導(dǎo)語：環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為加強(qiáng)對污染源的監(jiān)督管理，合理控制環(huán)境污染物總量，快速應(yīng)對突發(fā)性污染事件的環(huán)境處置能力，提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得大量環(huán)境信息數(shù)據(jù)中隱性知識和規(guī)則，達(dá)到挖掘結(jié)果可視化效果，建立監(jiān)控模型，通過傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，運算出污染源的允許排放總量，在重點污染區(qū)域部署傳感器節(jié)點來檢測污染排放情況，憑借本地用戶監(jiān)控界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站完成環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)監(jiān)控準(zhǔn)確性較高，網(wǎng)絡(luò)壽命較長。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；節(jié)能策略；網(wǎng)絡(luò)功耗；傳感器節(jié)點；環(huán)境污染監(jiān)控

近幾十年來，通過不斷出臺措施，加強(qiáng)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測能力建設(shè)，加強(qiáng)環(huán)境污染治理，恢復(fù)重要功能區(qū)生態(tài)，環(huán)境質(zhì)量得到了一定程度的改善。但由于種種原因，幾十年來，中國環(huán)境形勢依然十分嚴(yán)峻，環(huán)境質(zhì)量惡化的趨勢沒有得到根本改善，環(huán)境污染和生態(tài)破壞已成為制約國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。有必要實施應(yīng)急控制，對環(huán)境污染實時監(jiān)控［1］。環(huán)境污染信息十分復(fù)雜，在大環(huán)境信息的準(zhǔn)確獲取和數(shù)據(jù)的歸納和體現(xiàn)中，不同污染因子的比例、傳遞和變化都存在諸多困難。上述檢測手段無法從大量復(fù)雜的環(huán)境污染信息中快速獲取不同污染因子之間的關(guān)聯(lián)，監(jiān)測效果較差，為此，文章利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘其隱藏的規(guī)律，直觀得到各種環(huán)境數(shù)據(jù)的退化規(guī)律和結(jié)果。同時采用傳感器節(jié)點對重點區(qū)域的污染物排放進(jìn)行檢測，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)采集模塊對環(huán)境污染因素實時監(jiān)控［2］。

1基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染源數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是在大量的數(shù)據(jù)中，應(yīng)用特殊的數(shù)據(jù)處理方法，將隱藏在相關(guān)數(shù)據(jù)中的不被識別的、尚未被發(fā)現(xiàn)而是實際存在的知識和規(guī)則挖掘出來的，利用已知的知識和規(guī)律來表達(dá)處理過程。得到的數(shù)據(jù)規(guī)則可以用現(xiàn)有的知識規(guī)則來表示，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)利用數(shù)據(jù)庫的存儲功能，對大量信息進(jìn)行搜索和處理，識別出相關(guān)數(shù)據(jù)之間的潛在規(guī)律，挖掘出相關(guān)數(shù)據(jù)蘊含的重要規(guī)律［3］。該規(guī)律可以提供環(huán)境數(shù)據(jù)的總體特征，描述大量相關(guān)環(huán)境污染情況并預(yù)測其發(fā)展趨勢，為生產(chǎn)維護(hù)實施系統(tǒng)提供重要的數(shù)據(jù)支持，更好地為監(jiān)測模塊和用戶服務(wù)。同時也可清晰監(jiān)測污染程度，了解污染發(fā)展情況，推動制定相關(guān)防治措施，為大規(guī)模環(huán)境污染防治提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，在圖1中展現(xiàn)。

2環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

2．1監(jiān)控模型構(gòu)建

由于污染源十分廣泛，污染檢測困難性較大。為此接入AAA（Authentication、Authorization、Ac⁃counting）服務(wù)器［5－6］。假定污染環(huán)境容量為H，各污染源的允許排放總量為P1，P2，…，Pn，滿足以下數(shù)學(xué)關(guān)系：（1）當(dāng)某一區(qū)域的污染源發(fā)生ΔP增量時，根據(jù)適當(dāng)?shù)目偭科胶夂拖鳒p任務(wù)分配模型集成到環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，確保污染容量不超過允許的環(huán)境容量，環(huán)境質(zhì)量處于穩(wěn)定狀態(tài)，確保環(huán)境安全［7］。

2．2系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

設(shè)定E為系統(tǒng)節(jié)點的初始能量值，E0為單位時間的能量消耗。可建立下述模型為：當(dāng)初始能量值E為常數(shù)時，應(yīng)降低單位時間能耗E0以增加節(jié)點壽命T，由式（5）可知，只有每個αi的值能夠降低，為控制模塊i的占比，應(yīng)在硬件和軟件方面采取相應(yīng)的措施。

2．3硬件設(shè)計

公共節(jié)點集成了溫度，亮度和化學(xué)成分傳感器這些傳感器負(fù)責(zé)收集環(huán)境污染信息。處理器模塊和通信模塊采用低能耗產(chǎn)品，延長節(jié)點生命周期。網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有強(qiáng)大的通信能力，公共節(jié)點收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，控制中心對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實現(xiàn)對污染排放的實時監(jiān)控。

2．4軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要設(shè)計了傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸程序，并開發(fā)監(jiān)控中心實現(xiàn)對環(huán)境污染的監(jiān)控。環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)向節(jié)點下達(dá)命令。系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)庫和節(jié)點的部署，部署完畢后由監(jiān)控中心發(fā)出命令，激活傳感器節(jié)點。通過監(jiān)控中心可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集信息和采集周期，根據(jù)環(huán)境不同，采集周期可設(shè)置為60min，如果每1min采集一次數(shù)據(jù)，那么會導(dǎo)致監(jiān)控中心需要處理的數(shù)據(jù)量過大，將會嚴(yán)重影響傳感器節(jié)點的生命周期，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至癱瘓。傳輸過程需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以確保網(wǎng)絡(luò)不受攻擊。如果存在未知數(shù)據(jù)或惡意攻擊數(shù)據(jù)包，收集到的數(shù)據(jù)庫將被剔除，有效的數(shù)據(jù)會通過終端進(jìn)行顯示和處理，并存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)在后臺建立數(shù)據(jù)庫用于存儲數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)回放歷史。決策支持中心設(shè)置采集樣本的閾值。當(dāng)超過閾值時，系統(tǒng)參數(shù)將得到優(yōu)化。決策中心可以增加和減少監(jiān)控參數(shù)，提高監(jiān)控效率。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的具體結(jié)構(gòu)在圖3中展現(xiàn)。

3實驗結(jié)果分析

為了測試文章設(shè)計的面向物聯(lián)網(wǎng)的信息監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和仿真實驗分析。在嵌入式設(shè)備上運行QtC＋＋API，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)集成了智能控制Linux內(nèi)核，數(shù)據(jù)輸入通道為四個采集卡的任意通道。系統(tǒng)調(diào)試設(shè)備為InterpentumTyp3220A隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生器和Openg132PST3202可編程控制器。設(shè)置系統(tǒng)初始頻率為2kHz，采樣間隔為5􀆰2ms。設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)精度為precision，查全率為recall，F(xiàn)－measure作為兩者的調(diào)和均值，TP為監(jiān)測結(jié)果是正確、實際結(jié)果也為正確的情況，TN為監(jiān)測結(jié)果是錯誤、實際結(jié)果也為錯誤的情況，F(xiàn)P為監(jiān)測結(jié)果是正確、實際結(jié)果為錯誤的情況，F(xiàn)N為監(jiān)測結(jié)果是錯誤、實際結(jié)果為正確的情況，各個評估指標(biāo)運算公式如下：根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)的設(shè)置，采用文獻(xiàn)［1］、［2］與文章方法對檢測結(jié)果的F－measure值進(jìn)行比較。不同方法下的監(jiān)控與挖掘性能對比曲線如圖4所示。隨著迭代數(shù)量的不斷增加，文章方法綜合檢測精度逐漸提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值時開始緩慢降低，但仍保持較高的檢測精度。這是因為通過數(shù)據(jù)挖掘能夠剔除冗余信息，使用于檢測的數(shù)據(jù)能提供高精度信息，最終使結(jié)果具有較高可信度。系統(tǒng)運行時間對比分析，具體內(nèi)容如圖5所示。分析圖5可知，文章設(shè)計系統(tǒng)與其他兩種系統(tǒng)相比而言運行時間最短，內(nèi)存占用較小，可操作性強(qiáng)，所耗用資源成本較低、連續(xù)工作穩(wěn)定性好、故障率低等優(yōu)點，能滿足日常應(yīng)用需求。

4結(jié)語

環(huán)境保護(hù)是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，世界各國政府和公眾都意識到環(huán)境污染對人類生存5不同系統(tǒng)運行時間對比圖和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大危害，隨著中國環(huán)境保護(hù)工作的深入發(fā)展，對環(huán)境管理手段提出了更高的要求。文章提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。它解決了以往環(huán)境管理系統(tǒng)直觀性差、準(zhǔn)確性差的問題，實現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定性、高效率的污染監(jiān)測可視化，為環(huán)境影響分析和預(yù)測提供了及時、可靠的信息，能夠針對相關(guān)風(fēng)險定制有效的防控措施。為政府有關(guān)部門決策提供依據(jù)，從而抑制事故的發(fā)生或減少危害范圍。

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作者：陳曉飛 賈勇 白亮亮 單位：新疆工程學(xué)院 信息工程學(xué)院