基于Agent分布式污水處理系統(tǒng)

　　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。財政部下達2019年度水污染防治資金預(yù)算合計高達190億元，水體污染已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(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)自動監(jiān)測站不能覆蓋廣大的水環(huán)境，同時傳感器系統(tǒng)不智能化，難以實時采集水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。國家重大科技項目野水污染控制技術(shù)與控制工程冶的實施，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，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都統(tǒng)一到一塊兒，結(jié)合成一個野萬維網(wǎng)冶，這樣我們可以以全局的方式管理系統(tǒng)資源，進而進行統(tǒng)一的污水處理。分布式人工智能(DAI)，具有并行、高效、協(xié)同、容錯的特點。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)點收集周圍環(huán)境中的光、熱、雷達和波，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，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排污企業(yè)進行拉網(wǎng)式排查，檢查企業(yè)1000家，關(guān)停、限排不穩(wěn)定達標(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，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目。但是治理方式具有一定的局限性，治理效果未達到預(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，同時分布式系統(tǒng)具有高透明性，便于監(jiān)測管理以及及時處理水污染問題。

　　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易于操作的控制管理平臺，做到實時監(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，進行多線程并發(fā)式工作機制。

　　Agent是一種計算實體或程序，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現(xiàn)的目標(biāo)。

　　基于Agent分布式污水處理系統(tǒng)則是由多個Agent組成的一個自主性、智能型系統(tǒng)。系統(tǒng)中每個Agent根據(jù)環(huán)境信息完成各自承擔(dān)的工作，多個Agent分工協(xié)作，形成一個有組織、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、動態(tài)性，需要對每個Agent智能體的通信、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制能力進一步規(guī)范化、模塊化，從而達到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

　　四、工作流程和機制

　　(一)監(jiān)測Agent

　　監(jiān)測Agent實體應(yīng)用于分布式污水處理系統(tǒng)來實現(xiàn)對白洋淀水質(zhì)實時監(jiān)控。

　　監(jiān)測Agent智能體包含多個傳感器節(jié)點，通過不同的傳感器節(jié)點感知白洋淀水資源環(huán)境，實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)采集以及實時檢測水質(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)點進行模塊化管理，不同模塊之間采用級聯(lián)的方式進行數(shù)據(jù)共享，每個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。通過多個傳感器節(jié)點向監(jiān)測Agent智能體傳輸不同數(shù)據(jù)，從而實現(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)點模塊，實現(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，對于上游村莊以及工業(yè)聚集地進行傳感器節(jié)點密集部署，反之，則可以進行稀疏部署。為了保證水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性，每個傳感器節(jié)點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、重金屬含量等多個維度深層分析水質(zhì)狀況。通過分析Agent將上層數(shù)據(jù)進行匯總和分析，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)與真實情況嚴(yán)重不符時，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：若分析Agent傳輸?shù)臄?shù)據(jù)達到或超過臨界值，則觸發(fā)處理Agent報警系統(tǒng)，并對報警事件及處理的后續(xù)工作進行追蹤，確保白洋淀內(nèi)異常情況的及時發(fā)現(xiàn)和處理，真正實現(xiàn)了24小時全天候無人值守的純智能化操作。

　　數(shù)據(jù)登記入庫：將白洋淀各個節(jié)點、各個時段水質(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。

　　污水處理是一個龐大又復(fù)雜的工作，分布式污水處理系統(tǒng)，并不是一個單一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是按照運行的要求從功能上將系統(tǒng)劃分成多個Agent，各個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，形成一個多Agent智能系統(tǒng)。這個統(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。隨著社會經(jīng)濟的發(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，動植物棲息地減少，水環(huán)境保護與經(jīng)濟發(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，促進了新區(qū)快速發(fā)展。若能夠及時發(fā)現(xiàn)污染源，則便于對污染排放進行及時制止和治理，這對保護水環(huán)境，保護生態(tài)具有重要意義。白洋淀污水治理是雄安新區(qū)發(fā)展大計必不可少的一部分，治理白洋淀水污染勢必會帶動當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展，從而牽動雄安新區(qū)經(jīng)濟增長。

　　六、結(jié)語

　　分布式污水處理系統(tǒng)是一個動態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)，通過建立多個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)進行實時監(jiān)測、準(zhǔn)確分析、高效處理，進而達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。(來源：河北金融學(xué)院)