物聯網技術在環境工程領域中的應用研究

李惠雨 宮寶涵 馬鴻志 靳 勇

（1北京科技大學能源與環境工程學院環境工程系 北京 100083 2工業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

物聯網是基于互聯網和電信網等信息承載體，通過信息傳感設備，將所有物品與互聯網連接起來，以實現智能化識別和管理。物聯網是信息化時代的重要產物，其重要性日益顯現。隨著社會信息化水平的提高，物聯網技術蓬勃發展，逐漸滲入各個行業,得到了廣泛的應用,帶動了各個行業的信息化發展。而環境保護產業，則隨著我國水資源受到污染、空氣質量變差、生產生活廢物增多、土地退化等環境問題逐漸受到重視。“十九大”中更是強調，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持保護環境的基本國策，壯大節能環保產業。而物聯網應用到環保行業中，將促進環保工作的智能化和自動化，推動環境管理升級，對環境行業的發展具有深遠的意義。

1 環保物聯網在國內外的發展現狀

所謂環保物聯網是指在傳統環保行業中引入自動化和信息化技術來實現環境保護科學化管理的系統網絡，波及范圍非常廣，遍布于全國各地。其目的在于利用綜合應用傳感器、紅外探測、射頻識別等裝置技術，實時采集污染源、生態等信息，構建全方位、多層次、全覆蓋的生態環境監測網絡，從而達到促進污染減排與環境風險防范、培育環保戰略性新型產業等方面的目的[1]。由于采用多種傳感設備進行采樣，這些感知設備可以持續收集信息并自動快速擴大數據的規模，除此之外，環保物聯網還具有多源、異質性和不確定性的特點[2]。

美國和歐洲一些國家對于物聯網起步較早，2009年初，美國總統奧巴馬首次提出物聯網與環保相結合發展，將“智慧地球”的理念上升為國家戰略。隨著“智慧地球”吸引了世界各國的關注，在環保領域中如何充分利用各種信息通信技術，感知、分析、整合各類環保信息，對各種需求做出智能的響應，使決策更加切合環境發展的需要，以物聯網為技術核心的“智慧環?！表槃荻?，推動了環保物聯網的迅猛發展[3]。目前，美國已成功將物聯網應用到工業、農業、醫療、建筑、環境監測、空間和海洋探索等領域，應用范圍極為廣泛[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，加速推動環保物聯網的發展。2004年底，國家環保部啟動國家環境數據中心建設項目，建立113個監測城市空氣質量、城市流域水質以及城市污染源的系統等，為環境管理與決策提供環境信息支持和服務[5]。2015年，國務院辦公廳印發了《生態環境監測網絡建設方案》，提出“加快生態環境監測信息”傳輸網絡與大數據平臺建設，開展大數據關聯分析，開放服務性監測市場。2015年3月，李克強總理提出制定“互聯網＋”行動計劃，推動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業相結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場。2015年7月，國務院發布《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，其中部署了“互聯網＋”綠色生態重點行動，發揮互聯網的優勢推動環境行業的發展。2016年1月，國家發改委同有關部門制定了《“互聯網＋”綠色生態三年行動實施方案》，將各項監測任務落到實處。

由此可以發現，環保物聯網方興未艾，政府、企業以及民眾的高度關注更是加速推動了它的發展，特別是在環境監測、垃圾管理方面都有了較好的應用。

2 環保物聯網在國內外的應用

目前，環保產業如環境監測、危廢監管、工業污染治理、土壤修復等領域已有一定的物聯網技術儲備，同時也有一定的產業化基礎。其中，應用最為廣泛的是在線水質監測、空氣質量監測和固廢監管。

2.1 環保物聯網在水質監測中的應用

為了及時檢測出環境中的污染問題，確定被污染的程度以及之后的發展趨勢，環境監測順勢而生。環境監測是需要將現代化技術與復雜的科學研究相結合的工作，而環保物聯網是環境監測發展過程中至關重要的構成部分。將物聯網應用到水質監測中，主要是利用各種電子傳感器或視頻監視器等傳感設備，將其放置在被檢測的入水處或出水處（主要是出水口），能夠實時監測水中各類污染因子的含量，并且及時將數據采集上傳至網絡，系統通過收集的信息做出預防、控制或者報警等反應。這一系列的過程組成了監測體系，從而實現對水質、水污染源的監測和綜合監管[6]。

（1）多參數水質監測系統

由布里斯托大學開發的多參數水質監測系統首次通過連接Wi-Fi網絡進行數據采集，展示了未來的智慧城市如何通過覆蓋城區的無線網絡構建環境監測系統。該系統由數據采集，數據傳輸，數據存儲和數據可視化的全過程組成，可以實現低成本、高頻率采樣和從網頁獲得實時讀數，并且數據顯示水溫、pH和溶解氧的日循環，還可以觀察到DO過度飽和。該系統可以進一步整合到城市水管理系統中，以提高水質監測效率[7]。

（2）GCould

由云智物聯研發出的一款環保軟件GCould，能夠使用戶和污水處理站同時實現監控和維護處理設備。GCould軟件由用戶應用軟件和云服務器處理軟件構成，兩者協調完成污水處理站的監測維護。通過對企業污水站運行的各參數進行監控，將其數據進行分析，指導企業污水站運行，以保證污水站運行穩定，并且能根據進水水量和水質，自動調整投藥量和鼓風機運行，節省運行管理費用。用戶只需要登陸云服務器的專有網站即可實時了解污水處理站各設備運行狀態、各傳感器數值等污水處理相關運行情況，并根據這些信息遠程操控污水處理站中的設備，對其進行相應的處理。目前一家正在使用該軟件的酒廠中，已經可以實現無人值守，每個維護運行的人員可以管理幾個污水站，企業只需要供電以及投加藥劑，該軟件成功為企業解決了運維難題。

這類基于物聯網的水質在線監測系統，能實時、連續、準確地監測目標水域的水質狀況和它的發展趨勢，檢測到的數據會自動上傳到線上系統并且自動存儲，可供隨時取出分析，并且如果發現水質問題會自動報警，十分的便捷[8]。這些技術的推廣，將物聯網技術應用到污水處理中，有利于企業更快實現污水處理自動化，為生產和管理帶來了極大的便利。

2.2 環保物聯網在大氣監測中的應用

將物聯網技術應用到空氣質量監測中，主要是在劃分的較為敏感的生態環境區域或人流相對集中的區域，按照網格化布點的要求，布置多個自動監測站點，通過放置的傳感器設備，對空氣中的各類常規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測，將采集到的數據通過網絡傳輸至監控中心，等其自動反饋，最終實現環境空氣自動監測，確保該地區的空氣質量[6]。

（1）OSIRIS空氣質量傳感網

OSIRIS是歐盟旗下對環境進行管理的一套綜合信息基礎架構，涵蓋了現場監測、信息管理和服務三個階段。其中，主要采用空氣質量傳感網對空氣質量進行監測?？諝赓|量傳感網通過9個安裝在建筑物樓頂的空氣質量監測站，監測空氣中的污染因子，數據通過無線技術傳輸至監控中心進行模擬預測分析，并將資料集成后以圖形的方式呈現在地圖上，作為決策單位的預警系統。當空氣中擴散出有毒物質時，OSIRIS會派出帶有傳感器的微型無人空中飛行器進行采樣，數據經分析生成時空模擬圖，以便監控中心評估污染程度[4]。

（2）Airbox監控技術

Airbox項目由臺灣民間社區LASS和企業訊舟科技發起，由于制作監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個臺站部署監測設備，使得臺灣成為全球空氣監測點最為密集的城市。該設備根據站點之間的地理距離，將監測臺聚類成網格狀，針對不同的地區在精度和計算時間方面進行了最后的比較分析，降低預測誤差率和計算時間，最終獲得實時的PM2.5數據。該項目可以在精細的時空粒度水平上監測顆粒物質濃度。人們可以很容易地訪問這些數據，這使得分析數據變得簡單[9]。

（3）大氣顆粒物監測出租車

為了監測大氣污染物，山東大學和山東諾方電子科技有限公司歷時兩年，成功研發出高精度車載大氣顆粒物監測系統，并于2017年底正式投產使用。該系統利用激光檢測的原理，將傳感設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測的PM2.5和PM10兩項數據，這些數據經系統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，低碳節能，有利于指導政府精準治霾，并且成功將以往固定點監測轉變到全路網無死角監測，開創了大氣污染監測的新思路，提供了大氣監測的新平臺。

針對當前越來越嚴重的大氣環境問題,加強對大氣環境的監測是必不可少的。而基于物聯網技術的大氣環境監測系統,既有效提升了大氣環境監測的效率,又節約了建設資源,可謂是一舉兩得,也為未來大氣環境監測技術的不斷提升提供了相應參考[10]。

2.3 環保物聯網在固廢監管中的應用

物聯網與大數據能夠通過視頻監控、空間定位、電子數據標簽掃描識別等技術手段，計算出廢物的產生、儲存、轉移與處理及利用量之間的匹配關系，實時監測污染物的動向，統計它們的回收利用率，通過與歷史數據以及同類設施比較判斷數據可靠性，以此來為合理補貼、嚴格監管、預測預警以及精準治廢提供依據[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，利用物聯網以及大數據可以統計各個家庭的垃圾回收記錄，根據記錄為居民提供當地飯店或者零售店的折扣，該公司自發起這個項目半年以來有些地區垃圾回收率從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，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，由桶中的存儲系統記錄數據。當存儲系統記錄的垃圾數量達到一定的上限時，會將數據信息上傳到互聯網終端。互聯網終端數據庫根據環境衛生人員收集垃圾的路徑自動提供一個月內居民產生的垃圾量。該垃圾桶可以將信號自動發送到互聯網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。另外桶內裝有自動殺菌消毒設備，能夠將細菌和垃圾隔離開，切斷了污染源，有效地保護環境。

（3）蘇州市餐廚垃圾信息化監管平臺

現階段，我國的餐廚垃圾還未有妥善的管理與處置方法，經常出現摻水、漏收等違規行為，整體的處置流程未得到合理規范。為了解決這種現狀，蘇州市建立了餐廚垃圾信息化監管平臺，該平臺應用的系統基于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“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，將數據上傳至網絡端，完善收運信息，實現餐廚垃圾從現場收集、中途運輸至終端處置的全過程監管，解決了對餐廚垃圾收運進行規范管理，規避違規收運等問題。

蘇州市固廢監管平臺應用物聯網技術在固廢監管中取得的建設、管理效益，開啟了中國固廢數字化、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，固廢監管模式也為其它城市提供參考與借鑒[12]。

3 展望

雖然環保物聯網技術現已有一定的產業化基礎，但是總體來說我國現還處于起步階段，仍然需要政府、企業以及科研人員共同去解決一些尚存的問題。

（1）隨著環保行業對于物聯網技術的需求日益旺盛，對服務水平和質量的要求也大大提高。然而現階段大多數的環保企業還屬于傳統設備商，生產的在線監測儀器大部分依靠國外的先進技術，產品以化學分析類為主，價格和維護成本較高。在未來的發展中，設備商應逐步趨向于數據商，將物聯網技術結合本國國情，加大研發力度，設計出更適合本國環境現狀的系統與設備，自主進行綜合分析、模擬、判斷、預測[13]。

（2）在環保物聯網的實際應用中，最主要的因素是傳感設備。由于目前各種環境傳感器的功能較為單一、種類少、可靠性不高，在未來的發展中可結合“互聯網+”進行資源整合，進一步完善傳感設備，建設覆蓋大氣、水、土壤等綜合數據的智能環保解決方案。另外，應提高設備的耐用性，采用防潮、防火、抗酸、抗腐蝕等性能良好的材料，同時，優化環保設備的整體性能結構，避免傳感設備與惡劣環境直接接觸[1]。

（3）在未來，環境監測領域很有可能成為兵家必爭之地，結合李克強總理提出的“互聯網+”行動計劃，將監測與其他行業進行跨領域整合，共同推動環保產業的發展。同時，通過監測及預估環境變化趨勢，打造面向環保部門、企業和公眾的全方位智慧環保服務體系，助力“藍天行動”、“五水共治”等。

可以預見的是，環保物聯網的發展趨勢仍然會變化，但是以技術為主，創新為輔的大致道路還會繼續持續下去。只要明確了理念和體系，將產業鏈完整化、可持續化，環保物聯網的未來還有很大發展空間。

結語

總的來說，在新時期物聯網迅猛發展的背景下，發展環保物聯網是推動環境保護領域信息化的必然趨勢。雖然目前環保物聯網仍處于起步階段，在核心技術、標準體系建設、應用和產業化方面仍存在著一些亟待解決的問題，但是隨著經濟社會及科學技術的不斷發展，這些問題終將會得到有效解決，從而使物聯網技術在環境保護中發揮出更大的作用。