ANFIS在飲用水處理混凝中的應(yīng)用(一)

摘要：運(yùn)用ANFIS（自適應(yīng)神經(jīng)—模糊推理系統(tǒng)）以及大量實(shí)際生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建合理的模糊推理預(yù)測(cè)模型。同時(shí)結(jié)合國內(nèi)先進(jìn)的流動(dòng)電流混凝技術(shù)，在廈門杏林水廠進(jìn)行混凝劑投加量最佳方式的嘗試。本文將闡述如何利用ANFIS構(gòu)建混凝劑投加預(yù)測(cè)模型，同時(shí)，給出杏林水廠在水處理投加控制的模式，并闡述其功能特點(diǎn)和應(yīng)用效果。

　　關(guān)鍵詞：水處理、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）、混凝、游動(dòng)電流、投藥控制

Application of ANFIS to Coagulation of water treatment process

　　CHEN Xi

　　Abstract：on the basis of practical initial data,we use adaptive neuro-fuzzy inference system to built a fuzzy dosing forecast model. at the same time,we use streaming current technology and the fuzzy model to build a new water treatment coagulation dosing control system in xiamen water company. in this paper,I will explain how to build the fuzzy model，and show the control mode and advantages in water treatment chemicals dosing in xinglin waterworks .

　　Keywords：water treatment ,ANFIS, coagulation ,streaming current, dosing control




　　1、 引言：

　　自來水廠中，常規(guī)的水處理流程一般存在的四個(gè)階段：凝聚——向原水中投加混凝劑以使水中膠體脫穩(wěn)；絮凝——脫穩(wěn)的膠體相互聚集；沉淀——從水中去除絕大部分懸浮物和絮體；過濾——進(jìn)一步除掉絮體。其中絮凝和凝聚被稱為“混凝”。

　　混凝過程是水處理中主要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到出廠水的水質(zhì)。在水處理的過程中，混凝劑的投加起著關(guān)鍵的作用，目前國內(nèi)水廠混凝過程大多采用流動(dòng)電流反饋控制和傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型前饋控制，控制效果都不太理想，存在沉淀池出水濁度波動(dòng)大，藥劑浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。

　　傳統(tǒng)的模型控制難度大，因?yàn)榛炷^程是一個(gè)大時(shí)間滯后、非線性、時(shí)變的過程。它包括混凝劑投加、混合、絮凝和沉淀四個(gè)部分。投藥自動(dòng)控制不能很好的實(shí)現(xiàn)，但如果使用人工操作，往往就會(huì)得到很有效的控制效果。通過人工操作，很容易保證出廠水水質(zhì)的穩(wěn)定與合格。凈化人員可根據(jù)原水濁度、原水流量的變化情況、反應(yīng)后礬花生成和沉淀水濁度的情況，確定混凝程度，調(diào)節(jié)投藥量，從而保證出水穩(wěn)定合格。這一人工控制過程解決了混凝過程中因?yàn)樵疂岫?、溫度、CODMn、PH、堿度、流量和混凝工藝等諸多因素帶來的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯控制的引入，就是模仿有經(jīng)驗(yàn)凈化操作人員的人工操作，在一定的范圍內(nèi)很好的解決問題。

　　神經(jīng)模糊系統(tǒng)是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它充分應(yīng)用了模糊系統(tǒng)的模糊規(guī)則來初始化和解釋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模仿人腦的邏輯思維過程，實(shí)現(xiàn)將人的定性思維和判斷方法定量化，以適合計(jì)算機(jī)處理過程的特點(diǎn)，處理模型未知或不精確的控制問題。MATLAB模糊邏輯工具箱所提供的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)ANFIS（adaptive neuro-fuzzy inference system）就在這一理論基礎(chǔ)上建立起來，它極大地優(yōu)化了數(shù)據(jù)建模的過程。


　　2、 ANFIS自適應(yīng)神經(jīng)—模糊推理系統(tǒng)簡介

　　Matlab提供的模糊工具箱函數(shù)ANFIS使用一個(gè)給定的輸入輸出數(shù)據(jù)集，從而構(gòu)造出一個(gè)模糊推理系統(tǒng)，并用一個(gè)單獨(dú)的反向傳播算法或該算法與最小二乘相結(jié)合的方法來完成對(duì)系統(tǒng)隸屬函數(shù)參數(shù)的調(diào)節(jié)。這使得模糊系統(tǒng)可以從其建模數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)信息。我們可以通過MATLAB提供的命令行或者圖形界面兩種方式應(yīng)用工具箱函數(shù)ANFIS。

　　ANFIS使用的建模方法與系統(tǒng)辯識(shí)的方法相似。首先假定一個(gè)參數(shù)化的模型結(jié)構(gòu)（將輸入關(guān)聯(lián)到隸屬函數(shù)，并相應(yīng)建立起規(guī)則，然后通過輸出隸屬度函數(shù)和相應(yīng)參數(shù)，將輸出對(duì)應(yīng)輸出隸屬度函數(shù)，完成輸入到輸出的映射），然后采集輸入輸出的數(shù)據(jù)。使用ANFIS訓(xùn)練FIS（fuzzy inference system）模型，根據(jù)某個(gè)選定的誤差準(zhǔn)則修正隸屬函數(shù)參數(shù)，使得FIS系統(tǒng)模仿提供給系統(tǒng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

　　在建模的過程中，采集來的實(shí)際數(shù)據(jù)往往含有噪聲，從而使訓(xùn)練數(shù)據(jù)無法表示要建模系統(tǒng)的全部特征。所以需要通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)建立的模型進(jìn)行確認(rèn)工作。數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性是建立符合實(shí)際生產(chǎn)模型的關(guān)鍵，選擇一個(gè)良好的輸入輸出數(shù)據(jù)集，既要典型地代表被訓(xùn)練模型要模仿的數(shù)據(jù)集，又要與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集有明顯的區(qū)別。

　　但不是所有的模糊推理系統(tǒng)都能使用ANFIS，它只支持Sugeno形系統(tǒng)（一種模糊推理系統(tǒng)，其中每個(gè)規(guī)則的結(jié)果是輸入的線性組合，而輸出是結(jié)果的加權(quán)線性組合），而且必須是各規(guī)則的權(quán)均為1的一階或零階的Sugeno型系統(tǒng)，并且系統(tǒng)是單輸出，其輸出值由加權(quán)平均反模糊化方法（即線性或常量輸出隸屬函數(shù)）獲得。這些要求可以符合水處理投藥預(yù)測(cè)模型的建模。


　　3、運(yùn)用ANFIS建立混凝投加預(yù)測(cè)模型

　　廈門杏林水廠日處理水量為18.5萬噸，以九龍江水地表水（北溪水、江東水）和坂頭水庫水為水源，混凝和沉淀采用泥渣循環(huán)型澄清池（機(jī)械加速澄清池），過濾工藝采用V型濾池。

　　數(shù)據(jù)采集期間，均采用人工投藥，將沉淀水控制在最經(jīng)濟(jì)濁度4