污水處理廠故障診斷

1、污水處理廠故障診斷 摘要：開發(fā)了一個用于診斷城市污水處理廠日常運行故障的專家系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了正反向混合推理機制，并采用故障樹的形式將知識庫中的知識組織形式向用戶公開，便于用戶使用和對系統(tǒng)的維護?，F(xiàn)已用于北京某污水處理廠中。關(guān)鍵詞：故障診斷0引言經(jīng)驗表明，城市污水處理廠長期穩(wěn)定運行是較為困難的，在一些污水處理廠中，處理效果不佳、運行費用高和污染環(huán)境等現(xiàn)象常常是由運行的 問題 引起的1。由于針對污水處理廠日常運行問題的解決策略在書籍中難以找到，長期以來運行人員往往是根據(jù)多年積累的經(jīng)驗對污水處理廠進行管理。然而這些經(jīng)驗的積累要求具有較長時間的實際操作經(jīng)驗和廣泛的知識，所以只為少數(shù)人員所掌握。 目前

2、我國環(huán)境保護事業(yè)正在蓬勃 發(fā)展 ，各地新建了不少城市污水處理廠。在這些新建的污水處理廠中，由于缺乏有經(jīng)驗的運行管理人員，污水處理廠的運行就顯得更加困難。因此十分有必要開發(fā)一套用于指導(dǎo)城市污水處理廠日常運行的決策支持系統(tǒng)。根據(jù)目前的實際情況，采用專家系統(tǒng)是較好的解決方法。1專家系統(tǒng)及其功能專家系統(tǒng)是人工智能的一個分支，它可以定義為一個能在特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家水平去解決該領(lǐng)域內(nèi)困難問題的 計算 機程序。其主要特征是它依靠人類專家經(jīng)驗性的規(guī)則來 分析 和解決問題2。它是將經(jīng)驗性的知識 應(yīng)用 于尚未完全得到理解的領(lǐng)域的一種 方法 ，因而很適合在污水處理過程這樣一個尚未得到完全理解的領(lǐng)域中應(yīng)用。本專家

3、系統(tǒng)是污水處理廠日常運行決策支持系統(tǒng)的一個組成部分，其主要功能為：故障診斷功能：根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)和信息，對污水處理廠的實際運行情況作出分析，確定運行中出現(xiàn)的問題并給出解決的辦法。故障檢索功能：對污水處理廠運行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，采用故障列表的形式進行檢索，對具體的故障給出原因和解決策略的詳細分析?；钚晕勰喾ǖ呐嘤?xùn)功能：充分利用計算機多媒體的優(yōu)勢，運用文字、圖形等多種方式向用戶介紹活性污泥法的有關(guān)知識，對污水處理廠的職工進行培訓(xùn)。本專家系統(tǒng)和污水處理廠日常運行決策支持系統(tǒng)的另一個組成部分-iawq模型數(shù)值模擬軟件相互支持、相互驗證，共同為污水處理廠的日常運行提供幫助。2專家系統(tǒng)的開發(fā)軟件設(shè)計基于

4、windows95或更高版本的操作系統(tǒng)，采用visual studio 6.0版本作為開發(fā)工具，其中采用visual basic 6.0作為專家系統(tǒng)的開發(fā)工具，采用microsoft access 6.0作為相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，在數(shù)據(jù)庫的操作中，采用microsoft transact-sql的結(jié)構(gòu)化查詢語言。系統(tǒng)的開發(fā)過程可以分為以下幾個步驟。2.1知識的獲取這是專家系統(tǒng)開發(fā)過程中最為重要的階段3。專家系統(tǒng)的成功在很大程度上取決于從人類專家處獲得的知識4。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，從水處理專家、污水處理廠工程師、實際運行人員和運行指導(dǎo)書籍中獲得了大量有用的知識。2.2知識的轉(zhuǎn)化在系統(tǒng)的開發(fā)過程

5、中，采用假設(shè)和結(jié)論(if， the n)的形式將從人類專家處獲得的知識轉(zhuǎn)化成為適合于計算機表達的形式，存儲在系統(tǒng)的知識庫中。在此過程中，不斷從人類專家處獲得反饋信息，及時對知識轉(zhuǎn)化和表達中出現(xiàn)的錯誤進行修改。2.3專家系統(tǒng)的構(gòu)建根據(jù)知識庫的結(jié)構(gòu)，確定推理的方式并編程實現(xiàn)推理，開發(fā)友好的用戶界面，實現(xiàn)和完善專家系統(tǒng)的功能。2.4專家系統(tǒng)的驗證在本專家系統(tǒng)開發(fā)完成以后，首先由水處理專家對知識的轉(zhuǎn)化過程進行了驗證，確定污水處理的知識被正確地轉(zhuǎn)化成為知識庫中的知識；然后針對污水處理廠中的具體問題，比較專家系統(tǒng)給出的解決方案與人類專家給出的解決方案，驗證專家系統(tǒng)的準確性。本專家系統(tǒng)的驗證工作是在北京某污

6、水處理廠進行的，根據(jù)實際使用情況，對知識庫中不合理的規(guī)則和知識表達形式進行了修改。3專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)包括知識庫、推理機、數(shù)據(jù)庫、用戶接口等幾個部分。3.1知識庫從人類專家處獲得的知識，經(jīng)過組織后以規(guī)則if， the n的形式存儲在知識庫中。根據(jù)以往的經(jīng)驗，知識的良好組織是系統(tǒng)能夠靈活 應(yīng)用 的必要條件5。為此知識庫采用了模塊化結(jié)構(gòu)，即把知識分成若干相互獨立的知識庫，如故障診斷知識庫，故障檢索知識庫，活性污泥法培訓(xùn)知識庫等。系統(tǒng)在工作時，推理機根據(jù)實際情況將相應(yīng)的知識庫調(diào)入內(nèi)存使用。為了便于用戶根據(jù)自身的實際情況對知識庫進行相應(yīng)的修改和完善，系統(tǒng)采用了故障樹的形式將污水處理廠故障診斷知

7、識庫向用戶公開。故障樹的 方法 本質(zhì)上是一個分解的等級逼近法：從故障樹的根結(jié)點出發(fā)，通過對輸入信息的 分析 以及運行人員和系統(tǒng)之間的交流，將故障逐級分解，直至找到引起污水處理廠運行故障的基本原因，最后給出故障的解決方案。3.2推理機包含解決 問題 的策略和推理方法，接收從人機界面部分傳送來的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)庫匯總的記錄，調(diào)用知識庫中的有關(guān)知識對該信息進行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果送往人機界面或其它結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)在運行過程中，根據(jù)不同情況，采用不同的推理機制。由于故障診斷是一個典型的解析問題的過程，而決策過程則是一個典型的合成過程，所以在故障診斷過程中使用與其特點相適應(yīng)的反向推理機制，在決策過程中使用

8、與其特點相適應(yīng)的正向推理機制3。這兩種推理機制的混合使用，使系統(tǒng)避免向使用人員提出冗余的問題，從而使提出的問題數(shù)最少，方便了用戶和系統(tǒng)的交流，提高了運行速度。3.3數(shù)據(jù)庫存放所有的原始數(shù)據(jù)資料，求解過程中的中間數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)查詢表、最后結(jié)果及推進記錄。3.4用戶接口負責將用戶輸入的信息轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，再把這些內(nèi)部表示交給相應(yīng)的模塊去處理，系統(tǒng)輸出的內(nèi)部信息也由它轉(zhuǎn)化成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶。4專家系統(tǒng)的應(yīng)用實例本專家系統(tǒng)在北京某污水處理廠的運用中已取得實際效果。該污水處理廠長期在污泥濃度較低(1000 mg/l左右)的情況下運行，存在的主要問題有：氨氮基本得不到去除

9、(平均去除率低于5%)，總氮去除率低(平均去除率低于20%)，曝氣池白色泡沫過多，二沉池內(nèi)藻類滋生等。專家系統(tǒng)對該污水處理廠近3年的運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行了分析，認為這些問題是相互聯(lián)系的，主要原因是：剩余污泥排放量過大(2 400 m3/d)，污泥齡短(3 d左右)。由于硝化細菌的生長需要較長的時間，在該廠的運行條件下，污泥齡小于硝化細菌的世代時間，曝氣池中的硝化細菌流失殆盡，硝化反應(yīng)不能正常進行，氨氮得不到去除。出水中氮磷等營養(yǎng)元素濃度高導(dǎo)致了二沉池中藻類的滋生。同時，曝氣池出現(xiàn)大量白色泡沫也表明污泥齡短，污泥不成熟。以上診斷得到了水處理專家、污水處理廠工程師的認可，并且得到了iawq模型數(shù)值模

10、擬軟件的模擬 計算 結(jié)果的驗證(硝化細菌濃度近似為零)。針對這些問題，系統(tǒng)給出了相應(yīng)的解決辦法：增加污泥回流比、降低污泥排放率、提高曝氣池污泥濃度和延長污泥齡。并對各解決辦法的執(zhí)行過程進行了具體的解釋。這些對策的正確性得到了水處理專家的證明，表明了本專家系統(tǒng)能夠完成故障診斷并給予解決的功能。5結(jié)論 (1)本系統(tǒng)具有以下特點：準確性：收集整理了大量水處理專家、污水處理廠工程師等的專業(yè)領(lǐng)域知識，確保了知識來源的準確性；建立了準確的知識庫和高效的推理機，保證了結(jié)論的準確性。通用性：實現(xiàn)了知識庫和推理機的分離，使解決問題的知識和使用知識的程序分離開來，保證了專家系統(tǒng)的透明性和靈活性，提高了系統(tǒng)的可移植

11、性，通過對知識庫的修改，可以適用于不同的污水處理廠。方便性：用戶界面簡單易學(xué)，用戶不必經(jīng)過專門的培訓(xùn)就能夠使用本系統(tǒng)，適合于污水處理廠日常的運行管理人員使用。 (2)專家系統(tǒng)內(nèi)包含了完整的有關(guān)活性污泥法處理工藝的知識，可以對污水處理廠內(nèi)職工進行培訓(xùn)指導(dǎo)。 (3)本專家系統(tǒng)作為污水處理廠日常運行決策支持系統(tǒng)的一部分，和數(shù)學(xué)模型模擬計算部分(iawq模型)相互支持，能更好地為污水處理廠運行決策提供幫助。 參考 文獻1m w barnett.knowledge*.based expert system applications i n waste treatment operation and co

12、ntrol.isa transactions,1992,31(1):55602wenju lai,p m berthoues.testing expert system for activa ted sludge process control.journal of environmental engineering,1990,116(5):890 9093xin x zhu,angus r simpson.expert system for water treatm ent plant operation.journal of environmental engineering,1996,122(9):8228294welbank m. a review of knowledge acquisition techniques for expert system.british telecom research