专家系统在污水处理工艺选择中的应用现状和发展

张丽丽，徐 俊，强 璐，廖文俊

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)

随着信息化技术的发展，人工智能理论已在水处理规划、设计和运行管理中发挥越来越重要的作用。专家系统 (Expert System简称ES)是人工智能的一个分支，可以帮助用户利用计算机软件解决具体问题。从20世纪70年代开始，各国学者探索将专家系统应用于污水处理领域，解决污水处理工艺选择［1，2］、污水处理系统的过程评价［3］、自动控制［4，5］和故障诊断［6，7］等问题。经过几十年的发展，专家系统已取得不少进展，也显示出了良好的应用前景。本文主要介绍了污水处理工艺选择的特点、专家系统在污水处理工艺选择中的应用现状以及未来污水处理工艺选择专家系统的发展趋势。

1 传统污水处理工艺选择的特点

污水处理工艺是污水处理厂建设中最重要的环节之一，对污水处理厂的运营具有重要影响。污水处理工艺流程 (方案)的选择一般根据污水处理程度和污水处理厂规模来确定，然后通过全面的技术经济比较来确定最适的工艺流程和设计参数。其基本原则是在保证处理效果、运行稳定、满足污水处理要求的前提下，使基建造价和运行费用最低化，运行管理简单化，同时要求具有较好的卫生、安全等环境条件。然而传统的污水处理工艺选择主要由负责项目的设计人员来确定，存在诸多问题。主要包括以下3方面内容。

1.1 主观性大

传统的污水处理工艺选择一般由设计人员根据经验或者直觉判断，拟定有限的、能满足处理要求和污水厂规模的备选方案，然后通过经济指标核算选出成本最低的方案，即为最优方案。但是，由于工程设计人员对工艺有个人的倾向和爱好，先入为主，导致主观性较大，而且每个设计单位也存在工艺选择的倾向性，往往选择本单位较为擅长的，最终导致工艺选择不够科学。另外，在实际工艺选择中，还常常会出现工程项目工期要求非常紧、设计人员在规定期限内难以完成的情况。设计人员为按期完成，会套用之前做过的类似规模和水质的工程项目，而没有考虑该项目自身的实际情况，造成工艺方案选择的不科学。

1.2 多目标决策难

长期以来，成本效益分析［8］(即费用最小且收益最大)是工程领域常用的决策手段，但这种决策思想用于污水处理工艺选择上往往忽视了资源价值、环境影响、社会价值等方面，导致污水处理中有些污染物不能彻底去除或者污染物转移造成新的污染等。近年来，部分研究者提出环境影响小［9］、资源消耗低的工艺即为最优工艺。也有些研究者认为社会因素是城镇污水处理工艺选择决策的重要因素之一［10］。其实，在污水处理工艺选择过程中应该统筹考虑经济成本、环境影响、社会因素等。

污水处理工艺的选择属于多目标、多因素的复杂决策问题，而在设计人员根据经验或者直觉决策过程中，往往会忽视一些因素，造成片面的决策，致使选择结果难以被接受。因此，采用一些辅助决策方法往往会比单纯人为决策更加全面、准确。

1.3 污水处理工艺发展快

随着科研人员对污水处理工艺的研发，新的污水处理工艺不断发展，同时不同工艺间组合而成的新工艺也不断增多［11］，这给传统的污水处理工艺选择增加了难度，因为工程师个人的知识面总会有局限，而且常用的工艺流程选择规则可能对新工艺新技术并不适用。因此，Hidalgo等［12］认为应该采用集成方法来决策，包括集成专家知识，借助数学模型、数据分析工具、生命周期评价方法、环境效益分析方法等等，来科学的地确定污水处理工艺流程。

2 专家系统的特征和发展

2.1 专家系统的构成和特征

专家系统一般由知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释机和知识获取机6部分组成，其结构如图1所示［13］。知识库和推理机是专家系统的核心组成:知识库则是规则的集合，用以存取本领域专家提供的规则和知识;推理机是负责执行问题的求解过程，包括规则的查询和执行规则的确定。

图1 专家系统结构［13］Fig.1 Structure of expert system

专家系统由于拥有数千条启发式规则，能系统客观地考虑所有可能性选择，能实现多目标决策，因而在本领域应用时能得出最优的选择、客观的结论。但是目前专家系统往往限制在定义好的任务之上，局限于利用最初定义好的专门事实和启发性知识，不能进行类比推理。因此，专家系统的应用一旦超出了事先定义好的范围，其性能会迅速丧失。

专家系统能高效处理事先定义好的内容，主要因为专家系统具有并行与分布式处理、多系统协同工作两个主要特征。并行与分布式处理可以把专家系统的功能分解到多个处理器上并行工作，提高系统的处理效率;多系统协同工作是指利用若干个子专家系统，相互协同处理，共同解决一个问题。专家系统的远期目标是利用计算机程序来模拟人类的思维过程，形成更加符合人类思维模式的软件系统，同时集成更加广泛的知识库和数据库，得到最全面、最优的决策结果。

2.2 专家系统的发展

20世纪60年代，Stanford大学Feigenbaum教授研制出了根据化合物的分子式及其质谱数据推断分子结构的计算机程序DENDRAL［14］，这是世界上第一个专家系统。之后，专家系统在医疗、矿藏勘测等领域开始获得发展，尤其是在医疗领域，出现了如MYCIN的专家系统，用于诊断和治疗感染性疾病。20世纪80年代以来，专家系统发展迅速，由基于规则的专家系统［15］发展到基于案例的专家系统［16］，再发展到基于神经网络模型的专家系统［17］。在技术上，开始应用面向对象的编程、计算机网络技术等。

随着专家系统理论和技术的日趋成熟，各个领域的专家都已开始深入研究专家系统在本领域的应用。污水处理作为环境领域最重要的分支之一，对社会、环境都有着重要影响，因此专家系统在污水处理中的应用和发展显得至关重要。

3 专家系统在污水处理工艺选择中的应用现状和发展

3.1 国外专家系统的应用现状和发展

专家系统在污水处理工艺选择中的应用最早是在美国。Rossman［1］于1980年提出使用数学模型来设计污水处理厂。最初的模型只涉及了传统的处理过程和常规的设计参数，但为专家系统在污水处理领域的应用和发展奠定了一定的基础。1983年美国环境保护局开发了CAPDET系统分析模型［18］。该系统分析模型可以从多种污水处理工艺中选择出较优的工艺，但该模型只涉及了传统的过程参数。Gall和Partry较早提出将专家系统应用于污水处理厂的设计。之后 Krovvidy［19］将归纳学习和基于案例的推理方法引入到污水厂的工艺设计中，建立了一个基于费用函数的专家系统，用于污水处理流程的选择。Yang等［20］认为之前的研究都没有列出工艺选择的目标，他提出建立一个初步的模糊集，用来表达技术的处理效率和建设成本。该专家系统采用了Krovvidy提出的技术与经济综合分析的方法，其实施概念如图2所示。初步筛选过程是指用户输入进出水数据，系统调用相关的处理效率规则，输出能达到每种污染物去除效果的一系列技术。综合分析过程包括可行性分析和技术详述，首先分析初步筛选得出的一系列技术的处理效率和建设成本，然后用户对处理效率和建设成本进行评价，根据评价结果系统选出一个最合适的技术。通过建立模糊集的方法可以帮助用户选择一个合适的污水处理方案，同时给予用户一定的灵活性确定优先权。

图2 专家系统的实施概念［20］Fig.2 Concept of expert system implementation

由于污水处理工艺的选择是多目标的决策，Kalbar等［21，22］根据这一特点，提出了优劣解距离法 (TOPSIS)［21］和层次分析法 (AHP)［22］。优劣解距离法是一种逼近于理想解的多目标决策方法。这种方法使用数学公式计算距离来定量和比较不同的方案，若有一个方案最接近理想解，远离负理想解，则该方案是备选方案中最好的。Kalbar确定了7个标准，分为12个指标，分别对这些指标赋予不同的权重值，用来评估所有方案，结果表明不同情况下能选出的最优方案与实际基本相符。例如，在城市中建污水处理厂，土地资源紧张，出水直接排放到地表水中，用优劣解距离法决策最适合的工艺为传统活性污泥法，这与实际情况相符。因为采用传统活性污泥法所需的占地较小，且处理效果能满足地表水的排放要求。层次分析法是另一种常用的多目标决策方法。Kalbar研究了群体决策层次分析法在污水处理工艺选取中的应用，流程如图3所示。他将12个指标分为5个定量指标和7个定性指标，定量指标由公式计算得出每个指标的相对分数，定性指标由专家群体决策，再进行整合估算得出。将定量定性指标整合得到总的指标权重，再将具体情况下不同的条件要求矩阵与指标权重矩阵相乘即可得到每个方案的得分，将得分进行排序，得出最适合的方案。

Pophali等［23］利用专家系统进行制革废水处理工艺优选时，采用灰色关联度分析 (GRA)与层次分析法相结合的方法来实现多目标决策。他考虑的层次标准主要基于经济、技术和管理3方面。经济指标主要包括投资成本、运行成本、占地面积、能源消耗等;技术指标主要包括氮磷污染物的去除效率、污泥产量;管理指标主要指工艺操作的稳定性、技术成熟度、与法律法规的符合性、安全风险、环境影响和公众意识。Pophali指出对于市政污水处理厂，这个层次系统可根据实际情况修改。该研究中用到的指标数据均来自于实际的制革废水工程，通过该专家系统决策后的结果与实际基本相符。

图3 群体决策层次分析法流程［22］Fig.3 Flow chart of group decision analytic hierarchy process

3.2 国内专家系统的应用现状和发展

国内专家系统在水处理工艺选择领域的应用起步较晚。申石泉等［24］结合水处理领域的专家经验与人工智能原理，建立了城市生活污水处理流程选择的专家系统 (WWDES)。该专家系统采用模块化结构，分别建立知识库管理系统与推理机，便于系统维护和功能扩充。推理机主要利用产生式规则，表达多名专家的经验知识，实现推理。而在流程选择时主要考虑了经济指标、技术性能指标、资源消耗指标、操作性能指标和社会环境影响，利用实例进行检验，系统所推出的结果基本合理。该研究探讨了专家系统在污水处理流程选择中应用的可行性，但还只是建立了系统的整体框架，没有完成知识收集整理和对系统的维护，还没有建立完善的污水处理流程选择专家系统。韦鹤平等［25］开发了TESDWT专家系统用来为城市污水处理工程设计部门提供设计咨询和决策，根据用户提供的原始信息(包括设计水质水量、地形地质、工程造价及单体构筑物的要求)对污水处理工艺流程进行选择，并根据所选的类型，确定单体构筑物的工艺设计。但在构建TESDWT专家系统的过程中，发现专家知识获取、专家经验录入以及问题目标确定仍是专家系统应用于污水处理工艺选择中的瓶颈。

唐然［8］研究了如何全面、科学、客观地对城镇污水处理工艺进行优选决策。主要研究了逼近理想解法、灰色关联法、模糊数学法、模糊-灰色关联法4种方法的决策模型，并将其应用于三峡库区某城镇污水厂的工艺优选决策中，其备选工艺包括曝气生物滤池 (BAF)、间歇性活性污泥法 (SBR)和Orbal氧化沟法。研究结果表明，4种模型决策结果相一致，曝气生物滤池为最优方案，间歇性活性污泥法次之，Orbal氧化沟再次之。唐然认为由于污水处理工艺优选同时具有模糊性和灰色性，模糊-灰色关联法同时考虑了灰色性和模糊性，且运算量比其它几种方法都要小，因此更适用于实际应用。绳珍［26］建立了一套污水处理工艺比选与计算系统，用计算机软件来实现工程设计人员对污水处理工艺的计算和比选。首先建立了污水处理工艺比选指标体系，包括项目投资、运行费用、占地面积、氮磷去除效果、污泥处理效果、工艺成熟性、运行稳定性、操作难易程度等，然后根据设计手册的设计参数，用计算机实现对污水处理构筑物的计算，通过采用层次分析法计算各层次指标权重，然后建立模糊灰色耦合模型，运用模糊-灰色关联法进行分析，得出最优结果。吴育华等［27］在海口长流污水厂工艺方案选择中确定了污水处理效果、投资运行费用、运转管理难易、工艺成熟度以及对环境的影响等指标，主要通过专家打分的方式确定了沉淀法、生物吸附法、A/B法3个方案的各指标得分及权重，利用层次分析法对3个方案进行了分析评判和选择，得出3个方案的评价排序依次为生物吸附法、A/B法、沉淀法。黄绍娃等［28］利用模糊综合评价的方法从技术、经济、环境方面对备选工艺进行优选。备选工艺包括常规活性污泥法、A/O法、A2/O法、氧化沟法、CAST工艺、A/B法。技术、经济、环境因素分别确定了隶属函数，每种工艺的隶属度由计算得出。技术、经济因素的权重由排序法确定，环境因素的权重主要根据专家评议出各指标的重要性来确定。综合隶属度与权重，得出常规活性污泥法为最优选工艺。

3 总结与展望

由于传统的污水处理工艺选择主观性较大，难以实现多目标决策等，因此专家系统作为人工智能的一个分支，在污水处理领域中已开始得到应用。通过计算机程序、分析模型、专家知识库等，专家系统能全面、客观、快速地进行污水处理工艺选择，不受周围环境的影响，并且使专家知识与经验不受时间和空间的限制，提高工作效率。国内外研究者已开始了专家系统在污水处理工艺选择中的应用研究，其使用的决策方法都比较一致，主要有优劣解距离法、层次分析法、模糊评价法、灰色评价法和模糊-灰色关联法等，但在决策指标体系的建设上差异较大，目前还没有统一的污水处理工艺优选决策指标体系。另外，现有的专家系统自学能力不足，不能自动扩展新的知识，也不能依据未定义在系统内的一般公理进行推理。

污水处理工艺选择专家系统未来的发展方向是通过自学习得到更广泛更多样化的专家知识，建立科学客观的决策指标体系，使污水处理设计实现技术、经济、环境与社会诸要素间的和谐统一，促进专家系统在污水处理领域的实用化。

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