一种土壤电动修复智能供电设备及控制方法与流程

本发明属于重金属污染土壤修复，具体涉及一种土壤电动修复智能供电设备及控制方法。

背景技术：

1、土壤电动修复技术是适用于低渗透性土壤重金属污染原位治理的重要技术手段，核心原理是在污染土壤中插入电极并施加直流电场，通过电迁移、电渗流和电泳等作用驱动土壤中的重金属离子向电极方向迁移富集，最终实现污染物的去除与土壤净化。该技术具备原位处理、适配低渗透土壤和二次污染小等突出优势，在农田和矿区等场景的重金属污染治理中具备广阔应用前景。

2、然而，该技术的规模化工程应用长期受制于高能耗与运行不稳定的行业瓶颈。现有技术路径普遍采用恒压或恒流直流供电模式，属于粗放式的固定参数供电，无法根据土壤理化性质动态变化、重金属离子迁移进程以及电极-土壤界面状态的实时演变进行自适应调整。这种供电模式直接导致了电极极化、ph 聚焦、局部过热和修复区域进展不均等一系列工程问题，使得无效能耗占比居高不下，电力成本高，严重制约了该技术的规模化推广与商业化应用。

3、现有技术仅实现了能源形式的替换，并未建立根据土壤实时状态反馈调控供电参数的智能闭环，本质上仍属于固定参数的粗放供电模式，无法从根本上解决电极极化、土壤过热和修复不均等核心问题。

4、依靠多物理场仿真、非稳态卷积网络和三阶微分特征提取等繁杂模型与大量计算资源，存在在线求解需求高、算力资源要求大与系统实时性不佳等固有弊端，工程化落地以及野外场地长期稳定运行的难度颇高，难以适配低成本、高可靠性的现场工程需求。

5、综上所述，现有土壤电动修复供电方法无法实现机理耦合的轻量化智能决策、多模式自适应供电、分区精准调控与新能源高效协同的有机统一。因此，研发一种既深度契合电动修复电化学机理，又具备工程化、轻量化和可自适应闭环运行特征的智能供电主控设备与控制方法，已成为推动该技术走向成熟、规模化应用的关键技术节点。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，提出了本发明的方案。本发明提供一种土壤电动修复智能供电设备及控制方法。

2、第一方面，本发明提供了一种土壤电动修复智能供电设备，包括主控设备、现场执行终端和能源供给单元；

3、主控设备包括多源信号采集与接口单元、机理参数实时解算单元、多状态机决策与仲裁单元、多模式电源驱动单元以及边缘-云端协同通信单元；

4、多源信号采集与接口单元，用于对接现场执行终端，采集土壤原位多维度的实时工况数据并完成信号预处理后，输出至机理参数实时解算单元；

5、机理参数实时解算单元，与多源信号采集与接口单元电性连接，用于基于采集的实时工况数据解算形态稳定系数与无效能耗指数两类机理参数；

6、多状态机决策与仲裁单元，与机理参数实时解算单元电性连接，单元底层固化多参数耦合状态机固件，用于基于机理参数与实时工况数据计算各预设运行状态的置信度，结合固化的风险优先级规则完成状态仲裁，锁定当前设备运行工况并匹配对应调控策略；

7、多模式电源驱动单元，与多状态机决策与仲裁单元电性连接，用于根据调控策略生成供电控制指令并下发至现场执行终端；

8、边缘-云端协同通信单元，集成嵌入式工业通信协议栈，用于实现主控设备内部各单元间、主控设备与现场执行终端、主控设备与远程云端平台之间的双向数据交互；

9、现场执行终端，与主控设备建立通信连接，包括用于采集实时工况数据的感知终端以及用于输出修复电场的功率执行终端；

10、能源供给单元与主控设备以及现场执行终端电连接。

11、第二方面，本发明提供了基于所述一种土壤电动修复智能供电设备的一种土壤电动修复智能供电控制方法，包括：

12、现场感知终端采集土壤原位多维度的实时工况数据并完成信号预处理后，输出至机理参数实时解算单元；

13、机理参数实时解算单元基于采集的实时工况数据解算形态稳定系数与无效能耗指数两类机理参数；

14、主控设备的多状态机决策与仲裁单元基于机理参数与实时工况数据计算各预设运行状态的置信度，结合固化的风险优先级规则完成状态仲裁，锁定当前设备运行工况并匹配对应调控策略；

15、多模式电源驱动单元生成分区供电参数和供电模式切换的控制指令；

16、现场功率执行终端接收并执行控制指令，调整电场输出参数与供电模式；系统同步回流采集更新后的工况数据，返回土壤多维度原位工况数据采集，启动下一轮调控周期，循环执行直至土壤修复达标。

17、在一些可选的实施例中，多源信号采集与接口单元集成有rs-485接口与模拟量输入接口，以及设置有用于对输入的传感信号进行滤波和隔离预处理的信号调理电路；与多源信号采集与接口单元连接的现场执行终端包括分布式一体化监测探头阵列、多通道可编程电源以及分区布设的修复电极阵列，用于原位同步采集土壤ph值、土壤氧化还原电位、土壤电导率、土壤温度、土壤含水率及土壤电极电位共六类工况数据。

18、在一些可选的实施例中，机理参数实时解算单元设置有形态稳定系数解算引擎；形态稳定系数解算引擎预先基于目标重金属的土壤氧化还原电位与酸碱度热力学平衡原理，构建 eh、ph 与形态稳定系数对应关系的数字化参数映射表，并固化存储于设备非易失性存储器中；工作时以实时采集的土壤氧化还原电位与酸碱度为输入坐标，在数字化参数映射表中定位对应网格并通过双线性插值计算，得到0~1 区间的连续形态稳定系数值；形态稳定系数值用于量化表征目标重金属离子在当前土壤环境下可迁移的热力学潜力。

19、在一些可选的实施例中，机理参数实时解算单元包括无效能耗指数解算引擎；无效能耗指数用于解算引擎实时获取土壤温度时序数据并计算温升速率，同步获取系统实时总输入功率，按照无效能耗指数的固化公式持续执行运算；无效能耗指数用于量化系统电能的无效热耗散速率，直接指示系统能效水平与过热运行风险；设无效能耗指数为，土壤温度变化量为，系统实时总输入功率为，则无效能耗指数的固化公式表示为：

20、。

21、在一些可选的实施例中，供电控制指令包括目标供电模式、目标电压梯度与作用分区；目标供电模式包括直流电源供电模式、脉冲电源供电模式及周期性极性反转供电模式。

22、在一些可选的实施例中，功率执行终端包括多通道可编程电源与分区智能配电设备；多通道可编程电源设置有硬件波形发生器；分区智能配电设备内集成有直流断路器与熔断器保护器件，以及由主控设备数字i/o控制的多路继电器阵列，通过继电器切换进行单电源通道驱动的多组电极对修复。

23、在一些可选的实施例中，形态稳定系数的解算包括：预先基于目标重金属的eh-ph热力学平衡规则构建数字化参数映射表并固化于设备存储器中；实时采集土壤氧化还原电位与酸碱度后，以二者为坐标在映射表中定位所在网格，通过双线性插值计算得到0~1区间的连续形态稳定系数值。

24、在一些可选的实施例中，无效能耗指数的解算包括：实时采集土壤温度时序数据，计算单位时间内的温升速率，同步获取设备实时总输入功率，按照无效能耗指数的固化公式持续运算得到无效能耗指数的值；无效能耗指数的值越大，表示单位功率产生的无效热量越多，系统能效越低，过热运行风险越高。

25、在一些可选的实施例中，结合固化的风险优先级规则完成状态仲裁包括：

26、通过多特征加权计算得到六类运行状态各自的置信度，选取置信度数值最高的状态；

27、判断最高置信度是否大于等于激活阈值，若否则维持上一调控周期的运行状态；若最高置信度达到激活阈值，则进一步判断是否存在其他状态的置信度与最高置信度的差值小于设定阈值且均高于激活阈值；若不存在，则直接将置信度数值最高的状态确定为当前运行状态；若存在，则将风险优先级按照从大到小的顺序排序，选取优先级最高的状态作为当前运行状态。

28、本发明的有益效果是：

29、（1）本发明通过设计专用的机理解算引擎和专用的决策逻辑单元等专用硬件逻辑，构建出一款针对土壤电动修复场景的专用智能硬件设备，将电化学机理与硬件固化逻辑深度耦合，能够让修复过程的总体能耗显著降低；

30、（2）通过状态机对电极极化和重金属沉淀等风险开展早期识别与主动抑制，可有效防止修复进程的中断和反复，使得整体修复周期缩短，显著提升修复作业的效率；

31、（3）设备依靠感知、诊断、执行和反馈的智能闭环体系，可对运行期间的极化、过热和沉淀等各类风险开展自动识别、处理与恢复，通过边缘实时控制与云端协同管理的架构，实现修复全流程真正意义上的无人值守以及智能化运维，进一步大幅削减长期运维人力成本。