林　安　阮　琥

（臺(tái)州市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院浙江臺(tái)州318000）

探究污水處理中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)用

林安阮琥

（臺(tái)州市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院浙江臺(tái)州318000）

目前，科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步與提升，人類(lèi)的生活以及工業(yè)用水也隨之增加，所排放的污水量也在不斷增大，為了能讓人人都有干凈的水喝，污水處理技術(shù)在人們的生存需求下迅速發(fā)展；污水處理過(guò)程并不是單一的污水過(guò)濾，其工藝過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而當(dāng)前，對(duì)于污水處理的整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理、發(fā)掘數(shù)據(jù)技能和故障診斷等都與其有很大的關(guān)聯(lián)；因此本文就污水處理中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行了闡述，并通過(guò)對(duì)污水處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步探究了數(shù)據(jù)挖掘在污水處理異常檢測(cè)中應(yīng)用的方法。

污水處理；數(shù)據(jù)挖掘；運(yùn)用

污水處理屬于處理工藝非常繁復(fù)的生化過(guò)程，無(wú)法一直保持穩(wěn)定的狀態(tài)。操作人員以及管理者們一直以來(lái)都是按照多年積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)污水處理的整個(gè)過(guò)程加以管理，這就需要操作人員及管理者們具備廣泛的知識(shí)以及較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)。處理污水故障的專(zhuān)家在診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)時(shí)，也需要依賴于污水處理專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建立。當(dāng)污水處理在工作過(guò)程當(dāng)中，會(huì)由監(jiān)控設(shè)備獲取大量的污水狀態(tài)數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程，就是從這些獲取的歷史數(shù)據(jù)中挖掘出可用的知識(shí)模式，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這也是極其實(shí)用的獲取知識(shí)的途徑。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中涵蓋了無(wú)監(jiān)督的分類(lèi)技術(shù)，可優(yōu)先對(duì)所收集的歷史數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘中的數(shù)據(jù)加以分析，再運(yùn)用專(zhuān)家的知識(shí)分析污水處理挖掘的有效數(shù)據(jù)知識(shí)，進(jìn)而獲取污水處理廠設(shè)備的相關(guān)監(jiān)控進(jìn)行分析，例如污水處理設(shè)備故障檢測(cè)以及活性泥成分分析等。

1　污水處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

污水處理是一個(gè)不簡(jiǎn)單的過(guò)程，因其高維且有較強(qiáng)的耦合性，加之?dāng)?shù)據(jù)量較大，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾年以后，數(shù)據(jù)積累量非常大。此外，在污水處理的過(guò)程中，很多行為狀態(tài)是根據(jù)變量因素共同決定的，它們間有較強(qiáng)的非線性或者耦合關(guān)系存在，例如溫度的高低會(huì)給水的溶氧度值帶來(lái)影響，在污水處理自動(dòng)化中，其監(jiān)控設(shè)備所搜集到的數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1　污水處理裝置

1.1工業(yè)噪聲以及處理過(guò)程中的不確定性

工業(yè)處理過(guò)程中，系統(tǒng)工作環(huán)境非常復(fù)雜，噪聲、磁以及電的干擾較強(qiáng)，此外，系統(tǒng)內(nèi)有不確定性存在，以至于數(shù)據(jù)容易受到污染，導(dǎo)致監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)失效或者丟失。

1.2動(dòng)態(tài)性與數(shù)據(jù)類(lèi)型的多樣性

污水處理，是屬于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，每個(gè)處理步驟或者處理設(shè)備都會(huì)對(duì)進(jìn)入流程內(nèi)的污水加以處理，中和、加入以及將某些物質(zhì)過(guò)濾后，污水的每個(gè)屬性參數(shù)所占的比例都會(huì)無(wú)時(shí)無(wú)刻發(fā)生變化，在監(jiān)控中將數(shù)據(jù)獲取，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行深入分析，能夠獲取預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)以及系統(tǒng)狀態(tài)變化趨勢(shì)的有利知識(shí)。此外，監(jiān)控設(shè)備所采集污水處理過(guò)程當(dāng)中，其所取得的數(shù)據(jù)類(lèi)型也是不統(tǒng)一的：例如邏輯型、數(shù)據(jù)型以及非數(shù)據(jù)型等。

1.3不統(tǒng)一性與多時(shí)標(biāo)性

在儲(chǔ)存污水處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的情況存在，通常對(duì)不相同的數(shù)據(jù)屬性使用信號(hào)所采集的頻率也不一樣，存儲(chǔ)時(shí)間無(wú)法同步存儲(chǔ)，以至于數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整性的情況。

1.4多模態(tài)性

污水處理過(guò)程無(wú)法長(zhǎng)期處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)有不同程度的異常設(shè)備故障出現(xiàn)。系統(tǒng)狀態(tài)變化的反應(yīng)可通過(guò)數(shù)據(jù)分析，由污水處理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，能夠挖掘出異常的工作狀態(tài)。除此之外，在污水處理中，數(shù)據(jù)挖掘一般要對(duì)部分質(zhì)量指標(biāo)如能耗、出水水質(zhì)以及環(huán)境影響等加以評(píng)價(jià)，加大了數(shù)據(jù)挖掘的整體難度。

2　在污水處理中數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用

因污水處理過(guò)程數(shù)據(jù)具有多種特點(diǎn)，所以，數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用會(huì)有很大的限制，從數(shù)據(jù)緣由分析，目前，取得污水處理過(guò)程的知識(shí)要依賴于運(yùn)用直接運(yùn)行過(guò)程所得出的數(shù)據(jù)加以辨識(shí)；利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能進(jìn)行了詳細(xì)的探究；這兩種方式都均為從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中尋找可利用的知識(shí)。同時(shí)，這也是數(shù)據(jù)挖掘以后要進(jìn)一步探討的內(nèi)容。而今，污水處理過(guò)程獲取知識(shí)的方式應(yīng)用主要分為預(yù)測(cè)模型以及異常診斷兩大類(lèi)。如圖2所示。

圖2　城市污水處理率

2.1污水處理過(guò)程中的異常檢測(cè)

污水處理這個(gè)過(guò)程非常的復(fù)雜，污水處理廠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不僅較為困難，還受很多環(huán)境因素的影響，加之水量波動(dòng)以及進(jìn)水水質(zhì)的隨機(jī)干擾也較大。活性污泥在處理過(guò)程當(dāng)中，有污泥上浮、污泥膨脹以及泡沫等現(xiàn)象等，這些故障不僅導(dǎo)致污水處理工藝的故障，還加大了污水處理的整體能耗，影響了污水處理的出水水質(zhì)。所以，怎樣對(duì)污水處理工藝過(guò)程的故障進(jìn)行診斷，是目前需進(jìn)一步探究的問(wèn)題。污水處理，一般處于正常狀態(tài)，而故障狀態(tài)對(duì)于個(gè)別性能來(lái)說(shuō)，正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)大于數(shù)據(jù)點(diǎn)的故障狀態(tài)，因此利用異常檢測(cè)的思想來(lái)識(shí)別異常值，根據(jù)異常檢測(cè)技術(shù)來(lái)收集異常數(shù)據(jù)信息，對(duì)異常檢測(cè)數(shù)據(jù)加以解釋?zhuān)_定好工藝處理的故障，及時(shí)的糾正并維護(hù)設(shè)備故障，進(jìn)而確保污水處理中出水的質(zhì)量，進(jìn)一步降低能耗。

2.2污水處理過(guò)程中的建模

模型結(jié)構(gòu)分為3種類(lèi)別，灰盒、白盒以及黑盒，從獲取污水處理過(guò)程知識(shí)的角度看，用到的主要是黑盒模型和灰盒模型，這是由于一旦對(duì)整個(gè)過(guò)程的各個(gè)細(xì)節(jié)和機(jī)理都了解的非常透徹，就無(wú)需再利用觀測(cè)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)。在創(chuàng)設(shè)黑盒及灰盒過(guò)程當(dāng)中，都需有模型參數(shù)的估量工作，待定的參數(shù)多則幾個(gè)，少則一個(gè)，其數(shù)目確定模型的整體結(jié)構(gòu)；待定參數(shù)的確定通常有統(tǒng)計(jì)回歸法、時(shí)間序列模型法以及人工智能法等。不管利用哪種方式估計(jì)參數(shù)，都確立在實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果以及數(shù)據(jù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上。

3　數(shù)據(jù)挖掘在污水處理異常檢測(cè)中應(yīng)用的現(xiàn)有方法

數(shù)據(jù)的挖掘在污水處理異常檢測(cè)當(dāng)中，其應(yīng)用的時(shí)間很長(zhǎng)，而這些都是以專(zhuān)家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，專(zhuān)家系統(tǒng)要求一定要具備豐富的污水處理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，近幾年，有部分研究人員開(kāi)始運(yùn)用異常數(shù)據(jù)點(diǎn)以及正常數(shù)據(jù)點(diǎn)獨(dú)有的特性，或是通過(guò)異常模型的建立，挖掘污水處理數(shù)據(jù)，目前，污水處理異常檢測(cè)的幾種方法和模型。

3.1采用基于統(tǒng)計(jì)方法的異常檢測(cè)

以統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)的異常檢測(cè)方法，該方法優(yōu)先將數(shù)據(jù)的每個(gè)屬性集做一個(gè)假設(shè)，研究其是否與正態(tài)分布相符合，接著確定好每個(gè)聚類(lèi)簇的中心，這也是檢測(cè)異常數(shù)據(jù)的中心問(wèn)題，最后是通過(guò)分布特性檢測(cè)異常數(shù)據(jù)。因污水處理數(shù)據(jù)集的各個(gè)屬性維并不都是完全滿足正態(tài)分布，所以，在實(shí)際應(yīng)用中假設(shè)符合分布還是有局限性存在。

3.2對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)

異常檢測(cè)過(guò)程采用聚類(lèi)-檢測(cè)兩個(gè)階段對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。該算法的重點(diǎn)是將數(shù)據(jù)聚類(lèi)所獲取的簇集合分成兩種，即“Small和Large”兩種類(lèi)型。Large簇指的是數(shù)據(jù)項(xiàng)比較多的某些簇，這些簇涵蓋了超過(guò)整個(gè)數(shù)據(jù)集中某個(gè)百分比的數(shù)據(jù)項(xiàng)，剩余的部分簇就是Small簇。對(duì)于不同的簇使用不同的局部異常因子計(jì)算公式。數(shù)據(jù)項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的LCF愈來(lái)愈大就說(shuō)明有可能是異常的數(shù)據(jù)，所以，該方式能夠根據(jù)用戶所規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是需要挑選出合適的對(duì)屬性進(jìn)行離散化處理。系統(tǒng)運(yùn)用正反向混合推理方式，并利用推理樹(shù)的形式把知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)組織形式向用戶公開(kāi)，進(jìn)而方便用戶使用以及維護(hù)系統(tǒng)。

4　結(jié)語(yǔ)

而今，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市的污水總量在逐步增加，使污水在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控處理時(shí)的難度進(jìn)一步增加，此外，在污水總量逐漸增加的情況下，帶來(lái)的污水處理數(shù)據(jù)的監(jiān)控屬性也不斷增加，同時(shí)，提高了污水?dāng)?shù)據(jù)的維度，讓運(yùn)用以往的挖掘技術(shù)算法面臨著非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而在今后，希望可以通過(guò)數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)而利用不同的數(shù)據(jù)挖掘方法；此外在污水處理的過(guò)程中，像污水量的預(yù)測(cè)模型等方面具有數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)存在很大的發(fā)展空間，同時(shí)也可以將污水處理做的更好。

[1]陶若.數(shù)據(jù)挖掘在銀行卡業(yè)務(wù)中的研究與應(yīng)用[D].南開(kāi)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006:8-20.

[2]李曉東.城市污水處理廠數(shù)據(jù)挖掘及相關(guān)技術(shù)研究[D].湖南大學(xué)博士學(xué)位論文,2007:17-18.

[3]夏姜虹.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的常用方法分析[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,33(S2):173-175.