鄧金鋒,孫清斌,尹春芹,張曉玲

(湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

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基于案例的污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧金鋒,孫清斌,尹春芹,張曉玲

(湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

基于現(xiàn)有污水處理設(shè)施案例設(shè)計(jì)了一個(gè)用于工藝選擇的專家系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建以經(jīng)過分析、判斷和修正的案例作為知識(shí)庫(kù)，通過綜合分析大眾用戶的使用意見形成知識(shí)庫(kù)改進(jìn)的依據(jù)，系統(tǒng)k值由k-近鄰算法的預(yù)測(cè)結(jié)果確定。該系統(tǒng)的使用不僅減少了污水處理工藝選擇的主觀隨意性，而且充分利用了為數(shù)眾多的現(xiàn)有污水處理設(shè)施的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為擴(kuò)充、升級(jí)成為污水處理全過程專家系統(tǒng)作了準(zhǔn)備。

污水處理；工藝選擇；專家系統(tǒng)；k-近鄰算法

根據(jù)國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部通報(bào)，截至2014年底，全國(guó)設(shè)市城市、縣(以下簡(jiǎn)稱城鎮(zhèn)，不含其他建制鎮(zhèn))累計(jì)建成污水處理廠3 717座[1]，如果再加上各地規(guī)模不等的工業(yè)廢水處理廠，全國(guó)污水處理設(shè)施數(shù)量非常龐大。如此眾多的處理設(shè)施在長(zhǎng)期運(yùn)行的過程中，積累了大量寶貴的第一手經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)新建污水處理廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行無疑有非常大的指導(dǎo)意義。污水處理工程設(shè)計(jì)師如果能利用這些經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中充分分析與目標(biāo)工程類似項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維修和改擴(kuò)建時(shí)遇到的問題，無疑會(huì)給工程設(shè)計(jì)提供很多有益的啟發(fā)。

然而，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師，也只是根據(jù)有限的自我或團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)，以已建成的工程作藍(lán)本進(jìn)行修改和補(bǔ)充，以求穩(wěn)妥；而有的設(shè)計(jì)者為追求新工藝，甚至在某個(gè)區(qū)域或行業(yè)不管目標(biāo)污水水質(zhì)基本情況如何，一窩蜂上馬同一種處理工藝，比如上世紀(jì)80年代南方城市多采用氧化溝技術(shù)處理污水，而90年代末則成了SBR的天下。針對(duì)某個(gè)地理區(qū)域、某種特定水質(zhì)，相對(duì)“最適宜”的處理工藝組合應(yīng)該是什么，一般設(shè)計(jì)工程師很難確切回答。如果說在當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和人員素質(zhì)均有限的條件下為了總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和方便管理，眾多處理廠采用相同工藝具有一定合理性，那么現(xiàn)在的污水處理工程建設(shè)則不應(yīng)該再生搬硬套其他廠的工藝方案，而是需要更加靈活、更加精細(xì)的設(shè)計(jì)。那么，如何把現(xiàn)存污水處理設(shè)施從設(shè)計(jì)到運(yùn)行維護(hù)的全過程經(jīng)驗(yàn)變得更加容易獲得？可以嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師更清晰、更準(zhǔn)確地提供同類水質(zhì)污水處理工藝的實(shí)際效果、可能發(fā)生的事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，以及改進(jìn)建議。計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)為此提供了可能，該系統(tǒng)可以在污水處理工程的工藝選擇、運(yùn)行維護(hù)等全過程提供極好的指導(dǎo)。

實(shí)際上，污水處理工程從可行性研究、工藝選擇、設(shè)計(jì)繪圖、改擴(kuò)建，到運(yùn)行控制、故障診斷都可以從專家系統(tǒng)獲得有效幫助[2-4]，但由于專家系統(tǒng)建設(shè)本身是一項(xiàng)大規(guī)模的系統(tǒng)工程，需要長(zhǎng)期的運(yùn)行完善，所以一般以模塊化方式分期建設(shè)。近年來，關(guān)于故障診斷的專家系統(tǒng)研究較多[5]，但是，因設(shè)計(jì)不良造成的運(yùn)維問題很難通過修改運(yùn)行參數(shù)的方法得到根本解決，因此，工程設(shè)計(jì)階段建設(shè)關(guān)于工藝選擇的專家系統(tǒng)也十分有必要。

1 開發(fā)專家系統(tǒng)

1.1 污水處理領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)

專家系統(tǒng)是一套智能計(jì)算機(jī)程序，它包含大量的某個(gè)特定領(lǐng)域當(dāng)前專家水平的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使用者可以利用這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)解決該領(lǐng)域問題，這些問題可能在系統(tǒng)中保存并已經(jīng)得到解決，也可能是新出現(xiàn)的有待系統(tǒng)經(jīng)過推理解決的。該系統(tǒng)通過解決新問題也豐富和更新了知識(shí)，這種知識(shí)更新可以在人類的干預(yù)下進(jìn)行，也可以由系統(tǒng)自主進(jìn)行。專家系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)科技，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家才能解決的問題?？傊?，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的智能計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。污水處理技術(shù)實(shí)踐性較強(qiáng)，因此建立在實(shí)際案例基礎(chǔ)上的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)會(huì)更加切合生產(chǎn)實(shí)踐，專家系統(tǒng)不但可以對(duì)這些案例進(jìn)行收集，而且在運(yùn)行的過程中可以對(duì)實(shí)際工程的處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，增強(qiáng)知識(shí)庫(kù)的實(shí)用性和科學(xué)性[6]。

1.2 知識(shí)庫(kù)和kNN算法

將全國(guó)已有的成千上萬座污水處理設(shè)施作為設(shè)計(jì)新廠時(shí)的主要參考依據(jù)，可以為設(shè)計(jì)者提供更有針對(duì)性的工藝組合可能。一般認(rèn)為知識(shí)庫(kù)應(yīng)該包括領(lǐng)域?qū)＜?一名或多名)當(dāng)時(shí)提供的知識(shí)，但污水處理工藝選擇只有匯集眾多專家的經(jīng)驗(yàn)，才能最大程度避免設(shè)計(jì)時(shí)的偏差和失誤。如果知識(shí)庫(kù)以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，無疑比完全依賴數(shù)名專家的經(jīng)驗(yàn)更加可靠。

kNN算法(k-Nearest Neighbor，k-近鄰算法)是一種簡(jiǎn)單而成熟有效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。它首先對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行分類，形成一個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，再對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)(依據(jù)空間距離)，找出離它最近的k個(gè)樣本，以這k個(gè)樣本在知識(shí)庫(kù)中所屬類別進(jìn)行預(yù)測(cè)判別。本系統(tǒng)k值取3～10之間某值，具體由用戶根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果確定。

1.3 知識(shí)表達(dá)

污水處理設(shè)施所屬行業(yè)、原水主要污染物和出水指標(biāo)等是工藝選擇的主要依據(jù)，因此，可以根據(jù)這些指標(biāo)對(duì)現(xiàn)有污水處理設(shè)施分類。首先要收集足夠多的案例(樣本)，按照工藝組合進(jìn)行分類。再根據(jù)案例目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)值(已歸一化)確定樣本特征值矩陣M：

(1)

構(gòu)造知識(shí)庫(kù)矩陣需要對(duì)式(1)中集合元素進(jìn)行編碼，其中{所屬行業(yè)}應(yīng)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類與代碼(GB/4754-2011)進(jìn)行編碼，并可以分隔為{大類，中類，小類}編碼；{毒性指數(shù)}在國(guó)家《有毒有害水污染物名錄》尚未公布的情況下，可用專家打分法，綜合考慮有毒污染物毒性、含量，按百分法計(jì)算得到。

根據(jù)工藝選擇的主要指標(biāo)，用樣本分類向量V表示案例的特定工藝組合，計(jì)算方法見式(2)：V=(工藝組合編碼)T

(2)

為了常見污水處理工藝的組合無重合編碼，可以使用MicroSoft C#語言的ulong(.NET類型為System.UInt64)類型，此類型由64位二進(jìn)制數(shù)值表示，用于表示工藝時(shí)，每一位表示一種常見工藝，有264種組合。如果該案例使用了此種工藝，則在相應(yīng)位置1，否則置0。用構(gòu)筑物類型和工藝類型結(jié)合可以更加清晰地表達(dá)工藝特征，如可以設(shè)計(jì)“初次沉淀”、“二次沉淀”工藝，也可以設(shè)計(jì)“污泥消化池”。工藝分類應(yīng)有一定概括性，如果分類過細(xì)工藝類別可能會(huì)超過64，也沒有必要，如“消毒”工藝沒必要再分為“臭氧消毒”、“紫外線消毒”，但應(yīng)該分別設(shè)“預(yù)消毒”和“消毒”環(huán)節(jié)。

知識(shí)庫(kù)還需要設(shè)定以下2個(gè)字段：①保存此案例工程概況、運(yùn)行效果、工藝詳細(xì)描述及改擴(kuò)建情況;②保存設(shè)計(jì)圖紙的文件名，圖紙以文件形式保存于某文件夾。以上編碼均設(shè)置為數(shù)值型。部分常見工藝編碼見表1。

表1 部分常見工藝編碼

表1中備注內(nèi)容在數(shù)據(jù)庫(kù)中另設(shè)一字段保存，作為確定該工藝類別的詳細(xì)說明，以減少確定工藝類型時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。

1.4 知識(shí)庫(kù)創(chuàng)建和知識(shí)更新

知識(shí)庫(kù)建設(shè)是該專家系統(tǒng)建設(shè)最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，需要將全國(guó)眾多污水處理設(shè)施按照知識(shí)表達(dá)的要求進(jìn)行編碼。編碼時(shí)需根據(jù)設(shè)施運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。有的污水處理設(shè)施可能在運(yùn)行過程中水質(zhì)指標(biāo)發(fā)生了經(jīng)常性的改變，有的雖然水質(zhì)條件沒有變化，但在運(yùn)行過程中逐漸發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)缺陷，那么在知識(shí)庫(kù)中必須根據(jù)具體情況調(diào)整，并且在1.3節(jié)的描述字段中詳細(xì)描述。比如，某醫(yī)院在擴(kuò)建時(shí)增加了傳染科，那么污水處理環(huán)節(jié)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整：在調(diào)節(jié)池前設(shè)置預(yù)消毒池和脫氯池。這種調(diào)整應(yīng)該在知識(shí)庫(kù)創(chuàng)建或者在知識(shí)更新期間得到補(bǔ)充或修正，同時(shí)系統(tǒng)將顯示修改痕跡及修正原因。系統(tǒng)提供用戶反饋機(jī)制，注冊(cè)用戶可對(duì)工藝組合進(jìn)行評(píng)價(jià)并形成評(píng)語，系統(tǒng)在搜索結(jié)果中將體現(xiàn)這些評(píng)語。系統(tǒng)還應(yīng)定期組織專家對(duì)工藝、水質(zhì)樣本、描述字段以及圖紙等進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)(supervised learning)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯如圖1所示。

2 用戶接口和編程語言

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，設(shè)置用戶權(quán)限，用戶類別分別為個(gè)人用戶和單位用戶，實(shí)名認(rèn)證后可以獲得發(fā)表評(píng)語資格。編程語言(或架構(gòu))為ASP.NET MVC/C#/JavaScript+jQuery，kNN計(jì)算使用第三方類庫(kù)numl(授權(quán)為MIT License)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)能夠最大程度方便用戶的參與，經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)成為大眾智慧的結(jié)晶，而不只是少數(shù)專家的知識(shí)重現(xiàn)。

3 結(jié)論和展望

專家系統(tǒng)可用于污水處理全過程，實(shí)踐表明，使用最多的并不是工藝選擇專家系統(tǒng)，而是故障診斷專家系統(tǒng)，但隨著近年來全國(guó)以至世界范圍內(nèi)污水處理設(shè)施數(shù)量的增多，在設(shè)計(jì)階段使用這種基于案例的專家系統(tǒng)成為了可能?；诎咐?，并不是照搬案例，而是以專家進(jìn)行修正和最優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案為藍(lán)本。使用此系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可以得到處理類似水質(zhì)時(shí)的“最優(yōu)”設(shè)計(jì)方案和運(yùn)維人員對(duì)這種方案的評(píng)判，以減少不良設(shè)計(jì)的產(chǎn)生。污水處理設(shè)計(jì)是一個(gè)逐步細(xì)化的復(fù)雜過程，工藝選擇只是其中一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)并計(jì)算構(gòu)筑物尺寸，生成圖紙，再結(jié)合運(yùn)行控制、故障診斷等系統(tǒng)，最終可形成全過程專家系統(tǒng)。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施2014年第四季度建設(shè)和運(yùn)行情況的通報(bào)(建城函[2015]29號(hào))[EB/OL].(2015-2-6).[2016-12-10].http://www.mohurd.gov.cn/zcfg/jsbwj_0/jsbwjcsjs/201502/t20150217_220335.html.

[2] 黃海峰,王暉.專家系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2006(2)：60-62.[3] 劉宇．城市污水處理廠A2/O工藝故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[4] 葛守飛．基于JRE城市污水處理廠故障診斷專家系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5] 王剛，卿曉霞．故障診斷專家系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用與展望[J].山西建筑，2010，36(29)：168-169.

[6] 王朝陽(yáng)，張洪波，張?chǎng)┯睿?污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2002，18(5)：64-65.

(責(zé)任編輯 高 嵩)

Design of Expert System Based on Case for Sewage Treatment Process Selection

DengJinfeng,SunQingbin,YinChunqin,ZhangXiaoling

(School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

An expert system based on case for process selection of sewage treatment is designed.The knowledge base is constructed with the existing cases which has been analyzed and corrected based on the numerous users.System not only reduces the subjectivity in the selection of sewage treatment process,but also takes full advantage of the large number of operating experience of existing sewage treatment facilities.This could be the preparation for construction of rounded expert system by expansion, upgrading.The algorithm ofk-Nearest Neighbor is used to predict the treatment process.

sewage treatment;process selection;expert system;k-Nearest Neighbor algorithm

2017-02-13

湖北理工學(xué)院校級(jí)引進(jìn)人才項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：09yjz04R)。

鄧金鋒，講師，博士，研究方向：環(huán)境生態(tài)與生物地球化學(xué)過程。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.006

X703

A

2095-4565(2017)03-0024-04