基于蒙特卡洛算法的智能空氣質量監測與治理系統

陳曉晴，郭楚秀，袁 燦，黃文豪，劉志勇

（南華大學計算機學院 湖南 衡陽 421000）

0 引言

空氣質量時刻影響著地球上各種生物的生存，同時也對人類的生產生活有著極大的影響?？諝馕廴静粌H給人類的呼吸系統帶來極大危害，嚴重影響人類的生命健康，而且會引發植物抗病能力下降以及動物因空氣污染生病或死亡，甚至會形成酸性降雨導致水質惡化、“溫室效應”凸顯、全球部分地區遭到熱浪、熱帶風暴侵襲等。因此，空氣環境的預防和治理非常重要，而空氣的監測是預防和治理的基礎[1]。

國內目前已在全國建立了較為廣泛的空氣質量監測網絡系統，該網絡系統包括多個城市的空氣監測點。國內對空氣質量的監測主要包括懸浮顆粒物和氮氧化物等，而且在一系列改革措施下空氣質量監測現狀已得到改觀，建立了更為完善的監測系統，也有通過將KNN算法嵌入空氣監測設備來實現對空氣質量進行改善的研究[2]，但還不夠完善，存在監測點布局不合理、監測指標不夠全面、監測系統區域覆蓋不夠廣泛、空氣質量監測制度還需要進一步完善等不足。本項目著重研究空氣質量的監測與治理、充分改善了以上不足，主要完成的工作如下。

（1）通過優化蒙特卡洛算法，使得機器可以在一定范圍內根據所獲取的空氣質量信息計算出最佳儀器地點。

（2）監測機器會對空氣中的PM2.5、SO2、NO2、O3等各項指標進行監測，囊括范圍廣。

（3）數據采集后運用最新的5G技術NB-IoT模塊將數據傳入以太網，該技術具有覆蓋廣、大連接、功耗小、成本低等優勢，可以有效地解決用戶接收信息延遲的問題。

（4）應用可視化監測界面，用戶直觀查看空氣質量數據，并根據提示采取相應治理措施。

本系統面向的用戶主要是政府、工廠等對空氣質量改善有實際需求的機構或者群體，它主要分為兩個模塊，即采集數據的硬件模塊和顯示數據的可視化平臺。用戶可以充分利用這兩個模塊進行空氣質量的監測與治理，不僅減少了客觀因素的影響，而且有利于各政府、工業的生產生活。實現空氣質量的有效監測并治理是很有意義的，特別是當前人們對生活水平要求日益提高的前提下，改善環境質量就成為必然趨勢，本項目著重研究空氣監測與治理系統的各方面優化，采用的是基于蒙特卡洛算法研究得到的模型，在該模型中還引用了5G技術，與以前研究的模型相比，有更高的準確度、信息接收率、反應速度以及實用性。

1 算法模型概述

本系統采用的是蒙特卡洛算法，蒙特卡洛算法是以概率和統計的理論、方法為基礎的一種數值計算方法，將所求解的問題同一定的概率模型相聯系，用計算機實現統計模擬或抽樣，以獲得問題的近似解，它可以通過大量模擬，然后計算一個事件發生的次數，得到想要計算的結果[5]。系統引用蒙特卡洛算法的思想來尋找儀器最佳治理點，其基本思路是在前人研究的基礎之上加以改進，在所要監測的區域隨機撒點，把這些點劃分為多個小區域，然后計算小區域的隨機點的個數及其所占總數的比重，個數多區域的代表所監測氣體濃度大的區域，然后在這個濃度大的區域內重復上述操作，直到找到最佳監測位置[6]，找到之后將機器放至該處進行優先治理，該區域治理完成之后，機器將會繼續利用該算法尋找下一個最佳監測點，如此重復直至需要治理的區域空氣質量達標為止，具體見圖1。

圖1 蒙特卡洛算法的場景模擬

2 主要功能介紹

2.1 基于蒙特卡洛算法計算出最佳監測位置，獲取最準確的環境監控數據

獲取監測區域空氣監測數據，將數據導入蒙特卡洛算法訓練模型，計算出最佳監測地點，人工將監測和治理設備放置到該地點，獲取最準確空氣加測數據，并采取相對簡單的治理措施。對比傳統應用，僅監控某個點、某片區域，容易被第三方因素影響，造成最終結果偏差較大。本方案將解決這一問題，更多地考慮第三方因素。蒙特卡洛方法應用廣泛，已被各行各業認可且實際應用，成熟且可靠。

2.2 放置最佳治理點的設備可自行采取相對簡單的治理措施

當所監測數據的數值達到一定閥值，該監測治理設備可直接采取相對簡單的治理措施。比如監測空氣濕度。當空氣濕度下降到一定數值，該監測設備可直接控制附近加濕設備打開閥門進行加濕，當濕度上升到一定數值則關閉閥門，停止加濕。

2.3 系統APP通過可視化界面，直接展示監測信息并給出相應治理措施建議

系統APP將獲取的數據進行分析后，通過可視化界面展示，用戶可更直觀方便地觀看數據，并根據提示，采取相應治理措施。例如監測整個城市的空氣質量，則可點擊地圖中具體位置，顯示該地的空氣質量情況具體數據，并給出該地治理措施的建議。

2.4 預警報警

系統在監測過程中，如發現空氣質量異常差或者某氣體含量嚴重超標的情況，會及時地向相關部門進行報警，相關部門就會對其進行治理。

3 空氣質量監測與治理系統的實現

3.1 系統模塊設計

本系統主要由采集模塊和用戶模塊組成，其中采集模塊是由單片機和監測模塊組成，監測模塊采用蒙特卡洛算法通過隨機撒點的方式找到最佳監測位置，以便于更加準確的、實時地監測并采集當前環境的空氣質量參數。監測所用的網絡使用5G技術，由NB-IoT芯片組成，用于將采集到的數據傳入以太網的數據庫中。與此同時，當空氣中PM2.5等各類空氣因子值處于不平衡狀態時，單片機能自動做出相應措施。

用戶模塊主要由使用Django作為后臺框架的web前端和app組成，用于對數據的處理和管理。用戶交互模塊采用MVT結構進行設計，其中M為Model，主要負責應用和數據庫的交互；V為View，主要負責將UI界面模板呈現給用戶并和用戶進行交互；而T則為Template，主要是UI界面的模板。在本作品中，主要分登錄、查看監測數據、發送執行命令等等這幾個與用戶交互的功能，具體框架圖如圖2所示。

圖2 系統功能模塊圖

如下圖3，該項目的層次結構分為四層，分別是應用層、平臺層、網絡層和感知層。

應用層：Web可視化開發工作臺是物聯網應用開發（IoT Studio）中的工具。物聯網應用開發（IoT Studio）是阿里云針對物聯網場景提供的生產力工具，是阿里云物聯網平臺的一部分。App是基于微信小程序的模式。

平臺層：平臺利用阿里云的IoT平臺，提供優質穩定的物聯網一站式管理平臺，支持定向網絡管理、智能選網等增值服務。后端起到存儲、分發和數據分析的功能。

網絡層：通信協議是基于MQTT，接入協議是基于NBIoT。

感知層：硬件使用考慮AT32F403A與傳感器結合使用，軟件部分考慮使用RT-Thread的操作系統，還有相應的軟件包和一些應用程序。

圖3 系統架構圖

3.2 硬件模塊

詳細流程：

（1）每塊Zigbee終端節點分別連接不同模塊，如一塊Zigbee終端節點里連接空氣質量模塊（CCS811），另一塊連接顆粒物濃度測量模塊（GP2Y1010AU0F）。

（2）Zigbee終端節點，與協調器通過Zigbee協議棧，組網，通過單播的形式，終端節點把獲取的數據發送給協調器。

（3）協調器上連接NB-IoT模塊，利用NB-IoT網絡，上傳至已經搭建好的服務器，上位PC機再獲取服務器上得到的數據。

具體實現：

（1）開發協議棧應用層代碼，編寫協調器，三個終端代碼。

（2）連接好對應傳感器模塊后，通過串口編寫命令調用模塊獲得數據。

（3）利用Zigbee協議棧，改寫為單播形式，終端節點把獲得的數據發送給協調器。

（4）協調器連接NB-IoT模塊，并使用NB-IoT網絡，上傳給已經搭建好的服務器，上位PC機再獲取服務器上得到的數據，具體硬件實現流程圖如下圖4。

圖4 硬件模塊實現流程圖

3.3 軟件模塊

軟件模塊主要包括可視化平臺即空氣質量監測系統，主要提供空氣質量監測、警報提示等功能。

3.3.1 可視化數據

系統APP將獲取的數據進行分析后，通過可視化界面展示，用戶可更直觀方便地觀看數據，并根據提示，采取相應治理措施。

3.3.2 預警報警

當監測到空氣質量處于異常值時，系統會向有關部門進行預警報警，相關部門在接到報警之后會立即進行處理。警報提示功能滿足用戶眾多需求。ADTS系統從服務器獲取監測儀器獲取的數據，經過分析統計，給出用戶相應治理建議與行為指示；當監測的空氣數據超過規定閥值時，系統發出警報，提醒用戶及時做出治理措施。警報提示功能是為用戶提供監測與治理空氣質量的建議與警報，有利于用戶根據建議采取措施，節省時間和人力。

3.3.3 數據統計分析

將獲取到的數據進行多方面統計分析，并形成報告單反饋給第三方進行環境治理。

4 系統應用效果

用戶可在該界面查看對應大區域的各類空氣質量信息及數據統計反饋等，也可以點擊某一個區域的某一點進行實時數據查看，主要針對大范圍的室外監測，如圖5所示。

圖5 室外監測可視化界面

點擊室內按鈕之后即可查看室內的各場所的數據信息，包括會議室、家居環境等，該可視化主要側重于小范圍空氣質量的監測，如下圖6。

圖6 室內監測可視化界面

5 結語

本系統通過分析數學方法蒙特卡洛算法來模擬最佳監測點，以實現對空氣質量的精準監控并進行相關治理，以提高環保局或者其他相關部門對于空氣質量的監管，有效地改善空氣質量。各用戶在使用本系統時可以快速地注冊登錄進入數據可視化界面，直觀地獲取相關信息。但是此監測系統還是有一定的缺陷，比如在尋找最佳監測點時存在誤差。在后續的研究之中會進一步地改進和完善，如進行實地勘測、修改算法模型、結合多級預測[3]來提高其精確度，并且引入3D模型，將監測區域以三維的方式展示等[4]。