許鎮(zhèn)義,王瑞賓,康宇,4,5?,曹洋,張聰,王仁軍

(1合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院,安徽 合肥 230088;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系,安徽 合肥 230036;3安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230601;4中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230088;5中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230027;6合肥市生態(tài)環(huán)境局,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市機(jī)動車數(shù)量不斷增多,在人們生活水平日益提高的同時(shí),移動源污染排放已經(jīng)成為城市大氣污染的重要來源,受到越來越多的關(guān)注[1,2]。

何春玉和王歧東[3]利用綜合排放模型(CMEM)對北京市機(jī)動車尾氣排放進(jìn)行了研究,計(jì)算出了CO、HC與NOx排放量,并與實(shí)際排放因子及排放特征進(jìn)行對比分析,得到較好的一致性。于坤等[4]等根據(jù)車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)實(shí)際工況下測量的機(jī)動車油耗與各污染物排放數(shù)據(jù),并結(jié)合油耗理論建立了綜合預(yù)測模型,獲得較好的預(yù)測效果。Hao等[5]使用PEMS對農(nóng)村地區(qū)的機(jī)動車進(jìn)行測量,使用速度和加速度作為解釋變量,各污染物排放濃度為被解釋變量,利用外部插值法進(jìn)行擬合構(gòu)建預(yù)測模型,模型預(yù)測數(shù)值與實(shí)際值誤差較小。王志紅等[6]使用PEMS對重型柴油車進(jìn)行道路污染物排放特性測試,利用所測的車輛比功率(VSP)為輸入,分別搭建CO、NOx雙隱含層反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)排放預(yù)測模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果在瞬時(shí)排放和整體排放特性上預(yù)測準(zhǔn)確性較高。左付山等[7]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立了汽油機(jī)CO、HC、NOx的預(yù)測模型。李昌慶等[8]使用長沙市大型客車監(jiān)測所得的速度、加速度、比功率等屬性特征構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)了對CO、CO2和NOx排放的可靠預(yù)測。

以上研究或是使用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算回歸方程進(jìn)行預(yù)測,或是使用智能預(yù)測方法擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,這些預(yù)測方法都很少關(guān)注外部條件對移動源污染排放數(shù)據(jù)采集的影響。然而在實(shí)際的機(jī)動車尾氣排放檢測工作中,車型、駕駛習(xí)慣、環(huán)境條件等一系列因素都對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有著一定的影響。本文的數(shù)據(jù)主要是通過尾氣遙感監(jiān)測獲取,其利用光學(xué)原理獲得機(jī)動車污染排放等屬性,通過這一技術(shù)使得機(jī)動車污染監(jiān)測更加高效快捷,然而由于技術(shù)上的限制,這項(xiàng)技術(shù)尚未成熟,在實(shí)際使用過程中還存在著抗外部干擾能力差、單車重復(fù)性低等缺點(diǎn)[9]。

本文基于合肥機(jī)動車尾氣遙測數(shù)據(jù)和車輛年檢數(shù)據(jù),對檢測到的外部環(huán)境因素和車輛基本信息使用Spearman系數(shù)分析各因素與移動源污染排放監(jiān)測之間的相關(guān)性,并利用最小絕對收縮算子(Lasso)算法計(jì)算各影響因素權(quán)重系數(shù),作為污染排放較大影響因素的選擇依據(jù)。在此基礎(chǔ)上引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),針對移動污染源排放中的CO、HC、NO分別建立基于多源外部因素的濃度預(yù)測模型。最后,通過與其他模型對比,驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

1 分析方法與過程

1.1 移動源污染遙測數(shù)據(jù)獲取

布設(shè)在安徽省合肥市各交通路段的尾氣遙感監(jiān)測設(shè)備和機(jī)動車年檢站的多種尾氣排放監(jiān)測手段整體構(gòu)成了城市路網(wǎng)機(jī)動車尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng),本工作所使用的機(jī)動車尾氣排放污染數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)采集。尾氣遙感檢測系統(tǒng)使用的是一種光譜分析技術(shù),其原理如圖1所示。光源探測器發(fā)射出探測光束,經(jīng)激光分束器分成測量光路和參考光路。當(dāng)檢測車輛通過監(jiān)測區(qū)域時(shí),測量光路信號通過尾氣煙羽后光源強(qiáng)度發(fā)生變換,再通過反射裝置反射到激光接收器。反射光路和參考光路經(jīng)信號放大處理后,通過計(jì)算光強(qiáng)差分信號從而測算尾氣煙羽中各組成成分的體積濃度分?jǐn)?shù),并將測量結(jié)果最終存儲在工控機(jī)上。水平式機(jī)動車尾氣遙測系統(tǒng)主要適用于單車通過尾氣污染排放測量,垂直式機(jī)動車尾氣遙測系統(tǒng)通過垂直分車道檢測可實(shí)現(xiàn)多車道尾氣監(jiān)測,水平式和垂直式尾氣檢測設(shè)備如圖2所示。

圖1 尾氣遙感檢測系統(tǒng)原理[10]Fig.1 Mobile emission remote sensing detection system[10]

圖2 水平式(a)和垂直式(b)遙感檢測設(shè)備示意圖[10]Fig.2 Schematic of horizontal(a)and vertical(b)remote sensing detection equipment[10]

1.2 分析方法流程

國內(nèi)相關(guān)部門對移動源污染排放的數(shù)據(jù)處理、分析開展了各種研究[11,12],大多采取的是利用污染排放與各待定影響因素建立多元線性回歸模型,并使用最小二乘法估計(jì)回歸方程參數(shù),這種方法對數(shù)據(jù)的依賴性很大,無法處理多重共線性,并且不能保證所求的解是全局最優(yōu)解。Lasso算法是近年來被廣泛應(yīng)用的變量選擇和參數(shù)估計(jì)方法,在做參數(shù)估計(jì)時(shí)可以很好地解決變量之間的多重線性問題。因此本研究采用由Robert[13]提出的Lasso這種有偏估計(jì)方法對變量進(jìn)行篩選。Lasso參數(shù)估計(jì)定義為

式(1)可以使用二次規(guī)劃進(jìn)行求解,其計(jì)算量往往較大,且式中λ很難給出準(zhǔn)確值,因此下面使用最小角回歸(LARS)和交叉驗(yàn)證方法解決Lasso計(jì)算問題[14]。

圖3為基于移動源遙感監(jiān)測的影響因素分析及排放預(yù)測方法的流程,主要包括以下步驟:

圖3 機(jī)動車尾氣排放預(yù)測模型流程Fig.3 Flow chart of vehicle exhaust emission prediction model

1)從車輛檢測數(shù)據(jù)庫中提取尾氣檢測表和車輛基本信息表,抽取尾氣遙測數(shù)據(jù)、車檢數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2)對步驟1)抽取的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到建模數(shù)據(jù),進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析并建立Lasso變量選擇模型。

3)在Lasso變量選擇的基礎(chǔ)上,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對尾氣遙測數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練模型,得到尾氣污染物CO、碳氧化合物(HC)、NO排放濃度預(yù)測模型。

2 移動源污染排放影響因素分析及預(yù)測模型構(gòu)建

對預(yù)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)性分析,變量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。表中右邊四列從左到右分別為各屬性的最小值、最大值、均值、方差。

表1 主要變量的描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics of main variables

根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算各屬性Spearman系數(shù)公式為

式中ρ為某一因素與排放物的Spearman系數(shù),xi為影響因素的第i個(gè)樣本值,為該屬性的均值,yi為污染物的第i個(gè)樣本值,為其均值。根據(jù)相應(yīng)屬性的Spearman系數(shù)ρ計(jì)算其統(tǒng)計(jì)量T值為

式中T為影響因素與排放物的統(tǒng)計(jì)量;n為樣本數(shù)目,此處樣本數(shù)為3560。

圖4是依據(jù)式(2)、(3)計(jì)算的移動源污染排放中RCCO、RCHC、RC NO與其他外部變量的Spearman秩序相關(guān)系數(shù)熱力圖和在α=0.05下的T值檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量熱力圖。從圖中可得出,在顯著性水平α=0.05(T=1.645)下,CO濃度與車長沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;HC濃度和基準(zhǔn)質(zhì)量、速度、風(fēng)向沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;NO濃度和風(fēng)速、溫度、大氣壓沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 變量的Spearman秩序相關(guān)系數(shù)(a)和T檢驗(yàn)數(shù)值(b)Fig.4 Spearman′s rank correlation coefficient of variables(a)and T-test value of variables(b)

表2為利用Lasso得到的各影響因素的系數(shù)。從表中可以看出,Lars-Lasso變量選擇模型將與CO相關(guān)因素中的基準(zhǔn)質(zhì)量、車長、風(fēng)向的權(quán)重系數(shù)壓縮為0,與HC相關(guān)的因素中的基準(zhǔn)質(zhì)量、加速度、車長、比功率的權(quán)重系數(shù)壓縮為0,與NO相關(guān)因素中的使用年限、加速度、比功率、溫度的權(quán)重系數(shù)壓縮為0。

表2 影響因素系數(shù)Table 2 Coefficient of influencing factors

針對移動源污染排放中的三類主要?dú)怏wCO、HC、NO,將Spearman顯著性檢驗(yàn)中與各變量無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和Lasso變量選擇方法系數(shù)為0的屬性刪除,使用各自剩下的關(guān)鍵影響因素分別建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用基于TensorFlow的Keras庫搭建線性疊加模型。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)零均值歸一化后,數(shù)據(jù)集按照8:1:1的比例,將數(shù)據(jù)(3560條)劃分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集(2848條)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集(356條)和測試數(shù)據(jù)集(356條)。

大量研究表明[17-19],三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任何一個(gè)非線性函數(shù),本研究采用這一經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可大致確定隱藏層神經(jīng)元數(shù)量,再使用隨機(jī)搜索去尋找最合適的神經(jīng)元數(shù)量和批量大小,基于經(jīng)驗(yàn)手動調(diào)整學(xué)習(xí)率,各層使用Relu函數(shù)為激活函數(shù)。隱藏神經(jīng)元數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中n為隱藏層神經(jīng)元數(shù)量,N為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)目,M為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目,a∈[1,10]中的隨機(jī)數(shù)。圖5為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(三層)示意圖。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 BP neural network

對CO的建模中,將使用年限、行駛速度、行駛加速度、比功率、風(fēng)速、溫度、相對濕度、大氣壓這8項(xiàng)屬性作為CO的影響因子,將CO的濃度作為預(yù)測輸出;對HC的建模中,將使用年限、風(fēng)速、溫度、濕度、大氣壓這5項(xiàng)屬性作為HC的影響因子,將HC的濃度作為預(yù)測輸出;對NO的建模中,將基準(zhǔn)質(zhì)量、行駛速度、車長、相對濕度、大氣壓、風(fēng)向這6項(xiàng)屬性作為NO的影響因子,將NO的濃度作為預(yù)測輸出。

表3為各研究成分網(wǎng)絡(luò)模型的具體參數(shù),基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練,設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)為15000次,且使用早停法[20]避免過擬合,將早停法的停止條件設(shè)置為絕對誤差減小的最大次數(shù)等于20。圖6展示了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型(L-ANN)與支持向量回歸(SVR)、隨機(jī)森林(RandomForest)、未進(jìn)行特征提取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN這三組對照模型的預(yù)測平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)的對比。MAE和RMSE是衡量變量精度的兩個(gè)常用指標(biāo),MAE是所有預(yù)測值和實(shí)際值之間絕對差值的平均值,反應(yīng)實(shí)際誤差的大小;而RMSE是預(yù)測值和實(shí)際值之間差異平方平均值的平方根,說明預(yù)測樣本的離散程度。從圖中可以看到,本文設(shè)計(jì)的模型在CO預(yù)測中MAE值為0.140%,RMSE值為0.224%;在HC預(yù)測中值為0.819×10-6,RMSE的值為4.776×10-6;在NO預(yù)測中MAE值為31.002×10-6,RMSE的值為89.820×10-6。預(yù)測的誤差均在可接受范圍內(nèi),且預(yù)測有著較高的準(zhǔn)確性。

表3 預(yù)測模型參數(shù)Table 3 Parameters of prediction models

圖6 CO(a)、HC(b)和NO(c)預(yù)測模型對比Fig.6 Comparison of prediction models for CO(a),HC(b)and NO(c)

總體來看,設(shè)計(jì)的L-ANN模型的MAE和RMSE比其他預(yù)測模型都要小,性能最好;其次,SVR回歸模型的各項(xiàng)性能在絕大部分情況下優(yōu)于其它兩種模型。可見,在各項(xiàng)移動源污染排放成分預(yù)測中,L-ANN模型的預(yù)測有著較出色的表現(xiàn)。

3 結(jié) 論

在影響移動源污染排放遙感監(jiān)測各成分的因素中,利用Spearman相關(guān)性分析和Lasso特征篩選確定使用年限、行駛速度、行駛加速度、比功率、風(fēng)速、溫度、相對濕度、大氣壓這8項(xiàng)屬性是CO的關(guān)鍵影響因子;使用年限、風(fēng)速、溫度、相對濕度、大氣壓這5項(xiàng)屬性是HC的關(guān)鍵影響因子;基準(zhǔn)質(zhì)量、行駛速度、車長、相對濕度、大氣壓、風(fēng)向這6項(xiàng)屬性是NO的關(guān)鍵影響因子。

在移動源污染排放成分預(yù)測結(jié)果對比實(shí)驗(yàn)中,通過將本文提出的L-ANN模型與SVR、RandomForest和ANN模型對比發(fā)現(xiàn),針對移動源污染排放預(yù)測,L-ANN模型有著更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本研究可以有效地降低尾氣檢測的成本,并為有關(guān)部門實(shí)現(xiàn)尾氣污染的高效監(jiān)管提供技術(shù)支持。

模型的訓(xùn)練需要依靠大量的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)量較少的情況下很難得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了克服這一點(diǎn),在未來的研究中,可以依靠遷移學(xué)習(xí),針對某一數(shù)據(jù)量足夠的移動源訓(xùn)練得到模型后,再遷移到數(shù)據(jù)量缺乏的移動源中,以獲得較為準(zhǔn)確的污染預(yù)測。