【中國環(huán)保在線 應(yīng)用方案】“智慧環(huán)保”是“數(shù)字環(huán)保”概念的延伸和拓展，它是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把感應(yīng)器和裝備嵌入到各種環(huán)境監(jiān)控對象中，通過超級計算機(jī)和云計算將環(huán)保領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與環(huán)境系統(tǒng)的整合，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式實現(xiàn)環(huán)境管理和決策。國外的環(huán)保智慧化建設(shè)起步較早，如紐約哈德森河的重生、佛羅里達(dá)海洋研究組織建設(shè)的富營養(yǎng)化監(jiān)測平臺等從方案創(chuàng)新、技術(shù)應(yīng)用、管理機(jī)制等方面都具有很好的借鑒意義。
　　　　虛擬數(shù)字河流：哈德森河的重生
　　
　　紐約曼哈頓有一條哈德森河，北起阿迪龍達(dá)克山區(qū),綿延500公里南下,在紐約港入海。哈德森河曾經(jīng)是人們心中富饒的果籃子、菜籃子，十九世紀(jì)中期，如畫的風(fēng)景和便利的交通,吸引了很多紐約富商來河谷兩邊的山上修建度假的宅邸。然而后來，居民造成的下水道污物的沉積以及大型工廠倒入的有毒化學(xué)物質(zhì)，致使這條河流受到了嚴(yán)重污染。
　　
　　上世紀(jì)八十年代，環(huán)保主義熱潮涌起，為了恢復(fù)哈德森河的生態(tài)系統(tǒng)，紐約州政府發(fā)起了一個“新一代的水資源管理計劃”。他們在河的全程都安裝了傳感器，一些傳感器甚至高達(dá)2米。這些傳感器把各種各樣的物理、化學(xué)、生物數(shù)據(jù)包括河流的鹽度、濁度、葉綠素和顆粒物粒徑等信息，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳遞到后臺的計算中心區(qū)。數(shù)據(jù)像流水一樣不間斷地生成，不間斷地被處理，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。
　　
　　后臺的計算中心區(qū)分為三個環(huán)節(jié)，首先是數(shù)據(jù)傳輸，傳感器將從河中與周邊環(huán)境收集到的數(shù)據(jù)以實時連續(xù)的方式傳送給系統(tǒng)管理層。然后，河流的不同類型數(shù)據(jù)被清洗，后臺通過消除數(shù)據(jù)的異源性，使關(guān)于哈德森的數(shù)據(jù)一致化，并具有互通性，后在分析管理平臺對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的展現(xiàn)。在科學(xué)家的電腦顯示屏上，各種數(shù)據(jù)匯成了一條虛擬的哈德森河，流水何時被污染，化學(xué)、物理、生物成分發(fā)生了什么變化，一看便知。接下來數(shù)據(jù)科學(xué)家便可利用這些處理過的信息建模模擬一個哈德森河的環(huán)境模型和治理方案，評估不同的治理和人類干預(yù)對于哈德森環(huán)境的多方影響，以保證在實際治理時的效果。
　　
　　經(jīng)過多年的努力，哈德森河已逐漸恢復(fù)其清澈的水質(zhì)和優(yōu)美的環(huán)境?，F(xiàn)在每年的父親節(jié)周末，都有一個持續(xù)兩天的環(huán)保音樂節(jié)——清水節(jié)(ClearwaterFestival)來慶祝哈德森河的重生。
　　
　　MARVIN：富營養(yǎng)化監(jiān)測平臺
　　
　　美國佛羅里達(dá)海洋研究組織建設(shè)了一個簡稱為MARVIN的傳感平臺，目標(biāo)主要是根據(jù)有害藻類富營養(yǎng)化相關(guān)水質(zhì)變化提供即時的水質(zhì)信息，監(jiān)測項目包括pH值、溶氧量、水溫、導(dǎo)電度、葉綠素濃度、濁度、硝酸鹽及磷酸鹽、水位、水流速與方向、水中光合輻射光能以及全光等。這些傳感器同時安裝在一個浮舟之中，并搭載了一個氣象塔，負(fù)責(zé)監(jiān)測包括風(fēng)速與風(fēng)向、氣溫、相對濕度、氣壓及降雨量等項目。
　　
　　MARVIN的信息傳輸方式是利用傳感器收集監(jiān)測數(shù)據(jù)信息后，通過天線傳送訊號至衛(wèi)星及手機(jī)等界面，提供遠(yuǎn)程信息的獲取。MARVIN平臺通常每小時取樣兩次，然后每小時或每三小時通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)回傳。
　　
　　MARVIN平臺需要每兩周進(jìn)行一次人工維護(hù)，維護(hù)人員會采用傳統(tǒng)的采樣和分析方法收集數(shù)據(jù)，用于校正在后處理過程中的MARVIN平臺數(shù)據(jù)。MARVIN數(shù)據(jù)還可以幫助建模人員觀察水流循環(huán)和克盧薩哈奇河生物系統(tǒng)、幫助船長及應(yīng)急管理人員及時了解實時水質(zhì)情況、幫助游人預(yù)測赤潮是否會出現(xiàn)、幫助搜救隊了解水流能見度、幫助學(xué)生學(xué)習(xí)生物圈的有關(guān)知識等。
　　
　　CitySense：城市監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)
　　
　　CitySense是由美國國家自然科學(xué)基金會資助，由哈佛大學(xué)和BBN公司聯(lián)合開發(fā)出的，可以報告整個城市實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)項目。
　　
　　CitySense通過在美國馬薩諸塞州劍橋市的路燈上安裝傳感器，利用路燈的電力供應(yīng)系統(tǒng)作為傳感器運行時的電力能源，解決了電池壽命對于無線傳感網(wǎng)運行的限制，有利于長期環(huán)境監(jiān)測試驗。每個節(jié)點都含有一個內(nèi)置PC機(jī)、一個無限局域網(wǎng)界面，利用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將監(jiān)測信息回傳到監(jiān)測中心，監(jiān)測信息包括壓力、溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、降雨強(qiáng)度、CO2、噪聲，之后為用戶提供CitySense網(wǎng)站信息查詢。
　　
　　CitySense通過把每個節(jié)點同相鄰的節(jié)點相連形成網(wǎng)狀，將分散在城市各處的遠(yuǎn)程節(jié)點和位于哈佛大學(xué)和BNN的中心服務(wù)器連接。在這一網(wǎng)絡(luò)中利用一個1英里射程的小無線電裝置，任何一個節(jié)點都可以從遠(yuǎn)程服務(wù)器中心下載軟件或上傳傳感器數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)微軟公司提供的VirtualEarth和SensorMap技術(shù)，網(wǎng)站的數(shù)據(jù)資料將覆蓋到地圖上。民眾及學(xué)者可通過網(wǎng)站追蹤污染物擴(kuò)散情形，進(jìn)行長期監(jiān)測，研究空氣污染的解決方案。
　　
　　哈姆濱湖城：電腦控制輸送垃圾
　　
　　哈姆濱湖城陸地面積1.6平方公里、居民1.8萬，曾經(jīng)是個舊工業(yè)區(qū)，近年成為瑞典斯德哥爾摩大的近郊發(fā)展項目，目標(biāo)是打造成為未來城市發(fā)展的典范。
　　
　　在哈姆濱湖城，人們能看見一排電子垃圾桶，分別用于接收食物垃圾、可燃物垃圾以及廢舊報紙等不同類別的垃圾。這些電子垃圾桶通過各自的閥門與同一條地下管道相連，閥門分別在每天自動打開兩次，不同類別的垃圾進(jìn)入地下管道，并以每小時70公里的速度被輸送到遠(yuǎn)郊，在電腦的控制下自動分離并輸送到不同的容器里，按需要循環(huán)利用。整個過程都是通過電腦控制，提高了垃圾傳輸和處理速度，以及再利用效率。
　　
　　RecycleBank：垃圾回收獎勵計劃
　　
　　2007年，通過利用創(chuàng)新的RFID技術(shù)，美國的RecycleBank為社區(qū)民眾創(chuàng)造了一種應(yīng)對廢物收集成本上升的環(huán)保解決方案。RecycleBank為各家庭裝備了簡化回收工作的工具，同時還為家家戶戶提供了可測量廢物回收量的技術(shù)。實行垃圾回收獎勵計劃，激勵消費者積極參與廢品的回收。一個家庭垃圾回收的越多，所獲得的RecycleBank紅利積分也越多。這些積分可以用來購買產(chǎn)品和享受社區(qū)優(yōu)惠。
　　
　　該計劃將低頻RFID標(biāo)簽貼在實物回收箱上，同時將RFID讀寫器安裝在回收卡車的稱重裝置上。讀取之后的數(shù)據(jù)發(fā)送給回收車上的內(nèi)部計算機(jī)并進(jìn)入RecycleBank的安全數(shù)據(jù)庫。收集后的數(shù)據(jù)接著會上傳到RecycleBank的數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)。
　　
　　方案實施后，社區(qū)居民垃圾回收的熱情大漲，社區(qū)環(huán)境有了很大改善。試點成功后，RecycleBank將這一系統(tǒng)擴(kuò)大到了9個州，獲得了巨大成功。比如，在一周內(nèi)，新澤西州的櫻桃山鄉(xiāng)鎮(zhèn)因為采用這項計劃，其廢物的回收率達(dá)到了135%。計劃施行前，每個普通家庭每周回收的物品約是十二磅，現(xiàn)在已經(jīng)超過26磅；通過使用RecycleBank的計劃，特拉華州威爾明頓市廢物回收率在短短6個月內(nèi)從0%提高到了37%；新澤西州艾爾克鎮(zhèn)在采用系統(tǒng)之前每周回收的廢物量平均為16噸，現(xiàn)在回收量已多達(dá)42噸，增長率為136%。
　　
　　HiTemp項目：研究熱島效應(yīng)
　　
　　英國伯明翰大學(xué)主導(dǎo)了一個名為HiTemp的環(huán)境項目，在伯明翰城區(qū)內(nèi)部署了250個環(huán)境溫度感測裝置以及30個自動氣象站。它們通過無線或有線方式接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。研究人員說，這是密集的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用于研究城市熱島效應(yīng)。通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備收集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳回大學(xué)的服務(wù)器進(jìn)行分析，并與有關(guān)部門實時共享。
　　
　　此次研究旨在未來能將這些技術(shù)運用到更廣泛的環(huán)境監(jiān)測項目上，包括監(jiān)測空氣污染、二氧化碳排放等，為綠色城市規(guī)劃提供更有針對性的數(shù)據(jù)參考。
　　
　　穿戴式傳感器：監(jiān)測噪聲和空氣
　　
　　法國Sensaris公司研發(fā)出一種穿戴式無線傳感器，可配戴在手腕上。這一傳感器結(jié)合定位系統(tǒng)(GPS)，在其中裝置藍(lán)牙傳輸設(shè)備，由裝有藍(lán)牙的手機(jī)接收傳感器的監(jiān)測信息，然后再借助手機(jī)上網(wǎng)功能，將信息上傳至當(dāng)?shù)氐闹醒敕?wù)器。因此，無論是行人，還是騎自行車者，都可使用這套設(shè)備，這一設(shè)備可以讓公眾監(jiān)測并匯報噪聲和空氣質(zhì)量信息，通過互聯(lián)網(wǎng)即時將新資訊分享給各使用者。
　　
　　目前此傳感器提供了噪聲和臭氧的監(jiān)測功能，已大規(guī)模地部署在巴黎地區(qū)，以建構(gòu)即時的污染地區(qū)地圖。未來Sensaris計劃增加其他空氣污染物的監(jiān)測，包括一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物。
　　
　　EnevoOne系統(tǒng)：遠(yuǎn)程監(jiān)視垃圾箱
　　
　　城市中垃圾箱處處可見，然而對垃圾箱的管理還處于純?nèi)肆顟B(tài)。歐洲一些國家地廣人稀，對垃圾箱的管理尤其耗時耗力。有時候垃圾箱滿了，卻得不到及時清理。有時候清潔車大老遠(yuǎn)開來，垃圾箱里面卻是空空如也。有時候煙頭倒入垃圾箱，導(dǎo)致垃圾焚燒，惡臭難擋。
　　
　　為解決這些問題，芬蘭一家公司開發(fā)了一個基于超聲波傳感器的廢物回收系統(tǒng)EnevoOne。傳感器將收集到的垃圾箱和垃圾回收地的數(shù)據(jù)通過低功耗的LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)千米外的LoRa基站，再傳送到服務(wù)器。通過分析這些數(shù)據(jù)，垃圾管理者能更直觀了解轄區(qū)內(nèi)各個垃圾桶的填充狀態(tài)，為清潔的車輛規(guī)劃佳的回收路線，從而節(jié)省環(huán)衛(wèi)機(jī)構(gòu)的運營成本。
　　
　　據(jù)統(tǒng)計，通過減少不必要的垃圾回收造成的車輛燃油和人工費用，這一系統(tǒng)大約能幫助環(huán)衛(wèi)機(jī)構(gòu)減少20%-40%的運營成本。此外，EnevoOne還能實時監(jiān)控垃圾桶內(nèi)的溫度或異動。目前，EnevoOne系統(tǒng)正在北美及歐洲幾十個國家推廣。
　　
　　西班牙：空氣質(zhì)量及污染監(jiān)測網(wǎng)
　　
　　OSIRIS是歐盟GMES(GlobalMonitoringforEnvironmentandSecurity)下的一個綜合計劃，是歐洲對環(huán)境進(jìn)行有效管理的一套綜合信息基礎(chǔ)架構(gòu)。它通過部署完善的感測網(wǎng)，運用現(xiàn)場實地監(jiān)測的感測系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測與防災(zāi)的效果。OSIRIS涵蓋現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)、資料整合和信息管理、服務(wù)三階段流程。OSRIS針對空氣質(zhì)量及污染、地下水污染、森林火災(zāi)和工業(yè)建筑火災(zāi)4種情境進(jìn)行了實驗。
　　
　　以空氣質(zhì)量傳感網(wǎng)為例，可分為空氣質(zhì)量監(jiān)測和空氣污染監(jiān)測兩種情境。這一模擬示范區(qū)為西班牙Valladolid市，空氣質(zhì)量監(jiān)測通過9個固定式空氣質(zhì)量監(jiān)測站(安置于大樓頂端)監(jiān)測CO、CO2、NO、NO2、O3以及氣象因子，通過安置于公交車頂端的傳感器移動監(jiān)測NO、NO2等濃度和噪聲污染。在適當(dāng)時間將監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線技術(shù)傳輸至監(jiān)控中心，與附近固定式氣象站信息結(jié)合，進(jìn)行后續(xù)污染物擴(kuò)散模擬預(yù)測分析，并且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)。
　　
　　空氣污染情境則是在Valladolid近郊進(jìn)行模擬。當(dāng)運載有毒化學(xué)品的列車發(fā)生翻覆事故，造成有毒物質(zhì)擴(kuò)散，一旦接到報警，OSRIS會派出帶有傳感器的微型無人空中飛行器前往事發(fā)地點上空進(jìn)行大氣污染物采樣，無人空中飛行器將通過地面控制站和OSRIS系統(tǒng)與監(jiān)控中心溝通并傳送信息，同時收集即時影像及氣象信息供擴(kuò)散模擬組進(jìn)行分析，生成產(chǎn)生有毒氣體擴(kuò)散的時空模擬圖，以便監(jiān)控中心評估災(zāi)情程度以及確定需疏散的地區(qū)。
　　
　　無人機(jī)隊：監(jiān)督亂丟垃圾
　　
　　今年4月，迪拜市政府的垃圾管理部門部署無人機(jī)機(jī)隊，在全市范圍內(nèi)監(jiān)督亂丟垃圾的行為。這些無人機(jī)將在垃圾站、海灘，以及沙漠露營地等場所監(jiān)督亂丟垃圾的人。
　　
　　在迪拜，關(guān)于禁止亂丟垃圾的法律非常嚴(yán)格。如果某人屢次在街頭亂丟煙頭，可能會被處以數(shù)百美元的罰款。街頭隨地吐痰可能也會招致高額罰款。迪拜垃圾管理處負(fù)責(zé)人表示：“這些無人機(jī)帶來的大幫助在于幫我們節(jié)約時間。我們不再需要派出市政人員上街巡邏，無人機(jī)可以在短時間內(nèi)迅速飛到各個地點，向我們提供數(shù)據(jù)和高清照片。”
　　
　　NUSwan系統(tǒng)：監(jiān)控水庫水質(zhì)
　　
　　目前水庫的水質(zhì)監(jiān)控主要依靠固定的在線監(jiān)測站，只能通過小船的航行來劃定監(jiān)測范圍，其監(jiān)測范圍有限，或者采用手動原位測量技術(shù)，這種技術(shù)又非常消耗時間。為解決這一問題，新加坡國立大學(xué)的一個科研小組研發(fā)了一種智能化機(jī)器平臺來對水庫水質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)測。這個平臺叫做“NUSwan（smartwaterassessmentnetwork）”，它的外形是一只白天鵝，會在水庫水面上行駛且無人駕駛，自動監(jiān)測水質(zhì)。
　　
　　NUSwan在選擇監(jiān)測點時會自動設(shè)定一條路線，收集到的數(shù)據(jù)會實時傳輸?shù)街笓]中心并發(fā)送給操作人員，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，操作人員會對NUSwan的運行進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控并加以調(diào)整。該系統(tǒng)的典型操作是在目標(biāo)流域內(nèi)對三個NUSwan機(jī)器人進(jìn)行管控，使其對目標(biāo)水體進(jìn)行協(xié)作取樣。通過羽毛感應(yīng)梯度變化，可以更分析流域水體中營養(yǎng)物的分布。
　　
　　NUSwan系統(tǒng)也可以用于其他監(jiān)測平臺。例如，將NUSwan和水下機(jī)器人結(jié)合應(yīng)用，可以了解水庫中不同深度的水體情況，還可以與水面浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，以擴(kuò)大監(jiān)控的覆蓋面積。NUSwan系統(tǒng)攜帶有傳感器，可以監(jiān)測葉綠素-a、溶解氧、濁度、藍(lán)綠藻等參數(shù)，也可以再增加其他傳感器，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，例如水體監(jiān)督、污染源追蹤、甚至可以用作早期預(yù)警以及決策系統(tǒng)。
　　
　　PermaSenseProject：監(jiān)測阿爾卑斯山
　　
　　通過物聯(lián)網(wǎng)中無線感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，PermaSenseProject項目實現(xiàn)了對瑞士阿爾卑斯山地質(zhì)和環(huán)境狀況的長期監(jiān)控?，F(xiàn)場不再需要人為的參與，而是通過無線傳感器對整個阿爾卑斯山脈實行大范圍深層次監(jiān)控，包括：溫度的變化對山坡結(jié)構(gòu)的影響以及氣候?qū)ν临|(zhì)滲水的影響等。
　　
　　參與該計劃的瑞士巴塞爾大學(xué)、蘇黎世大學(xué)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，派出了包括計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)工程、地理與信息科學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜以趦?nèi)的研究團(tuán)隊。據(jù)他們介紹，該計劃所搜集到的數(shù)據(jù)可作為自然環(huán)境研究的參考，同時，經(jīng)過分析后的信息也可以作為提前掌握山崩、落石等自然災(zāi)害的事前警示。
　　
　　澳大利亞昆士蘭：“智慧橋”的實驗
　　
　　在澳大利亞昆士蘭，通過在一座大橋上安裝各種各樣的傳感器，不僅可以告訴城市管理者橋上有多少車、車的重量是多少、車的污染是多少、車是新車還是舊車，還可以告訴人們這輛車對這座橋整個混凝土的結(jié)構(gòu)帶來多大的壓力。由此，交通管理部門可以進(jìn)行實時評估，獲得這座橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，一旦壓力超出了所設(shè)定的極限值，交通管理部門就可以獲得警報，及時發(fā)現(xiàn)。
　　
　　小結(jié)
　　
　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，國外在環(huán)保智慧化方面有了很多探索和創(chuàng)新。在我國，2011年10月，國務(wù)院發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)重點工作的意見》也明確提出要通過“加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)在污染源自動監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量實時監(jiān)測、危險化學(xué)品運輸?shù)阮I(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用，推動信息資源共享”，從而全面提升環(huán)境保護(hù)的能力。
　　
　　發(fā)展以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)有利于加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，開展物聯(lián)網(wǎng)研究和建設(shè)逐漸成為我國政府和社會的共識。物聯(lián)網(wǎng)成為推動環(huán)境管理升級、培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要手段，到底應(yīng)該怎樣具體應(yīng)用，國外的經(jīng)驗或許可以給我們帶來啟示。
　　
　　原標(biāo)題：國外智慧環(huán)保有哪些具體應(yīng)用案例？