一种基于数据融合的污水处理监测控制方法及系统与流程

本发明涉及污水处理监测，尤其是涉及一种基于数据融合的污水处理监测控制方法及系统。

背景技术：

1、随着全球人口的持续增长、城市化的迅速发展和工业化进程的加速，大量的废水排放成为严重的环境问题。这些废水中含有有害物质、污染物和微生物，如果不进行适当处理，将对自然环境、公共健康和可持续发展造成严重危害。此外，气候变化、资源稀缺性以及水资源管理问题也进一步突显了污水处理的重要性，这导致了对有效污水处理的紧迫需求。

2、污水处理的历史可以追溯到古代文明，但现代污水处理的发展始于19世纪末。最初的污水处理工程主要是为了防止疾病传播，采用物理和化学方法，如沉淀池和消毒，以去除污染物和微生物。随着科学和技术的进步，生物处理方法逐渐引入，包括活性污泥法和生物膜反应器。近年来，环保意识的提高、技术创新和可持续发展的理念推动了污水处理领域的发展，涌现出各种高效、节能、环保的新技术和系统。

3、污水处理监测控制技术在废水处理领域发挥着关键作用。污水处理监测控制技术用于实时监测和评估污水处理过程的性能和水质。通过传感器、仪器和监测设备，可以实时测量废水中的各种物理、化学和生物参数，包括ph值、悬浮物浓度、氨氮、总磷、溶解氧等，从而提供了关于废水特性的详尽信息。这有助于操作人员实时了解处理过程，发现问题和异常，及时采取控制措施。

4、然而，现有污水处理监测控制技术仍然存在一些不足。首先，一些传统监测技术可能需要大量的人力和物力投入，且不够高效。其次，监测数据的处理和分析需要复杂的数据管理系统和专业技能，这可能对操作人员提出较高的要求。此外，现有监测技术可能无法完全覆盖所有关键参数，特别是对于新兴污染物和微生物的监测仍面临挑战。而且，现有技术在实现污水处理的自动化和智能化方面还有改进的空间，以进一步提高处理效率和降低成本。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于数据融合的污水处理监测控制方法及系统。

2、第一方面，本发明提供了一种基于数据融合的污水处理监测控制方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、依据污水处理的清理净化流程划分多个监测阶段，实时采集污水参数，并以污水参数为基础组建阶段参数集合与全局参数集合；

4、s2、利用数据融合的方式对阶段参数集合中的污水参数进行处理，分析该阶段参数集合对应的监测阶段的阶段性处理能力；

5、s3、利用全局参数集合分析污水处理的全流程处理能力；

6、s4、依据阶段性处理能力与全流程处理能力的分析结果，对存在缺陷的监测阶段的清理净化参数进行控制调节。

7、进一步的，依据污水处理的清理净化流程划分多个监测阶段，实时采集污水参数，并以污水参数为基础组建阶段参数集合与全局参数集合包括以下步骤：

8、s11、依据污水清理净化流程中各阶段不同的处理方式，将污水处理划分为多个监测阶段，监测阶段包括预处理阶段、生物处理阶段、化学处理阶段、混凝沉淀阶段、污泥过滤阶段、消毒杀菌阶段及排放处理阶段；

9、s12、按照每个监测阶段的功能特性，分别配置实现各自参数监测的监测设备，并将监测设备均匀布置在处理池内执行区域性监测；

10、s13、利用分布式布局的监测设备实时采集污水参数，并将各个监测阶段独立监测的污水参数组建各自的阶段参数集合，将所有监测阶段均需要监测的污水参数组建全局参数集合。

11、进一步的，利用数据融合的方式对阶段参数集合中的污水参数进行处理，分析该阶段参数集合对应的监测阶段的阶段性处理能力包括以下步骤：

12、s21、梳理与归纳每个监测阶段各自的阶段参数集合中不同类型的污水参数，并为监测阶段及其污水参数赋予独立标识符；

13、s22、利用小波分析去噪算法对污水参数进行去噪清洗预处理；

14、s23、利用自适应加权融合算法将阶段参数集合中相同类型的污水参数进行数据融合，得到同类型融合参数；

15、s24、利用主成分分析法将阶段参数集合中不同类型的同类型融合参数进行信息融合，得到同阶段融合参数；

16、s25、依据同类型融合参数与同阶段融合参数分析阶段参数集合对应的监测阶段的阶段性处理能力。

17、进一步的，利用自适应加权融合算法将阶段参数集合中相同类型的污水参数进行数据融合，得到同类型融合参数包括以下步骤：

18、s231、设定监测设备的监测周期，并获取监测阶段内每个监测设备在前n个监测周期内采集得到的且相同类型的历史污水参数；

19、s232、利用历史污水参数建立参数估算器，对下一个监测周期的污水参数进行估算，得到预测污水参数，参数估算器的表达式为：

20、yt＝b0+bt-1xt-1+bt-2xt-2+l+bt-nxt-n；

21、式中，yt表示估算的监测周期t的预测污水参数；b0表示截距项；xt-n表示前n个监测周期的污水参数；bt-n表示前n个监测周期的污水参数对应的回归系数；

22、s233、利用每个监测设备历史污水参数及其历史预测污水参数计算该监测设备的绝对相对误差以及自适应加权因子；

23、s234、将自适应加权因子作为监测设备的权重值，利用加权平均法计算阶段参数集合中所有相同类型污水参数的融合数据，作为监测阶段内的同类型融合参数。

24、进一步的，利用每个监测设备历史污水参数及其历史预测污水参数计算该监测设备的绝对相对误差以及自适应加权因子包括以下步骤：

25、s2331、获取监测设备的历史污水参数与历史预测污水参数，按照监测周期的时间戳信息进行对齐，计算监测设备在各个监测周期时的绝对相对误差，绝对相对误差的计算表达式为：

26、

27、式中，e(t-k)表示t-k个监测周期时的绝对相对误差；y(t-k)表示t-k个监测周期时的预测污水参数；x(t-k)表示t-k个监测周期时实际监测得到的污水参数；t表示监测周期的序号，t-k表示前k个监测周期；

28、s2332、将绝对相对误差的倒数作为监测设备在同一个监测周期的初始加权因子，并进行归一化处理后得到自适应加权因子，自适应加权因子的计算表达式为：

29、

30、式中，wj(t)表示第t个监测周期时第j种监测设备的自适应加权因子；w′j(t)表示第t个监测周期时第j种监测设备的初始加权因子；m表示相同类型监测设备的数量，且j＝1，2，3，…，m。

31、进一步的，利用主成分分析法将阶段参数集合中不同类型的同类型融合参数进行信息融合，得到同阶段融合参数包括以下步骤：

32、s241、梳理阶段参数集合中相同监测周期时所有污水参数类型对应的同类型融合参数，进行标准化处理形成融合数据集；

33、s242、计算融合数据集的协方差矩阵，并对协方差矩阵进行特征值分解，得到每个同阶段融合参数的特征向量与特征值；

34、s243、依据特征值的数值大小进行排序，保留大于特征阈值的成分作为主成分，并构建新的空间特征；

35、s244、在新的空间特征的基础上，采用每个主成分及其主成分得分累积求和的方式，计算得到阶段参数集合对应的同阶段融合参数。

36、进一步的，依据同类型融合参数与同阶段融合参数分析阶段参数集合对应的监测阶段的阶段性处理能力包括以下步骤：

37、s251、将同类型融合参数与同阶段融合参数按照监测周期的时间顺序排列形成时间序列，并绘制各自的参数变化曲线；

38、s252、依据同类型融合参数的参数变化曲线进行趋势分析，判断是否存在变化率异常现象，若存在异常现象则对该同类型融合参数所在的监测阶段进行定位与异常检测，若不存在异常现象则判定该同类型融合参数所在的监测阶段处于健康处理状态；

39、s253、对处于健康处理状态的监测阶段，利用同阶段融合参数对该监测阶段进行性能评估，比较当前监测周期的同阶段融合参数的实际数据与预期数据，依据对比结果判断该监测阶段是否处于标准状态，若实际数据大于等于预期数据，则判定该监测阶段处于标准状态；

40、s254、依据健康处理状态与标准状态的判断识别结果，作为当前监测周期内监测阶段的阶段性处理能力。

41、进一步的，利用全局参数集合分析污水处理的全流程处理能力包括以下步骤：

42、s31、对全局参数集合中位于不同监测阶段内的污水参数进行梳理与整合，再进行去噪清洗预处理以及数据标准化处理；

43、s32、对全局参数集合进行数据检测与可视化处理，分析监测阶段之间存在的关联性与异常情况；

44、s33、依据分析结果判断监测阶段内部或监测阶段之间是否存在异常情况，利用异常情况数量评估污水处理的全流程处理能力。

45、进一步的，对全局参数集合进行数据检测与可视化处理，分析监测阶段之间存在的关联性与异常情况包括以下步骤：

46、s321、预先制定全局参数集合中各类型污水参数的参数取值规则，以及相邻两个监测阶段之间对于同一个污水参数差值的差值取值规则，并将参数取值规则与差值取值规则作为基础准则；

47、s322、利用数据可视化与统计方法，绘制全局参数集合中相同类型污水参数的曲线走势图，并绘制相关矩阵热图，展示不同类型污水参数之间的关系；

48、s323、利用基础准则对全局参数集合中的污水参数进行识别，判断是否存在数值异常情况，同时利用可视化的曲线走势图进行变化率识别，判断是否存在变化率异常情况。

49、第二方面，本发明还提供了一种基于数据融合的污水处理监测控制系统，该系统包括：污水监测模块、阶段融合模块、全局分析模块及参数控制模块；

50、其中，污水监测模块，用于在各个监测阶段配置实现各自参数监测的监测设备，并将监测设备均匀布置在处理池内执行区域性监测；

51、阶段融合模块，用于用数据融合的方式对阶段参数集合中的污水参数进行处理，分析该阶段参数集合对应的监测阶段的阶段性处理能力；

52、全局分析模块，用于利用全局参数集合分析污水处理的全流程处理能力

53、参数控制模块，用于依据阶段性处理能力与全流程处理能力的分析结果，对存在缺陷的监测阶段的清理净化参数进行控制调节。

54、本发明的有益效果为：

55、1、通过将污水处理过程划分为多个监测阶段，实现了更细致的监测和控制，使操作人员能够更清晰地了解不同处理阶段的性能，从而提高污水处理工艺的透明度和可管理性；实时采集污水参数并构建阶段参数集合与全局参数集合提供了更全面的数据基础，有助于及时识别问题和优化运营，提高整个系统的性能和效率；利用数据融合的方式允许综合考虑多个参数，从而提供更全面的信息，再通过分析阶段参数集合，可以了解各个监测阶段的性能，帮助确定处理的局限性和问题所在，同时，全局参数集合分析全流程的处理能力，以评估整个系统的综合性能，进而更好地管理污水处理系统，减少资源浪费，降低环境风险，实现更可持续的废水处理。

56、2、通过根据每个监测阶段的功能特性配置监测设备，可以确保对每个阶段的关键参数进行实时监测，提高了监测的精确性，通过将独立监测的污水参数组合成各自的阶段参数集合和全局参数集合，有助于综合分析每个阶段的处理能力和全流程的处理能力，从而为问题诊断、优化运营和环境保护提供了更多信息和依据，提高污水处理的效率、可管理性和环保性能。