JP2002254064A

JP2002254064A - 排水処理場の運転管理装置及び運転管理サービス方法並びに入力データ生成方法

Info

Publication number: JP2002254064A
Application number: JP2001054369A
Authority: JP
Inventors: Ken Amano; 研天野; Koji Kageyama; 晃治陰山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】設備負担や作業負担をかけない排水処理場の
運転管理装置及び運転管理サ−ビス方法並びに入力デー
タ生成方法を提供する。【解決手段】下水処理場（排水処理場）１１１の制御
プロセスを模擬する数理モデルに基づいた排水水質予測
プログラム１０８を備えた運転管理装置１０６と双方向
通信網１０３とを用いて、コンソール１０１から入力さ
れた計測器１０９で計測されたデータを受信して、この
計測データを排水水質予測プログラム１０８に入力し
て、下水処理場１１１の状態量及び／又は制御量を計算
して、その計算結果をコンソール１０１に通知する。ま
た、入力データ生成プログラム１０７によって、下水処
理場１１１の構成と個別入力項目とを模擬した入力画面
をコンソール１０１に表示して、入力データが自動的に
生成されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下水処理事業者な
どの複数の排水処理事業者から所定の入力データを取得
して排水処理事業者における運転管理業務を支援する運
転管理装置及び運転管理サービス方法並びにその入力デ
ータの生成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の浄水処理、下水処理などの排水処
理場は、一般的に長年の経験や専門知識を持った運転員
による状況の監視と判断とによって常時運転管理されて
いる。このような専門知識を有する運転員の需要は多い
が、人口の高齢化に伴い、将来的にこれらの専門技術者
が不足してくる傾向にある。これに対処するため、個々
に存在する複数の排水処理場における運転制御方法を共
通化して、自動化による人手業務の省力化を図ることが
検討されている。

【０００３】ところが、排水処理場は次のような点で個
々に事情が異なっており、画一的な運転制御を行うこと
は難しい。（１）日当たりの処理水量が相違するため、排水処理槽
の数、容積、処理槽間の流路構成が異なる。（２）ポンプ、ブロア、弁などの構成、容量が異なる。（３）上流側の地理環境により、流入水の水質が異な
る。（４）下水処理場では、微生物が関与する処理システム
のため、気象条件、気候風土、季節等により処理槽内の
性質が異なる。逆に、これらの点について任意の条件を設定できる運転
制御手法があれば、複数の排水処理場を統一的に管理
し、運転できる可能性がある。

【０００４】これらの問題に対する解決策の一つとし
て、数理モデルに基づいた排水シミュレータを用いた自
動運転制御あるいは運転支援が提案されている。例えば
特開平１０−２３５３３３号公報に記載された「下水処
理プロセスシミュレータ」は、それぞれの処理水に含ま
れる物質が微生物や酸化剤によって変化する状態を模擬
した微生物反応モデルと、流入・流出による物質収支を
計算する流動モデルとからなる数理モデルを用いて、下
水処理場の水質予測及び制御を実施するものである。

【０００５】前記の発明では、各下水処理槽の結合状態
やポンプ、ブロア、弁の配置、流入流量・水質条件、制
御方式などは画面上で容易に設定できるものとしてい
る。下水処理槽内の微生物反応モデルとしては、ＩＡＷ
Ｑ（国際水質会議：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｓ
ｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｎＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔ
ｙ）が提案しているＩＡＷＱモデルを用いている。この
モデルでは、気象条件、気候風土、季節等による微生物
反応特性の相違を考慮するために、微生物反応モデル中
に多数のモデル定数を含み、これらのモデル定数を下水
処理場ごとにチューニングするものとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記の発明のように、
数理モデルに基づく水質予測プログラムを計算機に内蔵
したシミュレータを個々の下水処理場に配備すれば、運
転員の経験に頼るというこれまでの運転からは脱却でき
ようが、一方で、数理モデルや運転管理装置を運用する
ためには別の新たな専門知識が必要となり、専門技術者
の不足は解消されない。また、個々の下水処理場ごとに
シミュレータという新たな計算機設備を設置しなければ
ならないので、経済的な負担も大きい。

【０００７】本発明は、個々の排水処理場に新たな設備
を設置することなく、また、運転員に対する負担増なし
に、排水処理場における運転業務或いは管理業務を支援
することができる運転管理装置及び運転管理サービス方
法を提供することを目的としている。また、その運転管
理サービスの実施に必要な入力データを簡単に生成する
方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するために創案されたものであり、その請求項１に
係る発明は、排水の状態量を入力する手段と、排水処理
の制御プロセスをモデル化した数理モデルと、入力され
た排水の該状態量と前記数理モデルに基づいて該排水の
状態量を予測する手段と、を備えた排水処理場の運転管
理装置である。

【０００９】本発明は、排水処理に係る数理モデルを用
いて排水処理に関する状態量を予測するものである。排
水の状態量をこの数理モデルに入力すると、その排水処
理場における状態量の予測計算が行われる。数理モデル
は、排水処理場の制御プロセスをモデル化したもので、
複数の排水処理場における制御プロセスに対応してい
る。このような数理モデルを有する運転管理装置を用い
て状態量を予測すれば、運転経験が比較的浅い運転員で
あっても、排水処理場の運転に必要な状態量の適正予測
データを得ることが可能となる。

【００１０】また、請求項２に係る発明は、排水の状態
量を入力する手段と、排水処理の制御プロセスをモデル
化した数理モデルと、入力された排水の該状態量と前記
数理モデルとに基づいて該排水の制御量を計算する手段
と、を備えた排水処理場の運転管理装置である。

【００１１】本発明は、排水処理に係る数理モデルを用
いて排水処理に関する制御量を計算するものである。排
水の状態量をこの数理モデルに入力すると、その排水処
理場における制御量の計算が行われる。数理モデルは、
排水処理場の制御プロセスをモデル化したもので、複数
の排水処理場における制御プロセスに対応している。こ
のような数理モデルを有する運転管理装置を用いて制御
量を計算すれば、運転経験が比較的浅い運転員であって
も、排水処理場の運転に必要な制御量の適正データを得
ることが可能となる。

【００１２】また、請求項３に係る発明は、排水の状態
量を運転管理装置に入力する工程と、排水処理の制御プ
ロセスをモデル化した数理モデルと入力された排水の該
状態量とに基づいて該排水の状態量を予測する工程と、
を備えた排水処理場の運転管理サービス方法である。

【００１３】本発明は、排水処理場における排水の状態
量を予測する運転管理サービス方法を提供するものであ
る。この運転管理サービスの提供には運転管理装置を用
いる。運転管理装置は、排水処理場の制御プロセスをモ
デル化した数理モデルを有している。排水の状態量をこ
の数理モデルに入力すると、その排水処理場における状
態量の予測計算が行われる。数理モデルは、排水処理場
の制御プロセスをモデル化したもので、複数の排水処理
場における制御プロセスに対応している。この数理モデ
ルを用いて排水処理場の状態量を予測して排水事業者に
通知すれば、排水事業者ではシミュレータなどの新たな
計算機設備を設置せずとも、排水処理場の運転に必要な
状態量の予測データを得ることが可能となる。

【００１４】また、請求項４に係る発明は、排水の状態
量を運転管理装置に入力する工程と、排水処理の制御プ
ロセスをモデル化した数理モデルと入力された排水の該
状態量とに基づいて該排水の制御量を計算する工程と、
を備えた排水処理場の運転管理サービス方法である。

【００１５】本発明は、排水処理場における排水の制御
量を計算する運転管理サービス方法を提供するものであ
る。この運転管理サービスの提供には運転管理装置を用
いる。運転管理装置は、排水処理場の制御プロセスをモ
デル化した数理モデルを有している。排水の状態量をこ
の数理モデルに入力すると、その排水処理場における制
御量の計算が行われる。数理モデルは、排水処理場の制
御プロセスをモデル化したもので、複数の排水処理場に
おける制御プロセスに対応している。この数理モデルを
用いて排水処理場の制御量を計算して排水事業者に通知
すれば、排水事業者ではシミュレータなどの新たな計算
機設備を設置せずとも、排水処理場の運転に必要な制御
量の計算データを得ることが可能となる。

【００１６】また、請求項５に係る発明は、常時運転さ
れ制御されるべき排水処理場と、前記排水処理場におけ
る排水の状態量を計測する計測器と、前記排水処理場を
制御する制御盤と、所定の運転管理装置との間でデータ
通信を行うコンソールとを配備して前記排水処理場の運
転を行う複数の排水処理事業者に対して、サービス事業
者が前記運転管理装置と双方向通信網とを用いて前記複
数の排水処理場の運転に係る運転管理サービスを提供す
る方法であって、前記運転管理装置が前記排水処理場の
制御プロセスを模擬する数理モデルに基づいた排水水質
予測プログラムを具備して、前記コンソールから入力さ
れた前記計測器で計測された状態量を受信して、該状態
量を前記排水水質予測プログラムに入力して、前記排水
処理場における排水の状態量及び／又は制御量を計算し
て、該計算結果を前記コンソールに通知する排水処理場
の運転管理サービス方法である。

【００１７】本発明は、サービス事業者が複数の排水処
理場に対して、運転管理業務を統一的に支援するサービ
スを提供するものである。サービス事業者は運転管理装
置を用いて個々の排水処理場に応じた状態量及び／又は
制御量を計算して、その計算結果を通知する。運転管理
装置には複数の排水処理場に対して共通に適用できる数
理モデルを用いた排水水質予測プログラムが内蔵されて
いる。このプログラムの入力データは、各排水処理場で
共通に用いられるデータと、各排水処理場で個々に異な
って用いられるデータとに分けて取り扱うものとし、共
通な入力データについては運転管理装置の内部に保有す
る。排水処理事業者は、流入水量や水質状態の計測を行
い、これらの計測データをインターネットなどの双方向
通信網を用いてサービス事業者に通知する。サービス事
業者は、得られた入力データを基にして排水水質予測プ
ログラムを用いて、排水処理槽における水質などの状態
量予測、所定の制御目標値を満足するために必要なポン
プ流量、ブロワ風量、弁開度などの制御量の計算を行
う。計算結果は、再び排水処理事業者に通知される。こ
のようにして、排水処理事業者は状態量の予測データや
制御量の計算データを得ることができるので、運転管理
経験が比較的浅い運転員であっても、適切に排水処理場
を運転することが可能となる。また、排水処理事業者は
これらの計算に必要な設備を用意しなくてもよい。

【００１８】また、請求項６に係る発明は、請求項３な
いし５のいずれか１項に記載の排水処理場の運転管理サ
ービス方法において、前記運転管理装置に入力される状
態量が模擬データであって、この模擬データが前回の計
算結果を確認しながら作成されたデータであることを特
徴とする

【００１９】本発明は、排水水質予測プログラムを利用
して排水処理場の運転員を教育・訓練するための運転制
御シミュレーションサービスを提供するものである。訓
練を受けようとする排水処理場の運転員は、手元にある
コンソールからサービス事業者が保有する運転管理装置
にアクセスする。模擬データを入力すると排水処理場の
仮想的な状態量予測や制御量計算が行われる。計算され
た状態量予測値や制御量を基に仮想環境での運転を行
う。その制御結果を確認しながら、次の模擬データを作
成して入力する。このようにすれば、運転員は、仮想体
験的に排水処理場の運転技術を取得することができる。
個々の排水処理場はそれぞれに異なった特性を持つが、
その特性を考慮した個別のデータを入力すると、その各
排水処理場の特性に応じた状態量予測値や制御量が計算
される。このように、運転員は実際の環境に応じた運転
制御シミュレーションを体験することができるので、運
転技術を取得する上で効果が大きい。

【００２０】また、請求項７に係る発明は、請求項３な
いし５のいずれか１項に記載の排水処理場の運転管理サ
ービス方法において、前記運転管理装置が前記排水処理
場の運転実績データを時系列的に編集して保存する機能
を具備して、前記コンソールから入力された前記運転実
績データを受信して、この運転実績データを保存して、
前記排水事業者からの要求に応じて保存している運転実
績データを編集して出力することを特徴とする。

【００２１】本発明は、サービス事業者が各排水事業者
に代わって排水処理場の運転実績データを管理して、要
求に応じてこれを出力する代行管理サービスを提供する
ものである。運転実績データとしては、排水処理場にお
ける流入水量や排水処理槽の水質値、ポンプやブロワな
どの機械類の状態値、コントローラなどの制御データな
どがある。サービス事業者は各排水処理事業者からこれ
らのデータを受け取って運転管理装置内部に保存する。
排水処理事業者からの求めに応じて、これらのデータを
運転管理装置で編集して排水処理事業者に提供する。排
水処理事業者では運転実績データの保管に係る設備を用
意しなくても、必要なデータを必要なときに引き出すこ
とができる。また、運転実績データの記録、整理、保管
などの人的負担を軽減することができる。

【００２２】また、請求項８に係る発明は、請求項７に
記載の排水処理場の運転管理サービス方法において、前
記運転管理装置が前記運転実績データを時系列的に編集
し分析する機能を具備して、所定の時期に保存している
運転実績データを時系列的に編集し分析して、異常デー
タを示す機器を抽出して出力することを特徴とする。

【００２３】本発明は、サービス事業者が保管している
排水処理場の運転実績データを分析して、排水処理場の
機械類や電気系統の異常を排水処理事業者に通知する異
常診断サービスを提供するものである。運転実績データ
はこれらの設備状態の健全性をチェックする基礎データ
であることから、この運転実績データを時系列に分析す
ることによって、設備の点検、補修等の必要性を判断す
る。このように、サービス事業者が自動的にメンテナン
ス情報を排水処理事業者に連絡すれば、排水処理事業者
では、設備故障の早期発見や未然防止を行うことができ
る。また、これに係る人的負担も軽減される。

【００２４】また、請求項９に係る発明は、常時運転さ
れ制御されるべき排水処理場と、前記排水処理場の排水
の状態量を計測する計測器と、前記排水処理場を制御す
る制御盤と、所定の運転管理装置との間でデータ通信を
行うコンソールとを配備して前記排水処理場の運転を行
う複数の排水処理事業者に対して、サービス事業者が前
記運転管理装置と双方向通信網とを用いて、前記コンソ
ールからの入力データを基にして前記複数の排水処理場
の運転に係る運転管理サービスを提供するときの、前記
入力データの生成方法であって、前記運転管理装置が前
期排水処理事業者ごとに所定の入力画面を設定するプロ
グラムを具備して、前記コンソールに前記排水処理場の
設備を構成する設備要素を選択可能に表示して、この設
備要素を用いて当該排水処理場の構成をモデル設定でき
るようにし、該排水処理場の個別入力項目欄を表示し
て、この個別入力項目に所定のデータが入力されると該
排水処理場の設備構成に応じた前記入力データが自動的
に生成される入力データ生成方法である。

【００２５】本発明は、個々の排水処理場ごとに異なる
個別のデータを入力するにあたり、その入力データを自
動的に生成するものである。サービス事業者に配備され
ている運転管理装置には、入力データ生成プログラムが
内蔵されている。このプログラムは、所定の手順に従っ
てコンソールの画面操作を行えば、そのコンソール上に
所定の入力画面を表示設定する。各排水処理場の設備構
成はそれぞれに異なっているが、一つひとつの設備要素
自体は共通である。入力データ生成プログラムには、こ
の設備要素が予め定型化されてプログラムされているの
で、その排水処理場を構成する設備要素を選択指定すれ
ば、実際の構成を模擬した入力画面を作成することがで
きる。コンソール上に表示される入力画面には制御項
目、計測項目などの入力データ欄が用意されている。排
水事業者では数理モデルや運転管理装置に関する専門知
識がなくても、適切に入力データを生成することができ
る。また、サービス事業者では、適切な入力データが自
動的に収集できるので、例えば１人で複数の排水処理事
業者への運転管理サービスを担当することが可能とな
る。

【００２６】また、請求項１０に係る発明は、請求項９
に記載の入力データ生成方法において、前記コンソール
に前記排水処理場の制御系システムを構成する制御要素
を選択可能に表示して、この制御要素を用いて当該排水
処理場の制御系システムをモデル設定できるようにし、
該排水処理場の制御システムに応じた前記入力データが
自動的に生成されることを特徴とする。

【００２７】本発明は、個々の排水処理場ごとに異なる
制御系システムをモデル化して、排水処理場の制御方式
に応じた入力データを自動的に生成するものである。各
排水処理場の制御系システムはそれぞれに異なっている
が、一つひとつの制御要素自体は共通である。入力デー
タ生成プログラムには、この制御要素が予め定型化され
てプログラムされているので、その排水処理場の制御系
システムを構成する制御要素を選択指定すれば、任意の
制御系システムを模擬した入力画面を作成することがで
きる。コンソール上に表示される入力画面には状態量や
制御量などの入力データ欄が用意されている。排水事業
者では数理モデルや運転管理装置に関する専門知識がな
くても、適切に入力データを生成することができる。

【００２８】また、請求項１１に係る発明は、請求項９
又は１０に記載の入力データ生成方法において、前記入
力データの生成が前記運転管理装置と前期コンソールと
の間で対話形式によって行われることを特徴とする

【００２９】本発明は、入力画面の設定を対話形式で行
うものである。入力データ生成プログラムは、運転管理
装置からの質問とコンソールからの応答とを繰り返すこ
とによって、所定の入力画面を自動的に設定する。した
がって、簡単に入力データを生成することができるの
で、さらに人的負担が軽減される。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の排
水処理場の運転管理サービス方法及びこれに用いる入力
データ生成方法の実施の形態について説明する。本実施
の形態では、排水処理場として下水処理場を例に用いて
説明する。

【００３１】図1は、本発明の運転管理サービス方法を
適用した下水処理システムの構成図である。この下水処
理システムは、下水処理事業者とサービス事業者とに各
々配備される設備によって構成されている。下水処理事
業者によって配備される設備は、下水処理場１１１、計
測器１０９、制御盤１１０、コンソール１０１、通信機
器１０２である。サービス事業者によって配備される設
備は、運転管理装置１０６、コンソール１０４、通信機
器１０５である。両者の間では双方向通信網１０３を介
してデータ通信が行われる。

【００３２】下水処理場１１１は、汚水などの流入水１
１５を受け入れ、微生物による有機物の分解や発酵のプ
ロセスにより、汚水中のＢＯＤ（生物学的酸素要求量）
や窒素、りんなどを法定の水質規制値以下の濃度にまで
除去して、処理水１１６として放流する施設である。下
水処理場１１１は、空気を吹き込まない嫌気槽１１２、
空気を吹き込む好気槽１１３、沈殿池１１４、これらの
下水処理槽に送水するポンプ１１７、好気槽１１３に空
気を送風するブロワ１１８、これらを開閉する電磁弁
（図示しない）などから構成される。

【００３３】計測器１０９は、下水処理槽の水量や水質
等の状態量を観測する計器である。ポンプ１１７の流水
量、ブロワ１１８の送量などを常時観測している。ま
た、流入水１１５、処理水１１６、及び各下水処理槽内
の水質を計測している。なお、計測器１０９により直接
測定できない水質項目については、定期的に下水処理槽
の水をサンプリングし、化学分析により測定している。
制御盤１１０は、ポンプ１１７の送水量やブロワ１１８
の送風量を制御するものである。また、このほかにも図
示はしないが、この下水処理場１１１の付帯設備とし
て、受電・変電等の電源設備、制御用コントローラなど
の制御設備が配備されている。

【００３４】流路の構成は、上流側の流入水１１５から
下流側の処理水１１６への一系統の流れで導かれる構成
が基本であるが、大規模の下水処理場１１１では、この
系統が複数になるものがある。また、下流側の処理槽の
水を上流側の処理槽へ返送する構成をとるものもある。
このように、下水処理槽の数や容積、処理槽間の繋が
り、流路の構成などは下水処理事業者ごとに異なってい
る。

【００３５】通信機器１０２、コンソール１０１は、双
方向通信網１０３に接続して、サービス事業者が配備す
る運転管理装置１０６との間でデータ通信を行うもので
ある。通信機器１０２はモデムやＤＳＵなどを使用す
る。コンソール１０１は、運転管理装置１０６の端末機
能と制御盤１１０に対する指示機能とを有する操作卓で
あり、ワークステーションやパソコン等を使用する。双
方向通信網１０３は、例えばインターネット、双方向デ
ジタル放送網、下水送水管路に併設された光通信網など
を利用することができる。

【００３６】運転管理装置１０６は、複数の下水処理事
業者に対して運転管理サービスを提供する装置である。
下水処理場１１１の状態量予測や最適制御量の計算、運
転制御シミュレーション、運転実績データの保存と編
集、運転実績データからの異常データの抽出などを行
う。運転管理装置１０６の内部には、入力データ生成プ
ログラム１０７と排水水質予測プログラム１０８とがイ
ンストールされている。運転管理装置１０６は、例えば
複数のワークステーションを並列に接続した高速演算処
理型のコンピュータで構成される。コンソール１０４
は、運転管理装置１０６の端末機能と下水処理事業者側
のコンソールとの連絡機能とを有する操作卓であり、ワ
ークステーションやパソコン等を使用する。サービス事
業者では１人の運用担当者がこのコンソール１０４を用
いて、複数の下水処理事業者の運転員に応対することが
できる。

【００３７】図４から図８を参照して排水水質予測プロ
グラム１０８について説明する。排水水質予測プログラ
ム１０８は、数理モデルを用いて下水処理場の予測制御
を行うものである。例えば、図４に示すような溶存酸素
濃度一定制御系では、溶存酸素濃度を一定に保つフィー
ドバック制御が行われており、ここにいう予測制御とは
異なっている。しかし、一般的に、図１に示すような下
水処理場１１１の制御目標は、処理水１１６の窒素濃
度、りん濃度を一定値以下に抑えることであり、これを
ブロワ１１８の風量やポンプ１１７の流量で制御しよう
とする場合、状態量を示す処理水１１６の水質を予測し
て、制御量となる風量や流量などをどのように決めれば
よいのかは自明ではない。

【００３８】或いは、この下水処理場１１１が、図４に
示す溶存酸素濃度一定制御系を備えており、この制御系
を取り除くといったシステムの変更が難しいとすれば、
処理水１１６の窒素、りん濃度を制御するためには、図
４における溶存酸素濃度目標値４０３を時間的に変化さ
せる制御が必要であり、溶存酸素濃度目標値４０３自身
が下水処理システムの制御量となるべきである。このと
き、この溶存酸素濃度目標値をどのように決めればよい
のかは自明ではない。

【００３９】排水水質予測プログラム１０８は、これら
の状態量予測や制御量を数理モデルを用いて計算し、出
力するものである。ここにいう、数理モデルとは、微生
物による発酵や有機物分解プロセスを微分方程式で記述
した微生物反応モデル、流れによる物質の輸送モデル、
及び制御系の入力と応答プロセスを微分方程式で記述し
た制御回路モデルからなり、すべて時間についての連立
微分方程式となっている。

【００４０】図６を参照して排水水質予測プログラム１
０８の構成について説明する。図６は、排水水質予測プ
ログラム１０８の機能構成図である。図６において、状
態変数ｘは、溶存酸素濃度、アンモニア性窒素濃度、硝
酸性窒素濃度、脱窒菌濃度、硝化菌濃度、りん蓄積菌濃
度などの状態量を示す水質値を１列に並べたベクトルで
あり、微生物反応モデルを記述する変数となっている。
ＩＡＷＱの微生物反応モデルに準拠すると、その変数は
１９個ある。水質値は下水処理槽（タンク）ごとに異な
るので、タンクの総数をαとすると、ｘは１９α個の要
素からなるベクトルである。モデル定数θは、微生物反
応モデルに含まれる経験定数で、その下水処理場１１１
の環境条件の違いによる微生物の特性の違いを表わすも
のである。ＩＡＷＱのモデルによると、モデル定数は６
０個程度ある。θはこれを１列に並べたベクトルとなっ
ている。

【００４１】ＩＡＷＱの微生物反応モデルは、ｄｘ／ｄ
ｔ＝ｆ（ｘ，θ）により、状態変数ｘの時間変化を記述
する微分方程式で与えられている。さらに、状態変数ｘ
は、散気量や流量ｑの影響を受け、散気量や流量ｑは、
制御回路６０９を通じて制御量ｕの関数ｑ＝ｑ（ｕ）と
なっているので、ｄｘ／ｄｔは制御量ｕの関数でもあ
り、形式的にｄｘ／ｄｔ＝ｆ（ｘ，θ，ｕ）と表現でき
る。

【００４２】下水処理シミュレータ６０８は、入口の受
入水量・水質６０４を境界条件として、前記の微分方程
式を逐次積分することにより、状態変数ｘの時間変化を
予測する機能を有する。すなわち、次計算式により、時
間的未来の状態変数xの値を予測するものである。ｘ（ｔ＋Δｔ）＝ｘ（ｔ）＋Δｔ・ｆ（ｘ（ｔ），θ，
ｕ（ｔ））

【００４３】状態推定オブザーバ６０２は、状態量を示
す観測値ｙ_obsから実際に観測できない状態変数の最も
確からしい値ｘ_obsを推定する機能を有する。一般に、
微生物反応モデルは、状態変数ｘを用いて下水中の反応
プロセスを記述するが、この状態変数ｘは、実際に観測
される観測値ｙ_obsとは異なっている。例えば、微生物
反応モデルは、状態変数として、脱窒菌濃度、硝化菌濃
度、りん蓄積菌濃度を含むが、これらの成分は実際には
分離することができず、実際に観測されるのは、これら
３つの成分の総和である菌体濃度である。すなわち、菌
体濃度＝（脱窒菌濃度＋硝化菌濃度＋りん蓄積菌濃度）
であり、より一般には、Ｈ_tを定数の行列として、観測
値６０１は、状態変数ｘと，ｙ_obs＝Ｈ_t・ｘ_obsの関係
にある。

【００４４】一般に、観測値の数は、状態変数の数より
も少ないので、前記の関係式から直ちにｘ_obsを求める
ことはできないが、もともと状態変数ｘは、微生物反応
モデルの微分方程式に従っているので、この微生物反応
モデルの情報を用いることにより解析的アルゴリズム
で、観測値ｙ_obsから状態変数ｘの最も確からしい値ｘ_o
_bsを推定することができる。

【００４５】モデル定数チューナー６０３は、微生物反
応モデルに含まれているモデル定数θを自動的に調整す
る機能を有している。モデル定数θは、環境条件によっ
て異なる下水中の微生物特性を表現するために下水処理
場１１１ごとに個別に決められる約６０個の定数である
が、これを適切な値に調整しないと下水シミュレータ６
０８は正しい下水水質値を予測することができず、状態
変数予測値ｘは状態変数推定値ｘ_obsと一致しない。

【００４６】このモデル定数θを個別の下水処理場１１
１ごとに試行錯誤で探索すると、非常に多くの労力を要
するので、サービス事業者として、このような方法をと
ることは適切ではない。モデル定数チューナー６０３
は、解析的アルゴリズムにより、状態変数予測値ｘと状
態変数推定値ｘ_obsが一致するモデル定数値を自動的に
計算するものとなっている。

【００４７】以上の下水シミュレータ６０８と状態推定
オブザーバ６０２及びモデル定数チューナー６０３の組
み合わせにより、排水水質予測プログラム１０８によっ
て計算される水質予測値ｙは、原理的には観測値ｙ_obs
と常に一致することになり、任意の下水処理場１１１に
ついて正しい下水水質を予測することになる。

【００４８】図７を参照して解析アルゴリズムについて
説明する。図７は、状態推定オブザーバ６０２とモデル
定数チューナー６０３との機能を同時に実現できる解析
アルゴリズムの一実施例を示す。本アルゴリズムはカル
マンフィルタの理論を基礎にしている。図７のアルゴリ
ズムでは、次の記号を定義して用いている。・状態変数ｘとモデル定数θの組をひとまとめにして、
変数ベクトルＸ＝[ｘ，θ]を定義する。・状態変数ｘの微分方程式ｄｘ／ｄｔ＝ｆ（ｘ，θ，
ｕ）に対して、モデル定数θは時間的に一定なので、そ
の微分方程式は形式的にｄθ／ｄｔ＝０であるが、両者
をまとめて、ｄｘ／ｄｔ＝ｆ（Ｘ，ｕ）と定義する。・時刻（ｔ＋Δｔ）の値、Ｘ（ｔ＋Δｔ）＝Ｘ（ｔ）＋
Δｔ・ｆ（Ｘ（ｔ），ｕ（ｔ））＝Ｆ（Ｘ（ｔ），ｕ
（ｔ））により、Ｆ（Ｘ）を定義する。・行列Ｇの成分を、Ｇ_(i,j)＝∂Ｆ_(i)（Ｘ）／∂Ｘ_(j)
で定義する。

【００４９】図７において、Ｐ_tは共分散行列、Ｋ_tはゲ
イン行列と呼ばれる。Ｈ_tはｙ_obs＝Ｈｔ・ｘ_obsを与え
る定数行列である。Ｐ_tは０でない任意の初期値から出
発してよい。観測値ｙ_obsが入力されるごとに本アルゴ
リズムを計算して、得られたｘ_o _bsにより状態変数推定
値ｘ_obsとモデル定数最適値θ_optの組、ｘ_obs＝
[ｘ_obs，θ_opt]が与えられる。

【００５０】図７において、手順１は、観測値ｙ_obsを
入力する部分である。観測値は一般に数個の水質値であ
るから、その個数をｍ個とすると、ｙ_obsはｍ個の要素
からなる１次元ベクトルである。手順２は、時刻ｔにお
いて、ゲイン行列Ｋ_tを計算する部分である。ここに、
Ｈ_tは、前記したように、観測値ｙ_obsと状態ベクトルＸ
_tとの関係を与える行列である。この下水処理系を記述
する状態変数ｘがｎ個の水質値からなる１次元ベクトル
であり、モデル定数θがｒ個の要素からなる１次元ベク
トルとすると、Ｘ_tはｎ＋ｒ個の要素からなる１次元ベ
クトルＸ_t＝（ｘ ₁，ｘ₂，・・，ｘ_n，θ₁，θ₂，・・，
θ_r）となっている。したがって、Ｈ_tは下記式（１）に
示すようなｍ×（ｎ＋ｒ）の行列となっている。

【００５１】

【数１】

【００５２】ｙ_obsは、直接モデル定数θの関数とはな
っていないから、この部分に関するＨ_tの行列要素は０
となっている。ｙ_obsはｘの線形結合で与えられ、ｙ_obs
もｘも水質値であるから、Ｈ_tは無次元の定数行列とな
っている。Ｈ_t ^Tにおける添字ＴはＨ_tの転置行列を表わ
す。

【００５３】Ｐ_tは下記式（２）に示すように、（ｎ＋
ｒ）×（ｎ＋ｒ）の大きさを持つ行列で、誤差の共分散
行列と呼ばれる。Ｐ_tの初期値は、正の対角成分を持つ
対角行列として与える。

【００５４】

【数２】

【００５５】ここに、αは一般に１０²〜１０³オーダの
任意の値を与える。式（２）により、Ｋ_tは（ｒ＋ｎ）
×ｍの行列となることが分かる。前記式（１）におい
て、Ｈ_tは正方行列ではないから、観測値ｙ_obsを得たと
きに、これを逆に解いて状態変数ｘ₁，ｘ₂，・・，ｘ_n
を求めることはできない。或いは、この連立一次方程式
の解は不定であり、任意に選ぶことのできる変数ｘの組
が存在する。しかし、この変数の組は、同時に下水処理
系のモデル方程式ｄｘ／ｄｔ＝ｆ（ｘ，θ）を満足して
いなければならない。

【００５６】カルマンフィルタのアルゴリズムは、ｙ
_obs＝Ｈ_t・Ｘ_tを満たすと同時に、ｄｘ／ｄｔ＝ｆ
（ｘ，θ）を満足するｘとθとを逐次的に算出するもの
である。図７のアルゴリズムに示す手順３，４，５，７
により、Ｘ_tからＸ_t ^*へ（手順４）、さらにＸ_t+Δ_t（手
順５）への順序、またＰ_tからＰ_t ^*へ（手順３）、さら
にＰ _t+Δ_t（手順７）への順序で、時刻ｔのＸ_t，Ｐ_tか
ら時刻ｔ＋ΔｔのＸ_t+Δ_t，Ｐ _t+Δ_tが生成される。ここ
で、Ｘ_t ^*は状態変数推定値ベクトル、Ｐ_t ^*は推定値誤差
共分散行列と呼ばれる。手順６のＧ_tはフィルタ行列と
呼ばれ、Ｇ_t＝∂（Ｘ_t＋Δｔ・ｆ（ｘ，θ））／∂Ｘ＝
δＩ＋Δｔ・∂ｆ／∂ｘで与えられる。Ｇ_tは次の手順
７において必要となる。手順８で得られたＸ_t+Δ_tのｘ
は時刻ｔ＋Δｔにおける状態変数の推定値となってお
り、θは時刻ｔ＋Δｔにおけるモデル定数となる。本カ
ルマンフィルタは逐次的な状態推定オブザーバ６０２を
与えると同時に、モデル定数θも変更していくことか
ら、適応型カルマンフィルタと呼ばれるものの一例とな
っている。

【００５７】図６において、最小分散制御パラメータ同
定部６１１と制御量算出部６１２は、一定の時間の未来
における予測値６１４が、目標値６１３に近づくよう
に、現在の時刻で投入すべき制御量６０７を計算し、出
力する機能を有している。制御量６０６は、下水処理場
１１１の運転員が制御盤１１０に入力した制御量を、後
記する図３の入力要素３１４のデータ入力情報として受
け取っているものである。運転員は、サービス事業者か
ら受け取った制御量６０７を制御盤１１０に入力してい
る。つまり、制御量６０７は、ライン６０５により制御
量６０６に与えられることと等価である。このようにし
て、排水水質予測プログラム１０８は、下水処理場１１
１の自動制御を行う。

【００５８】本実施の形態例における最小分散制御パラ
メータ同定部６１１では、１時刻未来の予測値ｙ
_t+1を、ｎ時刻過去に遡った観測値と制御量とを用い
て、次のような回帰モデルで与えている。ｙ_t+1＝ａ₀ｙ
_t＋ａ₁ｙ_t-1＋…＋ａ_nｙ_t-n＋ｂ₀ｕ_t＋ｂ₁ｕ_t-1＋…＋
ｂ_nｕ_t-nここで、現時点tで投入すべき制御量ｕ_tは未知
である。最小分散制御パラメータ同定部６１１は、これ
らの回帰モデルの係数を計算し、制御量算出部６１２
は、制御量ｕ_tを計算する。

【００５９】図８を参照して回帰モデル係数の計算アル
ゴリズムを説明する。図８は、最小分散制御パラメータ
同定部６１１における回帰モデル係数の計算アルゴリズ
ムを示すフローチャートである。図８のアルゴリズムで
は、次の記号を定義して用いている。・θ_t＝（ａ₀，ａ₁，…，ａ_n，ｂ₀，ｂ₁，…，ｂ_n）^T ・ψ_t＝（ｙ_t，ｙ_t-1，…，ｙ_t-n，ｕ_t，ｕ_t-1，…，ｕ
_t-n）^T 図８においてＰ_tは共分散行列、Ｋ_tはゲイン行列とよば
れる。Ｐ_tは０でない任意の初期値から出発してよい。

【００６０】本アルゴリズムの各時刻においてθ_tが、
現時刻における最良の回帰モデル係数を与える。この回
帰モデル係数を用いて、時刻ｔ＋１における観測値ｙ
_t+1が、目標値ｗ_t+1となることを要求すると、制御量算
出部６１２において、制御量ｕ_tが、ｕ_t＝（ｗ_t+1・
（ａ₀ｙ_t＋ａ₁ｙ_t-1＋…＋ａ_nｙ_t-n＋ｂ₁ｕ_t-1＋…＋ｂ
_nｕ_t-1））／ｂ₀のように求められる。

【００６１】図８のアルゴリズムは、多数の観測値の組
ψ_t ⁽ⁱ⁾が与えられたときに、下記式（３）で与えられる
２乗誤差が最小になるように係数θを決める最小２乗法
アルゴリズムであり、逐次的最小２乗法と呼ばれるアル
ゴリズムの一例となっている。その構成は、図７のカル
マンフィルタのアルゴリズムにおいて、行列Ｈ_tをψ_tに
置き換え、状態ベクトルｘを回帰モデル係数θ_tに置き
換えたものと等価となっている。

【００６２】

【数３】

【００６３】次に、図１を参照して運転管理サービスの
提供について説明する。サービス事業者は、排水水質予
測プログラム１０８を用いて下水水質の状態量予測と制
御目標となる水質を満足するための制御量とを計算し
て、その計算結果を下水処理事業者のコンソール画面１
０１に表示する。この制御量は、例えば、ポンプ流量や
ブロワの風量、弁の開度などであって、下水処理場１１
１の運転員は、制御盤１１０にこの制御量を入力するこ
とにより下水処理場１１１を運転制御することができ
る。

【００６４】ここで、下水処理場１１１の運転員は、予
測制御に必要なデータを逐次入力する。これは、図６に
示す観測値６０１、受入水量・水質６０４、制御量６０
６、目標値６１３のいずれかに分類される。実際の下水
処理場１１１における時間応答は比較的遅く、入口から
入った流入水１１５が処理水１１６として流出するまで
に数時間程度を要する。下水処理場１１１の運転員が実
際にデータを入力するのは、１日に２から３回程度であ
る。また、下水のサンプルの化学分析は、１日１回程度
であり、精密な水質計測データの更新は１日１回程度と
なる。したがって、初回以後の、運転員のコンソール１
０１からの入力作業負担は軽微なものとなる。

【００６５】このように、運転員は下水処理場１１１の
運転に関する高度の専門知識や経験がなくとも下水処理
場１１１を運転制御することができ、また、運転管理装
置１０６や排水水質予測プログラム１０８、数理モデル
に関する知識も必要としない。排水水質予測プログラム
１０８を有する運転管理装置１０６はサービス事業者側
に配備されているので、下水処理事業者は、新たに設備
を導入する必要もない。ここで、図１に示す計測器１０
９からのデータの読み取りライン１１９と、制御盤１１
０への制御量の入力ライン１２０を、人手を介すること
なく、自動的に行うようにすることも技術的に可能であ
るが、個々の下水処理場１１１ごとに設備を改造する必
要が生じる。また、上流域において著しい降雨量があっ
たときや不測の事態が発生したときには、却って自動運
転が即応の妨げになる恐れがある。したがって、運転制
御に必要な計算結果をコンソール１０１に通知して、運
転員がこれを確認して実際の運転制御を行うような形態
が好ましい。

【００６６】この排水水質予測プログラム１０８を用い
て、下水処理場１１１の運転員に対する教育・訓練サー
ビスとして、下水処理場１１１の運転制御シミュレーシ
ョンを行う環境を提供することができる。図６におい
て、一定の期間、状態推定オブザーバ６０２、モデル定
数チューナー６０３、及び下水シミュレータ６０８を作
動させて、当該の下水処理場１１１の水質を正しく予測
するように調整した後、サービス事業者は、仮想的な受
入水量・水質６０４を入力し、訓練を受けようとする下
水処理場１１１の運転員は、予測値６１４を目標値６１
３に一致させるべく制御量６０６を入力する。制御量６
０７は、運転員に正解を教えるガイダンスとして使うこ
とができる。このように、模擬データを入力すると、下
水処理場１１１における仮想的な状態量予測値や運転制
御量が計算され、計算された状態量予測値や制御量を基
に仮想環境での運転を行う。その制御結果を確認しなが
ら、次の模擬データを作成して入力するようにすれば、
比較的経験の浅い運転員に対しても短期間で運転技術の
取得を支援することができる。

【００６７】また、運転管理装置１０６のデータ管理機
能を用いて、下水処理場１１１における運転実績データ
の代行管理サービスを提供することができる。図９は、
運転記録の作表例である。下水処理事業者は、下水処理
場１１１の運転記録を作成し、保存しなければならない
が、従来の筆記による記録作業と、本発明におけるコン
ソール１０１からのデータ入力作業とは、多分に重複す
る作業となる。そこで、従来の筆記による運転記録をコ
ンソール１０１に入力して、双方向通信網１０３を介し
てサービス事業者の運転管理装置１０６に送付する。運
転管理装置１０６はこの運転実績データを記憶装置内に
保存する。そして、下水処理事業者からの求めに応じ
て、保存している運転実績データを基にして、例えば図
９の作表例のような編集を行い、コンソール１０１に通
知する。下水処理事業者では運転実績データの保管に係
る設備を用意しなくても、必要なデータを必要なときに
引き出すことができる。また、運転実績データの記録、
整理、保管などの人的負担を軽減することができる。こ
のように、サービス事業者は、複数の下水処理場１１１
について一括して運転実績データを保存し、各下水処理
事業者の求めに応じてこれを提供する。

【００６８】さらに、運転管理装置１０６のデータ分析
機能を用いて、運転実績データを時系列的に編集し分析
することによって、異常データを示す機器を抽出して通
知するサービスを提供することもできる。図１０は、下
水処理場１１１の異常診断に用いる解析例を示す図であ
る。運転管理装置１０６は、図９のように時系列的に編
集した作表の中から、例えば風量調整弁の開度と風量と
を取り出して、図１０のようなグラフを作成する。この
風量調整弁の開度と風量とを示す点は、風量調整弁の特
性線の近くにプロットされる。図１０において、時系列
的に編集した風量調整弁の開度と風量とを示すデータ
が、統計的に１σの分散の範囲から外れるようであれ
ば、風量調整弁に何らかの異常が発生している可能性が
高いと判断できる。このように抽出された異常データ
を、双方向通信網１０３を介して下水処理事業者のコン
ソール１０１に通知する。或いは風量調整弁の製造業者
に通知するようにしてもよい。下水処理事業者や製造業
者は、通知されたデータに基づいて風量調整弁の点検、
補修を行う。

【００６９】サービス事業者は、複数の下水処理場１１
１の運転実績データを保存管理しているので、これらの
運転実績データに対してどのような統計処理を行えば、
機器の異常を予測しシグナルを発することができるかと
いった研究や分析を行うことができる。そして、保存し
ている運転実績データを時系列的に統計分析して、異常
データを抽出し、メンテナンス情報として下水処理事業
者に連絡すれば、下水処理事業者では、設備故障の早期
発見や未然防止を行うことができる。また、これに係る
人的負担も軽減される。

【００７０】次に、図２及び図３を参照して入力データ
生成プログラム１０７について説明する。図２は、入力
データ生成プログラム１０７がコンソール１０１に表示
する入力画面例である。図３は、制御系に関する詳細な
入力画面例である。下水処理場１１１の運転員は、コン
ソール１０１に表示されるこれらの入力画面に所定の順
序でデータを入力することで、排水水質予測プログラム
１０８の入力データを生成することができる。

【００７１】図２において、画面２０１の上部には、下
水処理場１１１を構成する設備要素のアイコンが表示さ
れている。入口２０２、嫌気槽２０３、好気槽２０４、
沈殿槽２０５、と名称の付いた４種類のアイコンが用意
されている。また、リンクと名前の付いた矢印のアイコ
ン２０６、制御量と名称の付いたアイコン２０７が用意
されている。各下水処理場１１１の設備構成はそれぞれ
に異なっているが、これらの設備要素自体は共通であ
る。設備要素アイコンを選択指定して組み合わせること
によって、下水処理場１１１の構成をモデル化して、実
際の構成を模擬した画面を作成することができる。

【００７２】まず、タンクのアイコンをクリックして画
面２０１の適当な位置に貼り付ける。一つのタンクアイ
コンが貼り付けられるたびに、タンクアイコンには自動
的に番号が付与される。また、一度貼り付けたアイコン
を消去することもできる。そのときは、番号が改めて付
与される。貼り付けられた１つのタンクアイコンには、
タンクプロパティ（タンクの属性）と呼ばれる入力窓２
０８が生成される。

【００７３】次いで、リンクアイコン２０６をクリック
した後、任意の２つのタンクアイコンをクリックする
と、２つのタンク間を始点と終点とで結んだ矢印が表示
される。このリンクアイコンにも自動的に番号が付与さ
れる。また、リンクを消去することもできる。このリン
クは２つのタンクを繋ぐ流路を表現している。一つのリ
ンクアイコンには、リンクプロパティと呼ばれる入力窓
２１０が生成される。

【００７４】任意のタンクアイコンをクリックすると、
そのタンクのタンクプロパティ２０８が開き、タンクＮ
ｏ、入力ノードＮｏ、出力ノードＮｏ、体積などの入力
窓が表示される。ここで、タンクＮｏ、入力ノードＮ
ｏ、出力ノードＮｏなどは、入力データ生成プログラム
１０７が把握しており、既に数値が入っているので、そ
の数値を確認するだけでよい。ここで、入力ノードＮ
ｏ、出力ノードＮｏとは、タンクの入力端、出力端に繋
がるリンク番号のことである。タンクの体積は、下水処
理場１１１の個別データとして入力されるべき情報であ
り、この入力窓に実際のタンク体積値を入力する。

【００７５】次いで、タンクプロパティ２０８の観測水
質項目のボタンをクリックすると、水質項目プロパティ
と名前の付いた入力窓２０９が開く。この中には、溶存
酸素濃度、菌体濃度、アンモニア性窒素、硝酸性窒素、
溶性リン濃度、などの項目が並んでいる。もし、この中
に当該の下水処理槽の中で計測されている項目があれ
ば、その項目をクリックし、観測値を入力する。さら
に、当該の下水処理槽の中で、例えば溶存酸素濃度を一
定に保つなど、制御したい目標値がある場合には、次の
目標水質項目のボタンをクリックすると、同じく水質項
目プロパティ２０９が開くので、ここで該当する水質項
目と制御目標値を入力する。下水処理場１１１に設置さ
れている計測器１０９や制御目標などは、下水処理場１
１１ごとに異なるので、各下水処理事業者から入力され
るべき情報である。この操作を全てのタンクアイコンに
ついて行う。

【００７６】任意のリンクアイコンをクリックすると、
そのリンクのリンクプロパティ２１０が開く。ここで、
このリンクに繋がる入口側のタンクＮｏと出口側のタン
クＮｏは、これまでに入力した情報によって入力データ
生成プログラム１０７が自動的に認識しており、既に数
値が入っているので、その数値を確認するだけでよく、
流路の流量のみを入力する。この操作を全てのリンクア
イコンについて行う。

【００７７】ここで、タンクアイコンやリンクアイコン
の繋がりは、始めに一度だけ設定すれば、以後、同じデ
ータが使えるので、当該の下水処理場１１１固有の個別
入力データとして運転管理装置１０６に保存される。そ
して、予測制御を行いたい時点で、その時点での流量や
水質観測値などの状態量のみを書き換えて入力すればよ
い。

【００７８】ところで、リンクプロパティ２１０の流量
を入力することは、この流量を何らかの測定によって把
握し、その値を入力データとして扱うことを意味する。
しかし、下水処理場１１１においては、しばしば流量は
下水処理場１１１を運転制御するための制御量であり、
流量はある入力値に対する出力値として与えられる場合
が多い。例えば、ポンプや弁の制御信号が入力として与
えられ、ポンプや弁がこれに応答して駆動され、その出
力として流量が与えられる。

【００７９】このようなケースに対応するため、本実施
の形態例では、制御量アイコン２０７を用いて当該の流
量が制御量であることを指定する。制御量となり得るも
のには、流路の流量と好気槽１１３における散気風量が
ある。図２において、画面２０１の上部にある矢印型を
した制御量アイコン２０７をクリックし、この矢印がリ
ンクアイコン或いは好気槽アイコン２０４の散気管を指
し示すように、画面２０１上に貼り付ける。制御量アイ
コン２０７を貼り付けると、これに対応して制御量プロ
パティと名称の付いた入力窓２１１が生成される。

【００８０】次いで、この制御量プロパティ２１１を開
くと、図３に示す詳細画面が表示される。図３は、制御
量プロパティ２１１を開いた状態での画面表示例であ
る。この画面は、下水処理場１１１の機械系、電気系の
制御を再現し、下水処理槽の流量或いは散気風量を出力
値として持つ制御系システムのモデルを組み立てて排水
水質予測プログラム１０８の入力データを生成するもの
である。

【００８１】下水処理場１１１の制御方式は、個々の下
水処理場１１１ごとに異なっており、その制御系システ
ムは複雑になっている。入力データ生成プログラム１０
７は、これらの任意の制御系システムに対応できる汎用
性を有している。図３に示す制御量プロパティ２１１の
画面において、画面上部には、比例要素３０１、積分要
素３０２、微分要素３０３、加算要素３０４、計測器３
０５、入力３０６、及び出力３０７などの制御要素アイ
コンが用意されている。これらの制御要素アイコンを選
択指定して組み合わせることによって、任意の制御系シ
ステムをモデル化することができる。

【００８２】一例として、ある下水処理場１１１が、図
４に示すような溶存酸素濃度一定制御方式を採用してい
るときのモデル化について説明する。図４において、あ
る下水処理槽４０１の溶存酸素濃度４０２を観測し、２
台のＰＩＤコントローラ４０４と４０５とを用いて風量
調整弁４０８の弁開度４０７を調整して散気風量４０９
を制御して、溶存酸素濃度が常に一定の目標値に保たれ
るように制御が行われる。

【００８３】この制御例に対して、図３に示す制御量プ
ロパティ２１１では、次のような手順で入力を行う。図
３において、画面上部の制御要素アイコンをクリックし
て、適当な位置に貼り付ける。制御要素アイコンを貼り
付けると、これに対応する制御要素プロパティと呼ばれ
る入力窓が生成される。貼り付けられた制御アイコンに
は順番に自動的に番号が付与される。１制御要素１出力
となっているので、制御要素の番号と出力信号の番号と
は同一番号となる。制御要素アイコンから出ている矢印
をクリックして、その終点を別の制御要素アイコンに重
ねると、制御要素同士が繋がり、制御系システムが構築
される。図３では、２台のＰＩＤコントローラ１，２と
風量調節弁３０８とにより散気風量を制御するシステム
を示しており、これは図４に示した制御系と等価なシス
テムである。

【００８４】次いで、それぞれの制御要素アイコンをク
リックして制御要素プロパティを開き、所定のデータを
入力する。例えば、１２番の制御要素をクリックする
と、積分要素プロパティ３１２が開く。ここでは、自ら
の要素番号（エレメントＮｏ）及びこの制御要素に入っ
てくる入力信号の番号（入力ノードＮｏ）は、既に入力
データ生成プログラム１０７によって把握されているの
で、自動的に表示されている。積分要素３１２は、積分
時定数Ｔ₁₂をパラメータとして有するので、その値を入
力する。

【００８５】制御要素２番の入力要素アイコン３０６
は、任意の次元を有する任意の数値を入力できる制御要
素である。ここでは、入力要素プロパティ３１４の中に
下水処理槽の溶存酸素濃度目標値を入力する。このと
き、制御量プロパティ２１１の中にある入力要素３０６
は、制御量とみなされる。すなわち、本来、下水処理場
１１１の制御量は散気量や流量などであるが、制御量プ
ロパティ２１１に記述された制御系が介在することによ
り、実際のシステムの制御量が流量から入力要素に変更
される。この例では、制御量は溶存酸素濃度目標値にな
る。

【００８６】計測器要素アイコン３０５は、下水処理場
１１１において測定されている水質値を制御系システム
に取り込むために用意されている要素である。制御要素
１番のアイコンをクリックすると計測器要素プロパティ
３１３が開く。ここでは、計測器が設置されている下水
処理槽のタンクＮｏと計測されている水質項目とを入力
する。水質項目のボタンをクリックすると、図２に示し
たと同様の水質項目プロパティ２０９が開くので、この
水質項目リストの中から実際に測定されている水質項目
を選択する。

【００８７】制御要素番号１６番の出力要素は、制御系
の出口を指定する要素である。もともと制御量プロパテ
ィ２１１の全体は、図２における制御要素アイコンの属
性を指定するものであるから、この制御系の出口は、タ
ンクの散気量か、リンクの流量のいずれかになる。した
がって、出力要素プロパティ３１５においては、タンク
の散気量かリンクの流量のいずれかをクリックして選択
し、そのタンクＮｏ或いはリンクＮｏを入力する。

【００８８】このように、入力データ生成プログラム１
０７によってコンソール１０１上に所定の入力画面が作
成される。この入力画面には予め定型化された設備要素
アイコン及び制御要素アイコンが用意されている。これ
らのアイコンを選択指定して組み合わせると、下水処理
場１１１の構成と制御系システムとをモデル化した画面
が作成される。この画面には下水処理場１１１の個別入
力項目欄が作成される。この個別入力項目欄に所定のデ
ータが入力されると、その下水処理場１１１の実際に即
した入力データが自動的に生成される。この一連の手順
は、運転管理装置１０６とコンソール１０１との間で質
問と応答とが繰り返されるような対話式で行われる。し
たがって、下水処理事業者側では数理モデル、排水水質
予測プログラム１０８や運転管理装置１０６などに関す
る専門知識がなくても、実際の下水処理場１１１に即し
た入力データを自動的に生成することができる。

【００８９】次に、下水処理事業者におけるデータの入
力操作について説明する。下水処理場１１１の運転員
は、コンソール１０１を用いてこの操作を行う。ここ
で、サービス事業者にも同様のコンソール１０４が配備
されている。サービス事業者の担当者は、このコンソー
ル１０４を用いて、下水処理場１１１の運転員に対して
入力操作を適宜アドバイスを行う。入力データ生成プロ
グラム１０７は、２つのコンソール１０１，１０４に対
して、図２及び図３に示す入力画面を表示設定する。下
水処理場１１１の運転員は、計測器１０９から計測値を
読み取り、コンソール１０１に表示される指示に従って
数値を入力する。この入力行為は図１において１１９の
線で示されている。このとき、サービス事業者の担当者
もコンソール１０４を用いて同一画面を参照することが
できるので、電話などを通じて下水処理場１１１の運転
員に対して入力方法をガイドすることができる。

【００９０】ところで、運転員が当該の下水処理場１１
１の制御系システムについて、図４に示す程度の知識は
有していても、詳細な信号経路までは掌握していないこ
とが考えられる。或いは個々のＰＩＤコントローラに設
定されるチューニング定数までは把握していないことも
考えられる。このような場合には、双方向通信網１０３
を用いて、下水処理場１１１の制御設備を設計業者や施
工業者に直接問い合わせることができる。例えば、これ
らの計装設備業者にもコンソール１０１と通信装置１０
２とを一時的に配備して、必要な情報を入力して貰うこ
とができる。

【００９１】一例として、風量調整弁の機器特性を例に
説明する。図３に示している関数要素アイコン３０８
は、図４に示す制御系における風量調整弁４０８の弁開
度４０７と風量４０９との関係を与える機器特性を設定
するものである。図５は、図３の関数要素アイコン３０
８の関数要素プロパティ３１１を開いたときに表れる詳
細な入力窓の構成例を示している。関数要素プロパティ
３１１のＴａｂｌｅというボタンをクリックすると、関
数ｘとＦ（ｘ）とを表形式で入力する窓５０１が表れ
る。さらにグラフというボタンをクリックすると、これ
をグラフ形式で表示する窓５０２が表れる。設備業者の
担当者は、コンソールから関数ｘとＦ（ｘ）との表を入
力すればよい。

【００９２】このようにして、運転員には実質的な負担
をかけることなく、サービス事業者と電気、機械、計装
などの個別の業者との間で必要な情報を集積していくこ
とができる。また、制御量プロパティ２１１に入力され
るデータは、入力要素３０６を除いて、全て初回に一度
入力しておけば、その後の再入力は必要ない。

【００９３】下水処理場１１１の設備構成や観測水質項
目などは、それぞれの下水処理場１１１ごとに全て異な
る。排水水質予測プログラム１０８に対する入力データ
は、これらの個別入力データによって与えられるが、入
力データ生成プログラム１０７が多数の下水処理場１１
１に対して共通に適用することができる。したがって、
下水処理場１１１ごとに異なる個別入力データを効率よ
く自動的に生成することができる。運転員に数理モデル
や計算プログラムの構成に関する知識を要求することが
なく、ヒアリングに過度の負担をかけることもない。

【００９４】以上、本発明の実施の形態について下水処
理場における例を用いて説明したが、本発明はこの実施
の形態例にのみ限定されることなく、広く変形して実施
することが可能である。浄水処理場においても同様の方
法を適用することができる。排水水質予測プログラムに
ついては、他の手法を採用してもよい。また、運転管理
装置にログデータを採取する機能と料金計算を行う機能
とを具備して、運転管理サービスを有償で提供すること
もできる。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下の効
果を奏する。（１）請求項１の発明によれば、複数の排水処理場にお
ける制御プロセスに対応した数理モデルを用いて、各排
水処理場の運転に必要な状態量の適正予測データを計算
する運転管理装置を提供することができる。（２）請求項２の発明によれば、複数の排水処理場にお
ける制御プロセスに対応した数理モデルを用いて、各排
水処理場の運転に必要な制御量の適正データを計算する
運転管理装置を提供することができる。（３）請求項３の発明によれば、複数の排水処理場にお
ける制御プロセスに対応した数理モデルを有する運転管
理装置を用いて、各排水処理場の運転に必要な状態量の
適正予測データを計算する運転管理サービスを提供する
ことができる。（４）請求項４の発明によれば、複数の排水処理場にお
ける制御プロセスに対応した数理モデルを有する運転管
理装置を用いて、各排水処理場の運転に必要な制御量の
適正データを計算する運転管理サービスを提供すること
ができる。（５）請求項５の発明によれば、熟練した運転制御技
術、数理モデルによる予測制御及び運転管理装置の知
識、新たにシステムの導入や改造、運転員の負担増など
を生じることなく、各排水処理場の運転に必要な状態量
予測や制御量を計算する運転管理サービスを提供するこ
とができる。（６）請求項６の発明によれば、実際の環境を模擬した
運転員に対する教育・訓練を行う運転制御シミュレーシ
ョンサービスを提供することができる。（７）請求項７の発明によれば、排水処理事業者では新
たな設備の導入、維持管理の人的負担などが生じること
なく、運転実績データの代行管理サービスを提供するこ
とができる。（８）請求項８の発明によれば、異常データを抽出して
診断サービスを提供することができ、設備故障の早期発
見や未然防止を行うことができる。（９）請求項９の発明によれば、異なる排水処理事業所
を対象として、実際の設備状況に即した個別入力データ
を自動的に生成することができる。（１０）請求項１０の発明によれば、任意の制御方式に
対応した入力データを自動的に生成することができる。（１１）請求項１１の発明によれば、所定の入力画面に
従って簡単にデータを入力することができ、作業負担を
軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の運転管理サービス方法を適用した下水
処理システムの構成図である。

【図２】入力データ生成プログラムによって表示される
入力画面例である。

【図３】入力データ生成プログラムによって表示される
制御量プロパティの画面例である。

【図４】溶存酸素濃度一定制御を行う制御方式の構成図
である。

【図５】制御量プロパティ中の関数要素プロパティの詳
細画面例である。

【図６】排水水質予測プログラムの構成図である。

【図７】状態推定オブザーバとモデル定数チューナーと
を同時に実現するアルゴリズムを示すフローチャートで
ある。

【図８】最小分散制御パラメータ同定部のアルゴリズム
を示すフローチャートである。

【図９】運転記録の作表例である。

【図１０】下水処理場の異常診断に用いる解析例であ
る。

【符号の説明】

１０１下水処理事業者側のコンソール（操作卓）１０２下水処理事業者側の通信機器１０３双方向通信網１０４サービス事業者側のコンソール（操作卓）１０５サービス事業者側の通信機器１０６運転管理装置１０７入力データ生成プログラム１０８排水水質予測プログラム１０９計測器１１０制御盤１１１下水処理場

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排水の状態量を入力する手段と、排水処
理の制御プロセスをモデル化した数理モデルと、入力さ
れた排水の該状態量と前記数理モデルに基づいて該排水
の状態量を予測する手段と、を備えたことを特徴とする
排水処理場の運転管理装置。
【請求項２】排水の状態量を入力する手段と、排水処
理の制御プロセスをモデル化した数理モデルと、入力さ
れた排水の該状態量と前記数理モデルとに基づいて該排
水の制御量を計算する手段と、を備えたことを特徴とす
る排水処理場の運転管理装置。
【請求項３】排水の状態量を運転管理装置に入力する
工程と、排水処理の制御プロセスをモデル化した数理モ
デルと入力された排水の該状態量とに基づいて該排水の
状態量を予測する工程と、を備えたことを特徴とする排
水処理場の運転管理サービス方法。
【請求項４】排水の状態量を運転管理装置に入力する
工程と、排水処理の制御プロセスをモデル化した数理モ
デルと入力された排水の該状態量とに基づいて該排水の
制御量を計算する工程と、を備えたことを特徴とする排
水処理場の運転管理サービス方法。
【請求項５】常時運転され制御されるべき排水処理場
と、前記排水処理場における排水の状態量を計測する計
測器と、前記排水処理場を制御する制御盤と、所定の運
転管理装置との間でデータ通信を行うコンソールとを配
備して前記排水処理場の運転を行う複数の排水処理事業
者に対して、サービス事業者が前記運転管理装置と双方
向通信網とを用いて前記複数の排水処理場の運転に係る
運転管理サービスを提供する方法であって、前記運転管
理装置が前記排水処理場の制御プロセスを模擬する数理
モデルに基づいた排水水質予測プログラムを具備して、
前記コンソールから入力された前記計測器で計測された
状態量を受信して、該状態量を前記排水水質予測プログ
ラムに入力して、前記排水処理場における排水の状態量
及び／又は制御量を計算して、該計算結果を前記コンソ
ールに通知することを特徴とする排水処理場の運転管理
サービス方法。
【請求項６】請求項３ないし５のいずれか１項に記載
の排水処理場の運転管理サービス方法において、前記運
転管理装置に入力される状態量が模擬データであって、
この模擬データが前回の計算結果を確認しながら作成さ
れたデータであることを特徴とする排水処理場の運転管
理サービス方法。
【請求項７】請求項３ないし５のいずれか１項に記載
の排水処理場の運転管理サービス方法において、前記運
転管理装置が前記排水処理場の運転実績データを時系列
的に編集して保存する機能を具備して、前記コンソール
から入力された前記運転実績データを受信して、この運
転実績データを保存して、前記排水事業者からの要求に
応じて保存している運転実績データを編集して出力する
ことを特徴とする排水処理場の運転管理サービス方法。
【請求項８】請求項７に記載の排水処理場の運転管理
サービス方法において、前記運転管理装置が前記運転実
績データを時系列的に編集し分析する機能を具備して、
所定の時期に保存している運転実績データを時系列的に
編集し分析して、異常データを示す機器を抽出して出力
することを特徴とする排水処理場の運転管理サービス方
法。
【請求項９】常時運転され制御されるべき排水処理場
と、前記排水処理場の排水の状態量を計測する計測器
と、前記排水処理場を制御する制御盤と、所定の運転管
理装置との間でデータ通信を行うコンソールとを配備し
て前記排水処理場の運転を行う複数の排水処理事業者に
対して、サービス事業者が前記運転管理装置と双方向通
信網とを用いて、前記コンソールからの入力データを基
にして前記複数の排水処理場の運転に係る運転管理サー
ビスを提供するときの、前記入力データの生成方法であ
って、前記運転管理装置が前期排水処理事業者ごとに所
定の入力画面を設定するプログラムを具備して、前記コ
ンソールに前記排水処理場の設備を構成する設備要素を
選択可能に表示して、この設備要素を用いて当該排水処
理場の構成をモデル設定できるようにし、該排水処理場
の個別入力項目欄を表示して、この個別入力項目に所定
のデータが入力されると該排水処理場の設備構成に応じ
た前記入力データが自動的に生成されることを特徴とす
る入力データ生成方法。
【請求項１０】請求項９に記載の入力データ生成方法
において、前記コンソールに前記排水処理場の制御系シ
ステムを構成する制御要素を選択可能に表示して、この
制御要素を用いて当該排水処理場の制御系システムをモ
デル設定できるようにし、該排水処理場の制御システム
に応じた前記入力データが自動的に生成されることを特
徴とする入力データ生成方法。
【請求項１１】請求項９又は１０に記載の入力データ
生成方法において、前記入力データの生成が前記運転管
理装置と前期コンソールとの間で対話形式によって行わ
れることを特徴とする入力データ生成方法。