在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)局勢下，各國政府紛紛推出一系列擴(kuò)大內(nèi)需政策，其中，環(huán)境保護(hù)和技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵點。以中國為例，其‘加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)'的公共政策內(nèi)容包括‘加快城鎮(zhèn)污水、垃圾處理設(shè)施建設(shè)和重點流域水污染防治'，‘支持重點節(jié)能減排工程建設(shè)'；美國總統(tǒng)歐巴馬也將潔凈能源投資作為刺激經(jīng)濟(jì)方案的重點之一。各國政府的擴(kuò)大內(nèi)需、刺激經(jīng)濟(jì)政策正是適時地為環(huán)境治理、綠色能源安裝了強(qiáng)勁的推進(jìn)器。
如何加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，開發(fā)可行的潔凈能源技術(shù)？科學(xué)家和工程師們是承擔(dān)這項任務(wù)的技術(shù)先鋒。綠色工程正是透過開放的圖形化開發(fā)平臺，為科學(xué)家和工程師們提供了測量、控制以及設(shè)計工具，幫助他們‘量化問題'，并進(jìn)而‘解決問題'，降低產(chǎn)品的排污量，開發(fā)消耗更少能源的設(shè)備，創(chuàng)造可行的潔凈能源技術(shù)，從而構(gòu)建節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的綠色應(yīng)用。
綠色工程
綠色工程包括開發(fā)新的潔凈能源利用方式、提高現(xiàn)有產(chǎn)品的能源效率、以及環(huán)境和氣候變化的研究等等，其應(yīng)用幾乎涉及各行各業(yè)。本質(zhì)上進(jìn)行綠色工程與進(jìn)行任何其它類型的工程創(chuàng)新并沒有任何不同。首先，需要測量所關(guān)心的參數(shù)，例如電能質(zhì)量和能耗；車輛以及工廠的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環(huán)境數(shù)據(jù)，包括二氧化碳、溫度以及水質(zhì)。這不僅是一個數(shù)據(jù)采集和過程分析的過程，也是促使人們改變行為方式的契機(jī)。
透過‘量化問題'的過程，工程師們可以從數(shù)萬個可靠測量系統(tǒng)獲取前所未有的大量可靠精確數(shù)據(jù)，從而在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品和過程進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)建更高效的技術(shù)與流程，設(shè)計并開發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)以‘解決問題'，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。簡而言之，綠色工程可以概括為一個‘量化問題、解決問題'的過程。
美商國家儀器(NI)公司為綠色工程提供了開放的圖形化開發(fā)平臺(圖1)，幫助工程師和科學(xué)家們進(jìn)行測量、控制以及設(shè)計，圖形化系統(tǒng)設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的一種新途徑，透過高效的軟件、高性能的硬件、軟硬件的無縫整合、可擴(kuò)展的開放平臺，幫助工程師降低應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性，從而快速構(gòu)建各類測試及控制應(yīng)用。對于可再生能源、環(huán)境監(jiān)測、電能質(zhì)量等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，圖形化開發(fā)平臺讓設(shè)計人員能夠輕松將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的前端設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際的系統(tǒng)，從而設(shè)計并開發(fā)更高效、更環(huán)保的產(chǎn)品和技術(shù)。
圖1：NI為綠色工程提供開放的圖形化開發(fā)平臺，協(xié)助工程師‘量化問題、解決問題'。
綠色工程的應(yīng)用涵蓋幾乎各個行業(yè)，盡管對這些綠色工程的應(yīng)用有許多分類方法，大部分應(yīng)用可以歸入五個類別：1、可再生能源發(fā)電；2、電能質(zhì)量；3、環(huán)境監(jiān)測；4、機(jī)器與過程最佳化；5、綠色產(chǎn)品與技術(shù)的開發(fā)和測試。 [nextpage]
應(yīng)用實例分析
隨著政府和工業(yè)界在努力減少溫室氣體的排放，科學(xué)界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機(jī)理、生態(tài)互動以及全球變暖的影響，并對它們進(jìn)行建模。這些復(fù)雜、混沌的系統(tǒng)需要十分精細(xì)的建模和仿真、大量超級計算機(jī)資源以及盡可能精確的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。面的例子具體展示了綠色工程在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。
嵌入式網(wǎng)絡(luò)感測中心(CENS)是綠色工程應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的例子之一。該中心的研究員正運(yùn)用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動態(tài)交換過程。CO2的特性之一是它會增強(qiáng)溫室效應(yīng)，因為它能夠吸收紅外線(IR)區(qū)域的光線。這種特性可以利用在包含紅外線光源、光學(xué)濾波器和紅外線探測器的光譜傳感器上。將濾波器調(diào)節(jié)到被CO2所吸收的紅外線線波長，紅外線探測器輸出就與CO2濃度成比例。
研究員能夠方便地將這個傳感器的模擬輸出連接到諸如CompactRIO等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個接口可以把傳感器透過一個簡易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數(shù)據(jù)與氣體流速的測量結(jié)果結(jié)合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實際CO2的流量。其它CompactRIO系統(tǒng)測量在土壤表面下多個位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統(tǒng)的分組使用了無線網(wǎng)絡(luò)，從而可以同時采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，對正在研究的區(qū)域進(jìn)行特征提取，將數(shù)據(jù)透過蜂巢式(cell)節(jié)點或無線鏈路周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫(見圖2)。
圖2：在哥斯達(dá)黎加的熱帶雨林中，CENS研究員使用CompactRIO和無線網(wǎng)絡(luò)同步采集、記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，并計算碳交換。
CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開發(fā)的，用于美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡(luò)(NEON)，它是由美國國家自然基金會(NSF)所支持的洲際研究平臺。橫跨大洲的NEON工作站將會使用此系統(tǒng)測量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其它氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學(xué)和微生物特性。資料將傳送到中央處理中心，并且與世界其它地區(qū)的科學(xué)家進(jìn)行共享。目前，CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于哥斯達(dá)黎加的La Selva生物站以及美國加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護(hù)站中。
小結(jié)
隨著社會的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)變化越來越嚴(yán)峻，我們比過去更加需要具備專業(yè)技能的創(chuàng)新工程師和科學(xué)家對世界進(jìn)行變革和改進(jìn)。綠色工程利用測量和控制技術(shù)對產(chǎn)品、技術(shù)和過程進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)和改進(jìn)，透過‘量化問題、解決問題'構(gòu)建綠色應(yīng)用，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。
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