專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

張麗麗，徐 俊，強 璐，廖文俊

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，人工智能理論已在水處理規(guī)劃、設(shè)計和運行管理中發(fā)揮越來越重要的作用。專家系統(tǒng) (Expert System簡稱ES)是人工智能的一個分支，可以幫助用戶利用計算機軟件解決具體問題。從20世紀(jì)70年代開始，各國學(xué)者探索將專家系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，解決污水處理工藝選擇［1，2］、污水處理系統(tǒng)的過程評價［3］、自動控制［4，5］和故障診斷［6，7］等問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，專家系統(tǒng)已取得不少進展，也顯示出了良好的應(yīng)用前景。本文主要介紹了污水處理工藝選擇的特點、專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)污水處理工藝選擇的特點

污水處理工藝是污水處理廠建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié)之一，對污水處理廠的運營具有重要影響。污水處理工藝流程 (方案)的選擇一般根據(jù)污水處理程度和污水處理廠規(guī)模來確定，然后通過全面的技術(shù)經(jīng)濟比較來確定最適的工藝流程和設(shè)計參數(shù)。其基本原則是在保證處理效果、運行穩(wěn)定、滿足污水處理要求的前提下，使基建造價和運行費用最低化，運行管理簡單化，同時要求具有較好的衛(wèi)生、安全等環(huán)境條件。然而傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇主要由負(fù)責(zé)項目的設(shè)計人員來確定，存在諸多問題。主要包括以下3方面內(nèi)容。

1.1 主觀性大

傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇一般由設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗或者直覺判斷，擬定有限的、能滿足處理要求和污水廠規(guī)模的備選方案，然后通過經(jīng)濟指標(biāo)核算選出成本最低的方案，即為最優(yōu)方案。但是，由于工程設(shè)計人員對工藝有個人的傾向和愛好，先入為主，導(dǎo)致主觀性較大，而且每個設(shè)計單位也存在工藝選擇的傾向性，往往選擇本單位較為擅長的，最終導(dǎo)致工藝選擇不夠科學(xué)。另外，在實際工藝選擇中，還常常會出現(xiàn)工程項目工期要求非常緊、設(shè)計人員在規(guī)定期限內(nèi)難以完成的情況。設(shè)計人員為按期完成，會套用之前做過的類似規(guī)模和水質(zhì)的工程項目，而沒有考慮該項目自身的實際情況，造成工藝方案選擇的不科學(xué)。

1.2 多目標(biāo)決策難

長期以來，成本效益分析［8］(即費用最小且收益最大)是工程領(lǐng)域常用的決策手段，但這種決策思想用于污水處理工藝選擇上往往忽視了資源價值、環(huán)境影響、社會價值等方面，導(dǎo)致污水處理中有些污染物不能徹底去除或者污染物轉(zhuǎn)移造成新的污染等。近年來，部分研究者提出環(huán)境影響?。?］、資源消耗低的工藝即為最優(yōu)工藝。也有些研究者認(rèn)為社會因素是城鎮(zhèn)污水處理工藝選擇決策的重要因素之一［10］。其實，在污水處理工藝選擇過程中應(yīng)該統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟成本、環(huán)境影響、社會因素等。

污水處理工藝的選擇屬于多目標(biāo)、多因素的復(fù)雜決策問題，而在設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗或者直覺決策過程中，往往會忽視一些因素，造成片面的決策，致使選擇結(jié)果難以被接受。因此，采用一些輔助決策方法往往會比單純?nèi)藶闆Q策更加全面、準(zhǔn)確。

1.3 污水處理工藝發(fā)展快

隨著科研人員對污水處理工藝的研發(fā)，新的污水處理工藝不斷發(fā)展，同時不同工藝間組合而成的新工藝也不斷增多［11］，這給傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇增加了難度，因為工程師個人的知識面總會有局限，而且常用的工藝流程選擇規(guī)則可能對新工藝新技術(shù)并不適用。因此，Hidalgo等［12］認(rèn)為應(yīng)該采用集成方法來決策，包括集成專家知識，借助數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)分析工具、生命周期評價方法、環(huán)境效益分析方法等等，來科學(xué)的地確定污水處理工藝流程。

2 專家系統(tǒng)的特征和發(fā)展

2.1 專家系統(tǒng)的構(gòu)成和特征

專家系統(tǒng)一般由知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、人機接口、解釋機和知識獲取機6部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［13］。知識庫和推理機是專家系統(tǒng)的核心組成:知識庫則是規(guī)則的集合，用以存取本領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑囊?guī)則和知識;推理機是負(fù)責(zé)執(zhí)行問題的求解過程，包括規(guī)則的查詢和執(zhí)行規(guī)則的確定。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［13］Fig.1 Structure of expert system

專家系統(tǒng)由于擁有數(shù)千條啟發(fā)式規(guī)則，能系統(tǒng)客觀地考慮所有可能性選擇，能實現(xiàn)多目標(biāo)決策，因而在本領(lǐng)域應(yīng)用時能得出最優(yōu)的選擇、客觀的結(jié)論。但是目前專家系統(tǒng)往往限制在定義好的任務(wù)之上，局限于利用最初定義好的專門事實和啟發(fā)性知識，不能進行類比推理。因此，專家系統(tǒng)的應(yīng)用一旦超出了事先定義好的范圍，其性能會迅速喪失。

專家系統(tǒng)能高效處理事先定義好的內(nèi)容，主要因為專家系統(tǒng)具有并行與分布式處理、多系統(tǒng)協(xié)同工作兩個主要特征。并行與分布式處理可以把專家系統(tǒng)的功能分解到多個處理器上并行工作，提高系統(tǒng)的處理效率;多系統(tǒng)協(xié)同工作是指利用若干個子專家系統(tǒng)，相互協(xié)同處理，共同解決一個問題。專家系統(tǒng)的遠期目標(biāo)是利用計算機程序來模擬人類的思維過程，形成更加符合人類思維模式的軟件系統(tǒng)，同時集成更加廣泛的知識庫和數(shù)據(jù)庫，得到最全面、最優(yōu)的決策結(jié)果。

2.2 專家系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代，Stanford大學(xué)Feigenbaum教授研制出了根據(jù)化合物的分子式及其質(zhì)譜數(shù)據(jù)推斷分子結(jié)構(gòu)的計算機程序DENDRAL［14］，這是世界上第一個專家系統(tǒng)。之后，專家系統(tǒng)在醫(yī)療、礦藏勘測等領(lǐng)域開始獲得發(fā)展，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域，出現(xiàn)了如MYCIN的專家系統(tǒng)，用于診斷和治療感染性疾病。20世紀(jì)80年代以來，專家系統(tǒng)發(fā)展迅速，由基于規(guī)則的專家系統(tǒng)［15］發(fā)展到基于案例的專家系統(tǒng)［16］，再發(fā)展到基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的專家系統(tǒng)［17］。在技術(shù)上，開始應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊?、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

隨著專家系統(tǒng)理論和技術(shù)的日趨成熟，各個領(lǐng)域的專家都已開始深入研究專家系統(tǒng)在本領(lǐng)域的應(yīng)用。污水處理作為環(huán)境領(lǐng)域最重要的分支之一，對社會、環(huán)境都有著重要影響，因此專家系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用和發(fā)展顯得至關(guān)重要。

3 專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

3.1 國外專家系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應(yīng)用最早是在美國。Rossman［1］于1980年提出使用數(shù)學(xué)模型來設(shè)計污水處理廠。最初的模型只涉及了傳統(tǒng)的處理過程和常規(guī)的設(shè)計參數(shù)，但為專家系統(tǒng)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。1983年美國環(huán)境保護局開發(fā)了CAPDET系統(tǒng)分析模型［18］。該系統(tǒng)分析模型可以從多種污水處理工藝中選擇出較優(yōu)的工藝，但該模型只涉及了傳統(tǒng)的過程參數(shù)。Gall和Partry較早提出將專家系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理廠的設(shè)計。之后 Krovvidy［19］將歸納學(xué)習(xí)和基于案例的推理方法引入到污水廠的工藝設(shè)計中，建立了一個基于費用函數(shù)的專家系統(tǒng)，用于污水處理流程的選擇。Yang等［20］認(rèn)為之前的研究都沒有列出工藝選擇的目標(biāo)，他提出建立一個初步的模糊集，用來表達技術(shù)的處理效率和建設(shè)成本。該專家系統(tǒng)采用了Krovvidy提出的技術(shù)與經(jīng)濟綜合分析的方法，其實施概念如圖2所示。初步篩選過程是指用戶輸入進出水?dāng)?shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)的處理效率規(guī)則，輸出能達到每種污染物去除效果的一系列技術(shù)。綜合分析過程包括可行性分析和技術(shù)詳述，首先分析初步篩選得出的一系列技術(shù)的處理效率和建設(shè)成本，然后用戶對處理效率和建設(shè)成本進行評價，根據(jù)評價結(jié)果系統(tǒng)選出一個最合適的技術(shù)。通過建立模糊集的方法可以幫助用戶選擇一個合適的污水處理方案，同時給予用戶一定的靈活性確定優(yōu)先權(quán)。

圖2 專家系統(tǒng)的實施概念［20］Fig.2 Concept of expert system implementation

由于污水處理工藝的選擇是多目標(biāo)的決策，Kalbar等［21，22］根據(jù)這一特點，提出了優(yōu)劣解距離法 (TOPSIS)［21］和層次分析法 (AHP)［22］。優(yōu)劣解距離法是一種逼近于理想解的多目標(biāo)決策方法。這種方法使用數(shù)學(xué)公式計算距離來定量和比較不同的方案，若有一個方案最接近理想解，遠離負(fù)理想解，則該方案是備選方案中最好的。Kalbar確定了7個標(biāo)準(zhǔn)，分為12個指標(biāo)，分別對這些指標(biāo)賦予不同的權(quán)重值，用來評估所有方案，結(jié)果表明不同情況下能選出的最優(yōu)方案與實際基本相符。例如，在城市中建污水處理廠，土地資源緊張，出水直接排放到地表水中，用優(yōu)劣解距離法決策最適合的工藝為傳統(tǒng)活性污泥法，這與實際情況相符。因為采用傳統(tǒng)活性污泥法所需的占地較小，且處理效果能滿足地表水的排放要求。層次分析法是另一種常用的多目標(biāo)決策方法。Kalbar研究了群體決策層次分析法在污水處理工藝選取中的應(yīng)用，流程如圖3所示。他將12個指標(biāo)分為5個定量指標(biāo)和7個定性指標(biāo)，定量指標(biāo)由公式計算得出每個指標(biāo)的相對分?jǐn)?shù)，定性指標(biāo)由專家群體決策，再進行整合估算得出。將定量定性指標(biāo)整合得到總的指標(biāo)權(quán)重，再將具體情況下不同的條件要求矩陣與指標(biāo)權(quán)重矩陣相乘即可得到每個方案的得分，將得分進行排序，得出最適合的方案。

Pophali等［23］利用專家系統(tǒng)進行制革廢水處理工藝優(yōu)選時，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析 (GRA)與層次分析法相結(jié)合的方法來實現(xiàn)多目標(biāo)決策。他考慮的層次標(biāo)準(zhǔn)主要基于經(jīng)濟、技術(shù)和管理3方面。經(jīng)濟指標(biāo)主要包括投資成本、運行成本、占地面積、能源消耗等;技術(shù)指標(biāo)主要包括氮磷污染物的去除效率、污泥產(chǎn)量;管理指標(biāo)主要指工藝操作的穩(wěn)定性、技術(shù)成熟度、與法律法規(guī)的符合性、安全風(fēng)險、環(huán)境影響和公眾意識。Pophali指出對于市政污水處理廠，這個層次系統(tǒng)可根據(jù)實際情況修改。該研究中用到的指標(biāo)數(shù)據(jù)均來自于實際的制革廢水工程，通過該專家系統(tǒng)決策后的結(jié)果與實際基本相符。

圖3 群體決策層次分析法流程［22］Fig.3 Flow chart of group decision analytic hierarchy process

3.2 國內(nèi)專家系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

國內(nèi)專家系統(tǒng)在水處理工藝選擇領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚。申石泉等［24］結(jié)合水處理領(lǐng)域的專家經(jīng)驗與人工智能原理，建立了城市生活污水處理流程選擇的專家系統(tǒng) (WWDES)。該專家系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，分別建立知識庫管理系統(tǒng)與推理機，便于系統(tǒng)維護和功能擴充。推理機主要利用產(chǎn)生式規(guī)則，表達多名專家的經(jīng)驗知識，實現(xiàn)推理。而在流程選擇時主要考慮了經(jīng)濟指標(biāo)、技術(shù)性能指標(biāo)、資源消耗指標(biāo)、操作性能指標(biāo)和社會環(huán)境影響，利用實例進行檢驗，系統(tǒng)所推出的結(jié)果基本合理。該研究探討了專家系統(tǒng)在污水處理流程選擇中應(yīng)用的可行性，但還只是建立了系統(tǒng)的整體框架，沒有完成知識收集整理和對系統(tǒng)的維護，還沒有建立完善的污水處理流程選擇專家系統(tǒng)。韋鶴平等［25］開發(fā)了TESDWT專家系統(tǒng)用來為城市污水處理工程設(shè)計部門提供設(shè)計咨詢和決策，根據(jù)用戶提供的原始信息(包括設(shè)計水質(zhì)水量、地形地質(zhì)、工程造價及單體構(gòu)筑物的要求)對污水處理工藝流程進行選擇，并根據(jù)所選的類型，確定單體構(gòu)筑物的工藝設(shè)計。但在構(gòu)建TESDWT專家系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)專家知識獲取、專家經(jīng)驗錄入以及問題目標(biāo)確定仍是專家系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理工藝選擇中的瓶頸。

唐然［8］研究了如何全面、科學(xué)、客觀地對城鎮(zhèn)污水處理工藝進行優(yōu)選決策。主要研究了逼近理想解法、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊數(shù)學(xué)法、模糊-灰色關(guān)聯(lián)法4種方法的決策模型，并將其應(yīng)用于三峽庫區(qū)某城鎮(zhèn)污水廠的工藝優(yōu)選決策中，其備選工藝包括曝氣生物濾池 (BAF)、間歇性活性污泥法 (SBR)和Orbal氧化溝法。研究結(jié)果表明，4種模型決策結(jié)果相一致，曝氣生物濾池為最優(yōu)方案，間歇性活性污泥法次之，Orbal氧化溝再次之。唐然認(rèn)為由于污水處理工藝優(yōu)選同時具有模糊性和灰色性，模糊-灰色關(guān)聯(lián)法同時考慮了灰色性和模糊性，且運算量比其它幾種方法都要小，因此更適用于實際應(yīng)用。繩珍［26］建立了一套污水處理工藝比選與計算系統(tǒng)，用計算機軟件來實現(xiàn)工程設(shè)計人員對污水處理工藝的計算和比選。首先建立了污水處理工藝比選指標(biāo)體系，包括項目投資、運行費用、占地面積、氮磷去除效果、污泥處理效果、工藝成熟性、運行穩(wěn)定性、操作難易程度等，然后根據(jù)設(shè)計手冊的設(shè)計參數(shù)，用計算機實現(xiàn)對污水處理構(gòu)筑物的計算，通過采用層次分析法計算各層次指標(biāo)權(quán)重，然后建立模糊灰色耦合模型，運用模糊-灰色關(guān)聯(lián)法進行分析，得出最優(yōu)結(jié)果。吳育華等［27］在?？陂L流污水廠工藝方案選擇中確定了污水處理效果、投資運行費用、運轉(zhuǎn)管理難易、工藝成熟度以及對環(huán)境的影響等指標(biāo)，主要通過專家打分的方式確定了沉淀法、生物吸附法、A/B法3個方案的各指標(biāo)得分及權(quán)重，利用層次分析法對3個方案進行了分析評判和選擇，得出3個方案的評價排序依次為生物吸附法、A/B法、沉淀法。黃紹娃等［28］利用模糊綜合評價的方法從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境方面對備選工藝進行優(yōu)選。備選工藝包括常規(guī)活性污泥法、A/O法、A2/O法、氧化溝法、CAST工藝、A/B法。技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境因素分別確定了隸屬函數(shù)，每種工藝的隸屬度由計算得出。技術(shù)、經(jīng)濟因素的權(quán)重由排序法確定，環(huán)境因素的權(quán)重主要根據(jù)專家評議出各指標(biāo)的重要性來確定。綜合隸屬度與權(quán)重，得出常規(guī)活性污泥法為最優(yōu)選工藝。

3 總結(jié)與展望

由于傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇主觀性較大，難以實現(xiàn)多目標(biāo)決策等，因此專家系統(tǒng)作為人工智能的一個分支，在污水處理領(lǐng)域中已開始得到應(yīng)用。通過計算機程序、分析模型、專家知識庫等，專家系統(tǒng)能全面、客觀、快速地進行污水處理工藝選擇，不受周圍環(huán)境的影響，并且使專家知識與經(jīng)驗不受時間和空間的限制，提高工作效率。國內(nèi)外研究者已開始了專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應(yīng)用研究，其使用的決策方法都比較一致，主要有優(yōu)劣解距離法、層次分析法、模糊評價法、灰色評價法和模糊-灰色關(guān)聯(lián)法等，但在決策指標(biāo)體系的建設(shè)上差異較大，目前還沒有統(tǒng)一的污水處理工藝優(yōu)選決策指標(biāo)體系。另外，現(xiàn)有的專家系統(tǒng)自學(xué)能力不足，不能自動擴展新的知識，也不能依據(jù)未定義在系統(tǒng)內(nèi)的一般公理進行推理。

污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)未來的發(fā)展方向是通過自學(xué)習(xí)得到更廣泛更多樣化的專家知識，建立科學(xué)客觀的決策指標(biāo)體系，使污水處理設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境與社會諸要素間的和諧統(tǒng)一，促進專家系統(tǒng)在污水處理領(lǐng)域的實用化。

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