(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象流域での降雨により下水処理場へ流入する下水流入量を予測する流入下水量予測装置において、
前記対象流域での降雨量の計測値およびポンプ井に流入する流入下水量の計測値を基に、非降雨日の流入下水量の１日の平均変動パターンを予め作成し記憶する流入量平均変動パターン作成手段と、
降雨日の流入下水量から前記予め記憶した非降雨日の流入下水量の平均変動パターンを差し引いた残差部分のデータを作成する残差データ作成手段と、
前記残差部分のデータを降雨日と非降雨日に層別する降雨日流入下水量データ演算手段と、
前記降雨日流入量データと降雨量の計測値に基づく降雨強度との関係を統計モデルのシステム変数として作成するシステム変数作成手段と、
前記システム変数から降雨日流入量の予測値を演算する残差予測値演算手段と、
前記平均変動パターンと前記降雨日流入量の予測値との和を演算し流入下水量を予測する予測値演算手段とからなることを特徴とする流入下水量予測装置。
【請求項２】
前記システム変数作成手段を自己回帰モデルとした請求項１記載の流入下水量予測装置。
【請求項３】
前記１日の変動パターンを、曜日毎に層別した請求項１または２に記載の流入下水量予測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場の流入下水量予測を、精度良く行うことが出来る流入下水量予測装置に関するものである。
【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る。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。
たとえば、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(Load Research Laboratory) 法を使用したものがある（特開8-123538）。図２はその一部を示す流入下水量予測装置のブロック図である。１は雨量計で、雨の降雨強度を測定する。３は、ポンプ場１３に設置された雨水・汚水を排水する排水ポンプで、ポンプ井１４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。４は計測値蓄積装置で、雨量計で計測された降雨強度等の計測データを蓄積する装置である。１２は修正RRL 法を用いた流入下水量予測装置、１１はポンプ運転指令装置である。
流入下水量予測装置１２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、流入下水量の演算を行う。浸透域面積は、排水面積に対する不浸透域面積の割合を示すものである。不浸透域面積、浸透域面積の計算方法は、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方法である。有効降雨量の演算は、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流入降雨量を演算する。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。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。雨水流入水は、有効降雨強度と流下時間とを用いて、単位図の手法により算出する。流入下水量は、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。
ポンプ運転指令装置１１は、流入下水量予測装置１２により演算された流入下水量から最適なポンプ運転指令を出力する。
【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 法による流入下水量予測では、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・流入量の関係など膨大なデータの算出が必要となり、着工前に膨大な時間がかかりコストもかかる。また、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ない。しかし、これらの値を変更するには時間と人の大きな労力を必要とし、常に更新することは困難なため予測精度も悪くなる。
そこで、本発明は、降雨強度や流入下水量などのオンラインデータのみにより、高精度で安価な流入下水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、本発明は対象流域での降雨により下水処理場へ流入する下水流入量を予測する流入下水量予測装置において、前記対象流域での降雨量の計測値およびポンプ井に流入する流入下水量の計測値を基に、非降雨日の流入下水量の１日の平均変動パターンを予め作成し記憶する流入量平均変動パターン作成手段と、降雨日の流入下水量から前記予め記憶した非降雨日の流入下水量の平均変動パターンを差し引いた残差部分のデータを作成する残差データ作成手段と、前記残差部分のデータを降雨日と非降雨日に層別する降雨日流入下水量データ演算手段と、前記降雨日流入量データと降雨量の計測値に基づく降雨強度との関係を統計モデルのシステム変数として作成するシステム変数作成手段と、前記システム変数から降雨日流入量の予測値を演算する残差予測値演算手段と、前記平均変動パターンと前記降雨日流入量の予測値との和を演算し流入下水量を予測する予測値演算手段とからなる構成にしている。
また、前記システム変数作成手段を自己回帰モデルとしてもよいし、前記１日の変動パターンを、曜日毎に層別してもよい。
上記手段により、過去数十日の最新の計測値を使用しているため、稼働後約１ヶ月の短期間でその下水処理場に適した予測を行うことができ、予測精度も高い。また、平均変動パターンや自己回帰モデルを毎日更新するため、季節変動に自動的に対応した予測を行うこともできる。
【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詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す流入下水量予測装置のブロック図である。本実施例では、システム変数の作成手段として自己回帰モデルを用いた。図１において、２はポンプ井に流入する流量を測定する流量計、５は流入量平均変動パターン作成装置、６は残差データ作成装置、７は降雨日流入量データ演算装置、８は自己回帰モデル作成装置、９は降雨日流入量予測値演算装置、１０は予測値演算装置である。なお、他の符号は、従来技術で述べたものと同一である。
本発明の流入下水量予測装置用いた予測方法をついて説明する。
まず、流入量平均変動パターン作成装置５は、計測値蓄積装置４で蓄積された計測値を、降雨のある降雨日と降雨のない非降雨日に層別して流入量の平均変動パターンを作成する。つまり、１日の平均変動パターンは、非降雨日の各時刻毎の流入下水量の直近数日間の平均値から算出する。そしてこの算出された平均変動パターンの更新は、予測日により近い計測値を使用するために毎日行う。
残差データ作成装置６は、計測値蓄積装置４に記憶している計測値および流入量平均変動パターン作成装置５で作成した流入下水量の平均変動パターンから、降雨日のデータを作成する。すなわち、流入下水量から平均変動パターンを引いた部分( 以下、これを残差部分と呼ぶ) を対象とするデータを作成する。残差部分のデータは、つぎの(1) 式で求められる。
【０００６】
【数１】
0004182460.tif 000002
【０００７】
ただし、Ｑdi(i) は時刻i における残差部分の計測値、Ｑ(i) は時刻i における流入下水量、Ｑave (j) は時刻j における平均変動パターン、i は計測時刻、j は時刻(j=1,2,3,....,24) である。
降雨日流入量データ演算装置７は残差データ作成装置６で作成されたデータが非降雨日の時は、データ列への追加は行わず、降雨日の時は降雨強度と残差とをデータ列へ追加する。
本実施例では、システム変数作成手段として自己回帰モデルを用いた。
自己回帰モデル作成装置８は、降雨日流入量データ演算装置７で作成した降雨日流入量データと降雨強度と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、(2) 式で表される。
【０００８】
【数２】
0004182460.tif 000003
【０００９】
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、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。すなわち、 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、(3) 式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。
【００１０】
【数３】
0004182460.tif 000004
【００１１】
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σi 2 は(4) 式のようになる。
【００１２】
【数４】
0004182460.tif 000005
【００１３】
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る。
【００１４】
【数５】
0004182460.tif 000006
【００１５】
ただし、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、降雨日流入量の予測を行うために必要な、降雨日流入量と降雨強度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、直近の計測値を使用することを目的に直近数十日の計測値を使用して１日１回行う。
降雨日流入量予測値演算装置９は、自己回帰モデル作成装置８で作成した自己回帰モデルによる予測値から統計的に類推可能な降雨日流入量の数10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10分先の予測は(6) 式のように表される。
【００１６】
【数６】
0004182460.tif 000007
【００１７】
ただし、Ｑdi(i) p は時刻i における降雨日流入量の予測値、Ｑdi(i) は時刻i における降雨日流入量の計測値、Ｒrain(i) は時刻i におけるの降雨強度、A11(m)は降雨日流入量の予測値に対する降雨日流入量の自己回帰係数、A12(m)は降雨日流入量の予測値に対する降雨強度の自己回帰係数である。
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、降雨日流入量は予測値を使用し、降雨強度は前回の降雨強度を使用する。このようにして得られた降雨日流入量の予測値Ｑdi(0) p , Ｑdi(1) p ・・・を予測値演算装置９に出力する。
予測値演算装置１０は、流入量平均変動パターン作成装置５の平均変動パターンと降雨日流入量残差予測値演算装置９の降雨日流入量残差予測値との和を流入下水量予測値とする。流入下水量予測式は、(7) 式のように決定される。
【００１８】
【数７】
0004182460.tif 000008
【００１９】
ただし、Ｑ(i) p は予測流入下水量である。
以上述べた流入下水量予測装置による流入下水量の予測方法をまとめるとつぎのようになる。
▲１▼雨量計１、流量計２からオンラインで計測された値を計測値蓄積装置４に蓄積する。
▲２▼流入量平均変動パターン作成装置５により、非降雨日の流入量の平均変動パターンを作成する。
▲３▼残差データ作成装置６により、降雨日の流入下水量データから平均変動パターンを差し引いた残差部分すなわち、降雨のみの流入下水量データを作成する。
▲４▼降雨日流入量データ演算装置７により降雨日のみのデータから残差データと降雨強度とのデータ列を作成する。
▲５▼自己回帰モデル作成装置８により、自己回帰係数、白色ノイズの分散および最適モデル次数を求め、降雨日流入量と降雨強度との関係式を求める。
▲６▼降雨日流入量予測値演算装置９により統計的に類推可能な降雨日流入量の数10分先の予測値を演算する。
▲７▼予測値演算装置１０により平均変動パターンと降雨日流入量予測値との和を流入下水量予測値として演算する。
▲８▼ポンプ運転指令装置１１により、流入下水量の予測値データを基にした最適なポンプ運転指令データとして排水ポンプ３に出力する。
つぎに、この流入下水量予測方法を実際に適用して、シミュレーションを行った結果を、図３および図４のグラフに示す。図３は流入下水量の実測値( 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。図４は降雨量の時間変化を示す。図３から、流入下水量の実測値と予測値がよく一致していることが分かる。また、図４に示す降雨と図３の流入下水量との対応もよくとれている。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、予測精度は極めて高いことが分かった。すなわち、稼働開始までの期間が極めて短くできる上、予測のための種々のデータ蓄積も少なくてむので、コストも安価にできる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、流入下水量予測装置を、ポンプ井への流入下水量を基に、非降雨日の平均変動パターンを作成し記憶する流入量平均変動パターン作成手段と、降雨日の降雨量のみによる流入下水量、すなわち、残差部分のデータを作成する残差データ作成手段と、降雨時のみデータ列を作成する降雨日流入量データ演算手段と、降雨日流入量のデータと降雨強度との関係を統計モデルのシステム変数として作成するシステム変数作成手段（自己回帰モデル）と、降雨日流入量の予測値を演算する降雨日流入量予測値演算手段と、平均変動パターンと降雨日流入量の予測値との和を演算し流入下水量を予測する予測値演算手段とからなる構成にしたので、流入下水量の予測精度が高く分流式、合流式の設備にも適用でき安価な流入下水量予測装置を得る効果がある。
。また、平均変動パターンや自己回帰モデルを毎日更新するため、季節変動に自動的に対応した予測を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す流入下水量予測装置のブロック図である。
【図２】従来の流入下水量予測装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の流入下水量の実測値と予測値を示すグラフである。
【図４】降雨量の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  雨量計
２  流量計
３  排水ポンプ
４  計測値蓄積装置
５  流入量平均変動パターン作成装置
６  残差データ作成装置
７  降雨日流入量データ演算装置
８  自己回帰モデル作成装置
９  降雨日流入量予測値演算装置
１０予測値演算装置
１１  ポンプ運転指令装置
１２  修正RRL 法流入量予測装置
１３  ポンプ場
１４  ポンプ井
【図１】
0004182460.tif 000009
【図２】
0004182460.tif 000010
【図３】
0004182460.tif 000011
【図４】
0004182460.tif 000012