KR20090078501A - Apparatus and method for prediction of influent flow rate and influent components using artificial neural network - Google Patents

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KR20090078501A
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문태섭
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

A prediction method of inflow flux and inflow component concentration of a sewage disposal plant by an artificial neural network and a device thereof are provided to predict inflow flux by using inflow data obtained from the sewage disposal plant and weather data only, thereby automatically coping with sewage. A data collecting unit(10) collects inflow water quality data of a sewage disposal plant and weather data. A data preprocessor(20) receives collected data sets, and converts the data sets into a standardized state, so that the converted sets are applied to an artificial neural network model. An artificial neural network unit(30) repeatedly performs signal transmission through a concealment layer, and controls a weighted value by conducting a learning process for minimizing an error. A data predicting unit inputs a variable according to the weighted value to predict inflow water.

Description

인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법 및 장치{Apparatus And Method For Prediction of Influent Flow Rate and Influent Components Using Artificial Neural Network}Apparatus And Method For Prediction of Influent Flow Rate and Influent Components Using Artificial Neural Network}

본 발명은 하수처리장의 효과적인 공정 진단과 제어를 위해, 유입 유량 및 유입성분을 측정하여 이에 대한 미래의 유입 유랑 성분 농도를 예측하기 위한 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention is a method for predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of the sewage treatment plant by artificial neural network for measuring the inflow flow rate and the inflow component and predicting the future inflow drifting concentration for the effective process diagnosis and control of the sewage treatment plant. And to an apparatus.

환경 규제가 점차적으로 강화됨에 따라, 하수처리장의 안정적이고 경제적인 운전을 위한 ICA(Instrumentation, Control and Automation) 기술들은 빠르게 전해 왔다. 이러한 ICA 기술의 발전과 함께, 효과적인 공정 진단과 제어를 위한 하나의 수단이 되는 하수처리공정을 대상으로 한 모델에 대한 연구도 활발하게 진행되어 왔다.As environmental regulations are gradually tightened, instrumentation, control and automation (ICA) technologies for the reliable and economical operation of sewage treatment plants have been rapidly delivered. With the development of this ICA technology, research on the model of sewage treatment process, which is a means for effective process diagnosis and control, has been actively conducted.

이러한 모델은 결정론적 모델로써 기본적으로 공정과 관련된 메커니즘과 물질 수지식 등에 기반하여 일반적으로 미분 방정식의 형태로 표현되는 white-box 모델, 공정으로부터 확보된 측정 데이터에 기반하여 주어진 입력 변수와 목표 변수 간의 변화 패턴만을 고려하여 생성되는 black-box 모델, 그리고 white-box 모델과 black-box 모델이 연속적으로 또는 평행하게 결합된 grey-box 모델로 구분되어 발전해 왔다고 할 수 있고, IWA task group에 의해 제안된 활성슬러지모델(ASM: Activated Sludge Model)과 인공신경망(ANN: Artificial Neural Network) 모델은 각각 white-box 모델과 black-box 모델의 대표적인 예가 될 수 있다.This model is a deterministic model that is basically based on the process-related mechanisms and mass balance equations. The black-box model generated by considering only the change pattern, and the gray-box model in which the white-box model and the black-box model are combined in series or in parallel are developed and developed by the IWA task group. Activated sludge model (ASM) and artificial neural network (ANN) models are representative examples of white-box and black-box models, respectively.

이들 모델들은 하수처리장 건설을 위한 다양한 설계안들의 시뮬레이션에 의한 평가를 의미하는 공정 설계, 다양한 시나리오 분석을 통한 하수처리플랜트의 공정의 향상 및 공정 이상 발생 시 적절한 대안 제시를 의미하는 공정의 최적화 및 제어라는 측면에서 유용하게 활용되고 있다. These models include process design, which means evaluation by simulation of various design plans for the construction of sewage treatment plants, process optimization, and improvement and control of processes that suggest appropriate alternatives in the event of process failure. It is useful in terms of use.

공정의 최적화 및 제어라는 측면에서 모델의 활용은 현재 시점을 기준으로 한 활용 즉 공정의 이상이 발생한 후 정상화하는 데 있어서의 활용에 국한되고 있다고 할 수 있고, 이들 모델들은 공정 상태의 이상을 사전에 감지하여 발생할 수 있는 문제를 사전에 방지하기 위한 도구로써는 활용되지 못하고 있다. In terms of process optimization and control, the use of the model is limited to the application based on the present point of time, that is, to normalize after the process abnormality occurs. It is not used as a tool to prevent problems that can occur by detecting them in advance.

이러한 현재 기존 모델의 한계점을 극복하기 위해서는 적절한 유입수 예측 모델의 개발이 필요하고, 개발된 유입수 예측 모델이 기존의 공정 성능 예측모델과 결합이 된다면 공정의 미래 상태에 대한 정보가 사전에 제공될 것이고 발생될 수 있는 문제가 사전에 감지되어 공정 이상이 발생하기 이전에 조치가 취해짐으로써 공정의 안정적인 운전에 기여할 수 있을 것이라고 기대된다. In order to overcome the limitations of the current existing model, it is necessary to develop an appropriate influent prediction model, and if the developed influent prediction model is combined with the existing process performance prediction model, information on the future state of the process will be provided in advance. It is anticipated that probable problems can be detected in advance and actions taken before process failures can contribute to the stable operation of the process.

몇 몇 연구자들에 의해 유입수 예측 모델의 개발이 시도되었으나 이들에 의해 개발된 대부분의 모델들은 시간에 따라 변화하는 많은 변수들을 가짐으로 보 정(calibration)하기 어렵다는 단점을 가지는 결정론적 모델들이었다. Although some researchers have attempted to develop influent forecasting models, most of the models developed by them are deterministic models that have the disadvantage of being difficult to calibrate with many variables that change over time.

물론 다른 형태의 모델인 black-box 모델을 사용한 연구 결과가 보도가 되기도 하였지만, 이는 예측 대상이 유입 유량에만 국한되어 있어 공정의 이상을 초래하는 인자가 될 수 있는 다른 유입 성분의 변화를 반영하지 못한다는 한계점을 가진다.Of course, the results of using the black-box model, which is another type of model, have been reported, but this does not reflect changes in other influent components, which are predicted to be limited only to the influent flow rate, which may be a factor that causes the process to fail. Has a threshold.

따라서 본 발명은 유입수 예측 모델의 필요성에 대한 인식을 바탕으로, 실제 하수처리장의 유입 유량뿐만 아니라 유입수 성상을 예측하면서 결정론적 모델의 한계점을 극복할 수 있는 예측 모델, 즉 보정하기 쉬운 예측 모델을 개발하고자 black-box 모델인 인공신경망을 사용한 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법 및 장치를 제공하기 위함이다.Therefore, based on the recognition of the necessity of the influent prediction model, the present invention develops a predictive model that can overcome the limitations of the deterministic model while predicting the influent characteristics as well as the actual influent flow rate of the sewage treatment plant. The purpose is to provide a method and apparatus for predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant by an artificial neural network using an artificial neural network, which is a black-box model.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치에 있어서, 하수처리장의 유입 수질 데이터들과 기상 데이터들을 수집하는 데이터수집부(10)와; 상기 데이터수집부(10)에 의해 수집된 데이터셋들을 전달받아 인공신경망 모델에 적용되도록 표준화 상태로 변환하는 데이터 전처리부(20)와; 상기 데이터 전처리부(20)를 통해 표준화된 입력값들을 인공신경망에 대입하여 은닉층을 통한 신호전달을 반복적으로 행함으로써, 오차를 최소화하기 위한 학습을 행하여 가중치를 조절하는 인공신경망부(30)와; 상기 인공신경망부(30)에 의해 수립된 가중치에 따라 변수를 입력하여 유입수를 예측하는 데이터예측부(40)와; 상기 데이터예측부(40)의 산출데이터를 화면에 출력하는 표시부(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치에 의해 달성된다.In order to solve the above problems, the present invention provides a device for predicting inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant, comprising: a data collecting unit (10) for collecting inflow water quality data and meteorological data of the sewage treatment plant; A data preprocessor 20 which receives the data sets collected by the data collector 10 and converts the data sets into a standardized state to be applied to an artificial neural network model; An artificial neural network unit 30 for performing standardized input values through the data preprocessing unit 20 and repeatedly performing signal transmission through the hidden layer to perform learning to minimize errors, thereby adjusting weights; A data prediction unit 40 for predicting the inflow of water by inputting a variable according to a weight established by the artificial neural network unit 30; It is achieved by the apparatus for predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network, characterized in that the display section 50 for outputting the calculated data of the data prediction unit 40 on the screen.

또한 본 발명은, 하수처리장의 유입 수질 데이터들은 유량, pH, DO, 온도, BOD, CODMn, SS, TN, TP 중 어느 하나 이상이며, 기상 데이터들은 강우량, 습도 및 기온 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다In addition, the present invention, the inflow water quality data of the sewage treatment plant is any one or more of flow rate, pH, DO, temperature, BOD, COD Mn , SS, TN, TP, the weather data is preferably at least one of rainfall, humidity and temperature. Do

또한 본 발명에 따르면, 상기 데이터수집부(10)는 상기 수집된 데이터들을 저장하도록 데이터베이스(11)를 구축하고 있어, 전처리를 거친 상기 데이터 셋들이 신경망의 훈련 혹은 훈련된 신경망의 예측 성능의 검증 중 어느 하나에 사용되는 것이 바람직하다In addition, according to the present invention, the data collection unit 10 is constructing a database 11 to store the collected data, the pre-processed data sets during the training of the neural network or verifying the predicted performance of the trained neural network It is preferable to be used for either

또한 본 발명에 따르면, 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법에 있어서, 하수처리장으로부터 유입 수질 데이터와 기상 데이터들을 데이터수집부(10)에서 입력받는 데이터 수집단계(S10)와; 상기 수집된 데이터를 인공신경망 모델에 적용하도록 표준화하기 위한 데이터 전처리 단계(S20)와; 상기의 데이터 전처리된 변수들에 대해 인공신경망을 통한 학습을 수행함으로써 예측 모델을 수립하는 단계(S30)와; 상기 인공신경망에 대해 검증 데이터 셋을 이용하여 훈련된 신경망의 예측 성능을 평가하는 유입유량과 유입성분 농도 예측단계(S40)로 구성되는 것이 바람직하다According to the present invention, there is provided a method of predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant, comprising: a data collection step (S10) of receiving inflow water quality data and meteorological data from the sewage treatment plant at the data collection unit 10; A data preprocessing step (S20) for standardizing the collected data to apply to the artificial neural network model; Establishing a prediction model by performing learning through an artificial neural network on the data preprocessed variables (S30); Preferably, the inflow flow rate and inflow component concentration prediction step (S40) for evaluating the predictive performance of the trained neural network using the verification data set for the artificial neural network is preferable.

또한 본 발명에 따르면, 상기 데이터 전처리 단계(S20)는, 하수처리장으로부터 확보된 상기 데이터들 중 데이터의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있는 이상치(Outlier)를 제거하는 단계와; 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하도록 장기간의 데이터 셋에서 단기간 변동을 감소시키거나 제거하는 단계와; 각각 다른 스케일로 분포하고 있 는 모든 데이터들이 0과 1사이의 값의 분포를 가질 수 있도록 표준화하는 단계로 구성되는 것이 바람직하다In addition, according to the present invention, the data preprocessing step (S20), the step of removing the outlier (Outlier) that can reduce the reliability of the data of the data secured from the sewage treatment plant; Reducing or eliminating short term variation in the long term data set to determine linear or nonlinear correlation between the measured time series data and to identify trends over time of successive data; It is preferable that the data is composed of the steps of normalizing so that all data distributed on different scales have a distribution of values between 0 and 1.

또한 본 발명에 따르면, 상기 데이터들의 이상치(Outlier)를 제거하도록, 관리도 기법을 사용하는 것이 바람직하다In addition, according to the present invention, it is preferable to use a control chart technique to remove the outliers of the data.

또한 본 발명에 따르면, 상기 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하도록 5-day moving average기법을 사용하는 것이 바람직하다In addition, according to the present invention, it is preferable to use the 5-day moving average technique to determine the linear or nonlinear correlation between the measured time series data and the trend over time of consecutive data.

또한 본 발명에 따르면, 상기 예측 모델 수립 단계(S30)에서, 시행착오법을 통한 신경망 구조와 epoch 수를 결정하고, 선택된 신경망의 구조와 epoch 수를 바탕으로 훈련된 신경망을 일반화시킬 수 있는 가중치 값들을 결정하는 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, in the prediction model establishment step (S30), the weight value to determine the neural network structure and epoch number through trial and error method, and to generalize the trained neural network based on the structure and epoch number of the selected neural network It is desirable to determine them.

따라서 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법 및 시스템에 의해, 하수처리장으로부터 확보된 유입 데이터 및 기상자료들만을 활용하여 현재 시점 기준 1일 뒤, 2일 뒤, 3일 뒤의 유입 유량, CODMn, SS, TN 등이 예측됨으로써 이에 따라 하수처리장의 적절한 대응을 자동으로 행할 수 있다.Therefore, by the method and system for predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network of the present invention, using only the inflow data and meteorological data obtained from the sewage treatment plant, one day after and two days later, Three days later, the inflow flow rate, COD Mn , SS, TN, etc. are predicted, and accordingly, appropriate response of a sewage treatment plant can be performed automatically.

이하 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법 및 시스템에 대해 첨부도면을 통해 보다 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, a method and system for predicting the inflow flow rate and the inflow component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치의 블록 구성도를 도시하고 있다.1 is a block diagram of an apparatus for predicting inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant by an artificial neural network of the present invention.

도면에서 보는 바와 같이 본 발명은 데이터 수집부(10), 데이터 전처리부(20), 인공신경망부(30), 데이터예측부(40), 표시부(50)로 구성된다.As shown in the figure, the present invention includes a data collection unit 10, a data preprocessor 20, an artificial neural network unit 30, a data prediction unit 40, and a display unit 50.

상기 데이터 수집부(10)는 표준 활성슬러지 공정으로 설치 운영되고 있는 하수처리장에서 유입 수질 데이터들(유량, pH, DO, 온도, BOD, CODMn, SS, TN, TP)과 기상 데이터들(강우량, 습도 및 기온 등)을 수집하게 된다.The data collection unit 10 is an inflow water quality data (flow rate, pH, DO, temperature, BOD, COD Mn , SS, TN, TP) and meteorological data (rainfall) in the sewage treatment plant installed and operated as a standard activated sludge process , Humidity, temperature, etc.).

상기 데이터수집부(10)는 상기 수집된 데이터들을 저장하도록 데이터베이스(11)를 구축하고 있으며, 전처리를 거친 420개의 상기 데이터 셋은 예측 모델 개발을 위해 사용되어진다. The data collector 10 constructs a database 11 to store the collected data, and the 420 pre-processed data sets are used for developing a predictive model.

이 중 210개의 데이터 셋을 신경망의 훈련을 위해 사용하였고, 나머지 210개의 데이터 셋을 훈련된 신경망의 예측 성능을 검증하기 위해 사용하였다. Of these, 210 data sets were used for the training of neural networks, and the remaining 210 data sets were used to verify the predictive performance of the trained neural networks.

상기 데이터수집부(10)에 의해 수집된 데이터셋들은 데이터 전처리부(20)로 전달되어 인공신경망 개발을 위한 표준화 상태로 된다.The data sets collected by the data collector 10 are transferred to the data preprocessor 20 to become a standardized state for developing an artificial neural network.

이를 위해 우선, 하수처리장으로부터 확보된 상기 데이터들 중 데이터의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있는 이상치(Outlier)를 제거하도록 관리도 기법을 사용하여 관리 상한선과 관리 하산선을 벗어나는 값들을 이상치로 간주하여 제거한다. To this end, first, by using control chart techniques to remove outliers that may reduce the reliability of data among the data obtained from the sewage treatment plant, values outside the management upper limit and the management descending line are considered as outliers. .

두번째로 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하기 위해 5-day moving average 기법을 사용하여 확보된 장기간의 데이터 셋들에서 단기간의 변동의 감소 및 제거를 행한다.Secondly, to reduce the short-term fluctuations in the long-term data sets obtained by using the 5-day moving average technique to determine the linear or nonlinear correlation between measured time series data and the trend over time of consecutive data; Removal is performed.

마지막으로, 신경망의 데이터 준비의 기본 단계인 데이터 표준화를 위해 각각 다른 스케일(Scale)로 분포하고 있는 모든 데이터들()이 0과 1사이의 값의 분포를 가질 수 있도록 표준화한다. Finally, for data standardization, which is the basic stage of data preparation of neural networks, all data () distributed on different scales () are standardized so that a value distribution between 0 and 1 can be obtained.

상기의 데이터 전처리부(20)를 통해 표준화된 입력값들은 인공신경망부(30)를 통해 예측 모델이 수립되도록 한다.The input values standardized by the data preprocessor 20 allow a prediction model to be established through the artificial neural network unit 30.

본 발명은 Multi-layer feed-forward back-propagation network을 사용하게 되며, 따라서 뉴런들이 각 층들 즉 입력 층(Input layer), 은닉 층(Hidden layer), 출력 층(Output layer)에 배열되고, 각 층의 뉴런들은 연결 가중치에 의해 연결된다. The present invention uses a multi-layer feed-forward back-propagation network, so that neurons are arranged in each layer, namely input layer, hidden layer, output layer, and each layer. Neurons are connected by a connection weight.

즉, 표준화된 입력 데이터가 입력 층의 뉴런들에 입력되고, 은닉 층을 통해 출력 층으로 전달된다. That is, normalized input data is input to neurons of the input layer and passed through the hidden layer to the output layer.

상기 인공신경망부(30)는 시행착오법(Trial and error method)에 의해 적절한 신경망의 구조와 epoch 수를 결정하고, 선택된 신경망의 구조와 epoch 수를 바탕으로 훈련된 신경망을 일반화하기에 충분하게 가중치 값들을 결정한다. The artificial neural network unit 30 determines a proper neural network structure and epoch number by a trial and error method, and weights enough to generalize the trained neural network based on the selected neural network structure and epoch number. Determine the values.

상기 인공신경망부(30)는 상용 소프트웨어인 MATLAB에서 제공되는 neural network toolbox(The MathWorks Inc., 2000)를 이용해서 모든 시뮬레이션 작업을 수행하였다.The neural network unit 30 performed all simulation tasks using neural network toolbox (The MathWorks Inc., 2000) provided by MATLAB, which is commercial software.

상기 데이터 예측부(40)는 상기의 인공신경망부(30)을 통한 예측 모델을 수립함에 따라 이러한 인공신경망 모델을 통해 유입유량과 유입성분 농도의 예측을 수행하게 된다. As the data predictor 40 establishes a prediction model through the artificial neural network unit 30, the data predictor 40 predicts the inflow flow rate and the inflow component concentration through the artificial neural network model.

신경망을 이용한 대상 하수처리장의 유입수 예측 성능의 정량적 평가는 시뮬레이션을 통해 도출된 예측 값과 실측 값 간의 오차에 의해 평가될 수 있는데 본 발명에서 개발된 신경망 모델의 정량적인 예측 성능 평가를 위하여 평균 상대 오차율(Average relative difference)을 사용하게 된다.The quantitative evaluation of the influent prediction performance of the target sewage treatment plant using neural network can be evaluated by the error between the predicted value and the measured value derived through the simulation, and the average relative error rate for the quantitative prediction performance of the neural network model developed in the present invention. (Average relative difference).

도 2는 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법의 전체 순서도를 도시하고 있다.Figure 2 shows the overall flow chart of the prediction method of the inflow flow rate and influent component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network of the present invention.

우선 실제 하수처리장으로부터의 데이터를 데이터수집부(10)에 입력하는 데이터 수집단계(S10)를 수행하게 된다.First, a data collection step (S10) of inputting data from an actual sewage treatment plant into the data collection unit 10 is performed.

이를 위해 표준 활성슬러지 공정으로 설치 운영되고 있는 B시 A하수처리장을 인공신경망을 활용한 유입수 예측모델 개발 대상 하수처리장으로 선정하였다. For this purpose, B city A sewage treatment plant, which is installed and operated as a standard activated sludge process, was selected as the sewage treatment plant to be developed for the inflow forecasting model using artificial neural network.

대상 하수처리장에서 실제 측정된 2005년부터 2006년까지의 유입 수질 데이터들(유량, pH, DO, 온도, BOD, CODMn, SS, TN, TP)과 기상 데이터들(강우량, 습도 및 기온 등)을 데이터수집부(10)를 통해 수집하게 된다.Inflow water quality data (flow, pH, DO, temperature, BOD, COD Mn , SS, TN, TP) and weather data (rainfall, humidity and temperature, etc.) measured from the actual sewage treatment plant from 2005 to 2006 It will be collected through the data collector 10.

상기 데이터수집부(10)를 통해 수집된 데이터셋은 데이터 전처리를 거치게 되며, 데이터 전처리를 거친 420개의 데이터 셋은 예측 모델 개발을 위해 사용되어 진다. 이 중 210개의 데이터 셋을 신경망의 훈련을 위해 사용하였고, 나머지 210개의 데이터 셋을 훈련된 신경망의 예측 성능을 검증하기 위해 사용하였다. The data set collected through the data collector 10 is subjected to data preprocessing, and 420 data sets which have been subjected to data preprocessing are used for the development of a prediction model. Of these, 210 data sets were used for the training of neural networks, and the remaining 210 data sets were used to verify the predictive performance of the trained neural networks.

하기의 <표 1>은 대상 하수처리장 유입수의 통계학적 특성을 보여주고 있다.Table 1 below shows the statistical characteristics of the influent sewage treatment plant.

Figure 112008003267808-PAT00001
Figure 112008003267808-PAT00001

여기서, Hum. : 습도, Temp. : 온도, Max. : 최대값, Min. : 최소값, S.D.: 표준편차Where Hum. : Humidity, Temp. : Temperature, Max. : Maximum value, Min. : Minimum value, S.D .: Standard Deviation

상기 데이터 수집단계를 수행하게 되면, 수집된 데이터를 표준화하기 위한 데이터 전처리 단계(S20)를 수행하게 된다. When the data collection step is performed, a data preprocessing step (S20) for standardizing the collected data is performed.

이를 위해 우선, 하수처리장으로부터 확보된 상기 데이터들 중 데이터의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있는 이상치(Outlier)는 정확한 예측 모델을 개발하는 데 있어 방해 요인이 되므로 제거하게 된다. To this end, outliers, which may reduce the reliability of data among the data obtained from the sewage treatment plant, may be removed because they may hinder the development of accurate prediction models.

본 발명에서는 이상치 제거를 위하여 관리도 기법을 사용하였다. In the present invention, the control chart technique is used to remove the outliers.

식 (1)에서와 같이 관리 상한선(Upper control limit, UCL)과 관리 하한선(Lower control limit, LCL)을 설정하고, UCL과 LCL을 벗어나는 값들은 이상치로 간주하고 제거하였다. As in Equation (1), upper control limit (UCL) and lower control limit (LCL) were set, and values outside the UCL and LCL were considered outliers and removed.

본 연구에서는 Mjalli 등(2007)에 의해 제안된 값을 참조로 하여 상수를 3으로 사용하였다.In this study, the constant was used as 3 with reference to the value proposed by Mjalli et al. (2007).

Figure 112008003267808-PAT00002
Figure 112008003267808-PAT00002

두 번째로 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하기 위해 일반적으로 다양한 통계학적 처리를 행한다. Second, various statistical processes are generally performed to identify linear or nonlinear correlations between measured time series data and trends of consecutive data.

본 발명에서는, 다양한 통계학적 기법 중 하나로 식 2와 같이 표현될 수 있는 5-day moving average 기법을 사용하였고, 이를 통해 확보된 장기간의 데이터 셋들에서 단기간의 변동의 감소 및 제거가 이루어졌다. 여기서, 는 측정 변수들, 는 현재 시점(Current time period)이다. In the present invention, one of a variety of statistical techniques used a 5-day moving average technique, which can be expressed as in Equation 2, and the short-term fluctuations in the long-term data sets obtained through this reduction and elimination was made. Where is the measurement variables and is the current time period.

그리고 이렇게 전처리 된 데이터들 간의 상관관계를 그래프를 통해 정성적으로 평가하고, 예측하고자 하는 변수들 즉, 유입유량, CODMn, SS, TN 등과 상관관계가 높은 변수들을 신경망의 입력 변수로 사용하였다.The correlation between these preprocessed data was qualitatively evaluated, and the variables that had high correlation with inflows, COD Mn , SS, TN, etc. were used as input variables of neural network.

Figure 112008003267808-PAT00003
Figure 112008003267808-PAT00003

마지막으로, 신경망의 데이터 준비의 기본 단계인 데이터 표준화를 위해 각각 다른 스케일(Scale)로 분포하고 있는 모든 데이터들()이 0과 1사이의 값의 분포를 가질 수 있게 식 3을 이용하여 표준화하였다.  Finally, Eq. (3) is standardized so that all data () distributed on different scales have a distribution of values between 0 and 1 for data normalization, which is the basic stage of data preparation of neural networks. .

Figure 112008003267808-PAT00004
Figure 112008003267808-PAT00004

현재 시점을 기준으로 해 1일 뒤 유입 유량, CODMn, SS, TN 농도를 예측하기 위한 각각의 인공 신경망 모델을 개발하기 위해, 전처리된 데이터의 그래프를 통한 정성적 평가 결과를 반영하여 예측하고자 하는 변수에 대한 적절한 입력 변수들을 선택하였다. To develop each artificial neural network model for predicting inflow flow rate, COD Mn , SS, and TN concentrations after 1 day from the current point of time, The appropriate input variables for the variable were selected.

도 5는 이러한 정성적 상관관계 평가의 한 예로 강수량과 유입 유량(a), 그리고 습도와 유입 유량과의 관계(b), 다른 예측하고자 하는 변수들과 CODMn과의 관계(c, d)를 그래프를 통해 보여주고 있다. 5 shows an example of such a qualitative correlation evaluation of precipitation and inflow flow rate (a), the relationship between humidity and inflow flow rate (b), and the relationship between COD Mn and other variables to be predicted (c, d). It is shown through a graph.

도 5를 통해 볼 때, 강수량 및 습도의 증가는 유입 유량의 증가를 초래하고 이들의 감소는 유입 유량의 감소를 초래한다는 것을 알 수 있다. 이는 유입 유량과 강수량 및 습도와의 변화 거동이 비슷하다는 것을 의미한다. 5, it can be seen that an increase in precipitation and humidity results in an increase in inflow flow rate and a decrease thereof results in a decrease in inflow flow rate. This means that the behavior of change in inflow, precipitation and humidity is comparable.

이와 같은 그래프를 통한 정성적 상관관계 평가를 통해 유입 유량의 예측을 위한 입력 변수들로써 습도와 강수량을 선택하였으며 그리고 시계열적 특성을 고려 하여 1일 전 유입 유량을 선택하였다. Through qualitative correlation evaluation through these graphs, humidity and precipitation were selected as input variables for the prediction of inflow flow, and inflow flow was selected one day before considering the time series characteristics.

그리고, 도 5를 통해 볼 때, 다른 예측하고자 하는 변수들, 즉 목표 변수들과 유입 CODMn 농도와의 변화 거동 또한 비슷하다는 것을 알 수 있고 이를 바탕으로 각각의 목표 변수들에 대한 입력변수로써 다른 변수들보다는 유입 CODMn 농도를 선택하였다. In addition, as shown in FIG. 5, it can be seen that the change behaviors of other variables to be predicted, that is, the target variables and the inflow COD Mn concentration, are also similar. Inflow COD Mn rather than variables The concentration was chosen.

상기의 데이터 전처리를 수행한 후, 인공신경망을 통한 예측 모델을 수립하는 단계(S30)를 수행한다.After performing the data preprocessing, a step of establishing a prediction model through an artificial neural network (S30) is performed.

상기 인공신경망은 인간의 뇌에 존재하는 생물학적 신경 세포와 이들의 연결 관계를 단순화시켜 수학적으로 모델링하여 인간의 두뇌가 나타내는 지능적 형태를 구현하는 것이다. The artificial neural network simplifies the biological neurons present in the human brain and their connection and mathematically models them to implement an intelligent form represented by the human brain.

현재 인공신경망은 시스템 규명, 예측, 패턴 인식, 분류 및 공정 제어 등의 분야들에서 많이 활용되고 있는데, 이러한 인공신경망은 그 구조에 따라 single layer feed-forward network, multi-layer feed-forward network, feed-back network, recurrent network, self-organized network으로 분류되고, 신경망의 사용목적에 따라 적절한 형태의 신경망 구조를 선택하게 된다. Currently, the neural network is widely used in fields such as system identification, prediction, pattern recognition, classification, and process control. The neural network has a single layer feed-forward network, multi-layer feed-forward network, and feed according to its structure. It is classified into back-back network, recurrent network, and self-organized network, and the neural network structure of appropriate type is selected according to the purpose of neural network use.

본 발명은 유입수 예측을 목적으로 하므로, 모델링과 예측 분야에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 Multi-layer feed-forward back-propagation network을 사용하였다. In order to predict the influent, the present invention uses a multi-layer feed-forward back-propagation network which is most commonly used in modeling and prediction fields.

도 3은 일반적인 Multi-layer feed-forward back-propagation network의 구 조를 보여준다. 3 shows a structure of a general multi-layer feed-forward back-propagation network.

도 3을 통해 알 수 있듯이, 뉴런들이 각 층들 즉 입력 층(Input layer), 은닉 층(Hidden layer), 출력 층(Output layer)에 배열되고, 각 층의 뉴런들은 연결 가중치에 의해 연결된다. As shown in FIG. 3, neurons are arranged in respective layers, that is, an input layer, a hidden layer, and an output layer, and neurons of each layer are connected by connection weights.

표준화된 입력 데이터가 입력 층의 뉴런들에 입력되고, 은닉 층을 통해 출력 층으로 전달된다. 앞의 층의 뉴런으로부터 다음 층의 뉴런으로의 신호 전달은 도 4와 같이 표현될 수 있으며, 본 연구에서는 식 4와 같이 표현되는 tanh-sigmoid function을 신호전달을 위한 전달함수(Transfer function)로 사용하였다.Normalized input data is input to the neurons of the input layer and passed through the hidden layer to the output layer. The signal transfer from the neuron of the previous layer to the neuron of the next layer can be expressed as shown in FIG. 4, and in this study, the tanh-sigmoid function represented by Equation 4 is used as a transfer function for signal transmission. It was.

Figure 112008003267808-PAT00005
Figure 112008003267808-PAT00005

신경망에서 학습(Learning)이란 각 뉴런들 간에 연결된 가중치의 조절을 통해 실측치와 신경망을 통해 계산된 출력치 간의 오차를 최소화 시키는 것을 의미한다.Learning in a neural network means minimizing the error between the measured value and the output value calculated through the neural network by adjusting the weights connected between the neurons.

본 발명에서는 오차공간(Error space)에서 지역극소(Local minimum)에 빠졌을 때, 더 이상 학습을 수행할 수 없다는 단점을 가진 역전파(Back-propagation) 알고리즘 대신에, 역전파 알고리즘의 단점을 극복하고 더 빠른 학습이 가능한 Levenberg-Marquart(LM) 알고리즘 을 학습 알고리즘으로 사용하였다.The present invention overcomes the shortcomings of the back propagation algorithm instead of the back-propagation algorithm, which has the disadvantage of not being able to perform further learning when it falls into the local minimum in the error space. Levenberg-Marquart (LM) algorithm is used as a learning algorithm.

신경망의 성능을 결정하는 주요한 인자는 신경망의 구조, 신경망의 학습 종 료 시점( 즉, epoch 수) 및 주어지는 가중치의 값이다. The main factors that determine the performance of a neural network are the structure of the neural network, the end point of learning of the neural network (ie, the number of epochs), and the weights given.

신경망의 구조와 학습을 위한 epoch 수와 가중치 값을 결정하는 데 있어 절대적인 방법은 없다. There is no absolute way to determine the number and weight of epochs for the structure and learning of neural networks.

따라서, 본 발명에서는 시행착오법(Trial and error method)에 의해 적절한 신경망의 구조와 epoch 수를 결정하였고, 선택된 신경망의 구조와 epoch 수를 바탕으로 훈련된 신경망을 일반화하기에 충분하게 가중치 값들을 결정하였다. Therefore, in the present invention, a proper neural network structure and epoch number are determined by a trial and error method, and weight values are sufficiently determined to generalize a trained neural network based on the selected neural network structure and epoch number. It was.

본 발명에서 상용 소프트웨어인 MATLAB에서 제공되는 neural network toolbox(The MathWorks Inc., 2000)를 이용해서 모든 시뮬레이션 작업을 수행하였다.In the present invention, all simulation work was performed using neural network toolbox (The MathWorks Inc., 2000) provided by MATLAB, which is a commercial software.

도 6은 현재 시점 기준 1일 뒤 유입 유량의 예측하기 위해 시행 착오법(Trial and error method)에 의해 결정되어 구성된 신경망의 구조를 보여준다.FIG. 6 shows the structure of a neural network determined and determined by a trial and error method to predict an inflow flow rate after one day from the current time point.

도 6를 통해 알 수 있듯이, 유입 유량의 예측을 위한 인공신경망은 하나의 입력 층, 두개의 은닉 층, 하나의 출력 층으로 구성되고, 입력 층에는 4개의 뉴런, 두 개의 은닉 층에는 각 층에 5개의 뉴런 그리고 출력 층에는 하나의 뉴런이 배치되게 구성하였다. As can be seen from Figure 6, the artificial neural network for the prediction of the inflow flow is composed of one input layer, two hidden layers, one output layer, four neurons in the input layer, each layer in two hidden layers Five neurons and one neuron were arranged in the output layer.

하기의 <표 2>는 현재 시점 기준 1일 뒤 COD, SS, TN 농도를 예측하기 위해 구성된 신경망의 구조에 대한 정보를 보여주고 있다. Table 2 below shows information about the structure of a neural network configured to predict COD, SS, and TN concentrations after 1 day from the current time point.

<표 2>TABLE 2

Figure 112008003267808-PAT00006
Figure 112008003267808-PAT00006

Where, t: 현재, t-1: 현재로부터 1일 전, t+1: 현재로부터 1일 후Where, t: present, t-1: 1 day before the present, t + 1: 1 day after the present

도 6과 <표 2>에서 설명된 것과 같은 구조를 가지는 신경망을 epoch 수를 100으로 고정한 뒤 가중치의 변화를 통해 훈련 데이터 셋을 이용하여 신경망의 학습을 수행하였고, 검증 데이터 셋을 이용하여 훈련된 신경망의 예측 성능을 평가 하였다. The neural network having the structure as described in FIG. 6 and <Table 2> was fixed to the number of epochs to 100, and then the neural network was trained using the training data set by changing the weight, and trained using the verification data set. The predictive performance of the neural network was evaluated.

본 발명에서 epoch수를 100으로 선정한 이유는 epoch 수가 100 이상으로 주어졌을 때는 가중치의 변화에 상관없이 과도한 훈련(Training)으로 인해, 과적합(Overfitting)의 문제가 발생하였기 때문이다. In the present invention, the reason why the number of epochs is 100 is that when the number of epochs is 100 or more, the problem of overfitting occurs due to excessive training regardless of the weight change.

상기의 인공신경망을 통한 예측 모델을 수립하는 단계(S30)를 수행하게 되면, 이러한 인공신경망 모델을 통해 유입유량과 유입성분 농도의 예측단계(S40)를 수행하게 된다.When the step (S30) of establishing a prediction model through the artificial neural network is performed, the prediction step (S40) of the inflow flow rate and the inflow component concentration is performed through the artificial neural network model.

도 7은 각 목표 변수들의 현재시점 기준 1일 뒤 예측을 위해 210개의 데이터 셋을 이용하여 신경망이 훈련된 결과와, 나머지 210개의 검증(Validation) 데이터 셋을 이용하여 훈련된 신경망에 의해 예측된 결과를 보여준다. FIG. 7 shows the results of training a neural network using 210 data sets for prediction one day after the current time point of each target variable, and the results predicted by a neural network trained using the remaining 210 validation data sets. Shows.

여기서 각 그래프는 (a) 유출량, (b) CODMn, (c) SS, (d) TN의 예측 결과에 관한 도면이다.Here, each graph is a figure regarding the prediction result of (a) outflow volume, (b) COD Mn , (c) SS, and (d) TN.

신경망을 이용한 대상 하수처리장의 유입수 예측 성능의 정량적 평가는 시뮬레이션을 통해 도출된 예측 값과 실측 값 간의 오차에 의해 평가될 수 있다. The quantitative evaluation of the influent prediction performance of the target sewage treatment plant using neural network can be evaluated by the error between the predicted value and the measured value.

따라서 본 발명에서 개발된 신경망 모델의 정량적인 예측 성능 평가를 위하여 아래의 식 (5)와 같이 표현되는 평균 상대 오차율(Average relative difference)을 사용하였다. 여기서, N은 비교된 총 변수의 수, 는 i번째 측정 값, 는 i번째 예측 값이다. 예측 변수별 평균 상태 오차율은 <표 3>에 나타내었다.Therefore, for evaluating the quantitative prediction performance of the neural network model developed in the present invention, the average relative error represented by Equation (5) below was used. Where N is the total number of variables compared, i is the i th measurement value, and i is the i th prediction value. The average state error rate for each predictor is shown in Table 3.

Figure 112008003267808-PAT00007
Figure 112008003267808-PAT00007

<표 3>TABLE 3

Figure 112008003267808-PAT00008
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도 7과 <표 3>를 통해 현재 시점 기준 1일 뒤 각 유입 성분들을 예측하기 위해 인공 신경망의 훈련이 적절하게 이루어졌음을 확인할 수 있었고, 훈련에 사용되 지 않은 데이터를 사용하여 훈련된 인공 신경망의 성능을 검증한 결과, 각 목표 변수들의 실측값들의 변화 거동을 훈련된 인공 신경망이 잘 묘사하고 있을 뿐만 아니라, 상대 오차율이 유량의 경우 0.65%, CODMn의 경우 1.69%, SS의 경우 3.16%, TN의 경우 1.96% 정도로 일반적인 95% 신뢰구간에 포함되는 5%미만의 낮은 값을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 7 and Table 3, it was confirmed that the training of the artificial neural network was properly performed to predict each influx component one day after the current time point, and the artificial neural network trained using the data not used in the training As a result of verifying the performance of, the trained artificial neural network describes the behavior of the change of the measured values of each target variable well, and the relative error rate is 0.65% for flow rate, 1.69% for COD Mn and 3.16% for SS. In the case of TN, it can be seen that the value is less than 5% which is included in the general 95% confidence interval as 1.96%.

이러한 검증 결과를 통해 평가할 때, 현재 시점 기준 1일 뒤 유입 유량 및 유입 성분들의 농도를 예측하기 위해 개발된 인공 신경망 모델이 대상 하수처리장에 한해서는 일반화되어 사용될 수 있다는 것이 된다. When evaluating through this verification result, artificial neural network model developed to predict inflow flow rate and concentration of inflow components after 1 day from the present point of time can be generalized and used in the target sewage treatment plant.

상기 현재시점 기준 1일 뒤의 예측에 이어, 현재 시점 기준 2일, 3일 뒤 예측을 수행한 결과, 현재 시점 기준 2일 뒤, 3일 뒤 각 유입 유량, COD, SS, TN의 예측을 위해 epoch 수를 100으로 고정한 후, 가중치 값의 변화만을 통해 현재 시점 기준 1일 뒤 예측을 위해 사용된 인공신경망과 같은 입력 변수들과 구조를 가지는 인공 신경망의 학습이 이루어졌다. As a result of the prediction after the current day 1, 2 days, 3 days after the current point of view, for the prediction of each inflow flow rate, COD, SS, TN after 2 days, 3 days after the current time point After fixing the epoch number to 100, the artificial neural network with the input variables and structure such as the artificial neural network used for prediction 1 day after the current point of view was made only by changing the weight value.

도 8과 도 9에서 각각 (a) 유입량 (b) CODMn,(c) SS, (d) TN에 관한 예측 그래프이다.8 and 9 are prediction graphs for (a) inflow rate (b) COD Mn , (c) SS, and (d) TN, respectively.

<표 4>와 <표 5>는 개발된 인공 신경망의 예측 성능 평가를 위한 정량적 지표로 사용된 상대 오차율을 보여준다.Tables 4 and 5 show the relative error rates used as quantitative indicators for evaluating the predictive performance of the developed artificial neural networks.

<표 4>TABLE 4

Figure 112008003267808-PAT00009
Figure 112008003267808-PAT00009

<표 5>TABLE 5

Figure 112008003267808-PAT00010
Figure 112008003267808-PAT00010

이를 통해, 현재 시점 기준 2일 뒤, 3일 뒤 예측을 위해 개발된 인공 신경망 모델은 과적합(Overfitting)의 문제를 발생시키지 않으면서 각 목표 변수들의 변화 거동을 적절하게 예측하고 있다는 것을 알 수 있었다. Through this, the artificial neural network model developed for prediction 2 days and 3 days after the present time point can predict the change behavior of each target variable properly without causing the problem of overfitting. .

그러므로, 현재 시점 기준 1일 뒤 예측을 위한 인공 신경망과 같은 구조를 가지면서, 단지 연결 가중치 값만이 다른, 현재 시점 기준 2일 뒤, 3일 뒤 예측을 위한 인공 신경망 모델이 적절하게 개발되었다고 할 수 있다. Therefore, it can be said that an artificial neural network model for prediction after 2 days and 3 days after the current viewpoint, which has the same structure as the artificial neural network for prediction 1 day after the current point of view and differs only in the connection weight value, is appropriately developed. have.

도 1은 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치의 전체 구성도,1 is an overall configuration diagram of an apparatus for predicting inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant by an artificial neural network of the present invention;

도 2는 본 발명의 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법의 전체 순서도,2 is an overall flowchart of a method for predicting the inflow flow rate and the inflow component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network of the present invention;

도 3은 일반적인 복수층을 가진 인공신경망의 구조,3 is a structure of an artificial neural network having a general multiple layer,

도 4는 도 3의 다중 인공 신경망의 각 층 마다의 신호전달 수식도,4 is a signaling diagram for each layer of the multiple artificial neural network of FIG.

도 5는 강수량과 유입 유량, 습도와 유입 유량과, 다른 예측하고자 하는 변수들과 CODMn과의 관계를 도시한 그래프, 5 is a graph showing the relationship between precipitation and inflow flow rate, humidity and inflow flow rate, other predicted variables and COD Mn ,

도 6은 현재 시점 기준 1일 뒤 유입 유량의 예측하기 위해 시행 착오법에 의해 결정되어 구성된 신경망의 구조,6 is a structure of a neural network determined and determined by trial and error method in order to predict an inflow flow rate 1 day after the current time point,

도 7은 각 목표 변수들의 현재시점 기준 1일 뒤 예측을 결과 비교 그래프,7 is a graph comparing the results of the predictions of the target variables one day after the current time point;

도 8과 도 9는 현재 시점 기준 2일 뒤, 3일 뒤 예측의 결과 비교 그래프.8 and 9 are graphs comparing the results of the prediction after 2 days and 3 days after the current time point.

*도면부호에 대한 상세한 설명** Detailed Description of Drawings *

10 : 데이터 수집부 11 : 데이터베이스10: data collector 11: database

20 : 데이터 전처리부 30 : 인공신경망부20: data preprocessing unit 30: artificial neural network

40 : 데이터예측부 50 : 표시부40: data prediction section 50: display section

Claims (8)

하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치에 있어서,In the prediction apparatus of inflow flow volume and inflow component concentration of a sewage treatment plant, 하수처리장의 유입 수질 데이터들과 기상 데이터들을 수집하는 데이터수집부(10)와;A data collector 10 for collecting inflow water quality data and weather data of the sewage treatment plant; 상기 데이터수집부(10)에 의해 수집된 데이터셋들을 전달받아 인공신경망 모델에 적용되도록 표준화 상태로 변환하는 데이터 전처리부(20)와; A data preprocessor 20 which receives the data sets collected by the data collector 10 and converts the data sets into a standardized state to be applied to an artificial neural network model; 상기 데이터 전처리부(20)를 통해 표준화된 입력값들을 인공신경망에 대입하여 은닉층을 통한 신호전달을 반복적으로 행함으로써, 오차를 최소화하기 위한 학습을 행하여 가중치를 조절하는 인공신경망부(30)와;An artificial neural network unit 30 for performing standardized input values through the data preprocessing unit 20 and repeatedly performing signal transmission through the hidden layer to perform learning to minimize errors, thereby adjusting weights; 상기 인공신경망부(30)에 의해 수립된 가중치에 따라 변수를 입력하여 유입수를 예측하는 데이터예측부(40)와;A data prediction unit 40 for predicting the inflow of water by inputting a variable according to a weight established by the artificial neural network unit 30; 상기 데이터예측부(40)의 산출데이터를 화면에 출력하는 표시부(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치.Predicting device of the inflow flow rate and inflow component concentration of the sewage treatment plant by the artificial neural network, characterized in that it comprises a display unit (50) for outputting the calculated data of the data prediction unit (40) on the screen. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 하수처리장의 유입 수질 데이터들은 유량, pH, DO, 온도, BOD, CODMn, SS, TN, TP 중 어느 하나 이상이며, 기상 데이터들은 강우량, 습도 및 기온 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치.The inflow water quality data of the sewage treatment plant is at least one of flow rate, pH, DO, temperature, BOD, COD Mn , SS, TN, TP, and the weather data is at least one of rainfall, humidity, and temperature. Prediction device of inflow flow rate and inflow component concentration of sewage treatment plant by 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 데이터수집부(10)는 상기 수집된 데이터들을 저장하도록 데이터베이스(11)를 구축하고 있어, 전처리를 거친 상기 데이터 셋들이 신경망의 훈련 혹은 훈련된 신경망의 예측 성능의 검증 중 어느 하나에 사용되는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 장치.The data collection unit 10 is building a database 11 to store the collected data, so that the pre-processed data sets are used for either the training of the neural network or the verification of the predicted performance of the trained neural network. A device for predicting the inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant using an artificial neural network. 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법에 있어서,In the prediction method of the inflow flow volume and inflow component concentration of a sewage treatment plant, 하수처리장으로부터 유입 수질 데이터와 기상 데이터들을 데이터수집부(10)에서 입력받는 데이터 수집단계(S10)와;A data collection step (S10) of receiving inflow water quality data and meteorological data from the sewage treatment plant at the data collection unit 10; 상기 수집된 데이터를 인공신경망 모델에 적용하도록 표준화하기 위한 데이터 전처리 단계(S20)와; A data preprocessing step (S20) for standardizing the collected data to apply to the artificial neural network model; 상기의 데이터 전처리된 변수들에 대해 인공신경망을 통한 학습을 수행함으로써 예측 모델을 수립하는 단계(S30)와;Establishing a prediction model by performing learning through an artificial neural network on the data preprocessed variables (S30); 상기 인공신경망에 대해 검증 데이터 셋을 이용하여 훈련된 신경망의 예측 성능을 평가하는 유입유량과 유입성분 농도 예측단계(S40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법.Inflow flow rate and inflow component of the sewage treatment plant by the artificial neural network, characterized in that it consists of the inflow flow rate and inflow component concentration prediction step (S40) for evaluating the predictive performance of the trained neural network using the verification data set for the artificial neural network Method of predicting concentration. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 데이터 전처리 단계(S20)는, 하수처리장으로부터 확보된 상기 데이터들 중 데이터의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있는 이상치(Outlier)를 제거하는 단계와; The data preprocessing step (S20) may include: removing an outlier that may reduce the reliability of data among the data secured from the sewage treatment plant; 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하도록 장기간의 데이터 셋에서 단기간 변동을 감소시키거나 제거하는 단계와; Reducing or eliminating short term variation in the long term data set to determine linear or nonlinear correlation between the measured time series data and to identify trends over time of successive data; 각각 다른 스케일로 분포하고 있는 모든 데이터들이 0과 1사이의 값의 분포를 가질 수 있도록 표준화하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법.A method for estimating the inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant by an artificial neural network, comprising: standardizing all data distributed on different scales so as to have a distribution of values between 0 and 1. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 데이터들의 이상치(Outlier)를 제거하도록, 관리도 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법.A method of predicting inflow flow rate and inflow component concentration of a sewage treatment plant by an artificial neural network, using a control chart technique, to remove outliers of the data. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 측정된 시계열 데이터 간의 선형적 또는 비선형적 상관성을 파악하고 연속된 데이터들의 시간에 따른 경향을 파악하도록 5-day moving average기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법.Inflow flow rate and inflow of the sewage treatment plant by artificial neural network, characterized by using the 5-day moving average technique to determine the linear or nonlinear correlation between the measured time series data and the trend over time of the continuous data. Method of predicting component concentration. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 예측 모델 수립 단계(S30)에서, 시행착오법을 통한 신경망 구조와 epoch 수를 결정하고, 선택된 신경망의 구조와 epoch 수를 바탕으로 훈련된 신경망을 일반화시킬 수 있는 가중치 값들을 결정하는 것을 특징으로 하는 인공 신경망에 의한 하수처리장의 유입 유량 및 유입 성분 농도의 예측 방법.In the predictive model establishment step (S30), the neural network structure and the number of epochs are determined through trial and error, and the weight values for generalizing the trained neural network are determined based on the selected neural network structure and the epoch number. Prediction method of inflow flow rate and inflow component concentration of sewage treatment plant by artificial neural network.
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