5G在智慧環(huán)保中的應(yīng)用探索和研究

吳義波

（廣東省環(huán)境科學(xué)研究院 廣東廣州 510000）

引言

環(huán)保信息化建設(shè)工作可以協(xié)助環(huán)保部門及時(shí)獲取各類環(huán)保信息，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析及時(shí)進(jìn)行管控，制定相應(yīng)措施，提高環(huán)保工作的效率與能動(dòng)性。不過，從當(dāng)前實(shí)際工作來看，我國的環(huán)保信息化建設(shè)工作還處于起步發(fā)展階段，仍存在很多問題，主管部門要加大環(huán)保信息化建設(shè)力度，關(guān)注智慧環(huán)保工作的發(fā)展。5G 技術(shù)在智慧環(huán)保工作中的應(yīng)用為智慧環(huán)保的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也是環(huán)保工作深入開展的關(guān)鍵。基于此，以下對(duì)5G 在智慧環(huán)保中的應(yīng)用問題進(jìn)行探索。

1 智慧環(huán)保

智慧環(huán)保就是以改善生態(tài)環(huán)境、提升生活質(zhì)量為目的，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行感知、收集、傳送、儲(chǔ)存、分析、解決、挖掘與和數(shù)據(jù)共享，最后達(dá)到智能化決策、信息資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。智慧環(huán)保體系主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、技術(shù)與運(yùn)行保障體系等內(nèi)容。服務(wù)對(duì)象主要是各級(jí)環(huán)保主管部門、企業(yè)與公眾。

上述中的感指的是通過傳感器等設(shè)備對(duì)空氣、水、土地資源、山林歷史人文遺址、保護(hù)區(qū)、旅游景區(qū)和農(nóng)村等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、捕捉和傳送，對(duì)指標(biāo)信息開展多方位感知；傳指的是通過環(huán)境保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、融合4G/5G 等把檢測(cè)到的環(huán)保數(shù)據(jù)傳遞到政府部門信息系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)部門以及個(gè)人電子設(shè)備等，開展信息互動(dòng)和資源共享；析指的是通過云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)等方式把大量環(huán)境保護(hù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與分析，完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、發(fā)掘與模型分析，為管理部門決策管理提供支持；視就是把數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過屏幕進(jìn)行展示，使其清晰明了。

2 5G 的特點(diǎn)與技術(shù)

2.1 5G的特點(diǎn)

5G 有別于2G、3G、4G 技術(shù)，已不是某種業(yè)務(wù)水平或某一典型技術(shù)特點(diǎn)所定義，具有高傳輸速率、泛在網(wǎng)、功耗小、低延遲、萬物互聯(lián)、重構(gòu)安全性等特點(diǎn)。5G 是以4G 為基礎(chǔ)發(fā)展起來的[1]，除了在延遲、速度、功能損耗等層面的升級(jí)與提高，還有利于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，讓我們更快的進(jìn)入到智能化網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。隨著時(shí)代的發(fā)展，5G 已經(jīng)成為我國互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵。政府部門非常重視5G 技術(shù)產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加大在集成芯片、系統(tǒng)軟件、終端設(shè)備等產(chǎn)業(yè)上的支持，重視5G 在我國標(biāo)準(zhǔn)的研制工作，加大5G 互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，切實(shí)打造5G 精品互聯(lián)網(wǎng)。能夠看到，在產(chǎn)業(yè)鏈多方的參與下，5G 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會(huì)越來越好，5G 的智能化、高率開放、架構(gòu)變革也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)承載網(wǎng)構(gòu)架的發(fā)展[2]，充分發(fā)揮5G 技術(shù)在協(xié)同管控、高精度同步、靈活組網(wǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)，滿足智慧環(huán)保體系多元化業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)前端業(yè)務(wù)與后端數(shù)據(jù)的迅速、高效互聯(lián)互通。

2.2 5G技術(shù)

5G 技術(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)和無線空口技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)以確保互聯(lián)網(wǎng)的低延遲、高可靠性為主。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)的一種。網(wǎng)絡(luò)切片簡單來說就是為適用特殊應(yīng)用情景或運(yùn)營模式的通信服務(wù)的一組邏輯網(wǎng)絡(luò)功能集合，是通過物理基礎(chǔ)設(shè)施來完成服務(wù)功能，這些邏輯網(wǎng)絡(luò)功能能夠看作是EPC 中的網(wǎng)絡(luò)功能下的系列子功能。借助網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上形成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，防止為每個(gè)服務(wù)建設(shè)一個(gè)專用物理網(wǎng)絡(luò)，大大降低了成本。

無線空口技術(shù)用以提高移動(dòng)寬帶，大規(guī)模天線技術(shù)也屬于無線空口技術(shù)的一種。大規(guī)模天線技術(shù)主要以多用戶波束形成原理為基礎(chǔ)[3]，在基建端設(shè)置上百根天線，讓多個(gè)目標(biāo)同時(shí)接受調(diào)制波束。借助空間信號(hào)隔離還能夠達(dá)到一個(gè)頻率資源多種信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)哪康摹？梢钥闯觯瑹o線空口技術(shù)的應(yīng)用可以加大空間資源的挖掘，提升頻帶資源使用效率，幾十倍的提高網(wǎng)絡(luò)容量[4]。

3 5G在智慧環(huán)保中的應(yīng)用

3.1 基于5G技術(shù)的智慧環(huán)保系統(tǒng)構(gòu)建

5G 技術(shù)在智慧環(huán)保系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層三個(gè)層面，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于5G技術(shù)的智慧環(huán)保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感知層包括廢棄、水質(zhì)、氣候等監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。目前環(huán)境保護(hù)管理的關(guān)鍵難點(diǎn)是未能取得充足的監(jiān)管數(shù)據(jù)，許多檢測(cè)工作依靠人力進(jìn)行事后處理。在此基礎(chǔ)上建立以5G 技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)智能終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中水質(zhì)、流量、水位、雨量、空氣質(zhì)量等的全面檢測(cè)。同時(shí)，基于5G 技術(shù)的終端設(shè)備功耗低、安裝便捷、維護(hù)保養(yǎng)成本低。網(wǎng)絡(luò)層具體包括現(xiàn)場(chǎng)5G 基站設(shè)備。通過5G 技術(shù)可以完成傳感器設(shè)備的信息收集、傳遞與云端存儲(chǔ)。應(yīng)用層也稱為服務(wù)器應(yīng)用，是以感知層5G 網(wǎng)絡(luò)信息為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)信息的深度挖掘與分析來實(shí)現(xiàn)氣象預(yù)警、水質(zhì)分析、安全監(jiān)測(cè)、土壤分析等功能。

3.2 5G技術(shù)在智慧環(huán)保中的實(shí)際運(yùn)用

（1）推動(dòng)環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)終端智能化。物聯(lián)網(wǎng)終端做為組成生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)控管理體系的終端，是實(shí)現(xiàn)空氣、水、土壤、固體廢棄物、噪音等環(huán)境因素變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。伴隨著廣大群眾對(duì)生態(tài)環(huán)境要求的提升，環(huán)保檢測(cè)范疇也愈來愈廣，檢測(cè)任務(wù)更加繁瑣，人們對(duì)智能化環(huán)保監(jiān)測(cè)方法與設(shè)備也提出了更高的要求。5G技術(shù)的發(fā)展授予智能化終端強(qiáng)大的聯(lián)接能力與計(jì)算能力，可以全方位推動(dòng)智能傳感技術(shù)、人工智能可視化檢測(cè)終端、環(huán)境衛(wèi)生智慧作業(yè)等智能化終端在智慧環(huán)保行業(yè)的運(yùn)用，加強(qiáng)終端仿真模擬、任務(wù)執(zhí)行等實(shí)際操作，全方位提高終端實(shí)行效率。

（2）加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸歸集。隨著環(huán)保監(jiān)測(cè)范圍和檢測(cè)指標(biāo)值的擴(kuò)大與發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端在使用過程中也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。在5G 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的帶動(dòng)下，環(huán)保數(shù)據(jù)種類逐漸豐富，從單一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿財(cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從文本結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)為圖片、視頻等多種結(jié)構(gòu)。5G 技術(shù)的應(yīng)用為數(shù)據(jù)的傳輸提供了高速、大容量、低延時(shí)的信息傳輸通道，讓環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)終端和中心平臺(tái)進(jìn)行更好的連接和溝通，提升終端數(shù)據(jù)處理效率，促進(jìn)終端與終端、終端與平臺(tái)以及平臺(tái)和人的互聯(lián)互通。

（3）創(chuàng)新環(huán)保應(yīng)用高效智能化。以海量生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息分析與應(yīng)用是環(huán)保應(yīng)用智能化的關(guān)鍵。5G 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘與分析中起到基礎(chǔ)支撐的作用，借助數(shù)據(jù)分析模型與相關(guān)推演可形成數(shù)據(jù)收集、匯聚、分析、模型建立、反饋、共享與提升的閉環(huán)模式，把數(shù)據(jù)信息處理結(jié)構(gòu)反饋給終端與平臺(tái)應(yīng)用，為生態(tài)環(huán)保管理者提供決策、管理、治理的數(shù)據(jù)支持。

5G 技術(shù)通過創(chuàng)新促進(jìn)智能化邊緣計(jì)算、借助5G 邊緣網(wǎng)關(guān)將人工智能程序拓展到邊緣，通過數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提升計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的提升和融合，提高算法速度、達(dá)到近邊緣智能服務(wù)的目的。

4 5G 網(wǎng)絡(luò)在智慧環(huán)保中的優(yōu)勢(shì)

4.1 實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)

智慧環(huán)保監(jiān)測(cè)中，5G 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)等的融合，能夠完成環(huán)境和平臺(tái)、平臺(tái)和人間的信息互動(dòng)，把污染源數(shù)據(jù)、誘因、部位、圖片與視頻等傳送到系統(tǒng)中，發(fā)出報(bào)警，防止環(huán)境污染問題出現(xiàn)卻未及時(shí)處理事故的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)城市之間的聯(lián)防聯(lián)控、資源共享、共同管理決策。比如可以借助無人機(jī)技術(shù)、5G、高清攝像頭等實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的不間斷航拍；通過無人船加強(qiáng)對(duì)走航檢測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，把所獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)通過5G技術(shù)傳輸給平臺(tái)與終端設(shè)備。同時(shí)，通過VR 技術(shù)可以進(jìn)一步做到實(shí)景感知和實(shí)時(shí)觀測(cè)。借助5G 技術(shù)高速率、低延遲的優(yōu)點(diǎn)，依靠VR、無人機(jī)全天、全地貌的協(xié)調(diào)能力和無人船的超長期巡航檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行全數(shù)據(jù)回傳，創(chuàng)建一體化生態(tài)檢測(cè)體系。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸精確

現(xiàn)階段智慧環(huán)保中傳感器、檢測(cè)儀等設(shè)備通過WIFI、4G 等方法連接到網(wǎng)絡(luò)中，若感應(yīng)器等設(shè)備聯(lián)接的總數(shù)過多就會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，此時(shí)極有可能造成網(wǎng)絡(luò)擁擠、廷時(shí)、環(huán)保數(shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確、處理不及時(shí)等數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況，嚴(yán)重時(shí)還有可能會(huì)造成環(huán)境污染未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理的問題。要更好地處理上述問題，在感知數(shù)據(jù)信息用于智能化終端設(shè)備時(shí)，能夠使用5G 互聯(lián)網(wǎng)向客戶設(shè)備直接傳送數(shù)據(jù)信息，在提升客戶操作效率的同時(shí)完成對(duì)信息的實(shí)時(shí)判斷，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性。

4.3 數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)

5G 技術(shù)在智慧環(huán)保中的應(yīng)用也給環(huán)境大數(shù)據(jù)帶來了巨大變化，通過大數(shù)據(jù)分析可以建立多樣的、復(fù)雜化模型，使數(shù)據(jù)分析更加精準(zhǔn)。

4.4 智能處理

5G 技術(shù)在智慧環(huán)保中的應(yīng)用為使用機(jī)器人自動(dòng)處理污染源提供了可能。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到污染源時(shí)，可以借助5G 技術(shù)把污染源的位置傳送給機(jī)器人，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)之后就可以自動(dòng)進(jìn)行污染源處理，提高智能化處理水平。

4.5 低碳環(huán)保

隨著5G 技術(shù)的應(yīng)用和普及，越來越多的人將會(huì)以5G 來替代現(xiàn)有的有線上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心向云端的轉(zhuǎn)移，以手機(jī)來替代電腦，可以減少能源的消耗。另外，在其他條件不變，同等應(yīng)用規(guī)模下，5G 基站的總能耗比傳統(tǒng)寬帶設(shè)備更低，更加低碳環(huán)保。

結(jié)語

隨著我國5G 等信息化新技術(shù)的發(fā)展，智慧環(huán)保領(lǐng)域的建設(shè)也取得新的成就，智慧環(huán)保行業(yè)未來發(fā)展前景廣闊，不過也存在風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。智慧環(huán)保的建設(shè)要不斷融入新技術(shù)，結(jié)合環(huán)保業(yè)務(wù)的新形勢(shì)需要，提升環(huán)保部門治理能力和公眾對(duì)環(huán)境的滿意度。