基于5G與AI的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺探討

　　摘 要: 分析了我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀、存在問題與需求，提出了基于 5G 與人工智能( AI) 的“天地一體化” 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)借助邊緣計算、5G 高速網(wǎng)絡(luò)、AI 視頻檢測識別和污染物濃度預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)，使平臺具備智能感知、實時監(jiān)控和智能預(yù)測的能力，為實現(xiàn)重要生態(tài)環(huán)境信息的全天候、智能化遠程自動監(jiān)測和預(yù)警提供了解決方案。

　　本文源自徐愛蘭; 耿建生， 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù) 發(fā)表時間：2021-06-22

　　關(guān)鍵詞: 5G 技術(shù); 人工智能; 傳感器; 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測; 天地一體化

　　為了深入貫徹落實《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護 堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，亟須全面提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控能力，更好地服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)。黨中央、國務(wù)院高度重視生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，習(xí)近平同志強調(diào): “保護生態(tài)環(huán)境首先要摸清家底、掌握動態(tài)，要把建好用好生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)這項基礎(chǔ)工作做好。”環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是客觀評價環(huán)境質(zhì)量狀況、反映污染治理成效、實施環(huán)境管理與決策的基本依據(jù)，只有確保監(jiān)測數(shù)據(jù)“真、準(zhǔn)、全”，我國的生態(tài)文明建設(shè)才能行穩(wěn)致遠。面對污染防治新形勢，在“真、準(zhǔn)、全”的基礎(chǔ)上，“快”亦是大勢所趨。

　　隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展與人工智能( AI) 的高速崛起，5G 技術(shù)與 AI 將改變現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)格局，使其更加快速、高效、智能。目前，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要從均質(zhì)化、規(guī)模化擴張向差異化、綜合化、智能化布局轉(zhuǎn)變，全面整合已有的數(shù)據(jù)信息資源，借助先進的 5G 技術(shù)與 AI，實現(xiàn)各級各類監(jiān)測信息和數(shù)據(jù)資源的穩(wěn)定互聯(lián)與實時共享，以及對環(huán)境要素和污染源的全面智能感知與實時監(jiān)控，建成大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測管理平臺，形成大數(shù)據(jù)綜合分析研判能力。今在現(xiàn)有的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系基礎(chǔ)上，探索建設(shè)基于 5G 與 AI 的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺。

　　1 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀與需求

　　我國現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)還難以達到 5G 新基建的需求，主要存在以下問題: ①儀器裝備較落后，使用效率較低，大部分基層監(jiān)測站配備的儀器僅能開展有限的常規(guī)污染因子監(jiān)測; ②數(shù)據(jù)共享與信息預(yù)測預(yù)報能力普遍較弱，難以掌握排污單位的污染物排放狀況，無法實現(xiàn)對超排、偷排現(xiàn)象的精準(zhǔn)打擊; ③數(shù)據(jù)整合應(yīng)用度不高，難以通過對環(huán)境質(zhì)量、污染源監(jiān)管等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析，為管理決策提供科學(xué)支撐; ④技術(shù)手段單一，智能化程度不高，缺乏數(shù)據(jù)的實時獲取、共享、匯聚、融合、挖掘分析等綜合手段[1 - 3]。目前建設(shè)的低速物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)雖然具備功耗小、成本低、便于大規(guī)模布設(shè)等優(yōu)點，但作為一般的傳感器節(jié)點，缺乏邊緣處理能力，只能傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測是一項復(fù)雜工程，僅依賴數(shù)據(jù)信息難以做出實時準(zhǔn)確的判斷。與此同時，“非現(xiàn)場、不接觸”的監(jiān)測監(jiān)控執(zhí)法新模式也需要相應(yīng)的技術(shù)手段支撐，以適應(yīng)生態(tài)環(huán)境管理新形勢的需求。

　　1. 1 5G 技術(shù)應(yīng)用

　　5G 具有傳輸速度快、低延遲的特點，與先進的信息技術(shù)相結(jié)合，可以通過遠程操控、監(jiān)控供應(yīng)鏈及與外部系統(tǒng)通信等方式，大幅提升監(jiān)測器和傳感器的效率，實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測與管理。根據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型和需求的不同，部分實時數(shù)據(jù)如自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)、企業(yè)工況數(shù)據(jù)等可以借助 5G 技術(shù)高密度采集、快速傳輸和處理; 而污染源或自動站現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、無人機應(yīng)急監(jiān)測采集的航拍影像則可保存在本地，利用邊緣處理技術(shù)，通過深度學(xué)習(xí)模型鑒別污染事件，并借助 5G 技術(shù)回傳監(jiān)測視頻和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對污染的實時監(jiān)控。

　　5G 與物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)聯(lián)合[4]，不僅可以實現(xiàn)實時信息交互，傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測點位信息、污染位置圖片，便于溯源，還可以提供共享數(shù)據(jù)，協(xié)助聯(lián)防聯(lián)控。2018 年在上海舉辦的世界移動大會上，中國移動、芬蘭赫爾辛基大學(xué)攜相關(guān)企業(yè)共同演示了創(chuàng)新 5G 空氣質(zhì)量監(jiān)測解決方案。遙感衛(wèi)星[5]、無人機、無人船及各種環(huán)境監(jiān)測儀器逐步實現(xiàn)了智能聯(lián)網(wǎng)，基于 5G 技術(shù)的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系在全國范圍內(nèi)逐步構(gòu)建。無人機作為其中一項重要技術(shù)，可以周期性地快速巡檢整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)[6 - 8]。在人員難以采集數(shù)據(jù)的區(qū)域如危險區(qū)域和水域，可以發(fā)揮無人機機動靈活的特點，借助高空優(yōu)勢，通過視頻采集圖像; 對于傳感數(shù)據(jù)收集，可以在經(jīng)過該區(qū)域時與地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點進行通信交互，該方案特別適用于布網(wǎng)困難的區(qū)域。然而，無人機巡航能力有限，活動范圍受到限制，而且缺乏高速傳輸和智能機動的能力。此外，無人機巡航結(jié)束，回到目的站點才將所有數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析平臺，實時性較差。

　　1. 2 AI 技術(shù)應(yīng)用

　　AI 在現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作中應(yīng)用較少。在遙感領(lǐng)域，基于衛(wèi)星遙感影像的深度學(xué)習(xí)、圖像智能分類識別生態(tài)環(huán)境問題和景觀類型已得到初步應(yīng)用，還有少量基于深度學(xué)習(xí)的空氣質(zhì)量預(yù)報方面的研究。

　　目前，我國雖然已基本建成覆蓋環(huán)境空氣、地表水、酸雨、近岸海域、土壤、噪聲和生態(tài)等要素的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，初步構(gòu)建了陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，但尚未實現(xiàn)多環(huán)境要素間、多部門間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面、有機、實時化耦合聯(lián)動，未能滿足環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù) “真、全、準(zhǔn)、快”的實時監(jiān)控和預(yù)警預(yù)報需求。在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系中注入 AI 的智能輔助分析，可以精準(zhǔn)、靈活、全方位地提供大數(shù)據(jù)綜合分析，提高對環(huán)境要素和污染源的智能感知、實時監(jiān)控和智能預(yù)測能力，為科學(xué)管理決策提供技術(shù)支撐。

　　在 5G 普及的大環(huán)境下，環(huán)境監(jiān)測器與傳感器收集的數(shù)據(jù)將通過 5G 通信系統(tǒng)集成。AI 對收集的數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練預(yù)測，衍生出更加智能的環(huán)境質(zhì)量預(yù)報預(yù)測模型，并通過 5G 將模型數(shù)據(jù)返回給各個終端，同步共享，提升污染溯源及針對性解決問題的質(zhì)量與效率。未來，AI 在大數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)報、智能處理等方面的應(yīng)用將是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) 5G 新基建基礎(chǔ)上的一個突破。在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測溯源方面，通過 AI 監(jiān)測監(jiān)控海量數(shù)據(jù)，提升環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與污染源監(jiān)控溯源的實時能力; 在突發(fā)環(huán)境污染事件應(yīng)急監(jiān)控方面，設(shè)置邊緣計算節(jié)點和數(shù)據(jù)分析模型，通過 AI 識別各類數(shù)據(jù)，快速發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題線索，對出現(xiàn)的異常情況動態(tài)預(yù)警[9 - 10]，提升污染事件監(jiān)管水平。此外，通過 AI，既可以“非現(xiàn)場”查看企業(yè)實時監(jiān)控情況和歷史數(shù)據(jù)，也可以利用 5G 的高速傳輸性能，讓現(xiàn)場人員與專家視頻會商。因此，構(gòu)建基于 5G 與 AI 的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，逐步實現(xiàn)對重要生態(tài)環(huán)境信息的全天候、智能化遠程自動監(jiān)測是未來的發(fā)展趨勢。

　　2 基于 5G 與 AI 的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

　　2. 1 網(wǎng)絡(luò)平臺搭建

　　目前較為先進的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)包括采用傳統(tǒng)的傳感器定時采集數(shù)據(jù)回傳至中心服務(wù)器，利用無人機的機動性對監(jiān)測區(qū)域進行周期性巡檢，以及派遣無人機、無人船設(shè)備在空中和水域進行空氣和水質(zhì)采樣，并且自動拍攝視頻圖像[5]，監(jiān)測中心對獲取的樣品、監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖像處理分析，得到監(jiān)測結(jié)果。借助迅猛發(fā)展的信息與通信技術(shù)，今提出基于 5G 與 AI 的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)( 見圖 1) ，由遙感衛(wèi)星、無線傳感器節(jié)點、無人機、無人船、NB - IoT /Lora、5G 高速網(wǎng)絡(luò)與 AI 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。其中，遙感衛(wèi)星獲得監(jiān)測區(qū)域的電磁波譜信號，使監(jiān)測范圍更廣、更全; 傳感器節(jié)點采用邊緣分布式計算，具備智能感知能力; 2G、3G、4G、5G 及 NB - IoT 等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，使信息數(shù)據(jù)傳輸更具魯棒性和實時性; 借助 AI 的輔助分析，使無人機和無人船的巡航能力更強，對污染物的監(jiān)測更精準(zhǔn); 通過深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練預(yù)測污染物濃度變化趨勢，為科學(xué)防控提供有力依據(jù)。

　　隨著平安城市建設(shè)的不斷深入，城市治安視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從單純的城市治安防范技術(shù)手段向大型綜合性視頻圖像信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，成為數(shù)字城市的重要載體。5G + AI 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于地面監(jiān)控及對監(jiān)控視頻和圖像進行 AI 處理分析，可以更加精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)各種污染排放和應(yīng)急突發(fā)情況，及時預(yù)警，便于生態(tài)環(huán)境管理部門高效應(yīng)對。當(dāng) 5G 遇上 AI 技術(shù)，環(huán)保 AIoT 應(yīng)運而生，為智能環(huán)保機器人的誕生提供了技術(shù)支持，由機器自動解決污染問題將成為現(xiàn)實。目前，雄安新區(qū)首次搭建了基于 5G 技術(shù)的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，在太湖藍藻 5G 環(huán)境整治方案中也有無人機、NB - IoT 物聯(lián)網(wǎng)等方面的應(yīng)用實踐。然而，AI 在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用還有待于持續(xù)加強，后期建議在已部署 5G 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的試點場景，進一步開展 AI 輔助分析和處理方面的應(yīng)用。

　　2. 2 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

　　建設(shè)基于 5G 與 AI 的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

　　( 1) 傳感器節(jié)點邊緣分布式計算[11]。除了采集和發(fā)送數(shù)據(jù)外，傳感器節(jié)點還應(yīng)具備邊緣分布式計算能力，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷污染物濃度等級，當(dāng)超過閾值時自主發(fā)送預(yù)警信息。對接各類環(huán)境監(jiān)測站點或污染源企業(yè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的去中心化分析，形成 TB /s 級的數(shù)據(jù)傳輸和運算能力，提高數(shù)據(jù)運算效率，提升監(jiān)測監(jiān)控的時效性。

　　( 2) 5G 網(wǎng)絡(luò)污染物視頻監(jiān)控[12 - 13]。5G 網(wǎng)絡(luò)包括低速 NB - IoT 網(wǎng)絡(luò)和 5G 高速網(wǎng)絡(luò)。利用 5G高速網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測視頻傳送至網(wǎng)絡(luò)平臺中心，通過視頻檢測技術(shù)捕捉污染場景; 利用 NB - IoT 網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)平臺中心，通過 5G 視頻會商確定污染源。

　　( 3) 基于 AI 的視頻檢測識別[14]。利用 AI 輔助衛(wèi)星遙感、無人機和無人船監(jiān)測技術(shù)，如通過視頻圖像分析，利用 AI 檢測識別污染物并快速追蹤污染源; 通過 AI 自動優(yōu)化巡航路線，更加快速地尋找污染源頭，并通過 5G 網(wǎng)絡(luò)回傳捕捉的視頻圖像，交由監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺進行二次分析處理。

　　( 4) 基于 AI 的污染物濃度預(yù)測[15]。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺通過 AI 的深度學(xué)習(xí)模型( 如 CNN - LSTM 網(wǎng)絡(luò)) 和強化學(xué)習(xí)模型，對監(jiān)測區(qū)域的歷史污染物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，多尺度預(yù)測未來 1 h、1 d 和 1 周的污染物濃度，為科學(xué)管理決策提供依據(jù)[13]。

　　基于此，推進高覆蓋、多維度、智能化的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，搭建多路數(shù)據(jù)融合通信的智能化移動執(zhí)法系統(tǒng)，以及集 5G、遙感衛(wèi)星、視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)保 AIoT 為一體的環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，讓“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺更加全方位、高速化、智能化，具備更強的預(yù)警和判斷能力。5G + AI 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將給現(xiàn)有的環(huán)境管理、監(jiān)測、執(zhí)法、監(jiān)察、決策、應(yīng)急等工作注入強大活力，獲取的生態(tài)環(huán)境信息和預(yù)測預(yù)報預(yù)警成果將全面提升環(huán)境治理的智慧化水平。

　　3 結(jié)語

　　5G 技術(shù)與 AI 快速發(fā)展，新形勢下生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要革新，兩者相互結(jié)合是未來的重要發(fā)展方向之一。鑒于目前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面存在的問題與不足，提出了基于 5G 與 AI 的“天地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)借助邊緣計算、5G 高速網(wǎng)絡(luò)、AI 視頻檢測識別，以及 AI 污染物濃度深度學(xué)習(xí)和預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)，使平臺具備智能感知、實時監(jiān)控和智能預(yù)測的能力，為實現(xiàn)重要生態(tài)環(huán)境信息的全天候、智能化遠程自動監(jiān)測和預(yù)警提供了解決方案。