[發明專利]一種基于混合智能算法的厭氧系統出水氨氮軟測量方法

在審

• 申請號: 201810182380.3
• 申請日: 2018-03-06
• 公開（公告）號: CN108549740A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 萬金泉;謝彬;馬邕文;王艷;閆志成;郝金蕾
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06K9/62
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明涉及了一種厭氧廢水處理系統出水氨氮的軟測量預測方法，目的在于解決厭氧廢水處理系統中出水氨氮濃度測量中存在的測量時間滯后長、價格昂貴、維護困難等問題。該方法基于厭氧廢水處理生化特性，通過主成分分析和最小二乘法支持向量機混合智能算法，成功實現厭氧廢水處理中出水氨氮的實時檢測。實驗證明，該軟測量方法出水氨氮預測值與實際測量真實值相關系數為0.9970，說明該軟測量模型能夠快速、準確地預測出水氨氮的濃度，不僅可以提高了厭氧廢水處理系統中出水氨氮質量監控水平，更可進一步解決現有測定儀器價格昂貴、維護困難和測量滯后等問題，具有十分重要的應用價值。

技術領域

本發明涉及厭氧廢水處理技術領域，更具體地，涉及一種基于主成分分析和最小二乘支持向量機混合智能算法的厭氧過程出水氨氮的軟測量方法。

背景技術

近年來隨著現代科學技術的快速發展，各類生產處理過程包括化工、輕工和廢水處理等已經發生了顯著的變化。以前簡單的、局部的、常規的控制方法已經不能滿足現代生產工藝的要求。為了保證生產過程的正常進行和獲取最大的經濟效益，先進控制和優化控制紛紛被應用于現代生產過程中。在應用過程中常常遇到的難題就是許多產品質量變量的在線測量和一些與產品質量密切相關的重要過程參數，如化學反應器中反應物濃度和產品分布、生物發酵罐中的生物量參數、精餾塔的塔頂和塔底產品的組分濃度等等。由于受工藝和技術的限制而難以或無法通過硬件傳感器在線檢測，只能通過離線實驗室分析得到分析值。但是，離線實驗室分析往往存在長時間滯后的問題，無法滿足在線實時控制和優化操作的要求。近年來，為解決這類變量的估計和控制問題，軟測量技術取得了重大發展。軟測量技術的基本點在于根據某種最優準則，選擇一組與主導變量有密切聯系又容易測量的二次變量，通過構造某種數學關系，用計算機軟件實現對主導變量的估計。在以軟測量傳感器的估計值為反饋信號的控制系統中，控制器與估計器是分離的，因而給控制器和軟傳感器的設計都帶來極大的方便。

同時，隨著我國水污染問題依然嚴重，對氮污染物的排放標準也日益嚴格，氨氮是污水中氮污染控制中的一項主要指標。多年來以厭氧為主體的污水處理工藝已經在各種類型廢水處理中得到成功應用，取得了顯著的經濟和環境效益。近年來厭氧脫氮技術也的得到了快速發展，此為代表的厭氧氨養化脫氮污水處理工藝是涉及化學、物理、生物等多門學科的綜合性技術。處理過程中進水流量、基質成分和濃度都在不斷地變化，同時受制于微生物活性易受環境條件和系統本身變化的特性，在污水處理系統中，對出水條件等重要參數的即時監控是十分重要的。另一方面，由于現有的大多數檢測傳感器和儀表普遍存在的測量時間滯后長、價格昂貴、維護困難等問題。在實際污水處理過程中仍是靠人工進行化驗操作，導致了出水水質質量波動大，耗時長以及高費用等問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種厭氧廢水處理系統出水氨氮的軟測量方法，旨在解決厭氧廢水處理過程不能實時測量出水氨氮濃度而導致系統不能及時調控而造成的出水水質下降，同時可以大大的降低測量成本，為污水處理廠提供了一種快速高效的測量手段。該方法在基于最小二乘法支持向量機算法建立起的厭氧廢水處理系統出水氨氮預測模型基礎上，引入主成分分析算法分析各個變量的相關性實現輸入高維輔助變量的降維處理，在去除冗余信息的同時減少了模型計算量，進一步提高模型的準確度和運算速度。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下。

一種基于混合智能算法的厭氧系統出水氨氮軟測量方法，其包括如下步驟：

(1)輔助變量的確定：選取能直接測量并且與厭氧過程密切相關的水質變量；

(2)搭建厭氧廢水處理系統，建立訓練樣本數據庫：采集不同進水條件下厭氧反應器的進水水質和出水水質，構建模型輸入輸出向量對的集合；進水水質包括進水亞硝酸鹽氮、進水COD、進水pH、產氣量的參數；出水水質包括出水氨氮濃度、出水pH、產氣量；

(3)對(2)中采集到的模型輸入輸出向量進行異常值的剔除和歸一化處理，建立輔助變量數據樣本集和關鍵狀態變量即預測變量數據集；