軟測量技術(shù)論文
軟測量技術(shù)論文
軟測量技術(shù)的研究主要是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它對非線性問題有較好的處理能力，對求解結(jié)果有較好的泛化能力，下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的軟測量技術(shù)論文，希望你們喜歡。
軟測量技術(shù)論文篇一
軟測量技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
摘要：近年來軟測量技術(shù)的研究主要是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它對非線性問題有較好的處理能力，對求解結(jié)果有較好的泛化能力，由于實際生活中嚴(yán)格意義上的線性系統(tǒng)并不多見，故對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改進(jìn)和提高仍將是推動軟測量技術(shù)發(fā)展的重要因素。本文主要探討了軟測量技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:污水處理;軟測量;技術(shù)
Abstract: in recent years the soft measurement technology research mainly is based on artificial neural network, it to nonlinear problem have good processing power, for the method has good generalization ability, with real life strictly linear system does not see more, so the neural network technology improvement will still is to promote the development of the soft measurement technology important factors. This paper mainly discussed the soft measurement technology in wastewater treatment of application.
Keywords: sewage treatment; The soft measurement; technology
中圖分類號：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
0 引言
污水生化處理中存在著多變量耦合、強非線性、參數(shù)時變、大滯后等特點，這些復(fù)雜性和不確定性給污水的生化處理的監(jiān)視和控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。在此復(fù)雜工況下，通過機理模型、人工智能和統(tǒng)計回歸多種方法相結(jié)合構(gòu)建軟測量模型，有效地對難以測量或不易在線測量的重要參數(shù)進(jìn)行“測量”，進(jìn)而更加有效地優(yōu)化和診斷污水生化處理過程，是當(dāng)前軟測量在污水生化處理過程的發(fā)展趨勢。盡管軟測量技術(shù)已經(jīng)有多年的發(fā)展，但在污水生化處理過程中的應(yīng)用才剛剛起步，尚有許多問題亟待在未來研究中取得突破：(1)污水生化反應(yīng)過程復(fù)雜，干擾無處不在，由此帶來的數(shù)據(jù)離群對精確建模產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)，因此，構(gòu)建魯棒型自適應(yīng)軟測量模型是一個亟待解決的問題;(2)污水處理軟測量模型得不到有效的校正一直阻礙著軟測量實際應(yīng)用，特別是當(dāng)傳感器發(fā)生故障的情況下如何實現(xiàn)軟測量自校正;(3)污水生化機理模型與機器學(xué)習(xí)等建模方法有機結(jié)合也是重要議題;(4)有效地利用軟測量優(yōu)化和診斷污水生化處理過程，特別是診斷污泥膨脹、泡沫等異?，F(xiàn)象。
1 軟測量技術(shù)的基本原理
軟測量技術(shù)是依據(jù)某種最優(yōu)化準(zhǔn)則，利用由輔助變量構(gòu)成的可測信息通過軟件計算實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的測量引。軟儀表的核心是表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的軟測量模型。軟測量技術(shù)原理基本框架圖如圖1所示。因此構(gòu)造軟儀表的本質(zhì)就是如何建立軟測鼉模型，即數(shù)學(xué)建模問題。軟測量模型注重的是通過輔助變量來獲得對主導(dǎo)變量的最佳估計，而不是強調(diào)過程各輸入/輸出變量彼此之間的關(guān)系。軟測量模型本質(zhì)上是要完成由輔助變量構(gòu)成的可測信息集θ到主導(dǎo)變量估計Y的映射，用數(shù)學(xué)公式表示即為：Y=f(θ)。
圖l 軟測量技術(shù)原理基本框架圖
2 軟測量的概述
軟測量本質(zhì)上是一種建模的方法，即通過構(gòu)造某種數(shù)學(xué)模型，描述輸入量、被控變量、擾動變量與待測量之間的函數(shù)關(guān)系，即通過容易獲取的輔助變量，來推斷某些難以測量或不易在線精確測量的待測量，數(shù)學(xué)描述如式: y=f(xk ,xo)+ξ,其中，xk為易檢測變量，xo為可控的操作變量，ξ為污水生化處理中的擾動。
2.1軟測量輔助變量的選擇
污水處理中軟測量輔助變量的選擇包括了數(shù)量、類型和檢測點位置的選擇。特別是輔助變量的選擇要緊密結(jié)合污水中硝化菌、絲狀菌等生物的生化反應(yīng)原理。
2.2軟測量數(shù)據(jù)的選擇與處理
為了保證所采集信息的準(zhǔn)確性和有效性，應(yīng)注意數(shù)據(jù)的信息量(特別是污水處理中的海量信息)，均勻分配采集點，盡量拓寬數(shù)據(jù)的涵蓋范圍，減少信息重疊，避免信息冗余。因此，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和誤差處理的預(yù)處理是不可缺少的。其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括標(biāo)度、轉(zhuǎn)換和全函數(shù)3部分。而誤差處理包括了隨機誤差和過失誤差處理兩大類。
2.3軟測量建模
模型辨識是軟測量的核心。為了達(dá)到對污水處理這個非線性、大時滯對象的測量和控制效果，國內(nèi)外專家提出了多種非線性軟測量方法，有基于工藝機理模型的方法、基于回歸模型的方法、基于狀態(tài)估計的方法和基于知識的方法。其中以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為建模工具的基于知識的方法研究最為活躍。為了確認(rèn)模型是否能夠滿足預(yù)期的使用要求，軟測量模型辨識出來以后需進(jìn)行模型驗證。
3 軟測量技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
軟測量的核心問題是建立待估計主導(dǎo)變量與直接測量輔助變量間的關(guān)聯(lián)模型。污水處理過程中，生物化學(xué)需氧量BOD、化學(xué)耗氧量COD、總氮TN以及總磷TP等是衡量出水水質(zhì)的重要參數(shù)，也是難以直接測量的關(guān)鍵指標(biāo)。目前所采用的軟測量方法，多是通過建立易測變量(如曝氣池溶解氧量DO、水溫T、曝氣池pH值及氧化還原電位ORP等)與上述難測變量間的關(guān)系，間接實現(xiàn)主導(dǎo)變量的測量。其中，機理分析與回歸分析相結(jié)合的方法具有一定的代表性，但回歸分析所需大量訓(xùn)練樣本和模型的在線校正問題限制了該方法的實時應(yīng)用。相比較而言，GA的全局并行搜索能力、ANN的廣義非線性映射能力、SVM良好的統(tǒng)計規(guī)律和泛化能力引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，已經(jīng)成為污水處理軟測量技術(shù)的研究熱點，其開發(fā)流程如圖l所示。
圖1 污水處理軟測量開發(fā)流程
3.1 基于GA的污水處理軟測量技術(shù)
GA是一類模擬生物進(jìn)化機制(遺傳與自然選擇)的高效啟發(fā)式隨機搜索算法。種群進(jìn)化、編碼搜索和并行尋優(yōu)的特點使其具備了全局優(yōu)化的能力。在污水處理過程中，運用或改進(jìn)遺傳算子(選擇、交叉、變異)后，多與模糊邏輯(FuzzyLogic)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，優(yōu)化控制器的運算效率和全局收斂能力;也可與K-means等算法結(jié)合，形成混合聚類算法，以提高收斂速度并改善分類效果，進(jìn)而提升污水處理的性能指標(biāo)。典型遺傳算法的計算流程如圖2所示。
圖2 典型遺傳算法的計算流程
以曝氣溶解氧DO作為序列間歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor ActivatedSludge Process，SBR)的主控參數(shù)，運用遺傳算法同時對隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，以期提升模糊控制器的自適應(yīng)能力。DO輸出曲線的仿真結(jié)果顯示，超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差顯著減小，模糊規(guī)則對人工經(jīng)驗的依賴性有所降低。選取與出水水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)BOD耦合、關(guān)聯(lián)度最大的COD、DO、pH值、Ss(Suspended Substance，水中懸浮物)等易測參量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，運用遺傳算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和最優(yōu)權(quán)、閾值的分布范圍，再用BP(Back Propagation，反向傳播)算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而建立起基于GABP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量模型。仿真結(jié)果顯示，該模型對BOD參數(shù)具有較高的預(yù)測精度。結(jié)合K―means算法的研究，提出了一種基于最近鄰聚類算法和遺傳算法的異常檢測算法，對污水處理歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類分析，成功找出了其中的異常數(shù)據(jù);并根據(jù)聚類結(jié)果進(jìn)行了故障規(guī)則的建立，對污水處理工藝故障診斷系統(tǒng)知識庫的建立具有一定的實用參考價值。
3.2基于ANN的污水處理軟測量技術(shù)
ANN是以簡單非線性神經(jīng)元作為處理單元，通過廣泛連接構(gòu)成的、具有大規(guī)模分布式并行處理能力的非線性動力學(xué)系統(tǒng);自組織、自學(xué)習(xí)、分布式聯(lián)想記憶以及非線性逼近的特點引起了控制界的普遍重視?；贏NN的軟測量方法可在不具備對象先驗知識的條件下，根據(jù)對象的I/0數(shù)據(jù)直接建模，且具有較強的在線校正能力。應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，多是將COD、DO、TN、TP、SS及pH值等輔助變量作為網(wǎng)絡(luò)輸人，BOD作為網(wǎng)絡(luò)輸出，通過各類學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練來解決污水水質(zhì)的軟測量問題。近年來，通過改進(jìn)學(xué)習(xí)算法、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)來提升ANN的計算性能和泛化能力，業(yè)已成為解決復(fù)雜系統(tǒng)過程參數(shù)軟測量問題的有效探索途徑。一種典型的BOD軟測量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。
輸入層隱層 輸出層
圖3 典型的BOD軟測量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)
建立了一種5層結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，利用ANN的學(xué)習(xí)能力來優(yōu)化模糊邏輯規(guī)則和比例因子的調(diào)節(jié)，力圖控制SBR處理過程中的D0濃度，以期達(dá)到最優(yōu)。仿真結(jié)果顯示出該系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速和運行平穩(wěn)的特點。提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法，用以優(yōu)化ANN的權(quán)值和閾值。針對活性污泥法處理過程，建立了(9-15-1)3層結(jié)構(gòu)的污泥容積指數(shù)(SVI)預(yù)測模型;克服了BP算法收斂較慢的缺陷，且有效提高了收斂精度。通過分析有毒污水對生化池相關(guān)參數(shù)的影響，提出了基于徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量方法。選取COD、DO、pH值、混合液懸浮固體濃度(Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS)作為輸入，生化池污水毒性(以致死率表示，單位為%)為輸出，構(gòu)建了一種面向工程應(yīng)用的軟測量模型，應(yīng)用結(jié)果表明了該方法的有效性。
從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提升實時數(shù)據(jù)處理能力的角度出發(fā)，近年來出現(xiàn)了一種基于主元分析(Principal Component Analysis，PCA)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測量方法，并在污水處理系統(tǒng)中得以應(yīng)用。在對PCA.ANN算法進(jìn)行研究和分析的過程中，列舉了大量的典型范例來說明該方法在污水處理數(shù)據(jù)分析和模擬仿真方面的優(yōu)越性。另有一種被稱為過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量方法。其神經(jīng)元由加權(quán)、聚合和激勵運算3部分構(gòu)成，輸入與連接權(quán)值均可以是一個時間變化過程，并在傳統(tǒng)神經(jīng)元空間聚合計算的基礎(chǔ)上增加了一個時間聚合算子。在系統(tǒng)闡述過程神經(jīng)元計算方法的同時，提出了能夠加速網(wǎng)絡(luò)收斂速度的改進(jìn)算法，建立了出水BOD的軟測量計算模型。分析結(jié)果表明，采用動量項調(diào)整和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率相結(jié)合的算法有效提升了ANN的訓(xùn)練速度。
3.3基于SVM的污水處理軟測量技術(shù)
Vapnik提出的支持向量機(SVM)是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則的新型機器學(xué)習(xí)方法。依據(jù)泛函的相關(guān)理論，只要一種核函數(shù)K(Xi，Yi)滿足Mercer條件，就會對應(yīng)某一變換空間的內(nèi)積。因此，在最優(yōu)分類面中采用適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)就可以實現(xiàn)某一非線性變換后的線性分類，而計算的復(fù)雜度并未增加。對應(yīng)的分類函數(shù)即為支持向量機，其一般表達(dá)式為：
SVM的基本思想是將有限的訓(xùn)練樣本從輸入空間非線性地映射到一個高維特征空問，通過求解二次凸規(guī)劃問題得到全局唯一最優(yōu)解。該方法解決了一般學(xué)習(xí)方法難以解決的問題，諸如ANN易陷入局部最小的問題、過學(xué)習(xí)及算法結(jié)構(gòu)、類型選擇過分依賴經(jīng)驗等問題，從而提高了模型的泛化能力。應(yīng)用于污水處理過程，多以進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)pH值、COD、BOD、SS等為輸入向量，出水水質(zhì)參數(shù)COD、BOD、SVI等為輸出向量，結(jié)合參數(shù)特性分析、懲罰參數(shù)與核函數(shù)的優(yōu)化或知識約簡等方法，以期確保預(yù)測精度和出水品質(zhì)軟測量的實時性。
設(shè)計了一套基于InTouch―v9.5的污水處理控制系統(tǒng)。利用支持向量回歸機與參數(shù)特性混合建模，利用BOD與COD的相關(guān)性預(yù)估出水COD，進(jìn)而實現(xiàn)對BOD參數(shù)的軟測量。通過現(xiàn)場調(diào)試運行，系統(tǒng)表現(xiàn)出較強的魯棒性和可擴展性。分別運用GA和粒子群算法優(yōu)化懲罰參數(shù)與核函數(shù)，以期通過最優(yōu)參數(shù)建立SVM軟測量模型，并以靜態(tài)和動態(tài)兩種方式來預(yù)測未來時刻的BOD參數(shù)。通過仿真分析，一方面顯示SVM軟測量的估計值較好地跟蹤了BOD的變化趨勢;再者，粒子群算法優(yōu)化后的SVM預(yù)測結(jié)果在精度和響應(yīng)速度方面優(yōu)于GA―SVM模型。提出一種粗糙集(Rough Set，RS)理論與SVM相結(jié)合的出水水質(zhì)參數(shù)軟測量方法。利用RS作為模型的前件對屬性進(jìn)行約簡，再利用SVM優(yōu)越的泛化能力進(jìn)行回歸建模、預(yù)測。在出水TP、COD、SVI的預(yù)測效果方面，通過與BP、RS―RBP等方法的比較，證明了RS―SVM系統(tǒng)具有更佳的預(yù)測精度和實時響應(yīng)特征。
3.4虛擬儀器的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)和虛擬儀器(Virtual Instruments)的出現(xiàn)為智能算法在軟測量過程中的實現(xiàn)提供了平臺支撐。典型的產(chǎn)品是Math Works公司的MATLAB和NI(National In―strument)公司的LabVIEW(Laborotory Virtual In―strument Engineering Workbench)。其中，MATLAB是目前功能最為齊全的仿真軟件之一，除傅里葉變換和PID經(jīng)典算法外，還包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)、混沌理論以及小波算法等技術(shù)，為軟測量模型預(yù)測與評價處理提供了充分的資源條件;Lab―VIEW則是一種基于G語言(Graphics Language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)檢測儀器的操控面板，而框圖程序相當(dāng)于傳統(tǒng)儀表的內(nèi)部硬件電路，可用于軟測量模型與實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。除此之外，針對污水處理過程而開發(fā)的仿真器還有美國Clemson大學(xué)開發(fā)的SSSP(Simulation of Single Sludge Processes)、丹麥DHI水動力研究所的EFOR、瑞士環(huán)境科學(xué)與技術(shù)聯(lián)邦協(xié)會的AQUASIM等。
以MATLAB為開發(fā)環(huán)境，基于國際水協(xié)會(International Water Association，IWA)發(fā)布的Benchmark仿真模型，設(shè)計了一種名為WTPS(Wastewater Treatment Plant Simulator)的污水處理過程仿真器，采用最小二乘支持向量機回歸(Least Squares Support Vectro Regression，LS-SVR)方法對出水水質(zhì)參數(shù)(TN、COD、BOD)進(jìn)行軟測量預(yù)報，仿真分析論證了模型的預(yù)報精度;與此同時，還以WTPS為平臺，對定值控制、溶解氧PI控制、氨氮與硝酸鹽PI控制等方案進(jìn)行了性能比較。通過MATLAB和LabVIEW的無縫鏈接，利用污水處理過程大時滯的特點，設(shè)計了一種基于ANN的出水水質(zhì)插值和多步記憶結(jié)構(gòu)的軟測量模型。結(jié)果表明，該模型對A2/0工藝污水處理出水水質(zhì)BOD，濃度具有良好的預(yù)測效果。
4 結(jié)論與展望
相比較而言，基于GA的軟測量方法在并行優(yōu)化參數(shù)方面具有一定優(yōu)勢;ANN的自組織和自學(xué)習(xí)特點使其具備了較強的非線性逼近能力;SVM的應(yīng)用使得全局唯一最優(yōu)解的獲取成為可能。但是，面對污水處理過程的時變性、非線性和大純滯后特性，基于單一智能算法的出水水質(zhì)參數(shù)軟測量技術(shù)都存在著一定的缺陷。隨著人工智能技術(shù)、虛擬儀器和智能儀表技術(shù)的日新月異，多算法融合業(yè)已成為研究與應(yīng)用的主要方向。此外，從增強軟測量模型的魯棒性、實時性以及預(yù)測精度的角度出發(fā)，過失誤差處理技術(shù)和在線校正技術(shù)也應(yīng)成為研究的重點。
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