基于TRIZ理論的“環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用”研究

于光華 蘇丹 夏魁良 王麗紅

摘要：通過建立深度學(xué)習(xí)模型，應(yīng)用多層限制玻爾茲曼機(jī)（RBM）和一層反向傳播（BP）網(wǎng)絡(luò)組成多層深度信念網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用TRIZ理論分析，更好地提煉出空氣濃度的趨勢，從而更加準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)報(bào)和監(jiān)控。通過模擬人類大腦的神經(jīng)連接結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)原有空間的特征轉(zhuǎn)換到模型特征空間中進(jìn)行訓(xùn)練，自動地學(xué)習(xí)得到層次化的特征表示，從而提高預(yù)報(bào)性能。近年的實(shí)踐表明，環(huán)境檢測系統(tǒng)已成為解決環(huán)境空氣監(jiān)管的主要技術(shù)措施和手段，為城市主動監(jiān)管和治理環(huán)境空氣質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的工具，是實(shí)現(xiàn)國家治理霧霾的一項(xiàng)重要措施。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;環(huán)境監(jiān)測;城市空氣污染防治

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0091-02

一、引言

近幾年來，我國經(jīng)濟(jì)不斷快速增長的同時，也造成環(huán)境的嚴(yán)重破壞，部分大中城市深受霧霾的影響。以二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、可吸入顆粒物（PM10，PM2.5）等為主要污染物的城市空氣污染問題日益突出，已嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。因此，為了有效地反映空氣污染變化趨勢，為環(huán)境管理決策提供準(zhǔn)確、全面的空氣質(zhì)量信息，預(yù)防嚴(yán)重污染事件發(fā)生，開發(fā)城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)裝置是十分必要的。近些年來，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用在城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究受到廣大科學(xué)者的關(guān)注，主要表現(xiàn)在空氣污染物濃度的短期預(yù)報(bào)、空氣污染指數(shù)的預(yù)報(bào)、污染物總量的預(yù)報(bào)、使用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)報(bào)以及多種預(yù)報(bào)方法的比較等幾個研究方向。雖然在研究過程中取得了一定成果，但由于城市空氣質(zhì)量的狀況受到氣象、地理、污染源和人類活動等多種因素的影響，加上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身還存在著一些不足和局限，所以在預(yù)測過程中還有很多問題待解決。借鑒TRIZ理論的原理進(jìn)行模型的建立，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)。

二、TRIZ理論簡介

1.基本原理的實(shí)際內(nèi)容。TRIZ是根里奇·阿奇舒勒通過對50萬件發(fā)明專利進(jìn)行研究、分析、歸納和總結(jié)，揭示了隱藏在專利中的奧秘，是提煉出的一整套體系化的、實(shí)用的發(fā)明創(chuàng)新理論。TRIZ理論是一種創(chuàng)新方法，它使創(chuàng)新思維從發(fā)散走到收斂，利用創(chuàng)新規(guī)律使創(chuàng)新走向盲目的、高成本的試錯或靈光式的偶然。在眾多創(chuàng)新方法中，該創(chuàng)新方法是世界上最神奇的一種發(fā)明創(chuàng)新方法，既能解決問題的具體方案，還能尋找解決問題答案的思路和方向[1-3]。

2.基本理論的解決思路。G.S.Ahshuller通過對上百萬件發(fā)明專利的分析研究，抽出了40個發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，它們成為TRIZ解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。理論的核心技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行化法則，包括完備性法則、能量傳遞法則、提高理想度法則、矛盾產(chǎn)生與克服法則等。進(jìn)化法則是TRIZ理論中解決發(fā)明問題的重要指導(dǎo)原則，掌握好進(jìn)化法則，可有效提高問題解決的效率。其中TRIZ就是從問題中找到存在的物理矛盾并對其進(jìn)行改善，從而達(dá)到解決目標(biāo)的理論。想要提高TRIZ的實(shí)用性，最重要的工作就是想方設(shè)法使人們更容易地找到問題中包含的物理矛盾。實(shí)用TRIZ要求解決問題必須按照既定的3個步驟一步一步進(jìn)行：一是問題發(fā)生臨界狀態(tài)的模型圖，二是導(dǎo)出矛盾，三是分析矛盾。

3.應(yīng)用的TRIZ理論。應(yīng)用TRIZ理論中的最終理想解，目的是希望用高技術(shù)、小成本，可以換來大利潤;應(yīng)用TRIZ理論中的S曲線的四個時期對項(xiàng)目進(jìn)一步分析，使其更有社會價(jià)值。在系統(tǒng)開發(fā)的過程中，我們需要的是讓系統(tǒng)使用的壽命長，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)精度高，但質(zhì)量好所需的成本就高，然而，我們更希望的是低成本高利潤。

三、分析矛盾

1.分割原則。（1）將監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)時傳輸部分分成獨(dú)立的部分。（2）使監(jiān)測系統(tǒng)、通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)升級，協(xié)議共享。（3）增加監(jiān)測精度、空氣濃度實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸。

2.拆出原則。從空氣中采集空氣濃度數(shù)據(jù)，送予預(yù)測模型拆出“干擾”部分（“干擾”特性）或者相反，分出唯一需要的部分或需要的特性。與上述監(jiān)測系統(tǒng)和通信系統(tǒng)分成幾個相同部分的技法相反，這里是要把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋、分析，建立數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在規(guī)律，分成幾個不同的部分。

3.局部性質(zhì)原則。（1）要分別單獨(dú)無監(jiān)督地訓(xùn)練每一層RBM網(wǎng)絡(luò)，通過非監(jiān)督貪婪逐層方法預(yù)訓(xùn)練獲得生成模型的權(quán)值，確保特征向量映射到不同特征空間，要盡可能多地保留特征信息。訓(xùn)練過程，實(shí)際上是通過確定權(quán)值求出一個最能產(chǎn)生訓(xùn)練樣本的概率分布。也就是說，求一個分布，使得在這個分布下訓(xùn)練樣本的概率最大。（2）模型最后一層的BP網(wǎng)絡(luò)，接收RBM的輸出特征向量作為輸入特征向量，有監(jiān)督地訓(xùn)練分類器。每一層RBM網(wǎng)絡(luò)調(diào)整自身層內(nèi)的權(quán)值，確保該層特征向量映射達(dá)到最優(yōu)，而整個模型的特征向量映射并沒達(dá)到最優(yōu)，所以BP網(wǎng)絡(luò)將錯誤信息自頂向下傳播至每一層RBM，微調(diào)整個DBN網(wǎng)絡(luò)。（3）在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的選取上，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)選取當(dāng)年最近一段時間內(nèi)和前一年同期最近的一段時間內(nèi)污染物濃度和氣象數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，生成訓(xùn)練集，提高了預(yù)測模型的預(yù)測精度。

4.精度補(bǔ)償原則。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP去訓(xùn)練最后一層，微調(diào)DBN網(wǎng)絡(luò)模型，從而提高預(yù)報(bào)精度。

5.最終理想解。系統(tǒng)使用壽命長，不僅能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控，而且能根據(jù)監(jiān)測地點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測、預(yù)報(bào)，同時軟件向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。其次，規(guī)范通信協(xié)議和傳輸設(shè)備物理層協(xié)議，提高遠(yuǎn)程通信能力，加強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性或制定相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。有用功能即為系統(tǒng)的長使用壽命、高精度監(jiān)測、低成本高利潤，有害作用就是環(huán)境的進(jìn)一步變換以及檢測漏洞等，我們需要的是增高理想度。

四、系統(tǒng)功能分析

功能分析（如表所示）：

結(jié)論：本設(shè)計(jì)運(yùn)用了TRIZ理論，該方法通過模擬人類大腦的神經(jīng)連接結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)在原空間的特征表示轉(zhuǎn)換到具有語義特征的新特征空間，自動地學(xué)習(xí)得到層次化的特征表示，從而提高預(yù)報(bào)性能。得益于這種方式，新方法與傳統(tǒng)方法相比，不僅可以利用空氣質(zhì)量監(jiān)測、氣象監(jiān)測及預(yù)報(bào)等環(huán)境大數(shù)據(jù)，充分考慮污染物的時空變化、空間分布，得到直觀性的污染物變化規(guī)律，還可以基于其他空氣污染預(yù)測方法的結(jié)果（如數(shù)值預(yù)報(bào)模式），自動分析其適用范圍、優(yōu)勢劣勢。因此，新方法通過模擬人腦思考過程實(shí)現(xiàn)更充分的大數(shù)據(jù)集成，一定程度上克服了現(xiàn)有方法的缺陷，應(yīng)用上更加具有靈活性和可操作性，對空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)更加具有真實(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙新軍，李曉青，鐘瑩.創(chuàng)新思維與技法[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[2]趙新軍，孫曉楓.40條發(fā)明創(chuàng)造原理及其應(yīng)用[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[3]金昊宗.適用TRIZ研究與實(shí)踐[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.