JP3237274B2 - 雨水ポンプ制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水道の雨水排水ポン
プ場システムの制御方法に係り、貯留を目的とした管渠
をポンプ場の上流に有する場合の流出量抑制制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今、都市部においては道路の舗装率の
向上、下水道管渠網の整備に伴う雨水流出に起因する中
小都市河川の浸水問題である都市型洪水が深刻化してき
ている。そこで貯留を目的とした下水道管渠（貯留管
渠）を設置し、一時的な雨水集中による中小河川の増水
を、管渠への貯留によって緩和することが流出抑制型の
下水道システムの一貫として実現されるようになってき
た。

【０００３】一方、従来の下水道システムにおける雨水
排水ポンプ場のマイコン，計算機による自動制御（雨水
ポンプ台数制御ともよばれる）では、マイコン，計算機
内に、ポンプ井水位と運転台数の関係を記憶させてお
き、ポンプ井水位を一定周期で計測し、上記の関係にし
たがって、運転するポンプ台数を決定していく比例制御
的な方法が一般的であった。しかるにこの方法では、ポ
ンプ井の水位のみで制御しているため、急激な雨水の流
入に追従できにくく、実際は熟練オペレータによる手動
運転に頼らざるを得なかった。また、管渠内の貯留効果
をみていないため、積極的に管内貯留を活用してポンプ
から河川への放流量を制御することが困難である。その
他、オペレータのノウハウをそのまま定式化する方法と
して、たとえば電気学会論文誌Ｃ１０９巻５号、平成元
年ｐ３６１〜ｐ３６６にみられるように、オペレータの
ノウハウをファジィルール化してファジィ制御する方法
がもちいられる場合があるが、この方法では、ルールの
抽出に多大な労力を要する点、制御対象のモデルに立脚
していないために系の安定性が保証されないという難点
があった。

【０００４】急激な雨水の流入に対応しかつ系の安定性
等の評価を容易にするためには、モデルに基づく予測制
御を適用することが必要であり、特開昭64−19402 号公
報にみられるように、ポンプ井への流入量を予測し、予
測値に基づいて制御する方法がある。本例ではポンプ井
への実績流入量に基づくカルマンフィルタによる流入予
測を行っている。しかるに、ポンプ井への流入量は、流
入量を計測するに好適なセンサーが無いばかりではな
く、ポンプ運転の影響を強く受け、良好な予測値を得る
ことは難しい。さらに、管渠の貯留効果は本例では考慮
されていない。その他、流入予測手法としては、降雨情
報をもちいた手法として修正ＲＲＬ法，タンクモデルと
いった流出モデルがあるが、パラメータチューニング，
パラメータの設定に難しさがあり、予測制御のために充
分な精度を得るのが容易ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、ポンプ場
から河川への放流量を、管渠の貯留効果を積極的に活用
することによって抑制する雨水ポンプ運転方法を提供す
ること、およびこの過程で必要となってくる予測制御の
導入に対して、予測精度，モデル化精度にロバストな方
法を提供し、制御対象のモデリングが困難な系に対し
て、予測制御の導入を可能とすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

（１）雨水流入予測値にもとづく管内貯留量の制御 一定時間後までの雨水流入予測値を計算し、流入予測値
に基づき一定時間内の雨水排水予定量に対する一定時間
後の管内貯留量を評価する手段を設け、管内貯留量の制
御を可能とする。

【０００７】（２）定性推論による制御 雨水ポンプ場のように自動制御が困難で、手動運転にて
制御されているような対象では、オペレータが制御系の
動特性に対する定性的なモデル（メンタルモデルとよば
れる）を頭の中に持ち、これによって手動制御が実現さ
れていると考えられる。このアナロジーで、定性的な予
測値に基づき制御量を決定していく論理を自動制御系を
構築するために、ファジィ制御による定性推論手段を用
いる。

【０００８】

【作用】上記手段は以下のように作用する。

【０００９】雨水流入量予測手段は、一定時間後までの
雨水流入量を予測する。ポンプ場モデルは、上記の雨水
流入量予測値とポンプ場内および管渠内の計測値によっ
て、これから排水しようとしている雨水排水予定量を排
水した場合の管内貯留量予測値を算出する。排水量予定
量と管内貯留量予測値を満足度評価手段によって評価す
ることにて、雨水流入量予測手段，ポンプ場モデルの演
算結果を定性化することかでき、上記の演算結果を定量
値としての誤差を前提として排水予定量を決定すること
が可能となる。

【００１０】

【実施例】図１は一般的な雨水排水ポンプ設備システム
の概要を示したものであり、排水区域１１に降った雨水
が管渠１２を通りポンプ場１３に流入する。ポンプ所１
３では、一定の制御周期で動作する雨水ポンプ制御装置
１１７を用いて固定速ポンプ１１３，可変速ポンプ１１
４の２台以上の組合わせからなるポンプ群を運転し、河
川に放流している。一般的なポンプ場では、雨水を自然
流下によってポンプ所に集めるために、河川水位よりも
低いところにポンプ井およびポンプがあり、流入雨水を
適切に処理しなければポンプ場自体を浸水させてしまう
と同時に、ポンプによる放流停止が、排水区域内の浸水
を引き起こし、付近の住民に多大な損害を与える恐れが
ある。またいっぽうでは、放流先の河川が都市部の中小
河川の場合、降雨集中時に多量の下水道管渠への流入雨
水を放流した場合は、都市型洪水とよばれる都市中小河
川の氾濫が問題となる。

【００１１】雨水ポンプ制御装置１１７は雨水流入予測
部１１５，雨水排水量演算部１１８，ポンプ台数制御部
１１６より構成される。

【００１２】上記のうち、雨水流入予測部１１５および
雨水排水量演算部１１８の制御周期と、ポンプ台数制御
部１１６の制御周期は異なる制御周期で動作している。
本実施例では、前者の制御周期を予測・排水量演算周期
とよび、後者をポンプ台数制御周期とよぶことにする。

【００１３】流入量予測部１１５は、排水区域１１内お
よび自ポンプ場に設置された複数の地上雨量計１５また
はレーダ雨量計１６からの降雨量デ−タと、管渠１２内
の複数個所に設置された管渠内水位計１７からの水位デ
−タと、ポンプ井に設置されたポンプ井水位センサ１１
０からの水位デ−タを入力とし、ポンプ井４と管渠１２
を考慮した系への現在から一定時間後までの雨水流入量
を予測する。雨水流入量予測モデルとしては、一般に用
いられるタンクモデル，修正ＲＲＬ法，ARMAモデル，重
回帰モデル等を採用する。

【００１４】雨水排水量演算部１１８は、管渠内水位計
１７の計測値，流入ゲート水位１９，ポンプ井水位１１
５といったプロセス入力情報，雨水流入量予測部１１５
の出力結果である雨水流入量予測値を入力として、現在
から一定時間後（予測・演算周期時間後）までに排水す
べき雨水排水量を決定する。

【００１５】ポンプ台数制御部１１６は、雨水排水演算
部１１８の出力である一定時間後（予測・演算周期時間
後）までの雨水排水量を設定値として、固定ポンプ１１
３，可変ポンプ１１４の起動停止号機ならびに起動停止
タイミングを算出し、制御出力として出力する。

【００１６】図２に流入量予測部１１５の構成を示す。
２３は管渠水位演算部であり、ｎ個の管渠内設置の水位
計からの計測値，ポンプ井水位，流入ゲート水位といっ
た水位データを入力する。同様に実降雨量演算部処理２
４では、地上雨量計１５またはレーダ雨量計１６の計測
値を入力する。計測データ記憶メモリ２６は、２３で入
力した水位データ２７，２４で入力した実降雨量データ
２８，ポンプ吐出量，現時点での実績流入量等を記憶す
る。２６では、定周期で上記データを記憶し、一定期間
保存する。これによって、最新の計測値が一定期間保存
されることになり、後段の流入量予測演算部２９で使用
することができる。予測演算部２９ではタンクモデル，
修正ＲＲＬ法，重回帰モデル，ＡＲＭＡモデル等の方法
によって、現在からｔ分後までの雨水流入量を予測す
る。これらのモデルでは、必要に応じて、計測データ記
憶メモリ２６のデータの他に水位データ２７，実降雨量
データ２８，ポンプ吐出量，実績流入量，ポンプ群の運
転状態１９を入力情報として用いる流入予測演算部２９
の演算結果としてｔ分後までの予測流入量２２が得られ
る。

【００１７】図３に流入予測モデルとして重回帰モデル
を採用した場合の流入量予測演算部２９の構成を示す。

【００１８】図４に雨水排水演算部１１８の構成を示
す。図中の矢印のうち太線のものは、これがベクトル量
であることを示している。排水予定量生成部４１では、
可能な排水量をポンプ運転の組合わせより生成する。排
水量は、ポンプの１台あたりの能力とポンプ場に設置さ
れている各能力毎の台数によって、考えうる全てのパタ
ーンを生成する。全ての組合わせパターンは、たとえば
本制御装置のメモリ内に記憶させておくことによって容
易に生成することができる。ここで可変ポンプの排水量
についても簡単のため１００％出力したものとして計算
する。これらの排水量の各組合わせは、管内貯留モデル
４２に入力される。管内貯留モデル４２では、生成した
排水予定量の全てについて、雨水流入量予測部１１５で
得られたｔ分後までの雨水流入量予測値，ポンプ場およ
び管渠内の各点での水位計測値を用いて、ｔ分後の管内
貯留量を算出する。４１で生成された排水予定量の全て
と、おのおのの予定量に対応するｔ分後の管内貯留量全
ては、それぞれ排水量評価部４５，貯留量評価部４３に
てファジィ数化処理された評価値に変換される。排水
量，貯留量の評価値は、総合評価部４６にて総合評価さ
れ、最適の排水予定量が、現在からｔ分後までに排水す
べき排水量の設定値として出力される。

【００１９】上記の管内貯留モデル４２の構成を図５に
示す。ここで５１はｔ分間の雨水流入量予測値の合計を
演算する加算機能であり、ｔは、予測・排水量演算周期
をしめす。また、５２は、管内貯留量演算機能であり、
現在の水位計測値情報から現状の管内貯留量を算出す
る。図５の構成によって、（数１）式に示す演算を実現
している。

【００２０】

【数１】

【００２１】すなわち、（数１）式ではｔ分後の管内貯
留量を予測していることになる。

【００２２】ここで、管内貯留量演算機能５２の処理に
ついて説明する。図６は、管渠の流れ方向の断面図であ
る。Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は、管渠内の水位計測点である。
本処理では簡単のため、これらの水位計計測点間の計測
値を直線で結ぶことによって、水位計間の水位を近似す
る。図６のＨ３左側のように先に水位計が存在しない箇
所は水面が水平であるものと仮定している。管内貯留量
を計算するために、管渠を図６に示すように、流れ方向
の小区間δＬに分割する。これらの小区間の体積を求
め、総和を採ることによって、管内貯留量が計算でき
る。図７は、小区間のひとつを示したものである。（数
２）式であらわしたように、ここでは小区間の両端の水
位ｈｉ，ｈｉ＋１の平均ｈで代表させて算出する。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここでＳ(θ)は、流れと垂直方向の断面を
とった際の、雨水断面積である。

【００２５】Ｓ(θ)は、たとえば管渠が円管である場合
は、図８に示すように、（数３）式で計算できる。

【００２６】

【数３】

【００２７】ここでＲは管渠の半径である。

【００２８】排水量評価部４５では、排水予定量生成部
４１にて生成した排水量の全てを図９に示すメンバーシ
ップ関数で評価する。横軸には４１で生成された排水量
を採り、縦軸にはこれらの排水量に対する満足度を０〜
１の数値で評価する。満足度は０のとき最低で、１にお
いて最大となる。本例では、極力排水量を抑制するとい
う流出抑制の考え方を採っているため、排水量の上限値
Ｆmax に近づくにしたがって、満足度が低くなってい
る。同様にして貯留量評価部４３では、図１０に示すメ
ンバーシップ関数にて、管内貯留量モデル４２で算出し
た管内貯留量の予測値Ｖｎ＋１の満足度を評価する。本
例の評価値では、ある貯留量を最良として、多くなるに
したがって、また少なくなるにしたがって満足度を低く
してある。これは、貯留量が多すぎる場合、ポンプ井の
浸水や管渠から雨水が溢れだすことによる排水区域への
浸水が発生する可能性があるためであり、少なすぎる場
合は、管渠の貯留効果を生かしていないことによる。

【００２９】総合評価部４６では、４３，４５にて満足
度として評価された排水量と対応する管内貯留量の評価
値を入力として、生成した排水予定量の全てについて総
合評価値を算出、総合評価値を最大にする排水量を、今
回の予測・排水量演算周期のポンプ台数制御部に対する
排水量設定値ＦＯとする。図１１に総合評価部４６の構
成を示す。排水量の評価値と対応する管内貯留量の評価
値はベクトルＥＶｊにて表現されている。ＥＶｊは、重
みベクトル１１０１にて、それぞれの評価値に対する重
み係数ｗｆ，ｗｌを掛け合わされ、総合評価値となる。
この総合評価値をすべての（図１１ではｍ個の）評価値
ベクトルＥＶｊについて算出する。引き続き最大値選択
機能１１０２にて、総合評価値が最大となる評価ベクト
ルＥＶが採用している排水予定量を今回の排水量設定値
として出力する。

【００３０】以上の処理で得られた排水量設定値ＦＯを
入力としてポンプ台数制御部１１６にて、具体的なポン
プの起動停止タイミング，号機が決定される。

【００３１】現在の１分当たりの実排水量がｆｎ，雨水
排水演算部１１８にて指示された排水量をＦＯｎとする
と、ｔ分間にＦＯｎ排水し、かつポンプ運転台数を一度
に変化させるのではなく漸次変化させるためには、毎分 （２ＦＯｎ−２ｆｎ・ｔ)／ｔ² ずつ排水量を変化させていけばよい。毎分上記式によっ
て排水量の設定値を変化させていき、あらかじめ雨水ポ
ンプ制御装置内に記憶させておいた、図１２に示すよう
な、必要排水量とポンプ運転台数の関係を用いることに
よって、毎分の変化する排水量設定値に対応したポンプ
運転パターンとタイミングを与えることができる。

【００３２】

【発明の効果】ポンプ台数制御に対する設定値として、
一定時間内の排水量を管内貯溜量を考慮した形で与える
ことが可能となったため管内貯溜を活用した流出抑制型
の運転が可能となった。さらに流入予測値、ポンプ場モ
デルの誤差については、モデルの出力を、メンバーシッ
プ関数によって表現された定性的な評価尺度によって評
価することができる。又、可能な排水量，可能な排水量
のそれぞれの貯溜量について評価しており、評価尺度を
変えることにより、種々の状況に適した排水・管渠内貯
溜が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】雨水排水システムの概要図である。

【図２】流入量予測部の構成図である。

【図３】定性推論部の実施例である流入量予測演算部の
構成図である。

【図４】雨水排水演算部の構成図である。

【図５】管内貯溜モデルの構成図である。

【図６】管渠の流れ方向の断面図である。

【図７】管渠の流れ方向・小区間の断面図である。

【図８】管渠の横断面図である。

【図９】排水量評価のメンバシップ関数の例を示す図で
ある。

【図１０】管内貯溜量評価のメンバシップ関数の例を示
す図である。

【図１１】総合評価部の構成図である。

【図１２】ポンプ運転台数と必要排水量の関係を示す図
である。

【符号の説明】 ２２…予測流入量、２３…管渠水位演算部、２４…実降
雨量演算部処理、２６…計測データ記憶メモリ、２９…
流入量予測演算部、４１…排水予定量生成部、４２…管
内貯溜モデル、４３…貯溜量評価部、４５…排水量評価
部、４６…総合 評価部、５１…加算機能、５２…管内貯
溜演算機能、１１０１…重みベクトル、１１０２…最大
値選択機能。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−59508（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243102（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 11/00 - 13/04 G05B 17/00 - 17/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】雨水排水ポンプ場等の雨水排水系における
   雨水ポンプ運転制御方法において、排水区域内に設置さ
   れた複数の雨量計またはレーダー雨量計からの降雨量デ
   ータ及び複数の管渠内水位計，ポンプ井水位計からの水
   位データをもとに、管渠（かんきょ）・ポンプ井からな
   る系への予測周期時間後までの雨水流入量を予測する流
   入量予測部と、可能な排水量をポンプ運転の組合わせよ
   り生成する排水予定量生成部と、前記流入量予測部によ
   り予測された予測周期時間後までの雨水流入量と複数の
   管渠内水位計，ポンプ井水位計からの水位データと前記
   排水予定量生成部で生成される可能な排水量とから予測
   周期時間後の管内貯溜量を算出する管内貯溜量演算機能
   と、前記排水予定量生成部で生成された可能な排水量の
   それぞれをファジイ数化処理された評価値に変換する排
   水量評価部と、前記管内貯溜量演算機能で算出された可
   能な排水量にそれぞれ対応する管内貯溜量をファジイ数
   化処理された評価値に変換する貯溜量評価部と、前記排
   水量評価部でファジイ数化処理された評価値及び貯溜量
   評価部でファジイ数化処理された評価値に対する重み係
   数を掛けて総合評価値を算出する総合評価部と、該総合
   評価部で算出される総合評価値が最大となる排水予定量
   からポンプ起動・停止タイミング，起動・停止する号機
   を決定して運転制御することを特徴とする雨水ポンプ制
   御方法。