基于物聯(lián)網(wǎng)與深度學(xué)習(xí)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張成彬++邵星++徐燕萍++劉穎

摘要：污水處理對提高水資源利用率、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。污水處理過程中，污水水質(zhì)變化劇烈、污水處理過程與工藝復(fù)雜，保持污水處理的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性顯得極為重要。因此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)與深度學(xué)習(xí)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，精準(zhǔn)感知與監(jiān)測污水處理設(shè)備及污水水質(zhì)的實時數(shù)據(jù)；利用云計算技術(shù)，存儲與處理采集得到的污水處理數(shù)據(jù)；利用深度學(xué)習(xí)，構(gòu)建具有多層非線性映射的深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，分析污水處理規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測與控制，能提高污水處理穩(wěn)定性、精確性與效率，為污水治理與控制提供智慧支撐。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；深度學(xué)習(xí)；云計算；污水處理；智能監(jiān)測

DOIDOI：10.11907/rjdk.171621

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16727800（2017）010008903

0引言

污水處理是指為使污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或再次使用的水質(zhì)要求對其進(jìn)行凈化的過程[1，2]。按照污水來源可將其分為生產(chǎn)污水處理與生活污水處理。污水如果未經(jīng)處理直接排放，容易污染現(xiàn)有水源、降低水資源循環(huán)利用率、威脅動植物生存環(huán)境、影響生態(tài)平衡。因此，開展污水處理，對減少水污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高水資源利用率具有重要意義[3]。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生被國家列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并被寫入國家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃而受到重點支持發(fā)展[4]。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，它主要通過將傳感器、射頻識別等智能感知系統(tǒng)嵌入“物理實體”以隨時獲取其信息，從而將其連接起來。在物聯(lián)網(wǎng)中，“物理實體”無需人工干預(yù)就能夠彼此“交流”，以實現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控及管理[5]。無線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。它是由一組傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集與處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并進(jìn)行發(fā)布。無線傳感網(wǎng)具有精度高、部署靈活、快捷方便、可靠性高、性價比高、抗損性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)自組織等特點，特別適合于遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[6，7]。

云計算是一種商業(yè)化的計算模型，能夠基于網(wǎng)絡(luò)為用戶提供計算資源服務(wù)，使用戶按需獲取計算資源[8]。其原理是通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度分布在互聯(lián)網(wǎng)各處的資源，并以統(tǒng)一的界面向用戶提供服務(wù)，特別適合大規(guī)模信息處理[9]。

深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究，含多隱層的多層感知器就是一種深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)[10]。深度學(xué)習(xí)通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示（屬性類別或特征），以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。深度學(xué)習(xí)可通過學(xué)習(xí)一種深層非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)逼近表征輸入數(shù)據(jù)分布式表示，并展現(xiàn)了從少數(shù)樣本集中學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集本質(zhì)特征的強(qiáng)大能力，因此在圖像識別、語音識別、預(yù)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域一個研究熱點。

針對污水處理過程中污水水質(zhì)變化劇烈、污水處理過程與工藝復(fù)雜等特點，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)與深度學(xué)習(xí)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)?？紤]到污水處理過程和相關(guān)生化反應(yīng)的復(fù)雜性，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以精準(zhǔn)感知與監(jiān)測污水處理設(shè)備及污水水質(zhì)的實時數(shù)據(jù)；利用云計算技術(shù)，存儲與處理采集得到污水處理設(shè)備數(shù)據(jù)和污水水質(zhì)數(shù)據(jù)；利用深度學(xué)習(xí)，構(gòu)建具有多層非線性映射的深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，分析污水處理的規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測與控制，提高污水處理穩(wěn)定性、精確性和效率，為污水治理和控制提供智慧支撐。

1系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，主要對系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，為系統(tǒng)整體設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃。實施目標(biāo)主要包括兩個方面：基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理數(shù)據(jù)采集、基于深度學(xué)習(xí)的污水處理過程預(yù)測與控制。系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)以無線傳感器節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)感知設(shè)備，對污水處理設(shè)備與污水處理過程中各個中間環(huán)節(jié)的污水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果交給云計算存儲平臺。在云計算存儲平臺上，運行深度學(xué)習(xí)算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，產(chǎn)生預(yù)測結(jié)果，并對污水處理設(shè)備進(jìn)行智能化控制。系統(tǒng)整體技術(shù)方案如圖3所示。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理感知系統(tǒng)設(shè)計

一般的污水處理分為4級，基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理感知系統(tǒng)針對污水處理每個處理流程、每項重要參數(shù)指標(biāo)、重要處理設(shè)備部署無線傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對整個污水處理流程無死角全覆蓋的信息感知，確保對污水處理流程信息進(jìn)行全面、深入、透徹地感知與采集。各個傳感器節(jié)點之間通過Zigbee協(xié)議自組織構(gòu)建無線多跳網(wǎng)絡(luò)，并將所采集的污水處理數(shù)據(jù)上報到匯聚節(jié)點。而協(xié)調(diào)器節(jié)點將把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到云平臺，用于后續(xù)智能分析與處理。（見圖4）。

2.2基于深度學(xué)習(xí)的污水處理過程智能預(yù)測與控制設(shè)計

基于深度學(xué)習(xí)的污水處理智能預(yù)測與控制，首先利用無監(jiān)督學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)DBN（Deep Belief Networks）進(jìn)行污水處理預(yù)測建模，如圖5所示。

物聯(lián)網(wǎng)對污水處理過程中每個處理設(shè)備的參數(shù)與中間污水水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到歷史原始數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以后，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集確定DBN最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括輸入層的節(jié)點個數(shù)、隱含層的節(jié)點個數(shù)、隱含層的層數(shù)等，并對權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)在此模型上進(jìn)行訓(xùn)練，不斷微調(diào)直至最終模型。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實時采集污水處理設(shè)備參數(shù)與中間污水水質(zhì)數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)成當(dāng)前原始數(shù)據(jù)。當(dāng)前原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，成為預(yù)測數(shù)據(jù)集。利用建立的DBN模型與預(yù)測數(shù)據(jù)集預(yù)測污水處理結(jié)果，進(jìn)而控制污水處理全過程中相關(guān)設(shè)備的運行。

DBN是將多個限制玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine， RBM）模型重疊在一起，將每個RBM模型的可視層看作輸入層，隱藏層看作輸出層，繼而完成訓(xùn)練。RBM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，該網(wǎng)絡(luò)可視層與隱層單元彼此互聯(lián)（層內(nèi)無連接），隱單元可獲取輸入可視單元的高階相關(guān)性。endprint

相比傳統(tǒng)Sigmod信度網(wǎng)絡(luò)，RBM權(quán)值的學(xué)習(xí)相對容易。為了獲取生成性權(quán)值，預(yù)訓(xùn)練時采用無監(jiān)督貪心逐層方式實現(xiàn)。在訓(xùn)練過程中，采用吉布斯采樣原理，即將可視向量值映射給隱層單元，然后可視單元由隱層單元重建，這些新可視單元再次映射給隱層單元，就獲取了新的隱層單元。

只有一個隱含層的典型DBN網(wǎng)絡(luò)，可以采用聯(lián)合概率密度分布刻畫輸入向量x與隱含向量gi的關(guān)系。

P（x，g1，g2，g3，…，g）=P（x|g1）P（g1|g2）

P（g2|g3）…P（gi|gi+1）P（g，g）（1）

其中，P（gi|gi+1）是條件概率分布。將隱層gi看作是一個有ni個元素gij的隨機(jī)二進(jìn)制矢量：

P（gi|gi+1）=∏nij=1P（gij|gi+1）P（gij=1|gi+1）=

sigm（bij+∑ni+1k=1Wikjgi+1k）（2）

其中，sigm（t）=1/（1+e-t），bij是第i層第j個單元的偏差值，Wi是第i層的權(quán)矩陣。

訓(xùn)練結(jié)束后，需要對DBN做微調(diào)整訓(xùn)練。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)與重構(gòu)數(shù)據(jù)的損失函數(shù)，利用BP算法對相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)整，使損失函數(shù)最小化。損失函數(shù)的公式為：

L（x-x）=‖x-x‖22（3）

其中，x為訓(xùn)練數(shù)據(jù)真實值，x為DBN的擬合函數(shù)值。

考慮最終排放水質(zhì)是最終的直接指標(biāo)，因此將最終水質(zhì)作為污水處理結(jié)果的表征指標(biāo)，通過構(gòu)建DBN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對排放水質(zhì)的預(yù)測。通過自底向上組合多個RBM構(gòu)建DBN網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測模型輸入包括每道工序參數(shù)、每道工序后的污水水質(zhì)等參量。污水處理預(yù)測DBN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程如圖7所示。

首先，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，以確定初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。以第i組的輸入變量為輸入，以排放被處理污水水質(zhì)為輸出，在此采用無監(jiān)督貪婪優(yōu)化算法，初始化各層間的連接權(quán)值與偏置。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為100×100，網(wǎng)絡(luò)大小設(shè)置為100，批量大小設(shè)置為110，學(xué)習(xí)效率設(shè)置為1，訓(xùn)練步數(shù)設(shè)置為500。在預(yù)訓(xùn)練結(jié)束后，每層RBM可以得到初始化的參數(shù)，組成了DBN的初步架構(gòu)。

其次，對DBN做微調(diào)整訓(xùn)練，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)與重構(gòu)數(shù)據(jù)的損失函數(shù)，調(diào)整層與層之間的權(quán)值與偏置值。DBN

的反饋算法只需對權(quán)值參數(shù)空間進(jìn)行一個局部搜索，相比前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練快且收斂時間短。

3結(jié)語

本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)與深度學(xué)習(xí)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入污水處理中，實現(xiàn)對污水處理過程中污水處理設(shè)備與各階段水質(zhì)不間斷、自動化監(jiān)測。該系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建污水處理的深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)對污水處理過程的預(yù)測與智能控制。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：何麗）endprint