基于人工智能算法的室內(nèi)辦公環(huán)境在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)

謝苗苗, 李華龍

(1. 安徽大學(xué) 江淮學(xué)院, 安徽 合肥 230031; 2. 中國科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所, 安徽 合肥 230031;3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 研究生院, 安徽 合肥 230026)

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)使得室內(nèi)環(huán)境從“功能性”向“舒適性”轉(zhuǎn)變,舒適的工作環(huán)境既有利于身心健康,又能提高工作效率.讓室內(nèi)辦公環(huán)境維持在高舒適度水平的同時(shí),還可以降低辦公室的能耗,進(jìn)而降低辦公大樓的能耗.將多源信息融合技術(shù)引入到智能辦公,有著廣泛的應(yīng)用前景.本文提出了一種室內(nèi)辦公環(huán)境在線評(píng)價(jià)與調(diào)控系統(tǒng),將溫度、濕度、光照度、甲醛、CO和PM2.5六種傳感器采集到的關(guān)鍵室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行多參數(shù)融合后給出舒適度決策結(jié)果,據(jù)此實(shí)時(shí)控制辦公室內(nèi)相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)辦公環(huán)境在線評(píng)價(jià)與精準(zhǔn)調(diào)控.例如,可以根據(jù)室內(nèi)光環(huán)境的變化,自動(dòng)控制電動(dòng)窗簾的開關(guān)和照明設(shè)備的亮度;根據(jù)在工作時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度和濕度的情況,控制空調(diào)的開關(guān)或者調(diào)節(jié)到合適的溫度;當(dāng)辦公室PM2.5或者甲醛濃度高的時(shí)候,啟動(dòng)空氣凈化系統(tǒng)或者新風(fēng)系統(tǒng)等.本文首先將各室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測傳感器的異常數(shù)據(jù)剔除后進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)融合,然后再進(jìn)行模糊控制算法處理,對(duì)室內(nèi)辦公環(huán)境的舒適度狀況進(jìn)行綜合評(píng)判.評(píng)判結(jié)果考慮了室內(nèi)6種環(huán)境因子之間的相互影響,克服了只考慮單個(gè)環(huán)境因子評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境舒適度不準(zhǔn)確的缺點(diǎn),使得決策結(jié)果更加可靠,同時(shí)可以將評(píng)判結(jié)果回送主控單元,控制室內(nèi)相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)辦公環(huán)境實(shí)時(shí)在線調(diào)控.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為室內(nèi)辦公環(huán)境的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.系統(tǒng)設(shè)置溫度、濕度、光照度、甲醛、CO和PM2.5六種傳感器,通過無線傳輸方式傳至上位機(jī)(電腦或手機(jī))顯示,對(duì)所測得的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過自適應(yīng)加權(quán)平均和模糊控制算法融合后,息顯示出來并同時(shí)將決策結(jié)果返回給主控中心,控制室內(nèi)空調(diào)、照明設(shè)備、空氣凈化系統(tǒng)等設(shè)備的工作,從而調(diào)節(jié)室內(nèi)工作環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài),多傳感器測量技術(shù)克服了用單一傳感器測試結(jié)果有偏差導(dǎo)致判別結(jié)果不準(zhǔn)確的情況.

將當(dāng)前的環(huán)境信

圖1測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Structure diagram of the measurement and control system

2 自適應(yīng)加權(quán)融合算法

2.1 拉依達(dá)準(zhǔn)則和自適應(yīng)加權(quán)融合算法

室內(nèi)辦公環(huán)境裝設(shè)的6類傳感器,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)室內(nèi)辦公區(qū)域環(huán)境參數(shù)的測量.原始測量數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)算法處理后,得到室內(nèi)辦公環(huán)境的舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果,回送給主控單元,工作人員可以根據(jù)決策結(jié)果自動(dòng)或者手動(dòng)控制啟停相關(guān)設(shè)備來改善室內(nèi)環(huán)境.為了使得監(jiān)測結(jié)果更加精確,對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行一級(jí)局部融合,再根據(jù)局部融合后的結(jié)果利用模糊綜合評(píng)判進(jìn)行決策評(píng)判,通過兩級(jí)融合算法,能夠提高室內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及對(duì)室內(nèi)環(huán)境判斷的精確性.

且滿足

2.2 算法驗(yàn)證

下表1是夏天某辦公大樓中3個(gè)辦公室某時(shí)刻所監(jiān)測到的溫度和濕度數(shù)據(jù),一共有18個(gè)測試點(diǎn).

表1 某時(shí)刻溫度和濕度測試結(jié)果

3 模糊控制理論

實(shí)際工作時(shí),處在室內(nèi)辦公環(huán)境中的人們對(duì)所測得的數(shù)據(jù)并不是很關(guān)心,而更關(guān)心自己所處環(huán)境的舒適度,所以在經(jīng)過自適應(yīng)加權(quán)一級(jí)融合之后,還需要進(jìn)一步建立多因子的模糊綜合評(píng)價(jià)模型[4],建立室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的隸屬度函數(shù),對(duì)各類傳感器因子隸屬關(guān)系進(jìn)行模糊變換,據(jù)此得到室內(nèi)辦公環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,反饋給主控中心的控制單元.

3.1 模糊綜合評(píng)判模型的建立

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是對(duì)受多個(gè)因素影響的對(duì)象做出綜合評(píng)判的一種有效的決策方法[5]. 根據(jù)模糊控制原理和最大隸屬度原則. 大致步驟[6]為:

(1) 確定因素集U.因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中有6類傳感器,取所有傳感器的測量參數(shù)為因素集.即建立因素集合U={u1,u2,u3,u4,u5,u6},其中u1代表溫度,u2代表濕度,u3代表光照度,u4代表甲醛質(zhì)量濃度,u5代表PM2.5質(zhì)量濃度,u6為代表CO質(zhì)量濃度.

(2) 建立評(píng)價(jià)集合V.本系統(tǒng)中建立評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3},v1表示舒適,v2表示較舒適,v3表示不舒適.

(3) 建立模糊關(guān)系矩陣R

本文在實(shí)際環(huán)境人體舒適度體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用模糊統(tǒng)計(jì)的方法[7]來確定溫度、濕度、光照度3個(gè)評(píng)價(jià)因子的隸屬度.PM2.5質(zhì)量濃度、甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度均采用梯形隸屬函數(shù).驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中選取了172人對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度和亮度的舒適度體驗(yàn),表2是這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度一覽表.

系統(tǒng)中PM2.5質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和甲醛質(zhì)量濃度對(duì)于評(píng)價(jià)集的隸屬度函數(shù),選用梯形分布函數(shù)[8-9]的以下3個(gè)公式來表示.

其中,a,b,c,d分別代表表2中3個(gè)因素所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集元素舒適、較舒適和不舒適的分界點(diǎn).μ1,μ2,μ3分別對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中的3個(gè)元素舒適、較舒適和不舒適.由上述公式,可以計(jì)算出甲醛、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度的隸屬度.表3中列出某一天上午11∶00采集的數(shù)據(jù),可以求得r41=1,r42=0.6,r43=0;r51=1,r52=0.666 7,r53=0;r61=0,r62=0.571,r63=0.

表2 室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、光照度評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

表3 某天11∶00采集的數(shù)據(jù)信息Table 3 Data collected at 11∶00 am. someday

表4列出了人體舒適度對(duì)于甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

(4) 建立因素權(quán)重集W

根據(jù)相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn),影響室內(nèi)環(huán)境人體舒適度的因素指標(biāo)分別為溫度、濕度、光照度及甲醛、PM2.5質(zhì)量濃度和CO質(zhì)量濃度,每一種指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的影響程度不同,用權(quán)重來表示.選用指數(shù)超標(biāo)比法[10]確定這6種因素舒適度評(píng)價(jià)的權(quán)重.

表4 甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由此,可以建立模糊關(guān)系矩陣

計(jì)算公式如下:

(4)

根據(jù)式(4)得到權(quán)重集

(5) 構(gòu)建模糊評(píng)判模型,進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)模糊變換關(guān)系,將W與多因素評(píng)判矩陣R合成得到模糊綜合評(píng)判的結(jié)果向量[11]

通過結(jié)果可知,b1的值最大,根據(jù)最大隸屬度原則,可判斷當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)為舒適.

4 結(jié) 論

本文的室內(nèi)辦公環(huán)境在線評(píng)價(jià)調(diào)控系統(tǒng)結(jié)合自適應(yīng)融合算法和模糊控制方法,可以對(duì)室內(nèi)辦公環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和調(diào)控,采用自適應(yīng)加權(quán)融合和模糊綜合評(píng)判結(jié)合的方法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,評(píng)判結(jié)果融合考慮了多種參數(shù)因子的影響,克服了只考慮單因子影響評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境舒適度不精確的缺點(diǎn).現(xiàn)有的很多方法都是直接將傳感器數(shù)據(jù)通過模糊綜合評(píng)判等方法對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境或者聲環(huán)境舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià),未考慮傳感器虛假數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致評(píng)判估計(jì)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象,本文的方法先對(duì)傳感器的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理,去除異常數(shù)據(jù)后計(jì)算自適應(yīng)融合估計(jì)值,再結(jié)合模糊控制算法進(jìn)行綜合評(píng)判,可以提高數(shù)據(jù)融合的可靠性.實(shí)驗(yàn)表明,該方法提高了系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度綜合評(píng)判的準(zhǔn)確性和可靠性,也可以將此方法用在智能辦公大樓的設(shè)計(jì)和控制中,具有廣泛應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 宋慶恒,劉英德,馬源,等. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015,43(6):394-396.

SONG Q H,LIU Y D,MA Y,et al. Design of control system of temperature and humidity in greenhouse based on multi-sensor data fusion[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2015,43(6):394-396.

[ 2 ] 邢曉辰,蔡遠(yuǎn)文,姚靜波,等. 基于改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)的多傳感器融合監(jiān)測[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2015,23(12):3998-4001.

XING X C,CAI Y W,YAO J B,et al. Multi-sensor fusion monitoring based on improved adaptive weighted fusion algorithm[J]. Computer Measurement & Control, 2015,23(12):3998-4001.

[ 3 ] 唐亞鵬. 基于自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法的數(shù)據(jù)處理[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2015(4):53-56.

TANG Y P. Data processing based on adaptive weighted data fusion algorithm[J]. Computer Technology and Development, 2015(4):53-56.

[ 4 ] 謝秋菊. 基于模糊理論的豬舍環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)及調(diào)控模型研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

XIE Q J. Environmental suitability assessment and control model development for a swine house based on fuzzy theory[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015.

[ 5 ] 謝秋菊,蘇中濱,NI J Q,等. 豬舍環(huán)境適宜性模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(16):198-205.

XIE Q J,SU Z B,NI J Q,et al. Fuzzy synthetic assessment of swine house environmental adaptability[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(16):198-205.

[ 6 ] 璩晶磊,李少波,張成龍. 基于模糊證據(jù)理論的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2017(10):118-122.

QU J L,LI S B, ZHANG C L. Multi-sensor data fusion algorithm based on fuzzy evidence theory[J]. Instrument Technique and Sensor, 2017(10):118-122.

[ 7 ] 肖敏,陳志偉,孟廣勝. 城市住宅小區(qū)宜居性的模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,26(1):14-17.

XIAO M,CHEN Z W,MENG G S. Urban residential livability evaluation based on fuzzy mathematics method[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2014,26(1):14-17.

[ 8 ] 任爽,仲露露. 基于模糊控制的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)研究[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,28(5):410-414.

REN S,ZHONG L L. Photovoltaic cells MPPT control system based on fuzzy control[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2016,28(5):410-414.

[ 9 ] 李海影,李國. 大型體育館室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)模型[J]. 武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào), 2017,51(2):54-59.

LI H Y,LI G. Indoor environmental quality evaluation model of sports venues[J]. Journal of Wuhan Institute of Physical Education, 2017,51(2):54-59.

[10] 楊浩,張國珍,楊曉妮,等. 基于模糊綜合評(píng)判法的洮河水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2016,39(z1):380-386.

YANG H,ZHANG G Z,YANG X N,et al. Comprehensive evaluation on water environment quality of the Tao River based on fuzzy comprehensive method[J]. Environmental Science & Technology, 2016,39(z1):380-386.

[11] 宋艷東. 基于模糊數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)舒適度評(píng)價(jià)方法研究[D]. 秦皇島:燕山大學(xué), 2010.

SONG Y D. The research of indoor comfort evaluation methods based on fuzzy data fusion[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2010.