南非空气污染：价格实惠的新设备利用人工智能实时监测热点
空气质量已成为非洲最重要的公共卫生问题之一。每年，全球因空气质量差而死亡的人数比艾滋病毒、结核病和疟疾死亡人数的总和还要多。而这还只是冰山一角。空气污染使人们的生产力下降，因为他们会感到头痛和疲倦。以印度为例，该国的空气质量很差，每年给其国内生产总值造成约1000亿美元的损失。
空气质量差对健康的危害众所周知。但设立监测站定期测量空气质量的成本一直很高。
我是一名粒子物理学家，也是威特沃特斯兰德大学对撞机粒子物理研究所所长，也是南非国家研究基金会下属机构 iThemba 加速器科学实验室的主任。作为我们技术转让活动的一部分，我们成立了南非空气质量监测联盟，这是一个由多学科科学家组成的团队，与政策制定者有着密切的联系，他们致力于改善南非的空气质量。
我们决定在南非首次打造一套基于传感器、物联网和人工智能的经济高效的空气质量监测系统。我们将该系统命名为Ai_r。
我们的团队由 25 名成员组成，其中包括 20 多年从事传感器、通信和人工智能研究的粒子物理学家。在粒子物理学领域，我们使用不同的技术和不同的学科创建复杂的系统。粒子物理学包括电气和信息工程、数据科学和人工智能等。
南非只有130 个大型空气质量测量站。它们只测量站点附近的空气质量。这就是为什么我们需要在这些站点周围建立由 Ai_r 系统组成的经济高效、密集的网络，以测量更广阔区域的空气质量。
我们的愿景是将数万台这样的设备安装在南非各地。
使用人工智能
Ai_r 由一组小盒子组成，制作成本约为 100 美元。这些盒子可以安装在任何建筑物的窗台上，在那里采集空气样本并将数据实时反馈回云端。建模和预测由与云端结合的人工智能完成。
人工智能并不变魔术。它只是科学家用来执行任务的一组数学工具。它整合数据集，从数据中学习并创建自动模型。这节省了大量资源。
在空气质量监测方面，人工智能将从这些传感器产生的大量数据中学习，然后做出预测。例如，Ai_r 将能够告诉我们天气变化对空气质量的影响，这样我们就知道哪些地区的空气污染会更严重。
如果没有人工智能，我们就很难建立起一个既能监测空气质量又能做出预测的经济有效的系统。
2024 年 8 月 2 日索韦托的空气质量。来源：SACQM 提供
测量约翰内斯堡的空气质量
在测量空气质量时，目标是确定热点（空气质量最差的地方），而不仅仅是城市的平均空气质量。
空气污染严重的热点地区可能与空气质量较好的冷点非常接近。出于公共卫生原因，我们需要知道并能够预测任何一天空气质量不佳的地区。只有这样，我们才能说服当局采取措施，遏制空气污染严重的地区。
我们已经在约翰内斯堡的索韦托和布拉姆方丹安装了大约 20 台新设备，未来几个月还将安装 120 台。这两个城市每天都有数万辆汽车经过，因此面临着很高的空气污染风险。
我们还在威特沃特斯兰德大学和iThemba LABS安装了空气质量传感器。我们与豪登省教育部达成协议，将在索韦托地区的学校部署这些传感器。私营 Netcare 集团的医院也同意安装空气质量设备。
我们的网站上有一个公共仪表板，您可以在其中查看我们收集的所有数据。
该项目于 2024 年 6 月启动。政府对此反应非常积极，我们现在正在将该系统整合到南非官方空气质量评分系统SAAQIS中。我们还得到了约翰内斯堡市的大力支持，以进一步部署。
Ai_r 系统测量2.5 级颗粒物。这些是极其微小的污染物质颗粒，例如灰尘、污垢、烟灰或烟雾。这些颗粒物的问题在于人们会吸入它们。它们进入人们的血液，可能导致心脏病、癌症和其他疾病。这就是为什么 2.5 级颗粒物的含量通常被用作全球空气质量的基准。
工作原理
空气质量设备装在一个盒子里。它有一个小型激光器，可以向空气中发射光线。根据光线的散射和反射方式，可以测量颗粒物的浓度。然后测量结果被发送到盒子里的微型计算机，该计算机每五分钟通过天线通过物联网技术与存储数据的云端系统进行通信。这样就不需要有人在那里收集空气质量样本了。
我们还对这些设备进行了优化，使它们耗电量极少。在停电的情况下，这些设备配有经济实惠的电池，可持续使用数天。它们非常容易维护。它们在南非各地推广使用起来成本低廉。
现有网络将继续发展，到 2024 年底，将成为非洲最大的、最具成本效益的自动化空气质量测量系统。
我们确实需要测量污染，并查明污染程度，以便制定针对问题区域的缓解策略，提高效率。目标是改善受空气污染影响最严重的人的空气质量。
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