JP2006070543A - 雨水排水制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 雨水排水ポンプの運転制御を行うとともに、この雨水排水ポンプに電力を供給する自家発電設備の運転制御を適切なタイミングで自動的に行うことができ、ポンプ場に流入する雨水を河川等へ確実かつ効率的に排出することができる雨水排水制御システムを提供すること。
【解決手段】 雨水排水制御システムは、複数の雨水排水ポンプ５と、各雨水排水ポンプ５に電力を供給する自家発電設備３０と、雨水排水制御装置１１とを備えている。雨水排水制御装置１１は、雨水の予測流入量に基づいて、複数の雨水排水ポンプを制御するポンプ運転制御部４３を有している。また、雨水排水制御装置１１に、ポンプ運転制御部４３から雨水排水ポンプ５に出力される信号が分岐して入力され、この信号に基づいて自家発電設備３０を制御する自家発電設備運転制御部４６が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、雨水が流入するポンプ場に設置された雨水排水ポンプの運転制御を行う雨水排水制御システムに関する。

地上に降り注いだ雨水は、通常、地中に設けられた流入幹線を経てポンプ場へ流入し、その後、雨水排水ポンプによって河川等へ排出される。このとき、ポンプ場に流入する雨水を、雨水排水ポンプによって河川等へ効率的に排出するために、様々な雨水排水ポンプの運転制御が行われている。

雨水排水ポンプの運転制御においては、ポンプ場への雨水流入量や雨水の流入タイミング等の情報を精度良く把握することができれば、雨水排水ポンプの運転台数や起動・停止タイミングを正確に設定することができる。
このポンプ場への雨水流入量や雨水の流入タイミング等の情報を把握するために、レーダ雨量計、地上雨量計、流入渠水位計等から得られる計測値が用いられ、これらの計測値に基づいて雨水流出解析、雨水流入量予測が行われており、当該雨水流出解析、雨水流入量予測に基づいて雨水排水ポンプの運転制御が行われる。

ここで、ポンプ場への雨水流入量を予測する方法としては、例えば、物理モデルや概念モデルを用いて降雨の流出の時間的な変化を追跡するような、いわゆるホワイトボックス的なアプローチとよばれる、拡張ＲＲＬ法（例えば、特許文献１参照）、ＭＯＵＳＥ等の汎用流出解析ソフトの水理学モデルあるいは水文学モデル等が用いられる。雨水流入量を予測する他の方法としては、過去の降雨量と雨水流入量のデータのみから予測モデルを構築するような、いわゆるブラックボックス的なアプローチとよばれる、システム同定方法（例えば、特許文献２参照）あるいは重回帰分析等を用いることもできる。

ポンプ場への雨水流入量の予測結果に基づく雨水排水ポンプの運転制御方法としては、予め定められた設定水位に基づく設定水位自動制御を基本として、ポンプ場への雨水流入量の予測値を用いて設定水位の変更を行い、雨水排水ポンプの定格に基づいて雨水排水ポンプの運転台数等を調整する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、最近では上記のポンプ場への雨水流入量の予測および雨水排水ポンプの運転制御を、ＭＯＵＳＥ等の海外の汎用ソフトにより行うシステムが多く用いられている。この汎用ソフトは、従来は雨水流出解析のシミュレータとしてオフラインで使用されてきたが、最近ではこの汎用ソフトをポンプ場の監視制御システムと連結してオンラインで動作することが行われている。

このように、雨水流入量の予測結果に基づく雨水排水ポンプの運転制御により、ポンプ場に流入する雨水を、河川等へ効率的に排出させることができる。この雨水排水ポンプの運転制御方法は多岐にわたっており、これらの運転制御方法を状況に応じて適切に、かつ精度よく達成することが重要視されている。

特開平６−１４７９４０号公報 特開２０００−２５７１４０号公報 特開２０００−３２８６４２号公報

一方、雨水排水ポンプは１台あたりの排水量が大きく、ポンプ場における設置台数も多いので、ポンプ場における各々の雨水排水ポンプの合計の電力消費量が大きくなる。ここで、外部からポンプ場に供給される電力量に限界があるため、ポンプ場に自家発電設備を予め準備しておき、予め定められた一定台数（以下、設定台数ともいう）までの雨水排水ポンプは外部からポンプ場に供給される電力により運転が行われ、それ以降の台数の雨水排水ポンプは、自家発電設備が自家発電を行って発生する電力が供給されることにより運転が行われることとすることができる。

ここで、上記の雨水排水制御システムにおいては、自家発電設備を用いて雨水排水ポンプの運転を行う場合、設定台数を超えた台数分の雨水排水ポンプの起動動作は自家発電設備を起動させた後に行われる。
しかしながら、従来の雨水排水制御システムでは、自動的に自家発電設備を適切なタイミングで起動させることができず、このため設定台数を超えた台数分の雨水排水ポンプの起動動作が遅れ、このことによりポンプ場からの雨水の排水が遅れて浸水被害を引き起こすおそれがあった。
また、自家発電設備の起動動作はオペレータにより手動で行われることが多く、オペレータに負担がかかるとともに、ヒューマンエラー等によって適切なタイミングで自家発電設備を起動することができない場合があった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであって、雨水排水ポンプの運転制御を行うとともに、この雨水排水ポンプに電力を供給する自家発電設備の運転制御を適切なタイミングで自動的に行うことができ、ポンプ場に流入する雨水を河川等へ確実かつ効率的に排出することができる雨水排水制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、雨水が流入するポンプ場に設置され、このポンプ場からの排水を行う複数の雨水排水ポンプと、自家発電を行って、この自家発電により発生する電力を各雨水排水ポンプに供給する自家発電設備と、ポンプ場へ流入する雨水の予測流入量を求める予測部と、この予測部で求めた予測流入量に基づいて、複数の雨水排水ポンプを制御して当該雨水排水ポンプの運転台数および／または運転タイミングを調整するポンプ運転制御部と、ポンプ運転制御部から雨水排水ポンプに出力される雨水排水ポンプの運転台数および／または運転タイミングに関する信号が分岐して入力され、この信号に基づいて自家発電設備を制御して当該自家発電設備の運転タイミングを調整する自家発電設備運転制御部とを有する雨水排水制御装置と、を備えたことを特徴とする雨水排水制御システムである。
このことにより、雨水排水ポンプの運転制御を行うとともに、この雨水排水ポンプに電力を供給する自家発電設備の運転制御を適切なタイミングで自動的に行うことができ、ポンプ場に流入する雨水を河川等へ確実かつ効率的に排出させることができる。

本発明の雨水排水制御システムにおいては、雨水排水制御システムの測定部を更に備え、雨水排水制御装置の予測部において、ポンプ場へ流入する雨水の予測流入量を求めるために流入量予測モデルが構築され、この流入量予測モデルは測定部から送られた情報に基づいてオンラインで逐次的に更新されるようになっていることが好ましい。
このことにより、流域の降雨状態の変化に追従して流入量予測モデルの更新がなされ、雨水流入量の予測精度の劣化を抑えることができる。

本発明の雨水排水制御システムにおいては、雨水排水制御装置においてポンプ運転制御部が複数設けられており、雨水排水制御装置は各ポンプ運転制御部の運転の切り換えを行う切換手段を更に有することが好ましい。
このことにより、一のポンプ運転制御部を用いて各雨水排水ポンプの運転制御を行っている際に、このポンプ運転制御部に故障等のトラブルが生じて正常に動作しなくなった場合においても、切換手段によって自動的に他のポンプ運転制御部に切り換えることにより、雨水排水ポンプの運転制御を中断することなく続行することができる。

雨水排水制御装置は、複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能を予め定められた方法および周期で評価する評価手段を有しており、雨水排水制御装置の切換手段は、評価手段による各ポンプ運転制御部の制御性能の評価結果に基づいて、最良の制御性能を有するポンプ運転制御部に切り換えることが好ましい。
また、雨水排水制御装置の評価手段は、制御操作量、雨水排水ポンプ運転時間、雨水排水ポンプ運転コストの少なくともいずれか１つを指標とする最適制御問題を解くことにより複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能の評価を行うことが好ましい。
このことにより、雨水排水プロセスの制御問題を定量的に評価することができ、このため、各雨水排水ポンプの運転時間を平準化し、これらの雨水排水ポンプの運転切換回数を少なくすることができ、また、雨水排水制御の高信頼性を得ることができ、安定した自動制御運用を行うことができる。

本発明の雨水排水制御システムにおいては、雨水排水制御装置の評価手段は、複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能の評価における最適制御問題を解く際に、非線形モデル予測制御を適用することが好ましい。
このことにより、雨水排水制御装置における雨水排水制御問題を、制約条件を含む最適化問題に帰着させることができる。

本発明の雨水排水制御システムにおいては、雨水排水制御装置のポンプ運転制御部は、運転制御における連続時間系と離散時間系とが混在するハイブリッド系を、変換係数を用いることにより連続時間系のみの系とみなしてこの運転制御を行うことが好ましい。
このことにより、連続時間系と離散時間系との間の混在部分が原因で生じうる雨水排水ポンプの運転および停止の繰り返しや回転数制御の不安定化を抑止することができ、また、オペレータが自動制御モードを手動操作モードに切り換えて雨水排水ポンプ等を操作する必要がなくなる。

本発明の雨水排水制御システムによれば、雨水排水ポンプの運転制御を行うとともに、この雨水排水ポンプに電力を供給する自家発電設備の運転制御を適切なタイミングで自動的に行うことができ、ポンプ場に流入する雨水を河川等へ確実かつ効率的に排出することができる。

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。
図１および図２は、本発明の雨水排水制御システムの実施の形態を示す図である。このうち、図１は、雨水排水制御システムの全体構成を示す概略図であり、図２は、図１の雨水排水制御システムにおける雨水排水制御装置の構成を示す概略図である。

図１に示すように、雨水排水設備は、地中に設けられた流入幹線１と、流入渠２を介して流入幹線１に接続されたポンプ井３と、流入幹線１とポンプ井３との間に設けられた流入ゲート４とを有している。本発明による雨水排水制御システムはこの雨水排水設備を制御するものであり、ポンプ井３に設置された複数の雨水排水ポンプ５と、自家発電を行ってこの自家発電により発生する電力を各雨水排水ポンプ５に供給する自家発電設備３０と、各雨水排水ポンプ５の運転制御を行う雨水排水制御装置１１とを備えている。

雨水排水設備のうち、流入幹線１は、地上へ降雨した雨水１０を集水するようになっており、流入幹線１に集水された雨水１０は、流入渠２を経てポンプ井３へ流入するようになっている。
また、ポンプ井３は、流入幹線１から流入渠２を介して送られてくる雨水１０が貯留されるようになっている。

さらに、各雨水排水ポンプ５は、雨水排水制御装置１１に電気的に接続されており、ポンプ井３から雨水１０を排出することができるようになっている。なお、雨水排水ポンプ５によってポンプ井３から排出された雨水１０は、河川等へ放出されるようになっている。また、各雨水排水ポンプ５には吐出弁６が設けられており、吐出弁６の開閉の程度を調節することによって、ポンプ井３からの雨水１０の排出量を調整することができるようになっている。そして、各雨水排水ポンプ５の稼働の有無等に係わる運転状況を示す信号５ａや吐出弁６の開度等を示す信号６ａが雨水排水制御装置１１に送られるようになっている。

流入渠２には、この流入渠２に流入した雨水１０の水位を測定する流入渠水位計８が設けられており、また、ポンプ井３には、このポンプ井３に流入した雨水１０の水位を測定するポンプ井水位計９が設けられている。流入渠水位計８およびポンプ井水位計９は雨水排水制御装置１１に電気的に接続されており、それぞれの水位計により測定された流入渠水位信号１３およびポンプ井水位信号１４が雨水排水制御装置１１に送られるようになっている。また、流入ゲート４の運転状況を示す信号４ａも雨水排水制御装置１１に送られるようになっている。

ポンプ井３が設置されているポンプ場の近傍の地表に地上雨量計７が設けられている。地上雨量計７は雨水排水制御装置１１に電気的に接続されており、この地上雨量計７からの降雨量信号１２が雨水排水制御装置１１に送られるようになっている。

図２に示すように、雨水排水制御装置１１は、ポンプ場へ流入する雨水１０の予測流入量を求めるポンプ予測部４２と、このポンプ予測部４２で求めた予測流入量に基づいて、複数の雨水排水ポンプ５を制御して当該雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整するポンプ運転制御部４３とを有している。
また、この雨水排水制御装置１１は、ポンプ運転制御部４３から雨水排水ポンプ５に出力される雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングに関する情報が分岐点１１ａで分岐して入力される自家発電設備予測部４５と、自家発電設備予測部４５による予測に基づいて自家発電設備３０を制御して当該自家発電設備３０の運転タイミングを調整する自家発電設備運転制御部４６とを有している。
ここで、ポンプ予測部４２とポンプ運転制御部４３とによりポンプ予測制御部４１が構成され、また、自家発電設備予測部４５と自家発電設備運転制御部４６とにより自家発電設備予測制御部４４が構成されている。
また、ポンプ予測制御部４１には、このポンプ予測制御部４１に雨水排水ポンプ起動・停止水位、雨水排水ポンプ５の運転順序等の信号を送るヒューマンインタフェース部４７が電気的に接続されている。図２に示すように、このヒューマンインタフェース部４７は自家発電設備予測制御部４４にも電気的に接続されており、当該自家発電設備予測制御部４４に自家発電設備制御パラメータ等の信号を送るようになっている。

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。

降雨により発生した雨水１０は流入幹線１に流入し、流入幹線１に流入した雨水１０は流入渠２を介してポンプ井３に流入する。なお、ポンプ井３への雨水１０の流入量は、流入ゲート４により調整される。

ポンプ井３に流入した雨水１０は複数の雨水排水ポンプ５により河川等へ排出される。このとき、雨水１０をポンプ井３から確実かつ効率的に排出するために、雨水排水制御装置１１により各雨水排水ポンプ５の運転を制御している。

以下、雨水排水制御装置１１による各雨水排水ポンプ５および自家発電設備３０の運転制御の概略について図２を用いて説明する。

まず、ポンプ予測部４２において、流入量予測モデルを構築し、この流入量予測モデルに基づいて雨水流入量の予測値を演算する。
流入量予測モデルは、地上雨量計７からの降雨量信号１２、雨水排水ポンプ５の運転状況に係わる信号５ａ、吐出弁６の開度等を示す信号６ａ、流入渠水位計８からの流入渠水位信号１３、ポンプ井水位計９からのポンプ井水位信号１４、流入ゲート４の運転状況を示す信号４ａなどの各プロセス信号に基づいてオフラインで予め決定される。ここで、これらのプロセス信号を出力する地上雨量計７等を一括して測定部３５とする。

ここで、ポンプ予測部４２において構築される流入量予測モデルは、上記のようにオフラインで予め決定される代わりに、雨水排水制御システムの測定部３５から送られた情報に基づいてオンラインで逐次的に更新されるものであってもよい。オンラインで逐次的に流入量予測モデルを更新する方法としては、例えばシステム同定手法における逐次最小２乗法が用いられる。この逐次最小２乗法は、計算負荷が小さく比較的小規模な計算機でも実装することができ、プロセスの変動に追随してモデルパラメータの更新ができるという特長を有している。
このように測定部３５から送られた情報に基づいてオンラインで逐次的に流入量予測モデルを更新する方法を用いることにより、流域の降雨状態の変化に追従して流入量予測モデルの更新がなされ、雨水流入量の予測精度の劣化を抑えることができる。

次に、ポンプ予測部４２で演算された雨水流入量の予測値に基づいて、ポンプ運転制御部４３は複数の雨水排水ポンプ５を制御して当該雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整する。
ここで、雨水排水ポンプ５の制御方法は、雨水流入量の予測値に基づいて直接的に雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整する方法を用いてもよく、また、雨水流入量の予測値を入力としポンプ井水位予測値を出力とするポンプ井水位予測モデルを構築し、このポンプ井水位予測モデルから出力されたポンプ井水位予測値に基づいて雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整する方法を用いてもよい。
さらに別の制御方法としては、予め設定されたポンプ井設定水位を用いた設定水位自動制御に対して、雨水流入量の予測値に基づいて設定水位補正値を演算し、その値に基づいて設定水位を変更することにより、雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整する方法を用いてもよく、また、さらに別の制御方法としては、汎用流出解析ソフトのポンプ制御機能を用いて雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整する方法を用いてもよい。
なお、上記の雨水排水ポンプ５の制御方法において、各種の設定水位および雨水排水ポンプ５の運転順序等はヒューマンインタフェース部４７より与えられる。

そして、図２に示すように、ポンプ運転制御部４３から雨水排水ポンプ５に出力される雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングに関する情報が分岐点１１ａで分岐して自家発電設備予測部４５に入力される。
自家発電設備予測部４５は、後述の自家発電設備運転制御部４６による自家発電設備３０の制御に用いられる運転タイミングを前述の入力された情報に基づいて演算し、演算結果をこの自家発電設備運転制御部４６に送る。
自家発電設備運転制御部４６は、自家発電設備予測部４５で演算された演算結果に基づいて、自家発電設備３０を制御して当該自家発電設備３０の運転タイミングを調整する。また、自家発電設備運転制御部４６から自家発電設備３０に出力される自家発電設備３０の運転タイミングに関する信号が、分岐点１１ｂで分岐して再びポンプ予測部４２に入力される。
なお、上記の自家発電設備３０の制御方法において、自家発電設備３０の制御パラメータ等はヒューマンインタフェース部４７より与えられる。

また、図２に示すように、雨水排水制御装置１１に送られる、地上雨量計７からの降雨量信号１２、雨水排水ポンプ５の運転状況に係わる信号５ａ、流入渠水位計８からの流入渠水位信号１３、ポンプ井水位計９からのポンプ井水位信号１４、流入ゲート４の運転状況を示す信号４ａなどの各プロセス信号に異常がある場合には、上述のポンプ予測制御部４１および自家発電設備予測制御部４４による自動制御が停止され、オペレータが手動で各雨水排水ポンプ５および自家発電設備３０の運転制御を行う。

このような雨水排水制御装置１１による運転制御の具体例について以下に説明する。
例えば、ポンプ運転制御部４３において、ポンプ井設定水位に基づいて雨水排水ポンプ５の運転台数等の制御が行われている場合には、自家発電設備３０から電力が供給されて最初に起動する雨水排水ポンプ５の起動設定水位（Ａ）から、自家発電設備３０の起動開始から起動完了までの時間をポンプ井水位に換算した値（Ｂ）を引いて、この差の水位値（＝Ａ−Ｂ）に基づいて自家発電設備３０の起動が行われる。
これにより、自家発電設備３０の起動が間に合わずに雨水排水ポンプ５の起動が遅れるという現象を回避することができる。
なお、この例における自家発電設備３０の起動開始から起動完了までの時間をポンプ井水位に換算した値（Ｂ）は、ヒューマンインタフェース部４７で予め設定されたものであってもよく、また、自家発電設備予測部４５においてポンプ井水位の過去のデータに基づいて統計的に演算されたものであってもよい。

また、他の具体例において、ポンプ予測制御部４１においてＭＯＵＳＥ等の汎用流出解析ソフトを適用する場合には、ポンプ運転制御部４３から予測ポンプ起動時刻（Ｃ）が出力され、自家発電設備予測部４５にこの予測ポンプ起動時刻（Ｃ）が入力される。そして、自家発電設備予測部４５において入力された情報に基づいて、自家発電設備運転制御部４６は、予測ポンプ起動時刻（Ｃ）よりも自家発電設備３０の起動開始から起動完了までの時間分（Ｄ）だけ早い時刻に自家発電設備３０を起動させる。
なお、この例における自家発電設備３０の起動開始から起動完了までの時間（Ｄ）は、ヒューマンインタフェース部４７で予め設定されたものであってもよく、また、自家発電設備予測部４５において過去の自家発電設備３０の起動時間データに基づいて統計的に演算されたものであってもよい。

また、雨水排水ポンプ５への電力供給を自家発電設備３０のみならずポンプ場の外から買電することにより行っている場合には、複数の雨水排水ポンプ５の１台目からＮ台目までを買電による電力供給により運転し、Ｎ＋１台目以降の雨水排水ポンプ５は自家発電設備３０による電力供給により運転するものとすることができる。このような場合には、買電から自家発電設備３０への電力の供給源の切換のタイミングを、ポンプ運転制御部４３からの出力に基づいて自家発電設備予測部４５により演算してもよい。

本実施の形態によれば、雨水排水制御システムの雨水排水制御装置１１は、ポンプ場へ流入する雨水１０の予測流入量に基づいて、複数の雨水排水ポンプ５を制御して当該雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングを調整するポンプ運転制御部４３と、ポンプ運転制御部４３から雨水排水ポンプ５に出力される雨水排水ポンプ５の運転台数および／または運転タイミングに関する信号が分岐して入力され、この信号に基づいて自家発電設備３０を制御して当該自家発電設備３０の運転タイミングを調整する自家発電設備運転制御部４６とを備えている。このため、雨水排水制御装置１１は、複数の雨水排水ポンプ５の運転制御を行うとともに、この雨水排水ポンプ５に電力を供給する自家発電設備３０の運転制御を適切なタイミングで自動的に行うことができ、ポンプ場に流入する雨水１０を河川等へ確実かつ効率的に排出することができる。

次に、本実施の形態の一変形例について図３を用いて説明する。
この変形例においては、図３に示すように雨水排水制御装置１１が複数のポンプ運転制御部４３を有している点が異なるのみであり、他は図１に示す雨水排水制御装置１１とほぼ同様の構成となっている。なお、図３においてはポンプ予測部４２の個数は一個であるが、このポンプ予測部４２が複数設けられていてもよく、また、ポンプ予測部４２とポンプ運転制御部４３とを有するポンプ予測制御部４１が複数設けられていてもよい。
この変形例における雨水排水制御装置１１には、さらに運転中の一のポンプ運転制御部４３が正常に動作しなくなった場合にこの異常事態を検知し、自動的に他のポンプ運転制御部４３に運転を切り換える切換手段４８が設けられている。

雨水排水制御装置１１が複数のポンプ運転制御部４３を有しているため、一のポンプ運転制御部４３を用いて各雨水排水ポンプ５の運転制御を行っている際に、このポンプ運転制御部４３に故障等のトラブルが生じて正常に動作しなくなった場合においても、切換手段４８によって自動的に他のポンプ運転制御部４３に切り換えることができる。このため雨水排水ポンプ５の運転制御を中断することなく続行することができる。

また、複数の異なるポンプ運転制御部４３の各々の制御性能を予め定められた方法および周期で評価する評価手段４９が設けられており、この評価手段４９により予め定められた周期毎に制御性能を評価し、評価手段４９からの評価結果に基づいて切換手段４８により最良の制御性能を有するポンプ運転制御部４３に切り換えて各雨水排水ポンプ５の運転制御を行うことができる。

具体的に説明すると、評価手段４９による複数の異なるポンプ運転制御部４３の各々の制御性能の評価方法としては、予め定められた周期毎に、各ポンプ運転制御部４３の制御性能を例えばポンプ運転制御部４３の制御操作量、雨水排水ポンプ運転時間、雨水排水ポンプ運転コスト等を指標とする最適制御問題を解くことにより評価する方法が用いられる。
そして、評価手段４９からの評価結果に基づいて、切換手段４８によって最適な制御性能を有するポンプ運転制御部４３に切り換えられ、このポンプ運転制御部４３の出力信号が各雨水排水ポンプ５に送られることとなる。

上記の評価方法に係わる最適制御問題を解くことにより、雨水排水プロセスの制御問題を定量的に評価することができる。このため、各雨水排水ポンプ５の運転時間を平準化し、これらの雨水排水ポンプ５の運転切換回数を少なくすることができ、また、雨水排水制御の高信頼性を得ることができ、安定した自動制御運用を行うことができる。

また、上記の複数の異なるポンプ運転制御部４３の各々の制御性能の評価をオンラインで行うことが好ましい。仮に、このような制御性能の評価をオフラインで行う場合には、一旦システムから切り離して作業を行い、評価作業を行い、再度システムに組み込むという作業が生じるため、時間がかかるとともに、オペレータがいない無人のポンプ場では自動制御を継続する必要がある場合に対処することができないという問題があるが、オンラインで制御性能の評価を行うことにより、上記問題を解決することができる。

評価手段４９は、上記の評価方法に係わる最適制御問題を解くために、例えばＲｅｃｅｄｉｎｇ Ｈｏｒｉｚｏｎ制御等の非線形モデル予測制御を適用している。Ｒｅｃｅｄｉｎｇ Ｈｏｒｉｚｏｎ制御とは、最適化問題を解く区間をサンプリング周期毎にシフトしながらオンライン最適化を繰り返す制御方法であり、制約条件を陽の形で取り扱うことができる。すなわち、制御入力やプロセス入力にかかる制約条件を直接的に制御アルゴリズムに反映させることができる。この場合、制約条件としては、例えば雨水流入量やポンプ井水位の上下限値が用いられる。このような非線形モデル予測制御を用いることにより、雨水排水制御装置１１における雨水排水制御問題を、制約条件を含む最適化問題に帰着させることができる。

最適制御問題を解く方法としては、分岐限定法や遺伝的アルゴリズムなどを適用する方法が挙げられる。分岐限定法とは、解空間上の部分空間を一括してチェックし、当該空間内に解候補が存在しうるかどうかを事前に検証する方法であり、この方法により、不必要な検索手続きを予め排除することができ、演算時間はかかるが最適解を検索することができる。遺伝的アルゴリズムを適用した場合には、最適解ではなく準最適解しか検索することができないが、局所的な極小解に陥りにくいことや高速演算を行うことができることなどの利点がある。

このように、評価手段４９が、雨水排水制御装置１１における最適制御問題を解く際に、Ｒｅｃｅｄｉｎｇ Ｈｏｒｉｚｏｎ制御等の非線形モデル予測制御を適用することにより、体系的に制御を行うことができ、常に最適な制御性能を有するポンプ運転制御部４３により雨水排水ポンプ５の制御を行うことができるので、各雨水排水ポンプ５の運転時間を平準化し、これらの雨水排水ポンプ５の運転切換回数を少なくすることができ、また、オペレータが手動で操作することなく安定した自動制御運用を行うことができる。

ところで、雨水排水制御装置１１が複数のポンプ運転制御部４３を有している場合には、前述のように切換手段４８によって離散的なポンプ運転制御部４３の切り換え作業を行う必要がある。
また、雨水排水制御装置１１において、ポンプ運転制御部４３による運転制御のうち雨水排水ポンプ５の回転数の制御やポンプ予測部４２による予測は連続時間系である。一方、ポンプ運転制御部４３による運転制御のうち雨水排水ポンプ５の運転台数の制御は離散時間系である。
このような連続時間系と離散時間系が混在する系はハイブリッド系とよばれる。すなわち、雨水排水制御装置１１による雨水排水制御系はハイブリッド制御系とよばれるものである。

仮に、雨水排水制御装置１１による雨水排水制御系がハイブリッド制御系であることを考慮しないで雨水排水制御装置１１における制御系を構築すると、連続時間系と離散時間系の間の混在部分において不連続現象が発生し、雨水排水ポンプ５の起動および停止の繰り返しを誘発してしまうおそれがある。このことにより、雨水排水制御系が不安定となり、オペレータが自動制御モードを手動操作モードに切り換えて雨水排水ポンプ５を操作する必要が生じ、オペレータへの負担が大きくなるという問題が生じるおそれがある。

このため、連続時間系と離散時間系の間で適当な変数変換を行うことにより、制御系を連続時間系とみなす処理が行われる。
例えば、雨水流入量の予測値から直接的に雨水排水ポンプ５の運転台数を判定する場合において、下記式（１）および式（２）により表されるシステムについて以下に検討する。

Ｑ（ｔ＋１）＝ａＱ（ｔ）＋ｂｕ（ｔ） ・・・ 式（１）
Ｎ（ｔ）＝ １ （ｉｆ Ｑ（ｔ）≦３）
２ （ｉｆ ３＜Ｑ（ｔ）≦６）
３ （ｉｆ ６＜Ｑ（ｔ） ・・・ 式（２）
ｕ（ｔ）は降雨等の雨水流入量の予測モデルの入力であり、Ｑ（ｔ）は雨水流入量の予測値であり、Ｎ（ｔ）は雨水排水ポンプの運転台数である。また、ａ、ｂは雨水流入量予測モデルのパラメータであり、オフラインで予め設定されるかあるいはオンラインで逐次的に決定されるものである。

上記式（２）のＱ（ｔ）とＮ（ｔ）との関係は、連続値を入力して離散値を出力するものであるため、このＱ（ｔ）とＮ（ｔ）との関係に補助変数を導入して、出力を連続変数として扱うことができる形式に変換する。
具体的には、混合論理動的モデル（ＭＬＤシステム：Ｍｉｘｅｄ Ｌｏｇｉｃａｌ Ｄｙｎａｍｉｃａｌ）が導入される。このＭＬＤシステムは、論理記述を含んだ動的システムの表現方法であって、プロセスに含まれる離散的事象を論理変数で表しており、その定式化においては論理式を線形不等式で表すことを特徴としている。

上記式（１）および式（２）により示されるシステムについて、このＭＬＤシステムを例えば雨水流入量予測値と雨水排水ポンプ５の運転台数との関係に適用することにより、離散出力を連続変数として関連づけることができる。
具体的には、上記式（１）（２）により表されるシステムをＭＬＤシステムとして表現すると、下記式（３）（４）となる。

〔δ_１（ｔ）＝１〕←→〔Ｑ（ｔ）≦３〕
〔δ_２（ｔ）＝１〕←→〔Ｑ（ｔ）≦６〕
δ_３（ｔ）＝１ ・・・式（３）
Ｎ（ｔ）＝１・δ_１（ｔ）＋２・（δ_２（ｔ）−δ_１（ｔ））＋３・（δ_３（ｔ）−δ_２（ｔ））
・・・式（４）
δ_ｉ（ｉ＝１、２、３）は離散値補助変数である。

なお、離散値出力を連続変数として扱うことができる方法であればこの方法に限定されることはない。また、離散時間系であるポンプ運転台数の判定部の出力は、連続時間値を出力するポンプ回転数制御部に入力されるので、この部分もハイブリッド系となり、同様の問題が生じるが、上記の変数変換を行うことにより連続時間系のモデルを構築することができ、この問題を解決することができる。

このように、雨水排水制御系を連続時間系とすることによって、これまでのハイブリッド系であることにより体系的に制御系を構築することが容易ではなかった系を体系的に扱うことができる。このことにより、連続時間系と離散時間系との間の混在部分が原因で生じうる雨水排水ポンプ５の運転および停止の繰り返しや回転数制御の不安定化を抑止することができ、また、オペレータが自動制御モードを手動操作モードに切り換えて雨水排水ポンプ５等を操作する必要がなくなる。

本実施の形態の他の変形例について説明する。
図１に示すように、雨水排水制御装置１１に伝送路２０を介して運転支援装置１７を接続し、この運転支援装置１７に、伝送路２０を介して雨量レーダデータ処理装置１９を接続してもよい。なお、雨量レーダデータ処理装置１９には、雨量レーダ１８から降雨量観測データ１８ａが送られる。

雨量レーダデータ処理装置１９は、雨量レーダ１８から送られる降雨量観測データ１８ａに基づいて、例えば３０分から数時間先のような一定時間先における降雨量および降雨強度の最大値の予測を行う。
そして、一定時間先における降雨量および降雨強度の最大値を予測した予測データ１９ａが、雨量レーダデータ処理装置１９から伝送路２０を介して運転支援装置１７に送られる。
運転支援装置１７では、雨量レーダデータ処理装置１９から送られた予測データ１９ａに基づいて、一定時間先の降雨に対する雨水排水ポンプ５の必要運転台数等を決定する。このようにして運転支援装置１７により決定された雨水排水ポンプ５の必要運転台数等に係わる情報は伝送路２０を介して雨水排水制御装置１１に送られる。
このことにより、早い段階で一定時間先の雨水排水ポンプ５の必要運転台数等を決定することができる。

本実施の形態の更に他の変形例について説明する。
図１に示すように、運転支援装置１７に、気象情報が得られる気象情報端末２１を、伝送路２０を介して接続してもよい。

気象情報端末２１は、得られる気象情報から一定時間先における降雨量および降雨強度の最大値の予測を行う。従って、一定時間先における降雨量および降雨強度の最大値を予測した予測データ２１ａが、気象情報端末２１から伝送路２０を介して運転支援装置１７に送られ、この運転支援装置１７は一定時間先の降雨に対する雨水排水ポンプ５の必要運転台数等を決定する。このようにして運転支援装置１７により決定された雨水排水ポンプ５の必要運転台数等に係わる情報は伝送路２０を介して雨水排水制御装置１１に送られる。
このことにより、早い段階で一定時間先の雨水排水ポンプ５の必要運転台数等を決定することができる。

本実施の形態の更に他の変形例について説明する。
雨水排水制御システムにおいて、上述の降雨予測や気象情報、流入量予測、水位予測などの各種予測情報またはそれらの現在値を用いて、天候モードを判定し、この天候モードに基づいて雨水排水の制御を行ってもよい。
具体的には、各種情報から小雨モードと判定された場合には、各雨水排水ポンプ５の運転を行わずに流入ゲート４を制御して、初期の雨水を予め設置してある増補幹線もしくは貯留管に送るようにする。このことにより汚濁濃度の高い初期の雨水が処理場やポンプ場に流入することを抑止することができる。
一方、小雨モードではない場合やポンプ井３の水位が規定値以上に達した場合には、ただちに各雨水排水ポンプ５の運転を行って雨水の排水処理を行う。
このように上述した各種予測情報を用いて天候モードを切り換えて雨水排水制御を行うことによって、近年重要視されている合流改善問題にも対処することができる。

雨水排水制御システムの全体構成を示す概略図。 図１の雨水排水制御システムにおける雨水排水制御装置の構成を示す概略図。 図２の雨水排水制御装置におけるポンプ予測制御部の他の例を示す説明図。

符号の説明

１ 流入幹線
２ 流入渠
３ ポンプ井
４ 流入ゲート
４ａ 信号
５ 雨水排水ポンプ
５ａ 信号
６ 吐出弁
６ａ 信号
７ 地上雨量計
８ 流入渠水位計
９ ポンプ井水位計
１０ 雨水
１１ 雨水排水制御装置
１１ａ、１１ｂ 分岐点
１２ 降雨量信号
１３ 流入渠水位信号
１４ ポンプ井水位信号
１７ 運転支援装置
１８ 雨量レーダ
１８ａ 降雨量観測データ
１９ 雨量レーダデータ処理装置
１９ａ 予測データ
２０ 伝送路
２１ 気象情報端末
２１ａ 予測データ
３０ 自家発電設備
３５ 測定部
４１ ポンプ予測制御部
４２ ポンプ予測部
４３ ポンプ運転制御部
４４ 自家発電設備予測制御部
４５ 自家発電設備予測部
４６ 自家発電設備運転制御部
４７ ヒューマンインタフェース部
４８ 切換手段
４９ 評価手段

Claims (7)

1. 雨水が流入するポンプ場に設置され、このポンプ場からの排水を行う複数の雨水排水ポンプと、
   自家発電を行って、この自家発電により発生する電力を各雨水排水ポンプに供給する自家発電設備と、
   ポンプ場へ流入する雨水の予測流入量を求める予測部と、この予測部で求めた予測流入量に基づいて、複数の雨水排水ポンプを制御して当該雨水排水ポンプの運転台数および／または運転タイミングを調整するポンプ運転制御部と、ポンプ運転制御部から雨水排水ポンプに出力される雨水排水ポンプの運転台数および／または運転タイミングに関する信号が分岐して入力され、この信号に基づいて自家発電設備を制御して当該自家発電設備の運転タイミングを調整する自家発電設備運転制御部とを有する雨水排水制御装置と、
   を備えたことを特徴とする雨水排水制御システム。
2. 雨水排水制御システムの測定部を更に備え、
   雨水排水制御装置の予測部において、ポンプ場へ流入する雨水の予測流入量を求めるために流入量予測モデルが構築され、この流入量予測モデルは測定部から送られた情報に基づいてオンラインで逐次的に更新されるようになっていることを特徴とする請求項１記載の雨水排水制御システム。
3. 雨水排水制御装置においてポンプ運転制御部が複数設けられており、
   雨水排水制御装置は各ポンプ運転制御部の運転の切り換えを行う切換手段を更に有することを特徴とする請求項１または２記載の雨水排水制御システム。
4. 雨水排水制御装置は、複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能を予め定められた方法および周期で評価する評価手段を有しており、
   雨水排水制御装置の切換手段は、評価手段による各ポンプ運転制御部の制御性能の評価結果に基づいて、最良の制御性能を有するポンプ運転制御部に切り換えることを特徴とする請求項３記載の雨水排水制御システム。
5. 雨水排水制御装置の評価手段は、制御操作量、雨水排水ポンプ運転時間、雨水排水ポンプ運転コストの少なくともいずれか１つを指標とする最適制御問題を解くことにより複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能の評価を行うことを特徴とする請求項４記載の雨水排水制御システム。
6. 雨水排水制御装置の評価手段は、複数のポンプ運転制御部の各々の制御性能の評価における最適制御問題を解く際に、非線形モデル予測制御を適用することを特徴とする請求項５記載の雨水排水制御システム。
7. 雨水排水制御装置のポンプ運転制御部は、運転制御における連続時間系と離散時間系とが混在するハイブリッド系を、変換係数を用いることにより連続時間系のみの系とみなしてこの運転制御を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の雨水排水制御システム。

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