基于沉降曲线导数极值的污泥沉降特征提取方法及装置与流程

本技术涉及污水处理过程控制与计算机视觉图像处理技术交叉领域，尤其涉及一种基于沉降曲线导数极值的污泥沉降特征提取方法及装置。

背景技术：

1、在活性污泥法污水处理工艺中，沉降比（）和污泥体积指数（）是评估污泥沉降性能最常用的指标，其准确测定对保障二沉池固液分离效果、防止污泥膨胀至关重要。目前，污水厂主要依赖人工目测读取30分钟沉降刻度，该方式劳动强度大、效率低，且仅能获取终末时刻的静态数值，完全丢失了沉降过程中的时序动力学信息。近年来出现了基于图像识别的智能沉降仪，可通过摄像头自动输出“高度-时间”沉降曲线，但其应用仍停留在“获取曲线-计算/”的浅层数据维度；此外，基于显微镜的微观形态学分析需要繁琐的人工制样，基于深度学习的黑箱预测模型缺乏物理机理解析且泛化性差，基于标准曲线相似度比对的方法在泥质突变时极易失效且受噪声干扰严重。归纳而言，上述现有技术均仅对沉降曲线进行一阶统计量（如速率）的简单计算或纯数据驱动拟合，无法提取沉降过程中蕴含的物理阶段转换信息及深层动力学特征。

2、根据活性污泥沉降动力学与固液分离流变学理论，污泥沉降会依次经历自由沉降、成团阻碍沉降、过渡段和压密压缩沉降等物理阶段，不同阶段间的过渡转换拐点（即污泥颗粒网状骨架开始大面积接触受力、下沉阻力突变上升的临界时刻）是区分各阶段的关键标志，拐点前后的沉降行为差异中蕴含着反映污泥沉降性能优劣的重要动力学特征。然而，现有技术均无法自适应地定位该物理拐点，更无法提取拐点前后的多维动力学特征参数。丞需一种能够克服上述缺陷的污泥沉降特征提取方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提出了一种基于沉降曲线导数极值的污泥沉降特征提取方法，包括以下步骤：

2、读取图像传感器采集的活性污泥泥水分界面高度时序原始数据集，通过savitzky-golay卷积滤波算法对原始数据集进行平滑去噪运算，输出平滑高度时序曲线；

3、采用二阶精度一阶中心差分算法对平滑高度时序曲线求一阶导数运算，生成瞬时下沉速率时序序列，并检索序列极值得到最大瞬时下沉速率及对应时刻；

4、将最大瞬时下沉速率时序序列再次差分求导运算，生成下沉加速度时序序列，捕获加速度序列过零点后的负向极小值点，输出过渡转换拐点时间；

5、通过以过渡转换拐点时间为分割边界，对沉降时序数据分段，分别计算区域阻碍沉降段、压密压缩沉降段对应的污泥流变动力学指标，输出完整污泥沉降特征参数集。

6、在一种可能的实现方式中，读取图像传感器采集的活性污泥泥水分界面高度时序原始数据集，通过savitzky-golay卷积滤波算法对原始数据集进行平滑去噪运算，输出平滑高度时序曲线包括以下步骤：

7、通过预设拟合多项式阶数、滑动窗口半宽，以原始高度时序数据集内每个采样点为中心截取长度的时序滑动窗口，基于滑动窗口半宽生成包含个元素的窗口中心化相对时间向量；

8、按照每行元素为的规则构建范德蒙形式的局部拟合输入矩阵并输出；

9、基于拟合多项式阶数和滑动窗口半宽和局部拟合输入矩阵换算生成窗口中心位置对应卷积滤波系数；

10、逐点运算得到平滑高度值并输出完整平滑高度时序曲线，卷积运算公式为：

11、。

12、在一种可能的实现方式中，采用二阶精度一阶中心差分算法对平滑高度时序曲线求一阶导数运算，生成瞬时下沉速率时序序列，并检索序列极值得到最大瞬时下沉速率及对应时刻包括以下步骤：

13、读取平滑高度时序曲线离散采样点、和固定采样间隔；

14、逐点执行运算输出瞬时下沉速率时序序列，下沉速率差分计算公式为：

15、；

16、遍历瞬时下沉速率时序序列全部数值，检索序列全局最大值，同步输出最大瞬时下沉速率与对应时刻。

17、在一种可能的实现方式中，将最大瞬时下沉速率时序序列再次差分求导运算，生成下沉加速度时序序列，捕获加速度序列过零点后的负向极小值点，输出过渡转换拐点时间包括以下步骤：

18、读取瞬时下沉速率时序序列采样点、和固定采样间隔；

19、逐点执行运算输出下沉加速度时序序列，下沉加速度差分推导计算公式为：

20、；

21、筛选下沉加速度时序序列中数值越过零点后的全部采样点，检索筛选区间内全局最小值，输出全局最小值对应的采样时刻作为过渡转换拐点时间。

22、在一种可能的实现方式中，计算区域阻碍沉降段对应的污泥流变动力学指标包括以下步骤：

23、截取时间区间内平滑高度时序数据，提取初始液面高度、第5分钟平滑高度、第30分钟最终沉降高度；

24、通过运算得到前5分钟沉降体积贡献率，前5分钟沉降体积贡献率计算公式为：

25、；

26、匹配存储的最大瞬时下沉速率、对应时刻，整合输出区域阻碍沉降段完整动力学指标子集。

27、在一种可能的实现方式中，计算压密压缩沉降段对应的污泥流变动力学指标包括以下步骤：

28、截取时间区间内平滑高度时序数据，提取过渡转换拐点对应的加速度极小值、第30分钟最终沉降高度；

29、读取现场实测污泥混合液浓度，运算得到污泥体积指数，污泥体积指数计算公式为：

30、；

31、整合加速度极小值、第30分钟最终沉降高度和污泥体积指数三类参数，输出压密压缩沉降段动力学指标子集。

32、在一种可能的实现方式中，输出完整污泥沉降特征参数集之后，还包括以下步骤：

33、调取预设污泥膨胀判定阈值库，匹配参数集中过渡转换拐点时间、最大瞬时下沉速率和前5分钟沉降体积贡献率三项特征数值；

34、比对预设阈值完成工况判定：若过渡转换拐点时间延后、最大瞬时下沉速率衰减幅度超过70%以及前5分钟沉降体积贡献率低于预设下限，则判定当前污泥为丝状菌膨胀工况；

35、生成污泥沉降性能诊断报文，推送至污水处理中控系统完成预警输出。

36、本技术还提供了一种基于沉降曲线导数极值的污泥沉降特征提取装置，包括：

37、图像采集模块，用于采集活性污泥泥水分界面高度时序原始数据集；

38、平滑滤波模块，与图像采集模块连接，用于采用savitzky-golay卷积滤波算法对原始数据集进行平滑去噪运算，输出平滑高度时序曲线；

39、速率求解模块，与平滑滤波模块连接，用于基于平滑高度时序曲线通过二阶精度一阶中心差分运算生成瞬时下沉速率时序序列，并检索得到最大瞬时下沉速率及对应时刻；

40、加速度拐点定位模块，与速率求解模块连接，用于对瞬时下沉速率时序序列差分求导生成下沉加速度时序序列，捕获加速度序列过零点后的负向极小值点，输出过渡转换拐点时间；

41、分段指标计算模块，与加速度拐点定位模块连接，用于以过渡转换拐点时间为分割边界对沉降时序数据分段，分别计算区域阻碍沉降段、压密压缩沉降段对应的污泥流变动力学指标，输出完整污泥沉降特征参数集。

42、在一种可能的实现方式中，加速度拐点定位模块包括：

43、数据读取单元，用于读取瞬时下沉速率时序序列采样点与采样间隔；

44、加速度计算单元，与数据读取单元连接，用于逐点差分运算生成下沉加速度时序序列；

45、拐点筛选单元，与加速度计算单元连接，用于筛选下沉加速度时序序列中数值越过零点后的全部采样点，检索筛选区间内全局最小值，输出全局最小值对应的采样时刻作为过渡转换拐点时间。

46、在一种可能的实现方式中，还包括工况预警模块，与分段指标计算模块连接，工况预警模块包括：

47、阈值调取单元，用于调取预设污泥膨胀判定阈值库，匹配参数集中过渡转换拐点、最大瞬时下沉速率、前5分钟沉降体积贡献率三项特征数值；

48、工况判定单元，与阈值调取单元连接，用于比对预设阈值完成工况判定：若过渡转换拐点大幅延后、最大瞬时下沉速率衰减幅度超过70%、前5分钟沉降体积贡献率低于预设下限，则判定当前污泥为丝状菌膨胀工况；

49、报文推送单元，与工况判定单元连接，用于生成污泥沉降性能诊断报文，推送至污水处理中控系统完成预警输出。

50、本发明的有益效果：

51、本基于沉降曲线导数极值的污泥沉降特征提取方法，通过savitzky-golay卷积滤波对原始时序数据降噪，可在滤除图像采集干扰噪声的同时完整保留沉降曲线变化特征，保障后续导数计算无畸变；再先后采用一、二阶中心差分求解沉降速率、加速度，以加速度过零后的负向极小值自适应锁定沉降物理拐点，摒弃现有技术固定时间分段的主观划分方式，最终依据拐点自动分割两类沉降区间并批量计算流变动力学指标，整体方案可适配不同泥质工况，精准、全面挖掘污泥沉降全过程动力学信息，实现沉降性能量化评价与丝状菌膨胀提前预警。

52、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本技术的其它特征及方面将变得清楚。