張麗麗，徐 俊，強 璐，廖文俊

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

隨著信息化技術的發(fā)展，人工智能理論已在水處理規(guī)劃、設計和運行管理中發(fā)揮越來越重要的作用。專家系統(tǒng) (Expert System簡稱ES)是人工智能的一個分支，可以幫助用戶利用計算機軟件解決具體問題。從20世紀70年代開始，各國學者探索將專家系統(tǒng)應用于污水處理領域，解決污水處理工藝選擇［1，2］、污水處理系統(tǒng)的過程評價［3］、自動控制［4，5］和故障診斷［6，7］等問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，專家系統(tǒng)已取得不少進展，也顯示出了良好的應用前景。本文主要介紹了污水處理工藝選擇的特點、專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應用現(xiàn)狀以及未來污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)污水處理工藝選擇的特點

污水處理工藝是污水處理廠建設中最重要的環(huán)節(jié)之一，對污水處理廠的運營具有重要影響。污水處理工藝流程 (方案)的選擇一般根據(jù)污水處理程度和污水處理廠規(guī)模來確定，然后通過全面的技術經(jīng)濟比較來確定最適的工藝流程和設計參數(shù)。其基本原則是在保證處理效果、運行穩(wěn)定、滿足污水處理要求的前提下，使基建造價和運行費用最低化，運行管理簡單化，同時要求具有較好的衛(wèi)生、安全等環(huán)境條件。然而傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇主要由負責項目的設計人員來確定，存在諸多問題。主要包括以下3方面內(nèi)容。

1.1 主觀性大

傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇一般由設計人員根據(jù)經(jīng)驗或者直覺判斷，擬定有限的、能滿足處理要求和污水廠規(guī)模的備選方案，然后通過經(jīng)濟指標核算選出成本最低的方案，即為最優(yōu)方案。但是，由于工程設計人員對工藝有個人的傾向和愛好，先入為主，導致主觀性較大，而且每個設計單位也存在工藝選擇的傾向性，往往選擇本單位較為擅長的，最終導致工藝選擇不夠科學。另外，在實際工藝選擇中，還常常會出現(xiàn)工程項目工期要求非常緊、設計人員在規(guī)定期限內(nèi)難以完成的情況。設計人員為按期完成，會套用之前做過的類似規(guī)模和水質(zhì)的工程項目，而沒有考慮該項目自身的實際情況，造成工藝方案選擇的不科學。

1.2 多目標決策難

長期以來，成本效益分析［8］(即費用最小且收益最大)是工程領域常用的決策手段，但這種決策思想用于污水處理工藝選擇上往往忽視了資源價值、環(huán)境影響、社會價值等方面，導致污水處理中有些污染物不能徹底去除或者污染物轉(zhuǎn)移造成新的污染等。近年來，部分研究者提出環(huán)境影響小［9］、資源消耗低的工藝即為最優(yōu)工藝。也有些研究者認為社會因素是城鎮(zhèn)污水處理工藝選擇決策的重要因素之一［10］。其實，在污水處理工藝選擇過程中應該統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟成本、環(huán)境影響、社會因素等。

污水處理工藝的選擇屬于多目標、多因素的復雜決策問題，而在設計人員根據(jù)經(jīng)驗或者直覺決策過程中，往往會忽視一些因素，造成片面的決策，致使選擇結果難以被接受。因此，采用一些輔助決策方法往往會比單純?nèi)藶闆Q策更加全面、準確。

1.3 污水處理工藝發(fā)展快

隨著科研人員對污水處理工藝的研發(fā)，新的污水處理工藝不斷發(fā)展，同時不同工藝間組合而成的新工藝也不斷增多［11］，這給傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇增加了難度，因為工程師個人的知識面總會有局限，而且常用的工藝流程選擇規(guī)則可能對新工藝新技術并不適用。因此，Hidalgo等［12］認為應該采用集成方法來決策，包括集成專家知識，借助數(shù)學模型、數(shù)據(jù)分析工具、生命周期評價方法、環(huán)境效益分析方法等等，來科學的地確定污水處理工藝流程。

2 專家系統(tǒng)的特征和發(fā)展

2.1 專家系統(tǒng)的構成和特征

專家系統(tǒng)一般由知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、人機接口、解釋機和知識獲取機6部分組成，其結構如圖1所示［13］。知識庫和推理機是專家系統(tǒng)的核心組成:知識庫則是規(guī)則的集合，用以存取本領域?qū)＜姨峁┑囊?guī)則和知識;推理機是負責執(zhí)行問題的求解過程，包括規(guī)則的查詢和執(zhí)行規(guī)則的確定。

圖1 專家系統(tǒng)結構［13］Fig.1 Structure of expert system

專家系統(tǒng)由于擁有數(shù)千條啟發(fā)式規(guī)則，能系統(tǒng)客觀地考慮所有可能性選擇，能實現(xiàn)多目標決策，因而在本領域應用時能得出最優(yōu)的選擇、客觀的結論。但是目前專家系統(tǒng)往往限制在定義好的任務之上，局限于利用最初定義好的專門事實和啟發(fā)性知識，不能進行類比推理。因此，專家系統(tǒng)的應用一旦超出了事先定義好的范圍，其性能會迅速喪失。

專家系統(tǒng)能高效處理事先定義好的內(nèi)容，主要因為專家系統(tǒng)具有并行與分布式處理、多系統(tǒng)協(xié)同工作兩個主要特征。并行與分布式處理可以把專家系統(tǒng)的功能分解到多個處理器上并行工作，提高系統(tǒng)的處理效率;多系統(tǒng)協(xié)同工作是指利用若干個子專家系統(tǒng)，相互協(xié)同處理，共同解決一個問題。專家系統(tǒng)的遠期目標是利用計算機程序來模擬人類的思維過程，形成更加符合人類思維模式的軟件系統(tǒng)，同時集成更加廣泛的知識庫和數(shù)據(jù)庫，得到最全面、最優(yōu)的決策結果。

2.2 專家系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀60年代，Stanford大學Feigenbaum教授研制出了根據(jù)化合物的分子式及其質(zhì)譜數(shù)據(jù)推斷分子結構的計算機程序DENDRAL［14］，這是世界上第一個專家系統(tǒng)。之后，專家系統(tǒng)在醫(yī)療、礦藏勘測等領域開始獲得發(fā)展，尤其是在醫(yī)療領域，出現(xiàn)了如MYCIN的專家系統(tǒng)，用于診斷和治療感染性疾病。20世紀80年代以來，專家系統(tǒng)發(fā)展迅速，由基于規(guī)則的專家系統(tǒng)［15］發(fā)展到基于案例的專家系統(tǒng)［16］，再發(fā)展到基于神經(jīng)網(wǎng)絡模型的專家系統(tǒng)［17］。在技術上，開始應用面向?qū)ο蟮木幊?、計算機網(wǎng)絡技術等。

隨著專家系統(tǒng)理論和技術的日趨成熟，各個領域的專家都已開始深入研究專家系統(tǒng)在本領域的應用。污水處理作為環(huán)境領域最重要的分支之一，對社會、環(huán)境都有著重要影響，因此專家系統(tǒng)在污水處理中的應用和發(fā)展顯得至關重要。

3 專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應用現(xiàn)狀和發(fā)展

3.1 國外專家系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀和發(fā)展

專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應用最早是在美國。Rossman［1］于1980年提出使用數(shù)學模型來設計污水處理廠。最初的模型只涉及了傳統(tǒng)的處理過程和常規(guī)的設計參數(shù)，但為專家系統(tǒng)在污水處理領域的應用和發(fā)展奠定了一定的基礎。1983年美國環(huán)境保護局開發(fā)了CAPDET系統(tǒng)分析模型［18］。該系統(tǒng)分析模型可以從多種污水處理工藝中選擇出較優(yōu)的工藝，但該模型只涉及了傳統(tǒng)的過程參數(shù)。Gall和Partry較早提出將專家系統(tǒng)應用于污水處理廠的設計。之后 Krovvidy［19］將歸納學習和基于案例的推理方法引入到污水廠的工藝設計中，建立了一個基于費用函數(shù)的專家系統(tǒng)，用于污水處理流程的選擇。Yang等［20］認為之前的研究都沒有列出工藝選擇的目標，他提出建立一個初步的模糊集，用來表達技術的處理效率和建設成本。該專家系統(tǒng)采用了Krovvidy提出的技術與經(jīng)濟綜合分析的方法，其實施概念如圖2所示。初步篩選過程是指用戶輸入進出水數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用相關的處理效率規(guī)則，輸出能達到每種污染物去除效果的一系列技術。綜合分析過程包括可行性分析和技術詳述，首先分析初步篩選得出的一系列技術的處理效率和建設成本，然后用戶對處理效率和建設成本進行評價，根據(jù)評價結果系統(tǒng)選出一個最合適的技術。通過建立模糊集的方法可以幫助用戶選擇一個合適的污水處理方案，同時給予用戶一定的靈活性確定優(yōu)先權。

圖2 專家系統(tǒng)的實施概念［20］Fig.2 Concept of expert system implementation

由于污水處理工藝的選擇是多目標的決策，Kalbar等［21，22］根據(jù)這一特點，提出了優(yōu)劣解距離法 (TOPSIS)［21］和層次分析法 (AHP)［22］。優(yōu)劣解距離法是一種逼近于理想解的多目標決策方法。這種方法使用數(shù)學公式計算距離來定量和比較不同的方案，若有一個方案最接近理想解，遠離負理想解，則該方案是備選方案中最好的。Kalbar確定了7個標準，分為12個指標，分別對這些指標賦予不同的權重值，用來評估所有方案，結果表明不同情況下能選出的最優(yōu)方案與實際基本相符。例如，在城市中建污水處理廠，土地資源緊張，出水直接排放到地表水中，用優(yōu)劣解距離法決策最適合的工藝為傳統(tǒng)活性污泥法，這與實際情況相符。因為采用傳統(tǒng)活性污泥法所需的占地較小，且處理效果能滿足地表水的排放要求。層次分析法是另一種常用的多目標決策方法。Kalbar研究了群體決策層次分析法在污水處理工藝選取中的應用，流程如圖3所示。他將12個指標分為5個定量指標和7個定性指標，定量指標由公式計算得出每個指標的相對分數(shù)，定性指標由專家群體決策，再進行整合估算得出。將定量定性指標整合得到總的指標權重，再將具體情況下不同的條件要求矩陣與指標權重矩陣相乘即可得到每個方案的得分，將得分進行排序，得出最適合的方案。

Pophali等［23］利用專家系統(tǒng)進行制革廢水處理工藝優(yōu)選時，采用灰色關聯(lián)度分析 (GRA)與層次分析法相結合的方法來實現(xiàn)多目標決策。他考慮的層次標準主要基于經(jīng)濟、技術和管理3方面。經(jīng)濟指標主要包括投資成本、運行成本、占地面積、能源消耗等;技術指標主要包括氮磷污染物的去除效率、污泥產(chǎn)量;管理指標主要指工藝操作的穩(wěn)定性、技術成熟度、與法律法規(guī)的符合性、安全風險、環(huán)境影響和公眾意識。Pophali指出對于市政污水處理廠，這個層次系統(tǒng)可根據(jù)實際情況修改。該研究中用到的指標數(shù)據(jù)均來自于實際的制革廢水工程，通過該專家系統(tǒng)決策后的結果與實際基本相符。

圖3 群體決策層次分析法流程［22］Fig.3 Flow chart of group decision analytic hierarchy process

3.2 國內(nèi)專家系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀和發(fā)展

國內(nèi)專家系統(tǒng)在水處理工藝選擇領域的應用起步較晚。申石泉等［24］結合水處理領域的專家經(jīng)驗與人工智能原理，建立了城市生活污水處理流程選擇的專家系統(tǒng) (WWDES)。該專家系統(tǒng)采用模塊化結構，分別建立知識庫管理系統(tǒng)與推理機，便于系統(tǒng)維護和功能擴充。推理機主要利用產(chǎn)生式規(guī)則，表達多名專家的經(jīng)驗知識，實現(xiàn)推理。而在流程選擇時主要考慮了經(jīng)濟指標、技術性能指標、資源消耗指標、操作性能指標和社會環(huán)境影響，利用實例進行檢驗，系統(tǒng)所推出的結果基本合理。該研究探討了專家系統(tǒng)在污水處理流程選擇中應用的可行性，但還只是建立了系統(tǒng)的整體框架，沒有完成知識收集整理和對系統(tǒng)的維護，還沒有建立完善的污水處理流程選擇專家系統(tǒng)。韋鶴平等［25］開發(fā)了TESDWT專家系統(tǒng)用來為城市污水處理工程設計部門提供設計咨詢和決策，根據(jù)用戶提供的原始信息(包括設計水質(zhì)水量、地形地質(zhì)、工程造價及單體構筑物的要求)對污水處理工藝流程進行選擇，并根據(jù)所選的類型，確定單體構筑物的工藝設計。但在構建TESDWT專家系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)專家知識獲取、專家經(jīng)驗錄入以及問題目標確定仍是專家系統(tǒng)應用于污水處理工藝選擇中的瓶頸。

唐然［8］研究了如何全面、科學、客觀地對城鎮(zhèn)污水處理工藝進行優(yōu)選決策。主要研究了逼近理想解法、灰色關聯(lián)法、模糊數(shù)學法、模糊-灰色關聯(lián)法4種方法的決策模型，并將其應用于三峽庫區(qū)某城鎮(zhèn)污水廠的工藝優(yōu)選決策中，其備選工藝包括曝氣生物濾池 (BAF)、間歇性活性污泥法 (SBR)和Orbal氧化溝法。研究結果表明，4種模型決策結果相一致，曝氣生物濾池為最優(yōu)方案，間歇性活性污泥法次之，Orbal氧化溝再次之。唐然認為由于污水處理工藝優(yōu)選同時具有模糊性和灰色性，模糊-灰色關聯(lián)法同時考慮了灰色性和模糊性，且運算量比其它幾種方法都要小，因此更適用于實際應用。繩珍［26］建立了一套污水處理工藝比選與計算系統(tǒng)，用計算機軟件來實現(xiàn)工程設計人員對污水處理工藝的計算和比選。首先建立了污水處理工藝比選指標體系，包括項目投資、運行費用、占地面積、氮磷去除效果、污泥處理效果、工藝成熟性、運行穩(wěn)定性、操作難易程度等，然后根據(jù)設計手冊的設計參數(shù)，用計算機實現(xiàn)對污水處理構筑物的計算，通過采用層次分析法計算各層次指標權重，然后建立模糊灰色耦合模型，運用模糊-灰色關聯(lián)法進行分析，得出最優(yōu)結果。吳育華等［27］在?？陂L流污水廠工藝方案選擇中確定了污水處理效果、投資運行費用、運轉(zhuǎn)管理難易、工藝成熟度以及對環(huán)境的影響等指標，主要通過專家打分的方式確定了沉淀法、生物吸附法、A/B法3個方案的各指標得分及權重，利用層次分析法對3個方案進行了分析評判和選擇，得出3個方案的評價排序依次為生物吸附法、A/B法、沉淀法。黃紹娃等［28］利用模糊綜合評價的方法從技術、經(jīng)濟、環(huán)境方面對備選工藝進行優(yōu)選。備選工藝包括常規(guī)活性污泥法、A/O法、A2/O法、氧化溝法、CAST工藝、A/B法。技術、經(jīng)濟、環(huán)境因素分別確定了隸屬函數(shù)，每種工藝的隸屬度由計算得出。技術、經(jīng)濟因素的權重由排序法確定，環(huán)境因素的權重主要根據(jù)專家評議出各指標的重要性來確定。綜合隸屬度與權重，得出常規(guī)活性污泥法為最優(yōu)選工藝。

3 總結與展望

由于傳統(tǒng)的污水處理工藝選擇主觀性較大，難以實現(xiàn)多目標決策等，因此專家系統(tǒng)作為人工智能的一個分支，在污水處理領域中已開始得到應用。通過計算機程序、分析模型、專家知識庫等，專家系統(tǒng)能全面、客觀、快速地進行污水處理工藝選擇，不受周圍環(huán)境的影響，并且使專家知識與經(jīng)驗不受時間和空間的限制，提高工作效率。國內(nèi)外研究者已開始了專家系統(tǒng)在污水處理工藝選擇中的應用研究，其使用的決策方法都比較一致，主要有優(yōu)劣解距離法、層次分析法、模糊評價法、灰色評價法和模糊-灰色關聯(lián)法等，但在決策指標體系的建設上差異較大，目前還沒有統(tǒng)一的污水處理工藝優(yōu)選決策指標體系。另外，現(xiàn)有的專家系統(tǒng)自學能力不足，不能自動擴展新的知識，也不能依據(jù)未定義在系統(tǒng)內(nèi)的一般公理進行推理。

污水處理工藝選擇專家系統(tǒng)未來的發(fā)展方向是通過自學習得到更廣泛更多樣化的專家知識，建立科學客觀的決策指標體系，使污水處理設計實現(xiàn)技術、經(jīng)濟、環(huán)境與社會諸要素間的和諧統(tǒng)一，促進專家系統(tǒng)在污水處理領域的實用化。

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