JPH024497A

JPH024497A - メタン製造装置の制御装置

Info

Publication number: JPH024497A
Application number: JP63151294A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Miura; 良輔三浦; Kazuo Shibazaki; 柴崎　和夫; Shioko Kurihara; 潮子栗原
Original assignee: AKUA RUNESANSU GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Current assignee: AKUA RUNESANSU GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1990-01-09
Also published as: JPH0463756B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、有機性廃水を嫌気性処理するメタン製造装
置の制御装置に関し、特に２種以上の信号の時系列デー
タの相互関係を分析してメタン製造装置の運転状態を把
握し、必要な運転管理方法を指示することができるメタ
ン製造装置の制御装置に関する。

（従来の技術）下水や産業廃水を嫌気的に処理し、介在するメタン醗酵
によって燃料として利用価値の高いメタンガスを製造す
ることは、処理コストの削減や発生汚泥量の低減などが
期待される有望な技術である。

介在するメタン醗酵は、これを司どるメタン菌が信性の
嫌気性細菌のために空気の混入を非常に嫌い、さらに発
生するガスが可燃性気体であるために、装置全体を密閉
系としなければならない。

そのため、従来の好気性および通性の装置と比べ、醗酵
の状態の監視が非常にしにくいものである。

そこで、従来より、メタン製造装置に流入する廃水の流
量や有機物濃度および発生するガス量やその組成、さら
に流出する処理スイ・ｙチの水質を検知し、これらの値
からメタン製造装置内部で生じている生物化学反応の状
態を解析する数理モデルが利用されてきた。

（発明が解決しようとする課題）しかし、数理モデルによって演算できる生物化学反応は
極めて限定されたものであり、かつ検出可能な水質因子
もｐＨやＯＲＰ等種類が限られていること、およびそれ
らのプロセス計測器としての信顆性も好気性処理のもの
と比べてかなり低く、数理モデルを用いた制御システム
制御精度も極めて低く、はとんど実用に供し得ない状態
である。

そのため、メタン製造装置の運転管理は従来、上記のよ
うな制御システムによらず、自ずと運転員の長年の経験
に基づく管理手法に委ねられ、従って手動運転が主に行
なわれており、汎用性のあるメタン製造装置の制御装置
の出現が望まれていた。

ところで、メタン製造装置から得ることの出来る信顆性
のある信号は、水質に関する信号よりも流量に関する信
号であり、流量信号の中でも下水や排水等の廃水の流入
流量（以下、流入量と称する）と発生するガスの流出Ｒ
（以下、ガス流量と称する）とは、容易に長期間安定し
て得ることの出来る信号である。

そこで、発明者は、これらの安定して得られるメタン製
造装置の流量信号を入力信号とする制御システムに注目
し、その開発を試みた。

−数的に、流入量とガス流量との関係は、現行の手動運
転によるメタン製造装置の管理手法においても重要な監
視項目である。すなわち、運転員であるメタン製造装置
の専門家（エキスパート）は、流入量の特性およびガス
流量の応答特性に関し、相互に関係付ける規範を経験的
に蓄積しており、その規範に準拠して日常の運転管理を
行なっている。

しかしながら、専門家（エキスパート）が準拠する規範
はしばしば個々人によって異なっており、しかも使用す
る用語も共通でない場合がある。そのため、従来の手動
による運転管理は実用的ではあるが体系的でなく、また
専門的ではあるが客観性に乏しいという問題点があった
。

さらに、メタン製造装置の形式や装置の規模、廃水の性
質の違いによってその判断がばらつく問いう問題点もあ
った。

この発明は、このような従来のメタン製造装置の制御装
置の問題点に鑑みてなされたもので、流入量とガス流量
という従来の経験的管理方法において重要であり、かつ
信顆性のある信号の時系列データを活用し、これら２種
類の信号を含む複数の信号の２階時間差分値間の相互関
係を分析して特徴を抽出し、運転操作員（エキスパート
）の経験的知識との特徴の比較により最適な運転管理方
法を見出だすことのできるメタン製造装置の制御装置を
提供することを目的とする。

［発明の構成］〈課題を解決するための手段）この発明は、都市下水や工場排水等の有機性廃水を嫌気
性処理をしてメタンガスとして回収するメタン製造装置
の制御装置において、メタン製造装置に流入する流体に
関する信号と流出する流体に関する信号との双方を含む
複数の信号の時系列データを記憶するデータ記憶部と、
前記データ記憶部に記憶された複数の信号の時系列デー
タから時間要素を消去して相互関係を求め、応答の標準
形との比較により応答遅れ時間を含むプロセスの特徴を
抽出する分析部と、前記複数の信号の相互関係の特徴と
メタン製造装置の運転管理方法との因果関係を定めた知
識ベースと、前記分析部の分析結果と前記知識ベースに
基づいて運転管理方法を決定する推論部とを備えたもの
である。

（作用）一般に、メタン製造装置のようなプロセスの入出力時系
列信号を、専門家（エキスパート）の経験的知識を用い
る制御システムに利用する場合、しばしば時系列信号デ
ータは様々な手法でその応答特性が分析され、その分析
結果が制御システムにおけるプロセスに関する知識に変
換される。

そこで、この発明のメタン製造装置の制御装置では、メ
タン製造装置に流入する流体に関する信号と、メタン製
造装置から流出する流体に関する信号との間での応答遅
れ時間をも考慮して、これらの入出力信号間の相互関係
を求め、前記入出力信号間の相互関係の標準類型との比
較により実際のメタン製造装置の運転特性を抽出し、必
要な運転管理方法をエキスパートの経験的知識データと
の比較により見出だすことにより、Ｉ＆適な運転管理を
実現するのである。

すなわち、入出力信号の時系列データＸ（ｔ）。

Ｙ（ｔ）は、次式で時間差分時系列データ文（１）、？
（１）に変換される。

文（ｔ）＝Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−１）・・・（１）室　（
ｔ　）　　＝Ｙ　　（ｔ　）　　−Ｙ　　（ｔ−１）　
　・・・　（２）ここで、ｔ、ｔ−ｉ、・・・はサンプ
リング時刻である。

ついで、２種のプロセス信号の時系列データＸ（ｔ）、
Ｙ　（ｔ）の相互関係、また１階時間差分時系列データ
の相互関係が、入出力信号間の実際の時間遅れτを考慮
しながら、双方の共通の変数である時間要素を消去する
ことにより求められる。

そして、これは、＜ｘ、ｙ）座標上に（Ｘ（ｔ−τ）、
Ｙ（ｔ））；（文（ｔ−τ）、室（ｔ））をプロットす
ることにより得られる図形として表現することができる
。

そして、これらの図形の性質は、プロセスの応答状態を
反映しており、かつ運転操作方法と直接関連している。

そこで、この入出力信号間の時間遅れτをも考慮した図
形から特徴を抽出し、エキスパートの経験的知識から得
られた知識ベースと比較することにより、プロセスの運
転状態を把握できると共に、必要な運転管理方法を自動
的に見出だすことができる。

（実施例）以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、
制御装置１は、データ記憶部２、分析部３、知識ベース
４および推論部５から構成されている。

そして、メタン製造装置６からのデータの入力端７がデ
ータをデータ記憶部２に与えるようになっている。また
推論部５の出力はインタフェース部８を介して表示器９
に接続され、同時にメタン製造装置６の操作出力ｔ４１
０に接続されている。

第２図は、前記分析部３の詳しい内部構成を示しており
、後述するように線図化回路１１と、この線図化回路１
１により得られた線図情報からメタン製造装置６の属性
値を種々の応答遅れ時間に対応して演算する属性値演算
回路１２と、この属性値演算回路１２で得られた種々の
遅れ時間に対する属性値を予め記憶されている標準類型
と比較し、遅れ時間でを求めると共に、特徴リストを抽
出する標準形選択回路１３とから構成されている。

上記の構成のメタン製造装置の制御装置の動作について
、次に説明する。

制御装置１は、メタン製造装置６から入力＠７を介して
メタン製造袋Ｎ６に流入する廃水の流入量信号と、メタ
ン製造装置６内で発生するメタンガスの排出量信号とを
取り込み、データ記憶部２にメタン製造装置６の時系列
データとして記憶する。

次に分析部３において、上記時系列データからメタン製
造装置６に対する前記入出力信号間の相互関係の特徴を
表わす特徴リストが後述する手順で生成される。

この特徴リストは、知識ベース４に送られ、知識ベース
４に格納されている知識データを修正する。

この修正された知識ベース４内の知識データは、推論部
５に参照されて記号処理され、メタン製造装置６を制御
するための１＆適な運転管理方法を決定する。

そして、この推論部５による運転管理方法の決定内容が
、制御装置１の出力としてインタフェース部８を介して
表示器９と操作出力＠１０とに与えられる。

このような推論動作により、制御装置１内に取り込まれ
る時系列データを基にして最適な運転管理方法の自動決
定がなされるのであるが、前記分析部３における特徴リ
スト生成の演算動作について、第４図に示すフローチャ
ートを基に、さらに詳しく説明する。

第２図の分析部３において、第１図に示したデータ記憶
部２に記憶されている少なくとも２種のプロセス信号、
つまり廃水の流入量とメタンガスの排出量との時系列デ
ータ（Ｘ　（ｔ）　、　Ｙ　（ｔ）　）を読み込み、線
図化回路１１に入力される。

線図化回路１１においては、次式に従って２種の時系列
データの時間差分を演算し、１階時間差分時系列データ
（Ｘ　（ｔ）　、　Ｙ　（ｔ）　）を得る（ステップＳ
１）。

Ｘ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−１＞・・・（３）Ｙ　（
ｔ）−Ｙ（ｔ）−Ｙ（ｔ−１）・・・　（４）次に、こ
れらのプロセス信号、１階時間差分信号それぞれの規格
化演算が、次式に従って行なわれる（ステップＳ２）。

プロセス　号の　　　　　式％式％）１時差　の　　式文（１）−文７大（１）・・・　（７）文（ｔ）＝　　　　　　　　　・・・（８）σ文ここで、σＸ、σｙ；σに、σ文は標準偏差、ＸＴ　　
ＹＴ　、文７．室７は時系列データＸ（ｔ）。

Ｙ（ｔ）；文（ｔ）、？（１）の期間Ｔの間の平均値で
ある。

さらに、規格化されたプロセス信号（ｘ、ｙ）と、その
１階時間差分信号（大、９）とは、応答時間遅れτ（τ
は種々変動させる）を考慮して、＜ｘ、ｙ）座標上に（
ｘ　（ｔ−τ）、ｙ（ｔ））；（大（ｔ−τ）１文（ｔ
））をプロットすることにより、それぞれ第３図（ａ）
、（ｂ）に示すように時間要素を消去した相互関係を示
す線図として表わされる（ステップ３３）。この第３図
の時系列データの線図は、その期間Ｔとして２４時間の
毎時間ごとの信号を用いたものである。

このようにして得られた線図は、ついで属性値演算回路
１２に伝送される。

属性値演算回路１２では、前記遅れ時間τを変動させる
ことにより、遅れ時間ごとに一時的な特徴リストを作成
する（ステップＳ４）。

この−時的な特徴リストは、次に標準形選択回路１３に
伝送され、予め記憶されている標準類型の特徴リストと
照合され、最近似する標準類型が選択される（ステップ
Ｓ５，３６＞。

得られた特徴リストの一例が第５図に示されている。

このようにして生成された特徴リストは、属性と属性値
一対の集合としてメタン製造装置６の期間Ｔにおける特
徴を表わしており、属性リスト、すなわち（属性、属性
値）の集合として推論部５における推論演算によって知
識ベース４の知識データと対照され、メタン製造装置６
の運転管理方法の決定に利用される。

尚、知識ベース４は、第５図の特徴リストにおける上記
の属性リストと運転管理指標との関係を予め定めた知識
データを記憶している。

推論部５の推論によって決定されたメタン製造装置６の
運転管理指標は、制御装置１から出力され、推論部５で
の決定の内容および推論に用いられた知識ベース４内の
知識データおよび、推論の筋道等が表示部９に表示され
て運転員に知らせると共に、決定された運転管理指標の
内容がメタン製造装置６の操作出力端１０に伝送される
。

ここで、特徴リストの属性リストと知識ベース４内の知
識データとの対照により推論動作によって運転管理方法
を決定するルールの例を示してみると、次のようになる
。

ＲＵＬＥ　　ＩＧＡＴＢＩ：Ｐ（標準偏差≧レベル（５））、かつ（回転角ｘｙ＝レベル（−１））、かつ（！！択形
＝標準形（２））、かつ（遅れ時間＝レベル（十６））ＨＥＮ（取水ゲー）＝＋２０％）すなわち、有機性廃水の流入ｉＸの標準偏差が高く、予
め決められている級数（５）以上であり、かつ線図（大
９文）の図形（この場合は、三角形）の傾きが予め切れ
られている級数の（−１）であり、かつ選択形は標準形
の（２）であり、かつ標準形（２）の遅れ時間が長くて
レベル（＋６）である場合には、取水ゲートを＋２０％
増加して有機性廃水の流入量を低減させなければならな
い、という運転管理方法が推論の途中で候補となり、た
の候補と共に可能性の高い決定要素とされるのである。

このようにして、メタン製造装置６への廃水の流入量信
号とメタン製造装置６内で発生したメタンガスの流出量
信号とを含む少なくとも２種類のプロセス信号に対して
、応答時間遅れも考慮しながら時間要素を消去して相互
関係を求め、また１階時間差分値についても応答時間遅
れら考慮しながら時間要素を消去することにより相互関
係を求め、これらから予め記憶されている標準類型との
パターンマツチングをとり、特徴リストを抽出する。

そして、得られた特徴リストを知識ベース４に記憶され
ているエキスパートの経験的知識データと比較してメタ
ン製造装置６の必要な運転管理方法を指示することによ
り、エキスパートの判断に近い適確な運転管理を自動的
に行なうことができるのである。

尚、上記の実施例では廃水の流入量とメタンガスの流出
量の２種類について相互関係を求めるようにしているが
、３種類以上のプロセス信号について、応答時間遅れを
も考慮しながらそれらの時間要素を消去して相互関係を
求め、特徴リストを作成して運転管理方法を決定するよ
うにすることら無論できるものである。

［発明の効果コ以上のようにこの発明によれば、メタン製造装置のプロ
セス信号の時系列データから応答時間や登録請求の範囲
を考慮しながら時間要素を消去して入出力信号相互の関
係を求め、Ｆ！Ａ準類型との照合によりメタン製造装置
の特性を抽出し、得られた特性を知識ベースの知識デー
タと比較して推論し、必要な運転管理方法を決定するも
のであるなめ、専門家（エキスパート）の経験に基づく
判断に近い判断が自動的に実行でき、極めて適確な運転
管理を行なうことができる。

さらに、メタン製造装置のプロセス信号の１階時間差分
信号についても応答時間遅れを考慮しながらその時間要
素を消去して入出力信号の相互関係を求め、標２（！８
類型との照合によりメタン製造装置の特性を抽出し、得
られた特性を知識ベースの知識データと比較して推論し
、最適な運転管理方法を決定するようにすれば、メタン
製造装置の運転状態の大きな変化に対しても追従性の良
い運転管理が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図は上
記実施例における分析部の詳しい構成を示すブロック図
、第３図（ａ）、（ｂ）は上記実施例により得られた特
性線図、第４図は上記の分析部の動作を説明するフロー
チャート、第５図は上記分析部で得られる特徴リストの
一例の構造図である。１・・・制御装置　　　　２・・・データ記憶部３・・
・分析部　　　　　４・・・知識記憶部５・・・推論部
　　　　　６・・・メタン製造装置１１・・・線図北回
＃Ｉ　　１２・・・属性値演算回路１３・・・標準形選
択回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）都市下水や工場排水等の有機性廃水を嫌気性処理
をしてメタンガスとして回収するメタン製造装置の制御
装置において、メタン製造装置に流入する流体に関する信号と流出する
流体に関する信号との双方を含む複数の信号の時系列デ
ータを記憶するデータ記憶部と、前記データ記憶部に記
憶された複数の信号の時系列データから時間要素を消去
して相互関係を求め、応答の標準形との比較により応答
遅れ時間を含むプロセスの特徴を抽出する分析部と、前
記複数の信号の相互関係の特徴とメタン製造装置の運転
管理方法との因果関係を定めた知識ベースと、前記分析
部の分析結果と前記知識ベースに基づいて運転管理方法
を決定する推論部とを備えて成るメタン製造装置の制御
装置。
（２）前記データ記憶部に記憶する時系列データが、有
機性廃水の流入量信号とメタン製造装置で発生するメタ
ンガスの排出量信号とを含むことを特徴とする請求項１
記載のメタン製造装置の制御装置。
（３）前記時系列データが、前記メタン製造装置に対す
る流体の流入に関する信号とメタン製造装置から流出す
る流体に関する信号とのそれぞれの１階時間差分信号で
あることを特徴とする請求項１または２記載のメタン製
造装置の制御装置。