CN110002534B - 一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及城市供水管网系统消毒领域，本发明提出的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，包括有流量计、水量检测设备、余氯分析仪、紫外线消毒器、智能控制器和外部强制控制器；由于解决了高效而经济地使用紫外线消毒器的难题，从而做到仅仅在真正需要的时候才开启紫外线消毒器，这样在保证用户用水安全的情况下不仅大幅度节约了能源而且大幅度降低了运行费用。
Description
技术领域
本发明涉及城市供水管网系统消毒领域，具体涉及一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统。
背景技术
目前我国城市生活饮用水(俗称自来水)的消毒绝大多数都是采用氯消毒法。氯消毒法的突出优点是余氯具有持续的消毒作用，余氯系指用氯消毒时，加氯接触一定时间后，水中所剩余的氯量。在自来水管网系统中保持足够的余氯浓度就能保证自来水中的微生物被控制在合格范围内，因此余氯是生活饮用水水质的关键性指标之一，在国家标准GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》中明确规定在管网末梢水中余氯浓度必须大于等于0.05mg/L。
余氯浓度随时间的推移会逐步衰减，其在供水管网系统中的衰减规律得到了较为深入的研究，目前最常用的供水管网系统余氯浓度衰减模型是一级反应模型，具体公式是：Ct＝C0·e-k·t，式中C0为供水管网系统中自来水期初的余氯浓度，t为自来水在供水管网系统中的停留时间，Ct为自来水在经过停留时间t衰减后的余氯浓度，e为自然常数，k为衰减系数，对于同一段供水管网系统k为常数，可以通过在给定条件下检测得到的有关数据计算得到。根据该模型，当已知供水管网系统中自来水期初余氯浓度及其确切的停留时间后，就能计算出经过停留时间衰减后自来水的余氯浓度。
二次供水是指当民用与工业建筑生活饮用水对水压、水量的要求超过城镇公共供水或自建设施供水管网能力时，通过储存、加压等设施经管道供给用户或自用的供水方式。二次供水设施主要包括储水设备、加压设备和管线三部分。自来水在二次供水储水设备(以下简称储水设备)中会停留一段时间，如果停留时间过长则储水设备出口的余氯浓度可能衰减到很低的水平，起不到有效杀灭水中微生物的作用，造成流出储水设备的自来水的微生物指标超标。因此在二次供水设施中安装消毒设备有着重大的意义，在中华人民共和国国家标准GB17051《二次供水设施卫生规范》第5.3条规定：“设施须有安装消毒器的位置，有条件的单位设施应设有消毒器”；中华人民共和国行业标准CJJ140-2018《二次供水工程技术规程》也要求，“二次供水设施的水池(箱)应设置消毒设备”,“消毒设备可选择臭氧发生器、紫外线消毒器、紫外光催化氧化设备和水箱自洁消毒器等”。
将紫外线消毒器安装在二次供水设施中可以对氯消毒法起到很好的补充消毒作用，能解决上面所述的因自来水在储水设备中停留过久而导致的自来水微生物指标超标的问题，然而在实际应用中却会碰到如何才能高效而经济地使用紫外线消毒器的难题。首先，由于在大多数时候自来水中余氯浓度足够有效将自来水中的微生物杀灭到合格范围以内，如果持续让紫外线消毒器处于开启状态，会造成电能的极大浪费；而且，紫外线灯管有使用寿命限制，如果持续开启，紫外线灯管在较短的时间内就需要更换，其维护费用和运行成本将会很高，从而大大限制了紫外线消毒器的使用。其次，由于采用紫外线消毒器消毒需要一定的时间，如果将紫外线消毒器安装在储水设备的出口处，在检测到储水设备出口余氯浓度低到不足以保证将自来水中的微生物杀灭到合格范围以内时才启动紫外线消毒器，则要么会影响用户用水的要求，要么会由于处理时间不够而影响消毒效果，导致的结果是不能在满足用户用水要求的情况下有效地起到紫外线消毒器的作用。
发明内容
本发明的目的是：通过提出一种智能算法对储水设备出口余氯浓度进行准确预测，以此判断自来水的余氯浓度是否足以将其中的微生物杀灭到合格范围以内，从而确定何时开启及关闭紫外线消毒器，进而解决如何高效而经济地使用紫外线消毒器的问题。
本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，包括有流量计、水量检测设备、余氯分析仪、紫外线消毒器、智能控制器和外部强制控制器；
流量计安装于储水设备出口处，可连续获得储水设备的出口流量数据，并将数据实时传输到智能控制器，出口流量指储水设备出口某一时刻自来水的流量；
水量检测设备安装于储水设备内部，可连续获得储水设备的存留水量数据，并将数据实时传输到智能控制器，存留水量指储水设备中某一时刻自来水的总体积；
余氯分析仪安装于储水设备进口处，可连续获得储水设备的进口余氯浓度数据，并将数据实时传输到智能控制器；
紫外线消毒器安装于储水设备进口处，且位于余氯分析仪的后方，即自来水先流经余氯分析仪再流入紫外线消毒器，能接受智能控制器发送的“开启”或“关闭”的控制信号指令并按指令开关紫外线消毒器；
智能控制器安装在二次供水设施外，具有数据采集、数据存储、数据处理、接收控制信号及发送控制信号的功能；
外部强制控制器位于二次供水设施外，用于向智能控制器发出强制“开启”或“关闭”紫外线消毒器的控制信号指令。
本发明的工作原理在于，解决如何高效而经济地使用紫外线消毒器难题的关键在于自来水进入储水设备之初就能准确预测其流到储水设备出口时的余氯浓度，而做到这点的关键是需要准确计算出某一时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间。尽管不同时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间是不断变化且变化显著的，但是这个变化却是有一定规律的，与该储水设备出口流量在一天内各个时间段的变化规律密切相关。通过对该储水设备相关历史数据的统计分析能够得到出口流量的变化规律，然后利用特定的数学公式就能计算出不同时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间，由此能计算出其流到储水设备出口时的余氯浓度，从而确定何时开启及关闭紫外线消毒器，解决如何高效而经济地使用紫外线消毒器的难题。
本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统的有益效果：由于解决了高效而经济地使用紫外线消毒器的难题，从而做到仅仅在真正需要的时候才开启紫外线消毒器，这样在保证用户用水安全的情况下不仅大幅度节约了能源而且大幅度降低了运行费用。
附图说明
图1为本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统实施例的结构连接示意图；
图2为本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统实施例智能控制器的功能示意图；
图3为图2智能控制器的数据处理单元根据历史数据统计分析得到的储水设备出口流量在一天不同时间段的变化图。
图中：1、智能控制器，2、余氯分析仪，3、紫外线消毒器，4、水位计，5、储水池，6、流量计，7、外部强制控制器，10、数据采集单元，11、数据存储单元，12、数据处理单元，13、控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明是一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，包括有流量计6、水位计4、余氯分析仪2、紫外线消毒器3、智能控制器1和外部强制控制器7；
储水池5是一种储水设备；
在本实施例中，流量计6安装于储水设备出口处，每分钟获得一个储水设备出口流量数据，单位为L/min，并将数据实时传输到智能控制器1，出口流量指储水设备出口某一时刻自来水的流量；
水位计4安装于储水设备内部，本实施例采用的水位计4是一种水量检测设备，每分钟获得一个储水设备水位数据，单位为cm，并将数据实时传输到智能控制器1，智能控制器1的数据处理单元12将水位数据转换为存留水量数据，存留水量指储水设备中某一时刻自来水的总体积，单位为L；
余氯分析仪2安装于储水设备进口处，每分钟获得一个储水设备进口余氯浓度数据，单位为mg/L，并将数据实时传输到智能控制器1；
紫外线消毒器3安装于储水设备进口处，且位于余氯分析仪2的后方，即自来水先流经余氯分析仪2再流入紫外线消毒器3，能接受智能控制器1发送的“开启”或“关闭”的控制信号指令并按指令开关紫外线消毒器3；
智能控制器1安装在二次供水设施外，智能控制器1具有数据采集、数据存储、数据处理、接收控制信号及发送控制信号的功能，具体如图2所示；
外部强制控制器7位于二次供水设施外，用于向智能控制器1发出强制“开启”或“关闭”紫外线消毒器3的控制信号指令。
本发明的工作原理在于，解决如何高效而经济地使用紫外线消毒器3难题的关键是在自来水进入储水设备之初就能准确预测其流到储水设备出口时的余氯浓度，而做到这点的关键是需要准确计算出某一时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间。尽管不同时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间是不断变化且变化显著的，但是这个变化却是有一定规律的，与该储水设备出口流量在一天内各个时间段的变化规律密切相关。通过对该储水设备相关历史数据的统计分析能够得到出口流量的变化规律，然后利用特定的数学公式就能计算出不同时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间，由此能计算出其流到储水设备出口时的余氯浓度，从而确定何时开启及关闭紫外线消毒器3，解决如何高效而经济地使用紫外线消毒器3的难题。
本发明一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统的有益效果：由于解决了高效而经济地使用紫外线消毒器3的难题，从而做到仅仅在真正需要的时候才开启紫外线消毒器3，这样在保证用户用水安全的情况下不仅大幅度节约了能源而且大幅度降低了运行费用。
智能控制器1的数据采集功能是通过智能控制器1中的数据采集单元10实现的，数据采集单元10通过无线传输方式实时采集储水设备出口流量数据、储水设备水位数据以及储水设备进口余氯浓度数据。
智能控制器1的数据存储功能是通过智能控制器1中的数据存储单元11实现的，数据存储单元11能够将实时采集到的储水设备出口流量数据、储水设备水位数据以及储水设备进口余氯浓度数据存储下来，能够将后期的计算结果存储下来，能够将接收或发出的控制信号指令存储下来。
智能控制器1的数据处理功能是通过智能控制器1中的数据处理单元12实现的，数据处理单元12按顺序实施如下计算：1)将水位数据乘以160转换为存留水量数据，单位为L；2)统计分析得到二次供水储水设备出口流量在一天内各个时间段的变化规律；3)计算某一时刻进入二次供水储水设备的自来水在其中的停留时间；4)计算某一时刻进入二次供水储水设备的自来水相应的出口余氯浓度。
智能控制器1的接收控制信号功能是通过智能控制器1中的控制单元13实现的，控制单元13在现场通过有线方式，在远程通过无线传输方式接收外部强制控制器7给出的“开启”或“关闭”紫外线消毒器3的控制信号指令。
智能控制器1的发送控制信号功能是通过智能控制器1中的控制单元13实现的，控制单元13根据事先设定的规则或者接收到外部强制控制器7的控制信号指令通过无线传输方式向紫外线消毒器3发送“开启”或“关闭”的控制信号指令。
储水设备中的自来水按照进入储水设备时间的先后顺序流出储水设备出口。为了便于计算在某一时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间，设定储水设备中的自来水按照进入储水设备时间的先后顺序流出储水设备出口。
本发明智能控制器1数据处理单元12统计分析得到二次供水储水设备出口流量在一天内各个时间段变化规律的计算公式如下：
其中T与i的关系为：
式中表示所有在i时间段检测得到的储水设备出口流量的算数平均值，单位为L/min，i表示一天内的各个时间段；表示检测得到的储水设备出口流量，通过安装在储水设备出口处的流量计检测得到，每分钟采集一个数据，单位为L/min，其中DT表示日期为D那天的T时刻，简称DT时刻，T从一天的零时开始计算直到一天的最后一刻，单位为min，a表示在某一时间段检测得到的储水设备出口流量的顺序数；1440表示一天的总时长，单位为min，24表示将一天平均分为24个时间段，60表示时间段的时长，单位为min；本实施例取用过去连续30天的检测数据进行计算，由于每个时间段每天采集60个检测数据，则每个时间段30天测得的储水设备出口流量总个数为1800个；“[]”为高斯函数，又称取整函数；计算出的体现了储水设备出口流量在一天内各个时间段的变化规律，结果如图3所示。
本发明智能控制器1数据处理单元12得到在某一时刻进入储水设备的自来水在其中停留时间的计算公式如下。
设则：
1)当时：
2)当且时：
3)当且时：
其中r的计算方法如下：
A.从j＝1开始依次增加1计算Wj和W(j+1)：
B.将Wj和W(j+1)与比较：
当且时，计算下一组并比较；
直到当且时，r＝j
其中K的计算方法如下：
以上公式中i、[]的含义同前；1440表示一天的总时长，单位为min，24表示将一天平均分为24个时间段，60表示时间段的时长，单位为min；mod是求余运算符，例如A mod B表示A除以B的余数；表示在D0T0时刻进入储水设备的自来水在其中的停留时间，单位为min，其中D0T0表示日期为D0那天的T0时刻，简称D0T0时刻，T0的定义同前述T的定义，单位为min；表示在D0T0时刻的储水设备存留水量，储水设备存留水量指储水设备某一时刻存留自来水的总体积，通过安装在储水设备内的水位计检测再经数据转换得到，每分钟采集一个数据，单位为L；b表示计算Wj时j的顺序数；H、r、K、Wj、W(j+1)是计算过程中为了方便描述而设定的代数式，其定义就是等号后的计算式；Wr表示r＝j时的Wj值；的计算结果按四舍五入取整。
本发明智能控制器1数据处理单元12得到某一时刻进入二次供水储水设备的自来水相应的出口余氯浓度的计算公式如下。
其中：
以上公式中D0T0、mod、[]的含义同前；1440为一天的总时长，单位为min；0.000538为衰减系数，通过在给定条件下测得的储水设备有关数据计算得到；e为自然常数；表示在D0T0时刻进入储水设备自来水的进口余氯浓度，通过安装在储水设备进口处的余氯分析仪检测得到，每分钟采集一个数据，单位为mg/L；表示在D0T0时刻进入储水设备自来水流动到出口时的出口余氯浓度，单位为mg/L，DxTy表示在D0T0时刻进入储水设备的自来水流动到出口时的确切时刻；公式(10)、(11)、(12)是为了将自来水流到储水设备出口时的时刻转换为本发明统一的日期时刻表示格式，以方便确定其确切时刻。
本发明智能控制器1控制单元13发出开启紫外线消毒器3控制信号指令的规则是：1)当计算出的储水设备出口余氯浓度小于安全浓度0.3mg/L时，这里的安全浓度是指经综合考虑后人为设置的一个余氯浓度值，此值高于国家标准GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定的最低余氯浓度值0.05mg/L，主要是为了更有保证地让余氯杀灭自来水中的微生物；2)接收到从外部强制控制器7发来的“开启”紫外线消毒器3的控制信号指令时。
本发明智能控制器1控制单元13发出关闭紫外线消毒器3控制信号指令的规则是：1)在紫外线消毒器3开启后，当计算出的储水设备出口余氯浓度在连续10分钟内都大于等于0.3mg/L时；2)接收到从外部强制控制器7发来的“关闭”紫外线消毒器3的控制信号指令时。
智能控制器1的控制单元13根据从数据处理单元12接收到的出口余氯浓度数据按照设定的规则发出的控制信号指令表，如下所示：
如上表所示，本发明智能控制器1控制单元13在某天的第131分钟时接收到数据处理单元12计算的出口余氯浓度低于0.3mg/L，于是向紫外线消毒器3发出“开启”的控制信号指令。智能控制器1控制单元13在当天的第397分钟时接收到数据处理单元12计算的出口余氯浓度等于0.3mg/L，此后直到第407分钟，接收到数据处理单元12计算的出口余氯浓度都大于等于0.3mg/L，于是在第407分钟时向紫外线消毒器3发出“关闭”的控制信号指令。
Claims (9)
1.一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，包括有流量计、水量检测设备、余氯分析仪、紫外线消毒器、智能控制器和外部强制控制器；其特征在于，流量计安装于储水设备出口处，可连续获得储水设备的出口流量数据，并将数据实时传输到智能控制器；
水量检测设备安装于储水设备内部，可连续获得储水设备的存留水量数据，并将数据实时传输到智能控制器；
余氯分析仪安装于储水设备进口处，可连续获得储水设备的进口余氯浓度数据，并将数据实时传输到智能控制器；
紫外线消毒器安装于储水设备进口处，且位于余氯分析仪的后方，即自来水先流经余氯分析仪再流入紫外线消毒器，能接受智能控制器发送的“开启”或“关闭”的控制信号指令；
智能控制器安装在二次供水设施外，具有数据采集、数据存储、数据处理、接收控制信号及发送控制信号的功能；
外部强制控制器位于二次供水设施外，用于向智能控制器发出强制“开启”或“关闭”紫外线消毒器的控制信号指令；
智能控制器的数据采集功能是通过智能控制器中的数据采集单元实现的，数据采集单元通过有线或无线传输方式实时采集储水设备出口流量数据、储水设备存留水量数据以及储水设备进口余氯浓度数据；
智能控制器的数据存储功能是通过智能控制器中的数据存储单元实现的，数据存储单元能够将实时采集到的储水设备出口流量数据、储水设备存留水量数据以及储水设备进口余氯浓度数据存储下来，能够将后期的计算结果存储下来，能够将接收或发出的控制信号指令存储下来；
智能控制器的数据处理功能是通过智能控制器中的数据处理单元实现的，数据处理单元按顺序进行计算：1)将接收到的数据乘以一个系数存储，包括单位转换以及将水位数据转换成水量数据；2)统计分析得到二次供水储水设备出口流量在一天内各个时间段的变化规律；3)计算某一时刻进入二次供水储水设备的自来水在其中的停留时间；4)计算某一时刻进入二次供水储水设备的自来水相应的出口余氯浓度；
智能控制器的接收控制信号功能是通过智能控制器中的控制单元实现的，控制单元在现场通过有线方式，在远程通过无线传输方式接收外部强制控制器给出的“开启”或“关闭”紫外线消毒器的控制信号指令；
智能控制器的发送控制信号功能是通过智能控制器中的控制单元实现的，控制单元根据事先设定的规则或者接收到外部强制控制器的控制信号指令通过有线或无线传输方式向紫外线消毒器发送“开启”或“关闭”的控制信号指令。
2.如权利要求1所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，储水设备中的自来水按照进入储水设备时间的先后顺序流出储水设备出口。
3.如权利要求1或2所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器数据处理单元统计分析得到二次供水储水设备出口流量在一天内各个时间段变化规律的计算公式如下：
其中T与i的关系为：
以上公式中表示所有在i时间段检测得到的二次供水储水设备出口流量的算数平均值，i表示一天内的各个时间段；表示检测得到的二次供水储水设备出口流量，其中DT表示日期为D那天的T时刻，简称DT时刻，T从一天的零时开始计算直到一天的最后一刻，a表示在某一时间段检测得到的二次供水储水设备出口流量的顺序数；Ai表示在过去若干天内i时间段测得的二次供水储水设备出口流量的总个数；M表示一天的总时长，n表示将一天平均分成n个时间段，M/n表示时间段的时长；“[]”为高斯函数。
4.如权利要求3所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器数据处理单元得到在某一时刻进入储水设备的自来水在其中停留时间的计算公式如下；
设则：
1)当时：
2)当且时：
3)当且时：
公式中r的计算方法如下：
A.从j＝1开始依次增加1计算Wj和W(j+1)：
B.将Wj和W(j+1)与比较：
当且时，计算下一组并比较；
直到当且时，r＝j
公式中K的计算方法如下：
以上公式中i、M、n、M/n、[]的含义与权利要求3的注释相同；mod是求余运算符；表示在D0T0时刻进入二次供水储水设备的自来水在其中的停留时间，其中D0T0表示日期为D0那天的T0时刻，简称D0T0时刻，T0的定义同前述T的定义；表示在D0T0时刻的二次供水储水设备存留水量；b表示计算Wj时j的顺序数；H、r、K、Wj、W(j+1)是计算过程中为了方便描述而设定的代数式，其定义就是等号后的计算式；Wr表示r＝j时的Wj值。
5.如权利要求4所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器数据处理单元得到在某一时刻进入储水设备的自来水相应出口余氯浓度的计算公式如下：
其中：
以上公式中D0T0、M、[]、mod的含义与权利要求3或4的注释相同；k为衰减系数，通过在给定条件下检测得到的有关数据计算得到；e为自然常数；表示在D0T0时刻进入二次供水储水设备自来水的进口余氯浓度；表示在D0T0时刻进入二次供水储水设备的自来水流动到出口时的出口余氯浓度；公式(10)、(11)、(12)是为了将自来水流到储水设备出口时的时刻转换为本发明统一的日期时刻表示格式，以方便确定其确切时刻。
6.如权利要求1或2或4或5所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器发出开启紫外线消毒器控制信号指令的规则是：1)当计算出的储水设备出口余氯浓度小于人为设置的安全浓度时；2)接收到从外部强制控制器发来的强制开启紫外线消毒器的控制信号指令时。
7.如权利要求3所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器发出开启紫外线消毒器控制信号指令的规则是：1)当计算出的储水设备出口余氯浓度小于人为设置的安全浓度时；2)接收到从外部强制控制器发来的强制开启紫外线消毒器的控制信号指令时。
8.如权利要求1或2或4或5所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器发出关闭紫外线消毒器控制信号指令的规则是：1)在紫外线消毒器开启后，当计算出的储水设备出口余氯浓度在连续一段时间内都大于等于人为设置的安全浓度时；2)当接收到从外部强制控制器发来的强制关闭紫外线消毒器的控制信号指令时。
9.如权利要求3所述的一种基于智能算法进行控制的二次供水紫外线消毒系统，其特征在于，智能控制器发出关闭紫外线消毒器控制信号指令的规则是：1)在紫外线消毒器开启后，当计算出的储水设备出口余氯浓度在连续一段时间内都大于等于人为设置的安全浓度时；2)当接收到从外部强制控制器发来的强制关闭紫外线消毒器的控制信号指令时。
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