基于DGI—AHP的室內空氣污染檢測和評估系統

杜聰聰 韓鵬飛

摘 要：隨著經濟的發展，人們對居住環境的要求日漸提高，各種裝飾材料被應用于房屋裝修當中，這些材料當中蘊含的有毒物質（如甲醛、苯等）會在日常使用中慢慢釋放出來，對人體產生危害[1]?，F在市面主要的空氣監測裝置測試對象單一，大多只檢測某一氣體;輸出數據單一，數據的可視化不強。針對室內空氣污染的現狀，現提出一種搭載多種氣體污染的傳感器的裝置，檢測CO，NO，甲醛等污染氣體的濃度以及光敏，通風率等室內情況，同時通過傳動裝置檢測不同高度污染濃度，實現了定點、定時和自動化檢測的功能。采用灰度判據（DGI）與層次分析法（AHP）聯合算法，在調查室內基本屬性、污染物濃度后，基于人體個體差異性，以國家標準為參考量綱，給出一個衡量指標。

關鍵詞：室內空氣污染 ?DGI ?AHP VB程序設計

中圖分類號：TH89 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0140-03

室內空氣檢測是針對室內裝飾裝修、家具添置引起的環境污染超標情況進行的分析、化驗的過程且出具國家權威認可（CMA）具有法律效力的檢測報告，根據檢測結果值我們可以判斷室內各項污染物質的濃度，并進行有針對的防控措施。

中國城市居民占不到總人口的一半，但已有2.7億以上居民呼吸的空氣不達標。一些行動不便的人、老人、嬰兒等則可能有高達95%的時間在室內生活。凡是居住在室內空氣已被污染的人，他們的身體時刻都受著傷害。一般來說，慢性中毒很難被人們發現，更容易被人們所忽視，當危害、中毒癥狀轉成病變時人體才有一定反應。

由于室內空氣污染物的種類復雜，濃度有時又比較低，因此對人體健康的影響是長期和慢性出現的。早期可出現眼干、嗜睡、記憶力減退等;長期暴露可出現嗓子疼痛、急性或慢性咽炎等，長久暴露在被污染的環境中將導致肺部和多器官疾病的產生。

一般家庭業主找當地的相關檢測治理公司就可以，但是檢測儀器，設備需要跟公家部門統一，這樣檢測數據才有保障，出具CMA計量認證的報告是一般的公共場所可以用到。

1 系統機械結構設計

1.1 電子鼻傳感器云臺結構包括四幅葉支架、舵機固定盤、旋轉托盤、芯片臺架

四幅葉支架（如圖1指引1）安放MQ傳感器陣列、布置線路及其其他支撐作用;舵機固定盤（如圖1指引2）固定四幅葉支架和舵機盤的安裝;旋轉托盤（如圖1指引3）增大舵機輸出軸的受力面積;芯片臺架（如圖1指引4）芯片的支撐安放。

1.2 機架結構包括門型支撐框架、T型傳動平臺、直線組合絲杠滑臺、主傳動支撐后座

門型支撐框架（如圖2指引6）主要由異型鋁型材20 mm×20 mm搭建而成，主要功能：為動力輸出裝置和傳感器模塊提供支撐作用形狀尺寸如圖所示;T型傳動平臺（如圖2指引9）主要安放舵機的位置，在絲杠的推動下，沿鋁型材的上表面進行滑動;直線組合絲杠滑臺（如圖2指引8）直徑5mm絲杠，聯軸器和直線導軌構成。支撐T型傳動平臺，限制T型傳動平臺的直線運動;主傳動支撐后座（如圖2指引12）主要是提供直流電機和電源模塊的支撐。通過正方形與異型鋁型材固定連接。

1.3 傾角調節器主要是調節門型支撐框架與水平面的角度

傾角桿，主要作為機架的支撐著力點，由鈑金件加工。

制動倒桿盤。當傾角桿角度確定后，由倒桿軸套插入銷軸，固定鎖死。

2 電子系統

2.1 電子鼻工作流程原理（見圖3）

（1）預備過程。確定檢測區域和高度后，調節傾角，通過驅動直流電機，將云臺運送至預期位置。

（2）云臺檢測。開啟傳感器矩陣，舵機旋轉，采集多角度的數據。多個位置高度重復檢測。

（3）微機信息處理 將采集的數據發回主機數據庫，通過軟件調用算法，分析出當前室內的空氣狀況，給出AQI隱患度評分，給出居住建議。

2.2 STMF15單片機簡介

STC15F2K60S2系是高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機[3]。該裝置主要使用的是STC15F2K60S2的8路高速10位A/D轉換接口，作為MQ系列傳感器的模擬量的采集輸出微處理器。按照10位A/D轉換，按照一下公式來計算10-bit A/D Conversion Result：（ADC_RES[7：0]，ADC_RESL[1：0]）=

式子中，Vin為模擬量輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機實際工作電壓，即以單片機工作電壓作為模擬參考電壓。

2.3 MQ傳感器介紹

MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-131臭氧傳感器和MQ-137氨氣傳感器均為MQ系列傳感器。該小節將介紹3種傳感器的性能。

傳感器工作原理及其引腳說明。

MQ元件由SnO2敏感層、微型Al2O3陶瓷管、加熱器和測量電極組成，采用金屬或樹脂封裝。探測范圍：10～1000 ppm。選擇性好，在信號采集的同時自動進行溫度補償，并具有靈敏度高，性能穩定等特點。

求出的氣體濃度為ppm，換算成國家標準污染物濃度的單位，每標立方米的毫克數表示的濃度值（）。

式中：M為污染物的分子量。RS為氣敏元件的電阻，為MQ氣體傳感器的靈敏度。

3 API室內空氣檢測算法

該算法以《室內空氣質量標準》GB/T18883-2002國家標準作為參考標準，主要選取甲醛、CO、NO和O3作為室內空氣的主要的污染，經過傳感器測出當前的空氣組分濃度后，由軟件抓取數據錄入，經過算法運算，分別給出時空系數、流動系數、和本體系數的權重分布，給出一個綜合性的指標AQI（air quality index）為輸出指標，由軟件識別后給出用戶居住建議。

3.1 層次分析法AHP

室內空氣品質的綜合評判是一個難以線性化的問題，復雜性在于選取評判因素的數量多少還有評判因素的量化分析上。

AHP的思想是首先通過建立清晰的層次結構來分解復雜問題，其次引入測度理論，通過兩兩比較，用相對標度將人的判斷標量化，并逐層建立判斷矩陣[4]。層次分析法運用前需要構造層次模型：決策層，中間層（指標層），底層（選擇層）;形成等級層次;然后構造兩兩對比矩陣，進行一致性檢驗;最后得到權重向量。

空氣環境對人體健康的主觀感覺，設定有個等級的劃分，在這里我們就采取層次分析法來將感覺用定量的數據來表達。根據專家模式進行判定后，我們可以得出各層級對于上一級的權重比。

對比矩陣的確定采用一定合理性的專家評分，根據0～9的序列，得出外圍環境布局因素和人體抵抗因素對應的比較矩陣，輸出權重向量（如表1）。關于如何確定aji的值，引用數字1～9及其倒數作為標度。列出了1～9標度的含義。1表示兩個因素相比，具有相同的重要性;3表示兩個因素相比，前者比后者稍重要;9表示兩個因素相比，前者比后者極端重要。以此類推。若因素i與因素j的重要性之比為a_ij，那么因素j與因素i重要性之比為a_ij=1/a_ji。

規定第一、三級的各指標滿分分值為10級。為消除之間的單位不同的差別，根據指標在其領域的影響地位，給出其對應的范圍評級。

二級層評分 ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中j，k為底層指標評分等級。

通過調用Matlab程序，輸入一、二級層評分比較矩陣，得出各層級關系權重如表2所示。

3.2 灰度預測法原理簡介

由于不同化學成分的有害氣體對于人體的危害是不同的，同時危害性還受地域性的影響。然而，其中的關系難以量化表示。因此，采用灰度算法挖掘不同化學成分的有害氣體的危害權重。

灰色關聯分析（Degree of Gray Incidence簡稱DGI），是灰色系統理論的一個分支，應用灰色關聯分析方法對受多種因素影響的事物和現象從整體觀念出發進行綜合評價是一個被廣為接受的方法。

灰色關聯分析法的基本思想是根據各比較數列集構成的曲線族與參考數列構成的曲線之間的相似程度來確定比較數列集與參考數列之間的關聯度，比較數列越相似，其關聯度越大。

利用灰色關聯分析進行綜合評價的步驟如下。

（1）根據評價指標確定評價母參考體系，收集優質室內主因子數據，確定原始評價矩陣及參考數列。由SPSS因子分析，在這里選取沈陽市的n個指標作為參考數列。

（2）假設由m個對象、n個指標構成的評價問題，表示第i個對象第j個指標的指標值，原始評價矩陣為：

，

根據評價目的及指標情況，設定參考數列為：

（3）利用灰色關聯系數公式計算第j個評價指標Yj與最優向量G的關聯系數。

（2）

其中，分別為兩級極小差和兩級極大差，為分辨系數，0<<1，一般取=0.5。

對于不同污染物對于人體健康危害的程度大小衡量，通過當地環保局數據、《統計年鑒》。主要選取沈陽城市2001—2014年度的城市人口、人均GDP、死亡人數、醫療費用支出、甲醛、NO、CO、O3污染物濃度作為數據分析源。采用灰色預測法盡可能得挖掘出不同污染物對于人體健康狀況的影響之間的關聯度。由此來作為二級指標之中的權重分配，分別為。

3.3 化學氣體危害性污染指標

為消除不同氣體的量綱帶來的差異，計算公式如下：

通過相關資料查得某一氣體的安全上限值為，致死量為，則其氣體隱患標度計算公式為：

隱患標度。 ? ? ?（3）

最終，根據表所得表AHP權重比、灰度關聯度以及式（1）（2）（3），代入空氣隱患標度，得出評分值。按照評分等級的不同（見表3），給出居住建議。

4 軟件搭建：電子鼻數據平臺

通過測試軟件與移動云臺的實際連接測試和實驗，搭建軟件系統進行了數據深層次分析，并將應用上述算法給出相應評分。同時，將總工況測量的過程數據和總質量排放結果存貯[2]。在用于向用戶展示所測量結果的軟件部分，選擇了較為簡單并且界面美觀的VB語言來實現。

首先，整個程序共分為兩個大的部分。一個是用于向用戶直觀展示結果的數據圖表部分，這一部分我們通過VB內的Chart控件來實現[7]。這些直方圖會分別展示CO，O3，甲醛，光敏和濕度的值。最后是在對于所讀取的數據進行算法分析后得出AQI的值，并就該AQI指數，對于用戶所在室內環境進行評估，然后給出最終的評估結果。

關于Chart控件：利用系統中提供的IO以及Text函數庫對文件進行讀取之后，將所測量的結果每個日期為一張表，時間作為主鍵，將所有污染物的濃度值存入Access數據庫。對于每一個時間段內不同時間點污染物的數據，先新建一個ChartArea，每個ChartArea對應一個污染物的濃度隨時間變化的圖。而每個ChartArea中的一個直方圖數據對應一個Series。這個Series對應兩個屬性，一橫坐標對應時間點，一個縱坐標污染物濃度的值。在對圖標進行初始化之后，對Series數組進行賦值即可。

5 結語

該算法的特點主要在于：對于難以定量衡量的指標，例如外部局部因素和人體抵抗因素，可以采用層次分析法來比較矩陣。對于不同氣體濃度的指標對于二級因素的重要度采用灰度預測挖掘其中的隱含比重。這與一個城市空氣污染大數據的特征相聯系。對于濃度測定的值，采用隱患標度，用權重比來修正，定量的辨識出空氣質量。

該檢測裝置相比的優勢如下：傳感模塊與傳動部分可拆分，傳感模塊可以單獨作為一個平臺，作為靜態的工作裝置，實現對周圍空氣質量的檢測與評估;多種氣體檢測傳感器組合，較為全面地分析空氣的有害氣體含量;通過串口與計算機通訊，運用分析軟件對數據進行處理，解決單片機運算能力不足、功能擴展性不強的短板;記錄歷史數據，有利于對有害氣體含量的變化趨勢的預測。對居住民的生活健康提供合理建議。

參考文獻

[1] 李文俊.談室內空氣污染與檢測[J].企業科技與發展， 2013（359）：31-33.

[2] 郝麗英.多組分氣體質量分析平臺的檢測系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012：37-38.

[3] 李紅梅，王永峰，朱兆青.基于STC15F2K60S2單片機的多點溫度檢測系統開發[J].福建電腦，2014（9）：19-20.

[4] 左軍.層次分析法中判斷矩陣的間接給出法[J].系統工程，1988（6）：56-63.