環(huán)境保護(hù)中環(huán)境監(jiān)測(cè)的多智能體方法

史艷杰， 秦俊杰

(1.長治市生態(tài)環(huán)境局高新區(qū)分局，山西 長治 046000;2.長治市生態(tài)環(huán)境局潞州區(qū)分局,山西 長治 046000)

引 言

保護(hù)環(huán)境是當(dāng)下最關(guān)注的問題之一，一些學(xué)者提議使用不同的技術(shù)來管理來自環(huán)境傳感器本身的大量數(shù)據(jù)，其中包括采用機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)或強(qiáng)化學(xué)習(xí)等[1-2]。然而，環(huán)境監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由相互交織的代理交換信息組成，部分自主地和部分協(xié)調(diào)地行動(dòng)，并沒有得到關(guān)注[3]。

盡管一些國家采用一些輔助解決辦法，即私人主體通過購買公共服務(wù)合同提供環(huán)境方面的數(shù)據(jù)收集[4]。然而，由于近年來人們對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)注不斷增加，要繼續(xù)提供這種水平的服務(wù)就非常困難[5]。

多智能體系統(tǒng)模型的一般體系結(jié)構(gòu)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)施和維護(hù)問題。過渡模型可以用來實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的架構(gòu)，這些架構(gòu)在世界范圍內(nèi)的環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)中是普遍存在的。因此，本文提出了一種更可靠、更易于管理的體系結(jié)構(gòu)過渡的方法，并為其設(shè)計(jì)模式。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施水平

環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)在不同的地點(diǎn)和時(shí)期有很大的變化，這取決于技術(shù)的發(fā)展和對(duì)污染性質(zhì)及其影響的敏感性，本文提供一種抽象的合成數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)。

環(huán)境監(jiān)察工作的主要目的可歸納為三大類：

1) 確定工廠、養(yǎng)殖場(chǎng)、耕作、城市居民點(diǎn)、廢物收集、處置和改造、運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)的影響；

2) 識(shí)別在監(jiān)測(cè)區(qū)域是否出現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的活動(dòng)或潛在非法行為[1]；

3) 監(jiān)控天氣狀態(tài)，用于提供天氣預(yù)報(bào)。

因此，通過以上分類，可以在時(shí)間路徑上識(shí)別監(jiān)測(cè)活動(dòng)，從環(huán)境中揭示一組特定的數(shù)據(jù)，并生成警報(bào)或新聞；在一個(gè)連續(xù)的基礎(chǔ)上的活動(dòng)或從一個(gè)特定的角度提供關(guān)于環(huán)境狀態(tài)的信息；這些活動(dòng)旨在特定時(shí)刻、特定位置揭示環(huán)境中的某些東西。通常，上述活動(dòng)是通過一種典型的調(diào)查儀器來進(jìn)行。

1) 特定的傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)特定的環(huán)境值，包括氣壓、空氣濕度、雨、雪、高度、PM2或PM5污染粒子的存在、風(fēng)速和風(fēng)向、水流速度、水污染等多種類型；

2) 本地SCADA系統(tǒng)解釋數(shù)據(jù)，用于提供數(shù)據(jù)包并將它們發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，

3) 將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)的天線，用于提供向數(shù)據(jù)中心添加數(shù)據(jù)所需的存檔活動(dòng)；

如圖1所示，描述環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EMS)的數(shù)據(jù)流。如第232頁圖2所示，為EMS的通用架構(gòu)模式。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EMS)的數(shù)據(jù)流

圖2 EMS的通用架構(gòu)模式

2 當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)存在的三個(gè)主要缺陷

2.1 特殊用途的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

采用這種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，速度是第一個(gè)限制。在環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器所處的地區(qū)，目前能夠通過現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施來保證連接，但過程相當(dāng)復(fù)雜；另一方面，在當(dāng)前最常見的配置中，傳感器數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)通信中使用特定的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過在物聯(lián)網(wǎng)中使用的ISO/OSI協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，降低了數(shù)據(jù)的可控性。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

在描述環(huán)境狀況方面引入一個(gè)目前還沒有納入環(huán)境分析范疇的通用標(biāo)準(zhǔn)，引入通用標(biāo)準(zhǔn)后能夠在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換、比較和一般的文檔處理中制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也可以用于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之外的工作流程標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

2.3 集中架構(gòu)

一個(gè)或一組傳感器無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確采集，盡管在許多情況下自動(dòng)化是有可能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)采用這種架構(gòu)時(shí)，環(huán)境狀態(tài)、緊急情況或其他情況的通信是無法實(shí)現(xiàn)的。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)中的多智能體方法

如圖3所示，為未來EMS架構(gòu)。

圖3 未來EMS架構(gòu)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前在大多數(shù)已部署的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成，包括傳感器、PLC、SCADA、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高速以太網(wǎng)連接[3]。

物聯(lián)網(wǎng)支持基礎(chǔ)設(shè)施的引入也使傳感器故障或連接中斷的管理變得更容易。事實(shí)上，目前的架構(gòu)在PLC處理方面通常是被動(dòng)的，用于數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，因此天線通常被作為純連接方式進(jìn)行管理。

3.2 用于數(shù)據(jù)、服務(wù)和服務(wù)水平協(xié)議的本體

對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了研究，尋找一種用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的分析方法，該方法有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：

1) 分析類型的分類，包括揭示屬性的方法、標(biāo)準(zhǔn)值、法律限制和測(cè)試其他方面，包括診斷過程的本體結(jié)構(gòu)；

2) 系統(tǒng)中提供的服務(wù)的分類，特別是為連接到應(yīng)用程序的公開數(shù)據(jù)的web服務(wù)[4]。

3.3 采用多智能體系模式

在多智能體系模式中，為了避免分布式計(jì)算常使用系統(tǒng)協(xié)調(diào)方法，由單個(gè)智能體自主決策。當(dāng)某種裝置通過促動(dòng)器連接起來時(shí)，達(dá)到觸發(fā)的條件，是典型的數(shù)據(jù)密集型技術(shù)，特別是文檔系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)。

3.4 多智能體環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

多智能體環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，步驟如下所示：

第一步：更新傳感器。新一代的傳感器需要替代現(xiàn)有的傳感器，以保證信號(hào)處理的一致性、互聯(lián)網(wǎng)連接的有效性、措施的精度、召回率和準(zhǔn)確性[5]。

第二步：更換PLC。混合計(jì)算技術(shù)被連接到傳感器，該技術(shù)可以用高級(jí)編程語言編程，不需要復(fù)雜的接口就可以連接到互聯(lián)網(wǎng)；

第三步：采用“互聯(lián)網(wǎng)無處不在”的模式。通過直接和替代重疊技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接，以保證在系統(tǒng)正常工作和連接斷開時(shí)的連接；

第四步：引入遠(yuǎn)程SCADA技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，可以通過任何網(wǎng)絡(luò)連接訪問。

第五步：采用MAS模式，配有決策支持軟件和本地智能接口。啟用基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)別的轉(zhuǎn)變是由ONTO-PLC方法論驅(qū)動(dòng)的。

第六步：引入執(zhí)行器接口。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器可用時(shí)，提供與本地MAS的連接。

第七步：引入本體層。

第八步：采用LIMS技術(shù)。

第九步：采用文檔技術(shù)。

多智能體環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，如圖4所示。

圖4 多智能體環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

4 結(jié)語

通過討論一種基于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸和管理的過渡模型。該模型基于多智能體系的模式，采用這種過渡模式的動(dòng)機(jī)是需要提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的效力、效率和互操作性，同時(shí)保證其在經(jīng)濟(jì)方面的可持續(xù)性。