使用多個數(shù)據(jù)源的空氣質(zhì)量推斷的制作方法
【專利說明】使用多個數(shù)據(jù)源的空氣質(zhì)量推斷
[000。 背景
[0002] 關(guān)于城市空氣質(zhì)量的信息(諸如S〇2和N02的濃度)在保護(hù)人類健康和控制空氣污染 方面起作用?？諝赓|(zhì)量在各城市空間中可有很大地不同，因?yàn)榭諝赓|(zhì)量受多種因素影響，諸 如氣象狀態(tài)、汽車流量和模式W及不同區(qū)域中的±地使用。例如，工業(yè)和商業(yè)區(qū)往往比居民 區(qū)生成更多的空氣污染。由此，監(jiān)測城市環(huán)境中的空氣質(zhì)量可能需要大量分布在城市環(huán)境 各處的空氣質(zhì)量監(jiān)測站。
[0003] 然而，設(shè)置足夠數(shù)目的空氣質(zhì)量監(jiān)測站存在許多障礙。一個障礙是構(gòu)建運(yùn)些站的 成本W(wǎng)及永久地安置和維護(hù)運(yùn)些空氣質(zhì)量監(jiān)測站的成本。另一個障礙是城市環(huán)境中有限的 ±地可用于構(gòu)造運(yùn)樣的空氣質(zhì)量監(jiān)測站。例如，獲得用于構(gòu)造空氣質(zhì)量監(jiān)測站的±地可能 由于對該±地的現(xiàn)有使用而過于昂貴或可不行。附加的障礙可能是與空氣質(zhì)量監(jiān)測站的操 作相關(guān)聯(lián)的環(huán)境成本量。盡管單個空氣質(zhì)量監(jiān)測站的能耗可能很小，但操作空氣質(zhì)量監(jiān)測 站網(wǎng)絡(luò)可消耗相對較大量的能量，并由此可能正好對使空氣質(zhì)量降級的污染有貢獻(xiàn)。
[0004] 概述
[0005] 本文中描述了用于基于來自現(xiàn)有空氣質(zhì)量監(jiān)測站的歷史和實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)W 及來自其他數(shù)據(jù)源的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)來推斷針對某地區(qū)中的各區(qū)域的空氣質(zhì)量信息的技 術(shù)。其他數(shù)據(jù)源可提供氣象數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)、人類移動數(shù)據(jù)、道路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、和/或興趣 點(diǎn)數(shù)據(jù)等等。
[0006] 運(yùn)些技術(shù)可基于訓(xùn)練兩個分開的分類器(諸如，空間分類器和時(shí)間分類器）的協(xié)同 訓(xùn)練框架來使用半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法?？臻g分類器可將空間上相關(guān)的特征（例如，興趣點(diǎn)的密 度、道路長度等)取為輸入W對不同區(qū)域處的空氣質(zhì)量之間的空間相關(guān)性進(jìn)行分類。時(shí)間分 類器可使用時(shí)間上相關(guān)的特征(諸如交通流量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù))來發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域處的空氣 質(zhì)量的時(shí)間依賴性。
[0007] 協(xié)同訓(xùn)練框架可生成推斷模型（即分類器），其被用于基于從小量區(qū)域的測得的空 氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的有限集合來對附加區(qū)域的空氣質(zhì)量進(jìn)行插值。運(yùn)些模型可被用來基于來自現(xiàn) 有空氣質(zhì)量監(jiān)測站的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和其他形式的收集的空間或時(shí)間數(shù)據(jù)來推斷附加 區(qū)域的空氣質(zhì)量。
[000引在至少一個實(shí)施例中，可從一個或多個空氣質(zhì)量監(jiān)測站獲得針對某地區(qū)中的某污 染物的標(biāo)記的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)。可從針對該地區(qū)的空間上相關(guān)的數(shù)據(jù)中提取針對該地區(qū) 的空間特征?？臻g上相關(guān)的數(shù)據(jù)可包括關(guān)于該地區(qū)中的固定基礎(chǔ)設(shè)施的信息。同樣，可從針 對該地區(qū)的隨時(shí)間改變的時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)中提取針對該地區(qū)的時(shí)間特征?；趨f(xié)同訓(xùn)練 的學(xué)習(xí)框架可至少基于標(biāo)記的空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)、針對該地區(qū)的空間特征W及針對該地區(qū) 的時(shí)間特征來被應(yīng)用W協(xié)同訓(xùn)練空間分類器和時(shí)間分類器。
[0009]因此，運(yùn)些技術(shù)可為多個區(qū)域提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)(諸如針對特定污染物的空氣質(zhì) 量指數(shù)），而無需在那些區(qū)域安裝附加的空氣質(zhì)量監(jiān)測站。運(yùn)種對構(gòu)建空氣質(zhì)量站的必要性 的減少或消除可提供貨幣和能量節(jié)省。此外，運(yùn)些技術(shù)可被用來確定將來要建立空氣質(zhì)量 監(jiān)測站的區(qū)域，諸如在運(yùn)些技術(shù)預(yù)測比預(yù)期空氣質(zhì)量差的區(qū)域中將要建立空氣質(zhì)量監(jiān)測 站。
[0010] 提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了 W簡化的形式介紹將在W下具體實(shí)施例中進(jìn)一步描述的 一些概念。本概述并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限 制所要求保護(hù)主題的范圍。
[0011] 附圖簡述
[0012] 參考附圖來描述【具體實(shí)施方式】。在附圖中，附圖標(biāo)記最左邊的數(shù)字標(biāo)識該附圖標(biāo) 記首次出現(xiàn)的附圖。在不同的附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示相似或相同的項(xiàng)。
[0013] 圖1是示出用于使用空間和時(shí)間分類器來基于多個數(shù)據(jù)源推斷某地區(qū)中的多個區(qū) 域的空氣質(zhì)量指數(shù)的示例方案的框圖。
[0014] 圖2是示出支持基于多個數(shù)據(jù)源來推斷某地區(qū)中的多個區(qū)域的空氣質(zhì)量指數(shù)的計(jì) 算設(shè)備的示例組件的說明性示圖。
[0015] 圖3是示出用于實(shí)現(xiàn)基于多個數(shù)據(jù)源來推斷某地區(qū)中的多個區(qū)域的空氣質(zhì)量指數(shù) 的操作原理的示意圖。
[0016] 圖4是示出有助于標(biāo)識出某地區(qū)中用于空氣質(zhì)量監(jiān)測站安裝的各區(qū)域的偏差的3 維網(wǎng)格空間的示意圖。
[0017] 圖5是示出用于訓(xùn)練時(shí)間分類器和空間分類器的示例過程的流程圖，該時(shí)間分類 器和空間分類器被用來基于多個數(shù)據(jù)源來推斷某地區(qū)中某污染物的質(zhì)量指數(shù)。
[0018] 圖6是示出用于使用時(shí)間分類器和空間分類器來基于多個數(shù)據(jù)源推斷某區(qū)域中某 污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)的示例過程的流程圖。
[0019] 圖7是示出用于使用所獲得的各污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)水平和各污染物的線性插 值水平之間的偏差來確定用于空氣質(zhì)量監(jiān)測站安裝的可能區(qū)域的示例過程的流程圖。
[0020] 詳細(xì)描述
[0021] 本文中描述了用于基于來自現(xiàn)有空氣質(zhì)量監(jiān)測站的歷史和實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)W 及來自其他數(shù)據(jù)源的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)來推斷針對某地區(qū)中的各區(qū)域的空氣質(zhì)量信息技術(shù)。 其他數(shù)據(jù)源可包括氣象數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)、人類移動數(shù)據(jù)、道路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、和/或興趣點(diǎn)數(shù) 據(jù)等等。
[0022] 運(yùn)些技術(shù)可基于訓(xùn)練兩個分開的分類器(諸如，空間分類器和時(shí)間分類器）的協(xié)同 訓(xùn)練框架來使用半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法?？臻g分類器可將空間上相關(guān)的特征（例如，興趣點(diǎn)的密 度、道路長度等)取為輸入W對不同區(qū)域處的空氣質(zhì)量之間的空間相關(guān)性進(jìn)行分類。在一些 實(shí)施例中，空間分類器可基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間分類器可使用時(shí)間上相關(guān)的特征(諸如交 通流量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù))來發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域處的空氣質(zhì)量的時(shí)間依賴性。在一些實(shí)施例中，時(shí) 間分類器可W是線性鏈條件隨機(jī)場(CRF)。
[0023] 協(xié)同訓(xùn)練框架可生成推斷模型，該推斷模型用于基于從小量區(qū)域的測得的空氣質(zhì) 量數(shù)據(jù)的有限集合來對附加區(qū)域的空氣質(zhì)量進(jìn)行插值。運(yùn)些模型可被用來基于來自現(xiàn)有空 氣質(zhì)量監(jiān)測站的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和其他形式的收集的空間或時(shí)間數(shù)據(jù)來推斷附加區(qū)域 的空氣質(zhì)量。W下參考圖1-7描述了根據(jù)各實(shí)施例的用于在沒有控制質(zhì)量監(jiān)測站的情況下 推斷各區(qū)域的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息的技術(shù)的示例。
[0024]示例方案
[0025]圖1是示出用于使用空間和時(shí)間分類器來基于多個數(shù)據(jù)源推斷某地區(qū)中的多個區(qū) 域的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的示例方案100的框圖。為其推斷AQI的多個區(qū)域可缺少空氣質(zhì)量 監(jiān)測站。此外，可推斷針對特定區(qū)域中存在的多種污染物中的每一者的相應(yīng)AQI。例如，可推 斷針對區(qū)域中的污染物S〇2的第一AQI，同時(shí)可推斷針對相同區(qū)域中的污染物N02的第二AQI。 示例方案100可由計(jì)算設(shè)備102實(shí)現(xiàn)。計(jì)算設(shè)備102可W是通用計(jì)算機(jī)，諸如臺式計(jì)算機(jī)、平 板計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、一個或多個服務(wù)器等。
[00%]示例方案100可包括特征提取階段104、分類器協(xié)同訓(xùn)練階段106和推斷階段108。 在特征提取階段104期間，空間特征110可從未標(biāo)記的源數(shù)據(jù)112的空間上相關(guān)的數(shù)據(jù)中提 取，并且時(shí)間特征114可從未標(biāo)記的源數(shù)據(jù)112的時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)中提取。在各實(shí)施例中， 空間上相關(guān)的數(shù)據(jù)可包括道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、興趣點(diǎn)（POI)數(shù)據(jù)和/或關(guān)于某地區(qū)中的固定基礎(chǔ) 設(shè)施的其他數(shù)據(jù)。時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)可包括該地區(qū)中隨時(shí)間改變的數(shù)據(jù)。例如，時(shí)間上相關(guān) 的數(shù)據(jù)可包括車流量數(shù)據(jù)、人類移動數(shù)據(jù)、和/或氣象數(shù)據(jù)等等。在一些情況下，可經(jīng)由蜂窩 電話的位置的改變來跟蹤人類移動。蜂窩電話的位置的改變是通過走路、通過坐公共汽車、 通過乘地鐵和/或使用其他形式的運(yùn)輸工具的人類移動的結(jié)果。
[0027]分類器協(xié)同訓(xùn)練階段106可設(shè)及基于空間特征110和空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)118來對空 間分類器116進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練?？諝赓|(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)118可W是通過該地區(qū)中的空氣質(zhì)量監(jiān)測站 獲得的針對特定污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)水平。因此，空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)118可構(gòu)成標(biāo)記的數(shù) 據(jù)。同樣，對時(shí)間分類器120的訓(xùn)練可基于時(shí)間特征114和空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)118。對空間分 類器116和時(shí)間分類器120的協(xié)同訓(xùn)練可使用考慮多個數(shù)據(jù)視圖的半監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)來執(zhí)行。 [00%]在推斷階段108期間，經(jīng)訓(xùn)練的空間分類器116和經(jīng)訓(xùn)練的時(shí)間分類器120可被用 來推斷針對該地區(qū)中沒有空氣質(zhì)量監(jiān)測站的各地區(qū)的AQI。經(jīng)訓(xùn)練的空間分類器116可被應(yīng) 用于從針對該地區(qū)中的每一區(qū)域的觀察到的數(shù)據(jù)122中提取的空間特征W生成相應(yīng)的空間 概率分?jǐn)?shù)。同樣，經(jīng)訓(xùn)練的時(shí)間分類器120可被應(yīng)用于從針對該地區(qū)中的每一區(qū)域的觀察到 的數(shù)據(jù)122中提取的時(shí)間特征W生成相應(yīng)的時(shí)間概率分?jǐn)?shù)。觀察到的數(shù)據(jù)122可包括實(shí)時(shí)的 空間上相關(guān)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)。還可進(jìn)一步組合每一區(qū)域的時(shí)間概率分?jǐn)?shù) 和空間概率分?jǐn)?shù)W預(yù)測該區(qū)域的AQI水平。在各實(shí)施例中，實(shí)時(shí)的空間上相關(guān)的數(shù)據(jù)可包括 道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)和/或關(guān)于某地區(qū)中的固定基礎(chǔ)設(shè)施的其他數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)的 時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)可包括該地區(qū)中隨時(shí)間改變的數(shù)據(jù)。例如，實(shí)時(shí)的時(shí)間上相關(guān)的數(shù)據(jù)可 包括車流量數(shù)據(jù)、人類移動數(shù)據(jù)、和/或氣象數(shù)據(jù)等等。
[0029] 因此，可生成針對該地區(qū)中的多個區(qū)域(包括缺少空氣質(zhì)量監(jiān)測站的區(qū)域）的預(yù)測 的AQI 124?？蒞在預(yù)定時(shí)間間隔處重復(fù)執(zhí)行對針對多個區(qū)域的預(yù)測的AQI124的確定。此 夕h還可按相同的方式預(yù)測針對存在于單個區(qū)域中的多種污染物的相應(yīng)AQI。例如，可推斷 針對區(qū)域中的污染物S〇2的第一 AQI水平，同時(shí)可推斷針對相同區(qū)域中的污染物N02的第二 AQI水平。由此，空間分類器和時(shí)間分類器被協(xié)同訓(xùn)練W推斷針對特定污染物的AQI，并且針 對多種污染物的AQI的推斷可基于對多個經(jīng)訓(xùn)練的空間分類器和多個經(jīng)訓(xùn)練的時(shí)間分類器 的使用。
[0030] 在一些情況下，可使用在多個預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)針對存在于地區(qū)中的多個區(qū)域中的 多種污染物預(yù)測的AQIW進(jìn)行進(jìn)一步確定。運(yùn)樣的確定可與該地區(qū)中的一個或多個區(qū)域是 否適合于空氣質(zhì)量監(jiān)測站安裝相關(guān)。在運(yùn)樣的實(shí)例中，該確定可使用天際線檢測技術(shù)來執(zhí) 行。
[0031] 示例組件
[0032] 圖2是示出支持基于多個數(shù)據(jù)源來推斷某地區(qū)中的多個區(qū)域的空氣質(zhì)量指數(shù)的計(jì) 算設(shè)備的示例組件的說明性示圖。在各實(shí)施例中，計(jì)算設(shè)備102可W是服務(wù)器、服務(wù)器群組、 通用計(jì)算機(jī)，諸如臺式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)等。然而，在其它實(shí)施例中，計(jì)算 設(shè)備102可W是智能電話、游戲控制臺、個人數(shù)字助理(PDA)等等中的一個。
[0033] 示例計(jì)算設(shè)備102可包括網(wǎng)絡(luò)接口 202、一個或多個處理器204、存儲器206、和/或 使用戶能夠與計(jì)算設(shè)備交互的用戶接口。網(wǎng)絡(luò)接口202可包括使得計(jì)算設(shè)備102能夠經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的有線和/或無線通信接口組件。運(yùn)些用戶接口可包括數(shù)據(jù)輸出設(shè)備（例 如，視覺顯示器、音頻揚(yáng)聲器）W及一個或多個數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。數(shù)據(jù)輸入設(shè)備可包括但不限 于，鍵區(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)設(shè)備、觸摸屏、話筒、語音識別軟件包W及任何其他合適的設(shè)備或其他 電子/軟件選擇方法中的一個或多個的組合。
[0034] 在各種實(shí)施例中，無線接口組件可包括但不限于，蜂窩、Wi-Fi、超寬帶（UWB)、藍(lán) 牙、衛(wèi)星傳輸?shù)鹊?。有線接口組件可包括直接輸入/輸出（I/O)接口，如W太網(wǎng)接口、串行接 口、通用串行總線化SB)接口等等。如此，計(jì)算設(shè)備102可具有網(wǎng)絡(luò)能力。例如，計(jì)算設(shè)備102 可W經(jīng)由一個或多個網(wǎng)絡(luò)(如因特網(wǎng)）來與其他電子設(shè)備(例如，膝上型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等） 交換數(shù)據(jù)。通過運(yùn)種方式，計(jì)算設(shè)備