摘要:基于环境工程专业学位硕士研究生本科专业面广，基础知识结构差异大的现状，针对学位课程《废水处理工程》综合性强，处理工艺多变，内容涉及面广，新技术不断涌现的特点，开发专家帮助系统软件提高学生对新技术的自主学习积极性，有助于学生理论联系实际，树立工程意识。本文提到的专家系统建立的仿真界面条理清晰，通用性强，能够实现对三级废水处理厂运行流程、故障诊断、解决措施、管理知识的查询、搜索、浏览及打印功能，并且能脱离开发环境在Windows系统环境下独立运行，利用起来更方便。
关键词:废水处理工程;专家帮助系统;仿真界面;专业学位;教学改革
专家系统可看作一类具有专门知识的计算机智能程序系统，它能根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。一个基本的专家系统主要由知识库、数据库、推理机、解释机制、知识获取和用户界面六部分组成［1］。专家系统是人工智能研究的一个重要应用领域，在工业化发展过程中的作用越来越重要，研究、发展专家系统成为非常迫切的任务。《废水处理工程》是一门与工业生产紧密联系、涉及多学科的技术科学课程，为环境工程专业的重要学位课程。但是近年来专业学位学生之间本科专业差别大，基础知识参差不齐，有些学生本科阶段从来没有接触过水污染控制、废水处理工程方面的知识，尤其对一些新技术的原理、设备类型、工艺过程、故障诊断等知识形不成清晰的轮廓，弄不懂水质指标与设备运行工况之间的关系，找不到设备故障与解决措施之间的对应关系，直接学习研究生教材中的理论性知识难度较大，教学效果欠佳。为此我们在专业硕士课程《废水处理工程》中进行大胆改革，采用前沿教学、案例教学等教学法，并充分发挥专家系统的作用，大量查阅资料建立生物处理新技术—膜生物反应器故障诊断帮助知识库，并通过VB语言进行编程得到专家帮助系统。系统中包括系统故障的查询，MBＲ工艺故障的查询，水中污染物指标变化趋势图，污水处理厂现场运行图片以及污水处理厂中相关的流程图。该系统能够实现三级废水处理厂运行管理知识的查询、搜索、浏览及打印功能，具有很强的通用性，并且能脱离开发环境在Windows系统环境下独立运行，实现自主学习，提高学习积极性。
1膜生物反应器故障诊断帮助知识库的建立
查阅大量资料表明提高污水处理厂的出水排放标准，采用新技术新方法，使出水水质达到深度处理的水平已势在必行。膜生物处理技术是在常规活性污泥法的基础上发展而来的，主要由膜组件及生物反应器组成，微生物(活性污泥)在膜生物反应器内与基质充分接触，经氧化分解有机物进行新陈代谢以维持自身生长和繁殖，从而降解有机物［2］;另一方面，膜组件通过机械筛分、截留等作用对废水和污泥进行固液分离。两者的有机结合，不仅能将游离的微生物和大分子有机物完全阻隔在反应池内，从而提高悬浮颗粒的分离效率，而且还能使污水中的有机污染物在活性微生物的作用下得到降解，同时通过膜的高效分离将水外排。与传统污水处理技术相比，MBＲ能高效地进行固液分离，提高出水水质，甚至出水可以直接回用;MBＲ中活性污泥浓度增大，并出现了特效菌群，特别是优势菌群，使生化反应速率加快;MBＲ技术可实现停留时间与污泥龄的完全分离，运行灵活，操作简便;系统的硝化速率、对难生物降解有机物的去除效率均有明显提高;剩余污泥量少，污泥处理费用低;占地面积小、应用范围广［3］。由于污水性质复杂多变，通常需要几种单元处理操作有机结合成一个整体来操作，同时要合理配置其主次关系和前后次序，才能保证完成处理任务的同时实现效率最大化和成本最低化。但由于操作及系统自身原因，常常会有系统或设备处于非正常的工作状态，即发生故障。目前，污水处理过程中常见的故障现象很多，原因也是多方面的，对应的解决措施也有多种，为此我们进行归纳总结和分类，建成知识库见表1.
2废水处理技术专家帮助系统的建立
VisualBasic提供了开发Windows应用程序最迅速、最简洁的方法，它提供了一整套工具，供用户开发应用程序［4］。VisualBasic是目前软件开发语言中最简单、最容易掌握、使用最广泛的语言之一，因此我们利用VisualBasic6．0建立仿真应用界面，通过对其程序编写，实现了应用界面与知识库的链接，完成了对程序的设计［5］。在软件设计过程中采用treeview(树状浏览)控件，信息呈现树状层次，使得主细目关系更加清晰，并在ＲichTextbox控件中显示内容，使其文本大小不受限制，体现了作为一个帮助系统所应具有的灵活性和透明性，特别适用于多级信息的分类检索和查询。主窗体(图1)界面中显示出了系统的主要可查询对象，包括污水处理厂运行过程中的系统故障、MBＲ工艺故障、各类设备常见故障、工艺运行中常见问题及相应的解决措施;此外还包括一些具有直观图片的查询系统，共计8个可查询路线和144个可查询对象，其中包含61个故障分析及69张工艺图及运行图片，数据较为丰富。下面对几个有代表性界面进行介绍。图1主菜单图图2为污水处理厂系统故障查询系统图，它列出了工艺运行中常见的11个系统故障及其产生的原因和相应的解决方法。该窗体的主要特点是，在输入关键字处输入要查询的问题时，点击搜索键右侧就会出现对应的故障分析，包括故障产生的原因及解决方法。图3为污水处理厂MBＲ工艺故障查询系统图，这里介绍了常见的不同生物反应器所遇到的不同故障问题，并对这些故障进行了详细的分析，指出其产生的原因和消除方法。共有九大类MBＲ反应器，其中不同反应器又分为不同状况下的故障情况，总计18种故障情况。在关键字查询处输入故障类型后，故障目录中对应的文字就会变色，同时右侧出现故障分析。行中常见问题进行了汇总，对污泥上浮问题进行了分类，对于不同原因下的故障都有相对应的故障分析;此外，对于不同原因产生的污泥膨胀现象也作了汇总，共计八类、14种情况。图5展示了对轴承座破碎这一故障的查询过程，这部分窗体列出了不同设备常出现的不同故障，针对每一件设备的不同故障都有对应的产生原因和解决方法，总计为11种故障，18种情况。污水处理厂工艺流程窗体总共包括常见各部分组件工艺图以及污水处理厂整体工艺流程图等大小28个图片，可以帮助用户对污水处理厂的运行过程有更加清楚的了解。该窗体同样也能实现各部分按比例放大的功能，图6为放大后的污水处理厂工艺流程全图。
3结束语
结合现场收集的大量实例以及采用VB开发的专家帮助系统，用于学生自学辅导、案例教学、启发教学，充分发挥了计算机辅助教学的优势，有助于学生树立工程意识，理顺废水膜生物处理技术流程、设备运行工况、故障种类、解决措施与出水水质之间的相互关系，增强感性知识，改进思维模式，提高跨专业学生的学习兴趣;同时专家帮助系统实现对废水生物处理技术运行管理知识的查询、搜索、浏览及打印功能，具有很强的通用性，并且能脱离开发环境在Windows系统环境下独立运行，在提高三级废水处理厂的运行维护和管理水平，保障三级废水处理厂长期安全、稳定、高效运行等方面将起到积极的推动作用。
参考文献
［1］王磊，刘载文，杨斌，等．A2O污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现［J］．化工自动化及仪表，2011，38(10):1198－1199．
［2］关万里，韩文萍，刘小惠．膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用分析［J］．低碳世界，2016(28):11－12．
［3］姚远．A/O+MBＲ工艺在生活污水处理站中的应用［J］．给水排水，2016(S2):110－113．
［4］张煜东，吴乐南，王水花．专家系统发展综述［J］．计算机工程与应用，2010，46(19):43－47．
［5］李铁军，唐庆华，王洁．专家系统及常用开发语言［J］．辽宁工业经济管理论文大学学报综合经济期刊(自然科学版)，2010(3):147－150，164.
作者：王淑勤 张晓 苑洁 单位：华北电力大学 环境科学与工程学院 保定市公用事业局
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