【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及污水处理和管道维护，尤其涉及一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统。
技术介绍
1、污水管道中的生物膜是一种由细菌和其他微生物形成的复杂结构，这些微生物通过分泌胞外聚合物(eps)附着在管道表面。eps像是一种天然胶水，不仅帮助微生物粘附于管道表面，还形成一个保护性的基质，让更多的微生物能够聚集并形成一个多层次的生物膜。随着时间的推移，这些生物膜在污水中不断累积和发展，变得越来越厚重，从而对管道系统的运行效率和安全带来多重影响。
2、随着生物膜厚度的增加，管道内部的有效流动空间减小，这不仅降低了污水流动的速度，还可能在没有及时清理的情况下导致严重的堵塞。生物膜中的微生物活动会产生各种有机酸和腐蚀性物质，这些物质能够加速管道材料的腐蚀过程，特别是对铁质或者非耐腐蚀材料的管道影响尤为明显。长期的腐蚀会削弱管道的结构完整性，增加发生破裂或泄漏的风险。
3、生物膜可以吸收和消耗大量的氧气和其他营养物质，这些本应用于污水处理过程中有机物分解的资源被生物膜中的微生物消耗，从而减缓了污水处理过程中的生物降解速度，延长了处理时间，增加了处理成本。此外，由于生物膜可以作为一种保护层，使得管道内的微生物对抗生素和其他化学消毒剂具有较高的抵抗力，这不仅使得处理过程更加复杂，也可能导致更多的抗生素耐药性细菌在环境中传播。
4、生物膜在污水管道系统中的形成是一个复杂的现象，它涉及到多种微生物的交互作用和环境因素的影响。通过采取多方面的控制和管理措施，结合最新的科技和研究成果，可以有效地解决生物膜
5、在污水处理系统中，管道内壁生物膜的累积生长可能导致结构病害，如硫酸盐腐蚀，从而降低管道的使用寿命并增加维护成本。现有技术中的监测方法通常无法提供实时和准确的生物膜生长数据，且难以在管道运行中实施。
6、为了解决上述问题，本专利技术提出一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统以解决
技术介绍
中所提出的问题：
2、现有技术中的监测方法通常无法提供实时和准确的生物膜生长数据，且难以在管道运行中实施。
3、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
4、一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，包括：检测试片、传感器单元、数据处理单元和数字化评价单元；
5、所述检测试片包括分布式布里渊光纤传感贴片和管道内壁检测试片，所述分布式布里渊光纤传感贴片用于现场感应管壁生物膜及管道沉积物；所述管道内壁检测试片用于采集、分析管道内壁生物膜和沉积物；
6、所述传感器单元包括用于检测产甲烷菌和硫酸盐还原菌的生物传感器；所述生物传感器装配在所述检测试片上；
7、所述数据处理单元用于收集和分析传感器数据，并分析管道内壁检测试片特定生物总量和分布式布里渊光纤传感贴片在数值上的关联性；
8、所述数字化评价单元用于根据分析结果构建数字化、规模化评价排水管网cod损耗和硫酸盐腐蚀的热点分布区位图。
9、优选地，所述分布式布里渊光纤传感贴片通过在设计织物中嵌入光纤，利用布里渊光学时域来测量排水管道内/外壁长期受到生物膜和沉积物积累后的应变响应；所述管道内壁检测试片环周均匀贴挂于排水管道内壁处，通过试片测取污水管道不同截面不同方位的生物膜。
10、优选地，所述传感器单元将检测获得的数据通过无线传输方式发送至数据处理单元。
11、优选地，所述数据处理单元基于所述检测试片和传感器单元采集的生物量变化数据进行生物降解初步评估，并搭建管壁病害发展风险评估模型，具体如下：
12、对生物量变化数据进行数据清洗和数据标准化处理，基于改进蜘蛛猴优化的cnn网络提取生物量变化数据特征，并输入至多头注意力机制中，基于多头注意力策略，使用l次注意力机制后，将各检测节点的生物量结果进行合并：
13、
14、其中，yij为第i个检测节点的第j项生物量的聚合表示；∏表示连接符；δ表示注意力权重；ωijk表示第i个检测节点的第j项生物量的第k个数据特征的注意力权重；xijk表示第j项生物量的第k个数据特征；
15、
16、其中，ii为第i个检测节点的重要性；r为重要性参数；t表示矩阵的偏置；m为监测的生物量种类总数；b为第一偏置量；
17、hi＝softmax(w0yi+b0)
18、其中，hi为第i个检测节点的风险评估结果；w0为第一参数矩阵；yi为第i个检测节点的输出特征；b0为第二偏置量；
19、
20、其中，表示第i个检测节点的权重；
21、
22、其中，y为n个检测节点的输出特征；
23、g＝softmax(w1y+b1)
24、其中，g为n个检测节点的风险评估结果；w1为第二参数矩阵；b1为第三偏置量；
25、cnn网络参数以及上述权重值均基于改进蜘蛛猴算法寻优获得，所述改进蜘蛛猴算法对初始化种群进行混沌优化，具体如下：
26、ua,b+1＝λua,b(1-ua,b)
27、其中，ua,b+1、ua,b分别表示第a只蜘蛛猴在b维、b+1维的位置；λ为混沌参数；将蜘蛛猴个体经过混沌操作后的个体的适应度值与原来个体的适应度值进行对比，保留适应度值大的个体；
28、还对权重进行动态优化，具体如下：
29、
30、其中，wmax、wmin分别为权重最大值和最小值；t为当前迭代次数；τ为最大迭代次数。
31、优选地，所述数字化评价单元基于评价指标对数据处理单元不同的生物量分析结果进行评价，并对检测节点进行风险等级划分，并以此生成相应的风险分布区位图。
32、优选地，所述评价指标包括真阳性率、假阳性率、假阴性率和真阴性率。
33、与现有技术相比，本专利技术提供了一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，具备以下有益效果：
34、本专利技术通过光学传感器、电化学传感器检测生物膜的存在和特征，实现生物膜的原位非破坏性采样及监测分析，以生物膜作为生物指示器评估污水中污染物的生物降解过程和管道环境健康状态，并搭建生物分布区位图，以辅助监控和管理需要维护的区域，本专利技术系统可以实时准确地监测污水管道内壁生物膜的生长情况，并能够预测和预防管壁病害的发展，显著提高管道的维护效率和安全性，降低维护成本。
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1.一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，包括：检测试片(1)、传感器单元(2)、数据处理单元(3)和数字化评价单元(4)；
2.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述分布式布里渊光纤传感贴片通过在设计织物中嵌入光纤，利用布里渊光学时域来测量排水管道内/外壁长期受到生物膜和沉积物积累后的应变响应；所述管道内壁检测试片(1)环周均匀贴挂于排水管道内壁处，通过试片测取污水管道不同截面不同方位的生物膜。
3.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述传感器单元(2)将检测获得的数据通过无线传输方式发送至数据处理单元(3)。
4.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述数据处理单元(3)基于所述检测试片(1)和传感器单元(2)采集的生物量变化数据进行生物降解初步评估，并搭建管壁病害发展风险评估模型，具体如下：
5.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统
6.根据权利要求5所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述评价指标包括真阳性率、假阳性率、假阴性率和真阴性率。
...【技术特征摘要】
1.一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，包括：检测试片(1)、传感器单元(2)、数据处理单元(3)和数字化评价单元(4)；
2.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述分布式布里渊光纤传感贴片通过在设计织物中嵌入光纤，利用布里渊光学时域来测量排水管道内/外壁长期受到生物膜和沉积物积累后的应变响应；所述管道内壁检测试片(1)环周均匀贴挂于排水管道内壁处，通过试片测取污水管道不同截面不同方位的生物膜。
3.根据权利要求1所述的一种污水管道内壁生物膜生长监测及管壁病害预防系统，其特征在于，所述传感器单元(2)将检测获得的数据通过无线传输方式发送至数据处理单元(...
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