陆家嘴百亿买毒地&日本核污水排海，AIoT监测设备成“香饽饽”
近日，“陆家嘴起诉苏钢集团索赔100亿”的消息引起社会广泛关注。
简单来说，就是陆家嘴于2016年花85.25亿元买了苏钢集团17块地，然后热火朝天地进行了几年开发工作。
结果房子都盖出来了，却发现其中大部分都存在严重污染风险，与此前苏钢集团挂牌出让时披露污染的信息不符，根本无法用于住宅、商办等——这很有可能导致投资百亿的综合体项目沦为一座空城，所以陆家嘴直接就把苏钢集团告了，索赔约100亿！
图1，陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司公告
在此之前，日本政府无视国内外反对呼声，于8月24日启动福岛核污染水排海的举动，则是引发了世界范围内大规模的反对和谴责。
随着工业生产和日常生活中排放的废气、废水和废物越来越多，以这些热点事件为引，环境污染问题越发成为国家和社会关注的焦点。
然而，传统的环境保护和污染治理在预防性、及时性以及精准性等方面有所欠缺，与之相比，新兴的智慧环保依托AIoT技术，通过对监测地区的环境信息进行感知、分析、整合，使决策者能够更好地做出契合环境发展需要的决策，进而实现环境保护的精细化管理。
根据北京研精毕智信息咨询有限公司统计，当前全球智慧环保行业市场规模逐年上升，截至2021年底，全球市场规模已达到1250亿美元，2022年市场规模则进一步增加至1310亿美元。可以预知，前景广阔的智慧环保市场将为物联网产业链上下游，尤其是提供监测/检测类设备的企业带来可观的增长空间。
智能监测/检测领域前景可期
与智能物联从1.0到2.0的演进方向一致，一套完整的智慧环保解决方案架构基本也可分为感知层、传输层、平台层和应用层，并且各个层级之间出现了“通感智值一体化”的发展趋势：
感知层：主要包括污染源监控设备、水质监控站、大气监控站等智能监测/检测设备和站点，通过对周边环境进行感知，捕获、测定及传递信息；
传输层：利用通信网络和技术传输感知设备收集到的数据，由于很多监测/监测设备地处偏远，所以常用的通信技术有卫星通信，以及包括NB-IoT、LoRa在内的低功耗广域传输技术；
应用层：建立信息应用系统和平台，为服务对象提供智能化服务——一方面帮助政府、企业更好地实现环境质量检测、污染防治、生态环境保护决策，如风险管理子系统、 监测预警子系统、应急响应子系统等；另一方面也可以服务于民。
在智慧环保产业链中，智能检测/监测设备是核心产品之一。
就政策层面来看，《数字中国建设整体布局规划》中着重提出了对生态环境相关领域的数字化建设要求，推动智慧环保发展机遇到来，环境监测作为智慧环保感知层建设中最重要的一环，有望率先受益。
另据《生态环境监测规划纲要（2020-2035年）》，要求“十四五”期间大气监测国控点位数量从1436个增加至2000个左右、地表水国控断面数从2050个整合增加至4000个左右，并形成多层次地下水环境质量监测网络。
显然，“十四五”新增的大气及水质国控监测点位有望带来大量新增设备需求，智能监测/检测领域前景可期。就细分领域来看，智能监测/检测领域分为气体监测、水质监测、辐射监测、土壤监测等多个方向，下面将一一进行阐述：
（1）气体监测/检测
气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，近年来市场持续增长。根据Mordor Intelligence的数据，气体传感器市场规模预计将从2023年的13.9亿美元增长到2028年的22.8亿美元，在预测期间（2023-2028 年）的复合年增长率为 10.40%。
气体传感器技术种类繁多，有不同的分类维度，以发生反应的方式不同可分为电化学、半导体、红外、接触燃烧、气体传感器等，如下表所示：
表1：气体传感器主要分类及介绍
按照气体分类，目前市场上主要测量碳氢化合物以及可燃气体，例如O(2、)NH(3)、HCN、HCl、Cl(2)、NO、NO(2)、CO、CO(2)、O(3)、SO(2)、H(2)S等。在配合各类通讯协议的条件下，这类传感器在接收到超过阈值的有毒有害气体时会自动报警，并且实时上传数据，保障工厂作业和日常生活中的安全性。
在市场需求的持续推动下，气体传感器领域也不断推陈出新，向着小型化、智能化、低功耗、高灵敏度、多组分检测等方向进化。
早在2021年3月，博世就推出了第一款具有人工智能功能的气体传感器MEMS传感器BME688。据官方介绍，基于 Bosch Sensortec 成熟的 BME680 平台，BME688 内置的更新版本气体传感器可实现更广泛的测量范围，并拥有先进的人工智能功能。此气体传感器现可检测多种气体，包括挥发性有机化合物(VOCs)、挥发性化合物 (VSCs) 和其他类型的气体，如一氧化碳和氢气，检测范围为十亿分之一 (ppb）。
今年3月，清华大学机械系在智能气体传感器研究中取得新进展，基于单气体传感器实现了混合物多组分智能检测。
图2.该研究被选为《先进智能系统》（Advanced Intelligent Systems）期刊封底文章
混合物中的多组分检测，在现代生物医学及化学研究中有着不可或缺的重要地位。由于传感单元响应选择性往往不尽如人意，不同组分在同一传感器上产生的响应信号会不可避免地发生重叠。这导致现有检测手段仍需面对成本较高、操作流程冗长、需要专业人员操作等问题。
而人工智能的发展为传感器信号处理与特征提取提供了新思路。针对上述问题，清华大学针对混合物组分在同一传感器上的重叠响应信号，探索出了低成本、高准确率、自动化的多组分智能检测方法。该研究中，针对18种不同浓度配比的乙烯-乙炔二元气体混合物，可直接根据传感器响应信号预测各组样品的组分含量，在5折交叉验证测试中，成功识别了这18种二元气体样本，准确率达99.9%以上。
就市场份额和企业来看，气体传感器企业主要集中在欧美和日本等地区，包括费加罗、安费诺、盛思锐、艾迈斯等企业。近几年，国内一些气体传感器企业也逐渐浮出水面，在国内市场逐步扩大份额。比如，主营传感器、智能仪表和物联网相关软件产品的汉威科技广泛布局气体监测行业，已经形成传感器 监测终端 数据采集 空间信息技术 云应用 AI的全方案商业模式；专精生产气体传感器的四方光电不断在气体传感器细分领域内深耕，打造属于自己的护城河，做到细分行业龙头；从事环境监测及相关服务的雪迪龙主要围绕与大气、水、土壤等生态环境监测相关的“端 云 服务”展开。
（2）水质监测/检测
水质监测是保证用水安全和水污染治理不可或缺的环节。《生态环境监测规划纲要（2020-2035年）》提出了我国未来15年将实现水环境监测的发展目标。明确了水环境质量监测的重要性，并进一步提出水质监测将逐步向水生态监测转变，组建统一的地表水环境监测网络、深化自动监测与手工监测相融合的监测体系、推动水质污染溯源监测、拓展流域水生态监测。
水质传感器是其中的核心设备——该类传感器主要用于监测河流、湖泊和海洋的水质，适用于饮用水监测、河流化学泄漏检测和海水污染水平的远程测量。
目前水质主要监测pH值、溶解氧、电导率、浊度和温度等水质常规五参数，以及ORP、氨氮、余氯、COD、BOD、重金属、亚硝酸-硝酸盐指数、总磷及叶绿素等对水自然环境影响较大监测因子。按照监测参数和技术原理，水质传感器主要有如下分类：
表2：水质传感器主要分类及介绍
由于水质监测涉及的监测范围通常比较大，监测设备往往会以监测站的形式进行应用。国家海洋环境监测中心今年3月发布的数据显示，目前，全国已建的71套海水水质自动监测站中有38套已联网接入海洋中心，监测数据包括风速、风向、气温、水温、pH、溶解氧、营养盐等指标，数据量约1000万条。
打通了沿海地方与国家节点之间的数据传输通道，实现了海水水质自动监测站数据实时传输、即时评价，在一张图上动态展示评价结果。
图3：海水水质自动监控信息系统（国家海洋环境监测中心)
就市场份额和企业来看，中国水质监测仪器行业主要有国内本土企业和国外企业两大派系——国外水质监测企业技术水平、市场占有率、产品成熟度等方面具有一定优势，代表企业有艾默生、赛默飞、岛津、哈希等；国内企业虽然相比国外同行存在着一定差距，但近年来发展迅速，代表企业有聚光科技、先河环保、力合科技、雪迪龙、理工环科、怡文环境等。
（3）辐射监测/检测
与气体、水质等传感器相比，辐射传感器原本比较“低调”，应用范围也没有前两者那么广泛，但是近期日本核污水排海的消息却让这类设备被推上了风口浪尖，甚至引发了大众对核辐射检测仪的一波抢购。
所谓核辐射检测仪，是用于测量环境中辐射强度的仪器，常用于检测核辐射、核污染是否超标，一般是机场、海关、码头、安全组织、核电站或是研究机构、实验室等可能接触到核辐射、核污染的工作人员会用到，其原理是利用射线与物质相互作用时所产生的多种效应，将各种需要检测的物理、化学等变量信息转变成可测量的电信号，再传给芯片进行计算得出结果。
除了常见的核辐射检测仪之外，还有另一种可以用于检测的核辐射传感器，即利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。它的基本工作原理是利用放射性物质与物质相互作用产生的电离现象，将其转换为电信号，再经过前置放大器进行放大，并由数字显示装置或转换器进行数码显示或转换为标准信号（如模拟信号或数字通信信号）输出。
目前，核辐射监测/监测设备可被应用于核工业、医疗卫生、食品安全等领域。在核工业中，其常被用于放射性物质的监测与控制；在医疗卫生方面，则可用于放射性药物的使用量控制、辐射治疗剂量的测定等；在食品安全方面，还可实现对食品中放射性物质含量的快速检测和监测。
（4）土壤监测/检测
数据显示，95%的食物来自土地，因此土壤是全人类生存、发展的基础，也是生态环境的重要组成部分。然而，采矿、熔炼和制造等工业活动；生活垃圾、畜禽废物和城市废物；农用杀虫剂、除草剂、化肥；车辆尾气等排放物——都会在不同程度上造成土壤污染。
具体到中国，当前我国土壤污染防治形势严峻。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，总的调查点位超标率为16.1%，中度和重度污染点位分别为1.5%和1.1%。其中，耕地土壤的超标率高达19.4%；工矿业场地点位超标率达36.3%。
土壤污染既会损害植物代谢减少作物产量，也会危害生活在土壤中的微生物，从而威胁我国农产品质量安全、人居环境安全和生态环境安全，因此加强土壤污染防治已经迫在眉睫。从土壤生态安全的战略高度，防治的关键一环在于加强对土壤环境质量状况的及时监测/检测。
虽然土壤微生物监测也十分重要，但与之相比，土壤理化监测方法具有易采样、成本低、检测快等优点，目前许多土壤环境健康监测多采用此方法。常用的物理监测指标包括土壤质地、水分、容重、导水率、团聚体、渗透力、土层深度、孔隙度等；化学监测指标包括pH值、有机质、重金属、有效养分、含盐量等，因此市面上的土壤监测/检测传感器种类繁多，常见的如下表所示：
表3：土壤传感器主要分类及介绍
在诸多土壤监测/检测传感器，土壤水分传感器的应用最为广泛。调研数据显示，2022年，全球土壤水分传感器市场规模达到2.166亿美元。展望未来，IMARC集团预计到2028年，市场规模将达到4.581亿美元，在2023-2028年期间达13.7%的增长率（CAGR）。
面向市场需求，土壤水分传感器也在持续迭代进化：第一代土壤水分传感器多以单深度针式传感器为主，稳定性和重复性都比较差，且精度普遍与标称值不符。
随着物联网技术的普及，将数字仪表、无线发送设备与传感器一体化设计，成为我国土壤水分测量传感器第二代技术的标志。第二代传感器实现了实时、在线、原位测量，而且“一管到底”，多个深度同时监测，数据直接通过无线GSM/GPRS芯片发送至云服务器，用户可借助任何终端（手机、PC机）随时随地查看数据。
如今，随着人工智能的加持，土壤水分传感器迎来3.0时代——据报道，中国农业大学传感器团队研发了我国第3代“端云一体的多深度土壤水分监测系统”，完全实现了模拟感知、数据采集、无线通信、云服务器及用户终端一体化、小型化及系统化设计，系统可以对同一点四个土壤剖面的水分、温度、空气的温度、湿度、大气压等参数同时测量。3.0版本采用智能算法，在不增加传感器成本及测量节点的情况下，实现了对传感器四个有感知环的深度精准测量精准度≤2%，其它点任意测，预估误差≤4%。
一些典型应用场景/案例
虽然智能监测/检测设备是智能环保产业链的核心设备，但由于监测环境的特殊性，其往往需要和其他智能化设备配合应用，形成一套综合性的智慧物联网解决方案。基于此，本部分将介绍一些典型应用案例：
机器人 气体传感器
在我国石油、化工、煤炭等行业，非常规、非连续作业的有限空间，如管道、烟道、隧道、下水道、船舱、地下仓库、储藏室等场所，有毒气体泄漏事故时有发生，对人身安全的威胁也越来越大。传统人工巡检气体检测方法存在“望、闻、问、切”四步骤的局限性，且效率低、巡检盲区问题较为突出。
智能巡检机器人搭载气体传感器依靠以5G为代表的无线通信技术，可以代替一线高危作业人员，在各类易燃易爆、有毒有害、高温高压的环境中，执行全天候昼夜巡检工作，部分机器人还具备自主建图、路径规划、自主避障、定位导航、快速感知、实时监测、超前预警等功能，保证巡检工作的安全与高效。
此前，高通公司联合智次方·物联网智库发布的《2023高通赋能企业数字化转型案例集》曾提及，移远通信推出了基于高通QCM6490物联网解决方案的5G智能模组SG560D和基于高通QCS8250物联网解决方案的高算力模组SG865W-WF，为无人机、机器人终端在油气行业开启远程巡检提供“动能”。
无人机 气体传感器
当前，无人机生态环境监测在一体化监测体系中扮演着非常重要的角色。卫星环境应用中心航空遥感部曾表示，在日常监测中，818个县域的生态环境监测就是无人机和卫星相互配合来完成工作的。
在夏季大气污染观测中，无人机搭载大气气体检测传感器的应用得到了大力推广。中国科技部交予上海交通大学的科研项目“复杂地形区域大气污染机载走航观测技术”，利用搭载大气气体检测传感器及小型化高分辨成像DOAS探测系统进行空气污染走航观测，效果很好。无人机根据飞行的不同高度，可以搭载不同的大气自动监测设备，实现对空气中不同高度目标区域的大气进行监测，实时反馈大气质量数据或对空气进行采样，其中可监测臭氧、二氧化硫、一氧化碳、颗粒物浓度pm2.5浓度等空气环境问题。
此前， ABB 也曾在第三届进博会上全球首发HoverGuard™天然气泄漏检测解决方案。该方案基于ABB 专利的激光检测技术，结合北斗精准服务，可快速、准确、可靠地检测与定位天然气泄漏情况，用创新的数字化技术保障城市与基础设施安全。据悉，HoverGuard 无人机载天然气泄漏解决方案可实现在 40米或更高的飞行高度下快速检测 100米范围内的泄漏。无人机在几分钟内即可远距离检测车辆和人员难以到达之处的泄漏问题，其每分钟覆盖的陆地面积是传统方法的10-15倍。
智能无人船 水质传感器
河湖监管范围大，任务重，依靠当前水政监察人员人走车跑船巡的监管方式，巡查效率较为低下，同时耗费的人力物力也较大，据统计，2016—2021年，全国共出动水政监察人员1468.4万人次，车辆375.2万车次，船艇63.5万航次。
为了解决类似挑战，水利部发展研究中心发文介绍了一种新型智能无人船设备，包含水面自主巡航机器人、智能停泊坞和可视化软件系统平台三个部分。
图4：新型无人船体设计示意
其中，水面自主巡航机器人内置完善的水文、水质检测系统和多种传感器，可24小时无人值守自主完成指定水域的监测巡航，并实时采集自身所处水域的各种水资源相关数据和视频图像。
智能停泊坞可以为水面自主巡航机器人提供补给，包括充电、补充水资源检测系统所需的耗材、移除水质测试系统产生的废液等。此外，船坞本身还是一个无人值守监测站和5G信号基站，既可以实时监测船坞所处一定范围内的水资源相关指标，还可以为无人船和周边其他监测设备提供5G信号传输支持和电力支持。
最后，可视化管理系统平台汇集所有水面自主巡航机器人和智能停泊坞获取的监测数据，可以建立相关的数据模型库，同时支持实时图像传输和VR远程控制，可将数据传输至省、市、县等各级水利业务平台系统和政府其他相关业务平台，方便水行政主管部门和其他相关职能部门远程查看和实时调用被监测水域的相关数据和影像。
物联网平台 土壤传感器
当下，中国农业数字化应用技术水平在不断提高，智慧化技术改变了农民“面朝黄土背朝天”的传统，一座座“数字农场”如雨后春笋一般纷纷冒出。
举例来说——曾经创办“偷菜”游戏“开心农场”的郜韶飞在2018年投资了一家名为“农法自然”的农业科技公司，该公司看中衢州气候环境不易生“柑橘黄龙病”（柑橘的毁灭性病害）的优点，在柯城区承包了1250亩土地，种植当地著名的椪柑、鸡尾葡萄柚、大雅柑。
公司引进了阿里智慧农业IoT物联网技术和数字化管理工具，通过土壤传感器、光传感器等设备实时监测土壤水分、PH值、日照时数、光和有效辐射等情况。根据这些数据，果农可以在电脑或手机上远程实时操控灌溉的时间、强度等等，避免造成旱、涝，也避免浪费资源。
除了土壤和光照情况，这套系统还能监测植株长势、土壤养分分布、土壤有机质含量等等，实施精准化种植管理，全程追溯。最终提高鸡尾柚产量，增强果实甜度、光泽度等指标，实现良好的种植效益。
写在最后
在智慧环保的大潮中，智能监测/检测设备展现出令人瞩目的前景，为环境保护事业注入了强大的动力。气体监测、水质监测、辐射监测、土壤监测等多方位的综合数据，使得我们对环境状况的了解更为全面深入，为科学决策提供了坚实的依据。
随着科技的不断进步，智能监测设备的发展将迎来更为广阔的空间。未来，我们可以期待更精密、智能化的监测工具，更高效、实时的数据分析系统，以及更便捷、全面的监测网络。这将为环保部门、科研机构以及社会大众提供更多创新性的解决方案，推动环保事业不断取得新的进展。
在智慧环保的长远道路上，我们期许智能监测设备不仅成为环保事业的得力助手，更是推动社会可持续发展的引擎。通过科技的力量，我们能够更好地保护自然环境，实现人与自然的和谐共生。让我们共同努力，携手迈向一个更清洁、更绿色、更美好的未来。
参考资料：
《智慧环保行业发展现状分析》，智次方研究院
《气体传感器市场规模和份额分析-增长趋势和预测（2023-2028）报告》，Mordor Intelligence
《2023年中国气体传感器行业市场分析报告 》，智研咨询
《机械系研究团队基于单气体传感器实现混合物多组分智能检测》，清华大学官网
《Bosch Sensortec推出搭载人工智能的四合一气体传感器BME688》，博世官网
《中国水质监测行业竞争格局及市场份额》，前瞻网
《水质检测常用的几款传感器》，炜盛科技
《核辐射检测仪卖爆了！检测设备上的传感器严重短缺》，仪商网
《我们需要买核辐射检测仪吗？》，与非网
《从矿山到油田，5G AI为能源行业添智慧》，智次方·物联网智库
《气体传感器在无人机上的应用》，工采网
《新型智能无人船在提升水资源监测、河湖监管水平方面的应用》，水利部发展研究中心
《全国土壤污染状况调查公报》，环保部和国土部
当土壤检测遇上物联网和人工智能，会发生怎样的化学反应》，修复通
《土壤水分传感器市场：2023-2028年全球行业趋势、份额、规模、增长、机会和预测》，IMARC
《【专题报道】隐藏的危险---全球土壤污染问题》，联合国新闻
《行业观察 | 数字技术“播种”，阿里巴巴下田》，财经杂志
