KR20200075059A - Method and apparatus for diagnosing abnormal state of anaerobic digestion equipment using machine learning - Google Patents

Method and apparatus for diagnosing abnormal state of anaerobic digestion equipment using machine learning Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for diagnosing the abnormal state of anaerobic digestion equipment using machine learning, in which the method includes: an input processing step of processing input data; a process analysis step of predicting operation data, analyzing process conditions, and predicting process variables by machine learning; a performance prediction step of predicting a performance variable by inputting a process variable predicted by machine learning in the process analysis step; and a result output step of outputting the analysis result of the process analysis step and the prediction result of the performance prediction step. Accordingly, the present invention develops a model capable of predicting and analyzing information on the performance and abnormal conditions of the entire process by processing operation data secured at the site of an anaerobic digestion plant through a statistical technique, and updates the model to respond to changes in the field situation through continuous learning of data, thereby providing information that allows the driver to easily determine the overall situation of the process in real time.

Description

머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치{METHOD AND APPARATUS FOR DIAGNOSING ABNORMAL STATE OF ANAEROBIC DIGESTION EQUIPMENT USING MACHINE LEARNING}METHOD AND APPARATUS FOR DIAGNOSING ABNORMAL STATE OF ANAEROBIC DIGESTION EQUIPMENT USING MACHINE LEARNING}

본 발명은 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치에 관한 것이다.The present invention relates to an abnormality diagnosis method and an abnormality diagnosis device for an anaerobic digestion system using machine learning, and more specifically, an abnormality of an anaerobic digestion system using machine learning to diagnose an abnormal operation state of an anaerobic digestion system using machine learning. It relates to a diagnostic method and an abnormality diagnosis device.

일반적으로 폐수의 처리 방법에는 물리적인 방법 및 화학적인 방법과 생물학적인 방법이 있으며, 생활폐수의 경우에는 대부분 생물학적인 방법을 이용하게 된다. In general, there are physical methods, chemical methods, and biological methods for the treatment of wastewater, and in the case of domestic wastewater, most biological methods are used.

생물학적인 방법은 폐수 내에 있는 유기물질을 미생물이 영양분과 에너지원으로 사용하여 분해하는 방식을 의미하며, 생물학적인 처리방법에서도 산소를 이용하는 미생물을 통해 저농도의 유기성 폐수를 처리하는 호기성 처리방법과 산소를 이용하지 않는 미생물로 고농도의 유기성 폐수를 처리하는 혐기성 처리방법으로 구분된다. Biological means decomposes organic substances in wastewater by using microorganisms as nutrients and energy sources, and biological treatment also uses aerobic treatment methods and oxygen to treat low-concentration organic wastewater through microorganisms that use oxygen. It is divided into anaerobic treatment methods that treat organic wastewater at high concentration with microorganisms that are not used.

이러한 처리를 위한 혐기성 폐수처리 공장은 폐슬러지, 분뇨, 음식물 쓰레기 폐수와 같은 고농도 유기성 폐수를 혐기성 미생물의 발효작용을 통해 처리하고 최종 부산물로 발전에너지원인 바이오메탄가스를 생산할 수 있는 플랜트이다.The anaerobic wastewater treatment plant for such treatment is a plant capable of treating high-concentration organic wastewater such as waste sludge, manure, and food waste through fermentation of anaerobic microorganisms and producing biomethane gas, which is a power generation energy source, as a final by-product.

혐기소화의 단계는 고분자 유기물질이 미생물이 분비하는 효소에 의해 가용성 유기물로 분해되는 가수분해, 유기산균이 유기물질을 분해시켜 유기산과 알코올을 생산하는 산 생성단계, 메탄 생성균이 초산, 포름산, 수소, 메탄올 등을 활용하여 최종 부산물인 메탄(CH4)와 이산화탄소(CO2)를 생산하는 단계로 진행하게 된다. The anaerobic digestion steps include hydrolysis, in which a polymer organic substance is decomposed into a soluble organic substance by an enzyme secreted by microorganisms, an acid production step in which organic acid bacteria decompose organic substances to produce organic acids and alcohols, methane-producing bacteria are acetic acid, formic acid, and hydrogen , Proceeds with the production of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ), the final by-products using methanol.

이러한 처리 공정은 한 개의 소화조를 통해 진행 될 수도 있고, 공정 타입에 따라 분리되어 운영되기도 하는데 그 이유는 각 단계별로 우점종이 되는 미생물군과 그에 따른 적합한 운전조건이 다르기 때문이다.This treatment process may be carried out through a single digester, or may be operated separately according to the process type, because the microbial groups that dominate each stage and the appropriate operating conditions are different.

특히, 혐기성 분해의 주요 운전조건은 크게 온도, pH, 영양소로 구분할 수 있다. 온도의 경우 혐기성 분해 과정에서 효소매개(Enzyme-mediated) 미생물의 반응이 온도에 지배적인 영향을 받기 때문에 중요한 지표이다. In particular, the main operating conditions for anaerobic decomposition can be largely divided into temperature, pH, and nutrients. Temperature is an important indicator because the reaction of enzyme-mediated microorganisms during anaerobic decomposition is dominated by temperature.

일반적으로 많이 존재하는 중온 혐기성 미생물의 경우 25℃∼45℃ 내외가 적정온도이며, 최적생장 온도는 35℃ 이상으로 알려져 있기 때문에 25℃이하로 운전될 경우 분해율이 급격히 감소하는 경향을 보이며, 온도가 45℃를 초과하는 경우에는 중온 혐기성 미생물이 성장 한계점에 도달하면서 분해율이 급격히 감소하게 된다.In general, in the case of mesophilic anaerobic microorganisms present in a large amount, the temperature is about 25°C to 45°C, and the optimum growth temperature is known to be 35°C or higher, so the decomposition rate tends to decrease rapidly when operated below 25°C. When the temperature exceeds 45°C, the decomposition rate rapidly decreases as the mesophilic anaerobic microorganism reaches the growth threshold.

중온성 미생물을 이용한 혐기소화 외에도 고온성 미생물을 이용한 반응(55℃)이 이용하여 짧은 체류시간 동안 고효율을 얻을 수 있지만 온도변화에 더욱 민감하다는 단점을 가지고 있기 때문에 일반적인 플랜트 운전에 활발히 활용되지 못하고 있다.In addition to anaerobic digestion using mesophilic microorganisms, reactions using high-temperature microorganisms (55℃) can be used to obtain high efficiency for a short residence time, but it is not actively utilized in general plant operation because it has the disadvantage of being more sensitive to temperature changes. .

pH 운전조건의 경우 미생물의 대사에 있어서 매우 중요한 인자 중 하나이며, 일반적으로 pH 6.5 ~ pH7.5 정도의 중성에서 운전하는 것이 적절하며, pH 5.0 보다 낮거나 pH 8.5 보다 높을 경우 일부 미생물을 제외한 대부분의 미생물의 성장이 저해를 받게 된다.In the case of pH operating conditions, it is one of the very important factors in the metabolism of microorganisms. In general, it is appropriate to operate at a neutral pH of about pH 6.5 to pH7.5, and when it is lower than pH 5.0 or higher than pH 8.5, most microorganisms are excluded. The growth of microorganisms is inhibited.

pH와 온도의 상관관계를 살펴보면 온도가 높아질수록 적정 pH는 높아지는 현상을 확인할 수 있으며, 이는 결국 미생물의 적정 성장을 위해서는 상황에 맞게 pH를 조정해 줄 필요성이 있다는 것을 뜻한다.Looking at the correlation between pH and temperature, it can be seen that the proper pH increases as the temperature increases, which means that it is necessary to adjust the pH according to the situation in order to properly grow microorganisms.

주요 운전조건 중, 영양소의 경우 미생물이 성장하기 위해 필요한 영양소(C, N, O, H, P, S 등)를 적절하게 공급해주는 것이 중요하다. 영양소 중 탄소를 제외하고 가장 중요한 요소는 질소와 인이며, 보통 C/N 비율(BOD/NH-N)은 20 : 1 또는 30 : 1 이 적절한 것으로 알려져 있다. Among the main operating conditions, it is important to properly supply nutrients (C, N, O, H, P, S, etc.) necessary for microorganisms to grow. Among the nutrients, carbon and nitrogen are the most important elements, and the C/N ratio (BOD/NH-N) is usually known to be 20:1 or 30:1.

그러나 하수처리장의 특성상, 유입되는 폐수의 조성이 시기별로 다르고, 우천수의 유입에 따라 농도가 희석되는 등의 변화가 있기 때문에 정확한 C/N 비율을 예측하여 관리하기가 매우 까다롭다는 문제가 있다.However, due to the characteristics of the sewage treatment plant, the composition of the influent wastewater varies from time to time, and there is a problem that it is very difficult to predict and manage the correct C/N ratio because there are changes such as dilution of the concentration with the inflow of rainwater. .

한편, 혐기성 분해의 주요 저해요소를 살펴보면 대부분의 유기물과 무기물이 혐기소화의 저해제로 작용된다. 저농도의 저해물질이 있는 경우에는 미생물의 활성이 저하되지 않지만 일정한 농도 이상으로 증가하게 되면 생물학적 활성율이 감소하여 일정 고농도 이상에서는 활성도가 "0"이 되게 된다. On the other hand, looking at the main inhibitory factors of anaerobic decomposition, most organic and inorganic substances act as inhibitors of anaerobic digestion. When there is a low concentration of the inhibitor, the activity of the microorganism is not degraded, but when it is increased above a certain concentration, the biological activity rate decreases, and the activity becomes "0" above a certain high concentration.

이러한 활성율은 혐기소화 플랜트에서 실시간으로 파악하기는 어려운데 그 이유는 혐기소화조 내에는 다양한 미생물군이 존재하며 각 미생물마다 저해농도에 대한 적응력이 다르고 상황에 따라 저해영향이 다르게 발생하기 때문이다.It is difficult to determine the activity rate in real time in the anaerobic digestion plant because various microbial groups exist in the anaerobic digestion tank, and each microbe has different adaptability to the inhibitory concentration, and the inhibitory effect is different depending on the situation.

혐기성 소화조의 대표적 저해요소로 휘발성 지방산(Volatile Fatty Acids: VFAs)라고 하는 유기지방산이 있으며, 이는 충격부하(Shock Loading)나 영양분의 고갈, 유해성 기질의 유입 등의 환경적 붕괴에 영향을 준다. VFAs에서 가장 중요한 인자는 프로피온 에스테르(Propionate)의 영향으로 알려져 있으며, VFAs 과부하 시, VFAs 자체와 미분해 알코올에 의한 저해성이 나타난다.Organic fatty acids, called volatile fatty acids (VFAs), are representative inhibitors of anaerobic digesters, which affect environmental degradation, such as shock loading, depletion of nutrients, and the introduction of harmful substrates. The most important factor in VFAs is known as the effect of propionate, and when overloading VFAs, inhibition by VFAs itself and unresolved alcohol appears.

혐기소화조의 성능을 저해하는 또 다른 요인은 pH 영향이며, 황산화물이나 암모니아가 과다하게 유입되어 pH의 저하/증가시켜 미생물의 생장조건에 악영향을 끼치게 된다.Another factor that inhibits the performance of the anaerobic digester is the effect of pH, and excessively inflow of sulfur oxides or ammonia decreases/increases the pH and adversely affects the growth conditions of microorganisms.

이외에도 알칼리 및 알칼리 토금속염의 독성과 중금속 독성, 기타 클로로포름(Chloroform), 페놀(Phenol) 등의 유기화합물 및 시안과 같은 무기화합물의 과다 유입 등이 혐기소화의 성능을 저해하는 것으로 알려져 있다.In addition, it is known that the toxicity of alkali and alkaline earth metal salts and the toxicity of heavy metals, and other organic compounds such as chloroform and phenol, as well as inorganic compounds such as cyanide, impair anaerobic digestion performance.

이처럼 혐기소화 폐수처리 플랜트는 다양한 운전인자와 저해요소가 복잡한 상관관계를 가지며 작용하기 때문에 공정을 안정적으로 운전하기 위해서는 혐기소화의 각 단계별로 복잡한 미생물의 거동과 생성물을 잘 이해하고 적정한 관리할 수 있는 노하우가 필요하나, 일반 운전자가 이러한 노하우를 갖추기 위해서는 많은 시간과 경험이 필요하다는 문제가 있다.As such, since the anaerobic digestion wastewater treatment plant has a complex correlation between various operating factors and inhibitors, in order to operate the process stably, it is possible to understand and properly manage the behavior and products of complex microorganisms at each stage of anaerobic digestion. Know-how is required, but there is a problem that a general driver needs a lot of time and experience to have such know-how.

또한, 혐기성 소화 플랜트 운전 중, 정확한 원인이 규명되지 않는 상황에서 급속하게 성능이 저하되거나 미생물이 사멸하는 경우가 많이 발생하고 이를 운전자가 미리 문제를 감지하고 대응하지 못할 경우, 전체 공정을 중단하게 되는 사고로 이어진다. In addition, during the operation of an anaerobic digestion plant, if the exact cause is not clearly identified, performance often deteriorates rapidly or microorganisms die frequently, and if the driver detects a problem in advance and fails to respond, the entire process is stopped. Leads to accidents.

특히, 공정이 중단될 경우 유입되는 폐수를 외부의 위탁처리 시설을 이용해야 하기 때문에 많은 비용이 발생할 뿐만 아니라 정상적인 공정운영 시, 생산 가능한 바이오가스의 공급이 중단되어 전력발전을 통한 수익창출을 저해하여 플랜트 운영에 심각한 경제적 손실을 야기하게 된다는 문제가 있었다.In particular, when the process is stopped, the inflow of wastewater must use an external consignment treatment facility, which incurs not only a high cost, but also, during normal process operation, the supply of biogas that can be produced is interrupted, thereby preventing profit generation through power generation. There was a problem that it would cause serious economic losses to the operation of the plant.

따라서, 혐기성 소화공정의 운전을 위해서는 PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 운전제어 시스템을 이용하고 있으며, 시스템으로 수신되는 운전데이터를 통해 각 기기의 구동상황 및 pH, 온도, 유량과 같은 간단한 센서정보로 각각의 단위 변수의 정보를 모니터링하고 있다.Therefore, an operation control system such as a programmable logic controller (PLC) is used for the operation of the anaerobic digestion process, and simple sensor information such as the driving status and pH, temperature, and flow rate of each device is used through the operation data received by the system. The information of each unit variable is monitored.

그러나, 개별 센서나 기기를 통해 취합되는 운전데이터를 통해서는 전체 공정의 상황을 종합적으로 판단하기 어려우며 일부 주요 데이터를 통해 공정상황을 추정하더라도 낮은 처리속도와 높은 체류시간을 가지는 혐기소화 공정의 특성상 공정 전단의 변화가 공정 후단의 문제상황으로 발생될 지를 예측하기 어렵다는 문제가 있었다. However, it is difficult to comprehensively judge the status of the entire process through the operation data collected through individual sensors or devices, and even if the process status is estimated through some key data, the process is due to the characteristics of the anaerobic digestion process with low processing speed and high residence time. There was a problem in that it was difficult to predict whether a change in shear would occur due to a problem situation at the end of the process.

또한, 이러한 불확실성 때문에 문제상황이 발생했을 때, 어떤 인자가 주요 원인이 되었는지에 대한 변별이 불가능하다는 문제도 있었다.In addition, there was a problem in that it was impossible to discriminate which factor was the main cause when a problem occurred due to this uncertainty.

이외에도 각각의 변수를 고정된 범위 내에서 관리하는 기존의 방식으로는 점진적으로 변화되는 공정상황에 맞는 진단을 할 수 없다는 한계를 가진다는 문제가 있었다.In addition, there is a problem that the existing method of managing each variable within a fixed range has a limitation in that it cannot be diagnosed for a gradually changing process situation.

특히, 현장에서 센서로 얻지 못하는 미생물 활성도와 같은 정보는 주기적으로 공정수를 샘플링하여 실험과 분석을 통해 파악하는 작업을 수행하지만 이 또한 공정수가 간헐적으로 샘플링되고 샘플이 실험 및 분석되기까지 발생하는 지연시간이 존재하기 때문에 즉각적인 이상상황 발견 및 대응이 불가능하다는 문제가 있었다.In particular, information such as microbial activity that cannot be obtained with a sensor in the field is periodically sampled for process water to be identified through experiments and analysis, but this also delays until the process water is sampled intermittently and samples are tested and analyzed. Because of the existence of time, there was a problem that it was impossible to immediately detect and respond to an abnormal situation.

이러한 상황에서 혐기소화 플랜트 운전 중에 발생하는 문제를 최소화 하기 위해서는 우수한 역량을 가진 작업자(Operator)가 공정에 대한 높은 이해도를 가지고 항상 운전상황을 주시하며 보수적인 운전조건을 유지해야 한다. In this situation, in order to minimize the problems that occur during the operation of the anaerobic digestion plant, an operator with excellent capability must have a high understanding of the process and always keep an eye on the operating conditions and maintain conservative operating conditions.

그러나, 이와 같은 공정 제어시스템 상의 단편적인 정보 만으로 공정 전체의 이상을 예측할 수 있는 고급 운전인력은 극히 희소할 뿐만 아니라 운전자 간 역량수준의 편차가 크기 때문에 교대로 운영되는 운전자의 역량에 의존해서 플랜트를 운영하는 방식으로는 안정성에 한계가 있다는 문제가 있었다.However, advanced manpower capable of predicting the abnormality of the entire process with only fragmentary information on the process control system is extremely rare, and because of the large variation in the competency level between the operators, the plant is operated depending on the capabilities of the operators operating alternately. There was a problem that stability was limited in the way it was operated.

대한민국 공개특허 제10-2012-0096404호 (2012년08월30일)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0096404 (August 30, 2012) 대한민국 등록특허 제10-1690241호 (2016년12월27일)Republic of Korea Registered Patent No. 10-1690241 (December 27, 2016) 대한민국 공개특허 제10-2006-0064271호 (2006년06월13일)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2006-0064271 (June 13, 2006)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 혐기소화 플랜트 현장에서 확보 가능한 운전데이터들을 통계학적인 기법을 통해 처리하여 전체 공정의 성능 및 이상상황에 대한 정보를 예측하고 분석할 수 있는 모델을 개발하고 데이터의 지속적인 학습을 통해 현장상황의 변화에 대응할 수 있도록 모델을 업데이트하여 이를 통해 운전자가 손쉽게 실시간으로 공정의 종합적 상황을 판단할 수 있는 정보를 제공할 수 있는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the above-described conventional problems, and it is possible to predict and analyze information on the performance and abnormal conditions of the entire process by processing operational data obtainable at the site of an anaerobic digestion system through statistical techniques. Anaerobics using machine learning that develops a model and updates the model to respond to changes in the field through continuous learning of data, thereby providing information that enables the operator to easily determine the overall situation of the process in real time. It is an object of the present invention to provide an abnormality diagnosis method and an abnormality diagnosis device for a fire extinguishing facility.

또한, 본 발명은 머신러닝을 기반으로 공정 운전 빅데이터가 품고 있는 공정이상에 대한 징후를 예측하고 각 변수간의 상관관계를 통해 주요 원인을 도출할 수 있는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention is based on machine learning to predict the symptoms of process abnormalities in process operation big data, and correlate each variable to determine the main cause through machine learning. And another object of providing an abnormality diagnosis device.

또한, 본 발명은 현장에서 운전자가 훨씬 더 안정적으로 공정을 운영할 수 있고, 공장이 중단되는 사고를 미연에 방지함으로써 설비 가동중지로부터 발생 가능한 많은 비용과 손실을 저감할 수 있는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법 및 이상 진단장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention allows the operator to operate the process much more reliably in the field, and prevents accidents in which the factory is stopped by using machine learning, which can reduce many costs and losses that can be incurred due to equipment shutdown. Another object is to provide an abnormality diagnosis method and an abnormality diagnosis device for a fire extinguishing facility.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단방법으로서, 입력데이터를 처리하는 입력처리단계; 머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고, 공정상태를 분석하고, 공정변수를 예측하는 공정분석단계; 상기 공정분석단계에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 예측하는 성능예측단계; 및 상기 공정분석단계의 분석결과와 상기 성능예측단계의 예측결과를 출력하는 결과출력단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, using a machine learning method for diagnosing an abnormal operation of an anaerobic digestion system using an anaerobic digestion system, an input processing step of processing input data; A process analysis step of predicting operation data by machine learning, analyzing process conditions, and predicting process variables; A performance prediction step of predicting performance variables by inputting process variables predicted by machine learning in the process analysis step; And a result output step of outputting the analysis result of the process analysis step and the prediction result of the performance prediction step.

본 발명의 상기 입력처리단계는, 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The input processing step of the present invention, the operation data of the anaerobic digestion equipment and converting the experimental data and weather information data to the input data; And pre-processing the converted input data as data for a machine learning model.

본 발명의 상기 공정분석단계는, 시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하고 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하는 단계; 주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하는 단계; 및 부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 실시간 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The process analysis step of the present invention comprises: driving a time series analysis model to learn time series changes of individual operation data and predicting operation data by detecting abnormal behaviors and errors of facilities and sensors using autocorrelation; Learning the normal operation state of the entire process and unit process using the principal component analysis model to derive abnormality detection and cause variables to analyze the process state; And learning a correlation between a process variable and a general operation variable using the partial least squares model and predicting the process variable in real time.

본 발명의 상기 성능예측단계는, 상기 공정분석단계에서 예측된 변수 중 일부를 혐기소화 이론모델의 매개변수로 입력하여 운전자가 공정의 성능을 판단할 수 있는 지표를 제공하는 것을 특징으로 한다.The performance prediction step of the present invention is characterized in that some of the variables predicted in the process analysis step are input as parameters of the anaerobic digestion model to provide an indicator for the operator to judge the performance of the process.

본 발명의 상기 결과출력단계는, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하는 것을 특징으로 한다.The result output step of the present invention is characterized by providing an alarm of an abnormal state of the anaerobic digestion system by monitoring the entire process of the anaerobic digestion system, monitoring the status of each digester, and analyzing the state change of process variables. .

또한, 본 발명은 머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단장치로서, 입력데이터를 처리하는 입력처리부(100); 상기 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 저장해서 관리하는 저장관리부(200); 상기 저장관리부(200)에 저장된 데이터에서 머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고, 공정상태를 분석하고, 공정변수를 예측하는 공정분석부(300); 상기 공정분석부(300)에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 예측하는 성능예측부(400); 및 상기 공정분석부(300)의 분석결과와 상기 성능예측부(400)의 예측결과를 출력하는 결과출력부(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is an abnormality diagnosis apparatus of an anaerobic digestion system for diagnosing an abnormal operation state of an anaerobic digestion system using machine learning, an input processing unit 100 for processing input data; A storage management unit 200 for storing and managing data processed by the input processing unit 100; A process analysis unit 300 for predicting operation data by machine learning from the data stored in the storage management unit 200, analyzing process conditions, and predicting process variables; A performance prediction unit 400 for predicting performance variables by inputting process variables predicted by machine learning in the process analysis unit 300; And a result output unit 500 that outputs an analysis result of the process analysis unit 300 and a prediction result of the performance prediction unit 400.

본 발명의 상기 입력처리부(100)는, 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환하는 변환수단; 및 상기 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 전처리수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The input processing unit 100 of the present invention, conversion means for converting the operation data, experimental data and weather information data of the anaerobic digestion equipment into input data; And pre-processing means for pre-processing the converted input data as data for a machine learning model.

본 발명의 상기 저장관리부(200)는, 상기 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 축적하여 개별 머신러닝 모델에서 사용할 수 있는 경로를 제공하고, 상기 공정분석부(300) 및 상기 성능예측부(400)의 분석데이터와 예측데이터를 축적해서 관리하는 것을 특징으로 한다.The storage management unit 200 of the present invention accumulates data processed by the input processing unit 100 to provide a path that can be used in individual machine learning models, and the process analysis unit 300 and the performance prediction unit ( 400) is characterized by accumulating and managing analysis data and prediction data.

본 발명의 상기 공정분석부(300)는, 시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하고 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하는 운전데이터 예측수단; 주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하는 공정분석수단; 및 부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 실시간 예측하는 공정변수 예측수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The process analysis unit 300 of the present invention is driven through a time series analysis model to learn the time series change of individual operation data and to predict operation data by detecting abnormal behaviors and errors of facilities and sensors using autocorrelation. Driving data prediction means; A process analysis means for learning the normal operation state of the entire process and the unit process using the principal component analysis model to derive abnormality detection and cause variables to analyze the process state; And a process variable prediction means for learning a correlation between a process variable and a general operation variable using the partial least squares model and predicting the process variable in real time.

본 발명의 상기 결과출력부(500)는, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하는 것을 특징으로 한다.The result output unit 500 of the present invention monitors the entire process of the anaerobic digestion system, monitors the status of each digester, analyzes the state change of the process variables, and provides an alarm of an abnormal state of the anaerobic digestion system. It is characterized by.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 혐기소화 플랜트 현장에서 확보 가능한 운전데이터들을 통계학적인 기법을 통해 처리하여 전체 공정의 성능 및 이상상황에 대한 정보를 예측하고 분석할 수 있는 모델을 개발하고 데이터의 지속적인 학습을 통해 현장상황의 변화에 대응할 수 있도록 모델을 업데이트하여 이를 통해 운전자가 손쉽게 실시간으로 공정의 종합적 상황을 판단할 수 있는 정보를 제공할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, the present invention develops a model capable of predicting and analyzing information on the performance and anomalies of the entire process by processing operational data obtainable at the anaerobic digestion plant site through statistical techniques, and continuously By updating the model to respond to changes in the field situation through learning, it provides an effect that allows the operator to easily provide information to judge the overall situation of the process in real time.

또한, 머신러닝을 기반으로 공정 운전 빅데이터가 품고 있는 공정이상에 대한 징후를 예측하고 각 변수간의 상관관계를 통해 주요 원인을 도출할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, based on machine learning, it provides the effect of predicting the signs of process anomalies in the process operation big data, and deriving the main causes through correlation between each variable.

또한, 현장에서 운전자가 훨씬 더 안정적으로 공정을 운영할 수 있고, 공장이 중단되는 사고를 미연에 방지함으로써 설비 가동중지로부터 발생 가능한 많은 비용과 손실을 저감할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the operator can operate the process much more reliably in the field, and provide an effect of reducing many costs and losses that may occur from the shutdown of equipment by preventing accidents in which the plant is stopped.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법을 나타내는 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치를 나타내는 블럭도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 운전데이터 예측수단을 나타내는 블럭도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 공정분석수단을 나타내는 블럭도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 공정변수 예측수단을 나타내는 블럭도.
1 is a flow chart showing a method for diagnosing an abnormality in an anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing an abnormality diagnosis apparatus of an anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing the operation data predicting means of the anaerobic digestion system abnormal diagnosis apparatus using machine learning according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a block diagram showing the process analysis means of the anaerobic digestion system abnormal diagnosis apparatus using machine learning according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a block diagram showing the process variable prediction means of the anaerobic digestion system abnormality diagnosis apparatus using machine learning according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치를 나타내는 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 운전데이터 예측수단을 나타내는 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 공정분석수단을 나타내는 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치의 공정변수 예측수단을 나타내는 블럭도이다.1 is a flow chart showing a method for diagnosing an abnormality of an anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an apparatus for diagnosing an abnormality of an anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention. 3 is a block diagram showing operation data prediction means of an abnormality diagnosis apparatus for an anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a machine according to an embodiment of the present invention It is a block diagram showing the process analysis means of the abnormality diagnosis apparatus of the anaerobic digestion system using running, and FIG. 5 is a block showing the process variable prediction means of the abnormality diagnosis apparatus of the anaerobic digestion system using machine learning according to an embodiment of the present invention It is.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법은, 입력처리단계(S10), 공정분석단계(S20), 성능예측단계(S30) 및 결과출력단계(S40)를 포함하여 이루어져, 머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단방법이다.1 and 2, an abnormality diagnosis method of an anaerobic digestion system using machine learning according to the present embodiment includes an input processing step (S10), a process analysis step (S20), and a performance prediction step (S30) and results. Including the output step (S40), it is a method of diagnosing an abnormality in the anaerobic digestion system by using machine learning to diagnose an abnormal operation state of the anaerobic digestion facility.

입력처리단계(S10)는, 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환하여 전처리하는 단계로서, 데이터 변환단계(S11)와 데이터 전처리 단계(S12)로 이루어져 있다.The input processing step (S10) is a step of converting driving data, experimental data, and weather information data into input data and pre-processing them. It consists of a data conversion step (S11) and a data pre-processing step (S12).

데이터 변환단계(S11)는, 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 데이터의 형태를 변환하는 단계로서, 플랜트 운전 및 실험에서 나오는 데이터와 기상정보 데이터를 입력하여 이를 통계학적 처리 및 머신러닝이 활용할 수 있는 형태로 변환하게 된다.The data conversion step (S11) is a step of converting the form of data from the operation data of the anaerobic digestion system and the experimental data and the weather information data into input data, and inputs data and weather information from the plant operation and experiments to statistics. It is transformed into a form that can be used by academic processing and machine learning.

데이터 전처리 단계(S12)는, 데이터 변환단계(S11)에서 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 단계로서, 데이터 수치를 균질화하고 정규화하는 동시에 노이즈(Noise)를 제거하여 알고리즘 학습을 위한 데이터 분할 등의 기능을 처리하게 된다.The data pre-processing step (S12) is a step of pre-processing the input data converted in the data conversion step (S11) as data for a machine learning model, to homogenize and normalize data values and remove noise while learning algorithms. Functions such as data segmentation are processed.

공정분석단계(S20)는, 머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고 혐기소화설비의 공정상태를 분석하고 혐기소화설비의 공정변수를 예측하는 단계로서, 운전데이터 예측단계(S21), 공정상태 분석단계(S22) 및 공정변수 예측단계(S23)로 이루어져 있다.The process analysis step (S20) is a step of predicting the operation data by machine learning, analyzing the process state of the anaerobic digestion facility, and predicting the process parameters of the anaerobic digestion facility, the operation data prediction step (S21), and the process status analysis step (S22) and process variable prediction step (S23).

운전데이터 예측단계(S21)는, 시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하여 예측하는 단계로서, 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하게 된다.The operation data prediction step (S21) is a step of learning and predicting time series changes of individual operation data by driving through a time series analysis model, and detecting operation and errors of facilities and sensors by using autocorrelation. To predict.

공정상태 분석단계(S22)는, 주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 공정상태를 분석하는 단계로서, 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하게 된다.The process state analysis step (S22) is a step of analyzing the process state by learning the normal operation state of the entire process and the unit process using the principal component analysis model, and analyzing the process state by deriving an abnormality detection and a cause variable.

공정변수 예측단계(S23)는, 부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 예측하는 단계로서, 공정변수를 실시간 예측하는 것이 바람직하다.The process variable prediction step (S23) is a step of learning the correlation between the process variable and the general operation variable and predicting the process variable using a partial least squares model, and it is preferable to predict the process variable in real time.

성능예측단계(S30)는, 공정분석단계(S20)에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 예측하는 단계로서, 공정분석단계(S20)에서 예측된 변수 중 일부를 혐기소화 이론모델의 매개변수로 입력하여 운전자가 공정의 성능을 판단할 수 있는 지표를 제공하게 된다.The performance prediction step (S30) is a step of predicting the performance variable by inputting the process variable predicted by machine learning in the process analysis step (S20), and some of the predicted variables in the process analysis step (S20) are anaerobic digestion theory By inputting as a parameter of the model, the operator provides an index to judge the performance of the process.

이러한 성능예측단계(S30)에서는 학술적으로 알려진 계산식으로 공정성능을 파악하기 위한 물리모델에 머신러닝으로 예측한 값을 매개변수로 입력하여 주요 성능 변수를 예측 할 수 있는 것도 가능함은 물론이다.In this performance prediction step (S30), it is also possible to predict the main performance variables by inputting the values predicted by machine learning as parameters into the physical model for grasping the process performance using a scientifically known calculation formula.

결과출력단계(S40)는, 공정분석단계(S20)의 분석결과와 성능예측단계(S30)의 예측결과를 출력하는 단계로서, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하게 된다.The result output step (S40) is a step of outputting the analysis result of the process analysis step (S20) and the prediction result of the performance prediction step (S30), monitoring the entire process of the anaerobic digestion system, monitoring the status of each digester, and processing By analyzing the degree of change of the state of the variable, an alarm of an abnormal state of the anaerobic digestion system is provided.

이러한 결과출력단계(S40)에서는 예측결과 및 분석된 결과를 운전자가 모니터링 차트 등을 통해 확인할 수 있게 되므로, 공정이 진행되는 알고리즘을 활용하여 운전자가 공정의 이상상황 및 주요성능 실시간으로 확인하여 공정의 이상상황에 대응할 수 있도록 하게 된다.In the result output step (S40), the operator can check the predicted result and the analyzed result through a monitoring chart, etc., so that the operator can check the abnormal status of the process and the main performance in real time using an algorithm in which the process proceeds. You will be able to respond to the abnormal situation.

이하, 첨부도면을 참조해서 본 실시예의 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an abnormality diagnosis apparatus of the anaerobic digestion system using the machine learning of this embodiment will be described in detail.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치는, 입력처리부(100), 저장관리부(200), 공정분석부(300), 성능예측부(400) 및 결과출력부(500)를 포함하여 이루어져, 머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단장치이다.As shown in Fig. 2, the apparatus for diagnosing an abnormality in the anaerobic digestion system using machine learning according to the present embodiment includes an input processing unit 100, a storage management unit 200, a process analysis unit 300, a performance prediction unit 400, and results. It comprises an output unit 500, and it is a device for diagnosing an abnormality in the anaerobic digestion system using machine learning to diagnose an abnormal operation state of the anaerobic digestion facility.

입력처리부(100)는, 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환해서 처리하는 수단으로서, 변환수단(110)과 전처리수단(120)으로 이루어져 있다.The input processing unit 100 is a means for converting and processing operation data, experimental data, and weather information data of an anaerobic digestion system into input data, and is composed of a conversion means 110 and a pre-processing means 120.

변환수단(110)은, 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 데이터의 형태를 변환하는 수단으로서, 플랜트 운전 및 실험에서 나오는 데이터와 기상정보 데이터를 입력하여 이를 통계학적 처리 및 머신러닝이 활용할 수 있는 형태로 변환하게 된다.The conversion means 110 is a means for converting the form of data from the operation data of the anaerobic digestion system and the experimental data and weather information data into input data. It will be converted into a form that processing and machine learning can utilize.

전처리수단(120)은, 변환수단(110)에 의해 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 수단으로서, 데이터 수치를 균질화하고 정규화하는 동시에 노이즈(Noise)를 제거하여 알고리즘 학습을 위한 데이터 분할 등의 기능을 처리하게 된다.The pre-processing means 120 is a means for pre-processing the input data converted by the converting means 110 as data for a machine learning model, homogenizing and normalizing data values, and removing noise to remove data for algorithm learning. Functions such as division are handled.

저장관리부(200)는, 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 저장해서 관리하는 수단으로서, 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 축적하여 개별 머신러닝 모델에서 사용할 수 있는 경로를 제공하고, 공정분석부(300) 및 성능예측부(400)의 분석데이터와 예측데이터를 축적해서 관리하게 된다.The storage management unit 200 is a means for storing and managing data processed by the input processing unit 100, accumulating the data processed by the input processing unit 100, providing a path that can be used in an individual machine learning model, and processing The analysis data and prediction data of the analysis unit 300 and the performance prediction unit 400 are accumulated and managed.

이러한 저장관리부(200)에서는 각종 혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터로부터 처리된 입력데이터의 원본을 축적하고 개별 머신러닝 모델에서 사용할 수 있는 경로를 제공하여 각 모델이 학습 데이터 및 예측 데이터를 축적하고 관리할 수 있는 역할을 수행하게 된다.The storage management unit 200 accumulates originals of input data processed from operation data, experimental data, and weather information data of various anaerobic digestion facilities and provides a path that can be used in individual machine learning models, so that each model learns and predicts data. It plays a role to accumulate and manage data.

공정분석부(300)는, 저장관리부(200)에 저장된 데이터에서 머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고 공정상태를 분석하고 공정변수를 예측하는 수단으로서, 운전데이터 예측수단(310), 공정분석수단(320) 및 공정변수 예측수단(330)으로 이루어져 있다.The process analysis unit 300 is a means for predicting operation data, analyzing process conditions and predicting process variables by machine learning from data stored in the storage management unit 200, operation data prediction means 310, process analysis means It consists of 320 and process variable prediction means 330.

운전데이터 예측수단(310)은, 시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하고 운전데이터를 예측하는 수단으로서, 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하게 된다.The driving data prediction means 310 is a means for learning time series changes of individual driving data and predicting driving data by driving through a time series analysis model, and detecting abnormal behaviors and errors of facilities and sensors using autocorrelation. The driving data is predicted.

이러한 운전데이터 예측수단(310)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 기기 및 센서 데이터 학습 및 예측 모델로서, 학습데이터 및 실험데이터가 입력되면 시계열분석 통계모델을 기반으로해서 머신러닝을 수행하기 위해 변수별 모델 구축과정(311)을 통해 각 운전 변수별로 모델식별, 모수추정, 모델진단의 단계를 거치 적합한 모델을 구축하게 된다.The driving data prediction means 310 is a device and sensor data learning and prediction model, as shown in FIG. 3, and when training data and experimental data are input, variables are used to perform machine learning based on a time series analysis statistical model. Through the model building process 311, suitable models are built through the steps of model identification, parameter estimation, and model diagnosis for each operation variable.

또한, 변수별 모델 구축과정(311)을 활용하여 실시간 운전데이터가 입력되면, 기기 및 센서의 데이터 예측과정(312)을 진행하여 개별 기기 및 센서의 향후 데이터를 실시간 예측하게 하게 된다. In addition, when real-time operation data is input using the model building process 311 for each variable, the data prediction process 312 of the device and the sensor is performed to predict the future data of individual devices and sensors in real time.

데이터 예측과정(312)에서 예측된 데이터는, 예측 데이터 검증과정(313)을 진행하여, 예측시점의 실제 데이터와 지속적으로 비교하여 모델의 오차를 검증하고 일정 오차율 범위를 초과하는 비정상의 경우에는 해당 변수의 모델을 업데이트 하도록 명령을 제공하게 된다. The data predicted in the data prediction process 312 is performed by performing the predictive data verification process 313, and continuously comparing with actual data at the prediction time to verify the model error and in case of abnormality exceeding a certain error rate range You will be given instructions to update the model of the variable.

이러한 운전데이터 예측수단(310)에서는 오차율에 대한 개선명령과 상관없이 각 모델은 매일 1회의 모델을 업데이트하고 개선 모델과 기존모델을 1일간 비교 운영하여 예측성능이 우수한 모델의 인자를 지속적 관리하도록 하는 것도 가능함은 물론이다.In the driving data prediction means 310, each model updates the model once a day regardless of the improvement order for the error rate, and compares and operates the improved model and the existing model for 1 day to continuously manage factors of the model with excellent predictive performance. Of course, it is possible.

공정분석수단(320)은, 주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 공정상태를 분석하는 수단으로서, 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하게 된다.The process analysis means 320 is a means for analyzing the process state by learning the normal operation state of the entire process and the unit process using the principal component analysis model, and analyzes the process state by deriving an abnormality detection and a cause variable.

이러한 공정분석수단(320)은 도 4에 나타난 바와 같이 공정상태 진단 및 원인분석 모델로서, 주성분분석 통계모델을 기반한 머신러닝으로 구동되며 공정이상 진단모델 구축과정(321)에서 데이터의 주성분 개수를 공분산과 고유값 및 고유벡터를 통해 결정하여 주성분분석 모델을 개발하고, 이를 기반으로 Hoteling T2 제어선의 계산과 SPE 제어선 계산을 수행하여 공정제어선을 설정하게 된다.The process analysis means 320 is a process state diagnosis and cause analysis model as shown in FIG. 4, driven by machine learning based on the principal component analysis statistical model, and co-distributes the number of main components of the data in the process abnormality diagnosis model construction process 321. The main component analysis model is developed by determining through eigenvalues and eigenvalues and eigenvectors. Based on this, the process control line is established by calculating the Hoteling T 2 control line and the SPE control line.

이렇게 개발된 모델은 실시간 입력되는 운전데이터 처리하여 공정이상 진단과정(322)을 수행함으로써, 현재 혐기소화 플랜트의 상태가 정상범위에 위치하는지를 파악하고 오차범위를 넘게 되면 모니터링 시스템에 알람을 주어 원인변수 확인과정(323)을 진행하도록 하게 된다.The developed model processes the operation data input in real time and performs a process error diagnosis process (322) to determine whether the current state of the anaerobic digestion plant is in the normal range, and if it exceeds the error range, the alarm is sent to the monitoring system to cause the cause variable. The verification process 323 is performed.

공정이상 진단과정(322)의 결과가 정상일 경우에는 예측데이터 검증과정(324)으로 넘어가게 되며 이 값들이 일정 오차율의 범위를 넘을 경우 모델 업데이트(Update)의 명령을 내리게 한다. If the result of the process abnormality diagnosis process 322 is normal, the process proceeds to the prediction data verification process 324, and when these values exceed a range of a certain error rate, a command of model update is issued.

이와 별개로 공정상태 진단 및 원인분석 모델은 매일 1회 업데이트 과정을 거치며 기존 모델과의 예측성능을 1일간 비교하여 운영하도록 하는 것도 가능함은 물론이다.Apart from this, the process status diagnosis and cause analysis model undergoes an update process once a day, and it is possible to compare and operate the predictive performance with the existing model for one day.

공정변수 예측수단(330)은, 부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 예측하는 수단으로서, 공정변수를 실시간 예측하게 된다.The process variable prediction means 330 is a means for learning a correlation between a process variable and a general operation variable and predicting the process variable using a partial least squares model, and predicts the process variable in real time.

공정변수 예측수단(330)은, 도 5에 나타낸 바와 같이 주요 공정변수 학습 및 예측 모델로서, 부분최소자승법 통계모델을 기반으로 머신러닝을 진행하게 되며, 학습데이터가 유입되면 변수 설정 및 데이터의 전처리 과정을 거쳐, 독립변수(X)와 종속변수(Y)의 데이터 스코어(Score)를 각각 산출하며 이들의 관계를 회귀분석 할 수 있는 부분최소자승법 모델 구축과정(331)을 진행하게 된다. The process variable predicting means 330 is a main process variable learning and prediction model, as shown in FIG. 5, and performs machine learning based on a partial least squares statistical model. When learning data flows, variable setting and data preprocessing After the process, the data score (Score) of the independent variable (X) and the dependent variable (Y) is calculated, respectively, and a partial least-squares model construction process (331) capable of regression analysis is performed.

또한, 주요변수 예측과정(332)을 통해 실시간으로 주요변수가 예측되며, 앞서의 모델들과 같이 예측 데이터의 검증과정(333) 및 모델 업데이트(Update)과정을 거치게 된다.In addition, the main variable is predicted in real time through the main variable prediction process 332, and the verification process 333 and the model update process of the predicted data are performed as in the previous models.

특히, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 공정분석수단(320)의 공정이상 진단 모델과 공정변수 예측수단(330)의 주요 공정변수 학습 및 예측 모델에 사용되는 데이터 내에서 변수의 사용이 비동시성으로 이루어지게 된다. In particular, as shown in FIGS. 4 and 5, the process anomaly diagnosis model of the process analysis means 320 and the main process variable learning of the process variable prediction means 330 and the use of variables within the data used in the prediction model are asynchronous. Will be made.

그 이유는 혐기소화 공정이 느린 처리속도와 높은 체류시간을 가지기 때문에 각 변수마다 공정성능과 주요변수에 영향을 미치는 시기가 다르고 그 지연시간이 일정하다고 할 수 없기 때문이다. The reason is that the anaerobic digestion process has a slow processing speed and a high residence time, so each variable has a different time to affect the process performance and main variables, and the delay time cannot be said to be constant.

따라서 데이터에서 각 변수의 타임시프트(Time Shift) 조합의 최적조건을 탐색하여 가장 모델의 예측성능을 높일 수 있는 형태의 데이터을 구성하도록 하는 것이 바람직하다. Therefore, it is desirable to construct data in a form that can improve the predictive performance of the most model by searching for the optimal condition of the time shift combination of each variable in the data.

이와 같이 실시간으로 입력되는 데이터도 이러한 타임시프트(Time Shift)의 조건에 맞게 변형되어 유입되도록 하며 모델의 업데이트 시, 타임시프트(Time Shift)에 대한 조합도 재검토 되도록 하는 것이 바람직하다.It is desirable that the data input in real time is also transformed and introduced according to the conditions of the time shift, and when the model is updated, the combination of the time shift is also reviewed.

또한, 공정분석수단(320)의 공정상태 진단 및 원인분석 모델은 전체공정에 대해서만 운영하는 것이 아니라 각각의 소화조 및 주요공정 단계에도 별도 적용하여 다중으로 검토함으로써 공정이상 발생 시, 어떤 소화조 및 공정에서 문제가 발생했는지를 보다 빠르고 정확하게 파악하고 그 원인을 분석할 수 있는 것도 가능함은 물론이다.In addition, the process status diagnosis and cause analysis model of the process analysis means 320 is not only operated for the entire process, but is applied to each digester and main process steps separately, and is reviewed in multiples. Of course, it is also possible to quickly and accurately determine whether a problem has occurred and analyze the cause.

성능예측부(400)는, 공정분석부(300)에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 도출하여 예측하는 수단으로서, 물리 모델 기반 운전성능을 도출하게 되며, 공정분석부(300)에서 예측된 변수 중 일부를 혐기소화 이론모델의 매개변수로 입력하여 운전자가 공정의 성능을 판단할 수 있는 지표를 제공하게 된다.The performance prediction unit 400 is a means for deriving and predicting performance variables by inputting process variables predicted by machine learning in the process analysis unit 300, and deriving driving performance based on a physical model. In 300), some of the predicted variables are input as parameters of the anaerobic digestion theory model to provide an indicator for the operator to judge the performance of the process.

결과출력부(500)는, 공정분석부(300)의 분석결과와 상기 성능예측부(400)의 예측결과를 출력하는 수단으로서, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하게 된다.The result output unit 500 is a means for outputting the analysis result of the process analysis unit 300 and the predicted result of the performance prediction unit 400, monitoring the entire process of the anaerobic digestion system and monitoring the status of each digester. By analyzing the degree of change in the state of process variables, an alarm of an abnormal condition of the anaerobic digestion system is provided.

이러한 결과출력부(500)에서는 각종 모델들을 통해 도출된 결과값들이 모티너링 차트 및 공정 분석결과를 통해 확인할 수 있으며, 전체공정 모니터링 및 각 소화조별 상태를 모니터링하여, 이상상태 알람의 주요원인 및 변수를 도출하는 것도 가능함은 물론이다.In the result output unit 500, results derived from various models can be checked through monitoring charts and process analysis results, and the entire process monitoring and the status of each digester are monitored, and the main causes and variables of the abnormality alarm Of course, it is also possible to derive.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 혐기소화 플랜트 현장에서 확보 가능한 운전데이터들을 통계학적인 기법을 통해 처리하여 전체 공정의 성능 및 이상상황에 대한 정보를 예측하고 분석할 수 있는 모델을 개발하고 데이터의 지속적인 학습을 통해 현장상황의 변화에 대응할 수 있도록 모델을 업데이트하여 이를 통해 운전자가 손쉽게 실시간으로 공정의 종합적 상황을 판단할 수 있는 정보를 제공할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, according to the present invention, the operation data obtainable at the anaerobic digestion plant site are processed through statistical techniques to develop a model that can predict and analyze the performance and anomalies of the entire process, and continuously By updating the model to respond to changes in the field situation through learning, it provides an effect that allows the operator to easily provide information to judge the overall situation of the process in real time.

또한, 머신러닝을 기반으로 공정 운전 빅데이터가 품고 있는 공정이상에 대한 징후를 예측하고 각 변수간의 상관관계를 통해 주요 원인을 도출할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, based on machine learning, it provides the effect of predicting the signs of process anomalies in the process operation big data, and deriving the main causes through correlation between each variable.

또한, 현장에서 운전자가 훨씬 더 안정적으로 공정을 운영할 수 있고, 공장이 중단되는 사고를 미연에 방지함으로써 설비 가동중지로부터 발생 가능한 많은 비용과 손실을 저감할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the operator can operate the process much more reliably in the field, and provide an effect of reducing many costs and losses that may occur from the shutdown of equipment by preventing accidents in which the plant is stopped.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다. The present invention described above may be embodied in various other forms without departing from its technical spirit or main characteristics. Therefore, the above embodiment is merely a mere illustration in all respects and should not be interpreted limitedly.

100: 입력처리부
200: 저장관리부
300: 공정분석부
400: 성능예측부
500: 결과출력부
100: input processing unit
200: storage management department
300: process analysis department
400: performance prediction unit
500: result output section

Claims (10)

머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단방법으로서,
입력데이터를 처리하는 입력처리단계;
머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고, 공정상태를 분석하고, 공정변수를 예측하는 공정분석단계;
상기 공정분석단계에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 예측하는 성능예측단계; 및
상기 공정분석단계의 분석결과와 상기 성능예측단계의 예측결과를 출력하는 결과출력단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법.
As a method of diagnosing an abnormality of an anaerobic digestion system using machine learning,
An input processing step of processing input data;
A process analysis step of predicting operation data by machine learning, analyzing process conditions, and predicting process variables;
A performance prediction step of predicting performance variables by inputting process variables predicted by machine learning in the process analysis step; And
And a result output step of outputting the analysis result of the process analysis step and the predicted result of the performance prediction step; an abnormality diagnosis method of an anaerobic digestion system using machine learning.
제 1 항에 있어서,
상기 입력처리단계는,
혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환하는 단계; 및
상기 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법.
According to claim 1,
The input processing step,
Converting operation data, experimental data, and weather information data of the anaerobic digestion system into input data; And
Pre-processing the converted input data into data for a machine learning model; Method for diagnosing an abnormality in an anaerobic digestion system using machine learning.
제 1 항에 있어서,
상기 공정분석단계는,
시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하고 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하는 단계;
주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하는 단계; 및
부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 실시간 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법.
According to claim 1,
The process analysis step,
Driving through a time series analysis model to learn the time series change of individual operation data and predicting operation data by detecting abnormal behaviors and errors of facilities and sensors using autocorrelation;
Learning the normal operation state of the entire process and unit process using the principal component analysis model to derive abnormality detection and cause variables to analyze the process state; And
Using a partial least-squares model, learning the correlation between the process variable and the general operating variable and predicting the process variable in real time; Machine diagnostic method of anaerobic digestion using machine learning comprising the.
제 1 항에 있어서,
상기 성능예측단계는, 상기 공정분석단계에서 예측된 변수 중 일부를 혐기소화 이론모델의 매개변수로 입력하여 운전자가 공정의 성능을 판단할 수 있는 지표를 제공하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법.
According to claim 1,
The performance prediction step, anaerobic using machine learning, characterized in that by providing some of the variables predicted in the process analysis step as parameters of the anaerobic digestion model, the operator provides an index to determine the performance of the process. Method for diagnosing abnormalities in fire extinguishing equipment.
제 1 항에 있어서,
상기 결과출력단계는, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단방법.
According to claim 1,
The result output step monitors the entire process of the anaerobic digestion system, monitors the state of each digester, analyzes the state change of the process variables, and provides machine learning characterized by providing an alarm of an abnormal state of the anaerobic digestion system. Method for diagnosing abnormalities in the anaerobic digestion system used.
머신러닝을 이용하여 혐기소화설비의 이상 운전상태를 진단하는 혐기소화설비의 이상 진단장치로서,
입력데이터를 처리하는 입력처리부(100);
상기 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 저장해서 관리하는 저장관리부(200);
상기 저장관리부(200)에 저장된 데이터에서 머신러닝에 의해 운전데이터를 예측하고, 공정상태를 분석하고, 공정변수를 예측하는 공정분석부(300);
상기 공정분석부(300)에서 머신러닝에 의해 예측된 공정변수를 입력하여 성능변수를 예측하는 성능예측부(400); 및
상기 공정분석부(300)의 분석결과와 상기 성능예측부(400)의 예측결과를 출력하는 결과출력부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치.
As an abnormality diagnosis device of an anaerobic digestion system that diagnoses an abnormal operation state of an anaerobic digestion system using machine learning,
An input processing unit 100 for processing input data;
A storage management unit 200 for storing and managing data processed by the input processing unit 100;
A process analysis unit 300 for predicting operation data by machine learning from the data stored in the storage management unit 200, analyzing process conditions, and predicting process variables;
A performance prediction unit 400 for predicting performance variables by inputting process variables predicted by machine learning in the process analysis unit 300; And
And a result output section (500) for outputting the analysis result of the process analysis section (300) and the prediction result of the performance prediction section (400).
제 6 항에 있어서,
상기 입력처리부(100)는,
혐기소화설비의 운전데이터와 실험데이터와 기상정보데이터를 입력데이터로 변환하는 변환수단; 및
상기 변환된 입력데이터를 머신러닝 모델용 데이터로 전처리하는 전처리수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치.
The method of claim 6,
The input processing unit 100,
Conversion means for converting the operation data, experimental data and weather information data of the anaerobic digestion equipment into input data; And
And pre-processing means for pre-processing the converted input data as data for a machine learning model; an apparatus for diagnosing an abnormality in an anaerobic digestion system using machine learning.
제 6 항에 있어서,
상기 저장관리부(200)는, 상기 입력처리부(100)에서 처리된 데이터를 축적하여 개별 머신러닝 모델에서 사용할 수 있는 경로를 제공하고, 상기 공정분석부(300) 및 상기 성능예측부(400)의 분석데이터와 예측데이터를 축적해서 관리하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치.
The method of claim 6,
The storage management unit 200 accumulates data processed by the input processing unit 100 to provide a path that can be used in individual machine learning models, and the process analysis unit 300 and the performance prediction unit 400 Analytical data and predictive data are accumulated and managed by the machine learning anaerobic digestion system abnormality diagnosis device.
제 6 항에 있어서,
상기 공정분석부(300)는,
시계열 분석모델을 통해 구동하여 개별 운전데이터의 시계열변화를 학습하고 자기상관관계를 이용하여 설비 및 센서의 이상거동 및 오류를 감지하여 운전데이터를 예측하는 운전데이터 예측수단;
주성분 분석모델을 이용하여 전체 공정 및 단위 공정의 정상 운전상태를 학습하여 이상감지 및 원인변수를 도출하여 공정상태를 분석하는 공정분석수단; 및
부분최소자승법 모델을 이용하여 공정변수와 일반 운전 변수 사이의 상관관계를 학습하고 공정변수를 실시간 예측하는 공정변수 예측수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치.
The method of claim 6,
The process analysis unit 300,
Driving data prediction means for predicting driving data by learning through time series analysis model to learn the time series changes of individual driving data and detecting abnormal behavior and errors of facilities and sensors using autocorrelation;
A process analysis means for learning the normal operation state of the entire process and the unit process using the principal component analysis model to derive abnormality detection and cause variables to analyze the process state; And
And a process variable prediction means for learning a correlation between a process variable and a general operation variable using a partial least-squares model and predicting the process variable in real time; an abnormality diagnosis device for an anaerobic digestion system using machine learning.
제 6 항에 있어서,
상기 결과출력부(500)는, 혐기소화설비의 전체공정을 모니터링하고 각 소화조별 상태를 모니터링하고 공정변수의 상태 변화도를 분석하여, 혐기소화설비의 이상상태의 알람을 제공하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 이용한 혐기소화설비의 이상 진단장치.
The method of claim 6,
The result output unit 500, by monitoring the entire process of the anaerobic digestion facility, monitors the status of each digester, and analyzes the state change of the process variable, to provide an alarm of the abnormal state of the anaerobic digestion facility An abnormal diagnosis device for anaerobic digestion equipment using machine learning.
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