基于区域大气污染联防联控应用于智慧城市群建设

石晓飞，李天宝，白 蛟，马云峰

（1.航天科工智慧产业发展有限公司，北京 100854；2.沈阳航空航天大学，沈阳 110136）

1 引言

城市作为文明的载体不断推进了人类社会的进步，城市化则是指非农业产业在某处形成集聚所引起的农业人口转变为非农业人口的过程。这个过程的主要标志则体现为城市数目增多、城市人口和用地规模扩大、城市人口比重的不断提高。其中，衡量城市化水平的最重要指标则为城市人口占总人口的百分比。显然，人类的健康在城市的发展过程中具有无比重要的作用。

纵观全球城市化发展进程，发达国家城市化起步较早，城市化水平已高达70%，已处于城市化进程后期阶段，发展趋势较为缓慢，甚至出现停滞，呈现出逆城市化现象；在产业结构上，多为第三产业>第二产业>第一产业。发展中国家城市化水平起步晚，50%以下，处在城市化进程加速阶段，呈现出郊区城市化现象；产业结构则为第二产业>第三产业>第一产业。

世界城市化进程的三个阶段分别为初期阶段、中期加速阶段和后期成熟阶段，每个阶段的特点见表1：

表1 世界城市化进程特征

虽然城市化有助于转变经济增长方式，也可以缩小发展差距，但王婷[1]指出适度人口是实现城市可持续发展的关键，需考虑城市人口与资源环境的协调问题，并探索城市环境承载力这一提升目标。

快速城市化进程加剧了对生态环境的破坏[2]，引发了一系列气候变化和环境污染问题。陈侃[3]在“城市化进程与水环境质量关系及突发水污染事件规律的研究”中指出城市化进程的快速发展对水环境的压力日益增大，进而导致水环境质量下降、突发水污染事件频发等一系列衍生问题。同样，城市化与空气质量间相互作用并彼此影响，二者的关系复杂且长期处于动态的变化之中[4]。

众多研究已表明，大气污染与人类健康息息相关，如大气中PM2.5浓度的上升与咳嗽等呼吸道症状产生、肺功能减弱及哮喘的发病相关[5]。根据环境容量指标，按照各区域自身地形和气候以及生态结构等特征，依次划定水环境容量和大气环境容量等环境指标，使其实现可持续发展。

刘华军、杜广杰[6]通过采用基尼系数测度以及空间统计分析方法，发现中国城市大气污染呈现出显著的空间自相关结构，这就为大气污染联防联控体系的建立提供了实证依据。陈宝剑、陈瑞莲则在“国家治理视野下的大气污染区域联动防治体系研究—以京津冀为例”[7]中指出了区域联动治理是应对区域大气污染的必然选择，并提出了构建涵括制度设计、具体机制和保障机制为主要内容的区域大气污染区域联动防治体系。

在区域大气污染控制考量上，欧盟、美国和加拿大都取得了较好的效果[8]，但这些均是由于大气污染问题爆发而产生的跨区域大气污染联防联控机制，如欧盟采取的综合性与专业性相结合的区域联防联控立法、分工严密且职能全面的组织管理体系建立、多样化的区域保护管理协调机制、跨界大气污染防治合作机制、区域大气污染防治的信息通报与报告机制、区域大气污染防治技术支持机制、采用市场基础上的环境经济政策、公众参与环境污染治理等八项举措，美国则采用了建立立体化与纵横向相结合的区域大气污染联防联控管理机构、健全区域大气污染防治立法、建立高效准确即时的区域大气污染监测体系、鼓励公众深度全方位参与大气污染治理、运用建立在市场机制基础上的多项环境经济政策、构建以大气污染防治技术发展为基础的技术支持机制等六项举措。不难看出，解决此类问题均采用了后知后觉的管理方法，而这些问题的爆发是随着城市化发展所带来的必然趋势，若通过智慧城市群的建设构建开放复杂的大气环境巨系统可以防患于未然，可更好地发挥区域协同管控作用，采用大气环境容量考核的方法限制各区域排放量，最终保障大气环境质量。根据国务院《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》，到2015年，我国应建立大气污染联防联控机制，形成区域大气环境管理的法规、标准和政策体系。而这些法规、标准和政策体系的载体可通过“智慧城市群”理论这一顶层设计思想作为引导，实现了政府各职能机构和大气污染联控机制中各相关机构的对接，从而推动了智慧城市群体系建设。

2 研究设计

智慧城市的出现是伴随着城市化而来，它最早是由IBM在1992年提出[9]。而在智慧城市的建设中，可提供的智能化的应用和服务主要包括人类生存繁衍、经济发展、社会交往和文化享受四大类智能[10]，建设的内容见表2：

表2 城市职能及智慧城市的应用

大气污染问题，主要涉及到工业产业结构布局、生活排放源分布和交通流量状况等多重要素，而与之相关的政府部门有环保部、公安部、国土资源部、铁道部、交通部、信息产业部、水利部和农业部等。这就要求集合多领域专家进行合作，形成分专家体系和总专家体系，支撑并完善智慧城市群中各领域的建设规划和结果分析及研判。

按照科斯定理[11]，在有交易成本存在的条件下，不同的权力界定会产生不同效率的资源配置，从达到最优配置的角度出发，可以交易成本的大小作为法律制度不同规定的标准。而此时，专家体系的存在则会进一步实现资源的高效配置，推动智慧城市建设中各标准体系的规划和健全。

3 模型构建

高层体系架构HLA（High Level Architecture，HLA）[12]是美国国防部推出的，具有良好的可扩展性，可获得高级别的仿真应用之间的互操作性，以及更好的模型和仿真组件的可重用性[13]。遵循高层体系架构构建分布式交互仿真的技术框架，实现各相关体系部署，从而构建智慧城市群整体，则具有较强的优势。

将智慧城市的建设与信息技术进行结合，需进行合理的转化，而各个区域的自然环境可表述为五元组。

E=

式中，E代表总体环境；A代表大气；O代表海洋（河流）；S代表地表；R代表辐射；T代表时间[14]。

智慧城市的建设是一个复杂的巨系统[15]，涉及到物联网、云计算、互联网、智能分析、应用技术、安全技术等信息通信技术，更涉及到城市公共管理等社会科学[16]。借助定性定量相结合的综合集成方法可将专家体系、数据信息资源和计算机技术进行有机结合，具体内容见图1。

图1 基于大气环境联防联控治理的智慧城市群顶层设计

根据智慧城市中智慧环保属性中定量分析功能确定各区域所属责任，如严格环境准入制度、能源结构优化和调整、多污染物联合减排、强化机动车污染物控制、油气回收治理和挥发性有机化合物的排放治理等。大气具有较强的流动性，对联防联空提出了更高的技术要求和管理要求。大气污染本身是一个开放的复杂巨系统[17]，灰霾或臭氧污染只是这个巨系统所表现的外在形式。而电力、水泥、钢铁等高污染行业排放标准的制定和整改，不达标机动车尾气车辆的监测和管理，工业园区挥发性有机物有组织排放标准的制定和无组织排放的监管等则是这一复杂巨系统的某一个子系统。

根据高层体系架构，采用自上而下的方式，即以大气容量目标值为约束，向各大行业进行分级分配，并根据达标管理要求进一步反馈到环境容量目标值，从而推动大气质量改善进程。在大气环境治理中，通过成因与来源、排放清单、决策支持和健康影响构建大气环境治理专家体系服务于智慧城市总体专家体系，并最终参与到整体的建设规划、需求定制和结果分析与综合，进一步丰富并完善智慧城市功能。

4 结束语

根据智慧城市本身的庞大性和复杂性，借助于开放的复杂巨系统理论构建智慧城市群建设具有较高的可行性；从系统工程角度解决区域间和区域内问题需要借助统一的高层架构体系；大气污染的区域联防联控可作为智慧城市中智慧环保解决大气污染问题的典型示范，同时用于推动智慧城市建设从而构建强大的智慧城市群体系。

[1] 王婷.城市化进程中的适度人口：一个文献综述及思考.城市发展研究，2013.11.

[2] 陈锐、索玮岚.全球城市化进程动态监测与分析.中国科学院院刊，2012.2，PP：197-204.

[3] 陈侃.城市化进程与水环境质量关系及突发水污染事件规律的研究.硕士论文，2013.6.

[4] 马小雯.浙江省城市化与空气质量耦合协调关系研究.浙江大学硕士学位论文，2017.4.

[5] JACOB N F.Particulate-cell Interactions and Pulmonary Cytokine Expression[J].Environ Health Perspectives，1997，105（supply 5）：1179-1182.

[6] 中国城市大气污染的空间格局与分布动态演进.经济地理，2016.10，pp：33-38.

[7] 国家治理视野下的大气污染区域联动防治体系研究—以京津冀为例.201.9，pp：6-10.

[8] 谢伟.珠三角区域大气污染联防联控运行机制研究.厦门：厦门大学出版社，2016.7.

[9] Gibson D V，Kozmetsky G，Smilor R W.Technopolis Phenomenon：Smart Cities，Fast Systems，Global Networks[M].Hardback ：Rowman &Littlefield Publishers，1992.

[10] 李德仁，姚远，邵振峰.智慧城市中的大数据.武汉大学学报（信息科学版），2014.6，631-640.

[11] 程承坪.理解科斯定理（学术月刊），2009.4，PP：55-61.

[12] 张秀程，潘忠石.基于HLA的卫星协同仿真系统研究与实现.计算机应用与软件，2010，27（11）：136-140.

[13] 高小亮，马骏骁，李劼.HLA-DDS分布式通信卫星仿真系统.应用天地，2017.6.89-95.

[14] 马云峰，王琦，石晓飞，孙志红等.GRMSE 2014，CCIS 482，pp.699-706，2015.

[15] 钱学森著.创建系统学：新世纪版.上海：上海交通大学出版社，2007.

[16] 郭倩，李卓聪.智慧化.未来城市发展的必由之路[N].中国航天报，2018.1.30（3）.

[17] 钱学森，于景元，戴汝为.一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志，1990，12（1）：526-532.