基本信息
- 項目名稱：
- 基于軟測量的污泥膨脹智能故障診斷系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 污泥膨脹是生化污水處理廠最嚴重的故障之一。本作品采用軟測量技術和故障診斷技術結合，通過現(xiàn)場安裝攝像頭采集的曝氣池和二沉池圖像，提取活性污泥性狀等特征，并與過程數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù)融合，構建活性污泥質量指標軟測量模型，將難以測量的變量融入故障診斷專家系統(tǒng)中，用于污水處理廠的日常污泥膨脹運行決策，從而提高污水處理過程故障診斷決策系統(tǒng)的實時性和準確性。
- 詳細介紹：
- 本作品適合于城市生化污水處理廠活性污泥過程污泥膨脹故障監(jiān)測和診斷。采用Visual Basic 6.0和matlab混合編程方式和C/S結構，將基于數(shù)據(jù)的主元分析方法和基于RVM模型的系統(tǒng)相結合，能夠實時監(jiān)測和診斷污泥膨脹事件，具有較高的故障診斷和輔助決策能力。 該作品主要技術特征：（1）成本低，融合非接觸式數(shù)字圖像特征和過程數(shù)據(jù)構建活性污泥和水質指標軟測量模型，由于將軟測量直接用于軟冗余，避免了硬件冗余帶來的負擔；（2）安全性好，可應用于對人體有害的環(huán)境；（3）可靠性高，軟測量的輸出代替故障儀表輸出以提高系統(tǒng)的可靠性。 長期以來污水處理領域專家和操作運行人員積累了豐富的實際操作經(jīng)驗和廣泛的知識，然而這些經(jīng)驗只為少數(shù)人員所掌握。目前我國環(huán)境保護事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，各地新建了不少城市污水處理廠，因此污水處理故障診斷和決策支持系統(tǒng)的研究和開發(fā)有利于創(chuàng)新出具有我國自主知識產權的專有先進控制技術，對解決我國污水處理行業(yè)優(yōu)化控制和優(yōu)化運行的重大關鍵問題具有重要理論研究價值，還具有廣闊的市場和顯著的應用前景。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 污泥膨脹是生化污水處理廠最嚴重的故障之一。本作品采用軟測量技術和故障診斷技術結合，通過現(xiàn)場安裝攝像頭采集的曝氣池和二沉池圖像，提取活性污泥性狀等特征，并與過程數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù)融合，構建活性污泥質量指標軟測量模型，將難以測量的變量融入故障診斷專家系統(tǒng)中，用于污水處理廠的日常污泥膨脹運行決策，從而提高污水處理過程故障診斷決策系統(tǒng)的實時性和準確性。 基本思路： (1) 圖像和過程數(shù)據(jù)、化驗分析數(shù)據(jù)采集 (2) 建立水質RVM軟測量模型 (3) 污泥膨脹故障診斷專家系統(tǒng) 創(chuàng)新點： (1) 基于KPCA的數(shù)字圖像特征提取 (2) 融合圖像特征、過程數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù)的水質RVM軟測量模型 技術關鍵： 軟測量技術和故障診斷技術的有機結合 技術指標： 故障診斷的正確率>95%、漏報、誤報率<5%
科學性、先進性
- 由于基于專家系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)需要活性污泥數(shù)量和質量參數(shù)信息，而此參數(shù)難于實時獲取，故本作品采用非接觸式數(shù)字攝像技術識別污泥性狀和顏色等信息，本作品融合過程數(shù)據(jù)、化驗分析數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像特征信息構建水質指標軟測量虛擬儀表，設計和開發(fā)污泥膨脹智能故障診斷系統(tǒng)，用于生化池和二沉池活性污泥性能監(jiān)視和診斷。本作品在以下兩個方面做了改進：（1）軟測量采用數(shù)據(jù)驅動軟測量技術實施在線水質參數(shù)預報，提高了系統(tǒng)的實時性和準確性。（2）VB和MATLAB混合編程方法，加快了原型系統(tǒng)的開發(fā)，減輕了系統(tǒng)開發(fā)的難度。
獲獎情況及鑒定結果
- Ⅰ 教育部科技查新結果： 在國內文獻中，以見有關研究，但在國內公開發(fā)表的中文文獻中，未見“有關于KPCA的數(shù)字圖像特征提取（活性污泥顏色、性狀）”的中文文獻報道，未見“有關于融合圖像特征、過程數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù)的水質RVM軟測量”的報道，未見“有關于利用軟測量模型結果的污泥膨脹專家系統(tǒng)故障診斷方法”的中文文獻報道。 Ⅱ 論文發(fā)表情況： [1]孫明成，胡紅霞，孫章博. PCA和RVM的污水水質預報，科技創(chuàng)新導論，已投稿.
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 面談
作品可展示的形式
- 模型 圖片 現(xiàn)場展示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本作品適合于城市生化污水處理廠活性污泥過程污泥膨脹故障監(jiān)測和診斷。采用混合編程方式和C/S結構，將基于數(shù)據(jù)的主元分析方法和基于RVM模型的系統(tǒng)相結合，能夠實時監(jiān)測和診斷污泥膨脹事件，具有較高的故障診斷和輔助決策能力。 該作品主要技術特征：（1）成本低，融合非接觸式數(shù)字圖像特征和過程數(shù)據(jù)構建活性污泥和水質指標軟測量模型，由于將軟測量直接用于軟冗余，避免了硬件冗余帶來的負擔；（2）安全性好，可應用于對人體有害的環(huán)境；（3）可靠性高，軟測量的輸出代替故障儀表輸出以提高系統(tǒng)的可靠性。 長期以來污水處理領域專家和操作運行人員積累了豐富的實際操作經(jīng)驗和廣泛的知識，然而這些經(jīng)驗只為少數(shù)人員所掌握。目前我國環(huán)境保護事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，各地新建了不少城市污水處理廠，因此污水處理故障診斷和決策支持系統(tǒng)的研究和開發(fā)有利于創(chuàng)新出具有我國自主知識產權的專有先進控制技術，對解決我國污水處理行業(yè)優(yōu)化控制和優(yōu)化運行的重大關鍵問題具有重要理論研究價值，還具有廣闊的市場和顯著的應用前景。
同類課題研究水平概述
- 污泥膨脹是活性污泥法污水處理系統(tǒng)最常見也是最難解決的故障之一。據(jù)統(tǒng)計，歐洲各國約有50%，美國約有60%的活性污泥法污水處理廠每年都發(fā)生污泥膨脹。工業(yè)污水處理廠的情況更嚴重。在我國，幾乎所有的城市污水以及工業(yè)廢水處理廠每年都存在不同程度絲狀菌引起的污泥膨脹。如果不及時識別和處理，會導致出水水質下降，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)崩潰。 在實際生產過程中，需要大量傳感器監(jiān)測過程的運行狀態(tài)，以確保生產正常運行。運行狀態(tài)的檢測/監(jiān)控本質上是一個模式識別問題，即將系統(tǒng)運行狀態(tài)分為正常運行和各類異常情況。因此需要模式分類方法實現(xiàn)生產過程的運行狀態(tài)檢測。從國外基于數(shù)據(jù)故障診斷來看，過程監(jiān)測（即故障檢測、診斷和分離等）在石化企業(yè)已經(jīng)獲得了成功的應用，但在污水處理行業(yè)中的研究剛剛起步。 Rosen和Lennox將自適應PCA和多尺度PCA應用到了連續(xù)和批次生化污水處理過程。該方法通過將高維數(shù)據(jù)變換為低維來獲取有用信息，更適于大系統(tǒng)的故障檢測。但是由于多元統(tǒng)計方法難以利用過程及故障知識信息，難進行故障分離和診斷。Aguado等用SOM+PCA多維數(shù)據(jù)進行處理，用K均值算法進行模式識別，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的模式進行故障診斷?；诮Y構風險最小化準則的支持向量機方法，由于結構簡單，具有全局最優(yōu)性和較好的推廣能力，在軟測量故障診斷中也得到了廣泛的研究。為了檢驗傳感器的漸進偏移，將傳感器的實際測量值與軟傳感器軟測量的預測值進行比較，然后通過誤差驗證故障。E.F.Carrasco等人先于2002年開發(fā)了一個用于中試規(guī)模的污水處理廠診斷監(jiān)控專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用產生式規(guī)則和模糊邏輯的知識表示，對于污水處理過程中產生的異常和故障，系統(tǒng)通過在線參數(shù)監(jiān)控，調用規(guī)則庫相關規(guī)則。 從國內污水故障診斷現(xiàn)狀來看，施漢昌、王玉玨較早地在污水處理中研究故障診斷專家系統(tǒng)，軟件設計采用Visual Studio 6.0作為開發(fā)工具,以故障樹的形式表示知識庫；李振宇、楊昌柱設計污水生物處理工藝故障診斷專家咨詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用是基于規(guī)則的產生式系統(tǒng)描述污水處理過程中的事實、規(guī)則及不確定性度量。 根據(jù)教育部科技查新工作站查新文獻分析，本作品所涉及查新點，即“基于軟測量的污泥膨脹智能故障診斷系統(tǒng)”，在國內未見相同文獻報道。因此，本作品具有一定的創(chuàng)新性和先進性。
