(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水処理場または雨水ポンプ場のポンプ井に流入する流入量を測定する流量計と、対象流域での降雨量を測定する雨量計と、
前記降雨量の計測値および前記流入量の計測値を蓄積する計測値蓄積装置と、
前記計測値蓄積装置で蓄積された降雨量および流入量から、直近の所定時間のデータ列を作成する直近データ作成装置と、
前記直近データ作成装置で作成されたデータ列に基づいて自己回帰モデルの自己回帰係数と白色ノイズベクトルの分散と最適次数の３つのパラメータを決定する自己回帰モデル作成装置と、
前記計測値蓄積装置のデータから流入量の予測値を算出するための直近のデータ列を作成する予測値算出データ作成装置と、
前記予測値算出データ作成装置で作成されたデータを、前記自己回帰モデル作成装置で前記パラメータを決定された前記自己回帰モデルに入力して前記流入量の予測値を演算する予測値演算装置、からなる流入量予測装置において、
前記直近データ作成装置で作成されたデータ列に基づいて、前記降雨量が観測されているかチェックする天候抽出装置と、
前記天候抽出装置でチェックされた降雨量およびそれと同時刻の流入量、および前記観測された降雨が一定期間続いた雨天期間の終了後数十分間において計測された流入量を前記自己回帰モデル作成装置に入力するデータ列として加工して追加してゆくデータ加工装置とを備え、
前記データ加工装置で加工されたデータ列を基に、前記自己回帰モデル作成装置が前記パラメータを決定する
ことを特徴とする流入量予測装置。
【請求項２】
気象情報をもとに予測された数時間先の予測降雨データを、現在から1時点先の流入量を予測し終えた前記予測値演算装置の降雨の項に１時点ずつ置き換えて、その次の時点の流入量を1時点ずつ予測することを繰り返すことにより、前記降雨データを予測した前記数時間先における流入量の予測値を演算することを特徴とする請求項１記載の流入量予測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、下水処理場のポンプ井に流入する下水または雨水ポンプ場に流入する雨水などの流入量予測を、精度良く行うことができる流入量予測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、浸水防除のためには雨水排水施設の拡大、既存施設を生かした施設運用が必要であり、特に、既存施設の運用では、降雨量からポンプ井への流入量を予測し、その値に見合ったポンプ制御を行う方法が種々提案されている。例えば、降雨をもとに雨水排水路の設計に必要な雨水流出ハイドログラフを算出する修正ＲＲＬ法を使用した流入量予測装置は、図３のようになっている。
図３は従来の流入量予測装置を示すブロック図である。
図において、１は雨の降雨量を測定する雨量計、３はポンプ井１１に貯留した雨水・汚水を貯留量に応じて汲み上げ吐出する雨水・汚水ポンプ、１２は雨量計１で計測された降雨量を蓄積する計測値蓄積装置、９は修正ＲＲＬ法による流入量予測装置、８はポンプ運転指令装置であって、流入量予測装置９で演算された流入量から最適なポンプ運転指令を出力する。
特に、このような流入量予測装置９は、浸透域面積、流下時間、貯留量・流出量曲線を求め、有効降雨量、雨水流入水、流入量の演算を行う。浸透域面積は、排水面積に対する不浸透域面積、浸透域面積の割合を示すものである。
ここで、不浸透域面積、浸透域面積は、対象とする排水区域の航空写真に二つの乱数の組み合わせを適当な場所を原点としてプロットし、全プロット数に対する不浸透域プロット数、浸透域プロット数の割合をもって不浸透域面積、浸透域面積を算出するものである。
そして、有効降雨量は、図示しない有効面積演算装置で演算された浸透域と不浸透域から管きょに流入する降雨量を演算する。また、流下時間は、排水区域の管きょの位置、形状、管径、こう配などから、満流流速を使って各マンホール間の時間から求める。さらに、貯留量・流出量曲線は、管きょに流入した雨水の管内貯留を考慮に入れた貯留量・流出量の関係を求める。またさらに、雨水流入水は、有効降雨量と流下時間とを用いて、単位図の手法により算出すると共に、流入量は、貯留量・流出量曲線で求められた関数から連続式を解いて求めるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような修正ＲＲＬ法による流入量予測では、有効降雨量、流下時間、貯留量・流出曲線などを求めるために、浸透域、不浸透域、流下時間、貯留量・流入量の関係などを膨大なデータの算出が必要となり、その膨大なデータを随時修正しなければならないという問題があった。
このうち浸透域、不浸透域などは、住宅状況の変化、道路状況の変化によって、その値を随時修正しなければならず、住宅状況の変化、道路状況などの変化等の多くのパラメータを変更するには、多大な時間、人などの労力を必要とし、しかも常にパラメータを更新することは困難であるため、予測精度も悪くなるという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、浸透域、不浸透域、流下時間、貯留量・流入量の関係などの膨大なデータの算出を必要としない、また、住宅・道路状況などの変化等の多くのパラメータを変更せずに多大な時間、人などの労力を必要としない、予測精度の高い流入量予測装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の本発明は、下水処理場または雨水ポンプ場のポンプ井に流入する流入量を測定する流量計と、対象流域での降雨量を測定する雨量計と、
前記降雨量の計測値および前記流入量の計測値を蓄積する計測値蓄積装置と、
前記計測値蓄積装置で蓄積された降雨量および流入量から、直近の所定時間のデータ列を作成する直近データ作成装置と、
前記直近データ作成装置で作成されたデータ列に基づいて自己回帰モデルの自己回帰係数と白色ノイズベクトルの分散と最適次数の３つのパラメータを決定する自己回帰モデル作成装置と、
前記計測値蓄積装置のデータから流入量の予測値を算出するための直近のデータ列を作成する予測値算出データ作成装置と、
前記予測値算出データ作成装置で作成されたデータを、前記自己回帰モデル作成装置でパラメータを決定された前記自己回帰モデルに入力して前記流入量の予測値を演算する予測値演算装置、からなる流入量予測装置において、
前記直近データ作成装置で作成されたデータ列に基づいて、前記降雨量が観測されているかチェックする天候抽出装置と、
前記天候抽出装置でチェックされた降雨量およびそれと同時刻の流入量、および前記観測された降雨が一定期間続いた雨天期間の終了後数十分間において計測された流入量を前記自己回帰モデル作成装置に入力するデータ列として加工して追加してゆくデータ加工装置とを備え、
前記データ加工装置で加工されたデータ列を基に、前記自己回帰モデル作成装置が前記パラメータを決定するようにしたものである。
また、請求項２に記載の発明は、気象情報をもとに予測された数時間先の予測降雨データを、現在から1時点先の流入量を予測し終えた前記予測値演算装置の降雨の項に１時点ずつ置き換えて、その次の時点の流入量を1時点ずつ予測することを繰り返すことにより、前記降雨データを予測した前記数時間先における流入量の予測値を演算するようにしたものである。
上記手段により、本発明の流入量予測装置では、下水処理場のポンプ井または雨水ポンプ場に適した予測を行うことができ、降雨量が観測された降雨量と流入量、および降雨量が一定期間継続して観測された雨天期間の終了後数十分間において計測された流入量を使用してパラメータを決定していることから、降雨量と流入量の関係を明確に表現したモデルから流入量の予測を行うことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例を示す流入量予測装置のブロック図である。なお、従来と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる点のみを説明する。本発明が従来技術と異なる構成は、以下のとおりである。図において、２はポンプ井１１に流入する流量を測定する流量計、４は降雨量の計測値および流入量の計測値を蓄積する計測値蓄積装置、５は降雨量予測装置であって、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。また、６はデータ作成装置であり、計測値蓄積装置４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。６１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。６２は天候抽出装置であり、直近数十分間、雨量計１において、降雨量が観測されているかをチェックする。６３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６２においてチェックされた結果が晴天時はデータ列の加工を行わず、雨天時は、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。しかし、観測された降雨が一定期間続いた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ようにしている。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ている。７は予測装置であり、データ作成装置６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。７１は、自己回帰モデル作成装置で、データ加工装置６３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。この自己回帰モデルは、過去数十日の計測値を使用するようにしている。
今、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次のようになる。
【０００６】
【数１】
0003870407.tif 000002
【０００７】
ここで、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という３つのパラメータ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()、自己回帰係数の要素をAij(m)とすると、次のようになる。
【０００８】
【数２】
0003870407.tif 000003
【０００９】
上記の連立一次方程式を、i=1,2,...,kについて解けばＡij(ｍ)が求められる。
また、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は次のようになる。
【００１０】
【数３】
0003870407.tif 000004
【００１１】
なお、モデルの最適次数Ｍは予測誤差を表す下記の(４)式のＭＦＰＥ(Ｍ)を最小にする値である。
【００１２】
【数４】
0003870407.tif 000005
【００１３】
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。
７２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７１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。
７３は予測値演算装置であり、自己回帰モデル作成装置７１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７２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次のように表される。
【００１４】
【数５】
0003870407.tif 000006
【００１５】
但し、Ｑ(ｎ)p：時刻ｎにおける流入量の予測値
Ｑ(ｎ)：時刻ｎにおける流入量の計測値
Rain(ｎ)：時刻ｎ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、自己回帰モデルを用いた時の数十分先の予測は、１点先以上の予測を必要とする。そのため１点先以上の予測を行う際は、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、予測降雨データを、現在から1時点先の流入量を予測し終えた前記予測値演算装置の降雨の項に１時点ずつ置き換えて、その次の時点の流入量を1時点ずつ予測することを繰り返すことにより、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。
【００１６】
次に、本発明の実施例による流入量予測装置について、簡単に流入量予測の方法をまとめて説明する。
まず、対象流域の降雨量、下水処理場のポンプ井１１に流入する下水などの流入量をオンラインで計測して計測値蓄積装置４に蓄積する。この計測値蓄積装置４に蓄積された計測オンラインデータに基づいて、データ作成装置６により直近数時間のデータ列を作成・加工する。その後、この加工後のデータを基に自己回帰モデル作成装置７１により自己回帰モデルを作成する。続いて、こうして作成された自己回帰モデル、予測値算出データ作成装置７２のデータおよび降雨量予測装置５のデータを用いることにより予測値演算装置７３で流入量の予測値を演算し、稼働後数週間における下水処理場のポンプ井などに適した流入量の予測を行う。
以上説明した流入量予測装置を適用して、実データを用いてシミュレーションを行った。図２は本発明の実施例による流入量予測装置の効果を確認する説明図であって、（ａ）は実データを用いてシミュレーションを行った流入量予測値と実測値のグラフ、（ｂ）は流入量予測値と実測値グラフに対応した雨量の実測値である。図において、実践は実測値、破線はシミュレーションによる予測値を示している。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わかる。
したがって、本実施例による流入量予測装置は、対象流域の降雨量、下水処理場のポンプ井に流入する下水などの流入量の計測オンラインデータに基づいて、データ作成装置により直近数時間のデータ列を作成・加工し、この加工後のデータを基に自己回帰モデルを用いて稼働後数週間でその下水処理場のポンプ井などに適した流入量の予測を行えるようにしたので、過去の実績を基にした流入量予測を行う際の予測精度を向上させることができる。また、従来の修正ＲＲＬ法を用いた流入量予測装置のように、浸透域、不浸透域、流下時間、貯留量・流入量の関係などの膨大なデータの算出を必要とせず、あるいは住宅・道路状況の変化等の多くのパラメータの変更を必要としないので、多大な時間、人などの労力を不要とすることができる。
なお、本実施例では、対象流域での降雨量の計測値を考慮した下水処理場のポンプ井に流入する下水の流入量を予測する流入量予測装置について述べたが、この他に雨水ポンプ場に流入する雨水の予測についても本流入量予測装置を用いることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、対象流域の降雨量、下水処理場のポンプ井に流入する下水などの流入量の計測オンラインデータに基づいて、データ作成装置により直近数時間のデータ列を作成・加工し、この加工後のデータを基に自己回帰モデルを用いて稼働後数週間でその下水処理場のポンプ場などに適した流入量の予測を行える流入量予測装置を構成したので、過去の実績を基にした流入量予測を行う際の予測精度を向上させる効果がある。また、従来のように浸透域、不浸透域、流下時間、貯留量・流入量の関係などの膨大なデータの算出を必要せず、あるいは住宅・道路状況などの変化等の多くのパラメータを変更する必要がないため、多大な時間、人などの労力を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す流入量予測装置のブロック図である。
【図２】本発明による流入量予測装置の効果を確認する説明図であって、（ａ）は実データを用いてシミュレーションを行った流入量予測値と実測値のグラフ、（ｂ）は流入量予測値と実測値グラフに対応した雨量の実測値である。
【図３】従来技術を示す流入量予測装置のブロック図である。
【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  データ作成装置
６１  直近データ作成装置
６２  天候抽出装置
６３  データ加工装置
７  予測装置
７１  自己回帰モデル作成装置
７２  予測値算出データ作成装置
７３  予測値演算装置
８  ポンプ運転指令装置
【図１】
0003870407.tif 000007
【図２】
0003870407.tif 000008
【図３】
0003870407.tif 000009