基于大数据分析的大气污染防治体系研究综述

余谦

（湖南汽车工程职业学院湖南株洲412001）

基于大数据分析的大气污染防治体系研究综述

余谦

（湖南汽车工程职业学院湖南株洲412001）

大数据技术是近年来信息技术的重点发展方向。本文介绍了一种基于大数据技术的大气污染防治体系，并介绍了该体系的基本组成，关键技术，及实现该体系的基本路线。该体系能应用于大气污染治理与监控，并具备预警功能，应用后能产生巨大的社会效益与经济效益。

大数据技术；大气污染防治；AI决策

1 引言

近年来，大数据技术被广泛应用于各种领域。大数据技术是IT产业又一次颠覆性的技术变革。大数据的开发与利用已经在医疗服务、零售业、金融业、制造业等行业广泛展开，并显示出了其非凡的分析预测能力，产生了巨大的社会价值和产业空间。

随着信息技术的深入发展，在区域性大气污染防控工作的开展中，也产生了海量数据，此领域也将变为大数据技术应用的典型领域。近年来，多个传统工业地区连续多日PM2.5指数“爆表”的状况已屡见不鲜。大气污染问题已经严重制约了经济发展，影响了人民群众的生活质量，并在全国甚至国际上造成了不良影响。因此，对于大气污染重灾区，相应研究与建设的需求非常紧迫。

传统的大气质量分析模式是对监测数据、气象数据、地理数据等结构化数据进行模拟分析，这对大气污染防控工作的开展起到了一定作用，但由于缺乏对视频、文档等非结构化数据的分析，传统分析模式具有很大的局限性。大数据技术在处理视频、语音、文档、图片等非文字形式呈现的非结构化的数据挖掘、专题分析与预测等方面则更加具备优势。在这样庞大的非结构化数据背后，利用大数据技术，从海量堆积的交互数据当中发现带有趋势性、前瞻性的信息，为大气质量管理提供有效科学的决策分析，从而有效降大气污染事故发生的几率。

2 国内外发展现状

2.1 国外研究现状

2012年3月美国奥巴马政府发布了“大数据研究和发展倡议”，正式启动“大数据发展计划”，计划在环境、科学研究、生物医学等领域利用大数据技术进行突破，大数据革命从此拉开序幕；英国政府紧随美国之后，从2013年起，英国政府在农业，医疗，公共领域全面使用大数据技术；日本近年来对大数据技术也日益重视。日本的大数据战略，以务实的应用开发为主，尤其是在和环保、交通、医疗、农业等传统行业结合方面，均走在了世界前列。

2.2 国内研究现状

环境问题是中国近年来高速发展过程中不可回避的重要问题。因此，在大气污染防控领域运用大数据技术在我国已有相关案例。2014年IBM与北京政府签署了合作协议，运用大数据技术来为政府和企业决策者提供准确、实时的数据，以助力北京实现高精度大气污染防控。通过北京政府收集的大量空气质量数据，当PM2.5浓度上升速度过快时，就要采取一些紧急措施：例如关闭工厂、限制汽车上路数量或学校停课等。另外，武汉等大中型城市也已经开始开展相关课题的研究。

3 关键技术

基于大数据分析的大气污染防治体系所涉及的关键技术主要包括两个方面，一是系统的整体组成与运行，二是实现该体系的技术路线。

3.1 系统组成

基于大数据分析的大气污染防治体系的核心为AI决策型大气污染预警系统，其组成基于传感器技术，数据库技术，AI技术，数据挖掘技术等前沿技术，并将其有机整合。该系统应具备实时监控、自动预警、数据存储、

AI决策、趋势分析、应用拓展等功能。其整体与单元架构如下。

3.1.1 整体框架

AI决策型大气污染预警系统组成框图1所示，该系统由物理层、数据库层、模型库与AI决策层、UI界面组成，系统具备API接口，可对外进行功能扩展。

3.1.2 物理层组成

AI决策型大气污染预警系统的物理层以传感器节点为基本组成单元，同时还包括与本系统兼容的子系统硬件。物理层的基本功能为采样数据，并以符合系统要求的数据格式，通过标准协议进行数据交互。

3.1.3 数据库框架

数据库的框架结构为，涵盖本地区的关键大气数据，以及与大气数据密切关联的其它数据。初步应涵盖的数据应包括：PM2.5数据，工业污染物排放数据，气象数据，城市交通监控数据，农业生产数据，城市居民健康数据等。

3.1.4 模型库架构与API接口

(1)AI决策层：AI决策机制为AI决策型大气污染预警系统的核心功能。其具备自动模型匹配与预判功能，能对相应的数据进行智能化判断。(2)模型库：模型库基于数据挖掘，通过建立各种大气污染数据模型，以实现对数据进行自动匹配的能力。(3) API接口：API接口为系统的扩展接口，通过该接口，能够对系统进行二次开发，可应用于逐步升温的智慧化城市管理。

3.1.5 UI界面

UI界面的构建基于数据图形化技术，通过UI界面，能够直观地呈现相应数据，令决策者能够形成直观判断。

3.2 技术路线与方法

建立基于大数据分析的大气污染防治体系可采取如下技术路线加以实现：(1)样本分析：通过实地调查，资料查找等形式，对某一地区的大气污染现状，大气污染产生原因，大气污染典型事故进行全面调查，为系统建立提供基本的数据支撑。(2)总结归纳与技术分析，包括：探讨如何构建用于大气污染监控的传感

图1 AI决策型大气污染预警系统框图