基于遗传算法的空气污染与植物净化研究

张慧敏，钟诚怡

(山西农业大学，山西 晋中 030800)

0 引言

众所周知，我国是人口大国，面对我国13亿人口压力，加上长期以来在计划经济体制下，发展经济以牺牲环境为代价谋求经济数量的增加，做过许多违背自然规律的事情，造成了巨大的生态破坏。当前，我国生态环境问题在国土资源安全、环境资源安全等几个方面的问题表现得尤为突出。

智能的植树造林可以最大化利用现有的资源，将保护环境的效果最大化。赵秀英[1]，研究了张家口市区的环境空气特点，根据该特点给出了如何绿化的建议，如何选择树种等。李娜[2]对城市空气污染特征及成因进行了分析，对城市的规划及树种的选择给出了相应的对策。张俊辉[3]等人研究城市植被滞沉对环境污染的磁学响应，通过对植物叶片的磁学测试，结合当地的现状给出其环境状况与区域工业分布的关系。上述三个都是研究环境污染与植树种植等关系，并给出合理的建议，但都没有给出其相互关系。

本文对不同植物对空气中污染源的净化能力的分析，采用遗传算法研究树种选择与空气污染的关系模型。

1 不同植物对污染源净化能力分析

植物能够吸收大气中的污染物，通过新陈代谢将污染物在植被体内降解，进而对大气污染起到净化作用。不同植物由于生态功能上的差异，导致其对污染物净化能力有显著的不同。下面给出城市中常见植物的特征：卫矛为灌木，小枝常具2-4列宽阔木栓翅，抗性强，适应范围广，较其他树种，栽植成本低，见效快，具有广阔的苗木市场空间；白桦常常生长在山坡或林中，适应性大，分布甚广，为次生林的先锋树种；紫丁香高可达4米，枝条粗壮无毛，叶广成卵形，通常宽度大于长度，对净化空气有很好的作用；赤杨根系发达固氮能力强，能固沙保土，生长迅速，是理想的生态防护林树种；桧柏耐干旱，深根性，侧根也很发达，对多种有害气体有一定抗性，是针叶树中对氯气和氟化氢抗性较强的树种，对二氧化硫的抗性显著胜过油松；落叶松树势高大挺拔，树枝斜展或近平展，是荒山造林和森林更新的主要树种；雪柳叶子披针形或卵状披针形，对污染物有较强的抗性和吸收功能，常用于工业企业及其周边环境的绿化，以净化空气，减轻大气污染。以上7中植物是日常生活中常见的几种树木，其对空气中不同污染物的净化能力如表1所示。

表1 不同植物单位体积内对不同污染物净化能力

2 遗传算法原理及实现

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是一种基于生物遗传的进化规律(适者生存，优胜劣汰遗传机制)演化而来的随机化搜索方法。遗传算法是通过模拟自然进化过程来搜索最优解，它利用某种编码技术，作用于称为染色体的数字串，模拟由这些串组成的群体的进化过程。遗传算法通过有组织的、随机的信息交换来重组那些适应性好的串，生成新的串的群体。

遗传算法的主要运算过程为：编码初始→群体的生成→适应度值评价检测→选择→交叉→变异→终止条件判断，其运算流程如图1所示。

图1 遗传算法运算流程

3 模型及试验

7种树在SO21.8 mg/m3，NO22.0 mg/m3，Cl20.6 mg/m3，HF 0.5 mg/m3这个污染地点进行种植，依次编号为1、2、3、4。其中这些树分别为卫矛、白桦、紫丁香、赤杨、桧柏、落叶松、杨柳，依次编号为1、2、3、4、5、6、7。这个地方的污染程度为wj,第i种树进化SO2、NO2、Cl2、HF估计值为pij;令各种树对各个大气中的污染气体进行净化有效值为：

Cij=wj*pij.

(1)

其中，Cij表示对某个地方进行种植进化污染的程度。求

(2)

目标函数设计为：

function[eval]=targetalloc(chrom).

(3)

其中，chrom为染色体，在函数体中p为7种树木对4种大气污染气体净化的评估值。染色体长度设置为4，使用代沟GGAP=0.9，使用基于适应度的重插入最适应的个体总是被连续传播到下一代。区域描述器BaseV=crtbp(7,4)描述染色体的表示和解释，染色体为十进制编码，初始种群被函数crtbp创建，产生一个矩阵Chrom。经过不同代数的迭代，发现50代的目标函数值稳定。图2为50代的优化解的目标函数值及性能跟踪图。

图2 经过50次迭代后的优化解的

50代遗传迭代后目标分配方案见表2。经过迭代计算最终得到在该污染点种植树木类型的最优解，即针对该污染点应该种植卫矛、白桦、紫丁香，污染物能够得到最大程度的净化。

表2 目标分配表

4 结论

本文中，白桦等不同植物单位体积内对不同污染物净化能力[5]，对大气污染物的吸收净化效益及抗性生理研究，编译环境为MATLAB 2015b，得出经过50次迭代后的优化解的目标函数值及性能跟踪效果图。

本应用中利用遗传算法根据提供的目标函数以及数据进行不同代数迭代，发现在15次迭代时趋于稳定，总体的净化效果达到最大化。同时得出使净化效果达到最好的目标分配方案。在该地区就应当种植卫矛、白桦、紫丁香。遗传算法的使用使本应用取得了较好的效果，这一应用可以最大化地使用树木，达到较好的净化效果，对环境也尽可能的保护。