有了「空氣盒子」，面對空氣污染你也能主動出擊！

                               
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有了「空氣盒子」，面對空氣污染你也能主動出擊！

用「資料科學」研究「空污」

大陸霾害何時來？台灣工廠排放的空污如何擴散？

以前只能用自己的呼吸道偵測，

現在「空氣盒子」為你即時追查 PM2.5 濃度變化。

這不只是中研院資訊科學所陳伶志副研究員的計畫，

更是一位技術宅父親對氣喘過敏兒的愛。

想像一下，若是大雄所居住的城市，充滿空氣污染。

關心大雄的哆啦 A 夢，會拿出什麼道具來相救？

也許哆啦 A 夢沒辦法把整個城市的空氣變乾淨，

但可能會拿出「任意電視」，找出附近誰在亂燒垃圾，

即時阻止對方。或是透過「預知天線」，

提醒大雄今天戶外 PM2.5 濃度過高，

出門要戴著口罩，否則吸多了會氣喘。

事實上，透過「開放資料」和「數據分析」，

空氣盒子真的能即時追查空污真兇，

並幫助預測空污擴散趨勢。

推動空氣盒子這個想像實現的人正是陳伶志，

以及其帶領的研究團隊、

LASS 社群 （Location Aware Sensing System）、

政府單位和廣大鄉民，

一起從下而上努力改變空污問題。

                               
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參與式感測：自己的環境自己救

                               
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參與式感測：透過群眾觀測、專家分析，由下而上解決問題。圖／By 林婷嫻、張語辰

陳伶志與團隊的主要研究領域為「參與式感測系統」，

簡單而言，就是以某種裝置或網絡，偵測生活中的某個問題現象，

透過群眾一起觀察所得的數據進行分析，找出問題的解決方法。

生活中有許多問題，例如空污、塞車、路不平，

若被動地等待政府解決往往緩不濟急。

並非因為政府效率太差，而是因為不知道問題真兇藏在哪裡，

例如眼前的空污是霾害？還是有工廠偷偷排放廢氣？

「參與式感測系統」最重要的目的，

是以「自己的環境自己救」的概念出發，

透過群眾自主觀察所得的大量數據，

由專家分析找出問題癥結點，

推動政府或相關單位採取行動、對症下藥。

關在倉庫測一氧化碳，用命拼研究

要研發出「高準確性」和「低成本」兼具的感測裝置，
以供群眾使用，並非容易的事。
以觀測空氣為題，從 2013 年開始，
陳伶志與團隊嘗試過不同氣體的量測，
例如：一氧化碳、二氧化碳、臭氧、二氧化氮等等，
但因為氣體感測器誤差過大、校正過程太複雜，
皆忍痛放棄。當時，為了在擬真的環境中，
校正一氧化碳感測器的準確性，及比對低濃度和高濃度的數值，
學生甚至將自家倉庫改造成實驗室待在裡頭，
只留一個小縫、往裡面排送機車廢氣。
「實在很擔心學生中毒」陳伶志回想。

2014 年底由於空氣污染加劇，
大眾逐漸重視 PM2.5 濃度，加上兩歲的兒子因為氣喘成為醫院常客，
陳伶志擔憂空污會讓氣喘跟著兒子一輩子，
決定專攻「PM2.5 即時濃度感測」，
嘗試透過研究找出空污變化模式、解決空污問題。
可以即時追查 PM2.5 濃度的「空氣盒子」，
因需求而誕生，更因父愛而堅持。

                               
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空氣盒子各階段 prototype，點擊看大圖。

圖／陳伶志提供；林婷嫻、張語辰改編

拉拔一個小孩長大成材，需要付出大量的時間與金錢；

茁壯空氣盒子這個小孩，也付出了難以計算的心力與學費。

陳伶志與團隊耗時三年，經歷失敗、崩潰、

接受事實、再失敗的無數次迴圈，

終於開發出品質穩定的空氣盒子原型。

但這時候，困難才真正開始。

與社群合作 讓空氣盒子遍地開花

開發出可以普及使用的空氣盒子之後，

初期面臨沒有民眾願意裝在自己家裡的窘境。

「會不會耗電？會不會危險？有問題怎麼維修？」

因為這些考量，初期只能將空氣盒子安裝在親朋好友圈，

即時觀察到的 PM2.5 濃度數據非常侷限，缺少應用價值。

但就像《牧羊少年奇幻之旅》這本書的啟發：

「當你真心渴望某件事，整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。」

努力找出路的陳伶志與研究團隊

，

經過朋友的朋友介紹，

與認同

「參與式感測」

精神的 LASS 社群一拍即合。

LASS 社群由一群喜歡動手做的創客（Maker）組成，

遍布台灣各地。了解空氣盒子程式碼、安裝步驟後，

秉持創客精神，從「想」到「做」如星火燎原般，

讓空氣盒子的身影在台灣各地出現，

PM2.5 即時濃度觀測的時間與空間資料因而大幅擴展。

觀測得到的數據變多、變廣，就能進一步分析空污變化的路徑。

                               
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陳伶志團隊與 LASS 的合作模式。圖／By 林婷嫻、 張語辰

                               
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LASS 版的空氣盒子，顯示所在位置的目前空氣品質 。圖／By 張語辰

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開放資料 x 數據分析 空污真兇莫狡辯

以前總是呼吸道感染了，才知道空氣污染正在肆虐，

很難阻止後續擴散或再發生，

或是附近的工廠偷偷排放空污，卻沒有證據繩之以法。

但現在透過分析各個空氣盒子感測到的 PM2.5 濃度數據，

就能推算空污的原因、發生時間點，

找出製造空污的真兇。陳伶志舉兩個觀測模式說明：

                               
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觀察PM2.5濃度突然飆高的時間、比對各測站 GPS 座標，

藉以找出空污從哪發生。

圖／陳伶志提供 ；林婷嫻、張語辰改編

像是在 2015/12/20 這天，陳伶志注意到北部有一些空氣盒子觀測站，

都出現 PM2.5 即時濃度「瞬間飆升」的情形（如上圖黃色箭頭所指），

代表該地突然出現空氣污染源，常見的原因是燒東西、工廠排放廢氣等等。

陳伶志將發生「PM2.5 即時濃度瞬間飆升」

的空氣盒子觀測站 GPS 座標列在地圖上，並依瞬間飆升的時間排序

（如上圖紅色打卡標所示）。搭配氣象資料指出，

當時正吹著西南西風，可以看見空氣污染源是

從西南方（ 15:36 開始）依序往東北方（ 18:18 抵達）擴散。

這種來自北部盆地西南方的空氣污染源，會是霾害嗎？

不太可能，應是台灣自造的空氣污染。

                               
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觀察空氣盒子時間軸和區域資料，找出空氣污染的變化模式，

打卡標的顏色深淺代表偵測到異常的時間（顏色越深代表越接近現在時間）。

圖／陳伶志提供；林婷嫻、張語辰改編

為了找出空污變化的模式，

陳伶志每 5 分鐘記錄各地空氣盒子 PM2.5 即時濃度，

並將異常數據歸納為以下三種，判斷哪區有持續性污染源、

或找出哪邊突然產生空污：

時間點異常（上圖藍色打卡標所示）：從時間軸來看，

某個時間 PM2.5 濃度「瞬間飆升」，代表當地空氣污染是正在進行式。

空間點異常（上圖紅色打卡標所示）：以區域來看，

若某個區域 PM2.5 濃度與鄰近的空氣盒子相比更高，

代表空氣污染源於「當地」產生，或是受到「他處」飄來的空污影響。

空間與時間點異常（紫色打卡標所示）：

上述兩種情況都發生，當地有空氣污染源的「可能性極高」。

舉個實例，陳伶志觀察到台北龍山寺該區的空氣盒子，

「白天」持續顯示 PM2.5 濃度「空間點異常」，

代表當地與鄰近區域相比，有持續性的空氣污染來源。

將此觀察數據，搭配龍山寺的地理位置比對，

燒香、燒紙錢造成的 PM2.5 高濃度影響，透過觀測數據顯而易見。

民間高手，讓空氣盒子能有更多應用

空氣盒子是採用開放資料（ Open Data），

因此這不僅只有中研院資科所能用於研究計畫，

無論學生科展、大學報告、民間團體等，

都能依照陳伶志的空氣盒子架構，

依照自己的需求改裝不同版本的空氣盒子，

發揮各式各樣的靈活運用。

由於台中空氣品質很糟，

努力守護家鄉環境的《台中市原鄉文化協會》，

在空氣盒子推出初期，自掏腰包買了 100 台空氣盒子並發起認養活動，

將空氣盒子廣佈台中各地，由民眾自主監督空氣污染來源。

台中創客（ Maker ）還將空氣盒子改造成方便攜帶的行動版本，

發現台中哪一區空氣品質不對勁，

一群關心台中環境的市民，

就彼此號召拿著行動版空氣盒子前往該區追查空污排放源頭。

國立交通大學資訊工程學系，

由彭文志老師帶領的資料探勘（Data Mining）課程，

也將開放資料的空氣盒子做為報告題目之一，

讓學生自行發想如何應用空氣盒子的感測資料。

例如將 PM2.5 觀測資料與實價登錄地圖結合，

找出理想的乾淨空氣居住環境；

或是找出 PM2.5 濃度變化的時間與地區模式，

做出自動監控紫爆現況、預測空污擴散路徑的功能。

不只台灣需要！ 空氣盒子遍布世界

                               
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空氣盒子 PM2.5 感測網，延伸至世界各地 （統計截至 2017 年 2 月） 。

圖／陳伶志提供；林婷嫻、張語辰改編

2016 年 2 月，零時政府 g0v 主動介接空氣盒子的開放資料，

擴大觀測數據的影響力。 2016 年 3 月開始，

台北市、新北市、台中市、台南市、高雄市政府也陸續加入空氣盒子計畫，

由民間企業捐贈數百台空氣盒子，並佈建在各區域的小學校園，

透過環境教育學習如何觀察 PM2.5 即時濃度變化，監督改善該區域的空污問題。

空氣盒子成功發展嚴謹的研究理論（感測器比對報告、空污模式演算法等），

並建立與 LASS 、政府、民間企業的跨領域合作模式，

形成領先全球的 PM2.5 即時感測網，吸引世界各國來台學習空氣盒子的經驗。

2016 年 9 月，陳伶志受邀到泰國演講，與東南亞合作觀測 PM2.5 濃度。

例如印尼火耕霾害，鄰近的馬來西亞、新加坡，都會大受影響，

惟有建立跨國的空氣盒子監測網，才能即時通報、協力找出對策。

「因為空氣是流通的，空污不會只發生在一個國家的上空」陳伶志說。

談到未來目標，陳伶志希望推動空氣盒子成為智慧城市的物聯網一環，

例如當戶外 PM2.5 濃度過高，室內的空氣清淨機就會自動打開，

這功能不只有小孩的家庭需要，

有呼吸照護需求的家庭與醫療照護機構更需要。

現在提到智慧城市，大家都會想到阿姆斯特丹、芝加哥，

未來希望國際也能透過「空氣盒子」想到台灣。

                                        ──中研院資訊所　陳伶志

                               
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本著作由研之有物製作，以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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(Archipelago)

(以上為原作所有 向開源社群與為台灣環境而奮鬥的創客致敬)