環保物聯網助推環境監測信息化

阮曉東

環保物聯網已經成為推動中國環境管理升級、解決經濟發展與環境保護的矛盾、培育和發展戰略性新型環保產業的重要手段

我國的環境管理和環境治理問題已經成為社會迫切需要解決的重點問題。作為繼互聯網之后的又一次信息技術革命，物聯網在環保領域也有著重要的應用價值。在生態文明和建設“美麗中國”的道路指引下，“環境監測信息化”已經從概念闡釋進入到政策落實階段。目前環保物聯網已經成為推動中國環境管理升級、解決經濟發展與環境保護的矛盾、培育和發展戰略性新型環保產業的重要手段。此外，環保物聯網對促進我國環保領域公共事業管理的改革也具有重要且深遠的意義。

物聯網技術應用提高環境監測水平

中國社會正步入一個特殊的環保敏感期，由環境問題引發的群體性事件也不斷增多，這些問題處理不好，就會影響經濟發展、社會和諧。

我國的環境問題已經處于集中爆發的時期。其中尤以大氣污染和水污染最為典型。數據顯示，2013年全國平均霧霾天數達29.9天，霧霾發生頻率之高、波及面之廣、污染程度之嚴重前所未有。同時，中國的水污染狀況也不樂觀。中國地質科學院完成的《華北平原地下水污染調查評價》顯示，華北平原淺層地下水綜合質量整體較差，未受污染的地下水僅占采樣點的55.87%，遭受不同程度污染的地下水高達44.13%。

建設美麗中國順應人民群眾追求美好生活的期待，也是中華民族永續發展的客觀要求。要想提高環境質量，首要的工作就是控制污染源頭。要控制污染源頭，則首先要對污染排放量進行監測。

在這個時候，物聯網在環境監測上的優勢就顯現出來了。

物聯網環境監測主要通過運用各種物聯網技術，對影響環境質量因素代表值進行實時在線測定，確定環境質量（或污染程度）及其變化趨勢，預警和管控環境質量的物聯網行業應用。那么其監測范圍如何呢？

據悉，物聯網環境監測應用主要分為生態環境監測和污染監測，其中生態環境監測可細分生態環境監測、水質監測、大氣監測、噪聲監測、降水監測、土壤監測、電磁輻射監測、排污監控、森林植被防護等；污染監測則可細分為廢氣污染源監測、廢水污染源監測以及固體廢物在線監管等。

以大氣監測為例，通過把在線監測儀器、有毒或有害氣體傳感器布置在污染源、人群密集或敏感地區。當某監測點大氣發生異常變化時，傳感器通過傳感節點將數據上傳至傳感網，最后交給應用層程序進行處理，應用層程序會根據事先制定的事故應急預案執行處理。對于污染單位排放超標，物聯網可通知環保執法單位、污染單位對污染事故進行處理。

而水質監測系統則包括飲用水監測和水污染監測。飲用水監測在水源安裝傳感器、攝像頭等設備，將水質的PH、SO2、鋁、鐵、錳、銅等指標值實時上傳到水質監測中心，實現對飲用水的監測和報警。水污染監測是在污水排放單位安裝污水自動分析儀器和攝像頭，對污水的CODcr、BOD5、TOC、NH3-N、流量等指標實施實時監控，并將污染信息發送到排污單位、監測中心，對污染事故做出及時有效的處理，防止重大污染事故的出現。

物聯網應用到環境監測，不僅為環境管理、污染治理、防災減災等提供可靠信息支持，還具有支持科學研究、環境量化考評、安全保障等服務和智能化信息管理、處理機制；并且監測目標范疇也由單純的環境信息和污染指標擴展到環境、氣候、物及人的活動。目前，物聯網的相關技術已經應用到了污染源監控、環境在線監控和環境衛星遙感等方面，極大地提高了我國環境監測手段。

環保物聯網三套系統分工合作

環境保護的范圍涉及到人類經濟活動和社會行為的各個領域，由于環境系統本身就是一個復雜、龐大的整體，所以對其進行保護不僅包含對環境要素的認識和理解，更包含著對資源和社會經濟活動的綜合管理能力。

總體來看，我國環保物聯網的體系結構組織可以分為三大塊：即對整體環境質量的監測、對污染源的監測以及對突發事件的處理，按照這樣的邏輯，環保物聯網的監測任務分別指向了重點監測地區、企業和應急事件，也就形成了覆蓋不同領域的三套系統，即環境質量綜合監測管理系統、企業污染源綜合監控系統和環境突發事故應急處理系統。

那么，這三套系統之間是如何分工合作的呢？

首先來看環境質量綜合監測管理系統。該系統主要用污染源自動監測設備來感知和識別環保監控數據信息。主要應用范圍既包括環境敏感區域，如環境質量監測點、環境功能區、水源保護區、自然生態保護區等，也包括城市污水處理廠、城市垃圾處理廠等環保企業。

目前，我國已經在北京市南部郊區、天津市和河北省石家莊、唐山、邢臺、邯鄲以及山東省德州、濟南及河南省豫北平原等地區推進建設地下水重金屬和有機物污染物聯網監測體系，目的就是“到2015年底，初步建立華北平原地下水質量和污染源監測網，基本掌握地下水污染狀況；加快華北平原地下水重點污染源和重點區域地下水污染防治。”（環境保護部、國土資源部聯合印發的《華北平原地下水污染防治工作方案》）

除了水環境質量監測體系之外，我國還在多個地區部署建設了對環境質量水、氣、聲、沙塵等監測數據的統一監管體系。比如易發生沙塵暴天氣的內蒙古就在全區建設了20個沙塵暴自動監測站，以監測空氣中總懸浮顆粒物和可吸入顆粒物最大小時濃度。中國環境監測總站在新疆、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、河北和北京等地區建立了沙塵暴監視網。通過監測總懸浮顆粒物、PM10、濕度、溫度、氣壓、風向、風速等來綜合反應我國的沙塵暴發生規律。

另外一套系統是針對污染源的企業污染源綜合監控系統。

環保行業系統復雜，需要監控的點數量比較多，位置也比較分散。傳統的企業污染源監控主要靠放置檢驗檢測裝置收集數據，由于監管不定期，所以在實際操作上弊病明顯。而企業污染源綜合監控系統則是無人值守自動運行的，該系統以圖像監控為主、數據監控為輔，結合多種報警功能，可針對所轄區域重點企業（如印染廠、造紙廠、水泥廠、火電廠、垃圾填埋廠等）廢氣、廢水的排污情況、環境安全參數監測（溫度、壓力、氣體濃度、液位等）、環境污染參數監測（CO、有機物濃度等）進行實時監控，實時、直接地了解和掌握各個污染源現場的情況，及時對發生的事件做出反應，操作上簡單方便，對預防重大事故發生起到重要的預防作用。比如內蒙古自治區建設的污染企業綜合監控管理系統實現了對全區399家企業的838個點位的自動監控，219家企業的262個點位的視頻監控。

第三套系統則是環境突發事故應急處理系統。

隨著中國工業化、城鎮化的加速推進和自然資源開發強度的不斷增加，我國也進入了突發環境事件的多發期。比如我國環境污染事件、生物物種安全事件、輻射事件、海上石油勘探開發溢油事件、海上船舶、港口污染等環境突發事故逐年增多。如何應對突發環境事件，建立和完善突發環境事件的防范機制，已成為各級政府和民眾關注的熱點問題之一。

環境突發事故應急處理系統則在具體應用層面上顯示出其價值。環境突發事故應急處理系統利用物聯網、“云計算”、以及衛星支持的3S等信息技術手段有效地支持環境應急工作開展。

比如以“中國環境一號”A、B衛星為代表的光學衛星擁有熱紅外相機、超光譜成像儀等多種遙感探測設備，具有中高空間分辨率（相機空間分辨率達到米）、較高時間分辨率和高光譜分辨率，環境一號衛星在沙塵暴檢測、區域生態環境動態變化檢測、地震、泥石流等環境風險排查方面發揮了重要作用。

一旦發生險情，突發事故應急處理系統結合距離事發地最近的環境質量自動監測站數據，根據系統內置的多種污染源擴散模型算法，模擬事故發生時污染物擴散趨勢，用以支持環境監測點部署及應急指揮的業務需求。這樣就可以落實突發環境事件應急預案，提高處理突發環境事件的快速反應能力。

環保物聯網建設熱潮涌現

環境污染問題是關系到一個國家和民族前途和命運的問題。無論是西方還是東方，綠色環保理念越來越深入人心。環保物聯網作為推動環境信息資源高效、精準的傳遞，支持污染源監控、環境質量監測監督執法及管理決策等環保業務的綜合系統，正在贏得世界廣泛的認可。

目前，環保物聯網在世界已經有了很多應用案例，例如美國開發的用于實時監測城市環境污染數據的“CITY SENSE”監測系統，用于監測大鴨島海鳥棲息情況的生態監測系統、澳大利亞用于監測蟾蜍分布情況的生態監測系統等。此外，瑞士巴塞爾大學、蘇黎世大學與蘇黎世聯邦理工學院聯合啟動的“PERMA SENSE” 項目，目的在于應用物聯網對阿爾卑斯山地質和環境狀況進行大范圍深層次長期監控。

香港科技大學和中國海洋大學聯合開展無線傳感網絡平臺Ocean Sense，用于海洋環境監測。該平臺設置20個監測節點，用于采集和分析處理溫度、光強、信號強度等海洋環境參數。清華大學、香港科技大學、西安交通大學、浙江農林大學等高校聯合開展的“綠野千傳（Green Orbs）”森林生態物聯網，則部署了1000多節點，主要用于監測森林的溫度、電壓、光照等生態指標。

科研只有最終服務于社會，才會真正實現它的價值。雖然以上的應用案例目前大多屬于科研應用，但正是這些科研應用項目帶動了環保物聯網在污染防治、生態保護等領域落地項目的實施。

近兩年來，隨著環保物聯網技術的發展，成都、無錫、山東等先后被確立為國家環保物聯網示范省、市，并且已經有了許多環保物聯網技術的應用案例。

例如江蘇省打造了基于物聯網技術的“1831”生態環境監控系統，實現了對全省飲用水水源地、水環境、空氣環境、輻射環境等各種環境監控要素的“全生命周期”監管；內蒙古自治區建設了基于物聯網理念的環保監控平臺，在全國首創實現了對污染源自動監控、環境質量監控及環境風險監控的統一集成整合，全面提升了全區的環境監管能力。此外，還有我國在無錫部署的太湖水環境監測示范工程，山西省的污染源自動監控管理系統，正在建設中的南水北調中線工程水源地及沿線水質監測預警關鍵技術研究與示范工程，以及計劃實施的湖南“智慧湘潭”工程等。

按照《國家環境監管能力建設“十二五”規劃》，環保物聯網建設內容包括環境質量、污染源、危廢轉移、環境監管物聯網四類，通過物聯網、云計算和大數據分析等技術的結合，助推環境管理能力的提升。隨著環保物聯網技術的不斷成熟和應用規模的不斷擴大，一個集監測、監控和監管三位一體的全國智慧環保物聯網應用體系初步形成。

環保物聯網已成為現階段鞏固污染減排成果的有效手段。2014年7月，國家環境保護部公告稱，同意建設國家環境保護物聯網技術研究應用（無錫）工程技術中心。該中心將通過應用物聯網海量集成技術、細化污染源監控系統全方位架構、強化數字環境管理，帶來環境管理模式的重大轉變。這對探索中國特色環保監控管理新道路、確保污染減排取得實效具有十分重要的意義和應用價值。

環保物聯網的體系結構需要重新梳理

環境問題從來都不是孤立的問題。環境事故的發生，涉及到社會管理、環境規劃、技術支持、司法立法等眾多領域。同樣，環境保護工作也需要環境監督、環境監測、環境決策、環境規劃、環境立法、環境評價等工作的協同配合。

目前，我國的環保物聯網建設已經基本實現了環境監督、環境監測這兩個功能，對促進污染源的監管和建立新的管理模式起到了積極作用。但如果要實現環保物聯網的第三個功能，即環境服務功能，我國依然面臨很多挑戰。

因為如果以“服務理念”為出發點，環保物聯網就需要承載更多的功能。比如通過對各類環境數據的有效整合和集約共享，進行環境變化趨勢預測、環境承載能力分析，來輔助政府進行環境管理決策；通過實時監測企業污染排放和生產工況，輔助企業進行生產工藝優化、節能減排決策；通過環保物聯網和其他領域物聯網關聯，輔助交通運輸、城市管理、風險防范等其他領域的管理和服務等。

按照這樣的邏輯，未來的環保物聯網就需要超出目前的體系結構進行重新梳理和安排。

在不久的未來，環保物聯網將不僅包括環境質量綜合監測管理系統、企業污染源綜合監控系統和環境突發事故應急處理系統，還會出現決策支持系統、環境變化趨勢預測系統、交通運輸輔助系統、災后評估系統和培訓演練系統等，讓企業和社會通過環保物聯網向服務政府環境管理、服務企業守法、服務公眾參與并重轉變。未來，我國環保物聯網的建設模式不僅要進行統一籌劃，相關的人才質量和其發展需求也需要持續保障。從總體來說，物聯網環境監測在中國仍處于前期產業鏈完善階段，市場呈零星分散化形態、品牌集中度較低，要實現環保物聯網的體系結構的重建，還需要企業、政府和業內研究人員的共同努力。