JP2018178405A - 下水処理場制御装置及び下水処理場制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】下水処理場のポンプ場からの雨水等の吐出量を安全側に立って決定する。【解決手段】本発明の下水処理場制御装置は、下水貯留設備の水位を、将来の期間において時系列で予測するシミュレーション部と、予測した水位のうち所定の基準を満たす程度に大きい値を、期間における水位の代表値とする安全モード水位参照部と、を備えることを特徴とする。さらに代表値は、期間においてその値が一定である不変代表値であり、シミュレーション部は、不変代表値に基づいて、期間において下水貯留設備に貯留している下水の排出量を決定することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、下水処理場制御装置及び下水処理場制御プログラムに関する。

都市部において、家庭等から排出される汚水は、地下に埋設された管渠を経由して下水処理場に流れ込む。雨水もまた、地下に埋設された管渠を経由して河川等の公共水域に流れ込む。雨水用の管渠は、汚水用の管渠から独立して埋設されている場合もある。しかしながら、下水道インフラが先行して整備された都市部においては、雨水が汚水用の管渠に合流する場合が多い。後者の場合、大量の降雨が続くと、雨水が汚水に混じって、道路に溢れる、下水処理場に溢れる、河川に未処理のまま放水される等の現象が発生する。そこで、通常、下水処理場よりも上流側に中間施設としてポンプ場が設置されている。ポンプ場に流入した下水（雨水＋汚水）は、その一部が下水処理場に吐出される一方、残りが、河川等の公共水域に吐出（放出）される。

特許文献１の排水ポンプ運転支援装置は、管渠における水位及びポンプ場への流入量を予測し、ポンプ場から下水を吐出するポンプの起動タイミング及び吐出量を決定する。このとき、特許文献１の排水ポンプ運転支援装置は、管渠の水位が危険水準を超えないように吐出量を決定する。

特開２００３−２３９３７２号公報

しかしながら、引用文献１の排水ポンプ運転支援装置がポンプの吐出量を決定する前提として用いる水位実績値及び水位予測値は、ある程度の誤差を含む。なぜならば、実際には、水位計及び流量計の精度には限界があり、さらに水位及び流入量を予測するモデルの精度にも限界があるからである。つまり、結果的に当該装置が水位を実際の値よりも危険側（実際より低めの水位）に予測したか、それとも、水位を実際の値よりも安全側（実際より高めの水位）に予測したかは、事後的にしかわからない。仮に、当該装置が危険側に水位を予測してしまうと、ポンプが実際に必要とされる吐出量を発揮することはなく、道路及びポンプ場が下水で浸水することになる。
そこで、本発明は、下水処理場のポンプ場からの雨水等の吐出量を安全側に立って決定することを目的とする。

本発明の下水処理場制御装置は、下水貯留設備の水位を、将来の期間において時系列で予測するシミュレーション部と、予測した水位のうち所定の基準を満たす程度に大きい値を、期間における水位の代表値とする安全モード水位参照部と、を備えることを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、下水処理場のポンプ場からの雨水等の吐出量を安全側に立って決定することができる。

本実施形態の環境を説明する図である。 本実施形態の情報処理の概略を説明する図である。 （ａ）は、通常モードの制御参照水位情報の一例である。（ｂ）は、安全モードの制御参照水位情報の一例である。 （ａ）は、リスクデータベースを説明する図である。（ｂ）は、吐出量マトリクスの一例である。（ｃ）は、リスクの内容を説明する図である。 下水処理場制御装置の構成を説明する図である。 処理手順のフローチャートである。

以降、本発明を実施するための形態（“本実施形態”と言う）を、図等を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、下水処理場のポンプ場に貯まっている下水をポンプで吐出する例である。しかしながら、本発明は、ポンプを使用することなく、自然の水圧を利用して下水を排出（落下）する場合にも適用可能である。例えば、ポンプを使用するまでもなく、排出口の開口部断面積、バルブの開度等を調節することによって下水の排出量を調節できる場合がある。“排出量”とは、これらの狭義の排出量及び吐出量を含む概念である。

（本実施形態の環境）
図１は、本実施形態の環境を説明する図である。下水処理区５１は、例えば都市部の所定の区域である。下水処理区５１に存在する家庭、事務所、工場等は、台所、便所、生産現場等から汚水５２を排出する。汚水５２は、下水管渠５４に流れこむ。下水処理区５１に降った雨水５３もまた、下水管渠５４に流れ込む。前記したように、汚水５２及び雨水５３が下水管渠５４で合流せず、それぞれが全く別の系統となっている場合（分流式）もある。本実施形態は、汚水５２及び雨水５３が下水管渠５４で合流する（合流式）ことを前提とする。本実施形態では、雨水と汚水との混合物を“下水”と呼ぶことがある。

下水管渠５４は、地下に埋設されており、その先はポンプ場３に達している。下水管渠５４は、下流に行くほど、径は大きくなり、深さは深くなる。ある程度の深さに達すると、下水は垂直方向にポンプ（図示せず）で汲み上げられる。そして、下水は、汲み上げられた後の水準から、さらに下水管渠５４を通り、最終的にポンプ場３に達する。

下水は、ポンプ場３に達すると、まず沈砂池４５に貯えられる。沈砂池４５では、下水に含まれていた砂、ゴミ等が沈殿する。次に、下水の上澄みは、ポンプ井４６に流れ込む。なお、“下水貯留設備”には、ポンプ井４６が相当する。ポンプ井４６には、水位計４１、流量計４２、１又は複数の汚水ポンプ４３、及び、１又は複数の雨水ポンプ４４が設置されている。汚水ポンプ４３は、ポンプ井４６に貯まっている下水を下水処理場５５に吐出する。雨水ポンプ４４は、ポンプ井４６に貯まっている下水を河川等の公共水域５６に吐出する。流量計４２は、沈砂池４５からポンプ井４６に流れ込む下水の流量（単位時間あたりの体積）を計測する。水位計４１は、ポンプ井４６における下水の水位を計測する。

詳しくは図示しないが、下水処理場５５において、まず、下水は沈殿槽に一定時間貯水される。すると、不純物が沈殿する。次に、不純物が分離された下水は、活性汚泥（バクテリアを含む）と混合されたうえで、空気を吹き込まれる。すると、バクテリアが下水中の有機物等を分解する。その次に、下水は再度別の沈殿槽に一定時間貯水される。すると、分解された残滓が沈殿する。最後に、残滓が分離された後の下水は、塩素等の消毒液を混合されたうえで、公共水域５６に放流される。一方、雨水ポンプ４４によって吐出された下水は、下水処理場５５を経由することなく、公共水域５６に直接放流される。この下水は、バクテリアを使用する処理（高級処理）を経由せず、沈砂池４５において、いわば最低限の処理のみをされた状態（簡易処理状態）で公共水域５６に放流される。

多量の降雨があり、汚水ポンプ４３の吐出量及び雨水ポンプ４４の吐出量の合計量（合計吐出量）が大きい場合、下水はポンプ場３の下流に容易に流れる。したがって、上流側の下水処理区５１においては、例えば道路が浸水する（下水が溢れる）ことはない。また、ポンプ場３が水没することもない。しかしながら、下水処理場５５において高級処理を行う時間が不足することによって処理不良が発生する。又は、大量の下水が簡易処理状態で公共水域５６に放流される。逆に、汚水ポンプ４３及び雨水ポンプ４４の合計吐出量が小さい場合、処理不良が発生することはなく、大量の下水が簡易処理状態で公共水域５６に放流されることもない。しかしながら、下水はポンプ場３の上流に滞留しがちになり、下水処理区５１が浸水し、ポンプ場３も水没する。

汚水ポンプ４３の吐出量及び雨水ポンプ４４の吐出量のバランスについては、両者の合計吐出量が同じであっても、雨水ポンプ４４の吐出量の方が小さい場合、大量の下水が簡易処理状態で公共水域５６に放流される可能性は小さい。しかしながら、下水処理場５５において処理不良が発生する可能性は大きい。逆に、汚水ポンプ４３の吐出量の方が小さい場合、下水処理場５５において処理不良が発生する可能性は小さい。しかしながら、大量の下水が簡易処理状態で公共水域５６に放流される可能性は大きい。

（リスク間のトレードオフ）
下水処理区５１、ポンプ場３、下水処理場５５及び公共水域５６の水系全体には、（１）下水処理区５１の浸水リスク、（２）ポンプ場３の水没リスク、（３）下水処理場５５の処理不良リスク、及び、（４）公共水域５６の汚濁リスクが存在する。これらのうち、（１）及び（２）は同時に起こることが多いので、これら２つのリスクを（１）で代表する。すると、（１）、（３）及び（４）のリスクは、相互にトレードオフの関係になっている。ポンプ場３を基準にすると、（１）は、その上流側のリスクであり、（３）及び（４）は、その下流側のリスクである。そして、当該３つのリスクのうち、どのリスクを他に優先して小さくするかは、汚水ポンプ４３の吐出量及び雨水ポンプ４４の吐出量をどのような値に決定するかに左右される。なお、各リスクの単位は、一般的には金額（見込まれる損害額等）である。

図２に沿って、本実施形態の情報処理の概略を説明する。図２を説明する過程で、必要に応じ、図１、図３及び図４を参照する。なお、情報処理の詳細については、図６の説明として後記する。

（第１段階）
本実施形態の下水処理場制御装置１（図５参照）は、制御参照水位情報３１を作成する。制御参照水位とは、下水処理場制御装置１がポンプ（符号４３、４４）の吐出量を決定するに際して前提条件とするポンプ井４６の水位である。一般的には、制御参照水位が高いほど、下水処理場制御装置１は、ポンプの吐出量を多くしてリスク（詳細後記）を減らそうとする。そして、制御参照水位情報３１とは、時系列の制御参照水位である。ここでの時系列は、過去の時点（ｔ_−２,ｔ_−１）、現時点（ｔ_０）及び将来の時点（ｔ_１,ｔ_２,ｔ_３,ｔ_４）を含む。

下水処理場制御装置１は、内部計測値６１に基づいて、過去の時点及び現時点の制御参照水位を決定する。内部計測値６１とは、水位計４１の過去及び現在の実績値である。下水処理場制御装置１は、外部計測値６２及び内部計測値６１（現時点の合計吐出量）に基づいて、将来の時点の制御参照水位を次のように予測する。外部計測値６２とは、例えば、下水処理区５１についての気象情報等である。

例えば、下水処理場制御装置１は、現時点ｔ_０から時点ｔ_１までの期間において、気象情報が予測する雨量が下水処理区５１に降り続き、かつ、合計吐出量が現時点の水準で続いたと仮定する。そのうえで下水処理場制御装置１は、時点ｔ_１において下水がポンプ井４６のどの水位に達するかを予測する。下水処理場制御装置１は、当該処理を将来の複数時点について繰り返し、結果として、横軸を時点とし縦軸を制御参照水位とする座標平面上に、制御参照水位グラフ６３を作成する。なお、制御参照水位グラフ６３のうち、過去の時点の部分は、実績値をそのまま描画したものである。図２では、将来の時点として４つの時点（ｔ_１,ｔ_２,ｔ_３,ｔ_４）が記載されているが、下水処理場制御装置１は、これらの４つの時点よりもさらに細かく時点を区切り、より滑らか（連続的な）制御参照水位グラフ６３を描画してもよい。

（ピークホールド）
下水処理場制御装置１は、所定の時間幅を有する時間窓６５において、制御参照水位グラフ６３の最大値を取得する。図２では、時点ｔ_０及び時点ｔ_１のおよそ中間の時点において制御参照水位は最大値Ｗ_ｐに達している。そして、下水処理場制御装置１は、時間窓６５に含まれるすべての時点について、制御参照水位の値が最大値Ｗ_ｐであると看做す。つまり、下水処理場制御装置１は、水平線６４の水準に制御参照水位をある代表値にピークホールドする。このことが、本実施形態の大きな特徴である。なお、将来の吐出量を決定するために制御参照水位の過去の実績値を必要とするのは、タイムラグを配慮したことによる。吐出量の精度が厳しく要求されない場合は、時間窓６５は、過去の部分を含まなくてもよい。

図３（ａ）は、下水処理場制御装置１がピークホールドしない場合の制御参照水位情報３１ａの例である。制御参照水位情報３１ａは、時点及びその時点における制御参照水位の組合せを時系列に並べたものである。制御参照水位は、時点とともに変化する可変値である。図３（ｂ）は、下水処理場制御装置１がピークホールドする場合の制御参照水位情報３１ｂの例である。制御参照水位情報３１ｂもまた、時点及びその時点における制御参照水位の組合せを時系列に並べたものである。しかしながら、図３（ｂ）とは異なり、制御参照水位は、時点の変化に関係なくその値が一定である最大値Ｗ_ｐ（不変代表値）である。本実施形態の下水処理場制御装置１は、図３（ａ）のような制御参照水位情報３１ａを出力する（通常モード）こともあり、図３（ｂ）のような制御参照水位情報３１ｂを出力する（安全モード）こともある（詳細後記）。

なお、Ｗ_ｐ（不変代表値）は、時間窓６５における最大値に限定されない。例えば、下水処理場制御装置１は、最大値及び所定の上限値のうち小さい方の値を不変代表値としてもよいし、最大値に対して所定の比率（例えば９０％）を乗算した値を不変代表値としてもよい。つまり、不変代表値は、所定の基準を満たす程度に大きな値であればよい。

（第２段階）
図２に戻る。下水処理場制御装置１は、ポンプ（符号４３、４４）ごとの吐出量が記憶された吐出能力情報３３を参照し、吐出量マトリクス３２の横軸及び縦軸（より正確には横軸及び縦軸の目盛）を作成する（符号６６）。図４（ｂ）は、吐出量マトリクス３２の例である。なお、図４（ａ）については後記する。吐出量マトリクス３２の横軸（列）は、汚水ポンプ合計吐出量Ｐ_ｊである。汚水ポンプ４３は、１又は複数台存在する。いま、それらの吐出量の合計を汚水ポンプ合計吐出量（キロリットル／分）と呼ぶ。吐出量マトリクス３２の縦軸（行）は、雨水ポンプ合計吐出量Ｑ_ｉである。雨水ポンプ４４は、１又は複数台存在する。いま、それらの吐出量の合計を雨水ポンプ合計吐出量（キロリットル／分）と呼ぶ。

図４（ｂ）において、横軸及び縦軸の目盛は１００キロリットル／分ごとの刻み幅になっているが、これはあくまでも一例であり、吐出能力情報３３の内容に応じて、他の刻み幅であってもよく、刻み幅が均等でなくてもよい。第２段階では、吐出量マトリクス３２の縦軸と横軸との交点のセルは、空白のままである。

（第３段階）
図２に戻る。下水処理場制御装置１は、リスクデータベース３４を参照し、吐出量マトリクス３２の各交点にリスクを記憶する（符号６７）。リスクデータベース３４は、例えば、図４（ａ）に示すような、“制御参照水位”、“汚水ポンプ合計吐出量”及び“雨水ポンプ合計吐出量”を３本の軸とする座標空間内の各点に対し関連付けられたリスクの集合である。リスクは、３次元ベクトルの型式を有する。ベクトルの３つの要素は、“下水処理区の浸水リスク”、“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”を示す値である。これらの３つの要素は、３つの座標軸が示す値とは異なる。下水処理場制御装置１は、過去の実例を蓄積することによってリスクデータベース３４を作成してもよいし、シミュレーション装置を用いてリスクデータベース３４を作成してもよい。

下水処理場制御装置１は、第１段階でピークホールドした制御参照水位Ｗ_ｐ（最大値）の位置でリスクデータベース３４（図４（ａ））を水平にカットする。そして、下水処理場制御装置１は、その切り口７０の平面上の各点に関連付けられている３次元ベクトルの要素（“下水処理区の浸水リスク”、“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”）を取得する。さらに、下水処理場制御装置１は、第２段階で作成した吐出量マトリクス３２の横軸及び縦軸を切り口７０に当てはめ、横軸及び縦軸の交点のセルに対して、取得した３つの要素の和を記憶する。

ここで作成された吐出量マトリクス３２は、図４（ｂ）に示すように、縦軸と横軸の交点のセルに、リスクＲ_ｉｊの値が記憶されている状態になっている。リスクＲ_ｉｊは、雨水ポンプ合計吐出量がＱ_ｉであり、かつ、汚水ポンプ合計吐出量がＰ_ｊである場合の水系全体のリスクである。つまり、図４（ｃ）に示すように、リスクＲ_ｉｊは、“下水処理区の浸水リスク”、“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”の和である。前記したように、これらの３種類のリスクは、相互にトレードオフの関係にある。吐出量マトリクス３２（図４（ｂ））を参照すると以下のことがわかる。

・いま、例として、リスクＲ_５１、Ｒ_４２、Ｒ_３３、Ｒ_２４及びＲ_１５に注目する。これらのリスクはいずれも、“Ｑ_ｉ＋Ｐ_ｊ＝６００”が成立する場合のリスクである。リスクＲ_５１、Ｒ_４２、Ｒ_３３、Ｒ_２４及びＲ_１５の実際の値は、それぞれに異なるはずである。このうちどれが最大であり、どれが最小であるかは一概には言えない。

・リスクＲ_５１の１要素である“下水処理区の浸水リスク”を“Ｔ（Ｒ_５１）”と表記し、リスクＲ_１５の１要素である“下水処理区の浸水リスク”を“Ｔ（Ｒ_１５）”と表記し、両者を比較する。すると、“Ｔ（Ｒ_５１）≒Ｔ（Ｒ_１５）”が成立する。なぜならば、いずれの下水処理区の浸水リスクも、合計吐出量６００に対応している（同じ程度に上流の下水処理区は守られている）からである。

・リスクＲ_５１の１要素である“下水処理場の処理不良リスク”を“Ｍ（Ｒ_５１）”と表記し、リスクＲ_１５の１要素である“下水処理場の処理不良リスク”を“Ｍ（Ｒ_１５）”と表記し、両者を比較する。すると、“Ｍ（Ｒ_５１）＜Ｍ（Ｒ_１５）”が成立する。なぜならば、下水処理場の処理不良リスクＭ（Ｒ_１５）の汚水ポンプ合計吐出量は“５００”である（下水処理場５５の負担が大きい）。これに対して、下水処理場の処理不良リスクＭ（Ｒ_５１）の汚水ポンプ合計吐出量は“１００”でしかない（下水処理場５５の負担が小さい）からである。

・リスクＲ_５１の１要素である “公共水域の汚濁リスク”を“Ｋ（Ｒ_５１）”と表記し、リスクＲ_１５の１要素である“公共水域の汚濁リスク”を“Ｋ（Ｒ_１５）”と表記し、両者を比較する。すると、“Ｋ（Ｒ_５１）＞Ｋ（Ｒ_１５）”が成立する。なぜならば、公共水域の汚濁リスクＫ（Ｒ_５１）の雨水ポンプ合計吐出量は“５００”である（公共水域への放流が多い）。これに対して、公共水域の汚濁リスクＫ（Ｒ_１５）の雨水ポンプ合計吐出量は“１００”でしかない（公共水域への放流が少ない）からである。

以上から明らかなように、リスクＲ_ｉｊの要素である“下水処理区の浸水リスク”、“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”のそれぞれの値は、リスクＲ_ｉｊのセルが吐出量マトリクス３２のどの位置にあるかによって変化する。すると、当然のことながら、全体としてのリスクＲ_ｉｊの値も、そのセルが吐出量マトリクス３２のどの位置にあるかによって変化する。

図４（ｂ）では、リスクＲ_ｉｊを２次元的に説明した。いま、制御参照水位がＷ_１にある場合のリスクＲ_１１を“Ｒ_１１（Ｗ_１）”と表記し、制御参照水位がＷ_２（Ｗ_１＜Ｗ_２）にある場合のリスクＲ_１１を“Ｒ_１１（Ｗ_２）”と表記し、両者を比較する。合計吐出量（Ｑ_ｉ＋Ｐ_ｊ）が同じ“２００”であっても、Ｒ_１１（Ｗ_１）＜Ｒ_１１（Ｗ_２）であることは明らかである。なぜならば、両者の場合とも“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”（下流側の負担）はほぼ同等であると推定される一方、制御参照水位がＷ_２である場合の方が、下水が下水処理区５１に逆流するリスクが大きいからである。

このことは、リスクＲ_ｉｊがＱ_ｉ、Ｐ_ｊ及び制御参照水位Ｗの関数Ｆであることを傍証している。つまり、“Ｒ_ｉｊ＝Ｆ（Ｗ, Ｑ_ｉ,Ｐ_ｊ）”が成立することになる。やや説明が前後するが、この関係を図示したものが、図４（ａ）である。因みに、“δＲ／δＷ＞０”も成立する。そして、下水処理場制御装置１がピークホールドした制御参照水位Ｗ_ｐの位置でリスクデータベース３４を水平にカットする処理は、下水処理場制御装置１が制御参照水位を“参照”する処理に他ならない。

例えば、時点ｔ_３の制御参照水位をＷ_３とする場合（図３（ａ））と、時点ｔ_３の制御参照水位をＷ_ｐとする場合（図３（ｂ））とを比較する。このとき、Ｗ_３＜Ｗ_ｐである。したがって、図３（ａ）の場合よりも、図３（ｂ）の場合の方が、下水処理場制御装置１がリスクデータベース３４（図４（ａ））をカットする位置が高い。すると、図３（ａ）の場合よりも、図３（ｂ）の場合の方が、吐出量マトリクス３２（図４（ｂ））の同じ縦軸及び横軸の交点の位置のリスクは大きくなる。このことは、ピークホールドした制御参照水位Ｗ_ｐの位置でリスクデータベース３４を水平にカットすることによって、リスクを安全側で見込む（より大きなリスクを見込む）ことを意味する。

（第４段階）
図２に戻る。下水処理場制御装置１は、リスクが最小となる汚水ポンプ合計吐出量及び雨水ポンプ合計吐出量の組合せを取得する（符号６８）。下水処理場制御装置１は、第３段階で記憶した吐出量マトリクス３２のリスクＲ_ｉｊのうちその値（３種類のリスクの和）が最小であるものを選択する。そして、下水処理場制御装置１は、選択したリスクの横軸の汚水ポンプ合計吐出量の値、及び、選択したリスクの縦軸の雨水ポンプ合計吐出量の値の組合せを取得する。このとき取得される組合せの一例は、“（汚水ポンプ合計吐出量, 雨水ポンプ合計吐出量）＝（２００キロリットル／分, ４００キロリットル／分）”である。下水処理場制御装置１は、このような組合せを将来の時点ごとに作成することになる。

（第５段階）
下水処理場制御装置１は、ポンプ割り当てルール３５を参照して、雨水ポンプ及び汚水ポンプごとに、発停時刻及び吐出量を割り当てる（符号６９）。下水処理場制御装置１は、現在時点ｔ_０から時間窓６５に含まれる最も遅い将来の時点ｔ_４までの期間について、汚水ポンプ合計吐出量が●●キロリットル／分となるように、個々の汚水ポンプ４３の運転計画を作成する。同時に、下水処理場制御装置１は、同期間について、雨水ポンプ合計吐出量が◎◎キロリットル／分となるように、個々の雨水ポンプ４４の運転計画を作成する。運転計画とは、ポンプ（符号４３、４４）ごとにオン／オフの状態（オンの場合は吐出量の瞬間値）を時系列で定めたものである。“●●”及び“◎◎”は、各時点の汚水ポンプ合計吐出量及び雨水ポンプ合計吐出量を省略的に示している。

ポンプ割り当てルール３５の例は、以下の通りである。
・下水処理場制御装置１は、汚水ポンプ４３ごとに過去の稼働率（又は過去の累積稼働時間）を算出しておき、稼働率（又は累積稼働時間）の小さいものから優先的に稼働させる。雨水ポンプ４４についても同様である。
・汚水ポンプ４３のなかに、吐出量が可変であるものと吐出量が固定であるものが混在する場合、下水処理場制御装置１は、吐出量が可変であるものを優先的に稼働させる。雨水ポンプ４４についても同様である。
・下水処理場制御装置１は、所定時間を超えて連続稼働した汚水ポンプ４３については、稼働を停止した時点から所定の保守時間が経過するまでの間は、再稼働させない。雨水ポンプ４４についても同様である。

（下水処理場制御装置の構成）
図５に沿って、下水処理場制御装置１の構成を説明する。下水処理場制御装置１は、一般的なコンピュータである。下水処理場制御装置１は、中央制御装置１１、入力装置１２、出力装置１３、主記憶装置１４、補助記憶装置１５及び通信装置１６を備える。補助記憶装置１５は、制御参照水位情報３１、吐出量マトリクス３２、吐出能力情報３３、リスクデータベース３４及びポンプ割り当てルール３５を格納する。主記憶装置１４における、シミュレーション部２１、モード判定部２２、安全モード水位参照部２３及び通常モード水位参照部２４は、プログラムである。以降の説明において、“○○部は”と動作主体を記した場合、それは、中央制御装置１１が補助記憶装置１５から○○部を読み出し、主記憶装置１４にロードしたうえで○○部の機能（詳細後記）を実現することを意味する。

ポンプ場３には、前記したように水位計４１、流量計４２、汚水ポンプ４３及び雨水ポンプ４４が配置されている。下水処理場制御装置１の通信装置１６は、これらのそれぞれとネットワーク２を介して通信可能である。なお、汚水ポンプ４３及び雨水ポンプ４４は、“下水の排水のために使用される設備”の一例である。

（処理手順）
図６に沿って、処理手順を説明する。
ステップＳ２０１において、下水処理場処理装置１のシミュレーション部２１は、内部計測値６１及び外部計測値６２を受け付ける。具体的には、第１に、シミュレーション部２１は、ポンプ場３の水位計４１及び流量計４２から内部計測値６１を取得し、ポンプ場３の外部の任意の機器から、外部計測値６２を取得する。
第２に、シミュレーション部２１は、ステップＳ２０１の“第１”において受け付けた内部計測値６１及び外部計測値６２に基づいて、制御参照水位グラフ６３（図２）を作成する。このとき、シミュレーション部２１は、時間窓６５の始点を現時点から所定の時間だけ遡った時点とし、時間窓６５の終点を現時点から所定の時間だけ進んだ時点とする。

ステップＳ２０２において、下水処理場処理装置１のモード判定部２２は、制御モードを決定する。具体的には、第１に、モード判定部２２は、ステップＳ２０１の“第１”において受け付けた内部計測値６１及び外部計測値６２に基づいて、現時点におけるポンプ井４６の水位の実績値、及び、所定の将来時点におけるポンプ井４６の水位の予測値を取得（算出）する。
第２に、モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第１”において取得した水位の実績値及び水位の予測値のうちの少なくとも一方が所定の閾値を超えている場合には、“安全モード必要フラグ”を生成する。

第３に、モード判定部２２は、ステップＳ２０１の“第１”において受け付けた内部計測値６１及び外部計測値６２に基づいて、現時点におけるポンプ井４６への流入量の実績値、及び、所定の将来時点におけるポンプ井４６への流入量の予測値を取得（算出）する。
第４に、モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第３”において取得した流入量の実績値及び流入量の予測値のうちの少なくとも一方が所定の閾値を超えている場合には、“安全モード必要フラグ”を生成する。

第５に、モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第２”又は“第４”の少なくともいずれかにおいて、“安全モード必要フラグ”が生成されている場合は、“安全モードが必要である”と決定する。モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第２”及び“第４”のいずれにおいても“安全モード必要フラグ”が生成されていない場合は、なにもしない。
なお、ステップＳ２０２の“第２”において“安全モード必要フラグ”が生成されている場合、モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第３”及び“第４”を省略してもよい。

ステップＳ２０３において、モード判定部２２は、制御モードを安全モードとするか否かを判断する。具体的には、モード判定部２２は、ステップＳ２０２の“第５”において、“安全モードが必要である”と決定された場合（ステップＳ２０３“Ｙｅｓ”）、ステップＳ２０４に進み、それ以外の場合（ステップＳ２０３“Ｎｏ”）、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０４において、下水処理場処理装置１の安全モード水位参照部２３は、ピークホールドした参照水位を出力する。具体的には、安全モード水位参照部２３は、ステップＳ２０１の“第２”において作成した制御参照水位グラフ６３から、時間窓６５における制御参照水位の最大値Ｗ_ｐを求め、求めたＷ_ｐを、時間窓６５に含まれるすべての時点についての制御参照水位と看做す。そして、安全モード水位参照部２３は、図３（ｂ）に示すような制御参照水位情報３１ｂを主記憶装置１４に一時的に出力（記憶）する。出力された制御参照水位Ｗ_ｐは、時点に応じて変化しない“不変代表値”である。なお、ここでの“最大値”が一例に過ぎないことは、前記した通りである。

ステップＳ２０５において、下水処理場処理装置１の通常モード水位参照部２４は、ピークホールドしない参照水位を出力する。具体的には、通常モード水位参照部２４は、ステップＳ２０１の“第２”において作成した制御参照水位グラフ６３をそのまま、図３（ａ）に示すような制御参照水位情報３１ａとして主記憶装置１４に一時的に出力（記憶）する。出力された制御参照水位Ｗは、時点応じて変化する“可変値”である。

ステップＳ２０６において、下水処理場処理装置１のシミュレーション部２１は、吐出能力情報３３を読み出す。具体的には、シミュレーション部２１は、ポンプごとの吐出能力が記憶された吐出能力情報３３を補助記憶装置１５から読み出す。

ステップＳ２０７において、シミュレーション部２１は、吐出量マトリクス３２の横軸及び縦軸を作成する。具体的には、シミュレーション部２１は、個々の汚水ポンプ４３の吐出量等を調べる。いま、汚水ポンプ４３が５台存在し、すべての汚水ポンプ４３に故障がなく、すべての汚水ポンプ４３の吐出量が１台につき“１００キロリットル／分”であったとする。このとき、シミュレーション部２１は、吐出量マトリクス３２（図４（ｂ））の横軸の目盛を“１００,２００,３００,４００,５００”とする。雨水ポンプ４４についても同様である。

ステップＳ２０８において、シミュレーション部２１は、リスクデータベース３４を読み出す。具体的には、第１に、シミュレーション部２１は、リスクデータベース３４を補助記憶装置１５から読み出す。リスクデータベース３４は、前記したように、例えば、図４（ａ）に示すような、“制御参照水位”、“汚水ポンプ合計吐出量”及び“雨水ポンプ合計吐出量”を３本の軸とする空間内の各点に対し関連付けられた３次元ベクトルの集合である。ベクトルの３つの要素は、“下水処理区の浸水リスク”、“下水処理場の処理不良リスク”及び“公共水域の汚濁リスク”を示す値である。

第２に、シミュレーション部２１は、吐出量決定対象時点における制御参照水位を、主記憶装置１４において一時的に記憶されている制御参照水位情報３１ａ（又は３１ｂ）から取得する。吐出量決定対象時点とは、その時点における汚水ポンプ４３の吐出量及び雨水ポンプ４４の吐出量を決定すべき時点である。本実施形態では、吐出量決定対象時点は、図３（ａ）（又は図３（ｂ））のｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４であるとする。

ステップＳ２０４を経由した場合、ここで取得される制御参照水位は、吐出量決定対象時点がｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４のうちのいずれであっても、一律に“Ｗ_ｐ”である（図３（ｂ）参照）。ステップＳ２０５を経由した場合、ここで取得される制御参照水位は、吐出量決定対象時点がｔ_１であるとき“Ｗ_１”であり、吐出量決定対象時点がｔ_２であるとき“Ｗ_２”であり、・・・、吐出量決定対象時点がｔ_４であるとき“Ｗ_４”である。

ステップＳ２０９において、シミュレーション部２１は、リスクデータベース３４からリスクを取得する。具体的には、シミュレーション部２１は、リスクデータベース３４を吐出量決定対象時点における制御参照水位を含む水平面でカットする（図４（ａ）参照）。そして、シミュレーション部２１は、切り口７０の各点に関連付けられている３次元ベクトルの３つの要素の和（図４（ｃ）のリスクＲ_ｉｊ）を取得する。

ステップＳ２１０において、シミュレーション部２１は、吐出量マトリクス３２にリスクを記憶する。具体的には、シミュレーション部２１は、ステップＳ２０９において取得したリスクに対して、ステップＳ２０７において作成した横軸及び縦軸を当てはめる。すると、図４（ｂ）に示したような吐出量マトリクス３２が完成する。

ステップＳ２１１において、シミュレーション部２１は、リスクを最小化する吐出量の組合せを取得する。具体的には、シミュレーション部２１は、吐出量マトリクス３２の横軸と縦軸との交点のセルのうち、そのセルに記憶されているリスクが最小であるものを選択する。そして、シミュレーション部２１は、選択したセルの横軸の汚水ポンプ合計吐出量、及び、選択したセルの縦軸の雨水ポンプ合計吐出量を取得する。

ステップＳ２０８〜Ｓ２１１の処理は、吐出量決定対象時点ごとに繰り返される。この繰り返し処理が終了した段階で、吐出量決定対象時点（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４）ごとに、汚水ポンプ合計吐出量及び雨水ポンプ合計吐出量が取得されていることになる。但し、ステップＳ２０４を経由した場合（安全モード）、同じ結果が取得されるので、ステップＳ２０８〜Ｓ２１１の処理は、１回のみ実行されるようにしてもよい。

ステップＳ２１２において、シミュレーション部２１は、ポンプ割り当てルール３５を読み出す。具体的には、シミュレーション部２１は、ポンプ割り当てルール３５を補助記憶装置１５から読み出す。ポンプ割り当てルール３５には、前記したように全体量としての汚水（雨水）ポンプ合計吐出量を個々の汚水（雨水）ポンプに割り当てるためのルールが記憶されている。

ステップＳ２１３において、シミュレーション部２１は、ポンプごとに発停時刻及び吐出量を決定する。具体的には、第１に、シミュレーション部２１は、汚水ポンプ稼働計画を作成する。汚水ポンプ稼働計画とは、吐出量決定対象時点（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４）ごとに、各汚水ポンプ４３の“オン（発）”及、“オフ（停）”及び吐出量が並んだ情報である。
第２に、シミュレーション部２１は、雨水ポンプ稼働計画を作成する。雨水ポンプ稼働計画とは、吐出量決定対象時点（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４）ごとに、各雨水ポンプ４４の“オン”及、“オフ”及び吐出量が並んだ情報である。

第３に、シミュレーション部２１は、汚水ポンプ稼働計画、雨水ポンプ稼働計画、及び、制御参照水位グラフ６３を出力装置１３に画面表示する。さらに、シミュレーション部２１は、画面表示したこれらの情報がステップＳ２０４を経由したこと（安全モード）に起因するか、それとも、ステップＳ２０５経由したこと（通常モード）に起因するかも画面表示する。
その後、処理手順を終了する。

処理手順は、所定の制御周期ごと（例えば５分）に実行される。もちろん、ユーザの指示によって、任意の時点に実行されてもよい。なお、ここでの制御周期は、前記した時間窓６５の時間幅及び吐出量決定対象時点（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４）間の間隔とは、別の概念である。

（本実施形態の効果）
本実施形態の下水処理場制御装置の効果は以下の通りである。
（１）下水処理場制御装置は、将来の期間におけるポンプ井の水位を安全側で（より大きく）見込むことができる。
（２）下水処理場制御装置は、将来の期間におけるポンプ井からの下水の吐出量を安全側で決定することができる。
（３）下水処理場制御装置は、ポンプ井の上流側のリスク及び下流側のリスクを総合的に考慮したうえで下水の吐出量を決定することができる。

（４）下水処理場制御装置は、安全側に立つ必要がない場合にも対応できる。
（５）下水処理場制御装置は、安全側に立つ必要の有無を、客観的な閾値を用いて判断できる。
（６）下水処理場制御装置は、ポンプの発停状態、水位の時系列予測値等を画面で表示することができる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、前記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウエアで実現してもよい。また、前記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウエアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 下水処理場制御装置
２ ネットワーク
３ ポンプ場
１１ 中央制御装置
１２ 入力装置
１３ 出力装置
１４ 主記憶装置
１５ 補助記憶装置
１６ 通信装置
２１ シミュレーション部
２２ モード判定部
２３ 安全モード水位参照部
２４ 通常モード水位参照部
３１ 制御参照水位情報
３２ 吐出量マトリクス
３３ 吐出能力情報
３４ リスクデータベース
３５ ポンプ割り当てルール

Claims (7)

1. 下水貯留設備の水位を、将来の期間において時系列で予測するシミュレーション部と、
   前記予測した水位のうち所定の基準を満たす程度に大きい値を、前記期間における水位の代表値とする安全モード水位参照部と、
   を備えることを特徴とする下水処理場制御装置。
2. 前記代表値は、
   前記期間においてその値が一定である不変代表値であり、
   前記シミュレーション部は、
   前記不変代表値に基づいて、前記期間において前記下水貯留設備に貯留している下水の排出量を決定すること、
   を特徴とする請求項１に記載の下水処理場制御装置。
3. 前記シミュレーション部は、
   前記下水貯留設備の上流に位置する下水処理区の浸水リスク、前記下水貯留設備の下流に位置する下水処理場の処理不良リスク、及び、前記下水貯留設備の下流に位置する公共水域の汚濁リスクに基づいて、前記排出量を決定すること、
   を特徴とする請求項２に記載の下水処理場制御装置。
4. 前記予測した水位を、前記期間における水位の可変値とする通常モード水位参照部と、
   前記安全モード水位参照部又は前記通常モード水位参照部のいずれを選択するかを判断するモード判定部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の下水処理場制御装置。
5. 前記モード判定部は、
   前記下水貯留設備の水位の予測値と所定の閾値との大小関係に応じて、前記安全モード水位参照部又は前記通常モード水位参照部のいずれを選択するかを判断すること、
   を特徴とする請求項４に記載の下水処理場制御装置。
6. 前記シミュレーション部は、
   前記下水貯留設備に貯留している下水の排出のために使用される設備の発停状態及び排出量、並びに、前記水位を時系列で画面表示するとともに、
   前記安全モード水位参照部又は前記通常モード水位参照部のいずれが選択されているかを画面表示すること、
   を特徴とする請求項５に記載の下水処理場制御装置。
7. 下水処理場制御装置のシミュレーション部に対し、
   下水貯留設備の水位を、将来の期間において時系列で予測する処理を実行させ、
   前記下水処理場制御装置の安全モード水位参照部に対し、
   前記予測した水位のうち所定の基準を満たす程度に大きい値を、前記期間における水位の代表値とする処理を実行させること、
   を特徴とする下水処理場制御装置を機能させるための下水処理場制御プログラム。

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