基本信息
- 项目名称：
- 基于软测量的污泥膨胀智能故障诊断系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 污泥膨胀是生化污水处理厂最严重的故障之一。本作品采用软测量技术和故障诊断技术结合，通过现场安装摄像头采集的曝气池和二沉池图像，提取活性污泥性状等特征，并与过程数据和化验数据融合，构建活性污泥质量指标软测量模型，将难以测量的变量融入故障诊断专家系统中，用于污水处理厂的日常污泥膨胀运行决策，从而提高污水处理过程故障诊断决策系统的实时性和准确性。
- 详细介绍：
- 本作品适合于城市生化污水处理厂活性污泥过程污泥膨胀故障监测和诊断。采用Visual Basic 6.0和matlab混合编程方式和C/S结构，将基于数据的主元分析方法和基于RVM模型的系统相结合，能够实时监测和诊断污泥膨胀事件，具有较高的故障诊断和辅助决策能力。 该作品主要技术特征：（1）成本低，融合非接触式数字图像特征和过程数据构建活性污泥和水质指标软测量模型，由于将软测量直接用于软冗余，避免了硬件冗余带来的负担；（2）安全性好，可应用于对人体有害的环境；（3）可靠性高，软测量的输出代替故障仪表输出以提高系统的可靠性。 长期以来污水处理领域专家和操作运行人员积累了丰富的实际操作经验和广泛的知识，然而这些经验只为少数人员所掌握。目前我国环境保护事业正在蓬勃发展，各地新建了不少城市污水处理厂，因此污水处理故障诊断和决策支持系统的研究和开发有利于创新出具有我国自主知识产权的专有先进控制技术，对解决我国污水处理行业优化控制和优化运行的重大关键问题具有重要理论研究价值，还具有广阔的市场和显著的应用前景。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 污泥膨胀是生化污水处理厂最严重的故障之一。本作品采用软测量技术和故障诊断技术结合，通过现场安装摄像头采集的曝气池和二沉池图像，提取活性污泥性状等特征，并与过程数据和化验数据融合，构建活性污泥质量指标软测量模型，将难以测量的变量融入故障诊断专家系统中，用于污水处理厂的日常污泥膨胀运行决策，从而提高污水处理过程故障诊断决策系统的实时性和准确性。 基本思路： (1) 图像和过程数据、化验分析数据采集 (2) 建立水质RVM软测量模型 (3) 污泥膨胀故障诊断专家系统 创新点： (1) 基于KPCA的数字图像特征提取 (2) 融合图像特征、过程数据和化验数据的水质RVM软测量模型 技术关键： 软测量技术和故障诊断技术的有机结合 技术指标： 故障诊断的正确率>95%、漏报、误报率<5%
科学性、先进性
- 由于基于专家系统的故障诊断系统需要活性污泥数量和质量参数信息，而此参数难于实时获取，故本作品采用非接触式数字摄像技术识别污泥性状和颜色等信息，本作品融合过程数据、化验分析数据和数字图像特征信息构建水质指标软测量虚拟仪表，设计和开发污泥膨胀智能故障诊断系统，用于生化池和二沉池活性污泥性能监视和诊断。本作品在以下两个方面做了改进：（1）软测量采用数据驱动软测量技术实施在线水质参数预报，提高了系统的实时性和准确性。（2）VB和MATLAB混合编程方法，加快了原型系统的开发，减轻了系统开发的难度。
获奖情况及鉴定结果
- Ⅰ 教育部科技查新结果： 在国内文献中，以见有关研究，但在国内公开发表的中文文献中，未见“有关于KPCA的数字图像特征提取（活性污泥颜色、性状）”的中文文献报道，未见“有关于融合图像特征、过程数据和化验数据的水质RVM软测量”的报道，未见“有关于利用软测量模型结果的污泥膨胀专家系统故障诊断方法”的中文文献报道。 Ⅱ 论文发表情况： [1]孙明成，胡红霞，孙章博. PCA和RVM的污水水质预报，科技创新导论，已投稿.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 面谈
作品可展示的形式
- 模型 图片 现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品适合于城市生化污水处理厂活性污泥过程污泥膨胀故障监测和诊断。采用混合编程方式和C/S结构，将基于数据的主元分析方法和基于RVM模型的系统相结合，能够实时监测和诊断污泥膨胀事件，具有较高的故障诊断和辅助决策能力。 该作品主要技术特征：（1）成本低，融合非接触式数字图像特征和过程数据构建活性污泥和水质指标软测量模型，由于将软测量直接用于软冗余，避免了硬件冗余带来的负担；（2）安全性好，可应用于对人体有害的环境；（3）可靠性高，软测量的输出代替故障仪表输出以提高系统的可靠性。 长期以来污水处理领域专家和操作运行人员积累了丰富的实际操作经验和广泛的知识，然而这些经验只为少数人员所掌握。目前我国环境保护事业正在蓬勃发展，各地新建了不少城市污水处理厂，因此污水处理故障诊断和决策支持系统的研究和开发有利于创新出具有我国自主知识产权的专有先进控制技术，对解决我国污水处理行业优化控制和优化运行的重大关键问题具有重要理论研究价值，还具有广阔的市场和显著的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 污泥膨胀是活性污泥法污水处理系统最常见也是最难解决的故障之一。据统计，欧洲各国约有50%，美国约有60%的活性污泥法污水处理厂每年都发生污泥膨胀。工业污水处理厂的情况更严重。在我国，几乎所有的城市污水以及工业废水处理厂每年都存在不同程度丝状菌引起的污泥膨胀。如果不及时识别和处理，会导致出水水质下降，严重时甚至会导致系统崩溃。 在实际生产过程中，需要大量传感器监测过程的运行状态，以确保生产正常运行。运行状态的检测/监控本质上是一个模式识别问题，即将系统运行状态分为正常运行和各类异常情况。因此需要模式分类方法实现生产过程的运行状态检测。从国外基于数据故障诊断来看，过程监测（即故障检测、诊断和分离等）在石化企业已经获得了成功的应用，但在污水处理行业中的研究刚刚起步。 Rosen和Lennox将自适应PCA和多尺度PCA应用到了连续和批次生化污水处理过程。该方法通过将高维数据变换为低维来获取有用信息，更适于大系统的故障检测。但是由于多元统计方法难以利用过程及故障知识信息，难进行故障分离和诊断。Aguado等用SOM+PCA多维数据进行处理，用K均值算法进行模式识别，然后根据数据的模式进行故障诊断。基于结构风险最小化准则的支持向量机方法，由于结构简单，具有全局最优性和较好的推广能力，在软测量故障诊断中也得到了广泛的研究。为了检验传感器的渐进偏移，将传感器的实际测量值与软传感器软测量的预测值进行比较，然后通过误差验证故障。E.F.Carrasco等人先于2002年开发了一个用于中试规模的污水处理厂诊断监控专家系统，该系统采用产生式规则和模糊逻辑的知识表示，对于污水处理过程中产生的异常和故障，系统通过在线参数监控，调用规则库相关规则。 从国内污水故障诊断现状来看，施汉昌、王玉珏较早地在污水处理中研究故障诊断专家系统，软件设计采用Visual Studio 6.0作为开发工具,以故障树的形式表示知识库；李振宇、杨昌柱设计污水生物处理工艺故障诊断专家咨询系统，该系统采用是基于规则的产生式系统描述污水处理过程中的事实、规则及不确定性度量。 根据教育部科技查新工作站查新文献分析，本作品所涉及查新点，即“基于软测量的污泥膨胀智能故障诊断系统”，在国内未见相同文献报道。因此，本作品具有一定的创新性和先进性。
