污水处理过程工况频繁波动，单一模型难以保证软测量精度，提出了基于同步聚类的出水COD混合在线软测量方法。模型由简化机理模型和建模误差补偿模型组成，其中简化机理模型作为主模型，集成模型作为误差补偿模型。机理模型用于表征污水处理过程的基本动态机理特性；误差补偿集成模型中子模型均采用线性模型，用以补偿不同工况下的机理模型建模误差。子模型个数采用在线同步聚类算法进行划分，考虑了输入和输出数据的时间区间，同时考虑了相邻数据间的关联性，提高了计算效率，改善了模型的实时性。采用实际污水处理厂数据进行仿真实验，验证了所提建模方法在多个运行工况下仍具有较好的精度。