物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

李惠雨 宮寶涵 馬鴻志 靳 勇

（1北京科技大學能源與環(huán)境工程學院環(huán)境工程系 北京 100083 2工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室 北京 100083 3北京市機動車排放管理中心 北京 100176）

引言

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)等信息承載體，通過信息傳感設(shè)備，將所有物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以實現(xiàn)智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是信息化時代的重要產(chǎn)物，其重要性日益顯現(xiàn)。隨著社會信息化水平的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，逐漸滲入各個行業(yè),得到了廣泛的應(yīng)用,帶動了各個行業(yè)的信息化發(fā)展。而環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)，則隨著我國水資源受到污染、空氣質(zhì)量變差、生產(chǎn)生活廢物增多、土地退化等環(huán)境問題逐漸受到重視?！笆糯蟆敝懈菑娬{(diào)，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持保護環(huán)境的基本國策，壯大節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)。而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到環(huán)保行業(yè)中，將促進環(huán)保工作的智能化和自動化，推動環(huán)境管理升級，對環(huán)境行業(yè)的發(fā)展具有深遠的意義。

1 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

所謂環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是指在傳統(tǒng)環(huán)保行業(yè)中引入自動化和信息化技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境保護科學化管理的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，波及范圍非常廣，遍布于全國各地。其目的在于利用綜合應(yīng)用傳感器、紅外探測、射頻識別等裝置技術(shù)，實時采集污染源、生態(tài)等信息，構(gòu)建全方位、多層次、全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而達到促進污染減排與環(huán)境風險防范、培育環(huán)保戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)等方面的目的[1]。由于采用多種傳感設(shè)備進行采樣，這些感知設(shè)備可以持續(xù)收集信息并自動快速擴大數(shù)據(jù)的規(guī)模，除此之外，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)還具有多源、異質(zhì)性和不確定性的特點[2]。

美國和歐洲一些國家對于物聯(lián)網(wǎng)起步較早，2009年初，美國總統(tǒng)奧巴馬首次提出物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保相結(jié)合發(fā)展，將“智慧地球”的理念上升為國家戰(zhàn)略。隨著“智慧地球”吸引了世界各國的關(guān)注，在環(huán)保領(lǐng)域中如何充分利用各種信息通信技術(shù)，感知、分析、整合各類環(huán)保信息，對各種需求做出智能的響應(yīng)，使決策更加切合環(huán)境發(fā)展的需要，以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)核心的“智慧環(huán)?！表槃荻?，推動了環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展[3]。目前，美國已成功將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、建筑、環(huán)境監(jiān)測、空間和海洋探索等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍極為廣泛[4]。我國也不斷投入大量的人力、物力和財力，出臺了一系列政策，加速推動環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。2004年底，國家環(huán)保部啟動國家環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目，建立113個監(jiān)測城市空氣質(zhì)量、城市流域水質(zhì)以及城市污染源的系統(tǒng)等，為環(huán)境管理與決策提供環(huán)境信息支持和服務(wù)[5]。2015年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》，提出“加快生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息”傳輸網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，開展大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，開放服務(wù)性監(jiān)測市場。2015年3月，李克強總理提出制定“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動計劃，推動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)相結(jié)合，促進電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國際市場。2015年7月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，其中部署了“互聯(lián)網(wǎng)＋”綠色生態(tài)重點行動，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢推動環(huán)境行業(yè)的發(fā)展。2016年1月，國家發(fā)改委同有關(guān)部門制定了《“互聯(lián)網(wǎng)＋”綠色生態(tài)三年行動實施方案》，將各項監(jiān)測任務(wù)落到實處。

由此可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)方興未艾，政府、企業(yè)以及民眾的高度關(guān)注更是加速推動了它的發(fā)展，特別是在環(huán)境監(jiān)測、垃圾管理方面都有了較好的應(yīng)用。

2 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)外的應(yīng)用

目前，環(huán)保產(chǎn)業(yè)如環(huán)境監(jiān)測、危廢監(jiān)管、工業(yè)污染治理、土壤修復(fù)等領(lǐng)域已有一定的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)儲備，同時也有一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。其中，應(yīng)用最為廣泛的是在線水質(zhì)監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測和固廢監(jiān)管。

2.1 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

為了及時檢測出環(huán)境中的污染問題，確定被污染的程度以及之后的發(fā)展趨勢，環(huán)境監(jiān)測順勢而生。環(huán)境監(jiān)測是需要將現(xiàn)代化技術(shù)與復(fù)雜的科學研究相結(jié)合的工作，而環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是環(huán)境監(jiān)測發(fā)展過程中至關(guān)重要的構(gòu)成部分。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測中，主要是利用各種電子傳感器或視頻監(jiān)視器等傳感設(shè)備，將其放置在被檢測的入水處或出水處（主要是出水口），能夠?qū)崟r監(jiān)測水中各類污染因子的含量，并且及時將數(shù)據(jù)采集上傳至網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通過收集的信息做出預(yù)防、控制或者報警等反應(yīng)。這一系列的過程組成了監(jiān)測體系，從而實現(xiàn)對水質(zhì)、水污染源的監(jiān)測和綜合監(jiān)管[6]。

（1）多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

由布里斯托大學開發(fā)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)首次通過連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集，展示了未來的智慧城市如何通過覆蓋城區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)可視化的全過程組成，可以實現(xiàn)低成本、高頻率采樣和從網(wǎng)頁獲得實時讀數(shù)，并且數(shù)據(jù)顯示水溫、pH和溶解氧的日循環(huán)，還可以觀察到DO過度飽和。該系統(tǒng)可以進一步整合到城市水管理系統(tǒng)中，以提高水質(zhì)監(jiān)測效率[7]。

（2）GCould

由云智物聯(lián)研發(fā)出的一款環(huán)保軟件GCould，能夠使用戶和污水處理站同時實現(xiàn)監(jiān)控和維護處理設(shè)備。GCould軟件由用戶應(yīng)用軟件和云服務(wù)器處理軟件構(gòu)成，兩者協(xié)調(diào)完成污水處理站的監(jiān)測維護。通過對企業(yè)污水站運行的各參數(shù)進行監(jiān)控，將其數(shù)據(jù)進行分析，指導(dǎo)企業(yè)污水站運行，以保證污水站運行穩(wěn)定，并且能根據(jù)進水水量和水質(zhì)，自動調(diào)整投藥量和鼓風機運行，節(jié)省運行管理費用。用戶只需要登陸云服務(wù)器的專有網(wǎng)站即可實時了解污水處理站各設(shè)備運行狀態(tài)、各傳感器數(shù)值等污水處理相關(guān)運行情況，并根據(jù)這些信息遠程操控污水處理站中的設(shè)備，對其進行相應(yīng)的處理。目前一家正在使用該軟件的酒廠中，已經(jīng)可以實現(xiàn)無人值守，每個維護運行的人員可以管理幾個污水站，企業(yè)只需要供電以及投加藥劑，該軟件成功為企業(yè)解決了運維難題。

這類基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能實時、連續(xù)、準確地監(jiān)測目標水域的水質(zhì)狀況和它的發(fā)展趨勢，檢測到的數(shù)據(jù)會自動上傳到線上系統(tǒng)并且自動存儲，可供隨時取出分析，并且如果發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題會自動報警，十分的便捷[8]。這些技術(shù)的推廣，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到污水處理中，有利于企業(yè)更快實現(xiàn)污水處理自動化，為生產(chǎn)和管理帶來了極大的便利。

2.2 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到空氣質(zhì)量監(jiān)測中，主要是在劃分的較為敏感的生態(tài)環(huán)境區(qū)域或人流相對集中的區(qū)域，按照網(wǎng)格化布點的要求，布置多個自動監(jiān)測站點，通過放置的傳感器設(shè)備，對空氣中的各類常規(guī)污染因子如可吸入顆粒物、一氧化碳、二氧化硫、和氮氧化合物等進行實時監(jiān)測，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，等其自動反饋，最終實現(xiàn)環(huán)境空氣自動監(jiān)測，確保該地區(qū)的空氣質(zhì)量[6]。

（1）OSIRIS空氣質(zhì)量傳感網(wǎng)

OSIRIS是歐盟旗下對環(huán)境進行管理的一套綜合信息基礎(chǔ)架構(gòu)，涵蓋了現(xiàn)場監(jiān)測、信息管理和服務(wù)三個階段。其中，主要采用空氣質(zhì)量傳感網(wǎng)對空氣質(zhì)量進行監(jiān)測。空氣質(zhì)量傳感網(wǎng)通過9個安裝在建筑物樓頂?shù)目諝赓|(zhì)量監(jiān)測站，監(jiān)測空氣中的污染因子，數(shù)據(jù)通過無線技術(shù)傳輸至監(jiān)控中心進行模擬預(yù)測分析，并將資料集成后以圖形的方式呈現(xiàn)在地圖上，作為決策單位的預(yù)警系統(tǒng)。當空氣中擴散出有毒物質(zhì)時，OSIRIS會派出帶有傳感器的微型無人空中飛行器進行采樣，數(shù)據(jù)經(jīng)分析生成時空模擬圖，以便監(jiān)控中心評估污染程度[4]。

（2）Airbox監(jiān)控技術(shù)

Airbox項目由臺灣民間社區(qū)LASS和企業(yè)訊舟科技發(fā)起，由于制作監(jiān)測器的硬件軟件資料完全公開，得到政府支持后激勵了人們自愿參加PM2.5測試，僅用一年時間，在臺灣全境安裝完成557個臺站部署監(jiān)測設(shè)備，使得臺灣成為全球空氣監(jiān)測點最為密集的城市。該設(shè)備根據(jù)站點之間的地理距離，將監(jiān)測臺聚類成網(wǎng)格狀，針對不同的地區(qū)在精度和計算時間方面進行了最后的比較分析，降低預(yù)測誤差率和計算時間，最終獲得實時的PM2.5數(shù)據(jù)。該項目可以在精細的時空粒度水平上監(jiān)測顆粒物質(zhì)濃度。人們可以很容易地訪問這些數(shù)據(jù)，這使得分析數(shù)據(jù)變得簡單[9]。

（3）大氣顆粒物監(jiān)測出租車

為了監(jiān)測大氣污染物，山東大學和山東諾方電子科技有限公司歷時兩年，成功研發(fā)出高精度車載大氣顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)，并于2017年底正式投產(chǎn)使用。該系統(tǒng)利用激光檢測的原理，將傳感設(shè)備安置在出租車頂燈上，隨著出租車的移動，可實時傳輸位置和監(jiān)測的PM2.5和PM10兩項數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)分析可自動形成一幅精細的城市霾圖。該項目不增加人力物力成本，低碳節(jié)能，有利于指導(dǎo)政府精準治霾，并且成功將以往固定點監(jiān)測轉(zhuǎn)變到全路網(wǎng)無死角監(jiān)測，開創(chuàng)了大氣污染監(jiān)測的新思路，提供了大氣監(jiān)測的新平臺。

針對當前越來越嚴重的大氣環(huán)境問題,加強對大氣環(huán)境的監(jiān)測是必不可少的。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),既有效提升了大氣環(huán)境監(jiān)測的效率,又節(jié)約了建設(shè)資源,可謂是一舉兩得,也為未來大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不斷提升提供了相應(yīng)參考[10]。

2.3 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在固廢監(jiān)管中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)能夠通過視頻監(jiān)控、空間定位、電子數(shù)據(jù)標簽掃描識別等技術(shù)手段，計算出廢物的產(chǎn)生、儲存、轉(zhuǎn)移與處理及利用量之間的匹配關(guān)系，實時監(jiān)測污染物的動向，統(tǒng)計它們的回收利用率，通過與歷史數(shù)據(jù)以及同類設(shè)施比較判斷數(shù)據(jù)可靠性，以此來為合理補貼、嚴格監(jiān)管、預(yù)測預(yù)警以及精準治廢提供依據(jù)[11]。

（1）Rewards for Recycling

美國密歇根南部垃圾處理和收集公司Richfield Management提出了新項目Rewards for Recycling，該項目將RFID標簽封裝在具有堅固、粘附性的顆粒上，貼在垃圾回收箱的正面和背面，通過閱讀器可讀取垃圾收集卡車的GPS坐標，利用物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計各個家庭的垃圾回收記錄，根據(jù)記錄為居民提供當?shù)仫埖昊蛘吡闶鄣甑恼劭?，該公司自發(fā)起這個項目半年以來有些地區(qū)垃圾回收率從18%上升到50%，取得了激勵公眾的效果[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開發(fā)，通過安裝在智能垃圾桶中的識別卡檢測出垃圾量，自動進行粉碎和壓縮等處理，由桶中的存儲系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。當存儲系統(tǒng)記錄的垃圾數(shù)量達到一定的上限時，會將數(shù)據(jù)信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)終端?；ヂ?lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)庫根據(jù)環(huán)境衛(wèi)生人員收集垃圾的路徑自動提供一個月內(nèi)居民產(chǎn)生的垃圾量。該垃圾桶可以將信號自動發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)來分析和選擇最佳的處理路線，提高了垃圾處理鏈的工作效率。另外桶內(nèi)裝有自動殺菌消毒設(shè)備，能夠?qū)⒓毦屠綦x開，切斷了污染源，有效地保護環(huán)境。

（3）蘇州市餐廚垃圾信息化監(jiān)管平臺

現(xiàn)階段，我國的餐廚垃圾還未有妥善的管理與處置方法，經(jīng)常出現(xiàn)摻水、漏收等違規(guī)行為，整體的處置流程未得到合理規(guī)范。為了解決這種現(xiàn)狀，蘇州市建立了餐廚垃圾信息化監(jiān)管平臺，該平臺應(yīng)用的系統(tǒng)基于M2M(即 Machine－to－Machine，即機器和機器連接)理念，將餐廚垃圾回收桶中安裝RFID電子標簽，實現(xiàn)“身份”標識。餐廚垃圾收運車輛中裝有電子標簽掃描機可以通過抓拍、定位讀取回收桶的信息，將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)端，完善收運信息，實現(xiàn)餐廚垃圾從現(xiàn)場收集、中途運輸至終端處置的全過程監(jiān)管，解決了對餐廚垃圾收運進行規(guī)范管理，規(guī)避違規(guī)收運等問題。

蘇州市固廢監(jiān)管平臺應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在固廢監(jiān)管中取得的建設(shè)、管理效益，開啟了中國固廢數(shù)字化、智能化管理的新時代。同時，也論證了我國固廢管理走向信息化的可行性與必要性，固廢監(jiān)管模式也為其它城市提供參考與借鑒[12]。

3 展望

雖然環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)已有一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，但是總體來說我國現(xiàn)還處于起步階段，仍然需要政府、企業(yè)以及科研人員共同去解決一些尚存的問題。

（1）隨著環(huán)保行業(yè)對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求日益旺盛，對服務(wù)水平和質(zhì)量的要求也大大提高。然而現(xiàn)階段大多數(shù)的環(huán)保企業(yè)還屬于傳統(tǒng)設(shè)備商，生產(chǎn)的在線監(jiān)測儀器大部分依靠國外的先進技術(shù)，產(chǎn)品以化學分析類為主，價格和維護成本較高。在未來的發(fā)展中，設(shè)備商應(yīng)逐步趨向于數(shù)據(jù)商，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合本國國情，加大研發(fā)力度，設(shè)計出更適合本國環(huán)境現(xiàn)狀的系統(tǒng)與設(shè)備，自主進行綜合分析、模擬、判斷、預(yù)測[13]。

（2）在環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用中，最主要的因素是傳感設(shè)備。由于目前各種環(huán)境傳感器的功能較為單一、種類少、可靠性不高，在未來的發(fā)展中可結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”進行資源整合，進一步完善傳感設(shè)備，建設(shè)覆蓋大氣、水、土壤等綜合數(shù)據(jù)的智能環(huán)保解決方案。另外，應(yīng)提高設(shè)備的耐用性，采用防潮、防火、抗酸、抗腐蝕等性能良好的材料，同時，優(yōu)化環(huán)保設(shè)備的整體性能結(jié)構(gòu)，避免傳感設(shè)備與惡劣環(huán)境直接接觸[1]。

（3）在未來，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域很有可能成為兵家必爭之地，結(jié)合李克強總理提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，將監(jiān)測與其他行業(yè)進行跨領(lǐng)域整合，共同推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，通過監(jiān)測及預(yù)估環(huán)境變化趨勢，打造面向環(huán)保部門、企業(yè)和公眾的全方位智慧環(huán)保服務(wù)體系，助力“藍天行動”、“五水共治”等。

可以預(yù)見的是，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢仍然會變化，但是以技術(shù)為主，創(chuàng)新為輔的大致道路還會繼續(xù)持續(xù)下去。只要明確了理念和體系，將產(chǎn)業(yè)鏈完整化、可持續(xù)化，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的未來還有很大發(fā)展空間。

結(jié)語

總的來說，在新時期物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的背景下，發(fā)展環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是推動環(huán)境保護領(lǐng)域信息化的必然趨勢。雖然目前環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，在核心技術(shù)、標準體系建設(shè)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面仍存在著一些亟待解決的問題，但是隨著經(jīng)濟社會及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題終將會得到有效解決，從而使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護中發(fā)揮出更大的作用。