CN107449885A - 一种nh3‑n软测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NH3‑N软测量系统，通过PH测量仪、DO测量仪和CODMn测量仪来检测污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，并通过预先建立的回归模型根据上述数值来计算出NH3‑N含量，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型；由于在污水中，NH3‑N含量与污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量均具有一定的线性关系，可以快速的计算出污水中NH3‑N含量；并且通过多元线性回归可以准确揭示出NH3‑N含量与PH值、溶氧量和Mn离子需氧量之间的关系，利用PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，可以准确的计算出当前污水中NH3‑N含量；本发明还公开了一种NH3‑N软测量方法，同样具有上述有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测领域，特别是涉及一种NH3-N软测量系统及方法。
背景技术
随着近年来城市规模的不断扩大，污水处理厂作为城市建设中有关基础建设的重要一环，在近年来越来越被人们所重视。通过污水处理厂来控制水体污染，改善和保护城市水环境质量是目前国内外所用的主要手段。其中，水质特性不仅仅决定了污水处理厂的工艺设备，同时还是污水处理厂设计及运行调控管理的重要基础数据。
在对污水水质进行测量的时候，有一些指标是很难直接获取的，例如NH3-N(氨氮含量)指标，通常是需要通过对其它离子的检测来间接测量该指标。
在现有技术中，通常是采集污水样本，然后在实验室中通过加入盐酸，苯酚等试剂来生成有色复合物，之后再通过分光光度计来测量原污水中的NH3-N。
在使用现有技术中，通常需要大量的时间在实验室中进行上述操作，不易快速测得污水中的NH3-N指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种NH3-N软测量系统及方法，可以快速得到当前污水中的NH3-N指标。
为解决上述技术问题，本发明提供一种NH3-N软测量系统，所述系统包括PH测量仪、DO测量仪、CODMn测量仪、控制器、存储器和处理器；
所述PH测量仪用于测量PH值，所述DO测量仪用于测量溶氧量，所述CODMn测量仪用于测量Mn离子需氧量；所述控制器分别连接所述PH测量仪、所述DO测量仪、所述CODMn测量仪和所述处理器，以将所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送给所述处理器；所述处理器连接所述存储器，以从所述存储器中调用预先建立的回归模型计算出NH3-N浓度值，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型。
可选的，所述回归模型为：
NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn；
其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
可选的，所述控制器为PLC控制器。
可选的，所述PLC控制器包括第一PLC控制器、第二PLC控制器和第三PLC控制器，所述第一PLC控制器连接所述PH测量仪和所述处理器，以将所述PH值发送至所述处理器；所述第二PLC控制器连接所述DO测量仪和所述处理器，以将所述溶氧量发送至所述处理器；所述第三PLC控制器连接所述CODMn测量仪和所述处理器，以将所述Mn离子需氧量发送至所述处理器。
可选的，所述PLC控制器包括PLC接收站和I/O站，所述PLC接收站连接所述I/O站，所述I/O站连接所述处理器；
所述PLC接收站连接所述PH测量仪、所述DO测量仪和所述CODMn测量仪，以将所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送至所述I/O站，所述I/O站将所述述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送至所述处理器。
可选的，所述控制器与所述PH测量仪、所述DO测量仪、所述CODMn测量仪和所述处理器之间通过网络进行连接，所述存储器与所述处理器之间通过网络进行连接。
本发明还提供了一种NH3-N软测量方法，所述方法包括：
通过控制器从PH测量仪中获取PH值；
通过所述控制器从DO测量仪中获取溶氧量；
通过所述控制器从CODMn测量仪中获取Mn离子需氧量；
调用预先建立的回归模型，根据所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量计算出NH3-N指标，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型。
可选的，所述回归模型为：
NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn，其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
本发明所提供的一种NH3-N软测量系统，可以通过PH测量仪、DO测量仪和CODMn测量仪来检测污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，并通过预先建立的回归模型根据上述数值来计算出NH3-N含量，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型；由于在污水中，NH3-N含量与污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量均具有一定的线性关系，通过处理器可以快速的计算出污水中NH3-N含量；并且通过多元线性回归可以准确揭示出NH3-N含量与PH值、溶氧量和Mn离子需氧量之间的关系，利用污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，可以准确的计算出当前污水中NH3-N含量。本发明还提供了一种NH3-N软测量方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的第一种NH3-N软测量系统结构框图；
图2为初次得到的回归模型的残差分布图；
图3为最终得到的回归模型的残差分布图；
图4为本发明实施例所提供的第二种NH3-N软测量系统结构框图；
图5为本发明实施例所提供的一种NH3-N软测量方法的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种NH3-N软测量系统。在现有技术中，通常是先采集污水样本，然后在实验室中通过加入盐酸，苯酚等试剂来生成有色复合物，在加入试剂的过程中还需要进行酸化，和冷冻保存，之后还需要解冻，水浴加热等步骤，测量起来非常的费时费力，之后再通过分光光度计来测量原污水中的NH3-N。上述现有技术在测量NH3-N时会花费大量的时间。
而本发明所提供的一种NH3-N软测量系统，可以通过PH测量仪100、DO测量仪200和CODMn测量仪300来检测污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，并通过预先建立的回归模型根据上述数值来计算出NH3-N含量，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型；由于在污水中，NH3-N含量与污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量均具有一定的线性关系，通过处理器500可以快速的计算出污水中NH3-N含量；并且通过多元线性回归可以准确揭示出NH3-N含量与PH值、溶氧量和Mn离子需氧量之间的关系，利用污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，可以准确的计算出污水中NH3-N含量。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的第一种NH3-N软测量系统结构框图。
所述系统包括PH测量仪100、DO测量仪200、CODMn测量仪300、控制器400、存储器600和处理器500。在本发明中，所述PH测量仪100用于测量PH值，所述DO测量仪200用于测量溶氧量，所述CODMn测量仪300用于测量Mn离子需氧量。有关PH测量仪100，DO测量仪200和CODMn测量仪300，在现阶段有很多类型以及很多型号的测量仪可以实现上述目的，在本发明中均可以使用，在此不做具体限定，只要能测量出污水中的PH值，溶氧量以及Mn离子需氧量均可。并且在本发明中，对于所述PH测量仪100、DO测量仪200、CODMn测量仪300、的个数均不作具体限定。
在本发明中，所述存储器600中存储有预先建立的回归模型，有关所述回归模型的详细内容将在本发明实施例的后续部分进行介绍。
所述处理器500会根据上述测量得到的PH值，溶氧量以及Mn离子需氧量，调用存储在所述存储器600中的回归模型，来计算污水中的NH3-N指标。有关处理器500和存储器600的类型以及型号，现阶段同样有很多具有相似功能的产品可以实现上述目的，在本发明中均可以使用，在此不做具体限定。
当上述测量仪获取到各个数据时，需要通过控制器400将所述数据发送至处理器500，以便处理器500进行运算。有关所述控制器400的型号具体有很多，通常情况下是选择PLC控制器400。PLC控制器也称作可编程逻辑控制器，是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，其具有多种功能，可以方便可靠的将PH测量仪100、DO测量仪200、CODMn测量仪300测得的数据发送至存储器600。
进一步的，在本发明实施例中，所述控制器400需要分别于PH测量仪100、DO测量仪200、CODMn测量仪300进行连接。控制器400与各个测量仪之间的连接方式可以是通过数据线进行连接，还可以是通过网络进行连接，以实现控制器400与上述各个测量仪之间进行数据的传输。通过网络进行数据的传输可以有效克服距离的限制，可以使得操作人员对所述系统进行远程的操控。所述控制器400与所述处理器500之间除了可以通过导线进行连接，还可以通过网络进行连接，以及上述存储器600和处理器500之间也可以通过网络进行连接，而不单单是通过数据线进行连接。在本发明实施例中，对于上述各个装置之间的连接关系均不作具体的限定。
在本发明实施例中，所述回归模型具体为：
NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn；
其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
在尝试建立上述回归模型的过程中，是通过采集污水处理厂2016年第一季度的数据，其中采集频率是每4小时采集一次，在剔除明显异常的数据之后，得到437组完整数据。当然，除了本发明所选用的数据，还可以选用其他污水厂的数据，同样能得到本发明中所提供的回归模型。因为污水中的NH3-N、PH值、溶氧量和Mn离子需氧量之间是存在着物理和化学条件的制约。
本发明所用数据详情请参照下表：
从上表中可以看出，随着PH值的增长NH3-N有快速降低的趋势，当PH值增长至7.2时，NH3-N降低至0.5左右；随着溶氧量的增长，NH3-N也有降低的趋势，当溶氧量升高到8.0时，NH3-N则降低至0.4左右；而随着Mn离子需氧量的增长，NH3-N则有增长的趋势，当Mn离子需氧量增长至3.5时，NH3-N则伴随着升高到4.70左右。
由此可见，NH3-N与PH值、溶氧量、Mn离子需氧量之间存在着一定的线性关系，可以通过y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+...+βmxm这个多元线性回归方程来建立回归模型。由于本发明实施例中，只有3个变量，所以存在4个回归系数：β0、β1、β2、β3，分别计算出上述4个回归系数的估计值以及各个回归系数的置信区间，有关计算回归系数的估计值的方式有很多，现阶段同样有很多软件可以计算回归系数，在本发明中使用的是MATLAB软件进行计算。当然，也可以通过其他的方式计算出所述回归系数的估计值，在此不做具体限定。有关置信区间的计算同样有很多计算方式，在此亦不做具体限定。
有关回归系数的估计值与置信区间请见下表：
初次得到的回归模型为：
NH3-N＝8.1093-0.7160×PH-0.4401×DO-0.0626×CODMn
通过上表可以看出，β3的置信区间包括了0，说明所述β3不显著，此模型需要改进。进而计算出该回归模型的残差以及残差置信区间，并制成图2。请参照图2，其中横坐标为数据编号，纵坐标为残差的置信区间。同时通过上述回归模型计算出NH3-N的软测量值，并计算该软测量值与实际值之间的误差与百分误差，详情请参照下表：
通过图2以及上表可以发现，存在很多数据的残差置信区间没有包括0，说明该数据异常，并且该回归模型的软测量值与实际值之间的误差很大，有些数据高达30％。此时需要剔除异常数据，然后重新计算回归系数，以得到第一次改进后的回归模型，并计算第一次改进后的回归模型中回归系数的估计值与回归系数的置信区间。
详情请参照下表：
此时经过第一次改进后的回归模型为：
NH3-N＝5.7589-0.3820×PH-0.4051×DO-0.0108×CODMn
通过上表可以看出，依然有回归系数的置信区间包括0，进而继续做出该回归模型的残差以及残差置信区间，并通过上述回归模型计算出NH3-N的软测量值，计算该软测量值与实际值之间的误差与百分误差，详情请参照下表：
通过上表可以发现，该回归模型的软测量值与实际值之间的误差依然很大，有些数据高达14％。进而继续剔除异常数据，然后重新计算回归系数，以得到多次改进后的回归模型。
重复多次上述步骤之后，可以得到最终的回归模型：
NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn
其中回归系数的估计值与回归系数的置信区间请参照下表：
其中所有回归系数的置信区间均不包括0，说明各个回归系数均显著。之后计算出所述最终的回归模型的残差以及残差置信区间，并制成图3。请参照图3，其中横坐标为数据编号，纵坐标为残差的置信区间。同时通过上述回归模型计算出NH3-N的软测量值，并计算该软测量值与实际值之间的误差与百分误差，详情请参照下表：
通过上表以及图3可以看出，此时没有异常数据，并且残差值很小，基本在[-0.10，0.10]之间，百分误差在20％以下，说明本发明最终提供的回归模型拟合精度很高，可以达到了预期的拟合效果。
本发明所提供的一种NH3-N软测量系统，可以通过PH测量仪100、DO测量仪200和CODMn测量仪300来检测污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，并通过预先建立的回归模型根据上述数值来计算出NH3-N含量，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型；由于在污水中，NH3-N含量与污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量均具有一定的线性关系，通过处理器500可以快速的计算出污水中NH3-N含量；并且通过多元线性回归可以准确揭示出NH3-N含量与PH值、溶氧量和Mn离子需氧量之间的关系，利用污水中的PH值、溶氧量和Mn离子需氧量，可以准确的计算出当前污水中NH3-N含量。
请参考图4，图4为本发明实施例所提供的第二种NH3-N软测量系统结构框图。
在本发明实施例中，在上述发明实施例的基础上，对于每一种测量仪，均连接有控制器专门负责一种数据的传输。具体的讲，所述控制器包括第一控制器401、第二控制器402和第三控制器403，所述第一控制器401连接所述PH测量仪100和所述处理器500，以将所述PH值发送至所述处理器500；所述第二控制器402连接所述DO测量仪200和所述处理器500，以将所述溶氧量发送至所述处理器500；所述第三控制器403连接所述CODMn测量仪300和所述处理器500，以将所述Mn离子需氧量发送至所述处理器500。
当然，也可以对每一个测量仪均可以添加各自的控制器，用于将测量仪检测到的数据发送至所述处理器500。有关于具体的连接方法视具体的情况而定，在此不做具体限定。
在本发明实施例中，控制器均为PLC控制器，当然，也可以使用其它类型的控制器，在本发明实施例中不做具体限定。关于所述PLC控制器，通常PLC控制器是包括有PLC接收站以及I/O站，所述PLC接收站是用于接收连接该PLC控制器的测量仪所获取的数据，并将该数据通过I/O站发送至所述处理器500。有关于PLC控制器的具体结构还可以有其他的部件，在本发明实施例中不做具体限定，所述PLC控制器只要能将本发明中各个测量仪获取到的数据发送至所述处理器500均可。
在本发明实施例中，在建立完所述回归模型之后，可以归该回归模型中的回归系数进行显著性检验。
回归系数是否显著，可以利用回归模型输出的NH3-N数据的残差来验证系数的显著性；当残差即不存在自相关性，又符合正态分布，同时不存在异方差的时候，说明回归模型的拟合优度比较高，也从另一个方面说明了回归系数的显著性。
由于回归系数显著性可以通过多种检验方式进行检验，例如有T检验，T’检验，U检验，F检验等等，在本发明实施例中，是选择对所述回归系数进行F检验。
检验因变量与各个自变量之间的关系，主要是通过检验回归系数是否全为零来进行检验。若全为0，则认为因变量与各个自变量之间的线性关系不显著；若不全为零，则线性关系显著。根据上述内容，对于m个回归系数，提出假设：
H0:β1＝β2＝...＝βm＝0
定义统计量F：
其中，SR为回归平方和，Sε为残差平方和；m为回归系数的个数，n为输入数据的自由度。
若F～F(m,n-m-1)，则说明H0为真，则因变量与各个自变量之间的线性关系不显著。反之，则线性关系显著。
此处会预先设定显著性水平α，若F≥F1-α(m,n-m-1)，则拒绝H0，即H0为假，因变量与各个自变量之间的线性关系显著。
通过上述最终的回归模型中回归系数的估计值与回归系数的置信区间，可以计算得到F＝478.726。在本发明实施例中，给定显著性水平α＝0.05，通过查F分布表，则有：
F1-α(m,n-m-1)＝F1-0.05(3,306)＝2.63；
由于F＝478.726＞F1-0.05(3,306)，证明本发明所提供的回归模型中，PH值、溶氧量DO以及Mn离子需氧量CODMn对NH3-N的线性影响在α＝0.05水平下显著。
本发明所提供的NH3-N软测量系统，可以对于每一种测量仪均设置有专用的PLC控制器400来传输数据，从而提高单位时间传输数据的总量，从而提高数据传输的效率。在本发明实施例中，还通过F检验证明了本发明中，回归模型的显著性，从而体现出该回归模型的有效性。
下面对本发明实施例提供的一种NH3-N软测量方法进行介绍，下文描述的NH3-N软测量方法与上文描述的NH3-N软测量系统可相互对应参照。
图5为本发明实施例提供的一种NH3-N软测量方法的流程图，参照图5NH3-N软测量方法可以包括：
S101：通过控制器从PH测量仪中获取PH值。
S102：通过控制器从DO测量仪中获取溶氧量。
S103：通过控制器从CODMn测量仪中获取Mn离子需氧量。
需要说明的是，上述S101，S102和S103并没有先后顺序，可以先执行任意一个步骤，或者是同时执行，在本发明实施例中并不做具体限定。
S104：调用预先建立的回归模型，根据PH值、溶氧量和Mn离子需氧量计算出NH3-N指标。
在本发明实施例中，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型。
具体的讲，所述回归模型为：
NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn，其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
本实施例的NH3-N软测量方法用于使用前述的NH3-N软测量系统，因此NH3-N软测量方法中的具体实施方式可见前文中的NH3-N软测量系统的实施例部分。所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种NH3-N软测量系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种NH3-N软测量系统，其特征在于，所述系统包括PH测量仪、DO测量仪、CODMn测量仪、控制器、存储器和处理器；
所述PH测量仪用于测量PH值，所述DO测量仪用于测量溶氧量，所述CODMn测量仪用于测量Mn离子需氧量；所述控制器分别连接所述PH测量仪、所述DO测量仪、所述CODMn测量仪和所述处理器，以将所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送给所述处理器；所述处理器连接所述存储器，以从所述存储器中调用预先建立的回归模型，根据所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量计算出NH3-N指标，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回归模型为：NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn，其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述PLC控制器包括第一PLC控制器、第二PLC控制器和第三PLC控制器，所述第一PLC控制器连接所述PH测量仪和所述处理器，以将所述PH值发送至所述处理器；所述第二PLC控制器连接所述DO测量仪和所述处理器，以将所述溶氧量发送至所述处理器；所述第三PLC控制器连接所述CODMn测量仪和所述处理器，以将所述Mn离子需氧量发送至所述处理器。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述PLC控制器包括PLC接收站和I/O站，所述PLC接收站连接所述I/O站，所述I/O站连接所述处理器；
所述PLC接收站连接所述PH测量仪、所述DO测量仪和所述CODMn测量仪，以将所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送至所述I/O站，所述I/O站将所述述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量发送至所述处理器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器与所述PH测量仪之间，所述控制器与所述DO测量仪之间，所述控制器与所述CODMn测量仪之间，所述控制器与所述处理器之间均通过网络进行连接，所述存储器与所述处理器之间通过网络进行连接。
7.一种NH3-N软测量方法，其特征在于，所述方法包括：
通过控制器从PH测量仪中获取PH值；
通过所述控制器从DO测量仪中获取溶氧量；
通过所述控制器从CODMn测量仪中获取Mn离子需氧量；
调用预先建立的回归模型，根据所述PH值、所述溶氧量和所述Mn离子需氧量计算出NH3-N指标，所述回归模型为基于多元线性回归所建立的回归模型。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述回归模型为：NH3-N＝0.3177+0.3050×PH-0.2229×DO-0.2242×CODMn，其中，PH为PH值；DO为溶氧量；CODMn为Mn离子需氧量，NH3-N为氨氮含量。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111007220A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-14 | 浙江农林大学 | 一种生猪养殖污水水质敏捷监测的方法 |
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2017
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