智能檢測和優化控制在污水處理中的應用研究

摘""要：隨著國家對生態環保問題的重視，城市污水問題得到社會各界廣泛關注，高效、節能的污水處理系統是解決污水問題的有效途徑。污水處理系統由于受天氣多變、自動化程度低和智能化應用低等因素影響，造成了出水水質不穩定和能耗偏高這兩大難題。隨著智能檢測與優化控制技術的不斷發展，為解決污水處理系統的這兩大難題提供了思路。首先介紹了污水處理系統，然后闡述了智能檢測和優化控制技術，最后研究了4種智能檢測與優化控制技術，結合污水處理系統得出了對應的智能檢測與優化控制算法。

關鍵詞：污水處理"""優化控制"""智能檢測"""特征變量"""動態種群

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，隨著人們環保意識的加強和國家法律法規對生態的嚴格保護，城市污水處理得到更多的重視。良好的污水處理系統能夠解決水污染問題，有效保護生態文明。水資源是地球寶貴的自然資源，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，實現水資源的有效循環。污水處理廠面臨著兩大難題：一是出水水質穩定達標；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化控制的深入研究和有效應用，因此，對污水處理系統中智能檢測與優化控制應用研究很有必要。

1""污水處理系統

污水處理系統是指對城市生活污水、工業廢水等按一定的工序環節進行處理，使其達到國家排放標準，保障生態環境和人類健康的系統。污水處理系統一般包括以下部分：收集環節、初級過濾環節、生化處理環節、污泥處理環節、排放環節、自動檢測控制環節等。污水收集環節是污水處理系統的首道工序，主要用于將城市生活污水、工業廢水等有害廢水進行收集，為后續處理環節做準備[1]。污水初級處理環節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。污水生化處理環節通過微生物等生物技術對污水進行處理，將其中的有機物質、氮、磷等有害物質去除。生化處理環節可采用的方法有活性污泥法、氧化溝法、生物膜法等，目前應用較多的為活性污泥法[2]。污泥處理環節是對處理后的污泥進行處理，使其達到國家排放標準。污水排放環節是將處理后符合國家排放標準的污水排放到自然界中。自動檢測控制環節是污水處理系統的重要組成部分，主要用于監測和控制污水處理過程中的各項參數，實現污水處理過程中的自動化控制。

2""智能檢測與優化控制技術

及時準確獲得污水處理系統的關鍵參數，才能控制污水處理系統達到預期效果。而智能檢測技術可以有效、準確地獲取水處理系統中的各種重要參數數據，掌控水處理系統各環節的運行狀態。智能檢測是通過計算機技術和先進的電氣電子設備對設備、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和細節。優化控制作為現代控制理論的重要組成部分，主要通過數學模型和算法去尋找最優的控制方案，使系統能在各種約束條件下達到最佳性能。

常用的優化控制方法有最優化理論的應用、比例-積分-微分（Proportion"Integration"Differentiation，PID）控制器的優化、模型預測控制和自適應控制。最優化理論的應用是將系統的控制問題轉化為數學優化問題，進而獲得最優控制策略的方法[3]。最優化理論的應用包括非線性規劃、最優控制、動態規劃等方法。PID控制器是目前工業界應用最廣泛的控制器之一，通過對PID參數的優化調整，可以提高系統的性能。常用的PID參數優化方法包括經驗算法、遺傳算法、衰減指數法、粒子群算法等。模型預測控制是對系統進行建模和優化，通過模型的仿真求解最優控制策略。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]。自適應控制是一種能夠根據自身或外界狀態的變化可以自動調節控制器參數的優化控制方法，通過對系統的建模和參數實時調整，可滿足多種工況下的控制要求。自適應控制主要包括模型參考自適應控制、多模型自適應控制和模糊自適應控制等。

3""污水處理系統中技術的應用

污水處理的首要目標是抑制水質超標問題，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種智能檢測與優化控制技術在污水處理系統中的應用，以期為污水處理中的兩大難題提供思路和方法。

3.1"nbsp;基于關鍵特征變量參數模型研究

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

3.2""基于深度學習的智能檢測策略

污水處理系統是一個復雜的工業控制多流程系統，系統運行過程中的參數等數據涉及很多變量。從變量庫中確定有效的可以代表系統控制性能關鍵參數的變量是首要任務。

獲得的參數等數據考慮到測量方式、測試精度和測量時間（天氣差異）等原因，數據會存在一定的誤差。初級數據經過預處理，可提高數據的真實性和代表性，能代表控制系統的真實狀況，后期能獲得更好的預測效果。數據預處理之后需要采用適宜污水處理系統的網絡模型，模型中的參數應根據污水流量、流速、濃度等特點自適應進行調整，模型中的結構要能及時響應參數的變化，促使網絡模型可以自學習進行改進。

3.3""基于動態種群的多目標優化算法研究

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

為了實現多沖突運行目標的動態優化，采用動態種群的方式設計多目標優化算法。在每一次迭代過程中，根據資料庫中的信息，更新種群的目標個數，從而匹配污水處理過程的實際工作狀況，并且對多種現有的多目標優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化算法，以獲得更為優質的運行指標，提高污水處理的運行效果和效率，其研究步驟如圖4所示。研究步驟包括參數指標制定、動態種群自適配和外源資料庫更新算法四部分。參數指標制定為了得到控制優化處理中的狀態變化情況，進而建立起動態種群；動態種群自適配則依據控制處理中的狀態變化情況調整種群規模；外源資料庫不斷更新迭代以及時得到最優解。

3.4""基于增益動態調整的智能優化控制研究

為了實現污水處理過程非線性控制，采用多目標優化算法可獲取優化設定值，運用增益動態調整設計控制器，平衡污水系統中出水水質和運行能耗的動態變化，將運行值始終控制在設定值之內，可維持系統良好運行[7]。基于增益動態調整的非線性優化控制是采用線性控制器來控制非線性系統的方法。將運行指標加載至增益函數中，該函數能根據當前狀態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。

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

4""結語

為解決污水處理系統出水水質不穩定和能耗偏高這兩大難題，研究了4種智能檢測與優化控制技術在污水處理控制系統中的應用。對污水處理系統中的控制參數、算法結構等優化調整，可以進一步提高污水處理系統的性能指標，達到污水處理系統的最優化，進而實現污水出水水質穩定達標和有效降低能耗。

參考文獻

• 韓紅桂，張琳琳，伍小龍，等.數據和知識驅動的城市污水處理過程多目標優化控制[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化控制[D].北京：北京工業大學，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化控制方法及應用研究[D].北京：北京工業大學，2018.
• 李霏.污水處理過程智能檢測與優化控制的研究[D].北京：北京工業大學，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控制[J].自動化學報，2022，48（7）：1747-1759.