一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法及系统与流程

本技术涉及净水控制，具体为一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法及系统。

背景技术：

1、现有以地表水为水源的净水厂，混凝投药过程通常在进水管路上安装原水浊度仪、原水ph计、原水温度计和电磁流量计，依靠在线仪表量测数据结合投药模型或运行人员经验确定絮凝剂投量，并辅以人工烧杯试验对投量进行校核，在来水条件平稳的时段内能够维持沉淀池出水浊度稳定。然而，暴雨径流汇入或上游河道集中排水时，原水浊度会在数十分钟内快速抬升，净水厂难以在波动发生后的短时间内获得与当前来水相匹配的可靠投加依据。

2、例如，某净水厂在一次汛期暴雨中，原水浊度自82ntu在10min内升至151ntu，值班人员随即安排人工烧杯试验，从取样、配药、搅拌、沉淀到读数耗时2h以上，试验结论给出时原水浊度已再次发生变化，按试验结论执行的投量与当时的来水状况不再对应，试验等待期间只能沿用原有投量或凭经验粗调，沉淀池出水浊度超过3ntu的内控指标。又例如，夜间上游河道集中排水引起原水浊度快速抬升时，值班人员直至沉淀池出水浊度出现明显升高才察觉投量不足，而出水浊度升高所对应的水体在数小时前已完成投药，调整时机已经错过。

3、如果该问题不能得到有效解决，突发水质波动期间未充分絮凝的颗粒物将随水流进入滤池，滤池负荷加重、反冲洗频次增加，出厂水浊度存在超标风险；为求稳妥而盲目加大投量，又会造成药剂浪费并带来过量投加后的复浊隐患。因此，需要解决突发水质波动发生后短时间内难以获得可靠絮凝剂投加依据的问题。

4、鉴于此，本技术提出一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法及系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术提供一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法及系统，具体技术方案如下：

2、第一方面，本技术提供一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法，包括：

3、将采集的原水浊度、原水ph值、原水温度和原水流量输入基于高斯过程回归构建的前馈投药模型，得到絮凝剂基准投量，控制加药设备按絮凝剂基准投量执行投加；

4、当原水浊度在设定时间窗口内的变化幅度超过波动阈值时，判定发生突发水质波动，触发并联于进水管路的在线模拟装置采集同一批次原水水样，以多个投加梯度同步开展平行混凝实验；

5、依据各投加梯度对应的上清液浊度，拟合投量-浊度响应曲线，将投量-浊度响应曲线中上清液浊度拟合值不超过出水浊度目标值的投量范围确定为补偿投量区间；

6、以矾花图像识别得到的矾花平均等效直径与矾花直径目标值的偏差为反馈量，在补偿投量区间内滚动优化确定补偿投量，执行絮凝剂的补偿投加。

7、优选的，所述前馈投药模型包括：训练样本取自水厂历史运行数据库，样本筛选条件为沉淀池出水浊度满足水厂内控指标、加药设备运行正常且原水浊度、原水ph值、原水温度和原水流量数据完整的连续运行时段；

8、每条训练样本的输入为同一时刻的原水浊度、原水ph值、原水温度和原水流量，输出为对应时刻实际执行且处理效果达标的絮凝剂投量；

9、筛选训练样本时以投加时刻为基准，将滞后一个水力停留时间之后的沉淀池出水浊度作为达标判据。

10、优选的，所述判定发生突发水质波动包括：以滑动方式维护所述设定时间窗口，在所述设定时间窗口内缓存原水浊度的时间序列，所述设定时间窗口随采集周期前移；

11、原水浊度变化幅度按所述设定时间窗口终点时刻的原水浊度值相对于所述设定时间窗口起点时刻的原水浊度值的相对幅度确定；

12、原水浊度的变化幅度超过所述波动阈值的状态在连续2个采集周期内均成立时判定生效；判定生效后将突发水质波动标志置位，突发水质波动标志在补偿流程结束前保持置位状态。

13、优选的，所述波动阈值包括：取最近一个完整水文年内未发生水质事件的原水浊度数据，按与所述设定时间窗口相同的长度逐窗计算变化幅度，统计变化幅度的分布，将变化幅度分布的99分位数作为所述波动阈值。

14、优选的，所述并联于进水管路的在线模拟装置包括：自投药点上游引出的取水支管；

15、多个规格一致的透明反应器，每个反应器配备独立的微型计量加药单元、可调速搅拌电机、进水阀、底部排水阀和上清液取样口；

16、所有反应器共用的一路进水总管和一台在线检测浊度仪。

17、优选的，所述采集同一批次原水水样包括：开启所述取水支管上的电动阀，先以原水冲洗所述取水支管与所述进水总管，冲洗水直接排放，冲洗时长按所述取水支管与所述进水总管的容积以及冲洗流量核算；

18、在冲洗完成后，所有反应器同步进水，每个反应器进水体积一致，进水完成后封闭所述进水阀。

19、优选的，所述以多个投加梯度同步开展平行混凝实验包括：投加梯度以所述絮凝剂基准投量为基准展开，设定时间窗口终点时刻的原水浊度值高于起点时刻的原水浊度值时向上展开，低于起点时刻的原水浊度值时向下展开；投加梯度中保留1个等于所述絮凝剂基准投量的梯度作为对照组，剩余投加梯度按等间隔倍数展开；

20、展开后的投加梯度对应的投量位于预先设定的加药浓度阈值范围内。

21、优选的，所述平行混凝实验包括：每个反应器的微型计量加药单元按分配的投加梯度定量注入絮凝剂药液；

22、加药完成后，各反应器按快搅、慢搅、静沉的步序同步运行，各阶段的搅拌转速与持续时间按水厂主体工艺的搅拌强度和水力停留时间成比例折算；

23、可调速搅拌电机的转速偏差超出设定范围或微型计量加药单元的注入量偏差超出设定范围的反应器被标记为故障反应器。

24、优选的，所述依据各投加梯度对应的上清液浊度，拟合投量-浊度响应曲线包括：静沉结束后，上清液经所述上清液取样口引出，取样前先排掉与所述上清液取样口连接的取样管内的存水，每个水样检测前用待测水样润洗所述在线检测浊度仪的测量池；每个水样连续测量2次取算术平均作为上清液浊度值；

25、获得各投加梯度与上清液浊度的数据对，被标记为故障反应器的数据对直接剔除，剔除后剩余数据对不足3组时，本轮平行混凝实验作废，重新取样开展下一轮平行混凝实验。

26、优选的，所述拟合投量-浊度响应曲线包括：以二次多项式对剔除后剩余的数据对进行拟合，二次多项式的系数由数据对经最小二乘法确定；

27、拟合完成后以决定系数校验拟合有效性，决定系数低于决定系数校验门限且剔除1个数据点后剩余数据点不少于4个时，剔除偏离拟合曲线最远的1个数据点并重新拟合；

28、决定系数低于决定系数校验门限且不满足剔除条件时，本轮平行混凝实验作废，重新取样开展下一轮平行混凝实验。

29、优选的，所述将投量-浊度响应曲线中上清液浊度拟合值不超过出水浊度目标值的投量范围确定为补偿投量区间包括：在投加梯度覆盖的投量范围内，以固定步长遍历投量-浊度响应曲线的取值，将拟合值不超过所述出水浊度目标值的连续投量段与所述加药浓度阈值范围的交集确定为补偿投量区间；

30、遍历后未得到非空区间时，以上清液浊度最低的投加梯度作为临时执行值，临时执行值经所述加药浓度阈值范围限幅后下发至所述加药设备，并将各投加梯度整体上移一个倍数间隔后重新开展平行混凝实验。

31、优选的，所述矾花图像识别包括：安装于絮凝反应池末端的水下矾花摄像头按固定帧间隔采集矾花图像；

32、采集到的矾花图像由彩色图像转为灰度图像，再以3×3窗口做中值滤波；

33、帧灰度标准差低于灰度标准差校验门限的图像判为无效帧，无效帧不参与识别；

34、对中值滤波后的灰度图像进行阈值分割，将灰度图像二值化。

35、优选的，所述阈值分割包括：以灰度分割阈值为优化变量，以按灰度分割阈值划分前景与背景后的类间方差为适应度函数，通过差分进化算法的变异、交叉与选择操作迭代搜索使类间方差最大的灰度分割阈值；

36、差分进化算法的变异率随迭代代数递减。

37、优选的，所述以矾花图像识别得到的矾花平均等效直径与矾花直径目标值的偏差为反馈量包括：按迭代搜索得到的灰度分割阈值完成二值化后，以3×3结构元做开运算去除孤立噪点；

38、按8邻域准则标记矾花连通区域，剔除面积小于面积门限的连通区域；

39、对保留的矾花连通区域按面积等效方式计算矾花平均等效直径，每个控制周期内各有效帧标记出的矾花连通区域合并参与统计；

40、矾花直径目标值取沉淀池出水浊度满足水厂内控指标的历史时段内矾花平均等效直径分布的中位数。

41、优选的，所述在补偿投量区间内滚动优化确定补偿投量包括：滚动优化按控制周期进行，首个控制周期的补偿投量取所述补偿投量区间的中点；

42、自第2个控制周期起，依据所述反馈量更新补偿投量，所述反馈量为正时增大补偿投量，所述反馈量为负时减小补偿投量；

43、每个控制周期的补偿投量按所述补偿投量区间做区间投影，低于下限时按下限执行，高于上限时按上限执行；

44、补偿投量连续3个控制周期被投影至所述补偿投量区间的同一端且所述反馈量的符号保持不变时，触发所述在线模拟装置重新采集原水水样开展平行混凝实验。

45、第二方面，本技术还提供一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿系统，其用于实现所述的一种面向水质波动的数字水厂絮凝剂投量补偿方法，包括：基准投加模块、波动判定模块、区间确定模块以及滚动补偿模块；

46、所述基准投加模块，用于将采集的原水浊度、原水ph值、原水温度和原水流量输入基于高斯过程回归构建的前馈投药模型，得到絮凝剂基准投量，控制加药设备按絮凝剂基准投量执行投加；

47、所述波动判定模块，用于当原水浊度在设定时间窗口内的变化幅度超过波动阈值时，判定发生突发水质波动，触发并联于进水管路的在线模拟装置采集同一批次原水水样，以多个投加梯度同步开展平行混凝实验；

48、所述区间确定模块，用于依据各投加梯度对应的上清液浊度，拟合投量-浊度响应曲线，将投量-浊度响应曲线中上清液浊度拟合值不超过出水浊度目标值的投量范围确定为补偿投量区间；

49、所述滚动补偿模块，用于以矾花图像识别得到的矾花平均等效直径与矾花直径目标值的偏差为反馈量，在补偿投量区间内滚动优化确定补偿投量，执行絮凝剂的补偿投加。

50、本技术的有益效果：本技术技术方案可以让净水厂在突发水质波动发生后约40min内获得带有实验依据的补偿投量，相比人工烧杯试验2h以上的响应过程缩短一半以上，全过程无需人工取样与人工读数；补偿投加被限定在经同批次原水平行混凝实验验证的区间内，投加不足与过量投加两个方向的风险同时受到约束，波动期间出水浊度达标与药剂消耗取得平衡；适用于以地表水为水源、易受暴雨径流和上游排水影响的净水厂，提升供水行业应对突发水质波动的自动化处置水平。