湯明珍，任建寧，伍麗青，高 健

中國環(huán)境科學研究院大氣環(huán)境研究所，北京 100012

隨著城市大氣污染治理工作的深入開展和環(huán)境空氣質量的持續(xù)改善，人們越來越關注空氣質量問題，空氣質量的監(jiān)測及其引起的人體健康效應也成為大氣環(huán)境領域的研究熱點. 近年來，我國空氣質量監(jiān)測技術飛速發(fā)展，監(jiān)測站點數(shù)量激增，傳感器技術作為近年來崛起的重要空氣質量測量技術，得到較大范圍的應用.

目前，空氣質量傳感器主要有顆粒物傳感器(PM)、氣體傳感器〔如二氧化碳(CO)傳感器、二氧化硫(SO)傳感器、氮氧化物(NO)傳感器、臭氧(O)傳感器、黑炭(BC)傳感器〕以及VOCs傳感器等.顆粒物傳感器主要原理有光散射法、電學法等，氣體傳感器主要原理有電化學法、光學法、半導體技術等.相對基于標準方法的空氣質量監(jiān)測儀器，空氣質量傳感器具有成本低、體積小、便攜等優(yōu)點. 近年來，空氣質量傳感器被廣泛應用于多個領域、不同場景的空氣質量監(jiān)測，如室內外空氣質量監(jiān)測、空氣凈化裝置評估、污染源監(jiān)測等，但也存在一些不足，如易受溫度、相對濕度、系統(tǒng)誤差、動態(tài)邊界等因素的影響.

移動式空氣質量傳感器是將傳感器安裝在移動平臺(如公交車、出租車、私家車、無人機等)上，對空氣質量進行動態(tài)立體測量的工具. 固定式傳感器雖能以較低成本對周邊環(huán)境開展持續(xù)性監(jiān)測，但存在監(jiān)測盲區(qū)、無法精準定位污染源等不足；而移動式空氣質量傳感器的使用提高了環(huán)境監(jiān)測的精確度和覆蓋率，成為固定式傳感器監(jiān)測的補充.

目前，移動式空氣質量傳感器的搭載平臺主要有出租車、自行車、可穿戴式設備、軌道交通、谷歌街景車、垃圾車、小汽車、公共汽車、無人機等. 該研究對已有基于移動平臺的空氣質量傳感器的研究與應用情況進行了綜述，在此基礎上梳理了移動式空氣質量傳感器在研究和應用中存在的問題及挑戰(zhàn)，針對問題提出了相應的解決思路，并對未來移動式空氣質量傳感器的應用場景和發(fā)展進行展望.

1 研究方法

根據(jù)搭載平臺的移動方式將移動式空氣質量傳感器分為固定路線移動監(jiān)測、隨機路線移動監(jiān)測以及可操控移動監(jiān)測三類；再根據(jù)不同的搭載平臺細分，固定路線移動監(jiān)測平臺主要有公共汽車及軌道交通，隨機路線移動監(jiān)測平臺主要有自行車及出租車，可操控移動監(jiān)測平臺主要有無人機、觀測車及可穿戴式設備.

該研究調研了來自中國知網(wǎng)、Web of Science、IEEE、ScienceDirect、ACS Publications等 數(shù) 據(jù) 庫1999-2021年收錄的文獻及會議報告，以及各國環(huán)境保護署官網(wǎng)關于移動傳感器的政策和項目信息、知名移動傳感器公司官網(wǎng)的移動傳感器項目簡介等資料.

2 結果與討論

2.1 移動式空氣質量傳感器研究現(xiàn)狀

移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)質量評估

移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)的準確度是一個爭議較大的問題. 目前，用來評估移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)質量的參數(shù)主要有決定系數(shù)()、Pearson相關系數(shù)、Kendall相關系數(shù)和Spearman相關系數(shù)等.許多學者就移動式空氣質量傳感器的數(shù)據(jù)質量進行評估，結果如表1所示. 無論是顆粒物傳感器還是氣體傳感器，其在實驗室測試階段都與標準儀器有較高的一致性，但在實際運行過程中移動式空氣質量傳感器與固定監(jiān)測站數(shù)據(jù)的相關性較低(見表1).

表 1 移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)質量評估Table 1 Assessment of data quality for mobile air quality sensors

移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)校準

由于移動式空氣質量傳感器在運行過程中，對溫度、相對濕度、路面顛簸等因素更敏感，因此需要對其進行校準，主要的校準算法有線性回歸法、隨機森林法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等.

線性回歸法

移動式空氣質量傳感器的數(shù)據(jù)質量受多種因素影響，通過對眾多因素的組合估計及預測并進行回歸分析的校準方法稱為線性回歸法，根據(jù)變量維度可分為簡單線性回歸和多元線性回歸兩類. 其擬合優(yōu)度用標準誤差表示.

線性回歸法廣泛應用于低成本傳感器的校準中，求解過程簡單，不需要復雜的算法支撐，但也存在較大的弊端，其僅適用于變量較少的短期校準.

隨機森林法

隨機森林法指利用多棵決策樹對樣本進行訓練并回歸的方法，每棵決策樹之間相互獨立，最終的回歸結果由所有的決策樹共同決定. 隨機森林法是目前應用較為廣泛的一種回歸工具 .

隨機森林算法在傳感器校正的應用較為成功，能夠處理大量的輸入變數(shù)并平衡誤差，準確度較高，但在某些噪音較大的分類或回歸問題上存在過度擬合的情況.

人工神經(jīng)網(wǎng)絡法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network，ANN )由大量節(jié)點(或稱神經(jīng)元)相互連接構成. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡通常是對某種算法或函數(shù)的逼近，因此可用于移動式空氣質量傳感器的校準.

目前，常用于移動式空氣質量傳感器校準的人工神經(jīng)網(wǎng)絡包括前饋神經(jīng)網(wǎng)絡和抽頭延遲神經(jīng)網(wǎng)絡兩種，主流的算法是前饋神經(jīng)網(wǎng)絡. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡分類的準確度高，并行分布處理能力強,分布存儲及學習能力強；能夠提取重要信號、忽略噪聲，因此能夠處理長時間序列的信息，能充分逼近復雜的非線性關系；但需要復雜的算法支撐，如網(wǎng)絡拓撲結構、權值和閾值的初始值，不能觀察變量之間的學習過程，輸出結果難以解釋，從而影響結果的可信度和可接受程度.

2.2 移動式空氣質量傳感器的應用現(xiàn)狀

移動式空氣質量傳感器以其靈活性、簡便性等特點被廣泛應用于多個環(huán)保領域，如環(huán)境空氣質量實時監(jiān)測、污染源與污染熱點識別、空氣污染的健康影響評估、結合模式開展微尺度預報等. 根據(jù)其搭載平臺的移動路線特征可大致分為有/無固定路線兩類.

固定路線移動監(jiān)測

可用于搭載空氣質量傳感器的固定移動路線平臺主要包括公共汽車及城市軌道交通，目前主流的搭載平臺為公共汽車. 固定路線移動監(jiān)測的應用如表2所示.

表 2 固定路線移動監(jiān)測的應用Table 2 Application of fixed route mobile monitoring

公共汽車

搭載于公共汽車上的空氣質量傳感器，其監(jiān)測范圍隨公共汽車的移動幾乎覆蓋城市所有的主干道. 相對于傳統(tǒng)的固定點監(jiān)測，這種方式覆蓋面更廣，可實現(xiàn)明確路線的道路環(huán)境空氣質量的實時監(jiān)測.

公共汽車平臺的優(yōu)點為體積較大，可同時搭載多種空氣質量傳感器，測量多種污染物參數(shù). 但由于路線較為固定且主要為主干道，其測量覆蓋率不足，難以代表整個市區(qū)所有的道路情景；其次，盡管許多學者使用公共汽車搭載空氣質量傳感器來研究行人的空氣污染暴露情況，但由于公交車高度較高，并不能真實反映行人的空氣污染暴露情況.

城市軌道交通

城市軌道交通人流密集，空氣不流通，人群處于較高的空氣污染暴露水平中. 目前，移動傳感器主要用于監(jiān)測地鐵、火車、動車等城市軌道交通車廂內部和站臺的空氣質量及污染物濃度. 城市軌道交通的便捷性使其成為最主要的通勤工具之一，但其半密閉空間的空氣污染對乘客的健康影響較大. 通過空氣質量傳感器對車廂內的空氣質量進行實時監(jiān)測，可評估人群的空氣污染暴露風險，超出預警時便采取相應的空氣凈化措施.

與常規(guī)大氣污染物相比，軌道交通中半密閉空間中存在的大量細菌、病毒等對人體健康的影響可能更大. 在城市軌道交通的車廂以及站點內增設微生物指標監(jiān)測設備，將有利于及時進行預警與防控，減少其對人體健康的影響.

隨機路線移動監(jiān)測

已有學者利用隨機移動平臺搭載傳感器開展研究，以期獲得更具空間代表性的數(shù)據(jù)，如利用自行車、出租車等平臺. 隨機路線移動監(jiān)測的應用如表3所示.

自行車

自行車輕便小巧，能夠自由穿梭于各種道路中，且行駛速度較慢，將空氣質量傳感器置于自行車能得到空間分辨率相對高的數(shù)據(jù).

將空氣質量傳感器安裝在自行車或共享單車上，可充分利用公共資源，在低碳減排的同時還能參與空氣質量監(jiān)測；但由于運力覆蓋范圍小，且分布相對集中，其搭載的空氣質量傳感器得到的數(shù)據(jù)不能很好地覆蓋城市所有區(qū)域.

出租車

出租車載空氣質量傳感器是目前應用較為廣泛的一種移動式監(jiān)測方式. 相對于其他交通工具，出租車運營時間長、軌跡覆蓋廣. 通過出租車搭載傳感器，可最大程度上覆蓋城市路網(wǎng)，并大幅節(jié)省運行成本，也可精確識別道路相關污染源.

表 3 隨機路線移動監(jiān)測的應用Table 3 Application of random route mobile monitoring

出租車搭載傳感器作為一種高效的監(jiān)測方式，不僅可以用于評估道路環(huán)境空氣污染，也可以更加客觀地評估其對人體健康的影響. 基于出租車高頻行駛特點，傳感器數(shù)據(jù)將具備環(huán)境大數(shù)據(jù)特征，在未來與交通數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)、源排放清單、城市興趣點數(shù)據(jù)等結合分析，可發(fā)揮較大潛力.

可操控移動監(jiān)測

可操控移動監(jiān)測是研究者按照自己的目的和意圖，以預設計的方式和路線進行監(jiān)測. 主要載體有無人機、走航觀測車以及可穿戴設備，如手環(huán)、腰帶、背包等. 可操控移動監(jiān)測的應用如表4所示.

表 4 可操控移動監(jiān)測的應用Table 4 Application of maneuverable mobile monitoring

無人機

無人機載空氣質量傳感器探測范圍廣，能覆蓋人類難以到達的區(qū)域，且用于低空空氣質量監(jiān)測及大氣數(shù)值模擬與預報的成本較低. 無人機主要分為固定翼和旋轉翼兩類，機載空氣質量或氣體傳感器可用于污染源排放強度識別與定位、污染物水平分布與擴散評估，以及獲取氣體污染物的垂直濃度廓線等.

目前，無人機載空氣質量傳感器廣泛應用于大氣環(huán)境科研、污染源排放監(jiān)管等方面. 但由于技術不成熟，無法完全實現(xiàn)自主避障，還需技術人員遠程操控；并且無人機旋翼會影響傳感器進氣流量的穩(wěn)定，降低信噪比，雖然可通過架高傳感器減少影響，但仍無法徹底避免，因此改進傳感器等硬件設施或改良校準算法十分重要.

觀測車

將傳感器安裝在觀測車(如谷歌街景車、移動實驗室等)，可根據(jù)研究目的到感興趣的區(qū)域進行空氣質量數(shù)據(jù)采集，也可對城市監(jiān)測站點未覆蓋的區(qū)域進行監(jiān)測.

街景車是采集街道圖像數(shù)據(jù)并同步至在線地圖的重要工具. 隨著公眾對空氣質量的關注，街景車還加入了空氣質量監(jiān)測的服務，為道路污染源識別提供支持. 此外，可操控車載監(jiān)測也可用于針對機動車排放源的跟車測量，如Woo等將CO、NO傳感器置于移動實驗室，并采用計算流體力學(computational fluidic dynamics，CFD)的方法評估了前方汽車尾氣對道路環(huán)境空氣污染的貢獻.

多數(shù)傳統(tǒng)移動實驗室裝載的空氣質量或污染氣體監(jiān)測儀器價格昂貴且需要專人操作和維護. 雖然傳感器精度以及穩(wěn)定性較傳統(tǒng)監(jiān)測儀器稍差，但搭載傳感器的觀測車已經(jīng)能滿足大部分對數(shù)據(jù)精度要求不高的用戶群體需求.

便攜式與可穿戴式設備

可穿戴式空氣質量傳感器的應用有利于研究個體空氣污染暴露情況. 可在手環(huán)、腰帶、書包以及手機等日常使用的便攜式設備中植入空氣質量傳感器，實時監(jiān)測使用者所處環(huán)境的空氣質量狀況，并結合心率等健康指標評估空氣污染暴露水平. 還有研究將傳感器植入手機以及平板電腦中，獲取使用者移動時的空氣質量數(shù)據(jù)，并通過手機蜂窩網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享. 可穿戴式空氣質量傳感器的使用有利于未來全民環(huán)境健康監(jiān)測的推廣.

目前，可穿戴式空氣質量傳感器應用最主要的問題是用戶隱私，獲取空氣質量數(shù)據(jù)的同時還需同步獲取定位以及用戶健康狀況指標等數(shù)據(jù). 因此，需要考慮用戶的接受程度，傳感器對用戶日常生活的影響以及如何減輕用戶負擔等關鍵問題.

2.3 移動傳感器監(jiān)測研究與應用中面臨的挑戰(zhàn)

在已有研究和應用中，移動式空氣質量傳感器為精細化監(jiān)測和精準溯源提供了重要手段，成為固定式傳感器的有益補充. 但也正因為“移動”，傳感器在數(shù)據(jù)質量提升、應用場景優(yōu)化以及數(shù)據(jù)融合分析等方面面臨挑戰(zhàn).

數(shù)據(jù)質量需進一步提升

已有研究中評估傳感器性能的指標主要有線性度、準確度、精度、響應時間、檢測限等. 移動式空氣質量傳感器與固定式空氣質量傳感器相同，數(shù)據(jù)質量受溫度、相對濕度、風速、動態(tài)邊界、傳感器本身系統(tǒng)誤差以及非目標氣體的交叉敏感等影響. 由于移動式空氣質量傳感器在使用過程中外部環(huán)境變化明顯，因此對上述影響因素更加敏感. 除此之外，移動式空氣質量傳感器較固定式傳感器面臨更多的干擾，如搭載平臺運行過程中產(chǎn)生的震動、不同運行速度造成的羽流不同等都會對數(shù)據(jù)質量造成影響. 因此，保證移動式空氣質量傳感器長期穩(wěn)定運行是一個挑戰(zhàn)，保證數(shù)據(jù)的高質量也是挑戰(zhàn).

此外，不同移動方式(如固定路線、隨機路線、可操控等)的校準方法不同，依托參比數(shù)據(jù)(如標準站點)進行動態(tài)校準的方法也不同. 移動監(jiān)測方式的多樣性決定了數(shù)據(jù)校準方式的多樣，給數(shù)據(jù)校準帶來較大挑戰(zhàn).

應用場景需進一步優(yōu)化

移動傳感器基于不同的搭載平臺可用于多個應用場景，如空氣質量監(jiān)測、污染熱點識別、交通源識別等，但不同搭載平臺的空氣質量傳感器有其局限性，如數(shù)據(jù)質量不穩(wěn)定、依賴于穩(wěn)定的環(huán)境條件、校準時間長等. 盡管目前移動式空氣質量傳感器的應用還存在較多局限，但隨著居民對空氣質量關注度的提高，移動式空氣質量傳感器以其便攜、價廉的優(yōu)點具有較好的發(fā)展前景. 因此，應根據(jù)不同場景的核心需求，應用最合適的移動平臺搭載傳感器.

移動監(jiān)控對于污染源的監(jiān)控十分有效，但不同污染源的排放形式、排放特征污染物、排放時間空間特點等差異較大. 以揚塵為例，揚塵的來源主要有道路源、工業(yè)源以及自然源等，要對揚塵進行全面監(jiān)測與控制就需要部署多種移動方式的傳感器，因此在覆蓋盡量多排放情景的移動式空氣質量傳感器監(jiān)測領域面臨挑戰(zhàn).

此外，近年來隨著信息化速度加快，許多學者將移動式空氣質量傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術緊密結合，可以更及時、更準確地反映環(huán)境空氣質量. 除此之外，還應提升傳感器本身的質量和能力，與更多需求進行深度融合，適應更多元的應用場景，

數(shù)據(jù)挖掘需進一步深入

移動式空氣質量傳感器測量因同時兼顧時間與空間代表性，其數(shù)據(jù)量在同等數(shù)目監(jiān)測節(jié)點條件下較固定式傳感器測量數(shù)據(jù)多30%～50%. 自身數(shù)據(jù)量的增加以及移動式監(jiān)測中與其他類型數(shù)據(jù)關聯(lián)性的增加，給數(shù)據(jù)分析的“質”與“量”均帶來挑戰(zhàn).

移動式空氣質量傳感器能產(chǎn)生大量高時空分辨率的數(shù)據(jù). 但復雜的街區(qū)環(huán)境、車流之間尾氣羽流的影響以及空間覆蓋率等客觀因素和問題都會影響數(shù)據(jù)對真實環(huán)境空氣質量的反映，不同應用場景的移動傳感器運行速度不同、周邊場景不同、使用高度不同，受到的周邊環(huán)境干擾也不同，因此需要根據(jù)周邊環(huán)境特點優(yōu)化數(shù)據(jù)分析，使其更加準確客觀.

充分挖掘移動式空氣質量傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還需與城市下墊面數(shù)據(jù)、污染源動態(tài)排放數(shù)據(jù)、人口分布數(shù)據(jù)等進行綜合分析. 在移動式空氣質量傳感器使用過程中，建筑體積密度、建筑覆蓋率、裙房層前沿面積指數(shù)和建筑高度變異性對其性能的影響十分顯著. 在車流密集的地方，前方汽車尾氣的影響也會影響數(shù)據(jù)對真實環(huán)境濃度的反應，在交通擁堵路段，若移動式空氣質量傳感器距離前方排氣孔過近，傳感器捕捉的污染濃度較周邊道路環(huán)境高，對污染水平的估計也會產(chǎn)生相應的偏移. 除此之外，要呈現(xiàn)某一地區(qū)的污染物真實來源與影響，需將移動式空氣質量傳感器數(shù)據(jù)與城市動態(tài)排放清單、人群分布動態(tài)特征等數(shù)據(jù)結合，開展多種大數(shù)據(jù)融合分析，深化挖掘數(shù)據(jù)潛力.

3 結論與展望

3.1 結論

a)移動式空氣質量傳感器因其使用成本較低，便攜性、靈活性高，適用性強，能夠提供高時空分辨率的數(shù)據(jù)，近年來被廣泛應用于科研、工業(yè)污染物排放監(jiān)測、農業(yè)污染排放監(jiān)測等領域，并且在環(huán)境管理領域發(fā)揮的作用越來越大，成為固定式傳感器網(wǎng)格化監(jiān)測的有益補充.

b)移動式空氣質量傳感器的應用主要分為固定路線移動監(jiān)測、隨機路線移動監(jiān)測以及可操控移動監(jiān)測三大類. 其搭載平臺種類較多，如公共汽車、城市軌道交通、自行車、出租車、無人機、觀測車、便攜式與可穿戴式設備等.

c)近年來，移動式空氣質量傳感器的研究與應用發(fā)展較快，但在數(shù)據(jù)質量提升、應用場景優(yōu)化、數(shù)據(jù)深入挖掘等方面仍面臨較大挑戰(zhàn).

3.2 展望

a)應進一步提升傳感器自身性能，保證數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性，優(yōu)化動態(tài)校準方法或方法組合，提高校準的精度及效率，保證數(shù)據(jù)質量.

b)針對污染源的排放特征，進一步優(yōu)化移動傳感器的應用場景，或通過加強移動傳感器與其他監(jiān)測手段的融合，提升監(jiān)測針對性和有效性.

c)充分、深入分析移動式空氣質量傳感器自身數(shù)據(jù)，并將其產(chǎn)出數(shù)據(jù)進一步與交通、人口分布、排放源清單、城市興趣點等多種數(shù)據(jù)進行融合分析，以挖掘其最大價值.