汽车环境污染预警机制研究

汽车环境污染预警机制研究

随着我国经济的发展和汽车工业的进步和人民生活水平的提高，中国汽车的产量和所有权逐年提高，但环境污染问题日益严重，对人类的生活环境和健康产生了威胁。汽车环境污染已经成为我国乃至全世界都面临的重要难题,分析汽车对环境的污染情况,采取防治措施是非常必要的。回顾以往的研究,主要有两点不足:a)在分析汽车对环境的污染时,多数研究集中在某一方面的污染,或者是汽车排放污染,或者是汽车噪声污染,或者是车内环境污染,均没有对上述三大汽车环境污染进行综合研究。b)关于汽车预警的研究,多数集中在追尾预警、防碰撞预警、轮胎故障预警等预防事故的预警。关于污染预警的研究,多数集中在土壤污染预警、大气环境污染预警、光化学污染预警、水资源污染预警等某一特定的污染预警,目前对汽车环境污染预警的研究尚不多见。在内容上,本文综合考虑汽车对环境造成的三大污染,建立一个全面的汽车环境污染预警指标体系,将汽车环境污染与预警理论相结合,提出汽车环境污染预警机制。在方法上,本文将人工智能与专家系统领域的知识和理论加以创造性地利用,设计预警综合数据库、预警知识库和预警推理机,从而建立汽车环境污染预警机制。1为车辆环境预警系统的建立1.1光化学烟菌的危害汽车对环境造成的三大污染是:1)汽车排放污染汽车排放污染主要有三个来源:a)废气排污,即从排气管直接排出的发动机的燃烧产物;b)曲轴箱排污,即从活塞环与气缸壁的间隙窜入曲轴箱,再由曲轴箱通风管排出的燃烧产物和未燃烧的燃料混合物;c)从汽油箱、输油管路接头处挥发出的汽油蒸气。汽车排放的污染物主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫化物、铅化物和碳烟等。其中,一氧化碳有剧毒,吸入后使人体因缺氧而窒息或死亡;碳氢化合物含有致癌物质;氮氧化物能引起神经中枢障碍,吸入肺部可造成肺气肿,还可引起酸雨;氮氧化物和碳氢化合物在一定气象条件下反应生成光化学烟雾,使环境可见度降低,刺激人体内粘膜,并腐蚀建筑物和农作物;烟尘粒子对人体遗传、呼吸、免疫和血液系统均有损伤作用。2)汽车噪声污染产生汽车噪声的主要因素是空气动力、机械传动、电磁三部分。从结构上可分为发动机噪声、底盘噪声、电器设备噪声、车身噪声,其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,是汽车噪声控制的关键。此外,高速行驶的汽车,由于轮胎与路面撞击及其花纹槽内空气受挤压也会引起较大噪声。汽车噪声不但增加驾驶员和乘客的疲劳,影响汽车行驶安全,而且在多方面有损于人体健康。噪声作用于中枢神经系统,会使大脑皮层平衡失调,导致条件反射异常,使脑血管张力遭到损害;噪声作用于消化系统,会造成消化不良、恶心呕吐,从而导致胃病及胃溃疡病;噪声作用于心血管系统,会使高血压、动脉硬化和冠心病的发病率比正常情况下明显提高;另外噪声对视觉器官也会造成不良影响。3)车内环境污染车内环境污染主要来自汽车自身和外部侵入两方面。汽车自身造成的车内环境污染主要是由于汽车内饰材料所含的有害物质在汽车使用过程中释放到车内,特别是长时间在阳光照射下高温加速了有害物质的挥发,使车内有害气体的浓度急剧增多。外部侵入造成的车内环境污染主要有汽车尾气、灰尘,由于开窗或密封不严进入车内;司乘人员因吸烟或携带细菌进入车内;各种附加物品如香水、清洁剂、坐垫、小饰品造成的污染。车内污染物主要有甲醛、苯类物、丙酮、二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物等。其中,甲醛是致癌和致畸形物质;苯类物中以苯的毒性最大,为强致癌物质;丙酮对中枢神经系统有抑制、麻醉作用;二氧化硫对眼和呼吸道有强烈刺激作用;一氧化碳与人体血红蛋白结合可使人因缺氧而窒息;氮氧化物会刺激肺部,降低人体抵抗力。1.2汽车给环境带来的污染预警汽车环境污染预警是指对汽车向环境造成的各种污染进行提前警示和积极防范,从而减少或避免对人类的身体健康及生活环境造成不利影响。汽车环境污染预警是一种预防性的保障措施。汽车在运行过程中会制造各种污染,它们对人类的身体健康和生存环境存在潜在的危害。为避免其影响,应采取积极的态度,即能够预先辨识汽车给环境带来的各种污染物,了解其污染程度,尽量将汽车给环境带来的污染控制在一定范围内。只要汽车对环境造成的污染程度超过预期的承受度,都需要在威胁发生之前采取一定的预防行为或保障措施,目的是降低污染隐患,减少不确定性影响,进而保护人类身体健康和生存环境不被侵害。2智能分析与教育预防汽车环境污染预警机制通过对预警指标的实时检测,利用预警机制的智能分析功能,解析汽车对环境造成的各种污染的安全状态及污染风险,进行发展态势的描述和成因过程的探究,发出相应警示信号来帮助人们提前采取预防性的应对策略。2.1建立环境污染预警机制汽车环境污染预警机制主要由综合数据库、预警知识库、预警推理机和人机接口组成,如图1所示。其中,综合数据库存放初始事实、中间事实和最后结果;预警知识库存放求解问题所需要的各种知识;推理机是用知识库中的知识来求解问题的程序;人机接口和推理机合起来称为预警机制的“外壳”。汽车环境污染预警机制的运行过程是这样的:a)检测设备实时监测各预警指标,将检测值通过预警推理机写入综合数据库,作为“初始事实”;b)预警推理机将指标检测值与预警知识库中的“警情等级”相匹配,判定各指标当前污染等级并将其写入综合数据库,作为“中间事实”;c)预警推理机用预警知识库中的“预测模型”预计下一时刻各指标的污染指数,再与“警情等级”相匹配,判定各指标下一时刻的污染等级并写入综合数据库,作为“中间事实”;d)预警推理机用预警知识库中的“警情分析”分析“中间事实”,生成“警情报告”,存入综合数据库,作为“最终结果”;e)预警推理机进行反向推理,找出造成当前污染状态的污染源及其浓度指数,生成“污染源分析报告”,存入综合数据库,作为“最终结果”;f)“警情报告”与“污染源分析报告”组成“预警报告”,预警推理机将其从综合数据库调出,通过人机接口传递给用户。2.2结果的推理和推理汽车环境污染预警综合数据库也称为事实库,是数据结构中心,用以存放初始事实、中间事实和最终结果。将各预警指标的实时检测值作为初始事实;将在推理过程中预警规则被激活时生成的各预警指标的污染等级作为中间事实,将正向推理得到的警情分析报告和反向推理得到的污染源分析报告作为最终结果,分别存入综合数据库相应的表中。下面以预警指标检测值为例,设计其数据存储结构。2.2.1指标选取在构造汽车环境污染预警指标体系时,选取汽车在使用过程中对环境造成的三大污染:汽车排放污染、汽车噪声污染及车内环境污染作为一级指标;在每个一级指标内,选取具有代表性的主要污染物的含量作为二级指标。指标体系如图2所示。2.2.2人工智能的定义和概念汽车环境污染预警指标知识表示是一组描述汽车环境污染领域内,预警指标实体和该实体属性、行为及实体关系的词汇、定义、公理、定理的集合,即用领域概念知识来表达具体事物、事件。用语义网络知识表示方法来表示预警指标的概念和概念之间的关系。从语义联系上看,各级指标之间是composed-of联系,表示指标的“构成”关系,如图3所示。元数据即关于数据的数据,是提供关于信息资源或数据的一种结构化的数据,是对信息资源的结构化的描述。都柏林核心(Dublincore)是国际组织DublinCoreMetadataInitiative拟定的用于标志电子资源的一种简要目录模式。在都柏林核心的简化形式(simpleDublincore)中共包含15个元素,它们是名称(title)、创作者(creator)、主题及关键词(subjectandkeywords)、说明(description)、出版者(publisher)、发行者(contributor)、时间(date)、类型(type)、格式(format)、标志(identi-fier)、来源(source)、语言(language)、相关资源(relation)、范围(coverage)、版权(rights)。用都柏林核心元数据进行知识标注,就是将都柏林核心简化形式所含的15个元素,作为一组简单的标准化的元数据记录,用来标注各二级预警指标,从而更加有效地描述和检索数据资源。从语义联系上看,各二级预警指标与都柏林核心元数据之间是have联系,表示指标对属性的“具有”关系,如图3所示。2.3型和警情分析三部分知识组成汽车环境污染预警知识库由警情等级、预测模型和警情分析三部分知识组成,均属于规则性知识。通过预警推理机的控制和协调,这三部分知识相互作用,构成一个整体的预警规则。2.3.1编制车内环境污染预警指标针对汽车排放污染,参考欧盟组织(EU)制定的欧洲汽车废气排放标准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,针对汽车噪声污染,参考我国GB/T1495-2002标准《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》,针对车内环境污染,参考德国大众VW50108标准《车内挥发物控制标准》,将汽车环境污染预警指标警情划分为重警(V1)、中警(V2)、轻警(V3)和无警(V4)四个等级,其中前两项标准是我国正在使用的国家标准。由于目前我国有关车内环境污染限制的标准尚未出台,本文暂采用欧洲一流的德国大众VW50108标准《车内挥发物控制标准》。以3.5t<GVM≤5t,P<150kW,发动机后置的M2类商用客车为例,制定警情等级表,如表1所示。2.3.2测定指标的指标值和预测模型预警规则分为对当前时刻污染状态的判定、对未来污染状态的预测、对污染源的分析三部分。如图4所示,用特定的检测工具对各项预警指标进行实时监测,得到各时刻的指标检测值,并将其存放到指标值数据库中;将当前的指标值与所划分的警情等级匹配,确定各指标的警情,统计各级警情的频数,经过警情分析输出显示当前污染状态的警情报告;取当前及之前共十个时刻的指标值,经过预测模型得出下一时刻的指标预测值,将此预测值与所划分的警情等级匹配,确定各指标的警情,统计各级警情的频数,经过警情分析输出预测下一时刻的污染状态的警情报告;由当前警情报告开始进行反向推理,找到污染源指标的浓度值,输出污染源分析报告。其中,警情分析的运行如图5所示。2.3.3警情分析的运行规则用产生式表示法和谓词逻辑表示法相结合作为预警规则的知识表示方法。预警规则库包含两部分知识表示:条件表示和规则表示。条件表示引入两个三元谓词:state(id,object,value)和count(id_V,V,number);规则表示引入一个三元谓词:rule(id_rule,count_relation,action)。具体说明如下:State(id,object,value)表示叙述性知识,描述预警指标的状态。其中:id表示条件号,惟一标志一个条件;object表示条件的主体,这里指每个预警指标,如碳氢化合物;value表示主体的属性,这里指每个预警指标的警情状态,如重警等。Count(id_V,V,number)表示操作性知识,统计警情频数。其中:id_V表示条件号,惟一标志一个条件;V表示条件的主体,这里指每种警情,如重警;number表示主体的属性,这里指每种警情的频数。Rule(id_rule,count_relation,action)。其中:id_rule表示规则号,惟一标志一条规则;count_relation表示该规则包含的条件逻辑表达式,表达式之间的关系由and、or和not等组成;action表示满足逻辑表达式后要进行的操作、活动或动作,即规则的结论部分。用产生式表示法表达判断预警指标状态的规则。根据已定义的警情等级事实表1,用碳氢化合物(U11)举例说明:ifU11>1.1,thenvalue=重警(V1);if0.66<U11<1.1,thenvalue=中警(V2);if0.46<U11<0.66,thenvalue=轻警(V3);ifU11<0.46,thenvalue=无警(V4).根据已列出的警情分析的运行(图5),用产生式表示法表达警情分析的运行规则:ifnumber(V1)>0,thenaction=红灯;ifnumber(V1)=0andnumber(V2)>0,thenaction=橙灯;ifnumber(V1)=0andnumber(V2)=0andnumber(V3)>0,thenaction=黄灯;ifnumber(V1)=0andnumber(V2)=0andnumber(V3)=0,thenaction=绿灯2.4推理机的推理过程汽车环境污染预警机制的推理机采用正向推理和反向推理相结合的方式来运行整个系统。用正向推理,从预警指标的状态出发,与数据库和规则库存放的知识进行匹配,启动与规则对应的操作,实现对当前污染程度的判断和对未来污染程度的预测;用反向推理,从当前的污染状态出发,找到造成当前污染的污染源的指标状态,从而有针对性地采取应急措施,控制污染源。以下是推理机的推理过程:设U={U11、U12、U13、U14、U21、U22、U23、U31、U32、U33、U34}表示各预警指标,存入YJZB;V={V1、V2、V3、V4}表示各级警{重警、中警、轻警、无警},存入JQDJ;warning-model(U1～UT,U′)为预测模型,U1～UT为1～T时刻指标值,U′为历史值;state(id,object,value)表示指标警情状态;count(id_V,V,number)计数指标警情频数;rule(id_rule,count_relation,action)表示执行预警规则并输出报告。11推理过程(1)yjzbid,u,v,v,v,v,形①writeUtoYJZB;②compareUwithVfromJQDJ;③writestate(id,U,V)toYJZB;④count(id_V,V,number)fromYJZB;⑤rule(id_rule,count_relation,action);⑥outputaction.(2)toyjzb①selectU1～UTfromYJZB;②warning-model(U1～UT,U′);③writeU′toYJZB;④compareU′withVfromJQDJ;⑤writestate(id,U′,V)toYJZB;⑥count(id_V,V,number)fromYJZB;