JP2013161336A - 監視対象量予測方法及び監視対象量予測装置 - Google Patents

監視対象量予測方法及び監視対象量予測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】予測を実行するタイミングに関係なく、プラント設備の監視対象量を精度高く予測すること。
【解決手段】一次予測部103aが、互いに異なる複数の予測モデルと、プラント設備の稼働実績データ、現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータとを用いて、下水処理場の監視対象量の一次予測値を複数算出する。二次予測部103bが、各一次予測値に二次予測ステップの実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いて下水処理場の監視対象量の二次予測値を下水処理場の監視対象量の予測値として算出する。これにより、予測を実行するタイミングに関係なく、下水処理場の監視対象量を精度高く予測できる。
【選択図】図2

Description

本発明は、水処理設備等のプラント設備の監視対象量を予測する監視対象量予測方法及び監視対象量予測装置に関する。
一般に、汚水処理(下水道)、浄水処理(上水道)、及び産業用工業排水処理等を行う水処理設備では、監視対象設備(例えば構造物や機器類等)や処理状況(例えば処理水質や汚泥の状態等)の将来の状態を予測し、予測結果に基づいて制御対象設備を制御している(例えば特許文献1参照)。具体的には、従来の監視対象量予測方法では、固定的な設備が一定の規則に基づき動作する水処理設備の将来の状態予測が主体であることから、対象とする水処理設備に適した1つの予測手法を用いた1つの予測モデルを利用して監視対象量を予測し、予測結果に基づいて制御対象設備を制御している。
特開2010−231457号公報
しかしながら、実際の水処理設備の状態は時々刻々と変化しているために、固定した1つの予測モデルを利用して従来の監視対象量予測方法では、状態予測を実行するタイミングに応じて状態予測の精度が変化し、水処理設備の状態を精度高く予測することが困難になる。このため、状態予測を実行するタイミングに関係なく、水処理設備の状態を精度高く予測可能な技術の提供が期待されていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、予測を実行するタイミングに関係なく、プラント設備の監視対象量を精度高く予測可能な監視対象量予測方法及び監視対象量予測装置を提供することにある。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る監視対象量予測方法は、互いに異なる複数の予測モデルと、プラント設備の稼働実績データ、現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータとを用いて、プラント設備の監視対象量の一次予測値を複数算出する一次予測ステップと、前記一次予測ステップにおいて予測された各一次予測値に二次予測ステップの実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いてプラント設備の監視対象量の二次予測値をプラント設備の監視対象量の予測値として算出する二次予測ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る監視対象量予測方法は、上記発明において、前記一次予測ステップが、プラント設備の稼働実績データ、プラント設備の現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータに基づいて、複数の予測モデルを再生成又は補正するステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る監視対象量予測方法は、上記発明において、前記複数の予測モデルが、ニューラルネットワークモデル、重回帰モデル、又はクラスタリングモデルを含むことを特徴とする。
本発明に係る監視対象量予測方法は、上記発明において、前記二次予測モデルが、重みが付与された複数の一次予測値をノードとするニューラルネットワークを利用してプラント設備の監視対象量の二次予測値を算出するステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る監視対象量予測方法は、上記発明において、前記二次予測ステップが、所定期間内における所定時間毎の前記監視対象量の予測値を算出するステップを含むことを特徴とする。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る監視対象量予測装置は、互いに異なる複数の予測モデルとプラント設備の稼働実績データ及び現在の稼働状況に関するデータとを用いて、プラント設備の監視対象量の一次予測値を複数算出する一次予測手段と、前記一次予測手段によって予測された各一次予測値に二次予測の実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いてプラント設備の監視対象量の二次予測値をプラント設備の監視対象量の予測値として算出する二次予測手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る監視対象量予測方法及び監視対象量予測装置によれば、予測を実行するタイミングに関係なく、プラント設備の監視対象量を精度高く予測できる。
図1は、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムが適用される下水処理場の一構成例を示す模式図である。 図2は、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムの構成を示すブロック図である。 図3は、本発明の一実施形態である監視対象量予測処理の流れを示すフローチャートである。 図4は、図3に示すステップS2〜ステップS4の処理を説明するための概念図である。 図5は、所定期間内における監視対象量の変化の予測方法を説明するための概念図である。 図6は、所定期間内における監視対象量の変化の予測方法を説明するための概念図である。 図7は、所定期間内における監視対象量の変化の予測方法を説明するための概念図である。 図8は、所定期間内における監視対象量の変化の予測方法を説明するための概念図である。 図9は、図3に示すステップS5の処理を説明するための概念図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムについて説明する。なお、本実施形態は、本発明を下水処理場の運転制御に用いられる監視対象量の予測処理に適用したものであるが、本発明は、本実施形態に限定されることはなく、汚水処理、浄水処理、及び産業用工業排水処理を行う水処理設備等の下水処理場以外のプラント設備の運転制御に用いられる監視対象量の予測処理にも適用できる。
〔下水処理場の構成〕
始めに、図1を参照して、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムが適用される下水処理場の構成について説明する。但し、下水処理場の構成は図1に示す構成に限定されることはない。
図1は、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムが適用される下水処理場の一構成例を示す模式図である。図1に示すように、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムが適用される下水処理場は、下水を処理する下水処理設備1と、下水処理設備1で発生した余剰汚泥を処理する汚泥処理設備2と、を備えている。
下水処理設備1は、沈砂池11と、最初沈殿池12と、反応槽13と、最終沈殿池14と、薬注槽15と、を備えている。沈砂池11は、下水中の土砂等の非腐敗性無機物質を沈殿除去するための設備であり、非腐敗性無機物質が除去された下水は汚水ポンプ16によって最初沈殿池12に供給される。最初沈殿池12は、下水を緩やかに流して重力沈降によって下水中の沈殿性有機物を沈殿除去するための設備である。最初沈殿池12の上澄み水は反応槽13に供給される。最初沈殿池12内の沈殿物は、汚泥掻寄機17aによって集められ、汚泥引き抜きポンプ18によって余剰汚泥として汚泥処理設備2に供給される。
反応槽13は、DO(溶存酸素濃度),MLSS(槽内の活性汚泥濃度),下水流量,ORP(酸化還元電位)等の指標に従って送風機19から反応槽13に供給される空気量を制御することによって、微生物を利用して下水中の有機物、窒素、リンを中心とする汚濁物質を処理する設備である。反応槽13に供給される空気量は圧力計20を利用して検出される。汚濁物質が除去された下水は最終沈殿池14に供給され、反応槽13内の沈殿物の一部は汚泥引き抜きポンプ18によって余剰汚泥として汚泥処理設備2に供給される。
最終沈殿池14は、反応槽13から供給された下水を処理水と活性汚泥とに分離する設備である。処理水は薬注槽15に供給される。活性汚泥は、汚泥掻寄機17bによって集められ、反応槽13に返送又は汚泥引き抜きポンプ18によって余剰汚泥として汚泥処理設備2に供給される。薬注槽15は、薬注ポンプ21を利用して最終沈殿池14から供給された処理水に薬品を注入することによって処理水を消毒した後、消毒された処理水を河川等に放流する設備である。
汚泥処理設備2は、濃縮タンク31と、消化タンク32と、脱水機33と、焼却炉34と、を備えている。濃縮タンク31は、汚泥引き抜きポンプ18から供給された余剰汚泥中の水分を除去することによって余剰汚泥を濃縮する設備である。濃縮タンク31内で濃縮された余剰汚泥は、図示しない汚泥掻寄機によって集められ、消化タンク32に供給される。
消化タンク32は、余剰汚泥内の有機物を分解して消化汚泥とする設備である。消化タンク32において生成された消化汚泥は脱水機33に供給される。脱水機33は、消化タンク32から供給された消化汚泥を脱水することによって消化汚泥の含水率を低下させる設備である。焼却炉34は、脱水機33によって含水率が低下した消化汚泥を焼却する設備である。
〔監視対象量予測システムの構成〕
次に、図2を参照して、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムの構成について説明する。
図2は、本発明の一実施形態である監視対象量予測システムの構成を示すブロック図である。図2に示すように、本発明の一実施形態である監視対象量予測システム100は、実績データデータベース101、入力情報取得装置102、監視対象量予測装置103、及び出力装置104を備えている。
実績データデータベース101は、監視対象量の予測処理に用いられる各種情報の実績値を稼働実績データとして格納している。具体的には、実績データベース101には、天気(快晴、晴、曇、雨(雨の強さ))、雨量、風速、日照量、処理水の貯水池の水位、汚水ポンプ16等のポンプの吐き出し量、汚水流入量、電力需要量、発電電力量、汚泥ガス発生量、及び汚泥生成量等の実績値が年月日及び時間帯毎に稼働実績データとして格納されている。稼働実績データは、監視対象量予測装置103が電気通信回線を介して参照可能な形態で実績データデータベース101内に格納されている。
入力情報取得装置102は、下水処理場の各種機器に接続され、天気、雨量、風速、日照量、処理水の貯水池の水位、ポンプの吐き出し量、汚水流入量、電力需要量、発電電力量、汚泥ガス発生量、及び汚泥生成量等の現在値を取得する。また、入力情報取得装置102は、天気、雨量、風速、及び日照量の予報に関する情報も取得する。入力情報取得装置102は、取得した情報を下水処理場の現在の稼働状況に関するデータとして監視対象量予測装置103に出力する。
監視対象量予測装置103は、パーソナルコンピュータ等のワークステーションや、プロセスコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。監視対象量予測装置103は、情報処理装置内部のCPU等の演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって、一次予測部103a及び二次予測部103bとして機能する。これら各部の機能については後述する。
出力装置104は、監視対象量予測装置103からの各種情報を下水処理場の制御装置、表示装置、及び印刷装置に出力するためのものである。
〔監視対象量予測処理〕
このような構成を有する監視対象量予測システム100では、監視対象量予測装置103が以下に示す監視対象量予測処理を実行することによって、図1に示す下水処理場の監視対象量を予測する。以下、図3に示すフローチャートを参照して、この監視対象量予測処理を実行する際の監視対象量予測装置103の動作について説明する。
図3は、本発明の一実施形態である監視対象量予測処理の流れを示すフローチャートである。図3に示すフローチャートは、所定の制御周期毎に開始され、監視対象量予測処理はステップS1の処理に進む。
ステップS1の処理では、一次予測部103aが、実績データデータベース101内に格納されている稼働実績データ及び入力情報取得装置102から出力された下水処理場の現在の稼働状況に関するデータを取得する。これにより、ステップS1の処理は完了し、監視対象量予測処理はステップS2の処理に進む。
ステップS2の処理では、一次予測部103aが、ステップS1の処理で取得したデータを用いて、監視対象量を予測するための複数の一次モデルを生成する。具体的には、図4に一次予測手法としてニューラルネットワークモデル、重回帰分析モデル、及びクラスタリングモデルを活用した例を示すように、始めに、一次予測部103aは、下水処理場の特徴を予測モデルに反映するため、実績データデータベース101内に格納されている稼働実績データ(年間実績データB及び季節別実績データC)に対し主成分分析や相関解析等の多変量解析や設備や機器の起動停止等の動作タイミング等の分析を行うことによって、稼働実績データと監視対象量との関係を記述した基準予測モデルAを生成する。なお、基準予測モデルAには、ニューラルネットワークモデル、重回帰分析モデル、及びクラスタリングモデルの基準モデルが含まれている。また、監視対象量としては、電力需要量、電力供給量、汚水流入量、及び汚泥ガス発生量、処理水質(BOD、COD、濁度、pH、アンモニア含有量等)、その他監視が必要な対象量が含まれる。但し、監視対象量は任意に選択、設定できる。
次に、一次予測部103aは、実績データデータベース101内に格納されている年間実績データBと基準予測モデルAとを用いて、監視対象量の年間の平均値を予測するための基準年間平均モデルDを生成する。この基準年間平均モデルDには、図4の例としてニューラルネットワークモデル、重回帰分析モデル、及びクラスタリングモデルの年間の基準モデルが含まれている。また、一次予測部103aは、実績データデータベース101内に格納されている季節別実績データCと基準予測モデルAとを用いて、監視対象量の季節毎の平均値を予測するための基準季節別平均モデルEを生成する。この基準季節別平均モデルEには、図4の例としてニューラルネットワークモデル、重回帰分析モデル、及びクラスタリングモデルの季節別の基準モデルが含まれている。
なお、ここまでの処理は予め実行しておくようにし、また所定期間毎や監視対象量予測処理が終了する度毎に各モデルを再生成又は補正するようにするとよい。予測制御に基づき機器類の起動停止が行われた時、季節の変わり目、及び異常気象(例えばゲリラ豪雨等)発生時には、下水処理場を構成する設備の稼動状態が急変することがある。このため、時々刻々と変化するプラントの状態を直前の予測時の状態と比較し、差異が規定値を超えた場合に、複数の予測モデルを再生成又は補正することによって、予測を実行するタイミングに関係なく、下水処理場の監視対象量をより精度高く予測することができる。
次に、一次予測部103aは、監視対象量予測処理の実行日時及び時刻に基づいて、予測実行の当日及び前日の実績データと、下水処理場の状態が予測実行の日における下水処理場の状態に類似する日の実績データと、電力の需給比予測モデルから算出された予測実行の当日の電力の需要比のデータとを含むデータ群Fを取得する。なお、需要比のデータとは、予測当日のある時刻(例えば朝8時)における需要と過去数ヵ年の同月・同曜日・同一時刻の平均需要との関係から予測された電力需要量のことを意味する。そして、一次予測部103aは、取得したデータ群Fと基準年間平均モデルD及び基準季節別平均モデルEとを用いて、図4の例としてニューラルモデル(適用手法:ニューラルネットワーク)、重回帰モデル(適用手法:重回帰分析)、代表日前日モデル(適用手法:ニューラルネットワーク及び重回帰分析)、代表日類似日モデル(適用手法:クラスタリングモデル)、及び需給比モデル(適用手法:クラスタリングモデル)を含む年間平均一次予測モデル群G及び季節別平均一次予測モデル群Hを生成する。すなわち、一次予測部103aは、プラント設備の稼働実績データとプラント設備の現在の稼働状況に関するデータとを用いて、監視対象量を予測するための複数の予測モデルを再生成又は補正する。
なお、ニューラルモデルは、ニューラルネットワークモデルの年間及び季節別の基準モデルから生成されるモデルであり、稼働実績データをノードとするニューラルネットワークを用いて監視対象量の年間又は季節別の平均値を予測するモデルである。重回帰モデルは、重回帰分析モデルの年間及び季節別の基準モデルから生成されるモデルであり、重回帰分析手法を利用して監視対象量の年間又は季節別の平均値を予測するモデルである。代表日前日モデルは、ニューラルネットワークモデル及び重回帰分析モデルの年間及び季節別の基準モデルから生成されるモデルであり、予測実行の前日の稼働実績データを補修学習させたモデルである。代表日類似日モデルは、クラスタリングモデルの年間及び季節別の基準モデルから生成されるモデルであり、下水処理場の状態が予測実行の日における下水処理場の状態に類似する日の実績データを補修学習させたモデルである。需給比モデルは、クラスタリングモデルの年間及び季節別の基準モデルから生成されるモデルであり、既述の通り予測実行の当日の電力の需給比のデータを補修学習させたモデルである。これにより、ステップS2の処理は完了し、監視対象量予測処理はステップS3の処理に進む。
ステップS3の処理では、一次予測部103aが、ステップS2の処理によって生成された年間平均一次予測モデル群G及び季節別平均一次予測モデル群Hを用いて各予測モデルの監視対象量の予測値を予測結果データJとして算出する。なお、ある時刻から24時間分の監視対象量の予測方法としては、以下に示すような幾つかの方法を例示できる。すなわち、ニューラルモデル又は重回帰モデルを用いる場合、一次予測部103aは、図5に示すように、現在から5分先の監視対象量を予測し、予測された監視対象量を用いて10分先の監視対象量を予測し、さらにこの操作を288回繰り返することによって、現在から24時間先の監視対象量を5分間隔で予測してもよい。但し、この場合、5分先の監視対象量の予測精度がnである際、24時間先の監視対象量の予測精度はnの288乗となり、予測精度が徐々に悪くなる。
また、一次予測部103aは、図6に示すように、現在から24時間先の監視対象量を予測し、5分経過後にその時刻から24時間先の監視対象量を予測し、さらにこの操作を286回繰り返することによって、現在から24時間先の監視対象量を予測してもよい。この場合、24時間分の予測結果を得るための予測処理が完了するまでに24時間必要になるが、24時間先の監視対象量の予測精度を維持することができる。また、一次予測部103aは、図7に示すように、ある予測モデルを利用して現在から5分先の監視対象量を予測し、別の予測モデルを利用して10分先の監視対象量を予測し、さらにこの操作を286回繰り返することによって、現在から24時間先の監視対象量を予測してもよい。但し、この場合、予測モデルが288通り必要になると共に、予測精度にばらつきが発生する可能性がある。また、クラスタリングモデルを用いる場合、一次予測部103aは、図8に示すように、過去の24時間内の監視対象量の変化をパターン化し、現在の情報から類似パターンを選択し、ゲイン(倍率)又はレシオ(乗率)とバイアス(付加定数)によって現在から24時間先の監視対象量を予測してもよい。但し、この場合、パターン数が莫大になる恐れがある。これにより、ステップS3の処理は完了し、監視対象量予測処理はステップS4の処理に進む。
ステップS4の処理では、二次予測部103bが、ステップS3の処理によって算出された予測結果データJと実績データデータベース101に格納されている稼働実績データKとを用いて、監視対象量を予測するための二次予測モデルを生成する。具体的には、図4に示すように、始めに、二次予測部103bは、実績データデータベース101内に格納されている稼働実績データ(年間実績データB及び季節別実績データC)を用いて基準二次予測モデルIを生成する。なお、基準二次予測モデルIは、稼働実績データと監視対象量との対応関係を定義したニューラルネットワーク用の予測モデルである。そして、二次予測部103bは、ステップS3の処理によって算出された予測結果データJと基準二次予測モデルIとを用いて、監視対象量の年間及び季節別の平均値を予測する二次予測モデルLを生成する。これにより、ステップS4の処理は完了し、監視対象量予測処理はステップS5の処理に進む。
ステップS5の処理では、二次予測部103bが、ステップS4の処理によって生成された二次予測モデルLを用いて監視対象量の予測値を算出する。具体的には、二次予測モデル103bは、図9に示すように、年間平均一次予測モデル群G及び季節別平均一次予測モデル群Hを用いて算出された監視対象量の予測値に二次予測の実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の監視対象量をノードとするニューラルネットワークを利用して監視対象量の予測値を算出する。これにより、ステップS5の処理は完了し、一連の監視対象量予測処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である監視対象量予測処理では、一次予測部103aが、互いに異なる複数の予測モデルと、下水処理場の稼働実績データ及び現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータとを用いて、下水処理場の監視対象量の一次予測値を複数算出し、二次予測部103bが、各一次予測値に二次予測ステップの実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いて下水処理場の監視対象量の二次予測値を下水処理場の監視対象量の予測値として算出するので、予測を実行するタイミングに関係なく、下水処理場の監視対象量を精度高く予測することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面によって本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態では、ニューラルネットワーク手法、重回帰分析手法、及びクラスタリングモデル手法を用いて一次予測を行ったが、クラスタリングモデル手法を利用して実績データを傾向別の小集合に分類しそれぞれの傾向を明確にした後、ニューラルネットワーク手法と重回帰分析手法とを利用して各小集合に適した予測モデルを生成し、生成された予測モデルを用いて一次予測を行ってもよい。これにより、実績データ全体の集合では過去の傾向がつかみ辛い状況であっても、その傾向を明確にして精度高く一次予測を行うことができる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によってなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
1 下水処理設備
2 汚泥処理設備
11 沈砂池
12 最初沈殿池
13 反応槽
14 最終沈殿池
15 薬注槽
16 汚水ポンプ
17a,17b 汚泥掻寄機
18 汚泥引き抜きポンプ
19 送風機
20 圧力計
21 薬注ポンプ
31 濃縮タンク
32 消化タンク
33 脱水機
34 焼却炉
100 監視対象量予測システム
101 実績データデータベース
102 入力情報取得装置
103 監視対象量予測装置
103a 一次予測部
103b 二次予測部
104 出力装置

Claims (6)

  1. 互いに異なる複数の予測モデルと、プラント設備の稼働実績データ、現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータとを用いて、プラント設備の監視対象量の一次予測値を複数算出する一次予測ステップと、
    前記一次予測ステップにおいて予測された各一次予測値に二次予測ステップの実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いてプラント設備の監視対象量の二次予測値をプラント設備の監視対象量の予測値として算出する二次予測ステップと、
    を含むことを特徴とする監視対象量予測方法。
  2. 前記一次予測ステップは、プラント設備の稼働実績データ、プラント設備の現在の稼働状況に関するデータ、気象観測データ、及び天気予報に関するデータに基づいて、複数の予測モデルを再生成又は補正するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の監視対象量予測方法。
  3. 前記複数の予測モデルは、ニューラルネットワークモデル、重回帰モデル、又はクラスタリングモデルを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の監視対象量予測方法。
  4. 前記二次予測モデルは、重みが付与された複数の一次予測値をノードとするニューラルネットワークを利用してプラント設備の監視対象量の二次予測値を算出するステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか1項に記載の監視対象量予測方法。
  5. 前記二次予測ステップは、所定期間内における所定時間毎の前記監視対象量の予測値を算出するステップを含むことを特徴とする請求項1〜4のうち、いずれか1項に記載の監視対象量予測方法。
  6. 互いに異なる複数の予測モデルとプラント設備の稼働実績データ及び現在の稼働状況に関するデータとを用いて、プラント設備の監視対象量の一次予測値を複数算出する一次予測手段と、
    前記一次予測手段によって予測された各一次予測値に二次予測の実行タイミングに応じた重みを付与し、重みが付与された複数の一次予測値を用いてプラント設備の監視対象量の二次予測値をプラント設備の監視対象量の予測値として算出する二次予測手段と、
    を備えることを特徴とする監視対象量予測装置。
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