一、研究背景
(一)水環(huán)境監(jiān)測及污水處理現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代以來，我國在水污染處理方面耗資巨大。財(cái)政部下達(dá)2019年度水污染防治資金預(yù)算合計(jì)高達(dá)190億元，水體污染已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。目前我國已經(jīng)引入水污染監(jiān)測系統(tǒng)，但是國內(nèi)的系統(tǒng)尚不完善且在分布式無線傳感器、智能體軟件系統(tǒng)、儀器設(shè)備的維護(hù)方面仍有諸多困難。此外，我國幅員遼闊，數(shù)量有限的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站不能覆蓋廣大的水環(huán)境，同時(shí)傳感器系統(tǒng)不智能化，難以實(shí)時(shí)采集水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。國家重大科技項(xiàng)目野水污染控制技術(shù)與控制工程冶的實(shí)施，也提高了中國水污染防治的綜合科技支撐能力。雖然城市水污染防治工作不斷改進(jìn)，但我國水污染防治形勢依然嚴(yán)峻，因此研究水處理系統(tǒng)的智能控制是十分必要的。
(二)分布式人工智能的研究現(xiàn)狀(應(yīng)用在水污染處理)
分布式是一種軟件系統(tǒng)，我們把白洋淀的所有污水點(diǎn)都統(tǒng)一到一塊兒，結(jié)合成一個(gè)野萬維網(wǎng)冶，這樣我們可以以全局的方式管理系統(tǒng)資源，進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)一的污水處理。分布式人工智能(DAI)，具有并行、高效、協(xié)同、容錯(cuò)的特點(diǎn)。目前，分布式人工智能應(yīng)用在軍事、電商、金融以及環(huán)境治理等領(lǐng)域。分布式污水處理系統(tǒng)是由Agent智能體和有通信能力的傳感器組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，它們通過自組織形式形成分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過傳感器節(jié)點(diǎn)收集周圍環(huán)境中的光、熱、雷達(dá)和波，然后檢測相應(yīng)的多重信息。
二、白洋淀處理水污染存在的問題
白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊濕地。改革開放以前,重工業(yè)還不發(fā)達(dá)，工業(yè)污水排放量較少，水中氧氣及各種微生物含量豐富，為周邊植物及水生植物提供了良好環(huán)境，也為周圍各種動(dòng)物提供了優(yōu)質(zhì)水源。但是到改革開放中期，因大力發(fā)展工業(yè)，污水處理系統(tǒng)尚未完善，監(jiān)管松懈，導(dǎo)致廢水未經(jīng)處理直接排放到淀中，對白洋淀水質(zhì)造成嚴(yán)重污染，白洋淀水污染治理形勢嚴(yán)峻。有關(guān)部門對白洋淀流域重點(diǎn)排污企業(yè)進(jìn)行拉網(wǎng)式排查，檢查企業(yè)1000家，關(guān)停、限排不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)企業(yè)218家。雖然白洋淀上游污染物排放量有減少的趨勢，但是入淀水量也明顯偏少,干淀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致淀內(nèi)水質(zhì)持續(xù)惡化，水體稀釋自凈能力幾乎殆盡。
為緩解白洋淀水資源短缺和水生態(tài)危機(jī)，重塑白洋淀底棲生境和修復(fù)白洋淀生態(tài)環(huán)境，政府對白洋淀開展了一系列的污水治理項(xiàng)目。但是治理方式具有一定的局限性，治理效果未達(dá)到預(yù)期。因此，我們利用Agent技術(shù)與分布式思想相結(jié)合，全面智能化地治理白洋淀水污染刻不容緩。
三、Agent與分布式思想理論概述
分布式污水處理系統(tǒng)是建立在發(fā)展逐漸趨于成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之上的軟件系統(tǒng)。
分布式系統(tǒng)具有契合軟件的特性，因此分布式系統(tǒng)具有高內(nèi)聚性，同時(shí)分布式系統(tǒng)具有高透明性，便于監(jiān)測管理以及及時(shí)處理水污染問題。
分布式污水處理系統(tǒng)給治理白洋淀水污染的管理層人員提供了一個(gè)易于操作的控制管理平臺(tái)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)處理。該系統(tǒng)根據(jù)一定的邏輯結(jié)構(gòu)和功能需求，劃分出不同的功能模塊，進(jìn)行多線程并發(fā)式工作機(jī)制。
Agent是一種計(jì)算實(shí)體或程序，它可以應(yīng)用在白洋淀中，感知白洋淀水資源環(huán)境，并自主完成管理層人員所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
基于Agent分布式污水處理系統(tǒng)則是由多個(gè)Agent組成的一個(gè)自主性、智能型系統(tǒng)。系統(tǒng)中每個(gè)Agent根據(jù)環(huán)境信息完成各自承擔(dān)的工作，多個(gè)Agent分工協(xié)作，形成一個(gè)有組織、有序的群體，共同完成特定的任務(wù)。由于系統(tǒng)的分布性、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性，需要對每個(gè)Agent智能體的通信、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制能力進(jìn)一步規(guī)范化、模塊化，從而達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。
四、工作流程和機(jī)制
(一)監(jiān)測Agent
監(jiān)測Agent實(shí)體應(yīng)用于分布式污水處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對白洋淀水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
監(jiān)測Agent智能體包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過不同的傳感器節(jié)點(diǎn)感知白洋淀水資源環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)采集以及實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)狀況的功能。分布式污水處理系統(tǒng)，通過監(jiān)測Agent智能體對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊化管理，不同模塊之間采用級聯(lián)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，每個(gè)模塊通過信道將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測Agent智能體中。通過多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測Agent智能體傳輸不同數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互曰收集到的信息則以無線的方式傳遞給分析Agent
管理層人員可以根據(jù)監(jiān)測Agent智能體的串口數(shù)量，增加傳感器節(jié)點(diǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)多處水域并行監(jiān)控，解決了白洋淀因水域遼闊分散而無法進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測的問題。
根據(jù)調(diào)查研究顯示，白洋淀水污染多因家庭生活垃圾和農(nóng)、工業(yè)污水未經(jīng)統(tǒng)一集中處理直接排入淀中。管理層人員可根據(jù)其周邊排污情況來部署傳感器節(jié)點(diǎn)，對于上游村莊以及工業(yè)聚集地進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)密集部署，反之，則可以進(jìn)行稀疏部署。為了保證水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)位置必須精確登記入庫。
(二)分析Agent
分析Agent可將上一級Agent傳輸過來的待處理數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義標(biāo)準(zhǔn)剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理效率，能有效解決數(shù)據(jù)異常的問題。再利用大數(shù)據(jù)技術(shù)將數(shù)據(jù)與水污染常規(guī)分析指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)比對，從溫度、溶氧量、PH值、渾濁度、電導(dǎo)率、重金屬含量等多個(gè)維度深層分析水質(zhì)狀況。通過分析Agent將上層數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，再將分析結(jié)果傳遞給處理Agent和管理層人員。
如果管理層人員認(rèn)為所采集的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況嚴(yán)重不符時(shí)，可以駁回分析結(jié)果，并向上一層Agent發(fā)送質(zhì)疑請求，上一級Agent就會(huì)接收請求并自行采集多次數(shù)據(jù)，取其均值。
(三)處理Agent
警報(bào)：若分析Agent傳輸?shù)臄?shù)據(jù)達(dá)到或超過臨界值，則觸發(fā)處理Agent報(bào)警系統(tǒng)，并對報(bào)警事件及處理的后續(xù)工作進(jìn)行追蹤，確保白洋淀內(nèi)異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，真正實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)全天候無人值守的純智能化操作。
數(shù)據(jù)登記入庫：將白洋淀各個(gè)節(jié)點(diǎn)、各個(gè)時(shí)段水質(zhì)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，全程記錄水污染治理過程中水質(zhì)參數(shù)變化，構(gòu)成白洋淀水質(zhì)信息網(wǎng)絡(luò)，做到長期全方位監(jiān)控，以便為日后的研究和決策提供參考。
決策方案：將分析Agent傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，將數(shù)字化后的特征屬性類數(shù)據(jù)存入案例庫，并建立特征索引，利用索引在數(shù)據(jù)庫中匹配，找到類似的解決方案，并將方案傳遞給管理層人員，為他們提供決策幫助。
污水處理是一個(gè)龐大又復(fù)雜的工作，分布式污水處理系統(tǒng)，并不是一個(gè)單一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是按照運(yùn)行的要求從功能上將系統(tǒng)劃分成多個(gè)Agent，各個(gè)Agent智能體間的相互通信，協(xié)調(diào)合作，交互式處理數(shù)據(jù)信息，形成一個(gè)多Agent智能系統(tǒng)。這個(gè)統(tǒng)一的、完整的污水處理系統(tǒng)更適用于白洋淀水域遼闊、污水點(diǎn)眾多、污染源復(fù)雜的情況。
五、分布式污水處理系統(tǒng)在白洋淀應(yīng)用意義
水是人類生存的必須資源，也是不可再生資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的提高，排入水環(huán)境中的污染物種類和途徑越來越多，污染物排放量迅速增加，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，動(dòng)植物棲息地減少，水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益尖銳，對人類的生存產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。
白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊濕地，有野華北之腎冶之稱。利用分布式污水處理系統(tǒng)，將污水處理流程模塊化、精細(xì)化，不僅大大提高了白洋淀污水處理效率，提高了白洋淀水環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)白洋淀地區(qū)的綠色發(fā)展曰更是響應(yīng)了葉河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要曳，促進(jìn)了新區(qū)快速發(fā)展。若能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源，則便于對污染排放進(jìn)行及時(shí)制止和治理，這對保護(hù)水環(huán)境，保護(hù)生態(tài)具有重要意義。白洋淀污水治理是雄安新區(qū)發(fā)展大計(jì)必不可少的一部分，治理白洋淀水污染勢必會(huì)帶動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展，從而牽動(dòng)雄安新區(qū)經(jīng)濟(jì)增長。
六、結(jié)語
分布式污水處理系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)，通過建立多個(gè)Agent智能體相互通信、協(xié)調(diào)合作、交互式處理數(shù)據(jù)信息的污水處理系統(tǒng)，對白洋淀水污染數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、準(zhǔn)確分析、高效處理，進(jìn)而達(dá)到全面高效治理水污染的目的，對于白洋淀地區(qū)水污染治理和雄安新區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。( >
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