一种基于数字孪生的污水处理数据采集方法及系统

本发明涉及环境领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的污水处理数据采集方法及系统。

背景技术：

1、污水中含有各种有害物质，包括有机污染物、氮、磷、重金属等。如果未经处理，这些物质将被排放到自然水体中，污染水质、危害水生生物，并可能对人类健康构成威胁。污水处理是将废水中的污染物去除或减少，以使水变得更加安全、清洁。常用的污水处理方法包括物理方法、化学方法和微生物方法，其中物理方法主要是沉淀、过滤等，化学方法是使用氧化剂净化水质，而微生物方法是借助微生物的分解能力，降解水质的杂质。为了能够彻底的对污水进行处理，通常是几种方式结合。

2、在实际的污水处理厂，由于对大量的污水进行处理，会涉及到很多设备，而且需要对温度、流量、ph值、爆氧量等进行控制，是一个复杂的过程。数字孪生是一种数字化的、虚拟的、现实世界的实体或系统的精确复制，通常以计算机模型或仿真的形式存在。它不仅包括实体或系统的几何形状，还包括其行为、性能和交互。对污水处理过程建立数字孪生不仅可以实时监测各个设备以及参数的情况，而且能够实现决策等，但是数据采集过程中容易受到周围电磁干扰或者其他因素影响导致异常断开，如何在污水处理过程中进行数据采集是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于数字孪生的污水处理数据采集方法，所述方法包括以下步骤：

2、构建污水处理厂数字孪生的3d模型；

3、根据数据来源的设备将采集的数据分为控制器数据和传感器数据；对于每个控制器设置至少一个约束条件，获取约束条件中的参数，并采用mqtt订阅的方式自动订阅数据，根据数据的内容动态调整数据发布方mqtt的qos级别，当数据发布方异常断开时，在mqtt服务器端获取与qos级别对应的遗嘱消息并推送给对应的订阅方；

4、在订阅方对于订阅方订阅的每个主题设置一个队列，将mqtt服务器推送的消息放入到对应的队列中，并当接收到遗嘱消息时，将对应的队列的长度变为1且其中的元素替换为遗嘱消息；

5、判断控制器对应的队列中是否存在遗嘱消息，如果不存在，则每隔预设时间计算是否满足控制器对应的所有约束条件，如果不满足则在3d模型中的控制器上显示不满足的约束条件；如果存在，则计算是否满足控制器对应的其他所有约束条件，如果不满足则在3d模型中的控制器上显示遗嘱消息和不满足的约束条件，并在3d模型中显示遗嘱消息对应的数据发布方。

6、优选地，所述根据数据的内容动态调整数据发布方mqtt的qos级别，具体为：

7、对于数据发布方的每个主题设置一个区间，如果采集的数据位于所述区间内，则将qos级别设置为0，否则，将qos级别设置为1；或者，

8、对于数据发布方的每个主题设置一个区间，如果采集的数据位于所述区间内且数据发布方属于特定类型，则将qos级别设置为0，否则，将qos级别设置为1。

9、优选地，所述在mqtt服务器端获取与qos级别对应的遗嘱消息并推送给对应的订阅方，具体为：

10、获取数据发布方异常断开前最后一次向mqtt服务器发送数据的qos，根据所述qos的级别调整遗嘱消息的qos级别；

11、基于与所述数据发布方的位置或者网络相关的其他数据发布方，计算得到网络质量，根据所述网络质量调整遗嘱消息中的遗嘱延迟间隔；

12、将调整后的遗嘱消息推送给对应的订阅方。

13、优选地，所述判断控制器对应的队列中是否存在遗嘱消息，具体为：

14、获取控制器订阅的主题，根据订阅的主题对应的队列确定是否存在遗嘱消息，如果存在遗嘱消息，则确定所述控制器对应的队列中存在遗嘱消息；

15、否则，从mqtt服务器中获取订阅了遗嘱消息所在主题的订阅方，如果所述控制器中的订阅方和订阅了遗嘱消息所在主题的订阅方存在相交部分，则确定所述控制器对应的队列中存在遗嘱消息，并进一步判断遗嘱消息中will retain是否为真，如果不为真，则将will retain设置为真。

16、优选地，当发送遗嘱消息的数据发送方恢复正常后，每个订阅方订阅的所述遗嘱消息对应的主题的队列恢复到正常默认大小，且将队列中的遗嘱消息清空。

17、优选地，所述控制器为电机和/或电磁阀控制器；所述传感器为ph传感器、温度传感器、流量传感器、氨氮传感器、cod传感器、液位传感器中的至少一个。

18、优选地，所述其他所有约束条件是指约束条件对应的参数都是非遗嘱消息的约束条件。

19、此外，本发明还提供了一种基于数字孪生的污水处理数据采集系统，所述系统包括以下模块：

20、数字孪生构建模块，用于构建污水处理厂数字孪生的3d模型；

21、数据采集模块，用于根据数据来源的设备将采集的数据分为控制器数据和传感器数据；对于每个控制器设置至少一个约束条件，获取约束条件中的参数，并采用mqtt订阅的方式自动订阅数据，根据数据的内容动态调整数据发布方mqtt的qos级别，当数据发布方异常断开时，在mqtt服务器端获取与qos级别对应的遗嘱消息并推送给对应的订阅方；

22、数据接收模块，用于在订阅方对于订阅方订阅的每个主题设置一个队列，将mqtt服务器推送的消息放入到对应的队列中，并当接收到遗嘱消息时，将对应的队列的长度变为1且其中的元素替换为遗嘱消息；

23、异常提醒模块，用于判断控制器对应的队列中是否存在遗嘱消息，如果不存在，则每隔预设时间计算是否满足控制器对应的所有约束条件，如果不满足则在3d模型中的控制器上显示不满足的约束条件；如果存在，则计算是否满足控制器对应的其他所有约束条件，如果不满足则在3d模型中的控制器上显示遗嘱消息和不满足的约束条件，并在3d模型中显示遗嘱消息对应的数据发布方。

24、优选地，所述根据数据的内容动态调整数据发布方mqtt的qos级别，具体为：

25、对于数据发布方的每个主题设置一个区间，如果采集的数据位于所述区间内，则将qos级别设置为0，否则，将qos级别设置为1；或者，

26、对于数据发布方的每个主题设置一个区间，如果采集的数据位于所述区间内且数据发布方属于特定类型，则将qos级别设置为0，否则，将qos级别设置为1。

27、优选地，所述在mqtt服务器端获取与qos级别对应的遗嘱消息并推送给对应的订阅方，具体为：

28、获取数据发布方异常断开前最后一次向mqtt服务器发送数据的qos，根据所述qos的级别调整遗嘱消息的qos级别；

29、基于与所述数据发布方的位置或者网络相关的其他数据发布方，计算得到网络质量，根据所述网络质量调整遗嘱消息中的遗嘱延迟间隔；

30、将调整后的遗嘱消息推送给对应的订阅方。

31、优选地，所述判断控制器对应的队列中是否存在遗嘱消息，具体为：

32、获取控制器订阅的主题，根据订阅的主题对应的队列确定是否存在遗嘱消息，如果存在遗嘱消息，则确定所述控制器对应的队列中存在遗嘱消息；

33、否则，从mqtt服务器中获取订阅了遗嘱消息所在主题的订阅方，如果所述控制器中的订阅方和订阅了遗嘱消息所在主题的订阅方存在相交部分，则确定所述控制器对应的队列中存在遗嘱消息，并进一步判断遗嘱消息中will retain是否为真，如果不为真，则将will retain设置为真。

34、优选地，当发送遗嘱消息的数据发送方恢复正常后，每个订阅方订阅的所述遗嘱消息对应的主题的队列恢复到正常默认大小，且将队列中的遗嘱消息清空。

35、优选地，所述控制器为电机和/或电磁阀控制器；所述传感器为ph传感器、温度传感器、流量传感器、氨氮传感器、cod传感器、液位传感器中的至少一个。

36、优选地，所述其他所有约束条件是指约束条件对应的参数都是非遗嘱消息的约束条件。

37、最后，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，实现如上述所述的方法。

38、本发明根据数据的来源将污水处理过程中数据分为控制器数据和传感器数据，其中控制器为电机和/或电磁阀控制器，控制器可以对污水处理过程进行控制，而传感器数据只能进行监测，无法控制，基于此，本发明根据采集的传感器数据和/或控制器数据对控制器进行约束。此外，本发明还提高了数据采集系统的稳定性，具体地，在数据发布方异常断开时，在mqtt服务器端获取与qos级别对应的遗嘱消息并推送给对应的订阅方，当接收到遗嘱消息时，将对应的队列的长度变为1且其中的元素替换为遗嘱消息，并根据遗嘱消息和约束条件在3d模型中显示不同内容。