基于大數(shù)據(jù)分析的大氣污染防治體系研究綜述

余謙

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院湖南株洲412001）

基于大數(shù)據(jù)分析的大氣污染防治體系研究綜述

余謙

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院湖南株洲412001）

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近年來(lái)信息技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。本文介紹了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的大氣污染防治體系，并介紹了該體系的基本組成，關(guān)鍵技術(shù)，及實(shí)現(xiàn)該體系的基本路線。該體系能應(yīng)用于大氣污染治理與監(jiān)控，并具備預(yù)警功能，應(yīng)用后能產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

大數(shù)據(jù)技術(shù)；大氣污染防治；AI決策

1 引言

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)技術(shù)是IT產(chǎn)業(yè)又一次顛覆性的技術(shù)變革。大數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)與利用已經(jīng)在醫(yī)療服務(wù)、零售業(yè)、金融業(yè)、制造業(yè)等行業(yè)廣泛展開(kāi)，并顯示出了其非凡的分析預(yù)測(cè)能力，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)空間。

隨著信息技術(shù)的深入發(fā)展，在區(qū)域性大氣污染防控工作的開(kāi)展中，也產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，此領(lǐng)域也將變?yōu)榇髷?shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的典型領(lǐng)域。近年來(lái)，多個(gè)傳統(tǒng)工業(yè)地區(qū)連續(xù)多日PM2.5指數(shù)“爆表”的狀況已屢見(jiàn)不鮮。大氣污染問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響了人民群眾的生活質(zhì)量，并在全國(guó)甚至國(guó)際上造成了不良影響。因此，對(duì)于大氣污染重災(zāi)區(qū)，相應(yīng)研究與建設(shè)的需求非常緊迫。

傳統(tǒng)的大氣質(zhì)量分析模式是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，這對(duì)大氣污染防控工作的開(kāi)展起到了一定作用，但由于缺乏對(duì)視頻、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析，傳統(tǒng)分析模式具有很大的局限性。大數(shù)據(jù)技術(shù)在處理視頻、語(yǔ)音、文檔、圖片等非文字形式呈現(xiàn)的非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)挖掘、專題分析與預(yù)測(cè)等方面則更加具備優(yōu)勢(shì)。在這樣龐大的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)背后，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，從海量堆積的交互數(shù)據(jù)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)帶有趨勢(shì)性、前瞻性的信息，為大氣質(zhì)量管理提供有效科學(xué)的決策分析，從而有效降大氣污染事故發(fā)生的幾率。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2012年3月美國(guó)奧巴馬政府發(fā)布了“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議”，正式啟動(dòng)“大數(shù)據(jù)發(fā)展計(jì)劃”，計(jì)劃在環(huán)境、科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行突破，大數(shù)據(jù)革命從此拉開(kāi)序幕；英國(guó)政府緊隨美國(guó)之后，從2013年起，英國(guó)政府在農(nóng)業(yè)，醫(yī)療，公共領(lǐng)域全面使用大數(shù)據(jù)技術(shù)；日本近年來(lái)對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)也日益重視。日本的大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，以務(wù)實(shí)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)為主，尤其是在和環(huán)保、交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)結(jié)合方面，均走在了世界前列。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

環(huán)境問(wèn)題是中國(guó)近年來(lái)高速發(fā)展過(guò)程中不可回避的重要問(wèn)題。因此，在大氣污染防控領(lǐng)域運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)在我國(guó)已有相關(guān)案例。2014年IBM與北京政府簽署了合作協(xié)議，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)為政府和企業(yè)決策者提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，以助力北京實(shí)現(xiàn)高精度大氣污染防控。通過(guò)北京政府收集的大量空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，當(dāng)PM2.5濃度上升速度過(guò)快時(shí)，就要采取一些緊急措施：例如關(guān)閉工廠、限制汽車上路數(shù)量或?qū)W校停課等。另外，武漢等大中型城市也已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)課題的研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)分析的大氣污染防治體系所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，一是系統(tǒng)的整體組成與運(yùn)行，二是實(shí)現(xiàn)該體系的技術(shù)路線。

3.1 系統(tǒng)組成

基于大數(shù)據(jù)分析的大氣污染防治體系的核心為AI決策型大氣污染預(yù)警系統(tǒng)，其組成基于傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，AI技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等前沿技術(shù)，并將其有機(jī)整合。該系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、

AI決策、趨勢(shì)分析、應(yīng)用拓展等功能。其整體與單元架構(gòu)如下。

3.1.1 整體框架

AI決策型大氣污染預(yù)警系統(tǒng)組成框圖1所示，該系統(tǒng)由物理層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、模型庫(kù)與AI決策層、UI界面組成，系統(tǒng)具備API接口，可對(duì)外進(jìn)行功能擴(kuò)展。

3.1.2 物理層組成

AI決策型大氣污染預(yù)警系統(tǒng)的物理層以傳感器節(jié)點(diǎn)為基本組成單元，同時(shí)還包括與本系統(tǒng)兼容的子系統(tǒng)硬件。物理層的基本功能為采樣數(shù)據(jù)，并以符合系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)框架

數(shù)據(jù)庫(kù)的框架結(jié)構(gòu)為，涵蓋本地區(qū)的關(guān)鍵大氣數(shù)據(jù)，以及與大氣數(shù)據(jù)密切關(guān)聯(lián)的其它數(shù)據(jù)。初步應(yīng)涵蓋的數(shù)據(jù)應(yīng)包括：PM2.5數(shù)據(jù)，工業(yè)污染物排放數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，城市交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，城市居民健康數(shù)據(jù)等。

3.1.4 模型庫(kù)架構(gòu)與API接口

(1)AI決策層：AI決策機(jī)制為AI決策型大氣污染預(yù)警系統(tǒng)的核心功能。其具備自動(dòng)模型匹配與預(yù)判功能，能對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化判斷。(2)模型庫(kù)：模型庫(kù)基于數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)建立各種大氣污染數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)匹配的能力。(3) API接口：API接口為系統(tǒng)的擴(kuò)展接口，通過(guò)該接口，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可應(yīng)用于逐步升溫的智慧化城市管理。

3.1.5 UI界面

UI界面的構(gòu)建基于數(shù)據(jù)圖形化技術(shù)，通過(guò)UI界面，能夠直觀地呈現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)，令決策者能夠形成直觀判斷。

3.2 技術(shù)路線與方法

建立基于大數(shù)據(jù)分析的大氣污染防治體系可采取如下技術(shù)路線加以實(shí)現(xiàn)：(1)樣本分析：通過(guò)實(shí)地調(diào)查，資料查找等形式，對(duì)某一地區(qū)的大氣污染現(xiàn)狀，大氣污染產(chǎn)生原因，大氣污染典型事故進(jìn)行全面調(diào)查，為系統(tǒng)建立提供基本的數(shù)據(jù)支撐。(2)總結(jié)歸納與技術(shù)分析，包括：探討如何構(gòu)建用于大氣污染監(jiān)控的傳感

圖1 AI決策型大氣污染預(yù)警系統(tǒng)框圖