融合多傳感器數(shù)據(jù)的空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化

王 璐

(儋州市環(huán)境監(jiān)測站,海南 儋州 571700)

由于空氣細(xì)顆粒物對人體的傷害是持久的,需要實時監(jiān)測空氣細(xì)顆粒物的變化,為了達(dá)到這一目的,每個國家都根據(jù)自己國家的具體情況制定了不同的顆粒物監(jiān)測儀器和相關(guān)技術(shù)[1-3]。發(fā)達(dá)國家的工業(yè)自動化相關(guān)研究比較早,在空氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測上,使用的監(jiān)測儀器比較成熟,在一些公共場所已經(jīng)應(yīng)用了很多成熟的監(jiān)測儀器,并取得了不錯的成果[4]。國內(nèi)在顆粒物監(jiān)測方面的研究比較晚,直到20世紀(jì)90年代才開始實施一些空氣質(zhì)量監(jiān)測方案,雖然起步比較晚,但也研究了一些成熟的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù),在實際應(yīng)用上有一定的效果[5]。比如基于激光雷達(dá)的監(jiān)測方法,利用車載激光雷達(dá)和移動走航監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)多方位的顆粒物監(jiān)測;或者是基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測方法,主要利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)搭建監(jiān)測模型,能夠有效識別出空氣細(xì)顆粒物污染水平[6-8]。在實際工作中,有很多類似的監(jiān)測手段,但當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型越來越復(fù)雜,數(shù)據(jù)越來越多,監(jiān)測數(shù)據(jù)異常愈加突出,一些常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)可信水平存在明顯不足。因此,提出融合多傳感器數(shù)據(jù)的空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測技術(shù),解決上述常規(guī)監(jiān)測技術(shù)中存在的問題。

1 空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 采集空氣細(xì)顆粒數(shù)據(jù)

在空氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測上,使用灰塵傳感器采集顆粒物濃度數(shù)據(jù),整體采集過程需要的硬件有直流穩(wěn)壓電源、CC2530無線射頻模塊。其中灰塵傳感器主要利用光的散射原理監(jiān)測空氣細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度,在空氣中的細(xì)顆粒物通過傳感器的光敏區(qū)時,傳感器中的二極管就會將接收到的散射光轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CC2530模塊中,根據(jù)粉塵濃度和輸出電壓計算出顆粒物質(zhì)量濃度[9-11]。

在實際監(jiān)測過程中,往往會布置多個傳感器采集空氣細(xì)顆粒物數(shù)據(jù),在處理上需要將所有監(jiān)測節(jié)點納入到同一網(wǎng)絡(luò)中,這就需要利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建包含監(jiān)測節(jié)點和通信節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。具體組建過程如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)示意圖

在網(wǎng)絡(luò)組建完成后,根據(jù)監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測需求布置監(jiān)測節(jié)點,將每個節(jié)點接入到組網(wǎng)內(nèi)[12],以便后續(xù)對多源數(shù)據(jù)的處理。

1.2 融合多源監(jiān)測數(shù)據(jù)

對每一個傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行向量處理,得到多維向量集,將其作為輸入向量x∈X,經(jīng)過融合處理后,得到輸出量為y∈Y。根據(jù)貝葉斯定理,計算出向量集的后驗概率,其表達(dá)式:

(1)

式中:k表示輸出系數(shù),P(Y=yk)表示先驗概率分布。設(shè)x(n)為輸入向量的第n個特征,獲得條件概率分布:

將式(2)代入到式(1)中,得到:

(3)

式中:P(X=x|Y=yk)為監(jiān)測數(shù)據(jù)的依賴目標(biāo)函數(shù);x(1)、x(2)為不同監(jiān)測節(jié)點的傳感器實際輸出值,y表示融合后的輸出值;P(X=x(1),x(2))為標(biāo)準(zhǔn)化因子。為了使傳感器輸出數(shù)據(jù)的可靠性達(dá)到最大,使其滿足:

對于融合后的數(shù)據(jù)Y,采用以下公式描述傳感器輸出數(shù)據(jù)X中的誤差信息。公式為:

(4)

對上述公式求解,得到:

(5)

式中:α表示方差。當(dāng)2個傳感器輸出數(shù)據(jù)按照式(7)融合時,后驗概率最大,數(shù)據(jù)精度最高,融合后的最終輸出量y的方差為:

(6)

將同一時間內(nèi)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值記為xj(1),融合后的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值為zj,利用這2項參數(shù)修正輸出系數(shù)k:

(7)

將輸出系數(shù)代回到上述公式,得到最終的監(jiān)測數(shù)據(jù),利用實時通信技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心[13]。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時通信

利用GPRS網(wǎng)絡(luò)與CC2530控制器相連,利用GPRS網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高速傳輸。在GPRS結(jié)構(gòu)中劃分出數(shù)據(jù)部分和無線部分,由數(shù)據(jù)部分提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的部分處理功能,包括數(shù)據(jù)包的拆封、信道的分配等;而無線部分則負(fù)責(zé)提供傳輸接口,以及 GPRS網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的連接。在GPRS邏輯結(jié)構(gòu)的支持下,實現(xiàn)空氣細(xì)顆粒物的自動監(jiān)測。

2 實驗研究

在空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測技術(shù)設(shè)計完成后,為了驗證該檢測技術(shù)的應(yīng)用性能和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信水平,以常規(guī)的幾種監(jiān)測技術(shù)作為參考,設(shè)計對比實驗,根據(jù)實驗結(jié)果分析提出的監(jiān)測技術(shù)在空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測上是否具有使用價值。

2.1 實驗準(zhǔn)備

在實驗開始前,利用計算機(jī)進(jìn)行模擬仿真實驗,以某實驗室作為實驗區(qū)域,在實驗區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個監(jiān)測點,監(jiān)測點的分布情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點分布示意圖

在實驗中,為保證實驗的公平公正,設(shè)置各個監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)的頻率為每5 min一次,持續(xù)24 h,將這些數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù),從原始數(shù)據(jù)中篩選出部分有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)實驗分析;篩選后的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

將表1中的實驗數(shù)據(jù)作為實驗樣本,用于后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差實驗分析,對于監(jiān)測到的其他數(shù)據(jù),打包處理后用于監(jiān)測節(jié)點通信能力實驗分析。通過這兩組實驗驗證監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)可信水平,實驗中選擇的監(jiān)測技術(shù)是應(yīng)用比較多的基于激光雷達(dá)的監(jiān)測技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測技術(shù)。

2.2 監(jiān)測節(jié)點通信能力實驗結(jié)果及分析

對監(jiān)測節(jié)點通信能力的實驗,首先設(shè)計2種實驗環(huán)境:一種是有障礙的通信環(huán)境,選擇室內(nèi)實驗室隔墻測試;一種是無障礙的通信環(huán)境,在室外空曠區(qū)域進(jìn)行測試。利用串口助手分別在不同節(jié)點間距發(fā)送數(shù)據(jù)包,實驗中共發(fā)送500個數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包發(fā)送串口號為COM7,波特率為115 200,含8個數(shù)據(jù)位和1個停止位,定時發(fā)送1 000 ms/次。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,統(tǒng)計出各個監(jiān)測方法的接收信號強(qiáng)度和丟包率,實驗結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測節(jié)點通信能力實驗結(jié)果

由表2可知,在無障礙實驗環(huán)境下,隨著監(jiān)測節(jié)點間距的增加,各個監(jiān)測方法接收信號強(qiáng)度逐漸變?nèi)?丟包率逐漸變高。對比來看,提出的監(jiān)測技術(shù)接收信號強(qiáng)度比較高,丟包率低,基本接近0;其他2組實驗,在遠(yuǎn)距離通信時,接收信號強(qiáng)度比較差,丟包率比較高。在有障礙的實驗環(huán)境下,基于激光雷達(dá)的監(jiān)測方法和基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測方法接收信號強(qiáng)度非常低,數(shù)據(jù)丟包情況非常明顯。

綜上所述,提出的融合多傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法監(jiān)測節(jié)點通信能力更強(qiáng),監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸更可靠。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差實驗結(jié)果與分析

在監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差實驗分析中,以表中的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為實驗樣本,使用不同的監(jiān)測技術(shù)在相同的實驗環(huán)境下采集數(shù)據(jù),將各個監(jiān)測技術(shù)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗樣本數(shù)據(jù)輸入到MATLAB軟件中,經(jīng)過計算處理,獲得各個監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均百分比誤差結(jié)果和最大相對誤差實驗結(jié)果。綜合2組實驗結(jié)果共同分析監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用水平,實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 各監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差

由圖3可知,在有效的實驗樣本內(nèi),應(yīng)用基于激光雷達(dá)的監(jiān)測方法和基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測方法監(jiān)測到的顆粒物質(zhì)量濃度值與實際質(zhì)量濃度值相差較大,2種方法的最大誤差分別為4.0、6.1 μg/m3;而應(yīng)用提出的監(jiān)測方法監(jiān)測到的顆粒物質(zhì)量濃度值與實際值十分接近,最大誤差為0.6 μg/m3。由此可知,提出的監(jiān)測方法監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差小,能更精準(zhǔn)地監(jiān)測空氣細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度。結(jié)合監(jiān)測節(jié)點通信能力實驗結(jié)果分析可知,提出的融合多傳感器數(shù)據(jù)的空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可信水平更高,整體性能優(yōu)于常規(guī)的監(jiān)測技術(shù),具有一定的使用價值。

3 結(jié)語

本文以空氣細(xì)顆粒物作為研究對象,針對常規(guī)監(jiān)測方法中存在的不足,充分融合多傳感器數(shù)據(jù),優(yōu)化監(jiān)測流程和內(nèi)容,設(shè)計了一種空氣細(xì)顆粒物自動監(jiān)測技術(shù),實現(xiàn)了對空氣細(xì)顆粒物的遠(yuǎn)程監(jiān)測。設(shè)計了本實驗方案,通過監(jiān)測節(jié)點的測試和監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的分析,驗證了該監(jiān)測方法的有效性,證明了監(jiān)測數(shù)據(jù)具有高水平的可信度。