高空智能環衛巡查及預警系統設計與仿真

焦方源　李薇

摘要：針對現代智慧城市中多功能園區環衛信息采集與狀態預警智能化亟待提高的現實問題，本文以高空環衛信息智能采集與狀態預警過程為研究對象，運用分類感應與綜合決策的判定原理，提出了多功能園區環衛參數設置與狀態信息計算及更新方法;設計了多功能園區環衛特征信息智能采集與狀態預警方案;并以生產、辦公、居住和商貿等功能相結合的多功能園區為分析模型，運用Matlab仿真平臺對主要環衛特征信息參數及狀態預警過程進行了仿真分析。結果表明，本系統能夠準確捕捉多功能園區主要環衛特征信息，并通過適時計算、分析和判斷發出環衛狀態預警，實現了多功能園區環衛信息采集與狀態預警過程的智能化。

關鍵詞：多功能園區;環衛信息;智能采集;狀態預警;仿真分析

中圖分類號：TP277? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0266-04

Abstract： Aiming at the practical problem that environmental sanitation information collection and state warning intellectualization should be improved urgently in multi-functional Park of modern intelligent city， this paper taked the process of intelligent environmental sanitation information collection and state warning carried by UAV as the research object， and put forward the environmental sanitation parameter design of intelligent park based on the principle of classification induction and comprehensive decision-making， designed the scheme of environmental sanitation characteristic information intelligent collection and early warning in intelligent park. taking the typical multi-functional park， which combines production， office， residential and commercial functions， as the model， this paper simulated and analyzed the typical state early warning process by using MATLAB simulation platform. The results show that the system can capture the typical environmental sanitation information of the multi-functional intelligent park accurately， and send out the state warning through timely calculation， analysis and judgment， so as to improve the intelligent level of environmental sanitation information collection and state warning process of the multi-functional intelligent park.

Key words： Multifunctional Park; Sanitation information; Intelligent collection; State Early-warning; Simulation analysis

隨著人工智能技術為核心內容的智能信息化建設在世界各國不斷深入推進，作為智慧城市核心內容的多功能園區建設與管理模式探索與研究成了新的時代課題和研究領域。耿丹、徐大成等人對多功能園區的結構及發展模式等問題進行了一定程度的研究，并強調了多功能園區在提升工作效率和經濟效益中的重要作用[1-2];徐艷艷等人對多功能園區信息系統結構、任務和特點等領域進行了論述[3-5];陳瓏凱、李敏等人對態勢感知及其系統、園區環境、大氣條件及其感知網絡等領域進行了分析和論述[6-8]，但是他們都未曾述及以無人機為載體和智能信息感知為基本特色的高空智能巡查及預警技術在多功能園區環衛狀態預警中的應用，學術上僅有極少數人對以智能感應與人工智能技術相結合為特色的多功能園區環衛狀態信息智能采集、計算、狀態判定與預警相關領域進行深入研究?；谏鲜鲈?，本論文著重對以無人機搭載的多功能園區環衛信息智能采集、巡查與狀態預警系統（下文簡稱高空智能環衛巡及預警查系統或本系統）在多功能園區環衛特征信息感知、計算、判定及狀態預警等相關領域進行探索研究，并對其關鍵環衛狀態指標及預警過程進行仿真分析，藉以提升多功能園區環衛狀態信息處理及預警過程智能化水平。

1 多功能園區環衛特點與狀態參數設置

現代多功能園區絕不是功能單一的特定區域，而是集辦公、居住、商貿、綠化、風景和生產等功能于一體的多功能區域，其環衛特征信息與小型城鎮完全相同。多功能園區環衛特征信息采集與狀態預警的過程，就是對當前空域中的環衛指標參數傳感測量、適時傳輸、優化處理并與相應的標準數據信息進行對比分析，及時發出相應狀態預警信息的過程[9-11]。本文根據環衛特征信息采集、計算、判定及預警過程的需要，對多功能園區環衛特征信息參數作如下設置和定義，分別如表1和表2所示。

定義1：子域：為準確獲取環衛特征信息，將被測空域合理劃分而成的微小空間區域;而且整個被測空域可以看成按照感應測量的先后順序，由許多子域構成的特殊序列。每個子域的環衛特征信息具有自己相對的穩定性和獨立性。

2 智能巡查方案與環衛信息提取

2.1 智能巡查方案設計

環衛信息智能巡查就是利用無人機搭載主要有害氣體（如天然氣、CO2、CO、SO2等）、溫度、噪聲、光照、粉塵、煙霧等多種類型感應設備，沿既定或隨機決定的巡查路線對多功能園區中的各子域進行適時測量、分析、判定和預警的過程。環衛信息智能巡查方案示意圖如圖1所示。

2.2 環衛信息提取與適時更新

各種傳感器的有效感應區域寬度和有效感應距離是不同的，現選取其最小值作為劃分子域的尺度。假設當前被測空域可被分割為N個獨立子域，每個子域隨機測量Q次，則其中第i個子域，第k次測量獲取的溫度、光照強度、噪聲功率、粉塵濃度、氣體濃度及煙霧濃度等主要環衛特征信息可表示為：

3 環衛狀態分類警示信息獲取

隨著季節的變化環衛狀態也必然不斷變化，被測空域參考標準狀態信息也會呈現出一定規律的變化。為更盡可能準確地獲取正常環衛狀態下被測子域及鄰域標準狀態信息，現規定搭載傳感系統的無人機以每小時30公里（每秒約8.3米）的速度勻速飛行，每秒鐘對各種環衛信息采樣一次，并將其中的連續M次采樣的平均值作為當前被測子域的最佳標準信息。因此，對于第i子域，設過去第j次采樣的溫度、光照強度、噪聲功率、粉塵濃度、氣體濃度及煙霧濃度等主要環衛特征信息可表示為：

將第i子域的[T～cur（i）]、[L～cur（i）]、[N～cur（i）]、[D～cur（i）]、[G～cur（i）]和[F～cur（i）]與相應的標準參考信息[Tsta（i）]、[Lsta（i）]、[Nsta（i）]、[Dsta（i）]、[Gsta（i）]和[Fsta（i）]相比較，如果這些采樣平均值超過相應的參考標準，智能環衛巡查系統將發出第i子域對應環衛狀態的分類警示，并向本系統中“環衛狀態綜合預警”模塊發出對應的類別的環衛警示信息[Tcau（i）]、[Lcau（i）]、[Ncau（i）]、[Dcau（i）]、[Gcau（i）]、和[Fcau（i）]。環衛狀態分類警示流程如圖2所示。

4 多功能園區環衛狀態綜合預警

環衛狀態綜合預警，就是以相應環衛指標平均信息作為參考，將環衛巡查系統得到的適時環衛特征信息與之比較，就當前空域的環衛狀況進行評價，對超出參考標準的多項指標進行警示，并同時發出相應環衛狀態的過程[12]。環衛狀態綜合預警具體實現方法是以表2的適時環衛特征信息為基本數據，運用式（2）～式（14）的計算和更新方法，對當前空域的環衛信息進行統計分析，再將其與本區域相應特征信息參考值相比較，評價當前空域的環衛狀態是否安全，以發出相應的環衛狀態預警信息，其詳細流程如圖3所示。

5 仿真實驗設計與數據分析

5.1 仿真實驗設計

環衛特征信息采集過程就是本系統對特定空域的連續傳感測量過程，因此得到的一系列環衛特征參數采樣值會隨時間不斷變化，具有較強隨機性[13]。但是，其中某一次采樣得到的當前子域環衛特性參數則處于相對穩定狀態，可視為恒定值。于是，現假定當前被測空域被劃分為若干個具有不同特征信息的子域，現對第i子域采樣測量10次（其他子域方法相同，不再重復），得到各種環衛特性信息采樣值如表3所示。將表3中數據經過式（2）～式（14）的計算得到該子域的環衛特征信息平均值，再以各環衛特征參數的子域平均值為仿真對象，通過編寫仿真程序，在Matlab仿真平臺上對環衛狀態特征參數中的高溫報警、光照報警、噪聲報警、粉塵報警、氣體報警和煙霧報警等特征信息參數進行仿真，得到仿真結果圖4和圖5所示。

5.2 仿真數據分析

隨著智能環衛巡查及預警系統在多功能園區上空持續航行，必然會經歷具有不同環衛參數信息的子域，必然會引起環衛巡查系統輸出的環衛特征參數信息必定隨之變化。為正確分析仿真結果，現將采用的環衛特征信息參考值如表4所示。

從圖4和圖5可以看出，當前子域除刺激性氣體項目外，其余環衛參數都已超標，智能環衛巡查及預警系統已經發出了相應的分類警示信號;而且，當前子域中同時發生了高溫報警、光照報警、粉塵達報警、噪聲報警和煙霧報警，按圖3所示綜合預警原理智能環衛巡查及預警系統判定當前子域極大可能發生了火災，于是立即向相應部門發出了火災報警。整個過程中環衛巡查及預警系統輸出的環衛特征信息隨著子域的切換而改變，體現了本系統對環衛特征參數信息感知的適時性。依此原理，本系統通過對各種環衛參數信息傳感測量、融合計算、適時數據分析與智能報警，能及時就火災、聲光污染、水域污染和泄漏污染等多種環衛狀況進行預警，實現了環衛狀態的智能巡查和預警。

6 結論

本論文分析并設置了能夠精確表征多功能園區環衛特征的性能參數;針對高空智能環衛巡查系統在多功能智能園區環衛參數信息采集過程，提出了適時有效的參數更新計算方法;設計了多功能園區環衛智能巡查及預警流程，并通過精確的分析、計算和仿真，證實了本系統能有效提高多功能園區環衛特征信息智能采集與環衛狀態預警過程智能化水平。本系統與地面智能環衛清理系統的有效結合，實現垃圾智能清理、轉運、地面智能擦洗等環衛施工過程的全面智能控制是本系統的進一步完善和研究方向。

參考文獻：

[1]? 耿丹.基于城市信息模型CIM的多功能園區綜合管理平臺研究與設計[D].北京：北京建筑大學，2014.

[2]? 徐大成.基于物聯網和云計算的多功能園區信息系統的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2015..

[3]? 徐艷艷.物聯網時代智慧化園區建設方案的研究[D].西安：長安大學，2014.

[4]? 李耀東， 顧文浩.多功能園區建設探索與研究 [J].電信技術，2018（12）：40-43.

[5]? 鄭赟， 謝述旭.基于物聯網的多功能園區建設探索[J].信息與電腦（理論版），2018（20）：33-36.

[6]? 陳瓏凱. 基于物聯網的化工園區事故態勢感知研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[7]? 周雷雷， 江偉， 王猛，杜詩研.多功能園區規劃方案探討[J]. 物聯網學報，2017，12（1）：72-76.

[8 ]? 李敏.基于物聯網的監控系統研究與應用[D]. 湖北荊州：長江大學，2015.

[9]? 何共建，熊兵，吳開云，賀佐強.面向智慧城市的智能垃圾桶監管系統[J].計算機時代，2018（6）：76-80.

[10]? 蘇文.我國城市智慧環衛的發展現狀及構建對策[J].環境與發展，2018（9）：224-226.

[11]? 焦方源，焦小洋，李薇.農林區域特征信息智能采集與生態預警系統設計與實現[J].西華師范大學學報（自然科學版），2018，39（2）：217-222.

[12] 焦方源，李佳，李薇.流域型災害特征信息提取及動態預警系統[J].計算機應用，2015，35（1）：294-298.

[13] 焦方源，焦小洋，李佳.高層建筑物智能清洗流程設計與過程控制[J].福建電腦，2018（6）：21-24.

【通聯編輯：梁書】