本申請要求2014年8月12日提交的標(biāo)題為“用于交叉流動膜系統(tǒng)的智能通量管理系統(tǒng)”的美國臨時申請序號62/036,344和2015年4月10日提交的標(biāo)題為“智能流體過濾管理系統(tǒng)”的美國臨時申請序號62/145,793的優(yōu)先權(quán)，各申請的內(nèi)容以引用方式特此并入。

背景技術(shù)：

在實踐中，過濾可寬泛地分為六個分離類別：固-氣、固-液、固-固、液-液、氣-液和氣-氣。過濾技術(shù)用來在廣泛的工藝應(yīng)用中分離污染物和增值材料，所述工藝應(yīng)用諸如汽車和航空航天燃料和空氣過濾、家庭和工業(yè)空氣過濾、食品和飲料濃縮和滅菌、藥物分子隔離和純化、醫(yī)療如腎臟透析和血液氧合、飲用水處理、工業(yè)工藝用水純化以及廢物處理和環(huán)境整治。例如，過濾是最重要和廣泛使用的水純化方法，因為它能夠通過尺寸排阻、優(yōu)先吸附和大規(guī)模擴散來完全地和連續(xù)地過濾雜質(zhì)(Howe and G.Tchobanoglous,Water Treatment:Principles and Design,John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,New Jersey,第2版,2005)。幾乎所有的市政和工業(yè)水和廢水處理設(shè)施、大多數(shù)地下水處理設(shè)施以及大型和小型脫鹽設(shè)施采用一些形式的過濾以去除有問題的物質(zhì)，諸如微生物、粘土、沉積物、油和其他有機和無機溶質(zhì)(Crittenden,J.,等(2012)Water Treatment:Principles and Design,MWH,Hoboken,NJ,USA)。

通常，流體過濾構(gòu)成了通過穿過分離介質(zhì)的相對速率從水中分離和除去目標(biāo)懸浮和溶解的固體。流體過濾系統(tǒng)最常見地包括以下處理技術(shù)：顆粒介質(zhì)過濾(例如，砂、無煙煤、石榴石、堅果殼、非織造織物和其他非反應(yīng)性廢生物質(zhì))、離子交換介質(zhì)過濾、吸附介質(zhì)過濾(例如，顆?；钚蕴炕騁AC、沸石、聚合物和有機粘土)、反應(yīng)介質(zhì)過濾(例如，綠砂和氧化過濾、生物砂過濾、生物GAC過濾)、低壓膜過濾(例如，微濾和超濾)，以及高壓膜過濾(例如，納濾和反滲透)。

大多數(shù)過濾工藝受去除材料在過濾介質(zhì)上或過濾介質(zhì)中的累積限制。例如，當(dāng)膜用來從水樣品中過濾雜質(zhì)時，隨著膜變得被無機顆粒、有機物質(zhì)和/或生物微生物堵塞或“結(jié)垢”，通量將隨時間逐漸減少。膜結(jié)垢通常導(dǎo)致嚴(yán)重的通量或通過量下降，影響工藝效率和所產(chǎn)生的水的質(zhì)量。事實上，由于對濾液質(zhì)量、維持目標(biāo)過濾通過量、能量效率和過濾器損壞的劇烈影響，過濾器堵塞及其減輕仍然是過濾技術(shù)的主要操作挑戰(zhàn)。

過濾器堵塞是在過濾期間發(fā)生的不可避免的現(xiàn)象，但是可在需要完全更換之前通過日常維護策略來減輕。具體地，通量維持技術(shù)可定義為通過去除過濾器上或內(nèi)的可逆污物和沉積物和/或抑制它們的未來沉積來執(zhí)行以恢復(fù)濾液通量的系統(tǒng)工藝。常見的維護策略包括各種形式的機械和化學(xué)清洗，諸如濾液反洗和原位化學(xué)清洗(例如，腐蝕劑、氧化劑/消毒劑、酸、螯合劑和表面活性劑)(Liu,C.,等(2006)Membrane Chemical Cleaning:From Art to Science,Pall Corporation,Port Washington,NY 11050,USA)。然而，每個維護響應(yīng)可通過增加系統(tǒng)停機時間、消耗商品化的濾液產(chǎn)物、消耗昂貴的清洗化學(xué)品和通過苛刻的清洗方法損壞過濾器來負面地影響工藝的效率。當(dāng)前，這些過濾器維護技術(shù)使用預(yù)定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)—頻率、強度和持續(xù)時間來實施—并且不能實時適應(yīng)給定過濾工藝內(nèi)的空間和時間變化。因此，需要用于操作基于過濾的工藝的適應(yīng)性工藝控制技術(shù)，以便優(yōu)化維護響應(yīng)并且使過濾器污染對操作能量需求和壽命循環(huán)性能的影響最小化。

相當(dāng)大的努力與響應(yīng)于過期過濾器的拆卸和更換相關(guān)，并且可產(chǎn)生顯著的系統(tǒng)停機時間和成本。過濾器模塊、過濾介質(zhì)、離子交換樹脂或顆粒活性炭的使用壽命基于用于給定處理目的的獨特環(huán)境條件和水質(zhì)是位置特異性的。因此，最大化工廠效率需要基于與給定應(yīng)用中的模塊的具體性能直接相關(guān)的信息來預(yù)測所述模塊的使用壽命。在本公開中解決了這些和其他缺點。

發(fā)明概要

應(yīng)理解，如所要求的，以下概述和以下具體實施方式都僅僅是示例性和說明性的而不是限制性的。提供了用于智能流體過濾管理的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)可監(jiān)測與過濾系統(tǒng)的一個或多個膜相關(guān)的一個或多個參數(shù)。一個或多個過濾器的條件可基于監(jiān)測到的過濾系統(tǒng)的一個或多個參數(shù)來確定。所述條件可包括即將到來的過濾器熟化或過濾準(zhǔn)備狀態(tài)、檢測到的過濾器熟化或過濾準(zhǔn)備狀態(tài)、即將到來的完整性破壞、檢測到的完整性破壞、即將到來的滲透性損失、檢測到的滲透性損失中的一個或多個、其組合等。一個或多個維護程序可基于確定的條件來執(zhí)行。一個或多個維護程序可包括過濾器清洗程序、過濾器隔離程序、過濾器修理程序、過濾器更換程序和過濾器釘扎程序中的一個或多個。

在一方面，過濾管理系統(tǒng)可監(jiān)測恒定壓力操作期間的流體濾液通過量變化和恒定濾液通過量操作期間的壓力變化中的至少一個。結(jié)垢機制可基于濾液通過量的變化和壓力的變化中的至少一個來確定。結(jié)垢機制可通過根據(jù)一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型執(zhí)行濾液流量變化或壓力變化的數(shù)學(xué)分析來確定。一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型可包括Hermia氏模型、改進Hermia氏模型和串聯(lián)阻力模型中的一個或多個。可基于所確定的結(jié)垢機制來選擇清洗方案。清洗方案可包括選擇清洗方法和與清洗方法相關(guān)的一個或多個參數(shù)

在一方面，過濾系統(tǒng)可以包括壓力泵，所述壓力泵被配置來在流動于第一室與第二室之間的流體上施加壓力。所述過濾系統(tǒng)還可包括流量傳感器，所述流量傳感器被配置來測定與流過在所述第一室與所述第二室之間沉積的膜的流體相關(guān)的至少一個參數(shù)。過濾系統(tǒng)可以包括壓力傳感器，所述壓力傳感器被配置來測定從第一室流到第二室的流體的壓力讀數(shù)。此外，過濾系統(tǒng)可以包括過濾管理系統(tǒng)，所述過濾管理系統(tǒng)被配置來基于壓力讀數(shù)引起壓力泵在從第一室到第二室流過膜的流體上施加恒定壓力持續(xù)第一預(yù)定時間。過濾管理系統(tǒng)可被進一步配置來基于至少一個參數(shù)引起壓力泵使穿過膜的流體流反轉(zhuǎn)持續(xù)第二預(yù)定時間。

另外的優(yōu)勢將在下面的描述中部分地闡述或者可通過實踐來學(xué)習(xí)。所述優(yōu)勢將借助在所附權(quán)利要求書中具體指出的要素和組合來實現(xiàn)和達到。應(yīng)理解，如所要求的，前述概述和以下具體實施方式都僅僅是示例性和說明性的而不是限制性的。

附圖簡述

并入本說明書并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖說明實施方案，并且連同描述一起用來解釋方法和系統(tǒng)的原理：

圖1示出膜工藝的恒定通過量可變進料壓力操作的代表性示意圖；

圖2示出膜工藝的恒定壓力可變通量操作的代表性示意圖；

圖3示出過濾管理系統(tǒng)的代表圖；

圖4示出在正向過濾之后接著反洗期間的代表性通量分布；

圖5示出了說明用于在訓(xùn)練模式下操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的流程圖；

圖6示出過濾管理系統(tǒng)的代表性流程圖；

圖7示出了說明用于在控制模式下操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的流程圖；

圖8示出過濾管理系統(tǒng)的控制模式操作的代表性流程圖；

圖9示出了說明用于響應(yīng)于通量的階躍變化來操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的流程圖；

圖10示出了說明用于響應(yīng)于通量的脈沖變化來操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的流程圖；

圖11示出了過濾管理系統(tǒng)對持續(xù)時間t_p的脈沖事件的響應(yīng)的代表性示意圖；

圖12示出了說明用于操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的流程圖；

圖13示出了進行擬合測試以確定具體觀察到的顆粒結(jié)垢機制的不同結(jié)垢機制和通量對時間曲線的解決方案；

圖14示出了說明用于操作過濾管理系統(tǒng)的示例性方法的另一個流程圖；

圖15示出利用過濾管理系統(tǒng)的實驗結(jié)果；

圖16示出利用過濾管理系統(tǒng)的實驗結(jié)果；并且

圖17示出了可操作所公開的方法和系統(tǒng)的示例性計算設(shè)備。

本公開的另外的優(yōu)勢將部分闡述在以下描述中，并且部分將從所述描述中看出或者可通過實踐本公開來得知。本公開的優(yōu)勢將借助所附權(quán)利要求書中具體指出的元件和組合來實現(xiàn)并達到。應(yīng)當(dāng)理解，如所要求的，以上概述和以下具體實施方式都僅是示例性和解釋性的，并且不限制所述方法和系統(tǒng)。

具體實施方式

通過參考以下方法和系統(tǒng)的具體實施方式和其中包括的實施例可以更容易理解本公開。

在公開并描述本發(fā)明的化合物、組合物、制品、系統(tǒng)、設(shè)備和/或方法之前，應(yīng)理解，除非另外說明規(guī)定，否則它們不限于特定的合成方法，或者除非另外規(guī)定，否則它們不限于特定的試劑，因此它們當(dāng)然可以改變。還應(yīng)理解，本文所使用的術(shù)語僅出于描述特定方面的目的，且并不旨在加以限制。盡管在實施或測試本公開中可使用與本文所述的那些方法和材料類似或等效的任何方法和材料，但是現(xiàn)在描述示例性方法和材料。

為了公開和描述公布在引用時所涉及的方法和/或材料，本文中提到的所有公布均以引用方式并入本文。提供本文中討論的公布僅僅是針對它們在本申請的提交日期之前的公開。本文中的任何內(nèi)容都不應(yīng)解釋為承認本公開內(nèi)容由于先前的公開而無權(quán)早于所述公布。此外，本文中提供的公布日期可能不同于實際的公布日期，它們可能需要單獨確認。

如在說明書和所述權(quán)利要求中所使用，除上下文另外明確規(guī)定之外，單數(shù)形式“一個(a)”、“一種(an)”和“所述(the)”包括復(fù)數(shù)指示物。因此，例如，對“膜”、“閥”或“傳感器”的提及包括兩個或更多個所述膜、閥或傳感器等的混合物。

在本文中，范圍可表達為從“約”一個具體值和/或到“約”另一個具體值。當(dāng)表示這樣一個范圍時，另外的方面包括從一個具體值和/或至另一個具體值。類似地，當(dāng)通過使用先行詞“約”將值表達為近似值時，將理解的是特定值形成了另外方面。應(yīng)進一步理解，該范圍的每個端點相對于另一個端點以及獨立于另一個端點都是有意義的。還應(yīng)理解，本文公開了多個值，并且在本文中每個值除所述值本身之外也公開為“約”所述特定值。例如，如果公開了值“10”，那么也公開了“約10”。還理解的是還公開了兩個具體單位之間的每個單位。例如，如果公開了10和15，則還公開了11、12、13和14。

如本文使用的術(shù)語“任選的”或“任選地”意指隨后描述的事件或情況可以發(fā)生或可以不發(fā)生，并且這種描述包括其中所述事件或情況發(fā)生的實例和其中不發(fā)生的情況。

如本文所用，“流體”是指在施加的剪切應(yīng)力下連續(xù)變形或流動的任何物質(zhì)。流體包括但不限于液體、氣體和等離子體。

如本文所用，“過濾器”是指用于從流體中除去雜質(zhì)的任何半透屏障或多孔設(shè)備。流體過濾器可包括但不限于膜或篩、填充介質(zhì)床、流化介質(zhì)床、膜生物反應(yīng)器和離子交換系統(tǒng)。過濾分離機制包括但不限于尺寸排阻、吸附、優(yōu)先溶解/擴散、電磁吸引/排斥、靜電吸引/排斥、化學(xué)反應(yīng)或其組合。

如本文所用，“結(jié)垢”是指有機和無機物質(zhì)在過濾器表面上或在過濾器孔和空隙空間內(nèi)的沉積。結(jié)垢包括但不限于無機顆粒(例如，粘土、礦物質(zhì)、金屬等)、不互混的烴(例如，油和油脂)、溶解和沉淀的有機分子和細菌或藻類在本文所述的流體過濾系統(tǒng)過濾器上的沉積或吸附。

如本文所用，“進料流”是指包含可過濾的溶質(zhì)和/或顆粒物質(zhì)的任何水性或非水性流體。

如本文所用，“滲透物流”是指已經(jīng)通過壓力驅(qū)動或重量過濾裝置引導(dǎo)通過過濾器的進料流的任何部分。

如本文所用，“通量”是指穿過過濾器的單位面積的流體流量。通量可為但不限于滲透物通量或拉伸通量。

除非另外明確說明，否則決不旨在將本文闡述的任何方法解釋為要求以特定順序執(zhí)行其步驟。因此，在方法權(quán)利要求項沒有實際敘述其步驟所遵循的順序或在權(quán)利要求書或描述中沒有另外具體陳述各步驟將限于特定順序的情況下，決不旨在在任何方面推斷順序。這適用于任何可能的用于解釋的非表達基礎(chǔ)，包括：相對于步驟安排或操作流程的邏輯事項；從語法組織或標(biāo)點符號得到的清晰含義；以及在本說明書中描述的實施方案的數(shù)量或類型。

應(yīng)理解，本文公開的組合物具有某些功能。本文公開了用于執(zhí)行所公開功能的某些結(jié)構(gòu)需求，且應(yīng)理解存在可執(zhí)行與所公開結(jié)構(gòu)有關(guān)的同一功能的多種結(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)通常實現(xiàn)相同結(jié)果。

A.半透膜

在一方面，本公開的方法和系統(tǒng)涉及使用膜作為分離屏障以從溶液或液體懸浮液中除去溶質(zhì)和懸浮顆粒的壓力驅(qū)動的過濾工藝。在一方面，膜可以是半透膜。

半透膜可用于從進料流中分離溶解的或分散的材料。分離過程可以涉及使進料溶液與半透膜的一個表面在壓力下接觸，以便影響溶劑相滲透通過半透膜，同時防止溶解或分散的材料的滲透。

半透膜可以由聚合物、陶瓷或金屬制成。這些聚合物、陶瓷或金屬膜可包裝成具有許多可能的組合(形狀因素)的元件和模塊，諸如平板模塊、板框模塊、螺旋卷繞模塊、管狀模塊、中空纖維模塊、其組合等。此外，這些半透膜都可經(jīng)合成以顯示寬的選擇性和滲透性范圍，范圍基本上為微濾(MF)和超濾(UF)至納濾(NF)和反滲透(RO)。

RO膜和NF膜均可以包括統(tǒng)稱為“復(fù)合膜”的固定到多孔載體上的薄膜識別層。MF和UF膜還可以包括復(fù)合布置。多孔載體可提供物理強度，但是多孔載體可由于其多孔性而提供很小的流動阻力。另一方面，薄膜識別層可以是較少多孔的，并且可以提供溶解或分散的材料的主要分離手段。因此，薄膜識別層可以主要造成給定膜的“拒斥率”—所拒斥的特定溶解或分散的材料(例如，溶質(zhì))的百分比，以及“通量”—溶劑穿過膜的每單位面積的流速。

半透膜相對于其對不同離子以及有機和無機化合物的滲透度而變化。例如，“擴散膜”(例如，NF和RO)對于實際上所有離子(包括鈉和氯化物)以及分子量高于約200道爾頓的不帶電的溶質(zhì)是相對不可滲透的。因此，RO膜廣泛用于咸水或海水的脫鹽以提供用于工業(yè)、商業(yè)或家庭用途的高純化水，因為RO膜的鈉和氯離子的拒斥率通常大于約90％。相反，“低壓膜”(例如，MF和UF)可以是相對多孔的，并且因此用于去除膠體和顆粒物質(zhì)(例如，對于MF為約0.1μm至約10μm，對于UF為0.01μm至0.1μm)。MF和UF可在用于顆粒和病原體去除的市政和工業(yè)處理應(yīng)用、NF/RO預(yù)處理、化學(xué)合成純化等中使用。

MF和UF膜可由幾何形狀范圍內(nèi)的無機或聚合材料組成。膜可被配制成各種模塊構(gòu)造，例如像管狀構(gòu)造、板框構(gòu)造、螺旋卷繞構(gòu)造、中空纖維構(gòu)造、其組合等。聚合MF和UF膜可由各種聚合物(例如像醋酸纖維素、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚砜和聚醚砜)構(gòu)成。聚合膜可相對經(jīng)濟地制造成具有各種形狀因素，但是可限于相對于適度的pH、溫度和化學(xué)耐受性的窄操作范圍。由諸如氧化鋁、氧化鋯和二氧化鈦的材料制成的陶瓷膜可用于條件要求高溫下的操作或可能需要苛刻清洗化學(xué)品的應(yīng)用中。

MF和UF膜可構(gòu)造成具有對稱的孔結(jié)構(gòu)，以允許通過反洗或反沖洗進行的原位結(jié)垢控制。如本文所用，“反洗”或“反沖洗”是指通過施加比正向過濾跨膜壓力大的壓力差來反轉(zhuǎn)滲透物流的流向，其可以是機械和/或滲透驅(qū)動的。反洗包括但不限于通過添加補充化學(xué)品諸如酸、腐蝕劑和/或氧化劑來使用滲透物液體、純化水或化學(xué)增強的滲透物液體。

在另一方面，智能流體過濾管理工藝可與MF膜、UF膜、NF膜、RO膜、正向滲透膜和沒有薄膜涂層的壓力延遲滲透膜的使用一起采用。此外，智能流體過濾管理工藝可與陶瓷膜和聚合膜的使用一起采用。在又一方面，半透膜以管狀構(gòu)造、板框構(gòu)造、螺旋卷繞構(gòu)造、中空纖維構(gòu)造或膜生物反應(yīng)器構(gòu)造采用。

在又一方面，智能流體過濾管理工藝可與非基于膜的過濾、離子交換和活性炭系統(tǒng)諸如砂過濾混合介質(zhì)過濾、離子交換、顆?；钚蕴亢团R界濾筒以及螺旋卷繞過濾系統(tǒng)的使用一起采用，因為過濾和過濾器維持的機制反映本文描述的基于膜的方面的那些機制。

B.流體過濾管理系統(tǒng)

圖1示出過濾管理系統(tǒng)105管理的示例性過濾系統(tǒng)100。在一方面，本公開涉及過濾系統(tǒng)100，過濾系統(tǒng)100包括被配置用于在第一室115和第二室120之間流動的流體上施加壓力的壓力泵110。過濾系統(tǒng)100還可包括流量傳感器125，流量傳感器125被配置來測定與流過在第一室115與第二室120之間沉積的膜130的流體相關(guān)的至少一個參數(shù)。過濾系統(tǒng)100還可包括壓力傳感器135，壓力傳感器135耦接到壓力泵110和流量傳感器125并被配置來測定從第一室115流到第二室120的流體的壓力讀數(shù)。此外，過濾系統(tǒng)100可包括與壓力泵110、流量傳感器125和壓力傳感器135連通的過濾管理系統(tǒng)105。濾管理系統(tǒng)105可被配置來基于來自壓力傳感器135的壓力讀數(shù)引起壓力泵在從第一室115流到第二室120的流體上施加恒定壓力持續(xù)第一預(yù)定時間。過濾管理系統(tǒng)105可以基于至少一個參數(shù)引起壓力泵110使穿過膜130的流體流在恒定壓力下反轉(zhuǎn)持續(xù)第二預(yù)定時間。

壓力驅(qū)動的膜過濾工藝，諸如微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)，使用半透膜作為分離屏障以從溶液或液體懸浮液中除去溶質(zhì)和懸浮顆粒?？缒?TMP)差的施加引起溶劑流過膜，同時保留進料中的溶質(zhì)或顆粒。

穿過膜的清洗溶劑流速(或通量)可以受制于達西方程，所述達西方程表示通量(膜的每單位橫截面積的體積流速)與施加的壓差成線性比例：

在過濾工藝期間，被膜保留的溶質(zhì)和顆粒可累積在膜表面處。膜表面處的溶質(zhì)濃度累積的機制可稱為濃度極化。膜表面處溶質(zhì)濃度的增加可導(dǎo)致對穿過膜的溶劑流量的額外阻力。這些阻力可減少濾液或滲透物通量。表1總結(jié)了幾種阻力增加和隨后的通量下降的相關(guān)機制。

表1.

通量下降機制的多樣性可導(dǎo)致不同類型的膜元件、模塊和膜過濾系統(tǒng)的滲透物通量的不同類型的時空變化。表1中描述的每種機制可以導(dǎo)致通量下降行為的不同類型的時間依賴性。隨著時間的推移，更多溶質(zhì)可以累積到膜上。溶質(zhì)的累積可以增加穿過膜的溶劑流量的總阻力，并且隨時間推移而引起濾液通量的減少。在許多類型的商業(yè)規(guī)模的切向流膜元件和模塊(諸如管狀模塊、板框模塊、螺旋卷繞模塊、中空纖維模塊或膜生物反應(yīng)器模塊)中，溶質(zhì)沉積到膜上的程度也可在空間上變化。因此，連同通量的時間依賴性變化，沿著每種類型的膜模塊或元件的通量也可存在局部空間變化。例如，NF和RO膜的通量損失分布可說明鉛元素的有機結(jié)垢。鉛元素的有機結(jié)垢的特征可在于通過濾餅形成進行的逐漸通量損失。此外，NF和RO膜的通量損失分布可說明尾部元件上的無機結(jié)垢，所述無機結(jié)垢的特征可在于通過無機沉淀和完全孔阻塞進行的劇烈和突然的通量損失。

不同的通量下降機制，各種類型的模塊和元件幾何形狀以及膜工藝的商業(yè)應(yīng)用中的復(fù)雜進料化學(xué)和組成可能使得開發(fā)通量下降和膜結(jié)垢的一般機械模型成為挑戰(zhàn)，所述通量下降和膜結(jié)垢可作為操作和工藝控制算法實施。膜過濾系統(tǒng)的工藝控制可涉及維持來自膜過濾系統(tǒng)的恒定體積通過量。換句話說，可在工藝期間監(jiān)測來自膜模塊的平均滲透物通量。如果通過量有任何下降，則控制算法可以增加驅(qū)動力(諸如施加的TMP)以將通量保持在所需設(shè)定點處。這種操作原理完全忽略了任何通量下降機制，并且用于范圍為微濾至反滲透和膜類型(陶瓷膜或聚合膜)的所有類型的壓力驅(qū)動膜分離工藝。

圖2示意性地示出了膜元件的進料側(cè)上的施加壓力相對于時間的變化。增加施加的壓力以維持通過膜元件的恒定滲透物通量。增加施加的壓力以維持通過膜元件的恒定滲透物通量。施加的壓力連續(xù)增加，因為在過濾期間不同的結(jié)垢機制降低了總體膜滲透性。當(dāng)施加的壓力達到最大閾值P_max時，在過濾循環(huán)、t_f期間，停止過濾并且啟動膜清洗機制。在一些應(yīng)用中，過濾循環(huán)處于固定的定時器上，而t_f在連續(xù)循環(huán)之間是恒定的。在所述情況下，最大施加壓力P_max可在過濾循環(huán)之間改變。清洗機制可以根據(jù)膜元件的類型以及膜工藝而不同，并且范圍可為反洗(BW)、化學(xué)增強反洗(CEB)、滲透物弛豫(PR)、壓力脈沖(PP)、空氣沖刷(AS)、化學(xué)脈沖(CP)、進料流反轉(zhuǎn)(FFR)、原位清洗(CIP)、其組合等。在執(zhí)行清洗機制之后，部分地恢復(fù)膜元件的滲透性。恢復(fù)的滲透性部分歸因于在過濾循環(huán)期間膜元件的可逆結(jié)垢，并且未恢復(fù)的滲透性部分是由于不可逆的結(jié)垢。在恒定通過量操作模式中，膜元件的不可逆滲透性損失的一部分還可通過由操作期間的高壓所引起的膜元件的壓縮引起。此外，過濾工藝的能量需求是時間依賴性的，因為壓力增加需要待增加的過濾系統(tǒng)的功率汲取。

在恒定壓力可變通過量操作模式中，可初始地設(shè)置TMP，并且由于各種通量下降機制，滲透物通量在過濾循環(huán)期間隨時間推移而減少。兩種操作模式可以是可能的：(i)固定過濾時間模式，其中正向過濾時間t_f是恒定的；以及(ii)固定通量下降模式，其中在觸發(fā)清洗機制之前允許通量達到最小值J_f。在清洗之后，由于不可逆的膜結(jié)垢，通量恢復(fù)通常是不完全的。

圖3示出了描繪膜工藝的恒定壓力可變通量操作的代表性圖?？v軸描述通量。陰影區(qū)域表示不可逆的通透性損失。操作過濾系統(tǒng)的模式可以是恒定通過量(CT)可變跨膜壓力(TMP)模式，其中壓力逐漸增加以維持穿過膜的恒定滲透物通過量。此工藝控制的實施可能需要流速測量設(shè)備以記錄通過量，以及用于調(diào)節(jié)進料壓力的壓力控制機制。這種類型的工藝控制可能具有比例積分微分(PID)控制回路的問題；即，工藝控制可以是反應(yīng)性的(反饋控制機制)，可以是基于恒定參數(shù)，不是基于膜通量下降的實際機制，并且不提供最佳或適應(yīng)性控制。

從膜工藝觀點來看，以上PID控制回路的問題在于確定通量設(shè)定點。如果通量設(shè)定點是初始通量J₀，則在過濾的初始階段期間壓力可能增加太急劇，因為在這些階段期間通量下降可能相當(dāng)快。壓力的這種增加可以相當(dāng)劇烈地壓縮膜。

CT操作模式中的PID控制回路的第二個問題與進料中的污物濃度的突然激增有關(guān)。當(dāng)這種激增擊打膜時，通量突然下降。響應(yīng)于這種突然的通量下降，PID控制回路可以嘗試增加壓力以使通量保持恒定。在以質(zhì)量傳遞控制方式操作的膜工藝中，通量可能不會隨著施加的壓力線性地響應(yīng)。因此，壓力可顯著增加以實現(xiàn)相對小的通量增強。此外，這種通量增加可以降低的通過膜的滲透性為代價，因為較高的滲透阻力迫使更多的溶質(zhì)朝向膜表面或嵌入膜孔中，從而更主動地使膜結(jié)垢。在一些情況下，增加的進料壓力可通過增加軸向壓降來增強膜的質(zhì)量傳遞，這引起交叉流增加。因此，響應(yīng)于進料溶質(zhì)濃度的突然升高而增加壓力不是膜工藝中通量控制的謹慎方法。

膜元件的通量下降可以是在過濾工藝期間發(fā)生的結(jié)垢的顯現(xiàn)。通量下降可被認為是膜結(jié)垢和性能損失的直接和明確的指標(biāo)。如果可在大規(guī)模商業(yè)過濾操作期間追蹤通量下降，則這種信息可適于開發(fā)用于膜工藝的控制和操作架構(gòu)，所述膜工藝可智能地：a)評估過濾工藝期間結(jié)垢的主要機制；b)學(xué)習(xí)一旦觀察到結(jié)垢和通量下降的臨界水平就自動觸發(fā)清洗機制；c)適應(yīng)給定給水質(zhì)量和工藝配置的最經(jīng)濟的操作方式；d)動態(tài)地響應(yīng)給水質(zhì)量的突然波動，甚至在給水污物水平的有害和災(zāi)難性激增期間關(guān)閉工藝；e)降低能耗；f)在各種模式的系統(tǒng)維護(如反洗和原位清洗)之間自動循環(huán)；g)延長膜的使用壽命并優(yōu)化水處理的成本；其組合等。

滲透物通量由膜過濾期間施加的壓力(驅(qū)動力)產(chǎn)生。換句話說，施加的壓力是原因，并且通量是影響。在恒定壓力(CP)操作模式中，驅(qū)動力保持恒定，并且隨后的通量變化僅僅是不同結(jié)垢阻力如何隨時間推移而累積的顯現(xiàn)，導(dǎo)致固定驅(qū)動力的影響下的所述通量下降。然而，在恒定通過量(CT)操作模式中，驅(qū)動力本身響應(yīng)于通量的變化而改變。驅(qū)動力的變化可將工藝動力學(xué)改變?yōu)榭稍诓煌僮鲏毫ο抡{(diào)用附加機制的方式。結(jié)垢機制的這種改變的常見實例為一些類型的蛋白質(zhì)和聚合物過濾期間高于臨界TMP差異的滲透壓控制和凝膠層控制之間的轉(zhuǎn)變。低于閾值壓力，聚合物溶液不膠化，并且濃度極化的主要機制是滲透壓累積。然而，如果達到凝膠濃度的臨界壓力，則通量下降的主要機制變?yōu)槟z層的生長。

恒定壓力(CP)操作模式可用于依賴于通量下降作為關(guān)鍵信號的工藝控制架構(gòu)中。恒定壓力模式可以防止壓力和通量之間的因果關(guān)系的改變。

在本文中，公開了所提出的智能過濾管理系統(tǒng)的一個方面，所述智能過濾管理系統(tǒng)在恒定壓力操作模式下在包括膜的過濾系統(tǒng)中觸發(fā)反洗。本文的公開證明如何遵循通量下降模式可允許收集關(guān)于給定驅(qū)動力(TMP)和進料條件下的過濾系統(tǒng)行為的相關(guān)信息，如何利用所述信息來調(diào)整過濾系統(tǒng)的性能，響應(yīng)于通過量的突然變化觸發(fā)反洗或CIP，以及將CP操作模式與CT操作模式區(qū)分開來。然而，設(shè)想了其他過濾系統(tǒng)。

假設(shè)膜過濾系統(tǒng)以對應(yīng)于ΔP₀的初始TMP的J₀的初始通量開始操作。在正向過濾循環(huán)期間，通量隨時間推移而變化，并且所述變化以Δt的固定時間間隔記錄。在t_f的正向過濾時間之后，啟動反洗循環(huán)。在反洗期間，過濾循環(huán)期間收集的一部分滲透物被迫通過膜從滲透物返回到進料側(cè)。反洗通量J_BW可大于正向過濾通量，但是反洗持續(xù)時間t_BW可遠小于正向過濾時間。這種條件移動沉積的固體從膜的表面并將它們帶到再循環(huán)進料中。這種類型的反洗可在基于陶瓷膜的過濾操作期間采用。

圖4示意性地描繪了具有中間反洗的兩個連續(xù)過濾循環(huán)期間的通量對時間分布。通量隨時間推移而減少，并且過濾循環(huán)期間滲透物(或濾液)的累積產(chǎn)生為

其中A_m是膜面積，并且最終表達是基于在固定時間間隔(存在N個間隔)處使用梯形法則積分的通量的離散測量值。

在反洗過程中消耗的滲透物的總體積為

Q_BW＝A_mJ_BWt_BW (2)

反洗比然后被定義為

對于具有反洗的過濾操作，期望具有盡可能小的反洗比，典型的目標(biāo)為r_BW<0.2。來自膜裝置的凈產(chǎn)物水通過量為

過濾循環(huán)期間的通量下降的速率由下式給出

如果流量測量設(shè)備以規(guī)則的間隔記錄通量，則通量下降的速率可在每個瞬間時刻t_i(瞬時下降)表示為

方程(1)和(6)分別表示相同時間依賴性滲透物通量順序的積分和導(dǎo)數(shù)。

可以嘗試使用這些通量測量來構(gòu)造比例積分微分(PID)類型控制算法，而不進一步詳細審查。這種方法可能需要設(shè)定點的定義，所述設(shè)定點可為所需通量并基于給定通量測量值與設(shè)定點的偏差，將調(diào)節(jié)控制變量(通常為施加的壓力)，這將使通量與設(shè)定值的偏差最小化。這是以前稱為恒定通過量(CT)可變壓力模型的方法。

如本文以上所述，PID控制機制遭受兩個主要問題。首先，確定通量設(shè)定點。如果設(shè)定點是初始通量J₀，則在過濾的初始階段期間壓力將增加太急劇，因為在這些階段期間通量下降相當(dāng)快。壓力的這種增加可以相當(dāng)劇烈地壓縮膜。第二個擔(dān)憂與進料中污物濃度的突然激增有關(guān)，引起通量突然下降。在PID過濾管理系統(tǒng)中，壓力需要顯著增加以實現(xiàn)相對小的通量增強。這進而可能導(dǎo)致由于結(jié)垢增加所引起的滲透性降低，所述結(jié)垢增加是由更高的滲透阻力迫使更多溶質(zhì)朝向膜表面引起。

1.恒定壓力可變通過量操作模式

如果考慮這兩種類型的操作期間的工藝的功率消耗，恒定壓力可變通過量操作模式在范圍方面與恒定通過量可變壓力操作模式稍微不同。給定工藝的功率消耗可與由下式給出的水馬力相關(guān)

對于恒定壓力操作，J＝J(t)，而對于恒定通過量操作，TMP差是時間的函數(shù)。在兩種模式下操作的過濾系統(tǒng)的功率輸出的關(guān)鍵差異在于，對于恒定壓力操作，當(dāng)過濾循環(huán)期間通量減少時，功率消耗不增加(它保持恒定或減小)；而對于恒定通過量操作，功率消耗在過濾循環(huán)期間增加。在CT操作期間功率消耗的增加與附加驅(qū)動力的產(chǎn)生有關(guān)，來以恒定速率推動滲透物通過較低滲透性的過濾屏障。

在大多數(shù)商業(yè)膜元件和模塊中，濃度極化、結(jié)垢和顆粒沉積的程度沿著模塊的長度軸向地變化。此類變化在模塊或元件的不同位置處引起不同程度的通量下降。來自模塊的通過量表示沿著模塊的空間平均滲透物通量乘以膜面積。模塊中的局部滲透物通量根據(jù)結(jié)垢機制而變化。在大多數(shù)應(yīng)用中，結(jié)垢在模塊的下游位置處更嚴(yán)重，導(dǎo)致來自這些位置的較低通量。在這些模塊中的許多中，采用切向流來限制結(jié)垢的程度。在一些應(yīng)用中，進料流反轉(zhuǎn)(FFR)可用來防止模塊一端的過度不對稱結(jié)垢。

不考慮商業(yè)模塊中膜結(jié)垢的機制，大多數(shù)模塊和元件被不對稱地結(jié)垢，并且通常元件在其僅僅一部分在很大程度上變得不可逆地結(jié)垢時需要更換。膜元件的不對稱結(jié)垢是切向流過濾系統(tǒng)的質(zhì)量傳遞特征的結(jié)果。感興趣的是探索如何操作采用恒定壓力可變通過量和恒定通過量可變壓力模式的商業(yè)規(guī)模膜元件可導(dǎo)致元件的不同程度的不對稱結(jié)垢。

結(jié)垢在膜的下游端啟動，引起膜的這些區(qū)域中的滲透性損失。來自這些區(qū)域的濾液恢復(fù)減少。在恒定壓力操作中，較低滲透增加了穩(wěn)態(tài)工藝期間的體積切向流。隨著交叉流速度增加，軸向摩擦損失也增加。雖然增加的交叉流對于質(zhì)量傳遞是有益的，并且導(dǎo)致在一些類型的膜工藝中去除結(jié)垢層，但是較高的交叉流通常與模塊中較高的軸向壓降相關(guān)。這種工藝在恒定通過量操作模式期間加重，因為在膜的一部分損失滲透性時增加總驅(qū)動壓力更主動地增加軸向流組分。因此，盡管在這種類型的操作中，來自模塊的濾液或滲透物的產(chǎn)生保持恒定，但是生產(chǎn)主要是由于來自元件前緣處的膜的未結(jié)垢區(qū)域的滲透增加。來自這些位置的較高滲透增強了滲透阻力，并因此增強了污物在膜的這些部分上的累積。最終，當(dāng)膜被阻塞但是較高的驅(qū)動壓力施加在進料上時，軸向流增加，從而增加沿著模塊的摩擦壓降。此總體結(jié)果是當(dāng)在恒定通過量可變壓力模式下操作時膜工藝的操作成本較高。

在另一方面，基于至少一個參數(shù)引起壓力泵將恒定壓力反轉(zhuǎn)包括將所確定的至少一個參數(shù)與至少一個閾值進行比較。在又一方面，至少一個參數(shù)是流體流速、流體流速的變化率、持續(xù)預(yù)定義時間周期通過膜的流體體積滲透物中的一個或多個。

在另一方面，過濾系統(tǒng)還可包括計時器，所述計時器被配置用于調(diào)節(jié)施加恒定壓力的時間和調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)恒定壓力的時間中的至少一個。

在另一方面，第一預(yù)定時間和第二預(yù)定時間中的一個或多個是恒定值。在又一方面，第一預(yù)定時間和第二預(yù)定時間中的一個或多個基于預(yù)定義公式來確定。

在另一方面，反轉(zhuǎn)壓力是恒定壓力。

2.壓力泵

在不同方面，過濾系統(tǒng)包括壓力泵，所述壓力泵被配置來在流動于第一室與第二室之間的流體上施加壓力。即使當(dāng)膜拒斥雜質(zhì)通過所述膜時，壓力泵也提供推動流體通過所述膜所需的壓力。微濾和超濾可在約3psi至約50psi的范圍內(nèi)操作，這顯著低于納濾和反滲透膜(約200psi至約1,200psi)。

3.流量傳感器

在不同方面，過濾系統(tǒng)包括流量傳感器，所述流量傳感器被配置用于測定與流過在第一室與第二室之間沉積的膜的流體相關(guān)的至少一個參數(shù)。流體流量傳感器可被設(shè)計來指示由過濾系統(tǒng)記錄的瞬時和平均通量。時間通量測量值然后可用來計算控制工藝所需的積分和導(dǎo)數(shù)通量項。

4.壓力傳感器

在不同方面，過濾系統(tǒng)包括壓力傳感器。壓力傳感器可被配置來測定穿過將第一室與第二室隔開的膜的流體流量的壓力讀數(shù)。壓力傳感器可以不保留待測量的流體的這種方式配置。在另一方面，壓力傳感器包括膜和壓力感測部分，所述壓力感測部分感測膜內(nèi)流動的流體的壓力。在又一方面，壓力傳感器與膜是不同的和/或隔開的。

5.過濾管理系統(tǒng)

在一方面，過濾系統(tǒng)可包括過濾管理系統(tǒng)。在一方面，過濾管理系統(tǒng)與壓力泵、流量傳感器和壓力傳感器連通。過濾管理系統(tǒng)可被配置來基于壓力讀數(shù)引起壓力泵在從第一室流到第二室的流體上施加恒定壓力持續(xù)第一預(yù)定時間。此外，過濾管理系統(tǒng)可以基于至少一個參數(shù)引起壓力泵使恒定壓力反轉(zhuǎn)持續(xù)第二預(yù)定時間。反轉(zhuǎn)壓力可引起流體的流動在反轉(zhuǎn)方向上移動穿過第一室與第二室之間的膜。反轉(zhuǎn)壓力還可以是恒定壓力。

C.用于在訓(xùn)練模式下操作流體過濾管理系統(tǒng)的方法

圖5示出了過濾管理系統(tǒng)的方法500。在步驟501中，恒定壓力可施加于從第一室流到第二室的流體上。在一方面，恒定壓力可由壓力泵施加。在一方面，膜可沉積在第一室與第二室之間，以允許流體從第一室滲透所述膜到第二室。

在步驟502中，可以確定與從第一室穿過膜到第二室的流體流量相關(guān)的至少一個參數(shù)。在一方面，流量傳感器可以測定至少一個參數(shù)。在一方面，至少一個參數(shù)可以是流體流速、流體流速的變化率、持續(xù)預(yù)定義時間周期通過膜的流體體積滲透物、膜上形成的結(jié)垢中的一個或多個。在一方面，膜上形成的結(jié)垢可通過測量膜的電導(dǎo)率來確定。在另一方面，膜上形成的結(jié)垢可通過膜表面的原位目測檢查來確定。

在步驟503中，可基于所測定的至少一個參數(shù)與至少一個閾值的比較來反轉(zhuǎn)恒定壓力。在一方面，當(dāng)滿足閾值時，過濾管理系統(tǒng)可引起壓力泵反轉(zhuǎn)恒定壓力。在一方面，反轉(zhuǎn)壓力可以恒定水平施加并且可基于預(yù)定義公式來確定。在一方面，反轉(zhuǎn)壓力可施加持續(xù)預(yù)定義時間周期。預(yù)定義時間周期可基于至少一個測量因素。測量因素可以是在每個循環(huán)中在膜上累積的結(jié)垢量。在反轉(zhuǎn)壓力已經(jīng)施加到流體持續(xù)預(yù)定義的時間周期之后，恒定壓力可在從第一室到第二室的流體流量的原始方向上重新施加。

通過過濾管理系統(tǒng)進行的智能工藝控制可涉及過濾系統(tǒng)對給定刺激(驅(qū)動力)的響應(yīng)的一些初始學(xué)習(xí)。在膜工藝中，這可在最初的幾個過濾循環(huán)期間通過在固定的TMP下操作過濾系統(tǒng)并觀察隨后的通量下降行為來容易地實現(xiàn)。在調(diào)試過濾系統(tǒng)時，給水與過濾系統(tǒng)的最初幾次相互作用可提供給水如何使膜結(jié)垢以及過濾和反洗循環(huán)需要如何適應(yīng)具體給水的優(yōu)異指標(biāo)。應(yīng)用預(yù)設(shè)的TMP將導(dǎo)致過濾系統(tǒng)中的某些通量下降行為，所述某些通量下降行為可在觸發(fā)反洗之前在預(yù)設(shè)的過濾時間內(nèi)記錄。

考慮實施具有以下四個預(yù)設(shè)條件的過濾管理系統(tǒng)：初始TMP，其給出初始通量J₀；正向過濾時間t_f、_ini；最大允許通量比J_N/J_f；以及反洗比r_BW。如果此初始預(yù)設(shè)正向過濾時間期間的通量下降產(chǎn)生比預(yù)設(shè)通量比大的通量比，并且在隨后的反洗步驟之后通量再次完全恢復(fù)以達到初始通量J₀，則預(yù)設(shè)條件保持為足以用于當(dāng)前操作。然而，如果通量比在t_f,ini之前達到低于預(yù)設(shè)比率J_N/J_f的值，則正向過濾循環(huán)較早停止，并且新的過濾時間t_f<t_f,ini被選擇用于下一個過濾循環(huán)。

當(dāng)過濾時間縮短時，在過濾循環(huán)期間濾液的產(chǎn)生將較低。因此，反洗比將變得更高。如果反洗比大于預(yù)設(shè)極限，則所述方法將不太經(jīng)濟，因為所述方法在一個循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生較少量的水。為調(diào)節(jié)反洗比，存在幾個選項，所述幾個選項可包括修改反洗時間和反洗通量。然后可改變反洗通量并使用來自第一循環(huán)的改進參數(shù)運行由正向過濾和反洗步驟組成的第二循環(huán)。

圖6描繪了學(xué)習(xí)過程流程圖。學(xué)習(xí)模塊是數(shù)據(jù)獲取模塊和比較器，所述比較器實時測量通量并將其與預(yù)設(shè)值(或在先前的訓(xùn)練步驟中獲取的值)進行比較。在給定過濾循環(huán)期間存儲的預(yù)設(shè)值是初始通量(J_0,ini，其取決于TMP設(shè)定點)、過濾時間(tf,ini)和先前過濾循環(huán)的通量比(r_通量＝J_N/J₀)。鉸孔預(yù)設(shè)值是反洗參數(shù)、即反洗時間、反洗通量和反洗比。學(xué)習(xí)模塊記錄通量對時間的數(shù)據(jù)，并在模塊內(nèi)實時執(zhí)行以下計算：

1.根據(jù)方程(1)的通量的積分

2.根據(jù)方程(6)的通量的導(dǎo)數(shù)

3.誤差估計評估為：

其中K_p、K_i和K_d分別是比例、積分和微分增益。誤差估計用來控制用于下一個過濾運行的過濾時間和TMP設(shè)置。應(yīng)當(dāng)注意，方程(7)中的各項提供了膜過濾工藝中通量下降機制的更現(xiàn)實的表示。比例項描繪了局部通量如何與先前循環(huán)的平均通量進行比較，積分項描繪了從當(dāng)前過濾循環(huán)直到時間t_i的累積產(chǎn)量如何與來自先前循環(huán)的總產(chǎn)量進行比較，并且微分項描繪了本過濾循環(huán)中的瞬時通量下降速率如何與先前過濾循環(huán)中的總通量下降速率進行比較。

方程(7)是用于控制過濾系統(tǒng)的性能的一般PID控制算法，并且可被修改來充當(dāng)工藝控制的比例、積分和微分模式的任何組合。例如，將積分增益設(shè)置為零，所述工藝可以定義為PD控制器。還值得注意的是，以在每個過濾循環(huán)之后更新設(shè)定點的這種方式定義工藝控制算法以反映結(jié)垢機制的學(xué)習(xí)特征。此外，學(xué)習(xí)過程可涉及調(diào)節(jié)所應(yīng)用的TMP或調(diào)節(jié)過濾時間或其組合以微調(diào)過濾循環(huán)。在許多情況下，在具有膜的過濾系統(tǒng)的設(shè)計期間選擇初始TMP設(shè)定點，使得結(jié)垢不嚴(yán)重。在這方面，可以使用學(xué)習(xí)過程來增加TMP設(shè)定點。當(dāng)調(diào)節(jié)TMP設(shè)定點時，考慮導(dǎo)數(shù)輸入可能更有用，因為所施加的壓力直接影響通量下降速率。更高的TMP導(dǎo)致更快的通量下降速率。另一方面，當(dāng)調(diào)節(jié)過濾時間時，權(quán)重應(yīng)該歸因于所有三個誤差，即瞬時通量、通量的積分(給出通過量)和通量的導(dǎo)數(shù)。

學(xué)習(xí)過程的總體目標(biāo)是確定固定給水組成的通量下降動力學(xué)，從而將所有其他操作條件保持固定。經(jīng)改變以調(diào)整工藝控制機制的唯一參數(shù)是所應(yīng)用的TMP和過濾時間。在一些情況下，還可調(diào)節(jié)反洗通量和反洗時間。

D.用于在控制模式下操作流體過濾管理系統(tǒng)的方法

圖7示出了根據(jù)不同方面的過濾管理系統(tǒng)的方法700。在步驟701中，恒定壓力可施加于從第一室流到第二室的流體上持續(xù)第一預(yù)定時間。膜可沉積在第一室與第二室之間，以允許流體從第一室滲透所述膜到第二室。在一方面，第一預(yù)定義時間可以是恒定值。在一方面，第一預(yù)定義時間可以是基于預(yù)定義公式的值。

在步驟702中，恒定壓力可反轉(zhuǎn)持續(xù)第二預(yù)定時間。在一方面，第二預(yù)定義時間可以是恒定值。在一方面，第二預(yù)定義時間可以基于預(yù)定義公式。在步驟703中，恒定壓力可以重新施加持續(xù)第一預(yù)定義時間。

控制模式操作涉及響應(yīng)操作期間過濾系統(tǒng)中通量的突然或預(yù)期的變化，以及以必要的間隔執(zhí)行反洗或CIP。一旦建立工藝TMP、正向過濾時間和反洗參數(shù)，就在幾個訓(xùn)練循環(huán)后啟動控制模式。這種情況下的控制PID方程可寫為

其中，

J_Av,0是來自先前時間步長的平均通量，Q_f,0是來自先前過濾步驟的累積過濾體積(通量的積分)，

以及

是先前過濾步驟的開始與結(jié)束之間的線性化通量下降速率。

圖8描繪了正常操作模式。在控制模式操作期間，過濾管理系統(tǒng)將以規(guī)則的時間間隔記錄通量。還假定一旦TMP在訓(xùn)練周期期間建立，其在正常操作期間就不進一步改變。在正常操作期間，通量將按照由過濾管理系統(tǒng)學(xué)習(xí)的相同模式隨著時間推移而減小，并且在一定時間間隔之后，過濾循環(huán)將停止，反洗啟動，然后過濾循環(huán)在反洗之后重新開始?？刂七^濾時間和反洗順序的工藝涉及將使用流量監(jiān)測設(shè)備測量的瞬時通量、導(dǎo)數(shù)和積分通量(產(chǎn)量)分別與先前過濾步驟期間由過濾管理系統(tǒng)記錄的平均通量、通量下降的線性化速率和累積產(chǎn)量進行比較。控制器測量比例、微分和積分分量的誤差，并確定必要的動作。例如，當(dāng)本過濾循環(huán)期間的累積產(chǎn)量變得與來自先前循環(huán)的累積產(chǎn)量相同并且當(dāng)前循環(huán)的平均通量下降速率變得與先前循環(huán)相同時，過濾管理系統(tǒng)觸發(fā)反洗。這是不存在過濾系統(tǒng)的任何其他輸入或擾動的變化時的正常操作模式。

E.用于響應(yīng)于濾液流量的階躍變化來操作流體過濾管理系統(tǒng)的方法

圖9示出了用于響應(yīng)于濾液流量的階躍變化來操作流體過濾管理系統(tǒng)的方法900。在步驟901中，恒定壓力可施加于從第一室流到第二室的流體上。在一方面，膜沉積在第一室與第二室之間，以允許流體從第一室滲透所述膜到第二室。

在步驟902中，可確定過濾系統(tǒng)上待超過的閾值。在一方面，閾值可以是基于參數(shù)的閾值，所述參數(shù)諸如但不限于流體流速、流體流速的變化率、持續(xù)預(yù)定義時間周期通過膜的流體體積滲透物、膜上形成的結(jié)垢、其組合等中的一個或多個。

在步驟903中，可響應(yīng)于確定閾值已經(jīng)超過的值來啟動回流工藝。在一方面，回流工藝可施加持續(xù)預(yù)定義時間周期。在一方面，回流工藝可以包括反轉(zhuǎn)恒定壓力。在一方面，反轉(zhuǎn)壓力可以是恒定值。在一方面，可基于預(yù)定義公式確定反轉(zhuǎn)壓力。

如果在操作期間，污物塊附著到膜上并突然減少其通量，則導(dǎo)致滲透物通量的階躍下降。測量的瞬時通量和通量下降速率將立即改變?yōu)轫憫?yīng)于這種階躍變化。積分響應(yīng)(累積體積)將不立即顯而易見，但將在幾個后續(xù)測量中顯現(xiàn)。過濾管理系統(tǒng)現(xiàn)在將具有多個選項以響應(yīng)階躍變化，而在決策過程結(jié)束時的動作是停止過濾工藝并觸發(fā)反洗。在比例模式中，過濾管理系統(tǒng)將繼續(xù)記錄通量并執(zhí)行時間平均，并且一旦時間平均值下降到先前循環(huán)的平均通量以下，將觸發(fā)反洗。

在導(dǎo)數(shù)模式中，過濾管理系統(tǒng)將記錄表示為方程(10)的瞬時導(dǎo)數(shù)和平均線性化導(dǎo)數(shù)?？梢员鎰e，瞬時導(dǎo)數(shù)響應(yīng)(通量下降速率)將指示大誤差(對于階躍函數(shù)是無窮大的)，并且僅基于瞬時導(dǎo)數(shù)誤差的控制響應(yīng)將是太唐突的。然而，如方程(10)中的線性化導(dǎo)數(shù)將提供更適度的導(dǎo)數(shù)誤差。如果此線性化導(dǎo)數(shù)變得比來自先前過濾循環(huán)的線性導(dǎo)數(shù)陡峭，則所述工藝可以觸發(fā)反洗。

在積分模式中，過濾管理系統(tǒng)將通過積分瞬時通量繼續(xù)計算累積產(chǎn)量。然而，積分響應(yīng)將不用于觸發(fā)反洗。此響應(yīng)用于計算反洗體積比，并確定反洗是否有效，或者是否應(yīng)調(diào)用CIP。

過濾管理系統(tǒng)將通過較早地停止過濾工藝，使反洗更頻繁，并在持續(xù)的不利條件(例如，如果反洗不能增加回流)下響應(yīng)，以觸發(fā)CIP。

應(yīng)當(dāng)注意，過濾管理系統(tǒng)可以不涉及使用PID誤差估計來修改過濾循環(huán)中的TMP或任何其他參數(shù)。它僅僅繼續(xù)累積平均通量、平均導(dǎo)數(shù)和累積通量，并將這些與先前過濾步驟中獲得的值進行比較。一旦平均通量變得等于先前循環(huán)中的平均通量，或者通量下降速率變得比先前步驟中的平均通量下降速率大一些預(yù)定倍數(shù)，則所述工藝然后停止過濾。通量管理的這種被動模式允許膜通過改變反洗循環(huán)的頻率來從任何結(jié)垢事件中恢復(fù)。它未通過增加TMP以恢復(fù)通量來加重結(jié)垢。工藝控制方法通過在較早時間處停止過濾工藝、更頻繁地清洗膜以及(如果不利條件持續(xù))停止過濾并觸發(fā)CIP來響應(yīng)于通量的任何擾動。

F.用于響應(yīng)于濾液流量的脈沖變化來操作流體過濾管理系統(tǒng)的方法

圖10示出了用于響應(yīng)于過濾流量的脈沖變化來操作過濾管理系統(tǒng)的方法1000。在步驟1001中，恒定壓力可施加在從第一室流到第二室的流體上，其中膜沉積在第一室與第二室之間，以允許流體從第一室滲透所述膜到第二室。

在步驟1002中，可以確定與從第一室穿過膜到第二室的流體流量相關(guān)的至少一個參數(shù)。

在步驟1003中，可基于所測定的至少一個參數(shù)與至少一個閾值的比較來啟動去垢工藝。在一方面，去垢工藝包括反洗工藝。在一方面，去垢工藝包括化學(xué)清洗工藝。在一方面，去垢工藝包括壓力脈沖工藝。在一方面，去垢工藝包括空氣沖刷工藝。在一方面，去垢工藝包括化學(xué)脈沖工藝。在一方面，去垢工藝包括進料流反轉(zhuǎn)工藝。在一方面，去垢工藝包括原位清洗工藝。

如果通量突然減小然后在一段時間后恢復(fù)(脈沖函數(shù))，則過濾系統(tǒng)的響應(yīng)應(yīng)該是增加反洗的頻率，從而降低脈沖期間的過濾時間，然后在恢復(fù)原始操作條件之后逐漸恢復(fù)到較低的頻率反洗和較長的過濾步驟。這種條件可由諸如短持續(xù)時間內(nèi)進料溶質(zhì)濃度增加的事件觸發(fā)，并且常規(guī)通量控制機制在這些事件期間通過響應(yīng)于通量下降增加TMP并使結(jié)垢過程加重來使膜結(jié)垢加劇。在本發(fā)明方法中，恒定壓力操作不改變驅(qū)動力以使結(jié)垢加重。

圖11描繪了觸發(fā)更尖銳通量下降的脈沖事件期間的典型過濾循環(huán)順序。所述圖繪制縱軸上的通量針對時間。為清楚地說明情況并解釋通量下降行為的智能管理概念，假定通量下降行為是線性的。此外，通量在每個過濾循環(huán)中，在初始通量J₀和最終通量J_N之間在每個過濾循環(huán)內(nèi)變化，而反洗在每個循環(huán)之后將通量恢復(fù)到初始通量。對于不同的應(yīng)用，可以放寬這些簡化的假設(shè)。例如，在反洗后，通量恢復(fù)可能不完全。此外，通量下降行為可能不是線性的。每個過濾循環(huán)期間的平均通量由圓圈表示，并且具有固定值J_Av。

假設(shè)脈沖事件在第三過濾循環(huán)期間的某一時刻處改變通量下降的速率。由于此脈沖事件所引起的較快通量下降速率使得通量對時間曲線的斜率更陡。在這種不同的通量下降速率下，最小通量J_N在此循環(huán)期間較早達到。雖然較早到達平均值，但是此循環(huán)的平均通量仍為J_Av。這意味著過濾循環(huán)時間t_f,3<t_f,2。在此循環(huán)中，過濾的累積產(chǎn)量也較低。一旦達到J_N，反洗就開始，并且在反洗之后達到第四循環(huán)的初始通量J₀。然而，在第四循環(huán)中，通量下降的速率較大，并且因此與先前循環(huán)相比較早達到平均通量和J_N。換句話說，t_f,4小于t_f,3。此外，濾液的累積產(chǎn)量與過濾循環(huán)4相比也較低。由于脈沖事件所引起的加速結(jié)垢引起過濾循環(huán)的持續(xù)時間減少，并且引起反洗循環(huán)的頻率增加。

在循環(huán)5中，脈沖事件消退，并且通量下降的原始速率恢復(fù)。與循環(huán)4相比，這立即增加了過濾時間。在循環(huán)6中，第一過濾循環(huán)的原始參數(shù)恢復(fù)。因此，觸發(fā)加速通量下降的脈沖事件減少了過濾循環(huán)的持續(xù)時間，并且增加了反洗循環(huán)的頻率。雖然作為對引起膜結(jié)垢的任何類型的擾動的響應(yīng)，這降低了濾液的產(chǎn)生，但是所述機制防止膜不可逆地或主動地結(jié)垢。

圖12示出了過濾管理系統(tǒng)的方法1200。在步驟1201中，可監(jiān)測恒定壓力操作期間的流體濾液通過量變化和恒定濾液通過量操作期間的壓力變化中的至少一個。在一方面，監(jiān)測流體濾液通過量的變化可包括測量在預(yù)定義的時間周期內(nèi)穿過膜的通量。作為實例，通量的變化可以通過流量傳感器來測量。在一方面，監(jiān)測壓力變化可包括測量預(yù)定義的時間周期內(nèi)的壓力。作為實例，壓力的變化可以通過壓力傳感器來測量。

在步驟1202中，結(jié)垢機制可基于濾液通過量的變化和壓力的變化中的至少一個來確定。在一方面，確定結(jié)垢機制可包括根據(jù)一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型執(zhí)行通量變化和/或壓力變化的數(shù)學(xué)分析。作為實例，一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型可包括Hermia氏模型、改進Hermia氏模型或串聯(lián)阻力模型。在一方面，確定結(jié)垢機制可包括根據(jù)一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型執(zhí)行通量變化和/或壓力變化的數(shù)學(xué)分析。作為實例，一個或多個預(yù)定結(jié)垢模型可包括Hermia氏模型、改進Hermia氏模型或串聯(lián)阻力模型。在一方面，結(jié)垢機制可包括濃度極化、化學(xué)活性分子的有機吸附、由于鹽和氫氧化物的沉淀所引起的結(jié)垢、由于大懸浮顆?；蛐∧z體顆粒的沉積所引起的濾餅和孔阻塞、由于惰性大分子的沉積所引起的凝膠形成、由于生物活性有機體的沉積和生長所引起的生物結(jié)垢等。

方程12描述了隨著阻礙給定驅(qū)動力的流動的阻力的累積膜結(jié)垢對通量下降的影響：

其中J是通過膜的滲透物通量，ΔP是跨膜壓力驅(qū)動力，μ是流體粘度，R_tot是總水力阻力，R_m是固有膜阻力，R_cp是由濃度極化引起的阻力，R_a是由溶質(zhì)吸附引起的阻力，R_p是由孔阻塞和濾餅形成引起的阻力，并且R_g是由表面凝膠形成引起的阻力。

在一方面，當(dāng)沒有發(fā)生結(jié)垢時，通量-壓力曲線可以是均勻線性的，因為只有固有膜阻力是一個因素。然而，結(jié)垢的開始可根據(jù)結(jié)垢的具體機制及其對增加的滲透物流量的總阻力的影響而反映在不同程度的斜率變化中。例如，可以通過將通量對時間曲線擬合為一系列預(yù)先存在的結(jié)垢模型，根據(jù)以下方程13和14的解來確定顆粒結(jié)垢的具體機制：

其中t是過濾時間，k和n是表征過濾工藝的常數(shù)，并且U是分別取決于恒定壓力或恒定通量操作的變化的滲透物體積V或跨膜壓力ΔP。因此，通過針對dt/dU繪制d²t/dU²并確定阻塞指數(shù)n的值，可以從單個圖中識別不同的阻塞機制。圖13示出了進行擬合測試以確定特定觀察到的顆粒結(jié)垢機制的不同結(jié)垢機制和單個通量對時間曲線的解決方案(Maiti,Sadrezadeh等2012)。此外，可使用通過修改Hermia經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷贸龅挠糜诮徊媪鬟^濾的一般方程：

其中J_p是滲透物通量(m/s)，t是過濾時間(s)，K_CF是取決于特定結(jié)垢機制的現(xiàn)象系數(shù)，J_pss是穩(wěn)態(tài)滲透物通量(m/s)，并且n再次為阻塞指數(shù)，其中完全孔阻塞、中間孔收縮、標(biāo)準(zhǔn)孔阻塞和濾餅過濾/凝膠形成的n分別＝2、1.5、1和0。使用這些模型來評估膜結(jié)垢的實例還見于(Chang,Yang等"Assessing the fouling mechanisms of high-pressure nanofiltration membrane using the modified Hermia model and the resistance-in-series model”Separation and Purification Technology 79(2011)329-336)中。因此，智能學(xué)習(xí)過程可對以經(jīng)驗方式產(chǎn)生的通量/壓力對時間曲線執(zhí)行實時數(shù)據(jù)分析，以確定什么結(jié)垢機制是有效的，以及什么最有效和最經(jīng)濟的清洗工藝有待采用。

在步驟1203中，可以基于所確定的結(jié)垢機制來選擇清洗方案。在一方面，確定清洗方案可包括選擇清洗方法和與清洗方法相關(guān)的一個或多個參數(shù)。作為實例，清洗方法可以包括反沖洗方法。作為實例，一個或多個參數(shù)可以包括壓力、持續(xù)時間、流速、溫度、具體化學(xué)添加劑和具體化學(xué)添加劑的劑量中的一個或多個。在一方面，具體化學(xué)添加劑可以包括酸、堿、氧化劑、螯合劑等中的一種或多種。

不同類型的清洗方案可用于結(jié)垢控制；然而，給定的清洗方案的功效可高度依賴于待去除的污物。表2將各種類型的膜污物與最有效的清洗技術(shù)配對：

表2

在一方面，選擇的過濾系統(tǒng)(諸如NF和RO)遭受異質(zhì)和空間依賴的結(jié)垢，所述異質(zhì)和空間依賴的結(jié)垢的影響不能通過監(jiān)測全規(guī)模系統(tǒng)數(shù)據(jù)來有效地捕獲。在這些應(yīng)用中，智能過濾管理系統(tǒng)的實施方案將包括與沿著全規(guī)模過濾系統(tǒng)的策略性部署的獨立結(jié)垢監(jiān)測器的連通。監(jiān)測結(jié)垢監(jiān)測器的性能數(shù)據(jù)將為智能過濾管理系統(tǒng)提供更高的靈敏度，以響應(yīng)于早期的結(jié)垢和通量下降跡象。

在一方面，對過濾器性能和完整性的辛勤監(jiān)測和測試在開發(fā)對過濾器的剩余使用壽命的清楚理解和確定何時需要更換方面可以是至關(guān)重要的。例如，用于即時故障響應(yīng)的膜完整性測試的手段可以包括靶向完整性測試期間的目測監(jiān)測。視頻捕獲可用于實時監(jiān)測一個或多個膜元件，從而檢測可疑膜元件的任何完整性破壞。

在具體方面，過濾管理系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測一個或多個膜元件的滲透物質(zhì)量。當(dāng)具體膜的完整性變得成問題時，過濾管理系統(tǒng)可以隔離用于原位泡沫完整性測試的一個或多個元件。一旦檢測到完整性破壞，過濾管理系統(tǒng)就可發(fā)送適當(dāng)?shù)木瘓蟛⒏綦x一個或多個有缺陷的膜以進行維護，從而使修理速度最大化，并且使對總體過濾系統(tǒng)性能的影響最小化。這些公開的系統(tǒng)和方法還可擴展以并入用于在由于設(shè)備故障、泄漏等所引起的過濾系統(tǒng)故障的事件中的實時系統(tǒng)診斷和維護響應(yīng)的其他系統(tǒng)度量。

在一方面，所述方法和系統(tǒng)可以執(zhí)行一個或多個所測量的性能度量的實時趨勢分析。所述方法和系統(tǒng)可以監(jiān)測給定設(shè)備的操作診斷，諸如過濾器的剩余壽命和預(yù)期更換日期。例如，可通過分析滲透水質(zhì)量趨勢以確定是否和/或何時發(fā)生系統(tǒng)完整性破壞來實現(xiàn)實時趨勢分析。在一方面，當(dāng)達到給定過濾系統(tǒng)的預(yù)定最小滲透性時，可使用過濾和回歸分析來外推。一旦確定已經(jīng)發(fā)生了合理的完整性破壞，瞬時和自動響應(yīng)就可開始以使系統(tǒng)停機時間最小化并防止總體系統(tǒng)故障。在一方面，所公開的系統(tǒng)和方法可適用于任何過濾系統(tǒng)，而不管是否在恒定通量或恒定壓力下操作。

圖14示出了過濾管理系統(tǒng)的方法1400。在步驟1401中，可監(jiān)測與過濾系統(tǒng)的一個或多個過濾器相關(guān)的一個或多個參數(shù)。在一方面，一個或多個參數(shù)可包括變壓器過濾器壓力、滲透物通量、滲透物濁度、滲透物鹽度、滲透物pH、滲透物鹽度、滲透物顏色、滲透物硬度、滲透物總有機濃度、一種或多種預(yù)定義的滲透離子的濃度、一種或多種預(yù)定義的有機分子的濃度。這些參數(shù)中的許多可以原位測量，諸如pH、鹽度、顏色和濁度；然而，一些可能需要定期取樣和非原位測量，諸如目標(biāo)無機和有機分子的濃度。例如，可通過使用集成探針追蹤穿過滲透物或進料溶液的光的量來以分光光度法的方式測量顏色和濁度。而無機和有機組分的目標(biāo)濃度可使用獨立的儀器來測量，所述獨立的儀器諸如電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜儀等。

在步驟1402中，可基于所監(jiān)測的一個或多個參數(shù)來確定一個或多個過濾器的條件。在一方面，當(dāng)基于所監(jiān)測的一個或多個參數(shù)確定一個或多個過濾器的條件時，可以基于所監(jiān)測的一個或多個參數(shù)來執(zhí)行統(tǒng)計分析。在一方面，統(tǒng)計分析可包括過濾和平滑分析、回歸和趨勢分析。作為實例，過濾和平滑分析可包括維納分析、卡爾曼分析、巴特沃斯分析、切比雪夫分析、橢圓分析、貝塞爾分析、高斯分析、移動平均分析和Savitsky-Golay分析。作為實例，回歸和趨勢分析可包括線性回歸分析、多元回歸分析、階乘回歸分析、多項式回歸分析、響應(yīng)面回歸、混合面回歸、單向方差分析(ANOVA)、主效應(yīng)ANOVA分析、階乘ANOVA分析、協(xié)方差分析、斜率均勻性分析、線性擬合分析、最小二乘擬合分析、Kendell檢驗分析、森氏斜率檢驗分析、Wilcoxon-Mann-Whitney步長趨勢分析、遺傳和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、其組合等。

在一方面，確定一個或多個過濾器的條件可以包括估計一個或多個過濾器的壽命。在一方面，如果估計的壽命低于預(yù)定義閾值(例如，兩天)，則可以發(fā)送通知。作為實例，通知可以包括一個或多個過濾器的估計更換日期?？上鄬τ诰唧w過濾器特性，諸如滲透性(例如，變壓器過濾器壓力和濾液流速)、不可逆結(jié)垢的程度和完整性測試來監(jiān)測過濾器條件。還可相對于操作參數(shù)和性能度量，諸如施加的壓力、通量維持(例如，機械和化學(xué)維持、原位清洗維持)和濾液質(zhì)量(例如，濁度)來監(jiān)測過濾器條件。將實時記錄的這些度量的值與預(yù)定閾值進行比較以計算模塊的剩余壽命。滲透性測量可實時記錄并且用于統(tǒng)計模型中以外推所隨著時間推移的預(yù)測的滲透性趨勢。由當(dāng)前過濾器的模型預(yù)測的實現(xiàn)閾值滲透性的時間量是剩余的模塊壽命。當(dāng)壽命剩余值達到預(yù)定閾值時，則可以更換過濾器。

在一方面，確定一個或多個過濾器的條件可以包括確定一個或多個過濾器的類型。作為實例，一個或多個過濾器的類型包括管狀聚合膜、中空纖維膜、螺旋卷繞膜、管狀陶瓷膜、其組合等。

在一方面，一個或多個過濾器的條件可包括即將到來的完整性破壞、檢測到的完整性破壞、即將到來的滲透性損失和檢測到的滲透性損失。

在步驟1403中，一個或多個維護程序可基于確定的條件來執(zhí)行。一個或多個維護程序可根據(jù)所述條件來使用。在一方面，一個或多個維護程序可包括過濾器隔離程序、過濾器修理程序、過濾器更換程序、過濾器釘扎程序、其組合等。

在一方面，無論是否由完整性破壞還是滲透性損失所引起的對具體過濾器條件的響應(yīng)均可根據(jù)系統(tǒng)所用的過濾器的類型而改變。例如，當(dāng)發(fā)生中空纖維膜的纖維故障時，故障的纖維膜可通過在斷裂纖維的端部插入小針或環(huán)氧樹脂來隔離，或者可從使用中永久地移除。作為另一個實例，螺旋卷繞納濾和反滲透膜可以在故障后更換。考慮到與過濾器故障和更換相關(guān)的高頻率和成本，故障的早期檢測和適當(dāng)準(zhǔn)備可在經(jīng)濟上有效的更換實踐中是非常有價值的。

圖15和圖16示出了使用本文所述的過濾管理系統(tǒng)和方法的實驗結(jié)果?？删幊踢壿嬁刂破鞅痪幊虂碓诤愣ǖ氖┘訅毫ο虏僮鬟^濾系統(tǒng)。允許過濾系統(tǒng)的通量自然衰減，直到達到預(yù)先計算的最小值，然后該最小值將觸發(fā)維護程序，例如如圖15所示的濾液反洗。與利用預(yù)定義的維護程序頻率的常規(guī)過濾工藝不同，過濾管理系統(tǒng)可以通過允許過濾系統(tǒng)性能要求適當(dāng)?shù)木S護程序諸如清洗方案來適應(yīng)環(huán)境條件。圖16示出了過濾管理系統(tǒng)如何因此能夠適應(yīng)環(huán)境條件(諸如給水質(zhì)量和溫度)的劇烈變化性。具體地，油濃度和水溫的劇烈擺動可能在初始啟動階段導(dǎo)致顯著的通量損失。作為響應(yīng)，過濾管理系統(tǒng)可以增加反洗的頻率以及化學(xué)清洗的數(shù)量，各自被表示為“原位清洗”(CIP)。過濾管理系統(tǒng)在約24小時的操作之后最終穩(wěn)定了膜的性能，這導(dǎo)致最小化的通量下降和CIP頻率。

在示例性方面，方法和系統(tǒng)可在如圖17所示的和如下所述的計算機1701上實施。類似地，所公開的方法和系統(tǒng)可利用一個或多個計算機來在一個或多個位置中執(zhí)行一個或多個功能。圖17是示出用于執(zhí)行所公開的方法的示例性操作環(huán)境的框圖。此示例性操作環(huán)境僅是操作環(huán)境的一個實例，并且不旨在對操作環(huán)境架構(gòu)的使用或功能性的范圍提出任何限制。也不應(yīng)將操作環(huán)境解釋為具有與示例性操作環(huán)境中所示的部件中的任一個或組合有關(guān)的任何依賴性或要求。

本發(fā)明方法和系統(tǒng)可以與許多其他通用或?qū)Ｓ糜嬎阆到y(tǒng)環(huán)境或配置一起操作?？蛇m于與所述系統(tǒng)和方法一起使用的公知計算系統(tǒng)、環(huán)境和/或配置的實例包括但不限于個人計算機、服務(wù)器計算機、膝上型設(shè)備和多處理器系統(tǒng)。另外實例包括機頂盒、可編程消費電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)PC、小型計算機、大型計算機、包括以上系統(tǒng)或設(shè)備中的任一個的分布式計算環(huán)境等。

所公開的方法和系統(tǒng)的處理可由軟件部件來執(zhí)行。所公開的系統(tǒng)和方法可在由一個或多個計算機或其他設(shè)備執(zhí)行的計算機可執(zhí)行指令諸如程序模塊的一般上下文中描述。通常，程序模塊包括用來執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)嵤┨囟ǔ橄髷?shù)據(jù)類型的計算機代碼、例程、程序、對象、部件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。所公開的方法還可在基于網(wǎng)格的和分布式計算環(huán)境中實踐，在所述環(huán)境中任務(wù)由通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的遠程處理設(shè)備來執(zhí)行。在分布式計算環(huán)境中，程序模塊可定位在包括內(nèi)存存儲裝置的本地和/或遠程計算機存儲介質(zhì)中。

此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本文所公開的系統(tǒng)和方法可通過呈計算機1701形式的通用計算設(shè)備來實施。計算機1701可以包括一個或多個部件，諸如一個或多個處理器1703、系統(tǒng)存儲器1712，以及將包括一個或多個處理器1703的計算機1701的不同部件耦接到系統(tǒng)存儲器1712的總線1713。在多處理器1703的情況下，系統(tǒng)可以利用并行計算。

總線1713可以包括幾個可能類型的總線結(jié)構(gòu)中的一個或多個，諸如存儲器總線、存儲器控制器、外圍總線、加速圖形端口以及使用各種總線架構(gòu)中的任一種的處理器或局部總線。例如，所述架構(gòu)可以包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)(ISA)總線、微通道架構(gòu)(MCA)總線、增強型ISA(EISA)總線、視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)局部總線、加速圖形端口(AGP)總線，以及外圍部件互連(PCI)、PCI-Express總線、個人計算機存儲卡工業(yè)協(xié)會(PCMCIA)、通用串行總線(USB)等。總線1713和本說明書中指定的所有總線還可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接來實施，并且計算機1701的部件中的一個或多個，諸如一個或多個處理器1703、大容量存儲設(shè)備1704、操作系統(tǒng)1705、數(shù)據(jù)處理軟件1706、通量數(shù)據(jù)1707、網(wǎng)絡(luò)適配器1708、系統(tǒng)存儲器1712、輸入/輸出界面1710、顯示適配器1709、顯示設(shè)備1711和人機界面1702可以包含在物理上分離的位置處的一個或多個遠程計算設(shè)備1714a、b、c內(nèi)，通過這種形式的總線連接，從而實際上實施完全分布式系統(tǒng)。

計算機1701通常包括各種計算機可讀介質(zhì)。示例性可讀介質(zhì)可以是可由計算機1701訪問的任何可用介質(zhì)，并且包括(例如但不意在限制)易失性和非易失性介質(zhì)、可移動和不可移動介質(zhì)。系統(tǒng)存儲器1712可包括成以下形式的計算機可讀介質(zhì)：易失性存儲器，諸如隨機訪問存儲器(RAM)和/或非易失性存儲器，諸如只讀存儲器(ROM)。系統(tǒng)存儲器1712通?？砂ㄖT如通量數(shù)據(jù)1707的數(shù)據(jù)，和/或諸如可由一個或多個處理器1703訪問和/或操作的操作系統(tǒng)1705和數(shù)據(jù)處理軟件1706的程序模塊。

在另一方面，計算機1701還可以包括其他可移動/不可移動、易失性/非易失性計算機存儲介質(zhì)。大容量存儲設(shè)備1704可以提供用于計算機1701的計算機代碼、計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊和其他數(shù)據(jù)的非易失性存儲。例如，大容量存儲設(shè)備1704可以是硬盤、可移動磁盤、可移動光盤、磁性盒或其他磁存儲設(shè)備、閃存卡、CD-ROM、數(shù)字通用光盤(DVD)或其他光存儲器、隨機訪問存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)等。

任選地，任何數(shù)量的程序模塊可以存儲在大容量存儲設(shè)備1704(包括例如操作系統(tǒng)1705和數(shù)據(jù)處理軟件1706)上。操作系統(tǒng)1705和數(shù)據(jù)處理軟件1706(或其某種組合)中的一個或多個可以包括編程和數(shù)據(jù)處理軟件1706的元件。通量數(shù)據(jù)1707也可存儲在大容量存儲設(shè)備1704上。通量數(shù)據(jù)1707可存儲在本領(lǐng)域中已知的一個或多個數(shù)據(jù)庫中的任一個中。所述數(shù)據(jù)庫的實例包括Access、SQL Server、mySQL、PostgreSQL等。數(shù)據(jù)庫可以是集中式的或跨過網(wǎng)絡(luò)1715內(nèi)的多個位置分布。

在一方面，用戶可通過輸入設(shè)備(未示出)將命令和信息輸入到計算機1701中。所述輸入設(shè)備的實例包括但不限于鍵盤、指向設(shè)備(例如，計算機鼠標(biāo)、遙控器)、麥克風(fēng)、操縱桿、掃描儀、觸覺輸入設(shè)備諸如手套，以及其他身體覆蓋物、運動傳感器等。這些和其他輸入設(shè)備可以通過耦接到總線1713的人機界面1702連接到一個或多個處理器1703，但是可以通過其他界面和總線結(jié)構(gòu)來連接，所述其他界面和總線結(jié)構(gòu)諸如并行端口、游戲端口、IEEE 1394端口(也稱為火線端口)、串行端口、網(wǎng)絡(luò)適配器1708和/或通用串行總線(USB)。

在又一方面，顯示設(shè)備1711還可以通過諸如顯示適配器1709的界面連接到總線1713。可以設(shè)想，計算機1701可具有多于一個的顯示適配器1709，并且計算機1701可以具有多于一個的顯示設(shè)備1711。例如，顯示設(shè)備1711可以是監(jiān)測器、LCD(液晶顯示器)、發(fā)光二極管(LED)顯示器、電視、智能透鏡、智能玻璃和/或投影儀。除了顯示設(shè)備1711之外，其他輸出外圍設(shè)備還可包括諸如可通過輸入/輸出界面1710連接到計算機1701的揚聲器(未示出)和打印機(未示出)的部件。方法的任何步驟和/或結(jié)果可以任何形式輸出到輸出設(shè)備。所述輸出可以是任何形式的視覺表示，包括但不限于文本表示、圖形表示、動畫表示、音頻表示、觸覺表示等。顯示器1711和計算機1701可以是一個設(shè)備或單獨設(shè)備的一部分。

計算機1701可在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用與一個或多個遠程計算設(shè)備1714a、b、c的邏輯連接操作。例如，遠程計算設(shè)備1714a、b、c可以是個人計算機、計算站(例如工作站)、便攜式計算機(例如膝上型、移動電話、平板設(shè)備)、智能設(shè)備(例如智能電話、智能手表、活動追蹤器、智能服裝、智能配件)、安全和/或監(jiān)測設(shè)備、服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)計算機、對等設(shè)備、邊緣設(shè)備或其他公共網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等。計算機1701與遠程計算設(shè)備1714a、b、c之間的邏輯連接可以通過網(wǎng)絡(luò)1715諸如局域網(wǎng)(LAN)和/或通用廣域網(wǎng)(WAN)來進行。所述網(wǎng)絡(luò)連接可以通過網(wǎng)絡(luò)適配器1708進行。網(wǎng)絡(luò)適配器1708可在有線和無線環(huán)境中實施。所述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在住宅、辦公室、企業(yè)范圍計算機網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)中是常規(guī)和常見的。

出于說明的目的，應(yīng)用程序和其他可執(zhí)行程序部件諸如操作系統(tǒng)1705在本文說明為離散塊，但是認識到所述程序和部件可以在不同時間處駐留在計算設(shè)備1701的不同存儲部件中，并且由計算機1701的一個或多個處理器1703執(zhí)行。數(shù)據(jù)處理軟件1706的實施可存儲在某種形式的計算機可讀介質(zhì)上或傳輸出穿過某種形式的計算機可讀介質(zhì)。所公開方法中的任一個可由體現(xiàn)在計算機可讀介質(zhì)上的計算機可讀指令來執(zhí)行。計算機可讀介質(zhì)可以是可由計算機訪問的任何可用介質(zhì)。例如但不意在限制，計算機可讀介質(zhì)可以包括“計算機存儲介質(zhì)”和“通信介質(zhì)”?！坝嬎銠C存儲介質(zhì)”可包括以任何方法或技術(shù)實施的用于存儲信息諸如計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)的易失的和非易失的、可移動和不可移動的介質(zhì)。示例性計算機存儲介質(zhì)可包括RAM、ROM、EEPROM、閃存或其他存儲器技術(shù)、CD-ROM、數(shù)字通用光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲器、磁性盒、磁帶、磁盤存儲器或其他磁存儲設(shè)備或可用于存儲所需信息并可由計算機訪問的任何其他介質(zhì)。

所述方法和系統(tǒng)可以采用人工智能(AI)技術(shù)，諸如機器學(xué)習(xí)和迭代學(xué)習(xí)。所述技術(shù)的實例包括但不限于專家系統(tǒng)、基于案例的推理、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、基于行為的AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)、進化計算(例如遺傳算法)、群體智能(例如螞蟻算法)，以及混合智能系統(tǒng)(例如通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的專家推理規(guī)則或來自統(tǒng)計學(xué)習(xí)的生產(chǎn)規(guī)則)。

雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施方案和具體實施例描述了方法和系統(tǒng)，但是并不旨在將范圍限于所闡述的特定實施方案，因為本文的實施方案在所有方面均旨在說明而非限制。

雖然可以用特定的法定類別(如系統(tǒng)法定類別)對本公開的方面進行描述和要求保護，但這僅是為了方便，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到可以用任何的法定類別對本公開的各方面進行描述和要求保護。除非另外明確說明，否則決不旨在將本文闡述的任何方法或方面解釋為要求以特定順序執(zhí)行其步驟。因此，在權(quán)利要求書或說明書中，當(dāng)方法權(quán)利要求沒有確切地說明步驟是限于特定順序時，在任何方面決非旨在推斷順序。這適用于任何可能的用于解釋的非表達基礎(chǔ)，包括相對于步驟安排或操作流程的邏輯事項、從語法組織或標(biāo)點符號得到的清晰含義、或者在說明書中描述的方面的數(shù)量或類型。

本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易知可產(chǎn)生本公開的各種修改和變化而不背離本公開的范圍或精神。從本文所公開的方法和/或系統(tǒng)的說明書和實踐的考慮，本公開的其他實施方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將為顯而易見的。預(yù)期說明書和實施例僅被視為示例性的，其中本公開的真實范圍和精神由所附權(quán)利要求書指示。