城市是吸引人們的強大磁鐵。根據聯合國的數據，地球上近一半的人口生活在人口超過 50 萬的大都市中，到 2050 年，這一數字將上升到三分之二以上。此外，人口超過 1000 萬的特大城市的數量– 從 1990 年的 10 個增加到今天的 28 個，預計到 2030 年將增加到 41 個。

這不一定是壞消息。管理良好的大都市鼓勵經濟發展并改善其居民的就業前景、住房、電力、水、衛生、交通、醫療保健和教育。與為農村人口提供服務相比，提供服務的成本要低得多，而且在環境上更可持續。

但隨著城市規模的擴大，城市面臨的問題也會成倍增加。最棘手的問題之一是交通擁堵。擁堵堵塞了城市動脈，阻礙了經濟進程，但其對人類健康的影響更為嚴重。交通不斷向空氣中排放有害排放物，包括直徑為 2.5 微米（或更小）的大氣顆粒物 (PM)。這種 PM2.5 污染深入肺部，被認為對健康最有害。

控制交通以限制污染的傳統嘗試（例如擁堵收費或阻止某些車輛在特定日期行駛）很麻煩，并且未能考慮天氣和道路工程或事故等瞬態交通狀況等因素。

但現在，商業空氣質量傳感器的廣泛部署—— 通過低功耗無線局域網 (LPWAN)無線連接到物聯網 (IoT) ——有望生成細粒度數據，城市規劃者需要對大氣污染的積累（和清除）。一些開創性的權威正在采用新興的物聯網來凈化城市的空氣，但需要做更多的工作來實施適合未來智慧城市的污染控制系統。

卡馬格頓

亨利福特位于美國的生產線因向大眾引入了獨立機動性而受到贊譽，城市規劃者很快就接受了這場文化革命。例如，1920 年代洛杉磯的設計幾乎是由汽車決定的。從 1910 年開始的十年快速擴張期間，人們可以輕松地使用汽車四處走動，從而創造了這座城市的低人口密度和偏遠的郊區。今天，洛杉磯的交通系統已成為其自身成功的犧牲品。交通分析師 INRIX 的數據顯示，2017 年，該市的擁堵狀況連續第六年成為世界上最嚴重的城市。該公司表示，洛杉磯的通勤者注定每年要花費 100 多個小時與高峰時段的擁堵作斗爭。

但擁堵并不是美國獨有的問題。在中國和印度，迅速擴張的中產階級將大部分可支配收入花在汽車上，問題很嚴重，而且會變得更糟。例如，孟買擁有約 1850 萬居民和 230 萬輛汽車，在過去 7 年中增長了 55%，2017 年每天的新車登記數量約為 700 輛。北京的車隊同樣令人印象深刻， 2170 萬的大都市人口為 597 萬（圖 1）。

圖 1：北京的擁堵程度非常嚴重。該市擁有 597 萬輛汽車，為 2170 萬大都市人口提供服務（來源：Travelerpix/Shutterstock.com）

顆粒物污染的來源及其影響

PM2.5 污染有很多來源，包括燃煤和燃油發電站、家庭烹飪，甚至是灰塵和海鹽等天然來源。但在韓國光州進行的一項研究表明，該市超過三分之一的顆粒物可歸因于柴油和汽油動力車輛。

北京也有類似的情況。2017年3月下旬，全市PM2.5濃度為238μg/m 3，全市全年平均為90μg/m 3。世界衛生組織 (WHO) 指南指出，24 小時內 PM2.5 的平均讀數僅為 25μg/m 3是不健康的。中國城市的居民正在為流動性付出高昂的代價。南京大學環境學院 2016 年的一份報告得出結論，北京（以及中國其他擁堵城市）的所有死亡人數中有 31.8% 可能與 PM2.5 相關。

雖然沒有北京、孟買那么糟糕，擁有龐大的車隊和低排放標準，但這座城市經常遭受令人震驚的空氣質量。《印度時報》報道稱，該市在全球 859 個城市中排名第 63 位，是污染最嚴重的特大城市。2016年，全市PM2.5平均水平為64μg/m 3。盡管北京和孟買是異類，但西方城市沒有理由沾沾自喜。洛杉磯記錄的 PM2.5 年平均讀數為 18μg/m 3。在歐洲，巴黎在 2018 年 2 月 記錄了 55μg/m 3的峰值讀數。

據世界衛生組織稱，空氣污染是造成非傳染性疾病的主要原因，導致大約 24% 的成年人死于心臟病，25% 死于中風，43% 死于慢性阻塞性肺病，29% 死于肺癌。

污染緩解 1.0

幾個城市當局已經努力完成清理居民空氣的任務。有些嘗試比其他嘗試更奇怪。據英國廣播公司報道，德里一直在考慮將噴氣發動機安裝在平板上并將其拖到污染嚴重的地區，以利用發動機的推力將顆粒物推入大氣層并遠離肺部。北京最近還引入了一個許可證制度，限制非居民一年內只能開車進入城市12次。

控制空氣中顆粒物的更傳統嘗試包括在國家污染熱點上部署監測設備幾個月，以建立一種模式，然后采取嚴厲措施，例如限制進入或提高排放稅，以阻止交通，直到空氣變得更清晰。此類舉措未能考慮到天氣和汽車事故等瞬態因素，而強硬的解決方案會使駕駛員感到沮喪，并且通常會產生短期結果。

使用傳統技術限制顆粒物污染

通過部署傳感器和網絡攝像頭等現代電子產品，一些美國城市正在取得更好的成果。例如，伊利諾伊州芝加哥市使用安裝在燈柱上的傳感器來構建城市大片區域隨時間推移的污染圖片，而賓夕法尼亞州匹茲堡的居民可以使用網絡攝像頭放大特定的污染源排放并記錄污染事件以識別模式。在其他地方，肯塔基州路易斯維爾通過收集哮喘患者何時使用吸入器的數據來識別污染熱點。

在美國以外，奧斯陸允許公交專用道進入，提供大量充電站和優先停車位，并免除電動汽車的通行費。挪威擁有世界上人均純電動汽車數量最多的國家，這個擁有 520 萬人口的國家擁有超過 100,000 輛。奧斯陸 2016 年的平均 PM2.5 讀數為 11μg/m 3。德國德累斯頓正試圖通過實施吸收污染的“綠墻”來過濾空氣中的顆粒物（圖 2）。

圖 2：德累斯頓等德國城市正在使用“綠墻”來吸收顆粒物污染。（來源：綠色城市解決方案）

連通性改善污染控制

減少進入城市的汽車數量的舉措必然會對空氣質量產生一些影響。更少的排氣管等于更低的排放。但影響往往沒有預期的那么高。例如，倫敦在 2003 年推出了擁堵收費計劃。到 2014 年，收費區的交通量比十年前減少了近四分之一。但是公交車的數量增加了，出租車和私人出租汽車的行程自 2000 年以來增加了近 30%。

倫敦的擁堵費是否改善了城市人口的空氣質量？2003年全市PM2.5平均讀數為25μg/m 3 （中部地區升至35μg/m 3 ），而2016年為15μg/m 3 （中部地區升至18μg/m 3 ）。這是一個顯著的改善，但仍然意味著空氣質量遠高于世界衛生組織的閾值 10μg/m 3。

倫敦的經驗表明，解決空氣污染問題受許多相關因素的支配，改變一個因素會（有時是有害的）影響其他因素。要在一段時間內對污染高峰做出快速反應并降低平均水平，需要數據……大量及時和準確的數據。

物聯網 (IoT) 能夠通過 LPWAN 連接到云的緊湊型廉價無線傳感器快速生成、整理和分析數據，這將使城市規劃者能夠利用大數據來改善空氣污染控制。

構建物聯網空氣污染控制系統

基于物聯網的空氣污染系統將包括四個基本要素：

• 用于監測和報告污染水平的無線空氣質量傳感器；
• LPWAN連接將數據從短距離無線傳感器網絡傳輸到云端；
• 能夠分析來自數以萬計無線傳感器的數據的云服務器；
• 預測算法，建議采取措施防止空氣污染達到危險水平。

緊湊、廉價、電池供電的 PM2.5 傳感器正在商業化。來自這些設備的數據可以通過金屬氧化物半導體 (MOS) 氣體傳感器進行補充，該傳感器可以調整以獲取廢氣中普遍存在的二氧化氮 (NO 2 ) 和一氧化碳 (CO)，從而給出空氣污染的總體指示由車輛創造。這些傳感器通常與使用電池友好型無線協議（如藍牙低功耗 (BLE) 或 Zigbee）的射頻收發器配對，以便數據可以通過網絡連續傳輸。由于 PM2.5 和氣體傳感器價格便宜且不引人注目，它們可以廣泛分布在城市中以監測空氣污染。

LPWAN 在短距離無線傳感器的局域網 (LAN) 和云之間形成穩健、遠程、安全的連接。一些 LPWAN 技術目前正在商業化，包括蜂窩物聯網技術，例如 LTE-M 和 NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox 和 Weightless（圖 3）。

圖 3： LPWAN 在無線傳感器網絡和云之間形成遠程連接。（來源：metamorworks/Shutterstock.com）

一旦通過 LPWAN 將數據上傳到云端，就??可以對其進行匯總和分析，以構建幾乎實時、精細的整個城市空氣污染變化情況的圖景。隨著歷史數據庫的建立，算法可以參考過去的事件來準確預測未來的模式將如何發展——使當局能夠在需要時采取預防措施。此類信息將允許采取比傳統措施更微妙的行動，例如調節交通流量、暫時降低清潔車輛的道路通行費以及通過蜂窩網絡或互聯網快速建議市民避開可能很快變得危險的區域。

早期采用者

倫敦

倫敦正在通過與蜂窩基礎設施提供商聯盟 GSMA 合作，在格林威治皇家自治市推出基于物聯網的試驗，從而積累其在擁塞控制方面的經驗。該項目被稱為智能倫敦，它結合了傳感器、蜂窩物聯網 LPWAN 和大數據分析技術。傳感器網絡包括附在車輛、自行車和人員上的低成本靜態和移動設備。現有格林威治空氣質量監測站的數據補充了這些數據。

這些信息使當局能夠盡早做出決定。例如，來自空氣質量測量的數據被用于通過智能手機通知向 AirTEXT 服務的訂戶通知他們所在地區的污染水平何時可能上升。作為數據分析的結果，該行政區已經采取了緩解污染的措施，例如禁止使用大型送貨卡車，而是聘請了騎自行車運送包裹的承包商。

雖然格林威治的實驗還處于早期階段，但 PM2.5 的水平正在呈現適度下降（圖 4）。

圖 4：倫敦格林威治，基于物聯網的空氣污染控制正在對 PM2.5 水平產生影響。（來源：格林威治皇家自治市）

漢城

韓國首都是當地電信運營商運營的基于物聯網的空氣污染監測計劃的所在地。對于發達國家來說，韓國的空氣很臟。2018 年 3 月下旬，首爾 PM2.5 達到峰值 100μg/m 3。Air Map Korea 項目通過全國基礎設施收集空氣質量數據，包括韓國的 450 萬個電線桿、330,000 個移動基站、60,000 個公用電話亭和 4,000 個中央辦公室。除了 PM2.5 和 PM10 水平之外，傳感器還跟蹤溫度、噪音水平和濕度。傳感器數據通過蜂窩物聯網 LPWAN 中繼到公司現有的 4G 和新的 5G 移動網絡。收集后，這些信息每分鐘都會傳輸到公司的空中地圖平臺。

到目前為止，首爾的空氣質量倡議取得的成果有限。市政府已采取措施鼓勵人們下車——例如在高峰時段免收公共交通費、關閉停車場、在污染達到高峰時對某些柴油燃料車輛實施罰款和禁令——但這些措施減少了交通只有大約百分之二。據《美國新聞與世界報道》報道，韓國政府發言人將過去五年 PM2.5 的改善描述為停滯不前。

對空氣質量數據采取行動

倫敦和首爾的經驗表明，測量污染是一回事，根據信息采取行動以產生有意義的影響是另一回事。但物聯網還處于早期階段，從中期來看，城市規劃者將受益于廣泛的監控網絡和云存儲所積累的大量當前和歷史數據。

改善反應

如何對物聯網產生的數據做出反應在很大程度上取決于政治氣候，但技術可以通過確保公眾及時了解準確信息，在決策過程中發揮更大的作用。這樣，公民更有可能接受使個人出行更加昂貴甚至受到限制的措施。

引入增強型傳感器技術

低功率無線和半導體技術的進步正在使空氣質量傳感器更便宜、更小、維護更少、更準確和更遠。因此，未來的污染控制計劃將能夠利用更大的傳感器部署和更高的測量精度。

擴展傳感器網狀網絡

藍牙? 網狀網絡和 Zigbee ?固有的網狀網絡兼容性等發展也有助于廣泛部署。網絡允許傳感器相互通信，減少所需的 LPWAN 節點數量，因為數據可以聚合到大型網絡上的單個點并從中轉。這種布置降低了成本和復雜性。

部署全市 LPWAN

LPWAN 在構建物聯網方面發揮著關鍵作用。蜂窩物聯網提供了早期優勢，因為 4G（以及越來越多的 5G）網絡已經在大多數城市建成，從而為都市蜂窩物聯網服務的供應商提供了早期牽引力。LoRaWAN、Sigfox 和 Weightless 正忙于在主要城市建立基礎設施以支持他們的技術。一旦到位，這些 LPWAN 將為在城市的任何區域快速且廉價地部署無線傳感器網絡提供骨干網。

使用人工智能及早采取行動

基于龐大的數據資源并利用服務器群的力量，工程師將開發算法，智能地考慮影響空氣污染的因素之間的復雜相互作用，產生準確的預測并建議早期（和微妙的）行動以降低危險水平。例如，韓國正在建造的空氣凈化廠將在空氣污染達到閾值時自動開啟，以及中國的無人機，它們在污染熱點噴灑水或化學物質以沖走 PM2.5 的積累。

總之

盡管城市仍然依賴柴油和汽油車輛，但排氣管排放的 PM2.5 對人類健康是潛在的危害。主要城市正在意識到由呼吸系統疾病引起的生產力損失和衛生系統的負擔，一些城市已經努力降低污染水平。這些開創性的努力值得稱贊，但實施起來成本高、管理復雜且產生的結果有限。

物聯網通過近乎實時地生成連續的準確數據流來解決傳統監控系統的弱點，使規劃人員能夠做出更明智的決策以減少交通流量。然而，物聯網還處于起步階段，直到工程師推出下一代無線傳感器網絡、城市范圍的 LPWAN 和 5G 蜂窩基礎設施來將數據提供給 AI 算法，其空氣污染控制的全部潛力才能實現然后可以觸發早期預防措施。

審核編輯：符乾江