王巖
（天津市市政工程設計研究院）

　　當前眾多污水處理廠的設計過程中，污水處理流程和主要指標的控制主要由工藝設計來完成，而影響到污水廠日后運行管理的自動化控制工程在這一階段往往更多地注重于硬件方面，許多成熟的或先進的自動化技術(shù)所提供的優(yōu)化控制方案常常被忽視。許多國外企業(yè)利用這些技術(shù)非常成功地解決了應用方面的問題。在污水處理領(lǐng)域，這些技術(shù)包括眾所周知的PID調(diào)節(jié)、正在為人們所熟悉的模糊邏輯控制，另外，一種更為新穎的技術(shù)--神經(jīng)網(wǎng)絡--也表現(xiàn)出相當好的前景。這些以理論為基礎的應用技術(shù)可大幅度地優(yōu)化控制系統(tǒng)。
　　許多資料表明，諸如模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡等理論在解決各種過程控制方面的技術(shù)問題時取得了相當大的成功，如果用常規(guī)的方法來處理這些非線性或“黑箱”問題的話，要么是無從解決，要么是非常復雜且耗資巨大。從發(fā)展的角度看，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡在污水處理領(lǐng)域中應用前景會逐漸廣闊。
　　下面從控制理論上簡要介紹模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡的原理。

1　模糊邏輯

　　控制工程是模糊邏輯的一個主要應用領(lǐng)域。首先應說明的一點是，模糊并不意味著所獲得的結(jié)果是模糊、不精確或甚至是完全不準確的。但是，它也不同于二進制邏輯，僅能區(qū)分真假（1、0）兩種狀態(tài)，模糊邏輯理論具有描述不精確狀態(tài)的語句，這些語句由特定的生產(chǎn)工藝和控制方法在獲得的實踐經(jīng)驗基礎上以“規(guī)則”的形式引入，這樣的控制由模糊控制器來完成。模糊控制器由三個功能模塊組成：模糊化單元、模糊推理單元和去模糊化單元。

　　

　　將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊變量的過程稱為模糊化，這個轉(zhuǎn)換過程是在所謂“成員功能單元”的幫助下進行的?！俺蓡T功能單元”表明如何將許多如很低、低、最優(yōu)、高或很高之類的術(shù)語（也稱作“語言”變量）準確地與某一特定值相對應。例如：曝氣池溶解氧反饋值可取NB、NS、ZR、PS、PB五個值，對應著很低、低、優(yōu)、高、很高。
　　有時也會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，例如：右圖的曝氣池溶解氧濃度為2.2mg/l，這個值既為低值又為最優(yōu)值，而：“最優(yōu)”推斷值比“低”推斷值（μ=0.3）更接近于真值（μ=0.7）。因此在這種情況下，就不存在語句必須是真（μ=1）或假（μ=0）的基本規(guī)則，這就意味著克服了二進制邏輯固定限量的弊端。
　　控制單元由專家和控制操作人員所積累的實踐經(jīng)驗組成，這些經(jīng)驗以簡單的“規(guī)則”形式表示，如直接作用于過程操作的“IF-THEN"語句。例如曝氣池根據(jù)溶解氧含量控制鼓風量的判斷方法：“IF溶解氧濃度很高，THEN空氣管路風量快速減”。這樣一來，控制單元就將輸入變量同受控變量聯(lián)系了起來，該過程稱為“推理”?！巴评怼钡姆椒ㄓ凶畲笾?-最小值法、最大點積法等?！巴评怼背龖迷谄貧饬靠刂仆?，還可以應用于回流污泥控制和泵房水位控制、格柵控制等。
　　由于受控變量通常都是許多規(guī)則的結(jié)果，因此有必要總結(jié)各自的適用范圍，該過程稱為“合成”。
　　去模糊是將模糊形式確定的受控變量變回數(shù)量值的轉(zhuǎn)換過程，這對操作和控制某種執(zhí)行器來說是很有必要的。
　　模糊邏輯技術(shù)的應用已經(jīng)成熟，許多工業(yè)控制軟件含有這些功能，有些產(chǎn)品還具有專門的模糊控制模塊，如果在工程設計階段把該領(lǐng)域已經(jīng)取得的“經(jīng)驗策略”通過軟件的設計應用到該工程上，無疑會使控制系統(tǒng)變得更“聰明”。

2　神經(jīng)網(wǎng)絡

　　神經(jīng)網(wǎng)絡工作方式如同人的大腦。從信息處理這點來看，每個神經(jīng)元性能如同一個簡單的處理器。首先，累加加權(quán)輸入量，然后，經(jīng)轉(zhuǎn)換功能模塊T得出輸出值，輸出一般是非線性的，存貯于神經(jīng)元中。接下來，該值再作為下一級神經(jīng)元的輸入值。將許多神經(jīng)元連接到網(wǎng)絡上即可建造一些非常復雜的結(jié)構(gòu)。同級的神經(jīng)元可以合并起來構(gòu)成功能層。
　　一般都使用3層神經(jīng)網(wǎng)絡。圖中帶3個輸入和2個輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元的輸入信號經(jīng)加權(quán)、累加，然后進入通用的非線性轉(zhuǎn)換功能單元T中。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡開始工作前，加權(quán)連接必須經(jīng)“訓練”后建立，為此，網(wǎng)絡中應存入輸入和輸出數(shù)據(jù)。在“訓練”階段，網(wǎng)絡在輸入和輸出之間完成“學習”功能。在調(diào)用階段，網(wǎng)絡的輸出即可作為結(jié)果使用。
　　由于其操作模式具有自然性，神經(jīng)網(wǎng)絡現(xiàn)在可以完成以前常規(guī)方法所不能完成的任務。
　　下面的例子表明如何運用神經(jīng)網(wǎng)絡模擬雖重要但卻不能在線測量的參數(shù)，如污水中的COD。COD是生物污水控制工程中需連續(xù)測量的、最重要的污染參數(shù)之一。為了獲得穩(wěn)定的水質(zhì)控制，在工藝流程的重要環(huán)節(jié)采取措施是相當重要的。盡管實驗室分析儀器的使用已非常方便，但是，設計人員還不能提供COD的在線測量。難點并不在分析技術(shù)的本身，而是難在采樣上，這也是以前沒有有效的、從水體中獲取信息的控制方案的原因。
　　在這里必須引入“軟傳感器”的概念。當一個特殊物理參數(shù)不能直接測量，而必須通過許多可直接測量的變量進行計算得到時，可使用軟傳感器?？芍苯訙y量的變量通過硬傳感器（如溶解氧探頭、濃度計探頭等）進行測量，然后將它們輸入軟傳感器中，軟傳感器使用計算機語言，應用特殊算法計算出所需特殊物理參數(shù)的實際值。
　　“神經(jīng)軟傳感器”在解決測量問題中起了如“軟傳感器”的作用，因其以實際污水的原始數(shù)據(jù)（包括PH值和導電率）為基準，能夠相當精確地測出污水中COD的含量，而且是在線檢測。象COD這樣的測量結(jié)果可用來優(yōu)化控制過程和操作程序。
　　目前，神經(jīng)網(wǎng)絡理論在我國的高等院校和一些行業(yè)已經(jīng)被接受，并在許多科研課題當中以多種形式運用，但是對于污水處理領(lǐng)域的技術(shù)應用還不多見，只有少數(shù)發(fā)達國家開始使用。