基于污水处理工艺专家系统的研究

Posted 2023-01-12 规则

篇首语：休言女子非英物，夜夜龙泉壁上鸣。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于污水处理工艺专家系统的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

讨论了如何构建污水处理工艺专家系统，该系统主要采用正向推理模糊机制，并用规则子树的形式将知识组织向用户公开，便于用户使用和对系统维护升级。
针对污水处理工艺问题的解决策略在书籍中很难找到。长期以来设计人员往往是根据多年积累的经验对污水处理工艺进行设计。然而这些经验的积累要求具有较长时间的实际操作经验和广泛的知识，所以只为少数人员掌握。随着计算机和通讯技术的发展，决策支持系统(DSS)在广度(如决策支持中心和群决策支持和深度(如先进的模型和深人数据分析)上得以发展，为开发用于指导城市污水处理工艺的决策支持系统创造了条件。根据目前的实际情况，采用污水处理工艺专家系统(ES)是较好的解决方法。
1ES的基础功能
ES是一种基于知识和专家经验的智能计算机程序，它存储有能够使之在专家水平上对问题进行求解的专门知识，可用于求解那些需要专家才能求解的高难度问题。模拟水处理领域专家的“整体观念.辨证论治"的思维和推理方法并做出诊断，必须系统地总结、归纳水处理专家的实际经验、学术观点及与该专家领域知识相关的水处理理论知识，并存储到专家系统中，以便在推理、决策过程中调用。要实现高质量诊断.必须具备以下功能：
(1)数据收集。在水处理专家的指导下，从纵向和横向两个方面，保证搜索的文献的系统性和完整性。
(2)数据处理。实现基本数据的处理功能，如诊断膜清洗方法时，可将各种环境下的指标数据转换、库存、显示等，整个应用程序在运行过程中时刻对数
据进行操作。数据库及其处理机制是应用程序的核心。
(3)数据输出：将存储到计算机数据库里的信息进行整理，然后根据数学原则将诊断结果显示出来。
2ES的诊断功能
一般来说，模拟专家诊断不会一次成功。这个过程是不断总结和深人理解水处理专家的经验并使之系统化、规范化的过程。笔者分三个步骤深人研究和开发了这一功能。
2.1初级诊断功能
这一阶段采用的是产生式系统。用产生式规则作为知识表达方法的系统称为产生式系统，许多成功的专家系统都以产生式规则作为知识表达方式。产生式规则的格式为：前件——如果(if)；后件——那么(then)。其中前件也称条件或前提，说明要应用这一规则所必须满足的条件；后件也称操作或结论，说明若前件被满足，则可以采取的操作或得出的结论。例如，规则
(1)的描述如下：
IF[水质：盥洗废水：装置：一体式活性污泥一膜生物反应器；膜材料：聚偏氟乙烯中空纤维；COD：300mg/L；SS：200mg/L；BOD5：150mg/L；运行天数：100d]
THEN[可采用水外洗+水反冲+0.05%(质量分数)的NaC10的碱洗+0.5%(质量分数)的H2SO4酸洗]。
研究中发现.规则的条件部分是一组十分繁杂的事实，而对于不同辩证，条件部分可能互有重复，造成匹配困难，与平时诊断习惯不符合。所以实际应用中，大多数的ES，采用的是对各种水处理问题的辩证规则分层描述，形成一棵树状结构。诊断时根据处理情况，自上而下、自左而右、逐个分支进行匹配，形成许多中间事实，最后得出辩证结果。这样做的优点是规则的结构简单，容易建立和使用，也符合平时处理问题的习惯。例如，在处理膜污染和清洗问题时，将7条规则分层，可形成一个小型的膜清洗辩证规则子树，如图1所示。

根据实际经验和文献调研发现，分置式膜生物反应器只要注意及时反冲洗，就可以有效地预防膜污染，所以诊断基础是以樊耀波等的最佳反冲洗周期公式为数学模型，利用计算机程序来选择确定最佳反冲洗时间；基于一体式膜生物反应器中膜污染影响因素很多。这里采用更多的人机对话方式以确定合适清洗方法。实验结果表明，这一方式确实可行。但在实际运行中，由于膜污染情况十分复杂，传统的产生式规则不能满足使用者选择合适清洗方案的要求，因此，以模糊数学为基础，通过模拟专家的思维过程，来判断总结出最佳清洗方案。
2.2中级诊断功能
中级诊断的内容主要是将传统产生式规则模糊化，一般可对产生式规则进行条件模糊化和结论模糊化，这里研究只利用其条件模糊化。模糊集合论的关键是根据模糊概念建立模糊集，对模糊集建立隶属函数，并且在对模糊集作各种运算时对隶属函数作相应的运算。
基于模糊数学原理，根据实际情况可以将水处理中统计出来的特征症状分别记为S11，S12，S13...，

若规定阈值λ1=λ2=λ3=λ4>0.75，则即可诊断为症状D3，即用质量分数为0.3%的HC1浸泡12h，最后用质量分数为0.4%的NaCIO浸泡12h，符合文献中提出的清洗方法，并且计算结论和实际结论相关度非常高。对于规则模糊化，要求尽可能地满足样本症状的多样性和准确性，如果研究时采用实际数据更多，诊断可信度会更高，这说明模型更合理。所以，选择合理的症状输入是后续工作的重点。
在用计算机模拟中发现，很可能上述的k个模糊决策原则中同时成立几个或者一个也不能满足。此时，应提高或降低A，使其做进一步鉴别，直至确定一个为止。在对A取值时，应该根据水处理原理及对回顾性例子的验证结果来决定。
2.3高级诊断功能
随着人工智能技术的发展，水处理专家系统的智能水平明显提高。在以后的研究中拟采用BP(BackPropagation)人工神经网络技术。人工神经网络是模拟人脑功能建立的，采用分布式记忆存储法和大规模并行处理方式，并且具有自组织、自学习和自适应功能，适合处理连续的、模拟的、模糊的和随机的信号。
水处理专家需要对大量的信息进行分析和综合，并有大量的信息需要交换，具有很强的经验性、模拟性和模糊性，而且要经常对许多问题进行分类和决策.并且在此过程中需要不断地学习和对知识进行组织、加工，所有这些恰恰是人工神经网络的优势所在。但是BP神经网络也具有收敛速度慢，推理易发散的弱点，根据专家系统中的要求，需要在研究中采用有效的方式进行改进。
3结语
笔者对专家系统在污水处理中的应用进行了讨论，该系统实现了决策支持中心的思想，可以为污水处理技术人员和专家提供咨询和建议，同时，系统采用模块化和面向对象的设计方法，可以在软件平台上继续改进已有模块的功能，使其对污水处理的决策支持功能进一步增强。