一种基于计算机视觉的SBR反应器运行工况实时监测及异常报警装置和方法

本发明涉及一种sbr反应器运行工况实时监测及异常报警装置和方法，属于污水处理优化运行领域。

背景技术：

1、近年来，我国社会经济快速发展，生活污水、工业废水排量呈快速上升趋势，为减小环境污染威胁，需要污水处理厂这一核心单元进行达标处理后再排放。我国主流污水处理工艺为活性污泥法，通过提供适宜活性污泥生长的环境条件，污水中有机物、氨氮等污染物在活性污泥的代谢作用下得到降解，最终达到净化水质的目的。序批式活性污泥工艺(sbr工艺)作为一种典型工艺，以其工艺简单便于自动控制、操作灵活处理效果好、基建成本低、占地面积小、不易发生丝状膨胀等特点广泛应用于各中小型污水处理厂，非常适用于水质水量波动大、间歇性排放、土地资源有限的污水处理情况。sbr工艺的主要特征是釆用间歇式运行方式，每一个反应池都兼有曝气池和二沉池作用，因此不要设二沉池和污泥回流系统。一个sbr工艺完整运行周期包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段，进水阶段一般需要进行搅拌混合，反应阶段一般可分为好氧段和厌氧段，不同好氧、厌氧微生物在适宜条件下代谢去除污染物，达标处理后排放，周期性分批次地处理污水。

2、sbr反应器的配套设备一般有抽水泵、鼓风机、搅拌器、滗水器、电磁阀、气体流量计、液位传感器、超声波泥位计、定时开关等，通过定时开关和计算机控制简化管理，可实现部分自动化运行。sbr反应器各工序的有序进行是保证出水水质稳定达标的关键，现有sbr反应器的监测体系为传感器监测辅以人工巡视。常见传感器如溶解氧仪、ph仪、orp探头、温度探头等，可以有效反应sbr反应器运行状态，但受传感器布置方式和采集范围的限制，日常运行仍依赖运维人员的日常巡视和辅助判断，而运维人员只能离散地进行定期巡视，无法保证检测的连续性，很难实现sbr反应器长期稳定运行，同时也增加了运行的成本。另外，运维人员日常巡视主要通过理解传感器参数和获取现场视觉信息进行判断决策，而人对反应器视觉信息的理解能力有限，很难与运行状况直接进行定性、定量的联系。

3、随着人工智能技术的快速发展，各种智能化技术很快渗透到污水处理行业，为污水处理智慧化、信息化运行提供强有力的技术支撑。计算机视觉技术通过模拟人的视觉功能，从客观事物中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制工作，因此可将计算机视觉技术引入污水处理领域，代替运维人员日常巡视，实现无人化运行管理，同时可提高监测的连续性，实现的过程监测，获得高时间频率的视觉纬度监测信息用于运行优化，该技术也符合水务智慧化、信息化的发展趋势。

4、本发明将计算机视觉技术应用于sbr反应器运行工况的实时监测和异常报警，代替运维人员日常巡视，实现sbr反应器运行的无人化值守和过程监测。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于计算机视觉技术的sbr反应器运行工况实时监测与异常报警装置和方法，创新性地将sbr反应器各工况视觉信息与运行工况建立对应关系，实现sbr反应器图像自动采集、特征分析、监测工作，可解决人工监测离散，监测方法自动化不足的问题，实现sbr反应器的无人化值守。

2、本发明为实现sbr反应器运行工况实时监测与异常报警，技术方案如下：

3、本发明由图像采集模块、数据传输与处理模块、监测结果显示与报警模块和供电模块组成；所述图像采集模块包括具有数据传输功能的近红外/可见光双目摄像头和近红外/可见光补光灯，近红外/可见光双目摄像头用于采集sbr反应器内部图像，近红外/可见光补光灯用于在光照条件欠佳时提供辅助光线，从而提高图像质量；数据传输与处理模块包括数据传输线、工控机、ph探头、溶解氧探头、nh4+-n探头、no3--n探头和cod探头，数据传输线用于将双目摄像头采集的图像传输到工控机，工控机与近红外/可见光补光灯、近红外/可见光双目摄像头、报警器、ph探头、溶解氧探头、nh4+-n探头、no3--n探头和cod探头连接，实现对各设备的控制和数据获取，ph探头、溶解氧探头、nh4+-n探头、no3--n探头和cod探头用于获取反应器运行参数，作为异常状态归因的参数输入；监测结果显示与报警模块包括报警器和电子显示器，报警器在运行工况异常时报警，提醒运维人员及时实地检查，电子显示器可将监测的结果实时显示在界面中，方便后续调取运行日志；供电模块包括蓄电池、电源线、太阳能光伏板、光伏充电控制器，该模块可以为整个装置供电，太阳能光伏板可以将太阳能转化为电能，储存在蓄电池中，光伏充电控制器可控制太阳能光伏板的输出电压，保护蓄电池，同时也可在光伏板不发电时阻止蓄电池反向充电。

4、首先使用工控机发出指令，调用近红外/可见光双目摄像头高频率地采集即时sbr反应器运行工况图像，包括进水、反应、沉淀、排水、闲置阶段图像，以及反应阶段曝气时的表面图像和沉淀阶段早期、中期、末期的沉淀图像，可根据光线条件选择是否打开近红外/可见光补光灯；通过数据传输线将图像传输到工控机，在工控机对图像进行预处理，将图像非主要区域进行裁剪并进行图像特征增强处理，利用计算机视觉方法提取分析不同运行工况图像的视觉特征，如颜色、线条、轮廓或更抽象的高级语义特征，之后调用已经构建的人工智能识别模型对即时运行图像进行识别；最终将识别结果与设定的运行工况进行比较，判断sbr反应器是否处于正确的运行工况，同时可判断反应阶段曝气流量是否正常，沉淀阶段污泥沉降性是否正常，出现异常状况时报警器报警，并保存运行日志，将实时的监测结果呈现在电子显示器上，工控机结合污水处理先验知识对ph探头、溶解氧探头、nh4+-n探头、no3--n探头和cod探头数据进行分析，对异常工况原因进行初步判断并给出运行调控建议，从而实现对sbr反应器高频率的过程监测。另外，装置可自定义图像采集频率，实现不同的工况监测频率，工控机也可将带标签的图像数据上传至云端，供进一步的人工智能分析，整个过程可通过供电模块提供电能。

5、本发明与现有监测方法相比，具有以下优点：

6、(1)本发明可实现sbr反应器各运行工况图像实时识别，监测到异常情况及时报警，可代替运维人员完成重复繁琐的日常巡检工作；可自定义设置高时间频率采集图像，实现sbr反应器运行24小时的连续监测，解决了人工巡检离散性强，无法及时发现异常情况的痛点。

7、(2)由于sbr反应器各工况视觉区别明显，特征差异较大，同时通过计算机视觉技术提取的图像特征非常丰富，对于各工况图像的识别精度高，使得本发明的监测结果客观，可靠性强。

8、(3)本发明原理简单，即使用“摄像头+计算机”的视觉信息智能感知方法，代替人眼和人脑完成日常监测工作，本发明安装方便，操作简单，容易实现。

9、(4)本发明可通过工控机实时获取ph、溶解氧探头等传感器参数并结合污水处理先验知识设置参数运行条件临界值，在异常工况下分析传感器参数，对异常工况进行初步归因，同时给出调控建议。例如，缺氧反应阶段前混合液有机物含量极低，电子显示器提示投加碳源保证反硝化的顺利进行；曝气阶段结束后nh4+-n浓度仍然超过排放标准，电子显示器提示检查曝气系统是否正常运行或延长曝气阶段时间。