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申请/专利权人:宁波大学科学技术学院
摘要:本发明公开一种基于KPLSR模型的污水处理出水总氮浓度软测量方法,首先通过差分进化算法优化求解近邻成分分析的目标函数,从而实施不依赖于经验的辅助变量选择;其次,本发明方法通过融合利用不同核函数的KPLSR模型,来避免KPLSR模型核函数的选择问题;最后,利用选择的辅助变量实施基于KPLSR模型的出水总氮浓度实时软测量。本发明方法的最大优势在于:不依赖于污水处理过程的机理知识以及技术人员的主观经验,直接通过数据驱动的角度实现了特征变量的优选。此外,充分利用三类经典的核函数,分别建立三个不同的KPLSR模型,并进一步通过最小二乘回归将三个不同KPLSR模型的输出进行合并,保证了软测量结果的精度。
主权项:1.一种基于KPLSR模型的污水处理出水总氮浓度软测量方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:确定污水处理厂每天测量的变量;其中,污水处理厂入水处测量的变量依次包括:入水流量,入水温度,入水色度,入水氯离子浓度,入水悬浮物固体浓度,入水PH值;曝气池中测量的变量依次包括:投料量,污水色度,污水悬浮物固体浓度,污水PH值,污水氯离子浓度,生化需氧量;沉淀池中测量的变量依次是:污水色度,污水悬浮物固体浓度,污水PH值,污水氯离子浓度,污泥量;污水处理厂出水处测量的变量具体包括:出水色度,出水PH值,出水悬浮物固体浓度,和出水总氮浓度;步骤2:连续采集n天的数据,并将每天的数据存储为一个m×1维的数据向量xi;其中,第i天的数据向量xi中的元素是按照步骤1中所述变量的先后顺序排列,m等于步骤1中测量的变量总数,i∈{1,2,...,n};步骤3:将n天的数据向量x1,x2,…,xn组建成一个数据矩阵X=[x1,x2,…,xn]T后,对X∈Rn×m中的各个列向量分别实施标准化处理,得到标准化后的数据矩阵并将X中第m列的列向量的均值与标准差分别记录为μ与σ;其中,上标号T表示矩阵或向量的转置,Rn×m表示n×m维的实数矩阵,R表示实数集;步骤4:将中第1列至第m-1列的列向量组建成输入矩阵将中第m列的列向量记录为输出向量再根据如下所示步骤4.1至步骤4.6确定出辅助变量的选择向量v∈R1×m-1;步骤4.1:初始化迭代次数g=1,确定差分进化优化算法的参数,具体包括:种群个数N,缩放因子zf,交叉概率cp,最大迭代次数G;步骤4.2:随机产生N个m-1×1维的种群向量w1,w2,…,wN,每个种群向量中的元素都按照均匀分布随机取值于区间[-1,1];步骤4.3:计算种群向量w1,w2,...,wN分别对应的目标函数值F1,F2,...,FN;步骤4.4:将F1,F2,…,FN中的最大值及其对应的种群向量分别记录为Fbest和wbest后,执行差分进化算法的种群更新操作,得到更新后的N个种群向量w1,w2,…,wN;步骤4.5:判断是否满足条件g>G;若否,则设置g=g+1后返回步骤4.3;若是,则得到最优的种群向量wbest;步骤4.6:按照如下所示公式确定出选择向量v∈R1×m-1中的各个元素: 上式中,vk和wbestk分别表示v和wbest中的第k个元素,η为阈值;步骤5:根据选择向量v中等于1的元素所在的列,对应的将中相同列的列向量组建成输入矩阵Z;步骤6:分别根据如下所示的三个核函数G1ε1,ε2,G2ε1,ε2,和G3ε1,ε2,建立三个不同的KPLSR模型后,计算得到输出估计向量具体的实施过程如步骤6.1至步骤6.6所示; 其中,ε1和ε2表示核函数的两个输入行向量,α和β为核函数的参数;步骤6.1:根据公式Kdi,j=Gdzi,zj计算核矩阵Kd∈Rn×n中的第i行第j列元素Kdi,j;其中,d∈{1,2,3},zi和zj分别表示输入矩阵Z中的第i行和第j行的行向量;步骤6.2:根据如下所示公式对核矩阵K1,K2,K3进行中心化处理,对应得到中心化处理后的核矩阵 其中,方阵Θ∈Rn×n中所有元素都等于1;步骤6.3:依次设置d=1,2和3,并执行如下所示步骤6.3-1至步骤6.3-4,从而得到KPLSR模型的核回归系数向量θ1,θ2,θ3;步骤6.4:根据公式计算KPLSR模型的输出估计向量后,再将其合并成一个输出估计矩阵步骤7:根据公式计算回归系数向量θo后,即完成出水总氮软测量模型的离线建模阶段;步骤8:采集污水处理厂新一天的m-1个测量数据,并将其存储为一个1×m-1维的数据向量xt;其中,数据向量xt中的元素按照步骤1中所述的前m-1个变量的先后顺序依次排列,下标号t表示最新的一天;步骤9:对数据向量xt中各列的元素实施与步骤3中相同的标准化处理,得到标准化后的数据向量步骤10:利用步骤4中辅助变量的选择向量v∈R1×m-1,根据v中等于1的元素所在的列,对应的将xt中相同列的元素组成输入向量zt;步骤11:根据公式kdi=Gdzt,zi计算核向量kd∈R1×n中的第i个元素kdi,重复本步骤直至得到三个核向量k1,k2,k3;步骤12:根据如下所示步骤12.1至步骤12.3计算得到出水总氮浓度的软测量值yt;步骤12.1:根据如下所示公式分别对k1,k2,k3实施中心化处理,对应得到 其中,φ∈R1×n中所有元素都等于1;步骤12.2:根据公式计算得到估计值后,再根据计算出输出估计值其中,θo表示所述步骤7中计算的回归系数向量;步骤12.3:根据公式计算得到出水总氮浓度的软测量值yt,再返回步骤7继续实施对新一天的出水总氮浓度的软测量。
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