（控制理论与控制工程专业论文）机器视觉技术在污水处理溶解氧测定中的应用研究.pdf

摘要 摘要 活性污泥法是一个需氧的微生物代谢过程。其中，反应池中的微生物利用曝 气提供的溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ) 来降解污水中的有机物等污染物质。水体中 的溶解氧( d o ) 是污水处理生化反应过程中的一个重要控制参数，也是影响运行费 用和出水水质的重要因素。而曝气反应过程是一种复杂的非线性的生化过程，其 中水质水量不断波动，要实现准确测量水中溶解氧非常困难。目前，国内外的污 水处理过程中基本都是采用基于电流测定法的溶解氧检测仪，这种溶氧仪价格 较高且需经常进行物化维护。因此，研究开发具有较高抗干扰能力、成本低、 防腐蚀性强并且工作稳定的溶解氧含量检测方法具有十分重要的理论价值和实 际应用价值。 本文提出了以曝气池水体图像为研究对象，检测水中溶解氧含量的新思路， 利用b p 人工神经网络技术为溶解氧检测系统建立了仿真预测模型，为实现基于 机器视觉技术的污水处理中溶解氧的测定进行了力所能及的探索，主要做了以下 几方面的工作： ( 1 ) 结合实际污水处理现场工作的经验，在分析现有国内外水中溶解氧检测 技术和机器视觉检测技术的基础上，提出了利用机器视觉技术，以曝气池水体图 像为研究对象，检测水中溶解氧含量的基本思路： ( 2 ) 分析了机器视觉检测技术应用中，对图像进行预处理的相关方法，并应 用m a t l a b 软件针对曝气池的水体图像加以实现： ( 3 ) 提取了曝气池水体图像的颧色特征，在对颜色在机器视觉中应用现状分 析的基础上，经过颜色空间变换，得到了用于溶解氧检测系统的水体颜色描述信 息； ( 4 ) 基于曝气池水体图像颜色特征参量，应用b p 神经网络构建了溶解氧检 测系统的预测运算模型，并以m a t l a b 软件完成了仿真测试。 本文的研究对水中溶解氧检测新方法的开发和机器视觉检测技术的应用具 有较高的实际意义，但由于条件和时间限制，尚有许多方面有待改进和深入探讨。 关键词污水处理；机器视觉：神经网络；溶解氧；在线检测 北京工业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t n ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si so n en e e d st h eo x y g e nm e t a b o l i s mp r o c e s s i n r e s p o n s ep o o lo fm i c r o o r g a n i s m sa e r a t i o np r o v i d et h el e v e lo fd i s s o l v e do x y g e n ( d i s s o l v e do x y g e n ) t ol o w e rt h es e w a g ep o l l u t i o ns u c ha st h eo r g a n i cs u b s t a n c e s t h el e v e lo fd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i nw a t e ri sa l li m p o r t a n tc o n t r o l l e dv a r i a b l ei nt h e r e a c t i o np r o c e s s ，a l s oi sa f f e c t st h e o p e r m i n gc o s ta n dt h el e a k a g ew a t e rq u a l i t y i m p o r t a n ta t t r i b u t e b u tt h ea e r a t i o nr e a c t i o np r o c e s si so n ec o m p l e xn o n - l i n e a r b i o c h e m i s t r yp r o c e s s ，i nw h i c hw a t e rq u a l i t yh a sf l u c t u a t e da n dt oa c h i e v ea na c c u r a t e m e a s u r e m e n to fd i s s o l v e do x y g e ni sv e r yd i f f i c u l t a tp r e s e n t ，i nh o m ea n da b o a r d s e w a g et r e a t m e n td e t e r m i n i n gt h el e v e lo fd i s s o l v e do x y g e na r eb a s e do nt h ec u r r e n t m e t h o d ，t h e s ed i s s o l v e do x y g e nm e t e r sa r eh i g hp r i c e sa n dn e e df o rr e g u l a r m a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh i g h e ra n t i - i n t e r f e r e n c ea n dl o w c o s t ，a g a i n s tc o r r o s i v es t r o n ga n ds t a b l em e t h o d so fd i s s o l v e do x y g e nd e t e c t i o nw i l l h a v ev e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e ran e wi d e ao fd i s s o l v e do x y g e nt e s t i n gp r o p o s e d ，w h i c ht a k ei m a g e s o ft h es e w a g ef o rt h es t u d y , u s eo fb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ks e tu pas i m u l a t i o n p r e d i c t i o nm o d ef o rt h ed i s s o l v e do x y g e ni n s p e c t i o n ，i ti st h eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o n f o rt h ed i s s o l v e do x y g e ne x a m i n a t i o ns y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o n ，a n dm a i n l y h a sd o n ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c tw o r k ： ( 1 ) a c c o r d i n gt oa c t u a ls e w a g em o n i t o r i n gw o r ke x p e r i e n c e ，b a s e do nt h e a n a l y s i so fe x i s t i n gi nh o m ea n da b o a r dw a t e rd i s s o l v e do x y g e nd e t e c t i o nt e c h n i q u e s a n dm a c h i n ev i s i o nt e s t i n gt e c h n o l o g y , u s i n gm a c h i n ev i s i o na n dt a k i n gt h ew a t e r i m a g e sf o rt h es t u d y , a c h i e v et h ed i s s o l v e do x y g e ns t a t u so ft h ew a t e r ； ( 2 ) a n a l y s i so ft h em e t h o do ft h ep r e - p r o c e s st ot h ew a t e ri m a g ei nf r o n to ft h e a p p l i c a t i o nm a c h i n ev i s i o nt op i c k - u pt h ew a t e ri m a g ef e a t u r e s ，a n dr e a l i z e su s i n gt h e m a t l a bs o f t w a r e ； ( 3 ) p i c k - u pt h ec o l o rf e a t u r eo fw a t e ri m a g e ，b a e s do nt h ea n a l y s i so ft h e a p p l i c a t i o ni nt h em a c h i n ev i s i o no fc o l o r , o b t a i nt h ew a t e ri m a g ef e a t u r et h r o u g ht h e c h a n g eo fc o l o rs p a c et ou s dt ot h ed i s s o l v e d9 x y g e ne x a m i n a t i o n ； ( 4 ) b a s e do nt h ew a t e ri m a g ec o l o rf e a t w e ，h a sc a r r i e do nt h ed i s s o l v e do x y g e n e x a m i n a t i o ns y s t e mc o n s t r u c t i o nu s i n gt h eb pn e u r a ln e t w o r k ，a n dh a sc o m p l e t e dt h e s i m u l a t i o nt e s tb yt h em a t l a bs o f t w a r e t h er e s e a r c hh a sah i g h e rl e v e lo fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h es t u d yo ft h e m a c h i n ev i s i o na p p l i c a t i o na n dd i s s o l v e do x y g e nt e s t i n gn e wt e c h n o l o g i e s ，b u tt h e c o n d i t i o n sa n dt i m ec o n s t r a i n t s ，t h e r ea r em a n ya s p e c t st ob ei m p r o v e da n di nd e p t h - i i a b s t r a c t k e y w o r d s w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；m a c h i n ev i s i o n ；n e u r a ln e t w o r k ；d i s s o l v e d o x y - g e n ；o n - l i n ed e t e c t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 壁塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：妻) 扭举日期：盈：2 ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 妾塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主雌导师签名：刍噬日期：皿 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 水是自然资源、经济资源，又是战略资源。它影响着人类的生活水平和生活 质量，涉及到国民经济的各个部门。目前世界淡水资源短缺的情况日益严重，有 8 0 多个国家约1 5 亿人口面临淡水不足的困境，其中有2 6 个国家完全生活在缺水 状态中，估计到2 0 1 0 年还将有8 个国家加入缺水国行列。中国就是一个缺水比 较严重的国家，人均占有水量只相当于世界人均水平的1 4 ，居世界第1 0 9 位， 被列为世界人均水资源缺乏的1 3 个严重缺水的国家之一。中国的首都北京可利 用淡水资源人均占有量竟不足4 0 0 立方米，不到全国水平的1 7 ，是世界人均占 有量的1 3 0 ，在世界1 2 0 个大都市中居1 0 0 位之后，是我国严重缺水的3 0 个大 城市中的一个特大型城市i i j 。 在中国水资源短缺的同时，水污染也日益严重。我国曾对七大流域调查发现 主要河流有机污染严重，主要湖泊富营养化严钟。据统计全国每年城市工业排放 污水6 2 4 亿立方米，达标排放的仅占2 4 1 2 1 。首都北京每年约有1 0 亿立方米未 经处理的污水排入河道、渗井、渗坑，加之过量施用化肥和农药以及垃圾的不合 理堆放，使河湖水体和地下水受到严重污染。据对8 1 条2 1 5 0 k m 的河段监测，有 5 6 4 的水体受到不同程度的污染；城市下游河道多为超v 类水体，基本没有生 物存活；河道长期断流，湖泊萎缩，湿地干涸；城近郊区地下水水质较差和极差 的占测点总数的4 7 3 1 ，郊区地下水符合饮用水标准的也仅占一半例。 水资源短缺和水污染日益严重，迫切需要对污水进行及时监控和有效处理。 现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。一级处理， 主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，经过一级处理的污水，达不到排放 标准，一级处理属于二级处理的预处理。二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶 解状态的有机污染物质i 从而使有机污染物达到排放标准。三级处理，进一步处理 难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。 在二级处理中，大多采用的是活性污泥生物处理工艺。它是利用悬浮生长的 微生物絮体处理有机废水的一类生物处理方法，需要经历复杂的生物化学反应过 程。其中，通过曝气维持混合液一个好氧环境是一个非常重要的环节，并且鼓风 曝气环节能耗最大j 从一些国内的污水处理厂耗电量来看，曝气环节占据了总耗 电量的5 0 左右，而溶解氧的量是控制曝气的一个重要参数，它能直观且迅速地 反映出整个系统的运行状况，所以准确测定溶解氧的含量对于降低污水处理费 北京工业大学t 学硕十学位论文 用，提高污水处理质量具有非常重要的意义。 1 2 污水处理系统中溶解氧在线检测的技术现状 1 2 1 溶解氧检测技术的国内外应用现状 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ) 是指溶解于水中分子状态的氧，常用d o 表示， 它是维持水生生物生存的基本条件。对溶解氧质量浓度的测定在化学工业、临床 医学、工业处理、环境监测、生态以及食品卫生等领域都具有重大意义。特别在 水质监测和水处理中，溶解氧含量是评价水体、水质和水体自净能力的一项重要 控制指标。对溶解氧的检测，常用的主要有碘量法、电流测定法、荧光猝灭法及 电导测定法1 4 j 。 其中，碘量法是一种传统的溶解氧测量方法，测量准确度高且准确性好，但 该法是一种纯化学检测方法，耗时长，程序繁琐，无法满足在线测量的要求；电 流测定法的测量速度比碘量法要快，操作简便，干扰少，而且能够现场自动连续 检测；荧光猝灭法的测定是基于氧分子对荧光物质的猝灭效应原理，根据试样溶 液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量，进而计算出溶解氧的 浓度，这种方法具有很好的光化学稳定性、重现性，无延迟，精度高，寿命长， 可对水中溶解氧进行实时在线检测：电导测定法是用导电的金属铊或其他化合物 与水中溶解氧( d o ) 反应生成能导电的铊离子，通过测定水样中电导率的增量， 求得溶解氧( d o ) 的浓度，此方法是测定溶解氧( d o ) 最灵敏的方法之一，可 连续检测。 我国目前对水质检验的常规程序是取样后拿到实验室检验分析，中间的工作 环节复杂，导致检测时间长，不能及时得到水质情况。国内一些单位和研究机构 已经开发研制出一些小型溶解氧检测仪，一般都基于电流测定法。国内对荧光溶 解氧传感器也有一些研究，技术已经达到国外平均水平，但研究实现商品化的较 少。国外一般采用新型的基于荧光淬灭效应的溶解氧测量仪。总的来说，目前市 场上大多数商品化溶解氧测量仪都是基于c l a r k 溶氧电极( 电流测定法) 的，基 于荧光淬灭法的光纤溶解氧传感器较少。 国内外的污水处理工艺中基本都是采用基于电流测定法的小型溶解氧检测 仪，由于这些溶氧仪常在污水中浸泡，其电极表面极易形成一层生物氧化膜，产 生“钝化1 5 j ，每隔一段时间就需要活化，透氧膜也要经常更换，因此，研究开 发出具有较高抗干扰能力，成本低、防腐蚀性能强并且电路工作稳定的溶解氧含 量检测系统将具有重要的实际应用价值和商品化价值。 一2 一 第1 章绪论 再者，我国环境监测、监控技术在环境领域的应用等方面的研究与发达国家 相比还存在显著差距。目前国内在水质检测系统上还没有自己开发的完整的设 备，大多数采用国外的设备和技术，如e c o t e c h 公司的w q m s ( 水质监测系 统) ，美国s i g m a 9 0 0 系列水质采样器等等，但是国外的水质检测设备和系统大 多数价格高，体积大，有的不完全符合中国的环境条件。据海关统计，2 0 0 0 年我 国进口各类仪器仪表总额7 0 亿美元，接近我国仪器仪表工业总产值的5 0 。全 国每年用于仪器仪表进口的费用大大超过用于购买国产仪器的费用，价格昂贵、 采购周期长以及各种配件难以获得等原因，严重地约束了我国科学技术的发展。 因此，我国急需研究开发自行生产的环境水质自动监测仪器。 1 2 2 溶解氧在线检测在污水处理中的现实意义 活性污泥法是目前国内外用来提高水质的一种既经济又简便的污水处理技 术，准确地控制生化反应池中溶解氧( d o ) 是获得较好处理效果及经济效益的前 提。 活性污泥法处理过程基本流程( 如图1 1 ) ：废水经过格栅，沉砂池的预处理 后，进入曝气池与活性污泥混合，并在池内充分曝气。曝气的作用有两个，一方 面使活性污泥处于悬浮状态，污水与活性污泥充分接触；另一方面，通过曝气， 向活性污泥供氧，保证微生物正常生长与繁殖对氧气的需求废水中的有机物在曝 气池内被活性污泥吸附，吸收和氧化分解后，混合液进入二次沉淀池，进行固液 分离，净化的废水排出。二沉池的沉淀污泥回流入曝气池入口，与进入曝气池的 废水混合，污泥回流的目的是使曝气池内保持足够数量的活性污泥。污泥回流后， 净增值的细胞物质将作为剩余污泥排入污泥处理系统睁引。 图卜l 活性污泥法污水处理过程工艺流程 f i g 1 lt h et e c h n i c a lf l o wo f a c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n l 通过曝气维持混合液一个好氧环境是其中一个非常重要的环节，在曝气区内 一般溶解氧控制在2 m # l 4 m g l ( 曝气区上、中、下层溶解氧一般误差不大于 o 5 m g l ) 。溶解氧过高或过低都会影响微生物的代谢、降低水处理效果。 一3 一 北京t 业大学t 学硕十学位论文 溶解氧过高( 大于4 m g l ) 会加速消耗污水中的有机物质，使微生物因缺乏营 养而引起活性污泥的老化，丝状菌的大量繁殖。长期过高的溶解氧会降低活性污 泥的絮凝性能和吸附能力。活性污泥是由细菌、藻类和微型动物加上他们吸附的 杂质和颗粒状的物质所组成的絮状物，过高的溶解氧使絮状物解体，使吸附的有 机物重新回到污水中，在运转期出现污泥体积急剧下降，甚至会出现出水有机物 的浓度高于进水有机物浓度的反常现象。 溶解氧过低( 小于1 5m g l ) 会使微生物的生命活动受到抑制，导致微生物的 衰亡解体，变质从而影响微生物的呼吸作用和活性污泥的净化能力，出现污泥 上浮、腐化、直至膨胀。 并且鼓风曝气环节能耗最大，从一些国内的污水处理厂耗电量来看，曝气环 节占据了总耗电量的5 0 左右，而溶解氧的量是控制曝气的一个重要参数，所以 精确测定溶解氧的含量对于降低污水处理费用，提高污水处理质量具有非常重要 的意义。 1 3 机器视觉技术用于溶解氧在线检测的研究现状 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机 器视觉产品( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将被摄取目标转换成图 像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转 变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而 根据判别的结果来控制现场的设备动作【9 - 1 0 1 。 机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人 工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代 人工视觉；【l l 】同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低 且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。 而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易 于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们 将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。 1 3 1 机器视觉检测在国内外的应用现状 机器视觉检测系统采用c c d 照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送 给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号， 图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、 一4 一 第1 章绪论 长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度、个数、合格 不合格、有无等，实现自动识别功能。 在国外，机器视觉质量检测应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大 概4 0 0 o - 5 0 都集中在半导体行业。具体如p c b 印刷电路：各类生产印刷电路板 组装技术、设备；单、双面、多层线路板，覆铜板及所需的材料及辅料；辅助设 施以及耗材、油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝 网周边材料等。s m t 表面贴装：s m t 工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修 设备及各种辅助工具及配件、s m t 材料、贴片剂、胶粘剂、焊剂、焊料及防氧 化油、焊膏、清洗剂等；再流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备。电子生产加 工设备：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电 子工模具。除此之外，机器视觉还用于其他各个领域。 而在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普 及不够，导致以上各行业的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面的应用。 目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图像 和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大专院校、 研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试， 逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。 这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测等。真正高端的应用还很少， 因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然、其他领域如指纹检测等等领域 也有着很好的发展空间【l l 以5 1 。 1 3 2 机器视觉用于溶解氧检测的可行性 在工业生产过程中，存在大量重要的参数对生产过程的性能( 如产品的质量、 废料排放的毒性等) 具有关键性的影响，但缺少可行的在线检测手段。例如，大 量的成分分析仪表由于价高和维护技术跟不上，而使得成分的检测几乎成为实际 工业生产过程检测的空白点；在炼油化工过程中的各馏分的切割也因对有关产品 的干点或倾点不能直接检测而使产品的质量或产量下降。在造纸工业过程中对纸 浆的有关品质指标，例如，打浆度、湿重等指标缺少有效的检测仪表而只能用人 工的检测和分析来代替。废水处理过程中对c o d ( 化学需氧量) 和b o d ( 生物需氧 量) 的测量也是如此。通常，检测这些变量的仪表价格较贵或者仪表的维护量较 大，因此，在工业生产过程中，常采用定期地进行人工检测和分析来得到。有时， 也可能因为自动检测仪表价格较贵而未采用。 但随着计算机技术的发展，使得采用软测量技术进行一些工业生产过程参数 的测量成为可锹1 睨叭。软测量技术是依据工业生产过程中有关的过程变量间的关 一5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 联，通过一些能够检测的过程变量和相应的数学模型，来估计过程中用仪表较难 检测的另一个变量的技术。目前，已有课题针对废水处理过程中c o d 或b o d 的 测量，开发出相应软测量技术，主要通过对二次参数的测量，在经过一定的数学 模型运算后，配以数字滤波技术来保证测量的可靠性，由此得到c o d 或b o d 的 估计值，指导相应生产过程。 在此技术基础上，本课题采用机器视觉检测技术进行污水中溶解氧的检测主 要是基于以下事实： ( 1 ) 正常运行的活性污泥一般呈黄褐色。在曝气池溶解氧不足时，厌氧微生 物会相应滋生，含硫有机物在厌氧时分解释放出月z 6 ，污泥发黑、发臭，污水颜 色变黑，当曝气池溶解氧过高或进水过淡、负荷过低时，污泥中微生物可因缺乏 营养而自身氧化，污泥色泽转淡，污水颜色同时变淡，所以就可以从颜色角度入 手进行分析从而确定系统运行情况是否良好； ( 2 ) 在污泥负荷适当、运行正常时，曝气池中的污泥絮体呈悬浮状态，且分 布均匀，此时，曝气池表面泡沫的分散也较为均匀，较轻，一吹即散，泡沫外观 呈新鲜的乳白色；一旦曝气池运行异常时，会使得污泥絮体分布状态发生变化， 从而影响到污水表面气泡的形态，这时会发生气泡变大或结群。 由以上事实可知，随着溶解氧从不足到过量的变化，污水颜色也由发黑变为 了正常的黄褐色，最后颜色变淡。 本课题立足于污水处理现场操作经验，以水体数字化图像作为研究对象，从 颜色角度去分析，找出水体颜色与溶解氧的数学关系模型，并结合气泡的形态分 析，由此实现基于机器视觉技术的污水处理中溶解氧的在线检测。 1 4 研究内容与论文安排 本课题以活性污泥法污水处理过程中溶解氧含量的检测为研究内容，以具体 污水处理现场为实验对象，为解决现有溶解氧含量检测方法现场应用不便这一弊 端，拟开发出一种基于机器视觉技术的污水处理过程中溶解氧含量测量的新方 法，即通过对反应池水体图像的数字化处理、分析，达到实时检测水中溶解氧含 量的目的，进而组成性能强、工作可靠、成本低廉的污水处理溶解氧含量在线检 测系统。 全文分为四个章节，各章节的内容安排如下： 第1 章绪论。首先介绍课题背景和研究意义，接着简单地介绍污水处理中 溶解氧在线检测的技术现状，然后分析了机器视觉技术用于污水处理中溶解氧在 线检测的技术可行性，最后介绍本文的研究内容及论文安排。 第2 章基于机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计。首先介绍溶解氧检测 一6 一 第1 苹绪论 系统的设计思想，详细描述了系统的设计方案，进而提供了原始实验数据，并指 出了系统将实现的检测功能。 第3 章水体图像处理及其m a t l a b 实现。首先介绍数字图像处理的基本流程 和相关术语，接着详细描述了水体图像预处理、图像分割和颜色特征提取的 m a t l a b 实现过程，并分析了水体图像的r g b 颜色特征量和h s i 特征与溶解氧之 间的关系，最后对光照和温度条件对基于机器视觉技术的溶解氧检测的影响作了 探讨和分析。 第4 章溶解氧人工神经网络检测和识别模型及算法。首先简单地介绍了人 工神经网络技术知识，然后详细地介绍了水体图像颜色特征经人工神经网络训练 并进行在线预测的实现过程。 结论和展望，是本文的结束语，对全文作了总结，并对基于机器视觉技术的 溶解氧在线检测系统在污水处理过程中的进一步应用作了展望。 7 一 北京工业大学t 学硕士学位论文 第2 章机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计 基于机器视觉技术的溶解氧检测系统是利用计算机视觉和人工神经网络技 术建立的一个智能检测系统，在不需人的干预或只需很少干预情况下，通过对数 码相机采集的水体图像进行分析来实现对污水处理过程中的溶解氧检测。 2 1 设计思想 本文要利用机器视觉技术实现污水处理中溶解氧的在线检测，首先需要采集 到污水处理中曝气池中的水体图像，因此该系统必须包括图像采集部分。采集到 的图像，要利用数字图像处理技术进行图像处理，这就必须包括软件编程部分， 实现数字图像处理、提取相关图像特征。提取到的图像特征，要用于对水体溶解 氧参数的判定，并将结果输出利用，这就是本系统的决策输出部分。所以本系统 将由图像采集、图像处理以及判决输出三部分构成。 2 2 设计方案 该溶解氧检测系统主要包括水体图像采集、图像预处理、颜色特征提取和判 决输出这几个过程如图2 1 所示，具体硬件拟由以下几方面组成： 图2 1 溶解氧检测系统工作流程 f i g 2 一lt h et e c h n i c a lf l o wo f t h ed i s s o l v e do x y g e ni n s p e c t i o n ( 1 ) 图像采集设备：该部分主要由数码相机来完成，主要完成曝气池水体的 图像采集及数字化过程。 ( 2 ) 图像处理设备：该部分是图像处理系统的核心。这部分既可以大到分布 式计算机组，也可以小到一台个人电脑，甚至一片d s p 芯片。除了硬件外，更重 要的是它里面的用于图像处理的软件，其规模可以是一套图像处理系统软件，也 可以是一段图像处理指令。在本系统中主要由一台装有m a t l a b 软件的p c 机来实现 其功能。 ( 3 ) 判决输出设备：这部分主要完成图像处理结果的判定及处理结果的输出 等功能，可由能够运行智能算法的p c 机来实现。 一8 一 第2 章机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计 2 2 1 设计框图 本系统是基于机器视觉技术来实现溶解氧的在线检测，其中完整的机器视觉 检测系统如图2 2 所示： 图2 - 2 机器视觉检测系统结构框图 f i g 2 - 2t h es 仃u c l 【u 托d i a g r a mo fm a c h i n ev i s i o ns y s t e m 在上述机器视觉检测系统中对输入的图像，可通过指令或程序对图像中的像 素进行处理，从而得到希望的结果。同样，对本文溶解氧检测系统的设计也是如 此，要对数字化处理后的水体图像中的像素进行处理，得到水体图像的各个信息 ( 即像素集合) ，然后对该像素集合中的信息( 特征值) 进行分析处理，从而进行判 别，其系统结构框图如图2 3 所示： 图2 3 溶解氧检测系统结构框图 f i g ，2 - 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ed i s s o l v e do x y g e ni n s p e c t i o n 本课题在具体实现过程中，首先在污水处理现场进行了原始数据的采集；接 着，通过对原始图像的数字化处理，提取了水体图像的特征信息；然后，又针对 水体图像特征信息，1 运用人工神经网络技术，进行了数字化模型的算法训练，由 此构建了该溶解氧检测系统的判决输出模块。其中，原始图像采集是通过带有串 口输出的数码相机进行的，图像的预处理及特征提取和判决输出模块的构建利用 m a t l a b 软件实现。由上所述，本系统的工作流程可如图2 _ 4 所示： 一9 一 北京t 业大学下学硕十学位论文 图2 - 4 溶解氧检测系统工作流程 f i g 2 - 4t h ew o r kf l o wo ft h ed i s s o l v e do x y g e ni n s p e c t i o n 本系统具体运行过程如下： ( 1 ) 由计算机控制数码相机，拍摄曝气池中的水体图像； ( 2 ) 利用串1 ：3 通信将拍摄到的水体图像通过图像采集装置，传输存储到计算 机里； ( 3 ) 对待处理图像进行数字化处理，提取相关特征； ( 4 ) 依据水体图像特征由溶解氧预测运算模型判决输出检测结果。 检测系统如此反复，循环进行，从而实现基于机器视觉技术的污水处理溶解 氧的在线检测。 2 2 2 原始数据采集对象介绍 本课题在唐山市西郊污水处理厂进行数据采集。唐山市西郊污水处理厂位于 西电路西侧，占地1 1 6 7 公顷，总投资2 4 4 亿元，建设规模为日处理污水1 2 万吨， 主要担负着市区西部建成区工商业、居民生活污水及工矿企业工业废水的处理任 务，服务面积达2 2 平方公里，约3 9 5 6 万人从中受益。 ( 1 ) 工艺：采用a 2 o 生物脱氮除磷工艺，分为两个系列，其中一个系列采 用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前设缺氧段其目的是改善污 泥性质，防止污泥膨胀。另一个系列采用缺氧好氧脱氮活性污泥法工艺，即在曝 气池进口段设置脱氮池。 ( 2 ) 系统组成及工作原理：系统主要由曝气池、二沉沉淀沤、曝气系统以及 一1 0 第2 章机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计 污泥回流系统等组成。污水经初次沉淀池后与二次沉淀池回流污泥于曝气池混合 后呈推流式从池首向池尾流动，曝气池分为8 个廊道，活性污泥微生物在此过程 中连续完成吸附和代谢过程。曝气池混合液在二沉池去除活性污泥悬浮固体后， 澄清液作为净化水流出。沉淀的污泥一部分以回流形式返回曝气池，再起净化作 用：另一部分作为剩余污泥排出。 ( 3 ) 曝气供氧方式：曝气池用到的主要设备为s s r - 1 0 0 罗茨鼓风机及一些曝 气头，曝气器类型为微孔管式曝气器。 2 2 3 原始数据采集所需硬件 ( 1 ) 图像采集设备 本系统首先要采集曝气池中的水体图像。在图像处理中，图像的分辨率越高， 图像越清晰，处理的精度就越高。如果利用图像采集卡，采用的是p a l 制，分 辨率一般较低，而分辨率高的采集卡，价格也不菲。从实用性和高精度方面考虑， 本系统选用数码相机来采集图像，相机为尼康l 3 。 图像采集中，由于尼康l 3 支持的图像格式为j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t g r o u p ) 文件格式，因此本文处理的图像是以j p e g 文件格式存放的。具体编程中， 本系统基于i n t e l 的j p e g 库，把j p e g 文件格式转换成b m p 的位图格式，即把 y c b c r 转换成r g b 格式，将像素数据存放在数组里，以便进行后续的数字图像 处理。 ， 尼康l 3 数码相机的参数如下： 相机名称：n i k o nc o o l p i xl 3传感器类型：c c d 光学变焦倍数：3 倍数码变焦倍数：4 倍 传感器尺寸：1 2 5 英寸有效像素：5 1 0 万 最高分辨率：2 5 9 2 * 1 9 4 4快门速度：4 1 1 5 0 0 秒 白平衡：自动日光阴天白炽灯荧光灯荧光灯h 自定义 ( 2 ) 溶解氧测量设备 为了后续对每张数码相片所对应的d o 值进行分析，就需要进行实时d o 测 量，在此，使用污水处理厂现场的d o 仪进行了实时d o 值的记录如图2 5 所示， d o 仪参数如下： 名称：6 3 0 9 d t f 工业在线溶氧仪 可同时显示d o 、温度、警报讯号和隔离电流输出值于一个液晶显示器上， 使用的溶氧探棒是极谱式探棒，可以接热敏电阻型的温度探棒来做补偿与测温 度，使用者亦可手动输入压力补偿和盐度补偿以获得较精确的测量 量程：0 0 0 - - 6 0 0 0 p p m ( m g l )精度：精度：0 0 5 p p m ( m g l ) ：耋三兰主：三：2 ：三兰： 工作温度：1 0o 1 2 0 c工作原理：极谱式传感器 响应时问：3 0 s 图2 - 5 原始数据采囊设备厦现场 f i 9 2 5 t h ee q u i p m e n t a n ds p o t o f o r i g i n a ld a t u mc o l l e c t i o n 2 2 4 原始数据采集方法 获取大量的高精度的污水处理系统中的水体图像是所有后续研究的基础t 而 在污水现场，面对偌大的曝气池，到底应该采集哪一个区域的数据，应该采集多 少数据，应该间隔多少时间来采集一组数据，以及溶解氧传感器的响应时间等等 这些因素都应该考虑到，在此，设计了如下图像采集方案； ( 1 ) 图像采集区域的确定 为了保证所采集的图像和溶解氧仪所显示的值尽可能保证对应的关系。在此 我们所采集的图像区域为每个廊道中溶解氧检测仪的周围，这样就可以保证所采 集的图像数据和当时d o 仪上d o 的值有对应的关系 ( 2 ) 采集方法的确定 在此，我们采用了高清晰度数码相机来进行数据的连续采集，这可以保证所 采集图像的清晰度。考虑到溶解氧仪所显示数据的滞后性，经资料查询知t 该溶 解氧传感器的响应时问为3 0 8 ，故在此，我们每隔3 0 秒采集一幅图像，并记录 当时d o 仪上所显示的数据。这样我们就可以人为的将图像与数据对应起来。 ( 3 ) 采集条件 为了尽量减少光照条件对于照片的影响，我们尽量的保证采集图像时光照条 件基本稳定，所以我们每采集一组照片的时间定为2 5 分钟左右，每组采集了5 0 张。并且为了对比不同条件下的d o 值和图像之间的关系，我们采集了6 个廊道 的数据进行对比研究。 第2 章机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计 2 25 原始数据及其说明 原始图像数据库数量庞大，在此无法一一全部列出，并且在同一地点所采的 图像相似度非常高在此仅给出了能代表不同d o 值下图像特点的部分图像数 据，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 部分原始数据 t a b l e 2 - lp a r i s o f t h e o r i g i n a 】d a t u mc o l l e c t i o n 图像序号j p e g 图像 d o 值( m g l ) e x i f 参数位置 0 4 5型号：c o o l p i x l 3 曝光时间；1 1 1 3 7 s 廊道i 光圈值；们2 i s o 速率：s o 型号c o o l p i xl 3 曝光时间0 0 0 4 8 0 5 3 8 $ 廊遵1 l 光圈值：f 32 i s 0 速率；5 0 型号 c o o l p i x l 3 曝光时问；00 0 5 9 3 4 7 2s 廊道2 光圈值：1 7 32 i s o 速率：5 0 型号c o o l p i x l 3 曝光时间：i 2 4 0s 廊道2 光圈值：1 7 32 型q ：c o o l p i x l 3 曝光目问00 0 4 9 1 6 4 2s 廊道3 光圈值：1 7 32 i s 0 速率：5 0 型号c o o l p i x1 3 曝光时间z0 0 0 4 8 0 5 3 8s 廊道3 啊一 光圈值f 32 i s o 建单5 0 ：量：；些銮：譬：竺鎏三 续表2 蛹幽 型号：c o o l p i x l 3廊道4 一- 啊 _ l _ 目硼 曝光时间0 0 0 6 9 6 6 4s h 光圈值f 32 i i s o 速率：5 0 2 1 0 型号：c o o l p i x l 3廊道4 瞄圜 曝光时阃：1 4 2s 光圈值；2 i l s o 速率：5 0 _一型号：c o o l p i x u廊道5 - 骣光时间：l ，1 9 0s i 光圈值：们2 l s o 遵率：，0 2 曲型号tc o o l f i x l 3廊道5 墨翻 曝光时闻；1 1 7 0s _ 光圈值：以2 一- _ i s o 速率：5 0 35 0 型号：c o o l p i ) cl 3廊道6 曝光时间：0 0 0 5 2 1 3 7 65 l 光圈值：2 _ b 0 速率：s 0 3 6 0型号tc o o l p i xl 3廊道6 光时间t00 0 4 p a 0 2 75 1 2 _ _ 一 光圈值；2 i s o 速率：5 0 2 3 系统实现的功能 本系统主要通过对污水处理厂曝气池水体图像的智能分析来实现溶解氧的 在线检测目的，具体包括获取曝气池中的水体图像，处理水体图像，提取颜色特 征，判别输出溶解氧浓度状态等工作。 本文着重研究了机器视觉技术在污水处理厂曝气池溶解氧含量检测系统中 的应用。提出了基于机器视觉检测系统的工作思路；综合利用图像处理、图像分 析技术，实现了包括数字图像的预处理、图像分割以及颜色特征提取等工作的 第2 章机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计 m a t l a b 改进算法；为构建溶解氧判别输出模块，引入人工神经网络技术，开发出 适应该系统的神经网络预测算法，实现了对水体图像的智能判别，达到了溶解氧 含量判别输出的目的。 2 4 本章小结 本章首先介绍了基于机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计思想，接着详细 地分析了基于机器视觉技术的溶解氧检测系统的设计方案，包括设计框图、工作 流程、原始数据采集等，