一种污水智能运行监测系统的制作方法

1.本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种污水智能运行监测系统。


背景技术：

2.sbr是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。
3.活性污泥中微生物的数量和活性决定了对污水的降解效率，微生物的数量越多，活性越好，对污水的降解效率越高。影响微生物的数量和活性的主要因素为sbr反应池中的曝气量，曝气量的多少影响微生物的生长活动。
4.现有污水智能运行监测系统通过采集sbr反应池中进水水质数据，将不同进水水质数据作为bp神经网络的输入，目标曝气量作为标签，从而实现根据不同进水水质数据，bp神经网络输出不同的曝气量，实现对曝气量的控制。但是这种方案，不清楚微生物的活动情况，仅能实现对曝气量的粗略控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种污水智能运行监测系统解决了现有污水智能运行监测系统对曝气量控制精度低的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种污水智能运行监测系统，包括：sbr反应池、显微镜、图像采集单元、轮廓提取单元、平滑处理单元、活性检测单元和曝气单元；
7.所述显微镜用于放大sbr反应池中活性污泥；所述图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像；所述轮廓提取单元用于提取图像的轮廓；所述平滑处理单元用于对轮廓进行平滑处理，得到平滑图像；所述活性检测单元用于根据一段时间内的平滑图像，计算活性污泥的活性度；所述曝气单元用于根据活性污泥的活性度，基于曝气控制模型对sbr反应池中的曝气量进行控制。
8.进一步地，所述平滑处理单元包括：遍历模块和平滑模块；
9.所述遍历模块用于设置55的平滑窗口，采用平滑窗口在轮廓上进行遍历，在每次遍历时，计算平滑窗口的密集度；
10.所述平滑模块用于根据平滑窗口的密集度，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，得到平滑图像。
11.进一步地，所述计算平滑窗口的密集度的公式为：
12.，
13.其中，ci为第i次遍历时平滑窗口的密集度，ni为第i次遍历时平滑窗口下的像素点数量，mi为第i次遍历时平滑窗口下33中心区域的像素点数量。
14.上述进一步地方案的有益效果为：本发明通过55区域范围和33区域范围内分别
的像素点数量占比，从而体现出中心像素点周边的像素点密集度。
15.进一步地，所述平滑处理过程具体包括：
16.在平滑窗口的密集度低于密集度阈值时，将平滑窗口下的中心像素点标记为待丢弃点；
17.在平滑窗口的密集度大于等于密集度阈值时，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，其中平滑处理的公式为：
18.，
19.其中，p
i,o,s
为平滑处理后第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，p
i,o
为平滑处理前第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，ω1为第1个权重，ω
1+j
为第j+1个权重，p
i,j
为第i次遍历时平滑窗口下除中心像素点外的第j个像素点的像素值；
20.丢弃待丢弃点，剩余平滑处理后的像素点构成平滑图像。
21.上述进一步地方案的有益效果为：本发明中在平滑窗口的密集度低于密集度阈值时，中心像素点周围的像素点稀疏，其为孤立的异常点，因此，将孤立的异常点在平滑处理完成后丢弃，在中心像素点周围的像素点密集时，根据55范围区域中其他像素点的像素值情况对中心像素点的像素值进行平滑处理，避免异常像素值对计算活性污泥的活性度的影响。
22.进一步地，所述活性检测单元包括：像素点数量变化速度计算模块、像素点位置变化速度计算模块、像素特征变化速度计算模块和活性度计算模块；
23.所述像素点数量变化速度计算模块用于根据每张平滑图像中像素点的数量，计算一段时间内像素点数量变化速度；
24.所述像素点位置变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的位置特征值，计算一段时间内像素点位置变化速度；
25.所述像素特征变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的像素特征值，计算一段时间内像素特征变化速度；
26.所述活性度计算模块用于根据像素点数量变化速度、像素点位置变化速度和像素特征变化速度，计算活性污泥的活性度。
27.进一步地，所述像素点数量变化速度计算模块的表达式为：
28.，
29.其中，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，r
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像中像素点的数量，r
t-k-1
为第t-k-1时刻对应的平滑图像中像素点的数量，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
30.上述进一步地方案的有益效果为：本发明中采用前一时刻的平滑图像中像素点的数量减去后一时刻的平滑图像中像素点的数量，从而计算出一段时间内像素点的数量的平均变化情况，即一段时间内像素点数量变化速度v
dis
，在一段时间内像素点数量变化速度v
dis
越大时，微生物生长活动越活跃，对污水降解效率更高。
31.进一步地，所述位置特征值的计算公式为：
32.，
33.其中，pos为平滑图像的位置特征值，xr为平滑图像上第r个像素点的横坐标，yr为平滑图像上第r个像素点的纵坐标，r为平滑图像上像素点的数量；
34.所述像素点位置变化速度计算模块的表达式为：
35.，
36.其中，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，pos
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的位置特征值，pos
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的位置特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
37.上述进一步地方案的有益效果为：本发明中位置特征值统计每个像素点的位置，从而反应出微生物的结构变化情况，通过像素点位置变化速度v
pos
反应出一段时间内微生物的结构变化的剧烈程度，像素点位置变化速度v
pos
越大，微生物的结构变化越剧烈。
38.进一步地，所述像素特征值的计算公式为：
39.，
40.其中，pf为平滑图像的像素特征值，pr为平滑图像上第r个像素点的像素值，r为平滑图像上像素点的数量；
41.所述像素特征变化速度计算模块的表达式为：
42.，
43.其中，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，pf
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的像素特征值，pf
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的像素特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
44.上述进一步地方案的有益效果为：本发明中通过像素特征值增强像素点的像素值，通过像素特征值体现出各个像素点上像素值的区别，从而通过计算出一段时间内像素特征变化速度，体现出各个平滑图像间像素值的变化。
45.进一步地，所述活性度计算模块的表达式为：
46.，
47.其中，ac为活性污泥的活性度，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，α为v
dis
的权重，β为v
pos
的权重，γ为v
pf
的权重。
48.上述进一步地方案的有益效果为：根据像素点数量变化速度v
dis
、像素点位置变化速度v
pos
和像素特征变化速度v
pf
，综合评估活性污泥的活性度ac，并分别为像素点数量变化速度v
dis
、像素点位置变化速度v
pos
和像素特征变化速度v
pf
分配不同权重，提高评估活性污泥的活性度ac的精度。
49.进一步地，所述曝气控制模型的表达式为：
50.，
51.其中，are为控制后的曝气量，ar为控制前的曝气量，ac为活性污泥的活性度，a
t
为活性污泥的目标活性，θ为调节系数。
52.上述进一步地方案的有益效果为：根据活性污泥的目标活性a
t
与活性污泥的活性度ac的距离自适应调节需要补充或者减少的曝气量，并通过调节系数θ微调需要补充或者减少的曝气量，提高曝气精度。
53.综上，本发明的有益效果为：本发明中通过显微镜放大sbr反应池中活性污泥，图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像，通过提取图像轮廓，对轮廓平滑处理，去除干扰像素点和像素值，根据一段时间内的平滑图像的变化，从而计算出活性污泥的活性度，活性污泥的活性度反映微生物的生长活动，根据活性污泥的活性度对sbr反应池中的曝气量进行控制，保障微生物的活性，提高降解效率，实现对曝气量的精确控制。
附图说明
54.图1为一种污水智能运行监测系统的系统框图。
具体实施方式
55.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
56.如图1所示，一种污水智能运行监测系统，包括：sbr反应池、显微镜、图像采集单元、轮廓提取单元、平滑处理单元、活性检测单元和曝气单元；
57.所述显微镜用于放大sbr反应池中活性污泥；所述图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像；所述轮廓提取单元用于提取图像的轮廓；所述平滑处理单元用于对轮廓进行平滑处理，得到平滑图像；所述活性检测单元用于根据一段时间内的平滑图像，计算活性污泥的活性度；所述曝气单元用于根据活性污泥的活性度，基于曝气控制模型对sbr反应池中的曝气量进行控制。
58.所述平滑处理单元包括：遍历模块和平滑模块；
59.所述遍历模块用于设置55的平滑窗口，采用平滑窗口在轮廓上进行遍历，在每次遍历时，计算平滑窗口的密集度；
60.所述平滑模块用于根据平滑窗口的密集度，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，得到平滑图像。
61.所述计算平滑窗口的密集度的公式为：
62.，
63.其中，ci为第i次遍历时平滑窗口的密集度，ni为第i次遍历时平滑窗口下的像素点
数量，mi为第i次遍历时平滑窗口下33中心区域的像素点数量。
64.本发明通过55区域范围和33区域范围内分别的像素点数量占比，从而体现出中心像素点周边的像素点密集度。
65.所述平滑处理过程具体包括：
66.在平滑窗口的密集度低于密集度阈值时，将平滑窗口下的中心像素点标记为待丢弃点；
67.在平滑窗口的密集度大于等于密集度阈值时，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，其中平滑处理的公式为：
68.，
69.其中，p
i,o,s
为平滑处理后第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，p
i,o
为平滑处理前第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，ω1为第1个权重，ω
1+j
为第j+1个权重，p
i,j
为第i次遍历时平滑窗口下除中心像素点外的第j个像素点的像素值；
70.丢弃待丢弃点，剩余平滑处理后的像素点构成平滑图像。
71.本发明中在平滑窗口的密集度低于密集度阈值时，中心像素点周围的像素点稀疏，其为孤立的异常点，因此，将孤立的异常点在平滑处理完成后丢弃，在中心像素点周围的像素点密集时，根据55范围区域中其他像素点的像素值情况对中心像素点的像素值进行平滑处理，避免异常像素值对计算活性污泥的活性度的影响。
72.所述活性检测单元包括：像素点数量变化速度计算模块、像素点位置变化速度计算模块、像素特征变化速度计算模块和活性度计算模块；
73.所述像素点数量变化速度计算模块用于根据每张平滑图像中像素点的数量，计算一段时间内像素点数量变化速度；
74.所述像素点位置变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的位置特征值，计算一段时间内像素点位置变化速度；
75.所述像素特征变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的像素特征值，计算一段时间内像素特征变化速度；
76.所述活性度计算模块用于根据像素点数量变化速度、像素点位置变化速度和像素特征变化速度，计算活性污泥的活性度。
77.所述像素点数量变化速度计算模块的表达式为：
78.，
79.其中，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，r
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像中像素点的数量，r
t-k-1
为第t-k-1时刻对应的平滑图像中像素点的数量，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
80.本发明中采用前一时刻的平滑图像中像素点的数量减去后一时刻的平滑图像中像素点的数量，从而计算出一段时间内像素点的数量的平均变化情况，即一段时间内像素点数量变化速度v
dis
，在一段时间内像素点数量变化速度v
dis
越大时，微生物生长活动越活跃，对污水降解效率更高。
81.所述位置特征值的计算公式为：
82.，
83.其中，pos为平滑图像的位置特征值，xr为平滑图像上第r个像素点的横坐标，yr为平滑图像上第r个像素点的纵坐标，r为平滑图像上像素点的数量；
84.所述像素点位置变化速度计算模块的表达式为：
85.，
86.其中，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，pos
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的位置特征值，pos
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的位置特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
87.本发明中位置特征值统计每个像素点的位置，从而反应出微生物的结构变化情况，通过像素点位置变化速度v
pos
反应出一段时间内微生物的结构变化的剧烈程度，像素点位置变化速度v
pos
越大，微生物的结构变化越剧烈。
88.所述像素特征值的计算公式为：
89.，
90.其中，pf为平滑图像的像素特征值，pr为平滑图像上第r个像素点的像素值，r为平滑图像上像素点的数量；
91.所述像素特征变化速度计算模块的表达式为：
92.，
93.其中，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，pf
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的像素特征值，pf
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的像素特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。
94.本发明中通过像素特征值增强像素点的像素值，通过像素特征值体现出各个像素点上像素值的区别，从而通过计算出一段时间内像素特征变化速度，体现出各个平滑图像间像素值的变化。
95.本发明中的像素点数量变化速度计算模块、像素点位置变化速度计算模块、像素特征变化速度计算模块均是采用前一时刻的平滑图像与后一时刻的平滑图像进行相减，从而体现出微生物是处理于增长状态还是处于削减状态，更好评估活性污泥的活性度。
96.所述活性度计算模块的表达式为：
97.，
98.其中，ac为活性污泥的活性度，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，α为v
dis
的权重，β为v
pos
的权重，γ为v
pf
的权重。
99.根据像素点数量变化速度v
dis
、像素点位置变化速度v
pos
和像素特征变化速度v
pf
，综合评估活性污泥的活性度ac，并分别为像素点数量变化速度v
dis
、像素点位置变化速度v
pos
和像素特征变化速度v
pf
分配不同权重，提高评估活性污泥的活性度ac的精度。
100.所述曝气控制模型的表达式为：
101.，
102.其中，are为控制后的曝气量，ar为控制前的曝气量，ac为活性污泥的活性度，a
t
为活性污泥的目标活性，θ为调节系数。
103.根据活性污泥的目标活性a
t
与活性污泥的活性度ac的距离自适应调节需要补充或者减少的曝气量，并通过调节系数θ微调需要补充或者减少的曝气量，提高曝气精度。
104.本发明中通过显微镜放大sbr反应池中活性污泥，图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像，通过提取图像轮廓，对轮廓平滑处理，去除干扰像素点和像素值，根据一段时间内的平滑图像的变化，从而计算出活性污泥的活性度，活性污泥的活性度反映微生物的生长活动，根据活性污泥的活性度对sbr反应池中的曝气量进行控制，保障微生物的活性，提高降解效率，实现对曝气量的精确控制。
105.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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。

技术特征：
1.一种污水智能运行监测系统，其特征在于，包括：sbr反应池、显微镜、图像采集单元、轮廓提取单元、平滑处理单元、活性检测单元和曝气单元；所述显微镜用于放大sbr反应池中活性污泥；所述图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像；所述轮廓提取单元用于提取图像的轮廓；所述平滑处理单元用于对轮廓进行平滑处理，得到平滑图像；所述活性检测单元用于根据一段时间内的平滑图像，计算活性污泥的活性度；所述曝气单元用于根据活性污泥的活性度，基于曝气控制模型对sbr反应池中的曝气量进行控制。2.根据权利要求1所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述平滑处理单元包括：遍历模块和平滑模块；所述遍历模块用于设置55的平滑窗口，采用平滑窗口在轮廓上进行遍历，在每次遍历时，计算平滑窗口的密集度；所述平滑模块用于根据平滑窗口的密集度，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，得到平滑图像。3.根据权利要求2所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述计算平滑窗口的密集度的公式为：，其中，c
i
为第i次遍历时平滑窗口的密集度，n
i
为第i次遍历时平滑窗口下的像素点数量，m
i
为第i次遍历时平滑窗口下33中心区域的像素点数量。4.根据权利要求2所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述平滑处理过程具体包括：在平滑窗口的密集度低于密集度阈值时，将平滑窗口下的中心像素点标记为待丢弃点；在平滑窗口的密集度大于等于密集度阈值时，对平滑窗口下的中心像素点进行平滑处理，其中平滑处理的公式为：，其中，p
i,o,s
为平滑处理后第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，p
i,o
为平滑处理前第i次遍历时平滑窗口的中心像素点的像素值，ω1为第1个权重，ω
1+j
为第j+1个权重，p
i,j
为第i次遍历时平滑窗口下除中心像素点外的第j个像素点的像素值；丢弃待丢弃点，剩余平滑处理后的像素点构成平滑图像。5.根据权利要求1所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述活性检测单元包括：像素点数量变化速度计算模块、像素点位置变化速度计算模块、像素特征变化速度计算模块和活性度计算模块；所述像素点数量变化速度计算模块用于根据每张平滑图像中像素点的数量，计算一段时间内像素点数量变化速度；所述像素点位置变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的位置特征值，计算一段时
间内像素点位置变化速度；所述像素特征变化速度计算模块用于根据每张平滑图像的像素特征值，计算一段时间内像素特征变化速度；所述活性度计算模块用于根据像素点数量变化速度、像素点位置变化速度和像素特征变化速度，计算活性污泥的活性度。6.根据权利要求5所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述像素点数量变化速度计算模块的表达式为：，其中，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，r
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像中像素点的数量，r
t-k-1
为第t-k-1时刻对应的平滑图像中像素点的数量，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。7.根据权利要求5所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述位置特征值的计算公式为：，其中，pos为平滑图像的位置特征值，x
r
为平滑图像上第r个像素点的横坐标，y
r
为平滑图像上第r个像素点的纵坐标，r为平滑图像上像素点的数量；所述像素点位置变化速度计算模块的表达式为：，其中，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，pos
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的位置特征值，pos
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的位置特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。8.根据权利要求5所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述像素特征值的计算公式为：，其中，pf为平滑图像的像素特征值，p
r
为平滑图像上第r个像素点的像素值，r为平滑图像上像素点的数量；所述像素特征变化速度计算模块的表达式为：，其中，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，pf
t-k
为第t-k时刻对应的平滑图像的像素特征值，pf
t-k-1
第t-k-1时刻对应的平滑图像的像素特征值，k为一段时间的长度，t为最新时刻的编号，k为历史时刻的编号。9.根据权利要求5所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述活性度计算模块的
表达式为：，其中，a
c
为活性污泥的活性度，v
dis
为一段时间内像素点数量变化速度，v
pos
为一段时间内像素点位置变化速度，v
pf
为一段时间内像素特征变化速度，α为v
dis
的权重，β为v
pos
的权重，γ为v
pf
的权重。10.根据权利要求1所述的污水智能运行监测系统，其特征在于，所述曝气控制模型的表达式为：，其中，ar
e
为控制后的曝气量，ar为控制前的曝气量，a
c
为活性污泥的活性度，a
t
为活性污泥的目标活性，θ为调节系数。

技术总结
本发明公开了一种污水智能运行监测系统，属于图像处理技术领域，本发明中通过显微镜放大SBR反应池中活性污泥，图像采集单元用于拍摄放大后活性污泥的图像，通过提取图像轮廓，对轮廓平滑处理，去除干扰像素点和像素值，根据一段时间内的平滑图像的变化，从而计算出活性污泥的活性度，活性污泥的活性度反映微生物的生长活动，根据活性污泥的活性度对SBR反应池中的曝气量进行控制，保障微生物的活性，提高降解效率，实现对曝气量的精确控制。实现对曝气量的精确控制。实现对曝气量的精确控制。


技术研发人员：张地菊 黄敏 史新院 李姝 何薇 唐文鹏 马文建 袁娟 钟力 罗晓怡
受保护的技术使用者：四川省每文环保科技有限公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/11