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Knowledge-Based Feature Selection Substantially Enhances Data-Driven Wastewater Treatment Modeling

特征选择 特征(语言学) 概化理论 计算机科学 选择(遗传算法) 人工智能 机器学习 数据挖掘 选型 预测建模 污水处理 模式识别(心理学) 统计模型 特征提取 集合(抽象数据类型) 特征模型 生化工程
作者
Senyuan Gu,Shuting Wang,Ruihong Qiu,Kaili Li,Jaswinder Manjeet Singh,Jue Zhang,BX Ni,T. David Waite,Liu Ye,Haoran Duan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c04963
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Data-driven modeling in wastewater treatment is increasingly constrained by the reality of small, high-dimensional data, where the abundant monitoring parameters in small-sized data sets obscure fundamental mechanistic understandings. This study proposes a knowledge-driven feature selection framework that integrates mechanistic insights with statistical correlations to identify the most informative predictive features. Using nitrous oxide (N 2 O) emission prediction at a full-scale plant as a case study, we compared classic deep-learning feature selection algorithms using attention mechanisms against two new knowledge-based approaches: (i) expert-guided feature selection and (ii) large language model (LLM)-augmented feature selection. Expert-knowledge-guided feature selection substantially enhances predictive accuracy, achieving a mean R 2 of 0.723 and an MAE of 0.033, compared to R 2 = 0.712 and MAE = 0.033 for the best-performing attention-based architecture. More importantly, the proposed framework markedly improves model generalizability: under out-of-distribution high-flow conditions where the attention-based model fails to capture N 2 O emission patterns, the expert-selected model continues to reproduce the dominant temporal dynamics of N 2 O emissions. The LLM-assisted approach also delivers competitive accuracy (mean R 2 = 0.596, MAE = 0.041) and similarly preserves generalizability under an input distributional shift. By introducing mechanistic understanding into the feature selection process, this framework offers a generalizable pathway for addressing complex wastewater treatment challenges while maintaining a computational efficiency.
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