KR101208595B1 - Gross error detecting method and system using lagrangian multiplier, and data reconciliation method using gross error detecting system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그로스 에러를 포함하는 데이터를 색출하여, 정확한 측정 데이터를 사용할 수 있도록 하기 위해 안출된 것으로, 그로스 에러를 검출하는 방법과 함께, 데이터를 보정하는 방법을 제공하여 공정 운영상의 정확성을 담보할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 라그랑주 승수법을 이용하여, 질량보존식의 제약조건 하에서 그로스 에러를 검출할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법은, 공정변수를 측정하여 측정데이터를 생성하는 단계; 상기 측정데이터에 라그랑주 승수법을 적용하여 상기 공정변수의 추정 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 측정데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 측정데이터의 표준 편차에 기반하여 상기 측정데이터의 그로스 에러(Gross error)를 검출하는 단계를 포함한다. The present invention has been made in order to retrieve data including gross errors and to use accurate measurement data. The present invention provides a method for detecting gross errors and a method for correcting data to ensure accuracy in process operation. It is intended to provide a way to do this.
It is also an object of the present invention to provide a method and system capable of detecting gross errors under constraints of mass conservation equations using Lagrange multiplier.
The gross error detection method using the Lagrange multiplier method according to the present invention comprises the steps of measuring the process variable to generate measurement data; Generating estimated data of the process variable by applying a Lagrange multiplier method to the measured data; And detecting a gross error of the measured data based on the measured data, the estimated data, and a standard deviation of the measured data.
Description
본 발명은 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법 및 시스템, 및 그로스 에러 감지 시스템을 이용한 데이터 보정 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 폐수처리 공정 과정에서 측정 데이터의 그로스 에러 포함 유무를 검출하고 그로스 에러를 포함하는 데이터를 보정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a gross error detection method and system using the Lagrange multiplier, and a data correction method using the gross error detection system. A method and system for calibrating data to include.
폐수 처리 공정에 있어서, A2O 공법은 각기 다른 환경 조건의 미생물을 사용함으로써 폐수로부터 전인 및 전질소를 제거하기 위해 널리 사용되는 공정을 의미한다.In the wastewater treatment process, the A2O process refers to a process widely used to remove whole human and total nitrogen from wastewater by using microorganisms of different environmental conditions.
도 1은 A2O 공법의 구성도를 도시한 것으로, 도 1을 참조하면, A2O 공법은 혐기성 리액터(Anaerobic Reactor, 10), 무산소 리액터(Anoxic Reactor, 20), 호기성 리액터(Aerobic Reactor, 30) 및 침전조(Clarifier, 40)를 포함한다. A2O 공법에 있어서, 폐수는 혐기성 리액터(10)로 인입되고, A2O 공법에는 2개의 재생 흐름을 포함하는데, 하나는, 탈질소반응의 효율을 증가시키기 위해 질산염을 호기성 리액터(30)로부터 무산소 리액터(20)로 연결하는 내부 재생 흐름이고, 다른 하나는 혼압액 부유 고형물을 유지하기 위해 침전조(40)에서 혐기성 리액터(10)로 슬러지를 반송하는 재생 흐름이다.1 is a block diagram of the A2O method, referring to FIG. 1, the A2O method is an anaerobic reactor (Anaerobic Reactor, 10), anoxic reactor (Anoxic Reactor, 20), aerobic reactor (Aerobic Reactor, 30) and sedimentation tank (Clarifier, 40). In the A2O process, the wastewater enters the
A2O 공법을 거친 폐수는 강으로 흐르고, 슬러지는 슬러지 처리 공정을 더 거치게 된다.Wastewater from the A2O process flows into the river and the sludge is further subjected to sludge treatment.
A2O 공법에 있어서, 혐기성 리액터(10)는 전인을 제거하기 위해 사용된다. 무산소 리액터(20) 및 호기성 리액터(30)는 전질소를 제거하기 위해 사용되며, 탈질소반응과 질산화작용이 각각의 리액터에서 발생하게 된다.In the A2O process, the
탈질소반응은 아질산염과 질산염을 질소 가스로 변환하기 위한 것이고, 질산화 작용은 암모니아를 아질산염과 질산염으로 산화시키기 위한 것이다.The denitrification reaction is for converting nitrite and nitrate into nitrogen gas, and the nitrification action is for oxidizing ammonia to nitrite and nitrate.
호기성 리액터(30)에서는 또한 탄소물질의 산화반응과 인의 축적이 발생한다. 탄소물질의 산화반응은 CO2의 형성에 영향을 끼치게 된다. 이와 같이, 산화 반응에 필요한 산소의 요구량을 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand : COD)라 한다. In the
무산소 리액터(20)에서 N2가스를 발생시키는 동안 호기성 리액터(30)에서는 CO2를 발생시켜 폐수 처리 공정의 외부로 배출하는 것이다.While generating the N 2 gas in the oxygen-
이와 같은 A2O 공정에 있어서, 공정에 유입되는 것과 유출되는 것을 살펴보면, 공정으로 유입되는 것은 COD, 전인, 전질소 및 전 부유물질이고, 최종 배출되는 것은 COD, 전질소(Total Nitrrogen : TN), 전인(Total Phosphorous : TP) 및 전부유물질(Total Suspended Solids : TSS)이다. 또한, 중도 배출되는 것은, COD, 전입, 전질소 및 부유물질과 함께, N2가스와 CO2 가스를 들 수 있다.In this A2O process, looking at the inflow and outflow of the process, COD, total phosphorus, total nitrogen and total suspended solids, and the final discharge is COD, total nitrogen (TN), total phosphorus (Total Phosphorous (TP)) and Total Suspended Solids (TSS). The intermediate emissions include N 2 gas and CO 2 gas along with COD, transfer, total nitrogen, and suspended solids.
이와 같은 A2O 공정에 있어서도, 질량 보존의 법칙은 만족해야 하므로, 유입되는 물질의 양은 최종 혹은 중도 배출되는 물질의 질량이 같아야 한다는 질량 보존식을 만족하여야 한다.Even in this A2O process, the law of mass conservation must be satisfied, so the amount of incoming material must satisfy the mass conservation equation that the mass of the final or intermediate discharged material must be equal.
위와 같은 A2O 공정 전반에 걸친 측정값(raw data)에는 개개의 측정 장치의 정확도에 따라 크고 작은 오차가 존재하며, 때로 계기의 고장, 눈금 조정 잘못, 파이프 누출 등의 원인으로 상대적으로 큰 그로스 에러를 포함 할 수 도 있다. 이러한 오차가 포함된 측정값들은 공장 전체에 대한 정상상태 수지를 만족시키지 못하는 비일관성을 보이며, 데이터 상호간에도 서로 상반되는 경향을 보이기도 한다. 그리고 기술적 어려움, 경제적 이유 때문에 직접 측정되지 못한 변수들과 각 단위 장치의 성능을 나타내는 매개 변수 등을 추정해야 할 필요가 있다.There are large and small errors in the raw data throughout the A2O process, depending on the accuracy of the individual measuring devices, and often cause relatively large gross errors due to instrument breakdowns, miscalibration, and pipe leaks. It can also be included. Measurements with these errors show inconsistencies that do not satisfy the steady-state balance of the plant as a whole, and tend to conflict with each other. In addition, it is necessary to estimate parameters not directly measured due to technical difficulties and economic reasons, and parameters indicating the performance of each unit.
그러나, 이와 같은 A2O 공법에 있어서, 측정 데이터를 보정하기 위해서는, 질량 보존식의 제약조건이 있는 경우임을 고려하여 한다. 이는, A2O 공법에서 외부로 배출되는 N2, CO2는 공기중으로 배출되기 때문에, 실제로 측정이 이루어지지 않게 되어, 질량 보존식을 만족하지 않는 것처럼 보이기 때문이다. 따라서, 이와 같은 제약 하에서 그로스 에러 탐지와 데이터 보정이 이루어지도록 해야 할 것이다.
However, in this A2O method, in order to correct the measurement data, it is considered that there is a case where there is a constraint of the mass conservation formula. This is because N 2 and CO 2 discharged to the outside in the A 2 O method are discharged to the air, so that the measurement is not actually made and the mass preservation equation does not appear to be satisfied. Therefore, gross error detection and data correction should be performed under such constraints.
본 발명은 그로스 에러를 포함하는 데이터를 색출하여, 정확한 측정 데이터를 사용할 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.It is an object of the present invention to retrieve data including gross errors so that accurate measurement data can be used.
본 발명은 라그랑주 승수법을 이용하여, 질량보존식의 제약조건 하에서 그로스 에러를 검출할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것에 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a method and system capable of detecting gross errors under constraints of mass conservation equations using Lagrange multiplier.
본 발명은 그로스 에러를 검출하는 방법과 함께, 데이터를 보정하는 방법을 제공하여 공정 운영상의 정확성을 담보할 수 있는 방법을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide a method for correcting data, together with a method for detecting gross errors, to ensure the accuracy of process operation.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본원의 제 1 발명, 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법은, 공정변수를 측정하여 측정데이터를 생성하는 단계; 상기 측정데이터에 라그랑주 승수법을 적용하여 상기 공정변수의 추정 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 측정데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 측정데이터의 표준 편차에 기반하여 상기 측정데이터의 그로스 에러(Gross error)를 검출하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention, the gross error detection method using the Lagrange multiplier method, comprising the steps of measuring the process variable to generate the measurement data; Generating estimated data of the process variable by applying a Lagrange multiplier method to the measured data; And detecting a gross error of the measured data based on the measured data, the estimated data, and a standard deviation of the measured data.
본원의 제 2 발명, 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템은, 폐수처리 공정의 각 단계에서 공정변수에 대한 측정데이터를 생성하는 데이터 측정부; 상기 측정데이터의 평균값과 표준편차값을 연산하고, 상기 표준편차값에 기초한 웨이트 행렬, 프로세스 행렬, 상기 측정데이터에 기반하여 공정변수의 추정데이터를 연산하는 데이터 연산부; 상기 프로세스 행렬을 저장하는 프리셋 저장부; 상기 표준편차값, 상기 측정데이터 및 상기 추정데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및 상기 측정데이터, 상기 추정데이터 및 상기 표준편차값에 기반하여 상기 측정데이터의 그로스 에러 포함여부를 판단하는 그로스 에러 검출부를 포함한다.Gross error detection system using the Lagrange multiplier method of the present invention, the data measuring unit for generating the measurement data for the process variable in each step of the wastewater treatment process; A data calculator for calculating an average value and a standard deviation value of the measured data and calculating estimated data of a process variable based on a weight matrix, a process matrix, and the measured data based on the standard deviation value; A preset storage unit for storing the process matrix; A data storage unit for storing the standard deviation value, the measurement data, and the estimated data; And a gross error detection unit determining whether gross error is included in the measurement data based on the measurement data, the estimated data, and the standard deviation value.
본원의 제 3 발명, 그로스 에러 감지 시스템을 이용한 데이터 보정 방법은, 폐수처리 공정으로부터 공정변수에 대한 측정데이터를 생성하는 단계; 상기 측정데이터의 평균값과 표준편차값을 연산하는 단계; 상기 표준편차값에 기초한 웨이트 행렬, 프로세스 행렬, 상기 측정데이터에 기반하여 공정변수의 추정 데이터를 연산하는 단계; 상기 측정 데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 표준편차에 기반하여 그로스 에러 포함여부를 판단하는 단계; 및 그로스 에러를 포함하는 상기 측정 데이터를 제거하고 상기 추정 데이터로 대체하여 측정 데이터를 보정하는 단계를 포함한다.
According to a third aspect of the present invention, a data correction method using a gross error detection system includes: generating measurement data on a process variable from a wastewater treatment process; Calculating an average value and a standard deviation value of the measured data; Calculating estimated data of a process variable based on the weight matrix, the process matrix, and the measured data based on the standard deviation value; Determining whether a gross error is included based on the measured data, the estimated data, and the standard deviation; And correcting the measurement data by removing the measurement data including a gross error and replacing it with the estimated data.
본 발명은 그로스 에러를 포함하는 데이터를 색출하여, 정확한 측정 데이터를 사용할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 그로스 에러를 검출하는 방법과 함께, 데이터를 보정하는 방법을 제공하여 공정 운영상의 정확성을 담보할 수 있는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of extracting data including gross errors, so that accurate measurement data can be used, and also providing a method for correcting data in addition to a method for detecting gross errors, thereby improving process operation accuracy. There is an effect that can provide a way to secure.
더욱이 라그랑주 승수법을 이용함으로써, 질량보존식의 제약조건 하에서 그로스 에러를 검출할 수 있다는 효과가 있다.
Moreover, by using the Lagrange multiplier method, there is an effect that the gross error can be detected under the constraint of the mass conservation equation.
도 1은 종래기술에 따른 A2O 공법의 구성도,
도 2는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법을 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템의 블록도, 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그로스 에러 감지 시스템을 이용한 데이터 보정 방법의 흐름도이다.1 is a block diagram of the A2O method according to the prior art,
2 is an exemplary view for explaining a gross error detection method using the Lagrange multiplier method,
3 is a block diagram of a gross error detection system using the Lagrange multiplier method, according to an embodiment of the present invention; and
4 is a flowchart of a data correction method using a gross error detection system according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
데이터 보정은 프로세스에서 측정된 데이터를 질량 보존 및 에너지 보존과 일치하도록 더 정확하게 조절 혹은 보정하는 것이다. 데이터 보정은 무작위 오류(Random Error)와 그로스 에러(Gross Error)를 포함하는 실시간 프로세스 데이터를 보존법칙과 일치하는 신뢰성 있는 데이터로 변환하는 것이다.Data correction is a more accurate adjustment or correction of the data measured in the process to match mass conservation and energy conservation. Data correction is the conversion of real-time process data, including random and gross errors, into reliable data consistent with the conservation law.
그러한 데이터는 효과적인 공정의 동작과 관리를 위해 반드시 필요한 것이며, 일반적으로 공정의 모니터링, 분석, 감시 및 최적화를 위해 사용된다.Such data are essential for effective process operation and management and are commonly used for process monitoring, analysis, monitoring and optimization.
먼저, 데이터가 측정되면, 데이터가 그로스 에러를 포함하고 있는지 파악하고, 그로스 에러를 포함하는 데이터를 버리고, 그로스 에러가 없는 데이터를 측정 데이터로 사용한다. 무작위 에러를 포함하는 데이터가 일반적으로 데이터 보정이 수행되고, 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
First, when data is measured, it is determined whether the data contains a gross error, the data containing the gross error is discarded, and the data without the gross error is used as the measurement data. The data including the random error is generally subjected to data correction, and can be represented by Equation 1 below.
여기서 ymeas는 측정값의 벡터이고, ymodel은 실제 값의 벡터, ε은 측정 오차의 무작위 벡터이다.
Where y meas is a vector of measurements, y model is a vector of actual values, and ε is a random vector of measurement errors.
데이터 보정은 질량 보존의 제약을 따르면서 실제값과 측정값의 제곱합을 최소화하는 과정이다. 수학적으로 데이터 보정 문제는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Data correction is the process of minimizing the sum of squares of actual and measured values while following the constraints of mass conservation. Mathematically, the data correction problem may be expressed as in Equation 2 below.
여기서 Ψ는 하기 수학식 3과 같이 표현되는 웨이트 행렬(weight matrix)이고, A1은 질량 보존 식의 계수를 포함하는 프로세스 행렬(process matrix)이다.
Where Ψ is a weight matrix expressed by Equation 3 below, and A 1 is a process matrix including coefficients of a mass conservation equation.
상기 수학식 2에 상기 수학식 3을 대입하면 결과적으로 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Substituting Equation 3 into Equation 2 may result in Equation 4 below.
결과적으로 수학식 4는 폐수 처리 공정 측정데이터의 측정오차를 최소화 하려는 최적화의 문제를 나타내는 것이다.As a result, Equation 4 represents the problem of optimization to minimize the measurement error of the wastewater treatment process measurement data.
그러나, 폐수처리 공정에서, 측정데이터의 측정오차를 최소화 하기 위해서는, 질량 보존식의 제약조건이 있는 경우임을 고려하여야 한다.However, in the wastewater treatment process, in order to minimize the measurement error of measurement data, it should be considered that there is a constraint of mass conservation formula.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 라그랑주 승수법을 이용한다.In order to solve such a problem, the Lagrange multiplier method is used in the present invention.
라그랑주 승수법은 제약조건하에서의 최적화의 문제를 제약 조건없는 최적화의 문제로 변형시켜 제약조건이 없는 경우의 1차 필요조건을 적용할 수 있게 하는 방법이다.Lagrange multiplier transforms the problem of optimization under constraint into the problem of unconstrained optimization so that the first-order requirements can be applied without constraint.
라그랑주 승수법을 수학식 2에 적용하여 제약 조건이 없도록 전개하면, 하기 수학식 5와 같이 전개할 수 있다.
If the Lagrange multiplier method is applied to Equation 2 and developed so that there is no constraint, it can be developed as shown in Equation 5 below.
여기서, λ는 라그랑지 승수이고 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Here, lambda is a Lagrange multiplier and may be expressed as in Equation 6 below.
상기 수학식 1을 상기 수학식 5에 대입하면, 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Substituting Equation 1 into Equation 5 may be expressed as
상기 수학식 7을 각각 ε과 λ에 대해 미분하고, 미분값이 0이 되도록 설정하면, 하기 수학식 8 및 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
If
상기 수학식 8을 간소화 하면, 하기 수학식 10와 같은 관계식을 도출할 수 있다.
By simplifying Equation 8, a relational expression as in
상기 수학식 10의 양변에 A1을 곱하여 다시 정리하면, 하기 수학식 11과 같이 전개될 수 있고, 이를 상기 수학식 9에 대입하면 결과적으로 하기 수학식 12의 관계식을 도출할 수 있다.
When both sides of
상기 수학식 12를 상기 수학식 10에 대입하면, 상기 수학식 13과 같은 관계식을 도출할 수 있다.
Substituting Equation 12 into
상기 수학식 13을 상기 수학식 1에 도입하면, 결과적으로, 하기 수학식 14의 관계식을 갖는 공정변수의 추정치 yesti를 도출할 수 있다.
By introducing Equation 13 into Equation 1, an estimate y esti of a process variable having a relational expression of Equation 14 can be derived as a result.
공정의 측정 데이터로부터 잘못된 측정치를 식별하는 것이 그로스 에러 디텍션(Gross error Detection : GED)이다. It is Gross Error Detection (GED) to identify false measurements from the measurement data of the process.
만약 측정치가 추정치와 큰 편차를 가지고 있다면, 그 측정치는 그로스 에러가 있다는 것을 의미한다.If the measurement has a large deviation from the estimate, it means that there is a gross error.
본 발명에서는 그로스 에러를 갖는 측정치를 식별하기 위한 방법으로, 상대오차(Relative error : RE)를 사용한다.In the present invention, a relative error (RE) is used as a method for identifying a measurement having a gross error.
상대오차는 하기 수학식 15와 같이 정의된다.
The relative error is defined as in Equation 15 below.
여기서 ymeas는 공정상의 측정값, yesti는 상기 수학식 14의 데이터 보정을 수행한 후에 획득한 공정변수의 추정값, σ는 측정값의 표준 편차를 나타낸다.Where y meas is a process measurement value, y esti is an estimated value of a process variable obtained after performing data correction of Equation 14, and sigma represents a standard deviation of the measured value.
여기서 상대오차의 계산값에 신뢰도를 적용함으로써, 그로스 에러를 판별할 수 있다. 즉, 공정상의 추정값이 정규분포를 따른다고 가정하면, 측정값의 평균값과, 이에 대한 표준편차를 이용하여 그로스 에러를 검출할 수 있는 것이다.Here, the gross error can be determined by applying the reliability to the calculated value of the relative error. That is, assuming that the estimated value on the process follows a normal distribution, the gross error can be detected using the average value of the measured value and the standard deviation thereof.
예컨대, 95%의 신뢰구간을 적용하는 경우, 상대오차 계산값이 정규분포에서 95%의 신뢰수준을 나타내는 값 1.96 보다 크면, 이 측정 데이터는 그로스 에러를 포함하는 데이터로 판단할 수 있는 것이다. 상대오차 계산값이 1.96보다 작으면, 이 측정 데이터는 그로스 에러가 없는 데이터로 간주할 수 있다.For example, when applying a 95% confidence interval, if the relative error calculation value is greater than 1.96, which represents a 95% confidence level in the normal distribution, this measurement data can be judged as data containing a gross error. If the relative error calculation is less than 1.96, this measurement data can be regarded as data without gross errors.
즉, 하기 수학식 16의 조건을 만족하는 경우에 한하여, 측정 데이터에 Gross error가 없는 것으로 판단할 수 있는 것이다.
That is, only when the condition of the following expression (16) is satisfied, it can be determined that there is no gross error in the measurement data.
이후, 그로스 에러 검출유무에 따라, 그로스 에러를 포함하는 데이터는 제외하고, 추정값을 측정 데이터로 대체함으로써, 데이터 보정(Data Reconciliation)을 수행할 수 있다. 결과적으로 추정값은 그로스 에러를 포함하지 않는 데이터와 함께 측정 데이터로 활용한다.Subsequently, depending on whether the gross error is detected, data reconciliation may be performed by replacing the estimated value with measurement data except for the data including the gross error. As a result, the estimate is used as measurement data with data that does not include gross errors.
여기서 신뢰도를 95%로 선정한 것은, 발명을 손쉽게 설명하기 위한 하나의 예시이고, 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 공정의 조건, 운영자의 선택에 따라, 얼마든지 변경될 수 있다.
Here, selecting the reliability as 95% is an example for easily describing the invention, and is not intended to limit the invention, and may be changed as many as the conditions of the process and the operator's choice.
도 2는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, A2O 공정은 크게 8개의 유량의 흐름으로 설명할 수 있다. 이때, f8은 처리된 폐수가 강물 등으로 유입되는 흐름을 나타내는 것이고, f5는 폐슬러지를 처리하기 위해, 처리된 폐수를 유출하는 흐름을 나타내며, f6 및 f7은 A2O 공정에 존재하는 2개의 재생 흐름으로써, f7은 질산염의 재생, f6은 슬러지의 재생 흐름을 나타내는 것이다.2 is an exemplary diagram for describing a gross error detection method using the Lagrange multiplier method. As shown in FIG. 2, the A 2 O process can be largely described as eight flow rates. In this case, f8 represents the flow of the treated wastewater into the river, etc., f5 represents the flow of the treated wastewater to treat the waste sludge, and f6 and f7 represent two regeneration streams present in the A2O process. Where f7 represents the regeneration of nitrate and f6 represents the regeneration flow of sludge.
이와 같은 조건에서, f1~f8 사이의 유량(flow rate)을 측정한 평균값, 표준 편차 및 분산값이 하기 표 1과 같다고 가정하면, 다음 표 1을 이용해 웨이트 행렬 Ψ를 도출할 수 있다.
Under these conditions, assuming that the average value, standard deviation, and variance of the flow rate measured between f1 and f8 are as shown in Table 1 below, the weight matrix Ψ can be derived using Table 1 below.
(측정값)유율
(Measures)
즉, 상기 수학식 3과 같이 표현되는 Ψ에 분산값의 자승 σ2 을 이용하여 하기 수학식17과 같이 나타내는 것이다.
That is, it is expressed by the following equation 17 by using the square of the variance σ 2 in Ψ expressed by the above equation (3).
또한, 도 2의 A2O 공정에 질량 보존식을 순서대로 적용하면, 하기 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
In addition, when the mass conservation formula is applied to the A 2 O process of FIG. 2 in order, it may be expressed as in Equation 18 below.
여기서 Q는 f1~f8에 해당하는 유량을 나타내며, 상기 질량보존식을 이용하여, 프로세스 행렬 A1을 산정하면, 공정 순서를 행으로 배치하고 f1~f8 에 해당하는 계수를 열로 배치하면 하기 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.
Q represents a flow rate corresponding to f1 to f8, and when the process matrix A 1 is calculated using the mass storage formula, the process order is arranged in rows, and the coefficients corresponding to f1 to f8 are arranged in columns. It can be expressed as 19.
이로써, 상기 수학식 14에 기술된 yesti를 구하는데 필요한 변수를 모두 도출하였으므로, 상기 수학식 14를 이용해 유량의 추정치를 도출할 수 있으며, 도출값은 하기 표 2와 같다.
As a result, since all variables required to obtain y esti described in Equation 14 are derived, the estimated value of the flow rate can be derived using Equation 14, and the derivation values are shown in Table 2 below.
(추정값)유율
(Estimated value)
yesti 값을 도출하였으므로, 상기 수학식 15 및 상기 수학식 16을 이용하여 개개의 측정 데이터 ymeas가 그로스 에러를 포함하고 있는지 판단할 수 있다. Since the y esti value is derived, it is possible to determine whether the individual measurement data y meas includes a gross error using Equation 15 and Equation 16.
예컨대, 상기 수학식 16을 이용할 경우, f1에 대해 표준편차 σ는 686, 측정값 yesti는 2032.6 이므로, 하기 수학식 20의 조건을 만족하는 경우에 한하여, 측정 데이터에 그로스 에러가 없는 것으로 판단할 수 있다.
For example, when using Equation 16, since the standard deviation σ is 686 and the measured value y esti is 2032.6 with respect to f1, it is determined that there is no gross error in the measured data only when the condition of
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템은, 데이터 측정부(110), 데이터 연산부(120), 프리셋 설정부(130), 그로스 에러 검출부(140), 및 데이터 저장부(150)를 포함한다. 그로스 에러 감지 시스템은 그로스 에러를 포함하는 측정데이터의 보정을 수행하기 위한 데이터 보정부(160)을 더 포함할 수 있다.3 is a block diagram of a gross error detection system using the Lagrange multiplier method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the gross error detection system using the Lagrange multiplier method includes a
먼저, 데이터 측정부(110)는 폐수처리 공정의 각 단계에서 공정변수를 측정하여 측정데이터를 생성한다. 데이터 측정부(110)에서 측정되는 공정변수는 전인(TP), 전질소(TN), 화학적 산소 요구량(COD), 전부유물질(TSS) 등의 유량이다. 데이터 측정부(110)는 폐수처리 공정에 설치된 센서류에 의해 센싱된 측정값을 입력받거나, 사용자의 외부 입력에 기반하여 측정 데이터를 생성하고 상기 데이터를 데이터 저장부(150)로 저장한다.First, the
측정 데이터는 미리 정해진 시간 간격으로 주기적으로 업데이트 될 수 있고, 누적된 측정 데이터는 데이터 연산부(120)에서 평균값 및 정규분포값을 연산하는데 사용할 수 있다.The measurement data may be periodically updated at predetermined time intervals, and the accumulated measurement data may be used by the
데이터 연산부(120)는 데이터 저장부(150)에 저장된 측정 데이터에 대한 평균값 및 정규분포값을 연산하고, 정규분포값, 프리셋 설정부로부터 독출한 프로세스 행렬 및 측정데이터를 이용하여 공정변수 추정값을 연산하여 추정데이터를 생성한다.The
이때, 데이터 연산부(120)는 라그랑주 승수법에 의해 정리된 상기 수학식 14에 의거, 데이터 추정값을 연산할 수 있다. 여기서, 프로세스 행렬 A1은 프리셋 설정부에 의해 저장된 값을 사용할 수 있고, 웨이트 행렬 Ψ는 데이터 저장부에 저장한 표준편차를 이용할 수 있다.In this case, the
즉, 데이터 연산부(120)는 측정데이터, 표준편차로부터 계산된 웨이트 행렬, 프리셋 설정부(130)로부터 프로세스 행렬을 독출하여 추정데이터를 생성하는 것이다.That is, the
프리셋 설정부(130)는 데이터 연산부(120)가 추정값을 연산하는데 사용할 수 있는 프로세스 행렬을 저장한다. 이때, 프로세스 행렬은 폐수 처리 공정의 각 단계에 있어서, 질량보존식의 계수값을 이용하여 도출될 수 있다.The
그로스 에러 검출부(140)는, 데이터 연산부(120)가 연산한 추정데이터와 데이터 저장부(150)에 저장된 측정 데이터를 비교하여, 그로스 에러를 검출하는 기능부이다. 이때, 그로스 에러를 검출함에 있어서, 신뢰도와 데이터 저장부(150)에 저장된 표준편차를 이용할 수 있다. 신뢰도는 관리자에 의해 조절될 수 있는 사항으로, 외부 입력에 따라 변경될 수 있다.The gross
예컨대, 그로스 에러 검출부는 상기 수학식 16의 조건을 만족하는지를 판단함으로써, 그로스 에러 유무를 판단할 수 있다. 다른 실시예에 따른, 신뢰도가 99%인 경우에는 하기 수학식 21을 이용하여 그로스 에러를 검출할 수 있다.
For example, the gross error detector may determine the gross error by determining whether the condition of Equation 16 is satisfied. According to another embodiment, when the reliability is 99%, a gross error may be detected using Equation 21 below.
즉, 그로스 에러 검출부(140)는 하기 수학식 22의 일반화된 수학식에 기반하여, 측정 데이터의 그로스 에러 포함여부를 판단할 수 있다.
That is, the
상기 수학식 22에서 ymeas는 측정 데이터, yesti는 추정 데이터, σ는 측정데이터의 표준 편차, Pi는 정규분포에서 i%의 신뢰수준을 나타내는 값을 의미한다.
In Equation 22, y meas is measured data, y esti is estimated data, σ is a standard deviation of measured data, and P i is a value representing a confidence level of i% in a normal distribution.
데이터 저장부(150)는 측정 데이터, 측정 데이터의 평균값 및 표준편차 정보와, 데이터 연산부(120)가 연산한 추정데이터를 저장하는 기능부이다. 데이터 저장부(150)는 RAM, ROM 과 같은 자기기록매체를 사용할 수 있다. 또한, 데이터 저장부(150)의 용량 한계를 고려하여, 일정 횟수 이상의 측정 데이터가 저장되면, 다음번 측정 데이터부터, 먼저 기록된 측정데이터를 삭제하고 새로 저장된 측정데이터를 저장할 수 있다.
The
데이터 보정부(160)는 그로스 에러 검출부(140)로부터 그로스 에러를 포함하는 데이터로 판단된 측정데이터를 제거하고, 측정데이터를 추정 데이터로 대체한다. 즉, 측정 데이터를 추정 데이터로 대체함으로써, 데이터 보정을 수행하는 것이다.
The
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그로스 에러 감지 시스템을 이용한 데이터 보정 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a data correction method using a gross error detection system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 먼저 데이터 측정부가 폐수처리 공정으로부터 공정변수에 대한 측정데이터를 생성한다(S410). 이때 측정데이터는 미리 정해진 시간 간격으로 지속적으로 갱신될 수 있다. 이후, 데이터 연산부는 상기 측정데이터의 평균값과 표준편차값을 연산하고(S420), 상기 표준편차값에 기초한 웨이트 행렬, 프로세스 행렬, 상기 측정데이터에 기반하여 공정변수의 추정 데이터를 연산한다(S430), 그로스 에러 검출부는 상기 측정 데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 표준편차에 기반하여 그로스 에러 포함여부를 판단하고(S440), 데이터 보정부는 그로스 에러를 포함하는 측정 데이터를 추정 데이터로 대체하여 측정 데이터를 보정하게 된다(S450).
Referring to FIG. 4, first, the data measuring unit generates measurement data on process variables from a wastewater treatment process (S410). In this case, the measurement data may be continuously updated at predetermined time intervals. Thereafter, the data operation unit calculates an average value and a standard deviation value of the measured data (S420), and calculates estimated data of the process variable based on the weight matrix, the process matrix, and the measured data based on the standard deviation value (S430). The gross error detector determines whether to include a gross error based on the measured data, the estimated data and the standard deviation (S440), and the data compensator corrects the measured data by replacing the measured data including the gross error with the estimated data. It is made (S450).
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
10 : 혐기성 리액터
20 : 무산소 리액터
30 : 호기성 리액터
40 : 침전조
110 : 데이터 측정부
120 : 데이터 연산부
130 : 프리셋 설정부
140 : 프로스 에러 검출부
150 : 데이터 저장부
160 : 데이터 보정부10: anaerobic reactor
20: Anaerobic Reactor
30: aerobic reactor
40: settling tank
110: data measuring unit
120: data operation unit
130: preset unit
140: process error detection unit
150: data storage
160: data correction unit
Claims (17)
상기 측정 데이터에 라그랑주 승수법을 적용하여 하기 수학식에 따라 상기 공정변수의 추정 데이터를 생성하는 단계;
상기 측정 데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 측정 데이터의 표준 편차에 기반하여 상기 측정 데이터의 그로스 에러(Gross error) 포함 여부를 검출하는 단계
를 포함하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법.
[수학식]
(여기서 yesti는 추정 데이터, ymeas는 측정 데이터, Ψ는 웨이트 행렬, A1은 질량 보존 식의 계수를 포함하는 프로세스 행렬을 의미함.)
Generating measurement data by measuring process variables in the wastewater treatment process;
Generating estimated data of the process variable according to the following equation by applying the Lagrange multiplier method to the measured data;
Detecting whether a measurement error includes a gross error based on the measurement data, the estimated data, and a standard deviation of the measurement data.
A gross error detection method using a Lagrange multiplier comprising a.
[Mathematical Expression]
(Where y esti is estimated data, y meas is measured data, Ψ is the weight matrix, and A 1 is the process matrix containing the coefficients of the mass conservation equation.)
상기 측정데이터, 상기 추정 데이터 및 상기 표준 편차에 기반하여 상대 에러(Relative Error)를 연산하고, 상기 상대 에러와 신뢰도값에 기반하여 상기 그로스 에러를 검출하는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법.
The method of claim 1, wherein the detecting of the gross error comprises:
A gross error using a Lagrange multiplier method, characterized in that a relative error is calculated based on the measured data, the estimated data and the standard deviation, and the gross error is detected based on the relative error and a reliability value. Detection method.
상기 상대 에러는 하기 수학식에 기반하여 산정되는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법.
[수학식]
(여기서 RE 는 상대 에러, ymeas는 측정 데이터, yesti는 추정 데이터, σ는 측정데이터의 표준 편차를 의미함.)
The method of claim 3, wherein
The relative error is a gross error detection method using the Lagrange multiplier, characterized in that calculated based on the following equation.
[Mathematical Expression]
(Where RE is relative error, y meas is measured data, y esti is estimated data, and σ is the standard deviation of the measured data.)
하기 수학식에 기반하여, 상기 측정 데이터의 그로스 에러 포함여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법.
[수학식]
(여기서 ymeas는 측정 데이터, yesti는 추정 데이터, σ는 측정데이터의 표준 편차, Pi는 정규분포에서 i%의 신뢰수준을 나타내는 값을 의미함.)
The method of claim 1, wherein the detecting of the gross error comprises:
Based on the following equation, the gross error detection method using the Lagrange multiplier characterized in that it is determined whether or not the gross error included in the measurement data.
[Mathematical Expression]
(Where y meas is measured data, y esti is estimated data, σ is the standard deviation of the measured data, and P i is the value representing the confidence level of i% in the normal distribution.)
그로스 에러를 포함하는 상기 측정 데이터를 상기 추정 데이터로 대체하는 데이터 보정 단계를 더 포함하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 방법.
The method of claim 1, wherein after the detecting of the gross error,
And a data correction step of replacing the measured data including a gross error with the estimated data.
상기 측정데이터의 평균값과 표준편차값을 연산하고, 상기 표준편차값에 기초한 웨이트 행렬, 프로세스 행렬, 상기 측정데이터에 기반하여 공정변수의 추정데이터를 연산하는 데이터 연산부;
상기 프로세스 행렬을 저장하는 프리셋 저장부;
상기 표준편차값, 상기 측정데이터 및 상기 추정데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및
상기 측정데이터, 상기 추정데이터 및 상기 표준편차값에 기반하여 상기 측정데이터의 그로스 에러 포함여부를 판단하는 그로스 에러 검출부를 포함하며,
상기 데이터 연산부는 하기 수학식에 기초하여 상기 추정데이터를 연산하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
[수학식]
(여기서 yesti는 추정데이터, ymeas는 측정 데이터, Ψ는 웨이트 행렬, A1은 질량 보존 식의 계수를 포함하는 프로세스 행렬을 의미함)
A data measuring unit generating measurement data on process variables in each step of the wastewater treatment process;
A data calculator for calculating an average value and a standard deviation value of the measured data and calculating estimated data of a process variable based on a weight matrix, a process matrix, and the measured data based on the standard deviation value;
A preset storage unit for storing the process matrix;
A data storage unit for storing the standard deviation value, the measurement data, and the estimated data; And
And a gross error detection unit determining whether gross error is included in the measurement data based on the measurement data, the estimated data, and the standard deviation value.
And a data error calculating unit using a Lagrange multiplier method for calculating the estimated data based on the following equation.
[Mathematical Expression]
Where y esti is estimated data, y meas is measured data, Ψ is a weight matrix, and A 1 is a process matrix containing the coefficients of the mass conservation equation.
상기 데이터 측정부는 미리 정해진 시간 간격으로 상기 측정데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The gross error detection system using the Lagrange multiplier, characterized in that the data measuring unit generates the measurement data at a predetermined time interval.
상기 웨이트 행렬은 하기 수학식에 기반하여 도출되는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
[수학식]
(여기서 Ψ는 웨이트 행렬, σ는 표준편차를 의미함.)
The method of claim 7, wherein
The weight error detection system using a Lagrange multiplier, characterized in that the weight matrix is derived based on the following equation.
[Mathematical Expression]
Where Ψ is the weight matrix and σ is the standard deviation.
상기 프로세스 행렬는, 상기 폐수처리 공정의 각 단계별 에너지 보존식의 계수값에 기반하여 생성되는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The process matrix is a gross error detection system using the Lagrange multiplier, characterized in that generated based on the coefficient value of the energy conservation equation of each step of the wastewater treatment process.
상기 측정데이터, 상기 추정 데이터 및 상기 표준 편차에 기반하여 상대 에러(Relative Error)를 연산하고, 상기 상대 에러와 신뢰도값에 기반하여 상기 그로스 에러를 검출하는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
The method of claim 7, wherein the gross error detection unit,
A gross error using a Lagrange multiplier method, characterized in that a relative error is calculated based on the measured data, the estimated data and the standard deviation, and the gross error is detected based on the relative error and a reliability value. Detection system.
상기 상대 에러는 하기 수학식에 기반하여 산정되는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
[수학식]
(여기서 RE 는 상대 에러, ymeas는 측정 데이터, yesti는 추정 데이터, σ는 측정데이터의 표준 편차를 의미함.)
13. The method of claim 12,
The relative error is a gross error detection system using the Lagrange multiplier, characterized in that calculated based on the following equation.
[Mathematical Expression]
(Where RE is relative error, y meas is measured data, y esti is estimated data, and σ is the standard deviation of the measured data.)
하기 수학식에 기반하여, 상기 측정 데이터의 그로스 에러 포함여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
[수학식]
(여기서 ymeas는 측정 데이터, yesti는 추정 데이터, σ는 측정데이터의 표준 편차, Pi는 정규분포에서 i%의 신뢰수준을 나타내는 값을 의미함.)
The method of claim 7, wherein the gross error detection unit,
A gross error detection system using the Lagrange multiplier, characterized in that it is determined whether the measurement data includes a gross error based on the following equation.
[Mathematical Expression]
(Where y meas is measured data, y esti is estimated data, σ is the standard deviation of the measured data, and P i is the value representing the confidence level of i% in the normal distribution.)
상기 Pi는 1.96 인 것을 특징으로 하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
15. The method of claim 14,
Wherein Pi is 1.96 gross error detection system using the Lagrange multiplier method.
그로스 에러를 포함하는 상기 측정 데이터를 상기 추정 데이터로 대체하는 데이터 보정부를 더 포함하는 라그랑주 승수법을 이용한 그로스 에러 감지 시스템.
The method of claim 7, wherein
A gross error detection system using the Lagrange multiplier method further comprises a data correction unit for replacing the measured data including a gross error with the estimated data.
상기 측정 데이터의 평균값과 표준편차값을 연산하는 단계;
상기 표준편차값에 기초한 웨이트 행렬, 프로세스 행렬, 상기 측정 데이터에 기반하여 공정변수의 추정 데이터를 하기 수학식에 따라 연산하는 단계;
상기 측정 데이터와 상기 추정 데이터 및 상기 표준편차에 기반하여 그로스 에러 포함여부를 판단하는 단계; 및
그로스 에러를 포함하는 상기 측정 데이터를 제거하고 상기 추정 데이터로 대체하여 측정 데이터를 보정하는 단계
를 포함하는 그로스 에러 감지 시스템을 이용한 데이터 보정 방법.
[수학식]
(여기서 yesti는 추정데이터, ymeas는 측정 데이터, Ψ는 웨이트 행렬, A1은 질량 보존 식의 계수를 포함하는 프로세스 행렬을 의미함)Generating measurement data for process variables from the wastewater treatment process;
Calculating an average value and a standard deviation value of the measurement data;
Calculating estimated data of a process variable based on the weight matrix, the process matrix, and the measurement data based on the standard deviation value according to the following equation;
Determining whether a gross error is included based on the measured data, the estimated data, and the standard deviation; And
Correcting the measurement data by removing the measurement data including a gross error and replacing it with the estimated data
Data correction method using a gross error detection system comprising a.
[Mathematical Expression]
Where y esti is estimated data, y meas is measured data, Ψ is a weight matrix, and A 1 is a process matrix containing the coefficients of the mass conservation equation.
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매립지 주변 환경영향 모니터링 방안에 대한 연구 최종보고서, 2007.12. |
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