基于DGI—AHP的室內(nèi)空氣污染檢測和評估系統(tǒng)

杜聰聰 韓鵬飛

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對居住環(huán)境的要求日漸提高，各種裝飾材料被應(yīng)用于房屋裝修當(dāng)中，這些材料當(dāng)中蘊含的有毒物質(zhì)（如甲醛、苯等）會在日常使用中慢慢釋放出來，對人體產(chǎn)生危害[1]。現(xiàn)在市面主要的空氣監(jiān)測裝置測試對象單一，大多只檢測某一氣體;輸出數(shù)據(jù)單一，數(shù)據(jù)的可視化不強。針對室內(nèi)空氣污染的現(xiàn)狀，現(xiàn)提出一種搭載多種氣體污染的傳感器的裝置，檢測CO，NO，甲醛等污染氣體的濃度以及光敏，通風(fēng)率等室內(nèi)情況，同時通過傳動裝置檢測不同高度污染濃度，實現(xiàn)了定點、定時和自動化檢測的功能。采用灰度判據(jù)（DGI）與層次分析法（AHP）聯(lián)合算法，在調(diào)查室內(nèi)基本屬性、污染物濃度后，基于人體個體差異性，以國家標準為參考量綱，給出一個衡量指標。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣污染 ?DGI ?AHP VB程序設(shè)計

中圖分類號：TH89 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0140-03

室內(nèi)空氣檢測是針對室內(nèi)裝飾裝修、家具添置引起的環(huán)境污染超標情況進行的分析、化驗的過程且出具國家權(quán)威認可（CMA）具有法律效力的檢測報告，根據(jù)檢測結(jié)果值我們可以判斷室內(nèi)各項污染物質(zhì)的濃度，并進行有針對的防控措施。

中國城市居民占不到總?cè)丝诘囊话耄延?.7億以上居民呼吸的空氣不達標。一些行動不便的人、老人、嬰兒等則可能有高達95%的時間在室內(nèi)生活。凡是居住在室內(nèi)空氣已被污染的人，他們的身體時刻都受著傷害。一般來說，慢性中毒很難被人們發(fā)現(xiàn)，更容易被人們所忽視，當(dāng)危害、中毒癥狀轉(zhuǎn)成病變時人體才有一定反應(yīng)。

由于室內(nèi)空氣污染物的種類復(fù)雜，濃度有時又比較低，因此對人體健康的影響是長期和慢性出現(xiàn)的。早期可出現(xiàn)眼干、嗜睡、記憶力減退等;長期暴露可出現(xiàn)嗓子疼痛、急性或慢性咽炎等，長久暴露在被污染的環(huán)境中將導(dǎo)致肺部和多器官疾病的產(chǎn)生。

一般家庭業(yè)主找當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)檢測治理公司就可以，但是檢測儀器，設(shè)備需要跟公家部門統(tǒng)一，這樣檢測數(shù)據(jù)才有保障，出具CMA計量認證的報告是一般的公共場所可以用到。

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 電子鼻傳感器云臺結(jié)構(gòu)包括四幅葉支架、舵機固定盤、旋轉(zhuǎn)托盤、芯片臺架

四幅葉支架（如圖1指引1）安放MQ傳感器陣列、布置線路及其其他支撐作用;舵機固定盤（如圖1指引2）固定四幅葉支架和舵機盤的安裝;旋轉(zhuǎn)托盤（如圖1指引3）增大舵機輸出軸的受力面積;芯片臺架（如圖1指引4）芯片的支撐安放。

1.2 機架結(jié)構(gòu)包括門型支撐框架、T型傳動平臺、直線組合絲杠滑臺、主傳動支撐后座

門型支撐框架（如圖2指引6）主要由異型鋁型材20 mm×20 mm搭建而成，主要功能：為動力輸出裝置和傳感器模塊提供支撐作用形狀尺寸如圖所示;T型傳動平臺（如圖2指引9）主要安放舵機的位置，在絲杠的推動下，沿鋁型材的上表面進行滑動;直線組合絲杠滑臺（如圖2指引8）直徑5mm絲杠，聯(lián)軸器和直線導(dǎo)軌構(gòu)成。支撐T型傳動平臺，限制T型傳動平臺的直線運動;主傳動支撐后座（如圖2指引12）主要是提供直流電機和電源模塊的支撐。通過正方形與異型鋁型材固定連接。

1.3 傾角調(diào)節(jié)器主要是調(diào)節(jié)門型支撐框架與水平面的角度

傾角桿，主要作為機架的支撐著力點，由鈑金件加工。

制動倒桿盤。當(dāng)傾角桿角度確定后，由倒桿軸套插入銷軸，固定鎖死。

2 電子系統(tǒng)

2.1 電子鼻工作流程原理（見圖3）

（1）預(yù)備過程。確定檢測區(qū)域和高度后，調(diào)節(jié)傾角，通過驅(qū)動直流電機，將云臺運送至預(yù)期位置。

（2）云臺檢測。開啟傳感器矩陣，舵機旋轉(zhuǎn)，采集多角度的數(shù)據(jù)。多個位置高度重復(fù)檢測。

（3）微機信息處理 將采集的數(shù)據(jù)發(fā)回主機數(shù)據(jù)庫，通過軟件調(diào)用算法，分析出當(dāng)前室內(nèi)的空氣狀況，給出AQI隱患度評分，給出居住建議。

2.2 STMF15單片機簡介

STC15F2K60S2系是高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機[3]。該裝置主要使用的是STC15F2K60S2的8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換接口，作為MQ系列傳感器的模擬量的采集輸出微處理器。按照10位A/D轉(zhuǎn)換，按照一下公式來計算10-bit A/D Conversion Result：（ADC_RES[7：0]，ADC_RESL[1：0]）=

式子中，Vin為模擬量輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機實際工作電壓，即以單片機工作電壓作為模擬參考電壓。

2.3 MQ傳感器介紹

MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-131臭氧傳感器和MQ-137氨氣傳感器均為MQ系列傳感器。該小節(jié)將介紹3種傳感器的性能。

傳感器工作原理及其引腳說明。

MQ元件由SnO2敏感層、微型Al2O3陶瓷管、加熱器和測量電極組成，采用金屬或樹脂封裝。探測范圍：10～1000 ppm。選擇性好，在信號采集的同時自動進行溫度補償，并具有靈敏度高，性能穩(wěn)定等特點。

求出的氣體濃度為ppm，換算成國家標準污染物濃度的單位，每標立方米的毫克數(shù)表示的濃度值（）。

式中：M為污染物的分子量。RS為氣敏元件的電阻，為MQ氣體傳感器的靈敏度。

3 API室內(nèi)空氣檢測算法

該算法以《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T18883-2002國家標準作為參考標準，主要選取甲醛、CO、NO和O3作為室內(nèi)空氣的主要的污染，經(jīng)過傳感器測出當(dāng)前的空氣組分濃度后，由軟件抓取數(shù)據(jù)錄入，經(jīng)過算法運算，分別給出時空系數(shù)、流動系數(shù)、和本體系數(shù)的權(quán)重分布，給出一個綜合性的指標AQI（air quality index）為輸出指標，由軟件識別后給出用戶居住建議。

3.1 層次分析法AHP

室內(nèi)空氣品質(zhì)的綜合評判是一個難以線性化的問題，復(fù)雜性在于選取評判因素的數(shù)量多少還有評判因素的量化分析上。

AHP的思想是首先通過建立清晰的層次結(jié)構(gòu)來分解復(fù)雜問題，其次引入測度理論，通過兩兩比較，用相對標度將人的判斷標量化，并逐層建立判斷矩陣[4]。層次分析法運用前需要構(gòu)造層次模型：決策層，中間層（指標層），底層（選擇層）;形成等級層次;然后構(gòu)造兩兩對比矩陣，進行一致性檢驗;最后得到權(quán)重向量。

空氣環(huán)境對人體健康的主觀感覺，設(shè)定有個等級的劃分，在這里我們就采取層次分析法來將感覺用定量的數(shù)據(jù)來表達。根據(jù)專家模式進行判定后，我們可以得出各層級對于上一級的權(quán)重比。

對比矩陣的確定采用一定合理性的專家評分，根據(jù)0～9的序列，得出外圍環(huán)境布局因素和人體抵抗因素對應(yīng)的比較矩陣，輸出權(quán)重向量（如表1）。關(guān)于如何確定aji的值，引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標度。列出了1～9標度的含義。1表示兩個因素相比，具有相同的重要性;3表示兩個因素相比，前者比后者稍重要;9表示兩個因素相比，前者比后者極端重要。以此類推。若因素i與因素j的重要性之比為a_ij，那么因素j與因素i重要性之比為a_ij=1/a_ji。

規(guī)定第一、三級的各指標滿分分值為10級。為消除之間的單位不同的差別，根據(jù)指標在其領(lǐng)域的影響地位，給出其對應(yīng)的范圍評級。

二級層評分 ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中j，k為底層指標評分等級。

通過調(diào)用Matlab程序，輸入一、二級層評分比較矩陣，得出各層級關(guān)系權(quán)重如表2所示。

3.2 灰度預(yù)測法原理簡介

由于不同化學(xué)成分的有害氣體對于人體的危害是不同的，同時危害性還受地域性的影響。然而，其中的關(guān)系難以量化表示。因此，采用灰度算法挖掘不同化學(xué)成分的有害氣體的危害權(quán)重。

灰色關(guān)聯(lián)分析（Degree of Gray Incidence簡稱DGI），是灰色系統(tǒng)理論的一個分支，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對受多種因素影響的事物和現(xiàn)象從整體觀念出發(fā)進行綜合評價是一個被廣為接受的方法。

灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想是根據(jù)各比較數(shù)列集構(gòu)成的曲線族與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線之間的相似程度來確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，比較數(shù)列越相似，其關(guān)聯(lián)度越大。

利用灰色關(guān)聯(lián)分析進行綜合評價的步驟如下。

（1）根據(jù)評價指標確定評價母參考體系，收集優(yōu)質(zhì)室內(nèi)主因子數(shù)據(jù)，確定原始評價矩陣及參考數(shù)列。由SPSS因子分析，在這里選取沈陽市的n個指標作為參考數(shù)列。

（2）假設(shè)由m個對象、n個指標構(gòu)成的評價問題，表示第i個對象第j個指標的指標值，原始評價矩陣為：

，

根據(jù)評價目的及指標情況，設(shè)定參考數(shù)列為：

（3）利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計算第j個評價指標Yj與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（2）

其中，分別為兩級極小差和兩級極大差，為分辨系數(shù)，0<<1，一般取=0.5。

對于不同污染物對于人體健康危害的程度大小衡量，通過當(dāng)?shù)丨h(huán)保局數(shù)據(jù)、《統(tǒng)計年鑒》。主要選取沈陽城市2001—2014年度的城市人口、人均GDP、死亡人數(shù)、醫(yī)療費用支出、甲醛、NO、CO、O3污染物濃度作為數(shù)據(jù)分析源。采用灰色預(yù)測法盡可能得挖掘出不同污染物對于人體健康狀況的影響之間的關(guān)聯(lián)度。由此來作為二級指標之中的權(quán)重分配，分別為。

3.3 化學(xué)氣體危害性污染指標

為消除不同氣體的量綱帶來的差異，計算公式如下：

通過相關(guān)資料查得某一氣體的安全上限值為，致死量為，則其氣體隱患標度計算公式為：

隱患標度。 ? ? ?（3）

最終，根據(jù)表所得表AHP權(quán)重比、灰度關(guān)聯(lián)度以及式（1）（2）（3），代入空氣隱患標度，得出評分值。按照評分等級的不同（見表3），給出居住建議。

4 軟件搭建：電子鼻數(shù)據(jù)平臺

通過測試軟件與移動云臺的實際連接測試和實驗，搭建軟件系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)深層次分析，并將應(yīng)用上述算法給出相應(yīng)評分。同時，將總工況測量的過程數(shù)據(jù)和總質(zhì)量排放結(jié)果存貯[2]。在用于向用戶展示所測量結(jié)果的軟件部分，選擇了較為簡單并且界面美觀的VB語言來實現(xiàn)。

首先，整個程序共分為兩個大的部分。一個是用于向用戶直觀展示結(jié)果的數(shù)據(jù)圖表部分，這一部分我們通過VB內(nèi)的Chart控件來實現(xiàn)[7]。這些直方圖會分別展示CO，O3，甲醛，光敏和濕度的值。最后是在對于所讀取的數(shù)據(jù)進行算法分析后得出AQI的值，并就該AQI指數(shù)，對于用戶所在室內(nèi)環(huán)境進行評估，然后給出最終的評估結(jié)果。

關(guān)于Chart控件：利用系統(tǒng)中提供的IO以及Text函數(shù)庫對文件進行讀取之后，將所測量的結(jié)果每個日期為一張表，時間作為主鍵，將所有污染物的濃度值存入Access數(shù)據(jù)庫。對于每一個時間段內(nèi)不同時間點污染物的數(shù)據(jù)，先新建一個ChartArea，每個ChartArea對應(yīng)一個污染物的濃度隨時間變化的圖。而每個ChartArea中的一個直方圖數(shù)據(jù)對應(yīng)一個Series。這個Series對應(yīng)兩個屬性，一橫坐標對應(yīng)時間點，一個縱坐標污染物濃度的值。在對圖標進行初始化之后，對Series數(shù)組進行賦值即可。

5 結(jié)語

該算法的特點主要在于：對于難以定量衡量的指標，例如外部局部因素和人體抵抗因素，可以采用層次分析法來比較矩陣。對于不同氣體濃度的指標對于二級因素的重要度采用灰度預(yù)測挖掘其中的隱含比重。這與一個城市空氣污染大數(shù)據(jù)的特征相聯(lián)系。對于濃度測定的值，采用隱患標度，用權(quán)重比來修正，定量的辨識出空氣質(zhì)量。

該檢測裝置相比的優(yōu)勢如下：傳感模塊與傳動部分可拆分，傳感模塊可以單獨作為一個平臺，作為靜態(tài)的工作裝置，實現(xiàn)對周圍空氣質(zhì)量的檢測與評估;多種氣體檢測傳感器組合，較為全面地分析空氣的有害氣體含量;通過串口與計算機通訊，運用分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理，解決單片機運算能力不足、功能擴展性不強的短板;記錄歷史數(shù)據(jù)，有利于對有害氣體含量的變化趨勢的預(yù)測。對居住民的生活健康提供合理建議。

參考文獻

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