(57)【要約】【課題】流入量の予測精度が高い下水流入量予測システムを得る。【解決手段】本発明の下水流入量予測システムは、雨量データおよび下水の流入量データを蓄積する計測値蓄積装置４と、降雨量を予測する降雨量予測装置５と、雨量データおよび流入量データからデータ列を作成するデータ作成装置７と、作成されたデータ列および降雨量予測装置からのデータを基に下水の流入量の予測値を算出する予測装置８と、雨水・汚水ポンプに運転指令を出力するポンプ運転指令装置９とを備え、計測値蓄積装置とデータ作成装置との間に、降雨量と流入量の時間差を演算する時間差演算装置６１と流入量が計測されないときの降雨量を演算し、それを補正値として降雨量を演算する補正値演算装置６２とからなる降雨データ加工装置６を設けたものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雨量計からの雨量データおよび雨水と合流した下水の流入量データを蓄積する計測値蓄積装置と、前記計測値蓄積装置からのデータを基に降雨量を予測する降雨量予測装置と、前記計測値蓄積装置からのデータを基にデータ列を作成するデータ作成装置と、前記作成されたデータ列および前記降雨量予測装置からのデータを基に前記下水の流入量の予測値を算出する予測装置と、前記予測値を基に前記降雨の雨水と汚水との合流水を汲み上げる雨水・汚水ポンプに運転指令を出力するポンプ運転指令装置とを備えた下水流入量予測システムにおいて、
前記計測値蓄積装置とデータ作成装置との間に、前記降雨量と流入量の時間差を演算する時間差演算装置と流入量が計測されないときの降雨量を演算する補正値演算装置とからなる降雨データ加工装置を設けたことを特徴とする下水流入量予測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場の流入量予測を、精度良く行うことができる下水流入量予測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
降雨量を計測する雨量計と雨水・汚水ポンプと流入量、雨量データを蓄積する計測値蓄積装置と自己回帰モデルを使用した降雨流入量予測がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２２７２７号公報
【０００４】
図３は、この下水流入量予測システムを示すブロック図である。
１は雨量計であり、降雨量を測定する。２は流量計であり、ポンプ井に流入する流量を測定する。３は雨水・汚水ポンプであり、ポンプ井に貯留した雨水・汚水を貯留量に応じて吐出する。
４は計測値蓄積装置であり、１の雨量計、２の流量計からオンラインで計測された値を蓄積する装置である。
５は降雨量予測装置であり、気象庁、気象レーダなどのデータを基に計算された数時間先までの降雨量を数十分間隔で予測し、蓄積する。
７はデータ作成装置であり、前記計測値蓄積装置から入力されたデータを統計モデルに適用するためのデータ作成を行う。
７１は直近データ作成装置であり、計測値蓄積装置４に蓄積された降雨量と流入量の直近数十分のデータを作成する。
７２は天候抽出装置であり、直近数十分間、雨量計１において、降雨量が観測されたかどうかをチェックする。
７３はデータ加工装置であり、自己回帰モデル作成装置７１に入力するデータ列を作成する。天候抽出装置７２において抽出された結果が晴天日の時はデータ列の加工を行わない。雨天日の時は、直近に計測された降雨量、流入量のみをデータ列に追加する。このようにしてデータの加工を行い、降雨量、流入量の関係を明確にモデル化できるようにした。しかし、雨天期間が終了しても、しばらく雨の影響を受けるため雨天期間終了後、数十分間はデータの追加を行う。
８は予測装置であり、前記データ作成装置で作成されたデータ列を入力し、流入量の予測値を演算する。
８１は、自己回帰モデル作成装置で、データ加工装置７３で作成したデータを入力して自己回帰モデルを作成する。いま、時刻ｎにおけるプロセスの状態をｋ次元の全変数ベクトルＸ（ｎ）、時刻ｎよりｍ時点前の全変数ベクトルをＸ（ｎ−ｍ）、白色ノイズベクトルをＵ（ｎ）、自己回帰モデルの回帰係数をＡ（ｍ）、自己回帰モデルの最適次数をＭで表すと、その自己回帰表現は、（１）式で表される。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
従って自己回帰モデルの作成とは、自己回帰係数、白色ノイズベクトルの分散および自己回帰モデルの最適次数の決定に帰結される。
自己回帰係数Ａ（ｍ）は、要素をＡｉｊ（ｍ）とし、次の連立方程式をｉ＝１，２，３，・・・・，ｋについて解くことにより求められる。
但し、Ｘｉ、Ｘｊの相互分散をＲｉｊ（ｌ）、自己回帰係数の要素をＡｉｊ（ｍ）とすると、（２）式のように連立一次方程式をｉ＝１，２，．．．，ｋについて解けばＡｉｊ（ｍ）が求められる。
【０００７】
【数２】
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【０００８】
白色ノイズベクトルＵ（ｎ）の要素をεｉ（ｎ）とすると、その残差分散値σｉ２は（３）式のようになる。
【０００９】
【数３】
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【００１０】
なお、モデルの最適次数Ｍは予測誤差を表す（５）式のＭＦＰＥ（Ｍ）を最小にする値であり、（４）式のようになる。
【００１１】
【数４】
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【００１２】
但し、Ｎはデータ数、‖ｄＭ‖はＵ（ｎ）の分散共分散行列推定値である。またＭＦＰＥはＭｕｌｔｉｐｌｅ  Ｆｉｎａｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  Ｅｒｒｏｒの頭文字である。
このようにして自己回帰係数、白色ノイズの分散および最適モデル次数が求められ、自己回帰モデルが作成される。従って、流入量の予測を行うために必要な、流入量と降雨量との関係式を自己回帰モデルから求めることができる。自己回帰モデルの更新は、直近のデータを使用することを目的に１日１回行う。
８２は予測値算出データ作成装置であり、自己回帰モデル作成装置８１で作成したモデルに入力するためのデータ列を作成する。
８３は予測値演算装置であり、自己回帰モデル作成装置８１で作成した自己回帰モデルと予測値算出データ作成装置８２で作成したデータ列から統計的に類推可能な流入量の数十分先の予測値を演算する。自己回帰モデルを用いた時の数十分先の予測は（５）式のように表される。
【００１３】
【数５】
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【００１４】
但し、
Ｑ（ｉ）ｐ：時刻ｉにおける流入量の予測値
Ｑ（ｉ）  ：時刻ｉにおける流入量の計測値
Ｒａｉｎ（ｉ）  ：時刻ｉにおけるの降雨量
Ａ１１（ｍ）  ：流入量の予測値に対する残差部分の自己回帰係数
Ａ１２（ｍ）  ：流入量の予測値に対する降雨量の自己回帰係数
しかし、１点先以上の予測が必要なため、１点先以上の予測には、流入量は予測値を使用し、降雨量は前回の降雨量を使用する。また、数時間先まで予測した降雨量データがあれば、流入量の予測にそれを利用し、数時間先の流入量も予測することができる。このようにして得られた流入量の予測値Ｑ（０）ｐ，Ｑ（１）ｐ・・・をポンプ運転指令装置８に出力する。
９はポンプ運転指令装置で、８３の予測値演算装置で演算された流入量から最適なポンプ運転指令を３の雨水・汚水ポンプに出力する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記手法では、ある一定以上の雨が降ることにより、合流本管の分水堰を越えて増補幹線に流入し、その増補幹線が接続されるようなポンプ場の流入量予測の予測精度が悪いという問題がある。
そこで、本発明は、分水堰を越えてポンプ場に流入する下水の流入量の予測精度が高い下水流入量予測システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、雨量計からの雨量データおよび雨水と合流した下水の流入量データを蓄積する計測値蓄積装置と、前記計測値蓄積装置からのデータを基に降雨量を予測する降雨量予測装置と、前記計測値蓄積装置からのデータを基にデータ列を作成するデータ作成装置と、前記作成されたデータ列および前記降雨量予測装置からのデータを基に前記下水の流入量の予測値を算出する予測装置と、前記予測値を基に前記降雨の雨水と汚水との合流水を汲み上げる雨水・汚水ポンプに運転指令を出力するポンプ運転指令装置とを備えた下水流入量予測システムにおいて、前記計測値蓄積装置とデータ作成装置との間に、前記降雨量と流入量の時間差を演算する時間差演算装置と流入量が計測されないときの降雨量を演算する補正値演算装置とからなる降雨データ加工装置を設けたことを特徴とするものである。
上記手段により、本発明の下水流入量予測システムでは、ある一定以上の雨が降ることにより、合流本管の分水堰を越えて増補幹線に流入し、その増補幹線が接続されるようなポンプ場の流入量予測の予測精度が向上するという作用がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図１を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の下水流入量予測システムを示すブロック図である。図において、６は降雨データ加工装置であり、時間差演算装置６１および補正値演算装置６２からなる。他の符号および各部の機能は従来技術の項で述べたものと同じである。
次に動作について説明する。
▲１▼  計測値蓄積装置４および降雨量予測装置５の処理は従来と同じであるため、説明を省略する。
▲２▼  降雨データ加工装置６により、計測値蓄積装置４に蓄積された降雨データとポンプ場流入量のデータから降雨データを加工する。時間差演算装置６１は、降雨と流入量の時間差を算出するものである。雨量が計測されて流入量が計測されるまで時間差があるため時間差の算出が必要となる。時間差は相互相関関数を使用して求める。雨量と流入量の相互相関係数は以下の式で表現することができる。
各時系列データの平均値を（６）式により算出する。
【００１８】
【数６】
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【００１９】
相互共分散関数は以下の（７）式にて算出する。
【００２０】
【数７】
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【００２１】
相互相関関数は以下の（８）式にて算出する。
【００２２】
【数８】
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【００２３】
雨量と流入量の相互相関係数が最も高い、時刻を算出することができる。その時刻から雨量と流入量の時間差を（９）式により調整する。
【００２４】
【数９】
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【００２５】
Ｒｍａｘ：雨量と流入量の相互相関係数が最も高い時刻
▲３▼  補正値演算装置６２により、増補管への流入量が計測されない時の雨量を補正値として求める。補正値演算装置６２での加工手法を図２に示す。図のように降雨量と流入量の一次回帰を行い、流入量が０［ｍ３／ｍｉｎ］の時の降雨量を補正降雨量として求める。
補正の式は、つぎの（１０）式であらわされる。
降雨データ加工結果＝実測降雨量−補正降雨量                  ・・・（１０）
そして、降雨データ加工結果を流入量予測の降雨データとしてデータ作成装置７と流入量の予測装置８に入力を行う。
▲４▼  補正値演算装置６２のデータをデータ作成装置７により統計モデルに適用するためのデータ作成し、予測装置８により流入量の予測値を演算する処理をし、ポンプ運転指令装置９により雨水・汚水ポンプ３に出力する機能は、従来と同じであるため説明を省略する。
つぎに、本発明による流入量予測方法を適用して、実データを用いてシミュレーションを行った。図４はその結果を示すグラフである。実測値（実線）とシミュレーションによる予測値（点線）を示している。シミュレーションの実施に際しては、直近数日のデータを使用しただけであるが、図に示すように流入量の実測値と予測値がよく一致していることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、計測値蓄積装置とデータ作成装置との間に、前記降雨量と流入量の時間差を演算する時間差演算装置と流入量が計測されないときの降雨量を演算する補正値演算装置とを設けたので、合流本管の分水堰を越えてポンプ場に流入する下水の流入量予測の予測精度が格段に高くなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の下水流入量予測システムを示すブロック図。
【図２】降雨データ加工手法を示すグラフ。
【図３】従来の下水流入量予測システムを示すブロック図。
【図４】流入量実測値、予測値および降雨量のデータ結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１  雨量計
２  流量計
３  雨水・汚水ポンプ
４  計測値蓄積装置
５  降雨量予測装置
６  降雨データ加工装置
７  データ作成装置
７１  直近データ作成装置
７２  天候抽出装置
７３  データ加工装置
８  予測装置
８１  自己回帰モデル作成装置
８２  予測値算出データ作成装置
８３  予測値演算装置
９  ポンプ運転指令装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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