環(huán)境數(shù)據(jù)工廠

■文/謝 煒 戴詩巖 王玉川 黃寒香

“雙碳”背景下，環(huán)境監(jiān)測不僅能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境、輔助碳排放核算、支撐減排監(jiān)管，還可以助力城市碳達(dá)峰行動。

2020 年9 月，中國明確提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”的目標(biāo)。在此背景下，環(huán)境監(jiān)測就顯得尤為重要。通過監(jiān)測和評估生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)，可以了解環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性等情況，并采取相應(yīng)的保護(hù)和修復(fù)措施，以此來保護(hù)生態(tài)環(huán)境。此外，環(huán)境監(jiān)測可以服務(wù)于碳排放核算。首先，在煤炭開采和石油天然氣開采試點(diǎn)監(jiān)測中，通過開展“衛(wèi)星+無人機(jī)+走航”綜合監(jiān)測，能夠提升生產(chǎn)過程中甲烷無組織排放核算的全面性和準(zhǔn)確性。其次，環(huán)境監(jiān)測不僅可以輔助企業(yè)排放量核算，還可以支撐減排監(jiān)管。通過在線監(jiān)測，可以獲取溫室氣體排放相對集中的企業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以與核算數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而為企業(yè)減排提供依據(jù)。最后，依托現(xiàn)有環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，拓展構(gòu)建天地一體的城市碳監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)橥苿又攸c(diǎn)城市實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)與二氧化碳達(dá)峰提供支撐。

傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測與智能化環(huán)境監(jiān)測對比

傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測手段有許多不足之處。一是監(jiān)測周期長。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法通常需要進(jìn)行定期采樣、實(shí)驗(yàn)室處理和分析，整個過程需要較長時間，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不能實(shí)時反映環(huán)境狀況。二是數(shù)據(jù)精度低。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法往往受到人為因素、儀器誤差和環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不夠高。三是監(jiān)測成本高。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測需要大量的人力、物力和財(cái)力投入，包括采樣、運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室處理和分析等環(huán)節(jié)，成本較高。

相比之下，智能化環(huán)境監(jiān)測具有以下優(yōu)勢。一是提高環(huán)境監(jiān)測的智能化水平和工作效率。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，智能化環(huán)境監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，大大提高了環(huán)境監(jiān)測的智能化水平和工作效率。二是實(shí)時監(jiān)測環(huán)境狀況。智能化環(huán)境監(jiān)測可以實(shí)時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并及時傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行處理和分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。三是提高數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性。智能化環(huán)境監(jiān)測采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠提高數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性，為相關(guān)部門提供更加準(zhǔn)確的決策支持。四是降低監(jiān)測成本。智能化環(huán)境監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集和處理，減少了人力、物力和財(cái)力的投入，降低了監(jiān)測成本。

綜上所述，智能化環(huán)境監(jiān)測相比傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測手段具有更高的效率、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和更低的成本等優(yōu)勢，可以更好地滿足環(huán)境保護(hù)的需求。將采集到的數(shù)據(jù)匯總到一起便形成了環(huán)境數(shù)據(jù)工廠。

在線監(jiān)測系統(tǒng)打造環(huán)境數(shù)據(jù)工廠

環(huán)境數(shù)據(jù)工廠是一套運(yùn)用環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的測量、采集、傳輸、存儲、分析評價(jià)、應(yīng)用、發(fā)布等過程，及時、準(zhǔn)確地感知環(huán)境質(zhì)量狀況及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，服務(wù)于環(huán)境監(jiān)管部門及各級排污企業(yè)。常見的在線監(jiān)測系統(tǒng)有廢氣、廢水的污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)，空氣、地表水環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)等。

廢氣污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對顆粒物、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、非甲烷總烴（NMHC）常規(guī)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測（見圖1）。廢水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠根據(jù)企業(yè)及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境管理部門要求，實(shí)現(xiàn)對pH值、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、流量等常規(guī)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，也可根據(jù)需求拓展六價(jià)鉻、總鉻、鉛、鎘、汞、砷、銅、鋅、鎳及其他重金屬因子進(jìn)行監(jiān)管（見圖2）。通過對各主要污染物的實(shí)時監(jiān)測，結(jié)合各數(shù)據(jù)平臺，在線檢測系統(tǒng)能夠提供污染源“產(chǎn)、治、排”全過程的監(jiān)測管控，幫助企業(yè)提高環(huán)保管理水平，為政府生態(tài)環(huán)境部門提供翔實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 廢氣污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 廢水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)可對常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、顆粒物（PM10）、顆粒物（PM2.5）等，也可根據(jù)生態(tài)環(huán)境管理部門要求集成VOCs、過氧酰基硝酸酯（PANs）等污染關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測（見圖3）。該系統(tǒng)可服務(wù)于環(huán)境監(jiān)測部門的區(qū)域空氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、環(huán)境質(zhì)量信息發(fā)布、污染控制評價(jià)等。

圖3 環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是利用國內(nèi)外先進(jìn)的在線監(jiān)測儀表實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測斷面“9+X”指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測：水溫、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮（見圖4）。該系統(tǒng)為各級生態(tài)環(huán)境管理部門提供信息化智能化的數(shù)據(jù)支持，為水環(huán)境精細(xì)化監(jiān)控、精準(zhǔn)治污、風(fēng)險(xiǎn)防控提供高效決策支持服務(wù)。

通過構(gòu)架“自動監(jiān)測站+傳輸節(jié)點(diǎn)監(jiān)測站+污染源監(jiān)測站”全流程監(jiān)測鏈條，同時結(jié)合“無人機(jī)+走航車+無人船”，組成“天地水”立體監(jiān)管體系，利用無人機(jī)結(jié)合紅外技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)VOCs 污染排放的可視化監(jiān)測，讓不可見的有機(jī)污染無處遁形。結(jié)合配套數(shù)據(jù)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)可視化監(jiān)管，可用于突擊式排查，提高排查效率，監(jiān)測數(shù)據(jù)無延時傳輸，精準(zhǔn)定位VOCs 泄漏點(diǎn)。同時，利用軟件可以實(shí)時繪制污染物等值線分布圖，快速畫出監(jiān)管區(qū)域質(zhì)量現(xiàn)狀，方便因癥施策。此外，指揮中心端軟件可實(shí)時監(jiān)控“無人機(jī)+走航車+無人船”行駛軌跡及其所經(jīng)過區(qū)域的精確質(zhì)量信息。執(zhí)法人員根據(jù)掃描結(jié)果對含量較高的紅色區(qū)域進(jìn)行核查，無人機(jī)上搭載高精密攝像頭——光學(xué)攝像頭、紅外傳感器、溫差傳感器等，內(nèi)置多套污染擴(kuò)散模型，可實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)排污節(jié)點(diǎn)的立體監(jiān)控。通過紅外線對溫度的感知，辨別周邊工廠、船只是否偷排、漏排，可在夜間工作，實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測。通過對圖片中水域的顏色進(jìn)行識別和定位，可以判定排污高度懷疑區(qū)域，結(jié)合周邊工廠，快速進(jìn)行污染溯源，實(shí)現(xiàn)快速、大面積的實(shí)時排查。

面臨的困難和挑戰(zhàn)

盡管環(huán)境數(shù)據(jù)工廠具有上述諸多優(yōu)勢，但在實(shí)踐中難以避免地會遇到一些困難和挑戰(zhàn)。

第一，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問題。環(huán)境數(shù)據(jù)工廠采集依賴于各種傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，但這些設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性可能會受到多種因素的影響，如設(shè)備故障、環(huán)境變化等。為了解決這個問題，可以采取多種措施，例如，定期校準(zhǔn)和維護(hù)傳感器設(shè)備，使用多種類型和品牌的傳感器以減少誤差，以及通過數(shù)據(jù)清洗和異常值處理來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

第二，數(shù)據(jù)傳輸和存儲問題。環(huán)境數(shù)據(jù)工廠需要實(shí)時傳輸和處理大量數(shù)據(jù)，這可能會對網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲容量提出更高的要求。為了解決這個問題，可以采取一些措施，例如，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用高效的數(shù)據(jù)壓縮和存儲技術(shù)，以及將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在本地設(shè)備上以減輕網(wǎng)絡(luò)和存儲壓力。5G 技術(shù)的出現(xiàn)解決了環(huán)保領(lǐng)域設(shè)備聯(lián)網(wǎng)低、數(shù)據(jù)采集難、數(shù)據(jù)傳輸延遲等問題。

第三，隱私和安全問題。環(huán)境數(shù)據(jù)工廠涉及大量敏感信息，如位置信息、生產(chǎn)量、排污量等，這可能會引發(fā)隱私和安全問題。為了解決這個問題，可以采取一些措施，例如，使用加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)安全，遵守相關(guān)法律法規(guī)和隱私政策，以及建立完善的數(shù)據(jù)管理和訪問控制機(jī)制。

第四，技術(shù)更新和維護(hù)問題。環(huán)境數(shù)據(jù)工廠依賴于各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，而這些技術(shù)和設(shè)備的更新和維護(hù)可能會帶來一些問題。為了解決這個問題，可以采取一些措施，例如，定期更新系統(tǒng)和設(shè)備以保持其性能和可靠性，培訓(xùn)技術(shù)人員以掌握新的技術(shù)和設(shè)備，以及建立完善的技術(shù)支持和服務(wù)體系。

總之，面對環(huán)境數(shù)據(jù)工廠監(jiān)測中可能遇到的困難和挑戰(zhàn)，需要采取多種措施和技術(shù)手段來解決它們，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

應(yīng)用前景廣闊

隨著科技的飛速發(fā)展和對環(huán)境問題的關(guān)注，環(huán)境數(shù)據(jù)工廠應(yīng)用前景廣闊。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)深度融合，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、傳輸、處理、分析和可視化等，為環(huán)境管理、環(huán)境決策、污染防治等提供科學(xué)依據(jù)和有效手段。

在智能化環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)是未來發(fā)展的重要方向。

●大數(shù)據(jù)分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。人工智能技術(shù)可以通過自主學(xué)習(xí)和分析這些數(shù)據(jù)，幫助我們更好地了解環(huán)境中的各種狀況。例如，通過分析大氣中的各種污染物含量，人工智能可以提供準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量評估，為居民提供實(shí)時的健康建議。同時，大數(shù)據(jù)分析還可以為環(huán)境監(jiān)測提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，幫助環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)更好地預(yù)測環(huán)境變化和管理環(huán)境。

●圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)是人工智能在環(huán)境監(jiān)測中的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。利用人工智能算法對環(huán)境中的圖像進(jìn)行分析和處理，可以快速準(zhǔn)確地識別出各種環(huán)境變化和潛在威脅。例如，利用人工智能技術(shù)可以對海洋中的垃圾進(jìn)行自動識別和分類，從而保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。同時，通過分析衛(wèi)星圖像，人工智能可以有效監(jiān)測植被覆蓋率，預(yù)測火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等。

總的來說，環(huán)境數(shù)據(jù)工廠應(yīng)用前景廣闊，未來將會有更多的技術(shù)和方法被應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境數(shù)據(jù)工廠將能夠更好地服務(wù)于環(huán)境保護(hù)事業(yè)。