污水处理网站开发工具

基于Web的城市污水处理厂决策支持平台研究王征,汪诚文,施汉昌(清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084)摘要:本研究提出了基于Web的城市污水处理厂决策支持平台的概念,开发了基于Web的污水处理决策支持系统(模拟系统与专家系统),并实现了决策支持中心的思想.
文中介绍了基于Web的决策支持系统和决策支持中心的设计思想,以及利用NET技术,以单机版决策支持系统为基础进行软件开发的方法.
同时本文讨论了创建决策支持平台的意义,以及在此平台上进行深入科研工作的前景.
关键词:决策支持系统(DSS);Web;城市污水处理厂;模拟系统;专家系统;决策支持中心中图分类号:X32.
029C934文献标识码:A文章编号:1000-2324(2005)01-0137-06收稿日期:2004-12-06作者简介:王征(1978-),男,汉族,山东省泰安市人.
清华大学环境科学与工程系,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室硕士研究生.
研究方向为污水处理过程模拟、自动控制以及污水厂信息系统.
STUDYOFDECISIONSUPPORTPLATFORMBASEDONWEBFORMUNICIPALWASTEWATERTREATMENTPLANTSWANGZheng,WANGCheng-wen,SHIHan-chang(EnvironmentSimulation&PollutionControlStateKeyJointLaboratory,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:TheideaoftheDecisionSupportPlatformbasedonforMunicipalWastewaterTreamentPlantispres2ented,whichconsistsofaWeb-basedDecisionSupportSystem(SimulationSystem&ExpertSystem)andthei2deaofDecisionSupportCenter.
Thedesignanddevelopmentofthesystemaredescribed,aswellasthetransplan2tationissuesfromSingle-machinebasedDecisionSupportSystemstoaWeb-basedone.
Furthermore,thevalueandoutlookoftheDecisionSupportPlatforminresearchingareaispresented.
Keywords:DecisionSupportSystem(DSS);Web;MunicipalWastewaterTreatmentPlant;SimulationSystem;ExpertSystem;DecisionSupportCenter决策支持系统(DSS)诞生于20世纪70年代,是一种交互式的计算机信息系统,用以辅助决策者利用数据、知识和模型等信息来明确和解决各种决策问题[1].
城市污水厂决策支持系统的研究是在国际水质协会(IAWQ)20世纪70年代末提出的仪器化、控制化和自动化(ICA)技术[2]的基础上发展起来的,它是城市污水处理系统的智能控制理论与技术研究的一个重要部分.
城市污水厂决策支持系统的引入既能够辅助技术人员控制污水厂的运行,又能够辅助科研人员进行科学研究.
随着计算机和通迅技术的发展,决策支持系统在广度(如决策支持中心和群决策支持[1])和深度(如先进的模型和深入数据分析)上得以发展.
基于Web的城市污水厂决策支持平台研究的目的正是力求对现有决策支持系统在广度上进行扩展,同时为深度发展奠定基础.
1城市污水处理厂决策支持平台1.
1污水处理决策支持系统的研究现状在城市污水处理厂决策支持系统研究中,两个重要的研究领域是基于污水处理过程模型的模拟系统和基于知识库及推理机的专家系统.
山东农业大学学报(自然科学版),2005,36(1):137~142JournalofShandongAgriculturalUniversity(NaturalScience)活性污泥污水处理模拟系统如EFOR、GPS-X、West、THASS等,大多采用IAWQ提出的活性污泥模型ASM1、ASM2/ASM2D、ASM3.
这些模型综合了活性污泥系统中碳氧化、硝化、反硝化和生物除磷等多个过程,能够用于模拟污水生物处理的全过程[3].
以实际运行经验为基础的污水处理厂专家系统可以解决一些难以数学建模的,模拟系统不易解决的问题.
早在1980年,英国Norwich污水处理厂进行的自动控制研究中就使用专家知识进行污水处理厂的自动控制[4].
清华大学环境系从1998年开始开展污水处理专家系统理论的研究,并于2000年开发了针对城市污水处理厂的专家系统.
同时包括模拟系统和专家系统的决策支持系统,可以解决结构化和非结构化(或半结构化)的问题,被称为智能决策支持系统[6][7].
清华大学2003年开发的OperatingDecisionSupportSystem(ODSS)系统就是包括模拟系统与专家系统的城市污水厂智能决策支持系统,在国内部分污水厂中使用,并取得了良好的效果[9].
1.
2现有决策支持系统存在的问题目前的城市污水处理厂决策支持系统(包括模拟系统和专家系统)因为是单机版软件,因而普遍存在以下局限性:(1)单机版污水处理厂决策支持系统的安装、维护和升级,例如工艺流程的修改和专家知识库的扩充等,需要在各个污水处理厂分别进行,维护困难.
(2)各个污水处理厂的工艺流程、运行条件和构筑物参数不完全相同,决策支持系统需要根据污水厂具体情况做出相应调整,具体工作需要由技术专家协助完成.
(3)专家系统尚不完善,不能替代技术专家分析和解决一切问题,很多问题仍需要由专家进行分析和决策.
(4)模拟系统的运行结果,有时需要由专家进行分析解释.
同时多个污水处理厂的运行数据和模拟结果不易进行汇总分析.
1.
3城市污水厂决策支持平台的提出计算机和网络技术的发展,使得Web系统逐渐能够实现单机版系统中的大部分功能,同时网络技术可以在广度上大大扩充传统决策支持系统的功能.
因此,我们提出了基于Web的城市污水处理厂决策支持平台的概念,以Internet技术为基础,力求实现基于Web的决策支持系统和决策支持中心(DSC)[1]的思想.
(1)基于Web的决策支持系统是指将决策支持系统由原来的单机架构,转换为基于Internet和Web的浏览器/服务器(B/S)架构[10].
用户可以通过Web浏览器登录决策系统,在线使用模拟系统和专家系统,而无需安装单机软件,从而解决了目前在软件安装、维护和升级中存在的问题.
(2)决策支持中心是指为用户与专家、用户与用户、专家与专家之间创建一个信息交流和资源共享的平台,并为进一步科学研究奠定基础.
通过技术交流,少数专家可以为多家污水厂进行决策分析指导和技术咨询,帮助污水厂技术人员分析和理解决策支持系统的运行结果;专家可以对多家使用决策支持网站进行决策分析的污水处理厂的运行数据和决策分析结果进行分析;专家之间可以进行交流,共同分析解决问题,实现群决策支持(GDSS)[1]的思想.
另外,还可以充分利用Internet的优势,在决策支持平台上,实现污水处理行业的新闻发布、论坛、民意调查、邮件列表等功能.
决策支持平台的整体架构如图书1所示.
2决策支持平台的系统设计基于Web的城市污水处理厂决策支持平台以清华大学环境系最新开发的单机版的ODSS城市污水处理厂智能决策支持系统[9]为基础开发,同时实现活性污泥工艺模拟系统和专家系统两部分决策支持功能,采用的活性污泥模型、模型算法、知识库、推理机算法等以ODSS系统为基础.
2.
1系统开发平台系统开发平台选用Microsoft.
NET2003.
.
NET适合开发B/S架构的软件系统,利用ASP.
NET和·831·山东农业大学学报(自然科学版第36卷ADO.
NET技术,可以大量使用面向对象的设计思想,实现代码重用,从而提高系统的可扩展性和可移植性.
决策支持平台Web系统的数据库系统采用MicrosoftSQLServer2000.
SQLServer不仅支持关系数据库,还支持数据仓库、在线分析处理(OLAP)和数据挖掘服务,这为进行深入数据分析,扩充决策支持系统的功能打下基础.
图1基于Web决策平台的架构Fig1StructureofWeb-baseddecisionsupportplatform2.
2系统设计城市污水厂决策支持平台Web系统由多个功能模块组成,如图2所示.
系统采用面向对象思想设计,同时将每个功能模块划分为表示层(Web)、业务逻辑层(Business)、数据层(Data)3层.
网站模块的组织通过.
NET的命名空间机制实现,文件夹与命名空间对应.
其中网站主模块位于WebCore目录下,各层基类位于Base目录下,各个功能模块位于WebModules目录下,如图3所示.
(1)网站主模块主模块是整个决策系统的入口,包含有Web站点的基本要素,如主页、页面导航、题头和脚注等,同时提供与其他功能模块的接口.
主模块中同时使用静态html页面与动态aspx页面,采用ASP.
NET与其他静态网页开发工具(如DreamWeaver)共同开发.
图2决策支持平台功能模块Fig2FunctionalModulesoftheSystem·931·第1期王征等:基于Web的城市污水处理厂决策支持平台研究图3网站模块结构图Fig3Moduleorganizationoftheststem(2)用户管理模块城市污水处理决策支持平台的主要用户类型及其对应权限、职责如表1所示.
为了确保Web系统中用户信息和数据的安全,在用户及安全性管理模块中对不同权限级别的用户的账号、口令和操作行为进行管理.
表1系统用户及其权限Table1Systemusersandauthorities用户类型Users'type用户权限和职责Users'authoritylimitsandduty管理员维护整个站内所有资源,负责管理页面内容,数据库数据,其他用户账号等.
专家用户维护决策支持系统,如模拟系统的参数、工艺流程、专家知识库等.
并能够查看所有用户的运行数据,进行汇总分析.
普通用户可以利用站内提供的决策支持功能,进行模拟计算和专家决策分析.
游客只可以浏览站内公开的信息资源.
(3)模拟系统模块模拟系统模块是决策支持的一个核心部分,其功能为:通过模拟和预测,对污水处理过程进行静态和动态模拟分析,对处理过程中的各项参数进行敏感性分析,以及参数估值和模型校验等[8].
模拟系统模块采用IAWQ系列活性污泥模型ASM1、ASM2、ASM2D,以及二沉池沉淀模型.
由于受到网络传输速率和瘦客户端(Web游览器)功能的限制,Web的系统不易实现很高的界面友好程度,因此模拟系统中预先存储多种典型的污水处理工艺流程,供用户选择使用,如表2所示.
表2污水处理典型工艺流程系统Table2Classictechnicalprocesses名称Name描述Description传统活性污泥法进水单元—预处理单元—初沉池单元—好氧单元—二沉池单元—出水单元AO法进水单元—初沉池单元—缺氧单元—好氧单元—二沉池单元—出水单元A2O法进水单元—初沉池单元—厌氧单元—缺氧单元—好氧单元—二沉池单元—出水单元倒置式A2O法进水单元—初沉池单元—缺氧单元—厌氧单元—好氧单元—二沉池单元—出水单元(4)专家系统模块基于规则的污水处理厂专家系统以专家知识库(其中包括污水处理工程领域内专家的经验和书本知识)为基础,利用推理机对污水厂运行情况进行决策分析.
其主要功能包括以下几部分:·041·山东农业大学学报(自然科学版第36卷运行指导和警报:专家系统中存储城市污水处理厂常规运行参数值,并根据污水处理过程实际运行参数值的大小,对污水处理过程的日常运行进行指导,及时发现异常运行参数值并发出警报.
故障诊断和分析:根据污水处理工程领域内专家的经验和书本的知识,针对污水处理过程中出现的各种运行故障和出水问题进行分析和诊断,并提供解决问题的策略和方法.
故障检索和经验知识:故障检索功能可以全面地对故障的原因进行分析,解决故障.
专家系统模块由知识库、推理机、综合数据库、解释程序、知识获取程序、人机接口等6个部分组成.
数据组织方式、推理机、解释程序的程序流程和实现算法与单机版系统相同.
(5)培训系统模块培训系统的内容包括对模拟系统、专家系统使用方法的讲解和演示;污水厂运行流程和单元参数的介绍;模拟计算采用模型的讲解等.
培训系统模块主要由静态网页构成,与培训系统相关的内容种类、名称、页面导航等采用XML文件格式进行存储,而不存放在数据库中,这样能够减轻数据库的访问量,从而提高决策系统运行的稳定性.
(6)网站管理模块供管理员用户和专家用户使用,通过在线方式进行站点内容的添加、修改、删除等操作.
例如管理员进行功能模块的添加和删除,修改培训系统的内容等.
专家用户对模拟系统和专家系统模块的管理,如修改专家知识库,添加污水处理工艺流程,修改模型参数等.
(7)其他功能模块决策支持平台上还可以添加其他Web功能模块,例如新闻发布、论坛、邮件列表管理,以及专门用于数据分析的功能模块等.
2.
3数据库设计作为Web系统,需要允许多个用户同时访问,进行数据库读写,数据库的健壮性和可靠性非常重要,同时为了增强系统的数据分析能力,因此采用MicrosoftSQLServer2000数据库系统.
在系统移植过程中,使用SQLServer2000的DataTransformationServices(DTS)工具将Access中的数据导入SQLServer中.
在本系统中,使用一个数据库,存放模拟系统、专家系统、用户管理等多个模块所需的数据表.
对于城市污水处理厂决策支持系统中的模拟系统而言,需要在数据库中存放污水处理流程工艺中每个单元的单元参数、模型参数(化学计量学参数和动力学参数)、以及工艺流程的相关信息等.
另外,为了对多个污水厂的运行数据和模拟结果进行综合分析,在数据库中添加了一个表,用以存放所有用户的运算数据.
从而可以方便地对使用相同处理工艺的模拟数据和结果进行比较,也可以对使用相同模型的模拟数据和结果进行比较分析.
专家系统的数据库以污水处理工艺流程中每个单元的参数数据表为基础.
专家知识库与综合数据库中存放专家系统运行过程中所需要和产生的所有信息,包括问题描述、中间结果,解题过程的记录等信息[4],以及每个污水处理单元的参数信息.
用户账号和权限管理由多个数据表构成,其关系图如图4所示.
系统管理员可以通过网站管理模块进行用户数据表的维护操作.
与此类似,系统专家知识库、模型参数数据表、工艺流程数据表的更新和维护工作,也由专家用户通过网站管理模块在线完成.
3结论与展望在城市污水处理厂决策支持平台研究中创建了基于Web的决策支持系统(模拟系统和专家系统),解决了单机版系统的局限;利用Web平台,实现了决策支持中心的思想,方便了污水处理厂技术人员和专家之间的交流和信息共享;同时,系统采用模块化和面向对象设计方法,可以在软件平台上继续改进已有模·141·第1期王征等:基于Web的城市污水处理厂决策支持平台研究块的功能,添加新的功能模块,使其对污水处理的决策支持功能进一步增强,例如:(1)增强决策支持的数据分析能力重新组织用户决策分析的数据,利用SQLServerDTS工具创建数据仓库或数据集市,使用OLAP和数据挖掘进行数据分析,也可以利用其他数学模型或是采用其他数理统计方法进行数据分析.
图4用户管理数据表关系图Fig4Relationsofusermanagementdatatables(2)扩展Web决策支持系统的功能增强Web系统界面友好性,例如实现交互式的工艺流程编辑;利用宽带网络实现用户之间的语音或视频交流;使用更先进的污水处理模型;实现自学习的专家系统等.
(3)加强对单机版决策支持系统的支持增加决策支持平台与单机版决策支持系统的通迅功能.
例如,实现单机版决策支持系统发送数据至决策支持中心,决策支持中心进行决策分析,并把结果发回单机版的决策支持系统的功能.
还可以在决策支持中心发布最新版的专家知识库、模型参数等,供单机版决策支持中心下载升级.
(4)实现区域水环境决策支持在拥有大量污水厂运行数据、模拟运算结果的前提下,可以在系统中引入区域管网及收纳水体数据,进行区域水环境的决策分析.
参考文献[1]高洪深.
决策支持系统(DSS)理论方法案例第二版[M].
北京:清华大学出版社,2000[2]BarnettMW,StenstromMK,AndrewsJF.
Dynamicsandcontrolofwastewatersystem[M].
PA:Lancaster,TechnomicpublishingCompanylnc.
,1998[3]GujerW,HenzeM,MinoT.
Activatedsludgemodel[J].
Wat.
Sci.
Tech.
,1999,39(1):183-193[4]TongRM,BeckMB,LattenA.
Fuzzycontroloftheactivatedsludgewastewatertreatmentprocess[J].
Automatica.
1980,16(6):695-701[5]任明仑,杨善林,朱卫东.
智能决策支持系统:研究现状与挑战[J].
系统工程学报,2002,(17):430-440[6]陈文颖.
环境智能决策支持系统[J].
上海环境科学,1998,17(7):4-6[7]徐丽婕.
专家系统和模拟系统结合的污水处理厂运行决策支持系统[D].
申请清华大学工学硕士学位论文,2003[8]徐晓霞,汪应洛.
基于WorldWideWeb的决策支持模型研究[J].
管理工程学报,1999,12:62-66[9]ChenWei-Chou,HongTzung-Pei,JengRong.
AframeworkofdecisionsupportsystemsforuseontheWorldWideWeb[J].
JournalofNetworkandComputerApplications,1999,22:1-17·241·山东农业大学学报(自然科学版第36卷