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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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