摘　 要：為加強(qiáng)對(duì)污染源的監(jiān)督管理，合理控制環(huán)境污染物總量，快速應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染事件的環(huán)境處置能力，提 出一種基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得大量環(huán)境信息數(shù)據(jù)中隱性知 識(shí)和規(guī)則，達(dá)到挖掘結(jié)果可視化效果，建立監(jiān)控模型，通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，運(yùn)算出污染源的允許排放 總量，在重點(diǎn)污染區(qū)域部署傳感器節(jié)點(diǎn)來檢測(cè)污染排放情況，憑借本地用戶監(jiān)控界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站完成環(huán)境 污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)監(jiān)控準(zhǔn)確性較高，網(wǎng)絡(luò)壽命較長(zhǎng)。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘技術(shù);節(jié)能策略;網(wǎng)絡(luò)功耗;傳感器節(jié)點(diǎn);環(huán)境污染監(jiān)控

　　Abstract: In order to strengthen the supervision and management of pollution sources, reasonably control the total amount of environmental pollutants, and quickly respond to the environmental disposal ability of sudden pollution incidents, this study pro posed a design scheme of environmental pollution monitoring system based on data mining technology. It uses data mining technology to obtain a larre amount of environmental information data, achieve the visualizetion effect of mining regults. It establishes a monitoring model, collects environmental data throuph sensor nodes, calculates the total allowable emissions of pollution sources and deploy sensor nodes in key polluted areas. The pollution emissions were detected and the design of environmental pollutiormonitoring system are desizned with the helo of local user monitoring interface and remote monitoring website, Experimental re sults show that the system has high monitoring accuracy and a long service life.

　　Key words: data mining techrology; energy saving strategy; network power consumption; sensor node; environmental pollu tion monitoring

　　前言

　　近幾十年來，通過不斷出臺(tái)措施，加強(qiáng)環(huán)境質(zhì)量 監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，加強(qiáng)環(huán)境污染治理，恢復(fù)重要功能區(qū) 生態(tài)，環(huán)境質(zhì)量得到了一定程度的改善。 但由于種 種原因，幾十年來，中國(guó)環(huán)境形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，環(huán) 境質(zhì)量惡化的趨勢(shì)沒有得到根本改善，環(huán)境污染和生態(tài)破壞已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因 素。 有必 要 實(shí) 施 應(yīng) 急 控 制， 對(duì) 環(huán) 境 污 染 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控[1] 。 環(huán)境污染信息十分復(fù)雜，在大環(huán)境信息的準(zhǔn) 確獲取和數(shù)據(jù)的歸納和體現(xiàn)中，不同污染因子的比 例、傳遞和變化都存在諸多困難。 上述檢測(cè)手段無 法從大量復(fù)雜的環(huán)境污染信息中快速獲取不同污染 因子之間的關(guān)聯(lián)，監(jiān)測(cè)效果較差，為此，文章利用數(shù) 據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘其隱藏的規(guī)律，直觀得到各種環(huán)境 數(shù)據(jù)的退化規(guī)律和結(jié)果。 同時(shí)采用傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的污染物排放進(jìn)行檢測(cè)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)環(huán)境污染因素實(shí)時(shí)監(jiān)控[2。

　　1基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染源數(shù)據(jù)可視化

　　數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是在大量的數(shù)據(jù)中，應(yīng)用特殊的數(shù)據(jù)處理方法，將隱藏在相關(guān)數(shù)據(jù)中的不被識(shí)別的、尚未被發(fā)現(xiàn)而是實(shí)際存在的知識(shí)和規(guī)則挖掘出來的，利用已知的知識(shí)和規(guī)律來表達(dá)處理過程。得到的數(shù)據(jù)規(guī)則可以用現(xiàn)有的知識(shí)規(guī)則來表示，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)利用數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)功能，對(duì)大量信息進(jìn)行搜索和處理，識(shí)別出相關(guān)數(shù)據(jù)之間的潛在規(guī)律，挖掘出相關(guān)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的重要規(guī)律[1)。該規(guī)律可以提供環(huán)境數(shù)據(jù)的總體特征，描述大量相關(guān)環(huán)境污染情況并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，為生產(chǎn)維護(hù)實(shí)施系統(tǒng)提供重要的數(shù)據(jù)支持，更好地為監(jiān)測(cè)模塊和用戶服務(wù)。

　　同時(shí)也可清晰監(jiān)測(cè)污染程度，了解污染發(fā)展情 況，推動(dòng)制定相關(guān)防治措施，為大規(guī)模環(huán)境污染防治 提供基礎(chǔ)。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，在圖 1 中展現(xiàn)。

　　文章根據(jù)數(shù)據(jù)信息粒度和具體程度的不同，對(duì) 環(huán)境污染數(shù)據(jù)庫及其信息進(jìn)行三維仿真實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)可視化;利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得的大量環(huán)境信息數(shù)據(jù)中的隱性知識(shí)和規(guī)則1。同時(shí)去除其中包含的干擾、冗余信息，使用戶能夠理解和感受到結(jié)果直觀地通過圖形、表格、顏色和虛擬棋擬方法，實(shí)現(xiàn)挖掘結(jié)果的可視化。

　　2環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　2.1監(jiān)控模型構(gòu)建

　　由于污染源十分廣泛，污染檢測(cè)困難性較大。為此接入AAA(Authentiction，Authorization，Accounting)服務(wù)器[5-6)。假定污染環(huán)境容量為H，各污染源的允許排放總量為P，2，，P，滿足以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

　　當(dāng)某一區(qū)域的污染源發(fā)生AP增量時(shí)，根據(jù)適當(dāng)?shù)目偭科胶夂拖鳒p任務(wù)分配模型集成到環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，確保污染容量不超過允許的環(huán)境容量，環(huán)境質(zhì)量處于穩(wěn)定狀態(tài)，確保環(huán)境安全[".。

　　2.2 系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

　　設(shè)定E為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的初始能量值，E為單位時(shí)間的能量消耗。可建立下述模型為：

　　2.3硬件設(shè)計(jì)

　　公共節(jié)點(diǎn)集成了溫度，亮度和化學(xué)成分傳感器這些傳感器負(fù)責(zé)收集環(huán)境污染信息。處理器模塊和通信模塊采用低能耗產(chǎn)品，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的通信能力，公共節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，控制中心對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染排放的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2.4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件部分主要設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸程序，并開發(fā)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境污染的監(jiān)控。環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

　　監(jiān)控中心負(fù)責(zé)向節(jié)點(diǎn)下達(dá)命令。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和節(jié)點(diǎn)的部署，部署完畢后由監(jiān)控中心發(fā)出命令，激活傳感器節(jié)點(diǎn)。通過監(jiān)控中心可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集信息和采集周期，根據(jù)環(huán)境不同，采集周期可設(shè)量為60 min，如果每1min采集一次數(shù)據(jù)，那么會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控中心需要處理的數(shù)據(jù)量過大，將會(huì)嚴(yán)重影響傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至癱瘓。傳輸過程需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以確保網(wǎng)絡(luò)不受攻擊。如果存在未知數(shù)據(jù)或惡意攻擊數(shù)據(jù)包，收集到的數(shù)據(jù)庫將被剔除，有效的數(shù)據(jù)會(huì)通過終端進(jìn)行 顯示和處理，并存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。

　　系統(tǒng)在后臺(tái)建立數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù) 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)回放歷史。 決策支持中心設(shè)置采集樣本 的閾值。 當(dāng)超過閾值時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)將得到優(yōu)化。 決 策中心可以增加和減少監(jiān)控參數(shù)，提高監(jiān)控效率。 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的具體結(jié)構(gòu)在圖 3 中展現(xiàn)。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　為了測(cè)試文章設(shè)計(jì)的面向物聯(lián)網(wǎng)的信息監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)分析。在嵌人式設(shè)備上運(yùn)行QC + + API，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)集成了智能控制Linux內(nèi)核，數(shù)據(jù)輸入通道為四個(gè)采集卡的任意通道。系統(tǒng)調(diào)試設(shè)備為Interpentum Typ3220A隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生器和Openg1 32 PST3202可編程控制器。設(shè)置系統(tǒng)初始頻率為2 kH，來樣間隔為5.2 ms。.

　　設(shè)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度為precision，查全率為recall，F(xiàn)-measure 作為兩者的調(diào)和均值，TP為監(jiān)測(cè)結(jié)果是正確、實(shí)際結(jié)果也為正確的情況，TN為監(jiān)測(cè)結(jié)果是錯(cuò)誤、實(shí)際結(jié)果也為錯(cuò)誤的情況，F(xiàn)P為監(jiān)測(cè)結(jié)果是正確、實(shí)際結(jié)果為錯(cuò)誤的情況，F(xiàn)N為監(jiān)測(cè)結(jié)果是錯(cuò)誤、實(shí)際結(jié)果為正確的情況，各個(gè)評(píng)估指標(biāo)運(yùn)算公式如下：

　　隨著迭代數(shù)量的不斷增加，文章方法綜合檢測(cè) 精度逐漸提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值時(shí)開始緩慢降低，但仍 保持較高的檢測(cè)精度。 這是因?yàn)橥ㄟ^數(shù)據(jù)挖掘能夠 剔除冗余信息，使用于檢測(cè)的數(shù)據(jù)能提供高精度信 息，最終使結(jié)果具有較高可信度。

　　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間對(duì)比分析，具體內(nèi)容如圖 5 所示。

　　分析圖 5 可知，文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)與其他兩種系統(tǒng) 相比而言運(yùn)行時(shí)間最短，內(nèi)存占用較小，可操作性 強(qiáng)，所耗用資源成本較低、連續(xù)工作穩(wěn)定性好、故障 率低等優(yōu)點(diǎn)，能滿足日常應(yīng)用需求。

　　4　 結(jié)語

　　環(huán)境保護(hù)是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障， 世界各國(guó)政府和公眾都意識(shí)到環(huán)境污染對(duì)人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大危害，隨著中國(guó)環(huán)境保護(hù)工 作的深入發(fā)展，對(duì)環(huán)境管理手段提出了更高的要求。 文章提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染監(jiān)控系 統(tǒng)設(shè)計(jì)。 它解決了以往環(huán)境管理系統(tǒng)直觀性差、準(zhǔn) 確性差的問題，實(shí)現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定性、高效率的 污染監(jiān)測(cè)可視化，為環(huán)境影響分析和預(yù)測(cè)提供了及 時(shí)、可靠的信息，能夠針對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)定制有效的防控 措施。 為政府有關(guān)部門決策提供依據(jù)，從而抑制事 故的發(fā)生或減少危害范圍。

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文章名稱： 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)境污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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