空氣信息綜合管理評估系統(tǒng)①

王有帥,陳 梅,陳藝丹

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,蘭州 730070)

空氣是人類賴以生存的寶貴資源,近年來遭到嚴重的破壞,空氣污染已成為一個亟待解決且嚴重威脅人類健康生活的世界性問題.據(jù)科學(xué)報告[1-3],人類因呼吸疾病導(dǎo)致的死亡率與空氣污染加劇具有明顯的相關(guān)性關(guān)系,尤其是可吸入顆粒物,如PM2.5、PM10、SO2、NO2及O3等,可浸透入肺部和心血管系統(tǒng)導(dǎo)致中風(fēng)和肺癌等嚴重疾病[4].因此,對空氣質(zhì)量進行評估可讓人們了解自己所處的空氣質(zhì)量情況.在戶外時做好防護準備,從而提高人們的環(huán)保意識,減少污染排放.

環(huán)境研究者們?yōu)榻鉀Q空氣污染問題曾提出了多種空氣質(zhì)量評估系統(tǒng).Dionova 等提出利用模糊推理系統(tǒng)進行環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量評價系統(tǒng)[5],該系統(tǒng)采用4 種室內(nèi)空氣污染物(IAP)和4 種熱舒適污染物(TCP),使用室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)(EIAQI)對污染狀況進行量化,采用聚類算法對模糊邏輯控制器的IAQI 值和TCI 值進行劃分,從而有效區(qū)分室內(nèi)空氣和熱舒適污染物.Jasim等提出集成化智能算法和地理信息系統(tǒng)建模的城市空氣質(zhì)量評估系統(tǒng)[6],使用機器學(xué)習(xí)和地理信息系統(tǒng)建立空氣污染模型,并用主成分分析算法和支持向量回歸對該模型進行優(yōu)化,對空氣質(zhì)量進行有效的評估.Xu 等提出基于云模型的空氣質(zhì)量評估系統(tǒng)[7],使用云模型空氣質(zhì)量評估方法對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行定性和定量分析,結(jié)合熵值和超熵值對分析結(jié)果的模糊性和隨機性進行深入分析,得出大氣污染等級.張澍一等提出氣象調(diào)整下的區(qū)域空氣質(zhì)量評估[8],使用一種消除氣象干擾的時空調(diào)整方法.通過控制氣象條件調(diào)整污染物的時空平均濃度,捕捉到潛在排放量的變化,從而規(guī)避因氣象條件造成的污染物濃度的變化.Xu 等提出的中國城市空氣質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)[9],采用“分解與集成”理論,結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)、支持向量機、仿生優(yōu)化算法和留置一權(quán)決策策略提出了一種混合預(yù)測模型,該模型與模糊評估方法共同組成了空氣質(zhì)量的評價系統(tǒng),在預(yù)測和評估方面具有一定的優(yōu)勢.上述提到的空氣質(zhì)量評估方式在某些特定的情況下,評估效果較好,但不能大規(guī)模使用,具有一定的局限性.

本文針對上述空氣質(zhì)量評估系統(tǒng)評估形式單一、準確度欠佳等缺點提出了空氣信息管理評估系統(tǒng),旨在應(yīng)用多樣化方法提高空氣質(zhì)量評估準確度和以多種方式展示評估結(jié)果.在文中介紹了空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)收集、加工處理及空氣質(zhì)量評估展示,實現(xiàn)了空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)一站式處理,評估結(jié)果多樣化展示.文中對系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能、主要技術(shù)及系統(tǒng)展示進行了詳細的介紹.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)針對現(xiàn)有系統(tǒng)評估形式單一,準確度低,評估范圍有限等缺點設(shè)計的一套集數(shù)據(jù)預(yù)處理、標準化及多樣化評估為一體的空氣質(zhì)量評估系統(tǒng).系統(tǒng)采用BS 分層架構(gòu),具有開發(fā)及維護成本低,分布性和共享性強,訪問簡單等優(yōu)勢.如圖1所示,該系統(tǒng)由3 部分組成:數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)標準化和空氣質(zhì)量評估.數(shù)據(jù)預(yù)處理是對原始數(shù)據(jù)進行抽取、清洗、單位轉(zhuǎn)化等;數(shù)據(jù)標準化是將數(shù)據(jù)進行多種標準化處理;空氣質(zhì)量評估是通過按時、日、月、采集點和污染物等多種檢索方式對空氣質(zhì)量進行評估展示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖2所示,系統(tǒng)運行由數(shù)據(jù)導(dǎo)入開始.檢測數(shù)據(jù)是否有缺失值和無效值,若有則根據(jù)圖3進行缺失值填充或圖4 進行無效值替換.然后根據(jù)式(1)-式(4)對數(shù)據(jù)進行標準化處理.標準化處理后的數(shù)據(jù)可以通過檢索進行空氣質(zhì)量評估展示,也可以保存至本地數(shù)據(jù)庫或以文件的方式導(dǎo)出.

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 缺失值填充

圖4 無效值替換

1.3 數(shù)據(jù)流圖

空氣質(zhì)量智能評估系統(tǒng)的核心目標是實現(xiàn)各種空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集、處理、存儲及對空氣質(zhì)量的評估展示.功能主要有數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)存儲、導(dǎo)出及空氣質(zhì)量評估展示,數(shù)據(jù)流圖如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)流圖

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入.將從空氣質(zhì)量檢測站、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)站或行業(yè)共享等收集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng).按業(yè)務(wù)需求將數(shù)據(jù)分發(fā)給數(shù)據(jù)加工模塊,也可以存儲在數(shù)據(jù)庫或以文件的形式導(dǎo)出.

(2)數(shù)據(jù)加工.按需求對接收到的數(shù)據(jù)進行抽取、清洗、標準化、單位轉(zhuǎn)化、污染物分類等,提交給空氣質(zhì)量評估模塊,也可以將處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫或以文件的形式導(dǎo)出.

(3)空氣質(zhì)量評估展示.通過對數(shù)據(jù)加工后的數(shù)據(jù)進行計算空氣質(zhì)量指數(shù),然后按時、日、月、監(jiān)測站位置及污染物種類等檢索方式對空氣質(zhì)量進行評估展示.

1.4 關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)存儲

本文采用Flask 框架[10]開發(fā),該框架為Python 語言中輕量級框架,具有核心簡單、靈活、輕便高效和使用文檔完整等優(yōu)勢.空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲的難點在于數(shù)據(jù)量大、維度高、內(nèi)容復(fù)雜及存取頻繁等.傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL[11],Oracle[12]等無法實現(xiàn)動態(tài)擴容,且在數(shù)據(jù)量較大時,存取效率低,讀寫成本高.本文采用MongoDB 文檔數(shù)據(jù)庫[13]進行數(shù)據(jù)存儲,具有高擴展、弱一致性、支持大容量存儲、讀寫高效及具有failover 機制[14]等.

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

空氣質(zhì)量評估的關(guān)鍵在于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),為了全面和準確的評估該地區(qū)的空氣質(zhì)量情況,需要選擇最具代表性的數(shù)據(jù)來源.通常情況下,空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)從環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站或行業(yè)共享獲得,從網(wǎng)站采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲爬取,行業(yè)共享是通過大氣研究人員共享獲得.以上兩種方式獲取的數(shù)據(jù)各有特點,網(wǎng)站爬取的數(shù)據(jù)量大,標準不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)缺失嚴重等,需要經(jīng)過嚴格的清洗、補充等預(yù)處理.行業(yè)共享獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)過預(yù)處理,只需要標準化處理.以蘭州市為例,通過行業(yè)共享和網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲得了蘭州市多年的監(jiān)測數(shù)據(jù),涵蓋了蘭大榆中校區(qū)、蘭苑賓館、師范大學(xué)、生物制品所、職工醫(yī)院、舟曲中學(xué)、西固環(huán)保局和鐵路設(shè)計院等遍布蘭州市的空氣檢測站,如圖6所示.

圖6 蘭州市空氣檢測站布局

2.2 缺失值與無效值處理

在通常情況下,空氣檢測設(shè)備收集的污染物種類繁多,數(shù)據(jù)量巨大,難免會收集到無效值和缺失值,在本文中對數(shù)值為0 的數(shù)據(jù)視為無效值.如圖4所示,無效值替換是指對數(shù)值為0 的數(shù)據(jù)統(tǒng)一替換為0.01.缺失值補充采用前5 后3 處理[15],如圖3所示,前5 后3 指取缺失值的前5 位和后3 位相加求均值進行補充.

2.3 數(shù)據(jù)標準化

在本文中使用的數(shù)據(jù)標準化方法有0-1 標準化、Z-score 標準化、小數(shù)定標標準化和均值歸一化,下面進行詳細的介紹,

(1)0-1 標準化[16],按式(1)將原始數(shù)據(jù)縮放到[0,1]區(qū)間內(nèi).

其中,x為原始數(shù)據(jù),xmin為總體數(shù)據(jù)中的最小值,xmax為總體數(shù)據(jù)中的最大值.

(2)Z-score 標準化[17],利用總體數(shù)據(jù)的均值和標準差對原始數(shù)據(jù)進行標準化,如式(2)所示.

其中,μ為總體數(shù)據(jù)的平均值,σ為總體數(shù)據(jù)的標準差.

(3)小數(shù)定標標準化,通過移動數(shù)據(jù)小數(shù)點的位置對原始數(shù)據(jù)進行標準化,如式(3)所示.

其中,a為使max(|x|)＜1的最小值.

(4)均值歸一化[18],通過原始數(shù)據(jù)得到的均值、最大值和最小值對原始數(shù)據(jù)進行標準化,如式(4)所示.

其中,μ為總體數(shù)據(jù)的均值,xmax為總數(shù)據(jù)中的最大值,xmin為總體數(shù)據(jù)中的最小值.

2.4 空氣質(zhì)量指數(shù)

根據(jù)中國環(huán)境部門2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)[19]和《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)[20]規(guī)定,采用空氣質(zhì)量指數(shù)AQI衡量空氣質(zhì)量.通常情況下,空氣污染物含有很多種類,如PM2.5、PM10、SO2、NO2及O3等,首先用各污染物的實測濃度值,按式(5)分別計算空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI(individual air quality index)[19]:

其中,IAQIp為相應(yīng)地區(qū)的污染物P的空氣質(zhì)量分指數(shù);Cp為相應(yīng)地區(qū)的污染物P的濃度值;BPHi為空氣質(zhì)量分指數(shù)對應(yīng)的污染物濃度限值表中與Cp相近的污染物濃度限值的高位值;BPLo為空氣質(zhì)量分指數(shù)對應(yīng)的污染物濃度值限制表中與Cp相近的污染物濃度限值的低位值;IAQIHi為空氣質(zhì)量分指數(shù)對應(yīng)的污染物濃度限值表中與BPHi對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù);IAQILo為空氣質(zhì)量分指數(shù)對應(yīng)的污染物濃度限值表中與BPHi對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù).在得到各個污染物空氣質(zhì)量分指數(shù)后,由式(6)計算空氣質(zhì)量指數(shù)[19].

其中,IAQI為空氣污染物分指數(shù),n為污染物.由式(6)可得,AQI取污染物分指數(shù)IAQI的最大值.當AQI大于50 時,IAQI最大的污染物為首要污染物;若IAQI最大的污染物為兩項或更多時,并列為首要污染物;當IAQI大于100 時,該污染物為超標污染物.如表1所示,本文根據(jù)當?shù)谹QI值給出當前空氣質(zhì)量等級、類別、表示顏色、對健康生活影響及對各類人群應(yīng)采取的措施等.

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)對照表

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計,本文系統(tǒng)功能如圖7所示,空氣信息綜合管理評估系統(tǒng)由數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)標準化處理、空氣質(zhì)量評估和系統(tǒng)管理4 個模塊構(gòu)成.其中,數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、缺失值填充和無效值替換構(gòu)成;數(shù)據(jù)標準化處理模塊由0-1 標準化、Z-score 標準化、小數(shù)點定標標準化和均值歸一化組成;空氣質(zhì)量評估由按時、日、月、監(jiān)測站位置及污染物種類空氣質(zhì)量評估組成;系統(tǒng)管理模塊由用戶管理、日志管理和自定義管理組成.

圖7 系統(tǒng)功能

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文系統(tǒng)空氣質(zhì)量評估采用多樣化檢索方式,由按時、日、月、監(jiān)測站位置及污染物種類評估組成.下面對系統(tǒng)運行效果的部分功能進行展示.圖8 是在多個監(jiān)測站按污染物種類以餅圖、柱狀圖和折線圖的檢索方式展示以月為單位的環(huán)境污染物濃度情況,用戶按需求選擇污染物及展示方式.

圖8 部分監(jiān)測站按需求展示結(jié)果

圖9 是空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行如圖3、圖4 的無效值和缺失值處理后的展示;圖10 是對經(jīng)過如圖9 處理之后的數(shù)據(jù)進行0-1 標準化、Z-score 標準化、小數(shù)定標標準化和均值歸一法數(shù)據(jù)標準化展示;圖11 是對標準化后的數(shù)據(jù)進行按時空氣質(zhì)量評估展示;圖12 是對標準化后的數(shù)據(jù)進行按日空氣質(zhì)量評估展示.

圖9 缺失值及無效值檢測處理

圖10 數(shù)據(jù)標準化處理

圖11 按時計算空氣質(zhì)量指數(shù)

圖12 按日計算空氣質(zhì)量指數(shù)

在得到污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)后,參考表1 獲取空氣質(zhì)量評估信息.如圖13所示,計算空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI,獲取IAQI中的最大值為空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,經(jīng)分析得首要污染物為PM2.5,無超標污染物,當天空氣質(zhì)量指數(shù)級別為三級、屬于輕度污染;易感人群癥狀有輕度加劇,健康人群出現(xiàn)刺激癥狀;建議兒童、老年人及患有心臟病或呼吸系統(tǒng)疾病的人應(yīng)減少長時間、高強度的戶外鍛煉.

圖13 按日空氣質(zhì)量評估

在本文評估系統(tǒng)中,按需求選擇檢測站,按月評估為根據(jù)當月的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),計算空氣質(zhì)量等級為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染和重度污染的天數(shù),及其所占的概率.如圖14所示,在鐵路設(shè)計院空氣監(jiān)測站某年1月份的空氣質(zhì)量評估結(jié)果中,空氣質(zhì)量等級為優(yōu)和重度污染的天數(shù)為0、良為16 天,輕度污染為14 天及重度污染為1 天.以扇形圖表示空氣質(zhì)量等級,等級為優(yōu)和重度污染占0%,等級為良占51.62%,等級為輕度污染占45.17%,等級為中度污染占3.23%.

圖14 按月空氣質(zhì)量評估

3.3 系統(tǒng)運行

本系統(tǒng)已開發(fā)完畢,且已在2021年6月掛載在阿里云服務(wù)器,訪問地址為http://47.242.77.108:5001/,目前使用于蘭州市空氣質(zhì)量評估,使用效果較好.運行環(huán)境為1 vCPU,16 GB 內(nèi)存,40 GB 高效云盤,1 Mb/s 帶寬及Linux 操作系統(tǒng).

4 結(jié)論與展望

空氣信息綜合管理評估系統(tǒng)構(gòu)建了集數(shù)據(jù)預(yù)處理、標準化及多樣評估為一體的多功能評估平臺.主要進承擔了各地的空氣質(zhì)量評估,為用戶提供實時的空氣質(zhì)量情況及出行建議.并對系統(tǒng)進行優(yōu)化處理,響應(yīng)速度快、功能完善、界面友好,為空氣污染數(shù)據(jù)處理、空氣質(zhì)量評估提供了良好的支撐,得到眾多大氣污染相關(guān)科研人員的一致肯定,接下來的研究工作是進一步擴充完善系統(tǒng)功能,提升數(shù)據(jù)支撐和評估能力.