基于Multi-Agent的分布式污水處理智能化系統(tǒng)研究.pdf

1、污水處理過程由于反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，且具有多變量、非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，屬難以控制的復(fù)雜工業(yè)過程，采用傳統(tǒng)的控制理論及技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)行和出水的達(dá)標(biāo)排放。目前，人工智能技術(shù)在工程系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，已成為其與各應(yīng)用領(lǐng)域相融合的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，并取得了令人矚目的成就，然而其在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用在國內(nèi)尚處于探索性研究階段。如何利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水處理過程的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，保證出水達(dá)標(biāo)排放以及節(jié)能降耗等，已成為迫切需要解決的課題

2、。論文在較全面分析近幾年來國內(nèi)外污水處理領(lǐng)域人工智能技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀，以及分布式人工智能Multi-Agent理論、粗糙集理論、專家系統(tǒng)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上，提出了建立基于Multi-Agent理論的污水處理分布式智能化系統(tǒng)的新構(gòu)想，以實(shí)現(xiàn)污水處理過程的智能控制、難測工藝參數(shù)的軟測量、異常現(xiàn)象實(shí)時(shí)智能故障診斷以及沖突消解等智能化系統(tǒng)功能。并在Java語言環(huán)境下，基于開放的JADE(Java Agent Development

3、Framework)3.2開發(fā)平臺(tái)，遵循FIPA(Foundation for Intelligent Physical Agent)標(biāo)準(zhǔn)，采用Hibernate、Spring framework 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該智能化系統(tǒng)的原型系統(tǒng)，為Multi-Agent理論的實(shí)用化探索出了一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑。 獲得的主要研究結(jié)果如下： ①通過對Agent及MAS (Multi-Agent System) 理論以及污水處理過程

4、特點(diǎn)的分析，在國內(nèi)首次提出了基于Multi-Agent 的分布式污水處理智能化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；定義了系統(tǒng)中各Agent的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及功能。 研究結(jié)果表明，該智能化系統(tǒng)層次清晰，Multi-Agent呈模塊化結(jié)構(gòu)，既相互獨(dú)立，又有機(jī)地聯(lián)系在一起，系統(tǒng)魯棒性和擴(kuò)展性好。 ②為了實(shí)現(xiàn)該 Multi-Agent 系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的開放性，使異構(gòu) Agent 之間能夠進(jìn)行互操作。通過對FIPA標(biāo)準(zhǔn)、JADE Ag

5、ent開發(fā)平臺(tái)以及Hibernate、Springframework 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究，并利用污水處理過程控制系統(tǒng)平臺(tái)，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了Multi-Agent污水處理智能化系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。 ③通過分析活性污泥法污水處理過程常見的異?，F(xiàn)象，建立了活性污泥法污水處理系統(tǒng)曝氣池故障樹和二沉池故障樹，采用正向鏈推理機(jī)制和模糊專家系統(tǒng)技術(shù)，基于Fuzzy JESS (Fuzzy Java Expert System Shell)專家系統(tǒng)

6、開發(fā)平臺(tái)，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了活性污泥污水處理系統(tǒng)異常現(xiàn)象的智能故障診斷Agent。該故障診斷 Agent 具有知識(shí)庫、推理機(jī)、主程序相分離的特點(diǎn)，便于更新知識(shí)源，保證了系統(tǒng)的透明性、靈活性和可移植性。Java 的平臺(tái)無關(guān)性及多線程機(jī)制還使得FuzzyJESS可以與其他應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行。 ④為解決污水處理過程有許多無法直接在線測量或測量滯后很大而難以控制的關(guān)鍵變量的測量問題，經(jīng)過對軟測量技術(shù)原理的分析研究，給出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

7、污水處理參數(shù)軟測量模型方法。為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、有效性，采用粗糙集理論對模型進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)約簡屬性、消除冗余信息后，在國內(nèi)首次建立了基于粗糙集．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水處理難測水質(zhì)參數(shù)的軟測量模型，并應(yīng)用于某城市污水廠實(shí)際的 SVI 參數(shù)測量。測量結(jié)果表明，該軟測量模型測量精度較高，其相對誤差平均值0.90％，最大值 1.73％，RMSE為2.744。特別是與未采用粗糙集預(yù)處理的模型相比，大大降低了輸入數(shù)據(jù)的維數(shù)，減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間及訓(xùn)

8、練步數(shù)，有利于軟測量模型的實(shí)用化。 ⑤為實(shí)現(xiàn)活性污泥法單元過程的自動(dòng)控制，智能化系統(tǒng)設(shè)有曝氣池DO控制Agent、污泥回流控制Agent和排泥控制Agent三個(gè)執(zhí)行Agent。 曝氣池DO控制Agent采用模糊控制算法，適應(yīng)于DO這種具有大慣性、大滯后和不確定性特點(diǎn)對象的控制；污泥回流 Agent采用實(shí)時(shí)監(jiān)測曝氣池 MLSS，根據(jù)實(shí)測 MLSS 與給定值的偏差，用PID算法控制污泥回流泵轉(zhuǎn)速的控制方式；排泥控制 Ag

9、ent 通過求出每天的排泥量，用液位計(jì) (開/關(guān)) 控制啟動(dòng)排泥泵排泥。 將曝氣池DO控制Agent用帶延時(shí)一階慣性環(huán)節(jié)、帶延時(shí)二階慣性環(huán)節(jié)等具有工業(yè)過程特性的典型環(huán)節(jié)仿真，結(jié)果表明該模糊控制器不僅對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果，從而驗(yàn)證了該控制器用于實(shí)際DO控制時(shí)的適應(yīng)性。 ⑥ Agent 之間相互作用是MAS的一個(gè)重要特征，相互作用過程中 Agent

10、間發(fā)生沖突不可避免。Agent之間正是通過一定的協(xié)調(diào)、沖突消解過程完成對整個(gè)問題的求解。通過對活性污泥法污水處理過程中各 Agent 可能產(chǎn)生的沖突及其識(shí)別方法的分析，根據(jù)MAS中的沖突協(xié)商和任務(wù)協(xié)作理論，提出了本系統(tǒng)沖突消解策略，并實(shí)現(xiàn)了沖突消解Agent。 ⑦數(shù)據(jù)服務(wù) Agent 的功能是為其它Agent提供統(tǒng)一、靈活的訪問控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的接口。該智能化系統(tǒng)中各Agent對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的讀寫操作都是通過數(shù)據(jù)服務(wù)Agent

11、提供的相關(guān)服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。論文采用Hibernate與Spring framework數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，使系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對各Agent來說都是透明的，系統(tǒng)可移植性好，生命周期長。 ⑧由于MAS是由多個(gè)Agent形成的松散耦合系統(tǒng)，通信是實(shí)現(xiàn)Agent間交互和社會(huì)組織的基礎(chǔ)，因此Agent間通信是Multi-Agent系統(tǒng)研究的重要問題之一。通過對Agent通信模式的分析，確定該智能化系統(tǒng)采用 FIPA-ACL 作為Agent間的

12、通信語言，并研究確定了通信方式、通信策略、通信協(xié)議和通信內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了該智能化系統(tǒng)Agent之間的有效通信?；贛ulti-Agent理論建立的污水處理分布式智能化系統(tǒng)，能更好地提高整個(gè)控制系統(tǒng)的決策水平，從而更好地實(shí)現(xiàn)污水處理過程的智能化運(yùn)行、控制和監(jiān)管，提高處理出水質(zhì)量和節(jié)能降耗。現(xiàn)代污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，以及高效的Java語言環(huán)境、JADE、Fuzzy JESS、Hibernate、Spring framework等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)