JP2003140712A

JP2003140712A - 水処理プラント制御システム

Info

Publication number: JP2003140712A
Application number: JP2001341817A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Katayama; 山恭介片; Osamu Yamanaka; 中理山; Akihiro Nagaiwa; 岩明弘長; Yukio Hatsuka; 鹿行雄初
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-16
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: JP3866083B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理水の水処理を行う水処理プラントの運
転を適切かつ安定に制御して、信頼性の高い水処理プラ
ントの運転を可能とする水処理プラント制御システムを
提供する。【解決手段】水処理プラント制御システム１は、水処
理プラント２と、水処理プラント２の有する複数の水処
理装置３を制御する下位レベル制御系４と、下位レベル
制御系４の有する複数の下位レベル制御装置５を制御す
る上位レベル制御系６とを備えている。各下位レベル制
御装置５は、１入力１出力のフィードバック制御方式に
よって水処理装置３を制御している。上位レベル制御系
６は上位レベル制御装置８、１０、１１とを有し、上位
レベル制御系６にはデータベース９および運転状態報知
手段１２が接続されている。水処理プラント２と上位レ
ベル制御系６との間には計測装置７が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被処理水の水処理
を行う水処理プラントを制御する水処理プラント制御シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、下水や上水等の被処理水は、嫌
気処理プロセス、無酸素処理プロセス、好気（Ａ_２Ｏ）
処理プロセス等の様々な処理プロセスを経て、浄化等の
水処理が行われている。このとき、信頼性の高いプロセ
ス制御によって各水処理プロセスを行うためには、各処
理プロセスを実行する水処理プラントの入出力関係を物
理化学的あるいは統計的に数理モデル化して、計測信号
や操作出力の選定、安定性の解析、水処理プラントの制
御装置に対するパラメータの決定等を適切に実行させる
ことができる水処理プラント制御システムを設計するこ
とが求められている。

【０００３】しかしながら、各処理プロセスでは複雑な
処理が必要とされ、例えば、下水中の有機物を標準活性
汚泥法を用いて除去する処理プロセスをプロセス制御に
よって行う場合には、被制御量である有機物量（ＢＯＤ
やＣＯＤ等）をプロセスモデリングに基づいて直接制御
することは非常に複雑となるため難しい。また、水処理
プラント制御システムに用いられる計測機器の性能面か
らも、このような直接制御を行うことは非常に難しいの
で、実際にこのような制御方法が用いられることは稀で
あった。

【０００４】このため、水処理プラント制御システム
は、各水処理プラントで行われる曝気槽への酸素供給や
汚泥返送等といった部分プロセス（サブプロセス）に対
して、ＰＩＤ制御に代表される１入力１出力のフィード
バック制御を行う制御系を採用して、ＤＯ（溶存酸素濃
度）制御やＭＬＳＳ（混合液浮遊物質濃度）制御等を行
うことにより有機物量（ＢＯＤやＣＯＤ等）を間接的に
制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、下水や
上水等の被処理水の水処理には非常に複雑な処理プロセ
スが必要とされ、各処理プロセスでは、様々な生物学的
要因や化学的要因が複雑に絡まり合って水処理に影響を
及ぼしている。

【０００６】このため、水処理プラント制御システム
は、被処理水の状態計測量や水処理プラント制御システ
ムを構成する各装置の操作量といった複数の変量を考慮
する必要があるため本質的に多入力多出力制御となる。
また、各処理プロセスにおいて、どの変量がどの程度影
響を与えるのかということを特定して水処理プロセスを
制御する必要がある。

【０００７】しかしながら、各変量が各処理プロセスに
与える影響を正確に特定することは非常に難しく、無駄
のない高精度な水処理プラント制御システムのモデルを
構築することは極めて困難である。

【０００８】また、水処理プラント制御システムの運転
は、運転員の経験に基づいて行われていたり、初期運転
時から同一の運転内容で行われていたりする場合もあ
る。このような水処理プラント制御システムでは、気象
状況が変化したり被処理水の流入量負荷が変動した場合
に十分に対応することができず、水処理プラントで水処
理された被処理水の水質が劣化する場合もある。

【０００９】また、最近では、水質環境基準の厳格化、
湖沼等の閉鎖性水域における富栄養化の防止、処理水の
再利用化等の要請が高まっており、例えば下水処理にお
いては、従来から行われている活性汚泥法による有機物
の除去に加えて、いわゆる高度下水処理技術を利用する
ことにより被処理水中の窒素やリンを除去することも強
く求められている。このため、このような高度下水処理
技術を利用した複雑な処理プロセスを実行することがで
きる水処理プラント制御システムが求められている。

【００１０】このような高度下水処理技術を応用した水
処理プロセスに関して、最近、生物学的かつ物理化学的
な理論モデルである活性汚泥モデルＮＯ．１〜３（ＡＳ
Ｍ１〜３）がＩＷＡ（International Water Associatio
n）により提案され、高度下水処理技術を応用した処理
プロセスを採用する水処理プラント制御システムの制御
系設計の指針が示された。

【００１１】しかしながら、このＡＳＭ１〜３は、十数
個の変量と、数十個のパラメータを含んでいること等か
ら、実際の処理プロセスへの合わせ込みとそれに基づく
水処理プラント制御システムの設計が、相当に複雑で困
難なものとなる。

【００１２】一方、このような複雑な処理プロセスをブ
ラックボックス化して、各処理プロセスにおける入出力
データ等に関する統計情報からモデルを構築するという
プロセスモデリングを利用したアプローチ方法も考えら
れる。しかしながら、このようなアプローチ方法を採用
する場合であっても、処理プロセスの複雑さは、実際に
処理プロセスを制御する際に注目する変数の選定やモデ
ルの検証を困難にしてしまうことがある。また、プロセ
スモデリングを利用したアプローチ方法を用いて水処理
プラント制御システムを構築した場合には、各処理プロ
セスに対する入出力データ等の統計情報が線形かつ定常
なモデルで与えられることが一般的である。これに対
し、実際の処理プロセスに対する入出力情報等の統計情
報は必ずしも線形かつ定常なものではなく、例えば、大
規模降雨時等のように通常と異なる運転状態の際には、
各処理プロセスに対する入出力データ等の統計情報は非
線形で非定常なものとなる。このため、実際の被処理水
に適合した処理プロセスを実行させることが難しい。

【００１３】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、被処理水の水処理を行う水処理プラントの
運転を適切かつ安定に制御して、信頼性の高い水処理プ
ラントの運転を可能とする水処理プラント制御システム
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも１
つの水処理装置を有する水処理プラントと、水処理装置
の運転を制御する下位レベル制御装置を有する下位レベ
ル制御系と、下位レベル制御装置の制御量である下位レ
ベル制御値を演算して各下位レベル制御装置を制御する
上位レベル制御装置を有する上位レベル制御系と、水処
理プラントで水処理された現在の被処理水の状態データ
を計測し、上位レベル制御系の上位レベル制御装置に計
測した状態データを送る計測装置と、上位レベル制御装
置とアクセス自在に設けられ、過去の被処理水の状態デ
ータおよび過去の下位レベル制御値を含む過去のプラン
ト運転情報を保持するデータベースと、を備え、上位レ
ベル制御系の上位レベル制御装置は、計測装置から送ら
れてくる現在の被処理水の状態データと、上位レベル制
御装置から下位レベル制御装置に送られる現在の下位レ
ベル制御値と、データベースに保持されている過去のプ
ラント運転情報と、を統計的に処理して、現在および過
去の水処理プラントの運転状態を示す統計データを作成
する統計データ作成機能と、統計データに基づいて現在
の水処理プラントの運転状態を識別する運転状態識別機
能と、統計データと運転状態識別機能により識別された
現在の水処理プラントの運転状態とに基づいて、新たな
下位レベル制御値を演算する制御量演算機能と、を有す
ることを特徴とする水処理プラント制御システムであ
る。

【００１５】本発明によれば、上位レベル制御系におい
て、現在の被処理水の状態データと現在の下位レベル制
御値と過去のプラント運転情報とを統計的に処理した統
計データを考慮して下位レベル制御装置を制御してお
り、下位レベル制御系において、水処理プラントの水処
理装置を制御している。

【００１６】好ましくは、上位レベル制御系の統計デー
タ作成機能は、現在の被処理水の状態データと現在の下
位レベル制御値とからなる現在の水処理プラントの運転
状態、およびデータベースに保持されている水処理プラ
ントの過去のプラント運転情報、を、計測データ空間で
表したプラント運転データを作成するプラント運転デー
タ作成機能と、プラント運転データに主成分分析を行っ
て、計測データ空間よりも次元数の少ない主成分データ
空間で表される統計データを作成する主成分データ作成
機能と、を有する。

【００１７】好ましくは、上位レベル制御系の運転状態
識別機能は、統計データに対してファジィ・ｃ−ｍｅａ
ｎｓ・クラスタリングを行って、現在の水処理プラント
の運転状態が、各プラント状態要素に対してどの程度帰
属しているかを表す状態帰属度を求めることにより、現
在の水処理プラントの運転状態を識別する。

【００１８】好ましくは、上位レベル制御系の運転状態
識別機能は、メンバシップ関数を用いて、現在の水処理
プラントの運転状態の状態帰属度を求める。

【００１９】好ましくは、上位レベル制御系の制御量演
算機能は、運転状態識別機能で求められた現在の水処理
プラントの運転状態に関する各プラント状態要素への状
態帰属度に基づいて重み付けをして、新たな下位レベル
制御値を演算する。

【００２０】好ましくは、上位レベル制御系の運転状態
識別機能は、主成分データ空間で表される統計データに
対応するサンプルと、主成分データ空間で表される各プ
ラント状態要素に対応するクラスタの重心と、の関係を
求めて、現在の水処理プラントの運転状態の状態帰属度
を求めており、上位レベル制御系の制御量演算機能は、
運転状態識別機能において求められた主成分データ空間
で表されるクラスタの重心を計測データ空間に線形変換
して再変換運転状態データを求め、この再変換運転状態
データに基づいて上位レベル制御装置による下位レベル
制御装置の制御量を演算する。

【００２１】好ましくは、上位レベル制御系の運転デー
タ加工機能は、プラント運転データを主成分変換行列を
用いて統計データを作成し、上位レベル制御系の制御量
演算機能は、主成分変換行列の転置行列を用いて、主成
分データ空間で表されるクラスタの重心を計測データ空
間に線形変換して再変換運転状態データを求める。

【００２２】好ましくは、下位レベル制御系の下位レベ
ル制御装置は、各水処理プラントの運転を１入力１出力
のフィードバック制御方式によって制御する。

【００２３】好ましくは、各水処理プラントの現在の運
転状態を運転員に知らせる運転状態報知手段をさらに備
え、運転状態報知手段は、上位レベル制御系の統計デー
タ作成機能、運転状態識別機能、および制御量演算機能
のうち少なくともいずれか一つの機能に基づいて、現在
の水処理プラント制御システムの状態を運転員に知らせ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００２５】図１乃至図４は、本発明による水処理プラ
ント制御システムの一実施の形態を示す図である。この
うち、図１は本発明の水処理プラント制御システム全体
を示す構成図であり、図２は水処理プラント制御システ
ムの上位レベル制御系における各機能を示す機能ブロッ
ク図およびデータフローを示す図である。また、図３は
上位レベル制御系で行われるファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ
・クラスタリングの概念図であり、図４は下位レベル制
御装置を制御する下位レベル制御値の演算の流れ図であ
る。

【００２６】以下、嫌気・無酸素・好気的手段によって
下水を浄化する高度下水処理を行う水処理プラントを有
する水処理プラント制御システムについて説明するが、
水処理プラントで行われる処理プロセスは高度下水処理
に限定されるものではなく、様々な水処理を行う各種の
処理プロセスに応用することができる。また、下水の他
に上水等の他の被処理水の水処理の場合にも同様に適用
することができる。

【００２７】まず、本発明の水処理プラント制御システ
ムの全体の構成について概説する。

【００２８】図１に示すように、水処理プラント制御シ
ステム１は、嫌気・無酸素・好気的手段によって高度下
水処理を行う水処理プラント２と、水処理プラント２の
有する複数の水処理装置３を制御する下位レベル制御系
４と、下位レベル制御系４の有する複数の下位レベル制
御装置５をオンラインによって制御する上位レベル制御
系６とを備えている。

【００２９】水処理プラント２の有する各水処理装置３
は、水処理プラント２で行われる高度下水処理プロセス
のサブプロセスを行うものであって、各サブプロセス
は、例えば曝気風量、汚泥返送率、余剰汚泥引抜量、汚
水流量等の１入力１出力方式もしくは小数個の入出力を
有するものである。

【００３０】下位レベル制御系４の有する各下位レベル
制御装置５は、水処理プラント２の各水処理装置３に対
して１対１の関係で割り当てられており、それぞれ、Ｐ
ＩＤ制御方法によって対応する水処理装置３を直接制御
している。なお、ＰＩＤ制御方法は、１入力１出力のフ
ィードバック制御方式を採用している。

【００３１】水処理プラント２と上位レベル制御系６と
の間には計測装置７が設けられており、計測装置７は、
水処理プラント２で高度下水処理が施された下水の状態
データを計測し、この計測した状態データを上位レベル
制御系６へ送るようになっている。なお、状態データ
は、例えば、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）、生物学酸素
要求量（ＢＯＤ）、アンモニア濃度（ＮＨ_４）、リン酸
濃度（ＰＯ_４）、混合液浮遊物質濃度（ＭＬＳＳ）、溶
存酸素濃度（ＤＯ）、ｐＨ、酸化還元電位（ＯＲＰ）、
といった下水の各種状態を示す様々なデータが考えられ
る。このため、下水に関するこれらの状態データを計測
する計測装置７の設置台数は、１台に限定されるもので
はなく複数台設置される場合もある。

【００３２】上位レベル制御系６は、計測装置７から送
られてくる状態データを受け入れる入力装置８と、計測
装置７から送られてくる下水の状態データを入力装置８
を介して受け入れる演算装置１０と、演算装置１０で演
算した下位レベル制御値を下位レベル制御系４の各下位
レベル制御装置５に送る出力装置１１と、を有してい
る。なお、入力装置８と演算装置１０と出力装置１１と
により、上位レベル制御装置が構成されている。

【００３３】また、上位レベル制御系の演算装置１０に
は、過去のプラント運転情報を保持するデータベース９
が接続され、演算装置１０は、データベース９に保持さ
れた過去のプラント運転情報にアクセス自在に設けられ
ている。データベース９に保持された過去のプラント運
転情報は、過去の水処理プラント２の運転の際におけ
る、下位レベル制御装置５に送られた下位レベル制御値
と水処理プラント２での高度下水処理を経た下水の被制
御量を含む状態データとから構成されるｌ項目の運転デ
ータ要素を時系列毎に収集したものである。なお、計測
装置７が計測した現在の下水の状態データおよび各下位
レベル制御装置５に現在送られている下位レベル制御値
は、データベース９に記憶されるようになっている。

【００３４】演算装置１０は、データベース９に保持さ
れている過去のプラント運転情報と、計測装置７から送
られてくる現在の下水の状態データおよび上位レベル制
御系６から各下位レベル制御装置５に現在送られている
下位レベル制御値を含む現在のプラント運転情報とに基
づいて、後述の演算プロセスを実行することにより、各
下位レベル制御装置５に送られる新たな下位レベル制御
値を演算するようになっている。演算装置１０で演算さ
れた新たな下位レベル制御値は、出力装置１１を介して
各下位レベル制御装置５に送られる。なお、このような
演算装置１０には、汎用計算機やマイクロコンピュータ
を利用することができる。

【００３５】また、上位レベル制御系６の演算装置１０
には表示装置１２（運転状態報知手段）が接続されてお
り、この表示装置１２は、演算装置１０において新たな
下位レベル制御値を求める際の一連の演算プロセス（統
計データ作成機能、運転状態識別機能、制御量演算機
能）に基づいて、現在の下水の状態データや現在の下位
レベル制御値や新たな下位レベル制御値といった水処理
プラント制御システム１に関する様々な運転情報を、水
処理プラント制御システム１の運転員に知らせることが
できるようになっている。

【００３６】次に、図２乃至図４を用いて、上位レベル
制御系６の演算装置１０が行う下位レベル制御値の演算
プロセスについて詳説する。

【００３７】演算装置１０では、現在および過去のプラ
ント運転情報から新たな下位レベル制御値を演算してお
り、具体的には以下のようにして演算している。

【００３８】すなわち、図２に示すように、演算装置１
０は、まず、データベース９に時系列毎に保持された過
去の被処理水の状態データおよび下位レベル制御値から
なるプラント運転情報と、計測装置７から送られてくる
現在の下水の状態データおよび上位レベル制御系６から
各下位レベル制御装置５に現在送られている下位レベル
制御値から求められる現在のプラント運転情報とを統計
的に処理して、現在および過去の水処理プラント２の運
転の状態を示すプラント運転データを作成する（Ｓ１、
Ｓ２）（プラント運転データ作成機能）。

【００３９】このプラント運転データは、状態データや
下位レベル制御値といったｌ項目のプラント運転データ
要素からなるプラント運転データ情報が時系列毎に収集
されて形成されており、具体的には、データベース９に
保持されているｋ−１個の過去のプラント運転データ情
報と１個の現在のプラント運転データ情報とから構成さ
れる計ｋ個のプラント運転データ情報を有している。

【００４０】次に、演算装置１０は、ｌ項目のプラント
運転データ要素、ｋ個のプラント運転データ情報からな
るプラント運転データに対して主成分分析を行い、ｌ項
目よりも少ないｎ項目（ｌ＞ｎ）の主成分データ要素、
ｋ個の主成分情報からなる統計データに加工する（Ｓ
３、Ｓ４）（主成分データ作成機能）。

【００４１】これにより、プラント運転データは、プラ
ント運転データ要素に比べて項目数が少ないｎ項目の主
成分データ要素からなる統計データに加工されることと
なり、ｌ次元の計測データ空間で表されていたプラント
運転データから、ｎ次元の主成分データ空間で表される
統計データが作成される。このように、統計データは、
プラント運転データに比べて小次元数で表すことができ
るので、その後の演算処理の負荷が低減される。以下、
演算装置１０が行う主成分分析についてさらに詳述す
る。

【００４２】主成分分析とは、多変量解析の一手法であ
り、多変量データの有する情報を小数個の総合的特性値
に要約するものである。本発明では、主成分分析によっ
てｌ次元のプラント運転データがｎ次元の統計データに
加工されることとなる（ｌ＞ｎ）。

【００４３】すなわち、演算装置１０は、まず、ｌ項目
のプラント運転データ要素に関するｋ個のプラント運転
データ情報を有するプラント運転データを、ｋ＊ｌの行
列Ｘで表す。これにより、行列Ｘの行ベクトルｘ_ｉ（ｉ
＝１，・・・，ｋ）は、時系列毎のプラント運転データ
情報を表すこととなり、例えば、ｘ_１は現在のプラント
運転データ情報を表しており、ｘ_ｑは現在からｑ−１ス
テップ前の過去のプラント運転データ情報を表している
（１≦ｑ≦ｋ）また、ｘ_ｉ＝［ｘ_ｉ,１，・・・，ｘ
_ｉ,ｓ，・・・，ｘ_ｉ,ｌ］（ｓ≦ｌ）において、ｘ
_ｉ,１，・・・，ｘ_ｉ, _ｓ、は、下位レベル制御系４の各
下位レベル制御装置５を制御する下位レベル制御値を表
している。

【００４４】次に、ｋ＊ｌの行列Ｘは、ｌ＊ｎの行列Ａ
（主成分変換行列）を用いて以下の式（１）のようにし
てｋ＊ｎの行列Ｙに線形写像される。

【００４５】Ｙ＝ＸＡ（１）この時、行列Ａは、プラント運転データの相関行列に関
する固有ベクトルａ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｌ）のうち、
ａ_１，・・・，ａ_ｎ、を列ベクトルとして並べたものと
定義する。なお、各固有ベクトルａ_ｊ（ｊ＝１，・・
・，ｌ）に対応する固有値λ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｌ）
は、λ_１≧λ_２≧・・・≧λ_ｎ≧・・・≧λ_ｌ、となっ
ているものとする。

【００４６】演算装置１０は、上述の式（１）によって
ｋ＊ｎの行列Ｙを得ることにより、ｌ項目のプラント運
転データ要素についてｋ個のプラント運転データ情報を
有するプラント運転データを、ｎ項目（ｌ＞ｎ）の主成
分データ要素についてｋ個の主成分情報を有する統計デ
ータに加工する。

【００４７】なお、プラント運転データを統計データに
加工する際に生じる情報損失量は、以下の式（２）で表
される累積寄与率ｐで評価され、ｐ≧０．８となるよう
に主成分データ要素の次数ｎを選択することが好まし
い。

【００４８】

【数１】次に、演算装置１０は、図２に示すように、統計データ
に対してファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリングを
行って、現在の水処理プラント２の運転状態が、予め想
定されている各プラント状態要素に対してどの程度帰属
しているかを表す状態帰属度を求める（Ｓ５、Ｓ６）。
ここでプラント状態要素とは、水処理プラント２の運転
に影響を及ぼす様々な外部環境を示すものである。例え
ば、通常の晴天時というプラント状態要素（Ｃ_１）、通
常の雨天時というプラント状態要素（Ｃ_２）、大雨時と
いうプラント状態要素（Ｃ_３）、初期降雨時の高ＳＳ負
荷状態というプラント状態要素（Ｃ_４）、長時間降雨の
際の汚水の希釈状態というプラント状態要素等、様々な
プラント状態要素が考えられる。以下、統計データに対
して行われるファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリン
グについて詳述する。

【００４９】一般に、ファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラ
スタリングとは、複数のサンプルを似たもの同士の集合
（クラスタ）に分類するクラスタリングという分類手法
の一種を意味する。本発明において、サンプルは、統計
データから導き出される現在および過去の各時における
水処理プラント２の運転状態に対応し、クラスタはプラ
ント状態要素に対応する。また、図３の概念図に示され
るように、ファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリング
における各クラスタは互いに排他的な関係を有するもの
ではなく、１つのサンプルが複数個（ｃ個）のクラスタ
に属することを許容しており、サンプルの各クラスタへ
の帰属の程度（状態帰属度）はメンバシップ関数を用い
て表すことができる。なお、このメンバシップ関数は、
通常、非線形的なものとなる。

【００５０】この時、サンプルｙ_ｉ（ｉ=１，・・・，
ｋ）に関するクラスタＣ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｃ）への
帰属の程度を表すメンバシップ関数μ_i,j（０≦μ_i,j≦
１）は、重み付き偏差平方和Ｊ（ｃ，ｍ）の最小化問題
として求められる以下の式（３）のように定式化するこ
とができる。

【００５１】

【数２】ここで、式（３）におけるｍ（ｍ＞１）は一種のパラメ
ータであり、ｍが１に近づく程、クラスタリングとして
排他的な側面が強くなり、各クラスタは相互に排他的な
存在となる。他方、ｍが大きくなるほどファジィ・クラ
スタリングとしての側面が強くなり、各クラスタ相互間
の排他性は弱まる。

【００５２】式（３）において、d_i,jは、図３における
サンプルｙ_ｉ（ｉ=１，・・・，ｋ）と各クラスタの重
心ｖ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｃ）との距離関係を意味して
おり、以下の式（４）で定義することができる。また、
クラスタの重心ｖ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｃ）は以下の式
（５）で定義することができる。

【００５３】

【数３】また、帰属度の正規化のために付加した以下に示す式
（６）という条件の下で、式（３）を局所的に最小化す
るための必要条件は式（７）で与えられる。

【００５４】

【数４】従って、式（３）で表される最小化問題を式（４）〜
（７）を用いた繰り返し法等を利用して解くことによ
り、メンバシップ関数μ_i,j（０≦μ_i,j≦１）を適切に
求めることができる。

【００５５】上述のようにして、演算装置１０は、統計
データに対してファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリ
ングを行い、現在および過去の各時における水処理プラ
ント２の運転状態（サンプル）が、各プラント状態要素
（クラスタ）Ｃ_１、Ｃ_２、・・・、Ｃ_ｃに、どの程度帰
属しているかを示すメンバシップ関数μ_i,j（０≦μ_i _,j
≦１）を求めることができ、特に現在の水処理プラント
２の運転状態の各プラント状態要素への帰属度はμ_１＝
［μ_1,1，・・・，μ_1,ｃ］で表すことができる。これ
により、現在の水処理プラント２の運転状態の扱いがさ
らに容易となる。

【００５６】次に、演算装置１０は、図２に示すよう
に、現在の水処理プラント２の運転状態の各プラント状
態要素への帰属度を示すメンバシップ関数μ_１に基づい
て、下位レベル制御系４の各下位レベル制御装置５を制
御するための下位レベル制御値を演算する（Ｓ７、Ｓ
８）。以下、メンバシップ関数μ_１に基づいて下位レベ
ル制御値を演算する方法について詳述する。

【００５７】すなわち、図４に示すように、演算装置１
０は、まず、以下の式（８）に示すように、ｎ個の各主
成分データ要素について前述のファジィ・ｃ−ｍｅａｎ
ｓ・クラスタリングを行う際に求めたクラスタの重心ｖ
_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｃ）を行ベクトルとして並べたｃ
＊ｎの行列Ｖと、式（１）で用いた行列Ａの転置行列で
あるｎ＊ｌの行列Ａ’とによって、ｃ＊ｌの行列Ｚを求
める（Ｔ１、Ｔ２）。

【００５８】Ｚ＝ＶＡ’ （８）行列Ｚは、ｎ次元の主成分データ空間で表されている行
列Ｖをｌ次元の計測データ空間で表したものである。こ
のようにして得られた行列Ｚは、主成分データ空間で表
される統計データを示す行列Ｙを計測データ空間で表し
たものと、近似的にみなすことができる（再変換運転状
態データ）。

【００５９】ところで、式（８）によって得られた行列
Ｚの行ベクトルｚ_ｊ＝［ｚ_ｊ,１，・・・・・，
ｚ_ｊ,ｌ］（１≦ｊ≦ｃ）のうち下位レベル制御値に関
する要素を抽出した抽出運転データ情報ｓ_ｊ＝［ｚ
_ｊ,１，・・・・・，ｚ_ｊ,ｓ］（ｓ＜ｌ）は、対応する
プラント状態要素において各下位レベル制御装置５に与
えるべき下位レベル制御値とみなすことができる（Ｔ
３）。

【００６０】この時、演算装置１０は、以下の式（９）
に示すように、上述の各プラント状態要素におけるそれ
ぞれの抽出運転データ情報ｓ_ｊ（１≦ｊ≦ｃ）を行ベク
トルとして並べたｃ＊ｓの行列Ｓ（抽出運転データ）に
対して、現在の水処理プラント２の運転状態の各プラン
ト状態要素への帰属度を表すメンバシップ関数μ_１によ
って重み付けしたｓ_０を求めて、このｓ_０を各下位レベ
ル制御装置５に与える新たな下位レベル制御値とするこ
とができる（Ｔ４）。

【００６１】

【数５】このようにして求められた下位レベル制御装置５に与え
る新たな下位レベル制御値を示すｓ_０は、過去および現
在のプラント運転情報から統計的に決定されることとな
る。

【００６２】なお、式（８）によって求められる行列Ｚ
は、厳密な意味では、主成分データ空間で表されている
行列Ｙを計測データ空間に逆写像したものではない。す
なわち、厳密な意味で行列Ｙを計測データ空間に逆写像
した行列Ｘは、以下の式（１０）で示され、行列Ｙを、
行列Ａ’と主成分打ち切りの際に生じる誤差を示す行列
Ｅとによって逆変換したもので表すことができる。

【００６３】Ｘ＝ＹＡ’＋Ｅ（１０）しかしながら、計測データ空間上のデータｚ’を主成分
分析するとクラスタの重心ｖ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｃ）
を表す主成分データ空間上のデータとなるデータｚ’の
存在を仮定した場合には、式（８）により得られる行列
Ｚをこの元データと便宜上見なすこととしている。

【００６４】上述のように、演算装置１０は、過去およ
び現在のプラント運転情報（状態データ、下位レベル制
御値）とに基づいて、上述の一連の演算プロセスを実行
することにより、各下位レベル制御装置５に送られる新
たな下位レベル制御値を演算するようになっている。な
お、図２に示すＳ１〜Ｓ４によって運転データ加工機能
が構成され、Ｓ５〜Ｓ６によって運転状態識別機能が構
成され、Ｓ７〜Ｓ９によって制御量演算機能が構成され
ることとなる。

【００６５】次に、このような構成からなる本実施の形
態の作用について説明する。

【００６６】本発明による作用の概略は、上位レベル制
御系６において、水処理プラント２の運転を制御する際
の基本となる情報である過去および現在のプラント運転
情報を演算しやすいように加工した後、現在の水処理プ
ラント２の運転状態を自動的に識別し、これに基づいて
下位レベル制御系４の下位レベル制御装置５を制御する
下位レベル制御値を演算する。そして、下位レベル制御
系４において、上位レベル制御系６からの下位レベル制
御値に基づいて水処理プラント２の各水処理装置３を安
定に制御し、各水処理装置３において高度下水処理のサ
ブプロセスを確実に実行させる。

【００６７】以下、本発明の作用について詳述する。

【００６８】図１に示すように、水処理プラント２にお
いて高度下水処理された現在の下水は、計測装置７によ
って状態データが計測される。計測装置７により計測さ
れた現在の下水の状態データは、計測装置７から、上位
レベル制御系６の入力装置８を介して演算装置１０に送
られる。

【００６９】演算装置１０は、データベース９に保持さ
れた過去のプラント運転情報と、計測装置７から送られ
てきた現在の下水の状態データと、演算装置１０から出
力装置１１を介して各下位レベル制御装置５に現在送ら
れている下位レベル制御値と、に基づいて、各下位レベ
ル制御装置５に送る新たな下位レベル制御値を演算す
る。

【００７０】この時、演算装置１０では、図２乃至図４
に示すように、上述した主成分分析およびファジィ・ｃ
−ｍｅａｎｓ・クラスタリングが用いた一連の演算プロ
セスが利用されて、各下位レベル制御装置５に送る新た
な下位レベル制御値が演算されている（Ｓ１〜Ｓ９）。

【００７１】すなわち、データベース９に保持された過
去のプラント運転情報と、計測装置７から送られてきた
現在の下水の状態データと、演算装置１０から出力装置
１１を介して各下位レベル制御装置５に現在送られてい
る下位レベル制御値とが、統計処理されてプラント運転
データが作成される（Ｓ１、Ｓ２）。そして、プラント
運転データに対して主成分分析を行うことにより統計デ
ータを作成して（Ｓ３、Ｓ４）、この統計データに対し
てファジィ・ｃーｍｅａｎｓ・クラスタリングを行うこ
とにより現在の水処理プラント２の運転状態を複数のプ
ラント状態要素への状態帰属度を示すメンバシップ関数
μ_１を求める（Ｓ５、Ｓ６）。そして、各プラント状態
要素への帰属度を示すメンバシップ関数μ_１に基づい
て、下位レベル制御系４の下位レベル制御装置５を制御
するための下位レベル制御値を演算する（Ｓ７、Ｓ
８）。

【００７２】このようにして、演算装置１０で演算され
た各下位レベル制御装置５に送られる新たな下位レベル
制御値は、出力装置１１を介して下位レベル制御系４の
各下位レベル制御装置５に送られる（Ｓ９）。

【００７３】また、この間、表示装置１２では、演算装
置１０における一連の演算プロセスに基づいて、現在の
水処理プラント２の運転状態や新たな下位レベル制御値
といった水処理プラント制御システム１に関する様々な
運転情報が示される。これにより、水処理プラント制御
システム１の運転員は、水処理プラント制御システム１
に関する様々な運転情報を容易にリアルタイムで知るこ
とができ、異常発生時においても迅速に対応することが
できる。

【００７４】各下位レベル制御装置５は、演算装置１０
から送られてきた下位レベル制御値に基づいて、水処理
プラント２の各水処理装置３のうち対応する水処理装置
３をＰＩＤ制御方法により直接制御する。

【００７５】このとき、下水に高度下水処理を施すため
には、有機物の除去、脱窒、脱リンといった複雑な浄化
処理プロセスが必要とされる。しかし、これらの浄化処
理プロセスに対して直接的な指標となるＣＯＤ、ＢＯ
Ｄ、窒素量、およびリン量を被制御量として、各水処理
装置３を制御することは非常に難しい。このため、下位
レベル制御装置５がＰＩＤ制御方法により水処理装置３
を制御する際には、各水処理装置３で行われる各サブプ
ロセスの被制御量を予め設定されている値に追従させる
ようにして制御する。

【００７６】このようにして、水処理プラント制御シス
テム１は水処理プラント２を適切に運転制御して、水処
理プラント２は下水の性状に適合した高度下水処理を行
う。

【００７７】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、現在のプラント運転情報とデータベース９に保持さ
れた過去のプラント運転情報とから、統計的に作成され
た入出力モデル（プラント運転データ、統計データ）に
基づいて、水処理プラント２の各水処理装置３の運転は
制御される。これにより、下水の高度下水処理を簡潔か
つ迅速に行うとともに、信頼性の高い高度下水処理を行
うことができる。特に、統計的に作成された入出力モデ
ルを採用しているので、ＡＳＭ１〜３のような理論モデ
ルに比べて、水処理プラント２の制御に伴うパラメータ
の合わせ込み等の手間が低減され、水処理プラント制御
システム１の構成を簡潔なものとすることができる。

【００７８】また、水処理プラント２を制御する制御系
を上位レベル制御系６と下位レベル制御系４とに分け
て、上位レベル制御系６では過去および現在のプラント
運転情報に基づいて統計的な複雑な演算を行うととも
に、下位レベル制御系４では安定した実績のある１入力
１出力のフィードバック制御方式を採るＰＩＤ制御方法
によって水処理プラント２の各水処理装置３を制御して
いる。これにより、水処理プラント２における高度下水
処理は、現在の下水の性状に十分に適合させることがで
きるとともに、安定した高度下水処理を可能とすること
ができる。

【００７９】特に、下位レベル制御装置５の制御量であ
る下位レベル制御値は、上位レベル制御系６において、
過去および現在のプラント運転情報に基づいた統計的な
演算によって決定されている。このため、水処理プラン
ト２では、下水の性状に迅速かつ柔軟に適応した高度下
水処理が可能となっており、例えば、降雨の増減等とい
った非定常な気象状況の変化が生じた場合でも、水処理
プラント２は下水に対して適切な高度下水処理を行うこ
とができる。

【００８０】また、下位レベル制御系４では、１入力１
出力のフィードバック制御方法を用いたＰＩＤ制御方法
を採用することにより、データベース９における過去の
プラント運転情報の蓄積量が不十分で統計的な入出力モ
デルを十分に構築することができない場合や、水処理プ
ラント２の初期運転時において現在のプラント運転情報
を十分に計測することができない場合であっても、水処
理プラント２を安定に運転することができる。

【００８１】なお、水処理プラント２の水処理装置３の
制御方法はＰＩＤ制御方法に限定されるものではなく、
ＰＩＤ制御方法と同様に１入力１出力のフィードバック
制御方式を採る制御方法であれば、本実施の形態におけ
る場合と同様の作用効果を期待することができる。

【００８２】さらに、上位レベル制御系６で行われる過
去および現在のプラント運転情報に基づいた統計的な演
算は、主成分分析を用いることにより、水処理プラント
２に関する情報の情報損失量を必要十分な範囲内で抑え
た上で、扱う情報の項目数を減らして、演算負荷を低減
させることができる。また、主成分分析によって、水処
理プラント２の運転に影響を及ぼす統計データの抽出作
業は自動的に行われることとなるため、運転員がこのよ
うな統計データの抽出作業を行う必要がなく、手続の簡
素化が図られる。

【００８３】また、水処理プラント２の運転は、様々な
外的要因が複合的に組み合わさって影響されている。こ
のため、現在の水処理プラント２の運転状態を識別する
際に、現在の水処理プラント２の運転状態がどのような
運転状態に属しているかということを決定論的（真か偽
か）によって特定の運転状態に分類する手法では、様々
な外的要因が複合的に組み合わさって水処理プラント２
の運転状態に影響している場合に十分に対応することが
できない。しかしながら、現在の水処理プラント２の運
転状態を、ファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリング
によって識別してファジィ測度を用いて表現することに
より、様々な外的要因が複合的に組み合わさって水処理
プラント２の運転状態に影響を及ぼしている場合でも柔
軟に対応することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水処理プラントの運転は上位レベル制御系と下位レベル
制御系とが役割を分担して制御しており、上位レベル制
御系において、現在および過去のプラント運転情報を考
慮して下位レベル制御系を制御しており、下位レベル制
御系において、水処理プラントの水処理装置を制御して
いる。これにより、実際の被処理水の性状に柔軟に対応
した適切な水処理プラントの運転が可能となり、安定か
つ信頼性の高い水処理プラントの運転の制御を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水処理プラント制御システム全体を示
す構成図である。

【図２】水処理プラント制御システムの上位レベル制御
系における各機能を示す機能ブロック図およびデータフ
ローを示す図である。

【図３】水処理プラント制御システムで用いられるファ
ジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラスタリングの概念図であ
る。

【図４】下位レベル制御装置を制御する下位レベル制御
値の演算の流れ図である。

【符号の説明】

１水処理プラント制御システム２水処理プラント３水処理装置４下位レベル制御系５下位レベル制御装置６上位レベル制御系７計測装置８入力装置９データベース１０演算装置１１出力装置１２表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長岩明弘東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者初鹿行雄大阪府大阪市北区大淀中１丁目１番30号株式会社東芝関西支社内Ｆターム(参考） 4D040 BB01 BB51 BB91 5H004 GA08 GA15 GA16 GB08 HA02 HA04 HA16 HB02 HB04 JA13 JB08 JB09 KA80 KB02 KB04 KB06 KC12 KD02 KD24 LA15 LA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの水処理装置を有する水処
理プラントと、水処理装置の運転を制御する下位レベル制御装置を有す
る下位レベル制御系と、下位レベル制御装置の制御量である下位レベル制御値を
演算して各下位レベル制御装置を制御する上位レベル制
御装置を有する上位レベル制御系と、水処理プラントで水処理された現在の被処理水の状態デ
ータを計測し、上位レベル制御系の上位レベル制御装置
に計測した状態データを送る計測装置と、上位レベル制御装置とアクセス自在に設けられ、過去の
被処理水の状態データおよび過去の下位レベル制御値を
含む過去のプラント運転情報を保持するデータベース
と、を備え、上位レベル制御系の上位レベル制御装置は、計測装置から送られてくる現在の被処理水の状態データ
と、上位レベル制御装置から下位レベル制御装置に送ら
れる現在の下位レベル制御値と、データベースに保持さ
れている過去のプラント運転情報と、を統計的に処理し
て、現在および過去の水処理プラントの運転状態を示す
統計データを作成する統計データ作成機能と、統計データに基づいて現在の水処理プラントの運転状態
を識別する運転状態識別機能と、統計データと運転状態識別機能により識別された現在の
水処理プラントの運転状態とに基づいて、新たな下位レ
ベル制御値を演算する制御量演算機能と、を有すること
を特徴とする水処理プラント制御システム。
【請求項２】上位レベル制御系の統計データ作成機能
は、現在の被処理水の状態データと現在の下位レベル制御値
とからなる現在の水処理プラントの運転状態、およびデ
ータベースに保持されている水処理プラントの過去のプ
ラント運転情報、を、計測データ空間で表したプラント
運転データを作成するプラント運転データ作成機能と、プラント運転データに主成分分析を行って、計測データ
空間よりも次元数の少ない主成分データ空間で表される
統計データを作成する主成分データ作成機能と、を有す
ることを特徴とする請求項１記載の水処理プラント制御
システム。
【請求項３】上位レベル制御系の運転状態識別機能は、
統計データに対してファジィ・ｃ−ｍｅａｎｓ・クラス
タリングを行って、現在の水処理プラントの運転状態
が、各プラント状態要素に対してどの程度帰属している
かを表す状態帰属度を求めることにより、現在の水処理
プラントの運転状態を識別することを特徴とする請求項
２に記載の水処理プラント制御システム。
【請求項４】上位レベル制御系の運転状態識別機能は、
メンバシップ関数を用いて、現在の水処理プラントの運
転状態の状態帰属度を求めることを特徴とする請求項３
記載の水処理プラント制御システム。
【請求項５】上位レベル制御系の制御量演算機能は、運
転状態識別機能で求められた現在の水処理プラントの運
転状態に関する各プラント状態要素への状態帰属度に基
づいて重み付けをして、新たな下位レベル制御値を演算
することを特徴とする請求項３または４のうちいずれか
１項に記載の水処理プラント制御システム。
【請求項６】上位レベル制御系の運転状態識別機能は、
主成分データ空間で表される統計データに対応するサン
プルと、主成分データ空間で表される各プラント状態要
素に対応するクラスタの重心と、の関係を求めて、現在
の水処理プラントの運転状態の状態帰属度を求めてお
り、上位レベル制御系の制御量演算機能は、運転状態識別機
能において求められた主成分データ空間で表されるクラ
スタの重心を計測データ空間に線形変換して再変換運転
状態データを求め、この再変換運転状態データに基づい
て上位レベル制御装置による下位レベル制御装置の制御
量を演算することを特徴とする請求項５に記載の水処理
プラント制御システム。
【請求項７】上位レベル制御系の運転データ加工機能
は、プラント運転データを主成分変換行列を用いて統計
データを作成し、上位レベル制御系の制御量演算機能は、主成分変換行列
の転置行列を用いて、主成分データ空間で表されるクラ
スタの重心を計測データ空間に線形変換して再変換運転
状態データを求めることを特徴とする請求項６記載の水
処理プラント制御システム。
【請求項８】下位レベル制御系の下位レベル制御装置
は、各水処理プラントの運転を１入力１出力のフィード
バック制御方式によって制御することを特徴とする請求
項１乃至７のうちいずれか１項に記載の水処理プラント
制御システム。
【請求項９】各水処理プラントの現在の運転状態を運転
員に知らせる運転状態報知手段をさらに備え、運転状態報知手段は、上位レベル制御系の統計データ作
成機能、運転状態識別機能、および制御量演算機能のう
ち少なくともいずれか一つの機能に基づいて、現在の水
処理プラント制御システムの状態を運転員に知らせるこ
とを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記
載の水処理プラント制御システム。