CN112119220A - 用于识别废水泵送站中的操作情形的监测模块和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于识别废水泵送站中的操作情形的监测模块(13)，该废水泵送站具有布置成将废水从废水坑(1)泵出到管道(11)中的至少一个泵(9a、9b)，其中，该监测模块(13)被配置为处理指示所述至少一个泵(9a、9b)如何操作的至少一个依赖于负荷的泵变量、以及指示废水如何流过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的至少一个基于型号的管道参数，并且其中，该监测模块被配置为通过根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，所述至少一个第一标准基于所述至少一个依赖于负荷的泵变量、所述至少一个第二标准基于所述至少一个基于型号的管道参数。

Description

用于识别废水泵送站中的操作情形的监测模块和方法

技术领域

本公开大体上涉及监测模块和用于识别废水泵送站中的操作情形(operatingscenario)的方法。特别地，这样的操作情形可能是故障操作，例如泵故障或堵塞、管道堵塞或泄漏。

背景技术

用于废水处理厂的污水或废水收集系统通常包括一个或多个用于临时收集和缓冲废水的废水坑、水井或污水坑。通常，废水在重力流作用下被动地流入此类坑中和/或通过力源被主动地驱动。通常，一个、两个或更多个泵安装在每个坑中或每个坑处，以将废水泵出坑。如果在一定的时间段内废水的流入量大于流出量，则废水坑或污水坑最终将溢出。应尽可能避免此类溢出，以避免对环境的影响。因此，应尽可能快速地识别任何泵故障或堵塞、管道堵塞、泄漏或其他类型的故障操作情形，以使维护人员能够采取相应的措施，例如尽可能快速地进行清洁、维修或更换。

US 8,594,851 B1描述了一种废水处理系统和一种用于减少在废水处理设施的操作中使用的能量的方法。

对于已知的废水泵送站管理系统来说，挑战是可靠地识别某个问题的原因，以便为操作者或维护人员提供清楚的指示，以采取适当的措施，例如何处或什么部分需要进行清洁、维修或更换。

发明内容

与已知的系统相反，本公开的实施例提供了一种用于通过更具体和更可靠的信息来识别操作情形的监测模块和方法。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于识别废水泵送站中的操作情形的监测模块，该废水泵送站具有布置成将废水从废水坑泵出到管道中的至少一个泵，其中，该监测模块被配置为处理指示至少一个泵如何操作的至少一个依赖于负荷的泵变量、以及指示废水如何流过管道和/或至少一个泵的至少一个基于型号的管道参数，并且其中监测模块被配置为通过根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，该至少一个第一标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量，该至少一个第二标准基于至少一个基于型号的管道参数。

成组的预定义的操作情形可以包括故障和/或非故障操作情形。例如，故障操作情形可能是泵下游的管道堵塞、至少一个泵中的一个或多个堵塞、至少一个泵中的一个或多个的止回阀中的泄漏、和/或至少一个泵中的一个或多个与管道之间的连接中的泄漏。至少两个标准的组合可以由监测模块解释为“情形特征(scenario signature)”，至少两个标准中的第一个标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量，至少两个标准中的第二个标准基于至少一个基于型号的管道参数。

可选地，成组的操作情形可以在选择矩阵中进行预定义，该选择矩阵明确地将每个操作情形与至少一个第一标准和至少一个第二标准的唯一组合相关联。例如，在废水泵送站仅具有一个泵的情况下，可以基于两个标准的组合来识别三种不同的操作情形，如下所示：

在具有两个或更多个泵的废水泵送站的情况下，每个泵的第一标准可以用于更精细地在例如特定泵被堵塞或泵连接泄漏的操作情形之间进行区分。可以基于两个标准的组合来识别三种不同的操作情形，如下所示：

在具有两个或更多个泵的废水泵送站的情况下，只要一个泵足以将足够的废水从废水坑泵出到管道中，那么通常一次只运行一个泵。为了均匀地分配运行时间和磨损，泵可以轮流运行。与同时操作所有或几个泵相反，总的运行时间、以及由此磨损、以及总的能耗可以减少。仅在高流入量(例如，大雨事件)时间期间需要更大的泵功率的情况下，所有或几个泵可能同时运行，以防止溢出。为了一次仅一个泵的交替正常运行，可以为每个泵安装止回阀，以防止主动泵将废水通过被动泵泵送回废水坑。在例如基于如下的另一个基于型号的管道参数使用另一第二标准的情况下，被动泵的这种止回阀中的泄漏可能与主动泵的泵连接中的泄漏具有不同的情形特征：

可选地，至少一个依赖于负荷的泵变量可以包括至少一个泵的比能耗E_sp。存在不同的方法来确定至少一个泵的比能耗E_sp。例如，比能耗E_sp可以由E_sp＝E/V定义，其中，E是在限定的时间段期间至少一个泵消耗的平均能量，V是在所述限定的时间段期间至少一个泵泵送的废水的体积。平均能耗可以通过在泵启动之后的延迟时段结束和泵停止之间的时间t上对当前功耗P(t)进行积分或求和来确定：

类似地，泵送的废水的体积可以通过对同一时间段内的当前流量q(t)进行积分或求和来确定：

延迟时段可能有助于跳过在泵启动后的高波动的初始时段。监测模块可以与泵无线地信号连接或经由电缆与泵信号连接，以接收指示功耗或能耗的信号。此外，监测模块可以与流量传感器无线地信号连接或经由电缆与流量传感器信号连接，以接收指示通过管道的流量的信号。

至少一个泵的当前比能耗E_sp(t)可以由E_sp(t)＝P(t)/q(t)来定义，其中，P(t)是至少一个泵的当前功耗，q(t)是由至少一个泵泵送的废水的当前流量。当前比能耗E_sp(t)可以被监测作为至少一个依赖于负荷的泵变量，以替代上述平均比能耗E_sp。如果当前比能耗E_sp(t)对于关于其的至少一个第一标准波动太大，则可以应用低通滤波，如本文稍后所说明的。即使在为每个泵循环平均的比能耗E_sp的情况下，它也会在泵循环之间波动很大，以至于低通滤波可能是有利的。

由于流量计可能相当昂贵并且可能需要定期维护，因此优选的可能是，基于测量的压力差Δp和功耗P估计通过泵的废水流出量q。例如，通过泵的废水流出量q可以通过

其中，s是处于运行中的泵的数量，ω是泵速(例如，常数)，Δp是测量的压力差，P是处于运行中的泵的功耗，而λ₀、λ₁、λ₂和λ₃是泵制造商已知的或通过校准确定的泵参数。因此，监测模块可以与压力传感器无线地信号连接或经由电缆与压力传感器信号连接，该压力传感器位于泵处或下游，以接收指示压力差Δp的信号。因此，可选地，监测模块可以被配置为接收至少一个泵的出口处或出口下游的测量的压力p_m。替代地或附加地，监测模块可以被配置成接收通过管道的测量的流量q_m或处理通过泵的估计的废水流量q_e。

重要的是要注意，“情形特征”可能取决于是否测量了通过管道的流量q或估计了通过泵的流量q。例如，当测量通过管道的流量q时，泵连接或止回阀中的泄漏可能导致比能耗E_sp上升。但是，如果估计通过泵的流量q，则比能耗E_sp可能下降。因此，监测模块可以被配置为根据是测量了通过管道的流量q还是估计了通过泵的流量q来应用至少两个预定义的选择矩阵之一。至少两个选择矩阵中的每一个明确地将每个操作情形与至少一个第一标准和至少一个第二标准的唯一组合相关联。

可选地，至少一个基于型号的管道参数之一可以是管道型号多项式p＝Aq²+B中的管道堵塞参数A，其中，p是至少一个泵的出口处或出口下游的压力，q为通过管道和/或至少一个泵的废水流量，B是零流量补偿参数(offset parameter)。零流量补偿参数B可以是至少两个基于型号的管道参数中的第二个，其中，管道堵塞参数A可以是至少两个基于型号的管道参数中的第一个。

替代地或附加地，至少一个基于型号的管道参数之一可以是在至少一个泵的出口处或出口下游的测量的压力p_m与根据管道型号多项式p_e＝Aq²+B的估计的压力p_e之间的残差r＝p_m-p_e＝p_m-Aq²-B，其中A是管道的管道堵塞参数，q为通过管道和/或至少一个泵的废水流量，B是零流量补偿参数。残差r可被视为管道型号测试参数。如果残差r与零的偏差大于某个阈值(例如，100Pa)，则可以满足至少一个第二标准之一，否则不能满足。这样满足的第二标准可能意味着“型号不匹配”，表明管道堵塞，而未满足的第二标准可能意味着“型号匹配”，表明泵存在问题而不是管道堵塞。如上所述，当估计通过泵的流量时，泵连接或止回阀中的泄漏可能显示型号不匹配，但是如果测量通过管道的流量q，则该型号匹配。

可选地，监测模块可以被配置为在分别根据至少一个第一标准和/或第二标准选择操作情形之前，将低通滤波应用于至少一个依赖于负荷的泵变量和/或至少一个基于型号的管道参数。这非常有助于应对依赖于负荷的泵变量(例如，比能耗E_sp)和/或管道参数(例如，管道堵塞参数A或残差r)的波动。

例如，监测模块可以被配置为顺序地处理至少一个依赖于负荷的泵变量的多个样本，其中，至少一个第一标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量的实际样本和过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降到低于预定最小值。这样的低通滤波可以遵循所谓的迭代CUSUM(累积和)算法，例如：

S_up(i+1)＝max[0，S_up(i)+G_up(x-nσ)]

S_down(i+1)＝max[0，S_down(i)-G_down(x-nσ)],

其中，S_up和S_down是使用测试变量x对偏差进行求和的决策变量。例如，测试变量x可以被限定为第i个泵循环中的比能耗与平均比能耗

的偏差，即

平均比能耗

可以是预定义值，或者也可以是在正常无故障运行期间的几个先前的泵循环中统计确定的值。例如，识别非故障操作情形以统计确定平均比能耗

可能是有用的。取决于x的方差，可以通过增益参数G_up和G_down来调整决策变量。可以为决策变量抑制标准差σ的低于特定数n(例如，n＝1、2或3)的波动。类似于平均比能耗

标准差σ可以在正常无故障运行期间的几个先前的泵循环中统计确定。

基于比能耗E_sp的至少一个第一标准中的第一个第一标准可以是决策变量S_up是高于还是低于警报阈值，其指示比能耗E_sp正在上升。基于比能耗E_sp的至少一个第一标准中的第二个第一标准可以是决策变量S_down是高于还是低于警报阈值，其指示比能耗E_sp正在下降。与流量计测量的流量相比，基于泵的压力和功耗对通过泵的流量进行估计不仅具有节省流量计的优点，而且还具有在泵连接或止回阀泄漏的情况下，情形特征不同的优点。在这些情况下，如果估计通过泵的流量，则比能耗E_sp将下降。如果测量通过管道的流量，则在管道堵塞、泵故障/堵塞以及泵连接件或止回阀泄漏的情况下，比能耗E_sp将上升。在废水泵送站具有m≥2个泵，每个泵有两个第一标准的情况下，即，2乘以m个第一标准来识别操作情形。

在根据至少一个第二标准选择操作情形之前，类似的低通滤波可以应用于至少一个基于型号的管道参数。因此，可选地，监测模块可以被配置为顺序地处理至少一个基于型号的管道参数的多个样本，其中，至少一个第二标准基于至少一个基于型号的管道参数的实际样本与过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降为低于预定最小值。

例如，管道堵塞参数A的变化可以通过决策变量S_up和S_down来监控，其中测试变量x被限定为第i个泵循环中管道堵塞参数A与平均管道堵塞参数

的偏差，即

卡尔曼滤波器可用于计算管道堵塞参数的平均值和方差。作为替代或附加地，用于测试管道型号是否仍与实际匹配的残差r可以用作测试变量x，即x＝r。在这种情况下，组合的决策变量S＝S_up+S_down可用于指示型号不匹配，因为无需区分向上向下波动。

可选地，监测模块可以被配置为处理至少两个基于型号的管道参数中的第一个和作为至少两个基于型号的管道参数中的第二个的零流量补偿参数，其中，负流量参数指示至少一个泵停止时废水如何流过管道和/或至少一个泵，其中监测模块可被配置为通过进一步根据至少一个第三标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，该至少一个第三标准基于负流量参数。可选地，负流量参数可以表示为管道型号多项式p＝Aq²+B中零流量补偿参数B的衰减，其中，p是至少一个泵的出口处或出口下游的压力，q是通过管道和/或至少一个泵的废水流量，A是管道堵塞参数。

替代地或附加地，负流量参数可以是例如通过止回阀或泵连接之一的泄漏流量，在至少一个泵停止的情况下，其将逐渐导致压力衰减。这可以通过

来表示，其中，D是管道的横截面积，

是泵出口处的压力随时间的变化，q是泄漏流量。根据托里拆利(Toricelli)定律，泄漏流量可以通过

来计算，其中K是常数，ρ是废水的密度，p是在泵出口处测量的压力，h是废水在静水压力传感器上方的高度，该静水压力传感器用于在坑的底部进行水平测量，Δp₀是泵出口和坑的底部之间的大地高程(geodetic elevation)差的静水压力。这导致了如下的微分方程

其可由离散测试样本i近似如下：

因此可针对假设H₀和H₁(其中H₀:γ＝0，H₁:γ≠0)测试决策变量

作为第三标准。如果不能拒绝假设H₀，则止回阀中可能存在泄漏。如果决策变量γ高于阈值(例如，0.1)，则假设H₀可以被拒绝。第三标准的阈值可以被调整为在对于泄漏的敏感性与误警报率之间的可接受的折衷。

根据本公开的第二方面，类似于上述监测模块，提供了一种用于识别废水泵送站中的操作情形的方法，该废水泵送站具有布置成将废水从废水坑泵出到管道中的至少一个泵，其中，该方法包括：

-处理指示至少一个泵如何操作的至少一个依赖于负荷的泵变量、以及指示废水如何流过管道和/或至少一个泵的至少一个基于型号的管道参数，以及

-根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来，该至少一个第一标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量，该至少一个第二标准基于至少一个管道参数。

可选地，成组的操作情形可以在选择矩阵中进行预定义，该选择矩阵明确地将每个操作情形与至少一个第一标准和至少一个第二标准的唯一组合相关联。

可选地，至少一个依赖于负荷的泵变量可以是至少一个泵的比能耗E_sp。

可选地，至少一个泵的比能耗比能耗E_sp可以由E_sp＝E/V定义，其中，E是在限定的时间段内消耗的平均能量，V是在所述限定的时间段内至少一个泵泵送的废水的体积。

可选地，至少一个泵的比能耗E_sp可以由E_sp＝P/q定义，其中，P是功耗，q是由至少一个泵泵送的废水的流量。

可选地，至少一个基于型号的管道参数可以是管道型号多项式p＝Aq²+B中的管道堵塞参数A，其中，p是至少一个泵的出口处或出口下游的压力，q为通过管道和/或至少一个泵的废水流量，B是零流量补偿参数。

可选地，至少一个基于型号的管道参数可以是在至少一个泵的出口处或出口下游的测量的压力p_m与根据管道型号多项式p_e＝Aq²+B的估计的压力p_e之间的残差r＝p_m-p_e＝p_m-Aq²-B，其中，A是管道的管道堵塞参数，q为通过管道和/或至少一个泵的废水流量，B是零流量补偿参数。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：接收至少一个泵的出口处或出口下游的测量的压力p_m。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：接收测量的流量q_m或处理通过至少一个泵的估计的废水流量q_e。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：在分别根据至少一个第一标准和/或第二标准选择操作情形之前，将低通滤波应用于至少一个依赖于负荷的泵变量和/或至少一个基于型号的管道参数。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：顺序地处理至少一个依赖于负荷的泵变量的多个样本，其中，至少一个第一标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量的实际样本和过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降到低于预定最小值。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：顺序地处理至少一个基于型号的管道参数的多个样本，其中，至少一个第二标准基于至少一个基于型号的管道参数的实际样本与过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降为低于预定最小值。

可选地，该方法还可以包括以下步骤：

-处理至少两个基于型号的管道参数中的第一个，

-处理作为至少两个基于型号的管道参数中的第二个的负流量参数，其中，该负流量参数指示至少一个泵停止时废水如何流过管道和/或至少一个泵，以及

-通过进一步根据至少一个第三标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形，该至少一个第三标准基于负流量参数。

上述监测模块和/或上述方法的一些或所有步骤可以以已编译或未编译软件代码的形式实现，已编译或未编译软件代码存储在计算机可读介质上，具有用于执行该方法的指令。替代地或附加地，一些或所有方法步骤可以由基于云的系统中的软件执行，特别是监测模块可以部分或完全地在计算机和/或基于云的系统中实现。

附图说明

现在将参考以下附图以示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1示出了具有两个泵的废水泵送站的废水坑的示意性剖视图，其中，废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图2示出了废水泵送站链的示意图，其中，每个废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图3示出了废水泵送站的两个泵中的每一个的比能耗E_sp随时间的示意图，该废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图4示出了废水泵送站的两个泵中的每一个的比能耗E_sp和关联的决策变量S_up随时间的示意图，该废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图5示出了废水泵送站的两个泵中的每一个的示意性pq图，该废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图6示出了废水泵送站的管道的残差r和关联的决策变量S随时间的示意图，该废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图7示出了废水泵送站的两个泵中的每一个的压力和关联的决策变量γ随时间的示意图，该废水泵送站与根据本公开的监测模块的示例连接；

图8示出了由根据本公开的监测模块的示例应用的选择矩阵的第一示例；以及

图9示出了由根据本公开的监测模块的示例应用的选择矩阵的第二示例；

具体实施方式

图1示出了废水泵送站的废水坑1。废水坑1具有一定的高度H，并且可以通过流入端口3填充。废水的当前水平表示为h，并且可以借助于位于废水坑1底部的水平传感器5(例如，静水压力传感器)和/或超声波测距仪连续地或定期地监测，该超声波测距仪用于通过检测由废水表面反射的超声波来确定坑1中的废水的表面位置。替代地或附加地，废水坑1可以在一个或多个预定水平处配备有一个或多个光电传感器或其他种类的传感器，以简单地指示废水是否已经达到相应的预定水平。

废水泵送站还包括靠近废水坑1的底部的流出端口7，其中，流出端口7与两个泵9a、9b流体连接，用于将废水从废水坑泵入管道11中。如图1所示，泵9a、9b可以布置在废水坑1的外部或以潜水泵的形式浸入废水坑1的底部。每个泵9a、9b处或之后的止回阀10a、10b可以防止泵9a、9b中的一个空转而泵9b、9a中的另一个运行时的回流。监测模块13被配置为识别操作情形并在输出装置27上输出相应的信息和/或警报。输出装置27可以是移动或固定装置上的显示器和/或扬声器，以使操作者注意到作为信息和/或警报的视觉和/或听觉信号。

图2示出了通过相应的管道11连接的废水泵送站的链，通过该管道11，较低水平的废水泵送站能够克服重力将废水泵送到下一个较高水平的废水泵送站。每个废水泵送站可以由监测模块13监测，以便识别操作情形。

监测模块13被配置为通过根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，该至少一个第一标准基于至少一个依赖于负荷的泵变量，该至少一个第二标准基于至少一个基于型号的管道参数。为此，如图1所示，监测模块13与泵9a、9b的功率电子器件和/或废水泵送站的泵9a、9b中的功率传感器信号连接，以经由有线或无线信号连接15接收指示每个泵9a、9b的功耗的功率信号。根据废水泵送站中哪些传感器可用，图1中示出了监测模块13和可用传感器之间的另外的信号连接作为可以单独实现也可以与其他一个或两个其他选项组合实现的选项。第一选项是与在泵9a处或泵9a下游的压力传感器19的有线或无线信号连接17。第二选项是与水平传感器5的有线或无线信号连接21。第三选项是与在泵9a处或泵9a下游的流量计25的有线或无线信号连接23。信号连接15、17、21、23可以是单独的通信信道，也可以组合在公共通信信道或总线中。监测模块13被配置为经由信号连接15、17、23接收相应的压力、功率和/或流量信号，并且相应地处理至少一个取决于负载的泵变量和至少一个基于型号的管道参数，该至少一个取决于负载的泵变量指示泵9a、9b如何运行，该至少一个基于型号的管道参数指示废水如何流过管道11和/或泵9a、9b。

至少一个依赖于负荷的泵变量可以是两个泵9a、9b中的每一个的比能耗E_sp。存在不同的方法来确定每一个泵的比能耗E_sp。例如，一个泵的比能耗E_sp可以由E_sp＝E/V定义，其中，E是在限定的时间段内所述泵消耗的平均能量，V是在所述限定的时间段内所述泵泵送的废水的体积。平均能耗可以通过在泵启动之后的延迟时段结束和泵停止之间的时间t上对当前功耗P(t)进行积分或求和来确定：

类似地，泵送的废水的体积可以通过对同一时间段内的当前流量q(t)进行积分或求和来确定：

替代地或附加地，两个泵中的每一个的当前比能耗E_sp(t)可以由E_sp(t)＝P(t)/q(t)来限定，其中，P(t)是所述泵的当前功耗，q(t)是由所述泵泵送的废水的当前流量。如果当前比能耗E_sp(t)对于其上的至少一个第一标准波动太大，则可以应用低通滤波，如本文稍后所说明的。即使在针对每个泵循环均被平均的比能耗E_sp的情况下，它也会在泵循环之间波动很大，以至于低通滤波可能是有利的。

为了将每个泵的比能耗E_sp作为与负载相关的泵变量进行处理，监测模块13首先经由信号连接15接收指示每个泵9a、9b的功耗的功率信号，其次，经由信号连接17接收来自压力传感器19的压力信号和/或经由信号连接23接收来自流量计25的流量信号。由于流量计可能相当昂贵并且可能需要定期维护，因此优选的可能是，基于压力信号和功率信号来估计通过泵9a、9b的废水的流量q。例如，通过泵9a、9b的废水的流量q可以通过

来估计，其中，s是处于运行中的泵的数量，ω是泵速(例如，常数)，Δp是测量的压力差，P是处于运行中的泵的功耗，而λ₀、λ₁、λ₂和λ₃是泵制造商已知的或通过校准确定的泵参数。

图3示出了运行三天中每个泵循环的比能耗E_sp的样本。每个数据点代表一个泵循环中平均的比能耗E_sp。通常，在正常无故障操作期间，在一泵循环期间，一次仅泵9a、9b之一处于活动状态，并且它们被轮流使用(即，以交替的顺序使用)以在泵9a、9b之间均匀地分配工作时间和对应的磨损。图3示出了在这三天中，第一泵9a平均比第二泵9b具有更高的比能耗E_sp。可以看出，两个泵9a、9b的比能耗E_sp在各自的平均比能耗

(由水平线表示)附近波动。

在图4所示的曲线图中更好地看到了波动，其中左上方的曲线图示出了第一泵9a的比能耗E_sp，而右上方的曲线图示出了第一泵9a的比能耗E_sp。为了改善对操作情形的识别并减少错误识别的比率，监测模块13被配置为将低通滤波应用于至少一个与负载相关的泵变量。这非常有助于应对比能耗E_sp的波动。因此，对于每个泵9a、9b，监测模块被配置为顺序地处理多个比能耗E_sp的样本，并确定比能耗E_sp的实际样本与过去样本的平均值之间的偏差的累积和。这样的低通滤波可以遵循所谓的迭代CUSUM(累积和)算法，例如：

S_up(i+1)＝max[0，S_up(i)+G_up(x-nσ)]

S_down(i+1)＝max[0，S_down(i)-G_down(x-nσ)],

其中，S_up和S_down是使用测试变量x对偏差进行求和的决策变量。例如，测试变量x可以被限定为第i个泵循环中的比能耗与平均比能耗

的偏差，即

平均比能耗

可以是预定义值，或者也可以是在正常无故障运行期间的几个先前的泵循环中统计确定的值。例如，识别非故障操作情形以统计确定平均比能耗

可能是有用的。取决于x的方差，可以通过增益参数G_up和G_down来调整决策变量。可以为决策变量抑制标准差σ的低于特定数n(例如，n＝1、2或3)的波动。类似于平均比能耗

标准差σ可以在正常无故障运行期间的几个先前的泵循环中统计确定。图4的左下曲线图示出了第一泵9a的决策变量S_up，图4的右下曲线图示出第二泵9b的决策变量S_up。可以看出，决策变量S_up对波动具有更高的鲁棒性。基于比能耗E_sp的至少一个第一标准的第一个第一标准可以是决策变量S_up是高于还是低于警报阈值(例如，0.8)，表明比能耗E_sp正在上升。基于比能耗E_sp的至少一个第一标准的第二个第一标准可以是决策变量S_down是高于还是低于警报阈值(例如，0.8)，表明比能耗E_sp正在下降。尽管波动有时高于n·σ，但是在图4所示的示例中尚未达到0.8的警报阈值，使得这里不能满足第一标准。一旦达到0.8的警报阈值并满足第一标准，则当决策变量S_up再次降至低于处于0.2的警报重置阈值时，处于0.2的警报重置阈值有助于将第一标准重置为“未满足”。因此，实现了磁滞效应，以减少错过短期操作情形的风险。

图5示出了两个泵9a、9b中的每一个的示意性pq图。类似于图3，每个数据点代表一个泵循环中的流量q和压力q。两个数据点云中的每一个对应于泵9a、9b中的一个，在这种情况下，泵9a、9b具有不同的性能。拟合到数据点上的抛物线表示特征为管道型号多项式p＝Aq²+B的管道型号，其中，A是管道堵塞参数，p是在至少一个泵的出口处或出口下游测量的压力，q是通过管道11和/或泵9a、9b的废水流量，B是零流量补偿参数。管道堵塞参数A和/或零流量补偿参数B可用作用于至少一个第二标准的基于型号的管道参数。

然而，为了应对波动，可以在根据至少一个第二标准来选择操作情形之前，将针对比能耗E_sp的上述类似的低通滤波应用于基于型号的管道参数A、B。例如，管道堵塞参数A的变化(evolvement)可以通过决策变量S_up和S_down来监控，其中测试变量x被限定为第i个泵循环中管道堵塞参数A与平均管道堵塞参数

的偏差，即

卡尔曼滤波器可用于计算管道堵塞参数的平均值和方差。

替代地或附加地，如图6所示，至少一个基于型号的管道参数之一可以是在至少一个泵的出口处或出口下游的测量的压力p_m与根据管道型号多项式p_e＝Aq²+B的估计的压力p_e之间的残差r＝p_m-p_e＝p_m-Aq²-B，其中A是管道的管道堵塞参数，q为通过管道和/或至少一个泵的废水流量，B是零流量补偿参数。残差r可被视为管道型号测试参数。如果残差r与零的偏差大于某个阈值(例如，100Pa)，则可以满足至少一个第二标准之一，否则不能满足。这样满足的第二标准可能意味着“型号不匹配”，而未满足的第二标准可能意味着“型号匹配”。由于残差r也显著地波动，因此可以在根据至少一个第二标准来选择操作情形之前，对残差r应用针对比能耗E_sp的如上所述的类似的低通滤波。在上述的CUSUM算法中，用于测试管道型号是否仍与实际匹配的残差r可以用作测试变量x，即x＝r。在这种情况下，如图6下部曲线图所示，组合的决策变量S＝S_up+S_down可用于指示型号不匹配，因为无需区分向上向下波动。

图7在上部曲线图中示出了用于第三标准的在两个泵循环上的压力p，该第三标准可被应用以选择操作情形。作为第三标准的基础的负流量参数可以是通过止回阀10a、10b之一的泄漏流量，当至少一个泵9a、9b停止时，该泄漏流量将逐渐导致压力衰减。这可以通过

来表示，其中，D是管道的横截面积，

是泵出口处的压力随时间的变化，q是泄漏流量。根据托里拆利(Toricelli)定律，泄漏流量可以通过

来计算，其中K是常数，ρ是废水的密度，p是在泵出口处测量的压力，h是在水平传感器5上方的废水的高度，Δp₀是泵出口和水平传感器5之间的大地高程差的静水压力。这导致了如下的微分方程

其可由离散测试样本i近似如下：

因此，如图7的下部曲线所示，可以针对假设H₀和H₁测试决策变量

其中H₀:γ＝0，H₁:γ≠0。只要假设H₀被拒绝，那么止回阀10a、10b可能没有泄漏，如图7所示。在决策变量γ低于阈值(例如，0.1)的情况下，假设H₀不能被拒绝并且识别出止回阀10a、10b中的泄漏。该阈值可以被调整为在对于止回阀10a、10b之一中的泄漏的敏感性与误警报率之间的可接受的折衷。

图8和图9通过选择矩阵示出了如何通过根据四个基于比能耗E_sp的第一标准(选择矩阵的第1列至第4列)、一个基于残差r的第二标准(选择矩阵的第5列)和一个基于负流量参数的决策变量γ的第三标准(第6列)来从成组的七个预定义的操作情形(选择矩阵中的七行)中选择操作情形来识别操作情形。

图8和图9中的每个选择矩阵明确地将每个操作情形与四个第一标准、第二标准和第三标准的唯一组合相关联。矩阵中的“x”表示满足该列的标准。图8和图9中选择矩阵之间的差异为：当估计通过泵的流量q时，应用图8的选择矩阵；当测量通过管道的流量q时，应用图9的选择矩阵。这是因为“情形特征”取决于是否测量了通过管道的流量q或估计了通过泵的流量q。例如，当测量通过管道的流量q时，泵连接中的泄漏或止回阀10a、10b中的泄漏可能导致比能耗E_sp上升。但是，如果估计通过泵的流量q，则比能耗E_sp可能下降。因此，监测模块可以被配置为根据是测量通过管道的流量q还是估计通过泵的流量q来应用图8和图9的两个预定义的选择矩阵之一。与流量计25测量流量q相比，基于泵9a、9b的压力p和功耗P对通过泵9a、9b的流量进行估计不仅具有节省流量计25的优点，而且还具有在泵连接或止回阀10a、10b泄漏的情况下，情形特征不同的优点。在这些情况下，如果估计通过泵的流量，则比能耗E_sp会下降。如果测量通过管道11的流量，则在管道堵塞、泵故障/堵塞以及泵连接件或止回阀泄漏的情况下，比能耗E_sp将上升。所应用的标准的数量可以多确定(overdetermine)一个或多个选择情形，这可以提供有益的冗余，以便以较低的误识别率更好地在操作情形之间进行区分。

其中，在上述描述中，提及的整体或元素具有已知的、明显的或可预见的等同物，这样的等同物被包括在本文中，就如同在此单独阐述的那样。为了确定本公开的真正范围，应参照权利要求书，应认为本公开的真正范围包括了任何这种等同物。读者还将认识到，被描述为可选、优选、有利、方便等的本公开的整体或特征是可选的，它们并不限制独立权利要求的范围。

上面的实施例被理解为本公开的说明性示例。应理解的是，关于任何一个实施例描述的任何特征可单独使用或与描述的其它特征组合使用，并且还可与任何其它实施例的一个或更多个特征或任意其它实施例的任意组合组合使用。虽然已示出并描述了至少一个示例性实施例，应理解的是，对于本领域普通技术人员而言，其它修改、替换和替代方案是显而易见的，并且可以在不脱离本文描述的主题的范围的情况下做出改变，并且本申请意在涵盖本文所讨论的具体实施例的任意改编或变型。

此外，"包括"不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。此外，已参照上面的示例性实施例中的一个描述的特性或步骤还可与上面描述的其它示例性实施例的其它特性或步骤组合使用。方法步骤可以按任意顺序或并行地应用，或者可组成另一方法步骤的一部分或更详细的版本。应该理解的是，在本文所批准的专利的范围内应该包含所有这些合理且适当的修改，它们都落在本领域的贡献的范围内。这些修改、替换和替代方案可在不偏离本公开的精神和范围的情况下作出，本公开的精神和范围应从所附权利要求和它们的法律等同范围中确定。

参考标记列表：

1 废水坑

3 流入端口

5 水平传感器

7 流出端口

9a，9b 泵

10a，10b 止回阀

11 管道

13 监测模块

15 压力传感器和监测模块之间的信号连接

17 压力传感器和监测模块之间的信号连接

19 压力传感器

21 水平传感器和监测模块之间的信号连接

23 流量传感器和监测模块之间的信号连接

25 流量传感器

Claims (26)

1.一种用于识别废水泵送站中的操作情形的监测模块(13)，所述废水泵送站具有布置成将废水从废水坑(1)泵出到管道(11)中的至少一个泵(9a、9b)，其中，所述监测模块(13)被配置为处理指示所述至少一个泵(9a、9b)如何操作的至少一个依赖于负荷的泵变量、以及指示废水如何流过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的至少一个基于型号的管道参数，并且其中，所述监测模块被配置为通过根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，所述至少一个第一标准基于所述至少一个依赖于负荷的泵变量，所述至少一个第二标准基于所述至少一个基于型号的管道参数。

2.根据权利要求1所述的监测模块(13)，其中，所述成组的操作情形在选择矩阵中被预定义，所述选择矩阵明确地将每个操作情形与所述至少一个第一标准和所述至少一个第二标准的唯一组合相关联。

3.根据权利要求1或2所述的监测模块(13)，其中，所述至少一个取决于负载的泵变量包括所述至少一个泵(9a、9b)的比能耗E_sp。

4.根据权利要求3所述的监测模块(13)，其中，所述至少一个泵(9a、9b)的比能耗E_sp由E_sp＝E/V定义，其中，E是在限定的时间段期间所述至少一个泵消耗的平均能量，V是在所述限定的时间段期间所述至少一个泵泵送的废水的体积。

5.根据权利要求3所述的监测模块(13)，其中，所述至少一个泵的比能耗E_sp由E_sp＝P/q定义，其中，P是所述至少一个泵的能耗，q是所述至少一个泵泵送的废水的流量。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的监测模块(13)，其中，所述至少一个基于型号的管道参数之一是管道型号多项式p＝Aq²+B中的管道堵塞参数A，其中，p是所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的压力，q是通过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的废水流量，B是零流量补偿参数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的监测模块(13)，其中，所述至少一个基于型号的管道参数之一是在所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的测量的压力p_m与根据管道型号多项式p_e＝Aq²+B的估计的压力p_e之间的残差r＝p_m-p_e＝p_m-Aq²-B，其中A是管道堵塞参数，q为通过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的废水流量，B是零流量补偿参数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为接收所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的测量的压力p_m。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为接收通过管道(11)的测量的流量q_m或处理通过所述至少一个泵(9a、9b)的估计的废水流量q_e。

10.根据前述权利要求中任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为在分别根据所述至少一个第一标准和/或所述至少一个第二标准选择操作情形之前，将低通滤波应用于所述至少一个依赖于负荷的泵变量和/或所述至少一个基于型号的管道参数。

11.根据前述权利要求中任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为顺序地处理所述至少一个依赖于负荷的泵变量的多个样本，其中，所述至少一个第一标准基于所述至少一个依赖于负荷的泵变量的实际样本和过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降到低于预定最小值。

12.根据前述权利要求中任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为顺序地处理所述至少一个基于型号的管道参数的多个样本，其中，所述至少一个第二标准基于所述至少一个基于型号的管道参数的实际样本与过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降为低于预定最小值。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的监测模块(13)，其中，所述监测模块(13)被配置为处理至少两个基于型号的管道参数中的第一个和作为所述至少两个基于型号的管道参数中的第二个的负流量参数，其中，所述负流量参数指示在所述至少一个泵(9a、9b)停止的情况下废水如何流过管道和/或所述至少一个泵(9a、9b)，其中，所述监测模块(13)被配置为通过进一步根据至少一个第三标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形来识别废水泵送站中的操作情形，所述至少一个第三标准基于所述负流量参数。

14.一种用于识别废水泵送站中的操作情形的方法，所述废水泵送站具有布置成将废水从废水坑(1)泵出到管道(11)中的至少一个泵(9a、9b)，其中，所述方法包括：

-处理指示所述至少一个泵(9a、9b)如何操作的至少一个依赖于负荷的泵变量、以及指示废水如何流过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的至少一个基于型号的管道参数，以及

-根据至少一个第一标准和至少一个第二标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形，所述至少一个第一标准基于所述至少一个依赖于负荷的泵变量，所述至少一个第二标准基于所述至少一个基于型号的管道参数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成组的操作情形在选择矩阵中被预定义，所述选择矩阵明确地将每个操作情形与所述至少一个第一标准和所述至少一个第二标准的唯一组合相关联。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述至少一个取决于负载的泵变量包括所述至少一个泵(9a、9b)的比能耗E_sp。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个泵(9a、9b)的比能耗E_sp由E_sp＝E/V定义，其中，E是在限定的时间段期间消耗的平均能量，V是在所述限定的时间段期间所述至少一个泵(9a、9b)泵送的废水的体积。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个泵(9a、9b)的比能耗E_sp由E_sp＝P/q定义，其中，P是能耗，q是所述至少一个泵(9a、9b)泵送的废水的流量。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，其中，所述至少一个基于型号的管道参数之一是管道型号多项式p＝Aq²+B中的管道堵塞参数A，其中，p是所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的压力，q为通过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的废水流量，B是零流量补偿参数。

20.根据权利要求14至19中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个基于型号的管道参数之一是在所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的测量的压力p_m与根据管道型号多项式p_e＝Aq²+B的估计的压力p_e之间的残差r＝p_m-p_e＝p_m-Aq²-B，其中A是管道堵塞参数，q为通过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)的废水流量，B是零流量补偿参数。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，还包括：接收所述至少一个泵(9a、9b)的出口处或出口下游的测量的压力p_m。

22.根据权利要求14至21中的任一项所述的方法，还包括：接收通过所述管道的测量的流量q_m或处理通过所述至少一个泵(9a、9b)的估计的废水流量q_e。

23.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，还包括在分别根据所述至少一个第一标准和/或所述至少一个第二标准选择操作情形之前，将低通滤波应用于所述至少一个依赖于负荷的泵变量和/或所述至少一个基于型号的管道参数。

24.根据权利要求14至22中的任一项所述的方法，还包括：顺序地处理所述至少一个依赖于负荷的泵变量的多个样本，其中，所述至少一个第一标准基于所述至少一个依赖于负荷的泵变量的实际样本和过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降到低于预定最小值。

25.根据权利要求14至23中的任一项所述的方法，还包括：顺序地处理所述至少一个基于型号的管道参数的多个样本，其中，所述至少一个第二标准基于所述至少一个基于型号的管道参数的实际样本与过去样本的平均值之间的偏差的累积和是否超过预定最大值或下降为低于预定最小值。

26.根据权利要求14至24中任一项所述的方法，还包括

-处理至少两个基于型号的管道参数中的第一个，

-处理作为所述至少两个基于型号的管道参数中的第二个的负流量参数，其中，所述负流量参数指示在所述至少一个泵(9a、9b)停止的情况下废水如何流过管道(11)和/或所述至少一个泵(9a、9b)，以及

-进一步根据至少一个第三标准从成组的预定义的操作情形中选择操作情形，所述至少一个第三标准基于所述负流量参数。

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