一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法與流程
2023-09-17 09:54:45 1
本發明屬於環保領域，涉及一種環境監測及汙染分析系統及方法，特別是涉及一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法。
背景技術：
隨著經濟的發展，城市人口密度急劇膨脹，環境事故的危害性也日益凸顯，城市環境的實時化、精細化監測已經成為一種迫切的需求。按照環境監測技術的發展趨勢來看，當前常見的定點式環境監測站已經無法滿足城市內的環境監測和預警需求。一方面，固定式環境監測站點的設備雖然精密但是價格較貴無法實現大密度的布設；另一方面，手持式環境監測設備雖然廉價，但是精度和穩定性較差。以汽車、無人機等為載體的移動環境監測技術已經逐漸形成了一種潮流，但是目前常見的實際應用場景多為熱點區域和重大事件，很少涉及到城市的日常監測。這種需求和現狀的矛盾有兩方面原因，一方面是城市範圍廣闊難以形成常態化的密集監測；另一方面是由於城市環境複雜，潛在威脅的空間分布既不均勻也不規則。
技術實現要素：
本發明針對上述問題，提供一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法，以解決城市環境監測理論與現實需求、效益與所需成本之間的矛盾，實現實時化、精細化監測由理論構想到可行方案的一種途徑。
本發明的系統所採用的技術方案是：一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特徵在於：包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；所述環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數採集模塊、通信模塊和定位模塊；
所述移動載體為大氣環境參數採集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；所述大氣環境參數採集模塊通過傳感器採集大氣環境參數；所述通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；所述定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務；
所述環境監測平臺之間或通過統一調配，或通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣汙染現狀。
本發明的方法所採用的技術方案是：一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：基於環境監測作業區域的最小外包正方形建立四叉樹，外包正方形為四叉樹的根結點，四叉樹的深度根據環境監測移動平臺集群實時獲得的監測數據實時變化；
步驟2：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺根據集群監測數據在以下三種狀態之間切換：休眠、運作、應急；
步驟3：環境監測平臺之間或直接進行啟發式互動，或通過中央控制模塊統一下達指令；
步驟4：規劃四叉樹的生長機制；
步驟5：規劃四叉樹的消亡機制，分析和輸出作業區域的大氣汙染現狀。
與現有技術相比，本發明將環境監測作業區域依據四叉樹（嵌套）劃分為若干區域，系統（集群）的各個環境監測平臺在相應的區域內依據一定法則運行並採集環境參數，根據環境參數的空間分布動態的控制四叉樹的生長和消亡，以調整各個環境監測平臺的運行軌跡和工作狀態，在降低整體系統總消耗的同時減少了潛在的冗餘監測，實現了城市整體環境的常態化監測、環境事故的預警和高危區域的密集監測。本發明技術方案綜合考慮了監測區域的廣闊性和潛在區域的不確定性，為環境監測平臺設計了三種狀態（休眠、運作、應急），利用四叉樹劃分作業區域，兩種機制的反饋式協作實現了設備功能和空間劃分兩個方面的層次化管理：在城市環境處於常態的條件下通過休眠狀態和淺度的四叉樹降低環境監測平臺的運行成本；在某個區域出現環境異常的時候激發最近環境監測平臺，該環境監測平臺以較高運行成本加強該區域的監測密度，同時提高四叉樹在這個區域的深度並激發兄弟結點中的環境監測平臺；這種「集群-四叉樹」協同機制對突發環境變化非常敏感，可以高效調動整體資源對關鍵地區進行高密度環境監測；環境危機解除之後，這種「集群-四叉樹」協同機制也會快速的恢復整個系統的低成本運行狀態。
附圖說明
圖1為本發明實施例方法流程示意圖。
具體實施方式
為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供的一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；環境監測平臺依據一定規則和自身所處狀態在相應的區域內運行，環境監測平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，也可以統一調配。
環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數採集模塊、通信模塊和定位模塊；移動載體為大氣環境參數採集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；大氣環境參數採集模塊通過傳感器採集大氣環境參數；通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務。
當環境監測移動平臺集群中一個或者多個環境監測平臺設置有中央控制模塊時，則通過中央控制模塊控制整個環境監測移動平臺集群，統一調配下達狀態指令、制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣汙染現狀。
當環境監測移動平臺集群中所有環境監測平臺均沒有設置中央控制模塊時，則所有環境監測平臺都根據接收到的周邊環境監測平臺數據自行變更本身的運行狀態，環境監測平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣汙染現狀。
在運行的過程中，環境監測平臺有「休眠」、「運作」和「應急」這三種運行狀態，每個環境監測平臺按照特定規則依據四叉樹劃定的區域進行閉環運動。
傳感器包括二氧化硫傳感器、氮氧化物傳感器、懸浮顆粒物傳感器等，用於測量現場的二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、懸浮顆粒物濃度等大氣環境參數。
移動載體為環境監測平臺、大氣環境參數採集模塊、通信模塊、定位模塊和中央控制模塊提供機動能力和穩定的電力支持（車載UPS）。
環境監測平臺的監測周期是以環境監測平臺一次完整的閉環運動（或者設定一個更大的值）作為一個監測周期，一個周期完成後根據這個周期的監測數據判斷該環境監測平臺所處的狀態。
本實施例的基於四叉樹的作業區域劃分是以作業區域最小外包正方形為根結點構建四叉樹，以規定環境監測平臺的運行區域，四叉樹依據結點中的環境監測平臺數量生長或者消亡以實現「集群-四叉樹」協同。
請見圖1，本發明提供的一種基於四叉樹的多尺度大氣環境監測方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：基於環境監測作業區域的最小外包正方形建立四叉樹，外包正方形為四叉樹的根結點，四叉樹的深度根據環境監測移動平臺集群實時獲得的監測數據實時變化；
實施例中，直接以作業區域的最小外包正方形作為四叉樹的根結點，然後將環境監測平臺分布到根結點的子結點中。具體實施時，本領域技術人員可自行對根結點進行多級劃分，若作業區域為多個不相連的閉合區域，也可將若干結點標註為不用監測的空結點，然後將環境監測平臺分布到相應結點中。
步驟2：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺根據集群監測數據在以下三種狀態之間切換：休眠、運作、應急；
環境監測平臺狀態（即休眠、運作和應急）包含其運動狀態和採樣頻率。實施例中，各個環境監測平臺的初始狀態為運作，較高級狀態為應急，較低級狀態為休眠。具體實施時，本領域技術人員可根據實際需要劃分更多的運行狀態和更複雜的運行規則。
步驟3：環境監測平臺之間或直接進行啟發式互動，或通過控制中心統一下達指令；
啟發式互動，其具體實現過程是：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺的初始化狀態都為「運作」，均勻分布在根節點所對應區域的閉環路徑上，「運作」狀態的環境監測平臺在四叉樹中相應的區域內依閉環路線低速巡航，巡航路徑完成一個閉環之後統計該閉環中所採集到的環境監測數據，若監測數據非明顯異常（判定原則就是檢測值的標準差，通常認為若監測值與平均值的偏移量大於三倍的標準差則認為出現了明顯異常）則該環境監測平臺進入「休眠」狀態，若數據明顯異常（判定原則就是檢測值的標準差，通常認為若監測值與平均值的偏移量大於三倍的標準差則認為出現了明顯異常）則進入「應急」狀態；「休眠」狀態的環境監測平臺停留在原處處於待命狀態，定時啟動環境監測功能，若「休眠」狀態下數據出現明顯異常（判定原則就是檢測值的標準差，通常認為若監測值與平均值的偏移量大於三倍的標準差則認為出現了明顯異常）則進入「運作」狀態；「應急」狀態的環境監測平臺在四叉樹中相應的區域內依閉環路線高速巡航，可喚醒其所對應結點的兄弟結點中的「休眠」環境監測平臺成為「運作」狀態，可以激發其所對應結點的兄弟結點中的「運作」環境監測平臺成為「應急」狀態，被喚醒和激發的環境監測平臺作用範圍為當前四叉樹結點的上級結點。
實施例中，四叉樹結點所對應的閉環路徑即為正方形區域內的一個閉環正方形。具體實施時，本領域技術人員可根據實際路網和其他限制條件制定更加符合實際的路徑。
步驟4：規劃四叉樹的生長機制；
當四叉樹某個葉子結點中的環境監測平臺個數多於一個時，若該結點所對應的空間區域面積大於某預設值則該結點自動生長出四個下級結點；
具體實施時，本領域技術人員可根據實際需要制定更加細緻的四叉樹生長機制。
步驟5：規劃四叉樹的生長機制，分析和輸出作業區域的大氣汙染現狀。
規劃四叉樹的生長及消亡，其具體實現過程是：若某環境監測平臺在監測周期內監測數據在正常範圍內且變化非明顯異常（判定原則就是檢測值的標準差，通常認為若監測值與平均值的偏移量大於三倍的標準差則認為出現了明顯異常），且當前閉環路線所對應的四叉樹結點不是根結點，則刪除其所有子節點；若該環境監測平臺對應的四叉樹結點是根結點則其狀態下調一級，即「應急」調為「運作」，或者「運作」調為「休眠」。
具體實施時，本領域技術人員可根據實際需要制定更加細緻的四叉樹消亡機制。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。