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簡介： 以漯河市污水凈化中心的Carrousel氧化溝（以下簡稱氧化溝）系統(tǒng)為考察對象，針對該系統(tǒng)進水水質(zhì)復(fù)雜，控制滯后的難點，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和方法，對其模擬分析，建立了基于BP網(wǎng)絡(luò)的氧化溝系統(tǒng)出水COD預(yù)報模型。模型性能檢驗和靈敏度檢驗表明，建成的模型準確度高，適應(yīng)性強，可直接用于該系統(tǒng)出水COD預(yù)報，這為氧化溝工藝在線控制提供了一條簡便的途徑。
關(guān)鍵字：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 氧化溝系統(tǒng) 出水COD

The ANN Model Predicting Effluent COD of Carrousel Oxidation Ditch System.

LUOYa-tian¹, LIAO Run-hua²,CHEN An¹, SUN Yao-hua³, WANG Mian³

(1. School of Resource and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2. School  of Material Science and Engineering Jingdezzhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001,China;  3. Luohe Center of Wastewater treatment,Luohe 462000,China)

Abstract: The carrousel oxidation ditch system in Luohe Center of Wastewater Treatment is difficult to control on-line because the influent characteristics are complex and vary significantly. To resolve the problem, advanced artificial neural network (ANN) was employed to simulate the correlation between water parameters of oxidation ditch system and a BPNN model predicting effluent COD was built up. Sentivity and performance tests showed that the model can adapt to different situations and has good ability to generalize. It can be directly used to predict effluent COD concentration, which is very helpful to oxidation ditch system control on-line.

Keywords:  ANN; oxidation ditch system; effluent COD

漯河市污水凈化中心于2000年7月正式投產(chǎn)，采用的是典型的極具代表性的Carrousel氧化溝工藝，污水來源主要是屠宰廢水、食品加工廢水、化工廢水和生活污水，其主要技術(shù)指標(biāo)：一期工程：2000年7.7萬噸/日（生活污水2萬噸/日，工業(yè)污水5.7萬噸/日），設(shè)計流量8萬噸/日，設(shè)計的進水負荷：COD≤500mg/l，BOD₅≤200mg/l，SS≤200mg/l，設(shè)計出水指標(biāo)：COD≤120mg/l，BOD_５≤30mg/l，SS≤30mg/l，實際出水水質(zhì)狀況（建模(用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的氧化溝出水COD預(yù)報的模型的簡稱)數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)范圍，其它不完整記錄中有超出以下范圍的記錄）：SS：10～170mg/l，COD：16～77mg/l，TN：2.9～56mg/l，TP：0.03～0.91mg/l ；二期工程2010年11.8萬噸/日（生活污水2.6萬噸/日，工業(yè)污水9.2萬噸/日）。由于進水中工業(yè)污水成分達到約74%,實際運行水質(zhì)波動極大，對系統(tǒng)構(gòu)成強烈沖擊，進水COD最高記錄超過600mg/l，進水SS經(jīng)常維持在115～600mg/l，不同工作日進水水質(zhì)強烈起伏，使工藝在線控制比較棘手，出水達標(biāo)排放難以保證。對氧化溝這一復(fù)雜的活性污泥系統(tǒng)，由于影響工藝過程的因素反應(yīng)的復(fù)雜性和高度非線性，常規(guī)的模型適應(yīng)能力有限，而以機理分析為基礎(chǔ)的動力學(xué)模型要求信息完備，參數(shù)齊全，實際生產(chǎn)中不便于推廣。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)以其連續(xù)時間的動力學(xué)行為、良好的非線性品質(zhì)、大規(guī)模并行分布處理、高度穩(wěn)健性和學(xué)習(xí)聯(lián)想能力等特點，被廣泛應(yīng)用于模式識別、信號處理、系統(tǒng)控制中。并且ANN可以不完備信息建模，不需要被辨識對象階次結(jié)構(gòu)等先驗知識，建模方法簡單^[1-3]。本研究針對該凈化中心氧化溝系統(tǒng)進水水質(zhì)復(fù)雜、起伏大，控制滯后的難點，通過使用BP模型，直接以正常運行時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)樣本建模，預(yù)報出水COD，詳細探討了模型設(shè)計、訓(xùn)練及檢驗等環(huán)節(jié)，建成的模型準確度較高，適應(yīng)性強，可作為一種定性與定量相結(jié)合的有效工具，直接用于該系統(tǒng)出水COD預(yù)報。

1 模型原理及設(shè)計

1.1   BP網(wǎng)絡(luò)模型

按誤差反向傳播原則建立的BP(Back Propoga--tion)學(xué)習(xí)算法，是當(dāng)前ANN技術(shù)中最成功的學(xué)習(xí)算法，前饋型BP網(wǎng)絡(luò)及在此基礎(chǔ)上改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)類型^[4]。本研究以MATLAB環(huán)境下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱與統(tǒng)計工具箱^[5]為數(shù)學(xué)工具，編制的BP模型由三層神經(jīng)元組成，其主要特點是：

1.1.1  輸入層由影響出水COD的各因素組成，為使樣本信息盡量豐富，并考慮到指標(biāo)監(jiān)測方便可行，選擇以下參數(shù)作為輸入矢量：X₁：水溫，X₂:進水SS濃度,X₃：進水COD濃度,X₄：進水氨氮濃度,X₅：MLSS,X₆：MLVSS,X₇：SV_３0（沉降30分鐘污泥體積比）。輸出層產(chǎn)生ANN輸出矢量Y，本研究希望輸出的是出水COD濃度Y。隱含層層數(shù)的選擇與問題的復(fù)雜性有關(guān)，隱含層層數(shù)的增加將使訓(xùn)練費用急劇上升，本研究采用一層隱含層，隱節(jié)點數(shù)的確定考慮到兩原則：①樣本數(shù)大于網(wǎng)絡(luò)可調(diào)數(shù)^[6]；②幾何平均規(guī)則^[7]：對一個三層網(wǎng)絡(luò)，具有n個輸入節(jié)點，m個輸出節(jié)點，則中間層節(jié)點數(shù)H= 。本研究取節(jié)點數(shù)4～14，以期對其在更大范圍優(yōu)化。圖1給出了訓(xùn)練成功的一組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.1.2　以logsig或tansig函數(shù)作為隱含層激活函數(shù)，分別使用這兩種函數(shù)作網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，擇優(yōu)而用。以logsig作為輸出層激活函數(shù)，將輸出結(jié)果控制在[0,1]，式中，b為偏差值,x表示隱含層中的節(jié)點數(shù)值。

logsig函數(shù)：  

tansig函數(shù)：

1.1.3  采用Levenberg-Marquart收斂規(guī)則，該規(guī)則采用了數(shù)值優(yōu)化算法，可根據(jù)誤差大小自動調(diào)整牛頓法與梯度法在訓(xùn)練中的比重，是目前最快的收斂算法，大大降低了訓(xùn)練費用。

1.2　訓(xùn)練集與檢驗集

ANN模型的預(yù)報能力與學(xué)習(xí)樣本質(zhì)量及信息量緊密相關(guān)，出水COD預(yù)報的BP網(wǎng)絡(luò)模型（以下簡稱模型）樣本數(shù)據(jù)取自漯河市污水凈化中心2000年8月至2002年2月間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完整記錄（包括全部模型輸入輸出參數(shù)）共89組，剔除發(fā)生生產(chǎn)事故(有記載的酸堿中毒、活性污泥膨脹等)狀態(tài)下記錄7組，剩余82組（考慮到數(shù)據(jù)樣本集規(guī)模不大，故包括了一些超標(biāo)排放數(shù)據(jù)），初步確定為學(xué)習(xí)樣本集。進水水質(zhì)參數(shù)變化范圍：水溫：10.8～3℃；SS：139～1062mg/l；COD：109～694mg/l；NH₄⁺-N：12.88～496mg/l；控制參數(shù)：SV₃₀：12～93；MLVSS：1107～3484 mg/l；MLSS：2226～6226 mg/l。生產(chǎn)報表無進水水量記載，故假定每個工作日進水水量連續(xù)穩(wěn)定，但建成模型檢驗結(jié)果反映出進水水量是一個重要模型參數(shù)，由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，使得模型性能欠佳。篩選出82組代表性數(shù)據(jù)中，通過主要成分分析及聚類分析^[8]，發(fā)現(xiàn)三組樣本有離群傾向，但不太突出，不做去除,以防止信息量的損失，最終確定學(xué)習(xí)樣本規(guī)模為82組。

以歐氏距離作為表征相似性的統(tǒng)計量，采用平均距離判斷依據(jù)將原始樣本分為10類，根據(jù)聚類結(jié)果，從各類中隨機挑選1/3左右的樣本歸入檢驗集，剩余的歸入訓(xùn)練集。最終確定47組用于訓(xùn)練，35組用于檢驗。聚類分析，保證了所取的訓(xùn)練樣本分布均勻且能覆蓋原始樣本提供的結(jié)構(gòu)信息，彌補了原始數(shù)據(jù)量較少的不足。

對訓(xùn)練集與檢驗集數(shù)據(jù)做預(yù)處理，筆者在此提出三點規(guī)范：①保持原始樣本統(tǒng)計規(guī)律，數(shù)據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)。②絕大部分網(wǎng)絡(luò)期望輸出要在輸出層激活函數(shù)的敏感區(qū)內(nèi)，避免進入不應(yīng)區(qū)。對logsig函數(shù)而言，敏感區(qū)為[0.15,0.85]。③網(wǎng)絡(luò)輸出逆變換不能放大誤差。本研究對原始數(shù)據(jù)作如下預(yù)處理,式中x表是原始值, x_min與x_max分別表示原始值中的最小值與最大值,x_norm表示訓(xùn)練輸入值：

1.3　建模試驗要點

1.3.1　由于訓(xùn)練、檢驗樣本自身含有噪聲，其大小未知，故建模應(yīng)以預(yù)報準確度作為首要目標(biāo),精度作為次要目標(biāo)。這里引入①檢驗誤差E：檢驗樣本網(wǎng)絡(luò)輸出值允許誤差的上限；②準確度：不大于E的檢驗合格率。用訓(xùn)練總平方誤差G衡量模型精度，精度不可過高，否則會誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)記住噪聲。如何協(xié)調(diào)精度與準確度之間的矛盾，找出二者最佳組合，盡可能達到模型性能最優(yōu)化是數(shù)值試驗的重中之重。

1.3.2　BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)收斂速度及局部最小點的性能對初始化權(quán)值、偏差矩陣十分敏感，本研究通過加大隨機初始化次數(shù)來搜索模型滿意解，對給定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)組合實行1000次隨機初始化權(quán)值、偏差矩陣搜索。

1.3.3　模型性能檢驗，采用四項指標(biāo)^[9-12]:相關(guān)系數(shù)C，均方根誤差R，標(biāo)準均方根誤差N，平均相對誤差A，如下式中x、y分別表示輸入與輸出樣本值，下標(biāo)i表示第i次訓(xùn)練時對應(yīng)樣本值，n表示訓(xùn)練次數(shù)， 、 表示相應(yīng)樣本均值，x_1i表示輸入第一個變量的第i個樣本值，x_2i類推：

對網(wǎng)絡(luò)實際輸出與期望輸出(觀測值)作指標(biāo)檢驗，可反映出模型的逼近性能。

1.3.4　模型的靈敏度檢驗^[13]：目標(biāo)值在多維空間中每一點隨各個自變量改變而改變的趨勢。靈敏度曲線平緩表明該項輸入對網(wǎng)絡(luò)輸出的影響過弱，靈敏度曲線出現(xiàn)突變或中斷表示該項輸入對網(wǎng)絡(luò)輸出的影響過強，此時模型模擬性能不穩(wěn)定，碰到這兩種情況，應(yīng)繼續(xù)搜索或調(diào)整輸入變量個數(shù)重新訓(xùn)練。

2  模型訓(xùn)練及檢驗

建模數(shù)值試驗參數(shù)調(diào)整范圍設(shè)定：E:0.2～0.4；G:0.001～0.5；隱節(jié)點數(shù)H:4～14；隱含層激活函數(shù):tansig或logsig；輸出層激活函數(shù):logsig;訓(xùn)練最大迭代次數(shù):1000。從72,000次搜索訓(xùn)練中篩選出最佳的一組解:網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7-6-1(三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每層節(jié)點數(shù)), E=0.3, G=0.15,H=6,隱含層函數(shù):tansig。模型訓(xùn)練經(jīng)過18次迭代達到穩(wěn)定，訓(xùn)練總平方誤差0.13,圖2為誤差下降曲線；模型模擬及檢驗(預(yù)報)結(jié)果見圖3。

圖2 誤差下降曲線

Fig 2. The Error Curve of Training

模型性能指標(biāo)值見表1。

表1 模型性能指標(biāo)

Tab 1 The Values of Model Performance Testing

指標(biāo)

C

R

N

A

模擬

0.9517

5.0152

0.1309

0.1214

預(yù)報

0.7399

9.9225

0.2645

0.2436

綜合

0.8709

7.5127

0.1978

0.1736

從學(xué)習(xí)樣本集檢驗合格的樣本中任取一組樣本,對應(yīng)輸入矢量X₁…X₇分別為:{14.3,273,292,33,5479,3394,44},考察網(wǎng)絡(luò)輸出隨單項輸入變化而改變的趨勢，靈敏度曲線見圖４

圖3  出水COD原始值與模擬/預(yù)報結(jié)果

Fig.3.  Observed and Simulated/Predicted Results of Effluent COD

  圖4  模型靈敏度曲線

    Fig 4. The Sentivity Curves of Model

3 　討論

3.1　學(xué)習(xí)樣本的質(zhì)量對模型預(yù)報精度及準確度影響極大。學(xué)習(xí)樣本自身的噪聲干擾降低了模型的預(yù)報精度及準確度。盡管通過主成分分析與聚類分析有效挖掘了樣本信息，噪聲干擾與訓(xùn)練樣本規(guī)模較小是模型訓(xùn)練準確度與精度進一步提高的主要障礙。

3.2　模型性能檢驗基本合格，檢驗集對應(yīng)的平均相對誤差＜0.25，相關(guān)系數(shù)接近0.75,標(biāo)準均方根誤差0.26,通過圖3可看出，模型在預(yù)報區(qū)能對出水COD峰值作出正確響應(yīng)，表明網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練中捕捉到了氧化溝系統(tǒng)參數(shù)間關(guān)系的本質(zhì)。在E≤0.3的前提下，預(yù)報準確率達到82.9%，在E≤0.35的前提下，預(yù)報準確率達到88.6%，綜合相關(guān)系數(shù)0.87,綜合標(biāo)準均方根誤差0.19,建成的模型可行。

3.3　數(shù)值試驗中，提高精度，準確度下降；降低精度，準確度上升。對含較大噪聲的樣本訓(xùn)練而言，適當(dāng)降低精度，把檢驗重點放在準確度上是可取的。

3.4 從靈敏度曲線分析可見，出水COD對7項輸入?yún)?shù)的靈敏度均較高，靈敏度曲線光滑，并且能定量反映出給定水質(zhì)條件下出水COD與單項輸入?yún)?shù)的相關(guān)性及單項參數(shù)對出水COD的最佳控制點。

4  結(jié)論

1 以漯河市污水凈化中心氧化溝系統(tǒng)為考察對象，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對其進行模擬分析，建立了氧化溝系統(tǒng)出水COD預(yù)報模型（以下簡稱預(yù)報模型）。

2 建立的預(yù)報模型，在E ≤0.3的前提下，預(yù)報準確率達到82.9%，在E≤0.35的前提下，預(yù)報準確率達到88.6%，綜合相關(guān)系數(shù)0.87,綜合標(biāo)準均方根誤差0.19。

3 建立的預(yù)報模型，出水COD對7項輸入?yún)?shù)的靈敏度均較高，靈敏度曲線光滑，并且能定量反映出給定水質(zhì)條件下出水COD與單項輸入?yún)?shù)的相關(guān)性及單項參數(shù)對出水COD的最佳控制點，為建立水質(zhì)參數(shù)的反饋控制模型，將預(yù)報與反饋控制相結(jié)合，實現(xiàn)氧化溝系統(tǒng)在線智能控制奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介: 羅亞田(1949－),男,貴州畢節(jié)人,武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院副教授, 主要研究方向水污染控制工程。