CN107016635A - 一种宜居城市管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宜居城市管理系统，其包括：数据采集单元，用于采集各指标数据；宜居水平管理单元，用于对指标数据进行处理、计算、分析；输出及控制单元，用于显示数据和图表，检测并管理整个系统；通信单元，负责各单元间信息的交流与传递。本发明建立合适的管理指标体系，通过对数据采集单元内的传感器进行合理的布局，能有效提高测量精度；通过宜居水平管理单元对指标数据的定量计算和分析，辨识瓶颈因子，使结论更科学准确，直观明了；通过输出及控制单元通知用户警惕到指标的异常，采取及时的管理措施，最终达到提高城市宜居水平的效果，为市民提供更加舒适的居住环境。
Description
技术领域
本发明涉及城市生态管理领域，具体涉及一种宜居城市管理系统。
背景技术
宜居城市是指对城市宜居居住程度的综合判定，其特征是：环境优美、社会安全、文明进步、生活舒适、经济和谐、美誉度高。随着经济蓬勃发展，中国诸多城市的政治、经济、文化和社会影响力已得到了大幅度提升，但同时也出现了雾霾频发、水污染严重、垃圾围城、人居环境恶化等诸多环境问题，极大威胁了人们的身体健康，降低了城市宜居性。城市作为社会经济活动中心及全球一半以上人口聚居地，良好的居住环境已成为其永续发展的必要条件，只有拥有一个宽敞、舒适、健康的居住空间，才能满足人们对美好居住环境的要求。全球发展趋势表明，提升人居环境的“宜居性”已经日益成为人民和政府的共同关注重点，成为构建区域竞争力的核心要素之一。系统评估城市宜居水平，及时发现不足并积极改进，是提高城市吸引力和竞争力，保障城市未来持续发展的必然要求。
然而，管理者和研究者在关注低碳城市、海绵城市、智慧城市等发展目标的同时，对最根本的城市宜居程度的关注不够。因此，为提高城市吸引力和竞争力，谋求城市未来永续发展，需要采集多方面的数据，系统地评估城市宜居水平，对各个指标进行定量分析，科学辨识限制因子，及时针对性制定发展对策，采取实时管理与控制。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种宜居城市管理系统，包括：数据采集单元：用于采集各个指标数据；
宜居水平管理单元：用于对所述指标数据进行处理、计算、分析；
输出及控制单元：用于显示数据和图表，以及对整个系统的检测和管理；
通信单元：用于所述宜居城市管理系统内各单元间信息的交流与传递；
所述宜居城市管理系统通过所述宜居水平管理单元对所述指标数据的定量计算和分析，辨识瓶颈因子，又通过所述输出及控制单元通知用户警惕到指标的异常，采取及时的管理措施，最终达到提高城市宜居水平的效果。
较佳的，所述数据采集单元包括传感器采集模块，其包括气体传感器单元，其内部最多设置的传感器个数Nmax及传感器间的距离D采用如下方法计算：
式中，Nmax表示所述气体传感器单元内设置传感器个数的最大值；Dmin两个传感器间距离的最小值，单位为cm；S表示所述气体传感器单元113所占的面积，单位为㎡；P1,P2分别表示相邻两个传感器的额定功率，单位为W；f表示该电路的频率，单位为Hz。
较佳的，建立了包括目标层、准则层、要素层、指标层共四层的城市宜居水平管理指标体系，所述宜居水平管理单元的工作流程如下：
步骤1：归一化处理；
步骤2：计算要素层；
步骤3：计算准则层；
步骤4：计算目标层；
将所述步骤1-4的算法写入单片机，通过编程完成对各所述指标数据的处理、计算、分析。
较佳的，所述步骤1归一化的方法如下：
其中，Ixy表示所述宜居水平管理指标体系中第y类所述要素层中第x个所述指标数据，ixy表示该指标数据归一化后的数值；maxIxy、minIxy分别表示该指标在城市宜居居住程度状态下的最大/小值或历史最大/小值；
所述步骤2计算要素层的方法如下：
其中，Ey表示所述宜居水平管理指标体系中，第y类所述要素层的值，y＝1,2，…，j，j表示所述宜居水平管理指标体系中所述要素层的个数，
ixy表示第y类所述要素层中第x个所述指标数据归一化后的数值，x＝1,2，…，i，i表示第y类所述要素层中所述指标层指标的个数，
g(ixy)为增益函数，lxy和kxy为系统设定的参数，
wxy表示第y类所述要素层中第x个指标的权重，其计算方法为：
所述步骤3计算准则层的方法如下：
其中，Ra为第a类所述准则层的目标函数，a＝1,2,3，Ei为第i类所述要素层的值，
q为第a类所述准则层下第一项所述要素层指标的标号，p为第a类所述准则层中所述要素层指标的个数；
所述步骤4计算目标层的方法为：
其中，T为宜居水平综合指数函数，Ri为第i类所述准则层的值。
较佳的，所述传感器采集模块还包括颗粒物传感器单元，其至少包括PM2.5颗粒物传感器和PM10颗粒物传感器。
较佳的，所述数据采集单元还包括：
终端采集模块：其通过终端数据库采集所述指标数据；
微控制器：其用来将所述传感器采集模块和所述终端采集模块的数据进行信号转换并传送给所述宜居水平管理单元。
较佳的，所述输出及控制单元包括显示屏，其用来显示所述指标数据的数值及变化情况。
较佳的，所述输出及控制单元包括电路检测模块、电路保护模块，其用来对所述输出及控制单元的电路进行实时监控及保护。
较佳的，所述微控制器为单片机。
较佳的，所述通信单元采用Zigbee无线通信技术。
与现有技术比较，本发明的有益效果在于：1，本发明以对宜居城市基本特征的理解为出发点，针对性建立了宜居水平管理指标体系和定量分析的算法，对数据进行计算和分析，使结论更加科学准确、更直观明了，既能够系统地评估城市水平，辨识瓶颈因子，又能通知用户警惕到指标的异常，并采取及时的控制措施，目的是给市民提供更加舒适的居住环境，增强和保障城市未来竞争力。2，本发明的数据采集单元设有多个传感器，只要将传感器的个数和传感器之间的距离控制在有效的范围内，对其进行合理的布局，便能够有效提高传感器的测量精度，尽量减少彼此的电磁干扰，极大的保证工作效率。3，所述宜居城市管理系统既能用于多个城市间的横向比较，又能用于某城市不同时期间的纵向比较，具有很强的实用性。4，所述宜居城市管理系统设有电路保护模块、电路检测模块、时钟模块，其用来对电路进行实时监控和保护，各模块的检测结果将会以数值、图表等多种形式，在显示屏上显示出来，方便用户对整个系统的检测和控制。5，所述宜居城市管理系统设有接口电路，其用来将各传感器采集的数据进行信号转换，既保证了各传感器与所述控制系统电路的稳定结合，又保证了数据传输的时效性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明的系统框图；
图2是其为传感器采集模块的框图；
图3是其为传感器采集模块内部示意图；
图4是宜居水平管理单元的工作流程图；
图5是2000-2009年各城市宜居水平比较图；
图6是2000-2009年各城市宜居水平准则层相对情况图；
图7是各城市宜居水平瓶颈因子示意图。
图中数字表示：
1.数据采集单元 2.宜居水平管理单元 3.输出及控制单元 4.通信单元
11.传感器采集模块 12.终端采集模块 13.微控制器
111.壳体 112.颗粒物传感器单元 113.气体传感器单元 114.控制单元 115.辅助单元
1111.空气进气口 1112.空气出气口 1113.隔板
1121.PM2.5颗粒物传感器 1122.PM10颗粒物传感器
1131.SO2含量传感器 1132.NOx含量传感器 1133.CO2含量传感器
1134.CO含量传感器 1135.VOCs含量传感器 1136.臭氧含量传感器
1151.气泵 1152.温湿度传感器 1153.除湿器 1154.温度传感器 1155.风扇
1156.加热器
31.显示屏 32.嵌入式计算机芯片 33.电路保护模块 34.电路检测模块 35.时钟模块
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明提供了一种宜居城市管理系统，旨在采集各种数据，系统评估城市宜居水平，科学辨识限制因子，及时针对性指定发展对策，并采取实时管理与控制。
实施例1
如图1所示，其为所述宜居城市管理系统的系统框图。所述宜居城市管理系统包括数据采集单元1，宜居水平管理单元2，输出及控制单元3，通信单元4。
基于对宜居城市的理解，发明人建立了包括目标层(T)、准则层(R)、要素层(E)、指标层(I)共四层次的城市宜居水平管理指标体系。如表1所示，其为城市宜居水平管理指标体系。具体而言：所述目标层即为城市宜居水平；所述准则层包括社会进步、生活水平和生态环境三个方面，其中，社会进步侧重于有利于人生存的物质环境，主要满足城市安全性和居民基本生活要求；生活水平侧重于有利于人发展的物质环境，主要满足居民对生活舒适度的要求；生态环境侧重于有利于居民健康的城市生态环境，主要满足居民对健康生活的要求以及情感与审美需求；所述要素层对三个所述准则层做了近一步分解；所述指标层针对所述要素层中的每一要素给出具体表征指标。所述宜居水平管理指标体系共包括21个管理指标。
表1城市宜居水平管理指标体系
所述数据采集单元1包括传感器采集模块11，终端采集模块12，微控制器13。所述传感器采集模块11用来检测并计算“二氧化硫(SO2)日均浓度”、“氮氧化物(NOx)日均浓度”、“可吸入颗粒物(PM10)年均浓度”这三个指标的数据，通过这些参数进一步监测与分析大气环境质量。所述终端采集模块12通过终端的数据库采集除了所述“二氧化硫(SO2)日均浓度”、“氮氧化物(NOx)日均浓度”、“可吸入颗粒物(PM10)年均浓度”外其余18个管理指标的数据。所述微控制器13将来自所述数据采集模块11和所述终端采集模块12的数据压缩打包后，通过所述通信单元4传送给所述宜居水平管理单元2。所述微控制器13为单片机，与ARM芯片相比具有明显的成本优势，具有低能耗的特点。
所述传感器采集模块11可同时采集大气中多种物质的含量，不限于上述SO2浓度、NOx浓度、PM10浓度。如图2所示，其为本发明传感器采集模块的系统框图，其包括：壳体111，颗粒物传感器单元112，气体传感器单元113，控制单元114，辅助单元115。
如图3所示，其为所述传感器采集模块内部示意图，图中箭头表示空气流通的气道。所述壳体的上方和下方分别设有空气进气口1111和空气出气口1112，作为被检测空气进入或离开所述传感器采集模块11的通道。所述空气进气口外部与气泵1151相连接，其用来驱使外部空气进入所述传感器采集模块。所述壳体111采用全密闭铸造铝结构，极大的保证了所述传感器采集模块11内部的气密性和屏蔽行，确保激光不外露，提高抗外界干扰的能力。
所述颗粒物传感器单元112为激光散射微小颗粒物传感器，至少包括PM2.5颗粒物传感器1121和PM10颗粒物传感器1122，每个传感器包括一个激光发射器和一个激光接收器，利用微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，以及吸收部分照射光能量的现象，通过电信号测得相对光强衰减率，进而测定待测空气中的颗粒物浓度。所述PM2.5颗粒物传感器1121和所述PM10颗粒物传感器1122实时将检测到的PM2.5颗粒和PM10颗粒的浓度发送给所述控制单元114。
所述气体传感器单元113包括：SO2含量传感器1131，NOx含量传感器1132，CO2含量传感器1133，CO含量传感器1134，VOCs含量传感器1135，臭氧含量传感器1136等传感器，其分别用于检测空气中SO2，NOx，CO2，CO，VOCs，臭氧等气体的浓度，并发送给所述控制单元114。
为了提高工作效率，理论上来说所述气体传感器单元113内设置的传感器数量越多，同一时间采集的数据越多越好。然而，传感器属于电气元件，若大量的传感器聚集在一起会产生电磁干扰，影响对数据测量的精度。因此，为了充分利用所述传感器采集模块11内的空间并有效提高工作效率和工作精度，所述气体传感器单元113内最多设置的传感器个数Nmax及传感器间的距离D采用如下方法计算：
式中，Nmax表示所述气体传感器单元内设置传感器个数的最大值；Dmin两个传感器间距离的最小值，单位为cm；S表示所述气体传感器单元113所占的面积，单位为㎡；P1,P2分别表示相邻两个传感器的额定功率，单位为W；f表示该电路的频率，单位为Hz。
上述计算方法充分考虑了传感器间的电磁干扰问题，只要将传感器的个数和传感器间的距离控制在有效的范围内，对其进行合理的布局，便能有效提高传感器的测量精度，避免彼此干扰，极大的保证工作效率。
所述辅助单元115除了包括上述气泵1151，还包括温湿度传感器1152，除湿器1153，温度传感器1154，风扇1155，加热器1156。
所述温湿度传感器1152设于靠近所述空气进气口1111的位置，其用于检测空气的温度和湿度，并将数据发送给所述控制单元。所述除湿器1153设于所述温湿度传感器1152之后，所述除湿器安装有空气干燥带，其表面涂有化学物质，其用来吸收空气中的水分并转化为其他化学成分挥发，最终将空气湿度降低至60％RH以下，从而尽量避免因被检测空气湿度过大，而影响所述气体传感器单元检测值的精度。所述温度传感器1154与所述加热器1156设于所述气体传感器单元113之前，二者共同作用控制所述传感器采集模块11内被检测空气的温度。所述加热器用于对被检测空气进行加热处理，其受所述控制单元114的控制而开启或关闭，其具有多个发热功率可进行选择，防止天气寒冷时，所述被检测空气温度低，导致各传感器工作失效，并能有效避免所述传感器采集模块内部水蒸气凝结。所述风扇1155用于驱使气道中的空气经过所述空气排气口1112排除。
所述控制单元114通过线路与所述颗粒物传感单元112、所述气体传感器单元113、所述辅助单元115连接，线路未在图中标出。所述控制单元用来接收各传感器采集的数据信息，并将数据发送给所述微控制器13。
所述传感器采集模块11还设有隔板1113，将所述温湿度传感器与颗粒物传感器单元，所述气体传感器单元分别置于一个相对独立与密闭的空间内，一方面，可有效防止其他光线对所述颗粒物传感器单元的干扰，另一方面，有利于对所述气体传感器内各传感器的布局，目的是有效提高所述传感器采集模块11的工作效率和精度。
所述宜居水平管理单元2，用于对来自所述数据采集单元1的21个所述管理指标的数据进行处理、计算、分析。所述宜居水平管理指标体系分为：目标层(T)、准则层(R)、要素层(E)、指标层(I)，所述指标层的数据由所述数据采集单元1得到，但若仅依靠这些数据对宜居水平综合指数进行定性的分析与判断，并没有十足的说服力，因为这个分析过程要凭借分析者的直觉和经验来进行。所以本发明创作者经过长时间的研究和实践认为，用定量的方法对所述要素层，所述准则层，所述目标层的数据进行计算，会使结论更加科学准确、直观明了。如图4所示，其为所述宜居水平管理单元2的工作流程图，其具体计算方法如下：
步骤1：归一化处理
由于各所述管理指标数据的意义、单位、表现形式有所不同，在后续的数据处理过程中会比较麻烦，所以首先对数据进行归一化处理，将他们归一到[0,1]之间，计算方法如式(1)，
其中，Ixy表示所述宜居水平管理指标体系中第y类要素层中第x个指标的数据，ixy表示该指标数据归一化后的数值；maxIxy、minIxy分别表示该指标在城市宜居居住程度状态下的最大/小值或历史最大/小值。
步骤2：计算要素层
如式(2)所示，其用来计算所述宜居水平管理指标体系中，第y类要素层的值，
其中，Ey表示所述宜居水平管理指标体系中，第y类要素层的值，ixy表示第y类要素层中第x个指标数据归一化后的数值，x＝1,2，…，i，i表示第y类要素层中指标层指标的个数，wxy表示第y类要素层中第x个指标的权重，g(ixy)为增益函数，lxy和kxy为系统设定的参数，y＝1,2，…，j，j表示所述宜居水平管理指标体系中要素层的个数。
wxy表示第y类要素层中第x个指标的权重，其计算方法如式(3)所示：
综上，根据式(2)和式(3)可以计算出所述宜居水平管理指标体系中的8个所述要素层的值。
步骤3：计算准则层
由表1可知，步骤2计算得到的8个要素层的值，又分别属于“社会进步”“生活水平”“生态环境”这三个准则层，利用这8个要素层的值计算得到3个准则层的值，计算方法如式(4)所示，
其中，Ra为第a类准则层的目标函数，a＝1,2,3，Ei为第i类要素层的值，q为第a类准则层下第一项要素层指标的标号，p为第a类准则层中要素层指标的个数。
分别对表1中的要素层(E)中指标和准则层(R)中指标从上到下进行编号，根据所属关系可知，通过E1、E2、E3计算R1，通过E4、E5计算R2，通过E6、E7、E8计算R3,即如式(5)所示，
通过所述准则层数值的计算，可分析得到各城市在三方面准则层的相对发展水平，并进一步识别出城市的瓶颈因子。
步骤4：计算目标层
类比步骤3中式(4)的算法，如式(6)所示，通过R1、R2、R3计算最终的宜居水平综合指数T，
其中，T为宜居水平综合指数函数，Ri为第i类准则层的值。
将上述步骤1-4的算法写入单片机，通过编程完成对所述管理指标数据的处理、计算、分析。所述单片机与所述微控制器13通过所述通讯单元4进行数据的传输。通过上述公式(1)-(6)，对采集到的各个数据进行处理和计算，定量分析所述城市宜居水平管理指标体系中的各指标，方便实用，结果直观明了，既节省了人工分析的劳动力，又可以得到具有说服力的结果。
所述输出及控制单元3包括显示屏31、嵌入式计算机芯片32、电路保护模块33、电路检测模块34、时钟模块35。所述宜居水平管理单元2处理过后，将数据传送给所述输出及控制单元3，通过所述显示屏31，用户可以及时发现各指标的数值及变化，通过所述嵌入式计算机芯片32对各数据的分析，识别出城市的瓶颈因子，及时警示用户，提前发现趋势，尽量将危害降到最小，尽可能的使各个指标调控在最优的范围内。
所述电路保护模块33、电路检测模块34、时钟模块35用来对所述输出及控制单元3的电路进行实时监控及保护，各模块的检测结果会以数值和图表等多种形式，显示在所述显示屏31上，更方便用户对整个系统的监测、管理和控制。
所述通信单元4采用Zigbee无线通信，其负责所述宜居城市管理系统内各个单元间信息的交流与传递。Zigbee无线通信技术较为成熟，具有短距离、低功耗的优点，与GPRS技术相比，不依赖外部网络，能够极大的保证数据的安全性和稳定性。
基于所述宜居城市管理系统，对2000-2009年间北京、纽约、伦敦、东京的城市宜居水平进行了分析，定量分析各城市准则层三方面的相对发展水平，并进一步识别出各城市的瓶颈因子。如图5所示，其为2000-2009年各城市宜居水平比较图，如图6所示，其为2000-2009年各城市宜居水平准则层相对情况图，如图7所示，其为各城市宜居水平瓶颈因子示意图。
以北京为例，其宜居水平较纽约、伦敦、东京等城市具有较大差距，主要瓶颈因子是生态环境。要提高北京城市吸引力和竞争力，需大力整治环境质量，重点改善水环境质量和大气环境质量，同时提高资源利用效率。通过所述宜居城市管理系统，通知相关人员警惕到指标的异常，并采取及时的管理措施，努力为市民提供更为舒适的居住环境，增强和保障城市未来竞争力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种宜居城市管理系统，其特征在于，包括：
数据采集单元：用于采集各个指标数据；
宜居水平管理单元：用于对所述指标数据进行处理、计算、分析；
输出及控制单元：用于显示数据和图表，以及对整个系统的检测和管理；
通信单元：用于所述宜居城市管理系统内各单元间信息的交流与传递；
所述宜居城市管理系统通过所述宜居水平管理单元对所述指标数据的定量计算和分析，辨识瓶颈因子，又通过所述输出及控制单元通知用户警惕到指标的异常，采取及时的管理措施，最终达到提高城市宜居水平的效果。
2.如权利要求1所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述数据采集单元包括传感器采集模块，其包括气体传感器单元，其内部最多设置的传感器个数Nmax及传感器间的距离D采用如下方法计算：
式中，Nmax表示所述气体传感器单元内设置传感器个数的最大值；Dmin两个传感器间距离的最小值，单位为cm；S表示所述气体传感器单元113所占的面积，单位为㎡；P1,P2分别表示相邻两个传感器的额定功率，单位为W；f表示该电路的频率，单位为Hz。
3.如权利要求1或2所述的宜居城市管理系统，其特征在于，建立了包括目标层、准则层、要素层、指标层共四层的城市宜居水平管理指标体系，所述宜居水平管理单元的工作流程如下：
步骤1：归一化处理；
步骤2：计算要素层；
步骤3：计算准则层；
步骤4：计算目标层；
将所述步骤1-4的算法写入单片机，通过编程完成对各所述指标数据的处理、计算、分析。
4.如权利要求3所述的宜居城市管理系统，其特征在于，
所述步骤1归一化的方法如下：
其中，Ixy表示所述宜居水平管理指标体系中第y类所述要素层中第x个所述指标数据，ixy表示该指标数据归一化后的数值；maxIxy、minIxy分别表示该指标在城市宜居居住程度状态下的最大/小值或历史最大/小值；
所述步骤2计算要素层的方法如下：
其中，Ey表示所述宜居水平管理指标体系中，第y类所述要素层的值，y＝1,2，…，j，j表示所述宜居水平管理指标体系中所述要素层的个数，
ixy表示第y类所述要素层中第x个所述指标数据归一化后的数值，x＝1,2，…，i，i表示第y类所述要素层中所述指标层指标的个数，
g(ixy)为增益函数，lxy和kxy为系统设定的参数，
wxy表示第y类所述要素层中第x个指标的权重，其计算方法为：
所述步骤3计算准则层的方法如下：
其中，Ra为第a类所述准则层的目标函数，a＝1,2,3，Ei为第i类所述要素层的值，
q为第a类所述准则层下第一项所述要素层指标的标号，p为第a类所述准则层中所述要素层指标的个数；
所述步骤4计算目标层的方法为：
其中，T为宜居水平综合指数函数，Ri为第i类所述准则层的值。
5.如权利要求2所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述传感器采集模块还包括颗粒物传感器单元，其至少包括PM2.5颗粒物传感器和PM10颗粒物传感器。
6.如权利要求5所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述数据采集单元还包括：
终端采集模块：其通过终端数据库采集所述指标数据；
微控制器：其用来将所述传感器采集模块和所述终端采集模块的数据进行信号转换并传送给所述宜居水平管理单元。
7.如权利要求1所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述输出及控制单元包括显示屏，其用来显示所述指标数据的数值及变化情况。
8.如权利要求7所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述输出及控制单元包括电路检测模块、电路保护模块，其用来对所述输出及控制单元的电路进行实时监控及保护。
9.如权利要求6所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述微控制器为单片机。
10.如权利要求1或2所述的宜居城市管理系统，其特征在于，所述通信单元采用Zigbee无线通信技术。
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|---|---|---|---|
| CN201710248187.0A CN107016635A (zh) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 一种宜居城市管理系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019172842A1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-09-12 | Kaha Pte. Ltd. | Method and system for determining liveability and health index |
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2017
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