專利名稱：污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在污水處理廠的實際生產(chǎn)和工作中，都有一個很長的試運行周期， 這是由污水處理廠本身的技術(shù)條件決定的，因為污水處理是一個復(fù)雜的 生化反應(yīng)過程，難以進行數(shù)學(xué)建^t，另外特別是溫差較大的地區(qū)，更加 導(dǎo)致了使用活性污泥工藝處理污水水質(zhì)的不穩(wěn)定現(xiàn)象以上種種原因都 導(dǎo)致了任何一個新建成的污水處理廠都要通過大量摸索來確定幾個主要 運行參數(shù)的具體范圍，這種試運行的過程耗時長，并且得到的結(jié)果存在 一定的誤差性，使得對于污水處理存在一定的缺陷。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在問題，本實用新型的目的在于提供一種大大縮短 污水處理廠試運行周期的污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)>
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)， 包括數(shù)據(jù)釆集單元和數(shù)據(jù)處理器，其中數(shù)據(jù)采集單元包括固體懸浮物采 集裝置、化學(xué)耗氧量采集裝置、生物需氧量采集裝置、氨氮濃度采集裝 置和總磷濃度采集裝置，數(shù)據(jù)處理器包括數(shù)據(jù)聚類分析模塊、數(shù)據(jù)回歸
分析模塊和運行參數(shù)預(yù)測模塊；數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)聚類 分析模塊進行分類分析并確定其聚類中心數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)回歸分析模 塊進行回歸分析運算，在運行參數(shù)預(yù)測模塊中即得到每一類數(shù)據(jù)相對應(yīng) 的數(shù)學(xué)模型，所需預(yù)測的新的水質(zhì)參數(shù)在該數(shù)學(xué)模型中即可生成相應(yīng)的
污水處理廠運行參數(shù)。
進一步，所述污水處理廠運行參數(shù)包括溶解氧、沉降比、回流比、 污泥濃度和污泥齡。
本實用新型污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)，較準確的預(yù)測污水處理廠的運行參數(shù)，大大縮短污水處理廠試運行周期，提高了效益， 并為污水處理廠的設(shè)計和論證提供了參考方案。


附圖為本實用新型結(jié)構(gòu)框圖；具體實施方式
分類的方法大致可分為有監(jiān)督的分類和無監(jiān)督的分類。在無監(jiān)督的 分類進行前，不知道要分為幾個類以及類的各個特征，有監(jiān)督的則需要 知道類的具體個數(shù)和特征，并需要知道訓(xùn)練集中的觀測量的所屬類別， 其中聚類就是一種無監(jiān)督的分類。由聚類所產(chǎn)生的簇是一組數(shù)據(jù)對象的 集合，這些對象與同一個簇中的對象彼此相似，與其他簇中的對象相異。 在許多應(yīng)用中，可以將一個簇中的數(shù)據(jù)對象作為一個整體來對待。那么 就認為每一簇就是一個類。
聚類分析主要集中于基于距離的聚類分析。聚類一般由兩部分組成 發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)拇睾托纬蓪γ總€簇的描t K-平均算法就是典型關(guān)于發(fā)現(xiàn)簇 的方法。首先，隨機地選擇K個對象，每個對象初始地代表了一個簇的平 均值或中心。對剩余的每個對象，根據(jù)其與各個簇中心的距離，將他們 賦值給最近的簇。然后重新計算每個簇的平均值。這個過程不斷的重復(fù)， 最終將他們分類。關(guān)于距離的算法，其中用的較多就是歐幾里德距離， 它的定義如下
d( i ， j ) = JX'l - X'l I小'2 _X'2卩十…十I 、 - X*卩
最后，記下每個簇的中心點。根據(jù)距離來區(qū)分新元素所屬的類別。 這樣就可以按照這個方法將類似的數(shù)據(jù)分成一類了 。
回歸分析是處理兩個及兩個以上變量間依存關(guān)系的統(tǒng)計方法?；貧w分 析不僅可以說明這種依存變化的數(shù)學(xué)關(guān)系還可以提供變量之間相關(guān)關(guān)系 的數(shù)學(xué)表達式(通常稱為經(jīng)驗公式)。利用概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)知識，對此關(guān) 系進行分析，來判明所建立的經(jīng)驗公式的有效性。而且還可以利用所得 的經(jīng)驗公式，根據(jù)一個或幾個變量的值，預(yù)測或控制另一個變量的值， 并且可以知道這種預(yù)測和控制可以達到什么樣的精確程底另外，還可 以進行因素分析，對于共同影響一個變量的許多因素，找出哪些因素影響是顯著的，哪些不是顯著的。線性回歸的任務(wù)就是根據(jù)若干個觀測量 找出幾個變量之間的回歸方程，它實際上就是用回歸直線擬合散點圖的 各觀察點。常用的方法是最小二乘法。也就是使該直線與各點的縱向垂 直距離最小，即使實測量值與回歸直線之差的平方和達到最小。也稱為 剩余(殘差)平方和。因此求回歸方程的問題，歸根到底就是求對取得 最小值時的回歸系數(shù)的問題。
本實用新型的實施例中訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)采用呼和浩特市辛辛板污水處
理廠提供的1250條水質(zhì)參數(shù)及運行參數(shù)。每個樣本數(shù)據(jù)用向量表示為 Xi=[Xu,Xi2,……，Xiio]。
其中，Xi尸SSl Xi2=SS2 Xi3=C0Dl Xi4=COD2 Xi5=BODl Xi6=BOD2 Xi7=NH3-Nl Xi8=NH3-N2 Xi9=TPl Xiio=TP2
為了提高預(yù)測的準確度，如附圖所示，首先利用本實用新型污水處 理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元進行數(shù)據(jù)采臬對采集 到的數(shù)據(jù)進行聚類分析，通過對采集樣本數(shù)據(jù)的分布統(tǒng)計，將數(shù)據(jù)分為 16類。然后對每一類進行回歸分析，找出運行參數(shù)與水質(zhì)參數(shù)之間的對 應(yīng)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。每一類的多元線性回歸方程形式如下
Yi=bo+bixi+b2X2+...+bnxio (i取l 5,對應(yīng)五個運行參數(shù))
設(shè)定16個變量分別是時間，進水、出水的SS, COD", BODs， NH3-N， TP等水質(zhì)參數(shù)；溶解氧，沉降比，濃度，指數(shù)，回流比，泥齡等運行參 數(shù)。由于時間進水水質(zhì)等原因，先把訓(xùn)練集用聚類分析方法進行分類， 然后再對所分成的每一類分別進行回歸分析，得到每一類相應(yīng)的數(shù)學(xué)表 達式。當(dāng)需要對新的數(shù)據(jù)進行預(yù)測的時候，要先判斷新數(shù)據(jù)所屬的類別， 然后再通過該類回歸表達式預(yù)測得到溶解氧，沉降比，濃度，指數(shù)，回 流比，泥齡的值。因此在聚類之后要保留各類的中心點，然后通過新數(shù) 據(jù)與各個中心點的歐幾里德距離來判定它所屬的類，最后根據(jù)此類的公 式得到需要的數(shù)據(jù)。
水質(zhì)參數(shù)
SSl-進水固體懸浮物濃度 SS2-出水固體懸浮物濃度， CODh進水化學(xué)耗氧量COD2-出水化學(xué)耗氧量， BOD 1 =進水生物需氧量BOD2=出水生物耗氧量， TPl-進水總磷濃度 TP2-出水總磷濃度，NH3-N^進水氨氮濃度NH3-N^出水氨氮濃度， 運行參數(shù)
DO溶解氧、SV。/^沉降比、11°/。=回流比、MLSS—虧泥濃度、SRT=
污泥齡。
按照以上的軟件實現(xiàn)步驟和采集的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可以得到每一類的聚 類中心和相應(yīng)的預(yù)測計算公式，以下是第四類的聚類中心和計算公式 聚類中心 計算公式
DO=0.084-0.002 SS 1-0.023 SS2+0.007 COD1-0.021 COD2-0.0 10 BODl+0.005 BOD2+0.301 TP1-0.282 TP2-0.025 NH3-H1+0.03 9 . NH3畫H2
SV%=24.322-0.026 SS1+0.047 SS2+0.114 COD1-0.136 COD2畫 0.039 BODl-0.051 BOD2+3.073 TPl-1.355 TP2-0.685 NH3-H1-0.0 60 . NH3-H2
MLSS=1.363-0.002 SS 1-0.007 SS2+0.005 COD1-0.003 COD2-0.002 BODl+0.018 BOD2+0.036 TP1-0.039 TP2-0.027 麗3國H1隱0. 001 .麗3-H2
R%=73.896+6.18E-005 ) SS1-0.003 SS2+0.002 COD1-0.011 - C OD2-0.002 BODl-0.037 BOD2-0.141 TPl+0.581 TP2+0.015 NH3-Hl+0.037 NH3-H2
SRT=5.847-0.001 SS 1+0.002 SS2+0.005 CODl-O細 COD2+( 7.17E-005) BODl+0.016 BOD2+0.107 TP1-0.031 TP2-0.027 NH3-Hl-O扁 NH3-H2
從辛辛板污水處理廠隨機抽取非訓(xùn)練集中的80組水質(zhì)參數(shù)，通過本 實用新型污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)得到預(yù)測運行參數(shù)，并與 運行參數(shù)的實際測量值進行了對tt^口檢it
根據(jù)相對誤差計算公式* = (,L)xl00%
計算得溶解氧(DO)相對誤差^;6.4%,沉降比(SV。/。)相對誤差 為5.06%,回流比(R%)相對誤差為1.53%，污泥濃度(MLSS)相對誤差為6.9%，污泥齡(SRT)相對誤差為3.28%。
從以上誤差分析數(shù)據(jù)對比可知，本實用新型污水處理廠運行參數(shù)自 尋優(yōu)模擬系統(tǒng)得到預(yù)測運行參數(shù)較為精確，具有實用價值。表1和表2是 其中的12組^L據(jù)及其預(yù)測和實際的測量值。 表l進出水水質(zhì)參數(shù) 單位mg/L
日期SSC0DcrB0D5NH3-NTP
進水出水進水出水進水出水進水出水進水出水
2007.9.4932274.1852.4295.825.8745.1135.421.230.28
9.5894266.1184.67935.744.2133.261.30.16
10.9101921652131.7910.5346.9437.492.540.05
11.1%6227.0967.73102.922.238.9336.591.360.235
11.27836286.7664.2119.2819.8842.3837.162.531.57
12.18927261.2548.98114.6414.6943.3631.31.881.74
2008.1.38319241.8654.2195.3511.9647.3327.022.210.28
1.8%16208.550.0494.861149.2322.661.841.64
1.30817186.7162.2470.615.3840.5223.42.2052.18
2.5825178.4162.2476.6616.940.7022.892.441.50
2.147311154.5322.7366.414.6441.3323.931.830.85
3.1115818269.4157.15102.613.6240.727.353.190.3
表2運行參數(shù)預(yù)測值和實際值對照表
H他溶解氧(mg/L)沉降比(%)污泥濃度(g/L)回流比(％)泥齡(天)H別值l值2值l值2值l值2值l值2值l值2
2007.9.42.652.5114.415.21.091.2974.8575.436.116.17
9.51.891.999.8910.940.881.1574.2874.776.066.23
10.92.642.411.1131.051.2575.1765.986.4
11.11.61.8220.5119.911.41.5974.8375.036.46.24
11.272.772.615.13171.451.6976.81766.486.3
12.182.22.118.62181.561.7675.35776.316.4
2008.1.32.762.510.16121.051.3673.98755.986.2
1.82.432.27.68101.151.3573.98755.856.1
1.301.841.9515.8316.791.471.6673.8174.296.276.38
2.51.972.14.14161.341.4473.52756.216.3
2.142.962.716.99181.421.5573.57756.126.2
3.114.043.414.9161.11.374.87766.576.4
本實用新型污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)解決了溫差大的地
區(qū)，如北方四季溫差較大，污水處理不穩(wěn)定的情況。本實用新型中的邀: 據(jù)處理器上可通過SPSS軟件(Statistical Program for Social Sciences^土?xí)?學(xué)統(tǒng)計程序)來輔助分析應(yīng)用，通過污水水質(zhì)數(shù)據(jù)采集即可導(dǎo)出運行參 數(shù)，操作非常簡便。
權(quán)利要求1、污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理器，其中數(shù)據(jù)采集單元包括固體懸浮物采集裝置、化學(xué)耗氧量采集裝置、生物需氧量采集裝置、氨氮濃度采集裝置和總磷濃度采集裝置，數(shù)據(jù)處理器包括數(shù)據(jù)聚類分析模塊、數(shù)據(jù)回歸分析模塊和運行參數(shù)預(yù)測模塊；數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)聚類分析模塊進行分類分析并確定其聚類中心數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)回歸分析模塊進行回歸分析運算，在運行參數(shù)預(yù)測模塊中即得到每一類數(shù)據(jù)相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，所需預(yù)測的新的水質(zhì)參數(shù)在該數(shù)學(xué)模型中即可生成相應(yīng)的污水處理廠運行參數(shù)。
專利摘要本實用新型公開了一種污水處理廠運行參數(shù)自尋優(yōu)模擬系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理器，其中數(shù)據(jù)采集單元包括固體懸浮物采集裝置、化學(xué)耗氧量采集裝置、生物需氧量采集裝置、氨氮濃度采集裝置和總磷濃度采集裝置，數(shù)據(jù)處理器包括數(shù)據(jù)聚類分析模塊、數(shù)據(jù)回歸分析模塊和運行參數(shù)預(yù)測模塊；數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)通過分類分析并確定其聚類中心數(shù)據(jù)，再通過回歸分析運算，在運行參數(shù)預(yù)測模塊中即得到每一類數(shù)據(jù)相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，所需預(yù)測的新的水質(zhì)參數(shù)在該數(shù)學(xué)模型中即可生成相應(yīng)的污水處理廠運行參數(shù)。本實用新型較準確的預(yù)測污水處理廠的運行參數(shù)，大大縮短污水處理廠試運行周期，提高了效益，并為污水處理廠的設(shè)計和論證提供了參考方案。
文檔編號C02F9/14GK201330211SQ20082017767
公開日2009年10月21日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者李蘇超 申請人:李蘇超