智能檢測和優(yōu)化控制在污水處理中的應(yīng)用研究

摘""要：隨著國家對生態(tài)環(huán)保問題的重視，城市污水問題得到社會各界廣泛關(guān)注，高效、節(jié)能的污水處理系統(tǒng)是解決污水問題的有效途徑。污水處理系統(tǒng)由于受天氣多變、自動化程度低和智能化應(yīng)用低等因素影響，造成了出水水質(zhì)不穩(wěn)定和能耗偏高這兩大難題。隨著智能檢測與優(yōu)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，為解決污水處理系統(tǒng)的這兩大難題提供了思路。首先介紹了污水處理系統(tǒng)，然后闡述了智能檢測和優(yōu)化控制技術(shù)，最后研究了4種智能檢測與優(yōu)化控制技術(shù)，結(jié)合污水處理系統(tǒng)得出了對應(yīng)的智能檢測與優(yōu)化控制算法。

關(guān)鍵詞：污水處理"""優(yōu)化控制"""智能檢測"""特征變量"""動態(tài)種群

中圖分類號：TP242

Research"on"the"Application"of"Intelligent"Detection"and"Optimization"Control"in"Wastewater"Treatment

WEI"Haixiang1，2，3""LIU"Yongqi1*""WEI"Xuanyun2""LI"Guohui3""LIANG"Jingyi4

1.Zhongshan"Technician"College，"Zhongshan，"Guangdong"Province，"528400"China;2.South"China"University"of"Technology，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510000"China;3.GongQing"Institute"of"Science"and"Technology，"Jiujiang，"Jiangxi"Province，"332000"China;4.Guangdong"Jinshengyuan"Environmental"Protection"Technology"Co.，"Ltd，"Zhongshan，"Guangdong"Province，"528400"China

Abstract："With"the"increasing"attention"of"the"country"to"ecological"and"environmental"protection"issues，"urban"sewage"problems"have"received"widespread"attention"from"all"sectors"of"society."Efficient"and"energy-saving"sewage"treatment"systems"are"an"effective"way"to"solve"sewage"problems."The"sewage"treatment"system"faces"two"major"challenges："unstable"effluent"quality"and"high"energy"consumption"due"to"the"unpredictable"weather"conditions，"low"level"of"automation，"and"low"level"of"intelligent"application."With"the"continuous"development"of"intelligent"detection"and"optimization"control"technology，"ideas"have"been"provided"to"solve"these"two"major"problems"in"sewage"treatment"systems."This"study"first"introduces"sewage"treatment"systems，"then"elaborates"on"intelligent"detection"and"optimization"control"technologies，"and"finally"studies"four"intelligent"detection"and"optimization"control"technologies，Corresponding"intelligent"detection"and"optimization"control"algorithms"have"been"developed"based"on"the"sewage"treatment"system.

Key"Words："Sewage"treatment;"Optimized"control;"Intelligent"detection;"Characteristic"variable;"Dynamic"population

目前，隨著人們環(huán)保意識的加強和國家法律法規(guī)對生態(tài)的嚴格保護，城市污水處理得到更多的重視。良好的污水處理系統(tǒng)能夠解決水污染問題，有效保護生態(tài)文明。水資源是地球?qū)氋F的自然資源，是人類賴以生存的資源，有效的污水處理能提高水資源利用率，實現(xiàn)水資源的有效循環(huán)。污水處理廠面臨著兩大難題：一是出水水質(zhì)穩(wěn)定達標；二是有效降低運營成本。這兩大難題的解決離不開智能檢測與優(yōu)化控制的深入研究和有效應(yīng)用，因此，對污水處理系統(tǒng)中智能檢測與優(yōu)化控制應(yīng)用研究很有必要。

1""污水處理系統(tǒng)

污水處理系統(tǒng)是指對城市生活污水、工業(yè)廢水等按一定的工序環(huán)節(jié)進行處理，使其達到國家排放標準，保障生態(tài)環(huán)境和人類健康的系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)一般包括以下部分：收集環(huán)節(jié)、初級過濾環(huán)節(jié)、生化處理環(huán)節(jié)、污泥處理環(huán)節(jié)、排放環(huán)節(jié)、自動檢測控制環(huán)節(jié)等。污水收集環(huán)節(jié)是污水處理系統(tǒng)的首道工序，主要用于將城市生活污水、工業(yè)廢水等有害廢水進行收集，為后續(xù)處理環(huán)節(jié)做準備[1]。污水初級處理環(huán)節(jié)對污水進行初步處理，主要去除污水中的大顆粒物和懸浮物等固體廢物。污水生化處理環(huán)節(jié)通過微生物等生物技術(shù)對污水進行處理，將其中的有機物質(zhì)、氮、磷等有害物質(zhì)去除。生化處理環(huán)節(jié)可采用的方法有活性污泥法、氧化溝法、生物膜法等，目前應(yīng)用較多的為活性污泥法[2]。污泥處理環(huán)節(jié)是對處理后的污泥進行處理，使其達到國家排放標準。污水排放環(huán)節(jié)是將處理后符合國家排放標準的污水排放到自然界中。自動檢測控制環(huán)節(jié)是污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于監(jiān)測和控制污水處理過程中的各項參數(shù)，實現(xiàn)污水處理過程中的自動化控制。

2""智能檢測與優(yōu)化控制技術(shù)

及時準確獲得污水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，才能控制污水處理系統(tǒng)達到預期效果。而智能檢測技術(shù)可以有效、準確地獲取水處理系統(tǒng)中的各種重要參數(shù)數(shù)據(jù)，掌控水處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)。智能檢測是通過計算機技術(shù)和先進的電氣電子設(shè)備對設(shè)備、液體等待測物進行檢測、測試、分析等操作，具有智能化、識別精準率高的特點，可以檢測到肉眼無法觀察的狀態(tài)和細節(jié)。優(yōu)化控制作為現(xiàn)代控制理論的重要組成部分，主要通過數(shù)學模型和算法去尋找最優(yōu)的控制方案，使系統(tǒng)能在各種約束條件下達到最佳性能。

常用的優(yōu)化控制方法有最優(yōu)化理論的應(yīng)用、比例-積分-微分（Proportion"Integration"Differentiation，PID）控制器的優(yōu)化、模型預測控制和自適應(yīng)控制。最優(yōu)化理論的應(yīng)用是將系統(tǒng)的控制問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學優(yōu)化問題，進而獲得最優(yōu)控制策略的方法[3]。最優(yōu)化理論的應(yīng)用包括非線性規(guī)劃、最優(yōu)控制、動態(tài)規(guī)劃等方法。PID控制器是目前工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的控制器之一，通過對PID參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，可以提高系統(tǒng)的性能。常用的PID參數(shù)優(yōu)化方法包括經(jīng)驗算法、遺傳算法、衰減指數(shù)法、粒子群算法等。模型預測控制是對系統(tǒng)進行建模和優(yōu)化，通過模型的仿真求解最優(yōu)控制策略。模型預測控制主要包括線性模型預測控制、非線性模型預測控制等方法[4]。自適應(yīng)控制是一種能夠根據(jù)自身或外界狀態(tài)的變化可以自動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的優(yōu)化控制方法，通過對系統(tǒng)的建模和參數(shù)實時調(diào)整，可滿足多種工況下的控制要求。自適應(yīng)控制主要包括模型參考自適應(yīng)控制、多模型自適應(yīng)控制和模糊自適應(yīng)控制等。

3""污水處理系統(tǒng)中技術(shù)的應(yīng)用

污水處理的首要目標是抑制水質(zhì)超標問題，涉及的指標主要是出水氨氮和總氮含量。在滿足排放標準的同時，如何降低能耗、減少運營成本是需要進一步解決的問題。下面研究4種智能檢測與優(yōu)化控制技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期為污水處理中的兩大難題提供思路和方法。

3.1"nbsp;基于關(guān)鍵特征變量參數(shù)模型研究

首先明確污水處理的固有特性和關(guān)鍵指標，即污水處理系統(tǒng)中與出水水質(zhì)和耗能這兩者之間的關(guān)鍵參數(shù)變量。在確定關(guān)鍵變量時應(yīng)忽略一些對系統(tǒng)影響不大但干擾模型運行的非關(guān)鍵參數(shù)[5]。關(guān)鍵參數(shù)變量可代表污水處理系統(tǒng)的實際運行模型，將模型運行參數(shù)與實際的污水處理廠相對比，優(yōu)化驗證模型的可靠性。

3.2""基于深度學習的智能檢測策略

污水處理系統(tǒng)是一個復雜的工業(yè)控制多流程系統(tǒng)，系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)等數(shù)據(jù)涉及很多變量。從變量庫中確定有效的可以代表系統(tǒng)控制性能關(guān)鍵參數(shù)的變量是首要任務(wù)。

獲得的參數(shù)等數(shù)據(jù)考慮到測量方式、測試精度和測量時間（天氣差異）等原因，數(shù)據(jù)會存在一定的誤差。初級數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理，可提高數(shù)據(jù)的真實性和代表性，能代表控制系統(tǒng)的真實狀況，后期能獲得更好的預測效果。數(shù)據(jù)預處理之后需要采用適宜污水處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，模型中的參數(shù)應(yīng)根據(jù)污水流量、流速、濃度等特點自適應(yīng)進行調(diào)整，模型中的結(jié)構(gòu)要能及時響應(yīng)參數(shù)的變化，促使網(wǎng)絡(luò)模型可以自學習進行改進。

3.3""基于動態(tài)種群的多目標優(yōu)化算法研究

單目標問題只需要優(yōu)化單個目標函數(shù)值，而多目標優(yōu)化問題要面對多個目標函數(shù)值，這不僅對優(yōu)化算法提出更高的要求，而且更加符合復雜的工程問題，具有實際應(yīng)用意義。

為了實現(xiàn)多沖突運行目標的動態(tài)優(yōu)化，采用動態(tài)種群的方式設(shè)計多目標優(yōu)化算法。在每一次迭代過程中，根據(jù)資料庫中的信息，更新種群的目標個數(shù)，從而匹配污水處理過程的實際工作狀況，并且對多種現(xiàn)有的多目標優(yōu)化算法進行可行性分析[6]。選擇適用于污水處理過程的多目標優(yōu)化算法，以獲得更為優(yōu)質(zhì)的運行指標，提高污水處理的運行效果和效率，其研究步驟如圖4所示。研究步驟包括參數(shù)指標制定、動態(tài)種群自適配和外源資料庫更新算法四部分。參數(shù)指標制定為了得到控制優(yōu)化處理中的狀態(tài)變化情況，進而建立起動態(tài)種群；動態(tài)種群自適配則依據(jù)控制處理中的狀態(tài)變化情況調(diào)整種群規(guī)模；外源資料庫不斷更新迭代以及時得到最優(yōu)解。

3.4""基于增益動態(tài)調(diào)整的智能優(yōu)化控制研究

為了實現(xiàn)污水處理過程非線性控制，采用多目標優(yōu)化算法可獲取優(yōu)化設(shè)定值，運用增益動態(tài)調(diào)整設(shè)計控制器，平衡污水系統(tǒng)中出水水質(zhì)和運行能耗的動態(tài)變化，將運行值始終控制在設(shè)定值之內(nèi)，可維持系統(tǒng)良好運行[7]?；谠鲆鎰討B(tài)調(diào)整的非線性優(yōu)化控制是采用線性控制器來控制非線性系統(tǒng)的方法。將運行指標加載至增益函數(shù)中，該函數(shù)能根據(jù)當前狀態(tài)適配合適的變量取值，這些變量即為污水處理池中的各個運行指標。

在優(yōu)化控制系統(tǒng)中，一般參考最小化運行指標來獲取變量的優(yōu)化設(shè)定值。因此，在對智能優(yōu)化控制器進行設(shè)計之前，應(yīng)先獲取有效的控制變量優(yōu)化設(shè)定值，再根據(jù)該設(shè)定值設(shè)計合適的控制器。將非線性的運行指標優(yōu)化目標轉(zhuǎn)化為多個線性函數(shù)的組合，提高污水處理的運行效率，并將這多個線性函數(shù)增加到增益動態(tài)調(diào)整控制器中，作為增益函數(shù)用于修正控制參數(shù)，提高污水處理的運行效果，其研究方法如圖5所示。

4""結(jié)語

為解決污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)不穩(wěn)定和能耗偏高這兩大難題，研究了4種智能檢測與優(yōu)化控制技術(shù)在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。對污水處理系統(tǒng)中的控制參數(shù)、算法結(jié)構(gòu)等優(yōu)化調(diào)整，可以進一步提高污水處理系統(tǒng)的性能指標，達到污水處理系統(tǒng)的最優(yōu)化，進而實現(xiàn)污水出水水質(zhì)穩(wěn)定達標和有效降低能耗。

參考文獻

• 韓紅桂，張琳琳，伍小龍，等.數(shù)據(jù)和知識驅(qū)動的城市污水處理過程多目標優(yōu)化控制[J].自動化學報，2021，47（11）：2538-2546.
• 張璐.城市污水處理過程智能多目標優(yōu)化控制[D].北京：北京工業(yè)大學，2020.
• HOANG"S"A，BOLAN"N，MADHUBASHANI"A，et"al.Treatment"processes"to"eliminate"potential"environmental"hazards"and"restore"agronomic"value"of"sewage"sludge：A"review[J].Environmental"Pollution，2022，293：118564.
• 侯瑩.城市污水處理過程多目標優(yōu)化控制方法及應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2018.
• 李霏.污水處理過程智能檢測與優(yōu)化控制的研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2020.
• WANG"Y，YANG"X，YAN"H.Reliable"Fuzzy"Tracking"Control"of"Near-Space"Hypersonic"Vehicle"Using"Aperiodic"Measurement"Information[J].IEEE"Transactions"on"Industrial"Electronics，2019，66（12）：9439-9447."

[7]張帥，周平.污水處理過程遞推雙線性子空間建模及無模型自適應(yīng)控制[J].自動化學報，2022，48（7）：1747-1759.