基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型研究

李 萍，趙莎莎

1 引言

隨著社會(huì)城市化、工業(yè)化的迅猛發(fā)展，空氣污染問題越來越嚴(yán)重，影響空氣污染的六大因素有SO2，NO2，O3，CO，PM2.5 以及 PM10[1-3].空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）從2012年上半年出臺(tái)開始，近年來一直作為我國空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).AQI即是根據(jù)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將六種空氣污染物濃度簡化為單一概念性指數(shù)值形式，根據(jù)AQI的值，將空氣質(zhì)量分為六個(gè)等級(jí)，分別為優(yōu)，良，輕度污染，中度污染，重度污染和嚴(yán)重污染.然后不同國家的AQI計(jì)算細(xì)節(jié)方面存在著差異性，美國采用NowCast計(jì)算方法計(jì)算PM2.5與PM10分指數(shù)，能快速響應(yīng)變化的空氣質(zhì)量狀況，而中國對(duì)這兩種分指數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)使用的是24小時(shí)的平均值.不管是哪種方法，在對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)都要通過與AQI的濃度限值參照表以及API的濃度限值參照表進(jìn)行對(duì)比才能得出具體的等級(jí)值，操作較為復(fù)雜，而且，無法反映各污染物濃度之間的復(fù)雜關(guān)系.

因此，本文提出基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，首先將不同時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的六種污染物濃度值投影到一個(gè)超球面上，把不同的時(shí)間點(diǎn)看成是不同的訓(xùn)練樣本.其次，利用覆蓋算法把這些樣本點(diǎn)分成不同的覆蓋，每個(gè)覆蓋代表同等級(jí)的空氣質(zhì)量.最后，將測(cè)試樣本投影的同一個(gè)球面上，通過計(jì)算測(cè)試樣本的污染物濃度與訓(xùn)練樣本污染物濃度之間的距離來判斷測(cè)試樣本的類別，即是空氣質(zhì)量等級(jí).本文利用覆蓋網(wǎng)絡(luò)對(duì)阜陽地區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出較滿意的結(jié)果.

2 覆蓋算法

覆蓋算法是由張鈴等人提出，利用覆蓋算法構(gòu)造k分類的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，即是一種構(gòu)造性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，該方法旨在樣本集S上尋找一組覆蓋領(lǐng)域，使得每個(gè)覆蓋中的樣本點(diǎn)屬于同一類別，這組覆蓋領(lǐng)域能將不同類別的樣本點(diǎn)分割開來[4].覆蓋算法的主要思想[5]：首先，把訓(xùn)練樣本投影到一個(gè)超球面上，其次，隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)作為中心點(diǎn)，根據(jù)樣本點(diǎn)的分布，求出半徑值，構(gòu)造覆蓋領(lǐng)域，使得該領(lǐng)域中的所有點(diǎn)屬于同一個(gè)類別，將所有已被覆蓋的樣本點(diǎn)移除，繼續(xù)構(gòu)造新的覆蓋，直到所有樣本點(diǎn)均被覆蓋領(lǐng)域覆蓋住，這樣就得到了一組覆蓋，每一個(gè)覆蓋相當(dāng)于是一個(gè)神經(jīng)元.

覆蓋算法流程如圖1所示.

3 基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

圖1 覆蓋算法流程圖

本文從阜陽地區(qū)的空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)中選出2016年6月1日到2017年5月31日的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，把2017年6月1日到2017年6月30日的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，通過覆蓋算法，利用訓(xùn)練樣本，得出空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型.在該評(píng)價(jià)模型中空氣質(zhì)量共分為六個(gè)等級(jí)，分別是優(yōu)，良，輕度污染，中度污染，重度污染和嚴(yán)重污染.通過訓(xùn)練得到模型的主要組成部分覆蓋中心點(diǎn)以及覆蓋半徑，總共訓(xùn)練處129個(gè)覆蓋，由覆蓋的中心和半徑構(gòu)成.每個(gè)覆蓋屬于固定的類別.通過比較測(cè)試數(shù)據(jù)與各個(gè)覆蓋的位置，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，如果測(cè)試數(shù)據(jù)位于某一覆蓋內(nèi)，那么被標(biāo)記為與該覆蓋相同的類別，如果測(cè)試數(shù)據(jù)位于所以覆蓋的外部，則按照就近原則對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記.得出測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中r表示2017年6月1日到2017年6月30日的實(shí)際空氣質(zhì)量等級(jí)，t表示用本文提到的模型所得的這三十天的空氣質(zhì)量等級(jí).由表1可知，對(duì)于三十天的空氣質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)只有兩天的空氣質(zhì)量等級(jí)不一致，但是差別不大，僅僅相差一個(gè)檔次，實(shí)際是輕度污染，測(cè)出的結(jié)果是良.模型測(cè)出的其余二十八天的空氣質(zhì)量等級(jí)與AQI計(jì)算得到的實(shí)際空氣質(zhì)量等級(jí)完全一致.總之，利用本文所提供的方法對(duì)阜陽地區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果與AQI的計(jì)算方法相比相似度極高，正確率可達(dá)百分之九十以上，避免了計(jì)算AQI的繁瑣步驟.

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，通過將不同時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的六種污染物濃度值投影到一個(gè)超球面上，利用覆蓋算法把這些樣本點(diǎn)分成不同的覆蓋，每個(gè)覆蓋代表同等級(jí)的空氣質(zhì)量，通過計(jì)算測(cè)試樣本的污染物濃度與訓(xùn)練樣本污染物濃度之間的距離來判斷測(cè)試樣本的空氣質(zhì)量等級(jí).本文利用覆蓋網(wǎng)絡(luò)對(duì)阜陽地區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，與AQI方法得出的空氣質(zhì)量極為相似，對(duì)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)具有一定的實(shí)際意義.