JPS6323391B2

JPS6323391B2 -

Info

Publication number: JPS6323391B2
Application number: JP11568379A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Kodate; Shuichiro Kobayashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-09-11
Filing date: 1979-09-11
Publication date: 1988-05-16
Also published as: JPS5641477A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は下水道における汚水・雨水ポンプ設備
に係り、複数台数の異容量ポンプにより構成され
た汚水・雨水ポンプ群の運転方法に関する。

下水道における汚水・雨水ポンプ設備は、ポン
プ井とポンプ群とから構成され、ポンプ井は地下
埋設の管渠と接続し、ポンプ群は吸込側をポンプ
井と、吐出側を下水処理場の初沈池へ、共に管渠
により接続されている。市街地に降つた雨水や家
庭からの汚水は、管渠を通つてポンプ井に流れ込
んでくるが、ポンプ井の水位に関し設けられた上
下限位置をこえないように、ポンプ群の吐出量を
変化させる。従来はポンプ井の水位を計測し、水
位が上昇すればポンプ群吐出量を増大させ、逆に
水位が降下すればポンプ群吐出量を減少させてい
た。この場合、ポンプ群は異容量のポンプで構成
され、その群の吐出量は台数制御による段階的
に、または一部速度制御により、連続的に調整し
うるものである。

一般に家庭汚水は、人間集団の活動によつてそ
の時系列変化が週単位か、日単位か、である程度
定形なものとなつている。しかし雨水は、降雨量
の地域別の時系列変化という形でとらえても、あ
るいはまた、管渠を通つてポンプ井へ流入してく
る雨水流入量の時系列変化という形でも、共にそ
の都度変わるものであり、再現性は殆どないため
に全く予測しえないものである。

そこで、雨水を対象に含む汚水・雨水ポンプ群
では、水位のみを計測してポンプ群の吐出量を決
定するという従来方法では、雨水流入量の現時点
の一点における変化率が、次の離散時刻において
も持続すると考えていることに相当しており、変
化率が変わる対象に対応しているとは言えない。
これは、具体的には水位予測の精度が悪く、無駄
な始動・停止が行なわれる結果となる。

本発明は上記事由に基づいてなされ、降雨時の
ポンプ井流入量の変化率の時間変化を考慮して、
流入量のある時間先の値を予測し、ポンプ井水位
を計算して、それが水位の上下限範囲内におさま
るのであればポンプ群の運転状態を変化させない
ことにし、無駄なポンプの始動停止を削減して、
必要最小限な始動停止回数となる、前記欠点のな
い汚水・雨水ポンプ群の運転方法を提供すること
を目的とする。

以下本発明を図面を参照して説明する。第１図
は対象システムの構成を示すものである。管渠１
から流れ込んで来た下水（汚水と雨水）は、沈砂
池２とスクリーン３を経て、ポンプ井４に流入す
る。ポンプ群５は、ポンプ井４に蓄わえられた下
水を下水処理設備６へ送水する。ポンプ井４には
ポンプ井水位計７が設置されており、その水位は
上限値１０を下限値１１の範囲内に保持されるよ
うに、ポンプ群を運転する。

また、ポンプ群５の吐出側には吐出流量計８が
付設されており、水位計７の値と共に電算機９で
演算され、その結果を利用して、さらに内蔵アル
ゴリズムによつて選定されたポンプ運転状態に合
致するように、ポンプを始動あるいは停止させ
る。ポンプ井底面積、あるいは断面積と高さとの
関係は既知であるから、ポンプ井水位は流入量と
ポンプ群吐出量の差に比例する。離散時刻毎に水
位と吐出量は実測値として得られるので、次の離
散時刻における水位を予測するためには、流入量
と吐出量を共に予測しなくてはならない。

今、吐出量を一定とすれば、すなわちポンプ運
転状態を変化させなくても良いとすれば、流入量
のみを予測すれば良い。流入量は後述の方法で予
測したときには、吐出量の実測値を用いて、水位
が予測することが可能となる。この予測水位がポ
ンプ井上下限範囲内にあれば支障のないが、この
範囲をこえたときには、ポンプ群吐出量を変更し
なければならない。したがつて本運転方法は、主
として２つの部分から構成されることになる。第
１は、（）ポンプ井流入量予測演算部であり、
第２は、（）ポンプ運転状態変更部である。

（）；ポンプ井流入量予測演算部離散時刻ｎにおいて、流入量の時系列データｙ
（ｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）が入手済であると
し、これによる自己回帰モデルが次式で得られ
る。

ｙ（ｎ＋１）＝_o 〓^i=n-m+1 xi（ｎ）・ｙ（ｉ） ……(1) ここで、係数xi（ｎ），（ｉ＝ｎ−ｍ＋１，ｎ−
ｍ＋２，…，ｎ）は最小２乗法によつて決定す
る。又、説明変数の項数ｍについては、例えば
AIC（赤池情報量基準）を用いて、予め本対象に
関するデータを用いて決定しておく。第１式の自
己回帰モデルの係数xi（ｎ）を状態ベクトルＸ
（ｎ）として取扱い、雨水を含む流入量には雑音
が含まれているとの解釈から、本予測システムの
状態推移式と出力観測式は次式となる。

Ｘ（ｎ＋１）＝Φ（ｎ）・Ｘ（ｎ）＋Ｕ（ｎ）ｙ（ｎ）＝Ｈ（ｎ）・Ｘ（ｎ）＋ｖ（ｎ） (2) ここで、ｙ（ｎ）は離散時刻ｎの流入量観測値、
係数ベクトルＨ（ｎ）＝（ｙ（ｎ−１），ｙ（ｎ−２）
，
…，ｙ（ｎ−ｍ））係数Φ（ｎ）はＸ（ｎ）の遷移行
列、ベクトルＵ（ｎ）とスカラーｖ（ｎ）とは互に
無相関な正規白色雑音とする。

すなわち、それぞれの確率密度関数Ｆは、Ｆ（Ｕ（ｎ））＝Ｎ（ｏ，Ｑ（ｎ））Ｆ（ｖ（ｎ））＝Ｎ（ｏ，ｒ（ｎ））ただし、Ｎ（Ａ，Ｂ）は平均値Ａ分散Ｂの意で
ある。これはKalmanの予測推定理論の枠組にお
さまつたことになるので、離散時刻ｎにおける状
態量Ｘ（ｎ＋１）の最良推定値X^（ｎ＋１｜ｎ）は
次の演算によつて得られる。

X^（ｎ＋１｜ｎ）＝Φ（ｎ）X^（ｎ｜ｎ−１）＋Ｇ（ｎ）・｛ｙ（
ｎ）−Ｈ（ｎ）・Φ（ｎ）X^（ｎ｜ｎ−１）｝ここで、Ｇ（ｎ＋１）＝〔Ｐ（ｎ＋１｜ｎ）・H^T（ｎ）〕〔Ｈ（ｎ）・Ｐ（
ｎ＋１｜ｎ）・H^T（ｎ）＋ｒ（ｎ＋１）〕Ｐ（ｎ＋１｜ｎ）＝Φ（ｎ）・Ｐ（ｎ｜ｎ）Φ^T（ｎ
）＋Ｑ（ｎ＋１）Ｐ（ｎ＋１｜ｎ＋１）＝〔Ｉ−Ｇ（ｎ）・Ｈ（ｎ）〕
Ｐ（ｎ＋１｜ｎ）ただし、Ｇ（ｎ）はKalman利得、Ｐ（ｎ＋１｜
ｎ）は状態量ベクトルＸ（ｎ＋１）の推定誤差X^
（ｎ＋１｜ｎ）（すなわちx〓（ｎ＋１｜ｎ）＝△＝ｘ
（ｎ＋１）−x^（ｎ＋１｜ｎ））の共分散行列であ
る。結局、観測値y^（ｎ）の予測値ｙ（ｎ＋１）は
次式となる。

y^（ｎ＋１）＝Ｈ（ｎ＋１）・X^（ｎ＋１｜ｎ）（）；ポンプ運転状態変更部ポンプの運転状態を変更する必要がある時に
は、以下の２つの補助則を加味して決定する。

（−ａ）；ポンプの始動、停止回数を極力少な
くする。

（−ｂ）；ポンプ運転時間の均等化。

（−ａ）項は現在のポンプ運転状態を基点と
することで、基本的には満足されるものである。
すなわち個々の選定において、例えば、上限水位
を超えると予測され、このため一台のポンプを始
動させねばならないときには、現在運転中のもの
はそのままで停止中のもので、水位条件を満すも
のを候補者として選定する。候補者が見つからな
いときには、停止中の二台の組合せとして候補者
を見出す。

又、（−ｂ）項は異種容量ポンプ、すなわち
ｍ種容量のポンプがそれぞれni（ｉ＝１，２，…，
ｍ）台ずつあり、ｍ≧１でni≧１（ｉ＝１，２，
…，ｍ；ｍ，niは正整数）である場合が多いの
で、ni＞１のときの決定に際し、ポンプ運転時間
を指標として、これが最短となつているポンプを
選ぶことにした。以上のアルゴリズムの全体の流
れ図を第２図に示す。ここで注意すべき点は汚
水・雨水のポンプ井流入量が正規白色雑音とい条
件を満すか否かであるが、通常、自然現象はこの
条件を満すものと考えられている。雨水の特徴は
汚水に比し数倍となるときに顕在化するものであ
るから、汚水雨水の流入量が自然現象としての雨
水の特徴、すなわち正規白色雑音という条件を満
すものと考えて良い。

離散時間の一単位は５分とか10分が一般的であ
ろうが、これはポンプ井容積、ポンプ容量、年間
降雨量、対象地区人口、電算機性能など種々な点
を考慮して決定される。この離散時間毎にポンプ
井流入量を精密に予測することにより、ポンプ井
水位の予測も精密なものとなる。特に降雨量の多
い時（例えば第３図）にその効果が顕著であり、
無駄なポンプの始動停止を防止することが可能と
なる。また、ポンプ運転状態の決定に於いて、ポ
ンプ運転時間の積算値を補助則として用いること
により、ポンプの運転時間を均等化させ、この結
果、ポンプ設備の寿命をも長くすることになる。

本運転法は前述のごとく降雨量の多い時に効果
が大きいことがわかつているが、降雨量の少ない
時にも効果がないわけではない。しかし、演算さ
せることと、その効果とを比率評価したときに利
点を見出しえないときには、降雨量の多少を判別
する部分を第２図の「カルマンフイルタによる予
測流入量演算（）」の前に設けて、この演算を
省略することも実用的である。

以上述べたように本発明は、時々刻々変化する
降雨量を対象にして予測するために、変化を雑音
として把えるKalman予測推定理論を応用し、精
度の高いポンプ井水位予測が可能となつた。予測
精度が高くなつた結果、従来の無駄なポンプの始
動停止を省くことが出来るようになり、さらにポ
ンプ運転時間の均等化を加味することによつて、
ポンプ設備の長寿命化にもつながるポンプ運転方
法となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は本発
明の対象システムの構成図、第２図はポンプ群運
転アルゴリズムの全体の流れ図、第３図は降雨時
ポンプ群運転シミユーレーシヨン結果例である。１…埋設管渠、２…沈砂池、３…スクリーン、
４…ポンプ井、５…ポンプ群、６…下水処理設
備、７…ポンプ井水位計、８…ポンプ群吐出量
計、９…電算機、１０…ポンプ井上限水位、１１
…ポンプ井下限水位、１２…ポンプ井流入量時系
列曲線（実データ）、１３…ポンプ群吐出量時系
列曲線（本アルゴリズムにより決定）、１４…ポ
ンプ井水位時系列曲線。

Claims

【特許請求の範囲】

１市街地の汚水・雨水を主として下水処理場へ
揚水する汚水・雨水ポンプ群の運転において、ポ
ンプ井水位計及びポンプ群吐出流量計の２種の測
定器を用い、予め決定した時間間隔の１離散時間
先のポンプ井流入流量をカルマンフイルタの適用
により予測し、ポンプ井水位を演算して、この演
算値がポンプ井水位に設定された上下限を起える
場合、ポンプ井水位制限範囲以内におさまるよう
に、運転すべきポンプ組合せを現在の運転状態を
極力変えないように決定して、ポンプの始動・停
止回数を最少化することを特徴とした汚水・雨水
ポンプ群の運転方法。