(57)【要約】【課題】雨水排水システムにおける雨水流入量あるいは水位の予測値が実際値から外れても、安全で効率的な排水ポンプの運転を可能とする。【解決手段】降雨情報および下水管の水位情報を参照して将来の一定時間にわたるポンプ井の水位予測値を得るポンプ井水位予測手段２１３と、水位予測値を目標値とし、ポンプ井の実際の水位を目標値に追従させるように排水ポンプの吐出量を制御するポンプ吐出量制御手段２１５とを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水管を流下してくる雨水を一旦ポンプ井に貯留し、貯留した雨水を、少なくとも１台の吐出量制御可能な可変速ポンプを含む排水ポンプにより河川に放流するポンプ場の監視制御を行うための雨水排水ポンプ運転支援装置において、
降雨情報および前記下水管の水位情報を参照して将来の一定時間にわたる前記ポンプ井の水位予測値を得るポンプ井水位予測手段と、前記水位予測値を目標値とし、前記ポンプ井の実際の水位を前記目標値に追従させるように前記排水ポンプの吐出量を制御するポンプ吐出量制御手段とを具備したことを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記ポンプ井水位予測手段は、過去のある一定時間の降雨量を参照して、雨水が前記下水管を流下して前記ポンプ井に至り、さらに前記排水ポンプが前記ポンプ井から排水する過程を数理的に模擬して前記ポンプ井の水位予測値を演算することを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項３】
請求項２に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記ポンプ井水位予測手段は、前記過去のある一定時間の降雨量を参照して、雨水が前記下水管を流下して前記ポンプ井に至り、前記排水ポンプが排水する過程を数理的に模擬して、予め設定した個々の排水ポンプの起動水位および停止水位に基づいた将来のある一定時間のポンプ運転台数スケジュールを作成するポンプ運転台数スケジュール作成手段を具備していることを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項４】
請求項３に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記ポンプ運転台数スケジュールは運転すべきポンプとして常に少なくとも１台の吐出量制御可能な排水ポンプを含んでいることを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項５】
請求項４に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記ポンプ運転台数スケジュール作成手段によって作成された前記ポンプ運転台数スケジュールは、前記可変速ポンプの排水能力が吐出量可変範囲のほぼ中間値に相当するものとして作成されることを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項６】
請求項５に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記ポンプ吐出量制御手段は、前記ポンプ井水位予測手段によって予測された将来の一定時間にわたる前記ポンプ井の水位予測値を目標値とし、前記実際のポンプ井水位を、ＰＩＤ制御手段を用いて前記目標値に追従させるようにフィードバック制御することを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、前記各手段によって得られた測定値、演算値および制御量の少なくとも一部を運転員に対し表示する表示手段を備えたことを特徴とする雨水排水ポンプ運転支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水管を流下してくる雨水を一旦ポンプ井に貯留し、貯留した雨水排水を、少なくとも１台の吐出量制御可能な可変速ポンプを含む排水ポンプにより河川に放流するポンプ場の監視制御を行うための雨水排水ポンプ運転支援装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、典型的な下水道システムの概念図を示すものであって、多数の枝管およびそれらを集約する本管からなる下水管１０１と、この下水管１０１の末端に設けられたポンプ場１０２とを備えた雨水排水システムの概略構成を示す図である。下水管１０１を流下してくる雨水は一旦、ポンプ場１０２に貯留され、排水ポンプにより河川１１０に放流される。下水管１０１に雨水を流出させる可能性のある地域にはレーダ雨量計１０３や地上雨量計１０４が設置されている。
【０００３】
ポンプ場１０２内においては、図８に示すように、下水管１０１を流下してくる雨水は入口に設けられたゲート１０８を介して一旦、ポンプ井１０６に貯留され、複数台の排水ポンプ１０７によって河川１１０に放流される。ポンプ井１０６の、ゲート１０８の上流側すなわち流入渠には水位計１０５ｂが、下流側すなわちポンプ井１０６には水位計１０５ｃがそれぞれ設けられている。下水管１０１の上流に水位計１０５ａが設けられている場合もある。
【０００４】
上述のごとく、下水管１０１を流下してくる雨水は一旦ポンプ井１０６に貯められ、排水ポンプ１０７により河川１１１に放流される。雨天時は下水管１０１に流入する水量が増大するため、浸水防除のために、下水管１０１を流下してくる雨水を河川等に放流する雨水排水設備においては、運転員は通常、レーダ雨量計１０３や地上雨量計１０４から得られる降雨情報、並びに水位計１０５ａ〜１０５ｃで測定される、ポンプ場１０２のポンプ井１０６や流入渠の水位、計測可能な場合は上流幹線の水位等から、排水ポンプ１０７の運転台数や起動／停止のタイミングを判断し運転している。一般にポンプ場１０２では雨水排水ポンプの駆動を必要時のみ運転する自前の発電機や内燃機関に頼る場合が多く、さらにポンプを起動させてから所望の排水能力に到達させるのには一定の時間がかかる。したがって、できれば、ポンプ場１０２への雨水流入量を事前に予測しておくことは、安全かつ効率的なポンプ運転のために有用なことである。
【０００５】
近年は計測データを運転員に表示するほかに、公知の拡張ＲＲＬ法やＡＲＭＡＸモデル等を予測モデルに用いるシステム同定手法によりポンプ場への流入量あるいはポンプ井や流入渠の水位を予測し、運転員へ支援情報として提供する技術が開発されている。なお、拡張ＲＲＬ法は特開平６−１４７９４０号公報（特許文献１）に、システム同定手法を適用した流入量予測は例えば特開２０００−２５７１４０公報（特許文献２）に開示されている。また、下水道の施設計画の際に一部で使用される雨水流出解析シミュレータを用いて前記の予測を行った事例も報告されている（例えば、非特許文献１参照）。これは下水管の敷設状況、管渠の寸法・形状、管内構造物やポンプ場の構造をほぼ忠実に再現した下水管網の土木構造モデルと、ＲＲＬやタンクモデル等の雨水表面流出モデルと、ポンプやゲート等の排水設備諸元をパラメータとし、動的なポンプ排水や可動ゲートの開閉を模擬するモデルからなり、降雨に相当する時系列データを入力とし、モデル化した下水道幹線やポンプ場における任意地点の水位や流量を時系列データとして出力できるものである。雨水流出解析シミュレータに関しては文献（例えば、非特許文献２参照）に詳しい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１４７９４０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５７１４０号公報
【特許文献３】
特開平５−３０７０８０号公報
【特許文献４】
特開平８−５０１８１号公報
【非特許文献１】
Ｃ．  Ｈｅｒｎｅｂｒｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．「Ｈｅｌｓｉｎｇｂｏｒｇ  ＭＯＵＳＥ  ＯＮＬＩＮＥ  Ｉｎｓｔｒａｔｉｏｎ」，  ＩＷＡ  ＩＣＡ  ｗｏｒｋｓｈｏｐ，  ２００１
【非特許文献２】
田中ほか「雨天時汚濁負荷量流出モデル比較検討調査」、１９９４年度下水道新技術研究所年報［２／２巻］、ｐｐ．７７−８４，１９９５年
【非特許文献３】
須田「ＰＩＤ制御」、朝倉書店、１９９２年７月
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の流入量あるいは水位の予測を雨水排水システムにおけるポンプの制御に用いた場合、解決しなければならない問題は、何らかの原因で予測が外れたときの安全性と効率性の確保である。例えば予測値に基づいて非常用の発電機やポンプを起動したとする。もし予測が低めに外れていた場合は、ポンプ起動が間に合わずに急激な流入量を排水しきれないという危険が生じる。逆に予測が高めに外れていた場合は、せっかく準備した電力や動力を無駄にしてしまう。
【０００８】
本発明の目的は雨水排水システムにおける雨水流入量あるいは水位の予測値が実際値から外れても、安全で効率的な排水ポンプの運転を可能とする雨水排水ポンプ運転支援装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、降雨情報および下水管の水位情報を参照して将来の一定時間にわたるポンプ井の水位予測値を得るポンプ井水位予測手段と、水位予測値を目標値とし、ポンプ井の実際の水位を目標値に追従させるように排水ポンプの吐出量を制御するポンプ吐出量制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、ポンプ井水位予測手段は、過去のある一定時間の降雨量を参照して、雨水が下水管を流下してポンプ井に至り、さらに排水ポンプがポンプ井から排水する過程を数理的に模擬してポンプ井の水位予測値を演算することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、ポンプ井水位予測手段は、過去のある一定時間の降雨量を参照して、雨水が下水管を流下してポンプ井に至り、排水ポンプが排水する過程を数理的に模擬して、予め設定した個々の排水ポンプの起動水位および停止水位に基づいた将来のある一定時間のポンプ運転台数スケジュールを作成するポンプ運転台数スケジュール作成手段を具備していることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、ポンプ運転台数スケジュールは運転すべきポンプとして常に少なくとも１台の吐出量制御可能な排水ポンプを含んでいることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、ポンプ運転台数スケジュール作成手段によって作成されたポンプ運転台数スケジュールは、可変速ポンプの排水能力が吐出量可変範囲のほぼ中間値に相当するものとして作成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、ポンプ吐出量制御手段は、ポンプ井水位予測手段によって予測された将来の一定時間にわたるポンプ井の水位予測値を目標値とし、実際のポンプ井水位を、ＰＩＤ制御手段を用いて目標値に追従させるようにフィードバック制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の雨水排水ポンプ運転支援装置において、各手段によって得られた測定値、演算値および制御量の少なくとも一部を運転員に対し表示する表示手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態の構成）
以下、実施の形態の構成について説明する。
【００１７】
まず図１を参照して本発明による雨水排水ポンプ運転支援装置の構成について説明する。この実施の形態による雨水排水ポンプ運転支援装置は、流域状況把握手段２１１、降雨量予測手段２１２、ポンプ運転台数予測制御手段２１４、ポンプ吐出量制御手段２１５、および表示手段２１６を備えている。なお、計測手段としてポンプ井水位計２０７が備えられ、さらに被制御装置としてポンプ群２１０が図示されている。ポンプ群２１０は、それぞれ１台または複数台の可変速ポンプ群２０８および固定速ポンプ群２０９からなっている。
【００１８】
流域状況把握手段２１１は、地上雨量計２０１、レーダ雨量計２０２、および幹線水位計２０３（図８における水位計１０５ａに相当）を含み、各測定値に基づいて流域状況信号を出力する。降雨量予測手段２１２は、流域状況把握手段２１１から出力される流域状況信号に含まれる雨量の現況や履歴等を入力とし、現在時点を基点として数分ないし数時間先までの降雨量を予測する降雨移動予測手段を含んでいて、降雨量予測値信号を出力する。ポンプ運転台数予測制御手段２１３は雨水流出解析シミュレータ２１４を含み、流域状況把握手段２１１によって計測された雨量や少なくとも１箇所の幹線水位等からなる現在の流域状況信号、および降雨量予測手段２１２から出力される降雨量予測値信号を入力とし、雨水流出解析シミュレーションを行ってポンプ井水位シミュレーション値信号およびポンプ運転台数スケジュール信号を出力する。ポンプ吐出量制御手段２１５は、ポンプ運転台数予測制御手段２１３から出力されるポンプ井水位シミュレーション値信号およびポンプ運転台数スケジュール信号、並びにポンプ井水位計２０７により計測される水位信号を入力とし、可変速ポンプ群２０７の回転数信号を操作量として出力すると共に、運転すべきポンプに対する運転指令を含む制御信号を出力する。表示手段２１６は、表示器を含み、各手段２１１〜２１５が持っている情報およびそれらから出力される信号の中でポンプ運転のために必要であり参考となる各種支援情報を運転員に対し表示する。降雨量予測手段２１２およびポンプ運転台数予測手段２１３は汎用計算機によって実現することができる。また、各手段を１台以上の汎用計算機に水平分散あるいは垂直分散させてもよい。ここでいう汎用計算機には、エンジニアリング・ワークステーション（ＥＷＳ）あるいはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）が含まれる。また、ポンプ吐出量制御手段２１５は、例えば可変速ポンプ群２０７の可変速制御を実施するためのＰＩＤ制御部を含むプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）によって実現することができる。ポンプ吐出量制御手段２１５はその他にポンプの起動／停止を含むポンプ制御に必要な情報や信号を制御信号としてポンプ群２１０との間でやり取りする。
【００１９】
次に、降雨量予測手段２１２、ポンプ運転台数予測制御手段２１３、およびポンプ吐出量制御手段２１５に用いられるアルゴリズムについて説明する。
【００２０】
降雨量予測手段２１２内で実施される降雨移動予測アルゴリズムとしては、例えば特開平５−３０７０８０号公報（特許文献３）や特開平８−５０１８１号公報（特許文献４）に開示されている技術を用いることができる。また、単純にポンプ運転台数予測制御手段２１３の入力データを作成するだけであれば、現在の降雨量を単純に外挿する方法によってもよい。本実施形態ではポンプ運転台数予測制御手段２１３には公知の分布型雨水流出モデルを適用した雨水流出解析シミュレータを用いることができる。また、ポンプ吐出量制御手段２１５には上述のごとく公知のＰＩＤ制御を採用することができる。ＰＩＤ制御自体は種々の文献（例えば、非特許文献３参照）に詳しい。
【００２１】
（実施の形態の作用）
以下、図１に示す雨水排水ポンプ運転支援装置の作用について説明する。なおここで述べる作用は、表示手段２１６に表示される各種支援情報の中で、ポンプ運転台数予測制御手段２１３から出力されるある一定時間のポンプ運転台数スケジュール信号に沿って、運転員がポンプ群２１０を運転する場合についての作用である。
【００２２】
流域状況把握手段２１１によって把握された流域状況の一つである降雨量は、ポンプ運転台数予測制御手段２１３内において、任意時間前から記録されている降雨量と、降雨量予測手段２１２により予測された現在時点から数分ないし数時間先までの降雨量予測値を基に、図２に示すような時系列データとして処理される。ポンプ運転台数予測制御手段２１３に備えられている雨水流出解析シミュレータは、予め対象下水道流域のモデルを作成しておき、キャリブレーションも終えているものとする。また、ポンプの起動／停止水位は流域の特性や策定されている運転指針があればそれに基づいて予め図３に示すように設定しておく。すなわち、ポンプ井１０６の水位変動状況によって排水ポンプの運転台数を１台ずつオンまたはオフとする。雨水流出解析シミュレータ２１４は、例えば５分ごとの時間間隔で起動し、その都度新たに更新される前述の降雨時系列データを入力とし、降雨現象と下水管内の雨水流下現象、ポンプ排水等を模擬する。本発明ではその出力のうち、図４に示すように、ある一定時間のポンプ井水位シミュレーション値の時系列データと、図５に示すような、ある一定時間のポンプ運転台数の時系列データに注目する。運転台数は予めシミュレータ内で設定した各ポンプの起動／停止をさせるべき水位すなわち起動／停止水位とポンプ井水位のシミュレーション値に応じて決定されるが、その運転台数でポンプ群２１０を運転したことによる水位の増減はポンプ井水位のシミュレーション値自体にも反映される。
【００２３】
図４において、現在時刻Ｔから先のポンプ井水位は、その時点から先のポンプ井予測水位であり、図５において、現在時刻Ｔから先のポンプ運転台数は、そのポンプ井水位の予測値の下で起動されるポンプ運転のシナリオシミュレーションによるものである。ポンプ吐出量制御手段２１４は、ポンプ運転台数予測制御手段２１３からポンプ運転台数の時系列データを逐次受け取り、そのタイムスケジュールの下で実際にポンプを起動／停止するための様々な制御信号をポンプ群２１０との間でやり取りする。ここで、本実施の形態は、運転するポンプに少なくとも１台の可変速ポンプを常に含むことが特徴である。ポンプ運転台数予測制御手段２１３における雨水流出解析シミュレータに設定する可変速ポンプ群２０７の排水能力は、回転数可変域の中間程度に相当するものとしておく。
【００２４】
ポンプ吐出量制御手段２１５はＰＩＤ制御手段として可変速ポンプ群２０７の回転速度を制御する。本実施の形態はポンプ回転速度を制御量として制御動作するものであるが、ＰＩＤ制御器は汎用性が高く、パラメータの設定を除けば通常は制御する対象にあまり依存しないので、本実施の形態の構成を変更することなく吐出弁開度や可動翼角度等により排水の吐出量を変化させる他の機能を制御することもできる。
【００２５】
図６は本実施の形態におけるポンプ吐出量制御手段２１５によるポンプ制御機能を詳細に示した図である。ポンプ制御は、ポンプ運転台数予測制御手段６０１（図１におけるポンプ運転台数予測制御手段２１３に対応）による予測制御と、フィードバック制御部６０２による可変速ポンプ群２０８の回転速度のフィードバック制御との２段階で行われる。ここで、雨水流出解析シミュレータ６０３（図１における雨水流出解析シミュレータ２１４に対応）は、ポンプ運転台数シミュレーション機能６１１および幹線・ポンプ井水位シミュレーション機能６１２並びにポンプ場流入量シミュレーション機能６１３を備えている。ポンプ運転台数予測制御手段６０１はポンプ運転台数シミュレーション機能６１１の出力であるポンプ運転台数のタイムスケジュール６２１の下で実際にポンプを起動／停止する。可変速ポンプ群２０８のフィードバック制御部６０２は、ＰＩＤ制御機能６１４により、幹線・ポンプ井水位シミュレーション機能６１２の出力であるポンプ井水位のシミュレーション値を被制御量であるポンプ井水位の目標値として、被制御量が目標値に追従するように操作量である可変速ポンプ群２０８の回転速度をフィードバック制御する。
【００２６】
（実施の形態の効果）
上述の実施の形態によれば、現在時点より先のポンプの運転台数を予測することにより、ポンプ運転に必要な発電機や内燃機関の起動や先行待機ポンプの起動等、ポンプ排水の準備を行うための時間を確保することができ、急激な雨水流入にも余裕をもって対処することができる。また、少なくとも１台の可変速ポンプを常に運転しておき、それをフィードバック制御することにより、実際の水位が予測値と一致しなかったときにもポンプによる排水能力の過不足を補うことができる。さらに、可変速ポンプの制御目標値を予め予測しておいたポンプ井水位とすることにより、従来の水位一定制御に比してその時々の流入状況に応じたポンプ運転をすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ポンプ場への排水流入量やポンプ井の予測値を基に現在から近い将来の対象流域の状況に見合った適切な排水ポンプの運転台数を決めることにより、ポンプ排水準備に十分な時間と、必要十分な動力等の資源を確保することができる。さらに、予測値と実際値との間に差を生じた場合は、実際のポンプ井水位を予測値に追従させて誤差を打ち消すことにより、安全かつ効率的な雨水排水ポンプの運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による雨水排水ポンプ運転支援装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の装置における雨水流出解析シミュレータの入力となる降雨量時系列データの例を示す図である。
【図３】ポンプの起動／停止の水位を説明する図である。
【図４】ポンプ井水位のシミュレーション結果例を示す図である。
【図５】予測されるポンプ運転台数のタイムスケジュール例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるポンプ制御機能の詳細を示す図である。
【図７】本発明の対象とする雨水排水システムの概略構成を示す概念図である。
【図８】図７のＡ部に含まれるポンプ場部分の拡大図である。
【符号の説明】
１０１  下水管
１０２  ポンプ場
１０３  レーダ雨量計
１０４  地上雨量計
１０５  水位計
１０６  ポンプ井
１０７  排水ポンプ
１０８  ゲート
１１０  河川
２０１  地上雨量計
２０２  レーダ雨量計
２０３  幹線水位計
２０７  ポンプ井水位計
２０８  可変速ポンプ群
２０９  固定速ポンプ群
２１０  ポンプ群
２１１  流域状況把握手段
２１２  降雨量予測手段
２１３  ポンプ運転台数予測制御手段
２１４  雨水流出解析シミュレータ
２１５  ポンプ吐出量制御手段
２１６  表示手段
６０１  ポンプ運転台数予測制御手段
６０２  フィードバック制御部
６０３  雨水流出解析シミュレータ
６１１  ポンプ運転台数シミュレーション機能
６１２  幹線・ポンプ井水位シミュレーション機能
６２１  ポンプ運転台数タイムスケジュール
６１３  ポンプ場流入量シミュレーション機能
６１４  ＰＩＤ制御機能
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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