一种基于大数据与进化算法的精确溶氧控制调节方法技术

本发明专利技术涉及一种基于大数据与进化算法的精确溶氧控制调节方法，该系统包括三个子系统：“仿真+模型”的预处理系统，利用污水厂的历史数据进行工艺建模；“前馈+模型+反馈”的控制系统，通过预处理系统得到运行参数和经模型计算得出气量平衡稳态值，按照该气量对各控制区进行精确控制，该控制系统包含数据采集模块，数据处理模块，鼓风机控制模块，阀门控制模块；“大数据+进化算法”的校验系统，利用运行前后数据，对系统参数进行模拟计算并校正，提高控制稳定性。本发明专利技术具有设计合理、操作简便、性能可靠稳定、能够被广泛推广使用等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于大数据与进化算法的精确溶氧控制调节方法
本专利技术涉及城市污水处理好氧池曝气工艺优化控制，尤其涉及精确曝气控制。
技术介绍
活性污泥法的曝气过程是为去除有机碳、硝化、吸磷等过程提供适宜的溶解氧，以促进三种生化反应的正常进行。曝气流量控制的目标是形成稳定的溶解氧条件，为微生物生长与污染物降解建立一个动态平衡和可靠的生存环境。这一动态平衡过程的实质是使总氧转移速率近似等于总耗氧速率。由于污水厂的进水水质和水量是变化的，在特定的时间段内其耗氧量也是变化的，只有使该时段内的供氧量和耗氧量相均衡，才能保证处理环境的稳定，从而保证出水水质。为了对生物池内溶解氧(DO)环境进行精确控制，有必要对DO的动态平衡过程进行充分的认识，其包含两个过程：一是氧气的扩散和溶解。在鼓风曝气系统中主要体现为空气从曝气池底部的曝气头释放后，空气中的氧气从气相向液相中转移。二是溶解氧的利用和消耗。这个过程综合了好氧处理过程的有机碳去除过程、氨氮硝化、生物除磷等，是由多个过程综合作用的结果。
技术实现思路
针对现有技术中精确曝气控制的不稳定，本专利技术的目的在于：提高精确曝气系统的稳定性，稳定出水水质，节约鼓风机能耗，减少人工操作，其具有设计合理、操作简便、可视化强、性能可靠稳定、易于推广使用等优点。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：精确曝气控制系统采用“仿真+模型+前馈+反馈+大数据+进化算法”的设计思路，主要分为三个子系统：(1)“仿真+模型”的预处理系统。通过对污水厂的历史运行数据和化验数据进行分析处理，确定污水厂运行参数；再利用运行参数建立“模型”；最后通过实时运行数据、化验数据和“大数据+进化算法”工具校验仿真模型，最后得到可靠的运行参数。通过这个过程，可以获得污水厂的动态DO设定值、回流污泥量稳态值、气量平衡稳态值以及这些值随进水负荷的变化趋势值。(2)“前馈+模型+反馈”的控制系统。通过上面设计过程中得到运行参数和经模型计算得出气量平衡稳态值，按照该气量对各控制区进行精确控制；再利用模型对鼓风机总气量进行实时控制；最后通过反馈数据和“大数据+进化算法”工具校验控制效果并修订控制参数，达到稳定控制效果。(3)“大数据+进化算法”的检验系统。大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理。从技术上看，大数据与污水厂优化运行的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。在精确曝气控制过程中，大数据贯穿始终，为优化控制参数提供支持。附图说明图1.单座生化池溶解氧控制区划分图2.鼓风机组无盲区曲线图图3是本专利技术精确曝气的整体流程与结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术精确曝气控制系统作以详细说明，并结合一具体实施例对效果作以说明。曝气的精确控制分为时间与空间两个维度，在空间上对生物池进行溶解氧分区控制，满足不同工艺段对曝气量的需求；在时间上随进水负荷变化动态设定DO值，满足不同进水工况下的曝气需求。根据某污水厂生物池和曝气管路设计，将单组生物反应池划分成Π(此例中Π＝4)个溶解氧控制区，生物池共设置2Π个溶解氧控制区，实现对溶解氧的精确控制。单座池溶解氧控制区划分如图1所示：一、鼓风机控制1.精确曝气系统对于鼓风机系统控制精确曝气系统与鼓风机系统在一个环网中，双方之间可以进行通讯。精确曝气系统依据进水水质、水量和生物池的状态变化，依据模型和大数据动态计算出鼓风机系统的压力或流量，再通过通讯方式给予鼓风机系统，实时动态调节鼓风机系统的曝气量，节约曝气能耗。2.精确曝气系统对于鼓风机系统控制要求精确曝气对鼓风机系统控制原理具有如下功能：(1)就地控制功能鼓风机具有就地控制柜LCP(LocalControlPanel)，LCP可以进行就地和远程进行切换：当切换到就地模式时，鼓风机可在LCP上进行启停和调节风量操作；当切换到远程模式时，可以通过主控柜MCP(MasterControlPanel)进行启停和调节风量。(2)远程控制功能鼓风机系统MCP是鼓风机系统的主控柜，起到与第三方系统连接的窗口作用。MCP可以接受来自第三方系统设定压力(或流量)和实际压力(或流量)信号，通过这些信号对鼓风机系统进行有效调节。3.精确曝气系统对于鼓风机系统要求(1)调节盲区鼓风机系统没有调节盲区，以流量调节为例：不能出现开启一台鼓风机风量不够，开启两台鼓风机风量富余的情况，否则就会在精确曝气调节过程中，使鼓风机频繁启停。鼓风机之间的启停调节曲线如图2：(2)响应时间当鼓风机系统不自动启停鼓风机操作时，在5分钟内达到精确曝气系统的压力或气量要求；当鼓风机系统自动启停鼓风机操作时，在15分钟内使系统气量达到稳定状态。(3)互相通讯为使精确曝气系统和鼓风机系统双方无障碍通讯，需保证鼓风机MCP具有以太网通讯功能，同时保证PLC品牌应该与现场自控系统或精确曝气系统PLC系统品牌一致。MCP支持与精确曝气系统互相检测通讯心跳功能。(4)故障切换鼓风机系统具备故障保护功能，当通讯出现故障时，可立即切换到本地运行，保护鼓风机系统。精确曝气对鼓风机的控制，分为以下几种情况：精确曝气与鼓风机MCP通讯正常情况下，是由精确曝气给予鼓风机设定压力(或流量)和实际压力(或流量)，对鼓风机进行自动调节，无需人工干预；精确曝气与鼓风机MCP通讯突然异常时，MCP自动切换到本地运行状态，保持鼓风机现有状态不变，当通讯恢复后，可通过中控系统切换到精确曝气控制模式；精确曝气系统与污水厂中控系统是并行系统，当出现故障时，可一键退出和启用精确曝气系统；当退出精确曝气系统后，中控系统也可远程控制鼓风机MCP，此时分为两种情况：·中控系统与鼓风机MCP通讯正常情况下，是由中控系统手动给予鼓风机设定压力(或流量)和实际压力(或流量)，对鼓风机进行调节；·中控系统与鼓风机MCP通讯突然异常时，MCP自动切换到本地运行状态，保持鼓风机现有状态不变，当通讯恢复后，可通过中控系统切换到中控手动控制模式；上述的对实施例的描述是为便于该
的普通技术人员能理解和应用本专利技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本专利技术不限于本说明的实施例，本领域技术人员根据本专利技术的揭示，不脱离本专利技术范畴所做出的改进和修改都应该在本专利技术的保护范围之内。二、基于大数据+进化算法的控制参数优化方法目前水厂中精确曝气控制参数多由操作人员人工设定，为使水厂运行基本达标操作人员需多次调节运行参数，该方法具有耗时长，调节粗糙，系统鲁棒性差，无法达到精确控制的缺点，寻找一种能够快速优化控制参数的方法是十分有必要的。由于实际水厂历史数据缺少曝气准确控制目标，仅能给出溶氧控制范围，使得该问题具有不适用于监督学习算法，同时具有滞后性大的特点。不同于监督学习，进化算法需要智能体在不断试错中进行学习，通过与环境的交互获得奖励从而指导智能体的行为。为保护环境，使污水处理厂出水达标，水厂实际运行中无法进行破坏性试验。然而进化算法需要不断在试错中学习，通过与环境的交互最终给出较优控制参数。为解决这一矛盾，设计了优化曝气控制参数的两阶段法：在第一阶段，从积累的水厂历史数据分析水厂固有特征，并建立模型模拟水厂相关模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于“仿真+模型+前馈+反馈+大数据+进化算法”的生物池精确曝气系统，其特征在于包括三个子系统：(1)“仿真+模型”的预处理系统；通过对污水厂的历史运行数据和化验数据进行分析处理，确定污水厂运行参数；再利用运行参数建立“模型”；最后通过实时运行数据、化验数据和“大数据”工具校验仿真模型，最后得到可靠的运行参数；通过这个过程，获得污水厂的动态DO设定值、回流污泥量稳态值、气量平衡稳态值以及这些值随进水负荷的变化趋势值；(2)“前馈+模型+反馈”的控制系统；通过上面设计过程中得到运行参数和经模型计算得出气量平衡稳态值，按照该气量对各控制区进行控制；再利用模型对鼓风机总气量进行实时控制；最后通过反馈数据和“大数据”工具校验控制效果并修订控制参数，达到稳定控制效果，控制系统包括数据采集模块，数据处理模块，鼓风机控制模块，阀门控制模块；(3)“大数据+进化算法”的检验与参数校正系统；在精确曝气控制过程中，以减少阀门调节和节约气量为目的建立的进化算法模型，通过积累的水厂曝气、溶氧、水量等大量数据进行学习得到的控制参数，能够达到提高系统控制的鲁棒性、减少阀门频繁开关从而延长阀门使用寿命和节约电能的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种基于“仿真+模型+前馈+反馈+大数据+进化算法”的生物池精确曝气系统，其特征在于包括三个子系统：(1)“仿真+模型”的预处理系统；通过对污水厂的历史运行数据和化验数据进行分析处理，确定污水厂运行参数；再利用运行参数建立“模型”；最后通过实时运行数据、化验数据和“大数据”工具校验仿真模型，最后得到可靠的运行参数；通过这个过程，获得污水厂的动态DO设定值、回流污泥量稳态值、气量平衡稳态值以及这些值随进水负荷的变化趋势值；(2)“前馈+模型+反馈”的控制系统；通过上面设计过程中得到运行参数和经模型计算得出气量平衡稳态值，按照该气量对各控制区进行控制；再利用模型对鼓风机总气量进行实时控制；最后通过反馈数据和“大数据”工具校验控制效果并修订控制参数，达到稳定控制效果，控制系统包括数据采集模块，数据处理模块，鼓风机控制模块，阀门控制模块；(3)“大数据+进化算法”的检验与参数校正系统；在精确曝气控制过程中，以减少阀门调节和节约气量为目的建立的进化算法模型，通过积累的水厂曝气、溶氧、水量等大量数据进行学习得到的控制参数，能够达到提高系统控制的鲁棒性、减少阀门频繁开关从而延长阀门使用寿命和节约电能的目的。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：“仿真+数据+模型”的预处理系统中采集的实时数据包括：进出水COD和氨氮、进出水流量、好氧池MLSS、DO和ORP。3.根据权利要求1所述的精确曝气系统，其特征在于：“前馈+模型+反馈”的控制系统中数据采集模块每间隔1-10s采集一次；数据处理模块将采集的数据进行了滑动滤波处理，当采集的数据有跳跃时，进行了数据去跳处理；鼓风机控制模块是依据系统计算出的压力或流量，间隔5-60min控制鼓风机；阀门控制模块是依据系统计算出的流量，间隔1-5min控制阀门。4.根据权利要求1所述的精确曝气系统，其特征在于：将间隔1min采集的实时数据和化验数据通过大数据分析工具，找出相关性，并通过迭代处理，得出特征参数变量和特征值，利用这些数据提高控制稳定性。5.应用如权利要求1-4中任一项所述的精确曝气系统的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)采集污水厂实时数据和化验数据，并以数据报表形式进行记录；(2)利用数据进行建模，并进行系统仿真测试；(3)将仿真结果输入到控制系统中，并进行调控；(4)利用大数据工具与进化算法，结合数据，优化控制参数，提高控制稳定性。6.根据权利要求5所述的方法，分为两阶段：在第一阶段，从积累的水厂历史数据分析水厂固有特征，并建立模型模拟水厂相关模块；在第二阶段，利用进化算法，将第一阶段得到固有特征应用于水厂模型，进行参数优化；其特征在于：第一阶段：1.1基于水厂累积的历史数据对水厂固有特征即曝气、溶氧、溶氧效率和好氧速率的之间的关系进行分析，确定特征间的依赖关系；记各廊道曝气量设定值为Afsij，曝气量为Afij，其中i＝1,2,…,Π，为廊道编号，j＝1,2,…,n；n为采样个数；对每个廊道的曝气量和溶氧分别按照大小顺序进行排序，记排序后结果为Afsihk，Afihj其中h＝1,2,3,…,n，j和k分别为排序前曝气和溶氧对应的秩号，则：dh＝j-k(2)为准确找到相关变量间的滞后关系，采用如下方法，记nlag为滞后数，则其计算公式如下：其中，m为各变量从总样本中扣除的变量的个数；m＝5，则对曝气量设定值Afsij从第5+1个数据开始直至第n个值，对曝气量Afij则从第1个值开始直至第n-5个值，利用斯皮尔曼相关系数即式(1)计算ρi5；当m＝0时，则表示两者无滞后关系；[]为取整符号；对其他变量，各个廊道的溶解氧与曝气量、好氧速率和氧转化速率这些计算决定系数R2，使用F检验检验溶解氧与曝气量、好氧速率和氧转化速率是否具有显著关系，若具有线性关系则利用t检验检验各个变量包括曝气量、好氧速率和氧转化速率对溶解氧作用是否显著；其中为第i个廊道的决定系数，为第i个廊道的回归平方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘帅，刘伟岩，郭泓利，王亿宝，王峰，曾庆磊，郝二成，
申请(专利权)人：北控水务中国投资有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11