基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(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)測與治理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于多Agent的湖庫、流域的 水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類賴以生存的物質(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)量呈動態(tài)變化過程，因此進行水質(zhì)監(jiān)測對于水 質(zhì)監(jiān)控與污染防治具有重要意義。水質(zhì)監(jiān)測是通過監(jiān)視和測定水體中污染物種類、濃度以 及變化趨勢，對水質(zhì)狀況進行評價的一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。水質(zhì)監(jiān)測點的選擇一般是由監(jiān) 測目的和斷面類型來論證確定的，監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況及其隨時間的變化規(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)測是按照水體區(qū)域大小平均分布的原則進行 布設(shè)，即將水域平均分割為固定大小的網(wǎng)格，并在每個網(wǎng)格的中心位置布測點，這種方法簡 單易行，但往往會導(dǎo)致相鄰斷面出現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果相同或相近，造成監(jiān)測資源浪費，因此需 要進行不斷的優(yōu)化。通過水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化，以最小的代價和最高的效率使得監(jiān)測斷面具 有最佳整體功能，可有效整合水環(huán)境監(jiān)測資源，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，實現(xiàn)更加有效的水環(huán)境監(jiān)測。
[0003] 在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，把傳感器和其所具備的知識信息封裝成具有相應(yīng)監(jiān)測功能 的sensor Agent，這些sensor Agent是具有對立的工作能力的智能主體，用多Agent 系統(tǒng)來構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，提高了水質(zhì)監(jiān)測魯棒性和可靠性?；贏gent的建模仿真 (Agent-based Modeling and Simulation，ABMS)可使建模過程清晰直觀，同時更好地把握 系統(tǒng)中實體和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三種類型。水質(zhì)Agent為混合Agent，能夠根據(jù)外部環(huán)境的改變而進行智能的自我 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)測斷面優(yōu)化Agent簡稱水質(zhì) Agent〇
[0004] 每個水質(zhì)Agent元素都擁有各自的知識、信念存儲策略、目標(biāo)和能力，對于問題進 行求解的同時從其他水質(zhì)Agent處獲得信息，在復(fù)雜的內(nèi)部機制控制下，不斷地學(xué)習(xí)和積 累經(jīng)驗，并通過效應(yīng)器做出相應(yīng)行為，并影響外部環(huán)境，從而在系統(tǒng)運行過程中將定性和定 量的方法有機結(jié)合起來。智能Agent通過傳感器感知環(huán)境，通過效應(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)明針對現(xiàn)有分層聚類法在水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化中的缺點，提供了一種基于多 Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法。本發(fā)明利用水質(zhì)多Agent的粗分和細(xì) 分來實現(xiàn)分層聚類，對水質(zhì)監(jiān)測斷面進行優(yōu)化，為使得水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化更加有效直觀，本 發(fā)明采用多Agent仿真技術(shù)，通過粗分模型和細(xì)分模型，分別對水質(zhì)多Agent進行合并和細(xì) 化，進而使得水質(zhì)Agent個數(shù)滿足閾值條件。
[0006] 本發(fā)明基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(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)方法對水域進行平均分割，利用多Agent系統(tǒng)進行水質(zhì) 監(jiān)測，對分割的每個區(qū)域監(jiān)測到一個水質(zhì)Agent，每個水質(zhì)Agent包含n個水質(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）對原始數(shù)據(jù)矩 陣標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣進行處理，將所得主成分的綜合評價得分Z與非主成分的綜合評價得分 Z作為多Agent系統(tǒng)的兩個元素；
[0009]
【主權(quán)項】
1. 一種基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1 :對水域進行平均分割，利用多Agent系統(tǒng)進行水質(zhì)監(jiān)測，對分割的每個區(qū)域監(jiān) 測到一個水質(zhì)Agent，每個水質(zhì)Agent包含n個水質(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原始數(shù)據(jù)矩陣P標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣X進行處理，得到主成 分的綜合評價得分Z與非主成分的綜合評價得分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 :取主成分綜合評價得分作為評價參數(shù)，對水質(zhì)Agent是否相鄰及相似進行判 斷，當(dāng)兩個水質(zhì)Agent同時滿足相似與相鄰兩個條件時，則產(chǎn)生連接關(guān)系并合并，最后將水 質(zhì)Agent聚為N類，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」對應(yīng)的主成分綜合評價得分分別為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，取非主成分綜合評價得分作為評價參數(shù)，對合并后的 水質(zhì)Agent是否相鄰及不相似進行判斷，若兩個水質(zhì)Agent同時滿足不相似和相鄰 兩個條件時，則取消其連接關(guān)系并進行拆分，最后將水質(zhì)Agent聚為K類，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，水質(zhì)Agent種水質(zhì)Agent』對應(yīng)的非主成分綜合評價得分分別為筆和&，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)過步驟3和步驟4,使得最終得到水質(zhì)聚類的個數(shù)不小于閾值T，將每個聚類 對應(yīng)的中心位置設(shè)為水質(zhì)監(jiān)測點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其 特征在于，所述的步驟2具體實現(xiàn)方法是： 步驟2. 1 :對矩陣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)
，確定主成分個數(shù)p; 步驟2. 4,對于每個水質(zhì)Agent確定成分Zi(i= 1，. . .，p)的表達式；
其中，[Xi,x2，…，xn]對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X中的行向量，對應(yīng)一個水質(zhì)Agent; 步驟2. 5,對于每個水質(zhì)Agent，確定主成分的綜合評價得分Z與非主成分的綜合評價 得分Z。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法，其 特征在于，所述的步驟3中，對于水質(zhì)Agents和水質(zhì)Agentj的相鄰性判斷方法為：采用圖像 處理中像素點四連通區(qū)域算法進行判斷，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。
【專利摘要】本發(fā)明屬于水環(huán)境監(jiān)控與治理領(lǐng)域，公開了一種基于多Agent的湖庫、流域的水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法。本發(fā)明對水域劃分并利用多Agent系統(tǒng)進行水質(zhì)監(jiān)測構(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價得分作為多Agent系統(tǒng)的兩個元素，并以相鄰水質(zhì)Agent間的相似度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在粗分模型和細(xì)分模型中分別對水質(zhì)Agent進行合并與拆分，得到優(yōu)化后的最佳水質(zhì)Agent聚類，最終取每個水質(zhì)Agent聚類對應(yīng)的中心點位置作為最終監(jiān)測點。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明方法可提高監(jiān)測質(zhì)量，降低投入成本，為水質(zhì)斷面監(jiān)測的優(yōu)化布設(shè)提供一種行之有效的新途徑。
【IPC分類】G06Q10-04
【公開號】CN104573862
【申請?zhí)枴緾N201510005167
【發(fā)明人】連曉峰, 彭森, 王小藝, 于嘉冀
【申請人】北京工商大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日