CN106770970A - 一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统及方法，系统包括由若干个可移动环境监测平台组成的环境监测移动平台集群组成；平台包括移动载体、大气环境参数采集模块、通信模块和定位模块；移动载体为大气环境参数采集模块、通信模块、定位模块提供机动能力和稳定的电力支持；大气环境参数采集模块通过传感器采集大气环境参数；通信模块为各个平台提供网络服务；定位模块为各个平台提供定位服务；平台依据一定规则和自身所处状态在相应的区域内运行，平台之间通过无线网络实现启发式互动，也可以统一调配。本发明能有效解决城市环境监测理论与现实需求、效益与所需成本之间的矛盾，实现实时化、精细化监测。

Description

一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统及方法

技术领域

本发明属于环保领域，涉及一种环境监测及污染分析系统及方法，特别是涉及一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统及方法。

背景技术

随着经济的发展，城市人口密度急剧膨胀，环境事故的危害性也日益凸显，城市环境的实时化、精细化监测已经成为一种迫切的需求。按照环境监测技术的发展趋势来看，当前常见的定点式环境监测站已经无法满足城市内的环境监测和预警需求。一方面，固定式环境监测站点的设备虽然精密但是价格较贵无法实现大密度的布设；另一方面，手持式环境监测设备虽然廉价，但是精度和稳定性较差。以汽车、无人机等为载体的移动环境监测技术已经逐渐形成了一种潮流，但是目前常见的实际应用场景多为热点区域和重大事件，很少涉及到城市的日常监测。这种需求和现状的矛盾有两方面原因，一方面是城市范围广阔难以形成常态化的密集监测；另一方面是由于城市环境复杂，潜在威胁的空间分布既不均匀也不规则。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统及方法，以解决城市环境监测理论与现实需求、效益与所需成本之间的矛盾，实现实时化、精细化监测由理论构想到可行方案的一种途径。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，其特征在于：包括由若干个可移动环境监测平台组成的环境监测移动平台集群组成；所述环境监测平台包括移动载体、大气环境参数采集模块、通信模块和定位模块；

所述移动载体为大气环境参数采集模块、通信模块、定位模块提供机动能力和稳定的电力支持；所述大气环境参数采集模块通过传感器采集大气环境参数；所述通信模块为各个环境监测平台提供网络服务；所述定位模块为各个环境监测平台提供定位服务；

所述环境监测平台之间或通过统一调配，或通过无线网络实现启发式互动，制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于环境监测作业区域的最小外包正方形建立四叉树，外包正方形为四叉树的根结点，四叉树的深度根据环境监测移动平台集群实时获得的监测数据实时变化；

步骤2：环境监测移动平台集群中各个环境监测平台根据集群监测数据在以下三种状态之间切换：休眠、运作、应急；

步骤3：环境监测平台之间或直接进行启发式互动，或通过中央控制模块统一下达指令；

步骤4：规划四叉树的生长机制；

步骤5：规划四叉树的消亡机制，分析和输出作业区域的大气污染现状。

与现有技术相比，本发明将环境监测作业区域依据四叉树（嵌套）划分为若干区域，系统（集群）的各个环境监测平台在相应的区域内依据一定法则运行并采集环境参数，根据环境参数的空间分布动态的控制四叉树的生长和消亡，以调整各个环境监测平台的运行轨迹和工作状态，在降低整体系统总消耗的同时减少了潜在的冗余监测，实现了城市整体环境的常态化监测、环境事故的预警和高危区域的密集监测。本发明技术方案综合考虑了监测区域的广阔性和潜在区域的不确定性，为环境监测平台设计了三种状态（休眠、运作、应急），利用四叉树划分作业区域，两种机制的反馈式协作实现了设备功能和空间划分两个方面的层次化管理：在城市环境处于常态的条件下通过休眠状态和浅度的四叉树降低环境监测平台的运行成本；在某个区域出现环境异常的时候激发最近环境监测平台，该环境监测平台以较高运行成本加强该区域的监测密度，同时提高四叉树在这个区域的深度并激发兄弟结点中的环境监测平台；这种“集群-四叉树”协同机制对突发环境变化非常敏感，可以高效调动整体资源对关键地区进行高密度环境监测；环境危机解除之后，这种“集群-四叉树”协同机制也会快速的恢复整个系统的低成本运行状态。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，包括由若干个可移动环境监测平台组成的环境监测移动平台集群组成；环境监测平台依据一定规则和自身所处状态在相应的区域内运行，环境监测平台之间通过无线网络实现启发式互动，也可以统一调配。

环境监测平台包括移动载体、大气环境参数采集模块、通信模块和定位模块；移动载体为大气环境参数采集模块、通信模块、定位模块提供机动能力和稳定的电力支持；大气环境参数采集模块通过传感器采集大气环境参数；通信模块为各个环境监测平台提供网络服务；定位模块为各个环境监测平台提供定位服务。

当环境监测移动平台集群中一个或者多个环境监测平台设置有中央控制模块时，则通过中央控制模块控制整个环境监测移动平台集群，统一调配下达状态指令、制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

当环境监测移动平台集群中所有环境监测平台均没有设置中央控制模块时，则所有环境监测平台都根据接收到的周边环境监测平台数据自行变更本身的运行状态，环境监测平台之间通过无线网络实现启发式互动，制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

在运行的过程中，环境监测平台有“休眠”、“运作”和“应急”这三种运行状态，每个环境监测平台按照特定规则依据四叉树划定的区域进行闭环运动。

传感器包括二氧化硫传感器、氮氧化物传感器、悬浮颗粒物传感器等，用于测量现场的二氧化硫浓度、氮氧化物浓度、悬浮颗粒物浓度等大气环境参数。

移动载体为环境监测平台、大气环境参数采集模块、通信模块、定位模块和中央控制模块提供机动能力和稳定的电力支持（车载UPS）。

环境监测平台的监测周期是以环境监测平台一次完整的闭环运动（或者设定一个更大的值）作为一个监测周期，一个周期完成后根据这个周期的监测数据判断该环境监测平台所处的状态。

本实施例的基于四叉树的作业区域划分是以作业区域最小外包正方形为根结点构建四叉树，以规定环境监测平台的运行区域，四叉树依据结点中的环境监测平台数量生长或者消亡以实现“集群-四叉树”协同。

请见图1，本发明提供的一种基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于环境监测作业区域的最小外包正方形建立四叉树，外包正方形为四叉树的根结点，四叉树的深度根据环境监测移动平台集群实时获得的监测数据实时变化；

实施例中，直接以作业区域的最小外包正方形作为四叉树的根结点，然后将环境监测平台分布到根结点的子结点中。具体实施时，本领域技术人员可自行对根结点进行多级划分，若作业区域为多个不相连的闭合区域，也可将若干结点标注为不用监测的空结点，然后将环境监测平台分布到相应结点中。

步骤2：环境监测移动平台集群中各个环境监测平台根据集群监测数据在以下三种状态之间切换：休眠、运作、应急；

环境监测平台状态（即休眠、运作和应急）包含其运动状态和采样频率。实施例中，各个环境监测平台的初始状态为运作，较高级状态为应急，较低级状态为休眠。具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要划分更多的运行状态和更复杂的运行规则。

步骤3：环境监测平台之间或直接进行启发式互动，或通过控制中心统一下达指令；

启发式互动，其具体实现过程是：环境监测移动平台集群中各个环境监测平台的初始化状态都为“运作”，均匀分布在根节点所对应区域的闭环路径上，“运作”状态的环境监测平台在四叉树中相应的区域内依闭环路线低速巡航，巡航路径完成一个闭环之后统计该闭环中所采集到的环境监测数据，若监测数据非明显异常（判定原则就是检测值的标准差，通常认为若监测值与平均值的偏移量大于三倍的标准差则认为出现了明显异常）则该环境监测平台进入“休眠”状态，若数据明显异常（判定原则就是检测值的标准差，通常认为若监测值与平均值的偏移量大于三倍的标准差则认为出现了明显异常）则进入“应急”状态；“休眠”状态的环境监测平台停留在原处处于待命状态，定时启动环境监测功能，若“休眠”状态下数据出现明显异常（判定原则就是检测值的标准差，通常认为若监测值与平均值的偏移量大于三倍的标准差则认为出现了明显异常）则进入“运作”状态；“应急”状态的环境监测平台在四叉树中相应的区域内依闭环路线高速巡航，可唤醒其所对应结点的兄弟结点中的“休眠”环境监测平台成为“运作”状态，可以激发其所对应结点的兄弟结点中的“运作”环境监测平台成为“应急”状态，被唤醒和激发的环境监测平台作用范围为当前四叉树结点的上级结点。

实施例中，四叉树结点所对应的闭环路径即为正方形区域内的一个闭环正方形。具体实施时，本领域技术人员可根据实际路网和其他限制条件制定更加符合实际的路径。

步骤4：规划四叉树的生长机制；

当四叉树某个叶子结点中的环境监测平台个数多于一个时，若该结点所对应的空间区域面积大于某预设值则该结点自动生长出四个下级结点；

具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要制定更加细致的四叉树生长机制。

步骤5：规划四叉树的生长机制，分析和输出作业区域的大气污染现状。

规划四叉树的生长及消亡，其具体实现过程是：若某环境监测平台在监测周期内监测数据在正常范围内且变化非明显异常（判定原则就是检测值的标准差，通常认为若监测值与平均值的偏移量大于三倍的标准差则认为出现了明显异常），且当前闭环路线所对应的四叉树结点不是根结点，则删除其所有子节点；若该环境监测平台对应的四叉树结点是根结点则其状态下调一级，即“应急”调为“运作”，或者“运作”调为“休眠”。

具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要制定更加细致的四叉树消亡机制。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，其特征在于：包括由若干个可移动环境监测平台组成的环境监测移动平台集群组成；所述环境监测平台包括移动载体、大气环境参数采集模块、通信模块和定位模块；

所述移动载体为大气环境参数采集模块、通信模块、定位模块提供机动能力和稳定的电力支持；所述大气环境参数采集模块通过传感器采集大气环境参数；所述通信模块为各个环境监测平台提供网络服务；所述定位模块为各个环境监测平台提供定位服务；

所述环境监测平台之间或通过统一调配，或通过无线网络实现启发式互动，制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

2.根据权利要求1所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，其特征在于：当所述环境监测移动平台集群中一个或者多个环境监测平台设置有中央控制模块时，则通过中央控制模块控制整个环境监测移动平台集群，统一调配下达状态指令、制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

3.根据权利要求1所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，其特征在于：当所述环境监测移动平台集群中所有环境监测平台均没有设置中央控制模块时，则所有环境监测平台都根据接收到的周边环境监测平台数据自行变更本身的运行状态，环境监测平台之间通过无线网络实现启发式互动，制定闭环路线、规划四叉树的生长及消亡、分析和输出作业区域的大气污染现状。

4.根据权利要求1所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测系统，其特征在于：所述传感器包括二氧化硫传感器、氮氧化物传感器、悬浮颗粒物传感器。

5.一种基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于环境监测作业区域的最小外包正方形建立四叉树，外包正方形为四叉树的根结点，四叉树的深度根据环境监测移动平台集群实时获得的监测数据实时变化；

步骤2：环境监测移动平台集群中各个环境监测平台根据集群监测数据在以下三种状态之间切换：休眠、运作、应急；

步骤3：环境监测平台之间或直接进行启发式互动，或统一下达指令；

步骤4：规划四叉树的生长机制；

步骤5：规划四叉树的消亡机制，分析和输出作业区域的大气污染现状。

6.根据权利要求5所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，所述启发式互动，其具体实现过程是：环境监测移动平台集群中各个环境监测平台的初始化状态都为“运作”，均匀分布在根节点所对应区域的闭环路径上，“运作”状态的环境监测平台在四叉树中相应的区域内依闭环路线低速巡航，巡航路径完成一个闭环之后统计该闭环中所采集到的环境监测数据，若监测数据非明显异常则该环境监测平台进入“休眠”状态，若监测数据明显异常则进入“应急”状态；“休眠”状态的环境监测平台停留在原处处于待命状态，定时启动环境监测功能，若“休眠”状态下监测数据出现明显异常，则进入“运作”状态；“应急”状态的环境监测平台在四叉树中相应的区域内依闭环路线高速巡航，可唤醒其所对应结点的兄弟结点中的“休眠”环境监测平台成为“运作”状态，可以激发其所对应结点的兄弟结点中的“运作”环境监测平台成为“应急”状态，被唤醒和激发的环境监测平台作用范围为当前四叉树结点的上级结点。

7.根据权利要求6所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于：所述监测数据非明显异常、监测数据出现明显异常，明显异常的判定标准是：监测值与监测平均值的偏移量大于三倍的监测值标准差。

8.根据权利要求5或6所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，步骤4中所述规划四叉树的生长机制，其具体实现过程是：当四叉树某个叶子结点中的环境监测平台个数多于一个时，若该结点所对应的空间区域面积大于某预设值则该结点自动生长出四个下级结点。

9.根据权利要求5或6所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于，步骤5中所述四叉树的消亡机制，其具体实现过程是：若某环境监测平台在监测周期内监测数据在正常范围内且变化不明显，且当前闭环路线所对应的四叉树结点不是根结点，则删除其所有子节点；若该环境监测平台对应的四叉树结点是根结点则其状态下调一级，即“应急”调为“运作”，或者“运作”调为“休眠”。

10.根据权利要求9所述的基于四叉树的多尺度大气环境监测方法，其特征在于：所述监测数据在正常范围内且变化不明显，明显的判定标准是：监测值与监测平均值的偏移量大于三倍的监测值标准差。