一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明基于污水處理過程生化反應(yīng)特性，利用一種自適應(yīng)回歸核函數(shù)方法設(shè)計(jì)了 污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了污水處理過程能耗EC的實(shí)時(shí)測(cè)量;污水處理過程能 耗EC是表征污水處理能量消耗程度的重要參量，污水處理過程能耗EC與過程變量的關(guān)系是 實(shí)現(xiàn)污水處理過程優(yōu)化控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)污水處理的節(jié)能降耗和穩(wěn)定安全運(yùn)行有著重要 影響，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，既屬于控制領(lǐng)域，又屬于水處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 城市污水處理過程，不但要保證污水處理系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使得出水水質(zhì) 符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要盡量降低運(yùn)行成本。然而，污水處理過程中由于能耗EC影響因 素繁多，且各影響因素之間關(guān)系復(fù)雜，難以建立精確的、可實(shí)時(shí)調(diào)整的污水處理過程能耗EC 模型?；谧赃m應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方法有利于提高城市污水處理效 率、加強(qiáng)城市污水處理廠精細(xì)化管理、降低污水處理廠運(yùn)行成本，緩解我國當(dāng)前水污染處理 不達(dá)標(biāo)和污水處理能耗較高的現(xiàn)狀，不但具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有顯著的環(huán)境和社 會(huì)效益。因此，本發(fā)明的研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 城市污水再生利用是實(shí)現(xiàn)水資源良性循環(huán)的重要舉措，世界各國都大力實(shí)施污水 處理以應(yīng)對(duì)水資源危機(jī)。目前我國城市污水處理廠的噸水耗電量約為0.25千瓦時(shí)（對(duì)應(yīng) GB18918二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)），約為發(fā)達(dá)國家噸水耗電量的2倍，運(yùn)行管理人員數(shù)量又是其若干 倍，造成了污水處理運(yùn)行成本過高。致使很多污水處理廠"建得起，養(yǎng)不起"，尋求污水處理 過程能耗EC與過程變量的關(guān)系，降低污水處理能耗EC是當(dāng)前城市污水處理運(yùn)行急需解決的 問題。因此，建立污水處理過程能耗EC與過程變量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)污水處理過程能耗EC的實(shí)時(shí) 測(cè)量，是保證污水處理廠節(jié)能降耗的必要環(huán)節(jié)；目前污水處理過程能耗EC模型表達(dá)式參數(shù) 固定，不適用于時(shí)變的非線性污水處理過程。而且由于污水處理過程中負(fù)荷波動(dòng)大，污水處 理過程經(jīng)常工作在非平穩(wěn)狀態(tài)，現(xiàn)有的污水處理過程能耗EC機(jī)理模型誤差較大，精度較低， 很難滿足實(shí)際污水處理廠實(shí)時(shí)優(yōu)化控制的需求，必須尋求新的污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方 法；因此，研究基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方法，獲得污水處理過程 能耗EC與過程變量的關(guān)系，為污水處理過程能耗EC的實(shí)時(shí)測(cè)量提供一種可行方法。
[0004] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方法，該方 法通過自適應(yīng)回歸核函數(shù)方法建立污水處理過程能耗EC模型，同時(shí)結(jié)合梯度下降優(yōu)化算法 自適應(yīng)調(diào)整模型參數(shù)，提高模型精度，獲得了污水處理過程能耗EC的預(yù)測(cè)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明獲得了一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗預(yù)測(cè)方法，根據(jù)動(dòng) 力學(xué)特性獲得模型的相關(guān)變量，利用自適應(yīng)回歸核函數(shù)建立污水處理過程能耗EC與過程變 量之間的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合梯度下降優(yōu)化算法提高模型精度，獲得污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè) 值；
[0006] 本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟：
[0007] 1. 一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗預(yù)測(cè)方法，其特征在于通過污 水處理過程動(dòng)力學(xué)分析獲取輸入輸出變量，利用自適應(yīng)回歸核函數(shù)建立污水處理能耗EC模 型，實(shí)現(xiàn)污水處理能耗EC的預(yù)測(cè)，包括以下步驟：
[0008] (1)確定能耗EC模型的輸入與輸出變量:污水處理過程中能耗EC主要由曝氣能耗 AE和栗送能耗PE組成，能耗EC主要受氧傳遞系數(shù)KLa，內(nèi)回流^和外回流Qr的影響，氧傳遞系 數(shù)K La主要作用是控制溶解氧濃度So,內(nèi)回流Qa主要作用是控制硝態(tài)氮濃度Snq和氨氮濃度 SNH，外回流Qr主要作用是控制混合懸浮物固體濃度MLSS;根據(jù)動(dòng)力學(xué)特性分析，選取與能耗 EC相關(guān)的內(nèi)部變量為能耗EC模型的輸入:硝態(tài)氮濃度SNQ，溶解氧濃度So，氨氮濃度SNH，混合 懸浮物固體濃度MLSS;能耗EC模型的輸出為能耗EC值；
[0009] (2)設(shè)計(jì)用于污水處理能耗EC的自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型，將輸入與輸出變量之間 的關(guān)系通過自適應(yīng)回歸核函數(shù)表達(dá)，該自適應(yīng)回歸模型的計(jì)算功能是：
[0010] y(t)=ff(t) · K(t) (1)
[0011 ] 其中，y(t)表示t時(shí)刻自適應(yīng)回歸模型的輸出;W(t) = [Wl(t)，W2(t)，…，WN(t)]表 示t時(shí)刻核函數(shù)連接權(quán)值向量，wn (t)表示t時(shí)刻第η個(gè)核函數(shù)連接權(quán)值，n = l，2,…，N;N代表 核函數(shù)個(gè)數(shù)，K(t) = [Kl(t)，K2(t)，. . .，KN(t)]T表示核函數(shù)向量，T表示轉(zhuǎn)置，Kn(t)表示t時(shí) 刻第η個(gè)核函數(shù)的值，其計(jì)算功能是：
[0012] 氨的⑴'⑴丨丨:'死⑴： (2)
[0013] 其中，X(t) = [Xl(t)，X2(t)，X3(t)，X4(t)]代表t時(shí)刻自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的輸 入，Xl(t)表示t時(shí)刻硝態(tài)氮濃度SNQ，X2(t)表示t時(shí)刻溶解氧濃度S〇，X3(t)表示t時(shí)刻氨氮濃 度Sra，X4(t)表示t時(shí)刻混合懸浮物固體濃度MLSS;C(t) = [ci(t)，C2(t)，. . .，CN(t)]T表示t 時(shí)刻核函數(shù)中心矩陣，cn(t) = [Cnl(t)，Cn2(t)，Cn3(t)，Cn4(t)]表示t時(shí)刻第n個(gè)核函數(shù)的中 心，η=1，2,…，N;b(t) = [bi(t)，b2(t)，. . .，bN(t) ]τ表示t時(shí)刻核函數(shù)的寬度向量，bn(t)表 示t時(shí)刻第η個(gè)核函數(shù)的寬度值。
[0014] (3)訓(xùn)練自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型，具體為：
[0015] ①給定自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的核函數(shù)個(gè)數(shù)為Ν，自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的輸入 為χ(1)，χ(2)，…，x(t)，…，χ(Τ)，對(duì)應(yīng)的期望輸出為yd(l)，yd(2)，…，yd(t)，···，yd(T)，Τ表 示自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型輸入的訓(xùn)練樣本數(shù)，期望誤差值設(shè)為Ed，Ede (〇，〇.〇1)，初始中心 值(^(1)中每個(gè)變量的賦值區(qū)間為[-2，2 ]，初始中心寬度bn(1)的賦值區(qū)間為[0，1 ]，η = 1， 2，…，Ν;初始連接權(quán)值向量W( 1)中每個(gè)變量的賦值區(qū)間為[-1，1 ];
[0016] ②設(shè)置學(xué)習(xí)步數(shù)s = l;
[0017] ③t = s，計(jì)算自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的誤差平方和E(t):
[0019] 其中，E(t)表示t時(shí)刻自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的誤差平方和，e(t)表示t時(shí)刻自適 應(yīng)回歸核函數(shù)模型輸出與期望輸出之間的誤差：
[0020] e(t)=y(t)-yd(t) (4)
[0021 ]其中，y (t)為t時(shí)刻自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的輸出；yd(t)為t時(shí)刻自適應(yīng)回歸核函 數(shù)模型的期望輸出；
[0022] ④調(diào)整自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的參數(shù)；
[0023] Wn(t+l)=Wn(t)+Awn(t) (5)
[0024] Cn(t+l)=Cn(t)+A Cn(t) (6)
[0025] bn(t+l) =bn(t)+Δ bn(t) (7)
[0026] 其中，Δ Wn(t)表示t時(shí)刻第n個(gè)核函數(shù)連接權(quán)值向量的調(diào)整量，Δ Cn(t)表示t時(shí)刻 第η個(gè)核函數(shù)中心矩陣的調(diào)整量，Abn(t)表示t時(shí)刻第η個(gè)核函數(shù)寬度向量的調(diào)整量，n = l， 2，···，N;其計(jì)算為：
[0027] Δη:;(〇 二 H"(〇 .K〇 (8)
[0028] Ac"(/) = -.7:vv"(〇9c"(〇-K〇 (9)
[0029] Δ/'(〇 二.φΛ"⑴.ιν"(/).φ) (?Ο)
[0030] 其中，m e (〇，〇. 1)表示核函數(shù)連接權(quán)值的學(xué)習(xí)率，q2 e (〇，〇 . 1)表示核函數(shù)中心的 學(xué)習(xí)率，11盧（〇,〇.1)表示核函數(shù)寬度的學(xué)習(xí)率，((),,,辦)表示七時(shí)刻第11個(gè)核函數(shù)連接權(quán)值的 偏量，(卩 ￡,辦)表示t時(shí)刻第η個(gè)核函數(shù)中心的偏量，表示t時(shí)刻第η個(gè)核函數(shù)寬度的偏 量;其計(jì)算為
[0031] φ』) = -?) (11)
[0032] 尺,,⑴(X ⑴-C;,(〇)/|/)" ⑴ |:· (12)
[0033] (Mt) = -l(〇.||x(〇 -Cfl(〇|2 /|6"(〇f (13)
[0034] 其中 n = i，2,…，N;
[0035] ⑤學(xué)習(xí)步數(shù)s增加1，如果步數(shù)s〈T，則轉(zhuǎn)向步驟③進(jìn)行繼續(xù)訓(xùn)練，如果s = T轉(zhuǎn)向步 驟⑥；
[0036] ⑥根據(jù)公式(3)計(jì)算自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的性能，如果E(t) 2 Ed，則轉(zhuǎn)向步驟② 進(jìn)行繼續(xù)訓(xùn)練，如果E( t)〈Ed，則停止調(diào)整；
[0037] (4)將測(cè)試樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練后的自適應(yīng)回歸核函數(shù)模型的輸入，自適應(yīng)回歸核 函數(shù)模型的輸出即為能耗EC的預(yù)測(cè)值。
[0038]本發(fā)明的創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在：
[0039] (1)針對(duì)當(dāng)前污水處理過程能耗不能實(shí)時(shí)測(cè)量的問題，本發(fā)明通過提取與污水處 理過程能耗相關(guān)的4個(gè)相關(guān)變量:硝態(tài)氮濃度S NQ，溶解氧濃度So，氨氮濃度SNH，混合懸浮物固 體濃度MLSS，提出了一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了 污水處理過程能耗的預(yù)測(cè)，解決了污水處理過程能耗難以實(shí)時(shí)測(cè)量的問題。
[0040] (2)本發(fā)明根據(jù)當(dāng)前污水處理過程是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)時(shí)變的過程，污水處理過程 能耗EC與相關(guān)變量間的關(guān)系不僅具有非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，而且難以用精確數(shù)學(xué)模型描 述，因此，基于實(shí)際污水處理廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用了自適應(yīng)回歸核函數(shù)實(shí)現(xiàn)了污水處理過程能 耗EC的預(yù)測(cè)，具有預(yù)測(cè)精度高，對(duì)環(huán)境差異具有很好的適應(yīng)能力等特點(diǎn)；
[0041] 特別要注意:本發(fā)明采用與污水處理過程能耗EC相關(guān)的4個(gè)過程變量，基于自適應(yīng) 回歸核函數(shù)設(shè)計(jì)了一種污水處理過程能耗EC模型，只要采用了本發(fā)明的相關(guān)變量和方法進(jìn) 行污水處理過程能耗EC預(yù)測(cè)都應(yīng)該屬于本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明污水處理能耗EC預(yù)測(cè)方法的訓(xùn)練結(jié)果圖；
[0043]圖2是本發(fā)明污水處理能耗EC預(yù)測(cè)方法的訓(xùn)練誤差圖；
[0044] 圖3是本發(fā)明污水處理能耗EC預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果圖；
[0045] 圖4是本發(fā)明污水處理能耗EC預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)誤差圖；
[0046] 表1-12是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);表1-5是訓(xùn)練樣本:硝態(tài)氮濃度SNQ，溶解氧濃度So,氨氮 濃度S NH，混合懸浮物固體濃度MLSS和污水處理過程能耗EC實(shí)測(cè)值，表6為訓(xùn)練過程中預(yù)測(cè)方 法的輸出，表7-11為測(cè)試樣本:硝態(tài)氮濃度Snci，溶解氧濃度So，氨氮濃度Snh，混合懸浮物固體 濃度MLSS和污水處理過程能耗EC實(shí)測(cè)值，表12為本發(fā)明預(yù)測(cè)方法的能耗EC預(yù)測(cè)值。
【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明獲得了一種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗預(yù)測(cè)方法，根據(jù)動(dòng) 力學(xué)特性獲得的相關(guān)變量，利用自適應(yīng)回歸核函數(shù)建立污水處理過程能耗EC與過程變量之 間的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合梯度下降優(yōu)化算法提高模型精度，實(shí)現(xiàn)污水處理過程能耗EC的預(yù)測(cè)； [0048]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自高碑店污水處理廠2014年全年水質(zhì)分析日?qǐng)?bào)表;分別取硝態(tài)氮濃度 SN〇，溶解氧濃度So，氨氮濃度SNH，混合懸浮物固體濃度MLSS，污水處理過程能耗EC的實(shí)際檢 測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，剔除異常實(shí)驗(yàn)樣本后剩余180組可用數(shù)據(jù)，將全部的180組數(shù)據(jù)樣 本隨機(jī)分為兩部分:其中130組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其余50組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本；
[0049]本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟：
[0050] 1. -種基于自適應(yīng)回歸核函數(shù)的污水處理過程能耗預(yù)測(cè)方法，其特征在于通過污 水處理過程動(dòng)力學(xué)分析獲取輸入輸出變量，利用自適應(yīng)回歸核函數(shù)建立污水處理