一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法制造技术

本发明专利技术提出了一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法，包括：采集样本数据集，建立决策表；根据决策表中的样本数据集，进行主成分分析，获得主成分表及初始因子载荷矩阵表；根据主成分表及初始因子载荷矩阵表，计算特征向量，并计算获得每个指标在整体数据中的占比；选取占比数据中占比高的指标值，将指标值对应的数据集中的断点离散化，选取断点并形成相应的区间；生成初始规则集，根据初始规则集及所述区间，生成反应器的最终规则集；将参与粗糙集挖掘的数据作为测试集，利用所述最终规则集进行测试评估，获得反应器的三个决策值范围正确分类率，通过粗糙集进行挥发性脂肪酸超标的预警。

【技术实现步骤摘要】
一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法
本专利技术涉及厌氧预警
，尤指一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法。
技术介绍
厌氧消化过程是一个非常复杂的涉及微生物细胞内部大量的、多步骤的微观生物化学反应过程和厌氧反应器内固-液-气三相间宏观质量传递、热量传递和能量传递的过程。发酵过程包含复杂的参数，且各参数之间高度耦合、相互影响。对发酵过程进行监测控制，有利于促进发酵效率并提高厌氧发酵过程的稳定性和安全性。由于厌氧反应器内存在多种缓冲体系，对于酸碱度的缓冲作用使得指示性指标——挥发性脂肪酸(VFAs,volatilefattyacids)在一定程度内的积累不能在pH上得到及时反映，因此直接测量并控制VFAs指标值在合理范围内成为厌氧反应器运行控制的有效方法，VFAs的检测方法及其检测效率也成为能否及时判断厌氧工艺运行状态的关键。在厌氧反应系统中，酸化细菌和产甲烷菌处于共生状态，产甲烷菌利用酸化细菌分解有机物产生的挥发性脂肪酸(VFAs,volatilefattyacids)作为代谢物，分解产生甲烷、二氧化碳等物质，同时产生碱度，在运行良好的厌氧系统中，酸化细菌产生的有机酸和产甲烷菌产生的碱度处于相对平衡的状态，这使得厌氧消化液的pH值维持在稳定的范围内，满足微生物正常代谢所需的酸碱环境。但当由于某种原因导致甲烷菌对挥发性脂肪酸的利用率降低时(如温度波动、负荷冲击、毒性物质的影响)就会造成VFAs的积累，当这种积累持续进行到一定程度时，酸碱平衡就很容易被打破，此时发酵液的pH会突然下降导致“酸败”现象的出现，一旦出现酸败，反应器内的甲烷菌群活性将受到严重抑制，重建酸化菌和甲烷菌的生态平衡将耗费大量的时间和投入大量的药品，实际工程中多采取清空厌氧反应器，重新接种污泥再启动的措施，这将影响正常的污水处理工艺，甚至导致整个污水处理系统的瘫痪，使企业蒙受巨大经济损失和环境管理风险。因此，连续监测VFAs指标也就成为众多厌氧系统运行过程中重要的一项工作。而对VFAs的检测仅仅能够表征系统运行的历史或既成事实，并且厌氧运行过程是一个复杂的生化反应过程，VFAs的变化受多因素影响，通过指标之间的关系指示VFAs在可预见周期内的水平是否会超过安全阈值，可以作为一种必要的预警机制以保证厌氧反应过程的稳定和安全。传统的使用化学分析或者仪器测定VFAs包括蒸馏法、比色法，气象色谱法、滴定法等。此外，以神经网络、模糊控制理论、支持向量机等为代表的各类数学算法的软测量方式也成为这个领域的一个分支，国内外也有学者对该参数的软测量做过研究工作。蒸馏法、滴定法等传统的化学分析方法需要人工取样分析，分析频率低，受化验分析人员操作的影响，分析结果的重复性、重现性不能保证；气相色谱法、比色法等通过仪器测定的方法自动化程度低，需要人工采样并做样品的预处理后才能够上机测试。上述物化方法对VFAs的测试只反映反应器内已经发生了的过程，不能反映未来一个周期该指标可能的水平。以神经网络、模糊理论、支持向量机等为代表的软测量方法是以反应器运行的各指标，如温度、pH、负荷，也包含VFAs等参数为输入指标，以VFAs为输出指标，建立数学模型，以上述各指标历史运行数据作为样本训练数学模型并预测目标参数，从而实现参数的软测量，其优点是能够根据当前的数据信息预测下一周期VFAs的水平，从而实现预测和预警功能。上述方法的缺点是：1、在实际工程应用过程中容易受数据缺失的影响；2、当数据采集频率不一致的时候，如采样化验数据的频率多为1～3次/天，而传感器在线数据的频率多为几秒或几分钟一次，这就需要对数据做频率的同步预处理，容易引入无效数据或损失细节，导致预测的失败。显然，在数据量充足并且信息准确的条件下，软测量方法可以通过建立数学模型实现被预测数据无限接近检测值，在相关的研究报告中，这种预测方式也通过了各类实验的验证，但在工程实际运行过程中经常会发生数据信息不完整、数据缺失、脏数据、信号干扰等各种因素，这些因素将对对数学模型的计算造成影响，严重时会导致预测失败。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于粗糙集技术的VFAs预测方法，粗糙集(Roughset)技术是处理不精确、不一致、不完整等各种不完备信息的有效手段。粗糙集理论是继概率论、模糊集理论、证据理论之后的又一个处理不确定性的数学工具。作为一种较新的软计算方法，粗糙集近年来越来越受到重视，其有效性已在许多科学与工程领域的成功应用中得到证实，是当前国际上人工智能理论及其应用领域中的研究热点之一；尚未见粗糙集技术应用于厌氧过程预测和预警领域。具体的，该算法包括：S1，采集样本数据集，建立决策表；S2，根据决策表中的样本数据集，进行主成分分析，获得主成分表及初始因子载荷矩阵表；S3，根据主成分表及初始因子载荷矩阵表，利用公式(1)计算特征向量，并计算获得每个指标在整体数据中的占比；S4，选取占比数据中占比高的指标值，将指标值对应的数据集中的断点离散化，选取断点并形成相应的区间；S5，生成初始规则集，根据初始规则集及所述区间，生成反应器的最终规则集；S6，将参与粗糙集挖掘的数据作为测试集，利用所述最终规则集进行测试评估，获得反应器的三个决策值范围正确分类率，通过粗糙集进行挥发性脂肪酸超标的预警。上述用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法具有以下技术效果：1、采用粗糙集技术建立规则实现对厌氧消化过程关键参数VFAs分布区间的预测，并对超限进行预警；2、对输入指标的类别和数量没有要求，适合没有先验知识的指标预测；3、通过指标降维处理去除无效信息，提高计算效率，降低规则获取的复杂程度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中：图1为本专利技术一实施例的步骤流程示意图。具体实施方式以下配合图式及本专利技术的较佳实施例，进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段。如图1所示，结合步骤S1，首先需要建立决策表。决策表主要由对象、属性和属性值组成。对象指按日期采集的样本数据集，属性即所能获取的厌氧过程参数，属性值是指各参数的数据。为了尽可能地发挥条件属性对决策属性的影响作用，也为了充分利用现有数据，将进水量(F)、进水COD、HLR、ALR、进水pH、进水温度、TSS、进水VFA、反应器pH、罐内温度、最高气温、最低气温和当日温差作为条件属性，各条件属性及其代号定义见表1所示。表1条件属性及其代号定义结合步骤S2，主成分分析(PrincipalComponentAnalysis，PCA)是考察多个变量间相关性的一种多元统计方法，通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量，转换后的这组变量叫主成分。主成分分析法的核心思想是降维，这种方法能够将多指标进行最佳综合简化，最终转化为较少的综合指标。因此，利用主成分分析法，能够简化评价过程中数据统计的工作量，消除指标间的信息重叠。1、作为输入的原始指标数据如表1所示。2、利用SPSS软件做主成分分析，获得主成分提取表(如表2所示)以及初始因子载荷矩阵表(如表3所示)。表2主成分提取表表3初始因子载荷表结合步骤S3，利用初始因子载荷矩阵以及主成分特征值，计算特征向量，即主成分表达式系数A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法，其特征在于，包括：S1，采集样本数据集，建立决策表；S2，根据决策表中的样本数据集，进行主成分分析，获得主成分表及初始因子载荷矩阵表；S3，根据主成分表及初始因子载荷矩阵表，利用公式(1)计算特征向量，并计算获得每个指标在整体数据中的占比；特征向量＝初始载荷因子/相应主成分特征值；  公式(1)S4，选取占比数据中占比高的指标值，将指标值对应的数据集中的断点离散化，选取断点并形成相应的区间；S5，生成初始规则集，根据初始规则集及所述区间，生成反应器的最终规则集；S6，将参与粗糙集挖掘的数据作为测试集，利用所述最终规则集进行测试评估，获得反应器的三个决策值范围正确分类率，通过粗糙集进行挥发性脂肪酸超标的预警。

【技术特征摘要】
1.一种用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法，其特征在于，包括：S1，采集样本数据集，建立决策表；S2，根据决策表中的样本数据集，进行主成分分析，获得主成分表及初始因子载荷矩阵表；S3，根据主成分表及初始因子载荷矩阵表，利用公式(1)计算特征向量，并计算获得每个指标在整体数据中的占比；特征向量＝初始载荷因子/相应主成分特征值；公式(1)S4，选取占比数据中占比高的指标值，将指标值对应的数据集中的断点离散化，选取断点并形成相应的区间；S5，生成初始规则集，根据初始规则集及所述区间，生成反应器的最终规则集；S6，将参与粗糙集挖掘的数据作为测试集，利用所述最终规则集进行测试评估，获得反应器的三个决策值范围正确分类率，通过粗糙集进行挥发性脂肪酸超标的预警。2.根据权利要求1所述的用于厌氧过程挥发性脂肪酸超标预警的复合算法，其特征在于，在步骤S1中，决策表主要由对象、属性和属性值组成，对象是按日期采集的样本数据集，属性是所能获取的厌氧过程参数，属性值是指各参数的数据；其中，属性包括：进水量、进水COD、HLR、ALR、进水pH、进水温度、TSS、进水VFA、反应器pH、罐内温度、最高气温、最...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，岳冰，
申请(专利权)人：中轻国环北京环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11