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。
各地PM2.5即時濃度。圖／空氣盒子地圖
參與式感測：自己的環境自己救 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。
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。
陳伶志團隊與 LASS 的合作模式。圖／By 林婷嫻、 張語辰
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
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：
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？
由於當時觀測到此現象時，空氣盒子觀測站尚未廣佈龜山、桃園、新竹一帶，也未與政府單位合作。若能進一步追查台北西南側的各個空氣盒子，找出 PM2.5 即時濃度瞬間飆升的「起始點」，應能通報相關單位前往該區，即時開罰空污排放源頭。
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 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，
──中研院資訊所 陳伶志
延伸閱讀與參考資料
