一种基于计算机视觉技术的污水处理厂沉淀池运行状态智能感知装置与方法

摘要

一种基于计算机视觉技术的污水处理厂沉淀池运行状态智能感知装置与方法属于污水处理领域。该装置主要包括两套图像采集系统，其中一套为出水悬浮物浓度(SS)图像采集系统，由红外/可见光高清双目摄像头，可见光LED灯带，红外LED灯带和发光标尺组成，用于获取沉淀池溢流堰附近图像；另一套为沉淀池污泥层高度图像采集系统，用于获取沉淀池内部污泥层图像。图像采用预训练的人工智能算法模型完成图像的处理，实时估算沉淀池污泥层高度和出水悬浮物浓度。基于图像数据构建沉淀池运行状态三维模型，并对沉淀池异常状态做出反馈及预警。最终能够实现对沉淀池运行状态的低成本、高精度的实时监测，为污水厂精细化和高效化管理提供保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理厂沉淀池运行状态实时智能感知的监测设备和方法，属于污水处理优化运行领域。

背景技术

活性污泥是指由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及其吸附的污水中有机和无机物质组成的有一定活力的具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。以活性污泥为核心的活性污泥法是目前世界上应用最广的污水处理工艺，其具有成本低、处理效果好、安装简单等优势。沉淀池是活性污泥法的核心操作单元之一，其主要作用是通过重力沉降去除污水中可以沉淀的固体悬浮物。污水处理厂中通常同时包括初沉池和二沉池。初沉池使进水得到第一次沉淀，去除废水中可沉物，以减轻后续处理设施的负荷，并对水质起到一定程度的均质效果。沉淀池中经过泥水分离后的上清液进入三级处理或直接排放，经沉淀浓缩的污泥混合液回流至曝气池，在此过程中活性污泥的沉降性能会影响其流态，进而影响整个污水处理系统的处理效率和出水水质。因此对沉淀池运行状态和污泥沉降性进行实时、动态监测是保证污水处理厂正常运行的重要环节。

通过对沉淀池中进出水的水温、pH值、COD

目前，污水处理厂主要通过人工巡检和仪器监测相结合的手段对沉淀池运行状态进行监测。为了准确的控制沉淀池排泥，污水厂一般采用超声波泥位计测量污泥厚度。超声波泥位计有系统简单、测量快速等优点，但当沉淀池泥水分界面不清晰时，仪器难以准确判断泥层，会导致测量出现偏差。由于能耗过高，超声波泥位计也不能实现对污泥层高度的实时测量。因此，在较低成本下对沉淀池污泥层高度进行实时动态监测成为污水厂运行的一大难点。

随着信息化时代的到来，人工智能领域正快速发展，图像识别技术作为其重要分支，正逐渐与污水处理领域产生交叉融合。与此同时，伴随着我国工业水平的提升，图像采集设备的成本正快速降低。新技术的大量涌现和工程应用成本的降低，使计算机视觉技术成为沉淀池污泥界面动态监测的重要发展方向。因此，本发明将图像识别技术应用到沉淀池监测中，开发出一种能够对沉淀池进行低成本实时监测的系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种沉淀池运行状态的智能感知系统，解决沉淀池监测过程中数据离散难以全面获取沉淀池运行状况、特定情况下监测精度较低等问题。

本发明在沉淀池纵向桁架上布设可见光/红外LED灯带和发光标尺，通过在沉淀池横向桁架和纵向桁架上布设的红外、可见光双目摄像头连续采集沉淀池内部图像，并将采集图像实时传输到工控机中进行数据处理，建立沉淀池运行状态模型，最终在图形界面中显示整个沉淀池污泥层高度和出水SS的情况。

为实现对污水厂沉淀池运行情况的实时监测，本发明采用如下技术方案：

一种新型沉淀池智能感知系统，本系统通过在沉淀池中安装LED灯带、红外可见光双目摄像头、发光标尺、太阳能电池板、太阳能蓄电池、工控机、电子显示器等硬件实现沉淀池数据的实时采集、处理和图形化呈现，最终实现对污水厂沉淀池运行状态的实时监测。

为提高污泥浓度过高时或环境光线欠佳时沉淀图像的采集质量，本装置在沉淀池纵向桁架上平行布设两条LED灯带。其中一条灯带上均匀安装可见光灯珠，另一条灯带上均匀安装红外光灯珠。通过数据线与工控机连接实现对两条灯带、发光标尺开闭的控制。

为实时监测沉淀池内部污泥层高度情况，在沉淀池横向桁架一侧安装一个竖直钢管，钢管底部装有一个可见光/红外双目摄像头，用于采集沉淀池溢流堰处出水图像；同样的，在上述桁架同侧安装一个竖直钢管，该钢管的摄像头用于采集沉淀池内部污泥沉降情况。两个摄像头通过工控机控制，采集的图像通过数据线实时传输到工控机中。随着沉淀池污泥层高度变化，第二摄像头采集图像中泥水分界面的位置也随之变化，对图像进行二值化处理后可以获取高对比度的泥水分界面图像，并计算泥水分界面的平均像素位置。比较泥水分界面和标尺的位置关系，获取污泥层高度的具体数值。第一摄像头采集沉淀池溢流堰附近图像，对浊度图像的RGB值、灰度进行识别与分析，并与已知浊度的标准图像进行比较获取出水浊度。最后将浊度换算获得出水SS。最终在显示器上以用户界面的形式呈现一个实时显示沉淀池污泥层高度、出水SS动态变化的可视化界面，并且对沉淀池运行状况进行实时评估。

为降低能耗、节省成本，沉淀池智能感知系统采用外置太阳能电池板与太阳能蓄电池结合的方式对整个系统进行供能。太阳能电池板吸收太阳光，辐射能通过光电效应或光化学效应，直接或间接转换成电能为本系统供能。在光照充足的情况下，电池板产生的多余电能经过智能控制器的过充保护，将电能输送给蓄电池进行储存；在光线条件欠佳时，蓄电池放电，为本系统提供能源。

本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1、本装置安装简单，较传统光电泥位计和超声泥位计成本低，且不需人工值守，符合水厂运行无人化、智慧化的发展趋势。

2、本装置通过计算机实时处理图像数据，得到沉淀池污泥层高度变化的连续曲线，不仅能及时对沉淀池异常情况进行预警，还能为沉淀池排泥时间提供数据支持。

3、本装置的LED灯带、红外可见光双目摄像机均由外置太阳能板与太阳能蓄电池结合的方式供电，减少了能源消耗。

4、在沉淀池正常、异常工况下，通过机器视觉系统定位的泥水分界面准确度高。

附图说明：

图1为沉淀池运行状态智能监测系统整体布设和安装位置主视图，图中标注了装置内主要设备和设备间的连接方式。图中，1-显示器，2-工控机，3-太阳能电池板，4-纵向桁架，5-发光标尺，6-红外LED灯带、可见光LED灯带，7-第一摄像头，8-第二摄像头，9-横向桁架。

图2为沉淀池运行状态智能感知系统摄像头的图像采集范围示意图。

图3为沉淀池智能感知系统的工作流程图。

具体实施方式：

一、沉淀池运行状态智能感知系统组成

如图所示，本发明为一种沉淀池运行状态智能感知系统，该系统由图像采集、数据处理模块和用户界面展示三大功能模块组成。本系统通过在沉淀池中安装LED灯带、红外可见光双目摄像头、发光标尺、太阳能电池板、太阳能蓄电池、工控机、电子显示器等硬件实现沉淀池数据的实时采集、处理和图形化呈现，最终实现对污水厂沉淀池运行状态的实时监测。

二、沉淀池运行状态智能感知系统安装方法

本系统的监测装置布设在沉淀池横向桁架和纵向桁架上。发光标尺和两条LED灯带安装在沉淀池纵向桁架上。在沉淀池横向桁架单侧固定一个竖直钢管，钢管底部装有一个红外可见光双目摄像头，用于获取沉淀池溢流堰处出水图像；同样的，在横向桁架同侧固定一个竖直钢管，该钢管的摄像头用于获取沉淀池内部污泥沉降情况。钢管采用铰接的方式与桁架连接，便于后续对摄像头的清污与检修。两个摄像头通过工控机控制，采集的图像通过数据线实时传输到工控机中。

三、沉淀池运行状态智能感知系统实施方式

模块一(数据采集模块)

为实时监测沉淀池内部污泥层高度变化，在沉淀池纵向桁架上安装红外、可见光LED灯带和发光标尺。在沉淀池横向桁架同侧分别安装用于采集沉淀池溢流堰处出水图像的摄像头和用于采集沉淀池内部泥水分界面图像的摄像头。两个摄像头可以单独使用，也可以组合使用。摄像头通过工控机控制，采集的图像通过数据线实时传输到工控机中。

模块二(数据处理模块)

1、污泥层高度识别

首先，使用工控机中预装的Python中图像处理的OpenCV模块对采集到的沉淀池泥水分界面图像进行直方图均衡，以增加图像对比度，再进行图像的二值化。然后选择图像处理区域，该区域的宽度是沉淀池的直径，高度是从采集图像中第一行像素到最后一行像素。沉淀池中的污泥在沉降过程中，摄像头采集的图像是随机的。当泥水分界面位于两条刻度线之间时，计算图像中每列不为0的像素点之差，取最小值以获得界面和最近刻度线之间的像素点。使用像素点和刻度线值之间的线性关系来计算泥水分界面和刻度线之间的距离。像素点数与刻度值之间的关系可通过标定得到。l表示物理长度，p表示像素点个数，k为标定值，表示两个像素之间所代表的实际距离。实际物理长度与图像像素点数之间的转换可用下式来表示：

l＝k*p

2、出水SS的识别

第一摄像头采集沉淀池溢流堰附近RGB图像，使用工控机中预装的Python中图像处理的OpenCV模块对采集到的沉淀池溢流堰浊度图像进行直方图均衡。然后将其转化为平均灰度指数，建立图像平均灰度指数与出水SS值的线性回归关系。通过标准比较库中待测水图与参考浊度图之间的线性回归模型以获得实时图像的相应浊度值。

模块三(数据可视化模块)

最终在显示器上以用户界面的形式呈现一个实时显示沉淀池污泥层高度、出水SS动态变化的可视化界面，并且对沉淀池运行状况进行实时评估。

四、沉淀池运行状态智能感知系统的运行与维护

为了保障沉淀池运行状态智能感知系统的长久稳定运行，需要有工作人员对本装置进行周期性的巡检与维护；如遇极端天气(暴雨、台风、冰雹等)必须对设备进行检查和维修。污水厂运行维护人员需要定期检查系统设备的完好性与运行状态，并且如实填写运维记录。水下摄像头每月需要从沉淀池桁架上卸下进行镜头清污，清污完成后需要将镜头安装到原位置。太阳能电池板需要维护人员定期进行清灰，保证系统电力供给的稳定性。每月对工控机的工作性能和运行状态进行检查，及时做好数据的备份和清理工作。