(57)【要約】【課題】パラメータ設定を自動的に行い、予測誤差を感度よく低減させ、時間短縮を図った下水処理プロセスシミュレーション方法と装置を提供する。【解決手段】下水処理プラントの水質，流量，温度等のデータと、生化学反応モデルを構成するパラメータと状態変数とを入力し、進行する生化学反応をシミュレーションし、水質の実測値と計算結果とを比較して、その差が十分小さくなるまで、パラメータを変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行い、これに基づき最終シミュレーション演算を行う方法において、水質に与える影響の大きいパラメータを優先的に変更するために、パラメータの感度解析を行い、この感度解析結果を評価することにより優先的に変更するパラメータを選抜し、選抜されたパラメータ数値を変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行う。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水処理プラントの各水槽の大きさや水質ならびに各水槽への流量や水温などのデータと、前記プラントの生化学反応モデルを構成するパラメータと状態変数とを入力し、前記プラントで進行する生化学反応をシミュレーションし、前記プラントの水質の実測値と、プラントで進行する生化学反応をシミュレーションした水質の計算結果とを比較して、その差が十分小さくなるまで、前記パラメータを変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行い、この最適化されたパラメータ数値に基づき最終のシミュレーション演算を行う下水処理プロセスのシミュレーション方法において、
前記水質に与える影響の大きいパラメータを優先的に変更するために、パラメータの感度解析を行い、この感度解析結果を評価することにより優先的に変更するパラメータを選抜し、選抜されたパラメータ数値を変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行うことを特徴とする下水処理プロセスのシミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシミュレーション方法を実施するための下水処理プロセスシミュレータであって、
下水処理プラントの水質，流量，温度等の実測値を記憶するデータ蓄積装置と、下水処理プラントパラメータ設定装置と、生化学反応モデルのパラメータを設定する生化学反応モデルパラメータ設定装置と、前記設定値に基づきシミュレーション演算を行うシミュレーション演算装置と、シミュレーション演算装置で計算された結果を蓄積するシミュレーション結果蓄積装置と、
生化学反応モデルが備えるパラメータの数を記憶するパラメータ数記憶装置と、パラメータ数値の変更がシミュレーション結果に与える感度を評価するパラメータ感度評価装置と、パラメータ感度評価装置による評価を記憶するパラメータ感度記憶装置と、パラメータ感度評価を繰返すか否かを判定する継続判定装置Ａと、感度評価するパラメータの数値を変更するパラメータ変更装置と、パラメータ感度評価装置により選抜されたパラメータ変更候補のパラメータ数値を変更することで水質データ比較装置での評価式を最適化するパラメータ数値最適化装置と、
さらに、演算工程を切り替え制御する演算工程制御装置と、シミュレーション結果蓄積装置のデータと下水処理プラントの水質の実測値とを比較する水質データ比較装置と、パラメータ数値の最適化を終了するか否かを判断する継続判定装置Ｂと、継続判定装置Ｂで使用する判定基準を記憶する判定基準値記憶装置と、最も実測値との誤差が少ないパラメータ数値を用いてシミュレーション演算を行うシミュレーション演算装置とを備え、
前記演算工程制御装置は、前記パラメータ感度評価装置と、パラメータ感度記憶装置と、継続判定装置Ａと、パラメータ変更装置とを経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置へとループを作る演算工程と、前記継続判定装置Ａから分岐してパラメータ数値最適化装置を経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置と、シミュレーション演算装置と、シミュレーション結果蓄積装置と、演算工程制御装置と、水質データ比較装置と、継続判定装置Ｂとを経てパラメータ数値最適化装置へとループを作る演算工程とを、前記パラメータ数記憶装置に記憶されたパラメータの数を参照し、かつパラメータの感度解析からパラメータ数値の最適化工程としての後者の演算工程に移行するか否かを判定して切り替え制御する機能を有するものとしたことを特徴とする下水処理プロセスシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、下水処理プロセスをシミュレーションする時に、入力値として設定する必要がある生化学反応に関する多数のパラメータを自動的に設定することができる下水処理プロセスのシミュレーション方法および下水処理プロセスシミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理プラントの運転状況の把握や運転方針の検討を行うために、シミュレータが使用されることがある。このシミュレータを使用するためには、下水処理プロセスのモデルを構築する必要がある。本発明において対象とするモデルは、動力学的活性汚泥モデルである。このモデルは、約５０個のパラメータを備えており、対象とする下水処理プラントの特性に一致するようにパラメータを設定する必要がある。従来、これらのパラメータは、使用者が下水処理プラントの実測値とシミュレーション結果の比較を行い試行錯誤でパラメータの設定を行っており、その下水処理プロセスシミュレータの構成の一例は、例えば、特許文献１の図２に記載されている。
【０００３】
ところで、上記のような従来の下水処理プロセスシミュレータでは、運転員が約５０個ものパラメータを設定する必要があり、シミュレーションした結果が悪ければ、再度同じ数のパラメータを設定し、シミュレーションするということを繰り返していた。そのためシミュレーション演算装置で条件変更後の予測計算をするまでのパラメータ設定に多大の時間を要するという問題があった。
【０００４】
そこで、前記特許文献１においては、上記問題点に鑑みて、モデル化に必要なパラメータ設定を自動的に行い、運転員の負担を軽減すると同時に、効率的な予測を行うことができることを目的とした下水処理プロセスシミュレータの発明（特許文献１の図１）が開示されている。
【０００５】
図２は、前記公報の図１の部材番号を一部変更して示す下水処理プロセスシミュレータの構成を示すブロック図であり、図２について、前記公報の記載に基づいて説明する。
【０００６】
図２において、２０は最初沈殿池、２１は反応槽、２２は最終沈殿池であり、これらによって下水処理プラントが構成されている。１は下水処理プラント中のａ、ｂ、ｃ、ｄの各点の水質分析結果を収集して蓄積するデータ蓄積装置であり、１００ａはそのデータを入力してモデルパラメータを設定するためのパラメータ設定装置、１６はパラメータ設定装置１００ａで構築されたモデルパラメータを用いて下水処理プロセスのシミュレーションを行うシミュレーション演算装置である。
【０００７】
下水処理プラントでは、流入した下水は、最初沈殿池２０、反応槽２１、最終沈殿池２２の順に流れていき処理される。ａ、ｂ、ｃ、ｄはシミュレーションする上で必要な情報をサンプリングする地点であり、サンプリングされた情報からリン酸態リン濃度や、硝酸態窒素濃度、アンモニア態窒素濃度、Ｔｏｔａｌ−ＣＯＤ、溶解性ＣＯＤなどの水質が分析されてデータ蓄積装置１の入力データとされる。
【０００８】
ここで下水処理プラントの処理概要を説明する。汚濁物質を含む下水は、最初沈澱池２０に導入され、汚濁物質の中の沈降しやすいものを沈降分離して上澄水を反応槽２１に流出する。反応槽２１には最終沈澱池２２の汚泥の一部が返送汚泥管を経て返送されており、反応槽２１はその返送汚泥と最初沈殿池２０の上澄水を処理する。反応槽２１では、ブロワーから圧送された空気が曝気槽内の散気管によって放出されており、汚濁物質は活性汚泥により吸着、分解されて最終沈澱池２２に導かれる。最終沈澱池２２では活性汚泥を沈降分離し、清澄水は処理水として図示しない滅菌槽を経て放流される。
【０００９】
次に、パラメータ設定装置１００ａの概要を説明する。パラメータ設定装置１００ａは、下水処理プラント内の各槽の大きさや水温などのデータと、生化学反応モデルを構成するパラメータと、処理状況を示す情報とを入力して下水処理プラントの処理をシミュレーションし、その結果と処理状況を示す情報とを比較し、その差が大きければ前記パラメータを修正して再度シミュレーションを繰り返す機能を有するもので、図示のように、初期生命集団作成装置３ａと、デコード演算装置４ａと、評価値演算装置７ａと、個体数判定装置９ａと、継続判定装置１１ａと、選択・淘汰演算装置１３ａと、交叉演算装置１４ａと、突然変異演算装置１５ａとを備え、設定すべきパラメータを遺伝的アルゴリズムを用いて自動的に計算させることを特徴としている。
【００１０】
また、前記評価値演算装置７ａは、シミュレーション結果蓄積装置６ａのシミュレーション結果とデータ蓄積装置１の水質分析結果の差を、その水質分析結果の平均値で除したものを評価値とすることを特徴とし、さらに、最も重要度の高い項目に重みをおいて評価値を計算することを特徴としている（詳細は、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−１６７５８５号公報（第２−６頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した図２の下水処理プロセスシミュレータによれば、モデルのパラメータが自動的に設定できるようになるため運転員の負担軽減を図ることができるものの、下記のような問題点がある。
【００１３】
即ち、前記公報に開示されたシミュレーション方法は、パラメータ数値組のシミュレーション結果を評価関数で評価し、評価関数の結果が悪いパラメータ数値組を、最適化のアルゴリズムによって、新しいパラメータ数値組に置き換えることをくり返すが、パラメータ変更に伴うシミュレーション感度がかならずしもよくないので、パラメータの再設定に多くの回数と時間を要する問題があった。
【００１４】
従って、最適化したパラメータ数値に基づき最終のシミュレーション演算を行うまでの手順に長時間を要する問題があった。
【００１５】
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、パラメータ設定を自動的に行い使用者の負担を軽減すると共に、予測誤差を感度よく低減させ、全シミュレーション時間の短縮化を図った下水処理プロセスのシミュレーション方法および下水処理プロセスシミュレータを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、下水処理プラントの各水槽の大きさや水質ならびに各水槽への流量や水温などのデータと、前記プラントの生化学反応モデルを構成するパラメータと状態変数とを入力し、前記プラントで進行する生化学反応をシミュレーションし、前記プラントの水質の実測値と、プラントで進行する生化学反応をシミュレーションした水質の計算結果とを比較して、その差が十分小さくなるまで、前記パラメータを変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行い、この最適化されたパラメータ数値に基づき最終のシミュレーション演算を行う下水処理プロセスのシミュレーション方法において、
前記水質に与える影響の大きいパラメータを優先的に変更するために、パラメータの感度解析を行い、この感度解析結果を評価することにより優先的に変更するパラメータを選抜し、選抜されたパラメータ数値を変更してシミュレーションを繰り返し行うことにより、パラメータ数値の最適化を行うこととする（請求項１の発明）。
【００１７】
上記方法によれば、例えば、当初は約５０個の全パラメータについて予備演算を行なうが、感度解析により、パラメータの優先順位を、例えば上位３個に絞り、最適化不能の場合は、次の順位のパラメータを用いることにより、効率的な最適化が実施可能となる。従って、パラメータ設定を自動的に行い使用者の負担を軽減すると共に、予測誤差を感度よく低減させ、全シミュレーション時間の短縮化が図れる。
【００１８】
前記方法を実施するためのシミュレーション装置（下水処理プロセスシミュレータ）としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載のシミュレーション方法を実施するための下水処理プロセスシミュレータであって、
下水処理プラントの水質，流量，温度等の実測値を記憶するデータ蓄積装置と、下水処理プラントパラメータ設定装置と、生化学反応モデルのパラメータを設定する生化学反応モデルパラメータ設定装置と、前記設定値に基づきシミュレーション演算を行うシミュレーション演算装置と、シミュレーション演算装置で計算された結果を蓄積するシミュレーション結果蓄積装置と、
生化学反応モデルが備えるパラメータの数を記憶するパラメータ数記憶装置と、パラメータ数値の変更がシミュレーション結果に与える感度を評価するパラメータ感度評価装置と、パラメータ感度評価装置による評価を記憶するパラメータ感度記憶装置と、パラメータ感度評価を繰返すか否かを判定する継続判定装置Ａと、感度評価するパラメータの数値を変更するパラメータ変更装置と、パラメータ感度評価装置により選抜されたパラメータ変更候補のパラメータ数値を変更することで水質データ比較装置での評価式を最適化するパラメータ数値最適化装置と、
さらに、演算工程を切り替え制御する演算工程制御装置と、シミュレーション結果蓄積装置のデータと下水処理プラントの水質の実測値とを比較する水質データ比較装置と、パラメータ数値の最適化を終了するか否かを判断する継続判定装置Ｂと、継続判定装置Ｂで使用する判定基準を記憶する判定基準値記憶装置と、最も実測値との誤差が少ないパラメータ数値を用いてシミュレーション演算を行うシミュレーション演算装置とを備え、
前記演算工程制御装置は、前記パラメータ感度評価装置と、パラメータ感度記憶装置と、継続判定装置Ａと、パラメータ変更装置とを経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置へとループを作る演算工程と、前記継続判定装置Ａから分岐してパラメータ数値最適化装置を経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置と、シミュレーション演算装置と、シミュレーション結果蓄積装置と、演算工程制御装置と、水質データ比較装置と、継続判定装置Ｂとを経てパラメータ数値最適化装置へとループを作る演算工程とを、前記パラメータ数記憶装置に記憶されたパラメータの数を参照し、かつパラメータの感度解析からパラメータ数値の最適化工程としての後者の演算工程に移行するか否かを判定して切り替え制御する機能を有するものとする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００２０】
図１は、本発明の下水処理プロセスシミュレータの構成と、対象としている下水処理プラントとの接続状況を示した図である。図１において、図２に示した部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。図１と図２との基本的相違点は、図１におけるパラメータ設定装置１００の構成が、図２におけるパラメータ設定装置１００ａの構成と異なる点である。
【００２１】
図１において、１はデータ蓄積装置であり、下水処理プラントの各部の水質データや流量や水温などを蓄積する。２は下水処理プラントパラメータ設定装置であり、下水処理プラントの水槽の容積や水温や水槽間の流量などを設定する。３は生化学反応モデルパラメータ設定装置であり、生化学反応モデルに関するパラメータを設定する。４はシミュレーション演算装置であり、データ蓄積装置１に記録された水質や流量に関するデータの内、最初沈殿池から反応槽に流入する水質と、下水処理プラントパラメータ設定装置２に入力された値と、生化学反応モデルに付随して示されている標準的なパラメータ値が初期値として設定された生化学反応モデルパラメータ設定装置３の値を入力し、下水処理プラントの状態をシミュレーションする。５はシミュレーション結果蓄積装置であり、シミュレーション演算装置４の演算結果を蓄積する。
【００２２】
また、６は演算工程制御装置であり、請求項２に記載のとおり、後述するパラメータ感度評価装置８と、パラメータ感度記憶装置９と、継続判定装置Ａ１０と、パラメータ変更装置１１とを経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置３へとループを作る演算工程と、前記継続判定装置Ａ１０から分岐して後述するパラメータ数値最適化装置１２を経て、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置３と、シミュレーション演算装置４と、シミュレーション結果蓄積装置５と、演算工程制御装置６と、後述する水質データ比較装置１３および継続判定装置Ｂ１５とを経てパラメータ数値最適化装置１２へとループを作る演算工程とを、前記パラメータ数記憶装置７に記憶されたパラメータの数を参照し、かつパラメータの感度解析からパラメータ数値の最適化工程としての後者の演算工程に移行するか否かを判定して切り替え制御する機能を有する。
【００２３】
パラメータ感度評価装置８が関わるループでは、生化学反応モデルに付随して示されている標準的なパラメータ値を使用して演算を行った後、パラメータ変更装置１１でパラメータの１つを標準的な値に対して、例えば１０％増加させて、パラメータの数だけ演算を繰返す。
【００２４】
７はパラメータ数を記憶する装置である。８はパラメータ感度評価装置であり、下記［数１］に示した計算を行う。
【００２５】
【数１】
2004121953.tif 000003
なお、前記［数１］における諸元は、下記のとおりである。
ｉ：水槽番号（１〜ｎ）　を表す添え字
ｊ：水質番号（１〜ｍ）　を表す添え字
ｋ：変更したパラメータ番号を表す添え字
ＣＲｉｊ：ｉ槽で実測した水質ｊの濃度
Ｃｉｊｋ：パラメータｋを変更して計算した時のｉ槽の水質ｊの濃度
ＣＢｉｊ：標準パラメータで計算した時のｉ槽の水質ｊの濃度
ａｊ：水質ｊの評価への重み付け
前記［数１］に示すＨｋの絶対値若しくは偶数乗した値が大きいパラメータ程、実測水質と計算水質の誤差を効率的に小さくできるパラメータであることを示している。前記［数１］の第１項は水質予測誤差の指標であり、第２項はパラメータ感度の指標である。水質ｊの実測値とシミュレーション結果を一致させる上で、水質項目によっては、重み付けをした方がよい場合があり、この場合には、ａｊを他の水質に比べて大きくして、みかけ上の感度をよくする。
【００２６】
９はパラメータ感度記憶装置であり、Ｈｋと各水槽の水質の演算データが記憶される。１０は継続判定装置Ａであり、パラメータ感度評価装置８が関わる演算工程の繰り返し回数をパラメータ数記憶装置７を参照して判断する。
【００２７】
１１はパラメータ変更装置であり、パラメータ感度評価装置８の繰り返しループと連動してパラメータ数値を１個ずつ変更する。
【００２８】
１２はパラメータ数値最適化装置であり、連立非線形微分方程式が組込まれたシミュレーション演算装置４の演算結果と実測水質の誤差が小さくなるようにパラメータ数値を変更する装置である。パラメータ感度評価装置８のＨｋの絶対値若しくは偶数乗した値が大きいパラメータを２個以上選択し、滑降シンプレックス法（これは線形計画法のシンプレックス法とは異なる。「ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ　ＲＥＣＩＰＥＳ　ｉｎ　Ｃ［日本語版］」、技術評論社発行を参照。）や、最急降下法などの一般的な非線形関数の最小値を求める最適化手法を使用する。
【００２９】
水質データ比較装置１３では、パラメータ数値最適化装置１２で最小化する評価式の計算を行う。下記［数２］に示した計算を行う。
【００３０】
【数２】
2004121953.tif 000004
なお、前記［数２］における諸元は、下記のとおりである。
ｉ：水槽番号（１〜ｎ）　を表す添え字
ｊ：水質番号（１〜ｍ）　を表す添え字
ＣＲｉｊ：ｉ槽で実測した水質ｊの濃度
Ｃｉｊ：パラメータを変更して計算した時のｉ槽の水質ｊの濃度
ｂｊ：水質ｊの評価への重み付け
前記［数２］に示すＨＣは、小さい程、実測水質と計算水質の誤差が小さいことを示している。水質ｊの実測値とシミュレーション結果を一致させる上で、水質項目によっては、重み付けをした方がよい場合があり、この場合には、ｂｊ　を他の水質に比べて大きくして、みかけ上の感度をよくする。
【００３１】
１５は継続判定装置Ｂであり、判定基準値記憶装置１４の値よりＨＣが小さければパラメータ数値の最適化を終了して、先程最適化されたパラメータでシミュレーション演算装置１６によりシミュレーションを行う。
【００３２】
さらに、継続判定装置Ｂ１５は、前記生化学反応モデルパラメータ設定装置３と、シミュレーション演算装置４と、シミュレーション結果蓄積装置５と、演算工程制御装置６と、水質データ比較装置１３および継続判定装置Ｂ１５とを経てパラメータ数値最適化装置１２へとループを作る演算工程の前回のＨＣと今回のＨＣを比較し、変化率が低い場合には、パラメータ数値最適化装置１２にて最適化するパラメータの個数を１つ増やして、前記パラメータ数値最適化装置１２を経由するループを繰返す。
【００３３】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、感度解析とその評価関数を利用することで、実測値との誤差を少なくしたい状態変数に効率的に影響するパラメータを選抜することができ、最適化装置により、前述の選抜されたパラメータ数値の最適化を自動で行うことができるため、使用者の負担を大幅に軽減することができると共に、下水処理プラントの下水処理方式の変更や流入水質の変化などが、処理状況に与える影響を速やかに予測できるようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わる下水処理プロセスシミュレータの構成図
【図２】従来の下水処理プロセスシミュレータの一例の構成図
【符号の説明】
１：データ蓄積装置、２：下水処理プラントパラメータ設定装置、３：生化学反応モデルパラメータ設定装置、４：シミュレーション演算装置、５：シミュレーション結果蓄積装置、６：演算工程制御装置、７：パラメータ数記憶装置、８：パラメータ感度評価装置、９：パラメータ感度記憶装置、１０：継続判定装置Ａ、１１：パラメータ変更装置、１２：パラメータ数値最適化装置、１３：水質データ比較装置、１４：判定基準値記憶装置、１５：継続判定装置Ｂ、１６：シミュレーション演算装置、２０：最初沈殿池、２１：反応槽、２２：最終沈殿池、１００：パラメータ設定装置。
【図１】
2004121953.tif 000005
【図２】
2004121953.tif 000006