CN115140918B - 一种污水处理的高效控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理的高效控制方法。该方法包括：实时获取每个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速得到拟合函数，获取拟合函数的斜率为螺杆效率指标；实时采集每个采样时刻下絮凝池中的透光强度获取絮凝搅拌均匀系数；实时记录每个采样时刻下絮凝池中搅拌电机的功率，并结合絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标；以螺杆效率指标和絮凝产量指标构建向量，基于历史采样时刻下的向量进行预测得到预测向量，进而得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标；根据预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标获取停止进料间隔，以控制叠螺机进料口停止进料的时间，提高了停止时间获取的准确性且保证了叠螺机的工作效率。

Description

一种污水处理的高效控制方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理的高效控制方法。

背景技术

叠螺机又称叠螺式污泥脱水机，是目前常用的一种新型污泥脱水机，在污水处理的预处理环节起着关键作用；在污水进行初步处理时，污水中的固体杂质受到絮凝剂的影响会结成块状，块状进一步被投入压叠环节，最后将杂质挤压出叠螺机。

当污水处理时间过久且污水中污泥杂质过多时，可能会导致叠螺机存在螺杆卡死的问题，进一步会导致叠螺机无法将污水中所有的杂质及时挤压出叠螺机，也即进料的速度始终大于出料的速度，使得螺杆无法正常运作；因此需要及时控制污水的进量，以避免叠螺机在长期工作时出现污泥杂质堆积的现象，而控制进料口污泥进料的时间尤为重要，当停止进料时间过短时，会导致叠螺机的工作状态没有恢复，继续工作仍然会出现污泥杂质堆积；当停止进料时间过长时，虽然叠螺机恢复正常工作，但停料的冗余时间会导致污水处理的效率过低。

发明内容

为了解决上述叠螺机进料口停料时间不够准确的问题，本发明的目的在于提供一种污水处理的高效控制方法，该方法包括以下步骤：

实时获取每个采样时刻下叠螺机中螺杆电机扭矩以及螺杆转速；根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数，获取所述拟合函数的斜率为螺杆效率指标；

实时采集每个采样时刻下絮凝池中多个部分的透光强度，根据每个部分对应的所述透光强度获取絮凝搅拌均匀系数；实时记录每个采样时刻下絮凝池中搅拌电机的功率，对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率，利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标；

以所述螺杆效率指标和所述絮凝产量指标构建向量，基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量；由所述预测向量得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标；

根据所述预测螺杆效率指标和所述预测絮凝产量指标获取停止进料间隔，若所述停止进料间隔小于预设时间阈值，立即停止污水进料；

其中，所述根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数的步骤，包括：

以每个采样时刻下的螺杆电机扭矩作为自变量，同一采样时刻下的螺杆转速作为因变量进行拟合得到拟合函数；

所述根据每个部分对应的所述透光强度获取絮凝搅拌均匀系数的步骤，包括：

将絮凝池在高度上等分为三个透光层，每个透光层为一个部分；

获取每个透光层对应的所有采样时刻下的透光强度构成透光强度向量，获取任意两个透光层对应透光强度向量之间的相似性，所有所述相似性的平均值为所述絮凝搅拌均匀系数；

所述对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率的步骤，包括：

根据获取到的所有采样时刻下的功率构建功率序列，对所述功率序列进行高通滤波处理得到新功率序列，对所述新功率序列进行中值滤波得到优化功率序列，所述优化功率序列中每个元素为对应采样时刻下的优化功率；

所述利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标的步骤，包括：

计算所有采样时刻下优化功率的标准差，以及当前采样时刻下优化功率与标准功率的比值；所述标准功率为絮凝池搅拌净水时的功率；

以所述标准差的负数作为幂指数构建以自然常数为底的指数函数，所述指数函数与所述比值以及所述絮凝搅拌均匀系数的乘积为所述絮凝产量指标；

所述基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量的步骤，包括：

将每个采样时刻下的螺杆效率指标和絮凝产量指标构成一个向量，将向量数据投入lstm模型中得到预测向量；lstm模型的训练数据为筛选出的新的向量数据，新的向量数据利用svr模型对历史采样时刻的向量数据筛选得到。

优选的，所述根据所述预测螺杆效率指标和所述预测絮凝产量指标获取停止进料间隔的步骤，包括：

设置效率阈值以及产量阈值，当预测螺杆效率指标小于效率阈值且预测絮凝产量指标小于产量阈值时，记录预测螺杆效率指标以及预测絮凝产量指标对应的采样时刻，所述采样时刻与当前采样时刻的差值为停止进料间隔。

本发明具有如下有益效果：通过对叠螺机中螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行获取，并基于螺杆电机扭矩和螺杆转速进行拟合得到拟合函数，以得到螺杆效率指标；进一步对絮凝池中的透光强度以及功率进行获取，通过絮凝池中的透光强度获取絮凝搅拌均匀系数，以絮凝搅拌均匀系数结合功率得到絮凝产量指标，通过叠螺机的工作情况反映污水中污泥杂质处理的情况，得到的结果更加直观且可靠；通过每个采样时刻下对应的螺杆效率指标和絮凝产量指标进行预测，得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标，通过预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标得到停止进料间隔，该停止进料间隔为叠螺机进料口污水进料的停止时间，在保证叠螺机能够持续正常工作的同时提高了工作效率，并且使得到的停止进料间隔更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种污水处理的高效控制方法流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种污水处理的高效控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种污水处理的高效控制方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种污水处理的高效控制方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S100，实时获取每个采样时刻下叠螺机中螺杆电机扭矩以及螺杆转速；根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数，获取拟合函数的斜率为螺杆效率指标。

叠螺机的螺杆电机应用于污水进行处理的关键步骤中，叠螺机絮凝池中的污泥随着污水进入挤压单元内部，使得污泥杂质被不断压出；但由于挤压单元出料口的大小固定，因此当污水进料口的进料速度远大于挤压单元的出料速度时，会导致挤压单元内部的污泥杂质大量堆积，从而导致螺杆的速度降低。

螺杆电机的扭矩可反映此时螺杆受到的阻力大小，当受到阻力较大时，说明挤压单元内部的污泥杂质较多，从而使得此时的挤压效率较低；因此对螺杆电机的转速数据以及扭矩数据进行获取，具体数值可从叠螺机的螺杆电机上直接读取得到，获取每个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速，本发明实施例中采样频率为1秒一次，即从叠螺机开始工作时进行螺杆电机扭矩以及螺杆转速的采集，每两次采集的间隔为1秒。

由于每个采样时刻下均可得到一组螺杆电机扭矩和螺杆转速，则可根据连续多个采样时刻下获取的螺杆电机扭矩和螺杆转速进行函数拟合，本发明实施例中以螺杆电机扭矩作为自变量，同一采样时刻下的螺杆转速作为因变量，即以螺杆电机扭矩作为横坐标，同一采样时刻下的螺杆转速作为纵坐标，利用spline函数进行拟合处理，从而得到螺杆电机扭矩与螺杆转速之间的拟合函数。

进一步的，由于螺杆电机扭矩可以反映出污水中污泥杂质产量，污泥杂质越多会导致螺旋电机扭矩越大，而叠螺机在实际工作过程中会逐渐增大功率以平衡螺旋电机扭矩和螺杆转速的关系，通过对功率的逐渐增大从而使得螺杆转速逐渐变化，当以当前螺杆转速挤压出的污泥杂质量低于螺旋电机扭矩对应的污泥杂质量时，则可能会导致污泥堆积。因此可基于拟合函数获取每个采样时刻下对应的斜率，斜率越大，说明螺杆电机扭矩大的同时，螺杆转速也较大，此时螺杆电机在对污泥杂质挤压时仍然可以保持较高的效率；反之，斜率越小说明螺杆电机在对污泥杂质挤压时的效率越低；将每个采样时刻下获取的斜率作为该螺杆电机在对应采样时刻时的螺杆效率指标。

步骤S200，实时采集每个采样时刻下絮凝池中多个部分的透光强度，根据每个部分对应的透光强度获取絮凝搅拌均匀系数；实时记录每个采样时刻下絮凝池中搅拌电机的功率，对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率，利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标。

叠螺机中絮凝池的搅拌作用是为了使絮凝剂在污水中均匀分布，从而使得污水里的污泥杂质可以与絮凝剂充分反应，将大量污泥杂质沉淀析出；考虑到叠螺机的絮凝池中污泥杂质产量越多时，由于污水中污泥杂质对光线的遮挡会导致絮凝池的透光性变差，因此可由絮凝池的透光情况反映出污水析出污泥杂质的产量。本发明实施例将絮凝池在高度上等分为三个透光层，在每个透光层对应絮凝池的池壁两侧分别安装一个固定光源和一个光照传感器；由光照传感器直接获取每个透光层对应的透光强度，当污水中污泥杂质越多时，透光强度就会相应的降低，透光强度的采集频率同样为1秒一次；则可得到每个透光层在每个采样时刻下对应的透光强度。

当絮凝剂加入絮凝池中进行搅拌时，会使得污水中细小杂质开始聚集结块，絮凝反应中絮凝剂起到关键作用，因此絮凝剂在污水中的分布对污水处理极其重要。各个透光层的透光强度的变化可以反映出污水中污泥杂质的沉淀速度，当各个透光层对应的透光强度相似时，可认为此时絮凝池中絮凝剂较为均匀，在各个透光层中均充分发挥作用，使得每个透光层的沉淀速度基本一致；则基于每个透光层中采集到的透光强度计算絮凝搅拌均匀系数，以第

个采样时刻下絮凝搅拌均匀系数的计算为例，第

个采样时刻下絮凝搅拌均匀系数为：

其中，

表示第

个采样时刻下的絮凝搅拌均匀系数；

表示采样第

个时刻下第一个透光层对应的透光强度向量，即

，

表示第一个透光层在第

个采样时刻下的透光强度；

表示第

个采样时刻下第二个透光层对应的透光强度向量，即

；

表示第

个采样时刻下第三个透光层对应的透光强度向量，即

；

表示皮尔逊相关系数运算。

由于皮尔逊相关系数可以描述数据之间变化的相似性，因此

用于表示第一个透光层与第二个透光层之间透光强度变化的相似性，透光强度变化越相似，则可推断出污泥杂质沉淀的变化越相似，说明絮凝池中的污泥杂质沉淀速度较为接近且絮凝剂的絮凝效果较为接近，因此三个透光层之间的透光强度变化越相似表明絮凝搅拌越均匀，则絮凝搅拌均匀系数越大。

进一步的，根据絮凝池中搅拌电机的功率反映污水中析出污泥杂质的产量，污水中析出的污泥杂质越多时，导致搅拌电机在水中搅拌的阻力变大，因此会消耗更多的功率以使得搅拌电机可以保持设定的搅拌速度。搅拌电机的功率可由叠螺机中直接读取，相应的，采集搅拌电机的功率的采集频率为1秒一次，且从叠螺机开始工作时进行采集。

为了使得后续对功率数据的计算更加方便准确，将采集到的所有采样时刻下的功率构成功率序列，对该功率序列进行高通滤波处理，将功率序列中的异常值进行去除，并以异常值前后相邻两个功率数值的平均值作为该异常值所在位置的新的数据，从而得到一个新功率序列，新功率序列中去除掉了由于电机机械传导和较大体积的污泥杂质导致的不准确的极值。

为了使得絮凝池对应的新功率序列更有参考意义，将新功率序列再次进行中值滤波，由实施者设定固定的窗口大小以及滑动步长，利用窗口对新功率序列进行遍历并将窗口中的数据替换为中值，得到优化功率序列，此时优化功率序列中每个元素为对应采样时刻下的优化功率，利用每个采样时刻下的优化功率进行后续分析。

上述利用透光强度得到絮凝池的絮凝搅拌均匀系数，当叠螺机长时间工作时，可能会存在污泥杂质覆盖在光源所在池壁上，从而导致基于透光强度分析的杂质产量不够准确，因此结合絮凝池搅拌电机的功率对污泥杂质产量分析得到絮凝产量指标，仍然以第

个采样时刻为例，则第

个采样时刻的絮凝产量指标的计算为：

其中，

表示第

个采样时刻的絮凝产量指标；

表示第

个采样时刻的絮凝搅拌均匀系数；

表示第1个采样时刻下的优化功率；

表示第

个采样时刻下的优化功率；

表示指数函数运算；

表示标准差计算；

表示标准功率，指絮凝池中在搅拌净水时的功率。

用于表示搅拌过程中优化功率的稳定性，优化功率越稳定，该项取值越大，优化功率的稳定也表示污泥杂质析出的稳定性；

用于表示第

个采样时刻下的功率与标准功率之间的差距，该项取值越大，表明絮凝池析出污泥杂质的量越大；通过絮凝搅拌均匀系数进行修正，得到对应采样时刻下的絮凝产量指标，该絮凝产量指标取值越大，表明絮凝池中析出污泥杂质越多。

步骤S300，以螺杆效率指标和絮凝产量指标构建向量，基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量；由预测向量得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标。

由步骤S100以及步骤S200分别得到螺杆效率指标和絮凝产量指标；将每个采样时刻下的螺杆效率指标和絮凝产量指标构成一个向量，作为一个示例，第

个采样时刻对应的向量为

，

表示第

个采样时刻下的螺杆效率指标，

表示第

个采样时刻下的絮凝产量指标；所有采样时刻下的向量组成训练数据，对训练数据中所有的向量进行处理。

利用非线性函数将训练数据映射到一个高维特征空间中，并在高维特征空间中进行线性回归，训练数据中每个训练样本

对应一个向量

，且每个训练样本

满足以下条件：

其中，

表示松弛变量，且

；

表示法向量，决定高维特征空间中超平面的方向；

表示位移量。

采用10折交叉验证的方法找出最佳的向量拟合，使得后续基于向量预测时的结果更可靠，由于采集数据存在误差可能会导致螺杆效率指标和絮凝产量指标出现非线性关系，因此本发明实施例中采用svr模型对上述训练数据中所有的向量进行初步筛选，得到新的训练数据，基于新的训练数据中的每个新的向量进行后续的分析。

由于絮凝池中沉淀的污泥杂质是不间断的进入挤压单元中被螺杆电机处理，且污泥杂质的产量在相邻时间上不存在较大的波动，因此不影响挤压单元中螺杆效率指标和絮凝产量指标的时间同步；利用svr模型筛选出历史采样时刻下的新的向量数据进行趋势预测，本发明实施例中预测处理的方法利用lstm模型进行，即将向量数据投入lstm模型中得到预测向量；lstm模型的训练数据为筛选出的新的向量数据，由于训练数据经过svr的线性筛选，因此不需要对训练数据进行置信度评价，lstm模型的损失函数采用均方差损失函数，最终得到下一采样时刻的预测向量，该预测向量中包括预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标。

步骤S400，根据预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标获取停止进料间隔，若停止进料间隔小于预设时间阈值，立即停止污水进料。

由步骤S300得到下一采样时刻的预测向量，以此类推，可预测出后续每个采样时刻下对应的预测向量，并基于预测向量得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标；设置效率阈值以及产量阈值，当预测螺杆效率指标小于效率阈值且预测絮凝产量指标小于产量阈值时，记录此时预测螺杆效率指标与预测絮凝产量指标的采样时刻；具体效率阈值和产量阈值的取值实施者可根据实际场景以及实际生产设备自行设定。

将记录下的采样时刻与当前采样时刻作差得到停止进料间隔，当该停止进料间隔小于预设时间阈值时，此时应该立即停止叠螺机的污水进料，让挤压单元继续工作，工作时间与停止进料间隔一致，以确保挤压单元能够处于高效的工作，预设时间阈值的设置实施者可根据实际情况自行调整，例如叠螺机工作功率大的时候可以适当减小预设时间阈值，叠螺机工作功率小时可以适当增加预设时间阈值。

作为优选，本发明实施例中将预设时间阈值设置为5秒，即停止进料间隔小于5秒时，应立即停止进料口的污水进料，在停止进料的时间内仍然对叠螺机中各个参数进行采集并进行预测计算，当预测得到的停止进料间隔大于5秒时，重新开始进料口的污水进料。

综上所述，本发明实施例中通过实时获取每个采样时刻下叠螺机中螺杆电机扭矩以及螺杆转速；根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数，获取拟合函数的斜率为螺杆效率指标；实时采集每个采样时刻下絮凝池中多个部分的透光强度，根据每个部分对应的透光强度获取絮凝搅拌均匀系数；实时记录每个采样时刻下絮凝池中搅拌电机的功率，对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率，利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标；以螺杆效率指标和絮凝产量指标构建向量，基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量；由预测向量得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标；根据预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标获取停止进料间隔，若停止进料间隔小于预设时间阈值，立即停止污水进料；在保证叠螺机高效工作的同时，避免了污泥堆积的情况，得到的停止进料间隔时间更加准确。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种污水处理的高效控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

实时获取每个采样时刻下叠螺机中螺杆电机扭矩以及螺杆转速；根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数，获取所述拟合函数的斜率为螺杆效率指标；

实时采集每个采样时刻下絮凝池中多个部分的透光强度，根据每个部分对应的所述透光强度获取絮凝搅拌均匀系数；实时记录每个采样时刻下絮凝池中搅拌电机的功率，对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率，利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标；

以所述螺杆效率指标和所述絮凝产量指标构建向量，基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量；由所述预测向量得到预测螺杆效率指标和预测絮凝产量指标；

根据所述预测螺杆效率指标和所述预测絮凝产量指标获取停止进料间隔，若所述停止进料间隔小于预设时间阈值，立即停止污水进料；

其中，所述根据多个采样时刻下螺杆电机扭矩以及螺杆转速进行拟合得到拟合函数的步骤，包括：

以每个采样时刻下的螺杆电机扭矩作为自变量，同一采样时刻下的螺杆转速作为因变量进行拟合得到拟合函数；

所述根据每个部分对应的所述透光强度获取絮凝搅拌均匀系数的步骤，包括：

将絮凝池在高度上等分为三个透光层，每个透光层为一个部分；

获取每个透光层对应的所有采样时刻下的透光强度构成透光强度向量，获取任意两个透光层对应透光强度向量之间的相似性，所有所述相似性的平均值为所述絮凝搅拌均匀系数；

所述对所有采样时刻下的功率进行优化得到优化功率的步骤，包括：

根据获取到的所有采样时刻下的功率构建功率序列，对所述功率序列进行高通滤波处理得到新功率序列，对所述新功率序列进行中值滤波得到优化功率序列，所述优化功率序列中每个元素为对应采样时刻下的优化功率；

所述利用所有采样时刻下的优化功率与絮凝搅拌均匀系数获取絮凝产量指标的步骤，包括：

计算所有采样时刻下优化功率的标准差，以及当前采样时刻下优化功率与标准功率的比值；所述标准功率为絮凝池搅拌净水时的功率；

以所述标准差的负数作为幂指数构建以自然常数为底的指数函数，所述指数函数与所述比值以及所述絮凝搅拌均匀系数的乘积为所述絮凝产量指标；

所述基于历史采样时刻下的向量对下一采样时刻的向量进行预测得到预测向量的步骤，包括：

将每个采样时刻下的螺杆效率指标和絮凝产量指标构成一个向量，将向量数据投入lstm模型中得到预测向量；lstm模型的训练数据为筛选出的新的向量数据，新的向量数据利用svr模型对历史采样时刻的向量数据筛选得到。

2.根据权利要求1所述的一种污水处理的高效控制方法，其特征在于，所述根据所述预测螺杆效率指标和所述预测絮凝产量指标获取停止进料间隔的步骤，包括：

设置效率阈值以及产量阈值，当预测螺杆效率指标小于效率阈值且预测絮凝产量指标小于产量阈值时，记录预测螺杆效率指标以及预测絮凝产量指标对应的采样时刻，所述采样时刻与当前采样时刻的差值为停止进料间隔。

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