環境保護中環境監測的多智能體方法

史艷杰， 秦俊杰

(1.長治市生態環境局高新區分局，山西 長治 046000;2.長治市生態環境局潞州區分局,山西 長治 046000)

引 言

保護環境是當下最關注的問題之一，一些學者提議使用不同的技術來管理來自環境傳感器本身的大量數據，其中包括采用機器學習、統計學習或強化學習等[1-2]。然而，環境監測是一個復雜的系統，由相互交織的代理交換信息組成，部分自主地和部分協調地行動，并沒有得到關注[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合同提供環境方面的數據收集[4]。然而，由于近年來人們對環境監測的關注不斷增加，要繼續提供這種水平的服務就非常困難[5]。

多智能體系統模型的一般體系結構用于環境監測、設計實施和維護問題。過渡模型可以用來實現這些復雜的架構，這些架構在世界范圍內的環境保護機構中是普遍存在的。因此，本文提出了一種更可靠、更易于管理的體系結構過渡的方法，并為其設計模式。

1 環境監測基礎設施水平

環境監測傳感器網絡的結構在不同的地點和時期有很大的變化，這取決于技術的發展和對污染性質及其影響的敏感性，本文提供一種抽象的合成數據流的系統架構技術。

環境監察工作的主要目的可歸納為三大類：

1) 確定工廠、養殖場、耕作、城市居民點、廢物收集、處置和改造、運輸等活動的影響；

2) 識別在監測區域是否出現未經授權的活動或潛在非法行為[1]；

3) 監控天氣狀態，用于提供天氣預報。

因此，通過以上分類，可以在時間路徑上識別監測活動，從環境中揭示一組特定的數據，并生成警報或新聞；在一個連續的基礎上的活動或從一個特定的角度提供關于環境狀態的信息；這些活動旨在特定時刻、特定位置揭示環境中的某些東西。通常，上述活動是通過一種典型的調查儀器來進行。

1) 特定的傳感器網絡，用于監控一個或多個特定的環境值，包括氣壓、空氣濕度、雨、雪、高度、PM2或PM5污染粒子的存在、風速和風向、水流速度、水污染等多種類型；

2) 本地SCADA系統解釋數據，用于提供數據包并將它們發送到網絡，

3) 將數據從傳感器傳輸到網關的天線，用于提供向數據中心添加數據所需的存檔活動；

如圖1所示，描述環境監測系統(EMS)的數據流。如第232頁圖2所示，為EMS的通用架構模式。

圖1 環境監測系統(EMS)的數據流

圖2 EMS的通用架構模式

2 當前環境監測體系結構存在的三個主要缺陷

2.1 特殊用途的網絡服務

采用這種網絡服務，速度是第一個限制。在環境監測傳感器所處的地區，目前能夠通過現有的物聯網基礎設施來保證連接，但過程相當復雜；另一方面，在當前最常見的配置中，傳感器數據的絕大多數通信中使用特定的非標準協議，通過在物聯網中使用的ISO/OSI協議層次結構，降低了數據的可控性。

2.2 數據標準化

在描述環境狀況方面引入一個目前還沒有納入環境分析范疇的通用標準，引入通用標準后能夠在數據存儲、交換、比較和一般的文檔處理中制定一個標準，也可以用于數據標準化之外的工作流程標準化[2]。

2.3 集中架構

一個或一組傳感器無法實現數據的精確采集，盡管在許多情況下自動化是有可能實現的。當采用這種架構時，環境狀態、緊急情況或其他情況的通信是無法實現的。

3 環境監測中的多智能體方法

如圖3所示，為未來EMS架構。

圖3 未來EMS架構

3.1 物聯網技術

目前在大多數已部署的環境監測技術的基礎設施構成，包括傳感器、PLC、SCADA、數據庫、應用程序、物聯網技術、高速以太網連接[3]。

物聯網支持基礎設施的引入也使傳感器故障或連接中斷的管理變得更容易。事實上，目前的架構在PLC處理方面通常是被動的，用于數據傳輸服務，因此天線通常被作為純連接方式進行管理。

3.2 用于數據、服務和服務水平協議的本體

對實驗室數據標準化進行了研究，尋找一種用于實驗室環境的分析方法，該方法有以下幾個方面特點：

1) 分析類型的分類，包括揭示屬性的方法、標準值、法律限制和測試其他方面，包括診斷過程的本體結構；

2) 系統中提供的服務的分類，特別是為連接到應用程序的公開數據的web服務[4]。

3.3 采用多智能體系模式

在多智能體系模式中，為了避免分布式計算常使用系統協調方法，由單個智能體自主決策。當某種裝置通過促動器連接起來時，達到觸發的條件，是典型的數據密集型技術，特別是文檔系統和實驗室信息管理系統。

3.4 多智能體環境監測技術實現方法

多智能體環境監測技術實現方法，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有的傳感器，以保證信號處理的一致性、互聯網連接的有效性、措施的精度、召回率和準確性[5]。

第二步：更換PLC。混合計算技術被連接到傳感器，該技術可以用高級編程語言編程，不需要復雜的接口就可以連接到互聯網；

第三步：采用“互聯網無處不在”的模式。通過直接和替代重疊技術與互聯網連接，以保證在系統正常工作和連接斷開時的連接；

第四步：引入遠程SCADA技術，數據存儲在云端，可以通過任何網絡連接訪問。

第五步：采用MAS模式，配有決策支持軟件和本地智能接口。啟用基礎設施級別的轉變是由ONTO-PLC方法論驅動的。

第六步：引入執行器接口。當驅動器可用時，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。

第九步：采用文檔技術。

多智能體環境監測技術實現方法，如圖4所示。

圖4 多智能體環境監測技術實現方法

4 結語

通過討論一種基于人工智能和物聯網的環境監測數據采集、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機是需要提高環境監測的效力、效率和互操作性，同時保證其在經濟方面的可持續性。