开，也不能随意被修改。因此在信息传输的过程中，需要做到加密传输，对其权限进行限制。

同时，在对一些企业，例如发电厂、垃圾焚烧厂进行监测时，传感器等微型监测站中的芯片会存储相关污染值，而部分黑心的企业，可能会企图通过篡改芯片中的数值来瞒天过海。因此，要对相关存储了污染监测数据的芯片的访问权限、修改权限进行设置。例如，有关人员必须同时通过虹膜、指纹识别方可访问，倘若访问失败，也将拍照记录“不速之客”，对其进行追查。

此外，还需要通过入侵检测系统(IDS)，来监测系统被攻击的情况，使用基于特征与基于异常的IDS相结合，除了防止外部黑客入侵，也可以防止内部出现“内鬼”，规避未知的数据被盗用风险。

1.2.3 应用层——数据分析、智能响应

对获取到的大量数据，进行大数据分析处理、云计算，将分析结果呈现给决策者，并通过无人机等智能技术进行及时响应处理。

1.2.3.1 大数据处理与云计算

在感知层中获取了大量的监测到的污染信息数据，再通过网络层传输到应用层。由于海量的数据并不能直观处理，因此，需要通过数据中心进行处理。这里就要用到大数据分析处理以及云计算的技术。

对于采集到的大数据，首先通过Hadoop分析，筛选出值得注意的污染信息，并将其结构化。再对分析结果进行整合。在分析数据的过程中，可以充分使用人工智能的技术，让人工智能对大数据进行深度学习，不断更新、寻找更合适的算法模型。

在整合出分析结果后，利用BDS及大数据可视化技术，将微站布置的点位，以及监测到的相关污染物的浓度，生成污染物的分布的热力图并直观地呈现出来。

1.2.3.2 决策者处理

将数据分析后的结果直观的呈现在立法者、决策者面前。可以通过颁布相关法律法规的形式，来对行业标准进行规范，例如排放的指标；可以根据检测到的污染分布的大数据，安排更合理的传感器、检测基站的分布密度；可以对突发的污染情况做出及时的响应处理；可以鼓励大众使用排放更少的新能源汽车。

1.2.3.3 无人机、机器人响应处理

对于突发情况，派人去现场处理可能来不及，同时消耗的人力成本较高，部分工作也具有一定的危险性，因此可以通过包括无人机、机器人在内的物联网的技术来解决这些问题。

例如，派无人机前往现场进行勘察，若勘察发现依然需要专业人员前往处理，再出动相应人员到场，这样大大节省了人力成本。

同时，对于烟囱这一类的位置，对人来说较为危险，也可也将指令指派给机器人进行处理，这样也能规避风险，做到以人为本，同时机器人能够更精确的定点操作，提高工作效率。

1.3 辅以全民参与体系

国家防控体系从宏观上设计了大气污染防控系统，各级政府将起着主导作用，但在具体实施过程中，民众的参与也是非常重要的辅助，保护环境，人人有责，因而在国家防控体系的基础上，也可以构造基于感知层、网络层和应用层的全民参与体系模型，图2显示了这一模型的构成与基本思路。

图2 全民参与体系模型Fig.2 Model of national participation system

对于人民群众来说，不可能人手配发传感器，可以为全体群众搭建一个APP作为平台，利用基于北斗的BDS系统，获取定位信息，用户可以向平台中发送照片、视频对污染现象进行举报，这些便汇成了全民体系的感知层。

由于全民参与所获取的数据，不一定具有精确的专业性，因此需要另外一条传输路径，从而不与国家监测的数据冲突。可以通过手机间的信息组成一个自组网，对各个个体采集到的数据进行传输，全民体系的网络层得以搭建。

在应用层面，当采集到了群众获取到的数据后，由于群众采集到的信息可能存在大量重复与冗余，因此同样需要通过Hadoop分析，对数据、信息进行筛选，对有意义的信息，同样可以对国家采集到的数据做出完善补充和处理。同时，对于提供有效信息的人，应当给予一定的奖励。

2 预期效果

通过对物联网技术的应用，构造国家防控体系，并辅以全民参与体系，能实现对大气污染进行全方位的防控，预期效果具体表现在以下几个方面。

2.1 实现精准防控

2.1.1 通过传感器可精确检测、分析污染源情况；接入无线传感网络，可获取节点的污染信息；一旦出现异常污染情况，通过RFID以及BDS的定位技术可获取污染源对应节点的位置，及时精准施策有效防控；

2.1.2 利用物联网等技术手段，提高数据的传输准确率以及传输的安全性，有效防止不法企业或个人篡改数据；

2.1.3 利用BDS及大数据可视化技术，将大气污染防控的监测点、污染物性质、浓度及污染物分布的热力图等直观呈现，为政府决策提供有力依据与支持。

2.2 优化环境管理

2.2.1 使环保工作者准确了解各类污染源的种类和分布状况并实时监控各类污染物的排放情况，实现有效管理；

2.2.2 帮助环境管理人员科学预测未来空气质量情况，及时统筹规划，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

通过无人机、机器人等承担一些复杂及危险工作，能有效提高工作精度与效率，大大节省人力资源，并让人类避免因高危工作带来的潜在风险，从而显著降低污染防控成本。

2.4 提升社会效益

爱护环境应从从身边的小事做起。鼓励全体民众参与到大气污染防控中来，不仅能对国家采集到的数据进行完善补充和处理，也能够增强大众的环保意识，从而构建“爱护环境，人人有责”的良好社会氛围。

3 结 语

3.1 结果分析

蓝天保卫战中，通过全方位推进物联网技术的应用，与大气污染的防控体系相结合，短期内也许会出现一些技术上的不完美，但长期来看，这套体系总体可以逐渐完善，因此预期将取得非常可观的结果，能够让大气污染防控更加科学、更加精准、更加有效。

3.2 现实意义

首先，大气污染防控体系的构建，将有效减少污染，从而提升空气质量，进一步改善整个环境的状况，让全国人民每天都能看到更蓝的天，呼吸到更新鲜的空气，身体更健康，对政府更有信心。

同时，绿水青山就是金山银山。随着各企业的排放得到逐渐规范，环境不断得到优化，也能够拉动经济更高效的发展，整个社会将会得到可持续发展。

3.3 应用前景

科学发展是与时俱进的，如果能够全方位的运用将物联网技术作为工具，与大气污染的防控体系相融合，完全可以为“蓝天保卫战”的胜利提供坚强的科学技术保障，更好地解决大气污染的难题，打赢这场蓝天保卫战。同时笔者认为物联网作为应用前景广泛的新兴智能化技术，势必能为我国的环境保护事业注入新的能量，在大气污染的防控、乃至整个生态环境保护的方面都有很好的应用前景，同时也能为环境保护的其他环节、乃至其他领域做出表率，让物联网技术发挥更大的作用。

致谢：本文撰写过程中，得到了长沙环境保护职业技术学院王建平教授、湖南大学信息科学与工程学院杨圣洪博士的指导，使得大气污染方面的一些专业性问题及物联网相关细节的把控上，能够更加精准和具有说服力，在此致以诚挚谢意！