一种污水处理厂运维与故障预测系统的制作方法

本发明属于污水厂维护，尤其涉及一种污水处理厂运维与故障预测系统。

背景技术：

1、污水处理厂作为水环境污染防治的核心基础设施，其运行稳定性直接关系到区域水环境安全与生态健康。然而，当前国内多数污水处理厂仍沿用被动响应式运维模式，即在设备发生明显故障、异常停机甚至出水水质超标后方组织抢修。这种事后干预机制不仅导致维修成本高企、非计划停机周期延长，更严重削弱了污水处理系统的连续性与抗冲击负荷能力，极端情况下甚至诱发次生环境风险。为应对上述困境，故障预测系统应运而生，其通过融合设备运行参数与人工智能算法，辅助运维人员提前识别潜在失效设备，推动运维模式由事后维修向状态预判转变，已成为提升污水处理厂智慧化运营水平的重要技术路径。

2、然而，现有故障预测系统在数据感知层面存在明显短板，尤其在水体污染物实时监测方面配置不足，多数系统侧重于机械设备的状态监测，如泵组振动、风机温度、曝气流量等工艺参数，却忽视了进、出水及生化反应过程中的污染物浓度动态变化。这种信息缺失使得预测模型无法有效关联设备健康状态与水质响应之间的耦合关系，也难以捕捉由进水水质突变引发的设备过载、药剂投加偏差等连锁影响，从而导致预测预警的准确性和时效性大幅降低；同时，数据采集维度单一也限制了深度学习等先进算法在故障模式识别中的性能发挥，降低了系统对复杂运营场景的适应能力。

3、针对现有技术存在的上述缺陷，其突出问题集中体现在以下方面：第一，缺乏对化学需氧量、氨氮、总磷、ph、溶解氧等关键水体污染指标的在线检测能力，导致系统无法实时获取水质动态数据，难以及时感知进水负荷变化对处理工艺的冲击；第二，设备运行数据与水质监测数据相互割裂，未能建立有效的关联分析机制，使得故障预测模型缺乏多维数据支撑，难以准确判断设备异常对出水水质的实际影响程度；第三，由于污染物数据缺失，系统在进水异常、药剂投加失误、生物反应异常等复杂情境下缺乏有效的早期预警手段，预测结果往往偏离实际工况，降低了运维人员对系统输出结果的信任度和依赖度；第四，现有系统多依赖单一阈值报警机制，缺乏基于水质反馈的设备健康度综合评估能力，无法实现从单点报警向趋势预判的升级。上述缺陷共同制约了现有故障预测系统在实际工程中的应用效果与推广价值。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种污水处理厂运维与故障预测系统，以解决现有系统因缺失水质及生物动态数据而导致故障预测准确性低、预警滞后的问题，实现从设备状态监测向水质-生物-工艺多维联动的全方位故障预警升级。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种污水处理厂运维与故障预测系统，包括故障预测系统及管道检测系统，所述故障预测系统包含管道检测系统和水质检测系统，所述管道检测系统包含摄像检测模块和环境检测模块，所述故障预测系统还包含故障分析系统，所述故障分析系统包含分析记录模块，所述分析记录模块包含数据显示模块和数据控制模块；所述摄像检测模块用于采集管道内部影像数据并传输至所述分析记录模块，所述环境检测模块用于检测管道内部温度、湿度和有害气体浓度并传输至所述分析记录模块，所述水质检测系统用于实时检测水体污染物浓度及微生物活性数据并传输至所述分析记录模块，所述分析记录模块接收并存储上述多源数据，所述数据控制模块内置有趋势分析算法，用于根据预设阈值对上述多源数据进行融合评估以生成设备健康度评估结果及故障预警信号，所述数据显示模块用于对上述多源数据和所述评估结果进行可视化输出。本发明通过集成管道检测、水质检测与故障分析系统，构建了覆盖管道物理状态、水体化学指标及生物活性指标的多源数据同步采集与融合评估平台，克服了现有技术中设备数据与水质数据相互割裂的缺陷。数据控制模块内置的趋势分析算法能够动态追踪各项指标演变规律，实现从单点阈值报警向综合健康度趋势评估的升级，提升了故障预警的准确性和前瞻性，降低了非计划停机和水质超标事故风险。

4、优选地，所述数据控制模块包含数据输入模块和数据选择模块，所述数据输入模块用于接收外部设定的工艺参数和报警阈值，所述数据选择模块用于根据用户指令切换所述数据显示模块所显示的数据类型和分析视图。本发明通过数据输入模块支持运维人员根据实际工况动态调整报警阈值和工艺参数，使系统具备差异化场景适应能力，避免了固定阈值导致的误报或漏报问题；数据选择模块则支持按需切换数据显示类型和分析视图，便于快速定位关键信息，提升了系统操作便捷性和人机交互效率。

5、优选地，所述水质检测系统包含污染物检测模块，所述污染物检测模块的底部连接有污染物检测探头，所述污染物检测探头伸入水体内部，用于连续实时检测水体的ph值、溶解氧、温度及电导率指标，并将检测信号发送至所述污染物检测模块进行信号调理与数字化转换后传输至所述故障分析系统。本方案通过污染物检测探头伸入水体进行原位连续检测，消除了传统离线取样分析带来的时间延迟和数据失真问题，确保ph值、溶解氧、温度及电导率等关键数据的真实性与时效性，为故障预测模型提供了高质量实时输入，解决了因水质数据缺失导致的预测精度不足问题。

6、优选地，所述污染物检测探头为多参数集成式传感器，其数量为多个，分别沿水流方向布设于进水口处、生化反应池内及出水口处，用于实现对污水处理全流程关键节点水质的同步动态监测。这里通过将多个污染物检测探头分别布设于进水口、生化反应池及出水口，构建了覆盖全流程的同步动态监测网络，能够捕捉进水水质突变并提前预警，同时形成出水水质安全防线，克服了单点监测无法反映工艺全过程变化的缺陷，为全流程精细化管控提供了完整数据支撑。

7、优选地，所述水质检测系统还包含微生物检测模块，所述微生物检测模块的底部连接有微生物检测探头，所述微生物检测探头用于检测水体中三磷酸腺苷浓度以量化活性微生物生物量，并将检测信号发送至所述微生物检测模块进行处理后传输至所述故障分析系统。本方案通过微生物检测探头检测水体中atp浓度，将监测维度拓展至生物活性层面，实现对生化处理单元中微生物代谢活力的直接量化，此设计在化学指标尚未明显变化时即可捕捉微生物活动衰减趋势，为生物处理系统异常提供了不可替代的早期预警手段，增强了对生化单元异常状态的预判能力。

8、优选地，所述微生物检测探头为基于生物发光原理的atp快速检测传感器，其设置于曝气池及二沉池的采样点处，所述微生物检测模块根据检测到的atp浓度生成反映生物处理单元中微生物代谢活性的实时生物活性数据，并将该数据传输至所述故障分析系统，作为评估生物处理效率的独立生物学指标。这里采用基于生物发光原理的atp快速检测传感器，可在数分钟内完成活性污泥微生物活性的精准定量检测，满足现场实时监控需求，微生物活性数据作为独立生物学指标与理化指标协同输入故障分析系统，实现了从物理化学变化与生物学响应双维度综合研判运行状态，可预防因生物系统崩溃导致的出水水质恶化。

9、优选的，所述故障预测系统还包含故障报警系统，所述故障报警系统包含信号传输模块，所述信号传输模块用于将所述故障分析系统生成的预警信号以有线通信方式和/或无线通信方式发送至远程管理平台及现场终端。本发明通过信号传输模块将预警信号以有线及无线方式同步发送至远程管理平台及现场终端，构建了多通道预警信息分发网络，确保关键风险提示第一时间传达至所有相关责任主体，降低了系统部署难度和施工成本，并具备接入城市级水务管理平台的扩展能力。

10、优选的，所述故障报警系统还包含发声模块，所述发声模块与所述信号传输模块电连接，用于在所述故障分析系统判定设备存在故障风险或出水水质存在超标风险时，根据风险等级发出相应的分级声光报警信号。本方案通过发声模块实现基于风险等级的分级声光报警，使系统能够根据故障概率自动匹配报警紧迫程度，避免传统单一报警方式中轻重不分的问题，帮助运维人员合理分配响应资源，在多点报警时优先处置高风险事件，提升了故障应急响应效率。

11、优选的，所述故障分析系统内置有基于机器学习的故障预测模型，所述故障预测模型以所述管道检测系统采集的管道影像特征参数、所述环境检测模块采集的环境参数、所述水质检测系统采集的水质理化参数和微生物活性参数以及污水处理厂设备运行状态参数作为输入特征向量，经模型推理后输出各监测设备的剩余使用寿命预测值和故障发生概率值。本发明内置基于机器学习的故障预测模型，以多维度参数构建输入特征向量，经模型推理输出设备剩余使用寿命及故障发生概率，突破了传统阈值报警仅能识别已发生故障而无法预判未来故障的局限，通过挖掘多维参数间的非线性映射关系实现前瞻性预警，提高了故障预测的准确性和泛化能力。

12、优选的，所述故障分析系统还配置有趋势对比分析模块，当所述故障预测模型输出的故障发生概率值超过预设预警阈值时，所述趋势对比分析模块自动调用所述分析记录模块中存储的历史数据与当前实时数据进行趋势对比分析，并根据分析结果生成包含故障类型识别结果、故障等级判定结果和推荐处置措施的综合性运维指导方案，此方案通过所述数据显示模块进行显示并通过所述信号传输模块同步推送至远程管理平台。本发明配置趋势对比分析模块，在预测值超阈值时自动调取历史数据进行对比分析，并生成包含故障类型、等级及处置措施的完整运维指导方案，将单纯报警升级为具有明确操作指引的决策支持信息，实现了从异常识别到处置建议的全链条智能化闭环管理，降低了运维人员的决策难度和应急响应时间。

13、与现有技术相比，本发明具备以下优点：

14、1、本发明在数据感知层面通过增设污染物检测模块及与之配套的污染物检测探头，使系统具备直接接触水体并进行原位连续监测的能力，污染物检测模块可实时采集污水中ph值、溶解氧、温度及电导率等关键物化指标，上述参数直接反映了水体污染程度和处理工艺的运行态势，相较于传统依赖间接推算或离线取样分析的方式，其数据获取更为直接、时效性更强、精确度更高。凭借这一设计，故障预测系统得以摆脱对单一设备振动、温度等机械参数的依赖，获得能够真实表征水质变化过程的第一手数据来源，从而弥补了现有技术在感知维度上的结构性缺失。

15、2、本发明引入了微生物检测模块及其专用探头，通过检测水体中三磷酸腺苷浓度，实现活性微生物生物量的快速定量分析，此设计突破了传统污水处理监控体系仅关注理化指标的局限，将监测视野延伸至生化反应系统内部最为核心的生物活性层面。三磷酸腺苷作为活体细胞能量代谢的关键分子，其浓度变化能够灵敏反映好氧、缺氧及厌氧等不同生化处理单元中微生物群落的代谢活力，是评估生物处理系统健康状态最具代表性的生物学标志物。微生物检测模块的引入使得系统能够实时捕捉微观生命活动的异常波动，为工艺调整和风险干预提供了不可替代的早期预警信号。

16、3、本发明将物化检测与微生物检测两大模块有机融合，构建了从水质化学指标到生物活性指标的全维度动态监测体系，物化检测模块保障了对进水冲击、药剂偏差及设备运行异常等宏观变化的快速响应，微生物检测模块则提供了对生物处理单元内微生态演变趋势的深入洞察，二者数据互补、协同联动，共同构成了故障预测模型的多源输入基础。上述体系不仅提升了系统对污水处理全流程异常状态的识别灵敏度与预判准确性，更通过多维度数据的交叉验证机制，降低了误报和漏报概率，为污水处理厂实现从被动应急向主动防控的运维模式升级提供了坚实的技术支撑，具有广泛的工程应用前景和经济社会效益。