JP7807311B2 - Systems and methods for assisting in wastewater treatment - Google Patents
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Description
本発明は、下水処理の支援のためのコンピュータ技術に関する。 The present invention relates to computer technology for supporting sewage treatment.
標準活性汚泥法に基づいて下水処理を行う下水処理場においては、曝気槽内の活性汚泥を生育環境とする各種硝化菌の代謝作用を利用して、汚水中のアンモニア(NH3)が硝化される。その際に利用される硝化菌の例としては、アンモニアの酸化により亜硝酸(HNO2)を生じさせるアンモニア酸化細菌(Ammonia Oxidizing Bacteria; AOB)やアンモニア酸化古細菌(Ammonia Oxidizing Archaea; AOA)、亜硝酸の酸化により硝酸(HNO3)を生じさせる亜硝酸酸化細菌(Nitrite Oxidizing Bacteria; NOB)等が挙げられる。 In sewage treatment plants that treat sewage based on the standard activated sludge process, ammonia (NH 3 ) in wastewater is nitrified by utilizing the metabolic activity of various nitrifying bacteria that live in the activated sludge in the aeration tank. Examples of nitrifying bacteria used in this process include ammonia oxidizing bacteria (AOB) and ammonia oxidizing archaea (AOA), which oxidize ammonia to produce nitrite (HNO 2 ), and nitrite oxidizing bacteria (NOB), which oxidize nitrite to produce nitrate (HNO 3 ).
活性汚泥の硝化能の強さは、当該活性汚泥中の各種硝化菌の生菌数や菌体濃度に左右される。また、活性汚泥中の各種硝化菌の生菌数や菌体濃度は、当該活性汚泥中の溶存酸素濃度(Dissolved Oxygen; DO)と概ね正相関する。そのため、標準活性汚泥法に基づいて下水処理を行う下水処理場は、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度を一定に保つ目的で、当該曝気槽内を曝気する手段を備えていることが多い(例えば特許文献1)。 The strength of activated sludge's nitrification ability depends on the viable cell count and cell concentration of various nitrifying bacteria in the activated sludge. Furthermore, the viable cell count and cell concentration of various nitrifying bacteria in the activated sludge are generally positively correlated with the dissolved oxygen concentration (DO) in the activated sludge. Therefore, sewage treatment plants that treat sewage based on the standard activated sludge process often include a means for aerating the aeration tank in order to maintain a constant dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank (see, for example, Patent Document 1).
一般に、曝気槽内の曝気は、当該曝気槽に付設されたブロアを使用して行われる。このブロアは、設置先の下水処理場が法定された水質基準を満たすように、通常、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度や、下水処理場への下水の流入量(以下、「下水流入量」と称する)に対するブロアが吐出した空気量(以下、「吐出空気量」と称する)の比率を表す流入量比率が一定となるように制御される。しかしながら、活性汚泥中の溶存酸素濃度や、流入量比率といった指標は、確たるものでなく、また、下水処理場への下水流入量の変動や曝気槽内の活性汚泥の状態の変化に伴って変化するために、一意に定めることが難しい。そのため、これらの指標をブロアの制御目標値とし、一定に保とうとする場合、実際には、熟達した操作員が適時にブロアを操作することでブロアの動作の調整を行っており、このことが操作員個人や下水処理場の管理上の負担となっていた。 Aeration in the aeration tank is typically performed using a blower attached to the aeration tank. This blower is typically controlled to maintain a constant dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank and a constant inflow ratio, which represents the ratio of the amount of air discharged by the blower (hereinafter referred to as the "air discharge volume") to the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant (hereinafter referred to as the "sewage inflow volume"), so that the sewage treatment plant where it is installed meets statutory water quality standards. However, indicators such as the dissolved oxygen concentration in the activated sludge and the inflow ratio are not definitive and are difficult to uniquely determine because they change with fluctuations in the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant and changes in the state of the activated sludge in the aeration tank. Therefore, when attempting to set these indicators as blower control target values and maintain them constant, skilled operators must adjust the blower's operation in a timely manner, which places a burden on the individual operator and on the management of the sewage treatment plant.
さらに、今日では、下水処理場の運転においても、消費電力の抑制は喫緊の課題である。このことから、ブロアの制御目標値は、下水処理場が放流水質基準を満たし、かつ、省エネをも達成するようなものであることが好ましい。 Furthermore, reducing power consumption is an urgent issue in the operation of sewage treatment plants today. For this reason, it is preferable that the blower control target value be one that enables sewage treatment plants to meet effluent water quality standards while also achieving energy conservation.
本発明は、上記の課題に鑑みて、良好なブロアの制御目標値を自動的に決定可能な技術を提供することを目的とする。 In consideration of the above issues, the present invention aims to provide technology that can automatically determine an optimal blower control target value.
本発明による下水処理支援システムは、クラスタリング部と、遷移条件学習部と、制御目標値決定部とを備えるものである。クラスタリング部は、標準活性汚泥法に基づく下水処理を行う下水処理場の曝気槽内の活性汚泥の状態を表す所定期間毎の状態データのクラスタリングを行う。遷移条件学習部は、クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移の条件を学習する。制御目標値決定部は、学習された遷移条件と、曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する。状態データは、下水処理場の二次処理水の水質を表す水質データと、下水処理場の運転状況を表す運転データとを含む。 The sewage treatment support system according to the present invention comprises a clustering unit, a transition condition learning unit, and a control target value determination unit. The clustering unit performs clustering of status data for a predetermined period representing the status of activated sludge in an aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on a standard activated sludge process. The transition condition learning unit learns the conditions for transitions between clusters in multiple clusters generated by clustering. The control target value determination unit determines the control target value of a blower that discharges air to aerate the aeration tank based on the learned transition conditions and a time series of new status data representing the status of activated sludge in the aeration tank. The status data includes water quality data representing the quality of secondary effluent from the sewage treatment plant and operating data representing the operating status of the sewage treatment plant.
その他、本願が開示する課題とその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、および図面の記載によって明らかにされる。 Furthermore, the problems and solutions disclosed in this application will be made clear in the detailed description of the invention and the drawings.
本発明によれば、良好なブロアの制御目標値を自動的に決定することができる。 This invention makes it possible to automatically determine optimal blower control target values.
以下の説明では、「インターフェース装置」は、一つ以上のインターフェースデバイスでよい。当該一つ以上のインターフェースデバイスは、下記のうちの少なくとも一つでよい。
・一つ以上のI/O(Input/Output)インターフェースデバイス。I/O(Input/Output)インターフェースデバイスは、I/Oデバイスと遠隔の表示用計算機とのうちの少なくとも一つに対するインターフェースデバイスである。表示用計算機に対するI/Oインターフェースデバイスは、通信インターフェースデバイスでよい。少なくとも一つのI/Oデバイスは、ユーザーインターフェースデバイス、例えば、キーボードおよびポインティングデバイスのような入力デバイスと、表示デバイスのような出力デバイスとのうちのいずれでもよい。
・一つ以上の通信インターフェースデバイス。一つ以上の通信インターフェースデバイスは、一つ以上の同種の通信インターフェースデバイス(例えば一つ以上のNIC(Network Interface Card))であってもよいし二つ以上の異種の通信インターフェースデバイス(例えばNICとHBA(Host Bus Adapter))であってもよい。
In the following description, an "interface apparatus" may refer to one or more interface devices. The one or more interface devices may be at least one of the following:
One or more I/O (Input/Output) interface devices. The I/O (Input/Output) interface devices are interface devices for at least one of an I/O device and a remote display computer. The I/O interface device for the display computer may be a communications interface device. The at least one I/O device may be a user interface device, for example, either an input device such as a keyboard and a pointing device, or an output device such as a display device.
One or more communication interface devices. The one or more communication interface devices may be one or more homogeneous communication interface devices (e.g., one or more NICs (Network Interface Cards)) or two or more heterogeneous communication interface devices (e.g., a NIC and an HBA (Host Bus Adapter)).
また、以下の説明では、「メモリ」は、一つ以上の記憶デバイスの一例である一つ以上のメモリデバイスであり、典型的には主記憶デバイスでよい。メモリにおける少なくとも一つのメモリデバイスは、揮発性メモリデバイスであってもよいし不揮発性メモリデバイスであってもよい。 In the following description, "memory" refers to one or more memory devices, which are an example of one or more storage devices, and may typically be a primary storage device. At least one memory device in the memory may be a volatile memory device or a non-volatile memory device.
また、以下の説明では、「永続記憶装置」は、一つ以上の記憶デバイスの一例である一つ以上の永続記憶デバイスでよい。永続記憶デバイスは、典型的には、不揮発性の記憶デバイス(例えば補助記憶デバイス)でよく、具体的には、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、NVME(Non-Volatile Memory Express)ドライブ、または、SCM(Storage Class Memory)でよい。 In the following description, a "persistent storage device" may refer to one or more persistent storage devices, which are an example of one or more storage devices. A persistent storage device may typically be a non-volatile storage device (e.g., an auxiliary storage device), and more specifically, may be, for example, a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), a non-volatile memory express (NVME) drive, or a storage class memory (SCM).
また、以下の説明では、「記憶装置」は、メモリと永続記憶装置の少なくともメモリでよい。 Also, in the following description, "storage device" may refer to at least memory, including memory and persistent storage devices.
また、以下の説明では、「プロセッサ」は、一つ以上のプロセッサデバイスでよい。少なくとも一つのプロセッサデバイスは、典型的には、CPU(Central Processing Unit)のようなマイクロプロセッサデバイスでよいが、GPU(Graphics Processing Unit)のような他種のプロセッサデバイスでもよい。少なくとも一つのプロセッサデバイスは、シングルコアでもよいしマルチコアでもよい。少なくとも一つのプロセッサデバイスは、プロセッサコアでもよい。少なくとも一つのプロセッサデバイスは、処理の一部または全部を行うハードウェア記述言語によりゲートアレイの集合体である回路(例えばFPGA(Field-Programmable Gate Array)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)またはASIC(Application Specific Integrated Circuit))といった広義のプロセッサデバイスでもよい。 In the following description, a "processor" may refer to one or more processor devices. The at least one processor device may typically be a microprocessor device such as a CPU (Central Processing Unit), but may also be another type of processor device such as a GPU (Graphics Processing Unit). The at least one processor device may be single-core or multi-core. The at least one processor device may also be a processor core. The at least one processor device may also be a broader processor device such as a circuit that is a collection of gate arrays written in a hardware description language that performs some or all of the processing (e.g., an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a CPLD (Complex Programmable Logic Device), or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit)).
また、以下の説明では、「yyy部」の表現にて機能を説明することがあるが、機能は、一つ以上のコンピュータプログラムがプロセッサによって実行されることで実現されてもよいし、一つ以上のハードウェア回路(例えばFPGAまたはASIC)によって実現されてもよいし、それらの組合せによって実現されてもよい。プログラムがプロセッサによって実行されることで機能が実現される場合、定められた処理が、適宜に記憶装置および/またはインターフェース装等を用いながら行われるため、機能はプロセッサの少なくとも一部とされてもよい。機能を主語として説明された処理は、プロセッサあるいはそのプロセッサを有する装置が行う処理としてもよい。プログラムは、プログラムソースからインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布計算機または計算機が読み取り可能な記録媒体(例えば非一時的な記録媒体)であってもよい。各機能の説明は一例であり、複数の機能が一つの機能にまとめられたり、一つの機能が複数の機能に分割されたりしてもよい。 In the following description, functions may be described using the expression "yyy unit," but the functions may be realized by one or more computer programs being executed by a processor, by one or more hardware circuits (e.g., FPGAs or ASICs), or by a combination of these. When a function is realized by a program being executed by a processor, the specified processing is performed using storage devices and/or interface devices, etc., as appropriate, and therefore the function may be considered to be at least part of the processor. Processing described using a function as the subject may be processing performed by a processor or a device having that processor. A program may be installed from program source. The program source may be, for example, a program distribution computer or a computer-readable recording medium (e.g., a non-transitory recording medium). The description of each function is an example, and multiple functions may be combined into a single function, or a single function may be divided into multiple functions.
また、以下の説明では、「プログラム」を主語として処理を説明する場合があるが、プログラムを主語として説明された処理は、プロセッサあるいはそのプロセッサを有する装置が行う処理としてもよい。また、二つ以上のプログラムが一つのプログラムとして実現されてもよいし、一つのプログラムが二つ以上のプログラムとして実現されてもよい。 In addition, in the following explanation, processing may be described using a "program" as the subject, but processing described using a program as the subject may also be processing performed by a processor or a device having that processor. Furthermore, two or more programs may be realized as a single program, or one program may be realized as two or more programs.
また、以下の説明では、「xxxテーブル」といった表現にて、入力に対して出力が得られる情報を説明することがあるが、当該情報は、どのような構造のテーブルでもよいし、入力に対する出力を発生するニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズムやランダムフォレストに代表されるような学習モデルでもよい。従って、「xxxテーブル」を「xxx情報」と言うことができる。また、以下の説明において、各テーブルの構成は一例であり、一つのテーブルは、二つ以上のテーブルに分割されてもよいし、二つ以上のテーブルの全部または一部が一つのテーブルであってもよい。 In the following explanation, information that produces an output in response to an input may be described using expressions such as "xxx table," but this information may be a table of any structure, or a learning model such as a neural network that generates an output in response to an input, a genetic algorithm, or a random forest. Therefore, "xxx table" can also be referred to as "xxx information." In the following explanation, the structure of each table is an example, and one table may be divided into two or more tables, or all or part of two or more tables may be one table.
また、以下の説明では、「UI」は、User Interfaceの略であるが、典型的にはGUI(Graphical User Interface)である。 Also, in the following explanation, "UI" stands for User Interface, but typically refers to GUI (Graphical User Interface).
また、以下の説明では、下水処理を支援するシステムを「下水処理支援システム」と称する。下水処理支援システムは、一つ以上の物理的な計算機でもよいし、少なくとも一つの物理的な計算機が所定のソフトウェアを実行することで実現されるソフトウェアディファインドのシステムでもよいし、クラウド基盤(典型的には、プロセッサや記憶装置を含む複数種類の計算リソース)上に実現されるシステムでもよい。例えば、計算機が表示デバイスを有していて計算機が自分の表示デバイスに情報を表示する場合、当該計算機が下水処理支援システムでよい。また、例えば、第1計算機(例えばサーバ)が出力情報を遠隔の第2計算機(表示用計算機(例えば後述のユーザー端末))に送信し表示用計算機がその情報を表示する場合(第1計算機が第2計算機に情報を表示する場合)、第1計算機と第2計算機とのうちの少なくとも第1計算機が下水処理支援システムでよい。すなわち、下水処理支援システムが「出力情報を表示する」ことは、計算機が有する表示デバイスに出力情報を表示することであってもよいし、計算機が表示用計算機に出力情報を送信することであってもよい(後者の場合は表示用計算機によって出力情報が表示される)。 In the following description, a system that supports sewage treatment will be referred to as a "sewage treatment support system." A sewage treatment support system may be one or more physical computers, a software-defined system implemented by at least one physical computer executing specified software, or a system implemented on a cloud platform (typically multiple types of computing resources including processors and storage devices). For example, if a computer has a display device and displays information on its own display device, that computer may be a sewage treatment support system. Also, for example, if a first computer (e.g., a server) transmits output information to a remote second computer (a display computer (e.g., a user terminal described below)) and the display computer displays that information (the first computer displays information on the second computer), at least the first of the first and second computers may be a sewage treatment support system. In other words, when the sewage treatment support system "displays output information," it may mean that the output information is displayed on a display device possessed by the computer, or that the computer sends the output information to a display computer (in the latter case, the output information is displayed by the display computer).
以下、本実施形態を詳細に説明する。 This embodiment is described in detail below.
以下の実施形態の説明は、標準活性汚泥法に基づく下水処理を行う下水処理場の曝気槽に付設され、当該曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する下水処理支援システムを例に行う。また、このブロアの制御は、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度(以下、単に「溶存酸素濃度」とも称する)を一定に保つことを目標とする、溶存酸素濃度一定制御により行うものとする。したがって、本実施形態の下水処理支援システムが決定するブロアの制御目標値は、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度の値である。 The following embodiment will be described using as an example a sewage treatment support system that determines the control target value for a blower that is installed in an aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on the standard activated sludge process and that discharges air to aerate the aeration tank. Furthermore, this blower is controlled using constant dissolved oxygen concentration control, which aims to maintain a constant dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank (hereinafter simply referred to as "dissolved oxygen concentration"). Therefore, the control target value for the blower determined by the sewage treatment support system of this embodiment is the dissolved oxygen concentration value in the activated sludge in the aeration tank.
なお、このブロアの制御は、下水処理場への下水流入量に対するブロアの吐出空気量の比率を表す流入量比率を一定に保つことを目標とする、流入量比率一定制御により行うこともできる。その場合、下水処理支援システムが決定するブロアの制御目標値は、流入量比率である。 This blower control can also be performed using constant inflow ratio control, which aims to maintain a constant inflow ratio, which represents the ratio of the blower's discharge air volume to the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant. In this case, the blower control target value determined by the sewage treatment support system is the inflow ratio.
本実施形態に係る下水処理支援システムは、曝気槽内の活性汚泥の状態を表す週毎のデータ(以下、「状態データ」と称する)に基づいて、ブロアの制御目標値を決定する。この状態データは、下水処理場における二次処理後の水(以下、「二次処理水」と称する)の週毎の水質を表すデータ(以下、「水質データ」と称する)と、ブロアを含む下水処理場の各種設備の一時間毎の運転状況を表すデータ(以下、「運転データ」と称する)とを含む。ここで、二次処理水の水質には、曝気槽内の活性汚泥の状態、例えば硝化能の強さの度合が反映される。そして、活性汚泥の硝化能の強さの度合は、前述したように、活性汚泥中の各種硝化菌の生育状況を表す、生菌数や菌体濃度等の指標に左右される。そのため、新たな水質データを取得するための水質検査は、硝化菌をはじめとする活性汚泥中の微生物の成長速度を考慮して、通常は週毎に実施される。本実施形態における水質データも、週毎に実施される水質検査の結果をそれぞれ表したものである。 The sewage treatment support system of this embodiment determines the blower control target value based on weekly data (hereinafter referred to as "status data") representing the condition of activated sludge in the aeration tank. This status data includes data (hereinafter referred to as "water quality data") representing the weekly water quality of water after secondary treatment at the sewage treatment plant (hereinafter referred to as "secondary treated water") and data (hereinafter referred to as "operating data") representing the hourly operating status of various equipment at the sewage treatment plant, including the blower. Here, the quality of the secondary treated water reflects the condition of the activated sludge in the aeration tank, such as the level of nitrification activity. As mentioned above, the level of nitrification activity of the activated sludge is influenced by indicators such as viable cell count and bacterial cell concentration, which represent the growth status of various nitrifying bacteria in the activated sludge. Therefore, water quality testing to obtain new water quality data is typically conducted weekly, taking into account the growth rate of microorganisms in the activated sludge, including nitrifying bacteria. The water quality data in this embodiment also represents the results of water quality tests conducted weekly.
なお、ブロアの制御目標値を設定する際には、週毎に実施される水質検査の結果を取得した後、一週間程度の時間的なラグを考慮した上で、翌週の運転のための制御目標値を設定する必要がある。しかしながら、その間に二次処理水の水質が変化するため、水質データや、水質データを含む状態データから直接制御目標値を導出した場合、運転時の活性汚泥の状態に適切な制御目標値を設定することが難しい。また、水質データや運転データに含まれる各計測値は計測される度に値が変化し、全く同じ値が計測されることがないために、これらの計測値から大まかな変化の傾向を抽出して学習モデルを構築することが難しい。そこで、本実施形態の下水処理支援システムは、週毎の状態データについてクラスタリングを行い、複数の状態データを含むクラスタを生成する。ここで、同一のクラスタに含まれる複数の状態データは、同じ、または、近い条件でブロアが運転されていた週の活性汚泥の状態をそれぞれ表す。すなわち、各クラスタは、それぞれ、同一の、または、近似する制御目標値が設定されていた期間の活性汚泥の状態を表している。そして、本実施形態の下水処理支援システムは、クラスタリングにより生成された複数のクラスタについて、ブロアの運転条件の変化に伴って生じるクラスタ間の遷移に着目し、クラスタが好ましく遷移した場合の、クラスタ間の遷移の条件(以下、「遷移条件」と称する)を学習することで、運転時の活性汚泥の状態に適切なブロアの制御目標値を決定する。これにより、ブロアの運転時よりも一週間程度前に実施される水質検査の結果に基づいて、ブロアの運転時の活性汚泥の状態に適切な制御目標値を設定することができる。 When setting the blower's control target value, it is necessary to take into account a time lag of about one week after obtaining the results of weekly water quality tests and set the control target value for the following week's operation. However, because the water quality of the secondary effluent changes during that time, deriving the control target value directly from water quality data or status data including water quality data makes it difficult to set an appropriate control target value for the activated sludge state during operation. Furthermore, since the measured values contained in the water quality data and operational data change each time they are measured and are never exactly the same, it is difficult to extract general trends from these measured values and build a learning model. Therefore, the sewage treatment support system of this embodiment clusters the weekly status data to generate clusters containing multiple status data. Here, multiple status data contained in the same cluster each represent the activated sludge state for the week the blower was operated under the same or similar conditions. In other words, each cluster represents the activated sludge state for a period when the same or similar control target values were set. The sewage treatment support system of this embodiment focuses on the transitions between clusters generated by clustering that occur as the blower's operating conditions change, and by learning the conditions for transitions between clusters when favorable cluster transitions occur (hereinafter referred to as "transition conditions"), it determines the blower's control target values appropriate for the activated sludge state during operation. This makes it possible to set control target values appropriate for the activated sludge state during blower operation based on the results of water quality testing conducted approximately one week before the blower starts operating.
図1は、本実施形態に係る下水処理支援システムの構成例を示す。 Figure 1 shows an example configuration of a sewage treatment support system related to this embodiment.
図1に示した下水処理支援システム100の各構成要素は、CPU(Central Processing Unit)および各種コプロセッサ(Co-processor)等のプロセッサデバイス(以下、単に「プロセッサ」とも称する)、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線やインターフェース装置を含むハードウェアと、記憶装置に記憶され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。 Each component of the sewage treatment support system 100 shown in Figure 1 is realized by hardware including processor devices such as a CPU (Central Processing Unit) and various co-processors (hereinafter simply referred to as "processors"), storage devices such as memory and storage, wired or wireless communication lines and interface devices that connect them, and software that is stored in the storage devices and supplies processing instructions to the computing units.
記憶装置は、少なくとも下水処理支援プログラムを記憶する。下水処理支援プログラムは、下水処理の支援のためのコンピュータプログラムである。下水処理支援プログラムがプロセッサにより実行されることで、遷移条件学習処理、制御目標値決定処理および遷移先推定処理といった処理が行われる。これらの処理の詳細は後述する。 The storage device stores at least a sewage treatment support program. The sewage treatment support program is a computer program for supporting sewage treatment. When the sewage treatment support program is executed by the processor, processes such as transition condition learning processing, control target value determination processing, and transition destination estimation processing are performed. Details of these processes are described below.
なお、下水処理支援プログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。 The sewage treatment support program may also be composed of device drivers, an operating system, various application programs located at higher levels, and libraries that provide common functions to these programs. Each block described below represents a functional block, rather than a hardware configuration.
下水処理支援システム100は、データ処理部10、データ格納部30、ユーザーインターフェース部(不図示)および通信部(不図示)の各機能ブロックを有する。 The sewage treatment support system 100 has the following functional blocks: a data processing unit 10, a data storage unit 30, a user interface unit (not shown), and a communication unit (not shown).
データ処理部10は、ユーザーインターフェース部が検出したユーザーの操作入力、通信部により取得されたデータ、およびデータ格納部30が格納するプログラムやデータに基づいて各種データ処理を実行する。データ処理部10は、ユーザーインターフェース部、通信部およびデータ格納部30のインターフェースとしても機能する。 The data processing unit 10 performs various data processing operations based on user input detected by the user interface unit, data acquired by the communication unit, and programs and data stored in the data storage unit 30. The data processing unit 10 also functions as an interface between the user interface unit, communication unit, and data storage unit 30.
データ処理部10は、条件学習部120および運転計画部140の各機能ブロックを有する。条件学習部120は、機械学習モデルの構築のための各種処理を実行する。また、運転計画部140は、ブロアの制御のための各種処理を実行する。 The data processing unit 10 has the functional blocks of a condition learning unit 120 and an operation planning unit 140. The condition learning unit 120 performs various processes for building a machine learning model. The operation planning unit 140 performs various processes for controlling the blower.
条件学習部120は、クラスタリング部220および遷移条件学習部240を含む。また、運転計画部140は、制御目標値決定部420および消費電力推計部440を含む。 The condition learning unit 120 includes a clustering unit 220 and a transition condition learning unit 240. The operation planning unit 140 also includes a control target value determination unit 420 and a power consumption estimation unit 440.
クラスタリング部220は、標準活性汚泥法に基づく下水処理を行う下水処理場の曝気槽内の活性汚泥の状態を表す所定期間毎の状態データのクラスタリング処理を実行する。 The clustering unit 220 performs clustering processing on status data for a specified period that represents the status of activated sludge in the aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on the standard activated sludge method.
遷移条件学習部240は、クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移条件を学習する処理を実行する。遷移条件学習部240が実行するこの処理を、遷移条件学習処理と称する。この遷移条件学習処理において、遷移条件学習部240は、複数の値のうち制御目標値を含む一つ以上の値を入力としたときの、ある週から翌週にかけてのクラスタの遷移を学習したモデルを出力する。このモデルは、ある週と翌週の間で遷移したクラスタの番号の対を目的変数とし、一つ以上の値を説明変数としたモデルである。遷移条件学習処理の詳細は、図2~3に関連して後述する。 The transition condition learning unit 240 executes a process to learn the transition conditions between multiple clusters generated by clustering. This process executed by the transition condition learning unit 240 is referred to as the transition condition learning process. In this transition condition learning process, the transition condition learning unit 240 outputs a model that learns the transition of clusters from one week to the next when one or more values including a control target value among multiple values are input. This model uses a pair of cluster numbers that transitioned between one week and the next week as the objective variable, and one or more values as the explanatory variable. Details of the transition condition learning process will be described later in relation to Figures 2 and 3.
制御目標値決定部420は、学習された遷移条件と、曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する処理を実行する。制御目標値決定部420が実行するこの処理を、制御目標値決定処理と称する。制御目標値決定処理の詳細は、図10に関連して後述する。 The control target value determination unit 420 executes a process to determine a control target value for the blower that discharges air to aerate the aeration tank, based on the learned transition conditions and a time series of new status data representing the status of activated sludge in the aeration tank. This process executed by the control target value determination unit 420 is referred to as the control target value determination process. Details of the control target value determination process will be described later in relation to Figure 10.
なお、上述の制御目標値決定処理は、遷移先推定処理を含む。遷移先推定処理の詳細は、図11に関連して後述する。 Note that the above-described control target value determination process includes a transition destination estimation process. Details of the transition destination estimation process will be described later in relation to Figure 11.
消費電力推計部440は、ブロアの吐出空気量を基に当該ブロアの消費電力を推計する処理を実行する。これにより、ブロアの制御目標値を決定する際に、当該ブロアの消費電力量を別途計測することなく、消費電力の抑制を考慮要素とすることができる。なお、ブロアの吐出空気量と当該ブロアの消費電力量とは概ね正相関する。 The power consumption estimation unit 440 executes a process to estimate the power consumption of the blower based on the amount of air discharged by the blower. This allows the reduction of power consumption to be taken into consideration when determining the blower's control target value, without having to separately measure the amount of power consumed by the blower. Note that there is a roughly positive correlation between the amount of air discharged by the blower and the amount of power consumed by the blower.
データ処理部10は、所定のプログラムを実行することによって、これらの機能ブロックを実現することができる。 The data processing unit 10 can realize these functional blocks by executing a specified program.
データ格納部30は、例えばRAMやフラッシュメモリ等の記憶装置を用いて構成されており、データ処理部10に各種処理命令を供給するプログラム、およびデータ処理部10が実行する処理において用いられる各種情報を表すデータを記憶装置に記憶させる。例えば、水質データ格納部320が格納する水質データや、運転データ格納部340が格納する運転データ等がデータ格納部30により記憶装置に記憶される。データ処理部10は、これらの情報をデータ格納部30に読み書きすることで、前述のクラスタリング部220、遷移条件学習部240、制御目標値決定部420および消費電力推計部440の各機能ブロックを実現することができる。 The data storage unit 30 is configured using a storage device such as RAM or flash memory, and stores in the storage device programs that supply various processing commands to the data processing unit 10, as well as data representing various information used in the processing performed by the data processing unit 10. For example, water quality data stored in the water quality data storage unit 320 and operating data stored in the operating data storage unit 340 are stored in the storage device by the data storage unit 30. By reading and writing this information to the data storage unit 30, the data processing unit 10 can realize the functional blocks of the clustering unit 220, transition condition learning unit 240, control target value determination unit 420, and power consumption estimation unit 440 described above.
データ格納部30は、水質データ格納部320および運転データ格納部340の各機能ブロックを有する。 The data storage unit 30 has the functional blocks of a water quality data storage unit 320 and an operating data storage unit 340.
水質データ格納部320は、主に、図4に例示する水質テーブルによって表される、水質データを格納する。水質テーブルは、水質データを管理するためのテーブルである。水質データおよび水質テーブルの詳細は、図3~4に関連して後述する。 The water quality data storage unit 320 mainly stores water quality data represented by the water quality table illustrated in Figure 4. The water quality table is a table for managing water quality data. Details of the water quality data and the water quality table will be described later in connection with Figures 3 and 4.
運転データ格納部340は、主に、図5に例示する運転テーブルによって表される、運転データを格納する。運転テーブルは、運転データを管理するためのテーブルである。運転データおよび運転テーブルの詳細は、図3および図5に関連して後述する。 The driving data storage unit 340 mainly stores driving data represented by the driving table illustrated in Figure 5. The driving table is a table for managing driving data. Details of the driving data and driving table will be described later with reference to Figures 3 and 5.
ユーザーインターフェース部は、ユーザーからの入力操作を受け付けるほか、画像表示や音声出力等、ユーザーインターフェースに関する処理を担当する。ユーザーインターフェース部は、入力部および出力部の各機能ブロックを有する。入力部は、ユーザーからの各種操作を検出する。入力部は、例えばキーボードやポインティングデバイス、タッチパネル等を用いて構成される。出力部は、決定されたブロアの制御目標値を表示装置50に表示させるほか、表示装置50への各種画面の表示や音声出力等を実行する。表示装置50は、例えば液晶ディスプレイやタッチスクリーン等を用いて構成される。 The user interface unit accepts input operations from the user and is responsible for user interface-related processing such as image display and audio output. The user interface unit has the functional blocks of an input unit and an output unit. The input unit detects various operations from the user. The input unit is configured using, for example, a keyboard, pointing device, touch panel, etc. The output unit displays the determined blower control target values on the display device 50 and also displays various screens and outputs audio on the display device 50. The display device 50 is configured using, for example, an LCD display, touch screen, etc.
通信部は、インターネット(通信ネットワークの一例)を介して行われる、下水処理支援システム100の各ユーザーが保有するユーザー端末や、下水処理場の監視制御システム70を構成しているサーバ装置等の他の機器との通信処理を担当する。なお、監視制御システム70は、ブロアを含む下水処理場の各種設備の運転状況の監視および制御を行うシステムである。通信部は、例えばNIC(Network Interface Card)やHBA(Host Bus Adapter)等を用いて構成される。 The communications unit is responsible for processing communications via the Internet (an example of a communications network) with user terminals owned by each user of the sewage treatment support system 100 and other devices, such as the server devices that make up the sewage treatment plant monitoring and control system 70. The monitoring and control system 70 is a system that monitors and controls the operating status of various pieces of equipment at the sewage treatment plant, including blowers. The communications unit is configured using, for example, a NIC (Network Interface Card) or an HBA (Host Bus Adapter).
本実施形態では、下水処理支援システム100の各機能が一台のコンピュータ装置により一体的に実現されているものとして説明した。しかしながら、これらの各機能は相互に接続された複数台のコンピュータ装置またはサーバ装置によって実現されてもよい。また、下水処理支援システム100は、ラップトップPC等の汎用コンピュータ装置と、これにインストールされたウェブブラウザとを含む構成であってもよいし、ウェブサーバや各種携帯機器を含む構成であってもよい。 In this embodiment, the functions of the sewage treatment support system 100 have been described as being implemented integrally by a single computer device. However, these functions may also be implemented by multiple interconnected computer devices or server devices. Furthermore, the sewage treatment support system 100 may be configured to include a general-purpose computer device such as a laptop PC and a web browser installed on it, or may be configured to include a web server and various mobile devices.
次に、下水処理支援システム100が実行する各処理の流れについて説明する。 Next, we will explain the flow of each process performed by the sewage treatment support system 100.
図2は、本実施形態で行われる処理全体の流れの一例を示すフローチャートである。 Figure 2 is a flowchart showing an example of the overall processing flow performed in this embodiment.
ステップS210において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、クラスタ間の遷移条件について再学習が必要か否かを判定する処理を実行する。本実施形態の下水処理支援システム100は、二次処理水の水質検査が実施され、検査結果を表す新たな水質データを水質データ格納部320が格納した時、言い換えると、検査結果を表す新たなレコードが後述の水質テーブルに記録された時に、ステップS220以降の各処理を実行する。そのため、この再学習の要否の判定は、例えば、水質データ格納部320が新たな水質データを格納したか否かを判定することにより行う。再学習が必要であると判定した場合(ステップS210:Y)は、クラスタ間の遷移条件を再学習するためにステップS220に進み、再学習は不要であると判定した場合(ステップS210:N)は、そのままステップS240に進む。 In step S210, the data processing unit 10 executes a process in which the transition condition learning unit 240 determines whether or not re-learning of the transition conditions between clusters is necessary. In this embodiment, the sewage treatment support system 100 executes each process from step S220 onward when a water quality test is conducted on the secondary treated water and new water quality data representing the test results is stored in the water quality data storage unit 320—in other words, when a new record representing the test results is recorded in the water quality table described below. Therefore, the determination of whether or not re-learning is necessary is made, for example, by determining whether or not the water quality data storage unit 320 has stored new water quality data. If it is determined that re-learning is necessary (step S210: Y), the process proceeds to step S220 to re-learn the transition conditions between clusters. If it is determined that re-learning is not necessary (step S210: N), the process proceeds directly to step S240.
ステップS220において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、遷移条件学習処理を実行する。これにより、ステップS230の制御目標値決定処理が精度よく実行される。データ処理部10は、遷移条件学習処理が完了すると、ステップS230に進む。 In step S220, the data processing unit 10 executes a transition condition learning process using the transition condition learning unit 240. This allows the control target value determination process in step S230 to be executed with high accuracy. When the transition condition learning process is complete, the data processing unit 10 proceeds to step S230.
ステップS230において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、制御目標値決定処理を実行する。この制御目標値決定処理は、ステップS220の遷移条件学習処理の結果に基づいて行われる。これにより、良好なブロアの制御目標値が自動的に決定される。データ処理部10は、制御目標値決定処理が完了すると、ステップS240に進む。 In step S230, the data processing unit 10 executes a control target value determination process using the control target value determination unit 420. This control target value determination process is performed based on the results of the transition condition learning process in step S220. As a result, an appropriate blower control target value is automatically determined. When the control target value determination process is complete, the data processing unit 10 proceeds to step S240.
ステップS240において、データ処理部10は、遷移条件の再学習が必要であるとステップS210で判定した場合(ステップS210:Y)は、今回実行したステップS230の制御目標値決定処理の結果を表す画面を、出力部を介して表示装置50に表示させる。他方、遷移条件の再学習は不要であるとステップS210で判定した場合(ステップS210:N)は、前回実行したステップS230の制御目標値決定処理の結果を表す画面を、出力部を介して表示装置50に表示させる。出力部は、図13Aおよび図13Bに例示する表示画面の要領で、制御目標値決定処理の結果である、決定されたブロアの制御目標値を表示装置50に表示させる。データ処理部10は、ステップS240における処理が完了すると、図2のフローチャートに示す処理を終了する。 In step S240, if the data processing unit 10 determines in step S210 that re-learning of the transition conditions is necessary (step S210: Y), it causes the display device 50 to display a screen showing the results of the control target value determination process currently executed in step S230 via the output unit. On the other hand, if the data processing unit 10 determines in step S210 that re-learning of the transition conditions is not necessary (step S210: N), it causes the display device 50 to display a screen showing the results of the control target value determination process previously executed in step S230 via the output unit. The output unit displays the determined blower control target value, which is the result of the control target value determination process, on the display device 50 in the manner of the display screens exemplified in Figures 13A and 13B. When the data processing unit 10 completes the processing in step S240, it terminates the processing shown in the flowchart of Figure 2.
このように、本実施形態の下水処理支援システム100は、図2のステップS210~S240の各処理を実行して良好なブロアの制御目標値を決定し、表示装置50に表示させる。このうち、ブロアの制御目標値を好ましく決定するための処理は、ステップS220において遷移条件学習部240が実行する遷移条件学習処理と、ステップS230において制御目標値決定部420が実行する制御目標値決定処理とに大別できる。そこで、まずステップS220で行われる遷移条件学習処理の詳細を、図3のフローチャートを参照して説明する。また、ステップS230で行われる制御目標値決定処理の詳細は、後で図10のフローチャートを参照して説明する。 In this way, the sewage treatment support system 100 of this embodiment executes the processes of steps S210 to S240 in FIG. 2 to determine favorable blower control target values and displays them on the display device 50. The processes for favorably determining blower control target values can be broadly divided into a transition condition learning process executed by the transition condition learning unit 240 in step S220, and a control target value determination process executed by the control target value determination unit 420 in step S230. Therefore, details of the transition condition learning process executed in step S220 will first be explained with reference to the flowchart in FIG. 3. Details of the control target value determination process executed in step S230 will be explained later with reference to the flowchart in FIG. 10.
図3は、遷移条件学習処理の流れの一例を示す。 Figure 3 shows an example of the flow of the transition condition learning process.
ステップS301において、データ処理部10は、水質データ格納部320が水質テーブルにより格納する最新の水質データを一つ取得する。この水質テーブルの構成例を図4に示す。前述したように、水質データの取得のための水質検査は、週毎に実施される。そのため、水質テーブル400は、水質検査が実施された週毎にレコードを有する。レコードは、少なくとも水質検査の実施日(以下、「計測日」と称する)と、当該計測日における二次処理水の生物化学的酸素要求量(Biochemical Oxygen Demand; BOD)とを項目として含む。また、レコードは、例えば、当該計測日における二次処理水の化学的酸素要求量(Chemical Oxygen Demand; COD)や、全りん(Total Phosphorus; T-P)、全窒素(Total Nitrogen; T-N)等の、下水処理場の放流水の水質(以下、単に「放流水質」と称する)の基準を定めた放流水質基準における、水質検査対象項目の計測値を含んでもよい。すなわち、水質テーブル400は、レコード毎に、計測日と、当該計測日における二次処理水の水質や放流水質を表す各計測値を紐付けて記録することにより、週一回の水質検査の結果を表すものである。図4に示す例によれば、水質テーブル400には、「2020年4月8日」に実施された水質検査において、二次処理水の生物化学的酸素要求量が「4.2mg/L」であり、化学的酸素要求量が「7.2mg/L」であったことが記録されている。データ処理部10は、ステップS301における処理が完了すると、ステップS302に進む。 In step S301, the data processing unit 10 acquires one of the most recent pieces of water quality data stored in the water quality data storage unit 320 in the water quality table. An example of the configuration of this water quality table is shown in Figure 4. As mentioned above, water quality tests to acquire water quality data are conducted weekly. Therefore, the water quality table 400 has a record for each week on which a water quality test was conducted. The record includes as items at least the date on which the water quality test was conducted (hereinafter referred to as the "measurement date") and the biochemical oxygen demand (BOD) of the secondary treated water on that measurement date. The records may also include measurements of water quality test items in effluent quality standards that set standards for the water quality of effluent from sewage treatment plants (hereinafter simply referred to as "effluent quality"), such as the chemical oxygen demand (COD), total phosphorus (TP), and total nitrogen (TN) of the secondary treated water on the measurement date. That is, the water quality table 400 represents the results of weekly water quality tests by linking the measurement date with each measurement value representing the water quality of the secondary treated water and the effluent water on that measurement date for each record. In the example shown in FIG. 4 , the water quality table 400 records that the biochemical oxygen demand (BOD) of the secondary treated water was 4.2 mg/L and the chemical oxygen demand was 7.2 mg/L in a water quality test conducted on April 8, 2020. When the processing in step S301 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S302.
ステップS302において、データ処理部10は、運転データ格納部340が運転テーブルにより格納する運転データを取得する。この運転テーブルの構成例を図5に示す。前述したように、運転データは、ブロアを含む下水処理場の各種設備の一時間毎の運転実績を、監視制御システム70が記録したものである。そのため、運転テーブル500は、一時間毎にレコードを有する。レコードは、少なくとも監視制御システム70が運転データを記録した日時と、運転データの前回の記録日時から当該日時までのブロアの吐出空気量と、当該日時における曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度と、当該日時において曝気槽に返送された汚泥の量(以下、「返送汚泥量」と称する)と、当該日時における下水処理場への下水流入量とを項目として含む。また、レコードは、例えば、曝気槽内の活性汚泥濃度(Mixed Liquor Suspended Solids; MLSS)、全りんや全窒素等の水質検査対象項目の計測値、ポリ塩化アルミニウム(Polyaluminum chloride; PAC)の注入量、および硝化液の流入量等の値を含んでもよい。すなわち、運転テーブル500は、レコード毎に、日時と、当該日時における下水処理場の運転実績を表す各指標の値を紐付けて記録することにより、ブロアを含む下水処理場の各種設備の一時間毎の運転状況を表すものである。図5に示す例によれば、運転テーブル500には、「2020年4月1日の00時00分00秒」に、ブロアの吐出空気量が「20,000m3」であり、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度が「1.3mg/L」であったことが記録されている。なお、データ処理部10は、後述するステップS303の処理において水質データの時間単位に合わせるために、ステップS302の処理においては、直近一週間分の運転データを取得して、週平均に換算する。データ処理部10は、ステップS302における処理が完了すると、ステップS303に進む。 In step S302, the data processing unit 10 acquires the operation data stored by the operation data storage unit 340 in the operation table. An example of the configuration of this operation table is shown in FIG. 5 . As described above, the operation data is the hourly operating results of various pieces of equipment in the sewage treatment plant, including the blower, recorded by the monitoring and control system 70. Therefore, the operation table 500 has a record for each hour. The record includes, as items, at least the date and time when the monitoring and control system 70 recorded the operation data, the amount of air discharged from the blower from the previous recording date and time of the operation data to the current date and time, the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank at the current date and time, the amount of sludge returned to the aeration tank at the current date and time (hereinafter referred to as the "returned sludge amount"), and the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant at the current date and time. The records may also include values such as the concentration of activated sludge (mixed liquor suspended solids; MLSS) in the aeration tank, measured values of water quality test items such as total phosphorus and total nitrogen, the amount of polyaluminum chloride (PAC) injected, and the inflow amount of nitrification liquid. That is, the operation table 500 records, for each record, the date and time and the values of each indicator representing the operating performance of the sewage treatment plant at that date and time, thereby representing the hourly operating status of various equipment of the sewage treatment plant, including the blower. According to the example shown in FIG. 5 , the operation table 500 records that at "00:00:00 on April 1, 2020," the blower discharge air volume was "20,000 m 3 ," and the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank was "1.3 mg/L." In order to match the time unit of the water quality data in the processing of step S303 described below, the data processing unit 10 acquires the operating data for the most recent week and converts it into a weekly average in the processing of step S302. After completing the processing of step S302, the data processing unit 10 proceeds to step S303.
ステップS303において、データ処理部10は、ステップS301で取得した最新の水質データと、ステップS302で取得した直近一週間の週平均を表す運転データとに基づいて、状態データを生成する。生成された状態データは、データ格納部30が状態テーブルにより格納する。この状態テーブルの構成例を図6に示す。上述の通り、状態データは、週毎の水質検査の結果を表す水質データを含む。そのため、状態テーブル600は、それぞれ一週間に相当する期間毎にレコードを有する。レコードは、一週間に相当する期間と、当該期間が表す週(以下、「当該週」と称する)のブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値と、当該週の活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値と、当該週の曝気槽への返送汚泥量の一日当たりの平均値と、当該週の下水処理場への下水流入量の一日当たりの平均値と、当該週の二次処理水の生物化学的酸素要求量の一日当たりの平均値とを表す。このうち、二次処理水の生物化学的酸素要求量の一日当たりの平均値は水質データに由来し、その他の値は運転データに由来する。すなわち、状態テーブル600は、レコード毎に、一週間に相当する期間と、当該週の水質データおよび運転データの各値を紐付けて記録することにより、週毎の曝気槽内の活性汚泥の状態を表すものである。データ処理部10は、例えば、4月1日から4月7日までの一週間の週平均を表す運転データを格納したレコードには、4月8日に実施された水質検査の結果を表す水質データを格納することにより、新たな状態データを生成する。図6に示す例によれば、状態テーブル600には、「2020年4月1日から4月7日までの一週間」に、ブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値が「520,000m3」であり、活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値が「1.5mg/L」であったことが記録されている。データ処理部10は、ステップS303における処理が完了すると、ステップS304に進む。 In step S303, the data processing unit 10 generates status data based on the latest water quality data acquired in step S301 and the operating data representing the weekly average for the most recent week acquired in step S302. The generated status data is stored in the data storage unit 30 in a status table. An example of the configuration of this status table is shown in FIG. 6. As described above, the status data includes water quality data representing the results of weekly water quality tests. Therefore, the status table 600 has a record for each period equivalent to one week. The record represents the period equivalent to one week, the average daily blower discharge air volume for the week represented by the period (hereinafter referred to as the "week"), the average hourly dissolved oxygen concentration in the activated sludge for the week, the average daily volume of returned sludge to the aeration tank for the week, the average daily volume of sewage inflow to the sewage treatment plant for the week, and the average daily biochemical oxygen demand of the secondary effluent for the week. Of these, the daily average value of the biochemical oxygen demand of the secondary effluent is derived from water quality data, while the other values are derived from operational data. That is, the status table 600 represents the weekly state of the activated sludge in the aeration tank by linking a one-week period with the water quality data and operational data values for that week for each record. For example, the data processing unit 10 generates new status data by storing water quality data representing the results of a water quality test conducted on April 8 in a record that stores operational data representing the weekly average for the week from April 1 to April 7. In the example shown in FIG. 6 , the status table 600 records that, for the week from April 1 to April 7, 2020, the daily average value of the blower's discharge air volume was 520,000 m 3 and the hourly average value of the dissolved oxygen concentration in the activated sludge was 1.5 mg/L. After completing the processing in step S303, the data processing unit 10 proceeds to step S304.
ステップS304において、データ処理部10は、クラスタリング部220により、ステップS303で生成した状態データについて、クラスタリング処理を実行する。クラスタリング処理は、状態データの各行の値を要素とした行列を生成し、この行列を入力として各種のクラスタリング手法を適用することにより行う。これにより、週毎の状態データがクラスタリングされる。クラスタリングにより生成された複数のクラスタのいずれかに分類された状態データを、クラスタリング後状態データと称する。なお、本実施形態ではk-means法によりクラスタリングを行う。状態データは、八つのクラスタのいずれかに分類される。実施例では便宜上八つとしたが、クラスタの数はユーザーが事前に任意の値を定めることができる。クラスタリング後状態データは、データ格納部30がクラスタリング後状態テーブルにより格納する。このクラスタリング後状態テーブルの構成例を図7に示す。図7に例示したクラスタリング後状態テーブル700も、図6に例示した状態テーブル600と同様に、一週間に相当する期間毎にレコードを有する。レコードは、一週間に相当する期間と、当該週のブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値と、当該週の活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値と、当該週の曝気槽への返送汚泥量の一日当たりの平均値と、当該週の下水処理場への下水流入量の一日当たりの平均値と、当該週の二次処理水の生物化学的酸素要求量の一日当たりの平均値と、当該状態データが分類されたクラスタを一意に識別するためのクラスタ番号とを表す。すなわち、クラスタリング後状態テーブル700は、図6に例示した状態テーブル600のレコード毎に、クラスタ番号が付加されたものである。図7に示す例によれば、クラスタリング後状態テーブル700には、ブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値が「520,000m3」であり、活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値が「1.5mg/L」であったことを表す「2020年4月1日から4月7日までの一週間」についての状態データは、「1」番のクラスタ番号を付与されたクラスタに分類されていることが記録されている。なお、クラスタの識別は、上記のクラスタ番号でなく、例えばアルファベットや記号等の他の識別符号を使用して行ってもよい。データ処理部10は、ステップS304における処理が完了すると、ステップS305に進む。 In step S304, the data processing unit 10 causes the clustering unit 220 to perform clustering processing on the status data generated in step S303. The clustering processing is performed by generating a matrix with the values of each row of the status data as elements and applying various clustering methods to this matrix as input. This results in clustering of the weekly status data. Status data classified into one of the multiple clusters generated by clustering is referred to as post-clustered status data. In this embodiment, clustering is performed using the k-means method. The status data is classified into one of eight clusters. For convenience, eight clusters are used in this embodiment, but the user can specify any number of clusters in advance. The post-clustered status data is stored in the data storage unit 30 in a post-clustered status table. An example of the configuration of this post-clustered status table is shown in FIG. 7. Like the status table 600 shown in FIG. 6, the post-clustered status table 700 shown in FIG. 7 also has a record for each period equivalent to one week. Each record represents a period equivalent to one week, the daily average value of the blower's discharge air volume for that week, the hourly average value of the dissolved oxygen concentration in the activated sludge for that week, the daily average value of the return sludge volume to the aeration tank for that week, the daily average value of the sewage inflow volume to the sewage treatment plant for that week, the daily average value of the biochemical oxygen demand of the secondary effluent for that week, and a cluster number for uniquely identifying the cluster into which the status data is classified. That is, the clustered status table 700 is a table in which a cluster number is assigned to each record of the status table 600 illustrated in FIG. 6. According to the example illustrated in FIG. 7, the clustered status table 700 records that the status data for the "week from April 1 to April 7, 2020," which indicates that the daily average value of the blower's discharge air volume was "520,000 m3 " and the hourly average value of the dissolved oxygen concentration in the activated sludge was "1.5 mg/L," is classified into a cluster assigned a cluster number of "1." It should be noted that the clusters may be identified using other identification codes such as alphabets, symbols, etc., instead of the cluster numbers described above. After completing the process in step S304, the data processing unit 10 proceeds to step S305.
ステップS305において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、クラスタリング後状態データに基づいて、図9に例示する遷移条件学習用の行列(以下、単に「学習用行列」とも称する)を生成する。この学習用行列は、遷移条件学習処理における説明変数および目的変数を行列として表すものである。このうち、説明変数を表す行列は、当該状態データが属するクラスタのクラスタ番号と、前週のブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値と、前週の活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値と、前週の曝気槽への返送汚泥量の一日当たりの平均値と、前週の下水処理場への下水流入量の一日当たりの平均値と、前週の二次処理水の生物化学的酸素要求量の一日当たりの平均値と、当該週の翌週の(次の状態でのDO)活性汚泥中の溶存酸素濃度の一時間当たりの平均値とを表す。また、目的変数を表す行列は、ある週に属していたクラスタ番号から、その翌週に属していたクラスタ番号の対応を取れる値として、両者のクラスタ番号の対(各々の数値を文字列として扱い結合した値に等しい)で構成する。例えば前の週にクラスタiに属しており、翌週はクラスタjに属しているデータであるならば、目的変数の行列を構成する値としてijとする。図9に例示した学習用行列は、図示する通りにある週の運転を行った計測値が記録された際に、実際に起こったクラスタの遷移を表現している。このように、遷移条件学習部240は、ブロアが前週に吐出した空気量と、曝気槽内の活性汚泥中の前週の溶存酸素濃度と、曝気槽への前週の返送汚泥量と、下水処理場への前週の下水流入量と、下水処理場の二次処理水の生物化学的酸素要求量と、曝気槽内の活性汚泥中の翌週の溶存酸素濃度の予測値とを含む学習用行列として説明変数を構築する。データ処理部10は、ステップS305における処理が完了すると、ステップS306に進む。 In step S305, the data processing unit 10, using the transition condition learning unit 240, generates a transition condition learning matrix (hereinafter simply referred to as the "learning matrix") as illustrated in Figure 9 based on the clustered state data. This learning matrix represents the explanatory variables and target variables in the transition condition learning process as a matrix. Among these, the matrix representing the explanatory variables represents the cluster number of the cluster to which the state data belongs, the average daily blower discharge air volume for the previous week, the average hourly dissolved oxygen concentration in the activated sludge for the previous week, the average daily returned sludge volume to the aeration tank for the previous week, the average daily sewage inflow volume to the sewage treatment plant for the previous week, the average daily biochemical oxygen demand of the secondary effluent for the previous week, and the average hourly dissolved oxygen concentration in the activated sludge for the week following the current week (DO at the next state). The matrix representing the dependent variable is composed of pairs of cluster numbers (equivalent to the combined value of each number treated as a string) that correspond to the cluster number belonging to a certain week and the cluster number belonging to the following week. For example, if data belonged to cluster i in the previous week and cluster j in the following week, the value constituting the dependent variable matrix is ij. The learning matrix illustrated in FIG. 9 represents the actual cluster transitions that occurred when the measured values obtained during a certain week of operation were recorded. In this way, the transition condition learning unit 240 constructs explanatory variables as a learning matrix including the amount of air discharged by the blower in the previous week, the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank in the previous week, the amount of returned sludge to the aeration tank in the previous week, the amount of sewage inflow to the sewage treatment plant in the previous week, the biochemical oxygen demand of the secondary effluent from the sewage treatment plant, and the predicted value of the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank in the following week. When the processing in step S305 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S306.
ステップS306において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、クラスタ間の遷移条件を学習する処理を実行する。遷移条件の学習は、時系列が隣接する二つのクラスタについて、遷移の方向と時系列の前後とを表す重心ベクトルの角度を算出して重心ベクトルが所定の閾値以下の角度となる場合の条件を学習することにより行う。このとき、学習データの選別を行わない場合は角度の閾値を任意のものとする。各クラスタの重心は、例えばk-means法の適用時に計算されるものをメモリ上に保存し、使用すればよい。本実施形態では、この処理を、決定木(Decision Tree)により実行する。しかしながら、ステップS306における遷移条件の学習処理は、例えばサポートベクターマシン(Support-Vector Machine; SVM)のような分類が可能な他の機械学習手法により実行してもよい。データ処理部10は、ステップS306における処理が完了すると、ステップS307に進む。 In step S306, the data processing unit 10 executes a process for learning transition conditions between clusters using the transition condition learning unit 240. The transition conditions are learned by calculating the angle of the centroid vector representing the transition direction and the time series before and after for two clusters with adjacent time series, and learning the conditions under which the angle of the centroid vector is equal to or less than a predetermined threshold. If no training data selection is performed, the angle threshold can be set arbitrarily. The centroid of each cluster may be calculated, for example, when applying the k-means method, and stored in memory for use. In this embodiment, this process is performed using a decision tree. However, the transition condition learning process in step S306 may also be performed using other machine learning methods capable of classification, such as a support vector machine (SVM). After completing the process in step S306, the data processing unit 10 proceeds to step S307.
ステップS307において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、学習モデルを出力する。学習後のモデル(入力した行列xに対するyへの射影)は、メモリ上へ保存される。データ処理部10は、ステップS307における処理が完了すると、図3のフローチャートに示す遷移条件学習処理を終了する。 In step S307, the data processing unit 10 outputs a learned model using the transition condition learning unit 240. The learned model (projection of the input matrix x onto y) is saved in memory. When the processing in step S307 is completed, the data processing unit 10 ends the transition condition learning process shown in the flowchart in Figure 3.
なお、遷移条件学習処理において、遷移条件学習部240が、遷移した経路の重心ベクトルと、事前に導出した良い遷移のベクトルとの角度を計算し、所定の閾値以下の角度によって表される遷移のみを学習するとしてもよい。また、その際に、遷移条件学習部240は、悪い遷移をするデータを除外してもよい。それにより、中期的な遷移まで考慮して状態を選別し、短期的には良いが中期的に悪い方向へ遷移する学習を回避することができる。然様な場合の遷移条件学習処理の詳細は、後で図14のフローチャートを参照して説明する。 In the transition condition learning process, the transition condition learning unit 240 may calculate the angle between the center of gravity vector of the transitioned path and a vector of a good transition derived in advance, and learn only transitions represented by an angle below a predetermined threshold. In addition, at this time, the transition condition learning unit 240 may exclude data that shows a bad transition. This makes it possible to select states taking into account medium-term transitions and avoid learning transitions that are good in the short term but take a bad turn in the medium term. Details of the transition condition learning process for such cases will be explained later with reference to the flowchart in Figure 14.
本実施形態の下水処理支援システム100は、水質検査のタイミングで新たに生成された状態データを入力し、下水処理場の現在の処理性能を表す今いるクラスタについて、重心と状態データとの距離が最小のクラスタを計算して、今いるクラスタを特定する。そして、良いクラスタへ移動するか、または、現在のクラスタに留まることができる溶存酸素濃度の値を探索してブロアの制御目標値として決定し、ユーザーに提示する。この際、新たに生成された状態データと探索過程において仮設定した溶存酸素濃度から遷移条件の説明変数を構築することで、仮設定中の溶存酸素濃度(すなわち翌週の制御目標値)により今いるクラスタから、どのクラスタへ遷移するかを推定する。この遷移先のクラスタが、ブロアの空気量の最小化、または、水質の改善の少なくとも一方を満たすかを確認しながら、最適な翌週の制御目標値を決定する。これにより、外乱に弱い活性汚泥モデル(Activated Sludge Models; ASM)を使用したり、高価な各種測定器を多数揃えたりすることなく、水質データや運転データに含まれる、入手性の良い一般的な各種計測結果に基づいて、下水処理場の下水処理性能を推定したり、次の水質改善の可否を予測したりすることができる。すなわち、各クラスタは、下水処理場の下水処理性能をそれぞれ表す。 In this embodiment, the sewage treatment support system 100 inputs newly generated status data at the time of water quality testing. It then calculates the cluster with the smallest distance between the center of gravity and the status data, identifying the current cluster representing the sewage treatment plant's current treatment performance. It then searches for a dissolved oxygen concentration value that will allow the plant to either move to a better cluster or remain in the current cluster, determines it as the blower control target value, and presents it to the user. In this process, explanatory variables for the transition conditions are constructed from the newly generated status data and the dissolved oxygen concentration provisionally set during the search process, and estimates which cluster the plant will transition to based on the provisionally set dissolved oxygen concentration (i.e., the control target value for the next week). The optimal control target value for the next week is determined while confirming whether the destination cluster satisfies at least one of minimizing the blower's air volume or improving water quality. This makes it possible to estimate the sewage treatment performance of a sewage treatment plant and predict whether the next water quality improvement will be necessary, based on a variety of easily available, general measurement results contained in water quality data and operational data, without using activated sludge models (ASMs), which are vulnerable to external disturbances, or without procuring a large number of expensive measuring instruments. In other words, each cluster represents the sewage treatment performance of the sewage treatment plant.
図8は、クラスタ間の遷移の例を示す。図8は、週毎のブロアの吐出空気量の一日当たりの平均値(m3/日/週)を横軸とし、当該週の二次処理水の生物化学的酸素要求量の一日当たりの平均値(mg/L)を縦軸とする散布図上に、週毎のクラスタリング後状態データをクラスタ番号と共に表示したものである。矢印は、ある週の計測点から翌週の計測点への移動を表す。散布図上に存在するクラスタリング後状態データを表す点は、ブロアの吐出空気量に応じて遷移する。基本的には、ブロアの吐出空気量を増加させると、クラスタリング後状態データを表す点は、二次処理水の生物化学的酸素要求量の値がより低くなる位置の点に遷移する。他方、ブロアの吐出空気量を減少させると、クラスタリング後状態データを表す点は、二次処理水の生物化学的酸素要求量の値がより高くなる位置の点に遷移する。そこで、下水処理支援システム100は、週毎の状態データが当該週の曝気槽内の活性汚泥の状態を表しているものと仮定し、現在よりも良い状態へと変化するか、または現在の状態を維持する運転方法を遷移条件学習処理により学習して、遷移先の推定器を生成する。そして、制御目標値決定処理においては、生成した遷移先の推定器を使用して良いクラスタの方向へ移動できる溶存酸素濃度の値を推定し、ブロアの制御目標値として決定して、下水処理支援システム100のユーザー(例えば、ブロアの操作員)に提示するものである。 FIG. 8 shows an example of transitions between clusters. FIG. 8 shows post-clustering status data for each week, along with cluster numbers, on a scatter plot with the average daily value of the blower's discharge air volume for each week (m 3 /day/week) on the horizontal axis and the average daily value of the secondary treated water's biochemical oxygen demand for that week (mg/L) on the vertical axis. The arrows indicate movement from a measurement point in one week to a measurement point in the following week. The points representing post-clustering status data on the scatter plot transition depending on the blower's discharge air volume. Essentially, increasing the blower's discharge air volume causes the points representing the post-clustering status data to transition to a point where the secondary treated water's biochemical oxygen demand value becomes lower. On the other hand, decreasing the blower's discharge air volume causes the points representing the post-clustering status data to transition to a point where the secondary treated water's biochemical oxygen demand value becomes higher. Therefore, the sewage treatment support system 100 assumes that the weekly status data represents the status of the activated sludge in the aeration tank for that week, and generates a transition destination estimator by learning an operating method that will improve the status or maintain the current status through a transition condition learning process.Then, in the control target value determination process, the generated transition destination estimator is used to estimate a dissolved oxygen concentration value that will move toward a better cluster, and this is determined as the control target value for the blower and presented to a user of the sewage treatment support system 100 (e.g., a blower operator).
図10は、制御目標値決定処理の流れの一例を示す。 Figure 10 shows an example of the flow of the control target value determination process.
ステップS1001において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、クラスタリング後状態データを生成する。制御目標値決定部420は、ステップS1001におけるこの処理において、後述するS1101~S1104の処理と同じ処理を行い、最新値のクラスタを特定する。データ処理部10は、ステップS1001における処理が完了すると、ステップS1002に進む。 In step S1001, the data processing unit 10 generates post-clustering state data using the control target value determination unit 420. In this process in step S1001, the control target value determination unit 420 performs the same processing as steps S1101 to S1104, described below, to identify the cluster of the latest value. When the data processing unit 10 completes the processing in step S1001, it proceeds to step S1002.
ステップS1002において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、最適な制御目標値を決定するための最適化モデルを構築する。この最適化モデルは、翌週のブロアの制御目標値とされる溶存酸素濃度の値を決定変数とするものである。この決定変数の探索には、例えばNelder-mead法のような導関数を用いずに適用可能な最適化アルゴリズムが使用される。また、この最適化モデルの目的変数は、下記の(式1)で表される。 In step S1002, the data processing unit 10 constructs an optimization model for determining the optimal control target value using the control target value determination unit 420. This optimization model uses the dissolved oxygen concentration value, which is the blower control target value for the following week, as the decision variable. To search for this decision variable, an optimization algorithm that can be applied without using derivatives, such as the Nelder-Mead method, is used. The objective variable of this optimization model is expressed by the following (Equation 1).
minimize w1・a1+w2(max(0,b1-b0))・・・(式1)
w1,w2 :重み(任意の実数)
a1 :遷移後のクラスタ重心の空気量の値
b1 :遷移後のクラスタ重心の生物化学的酸素要求量の値
b0 :生物化学的酸素要求量の最新値
minimize w1・a1+w2(max(0,b1-b0))...(Formula 1)
w1, w2: weights (any real number)
a1: Value of air volume at the center of gravity of the cluster after the transition b1: Value of biochemical oxygen demand at the center of gravity of the cluster after the transition b0: Latest value of biochemical oxygen demand
なお、上記の(式1)において、b1がb0より大きい場合は水質が悪化したものと考えられるため、b0はペナルティ項となる。データ処理部10は、ステップS1002における処理が完了すると、ステップS1003に進む。 In the above (Equation 1), if b1 is greater than b0, it is considered that the water quality has deteriorated, so b0 is the penalty term. After completing the processing in step S1002, the data processing unit 10 proceeds to step S1003.
ステップS1003において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、翌週のブロアの制御目標値とする溶存酸素濃度の値を決定変数に設定する。データ処理部10は、ステップS1003における処理が完了すると、ステップS1004に進む。 In step S1003, the data processing unit 10 sets the dissolved oxygen concentration value to be the blower control target value for the following week as the decision variable using the control target value determination unit 420. After completing the processing in step S1003, the data processing unit 10 proceeds to step S1004.
ステップS1004において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、図11に関連して後述する遷移先推定処理を実行する。遷移先推定処理の結果は、例えば図10に示したテーブル形式でメモリに保持される。なお、図10に例示した当該テーブルにおいて、xは、遷移先推定処理における説明変数であり、図12に例示する遷移先の推定用の行列(以下、「遷移先推定用行列」と称する)として表される、所定期間毎のクラスタリング後状態データに含まれる複数の値をそれぞれ表す。この複数の値には、当該所定期間の直前の制御目標値である溶存酸素濃度の最新値と、当該所定期間の制御目標値である予測対象の溶存酸素濃度の値とが含まれる。また、yは、推定結果を、遷移元のクラスタのクラスタ番号と遷移先のクラスタのクラスタ番号からなる二桁の数値で表す。加えて、当該テーブルには、最適化処理を繰り返して実行した回数を表すループ回数も記録されている。xの構成要素のうち、翌週の溶存酸素濃度の値は決定変数であるため、ループ処理を行う度に変化する。その際の溶存酸素濃度の値の変化量は、適用した最適化アルゴリズムに従う。なお、放流水質は、必ずしも改善または維持する必要はない。前述したように、ブロアの吐出空気量は消費電力量と概ね正相関する。そのため、例えば、消費電力を抑制する目的であれば、放流水質を悪化させてでも、ブロアの吐出空気量を低下させてよい。放流水質は、放流水質基準に適合する範囲内であればよく、具体的には、生物化学的酸素要求量の値が基準値を超えなければよい。放流水質と消費電力の抑制とのいずれを優先させるかは、上記の(式1)において、w1およびw2の値をどのように設定するかにより決定する。データ処理部10は、ステップS1004における遷移先推定処理が完了すると、ステップS1005に進む。 In step S1004, the data processing unit 10 executes the transition destination estimation process, described later in relation to FIG. 11, using the control target value determination unit 420. The results of the transition destination estimation process are stored in memory, for example, in the table format shown in FIG. 10. In the table shown in FIG. 10, x is an explanatory variable in the transition destination estimation process and represents multiple values contained in the clustered state data for each specified period, represented as a transition destination estimation matrix (hereinafter referred to as the "transition destination estimation matrix") shown in FIG. 12. These multiple values include the latest dissolved oxygen concentration value, which is the control target value immediately prior to the specified period, and the predicted dissolved oxygen concentration value, which is the control target value for the specified period. y represents the estimation result as a two-digit number consisting of the cluster number of the transition source cluster and the cluster number of the transition destination cluster. In addition, the table also records the loop count, which indicates the number of times the optimization process has been repeated. Among the components of x, the value of the dissolved oxygen concentration for the next week is a decision variable and therefore changes each time the loop process is performed. The amount of change in the dissolved oxygen concentration value at this time depends on the applied optimization algorithm. Note that the effluent water quality does not necessarily need to be improved or maintained. As mentioned above, the blower's discharge air volume is generally positively correlated with power consumption. Therefore, for example, if the goal is to reduce power consumption, the blower's discharge air volume may be reduced even if it worsens the effluent water quality. The effluent water quality needs to be within the effluent water quality standards; specifically, the biochemical oxygen demand value does not need to exceed the standard value. The priority between effluent water quality and power consumption reduction is determined by how the values of w1 and w2 are set in the above (Equation 1). After completing the transition destination estimation process in step S1004, the data processing unit 10 proceeds to step S1005.
ステップS1005において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、目的関数を計算する。このとき、データ処理部10は、消費電力推計部440により、ブロアの吐出空気量と消費電力量との相関に基づいて、ブロアの吐出空気量から当該ブロアの消費電力量を推計してもよい。これにより、ブロアの制御目標値を決定する際に、当該ブロアの消費電力量を別途計測することなく、消費電力の抑制を考慮要素とすることができる。データ処理部10は、ステップS1005における処理が完了すると、ステップS1006に進む。 In step S1005, the data processing unit 10 calculates the objective function using the control target value determination unit 420. At this time, the data processing unit 10 may use the power consumption estimation unit 440 to estimate the power consumption of the blower from the air discharge volume of the blower based on the correlation between the air discharge volume of the blower and the power consumption. This allows power consumption reduction to be taken into consideration when determining the control target value of the blower, without having to separately measure the power consumption of the blower. When the data processing unit 10 completes the processing in step S1005, it proceeds to step S1006.
ステップS1006において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、最適化が収束したか否かを判定する。収束したと判定した場合(ステップS1006:Y)は、そのままステップS1007に進み、収束していないと判定した場合(ステップS1006:N)は、決定変数を設定しなおすために再びステップS1003に戻る。 In step S1006, the data processing unit 10 determines whether the optimization has converged using the control target value determination unit 420. If it is determined that the optimization has converged (step S1006: Y), the process proceeds directly to step S1007. If it is determined that the optimization has not converged (step S1006: N), the process returns to step S1003 to reset the decision variables.
ステップS1007において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、最適化後の決定変数を、翌週のブロアの制御目標値となる溶存酸素濃度の値として出力する。また、その際、制御目標値決定部420は、図10に示したように、遷移後のクラスタの重心を表すブロアの吐出空気量と、ブロアの消費電力量と、クラスタの重心同士の距離である生物化学的酸素供給量の改善値も出力する。出力部は、制御目標値決定部420が出力したこれらの各値を、例えば図13Bに示す表示画面の要領で表示装置50に表示させる。データ処理部10は、ステップS1007における処理が完了すると、図10のフローチャートに示す制御目標値決定処理を終了する。 In step S1007, the data processing unit 10 causes the control target value determination unit 420 to output the optimized decision variables as the dissolved oxygen concentration value that will become the blower's control target value for the following week. At this time, the control target value determination unit 420 also outputs the improved values for the blower discharge air volume, which represents the center of gravity of the cluster after the transition, the blower's power consumption, and the biochemical oxygen supply volume, which is the distance between the centers of gravity of the clusters, as shown in FIG. 10. The output unit displays these values output by the control target value determination unit 420 on the display device 50, for example, in the manner of the display screen shown in FIG. 13B. When the data processing unit 10 completes the processing in step S1007, it terminates the control target value determination processing shown in the flowchart of FIG. 10.
図11は、遷移先推定処理の流れの一例を示す。 Figure 11 shows an example of the flow of the transition destination estimation process.
ステップS1101において、データ処理部10は、水質データ格納部320が水質テーブル400により格納する水質データを取得する。なお、ステップS1101におけるこの処理は、図3のステップS301における処理と同じである。データ処理部10は、ステップS1101における処理が完了すると、ステップS1102に進む。 In step S1101, the data processing unit 10 acquires the water quality data stored in the water quality table 400 by the water quality data storage unit 320. Note that this processing in step S1101 is the same as the processing in step S301 in Figure 3. When the processing in step S1101 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1102.
ステップS1102において、データ処理部10は、運転データ格納部340が運転テーブル500により格納する運転データを取得する。なお、ステップS1102におけるこの処理は、図3のステップS302における処理と同じである。データ処理部10は、ステップS1102における処理が完了すると、ステップS1103に進む。 In step S1102, the data processing unit 10 acquires the driving data stored by the driving data storage unit 340 in the driving table 500. Note that this processing in step S1102 is the same as the processing in step S302 in Figure 3. When the processing in step S1102 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1103.
ステップS1103において、データ処理部10は、ステップS1101で取得した水質データと、ステップS1102で取得した運転データとに基づいて、状態データを最新値で構成された1行の行列として生成する。生成された状態データは、データ格納部30が状態テーブル600の新たなレコードとして格納する。なお、ステップS1103におけるこの処理は、図3のステップS303における処理と同じである。ただし前記のステップS1004が呼び出すときは、遷移先推定に用いる説明変数のうち翌週の制御目標値に関しては、最適化過程において仮設定された値を代入して用いる。データ処理部10は、ステップS1103における処理が完了すると、ステップS1104に進む。 In step S1103, the data processing unit 10 generates status data as a one-row matrix consisting of the latest values based on the water quality data acquired in step S1101 and the operating data acquired in step S1102. The generated status data is stored by the data storage unit 30 as a new record in the status table 600. Note that this processing in step S1103 is the same as the processing in step S303 in Figure 3. However, when step S1004 is called, the value provisionally set in the optimization process is substituted for the control target value for the next week, which is one of the explanatory variables used to estimate the transition destination. When the processing in step S1103 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1104.
ステップS1104において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、遷移後のクラスタを特定する。この処理は、図3のステップS306における処理で求めたクラスタの各重心と、最新値のベクトルの距離とが最も近いクラスタを遷移後のクラスタと推定することにより行う。制御目標値決定部420は、遷移先として特定されたクラスタを表すクラスタ番号を付与し、最新値およびクラスタ番号から成る1行の行列としてクラスタリング後状態データを生成する。データ処理部10は、ステップS1104における処理が完了すると、ステップS1105に進む。 In step S1104, the data processing unit 10 uses the control target value determination unit 420 to identify the cluster after the transition. This process is performed by estimating that the cluster whose center of gravity, determined in the process of step S306 in FIG. 3, is closest to the latest value vector is the cluster after the transition. The control target value determination unit 420 assigns a cluster number representing the cluster identified as the destination of the transition, and generates post-clustering state data as a one-row matrix consisting of the latest value and cluster number. When the process of step S1104 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1105.
ステップS1105において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、ステップS1104で生成したクラスタリング後状態データに基づいて、図12に例示する遷移先推定用行列を生成する。この行列は、遷移先推定処理における説明変数Xを表すものである。なお、遷移先推定用行列の構成要素の並びは、図3のステップS305で生成した学習用行列の構成要素の並びと同じである。データ処理部10は、ステップS1105における処理が完了すると、ステップS1106に進む。 In step S1105, the data processing unit 10 causes the control target value determination unit 420 to generate a transition destination estimation matrix, as illustrated in FIG. 12, based on the post-clustering state data generated in step S1104. This matrix represents the explanatory variable X in the transition destination estimation process. Note that the arrangement of the elements of the transition destination estimation matrix is the same as the arrangement of the elements of the learning matrix generated in step S305 of FIG. 3. When the processing in step S1105 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1106.
ステップS1106において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、遷移後のクラスタを推定する処理を実行する。この処理は、ステップS1105で生成した遷移先推定用行列を、図3のステップS307で出力した学習モデルの入力として与えることにより実行される。データ処理部10は、ステップS1106における処理が完了すると、ステップS1107に進む。 In step S1106, the data processing unit 10 causes the control target value determination unit 420 to execute a process of estimating the cluster after the transition. This process is executed by providing the transition destination estimation matrix generated in step S1105 as input to the learning model output in step S307 of FIG. 3. When the process in step S1106 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1107.
ステップS1107において、データ処理部10は、制御目標値決定部420により、推定された遷移後のクラスタ番号をメモリ上へ出力する。データ処理部10は、ステップS1107における処理が完了すると、図11のフローチャートに示す遷移先推定処理を終了する。 In step S1107, the data processing unit 10 outputs the estimated post-transition cluster number to memory using the control target value determination unit 420. Upon completing the processing in step S1107, the data processing unit 10 terminates the transition destination estimation processing shown in the flowchart of FIG. 11.
なお、前述したように、出力部は、制御目標値決定処理の結果である、決定されたブロアの制御目標値を、図13Aおよび図13Bに例示する表示画面の要領で、表示装置50に表示させる。その際、出力部は、例えば、図13Aおよび図13Bに示すように、最新の計測結果を含む過去履歴や、クラスタの遷移履歴、制御目標値とされる溶存酸素濃度の決定過程等を表示装置50に表示させてもよい。また、出力部は、例えば、図13Bに示すように、最終的な溶存酸素濃度の設定値と、結果として遷移する先のクラスタを図示してもよい。 As mentioned above, the output unit displays the determined control target value for the blower, which is the result of the control target value determination process, on the display device 50 in the manner of the display screens exemplified in Figures 13A and 13B. In this case, the output unit may, for example, display on the display device 50 past history including the most recent measurement results, cluster transition history, and the process for determining the dissolved oxygen concentration that is the control target value, as shown in Figures 13A and 13B. The output unit may also, for example, illustrate the final dissolved oxygen concentration setting value and the resulting cluster to which it transitions, as shown in Figure 13B.
また、遷移条件学習部240は、学習用行列を過去の期間Tの平均ベクトルとして生成してもよい。これにより、下水処理支援システム100は、複数期間の遷移を学習することができる。 The transition condition learning unit 240 may also generate the learning matrix as an average vector for the past period T. This allows the sewage treatment support system 100 to learn transitions over multiple periods.
図14は、斯様な場合に遷移条件学習部240が実行する、遷移条件学習処理の流れの一例を示す。 Figure 14 shows an example of the flow of the transition condition learning process performed by the transition condition learning unit 240 in such a case.
ステップS1401において、データ処理部10は、水質データ格納部320から取得した水質データと、運転データ格納部340から取得した運転データとに基づいて、状態データを生成する。生成された状態データは、データ格納部30が状態テーブル600により格納する。なお、ステップS1401におけるこの処理は、図3のステップS301~S303における処理、および、図11のステップS1101~S1103における処理と同じである。データ処理部10は、ステップS1401における処理が完了すると、ステップS1402に進む。 In step S1401, the data processing unit 10 generates status data based on the water quality data acquired from the water quality data storage unit 320 and the operating data acquired from the operating data storage unit 340. The generated status data is stored by the data storage unit 30 in the status table 600. Note that this processing in step S1401 is the same as the processing in steps S301 to S303 in Figure 3 and the processing in steps S1101 to S1103 in Figure 11. When the processing in step S1401 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1402.
ステップS1402において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、中期的な方向性を定めるための期間Tを設定する。この期間Tは、例えば一か月間である場合には、T=4と設定される。遷移条件学習部240は、通信部または入力部を介して、ユーザーから期間Tの入力操作を受け付けてもよい。データ処理部10は、ステップS1402における処理が完了すると、ステップS1403に進む。 In step S1402, the data processing unit 10 sets a period T for determining a medium-term direction using the transition condition learning unit 240. If this period T is, for example, one month, it is set to T = 4. The transition condition learning unit 240 may accept an input operation for the period T from the user via the communication unit or input unit. When the processing in step S1402 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1403.
ステップS1403において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、図15に例示する要領で、遷移条件学習用の平均行列(以下、「学習用平均行列」と称する)Xを生成する。この学習用平均行列Xは、ある日付を基準とする過去の期間Tの平均ベクトルを算出し、その値を構成要素としたものである。図15に例示した学習用平均行列Xは、期間Tが一か月間であることを表す、T=4の場合のものである。データ処理部10は、ステップS1403における処理が完了すると、ステップS1404に進む。 In step S1403, the data processing unit 10 uses the transition condition learning unit 240 to generate a mean matrix X for transition condition learning (hereinafter referred to as the "learning mean matrix") in the manner illustrated in FIG. 15. This learning mean matrix X is calculated by calculating the mean vector of a past period T based on a certain date, and uses these values as components. The learning mean matrix X illustrated in FIG. 15 is for T=4, which indicates that the period T is one month. When the data processing unit 10 completes the processing in step S1403, it proceeds to step S1404.
ステップS1404において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、クラスタリングを実行し、クラスタリング後状態データを生成する。ここで実行される処理の内容は、図3のステップS304において行われる処理と同じである。データ処理部10は、ステップS1404における処理が完了すると、ステップS1405に進む。 In step S1404, the data processing unit 10 performs clustering using the transition condition learning unit 240 to generate post-clustering state data. The processing performed here is the same as the processing performed in step S304 in Figure 3. When the processing in step S1404 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1405.
ステップS1405において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、中期学習用の行列を生成する。この行列の構成要素は、図9に例示した学習用行列の構成要素と同じである。また、この行列の値は、ステップS1403の処理で算出した平均ベクトルからなる。データ処理部10は、ステップS1405における処理が完了すると、ステップS1406に進む。 In step S1405, the data processing unit 10 generates a matrix for medium-term learning using the transition condition learning unit 240. The elements of this matrix are the same as the elements of the learning matrix illustrated in FIG. 9. The values of this matrix are made up of the mean vector calculated in the processing of step S1403. When the processing of step S1405 is completed, the data processing unit 10 proceeds to step S1406.
ステップS1406において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、学習処理を実行する。ここで実行される処理の内容は、図3のステップS306において行われる処理と同じである。すなわち、これにより、過去の期間Tのブロアの運転状態から、次の期間Tの間の遷移先を学習する。データ処理部10は、ステップS1406における処理が完了すると、ステップS1407に進む。 In step S1406, the data processing unit 10 executes learning processing using the transition condition learning unit 240. The content of the processing executed here is the same as the processing executed in step S306 of Figure 3. In other words, this learns the transition destination for the next period T from the operating state of the blower during the past period T. When the data processing unit 10 completes the processing in step S1406, it proceeds to step S1407.
ステップS1407において、データ処理部10は、遷移条件学習部240により、モデルを出力する。ここで実行される処理の内容は、図3のステップS307において行われる処理と同じである。データ処理部10は、ステップS1407における処理が完了すると、図14のフローチャートに示す遷移条件学習処理を終了する。 In step S1407, the data processing unit 10 outputs a model using the transition condition learning unit 240. The processing performed here is the same as the processing performed in step S307 in Figure 3. Upon completing the processing in step S1407, the data processing unit 10 terminates the transition condition learning processing shown in the flowchart in Figure 14.
なお、以上の実施形態は、ブロアの制御方法が溶存酸素濃度一定制御であり、下水処理支援システム100が決定するブロアの制御目標値が曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度の値であるものとして説明した。しかしながら、このブロアは、前述したように、流入量比率一定制御によって制御することもできる。ブロアの制御方法を流入量比率一定制御とする場合、下水処理支援システム100が決定するブロアの制御目標値は、流入量比率である。この場合、下水処理支援システム100のデータ処理部10は、例えば、運転データに含まれる下水処理場への下水流入量の値およびブロアの吐出空気量の値に基づいて、適宜に流入量比率を計算する。 In the above embodiment, the blower control method was described as constant dissolved oxygen concentration control, and the blower control target value determined by the sewage treatment support system 100 was the dissolved oxygen concentration value in the activated sludge in the aeration tank. However, as mentioned above, the blower can also be controlled by constant inflow ratio control. When constant inflow ratio control is used as the blower control method, the blower control target value determined by the sewage treatment support system 100 is the inflow ratio. In this case, the data processing unit 10 of the sewage treatment support system 100 calculates the inflow ratio as appropriate based on, for example, the value of the sewage inflow rate to the sewage treatment plant and the value of the blower discharge air volume contained in the operating data.
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。 The above-described embodiment of the present invention provides the following advantages:
(1)下水処理支援システム100は、クラスタリング部220と、遷移条件学習部240と、制御目標値決定部420とを備える。クラスタリング部220は、標準活性汚泥法に基づく下水処理を行う下水処理場の曝気槽内の活性汚泥の状態を表す所定期間毎の状態データのクラスタリングを行う。遷移条件学習部240は、クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移の条件を学習する。制御目標値決定部420は、学習された遷移条件と、曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する。状態データは、下水処理場の二次処理水の水質を表す水質データと、下水処理場の運転状況を表す運転データとを含む。このようにしたので、下水処理支援システム100は、良好なブロアの制御目標値を自動的に決定することができる。 (1) The sewage treatment support system 100 includes a clustering unit 220, a transition condition learning unit 240, and a control target value determination unit 420. The clustering unit 220 performs clustering of status data for a predetermined period that represents the state of activated sludge in the aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on a standard activated sludge process. The transition condition learning unit 240 learns the conditions for transitions between clusters among multiple clusters generated by clustering. The control target value determination unit 420 determines the control target value of a blower that discharges air to aerate the aeration tank based on the learned transition conditions and a time series of new status data that represents the state of activated sludge in the aeration tank. The status data includes water quality data that represents the water quality of the secondary effluent from the sewage treatment plant and operating data that represents the operating status of the sewage treatment plant. As a result, the sewage treatment support system 100 can automatically determine an optimal control target value for the blower.
(2)制御目標値は、下記のうちの少なくとも一つである:
・曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度、
・下水処理場への下水流入量に対するブロアの吐出空気量の比率を表す流入量比率。
このようにしたので、ブロアは、溶存酸素濃度一定制御または流入量比率一定制御を行うことができる。
(2) The control target value is at least one of the following:
- Dissolved oxygen concentration in activated sludge in the aeration tank,
- Inflow ratio, which represents the ratio of the blower's discharge air volume to the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant.
This allows the blower to perform constant dissolved oxygen concentration control or constant inflow rate control.
(3)水質データは、下水処理場の二次処理水の生物化学的酸素要求量を指標として含む。このようにしたので、下水処理支援システム100は、遷移条件学習処理および制御目標値決定処理を正常に実行することができる。 (3) The water quality data includes the biochemical oxygen demand of the secondary effluent from the sewage treatment plant as an indicator. This allows the sewage treatment support system 100 to successfully execute the transition condition learning process and the control target value determination process.
(4)運転データは、下水処理場への下水流入量と、曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度と、曝気槽への返送汚泥量と、ブロアが吐出する空気量とを指標として含む。このようにしたので、下水処理支援システム100は、遷移条件学習処理および制御目標値決定処理を正常に実行することができる。 (4) The operating data includes, as indicators, the amount of sewage inflow into the sewage treatment plant, the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank, the amount of sludge returned to the aeration tank, and the amount of air discharged by the blower. This allows the sewage treatment support system 100 to successfully execute the transition condition learning process and the control target value determination process.
(5)所定期間毎の状態データは、複数の値を含み、所定期間毎の状態データにおいて、複数の値は、当該所定期間の直前の制御目標値と、当該所定期間の制御目標値とを含み、遷移条件学習部240は、ある週から翌週でのクラスタの遷移の組合せを出力、複数の値のうち制御目標値を含む一つ以上の値を入力としたモデルを学習する。このようにしたので、下水処理支援システム100は、遷移条件学習処理の実行結果に基づいて、ある制御目標値を仮定したときの遷移先を推定することができる。 (5) The status data for each specified period includes multiple values, and the multiple values in the status data for each specified period include the control target value immediately before the specified period and the control target value for the specified period. The transition condition learning unit 240 outputs a combination of cluster transitions from one week to the next week and learns a model in which one or more values including the control target value from the multiple values are input. In this way, the sewage treatment support system 100 can estimate the transition destination when a certain control target value is assumed, based on the results of executing the transition condition learning process.
(6)モデルは、ある週から翌週でのクラスタの遷移の組合せを目的変数とし、一つ以上の値を説明変数としたモデルである。このようにしたので、下水処理支援システム100は、遷移条件学習処理の実行結果に基づいて、起こりうるクラスタの遷移を推定することができる。 (6) The model uses the combination of cluster transitions from one week to the next as the objective variable and one or more values as the explanatory variables. As a result, the sewage treatment support system 100 can estimate possible cluster transitions based on the results of the transition condition learning process.
(7)遷移条件学習部240は、時系列が隣接する二つのクラスタについて、遷移の方向と時系列の前後とを表す重心ベクトルの角度を算出し、重心ベクトルが所定の閾値以下の角度となる場合の遷移条件を学習する。このようにしたので、下水処理支援システム100は、断片的な情報に基づいて、曝気槽の硝化能の強さの度合、すなわち下水処理場の下水処理性能を推定することができる。 (7) The transition condition learning unit 240 calculates the angle of the centroid vector representing the transition direction and the time series before and after for two clusters with adjacent time series, and learns the transition condition when the centroid vector has an angle equal to or less than a predetermined threshold. In this way, the sewage treatment support system 100 can estimate the strength of the nitrification ability of the aeration tank, i.e., the sewage treatment performance of the sewage treatment plant, based on fragmentary information.
(8)所定期間は、週である。このようにしたので、下水処理支援システム100は、曝気槽内の微生物の成長速度を考慮して、効果的に下水処理を支援することができる。 (8) The specified period is one week. This allows the sewage treatment support system 100 to effectively support sewage treatment by taking into account the growth rate of microorganisms in the aeration tank.
(9)遷移条件学習部240は、ブロアが前週に吐出した空気量と、曝気槽内の活性汚泥中の前週の溶存酸素濃度と、曝気槽への前週の返送汚泥量と、下水処理場への前週の下水流入量と、下水処理場の二次処理水の生物化学的酸素要求量と、曝気槽内の活性汚泥中の翌週の溶存酸素濃度の予測値とを含む学習用行列として説明変数を構築する。このようにしたので、下水処理支援システム100は、遷移条件学習処理を正常に実行し、実行結果に基づいて、良好なブロアの制御目標値を決定することができる。 (9) The transition condition learning unit 240 constructs explanatory variables as a learning matrix including the amount of air discharged by the blower in the previous week, the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank in the previous week, the amount of sludge returned to the aeration tank in the previous week, the amount of sewage inflow to the sewage treatment plant in the previous week, the biochemical oxygen demand of the secondary effluent from the sewage treatment plant, and the predicted value of the dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank in the following week. In this way, the sewage treatment support system 100 can successfully execute the transition condition learning process and determine an appropriate blower control target value based on the execution results.
(10)遷移条件学習部240は、学習用行列を過去の期間Tの平均ベクトルとして生成する。このようにした場合、下水処理支援システム100は、複数期間の遷移を学習することができる。 (10) The transition condition learning unit 240 generates the learning matrix as the average vector of the past period T. In this way, the sewage treatment support system 100 can learn transitions over multiple periods.
(11)決定されたブロアの制御目標値を表示装置50に表示させる出力部をさらに備える。このようにしたので、下水処理支援システム100は、決定したブロアの制御目標値を視覚情報としてユーザーに提示することができる。 (11) The system further includes an output unit that displays the determined blower control target value on the display device 50. In this way, the sewage treatment support system 100 can present the determined blower control target value to the user as visual information.
(12)ブロアが吐出した空気量を基に当該ブロアの消費電力を推計する消費電力推計部440をさらに備える。このようにしたので、下水処理支援システム100は、ブロアの制御目標値を決定する際に、当該ブロアの消費電力量を別途計測することなく、消費電力の抑制を考慮要素とすることができる。 (12) The system further includes a power consumption estimation unit 440 that estimates the power consumption of the blower based on the amount of air discharged by the blower. As a result, the sewage treatment support system 100 can take power consumption reduction into consideration when determining the blower's control target value, without having to separately measure the amount of power consumed by the blower.
(13)制御目標値決定部は、最新の状態データが分類されるクラスタである最新位置クラスタを特定し、最新位置クラスタ、最新の状態データおよび次の所定期間の制御目標値に基づいて、最新位置クラスタの遷移先のクラスタを推定し、下記を含む処理の繰り返しにより、最新位置クラスタの遷移先のクラスタが、ブロアの吐出空気量が低減、または、下水処理場の二次処理水の水質が改善されるクラスタとなる制御目標値を探索し、
・学習された遷移条件に基づき、次の所定期間の最新の制御目標値を変更する、
・次の所定期間の変更された最新の制御目標値に基づいて、最新位置クラスタの遷移先のクラスタを推定する、
見つかった制御目標値を出力する。なお、この見つかった制御目標値は、最適化収束時の制御目標値である。遷移条件学習までで成されていることは、今のクラスタ、運転データ、翌週の制御目標値を入力すると、遷移先のクラスタが出力される(推定できる)モデルが得られることである。これに加えて、本構成をさらに備えることにより、下水処理支援システム100は、良いクラスタへ遷移できる翌週のブロアの制御目標値を具体的に決定することができる。
(13) The control target value determination unit identifies a latest location cluster, which is a cluster in which the latest state data is classified, and estimates a cluster to which the latest location cluster will transition based on the latest location cluster, the latest state data, and the control target value for the next specified period. By repeating the process including the following, the control target value is searched for such that the cluster to which the latest location cluster will transition will be a cluster that reduces the amount of air discharged by the blower or improves the quality of secondary treated water from the sewage treatment plant.
- Changing the latest control target value for the next predetermined period based on the learned transition condition.
- Estimating a cluster to which the latest position cluster will transition based on the latest changed control target value for the next predetermined period;
The found control target value is output. Note that this found control target value is the control target value at the time of optimization convergence. What is achieved up to the transition condition learning stage is that when the current cluster, operating data, and next week's control target value are input, a model is obtained that outputs (can estimate) the destination cluster. In addition, by further incorporating this configuration, the sewage treatment support system 100 can specifically determine the blower control target value for next week that will allow transition to a good cluster.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、任意の構成要素を用いて実施可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented using any components within the scope of the present invention.
上記の実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 The above embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these details as long as the characteristics of the invention are not impaired. Furthermore, while various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these details. Other aspects that can be considered within the technical scope of the present invention are also included within the scope of the present invention.
100:下水処理支援システム 100: Sewage Treatment Support System
Claims (14)
前記クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移の条件を学習する遷移条件学習部と、
前記学習された遷移条件と、前記曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、前記曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する制御目標値決定部と
を備え、
前記状態データは、前記下水処理場の二次処理水の水質を表す水質データと、前記下水処理場の運転状況を表す運転データとを含み、
前記運転データは、前記下水処理場への下水流入量と、前記曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度と、前記曝気槽への返送汚泥量と、前記ブロアが吐出する空気量とを指標として含む、
下水処理支援システム。 a clustering unit that performs clustering of status data for each predetermined period that represents the status of activated sludge in an aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on a standard activated sludge method;
a transition condition learning unit that learns conditions for transitions between clusters among the plurality of clusters generated by the clustering;
a control target value determination unit that determines a control target value of a blower that discharges air for aerating the inside of the aeration tank based on the learned transition condition and a time series of new status data that represents a status of the activated sludge in the aeration tank,
The status data includes water quality data representing the quality of secondary treated water from the sewage treatment plant and operation data representing the operating status of the sewage treatment plant,
The operating data includes, as indicators, an amount of sewage inflow into the sewage treatment plant, a dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank, an amount of sludge returned to the aeration tank, and an amount of air discharged by the blower.
Sewage treatment support system.
・前記曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度(Dissolved Oxygen; DO)、
・前記下水処理場への下水流入量に対する前記ブロアの吐出空気量の比率を表す流入量比率、
請求項1に記載の下水処理支援システム。 The control target value is at least one of the following:
- Dissolved oxygen concentration (DO) in the activated sludge in the aeration tank,
- an inflow ratio representing the ratio of the discharge air volume of the blower to the sewage inflow volume into the sewage treatment plant;
The sewage treatment support system according to claim 1 .
前記所定期間毎の状態データにおいて、前記複数の値は、当該所定期間の直前の制御目標値と、当該所定期間の制御目標値とを含み、
前記遷移条件学習部は、前記状態データのあるレコードから次のレコードへの状態の遷移を出力とし、前記複数の値のうち制御目標値を含む一つ以上の値を入力としたモデルを学習する、
請求項1に記載の下水処理支援システム。 The status data for each predetermined period includes a plurality of values,
In the state data for each predetermined period, the plurality of values include a control target value immediately before the predetermined period and a control target value for the predetermined period,
the transition condition learning unit learns a model in which a state transition from a certain record to a next record of the state data is an output, and one or more values including a control target value among the plurality of values is an input.
The sewage treatment support system according to claim 1 .
最新の状態データが分類されるクラスタである最新位置クラスタを特定し、
前記最新位置クラスタ、前記最新の状態データおよび次の所定期間の制御目標値に基づいて、前記最新位置クラスタの遷移先のクラスタを推定し、
下記を含む処理の繰り返しにより、前記最新位置クラスタの遷移先のクラスタが、前記ブロアの吐出空気量が低減、または、前記下水処理場の二次処理水の水質が改善されるクラスタとなる制御目標値を探索し、
・前記学習された遷移条件に基づき、次の所定期間の最新の制御目標値を変更する、
・次の所定期間の変更された最新の制御目標値に基づいて、前記最新位置クラスタの遷移先のクラスタを推定する、
見つかった制御目標値を出力する、
請求項1に記載の下水処理支援システム。 The control target value determination unit
Identifying a latest location cluster, which is a cluster in which the latest state data is classified;
estimating a cluster to which the latest position cluster will transition based on the latest position cluster, the latest state data, and a control target value for a next predetermined period;
By repeating the process including the following, a control target value is searched for such that the cluster to which the latest position cluster is to be transitioned will be a cluster in which the discharge air volume of the blower is reduced or the quality of secondary effluent from the sewage treatment plant is improved;
- changing the latest control target value for the next predetermined period based on the learned transition condition;
- estimating a cluster to which the latest position cluster will transition based on the latest changed control target value for the next predetermined period;
Output the control target value found.
The sewage treatment support system according to claim 1 .
コンピュータが、前記クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移の条件を学習し、
コンピュータが、前記学習された遷移条件と、前記曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、前記曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定し、
前記状態データは、前記下水処理場の二次処理水の水質を表す水質データと、前記下水処理場の運転状況を表す運転データとを含み、
前記運転データは、前記下水処理場への下水流入量と、前記曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度と、前記曝気槽への返送汚泥量と、前記ブロアが吐出する空気量とを指標として含む、
下水処理支援方法。 The computer performs clustering of status data for each predetermined period that represents the status of activated sludge in an aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on the standard activated sludge method,
a computer learning conditions for transitions between the clusters generated by the clustering;
a computer determines a control target value for a blower that discharges air for aerating the aeration tank based on the learned transition condition and a time series of new status data that represents the status of the activated sludge in the aeration tank;
The status data includes water quality data representing the quality of secondary treated water from the sewage treatment plant and operation data representing the operating status of the sewage treatment plant,
The operating data includes, as indicators, an amount of sewage inflow into the sewage treatment plant, a dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank, an amount of sludge returned to the aeration tank, and an amount of air discharged by the blower.
Sewage treatment support methods.
前記クラスタリングにより生成された複数のクラスタにおけるクラスタ間の遷移の条件を学習し、
前記学習された遷移条件と、前記曝気槽内の活性汚泥の状態を表す新たな状態データの時系列とに基づいて、前記曝気槽内を曝気するための空気を吐出するブロアの制御目標値を決定する
ことをコンピュータに実行させ、
前記状態データは、前記下水処理場の二次処理水の水質を表す水質データと、前記下水処理場の運転状況を表す運転データとを含み、
前記運転データは、前記下水処理場への下水流入量と、前記曝気槽内の活性汚泥中の溶存酸素濃度と、前記曝気槽への返送汚泥量と、前記ブロアが吐出する空気量とを指標として含む、
下水処理支援プログラム。 Clustering is performed on status data for each predetermined period that represents the status of activated sludge in an aeration tank of a sewage treatment plant that performs sewage treatment based on the standard activated sludge method;
learning conditions for transitions between clusters among the plurality of clusters generated by the clustering;
causing a computer to determine a control target value for a blower that discharges air for aerating the inside of the aeration tank based on the learned transition condition and a time series of new status data that represents the status of the activated sludge in the aeration tank;
The status data includes water quality data representing the quality of secondary treated water from the sewage treatment plant and operation data representing the operating status of the sewage treatment plant,
The operating data includes, as indicators, an amount of sewage inflow into the sewage treatment plant, a dissolved oxygen concentration in the activated sludge in the aeration tank, an amount of sludge returned to the aeration tank, and an amount of air discharged by the blower.
Wastewater Treatment Assistance Program.
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