基于聚类算法和物联网技术的废气监测系统研究.doc

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1、 福 建 电 脑 DOI:10.16707/ki.fjpc.2018.03.017 FU J IAN CO MP UT ER 【 摘 基于聚类算法和物联网技术的废气监测系统研究 王 晗，王必晴，张 枫， 方凌霄 （铜陵学院数学与计算机学院 安徽 铜陵 244000） 要 】 针对工业废气对生态环境造成较大影响的问题，提出基于聚类算法和物联网技术的废气监 测系统的设计 方案 。 首先，利用物联网技术，感知废气排放数据 。 在此基础上，利用基于粗糙集的聚类算法，对采集到的废气数据进行分 析，对于大气污染问题提供一些策略和方法，在监测空气质量方面提高了水平 。 【 关键词 】 粗糙集；聚类算法；物联

2、网；废气监测 1 引言 上传也只是得益于监测人员的操作所实现的，如果监测相关 人 随着社会发展，环境保护刻不容缓。 为了检测 确定环境污 员离开监 测点，那么实时 上传也将 不能继续进 行，这就突显出 染 等级，以及对环 境的破坏程 度的勘察 ，需 要对环境当 前条件 我国在环境监测方面的监测手段相比较国外较为落后 1-6。 正是 以 及质量状 况等因素对 总体环境所 产生影响 的一系列详 细指 由于以上几点方面的制约，所以我们在环境监测方面无法得 到 标 地准确分析 ，这 就需要更加 精准的环境 监测工作 ，从 而能够 更加突出的成效。 因此在当今如此快速发展的网络信 息时代， 更 加精准地

3、 预测出总体 环境在未来 将会以一 种什么样的 趋势 我们应该 利用网络 的便捷，针对国 内的不足 之处，进行更加 严 去进行发展。 更加完善的环境监测不仅可以确保总体的环境状 谨的研究，让监测数据通过更多途径来得到更好地传输。 同时， 况 以及环境在 未来的发 展趋势得以 更加精准以 及更加及 时地 物联网相关技术也让环境监测设备更加得先进， 更 加得成熟， 全 面反映，同时对于 人类生活 环境和动物 的生存环境 ，甚至是 为环境监测方面奠定了更加坚实的基础。 物联网技术可以将一 地球的总体 环境提供一个更加准确的数据信息，从 而对于环境 些专门的传感器嵌入到需要监测的地方，比如火山口、海底

4、、地 的污染以及生态环境的变化采取及时的措施。 震带、建筑、大坝等 、这 样就能够采 集到第一时 间的相关 数据， 由于 自然环境 的保护越来 越重要，包括大 气质量 、水 源质 并传输给相关监测人员进行分析和处理或者进 行 预警，这样 对 量、全球气候、以及噪音污染、污染源排污情况 等环境指标的监 于人类预防自然灾害就能够有更加充分的准备时间 ，来减小 自 测，成为了国内外研究人员的研究热点之一。 目前很多先进的 然灾害给人类带来的危险，让环境监测更加的智能化。 基于 物 监测环境的 方法和仪器都来自于很多外国，这是因 为国外一些 联网研究 废气监测 ，可 实现信息共 享及辅助决 策，提高资

5、源 利 发 达国家对 于环境监测 方面的仪器 和环境监 测的方法研 究相 用率、劳动效率和生产水平，改善人与自然关 系。 对于国内要 早很多， 因此在这些方面国外取得了很多成就，同 基于以上研究，我们提出基于聚类算法和物联网技术的 废 时拥有很多优秀的关于环境方面的研究成果和监测专利。 环境 气监测系统。 废气监测是环境监测的一个重大环节 ，我们在 一 保 护监测分为 很多类别，具体 是根据所 监测的对象 、目 标还有 些工厂的排废气的地方和周边环境布置了一些 监测点，然后 接 监测的任务或者介质来进行分类。 比如按照所监测的对象可划 受通过 无线网络将 传回来的 废气中各种 气体的含量 的

6、数据以 分 为卫生监测、大气监 测、耕地环境 监测、人类生存 环境监测 、 及废气的 排放量，再传 送传送到信 息处理中心 ，进行综合分 析 自然环境监 测、海洋环境监测。 若按照监测的任务 来进行分类 和处理。 采用基于粗糙集的聚类算法对监测点污染源进行分类 又可以将环境监测分为专项目标监测和长期监视监测。 基于监 与环境评价。 在存储和管理监测点传回来的数据时 ，我们主 要 测 介质又可以 将环境监 测划分为水 源水质监测 、 森林土 壤监 通过 GIS 的空间形式。 在报告环境 污染信息方面主要利用 SMS 测 、大气环 境监测、城市噪 音监测、工厂 排气废物指 标监测、光 短信方式。

7、本系统可有效提高废气监测的实时性、高效性，为环 污染监测、传染性病菌监测、城市环境卫生监测等。 与外国的环 境监督管理提供科学依据 7-9。 境监测的方 法和仪器相比较，中国对于环境监测相 关方面的技 2 相关概念 术就较为单 一，尤其是在监测结果方面，误差较大，而且监测仪 下面简要介绍一下本文主要用到的粗糙集基本 概念，详 细 器也比较单一。 在检测过程中的通 讯等方面也不够先进。 监测 内容请参考文献 10。 仪 器传输回来 的信息往 往会因为环 境变化导致 的通讯设 备损 定义 1.一个决策表可以定义为 坏而错过重 要信息数据，这对于我国环境趋势预测以 及环境保 S= U（ ， A V

8、f， ， ） 护方面是不利的。 其中尤其需要进一步进行改进的就是对环境 其中 U 是对象的集 合； A=C D 且 CD=覫 ， C 为条件属 性 监测数据的 处理能力。 比如：在环境监测方面只能 检测出被监 集， D 为决 策属 性集 ； V= Va， Va 表 示属 性 a A 的 值域 ； f:U 测位置的环 境污染值超标，并没有能力给出该地区的 污染划分 AV 为一个信息函数， 坌 x U ， a A，有 f（ x， a） Va。 明确的等级 和图表化的评价； 同时随着环境污染日益严重，这 定义 2.对于决策表 S=（ U， A ， V， f），令 P 哿 A， ind(P)=(x,y

9、) 使得要想从 如此庞大的监测数据中分析出更多宝贵的信息，就 UU|坌 a P， f（ x ， a） =f（ y， a ） 称为 P 的不可区分关系。 不可区分 一 定要对一般 的国内环 境监测数据 分析和评价 的方法进 行很 关系是一个 U 上的等价 关系，含 x 的等 价类记为 x P。 P 在 U 大的改良以 及改善；而且在监测的同时所实现的即时 数据实时 上导出的划分记为 U/P。 基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目 (201710383004)，安徽省大学生创新创业训练计划项目 (201610383112)。 36 福 建 电 脑 2018 年第 3 期 福 建 电 脑 FU

10、 J IAN 定 义 3. 对 于 决 策 表 S =（ U ， A， V， f）， R 哿 A， X 哿 U ， 则 称 RX= Y U/R |Y X为 X 的 R 下近似集 ，称 RX= Y U/R | YX覫 为 X 的 R 上近似集。 3 基于粗糙集的聚类算法 随着 计算机技术 、网 络技术的 迅猛发展与 广泛应用 ，面对 越来越多监测数 据所隐含的大量不易被人察觉的宝贵信息，需 要效率 高、并且要能够给出有效的监测点的污染级别 和量化评 价的相关信息的 数据处理方法，这一点传统的数据 分析处理方 法是无 法实现的，这就促使我们去利用基于粗糙集 的聚类算法 来对我们所监测 的对象进行分

11、类，然后再利用量化评 价的方法 来对聚类算法分出来的每一个类别进行评价。 粗糙集算法的出 现 为我们在处 理一些不确 定以及一 些不够完备 的知识时 提供 了很 好的理论工 具，这都得益 于粗糙集算 法的特点，那就 是只 利用数 据自身所 具备的信息，在没有额外的信息或 者先前信息 的补充下就可以对数据自身进行补充、离散、属性约简等。 聚类 算法我们采用常用的 K 均值算法。 将 所有的废 气监测 信息作 为一个 知识系 统 K =（ U， R ），其 中 U 为由监测点 u 组成的系统，每个监测点的监测值是 u 的函 数 f(u)，定义监测点的监测值为条件属性； R 是根据实 际要求定 义的

12、等价关系，也就是如果两个监测点监测出来的数 据差值小 于等于一个阈值 ，就可以说两个监测点的环境大体是相关的， 属于等价类，即 R=uf(ui)-f(uj)|(0， ij)。 首先通过原始监测数据求出监 测值分布范围，根据经验大 致确定阈值 。计算所有监测点监测值的两两差值，若差值小于 等于阈值 ，则说明同一小片区域内监测值比较接近，监测值相 差不大的监测点 可归为一类，这样可将所有监测点分 为几个等 级范围。 将某个等级范围内最频繁出现监测值所对应的某个监 测点定义为中心点。 K 均值聚类算法在运算中所需要的初始类 的 个数和每个 初始类的初 始数值就 是每一个中 心点的个 数和 每个中心店

13、的初始数值。 通过粗糙集理论算出所需初始 类的个 数以及每个初始 类的初始均值，这样就大大提高了 选取初始聚 类中心的效率及对于海量数据快速处理的数据精准度。 然后便 通 过聚类算法 通过根据每 个监测点 监测出来的 污染程度 或者 废气排放量来对 每个监测点进行聚类，将污染程度和 废气排放 量在一定的值范 围内归为一类，这一类的监测点的 污染情况基 本相同。 通过这种方法就能够在有效降低计算量的同时还能够 准确的区分出每 一类的污染程度，对于不同的污染 程度采取不 同的措施，大大加强了监测的效率和精准性。 下面给 出具体的 算法。 基于粗糙集的聚 类算法如下： 1.设定要分类的类数 C； 2

14、.将粗糙集理论提供的 C 个中心点作为初始类的类心； 3.将所有监测点按照与类心监测值差值最小原则划分成 C 类； 4. 按 3 的分类重新计算 各类类心 （各类 样本的算 术平均 值）； 5.判断 4 计 算的类心与上一次计 算的类心是否相 同，相同 则分类结束，否则转 3 继续。 以上聚类过程结束后，以聚类中心监测值作为该 类最终监 测值。 在通过对 以上算法的分析后，我们可以发现 随机选取聚 类的 中心点和个数要比 基于粗糙集理论 的 K 均值聚类 算法的 运算量多。 不仅如此，基于粗糙集理论的 K 均值聚类算法在分 CO MP U TER 类精度和准确度等方面也有较大的提高。 在运用了

15、粗糙集理论 和 K 均值聚类算法的基 础上，我 们在废气监测 中，通过对每 一 个聚类中心的废气排放量来进行划分等级，进而对每个监测 点 的中心进行归类以及评价。 最后再通过 GIS 在地图上标识好每 个监测点的废气排放等级，达到直观反应出每个监测点废气 排 放的排放情况。 4 废气监测系统的体系结构设计 目前，物联网 的发展形式 多样，由于物 联网的结 构复杂 以 及多样的 形式，所以在很多方面物联网的运用都很广泛。 由 于 物联网在运用的过程中会进行数据的采集、 传输 以及处理，所 以在物联网的系统结构中一般分成三层：感知层、网络层、应 用 层。 在我们所研究的废气监测系统中，在每个监测点

16、、一些敏感 地带或者人群居住区布置相关的废气气体传感器进 行测量，这 就是感知层。 在对废气排放程度进行测量时设置一个 阈值，当 废气中有毒气体或者有害气体超出了阈值，感知层就会将传 感 器测量出来的数据上传到网络层，简而言之也就是信息的传 输 这一环 节被称之为 网络层。 信息通过网 络层 的传输 到达应用 层，通 过应用层中事先设置好的相关程序来进行执行对应的 命 令来对传输过来的信息进行处理。 根据模块化的设 计思想，我 们对废气监测系统体系结构进行设计， 系统结构如 图 1 所示。 整个系统可以将其分为两个子系统：现场监测子系统和数据 分 析子系统。 图 1 系统结构 现场监测 子系统

17、由数 据采集、参数 设置、数据传 输等模 块 组成。 首先在数据的采集和接受方面，我们在向传感器器发 送 采集和接受命令的时候主要运用的是数据采集模块。 通过对现 场机的配置信息进行设置来完成参数设置模块的 功能。 在现场 监测子系统中，我们对废气的监测主要采用的是无线传感器 节 点。 在运用的众多传感器节点中，每个节点都包含了 4 大模块。 首先需要一个能量供应模块来对传感器进行必要的 能量供应， 然后是传感器模块来对废气的指标进行测量，然后传到处理 器 模块来对测量的数据进行简单的处理。 最后，再传到无线收 发 模块来将测量出来的数据传输到网络层，同时无线收发模块 还 可以接 受命令然后

18、通过处理器 模块来对 传感器模块 进行实时 控制。 所以能量供应模块、传感器模块、处理器模 块、无线收发 模块就是每个传 感器节点的四大模块，如图 2 所示。 无线传 感 器节点之间自己组织形成无线 多跳 Zigbee 网络，进而由 汇聚节 点采集传感器节点所测量到的废气数据，然后网关再接收汇 聚 节点的信息，数据分析子系统就可以接受由网关对接收到的 数 据进行协议转换之后所形成的数据信息。 2018 年 第 3 期 福 建 电 脑 37 福 建 电 脑 图 2 监测节点结构示意图 FU J IAN CO MP UT ER 息。 用户利用综合查询模块和数据管理模块获取环境信息。 5 结论 物联

19、网技 术是一种集 成了传感 器、嵌入式、因特 网的全 新 的数据信息获取和智能处理的技术。 随着时代的发 展，物联 网 技术也越来越成熟，在传感器等监测的研究方面提供了有效 的 手段。 本文将物联网应用到废气监测，提高了对废气监控的 能 力。 运用物联网技术监测对人类和环境有影响的 各种废气的排 放量并根据所监测出来废气质量的变化，为居住环境以及自 然 环境、废气管 理等方面都 可以提供很 多重要的 数据、为研究人 数据分析子系统由数据传输、数据管理、环境预报警、系统 控制、综合查询等模块组成。 我们对每个模块进行 了明确地分 工，根据每个模块的需求来进行相关的设计。 在存储、管理传感 器 所

20、监测到的 信息时，我们主 要通过使 用 GIS 技术；在通 知废 气监测状况的时 候我们主要会运用到短信发送的方式，来达到 24 小时监控废气排放的效果。数据分析子系统中的数据传输模 块负责建立现场 机和监测平台间的连接，通过连接 实现采集数 据和控制命令下达。 为保证传输命令的正确性、可靠性，数据分 析子系统采用 TCP 协议用于和现场监测子系统的数据传输。 系 统控制模块负责 分析、执行控制命令。 数据管理模 块负责对数 据库的读写操作 ，完成数据的添加、删除、修改和查 询。 在对监 测 到的数据 进行分析处 理这一方面 我们主要是 通过环境 预报 警模块。 其中，报 警模块对采集的污染指

21、标值进行计算，判断监 测点是否出现超 标现象， 如果某污染指标值超出它的阈值，则 对监测点进行报 警，使监测人员能够对环境污染突发 事故作出 有效、及时的处理。 在监测的过程中，我们采用以小时为计算的 时间间隔。 因为 为了能对废气监测达到更好的精准度，实时监 测间 隔的时间 是很短的，这就 直接导致了 数据量很 大，所以我 们采用 计算每小时废气排放的平均值，对每小时的 废气监测数 据平 均值进行 判断，如果一段 时间内持续 超标了，那么 就会启 动 报警模块，通过 短信的方式 来进行 报警 ，并 且将相关 数据呈 现在管理人员收到的短信中。 为了对监测点污染值的变化进行 发展趋势的预测 ，

22、我们还特意设置了预警模块来达到 提前预警 的目的。 评价模块主要就是通过监测点的废气监测数据来给每 个监测点的废气排放的等级进行划分或者评价。 这一模块通过 聚类算法对每个 监测点的数据进行分类，再对每一 个类别进行 评 价，得到每个监 测点的评价 等级，进而在 GIS 上直观的 表现 出每 个监测点 的评价等级 ，让 监测人员更 好、更直观地 了解废 气排放情况。 整个系统关键模块之间的联系如下。 首 先命令先进入数据 传输模块，然后命令通过数据传输模块传输进来到达 对应的控 制模 块，控制模块在 收到命令进 行分析处 理之后，会将相 应的 参数传输给参数 设置模块，参数设置模块通过这些参

23、数向数据 传输模块发出相应的采集命令。 数据传输模块还会将相应的数 据传给数据管理 模块，经过预先设计好的程序再传给 环境预报 警模块，然后分析传输过来的数据进行相应的报警或 者预警信 员在保护环境方面和研究生态环境、工厂排污超标等方面提 供 更多依据。 在一些工厂的废气排放口或者是在研究生态环境 的 地方布置相应的 废气监测点，然后通过废气监测系统进行数 据 的采集、数据 传输，再通过粗 糙集算法来 对采集到 的数据进行 处理分析，最后以直观的形式传给相应的人员进行查看。 基 于 聚类算法和物联网技术的废气监测系统具有完备的数 据采集、 传输 、分 析处理 等能力 ，应用 广泛，给 监测 人

24、员带 来更 大的 便 捷，让监测更加方便 、智 能、简便，为环境 污染、环境保护 、污 染 治理等方面提供了更多的数据和科学支持，更能全面地科学 地 掌控环境的实况，有效地针对污染治理实施更加科学的举措。 参考文献： 1 Inge Gronbak Architecture for the Internet of Th ings (IoT )：APIand Interconnect C 2008 Seco nd International Con ference on SensorTech- nologies and Applications U SA： IEEE Computer Societ

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