WO2014157750A1 - Apparatus and method for providing causative factors for state of quality of effluent water from sewage treatment plant - Google Patents

Apparatus and method for providing causative factors for state of quality of effluent water from sewage treatment plant Download PDF

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Abstract

With the quality of effluent water from a sewage treatment plant being the complex product of external causative factors, including changes in the flow rate and property of influent water and changes in environmental factors such as temperature and rain, and internal causative factors including an operator's operational measures to stably maintain the quality of effluent water in response to the external causative factors, the present invention relates to an apparatus and a method for providing causative factors for the state of the quality of effluent water from a sewage treatment plant, the apparatus and method being capable of: extracting types and patterns for a series of undesirable states of effluent water quality, in case of the occurrence thereof, from cumulative data which is a record of the causal relationship between previously measured external and internal causative factors in processes and the effluent water quality; identifying the causes of the present effluent water quality; and providing same to an operator. Provided according to the present invention is an apparatus for providing causative factors for the state of the quality of effluent water from a sewage treatment plant, the apparatus comprising: a data collection unit for collecting influent/effluent water quality data and process operating data which are required for the provision of causative factors for the state of the quality of effluent water from a sewage treatment plant; a data processing unit for grouping the data collected by the data collection unit into sets at predetermined time intervals and processing same; a processing state determination unit for determining the state of processing the effluent water quality data among the processed sets of data by using a discriminant function prepared in advance; a decision tree application unit for applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined processing state and searching for a relevant rule among the rules which constitute a decision tree; and a process state causing factor provision unit for determining the causative factors for the state of the quality of the effluent water from the sewage treatment plant on the basis of the process operating data and influent/effluent water quality data comprising the rule searched for by the decision tree application unit and for providing same to an operator, wherein the process operating data includes at least one among the amount of aeration, amount of sludge disposal, amount of return sludge, amount of chemical feed, precipitability, and concentration of suspended matter in a reactor of the sewage treatment plant.

Description

하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치 및 방법Apparatus and method for providing causal factors for the condition of outflow water quality of sewage treatment plant
본 발명은 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 하수처리장의 유출수질은 유입수의 유량 및 성상의 변동과 기온, 강우 등의 환경적인 요인의 변화를 포함하는 외적인 원인인자와 그에 대응하여 유출수질을 안정하게 유지하기 위한 운전자의 운전방안이 포함된 내적인 원인인자의 복합적인 결과물로서, 어떠한 일련의 바람직하지 못한 유출수질 상태가 발생하였을 경우 기존에 측정된 공정의 외적, 내적인 원인인자와 유출수질의 인과관계의 기록인 누적데이터로부터 그 유형과 패턴을 추출하여 당면한 유출수질의 원인이 어디에 있는지를 파악하여 운전자에게 제공할 수 있는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for providing causal factors for the condition of effluent quality. In more detail, the effluent quality of the sewage treatment plant is an external cause including fluctuations in the flow rate and properties of the influent and changes in environmental factors such as temperature and rainfall, and in response to the driver's ability to maintain the effluent quality in a stable manner. A cumulative result of internal causal factors, including operational measures, that records the causal relationship between external and internal causal factors and runoff quality of a previously measured process in the event of any series of undesirable runoff conditions. The present invention relates to an apparatus and method for providing a causal factor for the condition of the sewage treatment plant effluent quality which can extract the type and pattern from the data to find out the cause of the effluent quality present and provide it to the driver.
생물학적 하수처리시설은 유입수에 포함되어 있는 제거대상물질인 유기물, 질소 및 인을 활성슬러지에 의해 제거하는 공정으로서, 공정의 성능은 매 시간마다 변하는 하수처리장 유입수 유량과 유입수에 포함되어 있는 수질항목들의 농도에 대응하여 운전자가 효율적으로 취해주는 운전조건의 변화 및 유지를 위한 동작에 따라 결정된다. 공정 운전자는 이러한 동작을 운전자의 경험적 지식 내에 존재하는 노하우에 의해 결정하여 실행에 옮기게 되는데, 이때 어떠한 유출수질 상황에 처했을때 어떠한 운전변수를 수정하여 공정을 안정하게 유지하는가에 대한 지식은 매우 주관적이어서, 인터뷰나 문헌조사를 통해서 추출하고자 하여도 쉽사리 객관화되지 않아 가시화된 문서나 무형의 규칙으로 추출되기 어렵다. 여기서 어떠한 유출수질 상태에 처했는지를 판단하는 과정과 그 상태가 어떠한 원인인자에 기인하는 것인지를 탐색하는 과정을 하수처리공정 진단이라고 칭한다. Biological sewage treatment facility is a process to remove organic matter, nitrogen and phosphorus, which are included in influent, by activated sludge. The performance of the process is changed every hour. Corresponds to the concentration, it is determined by the operation for changing and maintaining the driving conditions efficiently taken by the driver. The process operator decides and executes these actions based on the know-how existing in the driver's empirical knowledge. In this case, the knowledge of which run variables are modified to keep the process stable in the case of any water quality situation is very subjective. Subsequently, even if it is intended to be extracted through interviews or literature studies, it is not easily objectified, and thus it is difficult to extract into visualized documents or intangible rules. The process of determining what effluent quality is in the process and the process of searching for the cause of the effluent are called sewage treatment process diagnosis.
또한, 공정의 유출수질은 하수처리장의 유입수의 변동이나 기온 및 강우와 같은 외적인 요인과 공정의 운전변수의 복합적인 결과물이어서, 미숙한 운전자로서는 당면한 유출수질의 가장 유력한 원인이 어디에 있는지를 알아내기란 쉽지 않다. 만일 당면한 유출수질의 원인이 어떠한 구체적인 공정 외적인 원인과 내적인 원인들의 조합인지를 알아내어 운전자에게 제공할 수 있다면, 운전다는 이를 바탕으로 운전변수의 수정을 수행하여 공정을 보다 안정한 상태로 유지할 수 있을 것이다.  In addition, the runoff quality of the process is the result of a combination of external factors such as fluctuations in the sewage treatment plant, external factors such as temperature and rainfall, and operational variables of the process. Uneasy. If it is possible to find out what specific non-process and internal causes are the causes of the runoff quality, the driver can modify the operating parameters and keep the process more stable. will be.
이러한 하수처리장 공정의 진단 또는 운영방법은 그 동안 복잡한 수학적 모델링을 요하는 경우가 대부분이었다. 그 목적은 공정 운전자에게 어떠한 운전변수를 얼마만큼 변화시킬지를 모델 시뮬레이션을 통해 제공해 주기 위함이었다. 그러나 이러한 모델이 대상 공정의 거동을 잘 모사하게 되기까지는 모델의 계수값 최적화를 위한 데이터 수집과 계수 최적화 단계가 필수적으로 요구되며, 모델의 최적화 정도에 따라 그 운전변수의 변화량과 그에 따른 공정 성능의 변화를 운전자에게 제공함에 있어 그 정확도가 달라져 현장 적용을 위한 신뢰성 획득이 힘든 상황이었다.  Diagnosis or operation of such sewage treatment plant processes has often required complex mathematical modeling. The purpose was to provide the process operator with model simulation how much of the operating variables to change. However, the data collection and coefficient optimization steps are necessary to optimize the coefficient values of the model until these models are able to better simulate the behavior of the target process. In providing change to the driver, the accuracy has changed, making it difficult to achieve reliability for field applications.
공정 운전자는 좋지 않은 유출수질을 발견하였을 때, 당면한 유출수질과 공정 성능의 원인이 직접 제어하기 힘든 공정 외적인 인자들에 의한 것인지, 혹은 충분히 외란의 영향감소를 수행할 수 있는 상황임에도 어떠한 운전변수가 주로 현재의 유출수질에 주된 원인으로 작용하였는지를 알고 싶어 할 것이다.  When a process operator discovers poor effluent quality, the operating effluent quality and process performance may be caused by extra-process factors that are difficult to control directly, or even when there is a situation where the influence of disturbance can be sufficiently reduced. You may want to know if it has been a major contributor to current runoff.
이러한 점에서, 공정의 현재 상태에 주된 원인으로 작용하는 공정 내적, 외적 인자를 제공해 주는 공정 운영지원시스템 및 방법에 대한 개발이 시급한 상황이다. In this regard, there is an urgent need to develop a process operation support system and method that provides internal and external factors that contribute to the current state of the process.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 하수처리장의 유출수질은 유입수의 유량 및 성상의 변동과 기온, 강우 등의 환경적인 요인의 변화를 포함하는 외적인 원인인자와 그에 대응하여 유출수질을 안정하게 유지하기 위한 운전자의 운전방안이 포함된 내적인 원인인자의 복합적인 결과물로서, 어떠한 일련의 바람직하지 못한 유출수질 상태가 발생하였을 경우 기존에 측정된 공정의 외적, 내적인 원인인자와 유출수질의 인과관계의 기록인 누적데이터로부터 그 유형과 패턴을 추출하여 당면한 유출수질의 원인이 어디에 있는지를 파악하여 운전자에게 제공할 수 있는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve such a problem, the present invention is the outflow water quality of the sewage treatment plant is to respond to external causes including variations in the flow rate and characteristics of the influent and changes in environmental factors such as temperature, rainfall This is a complex result of the internal cause factors including the driver's operation plan to maintain the effluent quality stably.In the event of any series of undesirable effluent conditions, the external and internal causes of the previously measured process Apparatus for providing a causal factor for the condition of the sewage treatment plant to extract the type and pattern from the cumulative data, which is a record of the causal relationship between the factor and the effluent quality, to identify the cause of the present effluent and provide it to the driver. The purpose is to provide a method.
또한 본 발명은 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 탐색과정이 사전에 정의 된 일련의 알고리즘에 의해 자동으로 도출되도록 하여 인적자원에 의존하지 않고 객관적인 원인인자의 도출 및 제공이 가능하도록 하여 운전자에게 객관적 의사결정지원을 제공할 수 있는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, the present invention allows the search process of the cause factor for the state of the runoff quality is automatically derived by a series of predefined algorithms to enable the objective cause driver to be derived and provided without depending on human resources. The purpose of the present invention is to provide an apparatus and method for providing a causal factor on the condition of effluent quality which can provide decision support.
본 발명에 의하면, 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 수집하는 데이터수집부; 상기 데이터수집부에 의해 수집된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터가공부; 사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태판별부; 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무적용부; 및 상기 의사결정나무적용부에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공부;를 포함하되, 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치를 제공한다. According to the present invention, a data collection unit for collecting the inflow / outflow water quality data and process operation data required for the provision of the cause factor for the state of the outflow water quality of the sewage treatment plant; A data processing unit for processing the set data collected by the data collection unit at predetermined time intervals; A process state discriminating unit which determines a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a discrimination function prepared in advance; A decision tree applying unit searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state; And determining the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant based on the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree applying unit. Providing unit; Wherein, the process operation data is a sewage treatment plant outflow, characterized in that it comprises at least one of the aeration amount, sludge waste amount, sludge transport amount, chemical injection amount, sedimentation capacity and concentration of suspended solids in the reactor Provided is a causal factor providing device for the condition of water quality.
한편, 상기 공정상태판별부는 상기 데이터수집부 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터준비부; 상기 데이터준비부에 의해 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하는 유출수질그루핑부; 및 상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출하는 판별함수도출부;를 포함하되, 상기 공정상태판별부는 상기 판별함수도출부에 의해 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the process state discriminating unit is a data preparation unit for collecting the BOD, COD, SS, TN, TP data of the effluent quality of a certain section from the data collection unit or a separate database and set and process at a predetermined time interval; An effluent quality grouping unit for grouping the types of effluent quality by clustering all data hierarchically by clustering from the nearest data set using hierarchical clustering method for the data processed by the data preparation unit; And a discriminant function deriving unit for deriving a discriminant function to be used as a means for determining which type of new effluent quality data belongs to the type of the grouped effluent quality using Fisher's linear discriminant analysis. The process state discriminating unit may determine a process state of the outflow water quality data among the processed data using the discrimination function derived by the discriminating function extracting unit.
한편, 상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the decision tree is generated by the decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, the decision tree algorithm is characterized by the following equation.
[규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013] 
Figure WO-DOC-12
[Revision 29.05.2013 under Rule 91]
Figure WO-DOC-12
(여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
한편, 상기 공정상태 원인인자제공부는 상기 의사결정나무적용부에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 주는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the process state causal factor providing unit classifies the process operation data among the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree applying unit as an internal process cause factor of the sewage treatment plant. The inflow / outflow water quality data is categorized as an external process cause factor of the sewage treatment plant to determine whether the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant is an internal process factor or an external process cause factor and is provided to the driver. It is characterized by giving.
또한 본 발명에 의하면, 하수처리장으로부터 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 입력받는 데이터 입력단계; 상기 입력된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터 가공단계; 사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태 판별단계; 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무 적용단계; 및 상기 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공단계;를 포함하되, 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the data input step of receiving the inflow / outflow water quality data and process operation data required for the provision of the cause factor for the state of the outflow water quality from the sewage treatment plant; A data processing step of setting and processing the input data at predetermined time intervals; A process state determination step of determining a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a determination function prepared in advance; A decision tree applying step of searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state; And a process state causation factor providing step for determining a causal factor for the state of the outflow water quality of the sewage treatment plant based on the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the searched rule. The process operation data is characterized in that it comprises at least one or more of aeration amount, sludge waste amount, sludge conveyance amount, chemical injection amount, sedimentation capacity and the concentration of suspended solids in the reactor.
한편, 상기 공정상태 판별단계는 데이터수집부 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하여 상기 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하며, 상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출한 후, 상기 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the process state determination step is to collect the data of the BOD, COD, SS, TN, TP of the effluent quality of a certain section from the data collection unit or a separate database, and set the processing at a predetermined time interval to process the processed data Using hierarchical clustering, we clustered from the nearest dataset to cluster all the data hierarchically to group the type of runoff quality. After deriving a discrimination function to be used as a means for determining whether to belong, using Fisher's linear discriminant analysis, and using the derived discriminant function to determine the process state of the effluent quality data of the processed data.
한편, 상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the decision tree is generated by the decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, the decision tree algorithm is characterized by the following equation.
[규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013] 
Figure WO-DOC-18
[Revision 29.05.2013 under Rule 91]
Figure WO-DOC-18
(여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
한편, 상기 공정상태 원인인자제공단계는 상기 의사결정나무 적용단계에서 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 주는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the process factor providing step is to classify the process operation data among the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rules found in the decision tree application step as an internal process factor of the sewage treatment plant The inflow / outflow water quality data is categorized as an external process cause factor of the sewage treatment plant to determine whether the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant is an internal process factor or an external process cause factor and is provided to the driver. It is characterized by giving.
본 발명은 하수처리장 운영에 있어서의 현재 당면한 유출수질의 원인인자 탐색을 통한 공정의 운영지원을 수행할 수 있으며, 하수처리장의 공정운영에 있어 간단하며 핵심적인 공정 원인인자를 제공할 수 있고, 이러한 원인인자의 탐색과정이 사전에 정의된 일련의 알고리즘에 의해 자동으로 도출되도록 하여 인적자원에 의존하지 않고 객관적인 원인인자의 도출 및 제공이 가능한 효과가 있다. The present invention can perform the operation support of the process by searching for the cause of the current effluent quality in the operation of the sewage treatment plant, and can provide a simple and key process cause factor in the process operation of the sewage treatment plant. The search process of causal factors is automatically derived by a series of predefined algorithms, which makes it possible to derive and provide objective causal factors without depending on human resources.
또한 본 발명은 공정의 외적 원인인자(유입수질 및 유량의 변화 혹은 기상조건의 변화)에 의해 크게 영향을 받은 건인지 아니면 공정의 내적 원인인자에 의해 영향을 받은 것인지를 구분할 수 있어 하수처리장뿐만 아니라 하수관거를 통해 수집되는 하수의 성상과, 하수처리장의 운영, 그리고 방류수계의 수질관리를 통합적으로 수행할 경우 하수처리장의 운영을 개선할 것인가의 여부를 명확히 할 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention can distinguish whether it is greatly influenced by external factors of the process (changes in inflow quality and flow rate or changes in weather conditions) or internal factors of the process. Integrating sewage collection, sewage treatment plant operation, and discharge water quality management through sewage pipes can clarify whether to improve the operation of sewage treatment plants.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a causal factor providing apparatus for the state of the sewage treatment plant effluent quality according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법을 나타내는 순서도이다. Figure 2 is a flow chart showing a method for providing a causal factor for the state of the sewage treatment plant effluent quality in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 도출되는 원인인자에 관한 규칙들로 구성되는 의사결정나무의 일례를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating an example of a decision tree composed of rules regarding cause factors derived in accordance with an embodiment of the present invention.
본 발명에 의하면, 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 수집하는 데이터수집부; 상기 데이터수집부에 의해 수집된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터가공부; 사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태판별부; 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무적용부; 및 상기 의사결정나무적용부에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공부;를 포함하되, 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치를 제공한다.According to the present invention, a data collection unit for collecting the inflow / outflow water quality data and process operation data required for the provision of the cause factor for the state of the outflow water quality of the sewage treatment plant; A data processing unit for processing the set data collected by the data collection unit at predetermined time intervals; A process state discriminating unit which determines a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a discrimination function prepared in advance; A decision tree applying unit searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state; And determining the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant based on the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree applying unit. Providing unit; Wherein, the process operation data is a sewage treatment plant outflow, characterized in that it comprises at least one of the aeration amount, sludge waste amount, sludge transport amount, chemical injection amount, sedimentation capacity and concentration of suspended solids in the reactor Provided is a causal factor providing device for the condition of water quality.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 도출되는 원인인자에 관한 규칙들로 구성되는 의사결정나무의 일례를 나타내는 도면이다. 1 is a block diagram showing a causal factor providing apparatus for the state of the sewage treatment plant effluent quality according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a causal factor providing method for the state of effluent water quality according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating an example of a decision tree composed of rules regarding cause factors derived according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치(10)는 데이터수집부(100), 데이터가공부(200), 공정상태판별부(300), 의사결정나무적용부(400) 및 공정상태 원인인자제공부(500)를 포함한다. Referring to Figure 1, the causative factor providing apparatus 10 for the state of the sewage treatment plant effluent quality according to the present invention is the data collection unit 100, the data processing unit 200, the process state determination unit 300, decision making It includes a tree applying unit 400 and the process factor providing unit 500.
상기 데이터수집부(100)는 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 수집하는 역할을 한다. 상기 유입/유출 수질 데이터는 유입/유출유량과 유입/유출성분농도(BOD5, CODMn, SS, TN, TP 등)를 포함한다. 좀 더 구체적으로 살펴보면 상기 유입/유출 수질 데이터는 통상적으로 1일 1회 측정되어 기록되거나, 1일 수회 측정되어 그 결과의 평균값으로서 1일에 1개의 값으로 존재하는 하수처리장의 유입수와 유출수의 모든 수질항목들과 유입유량의 기록된 데이터를 말한다. 상기 유입/유출 수질 데이터는 하수처리장의 처리성능에 영향을 줄 수 있는 기온, 수온, 강우, 일조량, 습도 등의 기상인자를 포함할 수 있다. The data collection unit 100 collects inflow / outflow water quality data and process operation data required to provide a cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant. The inflow / outflow water quality data includes inflow / outflow flow rates and inflow / outflow component concentrations (BOD 5 , COD Mn , SS, TN, TP, etc.). In more detail, the inflow / outflow water quality data is usually measured once a day and recorded, or measured several times a day, and as an average value of the result, all of the inflow and outflow water of the sewage treatment plant existed as one value per day. Recorded data of water quality items and inflows. The inflow / outflow water quality data may include weather factors such as temperature, water temperature, rainfall, sunshine, and humidity that may affect the treatment performance of the sewage treatment plant.
상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 공정운영 데이터는 통상적으로 1일 1회 운전자에 의해 수정되어 공정에 적용되며, 그 결과가 기록으로서 존재하는 하수처리장의 운전인자로서 통상적으로 폭기량, 반응조의 DO농도, 슬러지반송량, 슬러지폐기량, 침전능(SVI, SV30) 중 하나 이상을 포함하는 운전인자의 기록된 결과물을 말한다. The process operation data includes at least one or more of aeration amount, sludge waste amount, sludge conveyance amount, chemical injection amount, sedimentation capacity, and suspended solids concentration in the reactor. In more detail, process operation data are typically modified once a day by the operator and applied to the process, and the results are typically the operating factors of the sewage treatment plant where the results are present as records, aeration volume, DO concentration and sludge in the reactor. Recorded results of operator factors including one or more of conveyed volume, sludge waste volume and sedimentation capacity (SVI, SV30).
상기 데이터가공부(200)는 상기 데이터수집부(100)에 의해 수집된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 역할을 한다. 상기 데이터가공부(200)는 서로 상이한 시간간격으로 수집된 데이터를 일일 혹은 일주일에 1개의 대표값으로 존재하도록 평균화하거나 아니면 기타 대표값을 선정하는 각종 통계적 방법에 의하여 가공하여 일정 시간간격으로 수집된 데이터가 세트화되어 존재하도록 하는 것을 의미한다. The data processing unit 200 serves to process and set the data collected by the data collection unit 100 at predetermined time intervals. The data processing unit 200 averages the data collected at different time intervals to exist as one representative value per day or week, or processes the data by various statistical methods for selecting other representative values and collected at predetermined time intervals. This means that data is present in a set.
상기 공정상태판별부(300)는 사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 역할을 한다. 즉, 상기 공정상태판별부(300)는 계층적 군집분석법에 의하여 도출된 유출수질의 상태유형과, 각 유형별로 도출되어 존재하는 판별함수를 활용하여 현재 당면한 유출수질이 어떠한 상태에 속하는지를 판별하는 것이다. The process state discriminating unit 300 serves to determine the process state of the outflow water quality data among the processed data by using a determination function prepared in advance. That is, the process state discriminating unit 300 determines which state the effluent quality currently in use belongs to by utilizing the state type of the effluent quality derived by hierarchical cluster analysis and the discrimination function derived for each type. will be.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 상기 공정상태판별부(300)는 데이터준비부(310), 유출수질그루핑부(320) 및 판별함수도출부(330)를 포함한다. 상기 데이터준비부(310)는 데이터수집부(100) 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 역할을 한다. 상기 유출수질그루핑부(320)는 상기 데이터준비부(310)에 의해 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하는 역할을 한다. 상기 판별함수도출부(330)는 상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출하는 역할을 한다. 따라서 상기 공정상태판별부(300)는 상기 판별함수도출부(330)에 의해 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하게 된다. In more detail, the process state discrimination unit 300 includes a data preparation unit 310, a effluent quality grouping unit 320, and a determination function extracting unit 330. The data preparation unit 310 collects BOD, COD, SS, TN, and TP data of effluent quality from a data collection unit 100 or a separate database, and sets and processes the data at predetermined time intervals. do. The effluent quality grouping unit 320 clusters all the data hierarchically by clustering the data processed by the data preparing unit 310 from the closest data set using a hierarchical clustering method. It serves to group. The discrimination function derivation unit 330 serves to derive a discrimination function to be used as a means for determining what type of new effluent quality data belongs to the type of the grouped effluent quality using Fisher's linear discrimination analysis. do. Therefore, the process state discriminating unit 300 determines the process state of the outflow water quality data among the processed data by using the discrimination function derived by the discriminating function extracting unit 330.
상기에서 언급된 계층적 군집분석법은 Ward가 제안한 거리계산법을 사용하여 각 데이터셋 간의 거리계산을 모두 수행하여 가장 가까운 거리를 가지는 데이터셋들을 묶어 나가거나 거리가 먼 데이터셋을 배제하여 나가는 방식으로 군집화를 수행하는 방법이다. 데이터셋을 묶어 그룹화한 덴드로그램을 분석함으로서 데이터를 군집화하고자 하는 자는 덴드로그램을 파악하여 군집의 개수를 결정하게 된다. 도출된 군집은 군집 내에 포함되어 있는 데이터셋들의 특성(각 수질항목들의 농도 범위, 평균 및 표준편차 등)을 파악함으로써 군집 별로 어떠한 수질 유형인지를 할당하게 된다. The hierarchical clustering method mentioned above clusters the datasets having the closest distance or excludes the farthest datasets by performing the distance calculation between each dataset using the distance calculation method proposed by Ward. How to do it. By analyzing the dendrograms that group and group the datasets, the person who wants to cluster the data determines the number of clusters by identifying the dendrograms. Derived clusters are assigned to each type of water quality by cluster by identifying the characteristics of the datasets included in the cluster (concentration range, mean and standard deviation of each water quality item, etc.).
상기 의사결정나무적용부(400)는 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 역할을 한다. 즉, 상기 의사결정나무적용부(400)는 공정상태판별부(300)로부터 탐색된 현재 당면한 유출수질의 상태 각각에 대하여 사전에 준비되어 존재하는 의사결정나무에 현재의 유입수질 및 환경인자, 공정운영 데이터를 적용하여 의사결정나무를 구성하는 다양한 규칙 중 어느 규칙에 해당하는지를 파악한다. The decision tree application unit 400 serves to search for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state. That is, the decision tree application unit 400 is prepared in advance for each of the current outflow water quality currently found from the process state discriminating unit 300, the current inflow water quality and environmental factors, processes Apply operational data to determine which of the various rules make up a decision tree.
좀 더 자세히 살펴보면, 상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출된다.In more detail, the decision tree is generated by the decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, and the decision tree algorithm is derived by the following equation.
[규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013] 
Figure WO-DOC-38
[Revision 29.05.2013 under Rule 91]
Figure WO-DOC-38
(여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
상기 의사결정나무는 그루핑된 수질 유형의 종류별로 데이터를 다시 재정렬하여, 입력 변수를 유입수 수질인자와 유입수 유량 및 운전이력변수들로 설정하여 향후 생성될 규칙의 분류기준으로서 작용하도록 하고, 분류하고자 하는 목표변수를 한가지 이상의 수질 유형으로 하는 규칙들의 집합체로서 존재한다. 상기 의사결정나무에서 생성된 규칙은 목표하고자 하는 대상이 좋다/나쁘다/보통이다 등의 분류 중 어디에 해당하는지를 알아보기 위한 기존의 일반적인 의사결정나무들과는 달리 하나의 유출수질 상태에 대하여 어떠한 원인들로 구성되는 경우의 수가 존재하는지를 도출해 내어 줄 수 있는 규칙으로 그 차별성이 존재하며, 목표 유출수질 상태의 1개 혹은 2개의 조합에 대하여 하나의 의사결정나무가 생성되도록 하는 것이 바람직하다. The decision tree rearranges the data again according to the type of the grouped water quality, and sets the input variables as influent water quality factors, influent flow rates, and operation history variables to act as classification criteria for rules to be generated in the future. It exists as a collection of rules that make the target variable one or more types of water quality. The rule generated from the decision tree is composed of some causes for one effluent quality, unlike the existing decision trees to find out whether the target is classified as good / bad / normal. There is a distinction as a rule to derive the number of cases, and it is desirable to have one decision tree for one or two combinations of the target runoff quality.
상기 공정상태 원인인자제공부(500)는 상기 의사결정나무적용부(400)에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 역할을 한다. 따라서 상기 공정상태 원인인자제공부(500)는 상기 의사결정나무적용부(400)에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 준다.The process state causal factor providing unit 500 may determine the state of the outflow water quality of the sewage treatment plant based on the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree application unit 400. The cause factor is judged and provided to the driver. Therefore, the process state cause factor providing unit 500 of the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree applying unit 400 is the process operation data in the process of the sewage treatment plant. The inflow / outflow water quality data is classified as an out-of-process cause factor of the sewage treatment plant, and whether the cause factor for the outflow water quality of the sewage treatment plant is an in-process or out-of-process cause factor. Determine and provide to the driver.
도 2를 참조하여 본 발명에 의한 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법을 설명하면 다음과 같다. Referring to Figure 2 describes the method for providing a causal factor for the condition of the effluent quality of the sewage treatment plant according to the present invention.
제 1단계는 하수처리장으로부터 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 입력받는 데이터 입력단계이다(S110).The first step is a data input step of receiving inflow / outflow water quality data and process operation data required for providing a causative factor for the condition of outflow water quality from the sewage treatment plant (S110).
제 2단계는 상기 입력된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터 가공단계이다(S120). The second step is a data processing step of processing by setting the input data at predetermined time intervals (S120).
제 3단계는 사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태 판별단계이다(S130). 상기 공정상태 판별단계(S130)는 데이터수집부(100) 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하여 상기 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하며, 상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출한 후, 상기 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별한다.The third step is a process state determination step of determining a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a determination function prepared in advance (S130). The process state determination step (S130) is to collect the data of the BOD, COD, SS, TN, TP of the effluent quality of a certain section from the data collection unit 100 or a separate database to set and process at a predetermined time interval Using hierarchical clustering, the processed data is clustered from the nearest dataset to cluster all the data hierarchically to group the type of runoff quality, and the new runoff quality data for the type of grouped runoff quality. After deriving a discriminant function to be used as a means for determining which type belongs to using Fisher's linear discriminant analysis, the derived discriminant function is used to determine the process state of the effluent quality data among the processed data.
제 4단계는 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무 적용단계이다(S140). 상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.The fourth step is a decision tree application step of searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state (S140). The decision tree is generated by a decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, and the decision tree algorithm is derived by the following equation.
[규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013] 
Figure WO-DOC-47
[Revision 29.05.2013 under Rule 91]
Figure WO-DOC-47
(여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
제 5단계는 상기 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공단계이다(S150). 상기 공정상태 원인인자제공단계(S150)는 상기 의사결정나무 적용단계(S140)에서 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 준다.The fifth step is a process state causal factor providing step for determining the causal factors for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant on the basis of the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the searched rules ( S150). In the process state providing factor (S150), the process operation data among the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched in the decision tree application step (S140) are internal causes of the sewage treatment plant. The inflow / outflow water quality data is classified as an external process cause factor of the sewage treatment plant to determine whether the cause factor for the effluent quality of the sewage treatment plant is an internal process factor or an external process cause factor. Give it to the driver.
이하, 실시예를 기준으로 본 발명에서 언급하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of providing a causal factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant mentioned in the present invention will be described with reference to Examples.
본 실시예에서는 해당 하폐수처리장의 유출수질의 유형을 도출하고 그 원인인자를 탐색하여 제공하기 위하여 하수처리장의 1일 1개 측정값의 유입수질과 1시간 당 1회 측정되는 유출수질의 값, 그리고 1일 1회 측정되어 기록되는 운전변수의 값을 수집하여 데이터 가공을 하였는 바, 이는 수집된 데이터를 1일 1 개의 데이터 셋으로 존재하도록 24 개의 유출수질 측정값을 일일평균으로 존재하게 하여 1일 1 데이터 셋으로 존재하도록 하였다. In this embodiment, the inflow water quality of the measured value per day of the sewage treatment plant and the value of the effluent quality measured once per hour in order to derive the type of effluent quality of the sewage treatment plant and to search for and provide the causative factor, The data was processed by collecting the values of the operating variables that were measured and recorded once a day. This means that the collected effluent quality values exist as a daily average so that the collected data exist as one data set per day. 1 data set.
해당 하수처리장에 존재해 왔던 유출수질의 유형을 추출하기 위하여 누적되어온 과거 데이터들 중 일정 구간의 데이터를 선별하여 1일 1데이터 셋으로 존재하도록 준비하고, 이를 계층적 군집분석을 통하여 유형을 그룹핑하였다. 원칙적으로 계층적 군집분석의 결과를 데이터 분석자가 판단하여 그룹의 개수를 주관적으로 지정하여 줄 수 있으나 본 발명에서는 5개에서 7개 사이의 그룹 수가 바람직한 것으로 설정하여 데이터 분석자의 주관적 개입 없이 발명 기술이 실시될 수 있도록 하였다. 아래 [표 1]은 5개-7개 군집갯수 지정시 작은 군집갯수로 결정하고자 할 때 5개의 군집이 존재하였던 이유로 선정된 해당 하수처리장의 5개의 수질항목의 평균값을 나타내고 있다.In order to extract the type of runoff quality that has existed in the sewage treatment plant, data from a certain period of the accumulated historical data were selected and prepared to exist as one data set per day, and types were grouped through hierarchical cluster analysis. . In principle, the data analyst judges the result of hierarchical cluster analysis to subjectively specify the number of groups. However, in the present invention, the number of groups between 5 and 7 is set as desirable so that the invention technology can be applied without subjective intervention of the data analyst. It could be done. [Table 1] below shows the average value of five water quality items in the sewage treatment plant selected because five clusters existed when the number of small clusters was determined when five to seven clusters were designated.
표 1
항목군집 BOD COD SS TN TP
5 1 1.7877 7.8802 3.0387 11.1056 1.1957
2 2.9679 8.3069 4.0626 11.7548 1.4858
3 2.5552 7.7299 4.2388 9.7709 1.2188
4 1.6517 6.8542 3.2975 7.2424 0.9602
5 1.3296 6.8516 3.3157 8.4893 1.5432
Table 1
Item cluster BOD COD SS TN TP
5 One 1.7877 7.8802 3.0387 11.1056 1.1957
2 2.9679 8.3069 4.0626 11.7548 1.4858
3 2.5552 7.7299 4.2388 9.7709 1.2188
4 1.6517 6.8542 3.2975 7.2424 0.9602
5 1.3296 6.8516 3.3157 8.4893 1.5432
또한, 위 평균값을 바탕으로 하여 각 유출수질 유형에 일련의 특징을 부여할 수 있는데 그것은 아래 [표 2]와 같다. In addition, a series of characteristics can be assigned to each type of runoff based on the above average values, as shown in Table 2 below.
[규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013] 
표 2
Figure WO-DOC-TABLE-2
[Revision 29.05.2013 under Rule 91]
TABLE 2
Figure WO-DOC-TABLE-2
위와 같이 도출된 1 ~ 5까지의 각 유형에 대하여 새로운 데이터셋이 발생할 때 어느 유형에 속하는지를 간단하게 판정할 수 있는 판별함수를 도출할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 계층적 군집분석에 의해 분류된 그룹을 외적 기준으로 두고, Fisher의 선형 판별분석을 통해 분류된 각 그룹에 대한 함수식 즉, 판별 함수식을 도출하였다. For each of the types 1 to 5 derived as described above, it is possible to derive a discrimination function that can easily determine which type the new dataset belongs to. That is, in the present invention, a group classified by hierarchical cluster analysis is taken as an external standard, and a functional formula for each classified group, that is, a discriminating functional formula, is derived through Fisher's linear discriminant analysis.
도출된 판별 함수식은 새로운 데이터 셋이 주어졌을 때, 각 그룹의 판별함수식을 통해 계산된 값의 크기 비교를 통해 가장 큰 값을 나타내는 그룹에 해당한다는 결론을 도출하게 함으로써, 기존의 분류된 그룹 중 어느 그룹에 속하는지에 대한 평가를 가능하게 한다. 그리고, 판별함수에 의한 그룹 분류의 정확성의 평가를 위해 교차 타당성(Cross-validation) 기법이 이용되었다. Given a new data set, the derived discriminant function gives a conclusion that it is the group representing the largest value by comparing the magnitudes of the values computed by the discriminant function of each group, so that any of the existing classified groups Enable evaluation of belonging to groups. In addition, a cross-validation technique was used to evaluate the accuracy of group classification by the discriminant function.
교차 타당성 기법은 일반적으로 다음과 같은 방법에 의해 수행된다 총 관측치들의 수가 N개라고 할 때, I번째(I=1,2, ..., N) 관측치를 제외한 N-1개의 관측치가 분류 규칙 즉 판별함수를 도출하기 위한 분석 표본으로 사용되고, I번째 관측치가 평가 표본(validation sample)으로 사용된다. I번째 관측치에 N-1개의 관측치들을 사용하여 도출된 분류 규칙을 적용하여, I번째 관측치가 속하는 그룹이 결정되고, 이러한 절차가 첫 번째 관측치에서부터 N 번째 관측치에 이르기까지(즉, I=1에서부터 N까지) 순차적으로 반복 적용된다. 그 뒤, 도출된 분류 규칙에 의한 그룹 분류의 정확도는 이들 규칙에 의해 분류된 그룹과 외적 기준에 의해 주어진 실제 그룹을 비교함으로써 평가된다.The cross-validity technique is generally performed by the following method. Given that the total number of observations is N, N-1 observations except for the I (I = 1, 2, ..., N) observations are classified. In other words, it is used as an analysis sample to derive the discrimination function, and the I observation is used as the evaluation sample. By applying a classification rule derived using N-1 observations to the I observation, the group to which the I observation belongs belongs is determined, and this procedure is performed from the first observation to the N observation (that is, from I = 1 Up to N) is applied sequentially. The accuracy of group classification by the derived classification rule is then evaluated by comparing the group classified by these rules with the actual group given by the external criteria.
따라서 Fisher의 선형 판별분석을 통해 도출된 판별함수를 이용하여 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하고, 상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하여 의사결정나무를 구성한 결과가 도 3에 잘 나타나 있다. 도 3의 의사결정나무는 분류성능을 강화하기 위해 두 가지 이상의 수질 유형에 관하여 의사결정나무를 구성한 것으로서, 즉 가장 그룹별 성질이 다른 3유형과 5유형을 함께 묶어 의사결정나무를 생성한 결과로서, 각각의 규칙 하나하나가 모두 공정의 내적 원인인자와 외적 원인인자의 복합적 원인을 지칭하는 변수들로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이를 통해 공정의 운영상태 원인인자를 "강우로 인해 반응조 내의 체류시간이 짧아짐과 동시에 짧게 유지되었던 SRT로 인해(유출수질의 원인) 처리공정의 SS제거율과 TP제거율이 좋지 않다(당면한 유출수질의 유형)."라는 공정상태 및 원인을 운전자에게 제공해 줄 수 있다. Therefore, using the discriminant function derived through Fisher's linear discriminant analysis, the process state of effluent quality data is determined from the processed data, and the decision tree algorithm is applied to the determined process state by applying the prepared decision tree algorithm. The results of constructing the decision tree by searching for the corresponding rule among the rules are shown well in FIG. 3. The decision tree of FIG. 3 constitutes a decision tree with respect to two or more types of water quality in order to enhance the classification performance, that is, as a result of generating the decision tree by tying together three types and five types having the most different group characteristics. In addition, it can be seen that each rule consists of variables that refer to the combined cause of the internal and external cause factors of the process. As a result, the factor of operation status of the process is "The SS removal rate and the TP removal rate of the treatment process are not good because of the SRT (the cause of the effluent water quality) which was kept short due to the shortening of the residence time in the reactor due to the rainfall. Process status and cause can be provided to the operator.
본 발명에 의한 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자제공장치 및 방법은 기존의 복잡한 수학적 모델에 기반한 공정운영지원 시스템에 비해, 운전자에게 "현재의 유출수질의 상태는 유기물 제거능은 좋으며/보통이며/나쁘며, 질소 및 인 제거능은 좋으며/보통이며/나쁘며, 주된 원인은 일상적인 외부 교란인자임에도 불구하고 폭기조 DO농도를 부적절하게 유지한/반응조의 MLSS 농도가 너무 낮은/폐슬러지양이 작아 SRT가 너무 짧은/등등 때문입니다." 등의 복합적이나 분명한 정보를 포함한 하나의 문장으로 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 제공하여 운전자로 하여금 객관적 의사결정지원이 가능하도록 하고 있다. The apparatus and method for providing the causative agent for the condition of the effluent quality of the sewage treatment plant according to the present invention are compared to the process operation support system based on the existing complicated mathematical model, and to the operator, "The current effluent quality is good and / or normal. / Bad, good removal of nitrogen and phosphorus / normal / bad, the main cause is improperly maintained aeration tank DO concentration despite routine external disturbance factors / MLSS concentration in the reaction tank is too low / waste sludge amount is small Because it's too short / etc. " One sentence, which contains complex or clear information, is provided as a causal factor for the condition of the effluent quality so that the driver can support objective decision-making.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may various modifications without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed herein are not intended to limit the present invention but to describe the present invention, and the spirit and scope of the present invention are not limited by these embodiments. It is intended that the scope of the invention be interpreted by the following claims, and that all descriptions within the scope equivalent thereto shall be construed as being included in the scope of the present invention.
본 발명은 어떠한 일련의 바람직하지 못한 유출수질 상태가 발생하였을 경우 기존에 측정된 공정의 외적, 내적인 원인인자와 유출수질의 인과관계의 기록인 누적데이터로부터 그 유형과 패턴을 추출하여 당면한 유출수질의 원인이 어디에 있는지를 파악하여 운전자에게 제공함으로서 하수처리장의 유출수질의 상태를 파악하기 때문에 하수처리장에 널리 사용될 수 있다. The present invention extracts the type and pattern from the cumulative data, which is a record of the causal relationship between the external and internal causative factors of the existing process and the effluent quality, if any series of undesirable effluent conditions occur. It can be widely used in sewage treatment plants because it grasps the condition of outflow water in sewage treatment plants by providing the driver where the cause is.

Claims (8)

  1. 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 수집하는 데이터수집부; A data collection unit for collecting inflow / outflow water quality data and process operation data necessary for providing a causative factor on the condition of outflow water quality of the sewage treatment plant;
    상기 데이터수집부에 의해 수집된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터가공부; A data processing unit for processing the set data collected by the data collection unit at predetermined time intervals;
    사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태판별부; A process state discriminating unit which determines a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a discrimination function prepared in advance;
    상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무적용부; 및 A decision tree applying unit searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state; And
    상기 의사결정나무적용부에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공부;를 포함하되, Process condition cause factor which provides the driver by determining the cause factor for the condition of outflow water quality of sewage treatment plant based on process operation data and inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree application unit. Including;
    상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치.  The process operation data is a cause factor for the state of the sewage treatment plant effluent quality, characterized in that it comprises at least one or more of the aeration amount, sludge waste amount, sludge transport amount, chemical injection amount, sedimentation capacity and the concentration of suspended solids in the reactor. Providing device.
  2. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 공정상태판별부는 The process state discriminating unit
    상기 데이터수집부 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터준비부;A data preparation unit for collecting BOD, COD, SS, TN, and TP data of effluent quality from a data collection unit or a separate database, and processing the set data at predetermined time intervals;
    상기 데이터준비부에 의해 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하는 유출수질그루핑부; 및An effluent quality grouping unit for grouping the types of effluent quality by clustering all data hierarchically by clustering from the nearest data set using hierarchical clustering method for the data processed by the data preparation unit; And
    상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출하는 판별함수도출부;를 포함하되,And a discriminant function deriving unit for deriving a discriminant function to be used as a means for determining which type of data of the new effluent quality belongs to the type of the grouped effluent quality using Fisher's linear discriminant analysis.
    상기 공정상태판별부는 상기 판별함수도출부에 의해 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치.And said process state discriminating unit determines a process state of effluent quality data among said processed data using said discrimination function derived by said discriminating function extracting unit.
  3. [규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013]
    제 2항에 있어서,
    상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치.
    Figure WO-DOC-c3
    (여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)
    [Revision 29.05.2013 under Rule 91]
    The method of claim 2,
    The decision tree is generated by the decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, and the decision tree algorithm is a causal factor for the state of the sewage treatment plant effluent quality, which is derived by the following equation. Providing device.
    Figure WO-DOC-c3
    Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
  4. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 공정상태 원인인자제공부는 상기 의사결정나무적용부에 의해 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 주는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공장치.The process state cause factor providing unit classifies the process operation data among the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rule searched by the decision tree applying unit as an internal process cause factor of the sewage treatment plant, The inflow / outflow water quality data is classified as an external process cause factor of the sewage treatment plant to determine whether the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant is the intrinsic or non-process causal factor and provides it to the driver Apparatus for providing a causal factor for the condition of the effluent quality of the sewage treatment plant.
  5. 하수처리장으로부터 유출수질의 상태에 대한 원인인자의 제공에 필요한 유입/유출 수질 데이터 및 공정운영 데이터를 입력받는 데이터 입력단계; A data input step of receiving inflow / outflow water quality data and process operation data necessary for providing a cause factor on the condition of outflow water quality from the sewage treatment plant;
    상기 입력된 데이터를 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하는 데이터 가공단계; A data processing step of setting and processing the input data at predetermined time intervals;
    사전에 준비된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 공정상태 판별단계; A process state determination step of determining a process state of the outflow water quality data among the processed data by using a determination function prepared in advance;
    상기 판별된 공정상태에 대하여 사전에 준비된 의사결정나무 알고리즘을 적용하여 의사결정나무를 구성하는 규칙들 중 해당되는 규칙을 탐색하는 의사결정나무 적용단계; 및 A decision tree applying step of searching for a corresponding rule among rules constituting the decision tree by applying a decision tree algorithm prepared in advance to the determined process state; And
    상기 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터를 기준으로 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자를 판단하여 운전자에게 제공하는 공정상태 원인인자제공단계;를 포함하되, And a process state causation factor providing step for determining a causal factor on the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant based on the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the searched rule.
    상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 폭기량, 슬러지폐기량, 슬러지반송량, 약품주입량, 침전능 및 반응조 내 부유물질 농도 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법.  The process operation data is a cause factor for the state of the sewage treatment plant effluent quality, characterized in that it comprises at least one of the aeration amount, sludge waste amount, sludge conveyance amount, chemical injection amount, sedimentation capacity and the concentration of suspended solids in the reactor. How to Provide.
  6. 제 5항에 있어서,The method of claim 5,
    상기 공정상태 판별단계는 데이터수집부 또는 별도의 데이터베이스로부터 일정구간의 유출수질의 BOD, COD, SS, TN, TP의 데이터를 수집하여 일정시간 간격으로 세트화시켜 가공하여 상기 가공된 데이터들에 대해 계층적 군집분석법을 이용하여 가장 가까운 데이터셋으로부터 군집화하여 계층적으로 모든 데이터들을 군집화하여 유출수질의 유형을 그루핑하며, 상기 그루핑된 유출수질의 유형에 대하여 새로운 유출수질의 데이터가 어떠한 유형에 속하는지를 판별하기 위한 수단으로 사용될 판별함수를 Fisher의 선형 판별분석을 이용하여 도출한 후, 상기 도출된 판별함수를 이용하여 상기 가공된 데이터 중 유출수질 데이터의 공정상태를 판별하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법.The process state determining step is to collect the data of the BOD, COD, SS, TN, TP of the effluent quality from a data collection unit or a separate database and set and process at a predetermined time interval for the processed data Using hierarchical clustering, cluster from the nearest dataset to cluster all the data hierarchically to group the type of runoff quality, and to determine what type of new runoff quality data belongs to the type of the grouped runoff quality. After deriving a discriminant function to be used as a means for discriminant using Fisher's linear discriminant analysis, using the derived discriminant function, the process state of the runoff quality data among the processed data is determined. How to provide causal factors for the condition of water quality.
  7. [규칙 제91조에 의한 정정 29.05.2013]
    제 6항에 있어서,
    상기 의사결정나무는 상기 그루핑된 유출수질에 대해 개별적으로 의사결정나무 알고리즘에 의해 생성되며, 상기 의사결정나무 알고리즘은 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법.
    Figure WO-DOC-c7
    (여기서, Pi는 S가 i분류에 속하는 분율이며, A는 한 변수, Sv는 변수 A가 v라는 값을 가질 때의 S의 부분집합을 말함.)
    [Revision 29.05.2013 under Rule 91]
    The method of claim 6,
    The decision tree is generated by a decision tree algorithm separately for the grouped effluent quality, and the decision tree algorithm is a causal factor for the condition of the effluent quality of the sewage treatment plant, which is derived by the following equation. How to Provide.
    Figure WO-DOC-c7
    Where Pi is the fraction of S belonging to class i, A is a variable, and Sv is a subset of S when variable A has the value v.
  8. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
    상기 공정상태 원인인자제공단계는 상기 의사결정나무 적용단계에서 탐색된 규칙을 구성하고 있는 공정운영 데이터 및 유입/유출수질 데이터 중 상기 공정운영 데이터는 하수처리장의 공정 내적인 원인인자로 분류하고, 상기 유입/유출수질 데이터는 하수처리장의 공정 외적인 원인인자로 분류하여 하수처리장의 유출수질의 상태에 대한 원인인자가 상기 공정 내적인 원인인자인지 아니면 상기 공정 외적인 원인인자인지를 판단하여 운전자에게 제공하여 주는 것을 특징으로 하는 하수처리장 유출수질의 상태에 대한 원인인자 제공방법.The process state causal factor providing step is to classify the process operation data among the process operation data and the inflow / outflow water quality data constituting the rules found in the decision tree application step as the in-process cause factors of the sewage treatment plant. The inflow / outflow water quality data is classified as an external process cause factor of the sewage treatment plant to determine whether the cause factor for the condition of the outflow water quality of the sewage treatment plant is the intrinsic or non-process causal factor and provides it to the driver. Method for providing a causal factor for the condition of the effluent quality of the sewage treatment plant.
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