ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК АЭРОТЕНКА В ЗАДАЧАХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОЧИСТНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

В условиях дефицита водных ресурсов и ужесточения экологических требований особую актуальность приобретает повышение эффективности и энергоэкономичности процессов биологической очистки сточных вод. Одним из наиболее энергоёмких и динамически сложных объектов очистных сооружений является аэротенк, функционирование которого существенно зависит от неравномерности притока и изменчивости состава сточных вод. Традиционные системы автоматического управления, основанные преимущественно на ПИД-регуляторах, не обеспечивают упреждающей компенсации возмущений и часто приводят к избыточной аэрации и повышенному энергопотреблению.

В данной работе предложен подход к интеллектуальному управлению аэротенком на основе интеграции цифрового двойника, нейросетевого прогнозирования притока и модельно-предиктивного управления (MPC). Цифровой двойник реализует динамическую модель биологического процесса с учётом ключевых переменных состояния, включая концентрацию субстрата, активного ила и растворённого кислорода. Нейросетевая модель используется для прогнозирования коэффициента суточной неравномерности притока сточных вод на основе статистических данных многолетних наблюдений.

Полученные прогнозные данные интегрируются в алгоритм MPC и используются в качестве измеряемых возмущений, что позволяет формировать упреждающие управляющие воздействия на систему аэрации. Результаты моделирования показывают, что предложенная система обеспечивает стабилизацию концентрации растворённого кислорода при значительных колебаниях притока и снижает энергозатраты на аэрацию за счёт исключения избыточной подачи воздуха.

Предложенная архитектура управления реализуема в рамках существующих промышленных PLC-SCADA систем в режиме Advisory MPC и может быть использована для повышения энергоэффективности, устойчивости и экологической безопасности очистных сооружений.

1. UNESCO World Water Development Report. – Paris: UNESCO Publishing, 2023.

2. Drechsel P. The WHO Guidelines for Safe Wastewater Use in Agriculture: A Review of Implementation Challenges and Possible Solutions in the Global South / P. Drechsel, M. Qadir, D. Galibourg // Water. – 2022. – Vol. 14, № 6. – P. 864. https://doi.org/10.3390/w14060864.

3. Rosso D. Energy efficiency in wastewater treatment plants / D. Rosso, M.K. Stenstrom // Water Research. – 2006. – Vol. 40. № 4. – P. 737-746.

4. Energy efficiency in wastewater treatment plants / J. Ahn et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 75. – P. 1136-1143.

5. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 2008. – 511 p.

6. Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3 / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 2000. – 130 p. https://doi.org/10.2166/9781780402369.

7. Åström K.J. PID Controllers: Theory, Design, and Tuning / K.J. Åström, T. Hägglund. – 2nd ed. – Research Triangle Park: Instrument Society of America, 1995. – 360 p.

8. Åmand L. Aeration control – a review / L. Åmand, G. Olsson, B. Carlsson // Water Science and Technology. – 2013. – Vol. 67, № 11. – P. 2374-2398. https://doi.org/10.2166/wst.2013.139.

9. Takagi T. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control / T. Takagi, M. Sugeno // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. – 1985. – Vol. SMC-15. – № 1. – P. 116-132.

10. Meyer U. Fuzzy-control for improved nitrogen removal and energy saving in WWTPs with predenitrification / U. Meyer, H.J. Pöpel // Water Science and Technology. – 2003. – Vol. 47, № 11. – P. 69-76.

11. Qin S.J. A survey of industrial model predictive control technology / S.J. Qin, T.A. Badgwell // Control Engineering Practice. – 2003. – Vol. 11, № 7. – P. 733-764.

12. Benchmark for evaluating control strategies in wastewater treatment plants / J. Alex et al // Proceedings of the European Control Conference (ECC 1999). – Karlsruhe, Germany, 1999. – P. 3746-3751.

13. Olsson G. ICA and me – A subjective review / G. Olsson // Water Research. – 2012. – Vol. 46, № 6. – P. 1585-1624. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.12.054.

14. Kim H.-S. Fuzzy model-based predictive control of dissolved oxygen in activated sludge processes / H.-S. Kim, J.-H. Lee // Neurocomputing. – 2014. – Vol. 136. – P. 88-95. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2014.01.025.

15. Åmand L. Aeration control – a review / L. Åmand, G. Olsson, B. Carlsson Aeration // Water Science and Technology. – 2013. – Vol. 67, № 11. – P. 2374-2398. https://doi.org/10.2166/wst.2013.139.

16. Benchmark Simulation Model No. 1 (BSM1): Technical Report TEIE-7229 / J. Alex et al. – Lund: Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, 2008. – 62 p.

17. Çengel Y.A. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications / Y.A. Çengel, J.M. Cimbala. – 5th ed. – New York: McGraw-Hill Education, 2024. – 944 p.

18. Takács I. A dynamic model of the clarification thickening process / I. Takács, G.G. Patry, D. Nolasco // Water Research. – 1991. – Vol. 25, № 10. – P. 1263-1271. https://doi.org/10.1016/0043-1354(91)90066-Y.

19. Olsson G. Wastewater Treatment Systems: Modelling, Diagnosis and Control / G. Olsson, B. Newell. – London: IWA Publishing, 1999. – 742 p.

20. Activated Sludge Model № 1 / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 1986. – 33 p.

21. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery / G. Tchobanoglous et al. – New York: McGraw-Hill Education, 2014. – 2000 p.

22. Spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnikam «Ochistka stochnykh vod tsentralizovannykh sistem vodootvedeniya naselennykh punktov»: utv. Postanovleniem Pravitel'stva Respubliki Kazakhstan ot 17 maya 2025 g. № 348. – Astana, 2025. (In Russian).

23. Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems // F.-J. Kahlen et al. – Cham: Springer International Publishing, 2017. – P. 85-113. https://doi.org/10.1007/978-3-319-38756-7_4.

24. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery / G. Tchobanoglous et al. – New York: McGraw-Hill Education, 2014. – 2049 p.

25. Montgomery J.M. Process Control of Activated Sludge Systems / J.M. Montgomery. – Lancaster: Technomic Publishing Company, 1985. – 349 p.

26. Jeppsson U. Benchmarking of Control Strategies for Wastewater Treatment Plants / U. Jeppsson, J. Alex. – London: IWA Publishing, 2003. – 141 p.

27. Ochistka stochnykh vod. Biologicheskie i khimicheskie protsessy / per. s angl. pod red. S. V. Kalyuzhnogo. – M.: Mir, 2004. – 480 s. (In Russian).