高空智能環(huán)衛(wèi)巡查及預警系統(tǒng)設計與仿真

焦方源　李薇

摘要：針對現(xiàn)代智慧城市中多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息采集與狀態(tài)預警智能化亟待提高的現(xiàn)實問題，本文以高空環(huán)衛(wèi)信息智能采集與狀態(tài)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(qū)環(huán)衛(wèi)參數(shù)設置與狀態(tài)信息計算及更新方法;設計了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息智能采集與狀態(tài)預警方案;并以生產(chǎn)、辦公、居住和商貿(mào)等功能相結合的多功能園區(qū)為分析模型，運用Matlab仿真平臺對主要環(huán)衛(wèi)特征信息參數(shù)及狀態(tài)預警過程進行了仿真分析。結果表明，本系統(tǒng)能夠準確捕捉多功能園區(qū)主要環(huán)衛(wèi)特征信息，并通過適時計算、分析和判斷發(fā)出環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預警，實現(xiàn)了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息采集與狀態(tài)預警過程的智能化。

關鍵詞：多功能園區(qū);環(huán)衛(wèi)信息;智能采集;狀態(tài)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(nèi)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(nèi)容的多功能園區(qū)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(qū)的結構及發(fā)展模式等問題進行了一定程度的研究，并強調(diào)了多功能園區(qū)在提升工作效率和經(jīng)濟效益中的重要作用[1-2];徐艷艷等人對多功能園區(qū)信息系統(tǒng)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(tài)勢感知及其系統(tǒng)、園區(qū)環(huán)境、大氣條件及其感知網(wǎng)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(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預警中的應用，學術上僅有極少數(shù)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(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)信息智能采集、計算、狀態(tài)判定與預警相關領域進行深入研究。基于上述原因，本論文著重對以無人機搭載的多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)信息智能采集、巡查與狀態(tài)預警系統(tǒng)（下文簡稱高空智能環(huán)衛(wèi)巡及預警查系統(tǒng)或本系統(tǒng)）在多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息感知、計算、判定及狀態(tài)預警等相關領域進行探索研究，并對其關鍵環(huán)衛(wèi)狀態(tài)指標及預警過程進行仿真分析，藉以提升多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)信息處理及預警過程智能化水平。

1 多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特點與狀態(tài)參數(shù)設置

現(xiàn)代多功能園區(qū)絕不是功能單一的特定區(qū)域，而是集辦公、居住、商貿(mào)、綠化、風景和生產(chǎn)等功能于一體的多功能區(qū)域，其環(huán)衛(wèi)特征信息與小型城鎮(zhèn)完全相同。多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息采集與狀態(tài)預警的過程，就是對當前空域中的環(huán)衛(wèi)指標參數(shù)傳感測量、適時傳輸、優(yōu)化處理并與相應的標準數(shù)據(jù)信息進行對比分析，及時發(fā)出相應狀態(tài)預警信息的過程[9-11]。本文根據(jù)環(huán)衛(wèi)特征信息采集、計算、判定及預警過程的需要，對多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息參數(shù)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(huán)衛(wèi)特征信息，將被測空域合理劃分而成的微小空間區(qū)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(huán)衛(wèi)特征信息具有自己相對的穩(wěn)定性和獨立性。

2 智能巡查方案與環(huán)衛(wèi)信息提取

2.1 智能巡查方案設計

環(huán)衛(wèi)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(qū)中的各子域進行適時測量、分析、判定和預警的過程。環(huán)衛(wèi)信息智能巡查方案示意圖如圖1所示。

2.2 環(huán)衛(wèi)信息提取與適時更新

各種傳感器的有效感應區(qū)域?qū)挾群陀行Ц袘嚯x是不同的，現(xiàn)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(huán)衛(wèi)特征信息可表示為：

3 環(huán)衛(wèi)狀態(tài)分類警示信息獲取

隨著季節(jié)的變化環(huán)衛(wèi)狀態(tài)也必然不斷變化，被測空域參考標準狀態(tài)信息也會呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化。為更盡可能準確地獲取正常環(huán)衛(wèi)狀態(tài)下被測子域及鄰域標準狀態(tài)信息，現(xiàn)規(guī)定搭載傳感系統(tǒng)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(huán)衛(wèi)信息采樣一次，并將其中的連續(xù)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(huán)衛(wèi)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(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)將發(fā)出第i子域?qū)h(huán)衛(wèi)狀態(tài)的分類警示，并向本系統(tǒng)中“環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預警”模塊發(fā)出對應的類別的環(huán)衛(wèi)警示信息[Tcau（i）]、[Lcau（i）]、[Ncau（i）]、[Dcau（i）]、[Gcau（i）]、和[Fcau（i）]。環(huán)衛(wèi)狀態(tài)分類警示流程如圖2所示。

4 多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預警

環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預警，就是以相應環(huán)衛(wèi)指標平均信息作為參考，將環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)得到的適時環(huán)衛(wèi)特征信息與之比較，就當前空域的環(huán)衛(wèi)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(fā)出相應環(huán)衛(wèi)狀態(tài)的過程[12]。環(huán)衛(wèi)狀態(tài)綜合預警具體實現(xiàn)方法是以表2的適時環(huán)衛(wèi)特征信息為基本數(shù)據(jù)，運用式（2）～式（14）的計算和更新方法，對當前空域的環(huán)衛(wèi)信息進行統(tǒng)計分析，再將其與本區(qū)域相應特征信息參考值相比較，評價當前空域的環(huán)衛(wèi)狀態(tài)是否安全，以發(fā)出相應的環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預警信息，其詳細流程如圖3所示。

5 仿真實驗設計與數(shù)據(jù)分析

5.1 仿真實驗設計

環(huán)衛(wèi)特征信息采集過程就是本系統(tǒng)對特定空域的連續(xù)傳感測量過程，因此得到的一系列環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)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(huán)衛(wèi)特性參數(shù)則處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，可視為恒定值。于是，現(xiàn)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(xiàn)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(huán)衛(wèi)特性信息采樣值如表3所示。將表3中數(shù)據(jù)經(jīng)過式（2）～式（14）的計算得到該子域的環(huán)衛(wèi)特征信息平均值，再以各環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)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(huán)衛(wèi)狀態(tài)特征參數(shù)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(shù)進行仿真，得到仿真結果圖4和圖5所示。

5.2 仿真數(shù)據(jù)分析

隨著智能環(huán)衛(wèi)巡查及預警系統(tǒng)在多功能園區(qū)上空持續(xù)航行，必然會經(jīng)歷具有不同環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息的子域，必然會引起環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)輸出的環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)信息必定隨之變化。為正確分析仿真結果，現(xiàn)將采用的環(huán)衛(wèi)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(huán)衛(wèi)參數(shù)都已超標，智能環(huán)衛(wèi)巡查及預警系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)出了相應的分類警示信號;而且，當前子域中同時發(fā)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(huán)衛(wèi)巡查及預警系統(tǒng)判定當前子域極大可能發(fā)生了火災，于是立即向相應部門發(fā)出了火災報警。整個過程中環(huán)衛(wèi)巡查及預警系統(tǒng)輸出的環(huán)衛(wèi)特征信息隨著子域的切換而改變，體現(xiàn)了本系統(tǒng)對環(huán)衛(wèi)特征參數(shù)信息感知的適時性。依此原理，本系統(tǒng)通過對各種環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息傳感測量、融合計算、適時數(shù)據(jù)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(huán)衛(wèi)狀況進行預警，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)狀態(tài)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(qū)環(huán)衛(wèi)特征的性能參數(shù);針對高空智能環(huán)衛(wèi)巡查系統(tǒng)在多功能智能園區(qū)環(huán)衛(wèi)參數(shù)信息采集過程，提出了適時有效的參數(shù)更新計算方法;設計了多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)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(tǒng)能有效提高多功能園區(qū)環(huán)衛(wèi)特征信息智能采集與環(huán)衛(wèi)狀態(tài)預警過程智能化水平。本系統(tǒng)與地面智能環(huán)衛(wèi)清理系統(tǒng)的有效結合，實現(xiàn)垃圾智能清理、轉(zhuǎn)運、地面智能擦洗等環(huán)衛(wèi)施工過程的全面智能控制是本系統(tǒng)的進一步完善和研究方向。

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【通聯(lián)編輯：梁書】