污水處理廠故障診斷
引言
經(jīng)驗(yàn)表明，城市污水處理廠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是較為困難的，在一些污水處理廠中，處理效果不佳、運(yùn)行費(fèi)用高和污染環(huán)境等現(xiàn)象常常是由運(yùn)行的問(wèn)題引起的。由于針對(duì)污水處理廠日常運(yùn)行問(wèn)題的解決策略在書(shū)籍中難以找到，長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)行人員往往是根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)污水處理廠進(jìn)行管理。然而這些經(jīng)驗(yàn)的積累要求具有較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和廣泛的知識(shí)，所以只為少數(shù)人員所掌握。目前我國(guó)環(huán)境保護(hù)事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，各地新建了不少城市污水處理廠。在這些新建的污水處理廠中，由于缺乏有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行管理人員，污水處理廠的運(yùn)行就顯得更加困難。因此十分有必要開(kāi)發(fā)一套用于指導(dǎo)城市污水處理廠日常運(yùn)行的決策支持系統(tǒng)。根據(jù)目前的實(shí)際情況，采用專(zhuān)家系統(tǒng)是較好的解決方法！—
1 專(zhuān)家系統(tǒng)及其功能
專(zhuān)家系統(tǒng)是人工智能的一個(gè)分支，它可以定義為一個(gè)能在特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類(lèi)專(zhuān)家水平去解決該領(lǐng)域內(nèi)困難問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序。其主要特征是它依靠人類(lèi)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)性的規(guī)則來(lái)分析和解決問(wèn)題。它是將經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)應(yīng)用于尚未完全得到理解的領(lǐng)域的一種方法，因而很適合在污水處理過(guò)程這樣一個(gè)尚未得到完全理解的領(lǐng)域中應(yīng)用。
本專(zhuān)家系統(tǒng)是污水處理廠日常運(yùn)行決策支持系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，其主要功能為：①故障診斷功能：根據(jù)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況作出分析，確定運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題并給出解決的辦法。②故障檢索功能：對(duì)污水處理廠運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，采用故障列表的形式進(jìn)行檢索，對(duì)具體的故障給出原因和解決策略的詳細(xì)分析。③活性污泥法的培訓(xùn)功能：充分利用計(jì)算機(jī)多媒體的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用文字、圖形等多種方式向用戶(hù)介紹活性污泥法的有關(guān)知識(shí)，對(duì)污水處理廠的職工進(jìn)行培訓(xùn)！—
本專(zhuān)家系統(tǒng)和污水處理廠日常運(yùn)行決策支持系統(tǒng)的另一個(gè)組成部分--IAWQ模型數(shù)值模擬軟件相互支持、相互驗(yàn)證，共同為污水處理廠的日常運(yùn)行提供幫助。
2 專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
軟件設(shè)計(jì)基于Windows95或更高版本的操作系統(tǒng)，采用Visual Studio 6.0版本作為開(kāi)發(fā)工具，其中采用Visual Basic 6.0作為專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具，采用Microsoft Access 6.0作為相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具，在數(shù)據(jù)庫(kù)的操作中，采用Microsoft Transact-SQL的結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言。
系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟。
2.1 知識(shí)的獲取
這是專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最為重要的階段。專(zhuān)家系統(tǒng)的成功在很大程度上取決于從人類(lèi)專(zhuān)家處獲得的知識(shí)。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從水處理專(zhuān)家、污水處理廠工程師、實(shí)際運(yùn)行人員和運(yùn)行指導(dǎo)書(shū)籍中獲得了大量有用的知識(shí)。
2.2 知識(shí)的轉(zhuǎn)化
在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用假設(shè)和結(jié)論(If…，Then…)的形式將從人類(lèi)專(zhuān)家處獲得的知識(shí)轉(zhuǎn)化成為適合于計(jì)算機(jī)表達(dá)的形式，存儲(chǔ)在系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中。在此過(guò)程中，不斷從人類(lèi)專(zhuān)家處獲得反饋信息，及時(shí)對(duì)知識(shí)轉(zhuǎn)化和表達(dá)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行修改。
2.3 專(zhuān)家系統(tǒng)的構(gòu)建
根據(jù)知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，確定推理的方式并編程實(shí)現(xiàn)推理，開(kāi)發(fā)友好的用戶(hù)界面，實(shí)現(xiàn)和完善專(zhuān)家系統(tǒng)的功能。
2.4 專(zhuān)家系統(tǒng)的驗(yàn)證
在本專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成以后，首先由水處理專(zhuān)家對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，確定污水處理的知識(shí)被正確地轉(zhuǎn)化成為知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)；然后針對(duì)污水處理廠中的具體問(wèn)題，比較專(zhuān)家系統(tǒng)給出的解決方案與人類(lèi)專(zhuān)家給出的解決方案，驗(yàn)證專(zhuān)家系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本專(zhuān)家系統(tǒng)的驗(yàn)證工作是在北京某污水處理廠進(jìn)行的，根據(jù)實(shí)際使用情況，對(duì)知識(shí)庫(kù)中不合理的規(guī)則和知識(shí)表達(dá)形式進(jìn)行了修改。
3 專(zhuān)家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
專(zhuān)家系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶(hù)接口等幾個(gè)部分。
3.1 知識(shí)庫(kù)
從人類(lèi)專(zhuān)家處獲得的知識(shí)，經(jīng)過(guò)組織后以規(guī)則If…，Then…的形式存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，知識(shí)的良好組織是系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)用的必要條件。為此知識(shí)庫(kù)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，即把知識(shí)分成若干相互獨(dú)立的知識(shí)庫(kù)，如故障診斷知識(shí)庫(kù)，故障檢索知識(shí)庫(kù)，活性污泥法培訓(xùn)知識(shí)庫(kù)等。系統(tǒng)在工作時(shí)，推理機(jī)根據(jù)實(shí)際情況將相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)調(diào)入內(nèi)存使用。
為了便于用戶(hù)根據(jù)自身的實(shí)際情況對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的修改和完善，系統(tǒng)采用了故障樹(shù)的形式將污水處理廠故障診斷知識(shí)庫(kù)向用戶(hù)公開(kāi)。故障樹(shù)的方法本質(zhì)上是一個(gè)分解的等級(jí)逼近法：從故障樹(shù)的根結(jié)點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)對(duì)輸入信息的分析以及運(yùn)行人員和系統(tǒng)之間的交流，將故障逐級(jí)分解，直至找到引起污水處理廠運(yùn)行故障的基本原因，最后給出故障的解決方案。
3.2 推理機(jī)
包含解決問(wèn)題的策略和推理方法，接收從人機(jī)界面部分傳送來(lái)的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)匯總的記錄，調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的有關(guān)知識(shí)對(duì)該信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果送往人機(jī)界面或其它結(jié)構(gòu)。
本系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)不同情況，采用不同的推理機(jī)制。由于故障診斷是一個(gè)典型的解析問(wèn)題的過(guò)程，而決策過(guò)程則是一個(gè)典型的合成過(guò)程，所以在故障診斷過(guò)程中使用與其特點(diǎn)相適應(yīng)的反向推理機(jī)制，在決策過(guò)程中使用與其特點(diǎn)相適應(yīng)的正向推理機(jī)制。這兩種推理機(jī)制的混合使用，使系統(tǒng)避免向使用人員提出冗余的問(wèn)題，從而使提出的問(wèn)題數(shù)最少，方便了用戶(hù)和系統(tǒng)的交流，提高了運(yùn)行速度。
3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)
存放所有的原始數(shù)據(jù)資料，求解過(guò)程中的中間數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查詢(xún)表、最后結(jié)果及推進(jìn)記錄。
3.4 用戶(hù)接口
負(fù)責(zé)將用戶(hù)輸入的信息轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，再把這些內(nèi)部表示交給相應(yīng)的模塊去處理，系統(tǒng)輸出的內(nèi)部信息也由它轉(zhuǎn)化成用戶(hù)易于理解的外部表示形式顯示給用戶(hù)。
4 專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例
本專(zhuān)家系統(tǒng)在北京某污水處理廠的運(yùn)用中已取得實(shí)際效果。
該污水處理廠長(zhǎng)期在污泥濃度較低(1000 mg/L左右)的情況下運(yùn)行，存在的主要問(wèn)題有：氨氮基本得不到去除(平均去除率低于5%)，總氮去除率低(平均去除率低于20%)，曝氣池白色泡沫過(guò)多，二沉池內(nèi)藻類(lèi)滋生等。
專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)該污水處理廠近3年的運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為這些問(wèn)題是相互聯(lián)系的，主要原因是：剩余污泥排放量過(guò)大(2 400 m3/d)，污泥齡短(3 d左右)。由于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在該廠的運(yùn)行條件下，污泥齡小于硝化細(xì)菌的世代時(shí)間，曝氣池中的硝化細(xì)菌流失殆盡，硝化反應(yīng)不能正常進(jìn)行，氨氮得不到去除。出水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度高導(dǎo)致了二沉池中藻類(lèi)的滋生。同時(shí)，曝氣池出現(xiàn)大量白色泡沫也表明污泥齡短，污泥不成熟。以上診斷得到了水處理專(zhuān)家、污水處理廠工程師的認(rèn)可，并且得到了IAWQ模型數(shù)值模擬軟件的模擬計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證(硝化細(xì)菌濃度近似為零)。
針對(duì)這些問(wèn)題，系統(tǒng)給出了相應(yīng)的解決辦法：增加污泥回流比、降低污泥排放率、提高曝氣池污泥濃度和延長(zhǎng)污泥齡。并對(duì)各解決辦法的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行了具體的解釋。這些對(duì)策的正確性得到了水處理專(zhuān)家的證明，表明了本專(zhuān)家系統(tǒng)能夠完成故障診斷并給予解決的功能。
5 結(jié)論
(1)本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：準(zhǔn)確性：收集整理了大量水處理專(zhuān)家、污水處理廠工程師等的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，確保了知識(shí)來(lái)源的準(zhǔn)確性；建立了準(zhǔn)確的知識(shí)庫(kù)和高效的推理機(jī)，保證了結(jié)論的準(zhǔn)確性。通用性：實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的分離，使解決問(wèn)題的知識(shí)和使用知識(shí)的程序分離開(kāi)來(lái)，保證了專(zhuān)家系統(tǒng)的透明性和靈活性，提高了系統(tǒng)的可移植性，通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)的修改，可以適用于不同的污水處理廠。方便性：用戶(hù)界面簡(jiǎn)單易學(xué)，用戶(hù)不必經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)就能夠使用本系統(tǒng)，適合于污水處理廠日常的運(yùn)行管理人員使用。
(2)專(zhuān)家系統(tǒng)內(nèi)包含了完整的有關(guān)活性污泥法處理工藝的知識(shí)，可以對(duì)污水處理廠內(nèi)職工進(jìn)行培訓(xùn)指導(dǎo)。
(3)本專(zhuān)家系統(tǒng)作為污水處理廠日常運(yùn)行決策支持系統(tǒng)的一部分，和數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算部分(IAWQ模型)相互支持，能更好地為污水處理廠運(yùn)行決策提供幫助。
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