A~2O污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现

化工自动化及仪表　第３８卷　

Ａ２　Ｏ污水处理工艺过程　

故障诊断专家系统的设计与实现　

王　磊　刘载文　杨　斌　许继平’　王小艺　安晓东　

（１北京工商大学计算机与信息工程学院，北京１０００４８；２．北京金控自动化技术有限公司，北京１０００４８；　３．山西恒泰创新技术有限公司，太原０３０００６）　

摘　要提出一种基于故障树模型的Ａ　Ｏ污水处理工艺过程智能故障诊断专家系统，可以根据故障信　息判断故障的类型和引起故障的原因，并给出适当的处理措施，最终提高了污水处理效率。　关键词　Ａ　０污水处理　专家系统故障诊断　故障树　

中图分类号ＴＰ１８２　文献标识码　Ａ　文章编号　１０００—３９３２（２０１　１）１０－１　１９８—０３　

城市生活污水处理是保护环境的一项重要措　

施。城市污水处理厂实际运行过程中经常会遇到　

各种故障问题，这些故障将会导致处理效果不佳、　

运行成本增加及环境污染等问题的出现。开发一　

套用于城市污水处理过程的智能故障诊断专家系　

统，对于提高污水处理厂运营效率，降低运行成　

本，减小环境污染十分必要。对于污水处理过程　

故障诊断专家系统国内外已经做了大量研究工　

作。Ｂａｒｎｅｔｔ　Ｍ　Ｗ建立了一个基于规则的专家系　

统，用于污泥厌氧消化的故障诊断…。Ｃｏｍａｓ　Ｊ　

等通过集成在线、离线和启发式知识，研究开发了　

用于诊断和解决活性污泥解絮问题的专家系　

统　。Ｐｕｎａｌ　Ａ等采用专家系统对厌氧污水处理　

厂的运行进行了管理和诊断　。国内专家施汉昌　

和王玉珏开发了用于诊断城市污水处理厂１３常运　

行故障的专家系统　，系统采用了正反向混合推　

理机制，并以故障树的形式将知识库中的知识组　

织形式向用户公开，便于用户使用和对系统维护。　

柯细勇等开发的城市污水处理厂运行决策支持系　

统包含专家系统、模拟系统和培训系统３个部　

分　，处理来自纤维厂高度污染的废水，底部为升　

流式污泥床（ＵＡＳＢ），顶部为升流式厌氧滤池　

（ＵＡＦ）。　

针对城市污水处理（Ａ　０污水处理工艺）过　

程中容易发生如污泥膨胀、污泥解体等故障，提出　

一种故障树智能诊断系统，可分析污水处理过程　

中存在的不同故障原因，并提供适当的处理措施，　

具有分析问题及提出建议等功能。　１　Ａ　Ｏ法污水处理原理　

Ａ　０（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ—Ａｎｏｘｉｃ—Ｏｘｉｃ）污水处理工艺　

是城市污水处理领域中目前广泛使用的技术之　

一，其产生于上世纪７Ｏ年代，由美国的一些专家　

在ＡＯ法脱氮工艺基础上开发，具体的工艺流程　

如图１所示。　

内循环　

图１　Ａ　０污水处理工艺流程　

污水与从沉淀池排出的含磷回流污泥同步进　

入厌氧反应器完成释放磷和有机物氨化反应；缺　

氧反应器的功能是完成脱氮过程，硝态氮是通过　

内循环由好氧反应器送至缺氧反应器，并去除　

ＢＯＤ；硝化和吸收磷等均在好氧反应器（曝气池）　

中进行；沉淀池中进行泥水分离，污泥一部分回流　

至厌氧反应器，上清液作为处理水排放。　

２　Ａ　Ｏ污水处理工艺过程故障诊断专家系统设　

计　

２．１　专家系统设计原理　

专家系统一般由知识库、推理机、数据库、解　

释机、知识获取机及用户界面等几部分组成，污水　

处理故障诊断专家系统结构如图２所示。　

收稿日期：２０１１－０４－２３　基金项目：北京市自然科学基金（４１１２０１７）；山西省科技攻关　计划项目（２０１００３２１０２２）；２０１０年北京工商大学研究生创新　

基金　第１Ｏ期　王　磊等．Ａ　０污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现　

污水处理专家ｌｆ　Ｉ＿ｆ＝Ｊ户　人机交互界面　

知识获取机构ｌ　ｌ觎释机构　

规　树　卜＋匝　

图２　污水处理故障诊断专家系统结构示意图　

２．１．１　知识库　

知识库由规则和故障树组成。故障树分析是　

一种稳定可靠的分析技术，是目前故障诊断中应　

用最多的方法之一，它建立在对系统的故障经验　

库的基础之上，将系统级的故障现象（根节点）与　

最基本的故障原因（结论）之间的内在关系表示　

成树形的网络图。。　。生成故障树则是为了使用户　

能够更加直观、系统地浏览和了解故障诊断的知　

识，并提高故障诊断的效率。故障树的根节点对　

应于专家系统要分析解决的任务，故障树由上到　

下的逻辑关系对应于专家系统的推理过程　，故　

障树的树枝对应于专家系统中知识库中的规则，　

其树枝数对应于规则的规则数，知识库的获取来　

源于故障树。　

２．１．２推理机　

推理机是专家系统的核心。推理就是根据用　

户所观测到的故障现象和辅助信息，根据故障树　

节点间的逻辑关系，并按照一定的推理策略逐步　

求解问题。利用根节点作为推理的起始点，利用　

子节点进行假设排除，最终确定故障原因。每棵　

Ｙ　正常　Ｙ　树的节点对应一个故障现象或辅助信息，非节点　

对应一种故障结论或解决方案。　

２．１．３数据库　

数据库用于存放用户提供的初始事实、故障　

现象和系统运行过程中得到的中间结果、最终结　

果、运行信息，以及污水处理过程中各种检测仪表　

的数据和各种化验结果。　

２．１．４人机接口　

人机接口是故障诊断系统与污水处理领域专　

家和用户之间进行信息交换的界面，由一组程序　

和相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。领　

域专家通过它输入知识，更新、完善知识库；用户　

通过它输入故障信息向系统提出询问，系统通过　

它输出运行结果，或者向用户索取进一步的故障　

现象，最后输出故障原因和相应的解决方案。　

２．２故障诊断专家系统在Ａ　０污水处理工艺过　

程中的实现　

故障诊断专家系统运行时，首先获取根节点　

故障现象，通过这些故障现象搜索出相关的故障　

树，进行推理。推理过程是从故障树根节点开始　

计算每条规则是否满足，计算的方法是分析规则　

表达式，从而获得下一个起始子节点，依次进行每　

一层次的运算直到不能再运算为止。最后分析运　

算的结果，得到诊断的结论信息。　

图３是Ａ　Ｏ污水处理过程中的污泥膨胀故　

障树。下面以Ａ　０污水处理工艺过程中发生的　

污泥膨胀现象为例进行说明。在曝气池的沉降区　

镜检确定Ｌ　微生物种类Ｉ’　

高¨Ｍ　Ｉｌ低　Ｍ　ｌｌ　较低Ｉｌ　Ｈ较低Ｉｌ粪　麦笺ｌｌ　囊襄奋ｌｌ鬈　ｌｌ其它原因　

ｌ　泥ｌ　泥ｌ　降低曝气ｌ　奁　嚣ｌＩ　池ｌＩ囊　ｌＩ荔囊裹　¨莲　Ｊ＜　￣　Ｊａ　ｌ　装鎏　

图３　污泥膨胀故障树　

（下转第１２５０页）　ｚｙＩ

　１２５０　化工自动化及仪表　第３８卷　

ｒｅｗｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ＰＬＣ　ｗａｓ　ａｔｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｈａｖｉｎｇ　Ｓ７．３００ＰＬＣ，Ｇ１２０　ａｎｄ　ＭＰ２７７　ａｎｄ　Ｐｒｏｆｉｎｅｔ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　

ｂａｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｖｓｔｅｍ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＳＴＥＰ７；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｖｅｒ　ｌｏｗｅｒ　ｒｏｌｌｓ，ｔｈｅ　ｒｅｅ－　

ｌｉｎｇ－ｏｆｆ　ｔｅｎｓｉ０ｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄ　ｒｏｌｌｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　４２００／２０００　

ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｗｉｎｄｅｒ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｒｅｗｉｎｄｅｒ．Ｓ７．３００　ＰＬＣ，ｌｏａｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｒｏｌｌｓ，ｒｅｅｌｉｎｇ—ｏｆｆ　ｔｅｎｓｉｏｎ，ｆｅｅｄ　ｒｏｌｌｅｒ　ｐｒｅｓ—　

ｓｕｒｅ，ＰＲＯＦＩＮＥＴ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　

（上接第１１９９页）　

有时会出现污泥膨胀现象。膨胀了的污泥结构松　

散、沉降性能差，造成污泥上升而随水流失。这样　

不仅影响出水水质，而且由于污泥大量流失，使曝　

汽池中混合液浓度不断降低，严重时甚至破坏整　

个生化处理过程。　

从图３可以看出，在污水处理过程中，只有当　

系统获得ＳＶＩ（污泥体积指数）值偏高时，才会进　

行污泥膨胀故障树的相关推理。图中的箭头表示　

诊断过程的推理关系，得到ＳＶＩ值偏高的信息后，　

系统判断丝状菌数量是否偏多，以此类推，直至不　

能再运算，根据运算结果，得出故障原因，并给出　

相应解决方案。　

３　结束语　

以Ａ　Ｏ污水处理工艺过程的智能故障诊断　

为主要内容，研究并实现了基于故障树形式的污　

水处理过程智能故障诊断专家系统。该系统能够　

在给定事实前提下，经过推理得到故障原因，并给　

出相对应的解决方案，对污水处理厂工作人员提　

供帮助与指导。但对于不同工艺流程的污水处理　

厂，会存在一些具体问题，随着人工智能新技术的　

不断发展，故障诊断方式会向更高层的智能化方　

向发展。　参　考　文　献　

［１］　Ｂａｒｎｅｔｔ　Ｍ　Ｗ．Ｅｘｐｅｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉ—　

ｎｅｅｒｉｎｇ，１９９２，１１８（６）：９４９～９６３．　

［２］　Ｃｏｍａｓ　Ｊ，Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ　Ｊ，Ｓａｎｃｇｅｚｍａｒｒｅ　Ｍ　ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｋｎｏｗｌ—　

ｅｄｇｅ—ｂａｓｅｄ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｄｅｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｂｌｅｍ：　

Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　Ｏｎ—ｌｉｎｅ，Ｏｆｆ－ｌｉｎｅ，ａｎｄ　Ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　

［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３，３７（１０）：２３７７～２３８７．　

［３］Ｐｕｎａｌ　Ａ，Ｒｏｃａ　Ｅ，Ｌｅｍａ　Ｊ　Ｍ．Ａｎ　Ｅｘｐｅｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｏ—　

ｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　Ｔｒｅａｔ—　

ｍｅｎｔ　Ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００２，３６（１０）：２６５６　

～２６６６．　

［４］　施汉昌，王玉珏．污水处理厂故障诊断专家系统　

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［５］　柯细勇，施汉昌，王玉珏．运行决策支持系统在城市　

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［７］　魏士杰．模糊故障树分析法在深孔镀铬控制系统中　

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５４．　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｆａｕｌｔ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　

Ｅｘｐｅｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ａ　０　Ｓｅｗａｇｅ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ　，ＬＩＵ　Ｚａｉ—ｗｅｎ　，ＹＡＮＧ　Ｂｉｎ。，ＸＵ　ｊｉ—ｐｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｙｉ　，ＡＮ　Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅ￣ｉｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅ￣ｉｉｎｇ　ＫＩＮＧＴＲＯＬ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４８，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｓｈａｎｘｉ　Ｈｅｎｇｔａｉ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ａ　ｆａｕｌｔ　ｔｒｅｅ　ｍｏｄｅｌ，ａｎ　ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｉｎ　Ａ　Ｏ　ｓｅｗａｇｅ　ｔｒｅａｔ—