學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

于博駿

201453100128

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)

男

2014

李恒通

201447100126

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)

男

2014

蘇文婧

201447100203

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)

女

2014

鄧集階

201453100223

信息與計(jì)算科學(xué)

男

2014

指導(dǎo)教師

朱恩文

職稱

教授

項(xiàng)目所屬

一級學(xué)科

統(tǒng)計(jì)學(xué)

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

于博駿：1、2016年第九屆“電工杯”全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽國家二等獎；           

        2、2016年全國大學(xué)生數(shù)模競賽湖南省二等獎；

        3、2016年科技立項(xiàng)《基于現(xiàn)代化研究的微信對中年人生活影響調(diào)查》獲校一等獎；

        4、2015年第八屆“華中杯”數(shù)模競賽校級三等獎；

        5、2016年6月大學(xué)生挑戰(zhàn)杯比賽院級一等獎；

        6、2015年獲湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽院級二等獎；

        7、2016年參與科技立項(xiàng)《基于復(fù)變函數(shù)的互聯(lián)網(wǎng) + 高等教育大數(shù)據(jù)分析》；

        8、學(xué)習(xí)并掌握C、MATLAB、SPSS、R等軟件。

李恒通：1、2016年全國大學(xué)生數(shù)模競賽湖南省二等獎；

2、2015年獲湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽院級三等獎

        3、2016年第九屆華中地區(qū)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模邀請賽二等獎；

        4、2016年第九屆“電工杯”全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽國家三等獎；

        5、2016年參與三個科技立項(xiàng)——《基于現(xiàn)代化研究的微信對中年人生活影響調(diào)查》、《基于復(fù)變函數(shù)的互聯(lián)網(wǎng) + 高等教育大數(shù)據(jù)分析》和《群眾對霧霾關(guān)注度調(diào)查》；

        6、2016年獲湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽院級二等獎。

蘇文婧：1、2015年獲湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽院級二等獎；

        2、2015年長沙理工大學(xué)“理工杯”數(shù)模競賽校級三等獎；

3、2016年第九屆“華中杯”數(shù)模競賽校級三等獎；

        4、2016年參與科技立項(xiàng)《大學(xué)生各階段考研心里變化調(diào)查與研究》。

鄧集階：1、2016年全國大學(xué)生數(shù)模競賽湖南省二等獎；

        2、2016年第九屆華中地區(qū)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模邀請賽二等獎；

        3、2016年第九屆“電工杯”全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽國家三等獎；

        4、2016參與科技立項(xiàng)——《動物活動量采集與評價系統(tǒng)》

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

項(xiàng)目組導(dǎo)師朱恩文老師，博士(后)、教授、留美學(xué)者。主要研究方向：非線性時間序列分析、隨機(jī)微分方程理論及其應(yīng)用等。近年來發(fā)表與本項(xiàng)目有關(guān)的主要學(xué)術(shù)論文30多篇，其中20多篇被SCI、EI收錄，現(xiàn)正主持湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，株洲市自來水有限責(zé)任公司橫向課題1項(xiàng)，主持完成國家級和省部級課題3項(xiàng)，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(xiàng)，2014年獲湖南省自然科學(xué)獎二等獎。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1.項(xiàng)目研究目的

對湖南省株洲市自來水有限責(zé)任公司第二水廠的歷史礬耗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立合理的動態(tài)礬耗模型，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，從而更科學(xué)精確地控制凈水時的加礬量，合理控制原材料的消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，獲得社會效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

2.項(xiàng)目的研究內(nèi)容

凈水工藝流程圖：

對湖南省株洲市自來水有限責(zé)任公司第二水廠進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，了解自來水凈化流程，獲取項(xiàng)目研究所需要的原始數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)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(nèi)容就是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，深入挖掘數(shù)據(jù)隱含的信息，嘗試多種數(shù)學(xué)模型，找到相對最優(yōu)的礬耗模型，并將模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐之中。

（1）讀取數(shù)據(jù)庫文件，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用EM算法填補(bǔ)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(shù)指標(biāo)是否對加礬流量存在影響。使用非線性回歸預(yù)測模型帶可測擾動前饋補(bǔ)償?shù)念A(yù)測函數(shù)控制方法。回歸模型的非線性變量用泰勒展開公式表達(dá),使模型結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量小、辨識方便。此外可測擾動前饋補(bǔ)償提高了過程預(yù)測值的準(zhǔn)確性,加強(qiáng)控制的抗模型失配能力^[1]。

（3）依靠于原水參數(shù)與投礬量之間的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行前饋控制，同時采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測耗礬量來彌補(bǔ)前饋控制時滯長、慣性大的缺點(diǎn)。

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

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

混凝是水廠水處理工藝中重要的水處理單元，準(zhǔn)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(yùn)行管理成本的關(guān)鍵，如何根據(jù)水廠進(jìn)水水質(zhì)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(yè)普遍關(guān)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(fā)展，逐步形成了多種比較有效的混凝控制技術(shù)。如現(xiàn)場模擬試驗(yàn)法、燒杯試驗(yàn)法、數(shù)學(xué)模型法、單因子控制法等^[4]。

混凝效果不但受原水水質(zhì)、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(jīng)驗(yàn)控制混凝劑投加量不能及時反映原水水質(zhì)、水量變化，勞動強(qiáng)度大且效果較差^[5]。因此，實(shí)時自動投藥控制系統(tǒng)日益受到國內(nèi)外學(xué)者和管理人員的重視和關(guān)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(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)法（模擬沉淀池和濾池）及數(shù)學(xué)模型法等^[6]。

許多學(xué)者在理論和實(shí)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(tǒng)控制中應(yīng)用的幾種經(jīng)典控制方法，主要包括自整定 PID 控制、Smith 預(yù)估控制、大林算法這幾種方法^[7]。但這些經(jīng)典方法或現(xiàn)代控制理論，計(jì)算龐大復(fù)雜，很難在工業(yè)中得以真正應(yīng)用。

在國外，尤其是西方發(fā)達(dá)國家，環(huán)境保護(hù)較好，水源狀況好，水質(zhì)變化小，因此實(shí)現(xiàn)投礬控制自動相對較易，一些地方簡單的比值控制就能達(dá)到較好的效果^[8]。由于我國各地間原水水質(zhì)普遍較差，且普遍受到不同程度的污染，水質(zhì)因污染變化較大，使得對水質(zhì)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動控制出水質(zhì)量十分困難。國內(nèi)大多數(shù)水廠的投礬控制還是依靠熟練工人的經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)：

[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(xué)，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(yù)測控制研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(fù)合控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，中南大學(xué)，2014.

[7] 楊國紅等，湖庫型水源水廠投藥控制系統(tǒng)建模與實(shí)例研究，西安科技大學(xué)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水廠漉凝投藥控制系統(tǒng)研究，昆明理工大學(xué)，2015.

[10]饒寧，水處理混凝投藥預(yù)測控制方法研究，浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

此項(xiàng)目的核心在于根據(jù)湖南省株洲市第二水廠的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)建立動態(tài)礬耗模型。在生產(chǎn)實(shí)踐中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性及優(yōu)越性，并利用實(shí)際生產(chǎn)的反饋信息進(jìn)一步優(yōu)化模型。課題組成員均具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)，并多次在省部級及以上數(shù)學(xué)建模競賽中獲得優(yōu)異成績；項(xiàng)目組成員專業(yè)結(jié)構(gòu)配比合理，都能較熟練地使用MATLAB、SPSS等統(tǒng)計(jì)軟件，并熟練掌握C、C++、java等腳本語言，且在數(shù)模競賽中多次使用過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法。除此之外多位成員擔(dān)任過“科技立項(xiàng)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，有較強(qiáng)的獨(dú)立科研能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

株洲水廠動態(tài)礬耗建模項(xiàng)目是指導(dǎo)老師承擔(dān)的項(xiàng)目，目前我們已經(jīng)在老師的帶領(lǐng)下參與項(xiàng)目的研究工作。項(xiàng)目成員在數(shù)學(xué)建模競賽中成績優(yōu)異，多次獲得省部級及以上的獎項(xiàng)，其中包括：

1、2016年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽湖南省二等獎；

2、2016年第九屆“電工杯”全國大學(xué)生電工數(shù)學(xué)建模競賽二等獎；

3、2016年第九屆華中地區(qū)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模邀請賽二等獎。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

（1）不同于大多數(shù)只針對正常環(huán)境和一般水質(zhì)條件下的礬耗模型，我們重點(diǎn)關(guān)注低溫低濁與高溫高濁情況下的動態(tài)礬耗過程。

（2）模型的安全可靠性高。它是根據(jù)影響水處理效果的有關(guān)水質(zhì)參數(shù)建立的混凝劑投加率的數(shù)學(xué)關(guān)系式,混凝劑投加量大小與影響其大小的各種參數(shù)構(gòu)成了定量關(guān)系式。

（3）本項(xiàng)目旨在解決實(shí)際問題，在保證出廠水水質(zhì)的前提下減少耗礬量，給水廠帶來經(jīng)濟(jì)效益。使用非線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID 算法和等進(jìn)行建模，尋找簡單實(shí)用、可操作性強(qiáng)、便于推廣的模型。

（4）理論研究與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，中期模型將運(yùn)用于株洲自來水廠的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_性和可操作性，后期根據(jù)水廠實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中出現(xiàn)的問題，有針對性的修改模型。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1.項(xiàng)目遵循的研究思路

數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理→利用統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，為建模提供思路→使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID 算法和規(guī)則自調(diào)整的模糊算法進(jìn)行建模→尋找最優(yōu)模型→模型應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化模型→解決實(shí)際問題，帶來經(jīng)濟(jì)效益,

具體技術(shù)路線如圖1

圖1 技術(shù)路線示意圖

2.預(yù)期成果

（1）建立實(shí)用、高效的礬耗模型，在保證出廠水水質(zhì)的前提下減少耗礬量，同時減少水中剩余鋁的濃度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化，安全生產(chǎn)。

（2）解決實(shí)際工作中依靠熟練工人的經(jīng)驗(yàn)來決定投礬量導(dǎo)致的資源浪費(fèi)和水質(zhì)不穩(wěn)定的問題，科學(xué)準(zhǔn)確的指導(dǎo)生產(chǎn)。

（3）發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文1～2篇。

（4）熟練掌握數(shù)據(jù)庫文件的讀取和數(shù)據(jù)處理，并掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID 算法和規(guī)則自調(diào)整的模糊算法。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

2016年：實(shí)地考察水廠的凈水流程，獲取水廠凈水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，有關(guān)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(shù)據(jù)，利用SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析；

2017年：深入挖掘數(shù)據(jù)中隱含的信息，結(jié)合國內(nèi)外最新的理論研究成果，學(xué)習(xí)和掌握x線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID 算法等，尋找合適動態(tài)礬耗模型，并在水廠的實(shí)際凈水作業(yè)中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行约胺€(wěn)定性，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化模型；

2018年：發(fā)表1~2篇學(xué)術(shù)論文，成果總結(jié)，并結(jié)題。

指導(dǎo)教師意見

該項(xiàng)目所研究的問題有較高的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值，研究背景明確，研究內(nèi)容具體，研究方案可行。項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并且團(tuán)隊(duì)成員在本科階段參加了課外創(chuàng)新項(xiàng)目，有一定的科研經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的科研能力，這些為本項(xiàng)目的順利完成提供了保障。該課題的研究對培養(yǎng)本科生的科研水平與創(chuàng)新精神具有重要作用，本人同意擔(dān)任此項(xiàng)目的指導(dǎo)教師，并推薦該項(xiàng)目參加評審。

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