JPH0968170A - 下水処理場の汚水ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】汚水流入量の変動はある範囲内に抑えながら、
輸送量がなるべく一定になるよう汚水ポンプを制御す
る。 【構成】過去のある時点から現在までに汚水貯留施設へ
入ってきた実績流入量と、プラントデータをもとに、現
在より先のある一定時間内に流入する汚水量を予測し、
予め設定されたポンプ吐出量の目標値と、予測流入量
と、実績流入量と、現在の貯蔵量と、現在のポンプ吐出
量の情報より演算される情報を入力とし、予め決定され
たメンバーシップ関数・ルールに従い、ファジィ推論に
よりポンプの目標吐出量を決定する。 【効果】汚水の流入量変動を抑えながらポンプ吐出量を
なるべく一定にすることができるので、汚水処理施設で
の処理が安定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水処理場における汚
水ポンプの制御装置に係り、特に汚水貯留施設に非定常
に流入してくる汚水を、流入量にかかわらずになるべく
一定量だけ汚水処理施設に輸送するようにした汚水ポン
プ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場は、下水処理区域から下水管
渠を経て集められた汚水を貯蔵する汚水貯留施設と汚水
処理施設及び汚水貯留施設から汚水処理施設へと汚水を
輸送する汚水ポンプとを有する。また、汚水貯留施設内
には、通常、下水の流入渠と除塵水路及びポンプ井とが
備えられる。

【０００３】汚水は、管渠より汚水貯留施設内の流入渠
に流入しポンプ井へと達する。その後、汚水ポンプによ
り汚水処理施設へと輸送されて処理され、河川へ放流さ
れる。

【０００４】汚水ポンプを自動運転する場合には、通
常、汚水ポンプの吐出量を一定に保つ吐出量一定制御
と、ポンプ井の水位を一定に保つ水位一定制御のうちの
どちらか一方の制御方法が採用される。

【０００５】吐出量一定制御では、下水処理場への汚水
の流入量の変動によりポンプ井の水位が変動する。

【０００６】一方、水位一定制御では、ポンプ井の水位
は一定に保たれるがポンプの吐出量が変動する。

【０００７】汚水処理施設側からみれば、処理施設に流
入する汚水の量をなるべく一定に保ち、安定した処理を
したいという要求がある。しかし、ポンプ井の水位の変
動を無視するために、異常な水位変動により汚水貯留施
設の浸水やポンプ故障を引き起こしやすいという問題が
ある。

【０００８】このようなことから、吐出量一定制御或い
は水位一定制御に代わるものとして、現在の水位と過去
の水位の変化の傾向をみてポンプを運転するようにした
発明及び或いはポンプ井への流入流量パターンを記憶
し、これにより吐出量がなるべく変化しないような吐出
量パターンを作成してポンプを運転するようにした発明
が見出され、前者は特開平3−184101 号公報，特開平4
−191482 号公報に示され、後者は特開平3−115786 号
公報に示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平3−184101 号公
報に記載された発明では、ポンプ井の水位の変化傾向か
らポンプ起動時のポンプ井水位とポンプ停止時のポンプ
井水位とを決定して、汚水ポンプ吐出量を制御してい
る。この発明には、汚水ポンプ吐出量を一定に制御する
という考えはない。

【００１０】特開平4−191482 号公報及び特開平2−115
786 号公報に記載された発明では、いずれも汚水ポンプ
吐出量の平準化をめざしている。しかし、特開平3−115
786号公報に記載の発明では、記憶した流入流量パター
ンと実際の流入流量とが違ったときに対応できないとい
うように、必ずしも満足のいく制御法になっていない。

【００１１】本発明は、非定常に流入してくる汚水を、
流入量にかかわらずになるべく一定量を汚水処理施設に
輸送できるようにした汚水ポンプ制御装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、汚水貯留施設
内の流入渠の水位とポンプ井の水位及び除塵水路のゲー
ト開度、汚水ポンプの吐出量の各時系列データを保存す
るプラントデータ保存手段と、前記プラントデータ保存
手段に保存されたポンプ井水位と汚水ポンプ吐出量とに
基づいて、過去のある時点から現在までに下水処理場に
流入した汚水量を演算する実績流入量演算手段と、前記
プラントデータ保存手段に保存された時系列データと前
記実績流入量及び実績流入量の変化率に基づいて、現在
より先のある一定時間内に汚水貯留施設に流入する汚水
流入量を予測する汚水流入量予測手段と、前記ポンプ井
水位と予め定めたポンプ井の目標水位とからポンプ井水
位偏差を求め、前記汚水流入量予測手段で得られた予測
流入量と前記ポンプ吐出量とから揚水量偏差を求めて、
これらによりポンプ井の水位をある範囲内に抑えながら
吐出量をなるべく一定にする目標吐出量演算ルールを作
成して該ルールに従い汚水ポンプの吐出量を決定する目
標吐出量演算手段と、該目標吐出量演算手段で決定され
た吐出量になるように汚水ポンプの運転台数，回転数及
び吐出弁の開度の少なくとも１つを制御する汚水ポンプ
運転制御手段とを備えたことを特徴とする下水処理場の
汚水ポンプ制御装置にある。

【００１３】プラントデータ保存手段に保存された時系
列データと前記実績流入量演算手段で求められた実績流
入量及び実績流入量の変化率を用いてバックプロパゲー
ション法によりニューラルネットワークの重み係数を決
定する学習手段を備え、プラントデータ保存手段に保存
された時系列データと実績流入量演算手段で求められた
実績流入量及び実績流入量の変化率を入力とし、該重み
係数をもとに、現在より先のある一定時間内に前記汚水
貯留施設に流入する汚水流入量を予測する前記汚水流入
量予測手段とを備えることは更に望ましい。

【００１４】また、プラントデータ保存手段に保存され
たポンプ井水位とポンプ吐出量、予め定めたポンプ井の
目標水位及び前記汚水流入量予測手段で得られた予測流
入量を用い、ファジィ推論において、ポンプ位の水位変
動はある範囲内に抑えながら吐出量をなるべく一定にす
るように演算するためのメンバーシップ関数，推論ルー
ルを変更する手段を設けて、プラントデータ保存手段に
保存されたポンプ井水位とポンプ吐出量、予め定めたポ
ンプ井の目標水位及び前記汚水流入量予測手段で得られ
た予測流入量を入力とし、前記メンバーシップ関数と推
論ルールに従いファジィ推論により汚水ポンプの目標吐
出量を決定することも望ましい。

【００１５】本発明において、汚水貯留施設内の流入渠
の水位とポンプ井の水位とが同一の挙動を示すように構
成されている場合には、流入渠水位とポンプ井水位のど
ちらか一方が学習手段或いは汚水流入量予測手段に入力
されるようにしてもよい。

【００１６】

【作用】本発明では、下水処理場の汚水貯留施設にこれ
から先の一定時間に流入する汚水の流入量を予測し、更
に現在及び将来の汚水流入状況をもとに、なるべく汚水
の目標輸送量を変化させないように予め定めたルールに
従い汚水の輸送量を決定する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す図面をもとに説
明する。

【００１８】図１に本発明による汚水ポンプ制御装置の
構成図を示す。

【００１９】下水処理場はその処理区域から下水管渠２
１を経て集められる生活排水や産業排水等の汚水を処理
し、河川に放流する。下水処理場に流入した汚水はまず
流入渠１１に入る。流入渠１１は除塵水路１３，ポンプ
井１４とつながっており、汚水は流入渠１１からポンプ
井１４へ流入後、汚水ポンプ１５により処理施設１７へ
と送られ処理される。

【００２０】流入渠１１には水位計１８が、ポンプ井１
４には水位計２０が、汚水ポンプ１５の後方には流量計
１６が設置してあり、流入渠水位，ポンプ井水位，汚水
ポンプ吐出量が計測される。汚水ポンプ吐出量は例えば
１時間当たりの吐出量として出力される。また、除塵流
入ゲート１２の開度がゲート開度計１９で計測されて０
から１００［％］で得られる。

【００２１】これらの計測データは、プラントデータ保
存装置５１に時系列データとして保存される。

【００２２】実績流入量演算装置５２では、まずポンプ
井水位，ポンプ吐出量から次の式に従いある一定時間
（制御周期）の間に実際に処理場へ流入した汚水量を算
出する。

【００２３】Ｑin＝ΣＰout＋ΔＶ Ｑin ：１制御周期間の汚水流入量 ΣＰout：１制御周期間の汚水ポンプ吐出量 ΔＶ ：１制御周期間の貯留量変化量 ここで、貯留量とは図２のように管渠および処理場内貯
留施設内に貯留された汚水量を表す。また、貯留量は予
め土木図面から作成しておいた井水位と貯留量の関係を
表した「貯留量テーブル」から求められ、この貯留量テ
ーブルは図３のようにポンプ井水位と貯留量が一対一の
関係で表されている。

【００２４】ここで求めた１制御周期の間の流入量をさ
らに１時間当たりに換算し、実績流入量とする。

【００２５】学習装置３１ではニューラルネットワーク
の重み係数を決定する。重み係数は、プラントデータ保
存装置５１に蓄積された各種プラントデータをもとにバ
ックプロパゲーション法により決定する。決定された重
み係数はただちに流入量予測装置３２に反映される。

【００２６】流入量予測装置３２は、プラントデータ保
存装置５１に保存された各種プラントデータから将来の
汚水流入量を予測する。予測には過去の汚水流入量や水
位，ポンプ吐出量などの線形和として将来の流入量を計
算する重回帰モデルや、汚水流入量の変動パターンを記
憶し、その記憶をもとに将来値を予測する方法などが利
用できるが、本実施例では図４のようなニューラルネッ
トを用いた。

【００２７】図４のニューラルネットは、入力としてポ
ンプ井水位（ポンプ井の水位と流入渠の水位とが同一の
挙動を示す場合には、流入渠水位でもよい），除塵流入
ゲート開度，汚水ポンプ吐出量，実績流入量，実績流入
量変化率等のプラントの時系列データを与えると、予測
流入量（１時間当たり）が出力される。ここで、実績流
入量変化率とは現在と１制御周期前の実績流入量の差を
いう。

【００２８】メンバーシップ・ルール変更装置４１で
は、目標吐出量演算に使用するファジィ推論のためのメ
ンバーシップ関数，演算ルールの作成・修正が行える。
その際、プラントデータ保存装置に保存された過去のデ
ータを用いて作成・修正を行うこともできる。メンバー
シップ・ルール変更装置４１にて決定されたメンバーシ
ップ関数，演算ルールはただちに目標吐出量演算装置４
２に反映される。

【００２９】ポンプ井目標水位設定装置５３では、操作
員が制御の目標となるポンプ井目標水位を設定し、その
値が記憶される。

【００３０】目標吐出量演算装置４２では、ポンプ井目
標水位設定装置５３で設定されたポンプ井の目標水位，
流入量予測装置３２により求められる予測流入量，プラ
ントデータ保存装置５１に保存された実績流入量，ポン
プ井水位，汚水ポンプ吐出量等の情報より演算される情
報（例えば将来のポンプ井水位など）を入力とし、目標
吐出量を決定する。

【００３１】本実施例では、目標吐出量決定にファジィ
推論を採用し、ポンプ井水位偏差，揚水量偏差をファジ
ィ推論の入力とする。ポンプ井水位偏差とはその時点で
のポンプ井水位とポンプ井目標水位の差を、揚水量偏差
とは予測流入量と現在のポンプ吐出量の差をいう。

【００３２】 ポンプ井水位偏差＝ポンプ井水位−ポンプ井目標水位 揚水量偏差＝予測流入量−ポンプ吐出量 本実施例で用いたファジィ推論による目標吐出量演算ル
ールの例を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１のルールでは水位偏差がプラスで大き
く、揚水量偏差が大きくないか或いはプラスで大きいと
きは目標吐出量を増やし、ポンプ井水位偏差がマイナス
で大きく、揚水量偏差が大きくないか或いはマイナスで
大きいときに目標吐出量を減らす。つまり、現在の状況
があまり良くない（ポンプ井水位偏差が大きい）うえ
に、将来も状況が良くなりそうにない場合のみ目標吐出
量を変更し、それ以外では一定としている。

【００３５】ここで、「プラスで大きい」「大きくな
い」「増やす」「減らす」等の曖昧な表現は図５から図
７のようなメンバーシップ関数によって表現する。

【００３６】図５において、ポンプ井水位偏差は±０.
５［ｍ］で「大きくない」という評価が高く、この変動
幅は許容される範囲であることを意味する。一方、±１
［ｍ］以上では「プラスで大きい」または「マイナスで
大きい」という評価が高くなり、この変動幅は望ましく
ない状態といえる。

【００３７】図６の揚水量偏差は、０［ｍ³／ｈｒ］を
中心に±６００［ｍ³／ｈｒ］で「大きくない」となっ
ており、予測流入量と汚水ポンプ吐出量の差が小さいほ
ど評価が高くなる。

【００３８】次に、目標吐出量が実際に求められるまで
の課程について詳しく述べる。例として、 ポンプ井水位偏差：−１.２［ｍ］ 揚水量偏差 ：−５００［ｍ³／ｈｒ］ の場合の目標吐出量算出課程を図８から図９に示す。

【００３９】まず、ポンプ井水位偏差，揚水量偏差が求
められたら、メンバーシップ関数をもとにそれぞれの適
合度を求める。例の場合、ポンプ井水位は−１.２
［ｍ］ であるから、「マイナスで大きい」度合度が１.
０ となる（図８）。一方、揚水量偏差は−５００［ｍ³
／ｈｒ］では「マイナスで大きい」と「大きくない」の
２つにまたがる。この場合、この２つともに適合度を算
出する。「マイナスで大きい」では０.８３ 、「大きくな
い」では０.１７ となる（図９）。

【００４０】この例のルールではポンプ井水位偏差，揚
水量偏差の２つの条件があるため、２つの総合した条件
としての適合度を求める。条件部の適合度は、ポンプ井
水位偏差，揚水量偏差の適合度の小さい方の値とする。

【００４１】 条件部適合度＝min（ポンプ井水位偏差，揚水量偏差） ところで、揚水量偏差の適合度算出において、揚水量偏
差が２つのメンバーシップにまたがっていたので、条件
部の適合度も２通りについて算出する。

【００４２】揚水量偏差がナイナスで大きい場合は、 条件部適合度＝min（１.０，０.８３)＝０.８３ 揚水量偏差が大きくない場合は、 条件部適合度＝min（１.０，０.１７)＝０.１７ となる。

【００４３】表１のルールに従い条件部に対応する結論
を抜き出す。この例の場合、ポンプ井水位偏差は「マイ
ナスで大きい」、揚水量偏差は「マイナスで大きい」と
「大きくない」に当てはまるので、結論は「目標吐出量
を減らす」となる。この抜き出された結論部のメンバー
シップ関数を条件部の適合度で区切り、台形を切り取る
（図１０，図１１の斜線部）。

【００４４】次に、切り取られた台形をすべての条件に
ついて重ね合わせる（図１２）。重ね合わされてできた
図形について重心を求め、その重心に対応する揚水量が
目標吐出量偏差となる(この操作をファジィと呼ぶ）。
この例の場合、−３９５［ｍ³／ｈｒ］となる。

【００４５】この目標吐出量偏差を現在の目標吐出量に
加え、新しい目標吐出量とする。

【００４６】汚水ポンプ制御装置５４は目標吐出量演算
装置４２で算出された目標吐出量に従い汚水ポンプ１５
の運転台数，回転数，吐出弁開度等を決定し、ポンプ吐
出量を目標吐出量に調節する。

【００４７】

【発明の効果】本発明では、将来の汚水流入量を予測
し、さらに現在・将来の状況をもとに、なるべく目標吐
出量を変化させないよう予め作成されたルールに従い汚
水ポンプの目標吐出量を決定する。従って、汚水流入量
にかかわらずに、なるべく一定量の汚水を処理施設へ輸
送することができ、処理施設で安定な処理を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】汚水ポンプ制御装置の構成図。

【図２】実績流入量概念図。

【図３】貯留量とポンプ井水位との関係を示すグラフ。

【図４】流入量予測ニューラルネットの構成図。

【図５】メンバーシップ関数を示す図（ポンプ井水位偏
差）。

【図６】メンバーシップ関数を示す図（揚水量偏差）。

【図７】メンバーシップ関数を示す図（目標吐出量）。

【図８】条件ごとの適合度算出を示す図（ポンプ井水位
偏差）。

【図９】条件ごとの適合度算出を示す図（揚水量偏
差）。

【図１０】条件部適合度の算出を示す図（揚水量偏差が
マイナスで大きい場合）。

【図１１】条件部適合度の算出を示す図（揚水量偏差が
大きくない場合）。

【図１２】デファジィを示す図。

【符号の説明】

１１…流入渠、１２…除塵流入ゲート、１３…除塵水
路、１４…ポンプ井、１５…汚水ポンプ、１６…流量
計、１７…処理施設、１８…水位計、１９…ゲート開度
計、２０…水位計、２１…下水管渠、３１…学習装置、
３２…流入量予測装置、４１…メンバーシップ・ルール
変更装置、４２…目標吐出量演算装置、５１…プラント
データ保存装置、５２…実績流入量演算装置、５３…ポ
ンプ井目標水位設定装置、５４…汚水ポンプ制御装置。

フロントページの続き (72)発明者 依田 幹雄 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下水処理区域から下水管渠を経て集められ
   た汚水を貯蔵する汚水貯留施設と汚水処理施設及び該汚
   水貯留施設から該汚水処理施設へ汚水を輸送する汚水ポ
   ンプとを有し、該汚水貯留施設内に下水の流入渠と除塵
   水路及びポンプ井とを備えた下水処理場の汚水ポンプ制
   御装置であって、 前記汚水貯留施設内の流入渠の水位とポンプ井の水位及
   び除塵水路のゲート開度，前記汚水ポンプの吐出量の各
   時系列データを保存するプラントデータ保存手段と、 前記プラントデータ保存手段に保存されたポンプ井水位
   と汚水ポンプ吐出量とに基づいて、過去のある時点から
   現在までに下水処理場に流入した汚水量を演算する実績
   流入量演算手段と、 前記プラントデータ保存手段に保存された時系列データ
   と前記実績流入量及び該実績流入量の変化率に基づい
   て、現在より先のある一定時間内に前記汚水貯留施設に
   流入する汚水流入量を予測する汚水流入量予測手段と、 前記ポンプ井水位と予め定めたポンプ井の目標水位とか
   らポンプ井水位偏差を求め、前記汚水流入量予測手段で
   得られた予測流入量と前記ポンプ井吐出量とから揚水量
   偏差を求めて、これらによりポンプ井の水位をある範囲
   内に抑えながら吐出量をなるべく一定にする目標吐出量
   演算ルールを作成して該ルールに従い汚水ポンプの吐出
   量を決定する目標吐出量演算手段と、 該目標吐出量演算手段で決定された吐出量になるように
   汚水ポンプの運転台数，回転数及び吐出弁の開度の少な
   くとも１つを制御する汚水ポンプ運転制御手段とを備え
   たことを特徴とする下水処理場の汚水ポンプ制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記プラントデータ保
   存手段に保存された時系列データと前記実績流入量演算
   手段で求められた実績流入量及び実績流入量の変化率を
   用い、バックプロパゲーション法によりニューラルネッ
   トワークの重み係数を決定する学習手段と、 前記プラントデータ保存手段に保存された時系列データ
   と前記実績流入量演算手段で求められた実績流入量及び
   実績流入量の変化率を入力とし、該重み係数をもとに、
   現在より先のある一定時間内に前記汚水貯留施設に流入
   する汚水流入量を予測する前記汚水流入量予測手段とを
   備えたことを特徴とする下水処理場の汚水ポンプ制御装
   置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記汚水貯留
   施設内の流入渠の水位とポンプ井の水位とが同一の挙動
   を示すように構成されている場合に、該流入渠水位と該
   ポンプ井水位のどちらか一方が前記学習手段或いは前記
   汚水流入量予測手段に入力されるようにしたことを特徴
   とする下水処理場の汚水ポンプ制御装置。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記プラント
   データ保存手段に保存されたポンプ井水位とポンプ吐出
   量、予め定めたポンプ井の目標水位及び前記汚水流入量
   予測手段で得られた予測流入量を用い、ファジィ推論に
   おいて、ポンプ井の水位変動をある範囲内に抑えながら
   吐出量をなるべく一定にするように演算するためのメン
   バーシップ関数及び推論ルールを変更する手段と、 前記プラントデータ保存手段に保存されたポンプ井水位
   とポンプ吐出量、予め定めたポンプ井の目標水位及び前
   記汚水流入量予測手段で得られた予測流入量を入力と
   し、前記メンバーシップ関数と推論ルールに従いファジ
   ィ推論により汚水ポンプの目標吐出量を決定する前記目
   標吐出量演算手段を備えたことを特徴とする下水処理場
   の汚水ポンプ制御装置。