京津冀協同治理空氣污染的對策研究

朱美玲 張宸瑜 劉釗

摘要：針對滄州地區空氣污染情況，本文利用空氣質量監測站以及其歷史數據，基于聚類算法挖掘滄州地區空氣污染物關鍵傳播路徑。在關鍵傳播路徑的基礎上去獲得滄州地區空氣污染物的傳播規律，采取相應的有效的治理措施，從而達到提高滄州地區空氣質量的目標。

關鍵詞：區域協同;關鍵傳播路徑;CFAP聚類算法

1、引言

近年來隨著京津冀一體化不斷深入發展，環境問題日益凸顯，隨著工業化的發展，更導致空氣質量下降。然而，隨著人民物質生活的富足，人們更關注生存質量。所以京津冀區域間的空氣污染協同治理就尤為重要了。京津冀區域空氣質量狀況日趨下降，污染程度在周邊地區也不同。研究表明，空氣污染物傳輸存在協同性和同步性的特點在區域之間，污染了一個地區以后，很快也會污染到相鄰區域，并且程度不一樣。這就說明某區域空氣質量狀況是由本地污染源以及其他地區污染物排放傳輸共同作用的結果，基于此，本文基于已有的空氣質量監測站，采用氣象監測站歷史數據去搭建一個空氣污染物傳播分析平臺，通過數據呈現的污染物的傳輸規律進行分析，從而去挖掘出有效的空氣污染物關鍵傳播路徑，在傳播路徑上多城市多區域協同控制，合理設置空氣質量監測站，進行區域聯防，及時阻斷傳播鏈。一定程度上促進京津冀周邊區域空氣污染的防治和空氣質量的改善。

2、本文研究的背景和意義

近年來，京津冀一體化受到了學術界的廣泛關注，除了經濟等一體化，人們也認識到了京津冀環境協同治理的重要性。2019年6月5日，生態環境部發布《中國空氣質量改善報告（2013-2018）》。報告表明，2018年空氣污染物平均濃度比2013年下降了48個百分點。這歸功于京津冀地區采取了一定的區域聯防，使得環境空氣質量總體改善，對一些諸如北京、唐山等重點區域有了明顯改善，盡管環境空氣質量取得了一定的效果，但理論研究針對該模式還不夠豐富和深入。本課題對此進行了研究，對于豐富區域聯防聯控模式的研究具有重要的理論意義。

本研究利用大數據挖掘分析空氣復合污染物的規律和特點。首先針對實現京津冀環境協同治理的目標，去加強京津冀區域空氣生態環境協同治理的發展，和治理的動力。其次其關鍵傳播路徑的這一挖掘結果可以作為各領域人士從不同地域、不同海拔高度等角度出發，作為其研究的理論依據和素材，從而實現綜合治理京津冀區域，并取得京津冀地區的全面發展。

3、本文研究的主要內容

聚類算法是本文研究的重點。基于此，本文做出了兩次遞進的改進聚類算法。本文提出通過計算傳播路徑的標準互信息的一種IAP聚類算法。這種改進的方法，主要就是忽略一些作用不大的離群點，剩下的聚類中心即為空氣污染物的關鍵傳播路徑。本文又采取了通過運用Concurrent.Futures并行開發框架技術，對算法進行并行優化。把這一改進的IAP聚類算法稱之為CFAP聚類。它可以合理控制聚類粒度輸出，還可以提高算法的時間復雜度，從而提高算法的運行速度。

4、 本研究的具體挖掘技術

（1）建立空氣污染物傳播網絡模型

①有向加權復雜網絡結點定義：應用圖論知識，抽象網絡結點。把京津冀區域內的所有的空氣質量監測站點抽象為圖論結點。

②有向加權復雜網絡邊定義：應用圖論知識，定義網絡路徑。為了確定空氣污染物的來源和傳播的方向，建立有向圖理論，即網絡圖的邊為有向邊，帶箭頭。根據歷史數據采取一個有效的綜合指標來反映任意兩個站點之間的空氣污染物的擴散能力。傳播路徑由有向邊描述，指的是兩個站點之間的污染物擴散能力最大。

③有向加權復雜網絡邊權重定義：綜合考慮影響空氣污染物傳播的因素，可動態添加。比如區域地理位置、當地的氣象情況、海拔高度、空氣濕度以及空氣濃度差等等。

5、 總結與展望

本文為解決空氣質量問題，采用數據挖掘技術去挖掘京津冀周邊區域空間監測站關系網絡中的主要傳播路徑，主要是對歷史數據進行空氣污染物傳播的特性和規律進行研究和分析。本文雖然改進了挖掘算法中的關于時間和速度的問題，但是由于空氣質量的不穩定性，仍然需要不斷地進行修正和完善：如空氣污染物傳播受海拔因素的影響很大，因為隨著海拔高度的不同，氣壓不同使得空氣流動速度不同;再比如氣象因素也是影響空氣污染物傳播的重要因素。可以將本文提出的方法應用在全國不同的區域，去探究不同的海拔高度、不同的氣候對普適空氣污染物傳播網絡的影響;聚類質量更進一步的提高等等。

總之，挖掘污染物關鍵傳播路徑通過準確合理地研究污染物的傳播特性來實現是非常重要的。挖掘出關鍵路徑后，就可以在關鍵傳播路徑上設置空氣質量監測站。利用監測站數據及時發現問題，及時阻斷空氣污染物的擴散，可以有效地進行京津冀空氣污染物的地區區域聯防，從而協同治理，最終不斷的改進和完善解決區域空氣質量的問題。

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[5]朱美玲，張宸瑜，孫煦驕.CFAP聚類算法對污染物關鍵傳播路徑的挖掘研究[J].造紙裝備與材料，2020，49（5）：94-96.

課題項目：河北省滄州市2022年度滄州市科技創新研究課題《京津冀協同治理空氣污染的對策研究》（課題編號：CZKX2022080）研究成果

作者簡介：朱美玲（1983-5），女，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計算機相關、數據挖掘

張宸瑜（1992-），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，助教，主要研究方向：人工智能以及數據挖掘分析研究

劉釗（1992-），男，漢族，河北滄州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計算機科學與技術