污水数据处理方法、装置及电子设备与流程

本技术涉及数据处理领域，尤其涉及污水数据处理方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、现有污水处理数据处理多采用固定采样周期的控制器采集水质信号，经简单滤波后按预设时序执行相位切换与设备控制。该方式存在三方面不足：其一，采样粒度全局统一，平稳时段浪费资源，相位切换关键时段又因采样过疏丢失拐点；其二，相位划分依赖预设寄存器，无法根据实际水质曲线动态确认边界，进水波动或设备衰减时相位偏差难以及时感知；其三，控制参数设定后长期不变，缺乏基于当前工艺状态的在线优化机制，出水达标率与能耗药耗间难以动态平衡。此外，现有方法将水质观测、设备状态与工艺相位视为独立变量，缺乏统一概率耦合建模手段，无法量化状态识别不确定性，也难以将其反馈至前端采集，导致采集、识别与优化三者割裂，无法形成闭环。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本技术的目的在于提供污水数据处理方法、装置及电子设备，其可以提高污水工艺状态的识别精度与运行参数的优化精度。

2、第一方面，本技术实施例提供一种污水数据处理方法，包括以下步骤：

3、构建水质特征、控制状态、相位位置三维相态耦合张量，各元素为对应相位、控制状态下水质特征处于量化区间的条件概率密度；

4、根据相态耦合张量控制状态维度概率分布获取状态熵，状态熵超上限则收缩触发阈值、低于下限则放宽触发阈值，计算水质信号滑动窗口二阶差分并与当前阈值比较，超阈值则采样间隔由基础粒度收缩至精细粒度，否则保持原粒度，以获取结构化数据；

5、对结构化数据相位时序拓扑特征提取得候选切换点，经氧化还原电位、酸碱度和溶解氧曲线多特征点校验修正确认相位边界，划分厌氧释磷、缺氧反硝化吸磷等功能相位，提取各相位水质统计、累计能耗及时长特征组成相位特征向量，比对实际边界与预设时序得相位偏差向量，提取厌氧释磷与缺氧反硝化吸磷相位差分特征组成释吸相位特征向量，拼接得周期特征向量；

6、将周期特征向量及对应控制状态序列按指数衰减更新相态耦合张量，据更新后张量求当前水质特征向量在各控制状态下似然向量，乘先验概率得联合概率密度向量，取似然最大控制状态为当前状态识别结果，对似然向量归一化求香农熵得状态熵回传动态采集，联合概率密度向量中当前状态对应值与预设基准值作比得工艺偏离度；

7、基于当前状态识别结果和工艺偏离度，确定未来多周期各相位时长及关键工艺参数，据相位偏差向量生成初始解基准；采用碳氮相位编码对缺氧反硝化吸磷相位时长与碳源投加量联合编码，基于出水达标率、曝气能耗和碳源药耗多目标加权值得适应度，按工艺偏离度惩罚修正适应度；每周期特征向量生成后采用相位编码遗传算法滚动求解得最优相位配置，实现污水数据处理。

8、优选的，构建水质特征、控制状态、相位位置三维相态耦合张量的具体步骤为：

9、将酸碱度、溶解氧、氧化还原电位、液位和污泥浓度五路模拟量信号分别按各自量程等距划分为n个量化区间，每个量化区间对应水质特征维度的一个离散取值；

10、将进水泵、厌氧池搅拌机、序批池搅拌机、硝化液回流泵、污泥回流泵、曝气机和两台加药泵的开关状态按二进制组合编码为控制状态维度，进水阀与污泥回流阀联锁、泵与阀门联锁、搅拌机与曝气阀联锁的约束直接体现在合法控制状态编码集合中；

11、将双半周期交替运行结构中的厌氧释磷相位、缺氧反硝化吸磷相位、好氧曝气相位及沉淀排水相位按时间顺序编码为相位位置维度，第一半周期与第二半周期通过字交换指令切换后映射至同一相位位置索引；

12、以水质特征维度为第一维、控制状态维度为第二维、相位位置维度为第三维构建三维张量，张量各元素初始值设为1除以对应控制状态下量化区间总数的均匀分布条件概率密度，经可编程逻辑控制器模拟量输入模块采集的五路原始信号，先与各自的预设输入下限比较，低于输入下限的原始信号钳位至输入下限；再按线性缩放公式转换为工程量值，线性缩放公式为输出下限加上输出上限与输出下限的差值乘以原始信号减去输入下限后除以输入上限减去输入下限；转换后的工程量值与各自的预设输出上限比较，高于输出上限的工程量值钳位至输出上限；最后将钳位后的工程量值按所属数值范围落入对应的量化区间，完成水质特征维度的离散化映射。

13、优选的，根据相态耦合张量控制状态维度概率分布获取状态熵，状态熵超上限则收缩触发阈值、低于下限则放宽触发阈值的具体步骤为：

14、沿相态耦合张量的控制状态维度对同一控制状态下所有水质特征量化区间和相位位置的元素求和，得到各控制状态的未归一化边缘概率，将各未归一化边缘概率除以全部控制状态边缘概率之和得到归一化边缘概率分布；

15、对归一化边缘概率分布按香农熵公式计算状态熵，状态熵等于各控制状态概率乘以其对数的负值之和，状态熵越高表示当前控制状态识别的不确定性越大；

16、预设状态熵上限阈值和下限阈值，当状态熵高于上限阈值时，将二阶差分触发阈值乘以小于1的收缩系数，当状态熵低于下限阈值时，将二阶差分触发阈值乘以大于1的放宽系数；

17、触发阈值经收缩或放宽后与预设的最小阈值下界和最大阈值上界比较，低于下界时钳位至下界、高于上界时钳位至上界，钳位后的触发阈值作为当前周期二阶差分比较的基准。

18、优选的，计算水质信号滑动窗口二阶差分并与当前阈值比较，超阈值则采样间隔由基础粒度收缩至精细粒度，否则保持原粒度，以获取结构化数据的具体步骤为：

19、以可编程逻辑控制器主循环的固定扫描周期作为基础粒度，以可编程逻辑控制器周期中断的中断周期作为精细粒度；

20、对缩放后的各通道模拟量工程量值，取长度为w的滑动窗口，按二阶差分递推公式计算窗口内相邻三点的二阶差分值，二阶差分值等于当前采样值减去两倍前一采样值再加上前二采样值；

21、将各通道二阶差分的绝对值与当前触发阈值逐通道比较，超过阈值的通道置位精细采集标志并将该通道采样间隔由基础扫描周期切换为中断周期，未超过阈值的通道清除精细采集标志并保持基础扫描周期；

22、各通道按各自采样间隔采集的数据携带采集时刻时间戳，在每个基础扫描周期结束时按时间戳对齐排列为固定列数的结构化数据矩阵，缺失时刻采用前值填充，结构化数据矩阵作为相位时序拓扑特征提取的输入。

23、优选的，对结构化数据相位时序拓扑特征提取得候选切换点，经氧化还原电位、酸碱度和溶解氧曲线多特征点校验修正确认相位边界，划分厌氧释磷、缺氧反硝化吸磷等功能相位的具体步骤为：

24、对结构化数据矩阵中的氧化还原电位、酸碱度和溶解氧三路信号分别计算斜率变化率，将斜率变化率超过预设斜率阈值的时刻标记为候选相位切换点，三路信号的候选切换点合并去重后得到候选切换点序列；

25、在氧化还原电位曲线上将一阶导数由负变正的时刻判定为拐点，在酸碱度曲线上将一阶导数由正变负或由负变正的时刻判定为极值点，在溶解氧曲线上将一阶导数超过预设跃升阈值的时刻判定为跃升点，三类特征点组成多特征点集合；

26、对候选切换点序列中的每个候选点，统计以该候选点为中心、宽度为预设时间窗的区间内多特征点的数量，当数量大于等于2时确认该候选点为有效相位边界并记录其时刻，当数量小于2时丢弃该候选点；

27、按时间先后顺序排列有效相位边界，将相邻两个有效相位边界之间的时段标记为一个功能相位，依据该时段内氧化还原电位、酸碱度和溶解氧的均值范围分别判定为厌氧释磷相位、缺氧反硝化吸磷相位、好氧曝气相位或沉淀排水相位。

28、优选的，提取各相位水质统计、累计能耗及时长特征组成相位特征向量，比对实际边界与预设时序得相位偏差向量，提取厌氧释磷与缺氧反硝化吸磷相位差分特征组成释吸相位特征向量，拼接得周期特征向量的具体步骤为：

29、对每个功能相位分别计算该相位内五路水质信号的均值、标准差、最大值和最小值作为水质统计特征，将该相位内曝气机、各搅拌机和各泵类设备的运行时间与对应额定功率相乘后累加得到累计能耗特征，将该相位的结束时刻减去起始时刻得到持续时长特征，三类特征按固定顺序排列组成该相位的相位特征向量；

30、将每个有效相位边界的实际时刻减去预设时序中对应相位边界的设定时刻，得到各相位边界的时间偏差，将全部相位边界的时间偏差按相位顺序排列组成相位偏差向量；

31、将厌氧释磷相位特征向量与缺氧反硝化吸磷相位特征向量的对应维度逐项相减，得到跨相位差分特征，将跨相位差分特征按维度顺序排列组成释吸相位特征向量；

32、将全部功能相位的相位特征向量按相位顺序首尾拼接，再接续拼接相位偏差向量和释吸相位特征向量，得到固定维度的周期特征向量，周期特征向量作为相态耦合张量更新和滚动优化的共同输入。

33、优选的，将周期特征向量及对应控制状态序列按指数衰减更新相态耦合张量，据更新后张量求当前水质特征向量在各控制状态下似然向量，乘先验概率得联合概率密度向量，取似然最大控制状态为当前状态识别结果，对似然向量归一化求香农熵得状态熵回传动态采集，联合概率密度向量中当前状态对应值与预设基准值作比得工艺偏离度的具体步骤为：

34、将周期特征向量中水质统计特征映射至对应量化区间，结合该周期对应的控制状态序列和相位位置，定位相态耦合张量中的目标元素，按指数衰减公式更新目标元素；

35、从更新后的相态耦合张量中，按当前水质特征向量所属量化区间和当前相位位置，提取各控制状态对应的条件概率密度值，按控制状态顺序排列组成似然向量；

36、将似然向量中各元素分别乘以对应控制状态的先验概率，得到联合概率密度向量，先验概率由相态耦合张量控制状态维度的历史边缘概率统计得到；

37、取似然向量中最大值对应的控制状态作为当前状态识别结果，对似然向量归一化后按香农熵公式计算状态熵，状态熵回传至动态采集步骤用于触发阈值的收缩或放宽；

38、将联合概率密度向量中与当前状态识别结果对应的值除以预设基准周期模板的联合概率密度基准值，得到工艺偏离度。

39、优选的，基于当前状态识别结果和工艺偏离度，确定未来多周期各相位时长及关键工艺参数，据相位偏差向量生成初始解基准；采用碳氮相位编码对缺氧反硝化吸磷相位时长与碳源投加量联合编码，基于出水达标率、曝气能耗和碳源药耗多目标加权值得适应度，按工艺偏离度惩罚修正适应度；每周期特征向量生成后采用相位编码遗传算法滚动求解得最优相位配置，实现污水数据处理的具体步骤为：

40、以当前状态识别结果和工艺偏离度作为状态输入，将未来k个周期中每个周期的厌氧释磷相位时长、缺氧反硝化吸磷相位时长、好氧曝气相位时长、沉淀排水相位时长以及碳源投加量、曝气强度设定为决策变量，将相位偏差向量中各相位边界的偏差值按比例映射为决策变量的初始偏移量，生成遗传算法的初始解基准；

41、采用碳氮相位编码将缺氧反硝化吸磷相位时长与碳源投加量编码为同一染色体片段，缺氧反硝化吸磷相位时长乘以反硝化速率常数得到反硝化需碳量，碳源投加量对应的有效碳量必须大于等于反硝化需碳量且小于等于其预设倍数，以此构建可行域约束；

42、将出水达标率乘以第一权重、曝气能耗乘以第二权重、碳源药耗乘以第三权重后求和得到多目标加权适应度，当工艺偏离度小于预设偏离阈值时，将适应度乘以工艺偏离度作为惩罚修正；

43、在每个周期特征向量生成后启动相位编码遗传算法，以初始解基准为中心生成初始种群，经选择、交叉和变异操作迭代预设代数后取适应度最高的个体作为最优相位配置，将最优相位配置中的各相位时长写入可编程逻辑控制器的半周期时间设定寄存器、将碳源投加量写入加药泵时段设定寄存器，经分钟秒换算和实时时钟比较后驱动半周期切换、设备联锁和加药泵执行，实现污水数据处理。

44、第二方面，本技术实施例提供一种污水数据处理方法的污水数据处理装置，包括：数据获取部分、数据处理部分、结果输出部分。

45、第三方面，本技术实施例提供一种电子设备，该电子设备包括：

46、存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行污水数据处理方法。

47、上述设置中，通过构建水质特征、控制状态、相位位置三维相态耦合张量，将三者耦合为统一概率表示，为状态识别与偏离判定提供数学基础。基于张量控制状态维度概率分布求状态熵，据此动态调整二阶差分阈值与采样粒度，实现不确定时精细、确定时宽松的自适应采集策略，保证关键数据完整性并降低系统负载。经多特征点校验确认相位边界后，提取各相位水质统计、能耗、时长及相位偏差、释吸差分特征拼接为周期特征向量，实现运行周期多维度结构化表征。经指数衰减更新张量后以贝叶斯推断识别控制状态，状态熵回传形成采集、识别闭环，工艺偏离度为优化提供依据。最终以相位编码遗传算法每周期滚动求解最优配置，兼顾出水达标率与能耗药耗，适应进水波动与设备衰减等时变因素。