來源:mistersmed @ Flickr, CC BY-NC-SA 2.0
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「咱們的PAM終於開發出來啦!」姜小凡興奮地在他的中關村辦公室裡與每位團隊成員擊掌慶賀著。

PAM是什麼?姜小凡又是何許人?這一切得從中國的空氣污染說起。

為監測愈發嚴重的空氣污染,中國政府一直執行基於PM10指數的空氣品質標準,但是直到美國駐華大使駱家輝來京上任,中國公眾才知道還有更可怕的PM2.5

與水污染,人們可以選擇喝凈化水或特供水不同,PM2.5這種懸浮微粒無孔不入。因此PM2.5馬上在人們心中引起了巨大恐慌,各公共場所都能見到不少戴著大口罩的人們,尤其是白領和機關聚集地。隨後一場全國性的關於PM2.5監測的熱議,促使政府在每日的空氣品質播報中增加了PM2.5一項。

北京也在全市設立了20多個監測點,並購置了每套50萬元左右的空氣品質監測設備。已有智慧手機的人們也開始利用App,從空氣品質監測站公佈的數據,獲得有關PM2.5、PM10和空氣品質指數的資訊。然而,由於20個點的監測密度太小,這些數據只能代表北京的總體空氣品質,並不能告訴人們周圍PM2.5的具體情況,而這恰恰是每個人最關心的,也是最有價值的。

能夠反映人們周圍PM2.5情況的個人空氣品質監測儀,雖然市場上也能買到,但基本上都是從美國進口的,價格對普通上班族來說太貴了。例如,買一台DustTrak II差不多得花5,000美元,大約相當於普通美國人一個月的稅前工資。便宜點的Dylos(見圖1)也要500美元(約3000元人民幣),相當於普通中國人一個月的工資。

圖1:美國進口的個人空氣品質監測儀Dylos

PM2.5爆表 觸發設計靈感

2013年元旦過後不久的一天,包括北京在內的多地連續出現了嚴重霧霾天氣。剛回國2年的中國英特爾物聯技術研究院(簡稱物聯院)首席架構師姜小凡博士(見圖2),儘管之前對國內空氣污染嚴重早有耳聞,來中國工作後也被迫逐步習慣了,但是PM2.5爆表的事實還是讓他大為驚詫,並更加憂慮這種污染環境對公眾健康的影響。

圖2:中國英特爾物聯技術研究院首席架構師姜小凡博士

姜小凡在美國已生活了近20年,雖然冬季有些內陸地區有時也會出現灰色天氣,但PM2.5數值很少有超過50的情況。偶爾有好朋友說,底特律的PM2.5達到60了,他和其他朋友都會驚呼:「真的嗎?Oh my God!要注意身體呀,盡量別外出啦。」

這時姜小凡在北京的家裡,心裡感到非常糾結:「今天是週末,已經跟同事們說好了要加班的。是開車上班還是不開車呢?」猶豫再三,還是覺得開車能少吸一些PM2.5。當坐在車裡時,又想知道車內的空氣品質是什麼樣。到了位於中關村的辦公室後還在想:「外面空氣品質這麼差還是別開窗通風了。可是,屋裡的空氣品質到底糟糕到了什麼程度?」在隨手打開空氣凈化器,過了一會兒之後,他又忍不住想知道凈化的效果如何?

這一系列的糾結使坐在辦公桌前的姜小凡突然萌生了一個念頭,何不自己開發一款個人空氣品質監測儀呢?

英特爾中國研究院有個很寬鬆的研究氛圍,每位研究員可以隨時做他喜歡的研究項目,而不用先向院領導彙報。等研究一段時間,有了眉目,需要申請大量研究經費時,可再向院裡報告。

心動不如行動,說做就做。

考慮到目前市場上已有的空氣品質監測器價格昂貴,不適合大範圍推廣,且代表性極其有限。於是,他先花了幾天時間,初步架構了開發平台:利用低成本分佈式灰塵感測器獲取海量、粗糙的小數據,通過物聯網系統將這些數據送至雲端。在雲端大數據模型的幫助下,通過雲處理技術成為有代表性的空氣品質資訊。

然後,他從院裡物色了幾位在感測器和雲處理方面的設計師,成立了專門研究團隊。動手能力很強的賈冀是姜小凡在美國卡內基梅隆的朋友引薦的,負責PAM硬體和嵌入式系統設計;曾在微軟亞洲研究院實習過的程雲,負責數據層和網路服務層的開發;張濟顯、李修成和彭倩分別負責數據可視化、數據挖掘和模型及用戶行為判斷的開發;物聯院共同發起組織之一的中科院自動化所的副研究員劉禹,負責利用所收集的數據尋找污染源,並保持與政府部門的溝通。

核心揭秘

經過半年的研究,姜小凡領導的這個團隊已初步開發出一種希望不超過200元人民幣的隨身個人空氣品質監測儀(Pervasive Air-Quality Monitoring,PAM),如圖3所示。並計劃將來佈置在北京城區和郊區的2,000個監測點,以便讓用戶隨時隨地了解身邊的空氣品質情況。

圖3:姜小凡領導的研究團隊正在開發的一種物美價廉的隨身個人空氣品質監測儀(Pervasive Air-Quality Monitoring,PAM)

終端方面,在PAM兩側的風道處佈置了2個較便宜的PPD42N灰塵感測器,以得到原始的粒子數量的數據,再用2個Arduino控制器對這些數據進行本地過濾(見圖4A)。

圖4:數據本地過濾(A)、與環境相關的校正曲線(B)、用基準曲線重估的空氣品質指數(C)

PAM自帶一個網頁伺服器,用戶在電腦上輸入PAM的IP位址後,可以在本地即時查看監測數據。網頁伺服器還會每隔一分鐘通過乙太網口把本地測量的數據推送到雲端,後台雲端會不斷地收集所有2,000個PAM即時上傳的監測數據並進行過濾。儘管這些數據不是很精確,但通過參考這些PAM所在位置的溫度、濕度、大氣壓力和高度等資訊,及研究小組開發的演算法,可以建立空氣品質的多維統計模型。目前初級階段的模型只是個2D地圖。

此外,在北京還用100多個Dylos設備,設置了一些測量相對更可靠的點。統計模型對於這些相對更可靠測量點的數據給予較高的置信度,對於PAM測量的不太精確的數據給予較低的置信度。上面所有的測試點有室內或室外之分,可由智慧手機中的接近式感測器區分出來(見圖5)。室外的數據可以進行簡單加權平均,而室內的分析方法有些複雜。綜合所有這些精確和不精確的數據資訊,可分別畫出室內或室外與環境相關的顆粒分佈校正曲線(見圖4B)。

圖5:用戶在室內外的行為識別(理論基於微軟研究院的兩篇論文)

伺服器會把相鄰位置的PAM作為一個群進行分析、校正,所選定的基準曲線用來重估PM2.5、PM10和空氣品質指數(見圖4C),這些最終數據通過內部伺服器回傳給用戶的PAM或MiniPAM。此外,用戶也可以用裝有專門應用程式的智慧手機或平板電腦通過3G網路與雲端連接,並通過低功耗藍牙,將MiniPAM數據顯示在智慧手機或平板電腦的螢幕上(見圖6)。這個就是用戶身邊比較準確的空氣品質數據了。

圖6:通過低功耗藍牙,將MiniPAM數據顯示在智慧手機或平板電腦的螢幕上

MiniPAM與PAM的一個主要區別是,PAM有2個灰塵感測器,而MiniPAM只有1個。MiniPAM與手機處於連接狀態時,紅色指示燈每5秒閃一次。粒子通過時,感測器會有一個電壓脈衝。這時顯示兩個數據,一個是直徑在1.0μm以上的粒子數,另一個是直徑在2.5μm以上的粒子數。對於1.0μm以上或2.5μm以上的粒子,脈衝幅度不同,以此就可判斷出相應的粒子數。用前一個數值減去後一個數值,就是直徑介於1.0μm和2.5μm之間的粒子數。

由於中國政府規定,未經國家認證,任何機構不能向個人用戶提供詳細的空氣品質數據。考慮到要遵守政府法規,所以,PAM給出的最終空氣品質監測數據不是以精確數值的形式出現,而是劃分成好、較好、差、較差、最差等1~10個檔,以這樣的方式提供給用戶。

與師父的理念異曲同工

由於空氣品質統計模型需要海量數據支撐,為了得到這些數據,目前中國英特爾物聯技術研究院正與北京市空氣品質監測中心協商,看能否把PAM安裝在電線桿上。因為電線桿上面有網線,這樣,就可在北京的道路上佈置成全球最密集的空氣品質監測點。

其實,大家熟知的Google地圖就是用大量廉價設備的測量數據構建的網路,這比用幾臺高端設備得到少量精確數據,更全面、更有代表性。Google的這個理念其實是基於姜小凡的導師David Culler帶領發明的Network of Workstations理論。現在微軟、雅虎、Google等大部分網路公司都是受了Network of Workstation的影響,用很多聯網的中小型電腦,而非幾臺超級電腦。

姜小凡團隊開發的監測數據表達與傳輸層是基於他在美國加州大學柏克萊分校博士畢業設計中的sMAP協議。看來,姜小凡把導師的理念用在了空氣品質監測上,兩者有著異曲同工之妙。

由於電線桿比人們日常工作和生活所處的地面位置高很多,所以不少人可能會對監測結果的準確性產生質疑。姜小凡解釋說,人們的這種擔心不無道理,不過,現在僅是初始研究階段,空氣品質統計模型是2D地圖,由於也考慮到了溫度、濕度、大氣壓力、風的走向和高度等資訊,因此,今後在測量數據累積多了以後,會開發出更加複雜的多維分佈曲線模型。演算法會根據電線桿高度的測量數據,計算出人的高度環境下的精確的空氣品質數據。

吸引了北京駭客馬拉松

姜小凡希望自己團隊研究的這種城市大氣環境監測及預報管理系統,不僅可用標準的介面提供空氣品質數據源,還可為生態系統提供更加包容型的數據介面,例如PAM雲介面。為此,他和團隊的幾位研究人員三天三夜沒睡覺,開發出了PAM雲介面。

與美國Google等企業都有駭客馬拉松(Hackathon)相似,北京也有這種頭腦風暴式的駭客馬拉松活動群體,包括電腦專業或非專業人士、設計業人士,還有像中央美院這樣的藝術界及其他各界人士。他們在48小時或類似短的時間內不睡覺,提出並實現自己的創意。

現在,這些駭客馬拉松群體中的很多人想用空氣品質做一些非常有趣的事情,因此需要相關的數據源。 6月底的一個週末,「北京創客空間」和「交互北京」組織了包括軟硬體產品設計師、交互設計師和服裝設計師在內的100多位駭客馬拉松人士,聚集在姜小凡的實驗室,進行了「Hack for Air」主題創新活動。

其中一項成果是,利用PAM雲介面連夜開發出一個「空氣表情」的應用程式。任何人可以自己猜測空氣品質,在手機界面上相應數值處劃一下,然後按鍵提交。這時手機上會出現2個界面,一個是程式開發人員從雲端引用的本地即時空氣品質數據,另一個是參與這個遊戲活動的人們猜的平均值。兩者進行比較,就可顯示出人們的猜測與實際空氣品質指數是否一致,一致時就顯示笑臉,不一致時就是哭臉,誤差越大,哭臉越難看。

姜小凡對這次駭客馬拉松創意活動很滿意,他笑稱:「經常玩這個程式的人,今後自己就可以較準確地估計出周圍環境的空氣品質了。」

從柏克萊到北京

1995年,姜小凡13歲時,去了美國念初、高中。2001年進入加州大學柏克萊分校電子工程系,之後的10年,一直師從無線感測器網路之父、TinyOS嵌入式作業系統發明人、現在已任電子工程與電腦系主任的David Culler教授,進行無線感測器網路設計,主要研究無線感測器網路節點中,在能源很低狀態下數據包的傳輸。博士畢業設計研究的是智慧大樓中每個節點的即時耗電情況。現在,柏克萊勞倫斯實驗室的一座樓就用了他的這項研究成果。

2010年,博士畢業前夕的一次學術會議期間,姜小凡偶遇了微軟亞洲研究院常務副院長趙峰。經過一番深入交談,趙對小凡的研究很感興趣,微軟亞洲院也正需要這方面的研究人才。於是趙問他:「哎,小凡,你願不願意來中國闖一闖呀?」已入美籍的姜也正在考慮是否回到自己的母國和故鄉,尋找讓他一展才華的機會。所以當即回答道:「好呀,當然願意了。」此前,他有一些同學已經回到中國大展拳腳了。

不久,姜小凡來到北京的微軟亞洲研究院,開始領導一個基於磁場的室內定位研究項目,也就是基於位置的服務,主要是把物理世界的東西與虛擬世界的連接在一起。他回憶說,這項研究有很多實際應用,其中一個有趣的應用是「地鐵愛情故事」。

男孩和女孩平時可以把自己的擇偶標準和條件分別存儲在各自的智慧手機裡。當倆人在地鐵上偶遇時,男孩正在玩遊戲,這時手機系統會自動進行匹配,為這對年輕男女創造一見鍾情的機會,提示男孩:「有位你喜歡的女孩進入了車廂。」這時,男孩可以點擊進入相應頁面,與這位女孩互動。男孩在手機上邀請女孩說:「你好,我們一起玩個數獨(SUDOKU)遊戲好嗎?」女孩滿臉羞澀地同意了。於是一場浪漫的地鐵愛情故事就此開始,世界上又多了一對兒幸福的情侶……

英特爾挖角

2012年8月,姜小凡在參加中國電腦學會(CCF)主辦的一次學術會議時,一位朋友把他介紹給了英特爾中國研究院方之熙院長,倆人一見如故,交談甚歡。這樣,姜又被求賢若渴的方之熙挖到了中國英特爾物聯技術研究院。此時距研究院公開掛牌還不到4個月。姜小凡的另一個身份是英特爾中國研究院的高級主任研究員。

在市大氣環境監測及預報管理系統,即PAM系統開發的同時,姜小凡還在進行著另一個項目的研究,為中關村某大型電子商城「全場正品」的理念,開發一種「智慧零售系統(Smart Retail)」。具體是,在該商城購買手機時,智慧零售系統能夠幫助消費者驗機,識別手機的真假。

姜小凡說,其實還有更重大的意義。工商部門利用這項研究成果,可以更加有力地打擊假冒偽劣產品,今後消費者就能放心地購物了。

最終目標是腕錶式PAM

言歸正傳,繼續回到空氣品質監測的話題。現在處於研究第一階段的PAM系統還比較簡單,後台演算法和PAM雲介面有待進一步完善。PAM硬體方面,研究團隊正對其中的灰塵感測器進行改造,準備用其他材料替代現有的光感(見圖7)。

圖7:研究團隊正對其中的灰塵感測器進行改造,準備用其他材料替代現有的光感。

姜小凡也希望北京市環保監測點今後能利用PAM雲端數據平台,進行範圍更廣、更精準的空氣品質監測。據說,再過一個多月,雲端計算的統計模型基本就會初步成型了。並有望在2013年底,實現硬體的工業標準設計。

可能會有不少人存在這樣的顧慮,這項研究轉化成產品後,會有很大的市場嗎?就像每天吃的食品一樣,現在市面上的不安全或有毒食品多的數不勝數,消費者整天拿著檢測器檢測食品有多麼不安全,會背上沉重的精神包袱。與其買空氣品質監測設備,還不如買防PM2.5的合格口罩或空氣凈化器。

圖8:研究團隊最終的目標是腕錶式PAM

姜小凡認為,上面的想法太消極。雖然物聯技術研究院只進行基礎研究,並不負責今後的產品市場。不過,隨著人們環保意識和健康意識的增強,一旦PAM上市,人們就可以隨時隨地用隨身的PAM監測身邊的空氣品質,並採取一定的自我保護措施。「現在自己家裡就用了一個空氣品質監測器,空氣凈化器也會根據室內PM2.5數值隨時處於待命狀態,至少保證讓自己身邊的小環境是安全的。」

姜小凡透露:「目前,PAM還沒有正式的中文名稱,希望大家多多舉薦。另外,最終研究目標是開發出像腕錶一樣人人可配戴的PAM(見圖8)。生產廠家應該可以把價格控制在百多元人民幣範圍內。」(記者 恩平)