朱美玲 張宸瑜 劉釗

摘要：針對滄州地區(qū)空氣污染情況，本文利用空氣質(zhì)量監(jiān)測站以及其歷史數(shù)據(jù)，基于聚類算法挖掘滄州地區(qū)空氣污染物關(guān)鍵傳播路徑。在關(guān)鍵傳播路徑的基礎(chǔ)上去獲得滄州地區(qū)空氣污染物的傳播規(guī)律，采取相應(yīng)的有效的治理措施，從而達(dá)到提高滄州地區(qū)空氣質(zhì)量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：區(qū)域協(xié)同;關(guān)鍵傳播路徑;CFAP聚類算法

1、引言

近年來隨著京津冀一體化不斷深入發(fā)展，環(huán)境問題日益凸顯，隨著工業(yè)化的發(fā)展，更導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。然而，隨著人民物質(zhì)生活的富足，人們更關(guān)注生存質(zhì)量。所以京津冀區(qū)域間的空氣污染協(xié)同治理就尤為重要了。京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量狀況日趨下降，污染程度在周邊地區(qū)也不同。研究表明，空氣污染物傳輸存在協(xié)同性和同步性的特點(diǎn)在區(qū)域之間，污染了一個地區(qū)以后，很快也會污染到相鄰區(qū)域，并且程度不一樣。這就說明某區(qū)域空氣質(zhì)量狀況是由本地污染源以及其他地區(qū)污染物排放傳輸共同作用的結(jié)果，基于此，本文基于已有的空氣質(zhì)量監(jiān)測站，采用氣象監(jiān)測站歷史數(shù)據(jù)去搭建一個空氣污染物傳播分析平臺，通過數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的污染物的傳輸規(guī)律進(jìn)行分析，從而去挖掘出有效的空氣污染物關(guān)鍵傳播路徑，在傳播路徑上多城市多區(qū)域協(xié)同控制，合理設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測站，進(jìn)行區(qū)域聯(lián)防，及時(shí)阻斷傳播鏈。一定程度上促進(jìn)京津冀周邊區(qū)域空氣污染的防治和空氣質(zhì)量的改善。

2、本文研究的背景和意義

近年來，京津冀一體化受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，除了經(jīng)濟(jì)等一體化，人們也認(rèn)識到了京津冀環(huán)境協(xié)同治理的重要性。2019年6月5日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《中國空氣質(zhì)量改善報(bào)告（2013-2018）》。報(bào)告表明，2018年空氣污染物平均濃度比2013年下降了48個百分點(diǎn)。這歸功于京津冀地區(qū)采取了一定的區(qū)域聯(lián)防，使得環(huán)境空氣質(zhì)量總體改善，對一些諸如北京、唐山等重點(diǎn)區(qū)域有了明顯改善，盡管環(huán)境空氣質(zhì)量取得了一定的效果，但理論研究針對該模式還不夠豐富和深入。本課題對此進(jìn)行了研究，對于豐富區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控模式的研究具有重要的理論意義。

本研究利用大數(shù)據(jù)挖掘分析空氣復(fù)合污染物的規(guī)律和特點(diǎn)。首先針對實(shí)現(xiàn)京津冀環(huán)境協(xié)同治理的目標(biāo)，去加強(qiáng)京津冀區(qū)域空氣生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理的發(fā)展，和治理的動力。其次其關(guān)鍵傳播路徑的這一挖掘結(jié)果可以作為各領(lǐng)域人士從不同地域、不同海拔高度等角度出發(fā)，作為其研究的理論依據(jù)和素材，從而實(shí)現(xiàn)綜合治理京津冀區(qū)域，并取得京津冀地區(qū)的全面發(fā)展。

3、本文研究的主要內(nèi)容

聚類算法是本文研究的重點(diǎn)?；诖?，本文做出了兩次遞進(jìn)的改進(jìn)聚類算法。本文提出通過計(jì)算傳播路徑的標(biāo)準(zhǔn)互信息的一種IAP聚類算法。這種改進(jìn)的方法，主要就是忽略一些作用不大的離群點(diǎn)，剩下的聚類中心即為空氣污染物的關(guān)鍵傳播路徑。本文又采取了通過運(yùn)用Concurrent.Futures并行開發(fā)框架技術(shù)，對算法進(jìn)行并行優(yōu)化。把這一改進(jìn)的IAP聚類算法稱之為CFAP聚類。它可以合理控制聚類粒度輸出，還可以提高算法的時(shí)間復(fù)雜度，從而提高算法的運(yùn)行速度。

4、 本研究的具體挖掘技術(shù)

（1）建立空氣污染物傳播網(wǎng)絡(luò)模型

①有向加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)定義：應(yīng)用圖論知識，抽象網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。把京津冀區(qū)域內(nèi)的所有的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)抽象為圖論結(jié)點(diǎn)。

②有向加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)邊定義：應(yīng)用圖論知識，定義網(wǎng)絡(luò)路徑。為了確定空氣污染物的來源和傳播的方向，建立有向圖理論，即網(wǎng)絡(luò)圖的邊為有向邊，帶箭頭。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采取一個有效的綜合指標(biāo)來反映任意兩個站點(diǎn)之間的空氣污染物的擴(kuò)散能力。傳播路徑由有向邊描述，指的是兩個站點(diǎn)之間的污染物擴(kuò)散能力最大。

③有向加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)重定義：綜合考慮影響空氣污染物傳播的因素，可動態(tài)添加。比如區(qū)域地理位置、當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r、海拔高度、空氣濕度以及空氣濃度差等等。

5、 總結(jié)與展望

本文為解決空氣質(zhì)量問題，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)去挖掘京津冀周邊區(qū)域空間監(jiān)測站關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的主要傳播路徑，主要是對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣污染物傳播的特性和規(guī)律進(jìn)行研究和分析。本文雖然改進(jìn)了挖掘算法中的關(guān)于時(shí)間和速度的問題，但是由于空氣質(zhì)量的不穩(wěn)定性，仍然需要不斷地進(jìn)行修正和完善：如空氣污染物傳播受海拔因素的影響很大，因?yàn)殡S著海拔高度的不同，氣壓不同使得空氣流動速度不同;再比如氣象因素也是影響空氣污染物傳播的重要因素?？梢詫⒈疚奶岢龅姆椒☉?yīng)用在全國不同的區(qū)域，去探究不同的海拔高度、不同的氣候?qū)ζ者m空氣污染物傳播網(wǎng)絡(luò)的影響;聚類質(zhì)量更進(jìn)一步的提高等等。

總之，挖掘污染物關(guān)鍵傳播路徑通過準(zhǔn)確合理地研究污染物的傳播特性來實(shí)現(xiàn)是非常重要的。挖掘出關(guān)鍵路徑后，就可以在關(guān)鍵傳播路徑上設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測站。利用監(jiān)測站數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)阻斷空氣污染物的擴(kuò)散，可以有效地進(jìn)行京津冀空氣污染物的地區(qū)區(qū)域聯(lián)防，從而協(xié)同治理，最終不斷的改進(jìn)和完善解決區(qū)域空氣質(zhì)量的問題。

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課題項(xiàng)目：河北省滄州市2022年度滄州市科技創(chuàng)新研究課題《京津冀協(xié)同治理空氣污染的對策研究》（課題編號：CZKX2022080）研究成果

作者簡介：朱美玲（1983-5），女，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)相關(guān)、數(shù)據(jù)挖掘

張宸瑜（1992-），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，助教，主要研究方向：人工智能以及數(shù)據(jù)挖掘分析研究

劉釗（1992-），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)