城市污水处理厂BAF工艺异常数据诊断专家系统研究

【摘要】：城市污水处理厂通过对城市居民的生活污水和部分工业废水的处理，使其达标排放，进而起到保护自然水体的作用。对于污水处理厂运行的监控和管理，是保障其正常运行的关键所在。在我国，其行业主管部门已经建立了城市排水和污水处理系统的初步的监控体系与管理考核办法和信息系统。但由于缺乏水质水量的量化分析和智能化判别系统，影响了政府部门对城市污水处理厂故障问题的准确判断和科学分析的能力。因此，如何实现城市污水处理厂水质监控和工艺故障诊断的科学化、自动化、智能化，将是目前急需解决的问题。 本文以曝气生物滤池（BAF）水处理工艺为研究对象，研究建立了城市污水处理厂异常数据检测模型。本文通过系统聚类分析法，依据水厂历史监测数据的统计学特征，既时序性，对其进行分类，并通过水温变化规律对其解释；采用[0,1]归一化法对数据进行预处理；基于支持向量机理论，构建了城市污水处理厂异常数据检测模型，用于检测污水处理厂水质参数是否异常；分别利用网格优化法和粒子群优化法选取最优参数，并比较两种优化方法的优缺点，最终对模型进行检验。 基于专家系统理论，本文研究建立了BAF工艺故障诊断专家系统。通过故障树对水处理知识、专家经验等故障诊断知识进行整理与组织，并采用产生式规则法表达诊断知识，进而构建专家系统知识库；采用广度优先、正向推理的推理控制策略，将模糊理论引入专家系统中，通过确定变量隶属度函数及可信度的传播算法，最大限度地模拟人类专家的思维方式与表达方法，构建专家系统推理机。 本文对城市污水处理厂BAF工艺异常数据诊断专家系统进行了功能分析、模块设计和系统数据流设计，并开发相应的应用系统，最终采用实际水厂数据进行验证并与专家分析结果相比较分析。结果表明，本系统能够正确地判断出污水处理厂出水异常数据，并据此分析出引发故障的主要原因，最终给出相应解决方案。本系统可以保障城市排水与污水处理系统稳定高效的运行，可显著提高我国城市排水及污水厂运行效率，为政府监管部门提供有力的科技保证和技术支撑。 【关键词】：BAF工艺 异常检测 支持向量机 故障诊断 专家系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 污水处理厂异常检测的研究10-12
• 1.2.1 污水处理厂异常检测的定义10
• 1.2.2 异常检测技术的研究现状10-12
• 1.2.3 污水处理厂异常检测的研究意义12
• 1.3 污水处理厂故障诊断的研究12-14
• 1.3.1 污水处理厂故障诊断的定义12-13
• 1.3.2 诊断专家系统的研究现状13-14
• 1.3.3 污水处理厂故障诊断的研究意义14
• 1.4 主要研究内容和技术路线14-16
• 1.4.1 主要研究内容14-15
• 1.4.2 研究技术路线15-16
• 第2章 研究对象与研究方法16-29
• 2.1 研究对象16-18
• 2.1.1 BAF工艺介绍16-17
• 2.1.2 数据来源17-18
• 2.2 异常检测研究方法18-25
• 2.2.1 系统聚类分析法18-19
• 2.2.2 支持向量机技术19-23
• 2.2.3 参数优化技术23-25
• 2.3 故障诊断研究方法25-29
• 2.3.1 专家系统25-27
• 2.3.2 模糊理论27-29
• 第3章 城市污水处理厂异常数据检测模型构建29-44
• 3.1 引言29
• 3.2 模型理论依据29-30
• 3.3 数据准备30-37
• 3.3.1 数据状态分析30-31
• 3.3.2 数据分类31-34
• 3.3.3 数据预处理34-37
• 3.4 异常数据检测模型构建37-43
• 3.4.1 训练集和验证集的确定37
• 3.4.2 异常数据检测模型初步构建37-39
• 3.4.3 异常数据检测模型参数优化39-42
• 3.4.4 异常数据检测模型的验证及分析比较42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 城市污水处理厂BAF工艺故障诊断专家系统构建44-61
• 4.1 引言44
• 4.2 BAF污水处理工艺过程故障分析44-49
• 4.2.1 污水处理主体工艺概况44-45
• 4.2.2 污水处理厂故障分析45-49
• 4.3 BAF工艺故障诊断专家系统结构49-51
• 4.4 BAF工艺故障诊断专家系统建立51-60
• 4.4.1 故障树构建51-54
• 4.4.2 模糊知识表示54-58
• 4.4.3 推理机构建58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 城市污水处理厂BAF工艺异常数据诊断专家系统开发与实例应用61-72
• 5.1 系统总体设计61-64
• 5.1.1 功能描述61-62
• 5.1.2 功能模块设计62-63
• 5.1.3 系统数据流63-64
• 5.2 系统开发平台64-65
• 5.2.1 系统开发环境64-65
• 5.2.2 运行环境65
• 5.3 实际案例应用65-71
• 5.3.1 水厂介绍65-66
• 5.3.2 系统应用实例66-71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-78
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果78-80
• 致谢80

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