CN111177971A - 一种污泥体积指数分布式软测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种污泥体积指数分布式软测量方法,涉及一种污泥处理的测量控制该方法,包括收集数据、数据整理和清洗、构建基模型、SVI模型分布式训练构建、SVI模型部署运行。其中,数据取自各水线监控工作站历史测量数据。数据整理和清洗包括将收集的数据转换为以天为单位的数据样本、剔除异常值、填补缺失值、变量标准化。分布式架构下的基模型使用了随机配置网络模型,分布式优化算法使用了交替方向乘子法(The Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)。构建得到的SVI软测量模型可分别部署到各个水线工作站,用于SVI的计算。本发明得到SVI测量模型与单水线训练的SVI测量模型相比,增强了泛化性能和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种污泥处理测量控制方法,特别是涉及一种污泥体积指数分布式软测量方法。
背景技术
活性污泥生化污水处理过程的主体是活性污泥絮体和微生物。活性污泥的凝聚和沉降性能直接影响污水处理的质量和运行效率。活性污泥受水质酸碱性,溶解氧含量,温度等多种因素的影响,容易发生污泥膨胀、上浮、发泡等异常现象,导致污水处理效率和处理质量下降,甚至会造成整个污水处理过程瘫痪。
污泥体积指数(SVI)是衡量活性污泥的凝聚和沉降性能的重要指标。目前SVI指标主要依赖实验室人工化验方式获取,存在周期长,成本高,难以实时在线检测问题,导致难以实现活性污泥体积指数的闭环控制和操作优化。
由于污水生化反应水质成分复杂、动力学参数多、非线性强等综合复杂性,难以建立准确的机理模型。韩红桂等人(CN102494979A)基于数据建模方法出发,提出自组织径向基函数神经网络在线预测SVI数值的方法。Bartosz等(Springer, 2017)中使用了支持向量机(SVM),增强树(BT),随机森林(RF)和多元自适应回归样条(MARS)的方法。这些方法均基于单条水线建模,模型仅适用特定建模水线,且随着水线运行,模型的泛化性能会逐渐退化。城市大型污水处理厂会存在地域分散的多条不同运行状况的水线,这些水线均配有完整的自动化系统,其监控工作站上已有各种水线运行监测数据。利用这些水线监控站及数据,本发明提出了一种污泥体积指数分布式软测量方法,这种方法综合了水线的运行状况的多样性,所建模型适合各条水线运行状况,且模型的鲁棒性优于单条水线的模型的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥体积指数分布式软测量方法,该方法提出了一种分布式框架下的污泥体积指数建模方法,以实现地域分散多条活性污泥处理水线活性污泥体积指数分布式建模和测量,增强活性污泥SVI测量模型的泛化能力和鲁棒性。
该分布式网络模型的构建方案步骤如下:
S1、活性污泥水线上的历史测量数据存储于该水线监控工作站中,通过收集整理多条水线上数据并形成样本。这些数据包括进水PH、进水NH4-N、生化池进水COD、生化池进水SS、生化池进水流量、平均曝气气量、平均曝气氧量、曝气池MLSS、曝气池PH参数,以及对应的水线的实验室化验SVI记录值。
S2、分别在各水线监控工作站上对收集的历史数据进行整理和清洗,形成分布式建模所需训练样本和测试样本。该过程包括剔除异常值、填补缺失值、变量标准化。
S3、选择一条水线监控工作站及其部分训练和测试样本构建分布式基模型。分布式基模型采用了随机配置网络(SCN),该方法是一种增量式构建单隐含层神经网络模型的方法,输入层到隐含层的模型参数在一定范围内和监督条件下随机赋值;带有L个隐含层节点的随机配置网络可以表示为
S4、将构建好后的分布式SCN基模型分发到各条水线监控工作站上。
S5、分别使用各个计算节点的数据,在交替方向乘子法(The AlternatingDirection Method of Multipliers, ADMM)框架下迭代调整不同节点SCN模型的输出权重,使之得到统一解。该训练过程包括如下技术要点:
(1).分布式训练过程拟解决的问题可以描述为
具体的分布式训练步骤如下:
S6、在各条水线监控工作站上获取当前在线运行测量数据,并将其作为SVI测量模型的输入,计算该模型来得到输出SVI值。
从上述计算方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、本发明用到的输入辅助变量为各水线自动化系统的在线测量数据,不涉及实验室化验数据,使该模型可以实现在线测量SVI值。
2、使用这种分布式的训练方法可以综合不同水线的运行状况,使得该模型增强了泛化性能和鲁棒性。
3、本发明所述污泥体积指数分布式软测量方法基于k折交叉验证进行超参数寻优,减少了人工调参的大量繁琐重复工作,也提高了模型构建的效率。
4、本发明提供的这种算法实现了SVI的预测,有助于污水厂工作人员及时掌握污水处理工艺运行状况,以保障污水处理工艺稳定运行。
附图说明
图1是该分布式框架下的污泥体积指数软测量建模的流程图;
图2是分布式模型在ADMM框架下进行分布式训练过程。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明方案中所涉及的技术问题。应说明的是,该描述的实施例仅为了更好理解对本发明,而不起任何限定作用。、
从图1分布式ADMM-SCN建模的流程图可以看出,整体过程包括下述步骤;
步骤一,选取了国内某污水处理厂6条具有自动化系统的活性污泥水线数据,分别在其污水处理线监控工作站的历史数据库中获取230天的历史数据,包括的变量有进水PH、进水NH4-N、生化池进水COD、生化池进水SS、生化池进水流量、平均曝气气量、平均曝气氧量、曝气池MLSS、曝气池PH参数,以及对应的水线的实验室化验SVI记录值。
步骤二,在每个工作站上,将每个变量的数据按如下方法处理:将数据以天为单位按照统计特征(中心极限定理)去除异常值,将每天的数据取平均值分别作为每天的该变量的值。按此方法在各工作站上形成了以天为单位的样本。按上述方法在每个监控工作站得到230个样本,每个样本包含9个特征和一个SVI值。将这些样本的特征做标准化处理,得到后续训练所需数据样本。
步骤三,随机选取某条水线构建基模型,随机选取该水线中4/5的样本(184条)使用带有L2正则项的SCN模型构建基模型。其中SCN模型隐含层节点上限15、SCN训练停止条件误差容忍度0.01、网络隐含层的激活函数选择SIGMOD函数。
步骤四,将建立好后的SCN基模型通过网络分发到各条水线监控工作站上,以便进行下一步的训练。
步骤五,6条计算节点彼此间可以直接网络互通,具体训练步骤如下:
步骤六,在各条水线监控工作站上做如下处理:对于新采集在线测量数据,将每个变量的数据以统计特征(中心极限定理)去除异常值,将剩余数据取平均值分别作为每个变量的值;将获得样本的特征按步骤一所得标准化参数做标准化处理,并将其作为SVI测量模型的输入,计算该模型来得到水线当前SVI值。
图2具体给出了分布式模型的训练过程描述。首先通过构建好的分布式SCN基模型。该模型为单隐含层的全连接网络,表示为
该分布式SCN基模型被分配到不同的网络节点上,随后进行ADMM分布式训练,训练过程中分布式SCN基模型的输出权重在ADMM框架进行迭代计算,以通过不同网络拓扑设备的数据训练出统一的模型。分布式训练过程拟解决的问题可以描述为
当误差容忍度低于0.01,迭代算法停止。
训练好后的模型包括15个隐含层节点。在当前6条水线测试数据的均方根误差(Root Mean Squard Error,RMSE)为20.693。
Claims (4)
1.一种污泥体积指数分布式软测量方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤一,在多条水线上的监控工作站中收集整理数据并形成样本;
步骤二,分别在各水线监控工作站上对收集的历史数据进行整理和清洗,形成分布式建模所需训练样本和测试样本;
该过程包括剔除异常值、填补缺失值、变量标准化;
步骤三,在一条水线监控工作站及其部分训练和测试样本构建分布式建模基模型;
步骤四,将构建好后的分布式建模基模型分发到各条水线监控工作站上;
步骤五,分别使用多条水线上的监控工作站作为分布式建模训练的计算节点,使用多条水线数据在交替方向乘子法(The Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)框架下迭代调整不同节点基模型的输出权重,使之得到统一解,从而得到统一的活性污泥体积指数测量模型;
步骤六,在各条水线监控工作站上获取当前在线运行测量数据,并将其作为SVI测量模型的输入,计算该模型来得到输出SVI值。
2.根据权利要求1所述的污泥体积指数分布式软测量方法,其特征在于,上述步骤一收集的数据变量包括进水PH、进水NH4-N、生化池进水COD、生化池进水SS、生化池进水流量、平均曝气气量、平均曝气氧量、曝气池MLSS、曝气池PH参数,以及对应的水线的实验室化验SVI记录值。
4.根据权利要求1所述的污泥体积指数分布式软测量方法,其特征在于,上述步骤五分别使用各个计算节点的数据,在交替方向乘子法(The Alternating Direction Method ofMultipliers, ADMM)框架下迭代调整不同节点SCN模型的输出权重,使之得到统一解;该训练过程包括如下技术要点:
(1).分布式训练过程拟解决的问题可以描述为
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