王振豪 梁爽 李若飛 達爾仁·阿斯哈提 張樂華

摘要：通過將人工智能在大氣環(huán)境監(jiān)測中運用時的各個結構進行剖析，綜述傳感器網(wǎng)絡等，將網(wǎng)絡結構中的感知層、網(wǎng)絡層、應用層依次的呈現(xiàn)出來;結合實際案例，綜述現(xiàn)階段人工智能技術在大氣環(huán)境監(jiān)測應用的研究進展。

關鍵詞：人工智能;環(huán)境監(jiān)測;大氣污染;傳感器

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）08-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.101

Application of artificial intelligence in atmospheric environmental monitoring： A review

Wang Zhenhao， Liang Shuang， Li Ruofei，Da Erren， Zhang Lehua

（School of Resources and Environmental Engineering， East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：The structures of artificial intelligence used in atmospheric environment detection were introduced. The atmospheric environmental monitoring with artificial intelligence included the perception layer， network layer and application layer in the network structure. Combined with practical cases， the application of artificial intelligence technology in atmospheric environmental monitoring was evaluated.

Key words：Artificial intelligenc; Environmental monitoring; Atmospheric contamination; Sensor

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總框架圖

作為自然界的最主要環(huán)境要素之一，大氣環(huán)境對人類和動植物的生存起著至關的重要作用，但工業(yè)發(fā)展不可避免的帶來了許多大氣污染問題。自從二十一世紀以來，我國大氣環(huán)境污染狀況也不容樂觀，西南地區(qū)酸雨、北方冬季霧霾等問題頻繁發(fā)生[1-2]。因此，治理大氣污染已經(jīng)是一個刻不容緩的問題，而治理的第一步就是對大氣環(huán)境質量進行監(jiān)測。我國在大氣環(huán)境監(jiān)測方面與國外仍有一定差距：美國即將在全國各地建立空氣監(jiān)測站，實現(xiàn)對全國范圍內的大氣環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測;日本政府也加大了對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)投入[3-4]。雖然近些年來國內環(huán)境監(jiān)測技術有所發(fā)展，但在動態(tài)實時及智能監(jiān)測方面仍然落后。

人工智能是指由人為創(chuàng)造的系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的智能。其主要能力是存儲知識，讓程序能夠處理，并通過一定的運算實現(xiàn)我們預設的目標。同時，人工智能也可以對以視覺圖像、聲音、其他傳感器輸入等形式的數(shù)據(jù)輸入進行處理并作出合理的反應。大氣污染一般可分為物理污染、化學污染、生物污染、顆粒物污染等四種類型，由于污染物質的多樣性、復雜性和變化性，使得對大氣的監(jiān)測尤為困難。而人工智能以其具有自學習 、自適應和自組織功能，特別是其不需要建立被控對象精確數(shù)學模型的特點，非常適用于大氣的監(jiān)測[5]。如人工智能在氣象行業(yè)的應用，利用AI的數(shù)據(jù)處理能力及神經(jīng)網(wǎng)絡對臺風進行提前一周的預測。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體構架

人工智能大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般由應用層、網(wǎng)絡層以及感知層組成[6]。其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體構架圖1所示。該結構的最底層為傳感層，傳感器通過特殊的樸拓結構，構成傳感器網(wǎng)絡，然后通過無線通信模塊將采集到的信息傳輸至網(wǎng)絡層;網(wǎng)絡層有多個網(wǎng)絡子節(jié)點，組成多條傳輸路徑，匯總整理之后將環(huán)境信息送至應用層;應用層將數(shù)據(jù)進行最終處理，并通過人機交互平臺將信息呈現(xiàn)出來。

2 感知層

在大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層又稱為大氣環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)，是大氣監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，起著采集信息并將之傳輸?shù)淖饔肹7]。

2.1 傳感器

對于上述四大類污染，現(xiàn)在通常會對溫度、濕度、大氣壓、CO濃度、CH4濃度、甲醛濃度、煙霧濃度、粉塵等方面進行監(jiān)測，其對應的傳感器分別為粉塵傳感器，溫濕度傳感器，氣壓傳感器，CO傳感器，煙霧傳感器，甲醛傳感器和CH4傳感器。

2.1.1 溫濕度傳感器

圖2 溫濕度傳感器結構圖

大氣環(huán)境溫濕度監(jiān)測是其他各項監(jiān)測的基礎，所以在分析各項環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)前必須要確定溫濕度，然后在其基礎上進行運算標定，溫濕度傳感器其結構如圖2所示，傳感器采取互補金屬氧化物半導體材料將電壓放大，利用能量間隙體監(jiān)測環(huán)境溫度，通過電容體監(jiān)測環(huán)境濕度，具有很強的抗干擾性能和很高的靈敏度[8]。

2.1.2 煙霧傳感器

煙霧傳感器依靠煙霧濃度檢測電路。煙霧傳感器檢測出的微弱電壓信號進行放大處理，由于煙霧傳感器自帶信號放大器（AD），放大后的信號與煙霧傳感器引腳相連，實現(xiàn)室內煙霧濃度采集。傳感器數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 傳感器檢測電路設計

2.1.3 光照強度傳感器

光照強度由光敏電阻測得，將光敏電阻與一個阻值與光敏電阻隨光強變化時中間阻值相等的電阻串聯(lián)，通過測電壓的變化測光照強度[9]，電路如圖4所示。

圖4 光照測量強度電路

2.2 傳感器網(wǎng)絡

圖5 傳感器節(jié)點組成

傳感器網(wǎng)絡是由許多在空間上分布的傳感器組合而成的。這些不同功能的傳感器相互協(xié)作，共同監(jiān)測某一區(qū)域的各項環(huán)境指標（比如溫度、濕度、聲音、壓力、懸浮物、揮發(fā)性有機物等等）。傳感器網(wǎng)絡的基礎結構組成是大量部署在所要監(jiān)控區(qū)域內、具有單獨無線通信能力的微小傳感節(jié)點。根據(jù)周圍環(huán)境條件和所要完成的監(jiān)測任務，傳感器節(jié)點以自組織方式構成分布式智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)[10-11]。傳感器網(wǎng)絡結合傳感器技術、嵌入式計算技術、無線通信技術及分布式信息處理技術等于一體，通過網(wǎng)絡層將檢測到的環(huán)境因素傳遞至應用層，用戶對此環(huán)境條件進行判斷，采取相應對策。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要由四個基本單元組成：①傳感單元，主要包括傳感器和模數(shù)轉換功能模塊;②處理單元，執(zhí)行嵌入式系統(tǒng)，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等;③通信單元，由無線通信模塊組成;④電源部分[12-13]。

3 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是感知層和應用層之間數(shù)據(jù)傳送的透明介質，是由多個網(wǎng)絡節(jié)點按照隨機的拓撲結構相互連接組成的[14-15]。交換網(wǎng)絡拓撲結構如圖6所示。

圖6 交換網(wǎng)絡拓撲結構

網(wǎng)絡層中，通信子網(wǎng)絡節(jié)點之間的相互連接、互相組合構成了多條傳輸路徑，網(wǎng)絡節(jié)點在收到信息后，首先要進行路由選擇，即選擇確定合適的信息傳輸路徑。確定路由選擇的方法被稱作路由算法[16-20]。路由算法的選擇要考慮五個方面的影響因素：①路由算法所要基于的性能指標——最短路徑還是最優(yōu)路徑;②通信子網(wǎng)是采用數(shù)據(jù)報方式還是虛電路方式;③采用分布式還是集中式路由算法;④考慮網(wǎng)絡信息的來源;⑤采用動態(tài)路由選擇策略，還是靜態(tài)路由選擇策略。

4 應用層

應用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結構中的最頂層，其功能為對感知層采集環(huán)境信息進行計算處理，將環(huán)境條件以人們需要的方式展現(xiàn)出來，從而實現(xiàn)對環(huán)境質量的實時監(jiān)測，進而通過得到的環(huán)境信息找到合適的應對措施[21-22]。應用層工作的兩個方面：一是“數(shù)據(jù)”，完成對數(shù)據(jù)的管理和處理，然后以合適的方式呈現(xiàn);二是“應用”，將處理后的數(shù)據(jù)與各行業(yè)應用相結合，使各產(chǎn)業(yè)智能化。例如在大氣環(huán)境監(jiān)測中臭氧的實時動態(tài)監(jiān)測：放置在目的區(qū)域的臭氧在線檢測儀在收集到大氣中的臭氧濃度后，通過網(wǎng)絡層發(fā)送并匯總到環(huán)境監(jiān)測中心的電腦終端上。電腦終端就是應用層的主要組成部分，它通過對收集到的臭氧濃度信息以合適的方法進行處理，通過對這些信息的判斷，做出相應的應對措施[23]。

5 案例分析

5.1 基于無線傳感網(wǎng)絡的大氣PM2.5污染狀況實時監(jiān)測

近些年來，由于霧霾現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，而霧霾的成因主要是大氣中以PM2.5為首的顆粒物濃度過高導致的，因此有必要對PM2.5進行實時監(jiān)測，及時控制。將大氣環(huán)境監(jiān)測與人工智能相結合，提出以無線傳感網(wǎng)絡為基礎的PM2.5的實時監(jiān)測系統(tǒng)[24]。感知層使用粉塵傳感器，利用氣體中顆粒物對不同波長表現(xiàn)出的吸收光譜不同，傳感器中的激光發(fā)射器對氣體注入發(fā)射光源，同時得到輸出光信號，進而獲得諧波分量信號中的大氣中PM2.5顆粒物濃度。然后利用無線傳感技術，其作為檢測系統(tǒng)的基礎，將傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測到的信號利用網(wǎng)絡路由器傳輸?shù)较到y(tǒng)的終端節(jié)點。最后利用人工魚群理論對終端節(jié)點的布置進行效果優(yōu)化，以提高網(wǎng)絡覆蓋率并盡可能降低監(jiān)測系統(tǒng)的能耗，降低運行成本，后將信號傳入應用層，通過人機交互使監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沉呈現(xiàn)出來。

5.2 基于LoRa的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

從Semtech公司推出LoRa無線擴頻調制技術，到2015年LoRa聯(lián)盟成立，再到如今，LoRa技術已經(jīng)被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)領域。該技術能夠實現(xiàn)以較低的發(fā)射功率擁有很遠的通信距離，相關資料顯示，在空曠地區(qū)，LoRa射頻模塊的通信距離為15km[25]。并且LoRa無線擴頻調制技術具有穩(wěn)定性高、低能耗、低成本等優(yōu)點。

LoRa大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以stm32作主控制器，體系的數(shù)據(jù)感知層由傳感器網(wǎng)絡和Lora射頻無線通信組成。射頻通信模塊和GPRS網(wǎng)絡通信組成匯聚結點，其功能是接受采集的數(shù)據(jù)，通過GPRS公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心對所得的大氣環(huán)境參數(shù)進行處理，分析各個監(jiān)測點的實時環(huán)境狀況，作出針對性的判斷后采取相應的措施。

5.3 基于ZigBee和GIS的大氣環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

基于Zigbee和GIS技術的大氣環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一種低成本、易布設、易維護的軟硬件技術平臺[26]。它的功能除了實時監(jiān)測大氣各項環(huán)境指標，還可以跟蹤污染源的變化，及時對污染事故進行預警。

該系統(tǒng)分為感知層和應用層。感知層采用基于ZigBee的無線自組網(wǎng)技術和GPRS無線傳輸技術，實時定位監(jiān)測大氣環(huán)境信息;應用層是基于B/S架構的大氣環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時動態(tài)采集和分析環(huán)境數(shù)據(jù)的空間分布與動態(tài)變化，及時預警環(huán)境污染事故[27-28]。

6 總結

人工智能與大氣環(huán)境監(jiān)測相結合，可以實現(xiàn)對某個區(qū)域的大氣環(huán)境條件全面實時動態(tài)及智能監(jiān)控。大氣各種環(huán)境參數(shù)通過感知層中的傳感器采集，在傳感器網(wǎng)絡中經(jīng)過嵌入式計算技術進行初步處理計算，后經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡傳入網(wǎng)絡層中，通過路由算法選擇傳輸途徑，實現(xiàn)信息的匯集與傳輸至多個應用層終端。大氣環(huán)境條件參數(shù)在應用層經(jīng)過云計算系統(tǒng)進一步分析整理，將大氣環(huán)境數(shù)據(jù)通過人機交互平臺呈現(xiàn)實時出來，人們根據(jù)所測參數(shù)采用相應的措施。目前在國內，人工智能在大氣環(huán)境檢測方面的應用還處于一個萌芽期，實現(xiàn)人工智能在大氣環(huán)境檢測上的全面應用還需要深入研究，最終實現(xiàn)人工智能與大氣環(huán)境監(jiān)測相結合。

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收稿日期：2019-05-11

作者簡介：王振豪（1998-），男，本科，研究方向為環(huán)境工程。

通訊作者：張樂華（1974-），男，副教授，研究方向為環(huán)境工程。