1．曝氣池智能實時供氧控制專家系統(tǒng)的必要性及研究現(xiàn)狀

        在城市污水和工業(yè)廢水處理中，多采用運行可*、成本低，以好氧生物處理為主的處理工藝，其中供氧能耗占運行總能耗的 60％左右�，F(xiàn)行的供氧方式主要有2種類型：基于電機驅(qū)動的曝氣轉(zhuǎn)刷的機械式曝氣和基于鼓風(fēng)機～曝氣頭式的鼓風(fēng)曝氣。在實際運行中，由于進(jìn)水水質(zhì)的變化，好氧池中混合液需氧量也是不斷變化的，而曝氣轉(zhuǎn)刷的數(shù)量以及風(fēng)機的數(shù)量和曝氣頭的類型均按理論需氧量來設(shè)計，并適當(dāng)增設(shè)一定數(shù)量作為備用。為了滿足足夠的溶解氧，曝氣轉(zhuǎn)刷和鼓風(fēng)機都工作在氣量最大需求的狀態(tài)下運行，造成氣量過大，溶解氧值過高，則不僅會增加能耗，同時也會造成混合液絮體分散和破碎，而且使二沉池的固液難以分離。

　　由于好氧生物處理系統(tǒng)的復(fù)雜性和諸多不可預(yù)測性，影響DO值的因素有進(jìn)水水質(zhì)、氧轉(zhuǎn)移速率、微生物量及其活性和底物的去除速率，很難建立一個高效而準(zhǔn)確的處理模型來描述DO和這些參數(shù)的關(guān)系，所以建立一個精確而高效的動態(tài)供氧系統(tǒng)是件相對復(fù)雜的事情。目前在這方面的研究方法主要有模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機優(yōu)化技術(shù)和專家系統(tǒng)等。曾薇等采用SBR法處理啤酒廢水的過程中，將在線檢測DO濃度與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)對曝氣量的模糊控制試驗研究，結(jié)果表面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可根據(jù)初始階段DO的大小及變化情況預(yù)測進(jìn)水有機物濃度和相應(yīng)的曝氣量，與此同時，以初始階段的DO作為曝氣量的模糊控制參數(shù)，實現(xiàn)對曝氣量的模糊控制。王華豐等采用了模糊控制方法控制曝氣池的DO濃度，在不同情況下采用不同的策略實現(xiàn)風(fēng)量節(jié)能的控制方案，對仿真結(jié)果和結(jié)合現(xiàn)場實際情況對方案進(jìn)行了分析。

　　隨著具有的優(yōu)異調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果的電機交流變頻調(diào)速技術(shù)在諸多行業(yè)的廣泛而成熟的應(yīng)用，將該種技術(shù)與一個智能實時供氧控制系統(tǒng)結(jié)合起來用于鼓風(fēng)機或者曝氣轉(zhuǎn)刷驅(qū)動電機的變頻調(diào)速以動態(tài)地調(diào)節(jié)曝氣池溶解氧的變化使之維持在一個最適宜的值將大大地降低污水處理廠地供氧能耗，從而顯著的降低污水處理的運營成本，增加經(jīng)濟效益，同時能強化污水廠的自動化水平。
 

        本系統(tǒng)由進(jìn)水COD/BOD、曝氣池溫度、污泥濃度、溶解氧和出水COD/BOD傳感器，智能實時供氧控制專家系統(tǒng)，變頻器，風(fēng)機等構(gòu)成。在線傳感器把獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軐崟r供氧控制系統(tǒng)以后，由控制系統(tǒng)和變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。

　　2．CBR技術(shù)在曝氣池智能實時供氧控制專家系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　專家系統(tǒng)（ES, Expert System）是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機控制系統(tǒng)。近年來國內(nèi)對專家系統(tǒng)在污水處理中的智能控制的應(yīng)用研究也逐漸興起。清華大學(xué)的施漢昌等開發(fā)的污水廠故障診斷專家系統(tǒng)，采用的是正反向混和推理機制，采用故障樹的形式將知識庫中的知識組織形式向用戶開放，并有較好的應(yīng)用。

　　對于一般的專家系統(tǒng)來說，包括人機交互接口、知識獲取機構(gòu)、推理機構(gòu)、解釋機構(gòu)、知識庫、數(shù)據(jù)庫等。而其中的推理機構(gòu)是智能系統(tǒng)的思維機構(gòu)，是構(gòu)成智能系統(tǒng)的核心，其可以分為基于規(guī)則的推理和基于范例推理的兩大類。

　　CBR方法1983年起源于美國耶魯大學(xué)。該系統(tǒng)是由目標(biāo)范例的提示而得到歷史記憶中的源范例，并由源范例來指導(dǎo)目標(biāo)范例求解的一種策略。它首先根據(jù)問題的特征，從范例庫中檢索出相似的范例，再以知識庫中的領(lǐng)域知識和經(jīng)驗為指導(dǎo)，根據(jù)問題的實際情況對檢索的范例加以調(diào)整、修補和綜合使之更加符合當(dāng)前的情況。CBR的顯著優(yōu)點在于：信息的完全表達(dá)，增量式學(xué)習(xí)，形象思維的準(zhǔn)確模擬，知識獲取較為容易，求解效率高等，與傳統(tǒng)專家系統(tǒng)相比，它最大的優(yōu)點在于動態(tài)知識庫，更接近于人類的決策過程[5]。

　　由于缺少一個精確的動態(tài)供氧模型，傳統(tǒng)的基于規(guī)則的推理技術(shù)不能很有效的解決這個問題。由于CBR系統(tǒng)不必依賴于其內(nèi)在的因果關(guān)系，具有一定的隨意性和盲目性，非常適合該種非理論性很強的模型的運行控制。

　　3．基于CBR的曝氣池智能實時供氧控制專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于CBR的智能實時供氧控制專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

　　1．  加載案例：加載本系統(tǒng)案例庫中的歷史案例。對于CBR應(yīng)用來說，一個很重要的工作就是構(gòu)筑有效的范例。范例庫猶如知識庫，其正確性直接影響著CBR的推理。在范例獲取方面主要通過如下兩種形式：廣泛征求污水處理控制專家的意見從成功的經(jīng)驗中提取初始范例；或者通過自學(xué)習(xí)能力豐富范例庫中的范例。范例的結(jié)構(gòu)通常包括范例ID、狀況描述、診斷結(jié)果、執(zhí)行方案、范例來源、執(zhí)行結(jié)果，使用度、與原是范例相似度等。例如好氧生物處理供氧系統(tǒng)可以如下描述：

　
　　2．  新案例描述：輸入曝氣池中重要特征參數(shù)值和各種特征參數(shù)的權(quán)系數(shù)，本系統(tǒng)要求輸入的特征參數(shù)為：（a）流量；（b）進(jìn)水的CODcr；（c）進(jìn)水的BOD5；（d）曝氣池中的污泥濃度；（e）曝氣池的pH值；（f）曝氣池溫度；（f）曝氣池的主要微生物種類的分布；（g）出水的CODcr；（h）出水的BOD5等。

　　3．  案例的檢索：根據(jù)輸入的特征參數(shù)及其權(quán)系數(shù)，在案例庫中進(jìn)行搜尋，找出與當(dāng)前案例最相近的狀況。系統(tǒng)根據(jù)案例的相似度進(jìn)行排序，相似度大排在前面，相應(yīng)的解決方案作為結(jié)果予以輸出，用戶可以采用最相似的方案或者作部分調(diào)整。

　　兩案例的匹配度的計算公式如下：

　　其中：

　　Ds表示為案例c與c*的匹配度；

　　Wi為各特征參數(shù)的權(quán)值因子；

　　Xi，Yi分別表示案例c和c*的初始特征或者結(jié)論可信度。

　　當(dāng)Ds＝1時，表面這兩個案例最相似，即完全匹配；當(dāng)Ds＝0時，表明兩個案例完全不相同。

　　那么在CBR應(yīng)用中，只要用戶輸入問題的描述，計算機幾乎可以直接通過檢索技術(shù)找到類似問題的答案，這樣推理機制大大簡化。

　　4．  案例的評估：系統(tǒng)對查詢獲取的方案進(jìn)行執(zhí)行結(jié)果以后進(jìn)行評估，對于一個新案例，如果有較高的準(zhǔn)確度。為了提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。同時保持范例庫中案例的時效性也是很有必要的。新的范例處理完畢以后，其推理思路、判斷方案、所用模型等可以作為經(jīng)驗用于將來情況與之相似的問題，因此有必要把它加入到典型范例庫中。把新的案例加入到典型范例庫時，需要對它建立有效的索引，以方便后續(xù)檢索。

        但是顯然對于CBR系統(tǒng)的范例庫的維護(hù)仍然是一個很重要問題。范例量過大可以提高可*性，但是若過多會造成冗余，則會降低系統(tǒng)的運行速度和可維護(hù)性。

　　5．  范例的修改：用戶對評價不合格的方案，根據(jù)現(xiàn)場專家和工作人員的指導(dǎo)性意見予以修改，系統(tǒng)對修改后的方案再評估，直到合格為止。

　　4．結(jié)論

　　智能實時曝氣供氧控制系統(tǒng)是CBR技術(shù)和好氧生物處理技術(shù)的結(jié)合，也是集污水處理專家經(jīng)驗、好氧生物處理理論及工程與一體構(gòu)成的知識庫。在實際運行中，根據(jù)CBR智能實時供氧控制系統(tǒng)的反饋信息降低或提高曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速或者鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，不僅能保證良好的污水處理效果，而且還有顯著的節(jié)能效果。

　　當(dāng)前基于變頻調(diào)速設(shè)備的價格總體呈逐漸下降的趨勢，而電價卻在逐漸上升，因此對污水處理中部分大容量電機進(jìn)行變頻設(shè)計和改造，回收投資周期亦很短暫，而所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益和社會效益則是顯著的。

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