大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及監(jiān)測布置方法研究

邱 恒 鄭 晗*

（核工業(yè)二七〇研究所環(huán)境工程院 江西南昌 330200）

1 大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)與監(jiān)測布置方法概述

1.1 大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)，對自然環(huán)境問題的治理應(yīng)當(dāng)以環(huán)境治理的分析和評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，進(jìn)而找出污染源并加以有效控制。近年來，我國針對大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究已經(jīng)廣泛應(yīng)用在實(shí)踐領(lǐng)域。隨著研究的不斷深入，集對分析法、指數(shù)分析法等方法也不斷發(fā)展創(chuàng)新，豐富了大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。但是，以上傳統(tǒng)方法雖然分別具有一定的優(yōu)勢，卻無法徹底解決非線性多維體系這一復(fù)雜問題。

1.2 大氣質(zhì)量監(jiān)測布置方法

大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)需要精準(zhǔn)、持續(xù)的監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。如何利用有限的空氣監(jiān)測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對大氣的有效監(jiān)測在國內(nèi)外相關(guān)研究中均屬于重要課題。目前，常見的布點(diǎn)方式包括功能區(qū)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模擬法等。功能區(qū)法在我國建設(shè)大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)體系初期較為常見，一般需要3-5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)對城市大氣環(huán)境的監(jiān)測。但是，此類方法沒有考慮到人類活動(dòng)與區(qū)域內(nèi)空氣污染并非固定關(guān)系，導(dǎo)致界限和方法較為模糊，所形成的數(shù)據(jù)無法應(yīng)用與科學(xué)評(píng)價(jià)模型中。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法是建立在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境污染與監(jiān)測結(jié)果存在假定關(guān)系這一基礎(chǔ)上的，忽視了污染源與環(huán)境條件的變化。而模擬法是利用信息技術(shù)模擬城市大氣污染從而尋找出合理的監(jiān)測點(diǎn)位，相關(guān)技術(shù)復(fù)雜，為解決該方法存在的不可控因素仍需繼續(xù)探究。

2 以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

近年來，跨學(xué)科綜合研究不斷產(chǎn)生新的技術(shù)方法。以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)基礎(chǔ)的大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型也應(yīng)運(yùn)而生。該方法來自于生物學(xué)研究人類大腦結(jié)構(gòu)成果與人工智能技術(shù)的結(jié)合。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由連接弧聯(lián)通獨(dú)立的神經(jīng)元構(gòu)成多層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元被分為三類，其中輸入層和輸出層分別與對應(yīng)的輸入或輸出連接弧相連，另外由中間神經(jīng)元構(gòu)成隱藏層。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理上，美國研究人員提出了反向傳播模型。該模型獲得激活值后，輸出層獲得輸入相應(yīng)，隨后可以按最小希望輸出反向逐層修正連接權(quán)。將其與降維技術(shù)結(jié)合后，大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型中較為困難的非線性多維體系問題將得到有效解決。目前，我國對大氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要以等級(jí)評(píng)價(jià)為主。因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型應(yīng)當(dāng)具有三個(gè)基本模塊。首先，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)模型需要進(jìn)行評(píng)價(jià)訓(xùn)練。更新模塊的主要作用是通過輸入樣本幫助模型實(shí)現(xiàn)對評(píng)價(jià)運(yùn)算方法的理解。其次，演示模式主要實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練過程的再現(xiàn)，使系統(tǒng)使用者了解模型的運(yùn)行狀況及學(xué)習(xí)水平。最后，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成學(xué)習(xí)后，運(yùn)用評(píng)價(jià)模式正式實(shí)施評(píng)價(jià)工作。在訓(xùn)練過程中，建議采取模糊RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以有效減少訓(xùn)練次數(shù)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)模型的快速構(gòu)建。

3 以模糊分析優(yōu)化大氣質(zhì)量監(jiān)測布置方法

目前的大氣質(zhì)量檢測布點(diǎn)方法受到污染因素多元化的影響，難以實(shí)現(xiàn)有效分析。因此，建議采取模糊分析法以提高監(jiān)測點(diǎn)布置的有效性。模糊分析法是通過對研究對象性質(zhì)的分析，實(shí)現(xiàn)聚類分析的一種方法。在監(jiān)測布點(diǎn)的應(yīng)用中，將監(jiān)測范圍內(nèi)特質(zhì)相近的監(jiān)測點(diǎn)歸為一類，并將相似度編制為統(tǒng)一的系數(shù)評(píng)價(jià)體系，結(jié)合距離進(jìn)行分析，從而找到更為合理的布點(diǎn)方式。以目前人類的知識(shí)與技術(shù)水平，必然存在未知影響因素與各類不確定的數(shù)據(jù)信息。因此，大氣環(huán)境質(zhì)量仍屬于相對模糊的體系。由于運(yùn)用模糊分析法的過程中，不以人為劃定的具體類型和指標(biāo)為基礎(chǔ)。以模糊分析法進(jìn)行監(jiān)測布點(diǎn)反而使原本較為模糊的問題變得清晰化。以該方法解決強(qiáng)度比較問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)將監(jiān)測點(diǎn)獲得的不同指標(biāo)數(shù)據(jù)整合為統(tǒng)一的污染水平評(píng)價(jià)指數(shù)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化需要建立基本結(jié)構(gòu)單元，以無量綱數(shù)值體現(xiàn)環(huán)境污染對人類健康的影響程度，計(jì)算公式為：

大氣環(huán)境污染往往是多種因素疊加而成，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與相鄰點(diǎn)位因距離不同而產(chǎn)生變化，因此，需要用相似模糊矩陣表示各點(diǎn)之間的關(guān)系，計(jì)算公式為：

該公式中R為相似模糊矩陣，UT是參數(shù)矩陣U的轉(zhuǎn)秩矩陣。

通過以上計(jì)算方式并結(jié)合最優(yōu)分割法，可以最終確定合理的監(jiān)測點(diǎn)分布位置。另外，需要在布點(diǎn)中應(yīng)當(dāng)盡可能的將監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在不同的行政區(qū)域內(nèi)，并在選定位置后組織實(shí)地考察，以便確定方法實(shí)施的有效性。

結(jié)語

綜上所述，為優(yōu)化大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及監(jiān)測點(diǎn)布置方法?？梢赃\(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對非線性多維體系的分析，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)借助模糊分析法降低未知污染因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，為防治大氣污染提供必要的數(shù)據(jù)支撐。