用「资料科学」研究「空污」

中国大陆霾害何时来？台湾工厂排放的空污如何扩散？以前只能用自己的呼吸道侦测，现在「空气盒子」为你即时追查 PM2.5 浓度变化。这不只是中研院资讯科学所陈伶志研究员的计划，更是一位技术宅父亲对气喘过敏儿的爱。

想像一下，若是大雄所居住的城市，充满空气污染。关心大雄的哆啦A梦，会拿出什么道具来相救？也许哆啦A梦没办法把整个城市的空气变干净，但可能会拿出「任意电视」，找出附近谁在乱烧垃圾，即时阻止对方。或是透过「预知天线」，提醒大雄今天户外 PM2.5 浓度过高，出门要戴著口罩，否则吸多了会气喘。

事实上，透过「开放资料」和「数据分析」，空气盒子真的能即时追查空污真凶，并帮助预测空污扩散趋势。推动空气盒子这个想像实现的人正是陈伶志，以及其带领的研究团队、 LASS 社群 ( Location Aware Sensing System ) 、政府单位和广大乡民，一起从下而上努力改变空污问题。

参与式感测：自己的环境自己救

陈伶志与团队的主要研究领域为「参与式感测系统」，简单而言，就是以某种装置或网络，侦测生活中的某个问题现象，透过群众一起观察所得的数据进行分析，找出问题的解决方法。生活中有许多问题，例如空污、塞车、路不平，若被动地等待政府解决往往缓不济急。并非因为政府效率太差，而是因为不知道问题真凶藏在哪里，例如眼前的空污是霾害？还是有工厂偷偷排放废气？

「参与式感测系统」最重要的目的，是以「自己的环境自己救」的概念出发，透过群众自主观察所得的大量数据，由专家分析找出问题症结点，推动政府或相关单位采取行动、对症下药。

关在仓库测一氧化碳 用命拼研究

要研发出「高准确性」和「低成本」兼具的感测装置，以供群众使用，并非容易的事。以观测空气为题，从 2013 年开始，陈伶志与团队尝试过不同气体的量测，例如：一氧化碳、二氧化碳、臭氧、二氧化氮等等，但因为气体感测器误差过大、校正过程太复杂，皆忍痛放弃。当时，为了在拟真的环境中，校正一氧化碳感测器的准确性，及比对低浓度和高浓度的数值，学生甚至将自家仓库改造成实验室待在里头，只留一个小缝、往里面排送机车废气。「实在很担心学生中毒」陈伶志回想。

2014 年底由于空气污染加剧，大众逐渐重视 PM2.5 浓度，加上两岁的儿子因为气喘成为医院常客，陈伶志担忧空污会让气喘跟著儿子一辈子，决定专攻「PM2.5 即时浓度感测」，尝试透过研究找出空污变化模式、解决空污问题。可以即时追查 PM2.5 浓度的「空气盒子」，因需求而诞生，更因父爱而坚持。

拉拔一个小孩长大成材，需要付出大量的时间与金钱茁壮空气盒子这个小孩，也付出了难以计算的心力与学费。陈伶志与团队耗时三年，经历失败、崩溃、接受事实、再失败的无数次回圈，终于开发出品质稳定的空气盒子原型。但这时候，困难才真正开始。

创客拔刀助 空气盒子遍地开花

开发出可以普及使用的空气盒子之后，初期面临没有民众愿意装在自己家里的窘境。「会不会耗电？会不会危险？有问题怎么维修？」因为这些考量，初期只能将空气盒子安装在亲朋好友圈，即时观察到的 PM2.5 浓度数据非常局限，缺少应用价值。

但就像《牧羊少年奇幻之旅》这本书的启发：「当你真心渴望某件事，整个宇宙都会联合起来帮助你完成。」努力找出路的陈伶志与研究团队，经过朋友的朋友介绍，与认同「参与式感测」精神的 LASS 社群一拍即合。LASS 社群 ( Location Aware Sensing System ) ，由一群喜欢动手做的创客 ( Maker ) 组成，遍布台湾各地。了解空气盒子程式码、安装步骤后，秉持创客精神，从「想」到「做」如星火燎原般，让空气盒子的身影在台湾各地出现， PM2.5 即时浓度观测的时间与空间资料因而大幅扩展。观测得到的数据变多、变广，就能进一步分析空污变化的路径。

开放资料 x 数据分析 空污真凶莫狡辩

以前总是呼吸道感染了，才知道空气污染正在肆虐，很难阻止后续扩散或再发生，或是附近的工厂偷偷排放空污，却没有证据绳之以法。但现在透过分析各个空气盒子感测到的 PM2.5 浓度数据，就能推算空污的原因、发生时间点，找出制造空污的真凶。陈伶志举两个观测模式说明：

2015/12/20 这天，陈伶志注意到北部有一些空气盒子观测站，都出现 PM2.5 即时浓度「瞬间飙升」的情形（如上图黄色箭头所指），代表该地突然出现空气污染源，常见的原因是烧东西、工厂排放废气等等。陈伶志将发生「PM2.5 即时浓度瞬间飙升」的空气盒子观测站 GPS 座标列在地图上，并依瞬间飙升的时间排序（如上图红色打卡标所示）。搭配气象资料指出，当时正吹著西南西风，可以看见空气污染源是从西南方（ 15:36 开始）依序往东北方（ 18:18 抵达）扩散。

这种来自北部盆地西南方的空气污染源，会是霾害吗？不太可能，应是台湾自造的空气污染。

由于当时观测到此现象时，空气盒子观测站尚未广布龟山、桃园、新竹一带，也未与政府单位合作。若能进一步追查台北西南侧的各个空气盒子，找出 PM2.5 即时浓度瞬间飙升的「起始点」，应能通报相关单位前往该区，即时开罚空污排放源头。

为了找出空污变化的模式，陈伶志每 5 分钟记录各地空气盒子 PM2.5 即时浓度，并将异常数据归纳为以下三种，判断哪区有持续性污染源、或找出哪边突然产生空污：

1.时间点异常（上图蓝色打卡标所示）：从时间轴来看，某个时间 PM2.5 浓度「瞬间飙升」，代表当地空气污染是正在进行式。

2.空间点异常（上图红色打卡标所示）：以区域来看，若某个区域 PM2.5 浓度与邻近的空气盒子相比更高，代表空气污染源于「当地」产生，或是受到「他处」飘来的空污影响。

3.空间与时间点异常（紫色打卡标所示）：上述两种情况都发生，当地有空气污染源的「可能性极高」。

举个实例，陈伶志观察到台北龙山寺该区的空气盒子，「白天」持续显示 PM2.5 浓度「空间点异常」，代表当地与邻近区域相比，有持续性的空气污染来源。将此观察数据，搭配龙山寺的地理位置比对，烧香、烧纸钱造成的 PM2.5 高浓度影响，透过观测数据显而易见。

空气盒子各种应用：高手在民间

空气盒子采用开放资料（Open Data），不仅是中研院资科所的研究计划，无论学生科展、大学报告、民间团体等，都能依照陈伶志的空气盒子架构，依照自己的需求改装不同版本的空气盒子，发挥各式各样的灵活运用。

由于台中空气品质很糟，努力守护家乡环境的《台中市原乡文化协会》，在空气盒子推出初期，自掏腰包买了 100 台空气盒子并发起认养活动，将空气盒子广布台中各地，由民众自主监督空气污染来源。台中创客（ Maker ）还将空气盒子改造成方便携带的行动版本，发现台中哪一区空气品质不对劲，一群关心台中环境的市民，就彼此号召拿著行动版空气盒子前往该区追查空污排放源头。

国立交通大学资讯工程学系，由彭文志老师带领的资料探勘课程，也将开放资料的空气盒子做为报告题目之一，让学生自行发想如何应用空气盒子的感测资料。例如将 PM2.5 观测资料与实价登录地图结合，找出理想的干净空气居住环境；或是找出 PM2.5 浓度变化的时间与地区模式，做出自动监控紫爆现况、预测空污扩散路径的功能。

不只台湾需要！ 空气盒子遍布世界

2016 年 2 月，零时政府 g0v 主动介接空气盒子的开放资料，扩大观测数据的影响力。2016 年 3 月开始，台北市、新北市、台中市、台南市、高雄市政府也陆续加入空气盒子计划，由民间企业捐赠数百台空气盒子，并布建在各区域的小学校园，透过环境教育学习如何观察 PM2.5 即时浓度变化，监督改善该区域的空污问题。

空气盒子成功发展严谨的研究理论（感测器比对报告、空污模式演算法等），并建立与 LASS 、政府、民间企业的跨领域合作模式，形成领先全球的 PM2.5 即时感测网，吸引世界各国来台学习空气盒子的经验。 2016 年 9 月，陈伶志受邀到泰国演讲，与东南亚合作观测 PM2.5 浓度。例如印尼火耕霾害，邻近的马来西亚、新加坡，都会大受影响，惟有建立跨国的空气盒子监测网，才能即时通报、协力找出对策。「因为空气是流通的，空污不会只发生在一个国家的上空」陈伶志说。

谈到未来目标，陈伶志希望推动空气盒子成为智慧城市的物联网一环，例如当户外 PM2.5 浓度过高，室内的空气清净机就会自动打开，这功能不只有小孩的家庭需要，有呼吸照护需求的家庭与医疗照护机构更需要。

现在提到智慧城市，大家都会想到阿姆斯特丹、芝加哥，未来希望国际也能透过「空气盒子」想到台湾。──中研院资讯所　陈伶志