一种V型滤池反冲方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及环保技术领域，特别涉及一种V型滤池反冲方法、系统及设备。

背景技术

V型滤池是以恒定水位过滤，池两侧的进水槽成V字型，池内的超声波水位自动控制装置可调节出水清水阀，阀门可根据池内水位的高低，自动调节开启程度，使池内水位恒定。V型滤池使用单层砂滤料，粒径通常为0.95-1.35mm，不均匀系数为1.2-1.6，滤料层厚度为1.0-1.5m。

滤池运行一段时间后根据出水水质和滤速需要定期进行反冲洗操作，反冲洗前需将滤池水位降至排水槽顶方可进行，具体操作过程为：

1、单气冲：关闭进水阀，同步打开排水阀；待水位降至排水渠等，关闭清水阀；打开反冲气阀进行气冲。全程保持排气阀、初滤水阀和反冲水阀关闭；

2、气水反冲：待单气冲结束后，打开反冲水阀，保持反冲气阀开启；保持排气阀、初滤水阀关闭；

3、单水冲：待气水反冲结束后，关闭反冲气阀，打开排气阀，调大反冲水阀；保持初滤水阀关闭；

4、表面扫洗：单水冲一段时间后，微开进水阀，关闭排气阀，通过V型槽扫洗空进行表面扫洗；

5、表面扫洗结束后，关闭排水阀，全开进水阀，关闭反冲水阀；打开初滤水阀；将出滤水排放后关闭初滤水阀，打开清水阀。

采用上述方法建设V型滤池后，反冲强度就很难被改变，想在理论值范围内找到最佳反冲点就更难实现。随着外部因素(包括沉淀水浊度、进水流量、进水温度等)和内部因素(如滤头的老化、损坏)的变化，V型滤池的最佳反冲点也会随之改变；当反冲强度太弱时，达不到冲洗要求，影响滤池效果、降低了滤池工作时间，造成反冲成本的增加；当反冲强度太强时，则会造成跑砂、漏砂，甚至对滤池结构造成破坏。

目前，V型滤池的反冲强度主要是基于理论值进行设计，一般是根据V型滤池的面积选择相应的鼓风机、反冲泵的功率，使得反冲气流量、反冲水流量控制在理论值范围内。

发明内容

针对现有技术中V型滤池反冲强度不易控制的技术问题，本发明提出一种V型滤池反冲方法、系统及设备，通过对历史数据的分析学习，为V型滤池定制最佳反冲方案，从而优化反冲效果，减少跑砂、漏砂和对V型滤池结构的损坏，延长V型滤池工作时间。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种V型滤池反冲方法，具体包括以下步骤：

S1：采集待处理V型滤池的实时数据；

S2：将待处理V型滤池的实时数据输入优化完成的反冲频率给定模型，输出预测反冲频率，控制设备进行执行。

优选地,所述S1中，待处理V型滤池的实时数据包括沉淀池浊度、取水泵运行状态、阻塞值、滤后水浊度、滤池板下压力、运行时间、滤池开度、源水温度。

优选地,所述S2中，预测反冲频率包括混合冲预测风机频率、混合冲预测反冲泵频率、水冲预测反冲泵频率。

优选地,所述S2中，反冲频率给定模型的优化方法包括：

S2-1：从数据库中获取待处理V型滤池的历史数据；

S2-2：对获取的V型滤池的历史数据进行预处理得到预处理后历史数据；

S2-3：将预处理后历史数据输入反冲频率给定模型进行训练，完成反冲频率给定模型的优化。

优选地,所述S2-2中，预处理包括去掉滤波、平滑处理、补遗处理、合理性校验。

优选地,所述S2-2中，还对预处理后历史数据进行质量分析，包括准确性、完整性、及时性和一致性。

优选地,所述S2-3中包括

S2-3-1：构建反冲频率给定模型的目标函数，表达式为：

公式(1)中，obj(θ)表示反冲频率给定模型的目标函数；

S2-3-2：对目标函数进行训练求解，最小化损失函数完成模型优化；

通过迭代次数的增加不断减小MSE值，直到不能减小为止，然后自动停止训练并生成模型，完成优化；

损失函数的表达式为：

公式(2)中，MSE表示均方误差。

优选地,还包括S3：

对反冲触发时机进行预测，反冲触发时机包括反冲运行时间和用水量；

S3-1：对反冲运行时间的预测：

获取滤池的影响时间参数并存储进入字典数据库XMn，利用查询字典数据库XMn的方式，找到最相近的数据特征值，从而预测出V型滤池下一次的反冲运行时间；

S3-2：对用水量进行预测：

获取滤池的用水数据存储进入字典数据库XFn，再利用查询字典数据库XFn的方式，找到最相近的数据特征值，从而预测出未来24小时清水池水位以及出水流量；

S3-3：预测每口滤池过滤持续时间和水厂出水量，得出24小时内需要进行反冲的滤池及相应的触发时间，并呈现到生产人员的交互界面。

本发明提供一种V型滤池反冲系统，包括数据获取模块、预处理模块、模型构建训练模块、输出模块；

数据获取模块，用于获取待反冲V行滤池的历史数据和实时数据；

预处理模块，用于对历史数据进行预处理；

模型构建训练模块，用于构建反冲频率给定模型，并根据预处理后的数据进行训练优化；

输出模块，用于根据优化完成的反冲频率给定模型对待反冲V行滤池的实时数据进行计算，输出预测反冲频率。

本发明提供一种V型滤池反冲设备，包括采集单元、处理单元和执行单元；采集单元的输出端与处理单元的输入端连接，处理单元的输出端与执行单元的输入端连接；

采集单元包括反冲水管道流量计、反冲气管道流量计和管道压力传感器；反冲水管道流量计安装在反冲水管道上，用于对反冲水的瞬时流量和累计流量进行监测；反冲气管道流量计安装在反冲气管道上，用于对反冲气的瞬时流量和累计流量进行监测；管道压力传感器安装在滤池反冲气管道上和反冲水管道上，对管道压力进行实时监测；

处理单元上搭载一种V型滤池反冲系统；

执行单元包括变频器，安装在每台鼓风机和反冲泵上，用于调节反冲气量和反冲水量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过构建反冲频率给定模型对实时采集的V型滤池参数进行预测，从而得到预测反冲频率，能够在保证反冲效果的同时，有效地减少滤池的跑砂量，且能够减少因反冲强度过大，对滤头造成的冲击，从而延长滤头的使用寿命；还能在一定程度上减少生产用水的消耗。

附图说明：

图1为根据本发明示例性实施例的一种V型滤池反冲方法示意图。

图2为根据本发明示例性实施例的一种V型滤池反冲系统示意图。

图3为根据本发明示例性实施例的一种V型滤池反冲设备示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种V型滤池反冲方法，包括以下步骤：

S1：从数据库中获取待处理V型滤池的历史数据。

本实施例中，可通过IGS、KEEPSEVER等工具从数据库中获取待处理V型滤池的历史数据并存储在mySQL中，历史数据包括反冲前相应的输入参数和训练目标值(训练目标值是通过变频测试中的最优反冲频率及正常使用中的不同水质情况下的最优频率，训练目标值都已存入mySQL数据库中。)；输入参数包括沉淀池浊度，取水泵运行状态，阻塞值，滤后水浊度，滤池板下压力，运行时间，滤池开度，源水温度；训练目标值包括混合冲预测风机频率、混合冲预测反冲泵频率、水冲预测反冲泵频率。

本实施例中，数据采集频率可以根据需要进行调整(秒级、分钟、小时)。

S2：对获取的V型滤池的历史数据进行预处理得到第一数据集，实现对数据的诊断，提高数据准确性，规避因输入数据的异常波动或者遗失而带来的输出结果不正确等影响。

本实施例中，预处理包括去掉滤波、平滑处理、补遗处理、合理性校验等。

本实施例中，通过事先定义好的规则、检查时间对预处理后数据进行质量分析，极大的减少人力的投入和过程干预，提升效率，减少误差；质量分析包括准确性、完整性、及时性和一致性。

准确性：通过指定数据特征，包括上下限、单调递增、枚举值，对预处理后数据进行校验，校验正确的记录数与总记录数的比值即代表了数据的准确性。

完整性：根据设定的采集频率，以及某段时间内实际获得的数据量，计算数据完整性；例如液位高低的设定采集频率为1min，1h内实际获得的数据量为50条，则完整性为50/60。

及时性：数据产生的时间与该数据被写入数据库或展示给终端用户的时间差，或延时时间。

一致性：通过相应的业务规则组合，校验数据的合理性；如处于运行状态的浓缩机，其电流值一定大于0；若电流值小于或等于0，则表明浓缩机的电流数据不合理，一致性存在问题。

S3：将第一数据集输入反冲频率给定模型进行训练，完成反冲频率给定模型的优化。

本实施例中，第一数据集包括反冲前的输入参数和训练目标值。输入参数包括沉淀池浊度，取水泵运行状态，阻塞值，滤后水浊度，滤池板下压力，运行时间，滤池开度，源水温度；训练目标值包括混合冲预测风机频率、混合冲预测反冲泵频率、水冲预测反冲泵频率。

S3-1：构建反冲频率给定模型的目标函数，表达式为：

公式(1)中，obj(θ)表示反冲频率给定模型的目标函数；

S3-2：对目标函数进行训练求解，最小化损失函数完成模型优化。

本实施例中，损失函数是MSE(均方误差)，在进行模型训练时会通过迭代次数的增加不断减小MSE值，直到不能减小为止，然后自动停止训练并生成模型，即为理论上的最优模型。

损失函数的表达式为：

公式(2)中，MSE表示均方误差。

S4：将采集的V型滤池的实时数据输入优化完成的反冲频率给定模型，输出预测反冲频率，并在PLC寄存器地址及数据库进行存储；预测反冲频率包括混合冲预测风机频率、混合冲预测反冲泵频率、水冲预测反冲泵频率。

本实施例中，当输出预测反冲频率后，还将当前预测反冲频率对应的实际运行时间和设定运行时间(例如24小时)比较，如果实际运行时间比设定运行时间短，将根据差值自动增加第一频率值(当前反冲频率值+(设定运行时间-实际运行时间)/设定运行时间)给预测反冲频率(在下次达到反冲条件进行模型预测时且相同水质情况下增加一定频率值，多次校正之后逐渐调优。)，以保证实际运行时间能达到设定运行时间。

本实施例中，采集的V型滤池的实时数据输入优化完成的反冲频率给定模型时，同时进行输入参数异常值处理，即根据当前实时数据和最近15分钟的平均数据比较(读取实时数据，通过箱型图异常值检测法，如果实时数据在箱型图四分位之外则为异常值)，如有异常值就用平均值替代。

本实施例中，还包括反冲学习库建立完善：

将反冲频率给定模型每次输出的预测反冲频率、输入参数、数据库时间输入各自滤池的学习库中，积累学习库数据，通过分析整理后剔除运行时间较短的数据，这样即可剔除预测频率运行不佳的数据，重新学习训练生成模型，更新预测模型，这样不断优化学习库及模型，最终生成适合全年生产情况的最优滤池反冲频率给定模型，并可通过学习库不断调优训练模型。

本发明能够在保证反冲效果的同时，有效地减少滤池的跑砂量，且能够减少因反冲强度过大，对滤头造成的冲击，从而延长滤头的使用寿命；还能在一定程度上减少生产用水的消耗。

S5：本实施例中，为保证V型滤池能更加精准地进行反冲，还需要对反冲触发时机进行预测，反冲触发时机包括反冲运行时间和用水量。

S5-1：对反冲运行时间的预测，在该时间范围内，滤池的实时条件(滤后水浊度、阻塞值、运行时间、进水流量、出水流量、清水池水位、回收水池水位、空压机运行状态以及反冲设备状态)满足预设条件，就可以进行反冲：

获取滤池的影响时间参数(包括进水流量、沉淀池出水浊度、阻塞值和滤后水浊度)并存储进入多维数据库XKn，对多维数据库XKn进行数据清洗、数据质量处理、异常数据处理等步骤后，再存储进入字典数据库XMn；利用查询字典数据库XMn的方式，找到最相近的数据特征值，从而预测出V型滤池下一次的反冲运行时间(实时查询读取字典数据库滤池的实时用水数据，通过遍历查询字典数据库历史同时间或者同条件滤池用水数据的情况，找到历史同期或同条件下的最相近的数据特征值，同时应用数学模型可以计算预测出下一时刻的用水数据和当前滤池反冲后下一次的运行时间)。同时，在反冲结束之后，获取新的影响时间参数。

S5-2：因为用水高峰期的持续时间较长，对反冲触发时机的影响较大，所以对用水高峰期的预测是非常必要的，即当用水高峰期时，不允许对滤池进行反冲，因此需要对用水量进行预测：

获取滤池的用水数据(包括进水温度、进水流量、出水流量、清水池水位等)并存储进入多维数据库XEn，对多维数据库XEn进行数据清洗、数据质量处理、异常数据处理等步骤后，存储进入字典数据库XFn；再利用查询字典数据库XFn的方式，找到最相近的数据特征值，从而预测出未来24小时清水池水位以及出水流量的变化曲线；同时，在反冲结束之后，获取新的滤池的用水数据。

例如实时查询读取字典数据库滤池的实时用水数据，通过遍历查询字典数据库历史同时间或者同条件滤池用水数据的情况，找到历史同期或同条件下的最相近的数据特征值，同时可以预测出下一时刻的用水数据，同时预测1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时之后的出水流量。每个整点根据用水数据情况及遍历查询字典数据库历史数据及应用数学模型动态计算调整出水流量预测值。

S5-3：结合自动反冲模型算法，预测每口滤池过滤持续时间和水厂出水量，得出24小时内需要进行反冲的滤池及相应的触发时间。

例如：0点时刻预测到8小时后A滤池将进行反冲，8.1小时后B滤池将进行反冲，12小时后C滤池将进行反冲。A滤池预测时间非高峰时期，则直接安排8点进行反冲；B滤池反冲时间与A滤池部分重合，则将B滤池延迟到8点30分进行反冲；C滤池触发时间恰好是高峰用水时间，则将其提前到11点进行反冲，并呈现到生产人员的交互界面上，生产人员也可以对触发时间进行微调。本步骤可以减少人工工作量，有效合理地分配反冲时间，减少因人为干预造成的过滤运行时间短的问题，有效减少反冲产生的水耗和电耗。

S6：本实施例中，为检验V型滤池的反冲效果，还对反冲废水值进行分析。

反冲废水变化率的公式为：

公式(3)中，S

当反冲废水的变化速率小于-0.4g/s(变化速率与排水沟槽的工艺有一定关系，变化率正值表示废水浓度上升，变化率负值表示废水浓度下降。)，且污泥浓度小于0.2g/L时，则判断反冲达到效果，可以停止继续反冲。

该本步骤可取代之前相对固定的反冲时间，以实际反冲效果作为是否停止反冲的依据。

通过本发明使用前后数据对比，跑砂量从使用前年均28吨减少到几乎没有；滤池的工作时间提高了25％，相应的单位时间内反冲的次数减少，从而减少反冲水量、反冲电量的消耗。

基于上述方法，如图2所示，本发明还提供一种V型滤池反冲系统，包括数据获取模块、预处理模块、模型构建训练模块、输出模块；数据获取模块的输出端与预处理模块的输入端连接，预处理模块的输出端与模型构建训练模块的输入端连接，模型构建训练模块的输出端与输出模块的输入端连接。

其中，

数据获取模块，用于获取待反冲V行滤池的历史数据和实时数据；

预处理模块，用于对历史数据进行预处理；

模型构建训练模块，用于构建反冲频率给定模型，并根据预处理后的数据进行训练优化；

输出模块，用于根据优化完成的反冲频率给定模型对待反冲V行滤池的实时数据进行计算，输出预测反冲频率。

本系统能够在保证反冲效果的同时，有效地减少滤池的跑砂量，且能够减少因反冲强度过大，对滤头造成的冲击，从而延长滤头的使用寿命；还能在一定程度上减少生产用水的消耗。

本实施例中，为保证V型滤池能更加精准地进行反冲，需要对反冲触发时机进行预测，还包括自动反冲预测模块，用于对V型滤池的反冲触发时机进行预测，反冲触发时机包括反冲运行时间和用水量。本模块可以减少人工工作量，有效合理地分配反冲时间，减少因人为干预造成的过滤运行时间短的问题，有效减少反冲产生的水耗和电耗。

本实施例中，为检验V型滤池的反冲效果，还对反冲废水值进行分析，还包括反冲废水分析模块，用于对反冲废水变化率进行分析。

反冲废水变化率的公式为：

公式(4)中，S

当反冲废水的变化速率小于-0.4g/s(变化速率与排水沟槽的工艺有一定关系，变化率正值表示废水浓度上升，变化率负值表示废水浓度下降。)，且污泥浓度小于0.2g/L时，则判断反冲达到效果，可以停止继续反冲。

本模块可用于取代之前相对固定的反冲时间，以实际反冲效果作为是否停止反冲的依据。

本实施例中，如图3所示，本发明提供一种V型滤池反冲设备，包括采集单元、处理单元和执行单元。采集单元的输出端与处理单元的输入端连接，处理单元的输出端与执行单元的输入端连接。

本实施例中，处理单元上搭载有如图2所示的一种V型滤池反冲系统。

本实施例中，采集单元包括反冲水管道流量计、反冲气管道流量计和管道压力传感器。反冲水管道流量计安装在反冲水管道上，用于对反冲水的瞬时流量和累计流量进行监测；反冲气管道流量计安装在反冲气管道上，用于对反冲气的瞬时流量和累计流量进行监测；管道压力传感器安装在滤池反冲气管道上和反冲水管道上，对管道压力进行实时监测，提高反冲的安全性。

本实施例中，执行单元包括变频器，安装在为每台鼓风机和反冲泵上，调节反冲气量和反冲水量。

本实施例中，还包括反冲废水污泥浓度分析仪，安装在反冲废水汇流渠，实时监控反冲废水的泥沙浓度变化。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。