以色列開發(fā)新型無線傳感器監(jiān)測空氣污染

　　冠狀病毒大流行期間，由于減少了空氣污染物的排放，我們周圍的空氣質(zhì)量得以改善。這是因為全球范圍內(nèi)的封鎖和關(guān)閉導(dǎo)致能源消耗，運輸使用和石油需求的減少。例如，根據(jù)五月份發(fā)表在多學(xué)科雜志《空氣質(zhì)量，大氣與健康》上的一項研究，在中國，二氧化氮的排放量在一月至二月之間下降了70％。在印度，則減少了20-30％。

　　發(fā)表在以色列科學(xué)雜志“生態(tài)與環(huán)境”的最新研究報告顯示，污染物排放量下降了3％至13％（分別針對硫和苯氧化物），主要是由于汽車，火車的和船流量的減少。在特拉維夫，海法和耶路撒冷等密集的城市中心，在交通監(jiān)測站測得的二氧化氮濃度也降低了49-61％。

　　從環(huán)境和公共衛(wèi)生的角度來看，這些數(shù)字都很重要，即使COVID-19大流行繼續(xù)造成慘重的損失。

　　隨著限制開始放寬，甚至是零星地散開，各國都在尋求經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，我們很可能會看到污染水平回升，帶來了可怕的后果。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，每年有420萬人死于環(huán)境（外部）空氣污染。專家估計，僅在以色列，空氣污染就是造成每年2,000人過早死亡的原因。

　　因此，監(jiān)測空氣污染非常有必要。

　　如何收集環(huán)境數(shù)據(jù)？

　　國家空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)  包括遍布以色列的140多個空氣監(jiān)測站，由不同的環(huán)境協(xié)會，地方當(dāng)局，以色列電力公司，工廠和環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合運營。法規(guī)規(guī)定必須至少在12米的高度進(jìn)行測量，這就是為什么通常在很高的屋頂或桅桿上可以找到監(jiān)測站的原因。

　　但根據(jù)Technion土木與環(huán)境工程學(xué)院的Barak Fishbain副教授的說法，監(jiān)視站位于較高的高度，而不是“從地面”靠近地面，因而這使收集的數(shù)據(jù)不太準(zhǔn)確。

　　“從污染物排放（例如從汽車排放）到達(dá)到這些高度之前，化學(xué)過程已經(jīng)完全改變了該物質(zhì)的成分。因此，我們的測量值與呼吸之間的關(guān)系不足以使我們得出關(guān)于空氣污染與發(fā)病率之間關(guān)系的明確結(jié)論?！?/p>

　　Fishbain認(rèn)為，常規(guī)測量的另一個問題是大多數(shù)監(jiān)視站主要位于居民區(qū)。因此，大多數(shù)污染物都無法從源頭進(jìn)行測量，即在工業(yè)園區(qū)或工廠和發(fā)電廠所在的區(qū)域。如果將傳感器放置在遠(yuǎn)離污染源的位置，則可獲得較低的測量值。

　　“此外，當(dāng)有害污染物泄漏到環(huán)境中，而您想查明泄漏來源的工廠時，則沒有辦法。這些傳感器不在工廠附近，因此不可能追蹤泄漏的源頭?！?/p>

　　此外，F(xiàn)ishbain指出，基于模型構(gòu)建空氣污染圖是很常見的。

　　這些模型在涉及大比例尺地圖（例如整個以色列國或整個海法灣）時是準(zhǔn)確的，但是在涉及單個社區(qū)或街道等小區(qū)域時，常規(guī)模型不再適用。在這種情況下，專家使用插值方法[一種允許從現(xiàn)有數(shù)據(jù)集而不是模型中生成新信息的技術(shù)，“ Fishbain解釋說。“問題在于插值是一種數(shù)學(xué)方法，沒有考慮到污染物的化學(xué)和物理行為?！?/p>

　　較小的傳感器和更新的算法

　　為了更好地了解實際的空氣污染水平，F(xiàn)ishbain和他的實驗室開發(fā)了一種新型的廉價，低成本無線傳感器，可以輕松大規(guī)模地進(jìn)行分配。

　　Fishbain教授開發(fā)了低成本的無線傳感器來監(jiān)測空氣污染。照片：達(dá)娜？德拉勒（Dana Drahler）

　　“這些傳感器很小，只有煙盒大小，因此它們很便攜，可以放在口袋里。任何人都可以在任何地方使用這些傳感器之一，并進(jìn)行自己的測量。傳感器在人站立的確切位置檢測污染水平，不僅為用戶提供了更真實的空氣污染測量值，而且還提供了更好的暴露評估，”他強(qiáng)調(diào)說。

　　在開發(fā)便攜式傳感器之前，F(xiàn)ishbain還使用相同的技術(shù)創(chuàng)建了固定基礎(chǔ)設(shè)施，作為研究的一部分。該項目包括在海法的Neve Sha'anan鄰里部署一個小型傳感器網(wǎng)絡(luò)，以測量該地區(qū)不同街道的空氣污染程度。這項研究本身是一個名為CITI-SENSE的大型歐洲項目的一部分，該項目的主要目的是讓公眾意識到他們所在城市的空氣質(zhì)量。

　　但是，菲什班和他的團(tuán)隊并沒有為他們的“臉部水平”傳感器的分配做好準(zhǔn)備。科學(xué)家們還開發(fā)了一種指定的算法，該算法將模型方法與插值方法結(jié)合在一起，可以應(yīng)用于傳感器獲得的數(shù)據(jù)。

　　Fishbain認(rèn)為，新算法使創(chuàng)建更準(zhǔn)確的空氣污染圖成為可能。

　　“一旦您建立了模型，并利用其與污染物的物理和化學(xué)相關(guān)的能力，并將其與能夠解決小范圍細(xì)微差別的插值方法聯(lián)系起來，它們的結(jié)合就會產(chǎn)生一種算法，該算法可以構(gòu)建能夠?qū)⒕_的圖考慮到高度復(fù)雜的化學(xué)和物理性質(zhì)，” Fishbain解釋說。

　　用這種方法創(chuàng)建的空氣污染圖對于監(jiān)管目的可能變得至關(guān)重要，因為它們可以檢測污染物源，這將使對工廠和負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)，并使確保更好的空氣質(zhì)量變得更加容易。

　　最后，通過正確應(yīng)用新地圖中的數(shù)據(jù)，將有可能獲得有關(guān)特定空氣污染物濃度與發(fā)病率之間關(guān)系的更準(zhǔn)確信息。這些發(fā)現(xiàn)可以大大促進(jìn)空氣污染和公共衛(wèi)生的研究領(lǐng)域。