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9·杨卫民-市政污水处理多目标多变量寻优控制技术研究及应用.pdf

编号：161205

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9·杨卫民-市政污水处理多目标多变量寻优控制技术研究及应用.pdf

1、a市政污水处理多目标多变量寻优控制技术研究及应用精准化控制智能化运维AI辅助决策武汉科迪智能环境股份有限公司人工智能与自动化学院School of Artificial Intelligence and Automation.HUST报告人：杨卫民活性污泥法市政污水处理目前最常用的处理方法，通过利用污水中微生物的生化反应和凝聚吸附作用来去除污水中的有机污染物。基于化学、微生物学、物理和生物工艺工程、数学和建模的基本第一原理方法-活性污泥模型。活性污泥模型是指利用一组微分方程来描述污水处理过程中各种污染物质与微生物之间复杂生化反应过程的数学模型。生物废水处理：原理、建模和设计ASM1:8种生化

2、反应过程，13种反应组分和19个模型参数。ASM2：19种生化反应过程和64个模型参数。ASM2D：新增反硝化聚磷菌，反应同步反硝化和除磷过程。ASM3:13个反应组分和12个反应过程。改良A/A/O处理工艺MBR处理工艺多样化的工艺A/A/O；MBR；氧化沟；多段AO；SBR多变量的调节手段内回流、外回流、剩余污泥、多点进水比例、曝气量控制、碳源补充、生物除磷、化学除磷、泥龄调节、水力滞留HRT具有时变特征的市政污水进水水量、水质（组分）、水温持续提升的出水控制指标TN、NH3/NH4+、TP、COD、SS真实实体收集预处理存储动作理解数字孪生原始数据驱动维护管理操作数据清洗各种数据控制动作

3、分析预测建模数据挖掘数字孪生五大特征1.对应物理实体2.实时数据连接3.机理模型自动更新方法4.数据挖掘5.预测分析基于数字孪生DT技术的市政污水处理多目标多变量控制寻优技术传感/控制数据收集和来源数据整合分析可视化传感器：压力、温度、流量等执行器：液压、电气、机械等高级监测：IoT,AMI,边缘设备等可操作的结果优化的性能业务和运营系统：LIMS、CIS、GIS、CMMS、CAD/BIM等空间性、交易性的、时间性的自动化系统：SCADA、遥感等属性：数据接收数据和集成管理数据驱动模型：机器学习，AI等基于物理学模型：水力学的生物学等（静态和动态）仿真和决策支持工具安全连接的实用程序物理系统数

4、字孪生知情决策用户体验假设的场景实时性能仪表板增强/虚拟现实移动警报高级自动化SWAN最先进的数字孪生体系架构3D场景模型基于数字孪生技术市政污水处理多目标多变量寻优技术污水处理机理模型数据驱动模型传统模拟仿真和数字孪生的区别决策支持速度较慢；模型输出是人工解释的人工解释输出和可执行操作基于静态数据集数据筛选和清理使用静态数据定期更新模型多样化的全系统信息，包括实时数据和元数据包括高级数据分析模型密切地表示物理系统，并持续动态地更新更快的决策支持；模型输出自动解释输出被自动解释，并提供实时警报、见解和行动传统模型数字孪生机理模型+数据驱动模型+3D 物理模型+高性能分布式时序数据库技术=真正的

5、数字孪生决策系统自主可控的建模工具所有方程在开源代码SumoSlangTM中均以Excel格式呈现符合IWA国际水协会标准全球唯一的基于任务流部署模式的建模工具软件多元化的处理模块良好的数据接口开放性香港渠务署DSD 石湖墟污水处理厂工艺流程图香港渠务署DSD 石湖墟污水处理厂工艺机理模型图机理模型拟合准确度进水水质相关性分析AI 检测-在线仪器数据清理和“软传感器”missing valuesoutliers在线仪表实时数据清洗及插值EncoderDecoder基于Deep learning深度学习-堆叠式编码器SSAE技术的异常数据检测模型使用基于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）的缺失数据

6、插补技术*本技术将用于香港渠务署石湖墟污水处理厂DT示范项目基于改进的Transformer异常检测模型和数据插补模型Data preprocessingStandardizationModel TrainingMissing Data InjectionModified Minimax Association LearningAnomaly DetectionData ImputationTraining ModelXTesting XAssociation-based Anomaly CriterionData RecoveryFill missing data with zeroLaye

7、r NormAnomaly AttentionFeed ForwadLayer NormInputs(TP,TN,PH,COD,NH3)LinearMasked Multi-Head AttentionAnomaly AttentionLayer NormOutputs(Missing Data)Layer NormFeed ForwadLayer NormReconstruction LossNNOutput ImputationAnomaly Detection ModelData Imputation Model准确度data:0.8961准确度data:0.9872*本技术将用于香港渠

8、务署石湖墟污水处理厂DT示范项目AI模型鲁棒优化技术模型鲁棒性Robust原则1.模型具有较高的精度或有效性。2.对于模型假设出现的较小偏差（noise），只能对算法性能产生较小的影响。3.对于模型假设出现的较大偏差（outlier），不能对算法性能产生“灾难性”的影响。不确定性预测模型模型预测控制MPC技术模型预测控制(MPC)Model Predictive Control MPC是一种先进的控制策略，它基于系统的动态数学模型，通过预测未来的系统行为来优化当前时刻的控制输入。其优点是它可以处理可变和不确定的系统，并根据约束条件实时调整控制策略。活性污泥建模软件在对城市污水处理过程的关键特征

9、进行建模方面具有显而易见的优势。然而，污水处理厂实际运行过程中受到各种干扰因素的影响，导致实时运行的机理模型与实际出水结果之间存在偏差。采用基于贝叶斯定理的不确定性预测模型来估计这种偏差并对其进行补偿。同时，基于模型输出概率分布的自研SMPC算法提供了当前模型参数最优控制输入，使得系统具有一定的鲁棒性。达标排放多目标寻优控制目的一：对易超标的单个或者多个出水控制指标所对应的过程调控参数进行动态寻优，以保证污水处理过程可以应对高时变波动性的进水水质及耐冲击性负荷的响应能力。确保市政污水处理达标排放。节能降耗多目标寻优控制目的二：在满足出水指标达标排放的前提下，通过污水处理过程多个可调节参数变量对

10、出水指标的影响灵敏度分析，采用AI人工智能机器学习算法进行综合寻优，获得动态实时跟踪污水处理生化反应过程的可调节参数变量设定值，使得曝气能耗、碳源投加、PAC/PAM及剩余污泥排放量达到全局动态实时优化。灵敏度分析：利用历史运行数据波动区间，结合校准后的目标项目机理模型，采用自主优化的数据分析技术，分析曝气、PAC、排泥量、内回流等可调节参数变化对出水指标NH3/NH4+、TN、TP等指标的激励响应特性。以武汉某污水处理厂的AAO工艺模型相关性分析为例，部分灵敏度影响因子如图表所示，其中5为影响程度最大，1为影响程度最小。自研优化算法：自研基于群体智能优化算法，并在种群初始化、迭代过程、收敛机

11、制等方面作出改进，是兼备强大的局部搜索能力和全局搜索能力的优化算法。自研优化算法、强大的搜索能力现有算法（单点）改进算法（单点）耗时1m39s1m18s迭代次数2000376最优值17.789.2 10?基准函数寻优测试：实验参数设置：n维度设置为200；初始种群400，最大迭代次数2000。（理论最优值为0）损失函数图像：左图对比算法，右图为改进算法某污水处理厂的AAO生化反应区工艺结构曝气区总管及支管分布图y=出水氨氮平均偏离误差：0.13出水SS 平均偏离误差：1.44出水TN 平均偏离误差：15.4%出水TP 平均偏离误差：0.21出水MLSS 平均偏离误差：9.0%使用2022年7

12、月7日-2023年2月8日的数据进行建模控制目标约束取值范围（mg/l)氨氮NH4-N1.5总氮TN15TCOD40总磷TP0.5SS10优化调节变量约束取值范围总管曝气量3850-5250m3/h前支管曝气量2200-3000m3/h中支管曝气量1100-1500m3/h后支管曝气量550750m3/h廊道1、2需氧量1100-1500m3/h廊道3、4、5需氧量550750m3/h内回流比取值 85%外回流取值 90%二沉池剩余污泥排泥量/污泥浓度3000-8000m3/h生物池多点进水比例1：3：6优化时间约束取值范围（min)实时输入单目标多变量10实时输入多目标多变量30日期(2

13、022.10.8-2022.11.1)平均排泥量(m3/d)实际运行时段1#AAO平均排泥量118.66自动优化算法1#AAO平均排泥量2588.48实际运行时段2#AAO平均排泥量1861自动优化算法2#AAO平均排泥量2397日期(2022.10.8-2022.11.1)1#、2#生物池总管平均曝气量(m3/d)节约曝气量百分比(%)实际运行时段467107.58-自动优化算法417497.2310.62%平均出水氨氮0.0985(mg/L)平均出水总氮8.23(mg/L)优化前后出水TCOD对比图优化前后出水总磷对比图优化前后出水SS对比图基准模拟实例-AAO化验室数据录入数据质量实时监测在线动态实时模拟、自动优化在线动态自动优化结果分析对比数据报表输出SCADA系统互通互联a致谢：武汉科迪智能环境股份有限公司武汉北湖污水处理厂

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