一、 前 言

空氣污染對健康造成的威脅已經得到廣泛的認同。根據世界衞生組織（世衞）在2009年發表的《全球健康風險》報告^〔1〕，室外空氣污染被列為2004年全球死亡人口的第14大風險因素（圖1）。空氣污染對健康所造成的影響視乎多個因素而定。除了空氣中污染物的濃度與化學特性之外，受體的年齡與健康狀況、接觸污染物的時間長短、氣候情況以及排放源頭與接觸者之間的距離等，都會對健康構成不同的影響。需要經常在戶外工作或活動的人，接觸空氣污染物的機會增加。在一般情況下，短時間接觸污染物所帶來的健康風險通常會較低。

資料來源：Global Health Risk - Mortality and burden of disease attributable to selected major risks, the World Health Organization (2009)

圖1、2004年全球死亡人口的主要風險因素

隨著物聯網技術的興起，利用微型感測器進行環境品質監測，遂成為當前環境治理的新趨勢，由於傳統的空氣品質監測基於精準度與精確度的要求，同時需要抗環境的干擾影響，布建的用途主要是提供大環境的空氣品質平均濃度，故設置的地點必須避免受局部的污染來源所影響，在考量設置經費與維運品管的需求下，無法大量且廣泛地設置。微型感測器因成本低廉、體積小、設置容易，透過適當的校正，以能初步彌補法規監測站在空間與時間解析度的不足，已陸續獲得國際上環保機構在應用需求上的認可。近幾年空氣污染偵測的感測器除了布設於道路側進行區域空氣品質的量測外，陸續有研究團隊及設備廠商將感測器應用於移動載體，透過移動中的量測，以少量的感測設備來獲得更細緻的空氣品質資訊，運用物聯網及大數據分析技術，繪製出城市的污染地圖，研究更貼近民眾生活區域的環境變化，以及對於污染暴露及健康風險的參考數據。本文將介紹國際的技術發展案例，以及我國的研發進度。

二、 國際發展趨勢

1. 美國Aclima公司和Google合作^{〔2〕〔3〕}，利用Google街景車搭載感測器，測量NO_x、O₃、CO、CO₂、VOC_s、CH₄、Carbon black等，並且和美國EPA固定測站資料比對，最終將空氣品質以街景級圖像化呈現。自2014年數輛Google街景車自美國丹佛市(Denver)進行一系列特定區域的空氣污染量測，運用Google街景車裝載傳統實驗室等級的空氣污染量測儀器和Aclima研發的輕量化微型感測設備，沿路偵測空氣污染濃度，並將兩者的數據進行，比較地毯式地進行例行拍攝時起。計畫在維持微型感測器偵測精準度的前提下，將設備價格壓低至可進行大規模部署。Aclima透過開發新的演算法，設法縮小感測器體積，但仍維持與傳統偵測儀器接近，並符合美國環境保護署驗證的監測水準。

資料來源：https://www.aclima.io/blog/mapping-cleaner-air-street-by-street-fc43e0843e5c

圖1、Aclima公司和Google合作發展的移動式空污偵測系統

迄今為止，他們已經行駛了超過100,000英里，並收集了有關阿姆斯特丹、哥本哈根、倫敦、休士頓、奧克蘭及加利福尼亞的一些最大都市區近十億個環境數據點。Aclima的移動感測平台透過GoogleStreet View汽車上收集空氣污染數據，數據存儲於Google Cloud Platform上，再透過Google Earth和Google Maps上的街道空氣品質地圖上查看數據，並將數據和分析結果提供給空氣品質專家和研究合作夥伴。

資料來源：https://www.google.com/earth/outreach/special-projects/air-quality/

圖2、Aclima 公司和 Google 合作發展的空氣品質地圖

研究團隊發現，透過長期的街道污染量測，即便在同一個街區，感測器所測得的空污指數也相當不同。以在加州奧克蘭的計畫為例，在同一條街道上，頭尾兩端偵測得的空氣污染指數可相差至8倍以上。若是一名氣喘患者欲查詢所在地區的空污指數，而距離他最近的偵測器卻在隔壁街區，那麼他所得到的數據參考價值可能不高，所以高解析的道路污染數據收集，對於提供在地民眾的健康活動極具應用參考價值。

2. 英國 EarthSense公司於2018年安裝PM_2.5, PM₁₀, NO₂, O₃ , CO, SO₂等感測器於公車上，在牛津城市進行移動感測，並於2019年安裝於垃圾車、廢物處理卡車上，測量PM_2.5和NO₂。

空氣品質監測系統服務開發商EarthSense與物聯網車隊技術供應商CMS SupaTrak合作，運用垃圾車當作移動空氣品質監測平台。CMSSupaTrak運用Zephyr空氣品質感測器結合車隊系統技術，引入英國、法國、德國的廢物物流領域。

圖2、EarthSense 公司的固定式與移動式Zephyr空氣品質感測器

根據Traffic TechnologyToday報導，EarthSense將Zephyr感測器安裝在廢棄物處理車上。以每兩週經過每條街道的頻率，讓EarthSense能持續偵測二氧化氮(NO₂)和PM_2.5等污染物。CMS SupaTrak將為的精密垃圾處理卡車製造商(如Dennis Eagle)提供Zephyr感測器，以即時收集當地空氣品質數據，用於提供廢棄物收集路線上的空氣污染分布熱區圖，並透過可視化的數據平台進行查詢與呈現，可有效提供地方和中央政府人員更了解城市環境中如二氧化氮等空氣污染物的嚴重度，並提供有價值的即時空氣品質數據，以供後續環境管理或交通規畫的參考。

資料來源：https://www.traffictechnologytoday.com/news/emissions-low-emission-zones/earthsense-and-cms-supatrak-to-monitor-air-quality-with-refuse-trucks.html

圖3、EarthSense 公司的視覺化空氣污染熱力圖

EarthSense藉由結合空氣品質感測器、視覺化平台與數據分析模式，展開一系列空氣品質監測作業，包括測試性的空中空氣品質量測、火箭上的空污監控設備、移動中電動車的空氣品質感測器量測，以及在英國和海外部署Zephyr感測器。據以建立包括全英國範圍的Zephyr感測器網路，提供即時空品數據與空氣品質預測資訊。

3. 丹麥 Leapcraft公司於2018年安裝PM_2.5, NO₂, NO, CO與噪音感測器於公車側邊，分別於英國倫敦、丹麥Aarhus、西班牙Santander城市進行場域驗證。

丹麥Leapcraft公司是一家以整合物聯網數據技術的應用服務系統廠商，透過建構系統架構及大規模部署為感測器，藉由後端的數據分析，提供具體數據佐證的應用服務。Leapcraft利用移動式感測器安裝在倫敦的城區公車上作為實驗，輔助道路側的固定式感測器，創建更完整詳細的觀測基準，做為補充倫敦的高精度自動空氣品質監測儀。同時藉由通過對高密度公共區域、學校、醫院和人流密集的道路進行長期觀察，可以協助地方政府解析污染路段的濃度與時間點熱點，透過每天的觀察來了解季節性的污染變化。

資料來源：http://www.leapcraft.dk/blog/2018/05/07/more-data-for-better-air-in-london.html

圖4、Leapcraft 公司將CPHSense感測器裝設於倫敦公車

Leapcraft將感測器的電源連接到公車的電池，選擇的路線可透過與道路側的固定參考節點進行校準。CPHSense被編程為每10秒鐘收集一次污染物數據，並以相同的時間間隔快速收集GPS數據。感測數據由Leapcraft透過地理資訊繪製空氣品質的分布狀態，是基於定期數據模型所組成的圖像，並非即時的污染地圖，可透過實際的空氣品質變化，提供科學家們提出有關暴露和健康風險的新問題。

資料來源：http://cphsense.leapcraft.dk/

圖5、Leapcraft公司發展的數據分析圖台

4. 中國浙江大學和同濟大學於2018年於上海安裝低成本感測器於公車和計程車上，進行PM₁₀、PM_2.5之移動感測測試。

由同濟大學綠色建築及新能源研究中心常務副主任譚洪衛教授團隊自主研究構建的「無人機載、車載、固定點」三位一體城市空氣環境空間監測網絡的試點成果。這款自主研發的車載的空氣品質探測儀，裝載於計程車頂的燈箱內，可避免日曬雨淋及確保儀器的可靠性，同時監測的高度與行人呼吸範圍相近，與設於建築屋頂或空曠場所的國家級監測站，更接近人活動區域，數據更具實用價值，目前已在濟南、上海等城市的部分計程車上投入運行。

資料來源：https://kknews.cc/zh-tw/digital/yblr5ga.html

圖6、同濟大學將PM_2.5感測器安裝在計程車頂燈

利用計程車作為移動監測站，可以每天積累大量的城市地面空氣環境數據，為城市進行精細化管理提供技術支撐。例如在建築工地附近、工廠區、餐飲街區等，容易即時監測反映污染程度，以此為依據環保部門就可及時加強對這個工地的空氣環境質量的監管或採取相應對策，而這些細節，是固定監測點難以實現的。

資料來源：https://kknews.cc/news/ab9oeqj.html

圖7、同濟大學將固定式與移動式感測數據呈現於城市數據圖台

研究團隊以上海市的監測數據發現一些有趣的現象。從時間上看，四個季節都呈現出夜間和清晨PM_2.5濃度較高、下午最低的趨勢。所以若要進行室外活動，「晨不如夜、夜不如午」。從空間上看，上海的PM_2.5分布特點可以大致概括為「城郊一體，東優於西」。上海的PM_2.5濃度並沒有呈現出像人口密度、企業密度那樣顯著的「從市中心向郊外遞減」的趨勢。在夏秋兩季，上海達「優」天數較多；冬季時空氣品質有所下降，全市則呈現出「東西分化」現象。

隨著機動車尾氣排放標準的提升，尾氣直接產生的PM_2.5的量並不多，更多的是PM_2.5的「催化劑」和「原材料」（氮氧化物氣體和揮發性有機氣體）。PM_2.5是這些排放廢氣在擴散過程中的二次生成物，所以載有探測裝置的計程車並不會對採樣當時產生較大影響，能夠較好反映小區域污染情況。鑒於目前「移動監測站」的數量和採樣時間有限，上述結果的可靠性也有待驗證。但無論如何，這種監測手段為我們更好地了解自己所生活的城市打開了一扇新的窗戶。

三、 國內的發展進度

環保署從2016年起開始規畫導入物聯網、大數分析及人工智慧等技術，來推動我國環境感測物聯網的發展，運用感測器價格便宜的特性，將原本標準監測站提供數十公里及小時平均濃度的空氣品質數據，在空間上縮小為街道尺度，在時間上縮小為分鐘尺度，提高時間及空間解析度，逐步提供區域型的即時空污數據，據以輔助於環境執法及服務民眾活動。在陸續完成以工業區及周界社區為主的感測器布建後，運用感測數據在時間與空間上特徵分析，經結合氣象資訊後，找出非法的污染排放源，進行環境執法已初具成效。2018年工研院研究團隊基於光學式PM_2.5感測器可提供以秒為單位的感測頻率，可有效運用於快速運動中之感測應用，故以汽、機車廢氣排放貢獻臺灣空氣污染相當重的比例現況，運用微型感測器掌握汽、機車排放PM_2.5污染量亟具環境治理價值。以臺灣有2萬公里以上市區道路、5千公里以上省道及3千公里以上縣（市）道，以固定式感測器監控交通污染行為須耗費龐大人力與物力成本進行布建維運，不符合經濟效益；而且移動污染源因移動速度快、大氣擴散效率高，缺乏有效率的量測裝置，故研究團隊運用微感測器進行汽機車排放量測之可行性測試，確認在排除風速、車速及溫濕度之干擾，透過秒值解析度，可有效量測汽機車排放行為，並可輔助缺少固定感測點區域之環境感測資訊。

透過汽機車怠速測試發現，光學式PM_2.5感測器確實可以標定汽機車排放PM_2.5的污染行為^〔4〕，但是感測器與污染排放口的高度需要在足夠近的距離，後續可以透過感測器進行都會區移動污染的監測。在道路的動態測試發現，感測器因機構設計與濃度換算設計上的限制，對於風速與車速的影響極為敏感，需透過特殊的進氣採樣機構與流量的控制設計，是可以有效克服風速與車速對感測器的影響^〔5〕。

圖8、汽車上移動式感測器與路燈上固定式感測器進行校正比對

四、 結論與建議

未來在符合感測數據精確性(Precision)與準確性(Accuracy)的要求下，可以將感測器裝設於移動載具（如汽機車、UAV或船舶..）上，透過移動中的量測擷取污染濃度的空間與時間分布，藉以描繪污染的平面樣態，也可量測不同高度污染分布，繪製出三維空間的污染行為。另外，經由觀測移動式感測器數據高值，可發現鄰近車輛之高污染排放現象，將有助於高污染車輛之篩選與辨識，對於烏賊車的檢舉與查緝極具效益，將可有效嚇阻髒車的使用，有助於移動污染的防治。對於描繪出都會區交通污染地圖，也可做為區域移動污染基線資料，以利評估移動污染的防治成效。

五、 參考文獻

1.　Global Health Risk - Mortality and burden of disease attributable to selected major risks, the World Health Organization (2009)

2.　High-Resolution Air Pollution Mapping with Google Street View Cars:Exploiting Big Data, Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 6999−7008

3.　Development of a Performance Evaluation Protocol for Air Sensors Deployed on a Google Street View Car, Environ. Sci. Technol. 2021

4.　“PM_2.5微型感測器應用於交通廊道污染量測之適用性評估” 中華民國環境工程學會 2020環境資訊與規劃管理研討會，陳家磐。

5.　“環境品質感測物聯網推動及專案管理計畫” 109年度成果報告，工業技術研究院，2020年。