解析∣分布式传感器网络帮助纽约解决洪水和噪声污染问题
2021-11-06 20:25:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

美国纽约大学（NYU）的研究人员正在利用分布式传感器网络来开发城市中洪水和噪声的保护措施。

纽约大学的纽约市之声（SONYC）项目所打造的声音传感器是专为恶劣环境及条件所设计。将通过这些声音收集数据，让研究人员和市民更有效地监测和应对城市噪声污染。

俗话说，如果一件事能测量，便能将其控制，或者至少能够管理。纽约市在致力于减少街道洪水和噪声污染的负面影响时所面临的挑战之一，就是“如何有效地测量这些问题”。

据麦姆斯咨询报道，纽约大学城市科学与进步中心（CUSP）的两支多学科团队开发了传感器网络，该传感器网络可采集并分析洪水和噪声污染的近实时数据，使纽约在收集数据方面具备明显优势，以帮助应对这些具有挑战性的城市问题。

FloodNet传感器安装在洪水易发地点的标识柱上，通过由压电换能器产生向下的超声波脉冲而实现探测，在压电换能器后面放置了接收器来探测反射脉冲。

这种噪声传感器的研发起源于2015年，噪声是纽约市影响高品质生活的问题之一，该城市仅有50名噪声执法人员，但每年需要处理数百万件此类投诉。

在2015年美国国家科学基金会（National Science Foundation）拨款支持下，SONYC项目与纽约市环境保护局（负责强制执行噪声法规的城市机构）合作，建立并部署了噪声传感器。纽约大学城市科学与进步中心的研究助理教授Charlie Mydlarz领导了该项目中传感器的设计工作，该项目涉及大规模噪声监测、机器学习技术、大数据分析和公民科学报告，以便更有效地监测、分析和应对城市的噪声污染。

利用传感器网络实现城市监控的方法也被FloodNet项目所使用的，该项目由来自纽约大学和纽约城市大学（CUNY）的研究人员、纽约市长气候弹性办公室（MOCR）人员和首席技术官共同组成，包括纽约大学教授Andrea Silverman、Elizabeth Henaff、Tega Brain和Mydlarz。

最初，Silverman、Henaff和Brain的研究旨在测量洪水中的污染物。然而，研究团队很快发现，确定何时前往实地采集洪水样本也非常困难。目前还不清楚降雨量达到多少会导致纽约市不同地区的街道产生洪水。

“面对这一挑战，我们开始寻找能够提供洪水信息的数据集，但随即发现，几乎没有可用的量化且实时的洪水数据，这种情况不仅发生在纽约市，在世界各地的城市环境中也是如此。”Silverman说道，“在那一刻，我们意识到需要自己收集这些数据。”

分布式传感器网络是如何工作的？

FloodNet成立于2020年，将社区、研究人员以及纽约市政府机构汇集于一体，致力于开发水位传感器，并收集有关纽约洪水的频率、严重性和影响情况的数据。最终，FloodNet获得的数据和知识可以供当地居民、研究人员和城市机构用于应对洪水风险。事实上，纽约市在其首期极端天气响应工作组报告（Extreme Weather Response Task Force report）中认可了洪水传感器数据的重要性，将传感器部署列为其行动计划中的一项举措，以改善该市对未来极端降水事件的响应。

尽管SONYC和FloodNet传感器网络的总体设计均基于传感器网络的相同基本概念而建立，但是它们基于了两种不同类型的传感器技术。SONYC项目的主干技术是高质量、低成本且坚固的MEMS麦克风。而FloodNet的传感器核心技术为，由压电换能器产生向下超声波脉冲，再由换能器后面的接收器来探测反射脉冲；测量脉冲发射与探测之间的时间就能计算出其距离，从而转换为洪水水位。

由SONYC项目开发的城市噪声传感器依赖于高质量、低成本且坚固的MEMS麦克风，可将其部署于住宅环境。现已将SONYC最新版传感器“SONYC Home”安装在有噪声投诉的纽约市民的窗户上。

FloodNet传感器则安装在纽约市一些洪水易发地点的标识柱及灯杆上。传感器被调整为只探测如洪水等大表面的反射，而不探测如锁在安装传感器的柱子上的自行车等较小的瞬态表面反射。

从原始数据到形成可操作信息

SONYC和FloodNet布控的传感器均已产生积极影响。据Mydlarz所述，SONYC最新版传感器为“SONYC Home”，已将其安装在那些有噪声投诉的纽约市民的窗户上，这些投诉通常是建筑施工或垃圾收集所造成的长期噪声问题。

“利用噪声传感器，市民可以看到来自外部的噪声源数据并采取行动。”Mydlarz解释道，“通过噪声观测来补充传感器数据的能力，可使投诉人采取积极的措施解决问题，并有望最终解决噪声问题，这些数据将直接发送至纽约市环境保护局（NYC DEP），以实现数据驱动的噪声执法。”

Silverman指出，FloodNet也是以相似的方式为社区提供可操作的信息。“传感器本身并不能阻止社区洪水的发生。但许多潜在数据的应用可以帮助提示干预措施的方向。”

分布式传感器网络的下一步发展：网络扩展以及数据仪表板

FloodNet已经证明了它向城市提供实时数据的价值，最近一次体现于2021年极端风暴Henri和Ida期间。FloodNet传感器能够记录街道水位的剖面，有些洪水深度达到3英尺。目前，FloodNet传感器的探测能力弱于雷达，主要原因在于FloodNet仍处于测试阶段；然而，据Silverman预计在2022年初，随着网络的扩展和数据仪表板的发布，FloodNet的产品将能够提供更多信息。

在纽约市布鲁克林区易受洪水侵袭的Gowanus社区安装了FloodNet传感器

SONYC和FloodNet传感器的基础技术可以推广至其他城市。然而，该技术推广所面临的挑战不仅仅是如何在城市中部署传感器网络，还需要得到城市官员的支持和合作，使其发挥作用并制定可操作的数据使用框架。

“这项技术本身与布控位置无关。”Mydlarz补充道，“挑战主要在于如何融入这些城市的机构和城市本身。目前无法做到只要进入一座拥有传感器网络的城市，就立即开始使用它。实现该技术需要一个‘与合适的人对话、了解当地环境、与合适机构建立伙伴关系，以及了解如何在当地限制条件下部署传感器网络’的过程。”

延伸阅读：

《压电能量收集和传感-2019版》

《传感器技术和市场趋势-2020版》