环境保护中环境监测的多智能体方法

史艳杰， 秦俊杰

(1.长治市生态环境局高新区分局，山西 长治 046000;2.长治市生态环境局潞州区分局,山西 长治 046000)

引 言

保护环境是当下最关注的问题之一，一些学者提议使用不同的技术来管理来自环境传感器本身的大量数据，其中包括采用机器学习、统计学习或强化学习等[1-2]。然而，环境监测是一个复杂的系统，由相互交织的代理交换信息组成，部分自主地和部分协调地行动，并没有得到关注[3]。

尽管一些国家采用一些辅助解决办法，即私人主体通过购买公共服务合同提供环境方面的数据收集[4]。然而，由于近年来人们对环境监测的关注不断增加，要继续提供这种水平的服务就非常困难[5]。

多智能体系统模型的一般体系结构用于环境监测、设计实施和维护问题。过渡模型可以用来实现这些复杂的架构，这些架构在世界范围内的环境保护机构中是普遍存在的。因此，本文提出了一种更可靠、更易于管理的体系结构过渡的方法，并为其设计模式。

1 环境监测基础设施水平

环境监测传感器网络的结构在不同的地点和时期有很大的变化，这取决于技术的发展和对污染性质及其影响的敏感性，本文提供一种抽象的合成数据流的系统架构技术。

环境监察工作的主要目的可归纳为三大类：

1) 确定工厂、养殖场、耕作、城市居民点、废物收集、处置和改造、运输等活动的影响；

2) 识别在监测区域是否出现未经授权的活动或潜在非法行为[1]；

3) 监控天气状态，用于提供天气预报。

因此，通过以上分类，可以在时间路径上识别监测活动，从环境中揭示一组特定的数据，并生成警报或新闻；在一个连续的基础上的活动或从一个特定的角度提供关于环境状态的信息；这些活动旨在特定时刻、特定位置揭示环境中的某些东西。通常，上述活动是通过一种典型的调查仪器来进行。

1) 特定的传感器网络，用于监控一个或多个特定的环境值，包括气压、空气湿度、雨、雪、高度、PM2或PM5污染粒子的存在、风速和风向、水流速度、水污染等多种类型；

2) 本地SCADA系统解释数据，用于提供数据包并将它们发送到网络，

3) 将数据从传感器传输到网关的天线，用于提供向数据中心添加数据所需的存档活动；

如图1所示，描述环境监测系统(EMS)的数据流。如第232页图2所示，为EMS的通用架构模式。

图1 环境监测系统(EMS)的数据流

图2 EMS的通用架构模式

2 当前环境监测体系结构存在的三个主要缺陷

2.1 特殊用途的网络服务

采用这种网络服务，速度是第一个限制。在环境监测传感器所处的地区，目前能够通过现有的物联网基础设施来保证连接，但过程相当复杂；另一方面，在当前最常见的配置中，传感器数据的绝大多数通信中使用特定的非标准协议，通过在物联网中使用的ISO/OSI协议层次结构，降低了数据的可控性。

2.2 数据标准化

在描述环境状况方面引入一个目前还没有纳入环境分析范畴的通用标准，引入通用标准后能够在数据存储、交换、比较和一般的文档处理中制定一个标准，也可以用于数据标准化之外的工作流程标准化[2]。

2.3 集中架构

一个或一组传感器无法实现数据的精确采集，尽管在许多情况下自动化是有可能实现的。当采用这种架构时，环境状态、紧急情况或其他情况的通信是无法实现的。

3 环境监测中的多智能体方法

如图3所示，为未来EMS架构。

图3 未来EMS架构

3.1 物联网技术

目前在大多数已部署的环境监测技术的基础设施构成，包括传感器、PLC、SCADA、数据库、应用程序、物联网技术、高速以太网连接[3]。

物联网支持基础设施的引入也使传感器故障或连接中断的管理变得更容易。事实上，目前的架构在PLC处理方面通常是被动的，用于数据传输服务，因此天线通常被作为纯连接方式进行管理。

3.2 用于数据、服务和服务水平协议的本体

对实验室数据标准化进行了研究，寻找一种用于实验室环境的分析方法，该方法有以下几个方面特点：

1) 分析类型的分类，包括揭示属性的方法、标准值、法律限制和测试其他方面，包括诊断过程的本体结构；

2) 系统中提供的服务的分类，特别是为连接到应用程序的公开数据的web服务[4]。

3.3 采用多智能体系模式

在多智能体系模式中，为了避免分布式计算常使用系统协调方法，由单个智能体自主决策。当某种装置通过促动器连接起来时，达到触发的条件，是典型的数据密集型技术，特别是文档系统和实验室信息管理系统。

3.4 多智能体环境监测技术实现方法

多智能体环境监测技术实现方法，步骤如下所示：

第一步：更新传感器。新一代的传感器需要替代现有的传感器，以保证信号处理的一致性、互联网连接的有效性、措施的精度、召回率和准确性[5]。

第二步：更换PLC。混合计算技术被连接到传感器，该技术可以用高级编程语言编程，不需要复杂的接口就可以连接到互联网；

第三步：采用“互联网无处不在”的模式。通过直接和替代重叠技术与互联网连接，以保证在系统正常工作和连接断开时的连接；

第四步：引入远程SCADA技术，数据存储在云端，可以通过任何网络连接访问。

第五步：采用MAS模式，配有决策支持软件和本地智能接口。启用基础设施级别的转变是由ONTO-PLC方法论驱动的。

第六步：引入执行器接口。当驱动器可用时，提供与本地MAS的连接。

第七步：引入本体层。

第八步：采用LIMS技术。

第九步：采用文档技术。

多智能体环境监测技术实现方法，如图4所示。

图4 多智能体环境监测技术实现方法

4 结语

通过讨论一种基于人工智能和物联网的环境监测数据采集、传输和管理的过渡模型。该模型基于多智能体系的模式，采用这种过渡模式的动机是需要提高环境监测的效力、效率和互操作性，同时保证其在经济方面的可持续性。