研究背景
空氣污染是歐洲最大的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)之一，也是導(dǎo)致過(guò)早死亡和疾病的主要原因。近年來(lái)研究空氣污染對(duì)人類(lèi)健康影響取得了新的進(jìn)展，2021年新的世界衛(wèi)生組織《全球空氣質(zhì)量指南》載有明確證據(jù)表明，空氣污染有害人類(lèi)健康，甚至可在低于以往所知的濃度水平導(dǎo)致健康損害。該指南建議了新的空氣質(zhì)量水平，以便通過(guò)降低主要空氣污染物的水平來(lái)保護(hù)人群健康我們知道，污染物對(duì)健康的不良影響比以前假設(shè)的濃度低得多。
城市空氣質(zhì)量受到復(fù)雜的大氣動(dòng)力學(xué)、城市幾何形狀、土地利用和交通模式的影響，導(dǎo)致污染物在微觀尺度上的分布差別很大。一些空氣污染從城市外的風(fēng)吹來(lái)，但大多數(shù)城市空氣質(zhì)量問(wèn)題都是本地性的，即在街道層面和距離污染源幾米之內(nèi)的地方。氣體濃度在排放源和附近地點(diǎn)之間可能會(huì)發(fā)生快速變化，因此街道和城市層面的污染物分布情況并不完全清楚。在這種情況下，高性能計(jì)算（HPC）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是高分辨率跟蹤污染物擴(kuò)散的關(guān)鍵工具。但是，任何高精度的空氣質(zhì)量地圖都需要使用非常密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量污染（這非常昂貴），基于此以高空間和時(shí)間分辨率對(duì)污染物的分布進(jìn)行建模。
研究目的
Bettair與巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心合作，使用Bettair提供的低成本空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，降低城市環(huán)境中空氣質(zhì)量模擬的計(jì)算成本，獲得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、準(zhǔn)確先進(jìn)的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量建模工具。本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是訓(xùn)練生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，以可承受的成本模擬HPC-CFD模擬的輸出結(jié)果。
研究方案
以歐洲各國(guó)首都的30個(gè)1平方公里真實(shí)城市幾何區(qū)域的三維模型為基礎(chǔ)，建立了約 30000個(gè)256m×256m區(qū)域的數(shù)據(jù)集。然后，利用這些城市幾何模型對(duì)三種不同風(fēng)向的風(fēng)流和交通產(chǎn)生的污染物擴(kuò)散進(jìn)行高空間分辨率的 CFD 模擬。然后對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以學(xué)習(xí)不同高度下的模擬結(jié)果。利用這些人工智能模型，現(xiàn)在可以以高精度和較少的計(jì)算資源即時(shí)模擬新的城市幾何形狀。這些模型已被添加到Bettair的平臺(tái)中，根據(jù)實(shí)地部署的Bettair空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)提供有關(guān)空氣質(zhì)量和本地排放的信息。
此次實(shí)驗(yàn)將傳感器測(cè)量與人工智能模擬相結(jié)合，并提取有關(guān)城市當(dāng)?shù)嘏欧藕臀廴疚餄舛鹊木_信息，Bettair創(chuàng)建了一種節(jié)能、計(jì)算效率高的低成本人工智能解決方案。可對(duì)城市空氣質(zhì)量進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的建模，分辨率可達(dá)1平方米，并且極大的降低了分析成本。
方案已在大城市如羅馬和小城市如巴塞羅那El Prat de Llobregat（人口65000）等進(jìn)行測(cè)試。Bettair與巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心合作的成功案例榮獲2022年HPC 創(chuàng)新卓越獎(jiǎng)。
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