[发明专利]基于滑动窗口异常检测的大气环境监测质量监控方法及计算设备

说明书

本发明涉及基于滑动窗口异常检测的大气环境监测质量监控方法及计算设备，监控方法包括：(1)服务器端发送请求命令；(2)数据预处理；(3)计算不同站点之间的关联系数，调整每个站点的位置；(4)通过5*5的关联滑动窗口，计算窗口内污染物浓度的均值和方差；(5)计算异常因子，定位异常数据；(6)采用方差和LOF异常值的乘积与阈值比较来监控异常数据；(7)返回质量监控结果至服务器端。本发明考虑到监测站点以及污染时间上的关联性，使用滑动窗口以及关联系数进行约束和操作、采用方差和LOF异常值的乘积来监控异常数据，以解决通过仪器监测采集的大气环境监测物如SO₂、NO₂、O₃、CO、PM₁₀、PM_2.5等引起的异常数据质量问题等。

技术领域

本发明属于大气环境监测物质量控制领域，尤其涉及一种基于滑动窗口异常检测的大气环境监测质量监控方法及计算设备。

背景技术

目前随着城市化进程加快、工业迅猛发展，随之而来的是汽车尾气排放加重导致二氧化硫浓度超标、空气悬浮颗粒浓度超标出现雾霾天气等。针对这些问题需要精确的环境污染指标来进行指导，通过直观性展示污染进程变化来引起人们的重视，并对地方的污染治理提供依据和方向指导。

现阶段环境空气质量的检测主要通过仪器监测，仪器精度出现偏差将影响大气环境质量指标的浓度偏差。现阶段质量监测主要采用人工审核，该方法消耗大量的人力资源，因此，急需一种智能的、在线的手段对仪器监测的大气环境指标进行实时质量监控，来降低人工成本。目前研究以环境应对策略和大气质量指标监测设备设计为主，鲜少有文献关注大气环境智能监测。

由于大气环境监测物的质量管控需要有一段稳定运行的历史数据作为支撑，因此从数据上限制了该领域的发展。基于滑动窗口的异常值检测方法对于窗口的选择比较敏感，针对不同的研究问题和不同数据要经过测试寻找最佳的参数，且手工控制的参数过多，如:采样数、第K个最近距离、滑动窗口、阈值等,严重降低了其泛化能力。基于LOF异常值的主要不足在于只评估每个数据段的异常概率，无法针对单独的数据进行异常判断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于滑动窗口异常检测的大气环境监测质量监控方法及计算设备，本发明的设备接收方法从服务器端发出的请求命令，并从站点仪器终端采集接收数据，然后经过数据处理后输出异常值，进而报送监控结果返回给服务器端，以解决通过仪器监测采集的大气环境监测物(SO₂、NO₂、O₃、CO、PM₁₀、PM_2.5等)引起的异常数据质量问题。目前随着城市化进程加快、工业迅猛发展，随着而来的是汽车尾气排放加重导致二氧化硫浓度超标、空气悬浮颗粒浓度超标出现雾霾天气等问题。针对这些问题需要精准的环境污染指标来进行指导，通过直观性展示污染进程变化来引起人们的重视，并对地方的污染治理提供依据和方向指导。

一种基于滑动窗口异常检测的大气环境监测质量监控方法，主要包括以下步骤：

(1)用户在服务器端发送大气污染监测质量监控指令，得到不同站点在不同时间点的大气环境监测物浓度值；

(2)将得到待质量监控的大气环境监测物在不同站点不同时间点的浓度数据转换成标准化数据格式；

(3)用皮尔逊关联系数计算待质量监控的大气环境监测物在不同站点之间的关联系数，根据对应系数的大小调整每个站点在表格中的位置；

(4)通过5*5的关联滑动窗口将步骤(3)调整后的待质量监控的大气环境监测物浓度值转换成窗口内污染物浓度的均值和方差；

(5)以异常值检测窗口为单元，计算窗口内每个点对应的LOF异常值；然后通过设定阈值定位异常数据；阈值设定为所计算样本异常值的百分之九十九分位数；窗口的大小随着不同站点变化而变化，窗口的列为该站点的个数，窗口的行为时间小于24小时的数据行；