基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及畜禽粪污发酵处理技术领域，尤其涉及基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法、系统及存储介质。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，畜禽养殖产业的规模也越来越大，畜禽粪污的产生量也在陆续增加，畜禽粪污具有高含水量、富含有机物、高氮含量、高腐蚀性、病原微生物存在和酸碱度波动等特点，畜禽粪便如果不得当处理，可能会导致水体和土壤的污染，因此，各养殖业人员把畜禽粪污的处理逐渐当成工作中的重点。

畜禽粪污发酵处理是将畜禽粪便通过微生物发酵转化为有机肥料，这种处理方法可以有效地处理和利用畜禽粪污，同时发酵过程中，产生的高温和微生物活动可以减少畜禽粪便的气味和害虫数量，减少对环境的负面影响。

畜禽粪污发酵处理过程中，需要合理控制发酵环境，以确保发酵正常进行以及发酵的安全性。然而现有技术中，难以直观获知畜禽粪污的发酵情况，进而对发酵环境监控难度较大，容易出现发酵环境不适宜，导致发酵不充分、不均匀、滋生病原菌等问题，发酵的稳定性差。

发明内容

本发明提供基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法、系统及存储介质，用以解决现有技术中畜禽粪污发酵过程中难以监控的问题，提高发酵的稳定性。

本发明提供基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，包括：

构建发酵炉孪生模型，所述发酵炉孪生模型用于模拟发酵炉本体中的发酵过程；

获取所述发酵炉本体的监测信息；

将所述监测信息输入所述发酵炉孪生模型，获取预测仿真信息；

根据所述监测信息以及所述预测仿真信息，生成显示信息并且发送，所述显示信息用于显示当前发酵状态以及预测发酵状态；

根据所述预测仿真信息以及预设的调控策略，生成反馈调控信息；

发送所述反馈调控信息至所述发酵炉本体，以调节所述发酵炉本体的工况。

根据本发明提供的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，在所述将所述监测信息输入所述发酵炉孪生模型，获取预测仿真信息之后，还包括：

根据所述预测仿真信息，判断是否存在发酵风险，当存在发酵风险时生成预警信息；

输出所述预警信息，所述预警信息反映存在的发酵风险以及对应原因；

获取操控信息，根据所述操控信息生成控制信息；

发送所述控制信息至所述发酵炉本体，以调节所述发酵炉本体的工况。

根据本发明提供的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，所述根据所述监测信息以及所述预测仿真信息，生成显示信息并且发送，包括：

根据所述发酵炉孪生模型，确定所述发酵炉本体的三维模型；

将所述监测信息以及所述预测仿真信息与所述三维模型对应的部位相关联，生成显示信息；

其中，所述显示信息用于显示所述发酵炉本体的三维模型、当前发酵状态以及预测发酵状态。

根据本发明提供的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，所述监测信息包括温度信息、湿度信息、酸碱度信息、排气成分信息、排气流量信息、菌落信息、粪污种类信息以及工况信息。

本发明还提供畜禽粪污发酵监控系统，包括：

发酵炉本体，设置有传感模块以及运行模块，所述传感模块用于监测所述发酵炉本体的发酵状态，所述运行模块用于调节所述发酵炉本体的发酵环境；

控制设备，分别与所述传感模块以及所述运行模块电连接；

远程监控设备，包括有显示模块、处理模块以及操控模块，所述处理模块分别与所述显示模块以及所述操控模块电连接，所述处理模块与所述控制设备通信连接，

所述远程监控设备能够执行上述的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

根据本发明提供的畜禽粪污发酵监控系统，所述发酵炉本体设置有发酵腔以及均与所述发酵腔连通的进料口、出料口和排气管，所述运行模块包括均与所述控制设备电连接的搅拌装置、温控装置、气体喷雾装置、进料阀门以及出料阀门，所述搅拌装置以及所述温控装置设置于所述发酵腔中，所述气体喷雾装置设置于所述排气管，所述进料阀门设置于所述进料口处，所述出料阀门设置于所述出料口处。

根据本发明提供的畜禽粪污发酵监控系统，所述传感模块包括均与所述控制设备电连接的温湿度传感器、酸碱度传感器、气体检测传感器、气体流量传感器以及菌落检测传感器，所述温湿度传感器、所述酸碱度传感器以及所述菌落检测传感器设置于所述发酵腔中，所述气体检测传感器以及所述气体流量传感器设置于所述排气管。

根据本发明提供的畜禽粪污发酵监控系统，所述显示模块包括与所述处理模块电连接的虚拟现实显示器，所述操控模块包括与所述处理模块电连接的虚拟现实交互器。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

本发明提供的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，至少具有以下有益效果：基于数字孪生构建发酵炉本体的孪生模型，即发酵炉孪生模型，发酵炉孪生模型能够模拟发酵过程，通过将反映发酵炉本体当前状态的监测信息输入至发酵炉孪生模型，经过模拟发酵过程处理，能够预测发酵状态的变化，生成预测仿真信息。根据监测信息以及预测仿真信息生成显示信息，能够显示当前发酵炉本体的发酵状态，以及未来一段时间内的预测发酵状态，方便监测者直观掌握发酵情况。根据预测仿真信息能够获知发酵状态变化，结合预设的调控策略，生成反馈调控信息对发酵炉本体进行调控，改变发酵炉本体的工况以使得发酵状态变化维持在合适的范围，保障发酵的正常进行。以此，获取发酵炉本体的监测数据，通过发酵炉孪生模型进行模拟发酵过程，进而显示当前发酵状态和预测发酵状态，有利于直观监控发酵过程，实现畜禽粪污发酵处理可视化，同时根据预测发酵状态调控发酵炉本体，有利于令发酵过程更加稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法的流程示意图之一；

图2是本发明提供基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法的流程示意图之二；

图3是本发明提供畜禽粪污发酵监控系统其中一种实施例的结构框图；

图4是本发明提供畜禽粪污发酵监控系统其中一种实施例中发酵炉本体的结构示意图；

图5是本发明提供畜禽粪污发酵监控系统其中一种实施例的结构示意图。

附图标记：

发酵炉本体100；发酵腔101；进料口102；出料口103；排气管104；调温管道105；蒸汽入口106；冷凝出口107；取样口108；人孔109；传感模块110；温湿度传感器111；酸碱度传感器112；气体检测传感器113；气体流量传感器114；菌落检测传感器115；运行模块120；搅拌装置121；温控装置122；气体喷雾装置123；进料阀门124；出料阀门125；控制设备200；远程监控设备300；显示模块310；处理模块320；操控模块330。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图5描述本发明的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法，包括：

S100：构建发酵炉孪生模型，所述发酵炉孪生模型用于模拟发酵炉本体100中的发酵过程；

S200：获取所述发酵炉本体100的监测信息；

S300：将所述监测信息输入所述发酵炉孪生模型，获取预测仿真信息；

S400：根据所述监测信息以及所述预测仿真信息，生成显示信息并且发送，所述显示信息用于显示当前发酵状态以及预测发酵状态；

S500：根据所述预测仿真信息以及预设的调控策略，生成反馈调控信息；

S600：发送所述反馈调控信息至所述发酵炉本体100，以调节所述发酵炉本体100的工况。

基于数字孪生构建发酵炉本体100的孪生模型，即发酵炉孪生模型，发酵炉孪生模型能够模拟发酵过程，通过将反映发酵炉本体100当前状态的监测信息输入至发酵炉孪生模型，经过模拟发酵过程处理，能够预测发酵状态的变化，生成预测仿真信息。根据监测信息以及预测仿真信息生成显示信息，能够显示当前发酵炉本体100的发酵状态，以及未来一段时间内的预测发酵状态，方便监测者直观掌握发酵情况。根据预测仿真信息能够获知发酵状态变化，结合预设的调控策略，生成反馈调控信息对发酵炉本体100进行调控，改变发酵炉本体100的工况以使得发酵状态变化维持在合适的范围，保障发酵的正常进行。以此，获取发酵炉本体100的监测数据，通过发酵炉孪生模型进行模拟发酵过程，进而显示当前发酵状态和预测发酵状态，有利于直观监控发酵过程，实现畜禽粪污发酵处理可视化，同时根据预测发酵状态调控发酵炉本体100，有利于令发酵过程更加稳定、可靠。

发酵炉孪生模型包括复刻发酵炉本体100的三维模型以及模拟发酵炉本体100进行发酵时的发酵计算模型，三维模型用于显示发酵炉本体100的结构，发酵计算模型能够根据输入的监测数据，即当前发酵炉本体100的发酵状态，通过计算获得后续的发酵状态，达到预测的效果。具体的发酵计算模型可以是为ADM1（Anaerobic Digestion Model No. 1）模型、IWA ADM（International Water Association Anaerobic Digestion Model）模型、Gompertz模型等。

预设的调控策略，用于根据预测仿真信息获知发酵趋势，维持发酵过程正常进行，例如，预测仿真信息反映经过X分钟后，发酵湿度会下降超出下限阈值，调控策略中预先设定有针对湿度下降超出下限阈值的对策，如控制喷淋装置工作Y秒，生成对应的反馈调控信息发送至发酵炉本体100，使得发酵炉本体100中的喷淋装置工作Y秒提高发酵湿度，避免出现发酵湿度下降超出下限阈值的情况。监测信息、反馈调控信息形成闭环控制，有利于提高抗干扰能力，增强稳定性、可靠性。

参考图1，在本发明基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法的一些实施例中，在所述S300之后，还包括：

S310：根据所述预测仿真信息，判断是否存在发酵风险，当存在发酵风险时生成预警信息；

S320：输出所述预警信息，所述预警信息反映存在的发酵风险以及对应原因；

S330：获取操控信息，根据所述操控信息生成控制信息；

S340：发送所述控制信息至所述发酵炉本体100，以调节所述发酵炉本体100的工况。

根据预测仿真信息，判断发酵趋势是否存在发酵风险，如氧气供应不足、发酵堆积、温度失控等风险，当预测存在发酵风险时，生成预警信息并输出，能够让监控者及时获知未来可能发生的发酵风险并进行相应操作。监控者操作产生操控信息，根据操控信息生成控制信息传输至发酵炉的本体，以调节发酵炉本体100的工况，工况一般包括发酵炉本体100的搅拌装置121、温控装置122、进料阀门124、出料阀门125的工作状态等，进而消除发酵风险，维持发酵炉本体100内发酵过程正常进行。以此，利用发酵炉孪生模型进行预测，实现预先警醒的效果，有利于监测者能够提前做好措施，消除发酵风险，有利于令发酵过程更加稳定、可靠。

需要说明的是，在根据预设的调控策略进行反馈调控，能够减少预测存在发酵风险的情况，当预测存在发酵风险时，一般是超出调控策略的调控能力范围或者存在意外因素的影响，需要监测者根据预警信息获知导致发酵风险的原因，分析根源所在，从而进行相应操作，消除发酵风险。

另外，在正常发酵情况下，监测者亦可以根据需要进行操作，生成控制信息调节发酵炉本体100的工况，以优化发酵过程。

参考图2，在本发明基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法的一些实施例中，所述S400，包括：

S410：根据所述发酵炉孪生模型，确定三维模型；

S420：将所述监测信息以及所述预测仿真信息与所述三维模型对应的部位相关联，生成显示信息；

其中，所述显示信息用于显示所述发酵炉本体100的三维模型、当前发酵状态以及预测发酵状态。

监测信息包括发酵炉本体100各个监测获得的状态参数，如发酵腔101内的温度值、酸碱度等，将监测信息对应与三维模型的对应部位关联，如将发酵腔101内的温度值、酸碱度与三维模型的发酵腔101相关联，相应地，预测监测信息亦与三维模型的对应部位相关联。以此生成显示信息在显示时，通过三维模型让监测者直观掌握发酵炉本体100的结构，同时基于三维模型显示当前发酵状态以及预测发酵状态，有利于让信息获取更加直观、提高信息获取效率，令使用更加便捷。

在本发明基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法的一些实施例中，所述监测信息包括温度信息、湿度信息、酸碱度信息、排气成分信息、排气流量信息、菌落信息、粪污种类信息以及工况信息。

监测信息用于获知当前发酵炉本体100的当前发酵状态外，亦用于让发酵炉孪生模型对于畜禽粪污处理进行计算预测，满足计算预测所需要获知的畜禽污染的种类，当前发酵状态下的温度、湿度、酸碱度、排气成分、排气流量、菌落数量等发酵关键参数，以及发酵炉本体100的当前工况状态，进而能够据此计算预测发酵的趋势，满足畜禽粪污处理的监控需求。

粪污种类信息可以是预先设定的，亦可以通过检测粪污中的含水量、物质种类后判断确定。工况信息是指发酵炉本体100上的运行器件的工作状态，例如在某些实施例中，发酵炉本体100上包括搅拌装置121、温控装置122、进料阀门124、出料阀门125，则相应的搅拌装置121的转速、温控装置122的设定温度、进料阀门124和出料阀门125的开关状态等信息为工况信息。

参考图3至图5，本发明还提供畜禽粪污发酵监控系统，包括：

发酵炉本体100，设置有传感模块110以及运行模块120，所述传感模块110用于监测所述发酵炉本体100的发酵状态，所述运行模块120用于调节所述发酵炉本体100的发酵环境；

控制设备200，分别与所述传感模块110以及所述运行模块120电连接；

远程监控设备300，包括有显示模块310、处理模块320以及操控模块330，所述处理模块320分别与所述显示模块310以及所述操控模块330电连接，所述处理模块320与所述控制设备200通信连接，

所述远程监控设备300能够执行上述任一实施例的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

远程监控设备300中存储有基于数字孪生构建的发酵炉孪生模型，通常位于处理模块320中，发酵炉孪生模型能够模拟发酵炉本体100的发酵过程。控制设备200收集发酵炉本体100上传感模块110和运行模块120的信息作为监测信息，将监测信息传输至远程监控设备300。远程监控设备300中的处理模块320将监测信息输入至发酵炉孪生模型，经过模拟发酵过程处理，能够预测发酵状态的变化趋势，生成预测仿真信息，然后根据监测信息以及预测仿真信息生成显示信息，处理模块320将显示信息传输至显示模块310，能够显示当前发酵炉本体100的发酵状态以及预测发酵状态，方便监测者直观掌握发酵情况。处理模块320根据预测仿真信息能够获知发酵状态变化，结合预设的调控策略，生成反馈调控信息，将反馈调控信息发送至控制设备200，控制设备200根据反馈调控信息对发酵炉本体100的运行模块120进行调控，通过运行模块120改变发酵环境以使得发酵状态变化趋势维持在合适的范围，保障发酵的正常进行。另外，监控者通过远程监控设备300上的操控模块330进行操作，能够产生控制信息传输至控制设备200，以调节发酵炉本体100上运行模块120，实现手动调节的效果。以此，获取发酵炉本体100的监测数据，通过发酵炉孪生模型进行模拟发酵过程，进而显示当前发酵状态和预测发酵状态，有利于直观监控发酵过程，实现畜禽粪污发酵处理可视化，达到远程监控的效果，同时根据预测发酵状态调控发酵炉本体100，有利于令发酵过程更加稳定、可靠。

参考图4，在本发明畜禽粪污发酵监控系统的一些实施例中，所述发酵炉本体100设置有发酵腔101以及均与所述发酵腔101连通的进料口102、出料口103和排气管104，所述运行模块120包括均与所述控制设备200电连接的搅拌装置121、温控装置122、气体喷雾装置123、进料阀门124以及出料阀门125，所述搅拌装置121以及所述温控装置122设置于所述发酵腔101中，所述气体喷雾装置123设置于所述排气管104，所述进料阀门124设置于所述进料口102处，所述出料阀门125设置于所述出料口103处。

畜禽粪污通过进料口102进入发酵腔101内进行发酵，发酵过程中产生的气体通过排气管104排出，发酵完成后形成的有机肥料通过出料口103排出发酵腔101。在此过程中，搅拌装置121对发酵腔101内的畜禽粪污进行搅拌，能够令畜禽粪污更加均匀，令后续发酵更加均衡；温控装置122调节发酵腔101内的温度，以提供发酵所需要的温度；气体喷雾装置123在排气管104处进行喷雾，降低排出气体中的污染物浓度以及温度，改善排出气体对环境的影响；进料阀门124能够控制粪污进入发酵腔101，在关闭时能够防止气体从进料口102漏出；出料阀门125能够控制有机肥料从发酵腔101排出。

搅拌装置121可以是包括驱动电机、搅拌棒以及设置于搅拌棒上的搅拌叶片的实施方式，驱动电机驱使搅拌棒转动进而令搅拌叶片搅拌畜禽粪污。温控装置122可以是包括加热棒、喷淋器、水冷器等能够实现温度控制的器件，当温控装置122包括喷淋器时，亦可以作为湿度控制装置，喷淋器喷水能够增加湿度以及降低温度。

参考图4，在本发明的一些实施例中，温控装置122可以是包括设置在所述发酵炉本体100的调温管道105，调温管道105设置有蒸汽入口106以及冷凝出口107，蒸汽入口106用于通入蒸汽以提高发酵腔101的温度，冷凝出口107用于排出调温管道105中的冷凝水。

参考图4，本发明的一些实施例中，发酵炉本体100上还设置有与发酵腔101连通的取样口108以及人孔109。取样口108用于获取发酵腔101中的发酵物质，进而能够更加精准获知发酵情况。人孔109用于方便维修人员清洗、检修发酵腔101。

参考图3至图5，在本发明畜禽粪污发酵监控系统的一些实施例中，所述传感模块110包括均与所述控制设备200电连接的温湿度传感器111、酸碱度传感器112、气体检测传感器113、气体流量传感器114以及菌落检测传感器115，所述温湿度传感器111、所述酸碱度传感器112以及所述菌落检测传感器115设置于所述发酵腔101中，所述气体检测传感器113以及所述气体流量传感器114设置于所述排气管104。

温湿度传感器111检测发酵腔101的温度和湿度，酸碱度传感器112检测发酵腔101的酸碱度，气体检测传感器113检测发酵产生的气体成分，气体流量传感器114检测排出的气体流量值，菌落检测传感器115检测菌落数量，以此能够了解发酵过程中关键的温度值、湿度值、酸碱度、菌落数量、发酵产生的气体成分和流量，掌握发酵过程的状态，便于判断发酵是否正常进行。

参考图5，在本发明畜禽粪污发酵监控系统的一些实施例中，所述显示模块310包括虚拟现实显示器，所述操控模块330包括虚拟现实交互器。

处理模块320根据发酵炉孪生模型、监测信息以及预测仿真信息，生成显示信息，显示信息发送给虚拟现实显示器（VR显示器）进行显示，监控者通过虚拟现实显示器能够观察到发酵炉本体100的三维模型，并且在三维模型的部位能够观察到对应的监测信息以及预测仿真信息，例如在发酵腔101的部位能够观察到当前的温度值、湿度值、酸碱度、菌落数量等信息以及预测温度值、预测湿度值、预测酸碱度、预测菌落数量等预测信息，以此监控者能够直观、沉浸地获知发酵炉本体100的发酵情况，有利于提高信息获取效率。监控者通过虚拟现实交互器产生操控信息传输至处理模块320，处理模块320根据操控信息进行相应处理，可以是根据操控信息保存监测信息、预测仿真信息作为日志数据，亦可以是根据操控信息生成控制信号传输至控制设备200，以调控发酵炉本体100的工况。

虚拟现实交互器（VR交互器）可以是包括操作手柄、识别摄像头等实施方式，通过按压操控手柄能够产生相应的操控信息；通过识别摄像头，识别监控者的手势、动作产生相应的操控信息。

显示模块310除了包括虚拟现实显示器的实施例外，在一些实施例中可以是包括液晶显示屏、OLED显示屏等器件的实施方式。

在本发明畜禽粪污发酵监控系统的一些实施例中，所述控制设备200通过工业线缆分别与所述传感模块110以及所述运行模块120电连接，所述远程监控设备300与所述控制设备200无线通信连接并且无线通信连接采用6G太赫兹频段。

工业线缆能够适应大部分使用环境，连接可靠稳定。无线通信连接采用6G太赫兹频段，通过6G太赫兹通信技术能够快速传输大量数据，有利于降低通信时延。

本发明还提供一种电子设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

本发明提供的一种电子设备，在一些实施例中可以是作为远程监控设备300使用。

另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的基于数字孪生的畜禽粪污发酵监控方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。