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智慧环保应用案例

一、美国​

MARVIN：富营养化监测平台​

美国佛罗里达海洋研究组织建设了一个简称为 MARVIN 的传感平台，目标主要是根据有害藻类富营养化相关水质变化提供即时的水质信息，监测项目包括 pH 值、溶氧量、水温、导电度、叶绿素浓度、浊度、硝酸盐及磷酸盐、水位、水流速与方向、水中光合辐射光能以及全光等。这些传感器同时安装在一个浮舟之中，并搭载了一个气象塔，负责监测包括风速与风向、气温、相对湿度、气压及降雨量等项目。

MARVIN 的信息传输方式是利用传感器收集监测数据信息后，通过天线传送讯号至卫星及手机等界面，提供远程信息的获取。MARVIN 平台通常每小时取样两次，然后每小时或每三小时通过卫星将数据回传。

MARVIN平台需每两周进行一次人工维护，维护人员会采用传统的采样和分析方法收集数据，用于校正在后处理过程中的 MARVIN 平台数据。MARVIN 数据还可帮助建模人员观察水流循环和克卢萨哈奇河生物系统、帮助船长及应急管理人员及时了解实时水质情况、帮助游人预测赤潮是否会出现、帮助搜救队了解水流能见度、帮助学生学习生物圈的有关知识等。

CitySense：城市检测传感网络​

CitySense 是由美国国家自然科学基金会资助，由哈佛大学和 BBN 公司联合开发出的，可以报告整个城市实时监测数据的无线传感网络项目。

CitySense 通过在美国马萨诸塞州剑桥市的路灯上安装传感器，利用路灯的电力供应系统作为传感器运行时的电力能源，解决了电池寿命对于无线传感网运行的限制，有利于长期环境监测试验。每个节点都含有一个内置 PC 机、一个无线局域网界面，利用 WiFi 无线网络技术，将监测信息回传到监测中心，监测信息包括压力、温度、相对湿度、风速、风向、降雨量、降雨强度、CO2、噪声，之后为用户提供 CitySense 网站信息查询。

CitySense 通过把每个节点同相邻的节点相连形成网状，将分散在城市各处的远程节点和位于哈佛大学和 BNN 的中心服务器连接。在这一网络中利用一个1英里射程的小无线电装置，任何一个节点都可以从远程服务器中心下载软件或上传传感器数据。另外，根据微软公司提供的 VirtualEarth 和 SensorMap 技术，网站的数据资料将覆盖到地图上。民众及学者可通过网站追踪污染物扩散情形，进行长期监测，研究空气污染的解决方案。

虚拟数字河流：哈德森河的重生​

纽约曼哈顿有一条哈德森河，北起阿迪龙达克山区，绵延500公里南下，在纽约港入海。哈德森河曾经是人们心中富饶的果篮子、菜篮子，十九世纪中期，如画的风景和便利的交通， 吸引了很多纽约富商来河谷两边的山上修建度假的宅邸。然而后来，居民造成的下水道污物的沉积以及大型工厂倒入的有毒化学物质，致使这条河流受到了严重污染。

上世纪八十年代，环保主义热潮涌起，为了恢复哈德森河的生态系统，纽约州政府发起了一个“新一代的水资源管理计划”。他们在河的全程都安装了传感器，一些传感器甚至高达2米。这些传感器把各种各样的物理、化学、生物数据包括河流的盐度、浊度、叶绿素和颗粒物粒径等信息，通过网络实时传递到后台的计算中心区。数据像流水一样不间断地生成，不间断地被处理，并与历史数据进行比对。

后台的计算中心区分为三个环节，首先是数据传输，传感器将从河中与周边环境收集到的数据以实时连续的方式传送给系统管理层。然后，河流的不同类型数据被清洗，后台通过消除数据的异源性，使关于哈德森的数据一致化，并具有互通性，最后在分析管理平台对这些数据进行可视化的展现。在科学家的电脑显示屏上，各种数据汇成了一条虚拟的哈德森河，流水何时被污染，化学、物理、生物成分发生了什么变化，一看便知。接下来数据科学家便可利用这些处理过的信息建模模拟一个哈德森河的环境模型和治理方案，评估不同的治理和人类干预对于哈德森环境的多方影响，以保证在实际治理时的效果。

经过多年的努力，哈德森河已逐渐恢复其清澈的水质和优美的环境。现在每年的父亲节周末，都有一个持续两天的环保音乐节——清水节（Clearwater Festival）来庆祝哈德森河的重生。

Recycle Bank ：垃圾回收奖励计划​

2007年，通过利用创新的 RFID 技术，美国的 Recycle Bank 为社区民众创造了一种应对废物收集成本上升的环保解决方案。Recycle Bank 为各家庭装备了简化回收工作的工具，同时还为家家户户提供了可测量废物回收量的技术。实行垃圾回收奖励计划，激励消费者积极参与废品的回收。一个家庭垃圾回收的越多，所获得的 Recycle Bank 红利积分也越多。这些积分可以用来购买产品和享受社区优惠。

该计划将低频 RFID 标签贴在实物回收箱上，同时将 RFID 读写器安装在回收卡车的称重装置上。读取之后的数据发送给回收车上的内部计算机并进入 Recycle Bank 的安全数据库。收集后的数据接着会上传到 Recycle Bank 的数据收集和处理系统。

方案实施后，社区居民垃圾回收的热情大涨，社区环境有了很大改善。试点成功后，Recycle Bank 将这一系统扩大到了9个州，获得了巨大成功。比如，在一周内，新泽西州的樱桃山乡镇因为采用这项计划，其废物的回收率达到了135%。计划施行前，每个普通家庭每周回收的物品约是十二磅，现在已经超过26磅；通过使用 RecycleBank 的计划，特拉华州威尔明顿市废物回收率在短短6个月内从0%提高到了37%；新泽西州艾尔克镇在采用系统之前每周回收的废物量平均为16吨，现在回收量已多达42吨，增长率为136%。

二、欧洲​

「英国」HiTemp 项目：研究热岛效应​

英国伯明翰大学主导了一个名为 HiTemp 的环境项目，在伯明翰城区内部署了250个环境温度感测装置以及30个自动气象站。它们通过无线或有线方式接入互联网，实现数据互联互通。研究人员说，这是全球最密集的环境监测网络，用于研究城市热岛效应。通过无线和有线网络，这些设备收集的数据能够实时传回大学的服务器进行分析，并与有关部门实时共享。

此次研究旨在未来能将这些技术运用到更广泛的环境监测项目上，包括监测空气污染、二氧化碳排放等，为绿色城市规划提供更有针对性的数据参考。

「瑞典」哈姆滨湖城：电脑控制输送垃圾​

哈姆滨湖城陆地面积1.6平方公里、居民1.8万，曾经是个旧工业区，近年成为瑞典斯德哥尔摩最大的近郊发展项目，目标是打造成为未来城市发展的典范。

在哈姆滨湖城，人们能看见一排电子垃圾桶，分别用于接收食物垃圾、可燃物垃圾以及废旧报纸等不同类别的垃圾。这些电子垃圾桶通过各自的阀门与同一条地下管道相连，阀门分别在每天自动打开两次，不同类别的垃圾进入地下管道，并以每小时70公里的速度被输送到远郊，在电脑的控制下自动分离并输送到不同的容器里，按需要循环利用。整个过程都是通过电脑控制，提高了垃圾传输和处理速度，以及再利用效率。

「法国」Sensaris：空气质量监测​

法国 Sensaris 公司研发出一种穿戴式无线传感器，可配戴在手腕上。这一传感器结合全球定位系统（GPS），在其中装置蓝牙传输设备，由装有蓝牙的手机接收传感器的监测信息，然后再借助手机上网功能，将信息上传至当地的中央服务器。因此，无论是行人，还是骑自行车者，都可使用这套设备，这一设备可以让公众监测并汇报噪声和空气质量信息，通过互联网即时将最新资讯分享给各使用者。

目前此传感器提供了噪声和臭氧的监测功能，已大规模地部署在巴黎地区，以建构即时的污染地区地图。未来 Sensaris 计划增加其他空气污染物的监测，包括一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物。

「瑞士」Perma Sense Project：监测阿尔卑斯山​

通过物联网中无线感应技术的应用，PermaSense Project 项目实现了对瑞士阿尔卑斯山地质和环境状况的长期监控。现场不再需要人为的参与，而是通过无线传感器对整个阿尔卑斯山脉实行大范围深层次监控，包括：温度的变化对山坡结构的影响以及气候对土质渗水的影响等。

参与该计划的瑞士巴塞尔大学、苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院，派出了包括计算机、网络工程、地理与信息科学等领域专家在内的研究团队。据他们介绍，该计划所搜集到的数据可作为自然环境研究的参考，同时，经过分析后的信息也可以作为提前掌握山崩、落石等自然灾害的事前警示。

近年来，全球变暖趋势让各界更加重视自然环境的变迁，PermaSense Project 项目即透过物联网（Internet of Things, IoT）中无线遥感技术的应用，长期监控瑞士阿尔卑斯山的环境状况。回顾近日国内无预警发生的山体滑坡、泥石流灾害，政府则更需要重视地地质灾害多发地区的环境监控与管理，若能有效的利用信息遥感技术与专业人士的结合，将更能提早察觉环境变化，防范于未然。

PermaSense Project 于2006年时启动，参与计划的研究团队包括瑞士巴塞尔大学（University of Basel）、苏黎世大学（University of Zurich）与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich），成员包含电脑与网络工程、地理与信息科学等领域的专家。该计划将物联网中的无线遥感网络技术（Wireless Sensor Network, WSN）应用于长期监测瑞士阿尔卑斯山（Alpine）的岩床地质情况，所收集到的数据资料除可作为自然环境研究的参考外，经过分析后的资料也可以作为提前掌握山崩、落石等自然灾害的事前警讯，该计划有两项主要目的：

通过物联网来监测自然灾害和预警

(一) 设置无线遥感网络来测量偏远与恶劣地区的环境情况。

(二) 收集环境数据、了解变化过程，结合气候变化等资料用于自然灾害监测和预报。

由于阿尔卑斯山的地势高，且地形险峻，高海拔地带累积的永冻土（permafrost）与岩层历经四季气候变化与强风的侵蚀，长期累积后所发生变化即会对登山客与当地居民造成极大影响，但该区环境与位置无法以人工方式长期监测，因此现在该计画即透过无线感测器的建置做到大范围的监控，包括：温度的变化对山坡结构的影响以及气候对土质渗水的变化。目前感测器的建置成本与部署的困难度需要持续的降低与改善，才有助于该技术更广泛且普遍的应用。此外，未来监测系统与预警系统若能整合，将更有助于保障安全。

「西班牙」空气质量及污染监测网​

OSIRIS 是欧盟 GMES（GlobalMonitoring for Environment and Security）下的一个综合计划，是欧洲对环境进行有效管理的一套综合信息基础架构。它通过部署完善的感测网，运用现场实地监测的感测系统，达到监测与防灾的效果。OSIRIS 涵盖现场监测系统、资料整合和信息管理、服务三阶段流程。OSRIS 针对空气质量及污染、地下水污染、森林火灾和工业建筑火灾4种情境进行了实验。

以空气质量传感网为例，可分为空气质量监测和空气污染监测两种情境。这一模拟示范区为西班牙 Valladolid 市，空气质量监测通过9个固定式空气质量监测站（安置于大楼顶端）监测 CO、CO2、NO、NO2、O3 以及气象因子，通过安置于公交车顶端的传感器移动监测 NO、NO2 等浓度和噪声污染。在适当时间将监测数据以无线技术传输至监控中心，与附近固定式气象站信息结合，进行后续污染物扩散模拟预测分析，并且将资料集成后以图形的方式呈现在地图上，作为决策单位的预警系统。

空气污染情境则是在 Valladolid 近郊进行模拟。当运载有毒化学品的列车发生翻覆事故，造成有毒物质扩散，一旦接到报警，OSRIS 会派出带有传感器的微型无人空中飞行器前往事发地点上空进行大气污染物采样，无人空中飞行器将通过地面控制站和OSRIS 系统与监控中心沟通并传送信息，同时收集即时影像及气象信息供扩散模拟组进行分析，生成产生有毒气体扩散的时空模拟图，以便监控中心评估灾情程度以及确定需疏散的地区。

「芬兰」Enevo One 系统：远程监视垃圾箱​

城市中垃圾箱处处可见，然而对垃圾箱的管理还处于纯人力状态。欧洲一些国家地广人稀，对垃圾箱的管理尤其耗时耗力。有时候垃圾箱满了，却得不到及时清理。有时候清洁车大老远开来，垃圾箱里面却是空空如也。有时候烟头倒入垃圾箱，导致垃圾焚烧，恶臭难挡。

为解决这些问题，芬兰一家公司开发了一个基于超声波传感器的废物回收系统 Enevo One。传感器将收集到的垃圾箱和垃圾回收地的数据通过低功耗的 LoRa 网络传输到数千米外的 LoRa 基站，再传送到服务器。通过分析这些数据，垃圾管理者能更直观了解辖区内各个垃圾桶的填充状态，为清洁的车辆规划最佳的回收路线，从而节省环卫机构的运营成本。

据统计，通过减少不必要的垃圾回收造成的车辆燃油和人工费用，这一系统大约能帮助环卫机构减少20%-40%的运营成本。此外，EnevoOne 还能实时监控垃圾桶内的温度或异动。目前，Enevo One 系统正在北美及欧洲几十个国家推广。

三、其他国家地区​

「阿联酋」无人机监督乱丢垃圾​

迪拜市政府的垃圾管理部门部署无人机机队，在全市范围内监督乱丢垃圾的行为。这些无人机将在垃圾站、海滩，以及沙漠露营地等场所监督乱丢垃圾的人。在迪拜，关于禁止乱丢垃圾的法律非常严格。如果某人屡次在街头乱丢烟头，可能会被处以数百美元的罚款。街头随地吐痰可能也会招致高额罚款。迪拜垃圾管理处负责人表示：“这些无人机带来的最大帮助在于帮我们节约时间。我们不再需要派出市政人员上街巡逻，无人机可以在短时间内迅速飞到各个地点，向我们提供数据和高清照片。”

「新加坡」NU Swan 系统：高效监控水库水质​

目前水库的水质监控主要依靠固定的在线监测站，只能通过小船的航行来划定监测范围，其监测范围有限，或者采用手动原位测量技术，这种技术又非常消耗时间。为解决这一问题，新加坡国立大学的一个科研小组研发了一种智能化机器平台来对水库水质进行实时监测。这个平台叫做“NU Swan（smart water assessment network）”，它的外形是一只白天鹅，会在水库水面上行驶且无人驾驶，自动监测水质。

NU Swan 在选择监测点时会自动设定一条高效路线，收集到的数据会实时传输到指挥中心并发送给操作人员，根据这些数据，操作人员会对 NU Swan 的运行进行远程遥控并加以调整。该系统的典型操作是在目标流域内对三个 NU Swan 机器人进行管控，使其对目标水体进行协作取样。通过羽毛感应梯度变化，可以更精确分析流域水体中营养物的分布。

NU Swan 系统也可以用于其他监测平台。例如，将 NUSwan 和水下机器人结合应用，可以了解水库中不同深度的水体情况，还可以与水面浮标监控系统相结合，以扩大监控的覆盖面积。NU Swan 系统携带有传感器，可以监测叶绿素-a、溶解氧、浊度、蓝绿藻等参数，也可以再增加其他传感器，以扩大应用范围，例如水体监督、污染源追踪、甚至可以用作早期预警以及决策系统。