JP2006002462A - ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 予測流入量が少ない場合は、管渠内への貯留を行い、予測流入量が多い場合は、ポンプを早期に運転して、ポンプ所の水没を確実に防止できるポンプ運転制御装置を提供すること。
【解決手段】 精度の高い予測降雨量と予測流入量を用いて流入パターン予測手段により幹線１からの流入パターンを判別し、この流入パターンに応じてポンプ３０の運転設定水位を変化させて、運転タイミングを制御することにより、予測流入量が少ない場合は、管渠２内への貯留を行い、予測流入量が多い場合は、ポンプ３０を早期に運転して、ポンプ所３の水没を確実に防止する、的確なポンプ制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水道処理設備等のポンプ所に適用され、雨水流入時に、流入量に応じてポンプを制御するポンプ制御装置に関する。

下水道処理設備では、対象流域の降雨時、下水道の幹線を通って流入する雨水をポンプによって河川などに放流するシステムが採用されている。このような場合のポンプの運転は、降雨の状況に応じて制御していた。

例えば、流入管渠が雨水量を貯留できる容量を持つ場合は、管渠で貯留すべき雨水量を決定するのに、気象予報の短時間数値予報値の1時間ごとの予測降雨量から予測総降雨量を算出し、大雨、中雨、小雨の各モードを決定している。すなわち、決定されたモード毎に管渠の貯留量を決定し、貯留量を超ええる流入雨水をポンプで処理している（例えば、特許文献1参照）。

また、流入量予測値からポンプの運転台数を予測計算するポンプ予測制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、雨水が流入するポンプ井の水位を雨量計や水位計で検出し、この検出されたポンプ井水位に基づいて予め定められた雨水ポンプの起動停止水位設定値を補正するポンプ制御装置がある（例えば、特許文献３参照）。また、下水幹線の水位情報を利用して、流入量を予測する雨水流入予測装置（例えば、特許文献４参照）がある。

ところで、従来、気象予報の短時間予測による予測総降雨量を算出してモードを決める場合には、気象予報の降雨量の精度が関係してくる。気象予報は広い領域を対象としており、比較的狭い下水対象領域の予測に適用すると、高い精度を得ることが困難であった。

気象予報の代替手段として、地上雨量計による降雨測定値を用いることが考えられるが、この場合は、実際に雨が降り始めないと計測できず、降雨予測には適用困難である。また、レーダ雨量計を用いても、実測値だけを用いる場合は、実際の降雨があって始めて観測でき、同様に降雨予測には適用困難である。

一方、ポンプ所へ流入する流入量を予測する手段として、降雨と流入量の関係から流入量予測をする方法がある。しかし、天候によっては、流入量が急激に上昇するためポンプの運転が間に合わないケースが出てくる。また、流入量予測はあくまでも予測値であるので、予測が外れる可能性があるが、この場合のバックアップ手段が明確でない場合があった。

さらに、流入量が少ない場合は、ポンプの運転を最小限にし、越流堰を超えないような運用により管渠内貯留を活かした運転を行うのが望ましいが、流入量予測を水位予測に変えた場合は、水位によりポンプ起動となるので、貯留を考慮した運用が難しくなる。
特許第３２９４０７４号 特開２０００−３２８６４２号公報 特開２００１−３５５２７９号公報 特開２００２−２８５６３４号公報

このように、気象予報データを用いた場合は、降雨量の予測精度を高くすることが困難であり、的確なポンプ制御を行うことが難しかった。通常、予測流入量が少ない場合は、管渠内に貯留する運用が望ましい。また、予測流入量が多い場合は、ポンプを早期に運転し、ポンプ所の水没を確実に防止できることが望ましい。すなわち、予測流入量に基づき適切なポンプの運転制御が望まれていたが、従来の技術では、予測精度の点などから的確なポンプ制御が難しかった。

本発明の目的は、予測流入量が少ない場合は管渠内への貯留を行い、予測流入量が多い場合はポンプを早期に運転して、ポンプ所の水没を確実に防止できるポンプ運転制御装置を提供することにある。

本発明のポンプ制御装置は、レーダ雨量計の降雨データに基づき降雨移動予測により対象領域への所定時間先までの降雨量及びこの降雨量に基づくポンプ所への流入量を予測する流入量予測手段と、前記予測された降雨量及び流入量に基づき予め設定されたアルゴリズムにより複数の流入モードに分類する流入モード予測手段と、この流入モード予測手段により分類された流入モードに応じて、前記ポンプ所のポンプ運転設定水位の値を変更する運転支援装置とを備えたことを特徴とする。

本発明では、流入モード予測手段は、ポンプ所への下水幹線に設けられた水位計からの測定値を入力し、予測された降雨量が通常降雨に相当する雨量未満であり、前記下水幹線の水位が増加傾向でない場合は合流改善モードと判断し、予測された降雨量が豪雨判定用の規定値未満であり、下水幹線の水位が規定された範囲内で増加傾向の場合は通常降雨モードと判断し、運転支援装置は、通常降雨モードの場合はポンプ運転設定水位を予め定めた基準値に維持し、合流改善モードの場合はポンプ運転水位を前記基準値より高く設定する。

また、本発明では、流入モード予測手段は、ポンプ所への下水幹線に設けられた水位計からの測定値を入力し、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値以上の場合及び、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値未満であっても、下水幹線の水位が規定された範囲を超えて増加傾向の場合は豪雨モードと判断し、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値未満で、下水幹線の水位が規定された範囲内で増加傾向の場合は通常降雨モードと判断し、運転支援装置は、通常降雨モードの場合はポンプ運転設定水位を予め定めた基準値に維持し、豪雨モードの場合はポンプ運転水位を前記基準値より低く設定するものでもよい。

また、本発明では、運転支援装置は、豪雨モードの場合、予測された流入量に対応するポンプ運転水位補正値を求め、この補正値を、豪雨モードに対応したポンプ運転水位に加えてポンプ運転設定水位としてもよい。

さらに、本発明では、雨量計や水位計による実測値と、流入モード予測手段により判断された流入モードとを比較して、流入モードが逸脱している場合は、ポンプ運転設定水位を通常降雨モードに対応した基準値に戻す逸脱修正手段を有する構成としてもよい。

本発明によれば、精度の高い予測降雨量と予測流入量を用いて幹線からの流入パターンを判別し、この流入パターンに応じてポンプの運転設定水位を変化させて、運転タイミングを制御することにより、予測流入量が少ない場合は、管渠内への貯留を行い、予測流入量が多い場合は、ポンプを早期に運転して、ポンプ所の水没を確実に防止する、的確なポンプ制御を行うことができる。

以下、本発明によるポンプ制御装置の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は下水道設備とポンプ制御部との関係を示す全体構成図、図２及び図３はポンプ制御部の動作を説明するフローチャートである。

図１において、１は下水道幹線で、予め設定された領域（以下、下水道領域）内の各家庭や工場などからの排水や、同下水道領域の降雨水を集めてポンプ所２に流入させる。この下水幹線１内には、図示していないが幹線水位を測定するための水位計（例えば、光ファイバ水位計など）が設けられている。また、この下水道領域内には、その領域内の降雨量を測定するために、複数の地上雨量計１１と、レーザ雨量計１２とが設けられている。

ポンプ所２には、ポンプ井３が設けられており、流入渠４を介して下水幹線１と連通し、下水管渠１からの流入水を貯留する。ポンプ井３には雨水ポンプ３０及び吐出弁３１が設けられており、降雨時に流入する雨水を河川などに放流する。なお、ポンプ井３には、図示しないが汚水ポンプも設けられている。この汚水ポンプは常時運転され、一定流量範囲の下水を、図示しない下水処理装置に送り、所定の下水処理後に河川などに放流するようにしている。

また、ポンプ井３及び流入渠４には、それぞれ水位計１３，１４が設けられており、それぞれ水位を測定する。また、吐出弁３１の吐出側には流量計１４が設けられ、ポンプ所２からの流出量が測定される。

１０はポンプ制御部で、データ収集部２１を有し、前記地上雨量計１１及びレーダ雨量計１２からの降雨データ、水位計１３からの流入渠水位データ、流量計１４からの流出量データをそれぞれ収集する。データ収集部２１は、上記のほか、幹線１内の水位を測定する図示しない幹線水位計からの幹線水位データが入力される。収集された各データは、データ記憶部２２にそれぞれ記憶される。

２３は流入量予測手段で、データ記憶部３１に記憶されたデータを使用して、ポンプ所２に流入する流入量を、例えば、前記特許文献２に示されたシステム同定法や、特開平１１−３６４２２号公報に示された拡張ＲＲＬ法により予測する。

２４は流入モード予測手段で、データ収集部２１で集められたレーダ雨量計１２からの情報を用いて降雨予測を行い、後述する所定のアルゴリズムにより流入モードを判定し、決定する。すなわち、先ず、レーダ雨量計１２からのデータを用いた降雨移動予測を行い、その予測データから閾値を用いて小雨か大雨か通常降雨かを判定する。さらに、幹線１内の水位の変化傾向から、それぞれにあった流入モード（後述する合流改善モード、通常降雨モード、豪雨モード）を選択する。

ここで、降雨移動予測とは、特開平５−３０７０８０号公報、特開平８−５０１８１号公報、特開平９−６１５４６号公報などに示されているように、観測対象の下水領域をメッシュ状に区分し、レーダ雨量計１２により降雨中の雨雲がメッシュのどの部分に存在するかを時系列に検出することにより、雨雲の移動方向や移動速度を予測する。そして、地上雨量計１１のデータにより補正を行うことで、下水領域のどの部分に、何時、どの程度の降雨があるかを高精度に予測できる。なお、各種状況により降雨移動予測が不可の場合は通常降雨とする。

２５は演算部で、流入量予測手段２３にて予測された流入量をポンプ井３の水位に変換すると共に、流入モード予測部２４で決定された流入モードに基き、ポンプ３０に対する運転水位または停止水位の演算を行う。この演算部２５の演算結果（ポンプ運転設定水位）は、運転支援装置２６へ出力され、運転支援としてガイダンスを発行する。さらに、ポンプ３０の制御を行うためにコントローラ２７へ指令を出し、コントローラ２７からポンプ３０に対して運転または停止の制御出力を行う。

運転支援装置２６からコントローラ２７への出力は、設定値出力あるいは制御出力などで行い、そのアンサ信号、状態信号、プロセス信号はコントローラ２７からディジタル入力信号、アナログ入力信号、設定値アンサ信号で運転支援装置２６に入力する。コントローラ２７では運転支援装置２６からの信号の上下限チェック、妥当性チェックを行い、ポンプ３０への誤出力、範囲外出力を行わないようにする。

運転支援装置２６は、流入モードによりポンプ３０の運転設定水位の変更を受け付ける機能を持つ。すなわち、通常降雨モードの場合はポンプ運転設定水位を予め定めた基準値（デフォルト）に維持し、豪雨モードの場合はポンプ運転水位を前記基準値より低く設定する。さらに、合流改善モードではポンプ３０の運転設定水位を上昇させる。

ここで、流入モードのうち合流改善モードとは、降雨量が少なく流入量も少ない場合の流入モードを言う。すなわち、ポンプ所への流入水は、生活排水のような下水と、降雨時の雨水とが合流されたもので、降雨量が少ない場合は下水の割合が多く、そのまま河川などに放流すると好ましくない。このため、できるだけ下水処理場で処理を行い、水質を改善する必要がある。このような場合を合流改善モードと定義している。

図２は、流入モード予測部２４における流入モード判定過程を示している。先ず、レーダ雨量計１２からのデータによりレーダ降雨移動予測を行い（ステップ２０１，２０２）、地上雨量計１１からのデータによって補正することにより、下水領域での降雨量予測を行う。

次に、この予測雨量の演算結果を出力して、予測雨量の程度を判定する。すなわち、通常降雨に相当する予測雨量があるかを判定し（ステップ２０３）、この予測雨量がある場合は豪雨判定用の規定値以上に達しているかを判定する（ステップ２０４）。

この結果、通常降雨に相当する予測雨量がない場合（ステップ２０３：Ｎ）及び通常降雨に相当する予測雨量はあるが豪雨判定用の規定値に達していない場合（ステップ２０４：Ｎ）は、幹線１の水位が増加傾向か判定する（ステップ２０５）。増加傾向でない場合（ステップ２０５：Ｎ）は合流改善モードと判定する（ステップ２０７）。

これに対し、増加傾向である場合（ステップ２０５：Ｙ）は、その増加傾向は規定値以下か判定する（ステップ２０６）。その結果、規定値以下（ステップ２０６：Ｙ）と判定された場合、すなわち、幹線１の水位が規定された範囲内の増加傾向で緩やかに増加している場合は、通常降雨モードと判定する（ステップ２０６：Ｙ）。

これに対し、増加傾向が規定値以下でない場合（ステップ２０６：Ｎ）、例えば、上流側に以前多量に降った雨により幹線１の水位が急上昇した場合は、豪雨モードと判定する（ステップ２０９）。また、予測雨量が豪雨判定用の規定値以上に達している場合（ステップ２０４：Ｙ）も、同じく豪雨モードと判定する（ステップ２０９）。

演算部２５は、上述のように判定された流入モードに従い、流入量予測部２３から演算される予測流入量を用いて、ポンプ運転水位を演算する。この演算結果により運転支援装置部２６はポンプ運転設定水位を変化させ、コントローラ２７へ出力する。

この動作を図３により説明する。始に、図２の手法で予測流入量を演算し（ステップ３０１）、流入モードが合流改善モードと判定された場合（ステップ３０２：Ｙ）は、ポンプ運転設定水位を、デフォルトの基準水位より上昇させる（ステップ３０４）。

すなわち、合流改善モードとは、前述のように、降雨量が少なく流入量も少ない場合の流入モードである。この場合、ポンプ所への流入水は、汚水の割合が多く、少量の雨水もファーストフラッシュ（初期汚染状態）により汚染されているので、そのまま河川などに放流すると好ましくない。そこで、雨水ポンプ３０の運転設定水位を、デフォルトの基準水位より上昇させ、雨水ポンプ３０の運転タイミングをできるだけおくらせる。この間、図示しない汚水ポンプにより汚水の割合の多い流入水は下水処理場に送られ、水質改善後放流される。

この後、ポンプ井が雨水ポンプ３０の運転水位に上昇した場合、雨水ポンプ３０は合流流入水をそのまま放流するが、このとき雨水のファーストフラッシュは終了しており、合流流入水は雨水で充分に希釈されているので、放流しても問題はない。

また、合流改善モードでなく（ステップ３０２：Ｎ）、豪雨モードでもない（ステップ３０３：Ｎ）場合は通常降雨モードであるから、雨水ポンプ３０の運転設定水位は、デフォルトの基準水位のままとする（ステップ３０５）。この場合、雨水ポンプ３０の運転タイミングは合流改善モードのときより早くなるが、元々流入水に占める雨水の割合は合流改善モード時より多いので、雨水ポンプ３０の運転開始時には雨水により充分に希釈されているので問題はない。

豪雨モードの場合（ステップ３０３：Ｙ）は、雨水ポンプ３０の運転設定水位をデフォルトの基準水位より下降させ（ステップ３０６）、雨水ポンプ３０の運転タイミングを早める。すなわち、豪雨モードの場合、ポンプ所２への流入水が極めて多くなり、最悪の場合、ポンプ所２が水没することも考えられる。そこで、雨水ポンプ３０の運転設定水位を低く設定し、早い段階で雨水ポンプ３０を運転し、河川などへの放流を実施する。このように、早い段階で放流を行っても、雨水の量が極めて大きいため、合流流入水は雨水で充分に希釈されており、問題はない。

このように、各流入モードに応じて雨水ポンプ３０の運転設定水位を決定後、コントローラ２７は、ポンプ井３の水位が上記運転設定水位に達したかを判断し（ステップ３０７）、該当する運転設定水位に到達していれば雨水ポンプ３０を運転させ（ステップ３０８）、ポンプ井３から排水し、河川などに放流する。

なお、豪雨モードの場合、図３（ｂ）で示すように制御してもよい。すなわち、豪雨の程度を、予測流入量が規定値以上であるかで判断し（ステップ３０９）、以上であれば、予測流入量に対応した補正値を算出する（ステップ３１０）。この補正値を、豪雨モードに対応してステップ３０６で低下させた水位にさらに加え、運転設定水位とする（ステップ３１１）。このように、通常の豪雨モードより、さらにポンプ運転設定水位を低下させることにより、激しい豪雨に対処している。

コントローラ部２７は、前述のように、運転支援装置２６からの信号の上下限チェック、妥当性チェックを行っているが、もし、運転支援装置部２６から異常なデータが来た場合は、ポンプ運転設定水位を通常降雨モードに対応したデフォルトの基準値に戻す逸脱修正手段を有する。例えば、現在計測されている実データである地上雨量計１１及びレーダ雨量計１２からの降雨量測定値、流入渠水位計１３及びポンプ井水位計１５からの水位測定値、流量計１４からの流出量測定値などの各プロセスデータと流入モード予測手段２４により判断された流入モードとを比較して、流入モードが実データから逸脱しているか判断する。逸脱している場合は、コントローラ２７の逸脱修正手段にて、ポンプ運転設定水位を通常降雨モードに戻す。このことにより、以上データに基づくポンプ３０への誤出力、範囲外出力を行わないようにしている。

このように、レーダ雨量情報にて、降雨移動予測の技術を用いてあらかじめ降雨状況を把握し、流入モード（合流改善モード、通常降雨モード、豪雨モード）を判断することで、降雨及び流入状態を把握する。また、流入量の予測値をシステム同定手法、拡張RRL手法などで求め、流入量から水位を算出し、ポンプ井の水位を予測する。ここで、流入モードの合流改善モード、通常降雨モード、豪雨モードをポンプ制御ロジックに持たせ、合流改善モードの場合は、ポンプ運転の設定水位を上げて運転を行う。通常降雨モードではポンプ運転の設定水位をそのまま運用するものとし、豪雨モードはポンプ運転の設定水位を下げて運転を行う。

合流改善モードの場合は、ポンプ運転の設定水位を貯留が可能な水位に設定する。すなわち運転設定水位を上げて雨水ポンプの運転タイミングを遅らせ、できるだけ汚水ポンプだけを使用し、送水先の下水処理装置に一定に送水する運用方法も可能となる。さらに、豪雨モードの場合は、流入予測した結果を使用し、予測された流入量に相当する分を水位換算しその値を補正値として設定水位を算出することにより、より効果的な排水を行うこともできる。

本発明によるポンプ制御装置の一実施の形態を説明するブロック図である。 同上一実施の形態における流入モード判断過程を示すフローチャートである。 同上一実施の形態における流入モードに対応した運転設定水位の変更動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 下水幹線
２ ポンプ所
３ ポンプ井
１２ レーダ雨量計
２３ 流入量予測手段
２４ 流入モード予測手段
２６ 運転支援装置
３０ ポンプ

Claims (5)

1. レーダ雨量計の降雨データに基づき降雨移動予測により対象領域への所定時間先までの降雨量及びこの降雨量に基づくポンプ所への流入量を予測する流入量予測手段と、
   前記予測された降雨量及び流入量に基づき予め設定されたアルゴリズムにより複数の流入モードに分類する流入モード予測手段と、
   この流入モード予測手段により分類された流入モードに応じて、前記ポンプ所のポンプ運転設定水位の値を変更する運転支援装置と、
   を備えたことを特徴とするポンプ制御装置。
2. 流入モード予測手段は、ポンプ所への下水幹線に設けられた水位計からの測定値を入力し、予測された降雨量が通常降雨に相当する雨量未満であり、前記下水幹線の水位が増加傾向でない場合は合流改善モードと判断し、予測された降雨量が豪雨判定用の規定値未満であり、下水幹線の水位が規定された範囲内で増加傾向の場合は通常降雨モードと判断し、
   運転支援装置は、通常降雨モードの場合はポンプ運転設定水位を予め定めた基準値に維持し、合流改善モードの場合はポンプ運転水位を前記基準値より高く設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ制御装置。
3. 流入モード予測手段は、ポンプ所への下水幹線に設けられた水位計からの測定値を入力し、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値以上の場合及び、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値未満であっても、下水幹線の水位が規定された範囲を超えて増加傾向の場合は豪雨モードと判断し、予測された降雨量が豪雨判定用の基定値未満で、下水幹線の水位が規定された範囲内で増加傾向の場合は通常降雨モードと判断し、
   運転支援装置は、通常降雨モードの場合はポンプ運転設定水位を予め定めた基準値に維持し、豪雨モードの場合はポンプ運転水位を前記基準値より低く設定する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポンプ制御装置。
4. 運転支援装置は、豪雨モードの場合、予測された流入量に対応するポンプ運転水位補正値を求め、この補正値を、豪雨モードに対応したポンプ運転水位に加えてポンプ運転設定水位とすることを特徴とする請求項３に記載のポンプ制御装置。
5. 雨量計や水位計による実測値と、流入モード予測手段により判断された流入モードとを比較して、流入モードが逸脱している場合は、ポンプ運転設定水位を通常降雨モードに対応した基準値に戻す逸脱修正手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ制御装置。

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