高空智能環(huán)衛(wèi)巡查及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

焦方源　李薇

摘要：針對(duì)現(xiàn)代智慧城市中多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息采集與狀態(tài)預(yù)警智能化亟待提高的現(xiàn)實(shí)問題，本文以高空環(huán)衛(wèi)信息智能采集與狀態(tài)預(yù)警過程為研究對(duì)象，運(yùn)用分類感應(yīng)與綜合決策的判定原理，提出了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)信息計(jì)算及更新方法;設(shè)計(jì)了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息智能采集與狀態(tài)預(yù)警方案;并以生產(chǎn)、辦公、居住和商貿(mào)等功能相結(jié)合的多功能園區(qū)為分析模型，運(yùn)用Matlab仿真平臺(tái)對(duì)主要環(huán)衛(wèi)特征信息參數(shù)及狀態(tài)預(yù)警過程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確捕捉多功能園區(qū)主要環(huán)衛(wèi)特征信息，并通過適時(shí)計(jì)算、分析和判斷發(fā)出環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息采集與狀態(tài)預(yù)警過程的智能化。

關(guān)鍵詞：多功能園區(qū);環(huán)衛(wèi)信息;智能采集;狀態(tài)預(yù)警;仿真分析

中圖分類號(hào)：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0266-04

Abstract： Aiming at the practical problem that environmental sanitation information collection and state warning intellectualization should be improved urgently in multi-functional Park of modern intelligent city， this paper taked the process of intelligent environmental sanitation information collection and state warning carried by UAV as the research object， and put forward the environmental sanitation parameter design of intelligent park based on the principle of classification induction and comprehensive decision-making， designed the scheme of environmental sanitation characteristic information intelligent collection and early warning in intelligent park. taking the typical multi-functional park， which combines production， office， residential and commercial functions， as the model， this paper simulated and analyzed the typical state early warning process by using MATLAB simulation platform. The results show that the system can capture the typical environmental sanitation information of the multi-functional intelligent park accurately， and send out the state warning through timely calculation， analysis and judgment， so as to improve the intelligent level of environmental sanitation information collection and state warning process of the multi-functional intelligent park.

Key words： Multifunctional Park; Sanitation information; Intelligent collection; State Early-warning; Simulation analysis

隨著人工智能技術(shù)為核心內(nèi)容的智能信息化建設(shè)在世界各國不斷深入推進(jìn)，作為智慧城市核心內(nèi)容的多功能園區(qū)建設(shè)與管理模式探索與研究成了新的時(shí)代課題和研究領(lǐng)域。耿丹、徐大成等人對(duì)多功能園區(qū)的結(jié)構(gòu)及發(fā)展模式等問題進(jìn)行了一定程度的研究，并強(qiáng)調(diào)了多功能園區(qū)在提升工作效率和經(jīng)濟(jì)效益中的重要作用[1-2];徐艷艷等人對(duì)多功能園區(qū)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、任務(wù)和特點(diǎn)等領(lǐng)域進(jìn)行了論述[3-5];陳瓏凱、李敏等人對(duì)態(tài)勢(shì)感知及其系統(tǒng)、園區(qū)環(huán)境、大氣條件及其感知網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域進(jìn)行了分析和論述[6-8]，但是他們都未曾述及以無人機(jī)為載體和智能信息感知為基本特色的高空智能巡查及預(yù)警技術(shù)在多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預(yù)警中的應(yīng)用，學(xué)術(shù)上僅有極少數(shù)人對(duì)以智能感應(yīng)與人工智能技術(shù)相結(jié)合為特色的多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)信息智能采集、計(jì)算、狀態(tài)判定與預(yù)警相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。基于上述原因，本論文著重對(duì)以無人機(jī)搭載的多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息智能采集、巡查與狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱高空智能環(huán)衛(wèi)巡及預(yù)警查系統(tǒng)或本系統(tǒng)）在多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息感知、計(jì)算、判定及狀態(tài)預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行探索研究，并對(duì)其關(guān)鍵環(huán)衛(wèi)狀態(tài)指標(biāo)及預(yù)警過程進(jìn)行仿真分析，藉以提升多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)信息處理及預(yù)警過程智能化水平。

1 多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特點(diǎn)與狀態(tài)參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)代多功能園區(qū)絕不是功能單一的特定區(qū)域，而是集辦公、居住、商貿(mào)、綠化、風(fēng)景和生產(chǎn)等功能于一體的多功能區(qū)域，其環(huán)衛(wèi)特征信息與小型城鎮(zhèn)完全相同。多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息采集與狀態(tài)預(yù)警的過程，就是對(duì)當(dāng)前空域中的環(huán)衛(wèi)指標(biāo)參數(shù)傳感測(cè)量、適時(shí)傳輸、優(yōu)化處理并與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)預(yù)警信息的過程[9-11]。本文根據(jù)環(huán)衛(wèi)特征信息采集、計(jì)算、判定及預(yù)警過程的需要，對(duì)多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息參數(shù)作如下設(shè)置和定義，分別如表1和表2所示。

定義1：子域：為準(zhǔn)確獲取環(huán)衛(wèi)特征信息，將被測(cè)空域合理劃分而成的微小空間區(qū)域;而且整個(gè)被測(cè)空域可以看成按照感應(yīng)測(cè)量的先后順序，由許多子域構(gòu)成的特殊序列。每個(gè)子域的環(huán)衛(wèi)特征信息具有自己相對(duì)的穩(wěn)定性和獨(dú)立性。

2 智能巡查方案與環(huán)衛(wèi)信息提取

2.1 智能巡查方案設(shè)計(jì)

環(huán)衛(wèi)信息智能巡查就是利用無人機(jī)搭載主要有害氣體（如天然氣、CO2、CO、SO2等）、溫度、噪聲、光照、粉塵、煙霧等多種類型感應(yīng)設(shè)備，沿既定或隨機(jī)決定的巡查路線對(duì)多功能園區(qū)中的各子域進(jìn)行適時(shí)測(cè)量、分析、判定和預(yù)警的過程。環(huán)衛(wèi)信息智能巡查方案示意圖如圖1所示。

2.2 環(huán)衛(wèi)信息提取與適時(shí)更新

各種傳感器的有效感應(yīng)區(qū)域?qū)挾群陀行Ц袘?yīng)距離是不同的，現(xiàn)選取其最小值作為劃分子域的尺度。假設(shè)當(dāng)前被測(cè)空域可被分割為N個(gè)獨(dú)立子域，每個(gè)子域隨機(jī)測(cè)量Q次，則其中第i個(gè)子域，第k次測(cè)量獲取的溫度、光照強(qiáng)度、噪聲功率、粉塵濃度、氣體濃度及煙霧濃度等主要環(huán)衛(wèi)特征信息可表示為：

3 環(huán)衛(wèi)狀態(tài)分類警示信息獲取

隨著季節(jié)的變化環(huán)衛(wèi)狀態(tài)也必然不斷變化，被測(cè)空域參考標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信息也會(huì)呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化。為更盡可能準(zhǔn)確地獲取正常環(huán)衛(wèi)狀態(tài)下被測(cè)子域及鄰域標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信息，現(xiàn)規(guī)定搭載傳感系統(tǒng)的無人機(jī)以每小時(shí)30公里（每秒約8.3米）的速度勻速飛行，每秒鐘對(duì)各種環(huán)衛(wèi)信息采樣一次，并將其中的連續(xù)M次采樣的平均值作為當(dāng)前被測(cè)子域的最佳標(biāo)準(zhǔn)信息。因此，對(duì)于第i子域，設(shè)過去第j次采樣的溫度、光照強(qiáng)度、噪聲功率、粉塵濃度、氣體濃度及煙霧濃度等主要環(huán)衛(wèi)特征信息可表示為：

將第i子域的[T～cur（i）]、[L～cur（i）]、[N～cur（i）]、[D～cur（i）]、[G～cur（i）]和[F～cur（i）]與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參考信息[Tsta（i）]、[Lsta（i）]、[Nsta（i）]、[Dsta（i）]、[Gsta（i）]和[Fsta（i）]相比較，如果這些采樣平均值超過相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，智能環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)將發(fā)出第i子域?qū)?yīng)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)的分類警示，并向本系統(tǒng)中“環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預(yù)警”模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的類別的環(huán)衛(wèi)警示信息[Tcau（i）]、[Lcau（i）]、[Ncau（i）]、[Dcau（i）]、[Gcau（i）]、和[Fcau（i）]。環(huán)衛(wèi)狀態(tài)分類警示流程如圖2所示。

4 多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預(yù)警

環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預(yù)警，就是以相應(yīng)環(huán)衛(wèi)指標(biāo)平均信息作為參考，將環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)得到的適時(shí)環(huán)衛(wèi)特征信息與之比較，就當(dāng)前空域的環(huán)衛(wèi)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)超出參考標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行警示，并同時(shí)發(fā)出相應(yīng)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)的過程[12]。環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預(yù)警具體實(shí)現(xiàn)方法是以表2的適時(shí)環(huán)衛(wèi)特征信息為基本數(shù)據(jù)，運(yùn)用式（2）～式（14）的計(jì)算和更新方法，對(duì)當(dāng)前空域的環(huán)衛(wèi)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再將其與本區(qū)域相應(yīng)特征信息參考值相比較，評(píng)價(jià)當(dāng)前空域的環(huán)衛(wèi)狀態(tài)是否安全，以發(fā)出相應(yīng)的環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預(yù)警信息，其詳細(xì)流程如圖3所示。

5 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

環(huán)衛(wèi)特征信息采集過程就是本系統(tǒng)對(duì)特定空域的連續(xù)傳感測(cè)量過程，因此得到的一系列環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)采樣值會(huì)隨時(shí)間不斷變化，具有較強(qiáng)隨機(jī)性[13]。但是，其中某一次采樣得到的當(dāng)前子域環(huán)衛(wèi)特性參數(shù)則處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，可視為恒定值。于是，現(xiàn)假定當(dāng)前被測(cè)空域被劃分為若干個(gè)具有不同特征信息的子域，現(xiàn)對(duì)第i子域采樣測(cè)量10次（其他子域方法相同，不再重復(fù)），得到各種環(huán)衛(wèi)特性信息采樣值如表3所示。將表3中數(shù)據(jù)經(jīng)過式（2）～式（14）的計(jì)算得到該子域的環(huán)衛(wèi)特征信息平均值，再以各環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)的子域平均值為仿真對(duì)象，通過編寫仿真程序，在Matlab仿真平臺(tái)上對(duì)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)特征參數(shù)中的高溫報(bào)警、光照?qǐng)?bào)警、噪聲報(bào)警、粉塵報(bào)警、氣體報(bào)警和煙霧報(bào)警等特征信息參數(shù)進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果圖4和圖5所示。

5.2 仿真數(shù)據(jù)分析

隨著智能環(huán)衛(wèi)巡查及預(yù)警系統(tǒng)在多功能園區(qū)上空持續(xù)航行，必然會(huì)經(jīng)歷具有不同環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息的子域，必然會(huì)引起環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)輸出的環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)信息必定隨之變化。為正確分析仿真結(jié)果，現(xiàn)將采用的環(huán)衛(wèi)特征信息參考值如表4所示。

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)前子域除刺激性氣體項(xiàng)目外，其余環(huán)衛(wèi)參數(shù)都已超標(biāo)，智能環(huán)衛(wèi)巡查及預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)出了相應(yīng)的分類警示信號(hào);而且，當(dāng)前子域中同時(shí)發(fā)生了高溫報(bào)警、光照?qǐng)?bào)警、粉塵達(dá)報(bào)警、噪聲報(bào)警和煙霧報(bào)警，按圖3所示綜合預(yù)警原理智能環(huán)衛(wèi)巡查及預(yù)警系統(tǒng)判定當(dāng)前子域極大可能發(fā)生了火災(zāi)，于是立即向相應(yīng)部門發(fā)出了火災(zāi)報(bào)警。整個(gè)過程中環(huán)衛(wèi)巡查及預(yù)警系統(tǒng)輸出的環(huán)衛(wèi)特征信息隨著子域的切換而改變，體現(xiàn)了本系統(tǒng)對(duì)環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)信息感知的適時(shí)性。依此原理，本系統(tǒng)通過對(duì)各種環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息傳感測(cè)量、融合計(jì)算、適時(shí)數(shù)據(jù)分析與智能報(bào)警，能及時(shí)就火災(zāi)、聲光污染、水域污染和泄漏污染等多種環(huán)衛(wèi)狀況進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)狀態(tài)的智能巡查和預(yù)警。

6 結(jié)論

本論文分析并設(shè)置了能夠精確表征多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征的性能參數(shù);針對(duì)高空智能環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)在多功能智能園區(qū)環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息采集過程，提出了適時(shí)有效的參數(shù)更新計(jì)算方法;設(shè)計(jì)了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)智能巡查及預(yù)警流程，并通過精確的分析、計(jì)算和仿真，證實(shí)了本系統(tǒng)能有效提高多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息智能采集與環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預(yù)警過程智能化水平。本系統(tǒng)與地面智能環(huán)衛(wèi)清理系統(tǒng)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)垃圾智能清理、轉(zhuǎn)運(yùn)、地面智能擦洗等環(huán)衛(wèi)施工過程的全面智能控制是本系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和研究方向。

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