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北邮博士创建大气污染三重监控体系 手机拍照测出PM2.5浓度

2018-12-25 09:20 北京晚报 TF011

雾霾天里晒“朦胧”成为不少人热衷的新潮流。你可曾想到,这一张张“雾里看花”的底片中,其实蕴涵着丰富的数据信息。来自北京邮电大学计算机专业的博士张建胜带领创业团队,利用大数据技术,采用机器学习的方式,让系统能自动计算出上传照片拍摄场景的PM2.5浓度;每个用户上传的照片又将成为数据库的新成员,共同为该场景下污染源的精准定位贡献出一份力量。

构建大气污染三重监控体系效果图

人人都是空气质量监督员

最初产生将空气污染监测进行“众包”的想法,张建胜是受到“微信运动”的启发,“之前经常在朋友圈看到有人晒自己每天的运动步数,我就在想,能不能让大家也能在朋友圈里‘晒空气’呢?”

创意不错,不过,张建胜也明白这中间的差别:大家之所以对“晒运动”乐此不疲,是因为监测设备能准确地反映出一个人的运动步数;而空气则没有这样便携的监测设备。这时,本硕博都学计算机专业的张建胜想到了“机器学习”的方式——让机器自动计算出照片中污染物的浓度。

要实现对PM2.5浓度的手机拍照计算,背后离不开大数据的支撑。张建胜向记者解释道,在进行这项工作之初,团队成员连续16个月在包括鸟巢、水立方在内的多个标志性点位,收集了来自不同类型智能手机上拍摄的上万张图像,对图像上的每个像素进行逐一分析后,得出PM2.5浓度与图像特征之间的相关性。这样一来,系统再次接收到上传的图片时,就可以根据相关性得来的“计算公式”,通过图片中的像素信息得出拍摄场景下的PM2.5浓度。“通过与国家站的数据对比,目前我们系统计算出来的误差在1%以内。”

张建胜说,要想进一步降低误差,提高计算的准确性,数据库的不断充实尤为重要。为此,团队在平台上采用了“任务+激励”的方式,邀请每个手机用户都成为数据的提供者。比如,平台会发布这样的任务信息:“我们需要1张照片,位置在北京邮电大学教3楼,奖励6元,快来参与吧。”

如何确保不同人拍摄的都是同一点位的照片呢?张建胜介绍,团队采用了AR增强现实技术,引导用户调整相机姿态,从而确保每个抢到了任务的用户拍摄的都是同一场景。

“我们通过采用任务+激励的众包模式调动用户积极性,使得每一名用户都是空气质量监督员。同时,借助用户之手,使用移动智能终端采集信息,能以低成本大范围收集感知数据。用户不仅是参与式感知系统的使用者,同时也是内容和服务的提供者,更是最终受益者。”

手机拍照计算PM2.5浓度与观测站测试数据对比

定点监控与公交移动监控相辅相成结合

人人众包式监控是张建胜“人人众包科技有限公司”探索的获取大气监控数据的一种方式,定点监控和公交移动监控则是三重监控体系下的另外两大主角。

其中,对“定点监控”这种传统的大气数据监控方式,张建胜团队进行了改良和创新,综合考虑了车流、风速、风向等因素对监测数据可能产生的影响,通过相关算法提高了数据采集的准确性。“比如,我们通过监测设备监测到朝阳与海淀交界处污染浓度较高,那么,到底是因为交界处有污染源,还是因为受到风向的影响,污染物从一侧刮过来的呢?。应用了我们算法的系统能对此作出更加准确的判断。”张建胜举了个例子。此外,团队还研发出了更为兼容的软件分析平台,使得不同型号、种类的监测设备都能将数据上传到该平台,实现无障碍“通信”。

移动监控,则是利用公交车沿着城市交通主干路对主城区进行空气监测全扫描。也就是说,公共营运车辆的车载专用颗粒物、氮氧化物等传感器,利用GPRS网络将监测数据、车辆位置信息上传至物联网智慧化环保监测平台,从而接收、储存、处理数据,生成车辆行驶路线及可视化的大气污染云图。“以往采用的大气监测车巡航的方式,一方面数据有限,另一方面也不够及时;我们的车载移动监测设备每3秒就能产生一组数据,空间分辨率小于20米。”

为了实现效益的最大化,团队还发挥自己的专业的优势,通过算法对携带监测传感器的公交线路进行了优化。以北京市五环内的交通线路为例,据统计,如果往返各算一条的话,北京市五环内交通线路有1800多条,如果在1800多辆公交车上全部安装移动监控平台,需要花费近8000万元人民币。团队对北京市公交线路进行研究后,将公交线路经过区域分为370万个时空网格单元,通过算法的筛选,使得40条线路就能覆盖70%的时空网格单元。“如果全部安装,不仅费用较高,且公交线路间会有重叠造成浪费,。我们的算法可以使北京市的公交移动监测方案成本降低45倍。”

张建胜介绍,每辆公交车每天平均产生1.2万组数据,平均运行距离超过230公里;如果安装40辆车载系统,每天就会产生48万组数据、运行距离合计超过9200公里,“每天都能绘制一个北京市的精细大气污染云图,可以为环保治理提供数据参考。”此外,张建胜表示,利用公交车移动平台进行大气监测,几乎不增加人力物力,运行成本低,低碳节能。据透露,公交移动监控方案即将在天津市武清区进行试点。

连续十六个月对同一点位拍照,获取手机拍照计算PM2.5的大数据支撑

数据沉淀精准定位实现污染源精准定位

团队在创业之初就曾做过调研,国内针对大气监测的设备和信息化平台少之又少,所有的数据几乎都来自国家站的数据统计,;但是国家站设备成本过高,所以,每个城市部署大气监测国家站的数量有限,不能起到很好的监测、监督作用。;同时,国家站体积过大、,不易移动等特点,也是不能从根本上解决大气监测、不能真正监督污染源排放等问题的关键。

因此,他们一开始就将创业的重点聚焦在从硬件上降低环保监测成本、让环保设备易于携带的目标上。在张建胜团队看来,大气定点监测设备是三重监测体系的第一层,布置于城市污染重点区域,实现由点到面、辐射全局;公交移动监控是第二层,沿着城市交通主干路对主城区进行空气监测全扫描;人人众包式监控是第三层,每个用户都是监控参与者。三重保障之下,就可以实现城市空气质量的无死角智慧监控。

不过,监控获取数据只是第一步,如何实现数据的有效利用才是至关重要的。2016年开始,团队正式投入到大气污染治理智能化服务平台的软硬件研发之中,以更好地对污染源的排查进行指导,最终实现大气污染源的治理。目前,团队研发的平台已经包含了实时的数据监控、历史数据、区域数据、定制化排序、预警预报、污染防治等多个模块。

比如,如果某一区域内,通过各个渠道监控得来的污染物参数持续超标,系统会自动生成超标记录,并记录与每次超标可能有关的企业信息;如果超标时间及次数达到污染级别的时候,系统自动将信息告知给此区域的相关执法部门,由执法部门进行核实,确认无误后便可通知企业进行污染物处理。

再比如,针对每种污染源,平台可以显示出污染源产生时间、地理位置、产生单位、产生环节、污染物的种类、单位时间内污染物的排放量等信息。系统会根据查看该污染源的历史监督检查、日常巡查和举报信息记录,形成环境监测大数据,通过分析污染指数与污染源,得出污染防治的建议。

此外,普通用户还可以通过登录微信公众号或者APP,实时监督举报周围环境信息。当用户发现有企业违法排污或者空气质量较差时,可以通过手持终端实时监测环境数据,实时举报;系统将自动获取举报时间、举报地点等信息。

“我们最终的目的是通过海量的数据信息配合核心算法,精准定位污染源头,为科学治霾、精准治污提供政策依据。”

张建胜表示。

 

 

来源:北京晚报 记者牛伟坤 文并图

流程编辑:郭丹

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