申请日2016.02.23
公开(公告)日2016.06.01
IPC分类号G05B13/02
摘要
本发明涉及一种基于模糊规则自适应控制的多池污水动态分配方法及系统，本多池污水动态分配方法包括：步骤S1，选取模糊输入和输出量;步骤S2，设置合适的模糊子集，并对输入和输出量进行语义模糊化;步骤S3，根据自适应确定输入变量的隶属度函数;步骤S4，建立水阀开度用模糊规则表;本发明的多池污水动态分配方法及其污水处理系统，通过模糊控制实现了污水处理的自适应调节，能有效的加快污水处理速度;并且在多污水处理池相连的基础上让污水处理速度的快的污水处理池能分配到更多的污水，污水处理速度慢的污水处理池适当的少分配污水，提高了污水处理的整体速度，进而实现智能调节控制。
摘要附图
权利要求书
1.一种多池污水动态分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，选取模糊输入和输出量;
步骤S2，设置合适的模糊子集，并对输入和输出量进行语义模糊化;
步骤S3，根据自适应确定输入变量的隶属度函数;
步骤S4，建立水阀开度用模糊规则表。
2.根据权利要求1所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，
所述步骤S1中选取模糊输入和输出量的方法包括：
选择一污水处理池的污水量Q，Q∈[Qmin,Qmax];污水处理复杂度C，C∈[Cmin,Cmax]均作为模糊控制器的输入量;以及
选择污水处理池所连通的水阀的开度Φ，Φ∈[Φmin,Φmax]作为模糊控制器的输出量。
3.根据权利要求2所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，所述步骤S2中设置合适的模糊子集，并对输入和输出量进行语义模糊化的方法包括：
选定当前污水量Q的模糊论域为Q∈{极少、较少、少、适中、大、较大、极大}，则污水量Q对应的模糊子集{负大(NBQ)，负中(NMQ)，负小(NSQ)，零(ZOQ)，正小(PSQ)，正中(PMQ)，正大(PBQ)};
设定污水处理复杂度C的模糊论域为C∈{极易、易、适中、难、极难}，则C对应的模糊子集为：负大(NBC)，负小(NSC)，零(ZOC)，正小(PSC)，正大(PBC);
确定开度Φ的模糊论域为Φ∈{正向大，正向中，正向小，零，反向小，反向中，反向大}，则Φ对应的模糊子集为：负大(NBΦ)，负中(NMΦ)，负小(NSΦ)，零(ZOΦ)，正小(PSΦ)，正中(PMΦ)，正大(PBΦ);其中NBΦ、NMΦ、NSΦ分别代表污水处理池处于流入状态时的开度大、中、小三种状态，ZOΦ代表开度不变，PSΦ、PMΦ、PBΦ分别代表污水处理池处于流出状态时的开度为小、中、大三种状态。
4.根据权利要求3所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，所述步骤S3中根据自适应确定输入变量的隶属度函数的方法包括：
确定污水量Q和污水处理复杂度C的隶属度函数。
5.根据权利要求4所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，确定污水量Q的隶属度函数的方法包括：
设某个污水处理池的污水量样本数据，即Q=[q1，q2，…，qn]，其中q1，q2，…，qn是不同时段t1，t2，…，tn污水处理池的实时污水量;并获得该污水处理池的最大污水量qmax和最小污水量qmin，其中qmin=min(q1，q2，…，qn)，qmax=max(q1，q2，…，qn);
将污水量样本数据统一映射到一个固定的区域，即获得映射后的评价量μ(qi)∈[a，b]，i=1，2，…，n，式中a=0，b=1，即μ(qi)∈[0，1]，且
根据Q=[q1，q2，…，qn]及μ(qi)，i=1，2，…，n，计算其模糊适应度函数，即
计算Q=[q1，q2，…，qn]的平均值计算Q=[q1，q2，…，qn]的标准差对每一对{qi，μ(qi)}，计算和平均值计算q′i的标准差
最后根据绘制出污水量的模糊隶属度函数。
6.根据权利要求5所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，确定污水处理复杂度C的隶属度函数的方法包括：
选定与污水处理复杂度C相关的相应污水化学性质的指标参数;
构建污水处理复杂度C与各指标参数的函数关系，即
上式中PH值表示污水的酸碱程度，COD为化学需氧量、BOD为生化需氧量、SVI为污泥指数，BOD5表示在污水处理复杂度样本数据中第五日的生化需氧量的测试值，以及
α为PH值的协因子，即
若6.5≤PH≤7，则α=0;若PH<6.5，则若PH>7，则K为最大控制系数，其取值为5;
β为化学需氧量的协因子，即
若COD≤15毫克/升，则β=0;若15
γ为生化需氧量的协因子，即
若BOD5：COD≥0.45，易于生化降解，此时γ=0;当0.45>BOD5：COD≥0.3，可生化降解，γ=2×(BOD5：COD);当BOD5：COD<0.3，生化性较差，此时γ=10×(BOD5：COD);
为污泥体积指数的协因子，即
若100≤SVI≤150，则若SVI<100，则若SVI>150，则
设置某个污水处理池的污水处理复杂度样本数据，即C=[c1，c2，…，cm]，其中c1，c2，…，cm是不同时段t1，t2，…，tm的实时污水处理复杂度;并获得该污水处理池的最大污水量cmax和最小污水量cmin和，其中cmin=min(c1，c2，…，cm)，cmax=max(c1，c2，…，cm);
将污水处理复杂度样本数据统一映射到一个固定的区域，即获得映射后的评价量η(cj)∈[c，d]，j=1，2，...，m，式中c=0，d=1，即，η(cj)∈[0，1]，且
根据C=[c1，c2，…，cm]及η(cj)，j=1，2，…，m，计算其模糊适应度函数，即
计算C=[c1，c2，…，cm]的平均值计算C=[c1，c2，…，cm]的标准差对每一对{cj，η(cj)}，计算计算c′j的标准差
最后根据绘制出污水处理复杂度的模糊隶属度函数。
7.根据权利要求1-6任一所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，所述多池污水动态分配方法还包括：步骤S5，通过查模糊规则表使各污水处理池的获得相应水阀的开度。
8.根据权利要求7所述的多池污水动态分配方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：设置连通各污水处理池的两水阀的开度优先级，即
ZOΦ>NSΦ(PSΦ)>NMΦ(PMΦ)>NBΦ(PBΦ);
当一污水处理池中各开度不同时，按照上述开度优先级，将优先级高的开度为基准，调整优先级低的水阀的开度，使两水阀的开度相同。
9.一种污水处理系统，其特征在于，包括：若干个用于探测污水处理池中污水相应成分含量的数据采集模块，各数据采集模块将采集的各成分含量发送至上位机;
所述上位机适于根据各污水处理池中污水相应成分含量判断各污水处理池的处理进度。
10.根据权利要求9所述的污水处理系统，其特征在于，所述上位机适于根据各污水处理池的处理进度，利用如权利要求1所述的多池污水动态分配方法对各污水处理池的水阀的开度进行控制，以将污水从处理速度慢的污水处理池输送至污水处理速度快的污水处理池。
说明书
基于模糊规则自适应控制的多池污水动态分配方法及系统
技术领域
本发明涉及一种农村污水智能网络架构、监测和控制系统，尤其涉及一种基于物联网和模糊自适应规则的多池污水动态分配方法。
背景技术
随着城市化和工业化的不断发展，工业废水和城镇生活污水不断增加，中国农村每年产生的生活污水量约为80亿，而农村大部分地区没有采取任何生活污水的收集和处理措施。因此，大量的农村污水排放是一个亟待解决的问题，它不仅严重影响了农村地区的人居环境、威胁人类健康，而且制约了我国水环境的改善和整体质量的提高。
农村村镇污水成分比较固定，主要含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等有机物，比较适合于细菌的生长，成为细菌、病毒生存繁殖的场所;但其一般不含有毒性，且具有一定的肥效，可用来灌溉农田。此外，农村生活污水排放分散、水量波动大，排放量逐年增大，各种新增农家乐，更是加剧了污水排放量，同时农村居住地较为分散，环境多样，因此它的处理方式与城市的集中处理方式有很大不同。因此如何基于先进的物联网架构技术，运用先进的优化方法，并结合农村地理环境优势，形成农村污水网络处理系统的一个有效解决思路。
目前已有一些污水处理研究者对农村污水处理技术进行了初步的探讨，主流技术包括厌氧处理(包括沼气工程)、人工湿地、稳定塘、好氧曝气等。例如，卜岩枫分析浙江省厌氧、人工湿地等污水处理技术的特点，并比较了处理效果;刘洪喜针对中国农村生活污水排放分散、污染物浓度低的特点,总结了生活污水净化沼气池技术、稳定塘生活污水处理技术、人工湿地处理技术、土地处理技术和生活污水地下自动连续处理技术等。然而对污水的智能监控研究不多，也很少有人将其与物联网技术相结合，并运用自适应模糊规则对污水进行动态分配。
近年来，物联网技术的快速发展，为构建基于物联网的农村污水处理智能监控系统奠定了基础。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集、监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网相结合，形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、工业监测、环境监测、花卉栽培、水系监测等多个领域。专利号为201510156198.7的文章中主要研究了对城市污水处理厂的物联网监控，而本系统研究的是对农村的污水监控，并且在此基础上加入智能分配的环节，实现从点到面的构架模式转变，使整个物联网监控系统运行更加的方便有效。
发明内容
本发明的目的是提供一种多池污水动态分配方法及污水处理系统，以实现模糊规则自适应控制污水处理。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多池污水动态分配方法，包括如下步骤：
步骤S1，选取模糊输入和输出量;
步骤S2，设置合适的模糊子集，并对输入和输出量进行语义模糊化;
步骤S3，根据自适应确定输入变量的隶属度函数;以及
步骤S4，建立水阀开度用模糊规则表。
进一步，所述步骤S1中选取模糊输入和输出量的方法包括：
选择一污水处理池的污水量Q，且Q∈[Qmin,Qmax];污水处理复杂度C，且C∈[Cmin,Cmax]均作为模糊控制器的输入量;以及选择污水处理池所连通的水阀的开度Φ，Φ∈[Φmin,Φmax]作为模糊控制器的输出量。
进一步，所述步骤S2中设置合适的模糊子集，并对输入和输出量进行语义模糊化的方法包括：
选定当前污水量Q的模糊论域为Q∈{极少、较少、少、适中、大、较大、极大}，则污水量Q对应的模糊子集{负大(NBQ)，负中(NMQ)，负小(NSQ)，零(ZOQ)，正小(PSQ)，正中(PMQ)，正大(PBQ)};
设定污水处理复杂度C的模糊论域为C∈{极易、易、适中、难、极难}，则C对应的模糊子集为：负大(NBC)，负小(NSC)，零(ZOC)，正小(PSC)，正大(PBC);
确定开度Φ的模糊论域为Φ∈{正向大，正向中，正向小，零，反向小，反向中，反向大}，则Φ对应的模糊子集为：负大(NBΦ)，负中(NMΦ)，负小(NSΦ)，零(ZOΦ)，正小(PSΦ)，正中(PMΦ)，正大(PBΦ);其中NBΦ、NMΦ、NSΦ分别代表污水处理池处于流入状态时的开度大、中、小三种状态，ZOΦ代表开度不变，PSΦ、PMΦ、PBΦ分别代表污水处理池处于流出状态时的开度为小、中、大三种状态。
进一步，所述步骤S3中根据自适应确定输入变量的隶属度函数的方法包括：确定污水量Q和污水处理复杂度C的隶属度函数。
进一步，确定污水量Q的隶属度函数的方法包括：
设某个污水处理池的污水量样本数据，即Q=[q1,q2,…,qn]，其中q1,q2,…,qn是不同时段t1,t2,…,tn污水处理池的实时污水量;并获得该污水处理池的最大污水量qmax和最小污水量qmin，其中qmin=min(q1,q2,…,qn)，qmax=max(q1,q2,…,qn);
将污水量样本数据统一映射到一个固定的区域，即获得映射后的评价量μ(qi)∈[a,b]，i=1,2,…,n，式中a=0,b=1，即μ(qi)∈[0,1]，且
根据Q=[q1,q2,…,qn]及μ(qi),i=1,2,…,n，计算其模糊适应度函数，即
计算Q=[q1，q2，…，qn]的平均值计算Q=[q1，q2，…，qn]的标准差对每一对{qi，μ(qi)}，计算和平均值计算q′i的标准差
最后根据绘制出污水量的模糊隶属度函数。
进一步，确定污水处理复杂度C的隶属度函数的方法包括：
选定与污水处理复杂度C相关的相应污水化学性质的指标参数;
构建污水处理复杂度C与各指标参数的函数关系，即
上式中PH值表示污水的酸碱程度，COD为化学需氧量、BOD为生化需氧量、SVI为污泥指数，BOD5表示在污水处理复杂度样本数据中第五日的生化需氧量的测试值，以及
α为PH值的协因子，即
若6.5≤PH≤7，则α=0;若PH<6.5，则若PH>7,则K为最大控制系数，其取值为5;
β为化学需氧量的协因子，即
若COD≤15毫克/升，则β=0;若15
γ为生化需氧量的协因子，即
若BOD5:COD≥0.45，易于生化降解，此时γ=0;当0.45>BOD5:COD≥0.3，可生化降解，γ=2×(BOD5:COD);当BOD5:COD<0.3，生化性较差，此时γ=10×(BOD5:COD);
为污泥体积指数的协因子，即
若100≤SVI≤150，则若SVI<100，则若SVI>150,则
设置某个污水处理池的污水处理复杂度样本数据，即C=[c1,c2,…,cm]，其中c1,c2,…,cm是不同时段t1,t2,…,tm的实时污水处理复杂度;并获得该污水处理池的最大污水量cmax和最小污水量cmin和，其中cmin=min(c1,c2,…,cm)，cmax=max(c1,c2,…,cm);
将污水处理复杂度样本数据统一映射到一个固定的区域，即获得映射后的评价量η(cj)∈[c,d]，j=1,2,…,m，式中c=0,d=1，即，η(cj)∈[0,1]，且
根据C=[c1,c2,…,cm]及η(cj)，j=1,2,…,m，计算其模糊适应度函数，即
计算C=[c1，c2，…，cm]的平均值计算C=[c1，c2，…，cm]的标准差对每一对{cj，η(cj)}，计算计算c′j的标准差
最后根据绘制出污水处理复杂度的模糊隶属度函数。
进一步，所述多池污水动态分配方法还包括：步骤S5，通过查模糊规则表使各污水处理池的获得相应水阀的开度。
进一步，所述步骤S5还包括：设置连通各污水处理池的两水阀的开度优先级，即ZOΦ>NSΦ(PSΦ)>NMΦ(PMΦ)>NBΦ(PBΦ);
当一污水处理池中各开度不同时，按照上述开度优先级，将优先级高的开度为基准，调整优先级低的水阀的开度，使两水阀的开度相同。
又一方面，为了解决同样的技术问题，本发明还提供了一种污水处理系统。
本污水处理系统包括：若干个用于探测污水处理池中污水相应成分含量的数据采集模块，各数据采集模块将采集的各成分含量发送至上位机;
所述上位机适于根据各污水处理池中污水相应成分含量判断各污水处理池的处理进度。
进一步，所述上位机适于根据各污水处理池的处理进度，利用所述的多池污水动态分配方法对各污水处理池的水阀的开度进行控制，以将污水从处理速度慢的污水处理池输送至污水处理速度快的污水处理池。
本发明的有益效果是，本发明的多池污水动态分配方法及其污水处理系统，通过模糊控制实现了污水处理的自适应调节，能有效的加快污水处理速度;并且在多污水处理池相连的基础上让污水处理速度的快的污水处理池能分配到更多的污水，污水处理速度慢的污水处理池适当的少分配污水，提高了污水处理的整体速度，进而实现智能调节控制。