城市如何利用物联网绘制空气质量地图

据世界卫生组织(WHO)称，全球每年有超过550万人死于空气污染，其中许多死亡发生在大城市，在那里，汽车、工厂和发电厂排放的废气充满了有害微粒物。

为了应对人们越来越关注空气污染的影响，许多城市已经开始使用物联网(IoT)——收集和发送数据的连接传感器网络——来改进了监测空气污染的努力。利用这些数据，城市可以绘制高污染区域地图，跟踪一段时间内的空气质量变化，识别污染物，并分析潜在的干预措施。

使用传感器的城市空气质量监测方式分为三大类：将传感器集成到现有基础设施中，利用移动传感器，以及分析手机数据以了解居民暴露在不良空气中的其他方式。每种方式都有优点和缺点，城市在实施空气质量监测计划时应该考虑到这些。

将物联网传感器添加到现有基础设施中

许多城市已将空气质量传感器集成到现有基础设施中，以便跟踪关键区域的空气质量，例如，芝加哥在2014年部署了其物联网传感器，这是一个安装在路灯柱上的全市范围传感器网络，是由阿尔贡国家图书馆和芝加哥创新和技术部共同开发的。这些传感器使用一种叫做“Waggle芯片”的技术，可跟踪多种空气污染物的存在，包括一氧化碳、二氧化氮、臭氧和颗粒物质，并计划在不久的将来监测挥发性有机化合物(VOC)。芝加哥利用这些数据预测空气质量事件，以便采取预防措施，并通过该市的开放数据门户向公众发布。巴塞罗那通过其巴塞罗那照明总体规划实施了类似战略，部署了智能照明系统，内置空气质量传感器，向市政机构和公众传递信息。

其他城市已将传感器集成到多用途解决方案中。包括波士顿、洛杉矶和迈阿密在内的全球超过65个城市已经安装了Soofa长凳，公园长凳配备了太阳能电池板，通过USB端口为移动设备充电。这些长凳不仅是一个社交空间和可持续能源，而且还安装有监测空气质量、温度、交通和辐射的传感器。

将传感器集成到城市景观中，使城市能够随时收集数据并绘制趋势图而无需额外干预。此外，这些系统可以提供即时的空气质量数据，城市还可以利用这些数据在空气质量差的时候促使居民采取行动。然而，这些传感器节点很昂贵，每个传感器的价格通常在5000美元左右，因此城市可能无法大规模安装它们。截至2016年，芝加哥已安装了50个节点，尽管计划到2018年底将数量增加到500个，但这些传感器很可能无法在城市中的每个街区绘制详细的空气质量地图。

然而，像Airbeam这样的低成本空气质量传感器，通常大约250美元左右，可以为城市提供一个进行无处不在的长期监测机会。由于这些传感器价格便宜，所以城市可以购买更多，在城市景观中安装传感器，以便产生精确的实时空气质量数据。

人们担心这种便宜传感器产生数据的质量。根据《自然》杂志的一项研究显示：“降低成本不可避免地会降低传感器的特异性或敏感性，或者两者兼而有之”。低成本的空气质量传感器通常无法采集到更细微的颗粒，其读数可能会受到气象条件的影响。与通常来自学术或研究机构的更昂贵传感器不同，这些传感器很少有进行同行评审或学术评估，因此其准确性有待提高。然而，即使不完全准确，来自这些传感器的信息也可以帮助讨论空气质量，并增加进行变革的政治资本。

然而，这些传感器网络的价格和环境成本可能无法证明其作为政治动机的用途。虽然传感器本身价格低廉，但在某些情况下，其安装和维护以及分析它们产生的数据所涉及的费用仍然非常高。一些学者也开始关注这些传感器在使用寿命结束后的电子垃圾问题，因为尚未对其碳足迹进行适当的分析。

移动传感器

一些城市并没有将空气质量传感器安装到固定的设施中，而是选择将移动传感器安装到在城市中移动的设备或物体上。汽车为空气质量传感器提供了一个相当明显的载体，因为它们可以快速穿越整个城市并绘制地图。环境保护基金(EDF)与谷歌合作，利用街景汽车通过为汽车配备进气管和甲烷分析仪来监测11个城市的甲烷含量。利用这些数据，EDF创建了甲烷图，并发现了5500多处泄漏点。2014年，谷歌开始探索更广泛的空气质量监测，为街景汽车配备Aclima的环境智能(Ei)移动平台，该平台包括可测量颗粒物、NO2、CO2、炭黑等的传感器。在丹佛的一次试点测试中，该车在行驶750小时后收集了超过1.5亿个数据点，创建了该市的街道空气质量地图。

在共享自行车项目中使用空气质量传感器可能是收集全市空气质量数据的另一种方法。在2014年的一次试验中，都柏林市在30辆自行车上安装了监测空气的传感器，用于测量二氧化碳、一氧化碳、烟雾和微粒。虽然这次试验仅产生了为期三天的数据，但更广泛地将传感器构建到共享自行车计划中将使城市能够收集一致的空气质量数据，因为自行车是可移动的，因此这种方式可能需要比路灯嵌入式系统更少的空气质量传感器，并以较低的成本收集类似数据。

伦敦采取了一种独特的空气质量监测方法，在10只鸽子身上安装了空气质量传感器，以便在鸽子高空飞行中监测空气质量。2016年3月，该市将携带25克传感器的鸽子在伦敦放飞，用于监测二氧化氮、臭氧和其他挥发性化合物的含量，在鸽子飞行途中，伦敦人可以通过推特@PigeonAir来查看他们所在地区的空气污染程度。

路易斯维尔市没有部署传统的空气质量传感器，而是选择了另一种监测城市空气质量的方法。2012年，该市部署了AIR Louisville计划，给300名患有哮喘的当地居民提供了一个安装在哮喘吸入器上的传感器，该传感器跟踪吸入器使用的地点、时间和原因，旨在帮助居民控制哮喘。该市在最初的13个月里收集了5400个数据点，并开始识别吸入器使用率高的热点区域，以确定空气质量特别差的地区。现在，AIR Louisville 已经扩展到两千名居民，其目标不仅是帮助患有哮喘的居民，而且也是向城市管理者通报空气质量问题，以便制定政策。随着越来越多居民使用传感器在城市中行走，该市将能更全面地了解路易斯维尔的空气质量状况。

虽然这些一次性举措缺乏长期监测空气质量的能力，但它们可以提供更完整、及时和廉价的城市空气质量地图。因为移动传感器能够在几天内穿越整个城市，所以城市可以利用它们在任何给定时间快速捕捉全面的空气质量图像。此外，城市不需要投入大量传感器，因为一个移动传感器理论上可以绘制整个城市的地图。

与手机数据配对

虽然物联网空气质量传感器系统可以提供一个城市空气质量的图像，但可能不清楚这种空气质量对特定居民的影响，然而，通过使用匿名手机数据绘制居民路线，城市管理者可以更好地了解居民暴露在空气质量较差地区的影响情况。在纽约，麻省理工学院的可感知城市实验室使用匿名手机数据和空气质量监测来确定纽约人所接触不同化学物质的数量，例如，该研究确定，在曼哈顿生活和工作的人比其他行政区域的居民受到更多污染。这种类型的分析不仅仅是描述一个城市的空气质量，而且还概述了对居民的直接影响。

总结

虽然有很多选择，但一个城市选择采用的空气质量监测模式应该符合该城市的需求和能力。例如，在一个资金匮乏的城市，一次性的移动感应可能是一个很好的选择，因为这个城市刚刚步入智慧城市领域，对这样一个城市来说，空气质量测绘工作可能是有用的第一步，可以让人们意识到污染，或者提高公众对拟议环境改革的支持。另一方面，在一个资金实力更雄厚、公民技术环境更成熟、或者基础设施即将升级的城市，在基础设施中安装空气质量传感器可能更有意义。如果这样一个城市拥有发达的智慧城市议程和先进的数据管理能力，它不仅可以监测空气质量，而且还可以监测许多其他因素，例如交通、气候和噪音，以证明开发先进传感器网络的合理性。随着技术的发展将使传感器能够以更低的价格进行更多的测量，从而使基于传感器的数据对城市来说变得更加容易获取和有价值。