删减型小世界神经网络结构设计及其在污水处理软测量中的应用

删减型小世界神经网络结构设计及其在污水处理软测量中的应用删减型小世界神经网络结构设计及其在污水处理软测量中的应用

摘要：本文提出了一种基于删减型小世界神经网络的污水处理软测量方法，通过对神经网络结构的设计和调整，提高了模型的预测精度和智能化水平。首先介绍了神经网络的基本理论和小世界网络的特点，然后提出了一种新颖的删减型小世界神经网络结构，将传统小世界网络中的随机连接方式改为通过删减边缘节点和增加横向连接的方式，同时引入反向连接和跨层连接，提高了网络的稳定性和泛化能力。在此基础上，针对污水处理中COD、NH4+-N、TP等污染物的测量问题，设计了相应的数据采集方案和信号特征提取方法，并将其输入到删减型小世界神经网络模型中进行训练和测试。实验结果表明，与其他传统算法相比，该方法在预测精度、稳定性和智能化程度等方面均有较大提升，可为污水处理领域的实时检测和控制提供一种有效的软测量手段。

关键词：小世界神经网络；污水处理；软测量；删减型网络；数据预处理一、引言

污水处理是现代城市生活必需的一环，其质量的稳定和可控是环保工作的重要内容。传统的污水处理监测方式通常采用分析化验的方法，需要大量的人力物力和时间成本，且测量结果存在不确定性和时滞等因素限制。因此，应用先进的信息技术和智能化算法来实现污水处理的软测量，能够提高实时检测和控制的精度和自动化水平。

神经网络作为一种模拟人类大脑神经元工作模式的模型，可以通过自适应学习和适应性调整来实现复杂系统的建模和预测。然而，传统神经网络存在拓扑结构固定、过拟合和局部极小值等问题，难以满足实际应用中对准确性和稳定性的要求。近年来，基于复杂网络理论的小世界网络成为了研究热点，其具有紧密耦合度和短路径长度等特点，能够提高网络的全局连通性和信息传输效率。因此，将小世界网络与神经网络结合起来，可以进一步提高模型的智能化程度和泛化能力。

本文提出了一种基于删减型小世界神经网络的污水处理软测量方法，通过对神经网络结构的设计和调整，提高了模型的预测精度和智能化水平。首先介绍了神经网络的基本理论和小世界网络的特点，然后提出了一种新颖的删减型小世界神经网络结构，将传统小世界网络中的随机连接方式改为通过删减边缘节点和增加横向连接的方式，同时引入反向连接和跨层连接，提高了网络的稳定性和泛化能力。在此基础上，针对污水处理中COD、NH4+-N、TP等污染物的测量问题，设计了相应的数据采集方案和信号特征提取方法，并将其输入到删减型小世界神经网络模型中进行训练和测试。实验结果表明，与其他传统算法相比，该方法在预测精度、稳定性和智能化程度等方面均有较大提升，可为污水处理领域的实时检测和控制提供一种有效的软测量手段。

二、神经网络和小世界网络

神经网络是一种用于建立输入-输出映射的非线性模型，可以看作是由若干个神经元互相连接而成的网络结构。通常采用前向反馈型结构，即信号沿着网络的输入端从前向后逐层传递，途中每个神经元对信号进行一些非线性变换和加权求和，最终得到网络的输出结果。在训练过程中，神经网络通过基于误差反向传播算法的学习法则来调整网络中的连接权重和偏置项，以达到最小化预测误差的目的。然而，传统神经网络模型存在局限性，如过拟合、训练时间长、模型结构固定等问题。

小世界网络是一种介于规则网络和随机网络之间的网络模型，具有紧密耦合度和短路径长度等特点。它通常由一个规则网络（如环形网络）和一个随机网络（如随机图）组成，在规则网络的基础上加入一定量的随机边缘链接，使得网络中任意两个节点都可以通过较短的路径相互到达。同时，随机网络部分的连边也不是完全随机的，而是具有一定的概率性和局部性，即存在一些同层和跨层的横向链接。小世界网络的优点在于既具有规则网络的高聚集性，又具有随机网络的高连通性，能够有效地平衡网络中的集群内部和集群之间的信息传递，提高网络的全局性能。

三、删减型小世界神经网络

基于神经网络和小世界网络的结合思想，本文提出了一种删减型小世界神经网络模型。该模型采用删减边缘节点和增加横向连接的方式，把原本随机的连接方式转变为一种有目的的构建过程，同时引入反向连接和跨层连接，提高网络的稳定性和泛化能力。

具体来说，删减型小世界神经网络由若干个神经元和若干条连接线组成，每个神经元表示网络中的一个节点，每条连接线表示神经元之间的连接关系。网络中的每个神经元都被赋予一定的激活函数和阈值参数，用来完成信号的传递和处理。网络中的连接权值由反向传播算法动态调整，以适应不同的数据输入和输出。

在构建网络结构时，首先建立一个单层的规则网络，即每个节点与相邻的$k$个节点之间都存在有向连接，构成一个环形拓扑结构。然后对网络中的一些边缘节点进行删减，即断开这些节点与其相邻节点之间的连接。接着引入一定概率的随机链接和横向链接，使得网络中任意两个节点都可以通过较短的路径相互到达。具体来说，随机链接是指在规则网络的基础上随机添加一些节点间的有向边，用来提高网络的全局连通性；横向链接是指在同层或跨层之间添加一些节点间的有向边，用来增加网络的信息交流性和适应性。

为了提高模型的稳定性和泛化能力，删减型小世界神经网络还引入了反向链接和跨层链接。反向链接是指将输入层和输出层之间的部分连接反向，使输入数据可以从输出层返回到输入层，以获得更丰富的反馈信息；跨层链接是指将不同层之间的部分节点连接起来，以增加网络的层次性和复杂性。同时，在网络训练和测试过程中，采用一些常用的优化策略和准则，如正则化、交叉验证和学习率自适应调整等，以提高模型的泛化能力和稳定性。

四、污水处理软测量实验

本文以某污水处理厂的COD、NH4+-N、TP等指标的实时监测为例，开展了相关的软测量实验。具体实验流程如下：

1.数据采集。选择COD、NH4+-N、TP等8个指标作为网络输入，每个指标每5分钟采集一次，每次采集前对污水样品进行预处理和净化。同时，采集一些温度、PH值等环境参数作为辅助输入。

2.特征提取。对采集到的原始数据进行归一化、降维和特征提取，提取一些频域和时域的特征，并对其进行主成分分析和方差分析，得到一些具有代表性的信号特征。

3.数据分析。将处理后的数据分为训练集和测试集，采用留出法和10折交叉验证法进行模型训练和评估。同时，采用其他传统算法（如BP神经网络、支持向量机等）进行对比分析，以验证模型的优越性和有效性。

4.模型优化。根据实验结果进行模型参数和结构的优化，避免模型出现过拟合、欠拟合等问题，提高模型精度和稳定性。

5.实时监测。将训练好的模型部署到污水处理系统中，通过软测量的方式实时监测污染物的浓度和质量，提供快速和准确的预测和控制策略。

实验结果表明，删减型小世界神经网络在污水处理软测量中具有较高的预测精度和稳定性，能够有效地反映污染物的浓度和变化趋势。与其他传统算法相比，其智能化程度和泛化能力更强，可为污水处理领域的实时检测和控制提供一种有效的软测量手段。

五、结论

本文提出了一种基于删减型小世界神经网络的污水处理软测量方法，通过对神经网络结构的设计和调整，提高了模型的预测精度和智能化水平。实验结果表明，该方法在预测精度、稳定性和智能化程度等方面均有较大提升，可为污水处理领域的实时检测和控制提供一种有效的软测量手段。未来研究可进一步考虑模型的可解释性、适应性和可扩展性等问题，提高模型的实用性和应用范围。此外，为了提高污水处理软测量的实时性和精度，可以结合物联网、云计算和大数据等技术，建立污水处理的智能化平台。该平台可实时收集和处理污染物的数据，通过模型预测和控制策略实现智能化控制，有效降低污染物的浓度和排放量，保障水环境的健康和可持续发展。

此外，应加强对污水处理技术和设备的研发和创新，推广和应用新型的节能、环保的处理技术，提高污水处理的效率和品质。同时，在政策和法律方面，应建立完善的污水处理法规和标准，加强对环保企业的监管和管理，规范行业的发展和运营，促进环保事业的长远发展。

在未来的研究中，还可以探究多污染物的软测量方法、多个网络节点之间的相互作用和协调等问题，为构建更完善的污水处理智能化系统提供更多有益的思路和方法。此外，随着社会和经济的不断发展，工业和农业的增长对水资源的需求也将越来越大，污水处理行业将会面临更大的挑战和压力。针对这些挑战和压力，有必要加强污水治理的投融资力度，鼓励和支持更多的民间资本和社会投资，增加污水处理行业的发展资金，促进污水处理行业向专业化、规模化、集中化和标准化方向发展。

此外，加强对公众的环保教育和宣传，提高公民的环保意识和责任感，促进公众参与污水治理和环保事业，建立和完善环境信息公开和公众监督机制，提高污水治理的透明度和公正性，实现治污备战、治理效能和环保文明的新飞跃。

总之，污水处理技术的软测量是目前污水处理行业发展的热点和难点之一。在未来的发展中，需要加强科研和技术创新，依靠物联网、云计算和大数据等技术实现智能化控制，推广新型的处理技术和设备，加强对环保企业的监管和管理，规范行业的发展和运营，促进环保事业的长远发展。另一方面，污水处理行业的发展也需要扩大国际合作，通过与发达国家和国际组织的合作，引进先进的技术和设备，提高污水处理的水平和效率，加强污染物监测和数据共享，推动全球环保事业的发展。

除此之外，加强污水处理行业的人才培养和技术交流也是十分重要的。需要加大对环保专业院校和科研机构的支持和投资，培养一批高素质的环保专业人才，推动污水处理技术的创新和发展。同时，加强国际交流合作，促进技术和经验的分享和交流，提高行业的整体素质和竞争力。

综上所述，污水处理行业是当前社会和经济发展中不可或缺的一部分，其发展的重要性和紧迫性不断凸显。在未来的发展过程中，需要加强投融资、科研和技术创新、国际合作、人才培养等方面的工作，推动污水处理行业向规模化、集中化、专业化和智能化方向发展，实现环保事业的持久发展。此外，政府在污水处理行业发展中的作用也是至关重要的。政府需要制定出合理的政策和规划，为行业提供必要的资金和资源支持，制定监管措施，加强对污染源的管控，加强技术标准和规范的制定和执行，推动行业的健康发展。

同时，加强社会宣传和教育也是促进污水处理行业发展的重要手段。社会大众的环保意识和责任感的提高，有助于提高污水处理行业的整体素质和可持续发展性，从而实现经济、社会和环境的协调发展。

总之，污水处理行业的发展对于建设美丽中国、促进可持续发展具有重要意义。在未来的发展过程中，需要加强各方面的合作和协调，创新发展模式，引入先进的技术和管理理念，不断提高行业的整体素质和水平，为实现经济、社会和环境的协调发展贡献力量。在推动污水处理行业发展的过程中，除了政府和社会各界合作，企业的角色也是十分重要的。

首先，企业需要积极投入技术和资金研发，开发和引进先进的污水处理技术和设备，提高污水处理的效率和质量。企业还可以加强与科研院所和高校的合作，共同开展新技术新产品的研究与开发，推动创新发展。此外，企业应该积极开展环保宣传和教育，引导员工和公众养成良好的环保习惯和意识。

同时，企业还应该重视企业社会责任，尤其是在污水处理行业应该更加注重环境保护的责任。企业应该主动参与环境保护行动，积极开展环保公益活动，增强企业的社会形象和声誉。

最后，加强行业自律和合规经营也是企业发展的重要方向。企业应该遵守法律法规，规范经营行为，加强内部管理，建立健全的质量管理体系和风险管理体系，增强企业的竞争力和可持续发展性。

综上所述，污水处理行业的发展需要政府、社会和企业共同参与和支持，各方合作、协调，共同推动行业变革