數字經濟時代的技術融合與應用創新趨勢分析

陳曉紅

(湖南商學院，湖南 長沙 410200)

1.引言

近年來，學術界和產業界提出了“智慧城市”和“智慧環?！钡母拍?，智慧城市就是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出智能響應。其實質是利用先進的信息技術，實現城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續成長。“智慧環?！眲t是“數字環?！钡难由彀l展，是互聯網與信息化技術在環保領域的深化結合，它在“數字環?！钡幕A上，在前端感知系統增加智能應用設備，利用多種信息通信技術，通過云計算、虛擬化、大型計算機將環保物聯網整合起來，建設成為一個集強大感知能力、智能處理能力和綜合管理能力于一體的新一代網絡“智慧”環保系統，從而為環境管理和決策提供更為動態和精準的支撐[1]，而數字環保是智慧環保的基礎。與傳統的城市環境治理模式相比，實現環境監測設備的數字化和網絡化是智慧環保的基礎[2]。雖然智慧環保與智慧城市建設是歷史發展的必然趨勢，但是智慧環保在智慧城市建設中的實踐并非一帆風順。智慧城市建設為環保行業帶來機遇的同時，也帶了挑戰。如何更好地實現智慧城市中的智慧環保是當今世界面臨的一個重大問題。中國，作為一個積極倡議智慧環保與環保城市建設的發展中國家，更應該努力尋找其中的緣由。

本文首先探討智慧城市建設的發展新趨勢、政策演進趨勢以及智慧城市建設為環保行業帶來的機遇與挑戰。在此基礎上，發現目前環保行業存在的痛點與現狀，然后根據目前環保行業面臨的現狀與痛點，指出數字新技術在環保行業中的應用創新趨勢，以及數字新技術對環保大數據的集成與共享、生態環境綜合決策科學化與監管精準化、環境監測“大氣110”平臺等方面產生的有利的影響，最后結合湘江水污染分析與精準治理以及長株潭地區空氣污染智慧協同治理，介紹了智慧城市中智慧環保的應用實例。

2.智慧城市的發展趨勢

2008年IBM提出“智慧地球”的概念。智慧地球分成三個要素，即“3I”：物聯化、互聯化、智能化，是指把新一代的IT、互聯網技術充分運用到各行各業，把感應器嵌入、裝備到全球的醫院、電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道，通過互聯網形成“物聯網”；而后通過超級計算機和云計算，使得人類以更加精細、動態的方式和生活，從而在世界范圍內提升“智慧水平”，最終就是“互聯網＋物聯網＝智慧地球”。

按照IBM的定義，“智慧地球”包括三個維度：第一，能夠更透徹地感應和度量世界的本質和變化；第二，促進世界更全面地互聯互通；第三，在上述基礎上，所有事物、流程、運行方式都將實現更深入的智能化，企業因此獲得更智能的洞察。

2.1 國內智慧城市發展歷程

2009年IBM又在《智慧地球贏在中國》計劃書中提出關于智慧世界在中國發展的六大智慧板塊，分別為“智慧電力”、“智慧醫療”、“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧供應鏈”和“智慧銀行”。一方面，在數字經濟時代的背景下，物聯網、云計算等技術的發展熱潮不斷升溫；另一方面，城鎮化發展過程中帶來的人口增長、環境污染、交通擁堵等各類“城市病”不斷惡化。建設智慧城市，促進城市健康、安全和可持續發展，已經成為全球城市發展的共同訴求和大勢所趨。

近年來，我國智慧城市的建設正如火如荼地進行著，各部委相繼發布落實智慧城市健康發展的各項任務，確保智慧城市建設健康有序推進，其中主要包括建立不同類型智慧城市試點。住建部自2013年起，住房和城鄉建設部先后兩批開展了193個智慧城市試點，住建部和科技部公布了第三批國家智慧城市試點名單84個，住建部智慧城市建設以“城鎮化”為主要特點。科技部、國家標準化管理委員會下發了《開展智慧城市試點示范工作的通知》，確定了20個“智慧城市”技術和標準的首批試點城市，其中副省級城市9個。開展“智慧城市”技術和標準試點旨在將科技技術標準體系，云計算、物聯網等國家科技計劃項目與各試點城市對接，推動我國自主創新成果在智慧城市中推廣應用共同開展的一項示范性工作，促進我國智慧城市的健康可持續發展，探索“智慧城市”在我國的全面建設的有效模式。工信部公布首批68個國家信息消費試點城市名單，包括京津滬在內的大部分省市省會在列。它主要強調利用各種數字技術將“工業化、信息化”兩化融合，提高工業效率，加強信息的有效利用。

制定的十三五規劃中提出，預計2020年對智慧城市的投資總規模將超過5萬億元。到2020年將建成一批特色鮮明的智慧城市，它們的綜合競爭優勢將明顯提高，在保障和改善民生服務、創新社會管理、維護網絡安全等方面也會取得顯著成效。這些智慧城市將聚集和輻射帶動其他城市向著智慧城市建設與發展。

智慧城市的發展既離不開城市信息化基礎設施的建設，也離不開對各類基礎設施采集、記錄的龐大數據資源進行的專業化分析處理以及管理決策支持[16]。

2.2 智慧城市政策演進

我國的智慧城市相關政策密集出臺，著力建設健康可持續發展的智慧城市。我國首次提到智慧城市是2012年1月頒布的《國務院關于印發工業轉型升級規劃(2011－2015年)的通知》，該通知的核心思想為推進工業化和信息化的深度融合，實現工業轉型升級，從推進物聯網應用的角度，明確了智慧城市的應用領域。為給智慧城市建設與發展創造良好的環境和條件，2014年3月，中共中央、國務院印發《國家新型城鎮化規劃(2014－2020年)》，這是首次把智慧城市建設引入國家戰略規劃，提出統籌利用城市發展的物質資源、信息資源和智力資源，使用大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術推動智慧城市發展。為規范和推動智慧城市的健康發展，構筑創新2.0時代的城市新形態，2014年8月，經國務院同意，國家發展改革委等八部委聯合印發了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，指導意見指出到2020年，建成一批特色鮮明的智慧城市，劇集和輻射帶動其他城市的健康可持續發展，同時在這些智慧城市中要實現公共服務便捷化、城市管理精細化、生活環境宜居化、基礎設施智能化、網絡安全長效化等目標。

近年來提出了新型智慧城市的概念以及發展，引領“智慧城市”向“新型智慧城市”發展。2015年，新型智慧城市被首次寫入政府工作報告。新型智慧城市是以為民服務全程全時、城市治理高效有序、數據開放共融共享、經濟發展綠色開源、網絡空間安全清朗為主要目標，通過體系規劃、信息主導、改革創新，推進新一代信息技術與城市現代化深度融合、迭代演進，實現國家與城市協調發展的新生態，隨著國家治理體系和治理能力現代化地不斷推進，隨著“創新、協調、綠色、開放、共享”發展理念地不斷深入，隨著網絡經濟技術的發展不斷成熟，城市發展有了更高更長遠的發展要求，推動了從傳統意義上的“智慧城市”建設向著“新型智慧城市”建設演變。2016年國家“十三五”規劃綱要中明確提出“建設一批新型示范性智慧城市”，同時相關部門提出在“十三五”時期，將針對性地組織100個城市開展新型智慧城市“試點”，同時開展智慧城市建設效果評價工作。2016年4月，習近平總書記在網絡安全和信息化工作座談會上明確指出：分級分類推進新型智慧城市建設，打通信息壁壘，構建全國信息資源共享體系，更好用信息化手段感知社會態勢、暢通溝通渠道、輔助科學決策。同年10月，習近平在政治局集體學習中進一步對我國新型智慧城市的建設和發展提出了要求：以推行電子政務、建設新型智慧城市等為抓手，推進技術融合、業務融合、數據融合，實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的協同管理和服務。

這一系列的相關政策先后為智慧城市建設提供了基石，實現了從無到有、從試點試探到輻射帶動、從傳統模式到新型模式轉變的中國特色的建設道路。

智慧城市正在經歷著從1.0到2.0的轉變。智慧城市1.0是指智慧城市建設的初級階段。在該階段強調地更多是“信息化”和“工業化”的有效融合，通過各類信息技術和數字技術與城市管理、民生服務和產業發展等領域的融合應用，實現城市各部門的信息化建設，例如政務部門的電子化和信息化系統建設等。由于各類信息基礎設施建設不斷完善；智慧城市理念不斷走向成熟；大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、人工智能等新興技術迅猛發展；僅僅關注城市各部門的信息化建設顯然不足以滿足城市未來長遠、可持續發展的需求；傳統智慧城市建設所造成的“信息煙囪”、“數據孤島”、“重技術輕應用”等問題逐漸暴露，推動我國的智慧城市建設從1.0到 2.0 轉變。

第二屆世界互聯網大會“互聯網之光”博覽會上展示了“新型智慧城市”建設的四個重點，如下：

(1)物聯網開放體系架構

提出具有自主知識產權的物聯網開放體系架構方案，掌握網絡發展和網絡空間安全的主導、主動和主控權。

(2)城市開放信息平臺

以“平臺＋大數據”為策略，提供城市資源大數據通用服務平臺，致力于實現數據共融共享，消除信息孤島，保障數據安全，提高大數據應用水平。

(3)城市運行指揮中心

全面透徹感知城市運轉，接入社會及網絡數據，實現跨部門的協調聯動，提升對突發事件的應急處置效率。

(4)網絡空間安全體系。

涵蓋“城市基礎設施安全、城市數據中心安全、城市虛擬社會安全”的安全體系。

在《“十三五”國家信息化規劃》中確定了新型智慧城市的建設行動目標，到2018年，分級分類建設100個新型示范性智慧城市；到2020年，新型智慧城市建設取得顯著成效，形成無處不在的惠民服務、透明高效的在線政府、融合創新的信息經濟、精準精細的城市治理、安全可靠的運行體系。

2.3 智慧城市建設為環保產業帶來機遇與挑戰

2.3.1 智慧環保的必要性

隨著構建資源節約型、環境友好型社會被確定為國民經濟與社會發展中長期規劃的一項戰略任務，國家對環境保護的重視程度日益提高，重點項目和國撥資金逐年增大，在“十二五”期間全國環保信息化建設取得了飛躍式的發展，智慧環保的建設需求尤為迫切。主要體現在領導高度重視、需求更為迫切、建設百家爭鳴、公眾意識強烈等現象。隨著系統基礎環保網絡建設發展迅速、環保應用系統建設加強、環境應急系統將陸續進入實質性建設階段、環境信息化相關標準建設不斷完善等環境信息化的表現陸續出現，“智慧環?！钡母拍畛蔀楫敶畔⒓夹g發展的必然，也為新時期環境保護科學發展提供了嶄新之路。

智慧城市是運用智能信息管理、智慧支撐技術、高速多網傳輸、智能環境感知等信息和網絡技術來分析、整合城市運行系統的各項關鍵信息，從而對民生、環保、公共安全、城市服務、經濟活動在內的各種需求做出智能響應，智慧環保是智慧城市建設的關鍵一環。隨著國家城鎮化的推進以及智慧城市的發展，對環保產業的需求和訴求越來越高，綠色發展和綠色治理理念將成為必然趨勢。環保產業因智慧城市建設不斷延伸，智慧城市因環保產業發展而得到進一步增值，形成雙贏的局面，智慧環保是人心之所向、發展之關鍵、大勢之趨勢。環保產業與智慧城市需要相互促進，共同發展。一方面，智慧城市的治理和運營需要綠色發展理念，與環保有著天然的契合性。對污染源監控、飲用水水源監測、輻射安全、排污收費、機動車尾氣污染防治、環境應急、環境預警、環境執法、環境投訴、建設項目審批等內容進行數字化、網絡化、智能化的認知與管理，是智慧城市建設的重要內涵。另一方面，環保產業也需要融入智慧城市建設，實現產業鏈條的延伸與拓展。傳統環保產業專注的只是單一的某一個點，如工業治理、清潔生產、市政工程等，各個環節之間相互割裂、彼此分離。而智慧城市是系統化、整體化、動態化的治理模式，環保產業需要借助信息技術手段，延伸上下游產業鏈，拓展運營和服務范圍，系統地融入智慧城市建設中。

2.3.2 智慧環保的建設目標

利用大數據、物聯網、區塊鏈、人工智能等新技術，以數據為核心，把數據獲取、傳輸、處理、分析、決策服務，形成一體化的創新與智慧模式，讓環境管理、環境監測、環境應急、環境執法和科學決策更加精準有效，為環境管理和環境保護提供全方位的智慧管理與服務支持。其中大數據，指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行存儲、管理和處理的數據集合[3]。其大量性(Volume)[4]、多樣性(Variety)、高速性(Velocity)的 3V 特點[5]最為重要。智慧環保的總目標主要體現在測得準、傳得快、算得清、管得好四個方面。

2.3.3 智慧環保重點拓展的業務領域

智慧環保的概念可用于環境的政務管理、應急管理、質量檢測、生態保護、核與輻射安全等多個方面，可重點拓展的業務領域也頗為廣泛，具體包括環監運營與信息管理、環保政務資源協同管理、企業工況監控管理、環境地理信息共享管理、污染源在線監測、環保及安監視頻、環境數據中心、環保APP應用管理、環境事故應急檢測指揮、環保移動執法、環境信息中心、環境綜合業務辦公管理、危險固廢綜合管理、環境質量監測預警等。

2.3.4 智慧環保的層級架構

智慧環保的架構主要分為感知層、傳輸層、智慧層和服務層四個層次。其中，感知層利用可以實時感知、測量、捕獲和傳遞信息的設備、系統或流程，實現對環境質量、污染源、生態、輻射等環境因素的“更透徹的感知”；傳輸層利用環保專網、運營商網絡，結合3G、衛生通訊等技術，將遙感監測、現場檢測儀等獲得的感知數據，政府信息系統中儲存的環境信息進行交互和共享，實現“更全面的互聯互通”；智慧層以云計算、虛擬化和高性能計算等技術手段，以及可視化技術，整合和分析海量大的跨地域、跨行業的環境信息，實現海量信息大數據儲存、實時處理、深度挖掘和模型分析，實現“更深入的智能化”；服務層利用云服務模式，建立面向對象的信息服務門戶，如政務公開、公眾服務、互動交流，和各業務應用系統，為環境質量、污染防治、生態保護、輻射管理等業務提供“更智慧的決策”。

2.3.5 智慧環保的支撐技術

根據上一小節講到的智慧環保的各個層級的功能，可以看出要有效地實現智慧環保，必須要有足夠的技術支撐，主要包括各類新興的信息技術和數字技術，具體有物聯網、區塊鏈、云計算、大數據挖掘、智能GIS、遙感監測六個種類。

(1)物聯網

物聯網技術是指通過各種傳感設備(傳感器、射頻設備技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描等)采集聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息并與互聯網、無線專網進行交互傳輸信息的一個巨大網絡，能夠實現物與物、物與人的網絡連接、識別、管理和控制。

(2)區塊鏈

區塊鏈是一種按照時間順序，將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式結構，并以密碼學方式保證的、不可篡改和不可偽造的分布式賬本[6]。其是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式。結合區塊鏈技術可實現環境質量評估、自然生態檢測、核輻射檢測、污染源排放等大數據的網絡存儲。區塊鏈的不可變賬本使監管機構更容易對碳排放配額進行審計和監督，還可以有效解決環保公益中的信任危機問題。

(3)云計算

云計算是以服務為特征的一種網絡計算，它以新的業務模式提供高性能、低成本的持續計算和存儲服務，支撐各類信息化應用。

(4)大數據挖掘

大數據挖掘是發現數據中有用模式的過程，通過海量觀測數據的處理來確定數據的趨勢和模式，與傳統數據分析相比，其本質區別在于在無明確假設的前提下挖掘信息、發現知識，因此具有未知、有效和實用三個特征。

(5)智能 GIS

采用多維GIS融合技術，將“時間維(Time)、空間維(Space)和仿真(VR)技術”相結合的三維GIS平臺，真正實現“物聯網前端感知、應用時態分析、管理虛擬仿真、多維GIS空間分析”一體化的GIS可視化應用創新模式，將三維GIS的發展帶入了多維GIS時代。

(6)遙感監測

遙感技術是指借助對電磁波敏感的儀器，在不與探測目標接觸的情況下，記錄目標物對電磁波的輻射、反射、散射等信息，揭示目標物的特征、性質及其變化的綜合探測技術。

3.數字新技術在智慧環保中的應用創新

目前環保行業正面臨著以下痛點與現狀。

3.1 環保行業現狀與痛點

(1)環保數據價值的提升迫在眉睫

各級環保部門每時每刻都在產生海量的數據，卻缺乏系統性的分析與可視化處理，其價值沒有得到真正體現。

(2)篡改、偽造環境監測數據時有發生

數據質量是環境監測工作的生命線，環保數據的真實性、綜合性、長期性是環境監測最基本的要求。

(3)污染排放難以量化

在目前的系統中，每個產品的環境影響都難以確定，其生態足跡也沒有被納入價格考量，消費者缺乏購買綠色產品的動機，企業也沒有動力出售這類產品。

(4)環境監測數據信息孤島現象明顯

當前我國環保部門的應用系統由于大多是獨立建設，在數據共享、業務協同方面缺乏統籌規劃，導致重復建設、“信息孤島”現象普遍。

(5)環境潛在風險評價欠缺

現有環境監測系統不能精準闡明環境質量現狀及其變化趨勢，更無法精準評價環境潛在的風險。

(6)公眾參與不足

缺乏相應的激勵機制，如廢品回收，目前的回收項目，民眾往往沒有獲得合理恰當的激勵和獎勵，參與積極性普遍較低，推廣難度大。

(7)環境公益腐敗現象普遍

環境公益機構接受的捐款難以追蹤資金流向，官僚、腐敗和低效率在慈善領域中普遍存在。

針對目前環保行業存在的痛點及現狀，不僅引發以下問題的思考：

如何“更快速”感知影響城市環境、人體健康、生命安全的實時指標？如何“更全面”感知污染排放、環境污染、應急事故的變化過程？如何“更有效”判定環境監察執法與應急處置工作的執行狀態與效果？如何“更智慧”決策重點城市、區域和流域重大環境管理問題？這一系列問題的出現推動著數字新技術在其行業的應用創新。

3.2 數字新技術帶來的改變

融合物聯網、區塊鏈、大數據、人工智能與機器人、虛擬現實、模擬仿真等數字新技術，以數據為核心，整合數據采集、分析挖掘、決策服務，形成一體化的創新與智慧模式，讓環境管理、監測、應急、執法和決策更加精準有效，為環境管理和保護提供全方位的智慧管理與服務支持。各數字新技術的相互結合方式及作用如下：

(1)物聯網＋區塊鏈＋人工智能：物聯網實時采集環保數據，區塊鏈為采集數據提供共享、驗證、溯源機制，人工智能為采集提供智慧感知能力。

(2)大數據＋區塊鏈：區塊鏈和智能合約技術為大數據平臺提供數據共享機制，區塊鏈還能為大數據提供安全機制，提供數據的驗證與溯源。

(3)大數據＋人工智能：大數據挖掘與分析是環境管理與決策的基礎，人工智能助力智慧環保挖掘數據中深層次信息。

(4)大數據＋模擬仿真＋虛擬現實：大數據為模擬仿真提供基礎數據，模擬仿真結果指導環境管理、應急、執法和決策，同時結果作為數據加入大數據集合中，虛擬現實能夠加強用戶對環境變化感知。

無論是單個數字新技術的實現，還是多個數字技術的結合，都在有形或者無形的過程中影響著方方面面。以下介紹數字新技術的應用創新。

3.2.1 人工智能物聯網構建生態環境全方位監測網絡

在物聯網時代一個顯著的特征就是大數據時代的到來。很顯然，要想處理好這些信息，進行篩選、分析、數據挖掘等任務，單靠人是不行的。而現有的數據庫系統其固有的弊端又對這些信息的處理能力有限，包括現有的計算方式和軟件能力也限制了信息的過濾能力。而人工智能的目標就在于為人們提供能夠有所超越的信息處理能力，提高信息采集和應用的效率。而對于人工智能，其也經歷了計算主義到聯結主義的變遷，自身也在不斷地完善過程中。因而，物聯網與人工智能之間的聯系，本應當是非常密切的。因此，人工智能與物聯網的結合會使彼此之間的作用得以擴展。人工智能與物聯網的結合構建了生態環境的全方位監測網絡。比如可以利用無人機、傳感技術、視頻監控技術、射頻識別技術、全球定位技術等人工智能技術，實現各種數據的自動識別、采集與篩選；以Lora、Sigfox、NB－IoT為代表的低功耗廣域網絡傳輸技術實現環保物聯網數據的高效傳輸；分布式云存儲提升環保物聯網數據的可用性、可靠性和可共享性等都是人工智能互聯網可以實現的功能。

3.2.2 區塊鏈促進環保大數據的集成與共享

當人們在比特幣的背景下談論區塊鏈時，與大數據的聯系似乎有些牽強。金融服務行業正在開始認真研究區塊鏈技術。瑞銀集團首席信息官Oliver Bussmann表示，區塊鏈技術可以將交易處理時間從幾天縮短到幾分鐘。金融服務業務采用區塊鏈技術勢在必行。想象一下這個數量級的區塊鏈。其龐大的數據湖包含了所有金融交易的全部歷史記錄，并且全部可供分析。共享經濟的迅猛發展加速了數字經濟的增長，基于共享經濟產生的海量數據，通過分析和預測實現精準匹配，又加速共享經濟的發展[7]。伴隨大數據技術的共享經濟企業得到快速發展，隨之而來的信息安全、隱私保護以及監管等諸多問題也日益凸顯，單獨依靠大數據技術的共享經濟商業模式難以為繼，而區塊鏈技術通過其加密分享、分布式賬本等特征為數據的流通與共享提供新的方法與思路，可以與大數據技術形成互補[8]。

區塊鏈提供了分類賬的完整性，但不能用于分析。這就是大數據和相關分析工具將會發揮作用的地方。在比特幣的大規模采用的帶動下，區塊鏈技術在商業和金融領域獲得了成功。它促進的快速和安全的交易可能會徹底改變傳統的數據系統。總結起來，區塊鏈對大數據的主要影響為：使用區塊鏈跟蹤生產過程中的“三廢”和碳排放情況，可以防止公司和政府背棄其環境承諾或誤報其進展，減少欺詐和數據偽造現象發生；通過海量多源數據融合與挖掘技術，可以實現環保大數據的集成與高效管理；區塊鏈與智能合約保證多源異構大數據共享的安全。區塊鏈以其可信任性、安全性和不可篡改性，為環保大數據開放共享提供了有力保障，區塊鏈讓更多的環保大數據被解放出來。

3.2.3 大數據驅動的智能分析技術促進生態環境綜合決策科學化與監管精準化

如今社會，大數據無處不在。人們每天都要面臨著復雜而又龐大的大數據，并且還要對其進行智能分析。大數據自身所具有的獨特性驅動了智能分析技術的發展[9]。針對目前環境數據的特征，借助物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術，通過環境管理的決策理論、方法和平臺，為政府、企業的環境監測與管理提供全面的決策支持：區域生態環境質量及其潛在風險的綜合評價；資源能源最優調度與分配；區域環境質量的實時預警預報；環境政策效果的定量評估與優化；企業節能減排措施；工程項目的環境評價；環境規劃與城市規劃；環境應急決策與管理。

3.3 數字新技術在智能環保中的典型應用分析

數字新技術的發展得到了很大的推廣，并且得到了認可。

(1)環境監測“大氣 110”平臺

大氣110，依托國家“千人計劃”專家小組、國家環保部污染源監控工程技術中心建立，是專注于生態環境監測、生態大數據分析的公共服務平臺，為全國各個城市提供精確的空氣質量預報和數據分析服務，為公眾提供身邊環境狀況服務和健康生活向導。國家環境保護污染源監控工程技術中心使用“云鏈”技術開發“大氣110”平臺，融合應用區塊鏈、物聯網和大數據技術，專注于大氣監測、生態大數據分析等公共服務，實現通過定位系統實時展示當地的空氣狀況、污染地圖、污染排名、污染對比等信息。并且“大氣110”平臺具有多元化的數據源、豐富的數據產品，可以滿足環保部門、科研院所、普通大眾、企業、社會組織等的環保數據需求。

(2)碳鏈

碳鏈是一個去中心化的平臺，通過在學校、醫院、小區、商務寫字樓、公園、公交車站等地建立人工智能碳排放站點，借助物聯網實時采集碳排放數據，并利用碳積分(碳鏈CBN)對企業和個人的低碳減排行為進行激勵，引導民眾節能減排，愛護環境，保護大自然。

中國環境保護部攜手國際環境保護組織協會、港澳臺、中華環境保護基金、美麗中國基金共同發起建立碳鏈基金會運營主體，推出碳鏈，利用區塊鏈、物聯網和人工智能技術解決當前環保大健康產業的痛點。

(3)貴陽市生態環境大數據試點

采用“網格化布點＋多元數據融合＋時空數據分析”模式，對全區域內大氣環境、水環境、聲環境等基礎環境質量信息進行全面、連續、有效記錄。

通過多源數據分析，現實污染源頭的快速追溯。網格化服務系統的實現，讓每一個“環保天眼”監測點都可實時上傳監測數據，發現異常數據可迅速定位，然后結合大數據分析功能，利用數據庫里關于該區域所有餐廳、工廠、建筑工地、道路交通等方面的數據信息，追溯污染源頭。

污染處理的快速響應。當污染發生時，生態環境大數據中心自動將指令發至責任區域的網格管理員手機上，要求在最短時間內處理污染事件，使區域內環境恢復正常。

(4)廈門固廢動態信息監管平臺

為進一步提高廈門市固體廢物信息化監管能力和水平，福建省廈門市環保局率先在全省組織開發了固體廢物動態信息監管平臺。基于物聯網先進技術，集RFID、GPS、GIS、GPRS和視頻監控等先進技術于一體，有助于環保部門收集固體廢物基礎數據收集，全面掌握固體廢物相關信息。

(5)華為＆軟通智慧環保解決方案

2017年8月28日，軟通動力與華為云達成同舟共濟伙伴關系，雙方將基于華為云，在云解決方案研發、云遷移和咨詢服務能力搭建、云人才培養、云銷售推廣等方面深入合作。本次面向智慧環保行業的聯合解決方案，正是雙方深入落實同舟共濟伙伴關系的成果之一。軟通動力與華為云合作開發的基于環保行業的聯合解決方案，通過華為的先進物聯網網絡技術，結合軟通動力成熟的智慧環境監測運營經驗，可快速定位污染來源，減少周邊污染物排放對市控點監測數據的影響，將破解環保行業難題，帶動行業的革新，為環境大數據的發展走向跨越式發展鋪平道路。華為聯合軟通動力打造智慧環境監測運營服務解決方案：

充分利用云計算、大數據、物聯網、人工智能等數字新技術，針對以大氣環境、水環境為核心的多種環境監測對象，構建環境與社會全向互聯的智慧型環保感知網絡，實現環境監測監控的現代化和智能化。

監測系統橫跨各個渠道提高及時性和精確性。

通過移動互聯設備，環保應用信息平臺及時高效地發布適用于不同受眾的有用的信息，最終達到“一體化建設、實時動態監管、長效運營服務”的良好效果。

(6)金正環保污廢水處理新模式

國內領先的環保行業特種膜生產與新生水回用上市公司金正環保攜手NW Blockchain Limited公司推出NewBchain項目，使用區塊鏈、物聯網和大數據技術革新目前污水處理行業商業模式和運營模式，面向全球打造創新性區塊鏈污廢水處理分布式經濟業務生態。

無論是項目創造者、參與者、還是消費者，都可以參與NewBchain，以投身到環境保護和污水治理中，并通過NewBchain獲得消費、交易、管理自己的各種權益。通過這種方式，使得NewBchain每一環的參與者都得到激勵，從而促進NewBchain及水污染環境治理保護的發展。

4.湘江流域和長株潭地區智慧環保的實踐與探索

4.1 實踐探索一：湘江流域的智慧環保

湘江是湖南的母親河，約占湖南省面積的40%，哺育了湖南60%的人民，支持了湖南省70%的經濟。隨著流域內經濟社會的高速發展，水環境污染、水生態破壞等問題日益突出。湘江流域污染治理已受到高度重視，出臺了首個由國務院批復的區域性重金屬污染治理試點方案《湘江流域重金屬污染治理實施方案》，連續實施了2個“一號重點工程”，取得了顯著成效，湘江流域環境質量變化顯著。但隨著治理工程的深入推進，流域水質評價不夠精準，污染物構成不明晰，經濟社會的發展對水質的影響難以評估的問題凸顯，治理政策措施亟待優化。

基于此，本文借助智能水質自動監測和處理技術，采集了大量湘江流域環境相關大數據。其中包括2006－2016年湘江干流和各支流188個斷面的水質監測數據；300多家工業企業排放數據；湘江流域各縣市區的河流、山川、森林、耕地分布狀況數據；近十年氣溫、降水、極端氣候變化的日值數據；湘江流域蒸發量、徑流(水位，流量，流速)、泥沙含量、土壤含水量等數據；涉及近十年湖南省各縣市區的人口、GDP、產業結構、能源消耗等年度統計數據。

通過對湘江流域環境相關大數據的深入挖掘研究，動態分析了湘江流域水質變化規律，找出了湘江流域主要污染源，分析了經濟發展對水質變化的影響，預測了湘江流域水質未來變化趨勢，提出了湘江流域精準治理的政策建議。

4.1.1 湘江流域水質變化規律

為了解決多指標評估的不確定性問題，提出基于證據推理法的水質綜合評價方法，對從不同水質監測點提取的數據，利用正交求和方法綜合證據，通過證據的積累縮小集合，從而獲得水質綜合評價結果。該方法評價的結果更加精準，能夠實現同一水質類別水體之間的優劣比較，方便水污染的針對性治理。

通過對“十一五”、“十二五”期間的水質綜合評價可以發現(圖2)，湘江干流水質整體呈上升趨勢，“十一五”期間，干流水質有波動且略微下降，“十二五”期間，水質逐年變好，趨勢明顯。主要原因是“十二五”以來，實施了包括湘江流域重金屬污染綜合治理專項工程在內的一系列流域污染治理工程和措施。

圖2 湘江流域水質時間變化趨勢

圖3 湘江流域水質地域特征

通過對湘江流域水質空間分布規律分析發現(圖3和圖4)，永州－衡陽境內監測斷面水質持續下降，株洲市境內斷面水質最好，但與湘潭交界處水質急劇下降，湘潭境內斷面水質整體較差，進入長沙后，水質有所提升。永州整體水質要好于下游各地區的水質，但在“十一五”和“十二五”期間波動較大下游的株洲在整體水質和好轉的趨勢來看都要優于長沙、湘潭和衡陽地區，說明在湘江保護與治理工程中，株洲好于其他地區。與此同時，國控斷面優于省控斷面，綠埠頭、歸陽鎮、霞灣、昭山、樟樹港為國控斷面，這幾個斷面水質普遍優于其他斷面，飲用水保護區水質較優，綠埠頭、楓溪、白石、猴子石為飲用水保護區，水質較好。對于各支流來說，蒸水、瀏陽河的水質最差，致使支流注入的下游鄰近斷面熬洲、三汊磯的水質出現大幅度下降，湘潭段城區由于漣水的匯入，導致湘江干流被支流污染。

圖4 斷面及支流之間水質特征

4.1.2 湘江流域主要污染源

運用聚類分析，可以將湘江流域的污染分為三大類(表1)，第一類地區主要受重金屬鎘、砷、鉛污染，主要包括衡陽、永州、株洲等地區，第二類地區主要受重金屬砷污染，主要包括長沙、株洲、湘潭等地區，第三類地區主要受有機物氨氮、溶解氧、總磷污染，主要包括長沙和衡陽等地區。

表1 各斷面主要污染源聚類分析

進一步可以發現湘江干流主要受重金屬鉛、鎘、銅、鋅的影響，而各支流中，漣水和瀏陽河以及耒水的主要污染物包含有機物，主要是農業污染造成的，大部分支流的重金屬污染都較嚴峻(表2)，這是與湖南有色金屬資源豐富分不開。

4.1.3 經濟發展對水質變化的影響

通過匹配監測點水質數據和相應縣(區)的經濟數據，應用空間面板回歸方法研究經濟發展對湘江流域水質環境的影響情況?？紤]到流域水質污染存在空間相關性，上游的污染物隨著水的流動會擴散到下游地區，我們構建了分析湘江流域經濟發展對水質影響的空間面板回歸模型。

通過表3的回歸結果可以發現，湘江流域水質污染在地理空間上具有非常明顯的空間聯動性，在分析湘江流域水質時需要考慮空間交互的影響，人均GDP與水質綜合效應顯著正相關，即隨著人均GDP的增高，水質變好，城市化率與水質綜合效應顯著負相關，即隨著城市化率的增高，水質變差，人均糧食產量與水質綜合效應顯著負相關，即隨著人均糧食產量的增長，水質變差。

表3 各種因素對水質影響

4.1.4 湘江流域水質預測

提出灰色神經網絡組合模型(圖5)，預測步驟：

(一)數據準備階段：水質指標及相關因素的歷史數據整理與預處理；

(二)初步預測：代入GM(1，1)模型，得到預測值1，通過關聯度計算，找出灰色關聯度大于0.5的七個因素并建立GM(0，8)模型，得到預測值2，預測值1和預測值2加權得到初步預測值，并計算出相應的殘差序列；

(三)殘差修正階段：建立由殘差序列訓練得到的BP神經網絡模型，預測殘差序列，修正初步預測，得到最終預測值。

圖5 灰色神經網絡組合模型

根據預測結果(圖6和表4)，十三五期間，湘江流域水質整體呈現上升趨勢，“十三五”期間湘江流域水質整體上達到II類水質標準，在2020年達到《湘江流域科學發展總體規劃》的管理目標。其中溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷均達到Ⅱ類水質標準，重金屬鉛、砷、鎘均達到Ⅰ類水質標準。

圖6 湘江流域綜合水質預測結果

表4 湘江流域水質標準預測結果

預測結果說明，在圓滿完成《湖南省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》的目標下，政府繼續加大環境污染治理投資、調整產業結構，加強對高能耗工業企業的能耗控制，加強對湘江流域以及洞庭湖水域的排放監管以及污染治理，能使得湘江流域水質實現流域環境質量全面達標。

4.1.5 湘江流域精準治理的政策建議

針對前述大數據分析結果，提出有效政策建議：

(1)近期：分流域、分區域、分類施策

將基于證據推理的水質綜合評價方法引入湘江流域水質綜合評價試點，為全國制定新的水質評價標準提供科學基礎，嚴格對接《水十條》和《土十條》等上位法規政策標準，確保流域保護相關規定與上位規章政策高度一致，加強污染對象二維治理，分域施策。

加強流域重金屬污染防治及地下水監測的同時，高度重視生活污染和農業面源污染防治著力加強上游污染源頭治理和過程控制，杜絕瀏陽河、蒸水、漣水等支流超標或未經處理污染排放，重點監測衡陽、永州、株洲、湘潭等地冶金、造紙、鋼鐵等行業污染排放，以及長沙、衡陽、郴州地區的有機物排放。

嚴格環境執法監管力度，建立公平獎懲制度。引進第三方水質監測評估機構，定期綜合測評流域水質，并將結果公布于眾。

(2)中期：統籌協調流域發展

實施全流域規劃管理與水環境協同治理和保護、促使污染外部性內部化，全面推進小流域河長制，加快“毛細血管”水環境綜合整治。

將流域內10公里以上小流域全部納入水環境質量監測網絡，整合各類監測信息，構建河長制管理信息系統，嚴格落實小流域屬地管理責任，分河道建檔立卡，明確市縣鄉村四級職責。

建立小流域網格化監管追責體系，加強全流域配套生態友好型工程設計與建設，加強全流域政府不同部門的橫向和縱向數據系統整合共享。

(3)遠期：促進機制改革與管理創新

健全湘江流域保護政策體系，構建政府-公眾-企業多方參與的社會共同治理機制，強化“治理連線、政府主導、部門實施、全社會參與”的良性機制。

建立湘江流域環境大數據管理機制，加快建成涵蓋環境監測綜合管理平臺、重點污染源全過程物聯網監控平臺、環境信息多渠道綜合發布平臺等物聯網＋大數據的智慧環保體系。將末端監測擴展到“生產—治理—排放”全過程監控，為精準化監管提供技術支撐。

推動建立流域環境法律體系，實現不同主體的利益協調機制。將流域環境法規以及相關配套的體制、機制和政策固化到法律文本中，對各相關法律進行“生態化”改造。

4.2 實踐探索二：區域空氣污染智慧協同治理

近年來，區域大氣污染(霧霾)的突出問題引起了黨和國家領導的高度重視。黨的十八大以來，習近平同志關于社會主義生態文明建設的一系列重要論述，立意高遠，內涵豐富，思想深刻，對于我們深刻認識生態文明建設的重大意義，堅持和貫徹新發展理念，正確處理好經濟發展同生態環境保護的關系，堅定不移走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路，加快建設資源節約型、環境友好型社會，推動形成綠色發展方式和生活方式，推進美麗中國建設，實現中華民族永續發展。習近平主席說過，青山就是美麗，藍天也是幸福。李克強總理也說過，堅決打好藍天保衛戰。長株潭城市群是國家首批的“三區十群”大氣污染防治重點區域，在全省空氣環境質量排名中靠后，PM2.5污染較重且具有明顯的區域性復合特征，亟須提出科學有效的污染防控方法與措施。

基于此，本文從湖南省環境監測中心站采集了2013－2016年全年長株潭城市群23個監測點PM2.5、SO2、NOX、PM10、O3等多項污染物約1000萬條實時濃度監測數據和PM2.5組分分析數據，以及從國家氣象數據中心采集了同期地面氣象觀測數據、交通流量數據等400余萬條多元異構數據，

運用大數據分析技術與方法，以長株潭城市群為典型案例，系統分析了城市群區域大氣污染特征，找出了城市群區域PM2.5污染主要來源，并進行城市群環境政策的空氣質量改善效果模擬仿真，構建了城市群區域大氣環境污染實時預警系統，提出了城市群區域空氣污染總量控制策略。

4.2.1 城市群區域大氣污染特征分析

本文運用ArcGIS地理信息系統，采用克里金插值算法、分歧系數法分析長株潭城市群PM2.5污染時空分布特征，結果表明長株潭城市群大氣污染變化趨勢基本一致。

由圖7、圖8得出以下關于區域PM2.5污染的時間變化特征的結論：

(1)長株潭城市群PM2.5濃度的日變化規律呈現出較為明顯的雙峰結構，PM2.5質量濃度的起伏主要受前體污染物排放和氣象因素的影響。

(2)長株潭城市群PM2.5污染的季節性變化規律為：冬季＞秋季＞春季＞夏季，主要原因是冬季燃煤、秋季秸稈燃燒導致顆粒物及氣態前體物(SO2、NOx)的排放量增加。

圖7 長株潭城市群PM2.5濃度的日變化圖

圖8 長株潭城市群PM2.5污染的季節性變化圖

采用MoranI指數分析法，得出2013－2016年PM2.5濃度Moran散點圖。由這些散點圖可以總結出區域PM2.5污染的空間分布特征為：城市群區域PM2.5污染存在較強的空間相關性；采用分歧系數算法，研究發現中心城區一次污染物在PM2.5中的占比明顯高于郊區，而郊區二次污染物的占比高于中心城區。

4.2.2 城市群區域 PM2.5 污染主要來源解析

(1)區域PM2.5污染組分特征分析

采用質量平衡方法對PM2.5的化學組分進行重構，研究表明二次水溶性無機離子(SNA)、有機顆粒物及主要礦物塵(Fe＋Ca＋Si＋Al)是長株潭城市群 PM2.5 中重要組分(見圖 9)，其中 SNA 年均濃度約占 PM2.5 的 30%，長株潭城市群PM2.5的二次污染特征明顯。

圖9 2013－2016年長株潭城市群PM2.5

(2)區域PM2.5主要污染來源解析

采用EPA PMF 5.0軟件和受體模型，解析得到長株潭三市PM2.5污染的主要來源因素及其貢獻率如表5：

表5 PM2.5主要來源的年均貢獻率

(3)區域 PM2.5 空間溯源分析

引入濃度權重軌跡分析法(CWT)計算潛在源區氣流軌跡權重濃度，進而反映不同空間軌跡的污染程度(見圖10)。研究表明，長株潭城市群PM2.5污染在空間范圍的主要源區就是其自身區域，其北部的岳陽和西部的江西萍鄉地區也對長株潭城市群有一定的傳輸影響。

圖10 長株潭城市群PM2.5的潛在源區

4.2.3 城市群環境政策的空氣質量改善效果模擬仿真

區域大氣環境質量受一系列理化反應、傳輸效應和氣候效應的復雜影響，導致環境政策和空氣質量改善發生偏離?；贑MAQ環境質量模型，調節三維氣象場參數，構建了“本土化”的區域大氣污染模擬仿真平臺，從而建立了總量控制區域“大氣污染物排放——環境空氣質量”間的響應關系(見圖11)。

圖11 長株潭區域復合型大氣污染——細顆粒物PM2.5污染濃度非線性響應決策模型流程圖

節能減排政策實施基準年與目標年PM2.5環境質量濃度分布對比如圖12：

圖12 節能減排政策對基準年與目標年PM2.5環境質量濃度的影響效果

4.2.4 城市群區域大氣環境污染實時預警系統平臺

利用已采集的環境監測和氣象大數據建立半參數預測模型，實現對未來24小時區域空氣質量的實時滾動預測(見圖13)，除冬季部分極端天氣外，預測優度均在80%以上，能較好地反映PM2.5濃度的逐時變化趨勢。

圖13 工業廢氣、汽車尾氣、工地揚塵分別導致PM2.5濃度變化趨勢

5.智慧環保的前景展望

5.1 管理制度改革引領智慧環保

為加快智慧環保建設，確保生態環境質量持續穩定改善，必須實現環保方面的管理制度改革，如環保機構監測監察執法垂直管理制度改革等。新的行政管理體制往往涉及工作流程的轉變，同時促使信息化系統不斷改進。具體實現方法如下：

(1)統籌上下關系

智慧環保的建設是一個從上至下的過程，要充分協調，把握好中央和地方的關系，通過層級制度保證政策的落實。

(2)明確指標體系

堅持頂層設計體系，以技術的落地應用為終極目標，根據智慧環保需求設計指標體系。

(3)完善配套制度

將政府環保相關部門、企業行業及社會機構和公眾都囊括起來，不斷制定和完善環保技術所需的眾多相關配套制度

(4)規范實施舉措

狠抓執行公開，夯實監督基礎；強化技能培訓，提升監督能力；加大巡查力度，增強監督實效。

5.2 業務系統集成建設智慧環保

以環保服務與業務為系統功能導向和驅動，集成各大業務系統，建設智慧環保平臺。業務系統集成建設的智慧環保使生態環境將更安全，綠色發展將更協調，政府管理將更高效，公共服務將更完善，最終的結果是市民生活更綠色，更便捷。

由于篇幅有限，這里主要簡單說明主要業務系統及功能如下：

(1)生態環境全要素監控系統：實現生態環境要素全面監測功能

(2)網格化環境監管系統：以污染源全生命周期的監督管理為主線，實現對政府責任部門、排污單位、治污企業等監管對象的監管。

(3)生態環境審計系統：進行精準化監督管理與考核評價

(4)生態環境決策支持管理系統：實現決策指揮功能。

(5)智慧環保民生服務系統：實現公眾服務功能。

(6)生態環境應急系統和體系：實現對生態環境事件的緊急處置。

5.3 技術創新融合支撐智慧環保

智慧環保的建設需要相關技術的不斷創新與融合，著重在物聯網感知能力、大數據服務能力、決策分析計算能力、可視化展示能力四個方面深化研究、不斷創新，為智慧環保中環境監控、環境信息共享、環境數據分析、環保智慧決策、環境執法與應急的建設提供支撐與推力。

其中四個方面的特點分別如下：

(1)物聯網感知能力的特點

環境網格檢測傳感網絡建設；智能機器人實時動態環境巡視能力；穿戴式傳感器提供更細粒度的環境感知能力。

(2)大數據服務能力的特點

整合、關聯環保相關數據，提升公眾服務能力；利用大數據實現環境事件重現與推演，實現智能環境應急演練。

(3)決策分析計算能力的特點

通過環境大數據實現環境事件模擬與分析，預測環境事件、事前驗證決策效果；污染源企業精準鎖定，治污措施定制推薦，提升治理能力。

(4)可視化展示能力的特點

視頻編解碼創新，實現大容量高并發監；虛擬現實加強用戶對環境變化感知。

6.結論

智慧環保是智慧化城市治理的嘗試和先驅，其應用和執行的效果直接關系到未來城市的發展方向和治理水平，對城市治理具有重要的理論意義和現實意義[10]。數字經濟是中國將邁上經濟強國的新臺階，實現歷史性大變革的新時代。而大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈、虛擬現實等數字新技術的不斷融合，形成顛覆性的技術變革，深度拓展先進技術的場景應用，從而促進數字經濟的發展。

綜合來看，數字新技術正成為推動經濟發展和技術變革的重要力量，新技術、新模式不斷融合發展，引領著新一輪的技術創新、管理創新和應用創新。由于目前我國環保發展和應用中仍然面臨各種困難和問題，所以應該充分利用數字新技術的信息優勢，將互聯互通、協調一體的城市環境治理理念與物聯網系統、大數據和云計算等先進設備和技術相結合，真正實現智慧城市的智慧環保。