基于不確定性理論與方法的城市污水處理廠優(yōu)化決策研究.pdf

1、城市污水處理廠的規(guī)劃、設(shè)計和運行是涉及到多變量的、受多種不確定性影響的一系列決策過程。傳統(tǒng)的優(yōu)化決策理論與方法不能有效地考慮系統(tǒng)固有不確定性的影響，存在一定的片面性和局限性，使模型的實際應(yīng)用受到限制。本文應(yīng)用不確定性理論與方法對城市污水處理廠優(yōu)化決策進(jìn)行研究，內(nèi)容包括費用模型的建立、設(shè)計階段的工藝方案優(yōu)選、設(shè)計參數(shù)對優(yōu)化設(shè)計的影響分析和不確定性優(yōu)化設(shè)計模型的求解，以及影響運行效果的關(guān)鍵參數(shù)污水量的非線性動力學(xué)特性研究及其短時預(yù)測。這對優(yōu)

2、化污水處理廠的設(shè)計和運行，具有重要的指導(dǎo)意義。 污水處理費用模型的非線性、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計中的不確定性以及費用影響因子內(nèi)相關(guān)等特點，都限制了傳統(tǒng)方法的應(yīng)用。考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力以及理論上逼近任意非線性連續(xù)映射的優(yōu)點，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對污水處理廠的費用模型進(jìn)行探索性的研究。研究以臺灣地區(qū)26組污水處理廠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取設(shè)計水量、處理程度、入流BOD5濃度和集水區(qū)域面積作為網(wǎng)絡(luò)輸入，總造價和工廠建設(shè)費為輸出。采用

3、動量-自適應(yīng)學(xué)習(xí)率調(diào)整算法、“留—法”和“提前停止”來克服傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、易陷入局部極小值的缺點，以及樣本容量有限、過擬合等問題。結(jié)果表明，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)能力強，能夠較好地預(yù)測臺灣地區(qū)污水處理廠的經(jīng)濟(jì)費用，比多元線性回歸模型有了很大的改進(jìn)，預(yù)測值與樣本之間的相對誤差顯著降低，預(yù)測精度提高。 城市污水處理廠的設(shè)計首先要涉及到污水處理工藝方案的選擇。針對污水處理工藝方案優(yōu)化決策多目標(biāo)、多指標(biāo)、確定性與多種不

4、確定性共存的特點，本文建立了多層次模糊灰色耦合模型和多屬性集對分析模型，以彌補現(xiàn)有優(yōu)化方法單純考慮費用因素，受人為主觀影響較大的不足，為決策提供科學(xué)的依據(jù)。多層次模糊灰色耦合模型結(jié)合了灰色關(guān)聯(lián)分析和層次分析法的優(yōu)點，采用多層次多指標(biāo)評判，較常用的單層次評判更能反映方案的實際特性；綜合關(guān)聯(lián)度作為優(yōu)劣評判的不確定度量，具有全面性和提高方案可比性的優(yōu)點。多屬性集對分析模型考慮了確定性和不確定性共存的特點，拓展了結(jié)構(gòu)函數(shù)——同異反聯(lián)系度的概念；

5、獨特的穩(wěn)定性分析通過基序分析其穩(wěn)定區(qū)域，判定擴展序的存在，保證了決策的準(zhǔn)確性和可靠性。實例研究驗證了兩個模型的有效性。某污水處理廠提供了四種候選方案，即A<'2>/O法、三溝式氧化溝、厭氧-單溝式氧化溝和SBR法。考察的指標(biāo)有項目投資、經(jīng)營成本、占地面積、氮磷去除效果、污泥處理效果、運行穩(wěn)定性、工藝成熟性和操作難易程度等8項。研究結(jié)果表明，對該污水處理廠而言，厭氧-單溝式氧化溝為最佳方案，其綜合效益最高。 污水處理廠傳統(tǒng)的優(yōu)化

6、設(shè)計很少考慮模型不確定性參數(shù)的影響，故一般情況下產(chǎn)生的設(shè)計方案往往不是最優(yōu)的。本文采用典型的Lawrence-McCarty模式(即泥齡法)對活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在這個基礎(chǔ)上對模型參數(shù)分別開展了不確定性分析和靈敏度分析，考察各參數(shù)對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的影響。對優(yōu)化設(shè)計影響較大的參數(shù)有：進(jìn)水水量和水質(zhì)、與氧轉(zhuǎn)移效率相關(guān)的校正參數(shù)以及二沉池的濃縮常數(shù)。這對于建立低靈敏度系統(tǒng)，對提高設(shè)計方案理論最優(yōu)解的工程實用性有重要的指導(dǎo)意義。

7、城市污水處理廠優(yōu)化設(shè)計模型經(jīng)過40多年的發(fā)展，在理論上漸趨完善，但由于模型本身的可解性差而使其實用性變差，尤其是不具有對設(shè)計方案進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化調(diào)控的能力。區(qū)間數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型的表達(dá)和求解均以區(qū)間數(shù)的形式直接反映了系統(tǒng)的不確定性信息。決策者在決策時，可結(jié)合實際情況和各種新的信息，根據(jù)個人或集體經(jīng)驗、偏好在這一行為區(qū)間中確定具體行為方案，與傳統(tǒng)優(yōu)化模型相比更科學(xué)更實用，具有更大的靈活性和可操作性。但是由于模型的高維非線性，利用傳統(tǒng)優(yōu)化方法計算繁

8、瑣，且解的質(zhì)量和計算效率對迭代初始點比較敏感。本文嘗試將遺傳算法與傳統(tǒng)的步長搜索法相結(jié)合，對城市污水處理廠區(qū)間數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型的求解進(jìn)行了探索。實例驗證表明，這種新方法不涉及求導(dǎo)等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，同時將大大提高區(qū)間解的搜索速度。與常規(guī)數(shù)值解法所得結(jié)果相比，目標(biāo)函數(shù)總費用改善了20％左右，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 城市污水處理廠的污水量對生產(chǎn)合理調(diào)配具有很大的參考價值。它是系統(tǒng)內(nèi)在和外在隨機因素共同作用的結(jié)果，其預(yù)測準(zhǔn)確與否不僅僅受外

9、在隨機因素的影響，更重要的是由系統(tǒng)內(nèi)在動力學(xué)特征所決定。本文運用相空間重構(gòu)理論，通過計算最大Lyapunov指數(shù)，判斷城市污水水量時間序列存在混沌特性，可以短時預(yù)測。對長沙市第二污水處理廠污水量時間序列的相空間重構(gòu)，確定延遲時間為2天，嵌入維數(shù)為9，最大Lyapunov指數(shù)為0.0274。據(jù)此確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，輸入層、輸出層和隱含層節(jié)點分別為9，1和16。該法避開了傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計依賴經(jīng)驗，易出現(xiàn)偏差的缺點。將整個時間序列10％的