KR102097552B1 - Method for determination of the amount of a model input data for predicting membrane fouling in reverse osmosis process and device using the same - Google Patents

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KR102097552B1 KR1020180036081A KR20180036081A KR102097552B1 KR 102097552 B1 KR102097552 B1 KR 102097552B1 KR 1020180036081 A KR1020180036081 A KR 1020180036081A KR 20180036081 A KR20180036081 A KR 20180036081A KR 102097552 B1 KR102097552 B1 KR 102097552B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계; 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 상기 역삼투막 오염 예측 모델을 이용하여 미래 예측 시점 및 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하는 단계; 및 상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계;를 포함하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법을 제공하여 정확한 막 오염 정도를 예측함으로써 역삼투막 세정 및 교체 시점을 결정하는데 기여할 수 있다.One embodiment of the present invention comprises the steps of building a database of monitoring data collected from sensors of a reverse osmosis process; Constructing a pollution prediction model of a reverse osmosis membrane using the database; Calculating a prediction accuracy by changing the amount of input data according to a future prediction time point and a type of input variable using the reverse osmosis membrane contamination prediction model; And Determining the amount of input data when having the highest prediction accuracy of the prediction accuracy; Provides a method for determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane contamination prediction model to predict the exact degree of membrane contamination reverse osmosis membrane cleaning and replacement timing Can contribute to the decision.

Description

역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법 및 이를 이용한 장치{Method for determination of the amount of a model input data for predicting membrane fouling in reverse osmosis process and device using the same}Method for determination of the amount of a model input data for predicting membrane fouling in reverse osmosis process and device using the same}

본 발명은 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역삼투 공정의 유지관리에 필요한 막 오염 예측을 위해 기계학습 기반의 역삼투막 오염 예측 모델을 이용하고, 역삼투막 오염 예측 모델의 정확도 향상을 위하여 표본 입력 데이터의 양을 결정하는 방법과 이를 이용한 역삼투막 오염 예측 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for determining the amount of sample input data of a reverse osmosis membrane contamination prediction model and an apparatus using the same, and more specifically, to use a machine learning-based reverse osmosis membrane pollution prediction model for predicting membrane contamination required for maintenance of the reverse osmosis process. In order to improve the accuracy of the reverse osmosis membrane contamination prediction model, the present invention relates to a method for determining the amount of sample input data and a reverse osmosis membrane pollution prediction apparatus using the same.

해수담수화 기술은 최근 대두되기 시작한 물 부족 문제를 해결할 수 있는 기술로서, 계절이나 기상조건에 상관없이 다량의 수자원의 확보가 가능한 해수를 담수화하는 기술을 말한다. 해수담수화 기술은 댐 건설에 비해 공사기간이 짧고 초기 투자비가 작으므로 지속적인 수자원 확보를 위한 대체 기술로 자리 잡고 있으며 저에너지, 대형화, 안정성, 친환경 등을 추구하는 기술이다.The seawater desalination technology is a technology that can solve the water shortage problem that has recently emerged, and refers to a technology for desalination of seawater that can secure a large amount of water resources regardless of seasons or weather conditions. The seawater desalination technology is a technology that seeks low energy, large-scale, stability, and eco-friendliness as it has a shorter construction period and a smaller initial investment cost compared to dam construction.

해수담수화 플랜트란 바닷물을 증발시키거나 막을 통과하여 염분뿐만 아니라 다수의 무기 염류를 제거하여 공업용수, 식수 등 인류가 사용할 수 있는 담수를 생산하는 공정과 설비를 총칭한다.The seawater desalination plant collectively refers to processes and equipment that produce fresh water that can be used by humans, such as industrial water and drinking water, by evaporating seawater or passing through a membrane to remove salts as well as a large number of inorganic salts.

담수화 방식은 크게 열에너지와 물의 증발현상을 이용한 증류/증발법과 막의 차별성과 선택적 투과 능력을 이용한 역삼투(Reverse Osmosis; RO)법으로 나눌 수 있다. 해수담수화 플랜트의 주요 공법 중 역삼투(RO) 방식, 즉 해수 역삼투(Seawater Reverse Osmosis; SWRO) 방식은 기존의 다단 플래쉬 증류법(Multi-Stage Flash Distillation; MSF)이나 다중효용 증발법(Multiple-Effect Evaporation; ME)보다 에너지 효율이 높아 최근 상업실적이 증가하고 있다. 역삼투법은 압력을 이용하여 물은 통과시키고 용질은 투과시키지 않는 역삼투막에 해수를 가입하여 담수를 분리하는 공법이다.The desalination method can be largely divided into a distillation / evaporation method using thermal energy and evaporation of water, and a reverse osmosis (RO) method using differential and selective permeability of membranes. Among the main methods of seawater desalination plants, the reverse osmosis (RO) method, that is, the Seawater Reverse Osmosis (SWRO) method, is a conventional multi-stage flash distillation (MSF) or multiple-effect evaporation method. Energy efficiency is higher than Evaporation (ME), and commercial performance has recently increased. The reverse osmosis method is a method of separating fresh water by adding seawater to a reverse osmosis membrane through which water passes and solute does not permeate using pressure.

역삼투막을 이용한 해수담수화 공정에서는 역삼투가 진행될수록 막의 오염이 발생한다. 막 오염은 유입수에 존재하는 물질들이 막에 부착하여 분리막의 성능을 저하시키는 것을 말하며, 특히 해수담수화에서는 고압조건(50 내지 70bar)으로 인하여 유입수에 존재하는 물질들이 막에 강하게 축적된다. 막이 오염되면 전체 공정의 효율이 급격하게 저하되므로 막 오염을 제어하는 것은 역삼투 공정에 있어서 매우 중요하다. 막 오염이 진행되면 주기적으로 막을 세정하거나, 세정으로 해결할 수 없을 정도가 되면 막을 교체해야 한다.In the seawater desalination process using a reverse osmosis membrane, contamination of the membrane occurs as the reverse osmosis progresses. Membrane contamination means that substances present in the influent adhere to the membrane and degrade the performance of the separation membrane. In particular, in seawater desalination, substances present in the influent due to high pressure conditions (50 to 70 bar) are strongly accumulated in the membrane. When the membrane is contaminated, the efficiency of the entire process is drastically reduced, so controlling the membrane contamination is very important in the reverse osmosis process. When membrane contamination progresses, the membrane should be periodically cleaned, or the membrane should be replaced when cleaning cannot be resolved.

문제는 막 오염이 진행되는 정도를 파악하여 막 세정시기나 교체시기를 결정해야 하는데, 막 오염 정도를 실시간으로 모니터링하거나 예측하는데 한계가 있다는 것이다. 유입수나 생산수의 흐름이 감소하거나 압력이 감소하는 정도를 측정하여 간접적으로 막 오염의 진행정도를 파악할 수 있으나, 막 자체의 오염정도를 판단하는 것은 아니고, 이렇게 간접적으로 막 오염을 판단하여 막 세정이나 교체시기를 결정하는 경우 부적절한 시기의 세정이나 교체가 발생하여 불필요한 유지관리 비용을 초래하게 된다. 이를 해결하기 위하여 막 오염 정도를 파악하는데 있어서 알고리즘을 이용한 접근 방법이 모색되어 왔다.The problem is that it is necessary to determine the degree of membrane contamination and determine when to clean or replace the membrane, but there is a limit to monitoring or predicting the degree of membrane contamination in real time. The progress of membrane contamination can be indirectly determined by measuring the degree of decrease in pressure or the flow of influent or production water, but it is not determined the degree of contamination of the membrane itself. However, if the replacement time is decided, cleaning or replacement at an inappropriate time may occur, resulting in unnecessary maintenance costs. In order to solve this, an approach using an algorithm has been sought to determine the degree of membrane contamination.

종래기술에서는 역삼투 공정으로 유입되는 유입원수의 수질, 공정의 운전 조건, 그리고 생산수 수질을 측정하여 데이터 베이스를 구축하고, 구축된 데이터 베이스를 기반으로 막 오염 정도에 대한 지표인 막간 차압, 수투과량 변화 그리고 막 저항 등의 변화를 예측하고 이를 통해서 공정의 성능 변화를 예측하는 기술을 제공한다.In the prior art, a database is constructed by measuring the water quality of the incoming source water flowing into the reverse osmosis process, the operating conditions of the process, and the water quality of the production water. It provides a technology that predicts changes in permeation rate and film resistance, and predicts performance changes in the process.

그러나 미래 예측 시점 및 입력 데이터의 종류에 상관없이 고정된 입력 데이터의 양을 이용하기 때문에 최고의 정확도가 유지되지 않을뿐더러, 특히 입력 데이터에서 결측되는 변수 발생 등 예측 과정에서 발생하는 데이터의 실시간 변화를 정확하게 반영하지 못하기 때문에 예측 정확도가 낮아지는 문제가 있다.However, because it uses a fixed amount of input data regardless of the future forecasting time and the type of input data, the best accuracy is not maintained, and in particular, the real-time changes in data generated in the prediction process, such as the occurrence of variables missing from the input data, can be accurately performed. There is a problem in that the prediction accuracy is lowered because it cannot be reflected.

대한민국 등록특허 제 10-1187416 호Republic of Korea Registered Patent No. 10-1187416

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 데이터의 변화 경향성을 반영하여 예측 정확도를 향상시키고, 결측되는 변수가 있을지라도 예측 정확도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양을 결정하는 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, and improves prediction accuracy by reflecting a tendency to change data, and a predictive model of reverse osmosis membrane contamination that can maintain prediction accuracy above a certain level even if there are missing variables. Is to provide a way to determine the amount of sample input data.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계; 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 상기 예측 모델을 이용하여 미래 예측 시점 및 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하는 단계; 및 상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention comprises the steps of building a database of monitoring data collected from sensors of a reverse osmosis process; Constructing a pollution prediction model of a reverse osmosis membrane using the database; Calculating a prediction accuracy by changing the amount of input data according to a future prediction time point and a type of input variable using the prediction model; And determining the amount of input data when having the highest prediction accuracy of the prediction accuracy; provides a method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane contamination prediction model.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터는 유입수 온도, 유입수 TDS 농도, 운전 압력, 유입수 유량, 생산수 유량, 생산수 TDS 농도, 생산수 압력 및 농축수 압력 중 어느 하나 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process is influent temperature, influent TDS concentration, operating pressure, influent flow, production water flow, production water TDS concentration, production water pressure and concentrated water pressure It may be any one or more of.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터 중 하나 이상의 결측이 있을 수 있다.In one embodiment of the present invention, there may be one or more missing monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계는 기계학습을 통하여 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of constructing a pollution prediction model of the reverse osmosis membrane using the database may be performed through machine learning.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기계학습은 시간지연 신경망을 통하여 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the machine learning may be performed through a time delay neural network.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간지연 신경망은 숨김층이 1층 내지 3층일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the time delay neural network may have a hidden layer from 1 to 3 layers.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 미래 예측 시점이 현재에서 멀어질수록 입력 데이터의 양이 증가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the amount of input data may increase as the future prediction time is farther from the present.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입력 데이터는 결측 데이터를 포함하고, 상기 결측 데이터가 많아질수록 입력 데이터의 양이 증가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the input data includes missing data, and as the number of missing data increases, the amount of input data may increase.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예측 정확도는 하기 수학식 (1)에 따라 계산되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the prediction accuracy may be calculated according to the following equation (1).

Figure 112018031003213-pat00001
(1)
Figure 112018031003213-pat00001
(One)

(여기서,

Figure 112018031003213-pat00002
는 t에서 모의값,
Figure 112018031003213-pat00003
는 t에서 관측값,
Figure 112018031003213-pat00004
은 관측값의 평균값임)(here,
Figure 112018031003213-pat00002
Is a simulated value at t,
Figure 112018031003213-pat00003
Is the observation at t,
Figure 112018031003213-pat00004
Is the mean of the observations)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계에서 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the step of determining the amount of input data when the highest prediction accuracy is obtained, the amount of data may be determined in units of days.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결정된 데이터의 양을 역삼투막 오염 예측에 실시간으로 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, providing the determined amount of data in real time to reverse osmosis membrane contamination prediction; may further include a.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계;와 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 사이에 입력값을 정규화(normalizing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, constructing a database of monitoring data collected from sensors of the reverse osmosis process; and constructing a prediction model of contamination of the reverse osmosis membrane using the database; It may further include; normalizing the input value between (normalizing).

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 역삼투 공정에서 유입수 인자 및 생산수 인자를 수집하기 위한 데이터 수집부; 상기 유입수 인자 및 생산수 인자를 입력 받아 역삼투막 오염 예측 모델을 구동하는 구동부; 상기 구동부에 미래 예측 시점 및 입력 인자의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하고 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 연산부; 및 상기 연산부에서 결정된 데이터의 양을 실시간으로 구동부에 전달하는 피드백부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is a data collection unit for collecting influent and production water factors in a reverse osmosis process; A driving unit receiving the influent factor and the production water factor and driving a reverse osmosis membrane contamination prediction model; A calculating unit that calculates prediction accuracy by changing the amount of input data according to the future prediction time point and the type of input factor, and determines the amount of input data when having the best prediction accuracy; It provides a reverse osmosis membrane contamination prediction apparatus comprising a; feedback unit for transmitting the amount of data determined in the calculation unit in real time to the driving unit.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 역삼투막 오염 예측 모델은 시간지연 신경망을 이용하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the reverse osmosis membrane contamination prediction model may use a time delay neural network.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 연산부가 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정할 때, 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정될 수 있다.In another embodiment of the present invention, when determining the amount of input data when the calculator has the highest prediction accuracy, the amount of data may be determined in units of days.

본 발명의 실시예에 따르면, 역삼투 공정의 운영관리 업무 중 기계학습을 통해서 의사결정권자가 원하는 공정의 막 오염 정도를 예측할 때, 막 오염 정도 예측 및 예측 정확도 향상을 위해 필요한 표본 데이터의 양을 제안하여, 정확한 막 오염 정도를 예측함으로써 역삼투막 세정 및 교체 시점을 결정하는데 기여할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when predicting the degree of membrane contamination of a process desired by a decision maker through machine learning during operation management of the reverse osmosis process, the amount of sample data required for predicting the degree of membrane contamination and improving prediction accuracy is proposed. Thus, it is possible to contribute to determining the timing of cleaning and replacing the reverse osmosis membrane by predicting the exact degree of membrane contamination.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 종래기술에 따른 인공신경망의 구조를 간략히 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시간지연 신경망의 구조를 간략히 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예측 정확도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 예측 정확도를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart briefly showing the structure of an artificial neural network according to the prior art.
2 is a flowchart briefly showing the structure of a time delay neural network according to the present invention.
3 is a graph showing prediction accuracy according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing prediction accuracy according to a comparative example of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" to another part, this is not only when it is "directly connected", but also "indirectly" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part is said to “include” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding the other component unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane contamination prediction model will be described.

본 발명에 따른 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법은 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계; 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 상기 예측 모델을 이용하여 미래 예측 시점 및 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하는 단계; 및 상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계;를 포함한다.The method for determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane contamination prediction model according to the present invention comprises: building a database of monitoring data collected from sensors of a reverse osmosis process; Constructing a pollution prediction model of a reverse osmosis membrane using the database; Calculating a prediction accuracy by changing the amount of input data according to a future prediction time point and a type of input variable using the prediction model; And determining the amount of input data when having the highest prediction accuracy among the prediction accuracy.

상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터는 유입수 온도, 유입수 TDS 농도, 운전 압력, 유입수 유량, 생산수 유량, 생산수 TDS 농도, 생산수 압력 및 농축수 압력 중 어느 하나 이상일 수 있다. The monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process may be any one or more of influent temperature, influent TDS concentration, operating pressure, influent flow rate, production water flow rate, production water TDS concentration, production water pressure and concentrated water pressure.

상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터 중 하나 이상의 결측이 있을 수 있다.One or more of the monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process may be missing.

역삼투를 이용한 해수담수화 플랜트에 있어서 유입원수는 해수가 되고, 생산수는 담수가 되는데, 유입수의 온도, 압력 또는 유량을 조절함으로써 생산수의 유량 또는 수질을 향상시킬 수 있다. 수질은 통상적으로 총 용존성 고형물질(Total Dissolved solids; TDS) 단위로 판단한다. In a seawater desalination plant using reverse osmosis, the influent source water becomes seawater, and the production water becomes fresh water. By adjusting the temperature, pressure or flow rate of the influent water, the flow rate or water quality of the production water can be improved. Water quality is usually determined in units of Total Dissolved Solids (TDS).

유입수의 온도, 압력 또는 유량의 제어에 따른 생산수의 유량, 수질 데이터는 수일 내지는 수년에 걸쳐 축적될 수 있고, 이를 데이터베이스로 구축하여 본 발명에 이용한다. 모니터링 데이터의 종류는 상술한 것에 한정되지 않고, 막 오염 예측에 필요한 정도로 확장 또는 부가될 수 있다.The flow rate and water quality data of the production water according to the control of the temperature, pressure, or flow rate of the influent water may be accumulated over several days to several years, and this is built into a database and used in the present invention. The type of monitoring data is not limited to the above, and can be extended or added to the extent necessary for predicting membrane contamination.

상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계는 기계학습을 통하여 이루어질 수 있고, 기계학습은 시간지연 신경망을 통하여 이루어질 수 있다.The step of constructing a model for predicting contamination of a reverse osmosis membrane using the database may be performed through machine learning, and machine learning may be performed through a time delay neural network.

기계학습은 인공지능의 한 분야로, 컴퓨터가 학습할 수 있도록 하는 알고리즘과 기술을 개발하는 분야를 말한다. 컴퓨터에 명시적인 프로그램 없이 학습하는 능력을 부여하는 것이며, 인공신경망 모델은 기계학습의 한 분야이다.Machine learning is a field of artificial intelligence that refers to the field of developing algorithms and technologies that enable computers to learn. It gives computers the ability to learn without explicit programming, and artificial neural network models are an area of machine learning.

도 1은 종래기술에 사용되는 인공신경망의 구조를 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 인공신경망은 인간의 뇌가 패턴을 인식하는 방식을 모사한 알고리즘이다. 도 1에서 보는 원은 인간의 신경망을 구성하는 뉴런을 모사한 것이고, 노드라고 불린다. 노드들은 시냅스의 결합으로 연결되어 네트워크를 형성한다. 노드들이 여러 개 배열되어 층을 형성하며, 층은 입력층과 숨김층, 출력층으로 형성된다. 1 is a flowchart schematically showing the structure of an artificial neural network used in the prior art. Artificial neural networks are algorithms that mimic the way the human brain recognizes patterns. The circle seen in FIG. 1 simulates neurons constituting a human neural network, and is called a node. Nodes are connected by synapses to form a network. A plurality of nodes are arranged to form a layer, and the layer is formed of an input layer, a hidden layer, and an output layer.

노드에서는 실제로 연산이 일어나는데, 이 연산 과정은 인간의 신경망을 구성하는 뉴런에서 일어나는 과정을 모사하도록 설계되어 있다. 노드는 일정 크기 이상의 자극을 받으면 반응을 하는데, 그 반응의 크기는 입력 값과 노드의 계수(또는 가중치)를 곱한 값과 대략 비례한다. 일반적으로 노드는 여러 개의 입력을 받으며 입력의 개수만큼 계수를 가지고 있다. 따라서 이 계수를 조절함으로써 여러 입력에 다른 가중치를 부여할 수 있다. 최종적으로 곱한 값들은 전부 더해지고 그 합은 활성 함수의 입력으로 들어가게 된다. 활성 함수의 결과가 노드의 출력에 해당하며 이 출력값이 궁극적으로 분류나 회귀 분석에 쓰이게 된다.Nodes actually perform computations, which are designed to simulate the processes in neurons that make up the human neural network. When a node receives a stimulus of a certain size or more, it responds, and the magnitude of the reaction is approximately proportional to the value multiplied by the input value and the node's coefficient (or weight). In general, a node receives multiple inputs and has coefficients as many as the number of inputs. Therefore, different weights can be assigned to different inputs by adjusting this coefficient. Finally, all the multiplied values are added and the sum goes into the input of the active function. The result of the active function corresponds to the output of the node, and this output value is ultimately used for classification or regression analysis.

인공신경망 학습의 목적은 출력의 오류를 최소화 하는 것이다. 학습이 시작되기 전에 네트워크 상의 모든 계수를 초기화한다. 그리고 반복적으로 데이터를 보내주어서 학습을 한다. 만일 학습이 잘 되었다면 계수는 적절한 값으로 업데이트 되어 있을 것이고, 그 인공신경망으로 각종 분류와 예측이 가능하다. 학습과정 내부에서는 같은 원리의 계수 업데이트가 반복적으로 일어난다. 계수 업데이트의 원리는 우선 계수를 추정하고 그 계수를 사용했을 때 발생하는 에러를 측정한 뒤 그 에러에 기반해서 계수를 약간씩 업데이트 하는 것이다. 먼저 입력이 신경망에 들어오면, 현재 상태의 계수를 이용하여 결과를 출력한다. 그리고 이렇게 추정한 값을 실제 정답과 비교한다. 정답과 추정값의 차이가 오차이며, 신경망은 오차를 측정하고 이 오차를 반영해서 계수를 보정하는 것이다. 이 과정을 계속 반복하는 것이 학습 과정이다.The purpose of artificial neural network learning is to minimize errors in output. Initialize all coefficients on the network before learning begins. And by sending data repeatedly, we learn. If learning is successful, the coefficients will be updated with appropriate values, and the artificial neural network can be used for various classifications and predictions. In the learning process, the coefficient update of the same principle occurs repeatedly. The principle of coefficient update is to first estimate the coefficient, measure the error that occurs when using the coefficient, and then update the coefficient slightly based on the error. First, when the input enters the neural network, the result is output using the coefficients of the current state. Then, the estimated value is compared with the actual correct answer. The difference between the correct answer and the estimated value is an error, and the neural network measures the error and corrects the coefficient to reflect this error. Repeating this process is a learning process.

종래기술에서는 인공신경망을 학습시켜 모델을 구축하고, 이 모델을 이용하여 막 오염 정도에 대한 지표인 막간 차압, 수투과량 변화 그리고 막 저항 등의 변화를 예측하고 이를 통해서 공정의 성능 변화를 예측하였다.In the prior art, an artificial neural network was trained to build a model, and the model was used to predict changes in inter-membrane pressure, water permeation, and membrane resistance, which are indicators of the degree of membrane contamination, and predicted the process performance change.

그러나 인공신경망은 표본 데이터의 크기가 고정된 상태에서 결과를 예측하였으므로, 표본 데이터의 크기에 변화가 있는 경우 예측의 정확도가 감소하는 문제가 있다. 인공신경망에 표본 입력 데이터의 크기를 고려하는 기능이 추가된 자율 학습을 수행하는 것이 시간지연 신경망이며, 표본 데이터의 크기에 따라서 과거의 데이터를 고려한 예측을 진행한다.However, since the artificial neural network predicted the result while the size of the sample data was fixed, there is a problem that the accuracy of prediction decreases when the size of the sample data changes. It is a time-delayed neural network that performs self-learning with the function of considering the size of the sample input data added to the artificial neural network, and performs prediction considering the past data according to the size of the sample data.

도 2는 본 발명의 시간지연 신경망의 구조를 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 인공신경망과 비교하면, 시간지연 신경망은 입력층에 차이가 있다. 인공신경망에서는 입력층에 한 줄의 노드가 배치되어 있고, 각 노드는 동일 시간대에 하나의 데이터만을 숨김층의 노드들로 전달한다. 그러나 시간지연 신경망은 입력 데이터 결측이 있는 경우를 고려하여 tn시간의 데이터와 tn-1, tn-2, ……의 데이터를 하나로 묶어 입력한다. 인공신경망의 경우 입력 데이터에 결측이 있는 경우 해당 노드는 다음 층으로 전달할 신호가 없게 되나, 시간지연 신경망의 경우 기준 시점으로부터 임의의 과거 시점까지의 데이터를 하나로 묶어 입력하므로 입력 데이터 일부에 결측이 발생하더라도 입력층의 노드가 다음 층으로 신호를 전달할 수 없게 되는 확률이 줄어들게 된다.2 is a flowchart schematically showing the structure of the time delay neural network of the present invention. Compared to artificial neural networks, time-delayed neural networks differ in the input layer. In the artificial neural network, one row of nodes is arranged on the input layer, and each node delivers only one data to the nodes of the hidden layer at the same time. However, the time delay neural network considers the case of missing input data and the data of t n time and t n-1 , t n-2 ,… … Enter the data of the group together. In the case of artificial neural networks, if there is a missing data in the input data, the corresponding node has no signal to transmit to the next layer, but in the case of a time-delayed neural network, data from the reference time point to any past time point is bundled together, so that some of the input data is missing. However, the probability that a node of the input layer cannot transmit a signal to the next layer is reduced.

시간지연 신경망에서는 기준 시점으로부터 임의의 과거 시점까지의 데이터를 하나로 묶어 입력하므로, 시간의 흐름에 따라 연속적으로 입력되는 데이터를 처리하는데 한계가 있다. 따라서 시간의 흐름에 따라 연속적으로 입력되는 데이터를 처리하려면 미리 하나로 묶을 시간 간격을 정하고 이를 묶어주는 작업이 필요하다. 다만 연속적인 데이터의 연속성을 유지하기 위하여 시간 간격에 따라 나눈 데이터를 단순히 묶는 것이 아니라 일정한 시간 간격의 데이터를 일정 부분씩 겹치도록 전처리 한 뒤 사용하는 것이 보통이다. 예를 들어 tn, tn-1, tn-2, ……의 데이터가 있고, tn부터 tn-3까지, tn-4부터 tn-7까지 시간 간격으로 나누어 데이터를 묶는다고 한다면 첫 번째 데이터 묶음은 tn부터 tn-3까지, 두 번째 데이터 묶음은 tn-2부터 tn-5까지, 세 번째 데이터 묶음은 tn-4부터 tn-7까지의 데이터를 포함하게 된다. 즉, tn부터 tn-3까지, tn-4부터 tn-7까지 두 번의 시간 간격 동안 세 묶음의 데이터를 전송해야 하고, 시간지연이 발생하는 것이다.In a time-delayed neural network, data from a reference time point to any past time point are bundled together, and there is a limit in processing data that is continuously input over time. Therefore, in order to process data that is continuously input according to the passage of time, it is necessary to determine the time interval to be bundled together in advance and to bundle them. However, in order to maintain the continuity of continuous data, it is common to pre-process data to be overlapped at regular time intervals, rather than to group data divided according to time intervals. For example, t n , t n-1 , t n-2 ,… … If there is data of t, and t n to t n-3 and t n-4 to t n-7 are divided by time intervals, the first data bundle is t n to t n-3 , the second data The bundle contains data from t n-2 to t n-5 , and the third bundle contains data from t n-4 to t n-7 . That is, three bundles of data must be transmitted during two time intervals from t n to t n-3 and t n-4 to t n-7 , and a time delay occurs.

본 발명에 있어서 시간지연 신경망은 숨김층이 1층 내지 3층인 것일 수 있다. 신경망의 숨김층은 여러 층을 가질 수 있고, 각각의 층마다 다른 특징을 학습할 수 있다. 이러한 특징들을 조합하여 더욱 복잡한 데이터를 분류 및 군집화 할 수 있는 것이다. 본 발명에서는 역삼투막 성능 예측이 목적이고, 막간 차압, 수투과량 변화 그리고 막 저항 등의 요소를 고려하여 역삼투막의 성능을 예측하게 되므로, 숨김층에 여러 개의 층을 두어 각각의 특징을 학습시킬 수 있고, 하나의 층으로 학습을 시키는 것도 가능하다. 다만 적어도 하나의 숨김층은 반드시 필요하고, 3개층을 초과하여 숨김층이 존재하면 학습에 너무 긴 시간이 소요되고 시스템 자원을 많이 필요로 하게 되므로 바람직하지 않다.In the present invention, the time-delayed neural network may have a hidden layer of 1 to 3 layers. The hidden layer of the neural network can have multiple layers, and each layer can learn different features. By combining these features, more complex data can be classified and clustered. In the present invention, the purpose of the reverse osmosis membrane performance prediction is to predict the performance of the reverse osmosis membrane in consideration of factors such as inter-membrane pressure difference, water permeation change, and membrane resistance, so that each layer can be characterized by placing multiple layers in the hidden layer, It is also possible to have one layer of learning. However, at least one hidden layer is necessary, and if there are more than three hidden layers, it is not preferable because learning takes too long and requires a lot of system resources.

본 발명에 있어서 예측 모델을 이용하여 미래 예측 시점 및 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하는 단계는 현재 시점으로부터 미래 예측 시점까지 얼마나 멀리 떨어져 있는지 또는 입력 변수의 종류가 얼마나 되는지에 따라 입력 데이터의 양을 달리하여 구축된 역삼투막 오염 예측 모델에 입력하여 처리해가면서 예측 정확도를 계산하는 것이다. 상기 미래 예측 시점이 현재에서 멀어질수록 입력 데이터의 양이 증가하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step of calculating the prediction accuracy by changing the amount of input data according to the future prediction time point and the type of the input variable using the prediction model is how far from the current time point to the future prediction time point or the type of the input variable. The prediction accuracy is calculated by inputting and processing the reverse osmosis membrane contamination prediction model constructed by varying the amount of input data according to how much. The amount of input data increases as the future prediction time increases from the present.

시간지연 신경망을 통하여 역삼투막 오염 예측 모델을 구성하는 단계나 예측 정확도를 계산하는 단계 모두 데이터를 입력하고 출력값을 얻는 것은 동일하지만, 역삼투막 오염 예측 모델을 구성하는 단계는 상술한 바와 같이 각 노드의 계수를 초기화하고 데이터 입출력을 반복하면서 각 노드의 계수를 업데이트 하는 것에 목적이 있다면, 예측 정확도를 계산하는 단계는 후술할 최고의 정확도를 나타낼 입력 데이터의 양을 결정하는데 목적이 있다.The steps of constructing the reverse osmosis membrane contamination prediction model or calculating the prediction accuracy through the time-delayed neural network are the same as inputting the data and obtaining the output value, but the steps of constructing the reverse osmosis membrane contamination prediction model are as follows. If the objective is to update the coefficients of each node while initializing and repeating data input and output, the step of calculating the prediction accuracy is aimed at determining the amount of input data that will represent the best accuracy to be described later.

현재 시점으로부터 미래 예측 시점이 떨어져 있는 시간차만큼 현재 시점으로부터 과거 시점까지의 입력 데이터를 역삼투막 오염 예측 모델에 입력해 가면서 입력 데이터의 크기에 따른 예측 정확도를 계산하게 되고, 이 때 입력 데이터의 크기는 현재 시점으로부터 미래 예측 시점 또는 그에 대응하는 과거 시점까지의 시간차, 즉 시간의 길이에 대응하여 정해질 수 있다. 다만 상술한대로 시간의 길이가 2배가 된다고 하더라도 실제 묶어서 입력해야 하는 데이터는 일정부분씩 겹치게 하여 전처리 되므로, 실제 입력되는 데이터의 크기는 2배 이상이 될 것이고, 시간의 길이에 정비례하는 것은 아니다.The input data from the current time point to the past time point is input to the reverse osmosis membrane contamination prediction model by the time difference from the current time point to the future prediction time point, and the prediction accuracy according to the size of the input data is calculated. A time difference from a time point to a future prediction time point or a corresponding past time point, that is, it may be determined corresponding to a length of time. However, even if the length of time is doubled as described above, the data to be actually bundled and pre-processed by overlapping a certain portion is pre-processed, so the size of the actual input data will be twice or more, and is not directly proportional to the length of time.

입력 데이터에는 결측 데이터가 포함되어 있을 수 있고, 결측 데이터가 많아질수록 입력 데이터의 양이 증가하게 된다. 입력 데이터가 증가하는 경우 상술한 바와 같이 과거 데이터를 참조하여 결측값을 보완할 수 있게 된다.The input data may include missing data, and as the number of missing data increases, the amount of input data increases. When the input data increases, the missing value can be supplemented by referring to the past data as described above.

예측 정확도의 계산은 하기 수학식 (1)에 따라 계산될 수 있다.The prediction accuracy can be calculated according to the following equation (1).

Figure 112018031003213-pat00005
(1)
Figure 112018031003213-pat00005
(One)

(여기서,

Figure 112018031003213-pat00006
는 t에서 모의값,
Figure 112018031003213-pat00007
는 t에서 관측값,
Figure 112018031003213-pat00008
은 관측값의 평균값임)(here,
Figure 112018031003213-pat00006
Is a simulated value at t,
Figure 112018031003213-pat00007
Is the observation at t,
Figure 112018031003213-pat00008
Is the mean of the observations)

상기 식에서 모의값은 역삼투막 오염 예측 모델에 의해 산출된 값이고, 관측값은 모니터링 데이터에 의한 실제값이다. NSE값이 1에 가까울수록 예측 정확도가 높은 것이며 1에서 멀수록 예측 정확도가 낮은 것이다.In the above equation, the simulated value is a value calculated by the reverse osmosis membrane contamination prediction model, and the observed value is an actual value based on monitoring data. The closer the NSE value is to 1, the higher the prediction accuracy, and the farther from 1 the lower the prediction accuracy.

상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 최종적으로 결정할 수 있고, 이후 역삼투막 오염 예측 모델의 구동에 상기 결정된 양을 단위로 하여 데이터를 입력할 수 있다. 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정되는 것이 바람직하다. 시간 단위로 결정되는 경우 예측 정확도의 계산 및 데이터 양을 결정하는데 너무 많은 시간이 소요될 수 있고, 일(日)을 넘어 주 단위로 결정되는 경우 막 오염 예측에 따른 세정 및 교체 주기 결정에 실효성이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.The amount of input data when having the highest prediction accuracy among the prediction accuracy can be finally determined, and then the data can be input in units of the determined amount to drive the reverse osmosis membrane prediction model. Preferably, the amount of data is determined in units of days. If it is determined by the time unit, it may take too much time to calculate the prediction accuracy and determine the amount of data, and if it is determined by the weekly unit over one day, the effectiveness in determining the cleaning and replacement cycle according to the membrane contamination prediction may be ineffective. This is not preferred.

본 발명은 상기 결정된 데이터의 양을 역삼투막 오염 예측에 실시간으로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 역삼투 공정에서 모니터링 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 이용하여 역삼투막 오염 예측 모델의 계수를 실시간으로 보정해 가면서 최고의 정확도를 나타내는 데이터의 양을 실시간으로 오염 예측 모델에 제공한다면 막 오염 예측의 정확도를 지속적으로 향상시킬 수 있다.The present invention may further include providing the determined amount of data in real time to reverse osmosis membrane contamination prediction. If the monitoring data is collected in real time from the reverse osmosis process, and the coefficient of the reverse osmosis membrane pollution prediction model is used in real time, the accuracy of the membrane pollution prediction is continuously maintained if the amount of data representing the highest accuracy is provided to the pollution prediction model in real time. Can be improved.

또한 본 발명은 상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계;와 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막의 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 사이에 입력값을 정규화(normalizing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention comprises the steps of constructing a database of monitoring data collected from sensors of the reverse osmosis process; and constructing a prediction model of contamination of the reverse osmosis membrane using the database; It may further include; normalizing the input value between (normalizing).

정규화(normalizing)란 데이터를 일정한 규칙에 따라 변형하여 이용하기 쉽게 하는 절차로, 데이터의 규격을 통일하는 절차라고 할 수 있다. 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터는 종류에 따라 제각각의 범위를 가지고 있고, 이를 그대로 시간지연 신경망에 입력하여 기계학습을 하는 경우 너무 넓은 데이터 범위로 인하여 데이터간 상관관계를 파악하고 학습하는데 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 또한 중복데이터의 입력으로 신경망에 불필요한 로드가 걸릴 수도 있다. 이를 해결하기 위하여 모든 데이터를 일정 범위 내로 들어오도록 변환하거나, 센서 오류 등으로 평균값에서 크게 벗어나는 값들을 제외시킬 수도 있다. 이러한 과정을 거쳐 산출된 값들을 기계학습에 이용하면 역삼투막 오염 예측 모델의 구성 효율을 높일 수 있다.Normalizing is a procedure that transforms data according to certain rules and makes it easy to use. It can be said to be a procedure for unifying data standards. The monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process has different ranges depending on the type, and when machine learning by inputting them into the time-delayed neural network as it is, it takes a long time to understand and learn the correlation between the data due to the too wide data range. It may take time. In addition, unnecessary load may be applied to the neural network through the input of redundant data. To solve this, all data can be converted to come within a certain range, or values that deviate significantly from the average value due to sensor errors can be excluded. If the values calculated through these processes are used for machine learning, it is possible to increase the construction efficiency of the reverse osmosis membrane prediction model.

이하, 역삼투막 오염 예측 장치에 대하여 설명한다.Hereinafter, a reverse osmosis membrane contamination prediction apparatus will be described.

본 발명은 또한 상기 방법을 이용한 역삼투막 오염 예측 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 역삼투막 오염 예측 장치는 역삼투 공정에서 유입수 인자 및 생산수 인자를 수집하기 위한 데이터 수집부; 상기 유입수 인자 및 생산수 인자를 입력 받아 역삼투막 오염 예측 모델을 구동하는 구동부; 상기 구동부에 미래 예측 시점 및 입력 인자의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 예측 정확도를 계산하고 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 연산부; 및 상기 연산부에서 결정된 데이터의 양을 실시간으로 구동부에 전달하는 피드백부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a reverse osmosis membrane contamination prediction apparatus using the above method. The reverse osmosis membrane contamination prediction apparatus according to the present invention includes a data collection unit for collecting influent and production water factors in a reverse osmosis process; A driving unit receiving the influent factor and the production water factor and driving a reverse osmosis membrane contamination prediction model; A calculating unit that calculates prediction accuracy by changing the amount of input data according to the future prediction time point and the type of input factor, and determines the amount of input data when having the best prediction accuracy; And a feedback unit that delivers the amount of data determined by the calculation unit to the driving unit in real time.

상기 역삼투막 오염 예측 모델은 시간지연 신경망을 이용하는 것이며, 상기 연산부가 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정할 때, 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정할 수 있다.The reverse osmosis membrane contamination prediction model uses a time-delayed neural network, and when determining the amount of input data when the operation unit has the highest prediction accuracy, the amount of data may be determined in units of days.

수집부에서 수집된 데이터는 일 단위 내지 년 단위로 축적되어 데이터베이스로 구축될 수 있다. 구축된 데이터베이스를 구동부에 연결하여 역삼투막 오염 예측 모델을 구동하여 계수를 업데이트 하고, 연산부에서 데이터의 양을 변화시켜가며 예측 정확도를 계산하여 최고의 정확도를 가질 때의 데이터 양을 결정할 수 있다. 결정된 데이터의 양은 구동부에 피드백 되어 결정된 데이터 양만큼 역삼투막 오염 예측 모델에 입력되도록 구성할 수도 있다.The data collected by the collection unit may be accumulated in units of days to years to be constructed as a database. The built-in database is connected to the driving unit to drive the reverse osmosis membrane contamination prediction model to update the coefficients, change the amount of data in the calculation unit, and calculate the prediction accuracy to determine the amount of data at the highest accuracy. The determined amount of data may be configured to be fed back to the driving unit and input to the reverse osmosis membrane contamination prediction model as much as the determined amount of data.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples.

실시예 1Example 1

역삼투막 해수담수화 공정에서 유입수 온도, 유입수 TDS 농도, 운전 압력, 유입수 유량, 생산수 유량 및 생산수 TDS 농도 데이터를 모니터링하여 2년간의 데이터를 데이터베이스화 하였다. 시간지연 신경망 모델을 구동하여 상기 데이터베이스의 값들을 임의의 일정한 시간 간격으로 입력하여 계수를 보정하여 역삼투막 오염 예측 모델을 구축하였다. 구축된 모델에 데이터의 양을 2일, 4일, 6일 간격으로 입력하여 1일 이후의 결과 예측 정확도를 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 가장 높은 예측 정확도를 가지는 시간 간격을 정하여 데이터의 양을 결정하였다.In the reverse osmosis membrane desalination process, influent temperature, influent TDS concentration, operating pressure, influent flow rate, production water flow rate, and production water TDS concentration data were monitored to database the data for 2 years. A time-delay neural network model was driven to input the values of the database at arbitrary constant time intervals, and the coefficient was corrected to construct a reverse osmosis membrane prediction model. The amount of data input to the constructed model at intervals of 2 days, 4 days, and 6 days is calculated and the result prediction accuracy after 1 day is shown in Table 1 below. The amount of data was determined by setting the time interval with the highest prediction accuracy.

실시예 2Example 2

생산수 압력 및 농축수 압력 데이터를 추가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 1일 이후의 결과 예측 정확도를 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 가장 높은 예측 정확도를 가지는 시간 간격을 정하여 데이터의 양을 결정하였다. 결정된 데이터의 양에 대한 시간에 따른 예측 정확도를 도 3에 나타내었다.Except that the production water pressure and concentrated water pressure data was added, the same results as in Example 1 were calculated and the prediction accuracy of the results after 1 day is shown in Table 1 below. The amount of data was determined by setting the time interval with the highest prediction accuracy. Prediction accuracy over time for the determined amount of data is shown in FIG. 3.

비교예 1Comparative Example 1

역삼투막 해수담수화 공정에서 유입수 온도, 유입수 TDS 농도, 운전 압력, 유입수 유량, 생산수 유량 및 생산수 TDS 농도 데이터를 모니터링하여 2년간의 데이터를 데이터베이스화 하였다. 인공신경망 모델을 구동하여 상기 데이터베이스의 값들을 입력하여 계수를 보정하여 역삼투막 오염 예측 모델을 구축하였다. 구축된 모델에 데이터를 입력하여 1일 이후의 결과 예측 정확도를 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.In the reverse osmosis membrane desalination process, influent temperature, influent TDS concentration, operating pressure, influent flow rate, production water flow rate, and production water TDS concentration data were monitored to database the data for 2 years. The artificial neural network model was driven to input the values from the database and correct the coefficients to construct a reverse osmosis membrane contamination prediction model. Table 1 below shows the accuracy of predicting the result after 1 day by inputting data into the constructed model.

비교예 2Comparative Example 2

생산수 압력 및 농축수 압력 데이터를 추가한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 1일 이후의 결과 예측 정확도를 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 시간에 따른 예측 정확도를 도 4에 나타내었다.Except for adding the product water pressure and concentrated water pressure data, the same results as in Comparative Example 1 were calculated and the result prediction accuracy is shown in Table 1 below. The prediction accuracy over time is shown in FIG. 4.

구 분division Input 변수의 개수Number of input variables 시간 지연
(Time Delay)
Time delay
(Time Delay)
Train
(NSE)
Train
(NSE)
Test
(NSE)
Test
(NSE)
비교예 1Comparative Example 1 66 00 0.930.93 0.680.68 실시예 1Example 1 66 22 0.970.97 0.750.75 66 44 0.980.98 0.850.85 66 66 0.970.97 0.630.63 비교예 2Comparative Example 2 88 00 0.980.98 0.530.53 실시예 2Example 2 88 22 0.990.99 0.660.66 88 44 0.990.99 0.860.86 88 66 0.990.99 0.510.51

비교예 1 및 비교예 2에서는 인공신경망을 사용하여 시간지연이 일어나지 않으므로 시간 지연 값이 0이다.In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, since the time delay does not occur using an artificial neural network, the time delay value is 0.

6개의 데이터를 가지고 예측 시 시간 지연이 4일 때 가장 높은 정확도 0.85를 나타내었다.When predicting with 6 data, when the time delay was 4, the highest accuracy was 0.85.

8개의 데이터를 가지고 예측 시 시간 지연이 4일 때 가장 높은 정확도 0.86을 나타내었다.When predicting with 8 data, when the time delay was 4, the highest accuracy was 0.86.

시간 지연이 없는 비교예 1 및 비교예 2보다 실시예들의 정확도가 높은 것을 알 수 있다.It can be seen that the accuracy of the embodiments is higher than that of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 without time delay.

실시예 3Example 3

데이터의 양을 4일, 6일, 8일 간격으로 입력하여 7일 이후의 결과 예측 정확도를 계산한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 데이터의 양을 결정하였다. The amount of data was determined in the same manner as in Example 1 except that the amount of data was input at intervals of 4 days, 6 days, and 8 days to calculate the result prediction accuracy after 7 days.

실시예 4Example 4

데이터의 양을 4일, 6일, 8일 간격으로 입력하여 7일 이후의 결과 예측 정확도를 계산한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 데이터의 양을 결정하였다. The amount of data was determined in the same manner as in Example 2 except that the amount of data was input at intervals of 4 days, 6 days, and 8 days to calculate the result prediction accuracy after 7 days.

비교예 3Comparative Example 3

7일 이후의 결과 예측 정확도를 계산한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.It was performed in the same manner as in Comparative Example 1, except that the prediction accuracy of the results after 7 days was calculated.

비교예 4Comparative Example 4

7일 이후의 결과 예측 정확도를 계산한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다. It was performed in the same manner as in Comparative Example 2, except that the prediction accuracy of the results after 7 days was calculated.

실시예 3, 4 및 비교예 3, 4에서 계산한 예측 정확도를 하기 표 2에 나타내었다.The prediction accuracy calculated in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4 is shown in Table 2 below.

구 분division Input 변수의 개수Number of input variables 시간 지연
(Time Delay)
Time delay
(Time Delay)
Train
(NSE)
Train
(NSE)
Test
(NSE)
Test
(NSE)
비교예 3Comparative Example 3 66 00 0.920.92 0.400.40 실시예 3Example 3 66 44 0.940.94 0.480.48 66 66 0.870.87 0.620.62 66 88 0.940.94 0.450.45 비교예 4Comparative Example 4 88 00 0.900.90 0.450.45 실시예 4Example 4 88 44 0.900.90 0.530.53 88 66 0.920.92 0.320.32 88 88 0.980.98 0.550.55

비교예 3 및 비교예 4에서는 인공신경망을 사용하여 시간지연이 일어나지 않으므로 시간 지연 값이 0이다.In Comparative Example 3 and Comparative Example 4, since the time delay does not occur using an artificial neural network, the time delay value is 0.

6개의 데이터를 가지고 예측 시 시간 지연이 6일 때 가장 높은 정확도 0.62를 나타내었다.When predicting with 6 data, when the time delay is 6, the highest accuracy is 0.62.

8개의 데이터를 가지고 예측 시 시간 지연이 8일 때 가장 높은 정확도 0.55를 나타내었다.When predicting with 8 data, when the time delay was 8, the highest accuracy was 0.55.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified to other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

Claims (15)

역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계;
상기 데이터베이스를 이용한 시간지연 신경망 기계학습을 통해 역삼투막 오염 예측 모델을 구성하는 단계;
데이터 결측에 의한 입력층 노드에서 다음층 노드로 신호가 전달되지 않는 것을 방지하여 예측 정확도 저하를 방지하기 위해 상기 역삼투막 오염 예측 모델에 기준 시점으로부터 임의의 과거 시점까지의 데이터를 하나로 묶고, 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 입력하여 예측 정확도를 계산하는 단계; 및
상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
Constructing a database of monitoring data collected from sensors of the reverse osmosis process;
Constructing a reverse osmosis membrane contamination prediction model through time-delayed neural network machine learning using the database;
In order to prevent a signal from being transmitted from an input layer node to a next layer node due to data missing, to prevent prediction accuracy deterioration, the reverse osmosis membrane contamination prediction model is grouped with data from a reference point to any past point in time, and Calculating a prediction accuracy by changing and inputting an amount of input data according to the type; And
And determining the amount of input data when having the highest prediction accuracy among the prediction accuracy. 2. A method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane contamination prediction model.
제1항에 있어서,
상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터는 유입수 온도, 유입수 TDS 농도, 운전 압력, 유입수 유량, 생산수 유량, 생산수 TDS 농도, 생산수 압력 및 농축수 압력 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
The monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process is a reverse osmosis membrane, characterized in that at least one of influent temperature, influent TDS concentration, operating pressure, influent flow rate, production water flow rate, production water TDS concentration, production water pressure and concentrated water pressure. How to determine the amount of sample input data in a pollution prediction model.
제2항에 있어서,
상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터 중 하나 이상의 결측이 있는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 2,
Method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane prediction model, characterized in that there is one or more missing monitoring data collected from the sensors of the reverse osmosis process.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 시간지연 신경망은 숨김층이 1층 내지 3층인 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
The time-delayed neural network method of determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane prediction model, characterized in that the hidden layer is 1 to 3 layers.
제1항에 있어서,
미래 예측 시점이 현재에서 멀어질수록 입력 데이터의 양이 증가하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
A method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane prediction model, characterized in that the amount of input data increases as the future prediction time is farther from the present.
제1항에 있어서,
상기 입력 데이터는 결측 데이터를 포함하고, 상기 결측 데이터가 많아질수록 입력 데이터의 양이 증가하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
The input data includes missing data, and the amount of input data increases as the number of missing data increases. A method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane contamination prediction model.
제1항에 있어서,
상기 예측 정확도는 하기 수학식 (1)에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
Figure 112018031003213-pat00009
(1)
(여기서,
Figure 112018031003213-pat00010
는 t에서 모의값,
Figure 112018031003213-pat00011
는 t에서 관측값,
Figure 112018031003213-pat00012
은 관측값의 평균값임)
According to claim 1,
The prediction accuracy is a method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane prediction model, characterized in that it is calculated according to the following equation (1).
Figure 112018031003213-pat00009
(One)
(here,
Figure 112018031003213-pat00010
Is a simulated value at t,
Figure 112018031003213-pat00011
Is the observation at t,
Figure 112018031003213-pat00012
Is the mean of the observations)
제1항에 있어서,
상기 예측 정확도 중 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 단계에서 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정되는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
A method for determining the amount of sample input data in a reverse osmosis membrane contamination prediction model, wherein the amount of data is determined in units of days in determining the amount of input data when the highest prediction accuracy is obtained.
제1항에 있어서,
상기 결정된 데이터의 양을 역삼투막 오염 예측에 실시간으로 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
And providing the determined amount of data to the reverse osmosis membrane contamination prediction in real time; further comprising a method for determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane contamination prediction model.
제1항에 있어서,
상기 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 구축하는 단계;와 상기 데이터베이스를 이용하여 역삼투막 오염 예측 모델을 구성하는 단계; 사이에 입력값을 정규화(normalizing)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 모델의 표본 입력 데이터 양 결정 방법.
According to claim 1,
Constructing a database of monitoring data collected from sensors of the reverse osmosis process; and constructing a reverse osmosis membrane contamination prediction model using the database; Normalizing the input value between (normalizing); Method for determining the amount of sample input data of the reverse osmosis membrane prediction model further comprising a.
역삼투 공정에서 유입수 인자 및 생산수 인자를 수집하기 위한 데이터 수집부;
상기 유입수 인자 및 생산수 인자를 입력 받아, 역삼투 공정의 센서로부터 수집된 모니터링 데이터의 데이터베이스를 이용한 시간지연 신경망 기계학습을 통해 구성된 역삼투막 오염 예측 모델을 구동하는 구동부;
데이터 결측에 의한 입력층 노드에서 다음층 노드로 신호가 전달되지 않는 것을 방지하여 예측 정확도 저하를 방지하기 위해 상기 구동부에서 구동되는 역삼투막 오염 예측 모델에 기준 시점으로부터 임의의 과거 시점까지의 데이터를 하나로 묶고, 입력 변수의 종류에 따라 입력 데이터의 양을 변화시켜 입력하여 예측 정확도를 계산하고 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정하는 연산부; 및
상기 연산부에서 결정된 데이터의 양을 실시간으로 구동부에 전달하는 피드백부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 장치.
A data collection unit for collecting influent and production water factors in a reverse osmosis process;
A driver for receiving the influent factor and the production water factor and driving a reverse osmosis membrane contamination prediction model configured through time delay neural network machine learning using a database of monitoring data collected from sensors of a reverse osmosis process;
In order to prevent a signal from being transmitted from an input layer node to a next layer node due to data loss, and to prevent a decrease in prediction accuracy, data from a reference point to an arbitrary point in time are tied to a reverse osmosis membrane prediction model driven by the driving unit. , Computing unit for calculating the prediction accuracy by changing the input data amount according to the type of the input variable and determining the amount of input data when having the best prediction accuracy; And
And a feedback unit that delivers the amount of data determined by the operation unit in real time to the driving unit.
삭제delete 제13항에 있어서,
상기 연산부가 최고의 예측 정확도를 가질 때의 입력 데이터의 양을 결정할 때, 상기 데이터의 양은 일(日) 단위로 결정되는 것을 특징으로 하는 역삼투막 오염 예측 장치.
The method of claim 13,
When determining the amount of input data when the calculation unit has the highest prediction accuracy, the reverse osmosis membrane contamination prediction apparatus, characterized in that the amount of data is determined in units of days.
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