CN117176767A - 基于ai的农村生活污水处理设施无人值守智能网关和方法 - Google Patents

Abstract

基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关和方法，[孔1]感知单元将采集到的数据传送给AI智能分析单元，AI智能分析单元将收到的数据进行计算后通过展示单元与以显示、通过通信单元发送到终端和通过控制单元远程控制污水处理设备。AI智能分析单元包括AI算法管理模块、运维质量评估模块和计算模块。本发明用于解决现有的农村生活污水处理设施巡检运维管理工作中，运维人员工作量大且公司运维人力成本高，故障发生时难以快速反应，满足不了实际运维管理需求的问题。

Description

基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关和方法

技术领域

本发明涉及基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关和方法

背景技术

近年来，随着农村人居环境整治工作的开展，各地大量农村污水治理项目陆续建成。现有的运维管理模式大多采用线下纸质化的管理方式，主要是安排现场运维人员对站点设施进行定期巡检，运维人员现场定位打卡，扫码填写现场运维确认单。这种模式难以及时发现运维过程中所存在的问题，导致运维管理的效率低、质量差。此外，由于农村污水治理项目具有点多面广、偏远分散等特点，对于运行状态与故障无法有效得知并迅速处理，为确保农村污水处理设施长期稳定达标运行，需要大量运维人员进行现场定期巡检及应急维护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关和方法，用于解决现有的农村生活污水处理设施巡检运维管理工作中，运维人员工作量大且公司运维人力成本高，故障发生时难以快速反应，满足不了实际运维管理需求的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：

基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关，包括感知单元、AI智能分析单元、控制器、显示模块和通信模块；感知单元将采集到的数据传送给AI智能分析单元，AI智能分析单元将收到的数据进行计算后通过显示模块在显示设备予以显示、通过通信模块发送到后方管理平台和通过控制器远程控制污水处理设备。AI智能分析单元包括AI算法管理模块、运维质量评估模块和计算模块。

所述感知单元包括数据采集模块、视频处理模块、数据检测设备和视频采集设备，数据检测设备采集污水设施运行的工况、负荷、能耗和进出水水质信息传输到数据采集模块，视频采集设备将拍摄到的红外图像和可见光图像传送到视频处理模块，视频处理模块和视频处理模块将数据处理后发送到AI智能分析单元，视频采集设备为摄像头或者相机。

视频采集设备和视频处理模块的作用在于：

1、定期自动视频巡检，管理人员可根据运维巡检标准化流程设置视频巡检路线和时间；

2、设备运行状态采集，可通过视频处理模块中的摄像头采集设备运行状态指示灯信息；

3、设备运行参数采集，可通过摄像头采集现场电控柜操作窗中显示的设备运行参数；

4、异常情况图像采集，可通过摄像头采集异常情况前后设置时间段内图像。

AI智能分析单元通过分析感知单元发送的信息，对设施运行状况进行评估，当事件发生或设施内的设备出现异常情况，分析评估单元根据分析评估结果自动产生告警或预警。

基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关的方法，包括以下步骤：

S1: AI智能分析单元获取感知单元传输过来的运行数据和影像信息后，对采集的信息进行综合运行健康指数分析评估，将分析评估结果与数据库中预设的运行标准进行对比打分，生成设施运行质量评价分析；通过对各类数据的分析，为优化管理提供辅助参考，例如分析和筛选出发生率较高、处理时长较长的同类事件和关联设施；对任务（工单）处理的关联设施、逾期情况、评价等进行统计分析。

S2: AI智能分析单元将分析的结果通过显示模块以GIS地图、设施透视、工艺组态、视频图像、趋势曲线图表对设施实时信息在显示设备上进行3D可视化显示；智能网关提供可配置的报表展现组件，管理人员可根据需要对设施的整体运行与运维状态进行定制化分析显示；

S3: AI智能分析单元将分析的结果通过通信模块发送后方管理平台，并自动下达指令到控制器，由控制器远程控制污水处理设备。

在上述S1步骤中，AI智能分析单元通过获取的运行数据对设施运行的工况、负荷、能耗、进出水水质、故障（告警）发生及处理信息各项数据的分析评估，为设施健康分析、设施运行工艺优化、运维跟踪管理提供辅助支撑；为更好的提高农村生活污水达标率，降低安全事故发生率，提高管理服务效率，延长设施寿命提供决策支持。

其具体运行数据的技术内容如下：

1、对污水设备能耗状况等运行状况进行分析。例如通过各类工况与设备运行数据间的相互验证与分析，形成动力设备分析报表。包含设备运行时长、启停次数及耗电量等。辅助工程师远程批量调整设施设备的运行模式，避免由于单设备长时间运行、设备运行不足或过度运行等因素带来的达标率下降、能耗超标和设备寿命缩短等问题。

2、对各台污水处理设备的电量能耗分别进行分析统计，可以及时发现偷电、漏电的情况。进一步可以分析吨水能耗，对运行工艺进行评估。

3、评估各污水处理设施的负荷率，通过对设施负荷的统计和时间线分析，对处理水量因人口的变化，假日波动形成规律曲线，预测性的调整工艺运行参数，保障处理达标率。

4、分析进出水流量监测数据，对污水处理设施进出水流量进行统计分析，分析设施处理水量的进出水平衡与波动。

5、分析进出水水质监测数据，可以对分析统计设施进出水水质的减排量。

6、统计选定时段正常异常数量、水质达标设施数量和水质达标率、网关在线率及网关的对应设施正常/异常数量统计。

AI智能分析单元通过获取的影像信息 如：生态植物枯萎、站点水淹、井盖缺失/未复位、井盖/栅栏破损、异常闯入、电控柜柜门异常打开等场景，运用计算机视觉、物联感知、边缘计算等AI技术进行智能分析，并生成自动告警信息。

其具体分析方法如下：

1、生态植物枯萎识别，通过一种基于形变特征参数算法的植物叶片枯萎变形测量方法，首先对不同生长状态下的植物叶片进行角点检测，建立植物视觉标签。采集植物叶片图像并对其进行图像增强处理，提取叶片轮廓像素特征，通过运算获取植物叶片枯萎变形参数，进行植物叶片的匹配,由此判断植物叶片的状态，从而实现植物叶片枯萎变形测量，提高植物叶片枯萎变形测量的准确度。

2、站点水淹识别，通过开发站点水淹识别算法，根据处理站内积水的程度（面积、颜色、深度）特征计算，实现站点水淹的检测与识别。

3、井盖缺失/未复位识别，开发井盖缺失/未复位检测算法，基于井盖完整形状和状态结合异常情况包括缺失和未复位进行识别，实现井盖缺失/未复位自动识别和预警，并通过告警策略，触发关联识别服务，确定具体场站及其位置信息。

4、井盖/栅栏破损识别，开发作业环境中井盖破损检测算法，按照固定尺寸、形状和外观，针对井盖破损的程度，实现破损识别和记录。

5、异常闯入识别的具体过程如下：1、实时采集站点内人员人脸特征信息；2、从数据库中调取当班运维人员的信息进行对比；3、如有非运维人员进入站点，既为区域入侵，生成告警信息。

在上述S2步骤中：

1、显示模块（显示模块例如显卡，显示设备例如触摸屏）采用3D可视化技术建立设施模型，直观显示设施和监测数据，可实现可视化定位与显示，运维人员可以通过３D可视化模型快速定位告警点位，并按照标准化维修流程进行维修。

2、显示设备查询示范站点综合信息，用户可以单击进入该设施的单设施透视页面，将该设施的设施概览、基础信息、实时数据、数据分析、告警信息、工艺视图、安防监控、运维信息等功能汇聚到一个快捷切换模式下。

3，污水处理设施能耗分析以报表的形式实现各类设施的用电量能耗统计及吨水能耗占比。

4，设施负荷分析以设施维度统计各设施的负荷率，并以曲线图以及表格的方式对设施负荷率进行显示。

5，设施水质减排报表以设施维度统计设施进出水水质的减排量，显示各设施的污水处理效果。

6，显示模块以图表的形式，多维度的统计与分析了告警数据。可以查看到设施产生的所有告警信息，查看各类告警占比以及各类设施告警占比。

在上述第S3步骤中：控制器可以通过智能网关和PLC实现对现场设备运行参数进行自动和人工远程控制，其控制方法包括：

1、智能网关根据分析评估单元对进水量、进水水质等分析评估结果，调用预先设定的运行策略，对设施运行参数进行自动控制；

2、通过智能网关实现对现场设备运行参数进行远程控制，对设施运行参数远程配置，以应对大量设施随季节、气候和节日变化产生的负荷规律性变化。

3、通过智能网关实现对摄像头进行远程控制。

4、通过智能网关实现对数据检测设备进行遥测。

还包括由AI智能分析单元控制的告警模块，告警模块可以对每一种告警定义级别、类编和故障代码，可以灵活的配置时间生成规则。

告警模块可以定义各类故障代码表中各类告警产生的规则。告警规则类型包括：水流量异常告警、水质异常告警、动力设备运行告警、水位异常告警、安防告警、AI识别告警、断电告警、离线告警和任务处理异常告警等，告警设备以多色声光报警灯和显示屏的形式进行告警。

进一步地，告警模块可根据不同设施类别制定不同的告警规则，可设置告警的触发动作，触发阈值，触发类型，以及规则生效周吗，生效日期，生效时间，告警重复间隔等参数。当规则制定以后，平台将根据用户自定义规则进行相应的告警。

进一步地，告警模块可根据不同的告警制定相应的通知方式，具体包括通知模板，通知角色，通知开始时间，间隔时间等参数。当产生告警时，将根据该类告警所配置的通知配置进行相应的通知。可根据不同告警类型、告警级别、告警紧急程度，手动调整告警提醒与推送方式。

进一步地，告警模块可提供告警记录、浏览、通知、告警原因分析等功能。

进一步地，告警模块可将告警信息发送给本地告警设备进行声光告警，通信模块将上述告警信息发送给后方管理平台，或以短信方式发送到现场管理人员手机上进行告警，同时将告警信息发送给数据库储存。

通信模块，用于实现所述智能网关和信息中心之间的通信，将上述告警信息和评估结果发送至对应管理人员和后方平台。

还包括用于存储感知单元数据的数据库，存储的视频首先是方便对历史采集图像进行查阅调取；其次可根据需要设置数据自动清洗周期。

本发明的有益效果为：

1、本智能网关面向农村生活污水领域，通过运用视频图像数据采集与分析、人工智能、移动互联网、物联网等新技术，对站点内标准化运维流程、安全风险管理进行了数字化再造和实时监管，可以大大降低现场运维人员数量，实现现场无人值守，远程少人集中管控，有效提高运维效率与质量；

2、实现对农村生活污水治理设施运行工况、进出水量水质、现场环境安全保障情况等的实时监测和智能管理。实现农村生活污水治理设施的远程集中可视化监控、高效规范运维管理、科学的监督评价；

3、可根据进水水量水质变化情况，自动调整运行方案，及时应对突发事件；

4、可将告警信息同时发送给后方管理平台和现场运维人员，提高告警处理效率，缩短处理时间；

5、通过3D显示，可以准确快速定位，并准确发现故障原因，调度资源快速恢复系统服务，提高农村生活污水处理设施设备正常运行率；

6、区域入侵等安全问题发生时，现场即时生成声光告警，对入侵行为进行制止，第一时间同时通知现场和后方管理人员，能够及时发现和纠正安全风险，可以有效降低农污站点运维过程中的安全风险；

7、此技术可推广至所有的偏远独立的设施，例如泵站、闸站、水质监测站等，看大大降低运营人力成本，提高运维效率，故此项目具备相当的市场潜力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

一、自动巡检的具体过程如下：

1、管理人员根据运维需要，设置数据采集时间和视频自动巡检时间；

2、AI智能分析单元在规定的时间向感知单元发出遥测信息。感知单元中的数据采集模块通过数据检测设备采集站点污水处理设备的运行、流量、能耗、水质、水位、断电和告警信息数据，视频处理模块通过摄像头采集站点内的视频图像信息返送给AI智能分析单元；

3、AI智能分析单元运用计算机视觉、物联感知和边缘计算技术分析感知单元返回的信息，对选定时段正常异常数量、水质达标设施数量和水质达标率、网关在线率及网关的对应设施正常/异常数量、生态植物枯萎、站点水淹、井盖缺失/未复位、井盖/栅栏破损、电控柜柜门异常打开等等设施运行状况及站点环境进行评估；

4-1、AI智能分析单元生成评估报告发送给后方管理平台，后方管理平台为集控室控制平台、手机或者平板电脑。

4-2、当异常事件发生或设施内的设备出现异常情况，AI智能分析单元根据分析评估结果自动产生告警或预警，根据预设规则判断采用自动调整还是告警后人工维修；

5-1、若采用自动控制，智能网关调取预设方案发送给控制器，进行参数自动调整；

5-2、若采用告警后人工维修，智能网关则将告警信息经通信模块发送给后方管理人员；通信模块包括有线通讯或者无线通讯；

6、现场管理人员到场后，通过显示模块显示的3D可视化模型快速定位告警点位，并按照标准化维修流程进行维修。

二、异常闯入应急处置

1、视频图像设备采集站点内人员人脸特征信息；

2、从数据库中调取当班运维人员的信息进行对比；

3、如有非运维人员进入站点，既为异常闯入，生成告警信息；

4、智能网关将告警信息发送给告警模块，由告警模块发送告警信息给现场告警设备，生成声光告警，同时智能网关通过通信模块发送信息给后方管理平台；

5、后方管理平台通过通信模块、感知单元调用视频监控设备，确认现场情况。

三、断电情况应急处置

1、安装在站点的断电探测传感器，监测站点的断电情况；

2、智能网关生成断电告警，并关第一时间将告警信息通过所述通信模块发送给后方管理平台，同时记录告警事件并存储；

3、现场运维人员恢复供电。

四、远程调用查看历史数据

1、管理人员通过数据库查看、调用分析评估结果或历史信息；

2、智能网关通过GIS地图、设施透视、工艺组态、视频图像、趋势曲线图表等多种方式对设施实时信息进行3D可视化显示。智能网关提供可配置的报表展现组件，用户可根据需要对设施的整体运行与运维状态进行定制化分析显示。

Claims (5)

1.基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关，其特征在于：包括感知单元、AI智能分析单元、控制器、显示模块和通信模块；感知单元将采集到的数据传送给AI智能分析单元，AI智能分析单元将收到的数据进行计算后通过显示模块在显示设备予以显示、通过通信模块发送到后方管理平台和通过控制器远程控制污水处理设备。

2.根据权利要求1所述的基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关，其特征在于：还包括由AI智能分析单元控制的告警模块。

3.根据权利要求1所述的基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关，其特征在于：还包括用于存储感知单元数据的数据库。

4.根据权利要求1到3任一项所述的基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关，其特征在于：所述感知单元包括数据采集模块、视频处理模块、数据检测设备和视频采集设备，数据检测设备采集污水设施运行的工况、负荷、能耗和进出水水质信息传输到数据采集模块，视频采集设备将拍摄到的红外图像和可见光图像传送到视频处理模块。

5.一种使用权利要求4所述基于AI的农村生活污水处理设施无人值守智能网关的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1:AI智能分析单元获取感知单元传输过来的运行数据和影像信息后，对采集的信息进行综合运行健康指数分析评估，将分析评估结果与数据库中预设的运行标准进行对比，生成设施运行质量评价分析结果；

S2: AI智能分析单元将分析的结果通过显示设备以GIS地图、设施透视、工艺组态、视频图像或趋势曲线图表的形式对设施实时信息进行3D可视化显示；

S3: AI智能分析单元将分析的结果通过通信模块发送后方管理平台，并自动下达指令到控制器，由控制器远程控制污水处理设备。