文 / 李莫菲 华润环保
内蒙古生态环境大数据有限公司（简称“大数据公司”或“公司”)是内蒙古环保投资集团有限公司直属企业，2021年加入华润集团旗下的华润环保，成为华润环保技术服务领域的重要力量。秉持以“环境大数据”为核心的发展理念，大数据公司不断提升技术创新能力，推动生态环境治理向数字化、智能化方向发展。2022年12月，大数据公司的“城市大气污染精细化监管体系”科技项目在内蒙古自治区乌海市成功示范应用并投入运行，并荣获集团2023年度科技创新成果铜奖。要谈起项目的整个科研历程，故事还要从2020年说起。
乡情悠悠 探索环境改善之道
2020年6月，我回到了我的出生地——内蒙古乌海市，距离上一次离开已经过去了十年。此次归来，并非为了探亲访友，而是作为大数据公司的代表之一，与当地生态环境监管部门进行交流，共同探讨如何运用数字化手段助力乌海生态环境的改善。
就在几天前，习近平总书记在参加十三届全国人大三次会议内蒙古代表团审议时，特别指出要着力抓好乌海及周边地区的生态环境综合治理，持续推进蓝天、碧水、净土保卫战。乌海及周边地区位于黄河上游，矿产资源丰富，包括煤炭、石灰石、粘土等，是国家重要的煤焦化、氯碱化工基地。该地区分布着内蒙古自治区七个工业园区，并与宁夏石嘴山经济技术开发区相邻。相近的资源禀赋、集群式的企业分布、脆弱的生态环境以及干旱少雨风沙大的气候条件。
一下飞机，我便嗅到空气中弥漫的特殊气味，后经了解得知，这是硫的味道。乌海市煤焦化、氯碱化工工业集中，虽然各工厂的含硫污染物排放均符合国家标准，但累积起来，仍对乌海的空气质量产生了一定影响。在当地生态环境工作人员的陪同下，我们前往了距离市区数十公里外的矿山，那里是煤矸石自燃点集中的区域，燃烧产生的气体使得周围区域仿佛笼罩在仙雾之中。好在大家都养成了随身携带口罩的习惯，否则置身于这烟雾缭绕的环境中，恐怕会让人喘不上气来。
一道道待解的环境难题，摆在了我们面前。我深感与同事们共同努力的必要，为家乡乌海的生态环境改善贡献力量，让家乡的孩子们能够享有更加清澈的蓝天。
直面挑战 解决环境监管难题
经过与工作人员的深入讨论与梳理，我们发现乌海市大气环境监管面临的最大难题主要集中在两个方面：“怎么实现”和“怎么知道”。“怎么实现”是指如何确保高质量完成包括优良天数在内的“十四五”空气质量约束性指标。每一年，内蒙古自治区都会给乌海市下发考核指标，因此时间紧迫。而“怎么知道”则是对城市内的大气环境感知不够全面，除了掌握国控站、省控站和市控站的点状监测数据外，我们无法全面了解全市的大气环境质量状况。
针对“怎么实现”的问题，从2020年7月开始，我们针对乌海市污染天夏季以臭氧为主，其他三季以PM10、PM2.5为主的情况，自主研发了基于XGBoost和Adaboost模型的预测模型，预测未来三天乌海市重点污染物浓度及超标概率。根据未来三天的气象条件进行预报，并提出应对措施建议，每日向有关机构、部门发送大气环境日报，不断优化模型和报告格式。
2021年，我带领的课题《乌海及周边地区大气污染天地一体化精准监测与溯源关键技术研究与应用示范》就是为了解决“怎么知道”的问题，利用大气卫星遥感技术，对区域大气PM2.5、O3及其前体污染物等进行高时空分辨率的动态监测，建设“天地一体化”的大气污染卫星监测与溯源服务示范平台。
两年的课题实施取得了预期成果。然而，大气卫星遥感监测技术也存在一定的局限性。从下表中可以看出，对部分监测对象可以达到每30分钟扫描一次，但对其余监测对象的扫描周期为一天。监测结果无法做到实时，更适合用于事后评估及分析。
科技创新 构建精细化监管体系
我们将要承接的项目是智慧城市下的细分领域——智慧环保类项目，如何在项目进程中实现科技创新，是我们需要面对的挑战。
在开放的复杂巨系统理论视角下，城市管理科技创新体系内核结构由专家体系、技术支撑体系、数据信息体系组成，强化政用产学研一体的需求与价值实现。我们开始研究更符合乌海市监管需求和当地实际情况的感知设备。最终，我们确定了大气卫星遥感、配套高空视频的颗粒物激光雷达、空气微站等设备类型及所需的各类设备数量。
确认了物联感知技术支撑体系的建设方案后，我们又从客户需求、政策法规、当地的社会和经济状况出发，遵循城市管理科技创新体系，确定了数据信息体系以及软件技术支撑体系的建设内容。以“立体物联监测-多源数据融合-时空溯源扩散分析-污染管控评估”为技术主线，建立城市大气污染感知、分析、服务、指挥、监察一体化平台，项目整体投资3128万元。
不断精进 AI助力环境监测
矿区生态环境智慧监管系统是整个平台中的一个创新业务系统。该系统采用视频实时监控方式对矿区扬尘污染进行监管，将人工智能识别后生成的矿区扬尘污染照片实时推送至企业和具体监管负责人进行处理。对矿区扬尘案件处理落实情况实行半月汇总通报制度。
在系统建设过程中，由于实施周期的要求，我们最初与阿里合作，进行了扬尘特性的分析，并最终选定了当时主流的神经网络模型。该模型通过比较前后帧的图片，利用扬尘的动态及静态特性，提取特征值，建立模型。然而，在实际运行中，模型的误判率较高，尤其是将天上的云朵误判为扬尘。因此，在2023年，我们联合北京理工大学数学院，利用扩散模型（Diffusion model），建立了新的扬尘识别模型。实验结果远优于之前的神经网络模型，相关论文已在《sensors》上发表，相关专利正在撰写中。模型的本质在于加噪、去噪、再比较生成图像和原有图像的区别。如果区别较大，则可以判定图像中出现了异常现象。在矿区，我们定义的异常为扬尘；在其他场景中的异常，如人行道上出现车辆等。模型的应用场景十分广泛，我们正在紧锣密鼓地将模型投入生产中。
成果显著 环境质量全面提升
自2023年1月平台启用运行一年来，2023年，PM2.5、PM10浓度达到历史最优水平，分别优于2023年度、“十四五”约束性目标，超额完成内蒙古自治区下达的目标任务。众多主流媒体跟进报道，进一步提升了项目及公司的社会影响力和认可度。这些成果得益于科技在环境保护领域的深度应用，它们是智慧城市综合创新流程不断实践的结果。
该项目成功入选了两项国家级典型案例名单：工信部2023年物联网赋能行业发展典型案例，工信部2023年大数据产业发展示范。同时，研发团队也荣获了2022年呼和浩特市科技创新团队的称号。
未来可期 持续推进环境监管创新
城市大气污染精细化监管项目将在本年度持续优化升级。作为先行者，乌海市被选定为内蒙古自治区的试点城市，将依托城市大气污染精细化监管体系，正式启动一项创新的“三监联动”工作机制，即“以生态环境监测部门感知发起，监管部门统筹高度，生态环境综合执法部门执法检查”，三者协同作战，共同推进环境监管工作。此外，项目将进一步扩展问题清单系统、生态环境知识库系统以及会商系统的建设，遵循之前提及的创新体系架构，旨在弥补以往项目中专家体系建设的不足之处。通过运用先进的大语言模型技术，有效整合非结构化的环境问题数据和专家意见，纳入生态环境知识库中，使得相关信息能够被快速检索和集成，从而大幅提升监管业务的质量和效率。
从开始的省级科技计划，到后来建设落地智慧城市类项目，我们始终遵循钱学森提出的开放复杂巨系统理论，在知识社会环境下进行科技创新体系的实践。
我个人有几点感受：首先，技术创新要取得成果，必须从用户需求和应用场景出发。从2020年6月十年来第一次回故乡，到2022年12月项目正式建成，我带领团队共往返乌海市28次，深入了解现场、发现问题、倾听意见。
其次，技术创新的实现必须伴随着制度和管理的创新。技术终究只是管理的助力，要让技术发挥最大效用，必须将更多精力投入到配合客户制定规章、完善管理制度上。
第三，与国内外知名高校院所合作进行科创，既能保证技术的先进性，又能在知识产权方面避免走弯路。
最后，尽管政策要求不断更新完善，科技发展日新月异，但在科创过程中要遵循扎实的科技创新理论，走正确的方向，做正确的事。
