基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于多Agent的湖庫(kù)、流域的 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)生活中不可或缺的自然資源。外界環(huán)境 和水體內(nèi)部因子的不斷變化，使得水環(huán)境質(zhì)量呈動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因此進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)于水 質(zhì)監(jiān)控與污染防治具有重要意義。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是通過(guò)監(jiān)視和測(cè)定水體中污染物種類(lèi)、濃度以 及變化趨勢(shì)，對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇一般是由監(jiān) 測(cè)目的和斷面類(lèi)型來(lái)論證確定的，監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況及其隨時(shí)間的變化規(guī)律可以為污染 防治和監(jiān)督管理提供科學(xué)依據(jù)。傳統(tǒng)的斷面監(jiān)測(cè)是按照水體區(qū)域大小平均分布的原則進(jìn)行 布設(shè)，即將水域平均分割為固定大小的網(wǎng)格，并在每個(gè)網(wǎng)格的中心位置布測(cè)點(diǎn)，這種方法簡(jiǎn) 單易行，但往往會(huì)導(dǎo)致相鄰斷面出現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果相同或相近，造成監(jiān)測(cè)資源浪費(fèi)，因此需 要進(jìn)行不斷的優(yōu)化。通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化，以最小的代價(jià)和最高的效率使得監(jiān)測(cè)斷面具 有最佳整體功能，可有效整合水環(huán)境監(jiān)測(cè)資源，減少重復(fù)投資和建設(shè)，最大程度地客觀反映 出水環(huán)境整體質(zhì)量狀況，實(shí)現(xiàn)更加有效的水環(huán)境監(jiān)測(cè)。
[0003] 在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，把傳感器和其所具備的知識(shí)信息封裝成具有相應(yīng)監(jiān)測(cè)功能 的sensor Agent，這些sensor Agent是具有對(duì)立的工作能力的智能主體，用多Agent 系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)魯棒性和可靠性?；贏gent的建模仿真 (Agent-based Modeling and Simulation，ABMS)可使建模過(guò)程清晰直觀，同時(shí)更好地把握 系統(tǒng)中實(shí)體和Agent、Agent和Agent之間的關(guān)系和交互協(xié)作，是研宄復(fù)雜系統(tǒng)的有效方法 和手段。通常情況下，Agent的基本結(jié)構(gòu)可以分為慎思型Agent、反應(yīng)型Agent以及混合型 Agent三種類(lèi)型。水質(zhì)Agent為混合Agent，能夠根據(jù)外部環(huán)境的改變而進(jìn)行智能的自我 判斷并做出響應(yīng)，可搭建水質(zhì)Agent模型如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化Agent簡(jiǎn)稱(chēng)水質(zhì) Agent〇
[0004] 每個(gè)水質(zhì)Agent元素都擁有各自的知識(shí)、信念存儲(chǔ)策略、目標(biāo)和能力，對(duì)于問(wèn)題進(jìn) 行求解的同時(shí)從其他水質(zhì)Agent處獲得信息，在復(fù)雜的內(nèi)部機(jī)制控制下，不斷地學(xué)習(xí)和積 累經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)效應(yīng)器做出相應(yīng)行為，并影響外部環(huán)境，從而在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中將定性和定 量的方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)。智能Agent通過(guò)傳感器感知環(huán)境，通過(guò)效應(yīng)器作用于環(huán)境，并且與 其他Agent互相協(xié)作通信，形成多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent System)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有分層聚類(lèi)法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化中的缺點(diǎn)，提供了一種基于多 Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法。本發(fā)明利用水質(zhì)多Agent的粗分和細(xì) 分來(lái)實(shí)現(xiàn)分層聚類(lèi)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化，為使得水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化更加有效直觀，本 發(fā)明采用多Agent仿真技術(shù)，通過(guò)粗分模型和細(xì)分模型，分別對(duì)水質(zhì)多Agent進(jìn)行合并和細(xì) 化，進(jìn)而使得水質(zhì)Agent個(gè)數(shù)滿足閾值條件。
[0006] 本發(fā)明基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :根據(jù)原始斷面布設(shè)方法對(duì)水域進(jìn)行平均分割，利用多Agent系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì) 監(jiān)測(cè)，對(duì)分割的每個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)到一個(gè)水質(zhì)Agent，每個(gè)水質(zhì)Agent包含n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)變量，所 有區(qū)域的水質(zhì)Agent組成原始數(shù)據(jù)矩陣P ;
[0008] 步驟2 :應(yīng)用PCA(Principal Component Analysis,主成分分析）對(duì)原始數(shù)據(jù)矩 陣標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣進(jìn)行處理，將所得主成分的綜合評(píng)價(jià)得分Z與非主成分的綜合評(píng)價(jià)得分 Z作為多Agent系統(tǒng)的兩個(gè)元素；
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1 :對(duì)水域進(jìn)行平均分割，利用多Agent系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)分割的每個(gè)區(qū)域監(jiān) 測(cè)到一個(gè)水質(zhì)Agent，每個(gè)水質(zhì)Agent包含n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)變量，所有區(qū)域的水質(zhì)Agent組成 原始數(shù)據(jù)矩陣P; 步驟2 :應(yīng)用主成分分析方法對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣P標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣X進(jìn)行處理，得到主成 分的綜合評(píng)價(jià)得分Z與非主成分的綜合評(píng)價(jià)得分Z;
設(shè)矩陣X的相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值為Aji= 1，2，...，1〇，且A2…彡入n，Zi(i= 1，2,. . .，p)為p個(gè)主成分，Zi(i=p+1,p+2,. . .，n)為非主成分； 步驟3 :取主成分綜合評(píng)價(jià)得分作為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)水質(zhì)Agent是否相鄰及相似進(jìn)行判 斷，當(dāng)兩個(gè)水質(zhì)Agent同時(shí)滿足相似與相鄰兩個(gè)條件時(shí)，則產(chǎn)生連接關(guān)系并合并，最后將水 質(zhì)Agent聚為N類(lèi)，標(biāo)記為Agent' 丨，Agent' 2, ???，Agent' N; 相似性判斷：設(shè)水質(zhì)Agents和水質(zhì)Agent」對(duì)應(yīng)的主成分綜合評(píng)價(jià)得分分別為ZJPZj， 若|Z「Zj|彡e，則水質(zhì)Agent#水質(zhì)Agent』相似，否則不相似，e為設(shè)定的閾值； 步驟4:若N小于閾值T，取非主成分綜合評(píng)價(jià)得分作為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)合并后的 水質(zhì)Agent是否相鄰及不相似進(jìn)行判斷，若兩個(gè)水質(zhì)Agent同時(shí)滿足不相似和相鄰 兩個(gè)條件時(shí)，則取消其連接關(guān)系并進(jìn)行拆分，最后將水質(zhì)Agent聚為K類(lèi)，標(biāo)記為 Agent*"Agent*2, ?…，Agent*K; 相似性判斷：設(shè)水質(zhì)Agent,水質(zhì)Agent」在步驟3中屬于同一類(lèi)，水質(zhì)Agent種水質(zhì)Agent』對(duì)應(yīng)的非主成分綜合評(píng)價(jià)得分分別為筆和&，若式-><，則水質(zhì)Agents和水質(zhì) Agent」不相似，否則相似，其中|為設(shè)定的閾值，且; 步驟5 :經(jīng)過(guò)步驟3和步驟4,使得最終得到水質(zhì)聚類(lèi)的個(gè)數(shù)不小于閾值T，將每個(gè)聚類(lèi) 對(duì)應(yīng)的中心位置設(shè)為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其 特征在于，所述的步驟2具體實(shí)現(xiàn)方法是： 步驟2. 1 :對(duì)矩陣P標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X; 步驟2. 2 :計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X的相關(guān)系數(shù)矩陣R，并求得R的特征值A(chǔ),(i= 1，2,. . .，n) 及對(duì)應(yīng)的特征向量屮（i=1，2,? ? ?，n)，且入>X2…彡；^;設(shè)ui=[an,ai2，…，ain]; 步驟2. 3,設(shè)置比例因子a，依據(jù)
，確定主成分個(gè)數(shù)p; 步驟2. 4,對(duì)于每個(gè)水質(zhì)Agent確定成分Zi(i= 1，. . .，p)的表達(dá)式；
其中，[Xi,x2，…，xn]對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X中的行向量，對(duì)應(yīng)一個(gè)水質(zhì)Agent; 步驟2. 5,對(duì)于每個(gè)水質(zhì)Agent，確定主成分的綜合評(píng)價(jià)得分Z與非主成分的綜合評(píng)價(jià) 得分Z。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其 特征在于，所述的步驟3中，對(duì)于水質(zhì)Agents和水質(zhì)Agentj的相鄰性判斷方法為：采用圖像 處理中像素點(diǎn)四連通區(qū)域算法進(jìn)行判斷，若水質(zhì)AgentJ4于水質(zhì)Agent」的四鄰域中，則水 質(zhì)AgentJP水質(zhì)Agent』相鄰，否則不相鄰。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于水環(huán)境監(jiān)控與治理領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于多Agent的湖庫(kù)、流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法。本發(fā)明對(duì)水域劃分并利用多Agent系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣，應(yīng)用主成分分析方法從提取可有效表征水質(zhì)特征的主成分和非主成分；以主成分和非主成分的綜合評(píng)價(jià)得分作為多Agent系統(tǒng)的兩個(gè)元素，并以相鄰水質(zhì)Agent間的相似度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在粗分模型和細(xì)分模型中分別對(duì)水質(zhì)Agent進(jìn)行合并與拆分，得到優(yōu)化后的最佳水質(zhì)Agent聚類(lèi)，最終取每個(gè)水質(zhì)Agent聚類(lèi)對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)位置作為最終監(jiān)測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明方法可提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量，降低投入成本，為水質(zhì)斷面監(jiān)測(cè)的優(yōu)化布設(shè)提供一種行之有效的新途徑。
【IPC分類(lèi)】G06Q10-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104573862
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510005167
【發(fā)明人】連曉峰, 彭森, 王小藝, 于嘉冀
【申請(qǐng)人】北京工商大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月6日