李國(guó)強(qiáng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治工作中的應(yīng)用

李國(guó)強(qiáng)

（甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室 甘肅甘南 747600）

計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展為檔案有害生物防治工作開展提供了全新的機(jī)遇，為保護(hù)檔案文獻(xiàn)提供了更加高效的手段。文章以甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室為例，研究了計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治工作中的應(yīng)用，旨在保護(hù)檔案安全，保證信息的完整性，希望為相關(guān)研究和實(shí)踐提供一些啟示和參考。

計(jì)算機(jī)技術(shù)；檔案管理；有害生物；生物防治

隨著科技的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，主要集中在智能化防治、數(shù)據(jù)管理和分析方面。例如，采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檔案室內(nèi)環(huán)境智能感知和控制，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案室內(nèi)有害生物的智能預(yù)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)真正的智能化防治[1]。計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別和監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，通過(guò)圖像識(shí)別、聲波識(shí)別、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，能夠?qū)n案室內(nèi)的有害生物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的識(shí)別和監(jiān)測(cè)。智能化防治技術(shù)主要采用智能感知、智能控制、自適應(yīng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案有害生物的無(wú)損、智能防治。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)不同環(huán)境、不同有害生物的變化，對(duì)有害生物進(jìn)行精確的防治[2]。本文基于此設(shè)計(jì)了檔案室有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室為例，從計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別、數(shù)據(jù)管理和分析以及自適應(yīng)控制防治三方面入手，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治工作中的應(yīng)用，提高防治效果和管理水平。

1 檔案室有害生物防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別

在檔案室有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別是一項(xiàng)重要的技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)和識(shí)別可能存在于檔案室中的有害生物，如白蟻、蛀蟲等。圖1為計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別的基本流程。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別流程

如圖1所示，計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別首先使用聲音傳感器等設(shè)備采集檔案室內(nèi)的聲波數(shù)據(jù)，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，每10 m2設(shè)置一組。之后對(duì)采集到的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、降噪、放大等預(yù)處理。其中，濾波可去除噪聲或不需要的頻率成分，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。如果數(shù)據(jù)中存在噪聲，可使用去噪算法來(lái)降低噪聲的影響，以便更好地進(jìn)行后續(xù)分析和處理[3]。利用已知的有害生物聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，使用離散小波變換（DWT），建立有害生物聲波模型，將聲波信號(hào)分解為多個(gè)不同頻率的小波分量，并提取每個(gè)分量的能量或幅值作為特征。假設(shè)原始信號(hào)為()，則其DWT可以表示為

式（1）中，()表示第層的第個(gè)小波系數(shù)，表示分解的層數(shù)。在上述過(guò)程中，每一層都將信號(hào)分成兩個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)于低頻分量和高頻分量，這種方法能夠提取信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)信息，適合用于識(shí)別瞬態(tài)的聲音信號(hào)。DWT可以通過(guò)快速小波變換（FWT）算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用小波系數(shù)的能量或幅值等統(tǒng)計(jì)量來(lái)描述聲波信號(hào)，假設(shè)提取到的信號(hào)點(diǎn)為，具體如式（2）、式（3）所示。

式（2）、式（3）中，nergy表示小波系數(shù)的能量；ean表示小波系數(shù)的平均值；h,表示第層的第個(gè)小波系數(shù)，其中表示分解的層數(shù)，表示在該層中的系數(shù)位置。在一維信號(hào)的小波變換中，的取值范圍通常從0到-1，表示從最低頻帶到最高頻帶的層數(shù)；的取值范圍取決于每個(gè)層的系數(shù)個(gè)數(shù)，為正整數(shù)。通過(guò)以上公式，分析挖掘聲波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律和趨勢(shì)，得出最終降噪濾波后的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步管理分析。

1.2 數(shù)據(jù)管理和分析

通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案室有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害生物的規(guī)律研究和預(yù)警的功能，能夠?qū)n案室內(nèi)有害生物的分布、數(shù)量、種類等信息進(jìn)行全面的管理和分析，有助于提高工作效率和防治效果[4]。

將計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別提取到的有害生物聲音信號(hào)的特征，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），將聲音信號(hào)分類為有害生物信號(hào)和非有害生物的信號(hào)。假設(shè)是輸入特征向量，是輸出分類結(jié)果，W和b分別是第（=1,2,...,）層的權(quán)重和偏差，是激活函數(shù)，則ANN模型的預(yù)測(cè)公式為

式（4）中，1是輸入層和隱藏層之間的權(quán)重矩陣，2是隱藏層和輸出層之間的權(quán)重矩陣，1為輸入層和隱藏層之間的偏差，2是隱藏層和輸出層之間的偏差。通過(guò)計(jì)算損失函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重和偏差的偏導(dǎo)數(shù)，使用反向傳播算法來(lái)更新權(quán)重和偏差，以最小化損失函數(shù)。重復(fù)進(jìn)行前向傳播和反向傳播的過(guò)程，通過(guò)多次迭代訓(xùn)練來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏差。

使用測(cè)試集數(shù)據(jù)評(píng)估訓(xùn)練好的模型的性能。對(duì)新的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用訓(xùn)練好的模型，通過(guò)前向傳播計(jì)算得到預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)于二分類問題，根據(jù)輸出層的概率值進(jìn)行閾值判定，例如，大于0.5，判定為有害生物；小于0.5，判定為非有害生物。根據(jù)預(yù)測(cè)公式獲得具體的特征數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存[5]。

在檔案室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)，挖掘出有害生物出現(xiàn)的條件和環(huán)境因素之間的關(guān)系，如溫度、濕度、光照等。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘中需要計(jì)算支持度，以此構(gòu)建關(guān)聯(lián)，其中支持度的計(jì)算公式為

式（5）中，和是兩個(gè)項(xiàng)集，req(∪)表示同時(shí)包含和的事務(wù)數(shù)，表示總的事務(wù)數(shù)。根據(jù)支持度可以得出數(shù)據(jù)挖掘中的置信度和提升度，以此確定出現(xiàn)有害生物的規(guī)律，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)有害生物的數(shù)量、分布和活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。使用Matplotlib數(shù)據(jù)可視化工具，將數(shù)據(jù)可視化，并生成數(shù)據(jù)報(bào)告和分析結(jié)果，通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)提前預(yù)警。

1.3 自適應(yīng)控制防治

自適應(yīng)控制防治技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案有害生物的無(wú)損、智能防治，適應(yīng)不同環(huán)境、不同有害生物的變化，對(duì)有害生物進(jìn)行精確的防治。在自適應(yīng)控制防治中，主要有感知、判斷、控制、執(zhí)行四個(gè)步驟，具體步驟如下所示：

（1）感知是指對(duì)檔案室內(nèi)環(huán)境和有害生物的信息進(jìn)行采集和處理，使用各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)溫度、濕度、氧氣濃度、有害生物種類等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集。通過(guò)傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。

（2）判斷是指對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，判斷當(dāng)前環(huán)境和有害生物的情況，根據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要進(jìn)行防治。

（3）控制是指根據(jù)判斷結(jié)果，采取措施控制有害生物的數(shù)量和活動(dòng)，針對(duì)不同的有害生物和環(huán)境，可以采用不同的控制手段，如控制溫濕度、提醒人為驅(qū)蟲、噴施藥劑等，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害生物的精確控制。

（4）執(zhí)行是指實(shí)施控制措施并監(jiān)測(cè)效果。通過(guò)采集和處理數(shù)據(jù)，對(duì)控制效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，以便對(duì)防治措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

其中，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到檔案室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)和趨勢(shì)，觀察溫度是否升高、濕度是否增加[5]。之后使用聲波傳感器對(duì)檔案室內(nèi)的聲波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別有害生物的存在和活動(dòng)情況。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和有害生物監(jiān)測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)PID自適應(yīng)控制策略，對(duì)有害生物進(jìn)行精確的防治，PID控制器的公式為

式（6）中，()為PID控制器的輸出變量，()為輸入變量與期望值之間的誤差，p、i、d為控制器的三個(gè)參數(shù)。如果監(jiān)測(cè)到有害生物活動(dòng)頻繁，可以增加自動(dòng)防治措施的強(qiáng)度或頻率；如果監(jiān)測(cè)到有害生物數(shù)量減少，可以適當(dāng)減少防治措施的強(qiáng)度或頻率，以避免對(duì)檔案室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響，提高防治效果。

2 應(yīng)用成效

2.1 應(yīng)用環(huán)境

為驗(yàn)證檔案室有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否在檔案有害生物防治工作中產(chǎn)生作用，實(shí)驗(yàn)選擇在甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室進(jìn)行。該辦公室采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，硬件設(shè)備包括RaspberryPi 4B單板計(jì)算機(jī)、VISSONIC議朗嵌入式麥克風(fēng)陣列、VOCs紅外線攝像機(jī)、GQXA全自動(dòng)氣象站等。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置有文件柜、檔案柜、檔案盒等存儲(chǔ)文物的物品，通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)物品周圍的環(huán)境溫度、濕度和空氣中的聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害生物（如蟲類、霉菌等）的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

系統(tǒng)對(duì)甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室的環(huán)境進(jìn)行了持續(xù)一周的監(jiān)測(cè)和分析，時(shí)間為2023年4月1日—2023年4月7日，具體收集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檔案室環(huán)境監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)

從表1可以看出，從2023年4月1日開始，系統(tǒng)開始監(jiān)測(cè)有害生物是否存在，其中，4月1日、4月3日、4月6日、4月7日均監(jiān)測(cè)到有害生物。此種情況下，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)警報(bào)和推送通知用戶，并自動(dòng)采取防治措施。同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的溫、濕度進(jìn)行分析，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫、濕度過(guò)高或過(guò)低的情況，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以確保存儲(chǔ)物品的安全。系統(tǒng)采集一周內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)防治前和采取防治措施后的有害生物數(shù)量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 防治措施前后的有害生物數(shù)量對(duì)比

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，采取防治措施后，有害生物的數(shù)量明顯減少，平均減少了67%，說(shuō)明系統(tǒng)采取的防治措施對(duì)于有害生物的控制效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治工作中具有廣闊的應(yīng)用前景。文章以甘肅洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心大峪國(guó)家森林公園管理辦公室為例，設(shè)計(jì)了檔案室有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用離散小波變換進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助聲波識(shí)別，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)做出管理和分析，設(shè)計(jì)PID自適應(yīng)控制策略達(dá)到自適應(yīng)控制防治，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在檔案有害生物防治工作中的應(yīng)用。此項(xiàng)工作的成功不僅依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)本身，還有賴于專家、技術(shù)人員、政府部門等多方的合作，只有充分發(fā)揮各方的優(yōu)勢(shì)，共同推進(jìn)該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，才能真正實(shí)現(xiàn)檔案有害生物的無(wú)損、智能防治。

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G273.3

A

2095-1205(2023)11-62-03

10.3969/j.issn.2095-1205.2023.11.19

李國(guó)強(qiáng)（1989—），男，漢族，陜西山陽(yáng)人，大專，助理工程師，研究方向?yàn)榱謽I(yè)。