[發明專利]一種基于混合降維與核函數極限學習機的水質軟測量方法

在審

• 申請號: 202011249249.8
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112183676A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 楊秦敏;曹偉偉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06N3/04;G06N3/08;G01N33/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于混合降維與核函數極限學習機的水質軟測量方法，該方法考慮到互信息衡量污水處理中兩種組分之間的非線性相關性，皮爾遜系數考慮兩種組分之間的線性相關性對數據進行預處理降維，以及極限學習機的學習速度極快，且模型估計精度較高等特點，并結合核函數不需要知道顯式定義映射函數、隱含層神經元個數，從而節省了神經元個數優化時間，提高了估計性能，并采用多次采樣求平均的方法，進一步降低算法對計算設備的要求，在保證性能的前提下，有效降低了計算復雜度。該方法可以快速有效估計氨氮離子濃度，有效避免了由于傳感器性能及污水處理自身的特性對出水水質所帶來的影響，從而提高了污水處理工藝的效率及出水水質。

技術領域

本發明涉及控制科學與工程、環境科學與工程領域，尤其涉及一種基于混合降維與核函數極限學習機的水質軟測量方法。

背景技術

水是生命存在所必需的元素之一，全世界的水資源儲量豐富，大約在1.36×10¹⁸m3，但其中淡水資源僅占2.53％，而且還以深層水和冰川為主，湖泊和河流的淡水又只占淡水資源的0.3％，從這組數據可以發現，人類可利用的淡水資源是非常有限的。同時人類對水資源的開發與利用不合理，導致水資源被大量浪費、被污染，進一步壓縮了可利用水資源的空間。被污染的水資源會對環境造成破壞，植被衰退，動物死亡等，還會危害人類社會，對以來被污染的水資源的人身體健康，甚至喪命。

所以水污染治理勢在必行，污水處理是一種非常有效的手段，通過將人類社會產生的各種污水進行凈化，在水質達標后排放進江河湖泊或者無害化利用，所謂無害化利用即工廠利用處理達標的水進行生產作業，城市利用達標水質進行城市綠化及道路清潔等非餐飲相關行業，而在一些極度缺水的國家或者城市，例如新加坡和納米比亞首都溫得和克等，將采用高級工藝凈化后的新水作為城市飲用水。所以污水處理不僅能夠減輕人類生產的污水對環境與人類社會造成的破壞，同時能夠緩解人類社會發展過程中的水資源短缺。

鑒于上述污水處理的特點，污水處理廠被廣泛設計在城市、工廠之中，甚至一些農村環境也建設有一定規模的污水處理廠，用于處理居民生活及農業生產中所產生的污水。但是受制于傳感器的工藝及功能，往往無法直接測量污水中的關鍵組分或者測量時效性較差，同時污水處理是一個大延時系統，無法實現快速的反饋并且調節，從而影響出水水質。為了能夠快速有效檢測出水水質，本方法提出一種軟測量的方法，基于比較容易測量的污水水質指標，間接表征出水水質，從而實現對于水質的快速檢測以及調節，從而避免由于傳感器性能無法滿足實際需求及污水處理反應自身的特性從而導致的水質檢測不及時問題。

發明內容

為了實現對于污水處理水質中的某些較難測量組分的快速估計，便于工作人員及時調整控制策略，本發明提出一種基于混合降維與核函數極限學習機的水質軟測量方法，該方法能夠快速估計污水處理反應中的關鍵組分，并且估計值相當精準，從而為技術人員及時調節控制策略提供合理指導。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于混合降維與核函數極限學習機的水質軟測量方法，該方法包括以下步驟：

(1)從污水處理過程中獲取N₀組樣本數據每組輸入向量X_i表征若干種污水水質組分，對應的期望輸出T_i表征出水水質中的氨氮離子濃度。

(2)采用抽樣方式對樣本數據進行壓縮，具體為：在[1,10]之間隨機選擇整數初始值a，采用每隔10點采集一次，得到一批次壓縮十倍的數據反復進行抽樣，每次重新設定初始值a，得到p批次樣本數據。

(3)針對每一批次樣本數據分別進行去量綱化，通過最小最大值歸一化的方法，將不同量綱的數據歸一化至[-1,1]之間，得到歸一化后的樣本數據X_n。