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一种基于矾花检测的水处理加药控制方法及装置

花匠小妙招
2024-12-14 09:24

本发明涉及视觉检测，是图像处理与识别技术的应用，具体涉及一种基于矾花检测的水处理加药控制方法及装置。

背景技术

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背景技术：

1、絮凝是水处理过程中最重要的单元工艺之一，絮凝效果的好坏直接影响后续出水水质状况。因此，需要对絮凝过程进行实时监控和检测以控制加药量。目前污水厂控制加药量的常规做法是由经验丰富的工作人员通过肉眼观察矾花直径大小以及在水中的分布情况，但这种方法存在主观性、浪费大量人力资源且实时性差，而利用机器视觉来监测矾花状态具有直观性、高效性、普遍性等优势，成为未来水厂自动化控制的发展方向之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于矾花检测的水处理加药控制方法，基于嵌入式开发板的利用机器视觉的方法用于矾花检测，以实现污水处理的自动加药控制。可以检测到矾花的平均直径、所有直径中第10％、50％、90％的直径、密度、个数分布、小粒径矾花占比等特征用于判断矾花的实时状态，并且可以存储到实时数据库进行监测、对异常情况进行报警，且满足实时性要求，最终根据矾花的多项特征参数与出水浊度的关系拟合数学模型，为控制加药池的阀门开度提供详实的科学数据。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，提供一种基于矾花检测的水处理加药控制方法，包括：

4、获取水下摄像头采集的矾花图像；

5、从所述矾花图像提取矾花特征信息，所述矾花特征信息包括：矾花平均粒径、所有直径中第10％、50％、90％的粒径、密度、个数分布和小粒径矾花占比特征；

6、基于预拟合的出水浊度和矾花特征的关系曲线，构建矾花特征和加药量的实时控制模型；

7、根据提取得到的矾花特征信息和矾花特征和加药量的实时控制模型，得到所需加药量；

8、根据所述所需加药量，对加药阀门开度进行控制。

9、在一些实施例中，所述水下摄像头需要先进行标定，标定方法包括：

10、当标尺稳定出现在摄像头的焦距位置时，计算固定标尺长度和标尺所占像素值比值，多次计算后取平均值，作为标定系数k，后续涉及到像素绝对值的数据均需乘以所述标定系数k后转换成实际数据，完成标定过程。

11、在一些实施例中，在从所述矾花图像提取矾花特征信息之前，还包括对矾花图像进行预处理：

12、对矾花图像降噪处理，统计经过降噪处理后图像的灰度直方图，求解最佳灰度阈值；

13、基于所述最佳灰度阈值，采用阈值分割算法根据矾花图像中矾花区域与背景区域的亮度分布差别，将矾花从背景中分割出来。

14、在一些实施例中，从所述矾花图像提取矾花特征信息，包括：

15、提取单帧矾花图像中所有矾花的边缘；

16、利用opencv中自定义的函数，计算单帧矾花图像中所有矾花连通域的面积和个数，将矾花近似看作圆形，利用直径计算公式：式中s为每个矾花连通域的面积，得到直径d，然后乘以标定系数k得到实际矾花粒径；将直径进行排序并存储所有直径中第10％、50％、90％的粒径，分别标记为d10、d50、d90，同时存储矾花平均粒径，公式为：式中di为单帧图像中第i个矾花连通域的粒径，alum为单帧图像中所有矾花连通域的总个数；

17、根据出水浊度和小粒径矾花占比之间的关系得到阈值，统计单帧矾花图像中小于阈值的小粒径矾花个数count_s，并计算单帧图像中小粒径矾花占所有矾花的比例，小粒径矾花占比式中count为总矾花个数；

18、图像经过分割以后得到矾花的总个数，计算个数分布：式中m为处理图像的宽度，n为处理图像的高度，alum为单帧图像中所有矾花连通域的总个数；

19、求矾花密度ρ的计算公式为：式中m为处理图像的宽度，n为处理图像的高度，si为单帧图像中第i个矾花连通域的面积。

20、在一些实施例中，出水浊度和矾花特征的关系曲线的拟合方法，包括：

21、在沉淀池中，水下摄像头每隔10s采集一次矾花图像，从所述矾花图像提取矾花特征信息，所述矾花特征信息包括：矾花平均粒径、所有直径中第10％、50％、90％的粒径、密度、个数分布和小粒径矾花占比特征；

22、将多组矾花特征信息与对应的出水浊度输出到excel表格中，进行拟合得到出水浊度和矾花特征的关系曲线；

23、所述出水浊度和矾花特征的关系曲线中，出水浊度与小粒径矾花占比成正比，出水浊度与密度成正比，出水浊度与矾花粒径成反比。

24、在一些实施例中，基于预拟合的出水浊度和矾花特征的关系曲线，构建矾花特征和加药量的实时控制模型，包括：

25、基于预拟合的出水浊度和矾花特征的关系曲线，对沉淀池出水浊度进行时延修正，将出水浊度和加药量的时延控制模型转化为矾花特征和加药量的实时控制模型。

26、在一些实施例中，所述的基于矾花检测的水处理加药控制方法，还包括，当检测到数据异常，发出指令进行报警。

27、第二方面，本发明提供了一种基于矾花检测的水处理加药控制装置，包括处理器及存储介质；

28、所述存储介质用于存储指令；

29、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。

30、第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。

31、第四方面，本发明提供了一种基于矾花检测的水处理加药控制系统，包括多路水下摄像头和所述的基于矾花检测的水处理加药控制装置，所述水下摄像头置于沉淀池中，用于采集矾花图像并上传给基于矾花检测的水处理加药控制装置。

32、本发明的优点在于：本发明提供的方法，首先分析总结出水浊度与矾花状态之间的关系，观察矾花的外观特征，将其表示为一种统一的描述。利用统计理论知识确定最佳阈值将矾花从背景中分割出来，计算矾花的各项特征并进行实时存储，得到对象更全面、清晰、快速的表达。在此基础上，对矾花检测过程中的异常进行日志打印和提示，以便针对性处理。最后构建实时控制模型实现污水处理厂中加药池的阀门开度控制，其创新点在于：

33、(1)、发明了实时监测矾花特征状态的描述方法

34、根据絮凝剂絮凝过程中矾花的状态分析矾花的特征，描述特征的参数很多，如物理几何特征(长度、宽度等)、图像特征(亮度、颜色等)和时空特征等，针对污水池絮凝过程的实际情况以及要达到的全面检测无遗漏和快速判断的目的，选取了能很好表征矾花状态的几何特征(平均直径、所有直径中第10％、50％、90％的直径、密度、个数分布、小粒径矾花占比)。对矾花图像进行统计分析后，将矾花从背景中识别出来并对矾花的几何特征进行分析计算，大大提高了识别的速度，实时性得到满足。建立这种矾花特征描述的有效方法，为后续检测和评价打下坚实基础。

35、(2)、基于嵌入式开发板进行矾花状态检测

36、随着计算机视觉的发展，在开发板上进行模型的部署也越来越热门。嵌入式开发板具有成本低、兼容性和可扩展性好、21tops浮点运算的ai处理能力的优势，因此本发明基于此开发板进行矾花状态检测。

37、(3)、矾花特征数据的实时存储及异常报警方法

38、在嵌入式开发板上将单帧图像中检测到的所有矾花求平均直径、所有直径中第10％、50％、90％的直径、密度、个数分布、小粒径矾花占比，通过连接实时库补充到数据库中，网页登录数据库后可实时查看传输的各项特征数据和数据的状态。设置日志文件对连接摄像头或数据库超时、未检测到矾花等异常情况进行打印输出，若数据长时间未更新，网页会显示数据超时状态来对用户进行提示；

39、(4)、构建实时控制模型实现污水处理厂中加药池的阀门开度控制

40、根据检测到的矾花多项特征指标与出水浊度拟合关系曲线，从而将传统的出水浊度和加药量的时延控制模型转化为分析矾花特征和加药量的即时控制模型，并将所构建的控制模型用于污水处理厂加药净水阀门开度控制中，实现加药的精准控制，节约加药量。