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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

于博駿

201453100128

應用統計學

男

2014

李恒通

201447100126

應用統計學

男

2014

蘇文婧

201447100203

應用統計學

女

2014

鄧集階

201453100223

信息與計算科學

男

2014

指導教師

朱恩文

職稱

教授

項目所屬

一級學科

統計學

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

于博駿：1、2016年第九屆“電工杯”全國大學生數學建模競賽國家二等獎；           

        2、2016年全國大學生數模競賽湖南省二等獎；

        3、2016年科技立項《基于現代化研究的微信對中年人生活影響調查》獲校一等獎；

        4、2015年第八屆“華中杯”數模競賽校級三等獎；

        5、2016年6月大學生挑戰杯比賽院級一等獎；

        6、2015年獲湖南省“互聯網+”大學生創新創業大賽院級二等獎；

        7、2016年參與科技立項《基于復變函數的互聯網 + 高等教育大數據分析》；

        8、學習并掌握C、MATLAB、SPSS、R等軟件。

李恒通：1、2016年全國大學生數模競賽湖南省二等獎；

2、2015年獲湖南省“互聯網+”大學生創新創業大賽院級三等獎

        3、2016年第九屆華中地區大學生數學建模邀請賽二等獎；

        4、2016年第九屆“電工杯”全國大學生數學建模競賽國家三等獎；

        5、2016年參與三個科技立項——《基于現代化研究的微信對中年人生活影響調查》、《基于復變函數的互聯網 + 高等教育大數據分析》和《群眾對霧霾關注度調查》；

        6、2016年獲湖南省“互聯網+”大學生創新創業大賽院級二等獎。

蘇文婧：1、2015年獲湖南省“互聯網+”大學生創新創業大賽院級二等獎；

        2、2015年長沙理工大學“理工杯”數模競賽校級三等獎；

3、2016年第九屆“華中杯”數模競賽校級三等獎；

        4、2016年參與科技立項《大學生各階段考研心里變化調查與研究》。

鄧集階：1、2016年全國大學生數模競賽湖南省二等獎；

        2、2016年第九屆華中地區大學生數學建模邀請賽二等獎；

        3、2016年第九屆“電工杯”全國大學生數學建模競賽國家三等獎；

        4、2016參與科技立項——《動物活動量采集與評價系統》

指導教師承擔科研課題情況

項目組導師朱恩文老師，博士(后)、教授、留美學者。主要研究方向：非線性時間序列分析、隨機微分方程理論及其應用等。近年來發表與本項目有關的主要學術論文30多篇，其中20多篇被SCI、EI收錄，現正主持湖南省教育廳重點項目1項，株洲市自來水有限責任公司橫向課題1項，主持完成國家級和省部級課題3項，主持完成中國石油天然氣股份有限公司湖南銷售長沙分公司橫向課題1項，2014年獲湖南省自然科學獎二等獎。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

1.項目研究目的

對湖南省株洲市自來水有限責任公司第二水廠的歷史礬耗數據進行數學建模，建立合理的動態礬耗模型，以指導實際生產作業，從而更科學精確地控制凈水時的加礬量，合理控制原材料的消耗，節約生產成本，獲得社會效益與經濟效益的雙贏。

2.項目的研究內容

凈水工藝流程圖：

對湖南省株洲市自來水有限責任公司第二水廠進行實地調研，了解自來水凈化流程，獲取項目研究所需要的原始數據，其中數據包含原水濁度(NTU)、溫度、PH值、原水流量，凈水礬耗量、加礬流量，沉淀后水濁度、砂濾后濁度、碳濾后濁度，以及出廠水PH、出廠水濁度等變量。我們的研究內容就是根據歷史數據，深入挖掘數據隱含的信息，嘗試多種數學模型，找到相對最優的礬耗模型，并將模型應用于生產實踐之中。

（1）讀取數據庫文件，對原始數據進行預處理，利用EM算法填補缺失值。分析原水濁度對加礬流量的影響，采用線性回歸模型，建立原水濁度與加礬流量之間的一元線性回歸模型。

（2）嘗試采用單因素方差分析的方法，考察溫度、PH值、原水流量這3個原水參數指標是否對加礬流量存在影響。使用非線性回歸預測模型帶可測擾動前饋補償的預測函數控制方法。回歸模型的非線性變量用泰勒展開公式表達,使模型結構簡單、計算量小、辨識方便。此外可測擾動前饋補償提高了過程預測值的準確性,加強控制的抗模型失配能力^[1]。

（3）依靠于原水參數與投礬量之間的數學模型進行前饋控制，同時采用神經網絡模型預測耗礬量來彌補前饋控制時滯長、慣性大的缺點。

（4）使用PID 算法，控制器以原水濁度、流量、溫度等作為水質參數，以沉淀池水濁度作為反饋參數，結合歷史加藥最佳值，進行加礬量的計算^[2]。

國內外研究現狀和發展動態

混凝是水廠水處理工藝中重要的水處理單元，準確投加所需要的混凝劑量是獲得良好的混凝效果及影響水廠運行管理成本的關鍵，如何根據水廠進水水質和水量的變化確定混凝劑最佳投加量，長期以來一直是給水行業普遍關心而又亟待解決的問題^[3]。近年來隨著混凝投藥理論的不斷發展，逐步形成了多種比較有效的混凝控制技術。如現場模擬試驗法、燒杯試驗法、數學模型法、單因子控制法等^[4]。

混凝效果不但受原水水質、流量、混凝劑種類、混凝劑投加量、投加時間、投加位置和混凝方式等因素的影響，而且具有滯后性、非線性和時變性等特征，控制難度大，依靠人工經驗控制混凝劑投加量不能及時反映原水水質、水量變化，勞動強度大且效果較差^[5]。因此，實時自動投藥控制系統日益受到國內外學者和管理人員的重視和關注。目前混凝劑自動投加控制方法有流動電流檢測法(SCD)、顯示絮凝控制法 (FCD) 、現場模擬實驗法（模擬沉淀池和濾池）及數學模型法等^[6]。

許多學者在理論和實踐上做了大量的研究工作，提出了很多行之有效的方法，包括最早在時滯系統控制中應用的幾種經典控制方法，主要包括自整定 PID 控制、Smith 預估控制、大林算法這幾種方法^[7]。但這些經典方法或現代控制理論，計算龐大復雜，很難在工業中得以真正應用。

在國外，尤其是西方發達國家，環境保護較好，水源狀況好，水質變化小，因此實現投礬控制自動相對較易，一些地方簡單的比值控制就能達到較好的效果^[8]。由于我國各地間原水水質普遍較差，且普遍受到不同程度的污染，水質因污染變化較大，使得對水質的精確檢測和投藥量的控制變得較難^[9]。在投礬自動控制方面，由于凈水過程的大時滯和不確定性的特點，實現自動控制出水質量十分困難。國內大多數水廠的投礬控制還是依靠熟練工人的經驗來控制加礬量^[10]。因此，我們需要研究一種便于操作人員操作的自動加藥控制方法。

主要參考文獻：

[1] Liu Y, He X. Design of automatic control system for waterworks based on PLC[J]. Artificial Intelligence Management Science & Electronic Commerce International, 2011:4996 - 4998.

[2] 崔琳琳，自來水混凝投藥過程建模與模糊控制研究，昆明理工大學，2014.

[3]Zhou Z, He Q, Sun G. Design of automatic control for chemical dosing system in Changcheng Waterworks[J]. Water Technology, 2013.

[4]王軍棟，混凝投藥過程非線性預測控制研究，哈爾濱工業大學，2011.

[5]Chen D. Application of SCD Dosing Control System in Water Works[J]. Water Purification Technology, 2006.

[6] 黃麗娟，水廠混凝投藥量復合控制系統的研究與應用，中南大學，2014.

[7] 楊國紅等，湖庫型水源水廠投藥控制系統建模與實例研究，西安科技大學，2013. [8]Gong T Z. Analyzing Automatic Chemical Dosing System for Waterworks[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2001

[9]李拓，基于BP神經網絡的水廠漉凝投藥控制系統研究，昆明理工大學，2015.

[10]饒寧，水處理混凝投藥預測控制方法研究，浙江工業大學，2013.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

此項目的核心在于根據湖南省株洲市第二水廠的相關歷史數據建立動態礬耗模型。在生產實踐中檢驗模型的穩定性及優越性，并利用實際生產的反饋信息進一步優化模型。課題組成員均具有扎實的數學和統計學基礎，并多次在省部級及以上數學建模競賽中獲得優異成績；項目組成員專業結構配比合理，都能較熟練地使用MATLAB、SPSS等統計軟件，并熟練掌握C、C++、java等腳本語言，且在數模競賽中多次使用過神經網絡等機器學習算法。除此之外多位成員擔任過“科技立項”、“互聯網+”等創新實踐項目的負責人，有較強的獨立科研能力和團隊協作能力。

株洲水廠動態礬耗建模項目是指導老師承擔的項目，目前我們已經在老師的帶領下參與項目的研究工作。項目成員在數學建模競賽中成績優異，多次獲得省部級及以上的獎項，其中包括：

1、2016年全國大學生數學建模競賽湖南省二等獎；

2、2016年第九屆“電工杯”全國大學生電工數學建模競賽二等獎；

3、2016年第九屆華中地區大學生數學建模邀請賽二等獎。

項目的創新點和特色

（1）不同于大多數只針對正常環境和一般水質條件下的礬耗模型，我們重點關注低溫低濁與高溫高濁情況下的動態礬耗過程。

（2）模型的安全可靠性高。它是根據影響水處理效果的有關水質參數建立的混凝劑投加率的數學關系式,混凝劑投加量大小與影響其大小的各種參數構成了定量關系式。

（3）本項目旨在解決實際問題，在保證出廠水水質的前提下減少耗礬量，給水廠帶來經濟效益。使用非線性回歸、神經網絡、PID 算法和等進行建模，尋找簡單實用、可操作性強、便于推廣的模型。

（4）理論研究與實際生產相結合，中期模型將運用于株洲自來水廠的實際生產作業，檢驗模型的精確性和可操作性，后期根據水廠實際生產作業中出現的問題，有針對性的修改模型。

項目的技術路線及預期成果

1.項目遵循的研究思路

數據采集及預處理→利用統計軟件對數據進行描述性統計分析，為建模提供思路→使用神經網絡、PID 算法和規則自調整的模糊算法進行建模→尋找最優模型→模型應用于實際生產，收集生產數據，進一步優化模型→解決實際問題，帶來經濟效益,

具體技術路線如圖1

圖1 技術路線示意圖

2.預期成果

（1）建立實用、高效的礬耗模型，在保證出廠水水質的前提下減少耗礬量，同時減少水中剩余鋁的濃度，實現經濟最大化，安全生產。

（2）解決實際工作中依靠熟練工人的經驗來決定投礬量導致的資源浪費和水質不穩定的問題，科學準確的指導生產。

（3）發表相關學術論文1～2篇。

（4）熟練掌握數據庫文件的讀取和數據處理，并掌握神經網絡、PID 算法和規則自調整的模糊算法。

年度目標和工作內容（分年度寫）

2016年：實地考察水廠的凈水流程，獲取水廠凈水系統的數據庫中，有關原水濁度(NTU)、溫度、PH值、流量，凈水礬耗量、加礬流量，沉淀后水濁度、砂濾后濁度、碳濾后濁度，以及出廠水PH、出廠水濁度，日期、班次等變量的歷史數據，利用SPSS對數據進行預處理和分析；

2017年：深入挖掘數據中隱含的信息，結合國內外最新的理論研究成果，學習和掌握x線性回歸、神經網絡、PID 算法等，尋找合適動態礬耗模型，并在水廠的實際凈水作業中檢驗模型的有效性及穩定性，根據試驗數據，進一步優化模型；

2018年：發表1~2篇學術論文，成果總結，并結題。

指導教師意見

該項目所研究的問題有較高的學術價值和應用價值，研究背景明確，研究內容具體，研究方案可行。項目組團隊具有扎實的專業基礎知識，并且團隊成員在本科階段參加了課外創新項目，有一定的科研經驗和較強的科研能力，這些為本項目的順利完成提供了保障。該課題的研究對培養本科生的科研水平與創新精神具有重要作用，本人同意擔任此項目的指導教師，并推薦該項目參加評審。

簽字：                   日期：