一种基于固液界面微环境建模的离子迁移分析方法及系统与流程

本发明涉及水质分析与生物除臭运行监测，更具体地说，本发明涉及一种基于固液界面微环境建模的离子迁移分析方法及系统。

背景技术：

1、现有生物除臭运行监测多以填料表面固液界面区域的离子浓度、酸碱度、氧化还原电位、溶解氧及生物活性为观测对象，按照采样时序比较各参数的变化幅度和变化方向，据此分析污染物在液相与生物膜之间的迁移状态；

2、恶臭气体经气液传质进入液相后，喷淋启停、喷淋量调整及排液过程会改变填料表面的液膜厚度，而生物除臭装置在正常处理期间不能因离子迁移分析而中断运行，也难以直接取得界面液膜体积和目标离子存留量；

3、在此情况下，液膜增厚会造成目标离子浓度下降，液膜减薄会造成目标离子浓度回升，上述浓度变化与目标离子进入生物膜或由生物膜释放形成的响应在采样结果中具有相近表现；

4、现有方法若直接依据相邻时刻的浓度差值、变化方向或时间关联关系建立界面微环境模型，容易将液膜稀释形成的浓度下降记为离子迁入，将液膜浓缩形成的浓度回升记为离子迁出，并使后续迁移阶段的识别结果偏离实际过程；

5、本技术要解决的技术问题是：在生物除臭装置不停机运行且不能直接测得界面液膜体积和离子存留量的条件下，如何从固液界面多维状态数据中区分液膜稀释、液膜浓缩与目标离子真实迁移。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于固液界面微环境建模的离子迁移分析方法及系统，通过识别固液界面伴随量的回返状态，对去程路径与回程路径进行匹配并扣除同周期可逆浓度变化，再对跨周期剩余响应进行抵消分配，获得目标离子净响应及迁移阶段，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于固液界面微环境建模的离子迁移分析方法，包括：

3、s1、获取生物除臭固液界面水相的多周期数据，智能传感系统执行水的分析取得目标离子浓度，并利用电化学变量研究或分析材料取得酸碱度、氧化还原电位，同步取得溶解氧、生物活性，边缘计算节点按采样时刻形成记录序列；

4、s2、基于记录序列计算相邻记录的伴随量差并按符号生成状态码，以状态码相邻两次重复间的记录形成回返段，按秩位差绝对值和确定折返点，形成去程路径和逆序回程路径；

5、s3、离散弗雷歇匹配算法建立距离表，当前费用取当前距离与前驱费用升序首值的降序首值，由末格回溯形成配对序列；

6、s4、根据配对序列读取目标离子浓度差，反向浓度差按绝对值升序首值扣合，同向浓度差保留，余量形成剩余响应；同一目标离子、填料位置及配对状态位置的早时剩余响应指向晚时反向剩余响应，建立时间展开网络，边缘计算节点采用网络单纯形算法执行负约化费用边换入、回路增广和饱和边换出，形成跨周期抵消量和目标离子净响应序列；

7、s5、以回返段为状态节点，连接段首状态码相同且配对状态位置一致的相邻回返段，写入目标离子净响应形成固液界面微环境演化模型；净响应同向且配对顺位未逆转时记稳定迁移阶段，换向时记过渡迁移阶段，异于前后节点且无跨周期抵消量时记异常迁移阶段，生成离子迁移分析结果。

8、在一个优选的实施方式中，在s1中包括：

9、s11、智能传感系统在同一填料位置对固液界面水相执行水的分析，按照采样时刻分别取得目标离子浓度和溶解氧，并利用电化学变量研究或分析材料取得酸碱度与氧化还原电位，将同步取得的生物活性及各字段采样时刻写入原始记录；

10、其中执行水的分析的过程为：智能传感系统在同一填料位置按照统一采样时刻读取目标离子检测通道和溶解氧检测通道的原始响应值，依据各检测通道对应的零点值、量程值及标定关系完成数值换算，并将换算结果与采样时刻对应写入目标离子浓度字段和溶解氧字段；

11、目标离子浓度和溶解氧是指同一采样时刻固液界面水相单位体积内目标离子的物质的量浓度；溶解氧是指同一采样时刻固液界面水相单位体积内以分子状态存在的氧的质量浓度；

12、利用电化学变量研究或分析材料取得酸碱度与氧化还原电位的过程为：智能传感系统读取酸碱度检测电极相对参比电极的电位差，并依据两点标定关系换算酸碱度；同步读取氧化还原检测电极相对参比电极的电位差，将电位差换算至统一参比电极基准，得到氧化还原电位；

13、生物活性是指同一填料位置相邻采样时刻之间固液界面水相溶解氧变化量与对应采样时长的比值，用于表征生物膜在对应采样时段内的耗氧响应；

14、s12、边缘计算节点以相邻酸碱度与氧化还原电位组成电化学变化段，按照各字段采样时刻在电化学变化段中的时间位置执行线性插值，生成各字段采样时刻对应的电化学状态，并将目标离子浓度采样时刻对应的电化学状态记为基准状态；

15、其中执行线性插值的过程为：对于目标采样时刻前后的两个电化学采样时刻，分别读取对应酸碱度和氧化还原电位，以目标采样时刻距前一电化学采样时刻的时长占两个电化学采样时刻间隔的比例作为后时刻权重，以剩余比例作为前时刻权重，分别对两个时刻的酸碱度和氧化还原电位执行加权求和，得到目标采样时刻对应的电化学状态；

16、s13、对于当前运行周期及相邻运行周期内的溶解氧和生物活性，分别计算对应电化学状态与基准状态的字段差绝对值和，按照字段差绝对值和、采样时刻差及运行周期顺位依次升序取首项，将首项对应的溶解氧、生物活性与目标离子浓度、基准状态写入同一界面记录，并按目标离子浓度采样时刻排列各界面记录，形成记录序列。

17、在一个优选的实施方式中，在s2中包括：

18、s21、对于记录序列中相邻界面记录，逐字段计算后一伴随量减去前一伴随量的差值，依照差值符号写入负向码、保持码或正向码，并按伴随量字段顺位拼接各字段编码，形成界面记录对应的状态码；

19、其中伴随量是指与目标离子浓度写入同一界面记录的酸碱度、氧化还原电位、溶解氧和生物活性，四个伴随量字段按照酸碱度、氧化还原电位、溶解氧、生物活性的顺序固定排列；

20、字段编码是指依据同一伴随量字段在相邻界面记录中的差值符号生成的方向标记，其中差值小于零时写入负向码，差值等于零时写入保持码，差值大于零时写入正向码；四个字段编码按照伴随量字段顺序拼接，形成当前界面记录对应的状态码；

21、s22、从首条状态码开始向后检索相同状态码，将首次检得的相同状态码及两者之间的界面记录划入一个回返段，再从回返段末位后一条状态码继续检索，形成按采样时刻排列的回返段序列。

22、在一个优选的实施方式中，在s2中还包括：

23、s23、在每个回返段内分别按照伴随量各字段数值升序赋予秩位，字段数值相同时按照采样时刻先后赋予秩位，计算各界面记录相对回返段首位界面记录的字段秩位差绝对值和，并按照字段秩位差绝对值和降序、采样时刻升序确定首位界面记录为折返点；

24、s24、以回返段首位界面记录至折返点形成去程路径，以折返点至回返段末位界面记录反向排列形成回程路径，并保留每条路径中状态码、伴随量秩位及目标离子浓度的记录对应关系。

25、在一个优选的实施方式中，在s3中包括：

26、s31、边缘计算节点读取去程路径和回程路径中固液界面水相的伴随量秩位及状态码，将回程路径状态码中的负向码与正向码互换并保留保持码，形成镜像回程路径，再针对任一去程记录与任一镜像回程记录，依次计算状态码异位数、伴随量秩位差绝对值和、去程顺位与回程顺位交叉乘积的差绝对值，按字段顺序组成单元代价字并写入配对网格，目标离子浓度不参与单元代价字计算；

27、其中去程记录是指回返段首位界面记录至折返点之间按采样时刻排列的任一界面记录，去程记录携带去程顺位、采样时刻、状态码、伴随量秩位及目标离子浓度；

28、镜像回程记录是指将折返点至回返段末位界面记录按采样时刻反向排列后，把每条回程记录状态码中的负向码改写为正向码、正向码改写为负向码并保留保持码所得的界面记录，镜像回程记录保留回程顺位、采样时刻、伴随量秩位及目标离子浓度；

29、s32、离散弗雷歇匹配算法从配对网格首格开始递推，当前格分别承接左邻格、上邻格和左上邻格，将前驱路径峰值代价字与当前单元代价字按字典序降序取首项写为新峰值字段，将前驱累计字段与当前单元代价字逐字段相加写为新累计字段，并对左邻承接或上邻承接增加一次重复计数，对左上邻承接保持重复计数，按照峰值字段、累计字段、重复计数及左上邻格优先于左邻格和上邻格的顺序升序取首项，形成前向费用表；

30、其中离散弗雷歇匹配算法从配对网格首格开始递推的过程为：以首条去程记录与首条镜像回程记录对应的配对网格作为首格，将首格单元代价字同时写入首格峰值字段和累计字段，并将首格重复计数写为零；首行各格仅承接左邻格，首列各格仅承接上邻格，其余各格分别承接左邻格、上邻格和左上邻格，按照s32记载的峰值字段、累计字段、重复计数及前驱顺序选出当前格承接结果，直至末格完成递推；

31、前驱路径峰值代价字是指从配对网格首格到当前格前驱格的承接路径上，按照字典序比较各单元代价字后取得的排序末位单元代价字，用于表示该承接路径已经出现的路径峰值代价；

32、字典序是指按照状态码异位数、伴随量秩位差绝对值和、去程顺位与回程顺位交叉乘积的差绝对值的字段顺序逐字段比较两个代价字，前一字段相同时继续比较后一字段，首个数值不同字段的比较结果作为两个代价字的排序结果。

33、在一个优选的实施方式中，在s3中还包括：

34、s33、从配对网格末格向首格执行与s32方向相反的递推形成后向费用表，逐格合并前向费用、单元代价字和后向费用，并保留合并结果与末格路径代价字一致的配对单元，形成同时满足水相状态顺序、路径单调承接及离散弗雷歇费用约束的候选配对网格；

35、其中配对单元是指对网格中由一条去程记录与一条镜像回程记录交叉确定的网格位置，配对单元写入去程顺位、回程顺位、单元代价字、前向费用、后向费用及承接方向，用于表示两条记录之间的一次候选配对关系；

36、s34、分别从候选配对网格末格向首格和首格向末格读取配对单元形成两条索引序列，两条索引序列不一致时按索引字段逐位比较并从序列靠后的索引序列中删除首个差异配对单元，随后重新执行s32和s33，直至两条索引序列一致，将一致的索引序列对应的去程记录与回程记录写为配对序列。

37、在一个优选的实施方式中，在s4中包括：

38、s41、根据配对序列读取每条去程记录、回程记录及各自前一记录的目标离子浓度，以当前记录浓度减去前一记录浓度形成去程浓度差和回程浓度差，两个浓度差符号相反时按绝对值升序取首值作为可逆量并从两个浓度差中扣除，符号相同时保留两个浓度差，将扣除余量与保留浓度差写为带有运行周期、填料位置、配对位置、响应符号和响应量的剩余响应；

39、s42、以负向剩余响应建立供给节点，以正向剩余响应建立需求节点，仅在同一目标离子、同一填料位置和同一配对位置下由早时供给节点指向晚时需求节点建立抵消边，以剩余响应节点总数加一作为进位基数，将运行周期间隔、状态码异位数和记录索引差分别乘以进位基数的平方、进位基数及一后相加形成抵消边费用，按供给量与需求量绝对值升序取首值作为抵消边容量，并增设净响应节点，将需求总量减供给总量写为净响应节点平衡量，以进位基数三次方加剩余响应节点索引形成净响应边费用，建立时间展开网络；

40、其中早时供给节点是指剩余响应为负向且对应运行周期号与记录索引的组合顺位先于另一剩余响应的节点，晚时需求节点是指与早时供给节点对应同一目标离子、同一填料位置和同一配对位置，剩余响应为正向且组合顺位位于早时供给节点之后的节点。

41、在一个优选的实施方式中，在s4中还包括：

42、s43、边缘计算节点采用网络单纯形算法，以各供给节点指向净响应节点的净响应边及净响应节点指向各需求节点的净响应边建立初始基树，按照净响应节点平衡量写入初始流量并基于树边费用计算节点势，逐轮计算非树边约化费用，按约化费用、源节点索引和目标节点索引依次升序选取负值首边换入基树，沿换入边形成的回路按剩余容量升序取首值执行增广，再按流量达到容量的回路边索引升序取首边换出基树，直至非树边约化费用均为非负值；

43、其中采用网络单纯形算法的过程为：以时间展开网络中的全部节点和净响应边建立满足各节点平衡量的初始基树，令每条基树边的约化费用为零并据此计算节点势，再计算各非树边的约化费用；选取约化费用为负的非树边换入基树，由换入边与基树中两端节点之间的唯一路径组成回路，沿回路执行流量增减，使回路中至少一条边达到容量或流量归零，将对应边换出基树；重复计算节点势、约化费用及换入换出，直至全部非树边的约化费用为非负值；

44、初始流量是指初始基树建立后写入净响应边的流量，其中供给节点指向净响应节点的净响应边流量等于对应供给量，净响应节点指向需求节点的净响应边流量等于对应需求量，并使每个节点的流出量减去流入量等于节点平衡量；

45、树边费用是指当前基树中每条边携带的边费用；对于抵消边，树边费用为运行周期间隔、状态码异位数和记录索引差按进位基数组合形成的抵消边费用；对于净响应边，树边费用为进位基数三次方与对应剩余响应节点索引之和；

46、计算节点势的过程为：将净响应节点的节点势写为零，从净响应节点沿基树逐边展开；当树边方向由已赋值节点指向未赋值节点时，将已赋值节点势与树边费用相加写为未赋值节点势；当树边方向由未赋值节点指向已赋值节点时，将已赋值节点势减去树边费用写为未赋值节点势，直至全部节点获得节点势；

47、计算非树边约化费用的过程为：对于任一由源节点指向目标节点的非树边，将非树边费用与源节点势相加，再减去目标节点势，所得差值作为非树边约化费用；

48、源节点索引是指按照运行周期号升序、记录索引升序和节点类别顺序排列全部剩余响应节点后，赋予非树边起始节点的整数顺位；

49、执行增广的过程为：换入边进入基树后，沿换入边方向连接源节点至目标节点，并沿原基树中目标节点返回源节点的路径形成回路；对回路中与换入边方向一致的边计算边容量减去当前流量所得的正向余量，对方向相反的边读取当前流量作为反向余量，取全部余量中的数值首项作为增广量，在同向边上增加增广量，在反向边上扣减增广量；

50、s44、根据时间展开网络逐节点核对流入量、流出量与净响应节点平衡量，并逐边核对流量与边容量，任一核对结果不一致时重新计算对应节点势并继续执行s43，全部核对结果一致时将抵消边流量写为跨周期抵消量，将净响应边流量按照运行周期和记录索引排列，形成目标离子净响应序列；

51、其中流入量是指全部以当前节点为目标节点的网络边流量之和，流出量是指全部以当前节点为源节点的网络边流量之和；节点核对时，流出量减去流入量应等于当前节点平衡量。

52、在一个优选的实施方式中，在s5中包括：

53、s51、读取各回返段对应的段首状态码、配对状态位置、目标离子净响应和跨周期抵消量，以回返段建立状态节点，在段首状态码相同且配对状态位置一致的相邻状态节点之间建立有向边，并将目标离子净响应方向、响应量和配对顺位写入状态节点，形成固液界面微环境演化模型；

54、s52、沿有向边比较相邻状态节点的目标离子净响应方向和配对顺位，将目标离子净响应方向相同且后一状态节点配对顺位不早于前一状态节点的状态节点合并为稳定迁移阶段，将目标离子净响应方向发生转换后至新方向保持的首个状态节点区间写为过渡迁移阶段；

55、s53、对于任一内部状态节点，当前目标离子净响应方向同时异于前后状态节点、前后状态节点方向相同且当前跨周期抵消量为零时，将当前状态节点从对应迁移阶段中分离并写为异常迁移阶段，再按照运行周期顺序排列稳定迁移阶段、过渡迁移阶段和异常迁移阶段，生成固液界面水相目标离子的离子迁移分析结果。

56、一种基于固液界面微环境建模的离子迁移分析系统，所述系统包括数据采集模块、状态分段模块、路径配对模块、响应分配模块、阶段判别模块：

57、数据采集模块，用于获取生物除臭固液界面水相的多周期数据，智能传感系统执行水的分析取得目标离子浓度，并利用电化学变量研究或分析材料取得酸碱度、氧化还原电位，同步取得溶解氧、生物活性，边缘计算节点按采样时刻形成记录序列；

58、状态分段模块，基于记录序列计算相邻记录的伴随量差并按符号生成状态码，以状态码相邻两次重复间的记录形成回返段，按秩位差绝对值和确定折返点，形成去程路径和逆序回程路径；

59、路径配对模块，用于离散弗雷歇匹配算法建立距离表，当前费用取当前距离与前驱费用升序首值的降序首值，由末格回溯形成配对序列；

60、响应分配模块，用于根据配对序列读取目标离子浓度差，反向浓度差按绝对值升序首值扣合，同向浓度差保留，余量形成剩余响应；同一目标离子、填料位置及配对状态位置的早时剩余响应指向晚时反向剩余响应，建立时间展开网络，边缘计算节点采用网络单纯形算法执行负约化费用边换入、回路增广和饱和边换出，形成跨周期抵消量和目标离子净响应序列；

61、阶段判别模块，用于以回返段为状态节点，连接段首状态码相同且配对状态位置一致的相邻回返段，写入目标离子净响应形成固液界面微环境演化模型；净响应同向且配对顺位未逆转时记稳定迁移阶段，换向时记过渡迁移阶段，异于前后节点且无跨周期抵消量时记异常迁移阶段，生成离子迁移分析结果。

62、本发明的技术效果和优点：

63、本方案通过伴随量回返识别和离散弗雷歇配对，在不测液膜体积与离子存留量时区分稀释浓缩响应与目标离子迁移，降低迁移误判；

64、将去程浓度差与回程浓度差进行扣合，可分离同周期内可逆浓度变化，减弱喷淋启停、喷淋量调整及排液过程造成的干扰；

65、对跨周期剩余响应建立时间展开网络并执行网络单纯形分配，使滞留与释放响应获得统一承接，相对改善目标离子净响应计算的一致性；

66、在同一目标离子、填料位置及配对状态位置范围内建立抵消边，可抑制不同来源响应交叉匹配，提高结果的物理对应性与可追溯性；

67、以状态码、回返段及配对顺位构建固液界面微环境演化模型，可按运行周期识别稳定、过渡和异常迁移阶段，改善阶段划分可靠性。