本發(fā)明屬于工業(yè)化工與過程控制交叉領(lǐng)域，涉及工業(yè)廢水處理過程中，通過測量數(shù)據(jù)量及時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)廢水處理工程的建設(shè)主要是解決排水系統(tǒng)污水隨意排放的問題，改善和治理污水對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的嚴(yán)重污染問題。工業(yè)系統(tǒng)的排水質(zhì)量對于人們的生活環(huán)境，社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，都有著至關(guān)重要的影響。

針對進(jìn)水水質(zhì)為食品工業(yè)廢水，其可生化性較高。污水濃度較高，其生化需氧量(biochemicaloxygendemand，bod)、化學(xué)需氧量(chemicaloxygendemand，cod)、氮總含量(totalnitrogen，tn)、磷總含量(totalphosphorous，tp)等濃度是普通城市污水的3-4倍。對于大規(guī)模污水，處理廠采用最多的工藝就是傳統(tǒng)活性污泥法的生物曝氣工藝。這種工藝是對物理處理過程之后利用在同一人工環(huán)境中培養(yǎng)的好氧生物(包括細(xì)菌和原生物)對污水中的有機(jī)污染質(zhì)進(jìn)行降解。該工藝較為簡單，對cod，bod和ss的去除效率可以達(dá)到預(yù)期要求。但是，這種方法只有單一的生物環(huán)境，不能發(fā)揮和強(qiáng)化不同微生物的生物特性和優(yōu)勢，既不能提高對高濃度污水的有效處理，也不能對氮、磷營養(yǎng)元素的有效去除，因此必須采用生化二級處理來滿足預(yù)期的處理目標(biāo)。生物處理技術(shù)所遵循的途徑主要有兩條：一是提高參與作用的微生物量，增加有機(jī)物與微生物接觸的機(jī)率，其實(shí)現(xiàn)的手段是提高混合液濃度。二是發(fā)揮不同微生物優(yōu)勢的代謝特性，篩選菌種，提供與優(yōu)勢微生物生理特性相適合的生物環(huán)境。使各類微生物盡其所能“分工負(fù)責(zé)”，發(fā)揮最大優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的處理目標(biāo)。生物除磷脫氮工藝即采取這一途徑。其脫氮是通過延長曝氣時(shí)間，利用世代時(shí)間較長的消化菌，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，再利用缺氧條件下的兼性厭氧反消化菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮逸出，從而達(dá)到去除水中nh3-n的目的。除磷則是先利用厭氧條件下兼性和好氧聚磷菌進(jìn)行磷的有效釋放，再利用經(jīng)厭氧放磷的菌群在好氧條件下大家增殖吸磷的特性，使原污水中的磷轉(zhuǎn)化為生物細(xì)胞(活性污泥)，最終通過沉淀分離，將富磷剩余污泥排除來實(shí)現(xiàn)的。由于這一完整的除磷、脫氮過程是分別在厭氧、兼氧和好氧條件下進(jìn)行的，所以通常被稱之為a²/o工藝(即厭氧anaerobic+缺氧anoxic+好氧oxic工藝)。在此工藝改良基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出整體污水處理系統(tǒng)，其工藝流程框圖見圖1。

污水系統(tǒng)中a²/o部分的詳細(xì)工藝，該池體由四個(gè)部分組成，并聯(lián)工作。每池從前至后依次是進(jìn)水區(qū)，厭氧區(qū)，缺氧區(qū)，好氧區(qū)。好氧區(qū)內(nèi)安裝爆氧頭，其余各區(qū)均安裝水下攪拌器，防止混合液形成沉淀。a²/o反應(yīng)池的運(yùn)行過程對于廢水處理過程有著至關(guān)重要的作用。如當(dāng)進(jìn)水速度過快，使反應(yīng)池中反應(yīng)不充分，或是反應(yīng)池中氧含量不在正常范圍，使得氮磷去除不充分，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致處理后的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，影響生態(tài)環(huán)境。因此，如何確定目前生產(chǎn)狀態(tài)、維護(hù)設(shè)備安全、穩(wěn)定與優(yōu)化運(yùn)行，是工業(yè)廢水處理工程迫切需要解決的重要問題之一。

近年來基于數(shù)據(jù)模型的過程建模在工業(yè)中獲得了大量成功的應(yīng)用，解決了許多運(yùn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控問題?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過程監(jiān)控是利用收集系統(tǒng)過程中過程數(shù)據(jù)建模，構(gòu)造過程觀測的監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量，從而監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行故障并進(jìn)行診斷。a²/o反應(yīng)池中的生物化學(xué)反應(yīng)也產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含污水處理過程的特征信息，因此可以基于工業(yè)廢水處理過程產(chǎn)生與分析數(shù)據(jù)，建立過程關(guān)聯(lián)模型。本發(fā)明采用了基于載荷選取主元的主元分析支持向量數(shù)據(jù)域描述(loading-basedprincipalcomponentselectionforprincipalcomponentanaylsisintegratedwithsupportvectordatadescription,ppca-svdd)建模方法，利用工業(yè)廢水處理過程中收集到的過程數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。針對每個(gè)變量選取特定敏感主元構(gòu)成變量子空間，對每個(gè)變量的變化更敏感，從而具備更好的過程故障信息提取能力。通過svdd統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造，使得過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量具有反應(yīng)過程狀態(tài)的能力，從而達(dá)到過程故障檢測的目的。當(dāng)檢測到故障后，根據(jù)過程數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的變量貢獻(xiàn)圖，使得過程故障原因得以診斷，從而可以進(jìn)一步修正故障，使得過程恢復(fù)正常運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是利用工業(yè)廢水處理工廠的過程數(shù)據(jù)，提供一個(gè)狀態(tài)監(jiān)控的統(tǒng)計(jì)量來監(jiān)測運(yùn)行過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并進(jìn)行診斷。選取的觀測變量有：進(jìn)水區(qū)溶氧量do(x1,mg/l)、好氧區(qū)懸浮體含量ss(x2,mg/l)、進(jìn)水口流量qin(x3,m³/s)、出水口流量qef(x4,m³/s)、化學(xué)需氧量codin(x5,mg/l)、以及出水口懸浮體含量ssef(x6,mg/l)。將這6個(gè)變量作為該工業(yè)廢水處理系統(tǒng)的原始監(jiān)測變量，利用相關(guān)的測量儀表，直接測量或間接計(jì)算獲得x1～x6。采集工業(yè)裝置樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，通過計(jì)算獲得的過程監(jiān)測統(tǒng)計(jì)量對廢水處理過程實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷，以保障系統(tǒng)過程的正常運(yùn)行。

1.原始監(jiān)測變量的選取

工業(yè)廢水處理的工藝流程中，a²/o反應(yīng)池是整個(gè)系統(tǒng)中的核心單元。影響反應(yīng)池氧化反應(yīng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素有：反應(yīng)池中的氧含量、實(shí)際需氧量、進(jìn)水的流量、出水的流量、反應(yīng)物濃度。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：

通過利用過程收集的樣本數(shù)據(jù)，建立基于載荷選取主元的主元分析支持向量數(shù)據(jù)域描述(ppca-svdd)模型，構(gòu)造過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而及時(shí)地監(jiān)測到過程故障并診斷。

為此，基于以上分析說明，該工業(yè)廢水處理工程的監(jiān)測變量選取如下：

(1)進(jìn)水區(qū)溶氧量do(x1,mg/l)

(2)好氧區(qū)懸浮體含量ss(x2,mg/l)

(3)進(jìn)水口流量qin(x3,m³/s)

(4)出水口流量qef(x4,m³/s)

(5)化學(xué)需氧量codin(x5,mg/l)

(6)以及出水口懸浮體含量ssef(x6,mg/l)

以上六個(gè)變量均可由測量儀器直接獲得。

2.建模樣本的預(yù)處理

為了消除量綱的影響，對采集的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化預(yù)處理。輸入變量利用式(1)進(jìn)行歸一化處理：

(1)式中，xi是第i個(gè)觀測變量的實(shí)際測量值，μi表示觀測量xi所對應(yīng)的均值，σi表示觀測量xi所對應(yīng)的方差，表示第i個(gè)輸入變量歸一化后的值。

采集到n組代表性的工業(yè)裝置數(shù)據(jù)，其中每組數(shù)據(jù)包含輸入變量[x1,x2,x3,x4,x5,x6]，經(jīng)公式(1)歸一化處理后得到形成建模樣本。

對于在t時(shí)刻實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)xt，對其利用式(1)中獲得的均值方差進(jìn)行歸一化處理，如下,

其中，μ＝[μ1,μ2,…,μ6]，且σ＝[σ1,σ2,…,σ6]。

3.基于ppca-svdd的工業(yè)廢水處理過程監(jiān)控模型

假設(shè)建模樣本的樣本容量為n，首先對建模數(shù)據(jù)按照(1)式歸一化，采用ppca-svdd建模方法，建立初始模型；然后，通過分析pca建模產(chǎn)生的載荷矩陣p以及每個(gè)載荷向量pi對應(yīng)的特征值λi，根據(jù)(2)式計(jì)算的轉(zhuǎn)換加權(quán)值，為每個(gè)變量選取敏感主元。

其中，pi,j為載荷矩陣中第(i,j)個(gè)元素。對于某一變量來說，計(jì)算其所對應(yīng)的所有加權(quán)值的均值通過比較wi,j和選取大于均值的轉(zhuǎn)換加權(quán)值所對應(yīng)的載荷向量，構(gòu)成變量xi的投影空間同時(shí)，對應(yīng)的特征值也保留構(gòu)成特征值矩陣這樣，每個(gè)變量都產(chǎn)生與之對應(yīng)的新子空間。將數(shù)據(jù)分別投影到各個(gè)空間，可以根據(jù)(3)式計(jì)算子統(tǒng)計(jì)量

由于每個(gè)變量所對應(yīng)的子空間對于該變量的變化更為敏感，因此當(dāng)變量發(fā)生故障變化時(shí)，所對應(yīng)的空間可以更快更準(zhǔn)確的檢測到。正常的訓(xùn)練樣本得到對應(yīng)于6個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)量根據(jù)支持向量數(shù)據(jù)描述域svdd，將利用函數(shù)非線性投影到高維空間，再尋找可以將投影后數(shù)據(jù)點(diǎn)包圍的盡可能小的超球體，其中，svdd將問題轉(zhuǎn)換為解決下列最優(yōu)化問題：

其中，r和τ分別表示超球體的半徑和中心，參數(shù)c表示球體體積大小與正常樣本分錯(cuò)分?jǐn)?shù)之間的權(quán)衡，ξi表示松弛系數(shù)，即允許訓(xùn)練樣本被誤判的概率。上述優(yōu)化問題的對偶形式可以表示成，

其中βi為對應(yīng)的拉格朗日乘子，svdd選取0≤βi≤c所對應(yīng)的各個(gè)樣本作為支持向量。這樣，超球體的球心和半徑就可以根據(jù)下式求得，

其中，為模型支持向量中的任意一個(gè)。

對于t時(shí)刻收集的一個(gè)有包含六個(gè)變量的歸一化目標(biāo)測試樣本其投影到各子空間，計(jì)算各子空間的統(tǒng)計(jì)量組成統(tǒng)計(jì)量矩陣再計(jì)算其到球心的距離平方可以表示為，

當(dāng)測試樣本在特征空間中到圓心的距離大于訓(xùn)練樣本所得半徑時(shí)，我們認(rèn)為該樣本為異常樣本，反之，該樣本被認(rèn)為處于正常狀態(tài)。過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量設(shè)計(jì)如下，

當(dāng)dr統(tǒng)計(jì)量小于1時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)正常；當(dāng)大于1時(shí)，即認(rèn)為過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量檢測到故障，發(fā)出警告。接著，就應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷來發(fā)現(xiàn)過程發(fā)生故障的根本原因，從而修復(fù)系統(tǒng)。這里，利用能監(jiān)測到故障的子空間中的主元信息，計(jì)算貢獻(xiàn)率，如下

其中為中第j個(gè)元素為中第j個(gè)元素，為中第(i,j)個(gè)元素，則可以計(jì)算得到變量xi對于得分的貢獻(xiàn)率conti,j。接著，變量xi的總貢獻(xiàn)率可以算得，

由于變量對應(yīng)的敏感主元含有更多關(guān)于過程的故障信息量，因此基于敏感主元選取所作的貢獻(xiàn)圖可以給出一個(gè)更加準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。

4.工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量的在線計(jì)算

工業(yè)廢水處理系統(tǒng)過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量在線計(jì)算流程如圖2所示。進(jìn)水區(qū)溶氧量、好氧區(qū)懸浮體含量ss、進(jìn)水口流量、出水口流量、化學(xué)需氧量、以及出水口懸浮體含量，基于上述6個(gè)輸入變量的直接測量數(shù)據(jù)，通過(1)式對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；利用pca對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行整體建模，根據(jù)產(chǎn)生的載荷向量為每個(gè)變量分別選取主元，形成子空間；分別計(jì)算每個(gè)子空間的t²統(tǒng)計(jì)量，并構(gòu)造svdd模型；對于監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用(2)式產(chǎn)生的均值方差，進(jìn)行歸一化處理；將歸一化的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)投影到各子空間，計(jì)算得到相應(yīng)的t²統(tǒng)計(jì)量；計(jì)算統(tǒng)計(jì)量在svdd構(gòu)造的高維空間中距離圓心的距離，從而判斷該時(shí)刻的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是否正常。另外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有故障時(shí)，用式(11)(12)計(jì)算變量的貢獻(xiàn)率，實(shí)現(xiàn)故障診斷。

附圖說明

圖1工業(yè)廢水處理工藝流程框圖。

圖2工業(yè)廢水處理過程監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量在線計(jì)算流程。

具體實(shí)施方式

以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

對于六個(gè)變量，進(jìn)水區(qū)溶氧量do(x1,mg/l)、好氧區(qū)懸浮體含量ss(x2,mg/l)、進(jìn)水口流量qin(x3,m³/s)、出水口流量qef(x4,m³/s)、化學(xué)需氧量codin(x5,mg/l)、以及出水口懸浮體含量ssef(x6,mg/l)，采集一組100個(gè)樣本的系統(tǒng)的歷史正常數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以及一組由100個(gè)樣本組成的實(shí)時(shí)過程觀測數(shù)據(jù)。

1.預(yù)處理樣本

對上述采集的第一組由200個(gè)樣本構(gòu)成的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，利用(1)式：x1的均值為3.78，方差為1.37；x2的均值為4.00，方差為1.27；x3的均值為3417.48，方差為1290.31；x4的均值為4090.31，方差為1274.90；x5的均值為24.82，方差為3.58；x6的均值為19.58，方差為33.53。進(jìn)行歸一化計(jì)算：

對t時(shí)刻實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)xt利用(8)式進(jìn)行歸一化處理

其中，均值μ＝[3.78,4.00,3417.48,4090.31,24.82,19.58]，方差σ＝[1.37,1.27,1290.31,1274.90,3.58,33.53]。這里有小數(shù)的形式，一律保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，四舍五入計(jì)算。

2.基于ppca-svdd的過程監(jiān)控模型中統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)造

采用ppca-svdd建模方法，對樣本數(shù)為100的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，樣本數(shù)為100的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。其具體的模型參數(shù)如下：

(1)首先對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行pca建模，產(chǎn)生六個(gè)主元，按式(3)計(jì)算加權(quán)矩陣具體如下：

根據(jù)加權(quán)值大于該變量所對所有加權(quán)值的均值，即選中該加權(quán)值所對應(yīng)的向量構(gòu)造子空間這一原理，每個(gè)變量選取的主元結(jié)果如下：

變量x1:p2,p3,p5

變量x2:p2,p3

變量x3:p1,p6

變量x4:p1,p6

變量x5:p1,p2,p3,p5

變量x6:p1,p4

由此，對應(yīng)6個(gè)變量生成6個(gè)子空間，對每個(gè)變量實(shí)現(xiàn)分散監(jiān)控。每個(gè)子空間的轉(zhuǎn)換矩陣為：

空間1：

空間2：

空間3：

空間4：

空間5：

空間6：

(2)核函數(shù)k(·)中，s²＝100；

(3)svdd模型中，參數(shù)c＝1.2；

(4)由各子空間統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成的svdd模型，產(chǎn)生的參數(shù)值如下：

β值為0.3006,0.4931，0.6545，0.8119，0.9374，0；超球體半徑r＝0.216。

上述通過實(shí)例描述了，基于工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，通過測量得到的進(jìn)水區(qū)溶氧量、好氧區(qū)懸浮體含量、進(jìn)水口流量、出水口流量、化學(xué)需氧量、以及出水口懸浮體含量，實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

由上述例子得到的模型，下面是一組實(shí)時(shí)收集到的測試數(shù)據(jù)樣本：

經(jīng)歸一化計(jì)算得到：

通過(10)式，計(jì)算得到該實(shí)時(shí)樣本的統(tǒng)計(jì)量為0.3322。該值小于1，認(rèn)為是該時(shí)刻系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。對應(yīng)于100個(gè)測試樣本的dr統(tǒng)計(jì)量計(jì)算結(jié)果如下：

計(jì)算結(jié)果中加粗?jǐn)?shù)據(jù)表示該點(diǎn)超過控制限1，為不正常數(shù)據(jù)。第81點(diǎn)處的統(tǒng)計(jì)量為15.5309，明顯超過控制限。該時(shí)刻的過程數(shù)據(jù)被用來做故障診斷，計(jì)算出6個(gè)變量的貢獻(xiàn)率分別為：

0.315,2.031,0.929,2.743,46.401,0.972

由以上診斷結(jié)果可見，變量x5對此故障的貢獻(xiàn)率最大，故為廢水處理過程中的化學(xué)需氧量發(fā)生了變量。