JP6189254B2 - 雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水ポンプ制御方法、雨水排水ポンプ制御プログラム、およびパラメータ提供装置 - Google Patents
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Description
本発明が解決しようとする課題は、雨水排水ポンプを好適に制御することが可能な雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水ポンプ制御方法、雨水排水ポンプ制御プログラム、およびパラメータ提供装置を提供することである。
[概略]
図1は、第1実施形態に係る雨水排水ポンプ制御装置100と、これに接続される機器とを模式的に示す図である。雨水排水ポンプ制御装置100は、例えば、雨水排水施設1内に設置され、雨水排水施設1の雨水排水ポンプP1〜Pn(nは任意の自然数)を制御する。雨水排水施設1では、流入幹線10から流入する雨水や工場排水等が、雨水ポンプ井20に貯留される。ポンプP1〜Pnは、雨水ポンプ井20に貯留された雨水(工場排水等を除外するものではない)を、河川等に排出する。なお、雨水ポンプ井20は、特許請求の範囲における「貯留部」の一例である。
図2は、雨水排水ポンプ制御装置100の機能構成の一例を示すブロック図である。雨水排水ポンプ制御装置100は、例えば、雨水排水ポンプ制御部110と、補正部120と、記憶部130と、表示部140とを備える。雨水排水ポンプ制御部110および補正部120は、例えば、雨水排水ポンプ制御装置100の図示しないCPU(Central Processing Unit)が、記憶部130に格納されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。記憶部130は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ、ROM(Read Only Memory)等である。また、これに限らず、雨水排水ポンプ制御部110と補正部120の一方または双方は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェア機能部であってもよい。記憶部130には、上記プログラムの他、起動設定水位や停止設定水位の初期値、後述するパラメータ、遅れ時間、寄与度などが格納されている。
雨水排水ポンプ制御部110は、雨水ポンプ井水位計24の検出値である水位Xと、起動設定水位および停止設定水位とを比較することにより、雨水排水ポンプP1〜nを起動させ、または停止させる。以下、雨水排水ポンプの数(n)は4つであるものとして説明する。起動設定水位および停止設定水位は、例えば、ポンプP1〜P4のそれぞれについて設定される。
補正部120は、例えば、水位Xに影響を与える複数種類のパラメータと、複数種類のパラメータのそれぞれに対して設定されている寄与度および遅れ時間とに基づいて、例えば、起動設定水位および停止設定水位を補正する。パラメータとは、前述した上流側の情報(幹線流量、降雨量、降雨強度、ダム水位情報、上流ポンプ施設のポンプ吐出量情報)、および下流側の情報(河川水位情報、潮位情報)、その他の情報に含まれる各種数値をいう。補正部120は、例えば、上流側の情報に属するパラメータに基づいて起動設定水位および停止設定水位を補正し、下流側の情報に属するパラメータに基づいて停止設定水位の補正値を制限する。
以下、上記説明した処理において用いられるパラメータの選択手法、及び寄与度と遅れ時間の算出手法について説明する。図5は、雨水排水ポンプ制御装置100がパラメータ、寄与度、および遅れ時間を取得する様子を模式的に示す図である。雨水排水ポンプ制御装置100は、パラメータ提供装置70から、パラメータ、寄与度、および遅れ時間の情報を取得する。パラメータ提供装置70は、コンピュータ50と同一であってもよく、その他のコンピュータ装置でもよく、雨水排水ポンプ制御装置100の一機能であっても構わない。また、パラメータ等の取得タイミングも任意に定めてよく、雨水排水ポンプ制御装置100が現場に搬入される前に、一度だけパラメータ等が雨水排水ポンプ制御装置100にインストールされてもよいし、その後、雨水排水ポンプ制御装置100がパラメータ提供装置70からネットワークを介して随時、更新情報を取得してもよい。
遅れ時間/寄与度算出部74は、パラメータ選択部72により選択されたパラメータが、水位Xに影響を与えるまでの遅れ時間と、パラメータが水位Xの変化に寄与する寄与度とを算出する。ここで、水位Xは、雨水排水施設1への雨水の流入量Yと高い相関関係を有するため、遅れ時間/寄与度算出部74は、例えば、過去に取得されたパラメータU1〜Um(mは任意の自然数)の時系列情報U1(t)〜Um(t)と、雨水排水施設1への雨水の流入量Yの時系列情報Y(t)とに基づいて、パラメータ毎の遅れ時間Liと寄与度aiを算出する(i=1〜m;以下同じ)。ここで、tは時間を表すパラメータである。また、流入量Y(t)は、幹線水位計12および流速計14が雨水排水施設1に十分近ければ幹線流量が用いられてもよいし、そうでなければ、雨水排水施設1の流入口付近または内部に取り付けられたセンサの検出値が用いられてもよい。なお、遅れ時間/寄与度算出部74は、流入量Y(t)に代えて、水位Xの時系列情報X(t)を用いて、以下の演算を行ってもよい。
遅れ時間/寄与度算出部74は、例えば、パラメータUsi(t)毎に、流入量Ys(t)との相関係数の値を、時間tをずらしながら算出し、相関係数の絶対値が最大となるずれ時間を、パラメータ毎の遅れ時間Liとして算出する。この場合、遅れ時間Liは、次式(1)により算出される。式中、ABS()は絶対値を出力する関数であり、R()は相関係数を出力する関数である。
Li=Max_τ{ABS(R(Usi(t−τ),Ys(t)))} (i=1〜m) ‥(1)
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、パラメータUsi(t)が最大値となる時刻と、流入量Ys(t)が最大値となる時刻との差を、パラメータ毎の遅れ時間Liとして算出してもよい。この場合、遅れ時間Liは、次式(2)により算出される。式中、TuimaxはパラメータUsi(t)が最大値となる時刻であり、Tymaxは流入量Ys(t)が最大値となる時刻である。
Li=Tuimax−Tymax (i=1〜m) ‥(2)
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、パラメータUsi(t)の重心(パラメータの値を重み値として時刻の加重平均を求めたもの)と、流入量Ys(t)の重心(同)とを求め、重心の時間差を、パラメータ毎の遅れ時間Liとして算出してもよい。この場合、遅れ時間Liは、次式(3)により算出される。式中、TuicenterはパラメータUsi(t)の重心であり、Tycenterは流入量Ys(t)の重心である。なお、この場合、小雨の影響を排除するため、降雨量または降雨強度が閾値未満である時刻を排除してから重心を算出すると好適である。
Li=Tuicenter−Tycenter (i=1〜m) ‥(3)
なお、パラメータ提供装置70は、遅れ時間の算出に合わせてパラメータの選択を行ってもよい。例えば、パラメータ提供装置70において、雨水ポンプ井20への雨水の流入量と、幹線水位、幹線流速、幹線流量、降雨量、降雨強度等の各「要因」とに、それぞれ移動平均処理などの適切な平滑化処理を施した上で、上記(遅れ時間の算出手法1)により、時間をずらして相関係数を求め、相関係数の最大値が所定値を超える「要因」を、キーパラメータとして抽出する。各「要因」は、「流域監視データ」の一例である。なお、実際の処理としては、相関係数が所定値を超えた時点で、その「要因」をキーパラメータとして抽出してよい。そして、パラメータ提供装置70は、遅れ時間「Li」をキーパラメータ毎に同定する。式(4)で表されるキーパラメータのデータ行列Uij(jは降雨イベントの識別情報)中の各キーパラメータの時系列データと、式(5)で表される降雨イベント毎の雨水ポンプ井流入量データ(ベクトル)Yjとの相関係数を、遅れ時間Lijをサンプル周期dT刻みで前後にずらしながら相関係数R(k)を計算する。式中、「E」は平均値を、Tは転置を示す。相関係数は、式(6)で表される。式(6)で表される相関係数R(k)が最大値となる遅れ時間Lijを抽出し、同定値とする。
Yj=[{mvYj(1)−E(mvYj)},{mvYj(2)−E(mvYj)},‥,{mvYj(n)−E(mvYj)}]T ‥(4)
Uij=[{mvUij(1−Lij)−E(mvUij)},{mvUij(2−Lij)−E(mvUij)},‥,{mvUij(n−Lij)−E(mvUij)}] ‥(5)
次に、遅れ時間/寄与度算出部74は、以下に例示する手法によって、遅れ時間を考慮した上で、パラメータ毎の寄与度aiを算出する。遅れ時間/寄与度算出部74は、例えば、MLRを用いて寄与度を算出する。遅れ時間/寄与度算出部74は、MLRを適用し、最小二乗法または最尤法に基づいて、パラメータ毎の寄与度aiを算出する。次式(7)は、パラメータを用いて流入量Ys(t)を導出するモデル式である。
Ys(t)=a1×Us1(t−L1)+a2×Us2(t−L2)+‥+am×Usm(t−Lm) ‥(7)
遅れ時間/寄与度算出部74は、例えば、次式(8)に示すように、パラメータUsi(t)がYs(t)に影響を与える程度bkを単回帰によって個別に同定し、これにパラメータUsi(t)とYs(t)の遅れ時間Lkを考慮した相関係数Riを乗算することにより、寄与度aiを算出する。この場合、aiは、bi×Ri/(R1+R2+‥Rm)で求められ、流入量Ys(t)を導出するモデル式は、次式(9)で表される。
Ys(t)=bi×Usi(t−Li) ‥(8)
Ys(t)={b1×R1×Us1(t−L1)+b2×R2×Us2(t−L2)+‥+bm×Rm×Usm(t−Lm)}/(R1+R2+‥Rm) ‥(9)
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、パラメータUsi(t)の中から、予め独立なパラメータを選定、または合成した上で、MLRを適用してもよい。この場合、遅れ時間/寄与度算出部74は、パラメータ同志の相関係数を求め、相関係数の絶対値が閾値(例えば0.7程度)以上のパラメータ群については、これらの中からYs(t)と最も相関の高いパラメータを代表パラメータとし、他のパラメータを使用しないものとする。また遅れ時間/寄与度算出部74は、上記パラメータ群のパラメータ同士の単純平均またはYs(t)との相関係数の大きさに応じた加重平均を算出し、これを新たなパラメータとしてもよい。遅れ時間/寄与度算出部74は、このようにして絞り込まれたパラメータに対してMLRを適用することができる。
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、PCR(Principal Component Regression:主成分回帰)に基づいて、寄与度aiを算出してもよい。この場合、遅れ時間/寄与度算出部74は、例えば、m個のパラメータUsi(t)にPCAを適用し、m個よりも十分に少ないh個の合成変数(潜在変数)Zk(t)(k=1〜h)を合成する。合成変数Zk(t)は次式(10)で表される。遅れ時間/寄与度算出部74は、この合成変数Zk(t)を入力としてMLRを適用することで、寄与度ai(I=1〜m)を算出することができる。
Zk(t)=p1×Us1(t−L1)+p2×Us2(t−L2)+‥+pm×Usm(t−Lm) (k=1〜h) ‥(10)
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、通常のMLRで問題となる多重共線性の問題を回避しながら、PCRの考え方を発展させたPLS(Partial Least Squires:部分最小二乗法による回帰分析)を利用して、寄与度aiを算出してもよい。これによって、遅れ時間/寄与度算出部74は、多重共線性の問題がある場合にも寄与度aiを安定的に同定することができる。なお、PCRでは、パラメータ同志の相関係数のみを考慮して潜在変数を求めるのに対し、PLSでは、パラメータとYs(t)の間の相関係数も同時に考慮して潜在変数を求める。
また、遅れ時間/寄与度算出部74は、正則化の考えに基づいて、寄与度aiを算出してもよい。正則化とは、通常のMLRで同定することが困難な多重共線性の問題が、数学的には、最小二乗法でパラメータを同定する場合に現れる行列の逆行列が存在しなくなるという、ill-condition問題になることを回避する方法として、逆行列が存在しなくなる行列に正則化パラメータを導入して逆行列が存在するように修正を施す方法をいう。正則化では、パラメータの大きさ(ノルム)に制約を設けたMLRと結果が一致することが知られており、二乗ノルム(≒L2ノルム)で評価した正則化MLRはリッジ回帰とも呼ばれる。近年は、絶対値で定義されるL1ノルムを用いた正則化法の方が良い推定結果を得られる場合が多いことが明らかにされてきており、これを用いた方法はLassoなどと称される。また、正則化を行う際に必要となる正則化パラメータ自身も同時に推定する方法としてRVM(Regresssor Vector Machine:適合ベクトルマシン)などという方法も利用されるようになってきており、このような高度な正則化法を取り入れた学習アルゴリズムを用いて寄与度aiを算出してもよい。
雨水排水ポンプ制御装置100の補正部120は、パラメータ、寄与度、および遅れ時間をパラメータ提供装置70から取得すると、これらを反映させて補正値D[m]を決定する。補正値Dは、例えば次式(11)で求められる。式中、F〔〕は、流量Ys(t)から水位X(t)に変換するための変換関数であり、雨水ポンプ井20の底面積や任意の制御係数等に基づいて予め設定されている。また、ai#(i=1〜m)は、寄与度aiに対して、各パラメータに対して行われた正規化の逆の処理を行った値である。また、Av()は平均値を示しており、パラメータの性格によってはゼロに設定されてよい。
D=−F〔a1#×{Us1(t−L1)―Av(Us1)}+a2#×{Us2(t−L2)―Av(Us2)}+‥+am#×{Usm(t−Lm)―Av(Usm)}〕 ‥(11)
D=−C×〔{0.2×(5分前の幹線流量)}+{0.05×(10分前の降雨量)}〕 ‥(12)
D(2)=D(1)×α ‥(13)
D(3)=D(1)×α2 ‥(14)
D(4)=D(1)×α3 ‥(15)
以上説明した第1実施形態の雨水排水ポンプ制御装置100によれば、適切に選択されたパラメータとパラメータ毎の遅れ時間および寄与度に基づいて雨水排水ポンプP1〜Pnの制御タイミングを補正するため、雨水排水ポンプP1〜Pnを、流域状況に応じた丁度良いタイミングで起動または停止させることができる。この結果、雨水排水ポンプP1〜Pnを好適に制御することができる。
[構成]
以下、第2実施形態に係る雨水排水ポンプ制御装置200について説明する。第2実施形態において、第1実施形態における図1と、その説明を援用する。図9は、第2実施形態に係る雨水排水ポンプ制御装置200の機能構成の一例を示す図である。雨水排水ポンプ制御装置200は、雨水排水ポンプ制御部210と、設定水位決定部220と、記憶部230と、表示部240とを備える。雨水排水ポンプ制御装置200は、第1実施形態と同様、パラメータ提供装置70等の別体の装置から、パラメータ、パラメータ毎の遅れ時間および寄与度などの情報を取得してよい。雨水排水ポンプ制御部210の機能については、第1実施形態における雨水排水ポンプ制御部110と同様であるため、説明を省略する。
流入量Y(t)の期待値は、例えば、次式(16)で表される。式中、ai#(i=1〜m)は、寄与度aiに対して、各パラメータに対して行われた正規化の逆の処理を行った値である。また、Av()は平均値を示しており、パラメータの性格によってはゼロに設定されてよい。
Y(t)=a1#×{Us1(t−L1)―Av(Us1)}+a2#×{Us2(t−L2)―Av(Us2)}+‥+am#×{Usm(t−Lm)―Av(Usm)} ‥(16)
ピーク予測値は、例えば、現在の時刻よりも遅れ時間分前の各パラメータの値を特定し、時系列情報の中で、該当するパラメータの値が出現した後、その遅れ時間後に現れた流入量Y(t)の最大値をパラメータ毎に求め、求められた最大値の最大値である。例えば、パラメータがAとBの2つであるとして、パラメータAの遅れ時間をTA、パラメータBの遅れ時間をTB、現在の時刻よりもTA前のパラメータAの値をVA、現在の時刻よりもTB前のパラメータBの値をVBとする。この場合、ピーク予測値は、時系列情報の中でパラメータAの値がVAであった全ての時点のTA後の流入量を全て抽出し、パラメータBの値がVBであった全ての時点のTB後の流入量を全て抽出し、抽出された流入量の中での最大値である。パラメータが3つ以上である場合も同様とする。
図11は、設定水位決定部220により起動設定水位が設定される様子を説明するための説明図である。図中、水位HAは、上限水位LHから、ピーク予測値の誤差を時間T(設定水位の設定周期に等しい)で積算した流入量(流入量誤差)を水位Xに換算した値だけ、差し引いた水位である。そして、設定水位決定部220は、水位HAとベース水位(雨水の排出が不要な下限水位)LLとの差分に対応する流入量を時間Tで排出可能な雨水排水ポンプの起動台数を算出し、算出した起動台数に対応する起動設定水位を、HAとする。図11の例では、水位HAとベース水位LLとの差分に対応する流入量を時間Tで排出可能な雨水排水ポンプの台数が4台であったため、H4にHAが設定されたものとする。
以上説明した第2実施形態の雨水排水ポンプ制御装置200によれば、流入量のピーク予測値とその誤差に基づいて、水位HAおよび対応する起動台数を決定するため、上限水位LHと水位HAとの間の水位をバッファとして機能させつつ、過不足なく雨水排水ポンプP1〜Pnを起動させることができる。この結果、雨水排水ポンプP1〜Pnを好適に制御することができる。
24 雨水ポンプ井水位計
70 パラメータ提供装置
72 パラメータ選択部
74 遅れ時間/寄与度算出部
100、200 雨水排水ポンプ制御装置
110、210 雨水排水ポンプ制御部
120 補正部
220 設定水位決定部
130、230 記憶部
140、240 表示部
P1〜Pn 雨水排水ポンプ
Claims (10)
- 複数の雨水排水ポンプを制御する雨水排水ポンプ制御装置であって、
複数種類の流域監視データの時系列情報と、雨水が流入する貯留部への雨水の流入量の時系列情報とについて、時間をずらして相関係数を求め、前記相関係数が所定値を超える前記流域監視データを抽出する機能と、前記抽出した流域監視データと前記貯留部への雨水の流入量との間の遅れ時間を前記相関係数が最大値となるずらし時間として求め、求めた前記遅れ時間に基づいて前記貯留部の水位の変化に対する寄与度を算出し、前記算出した遅れ時間および前記寄与度に基づいて、前記複数の雨水排水ポンプのそれぞれについて起動水位を設定する機能とを有する水位設定部と、
前記複数の雨水排水ポンプのうち、前記貯留部の水位が前記起動水位以上となった雨水排水ポンプを起動するポンプ制御部と、
を備える雨水排水ポンプ制御装置。 - 前記水位設定部は、前記流域監視データとして取得される複数種類のパラメータ候補のうち、前記貯留部の水位の変化との相関が高い複数種類のパラメータを選択し、選択した前記複数種類のパラメータに基づく値にそれぞれ前記寄与度に基づく値を乗算した値の代表値に基づいて、前記複数の雨水排水ポンプの起動水位を設定する、
請求項1記載の雨水排水ポンプ制御装置。 - 前記水位設定部は、前記複数種類のパラメータに基づく値にそれぞれ前記寄与度に基づく値を乗算して線形和を求めることにより、前記複数の雨水排水ポンプの起動水位を設定する、
請求項1または2記載の雨水排水ポンプ制御装置。 - 前記ポンプ制御部は、複数の前記雨水排水ポンプを、各雨水排水ポンプに対して設定された設定値に基づいて段階的に起動または停止させ、
前記水位設定部は、予め設定されている起動水位に対する補正を行うことで前記複数の雨水排水ポンプの起動水位を設定し、前記複数の雨水排水ポンプのうち、起動順位が低い雨水排水ポンプに対する補正値を、起動順位が高い雨水排水ポンプに対する補正値よりも大きくする、
請求項1から3のうちいずれか1項記載の雨水排水ポンプ制御装置。 - 前記水位設定部は、前記雨水排水ポンプが雨水を排出した先の下流側の情報に基づいて、前記補正値を低減する、
請求項4記載の雨水排水ポンプ制御装置。 - コンピュータが、
複数種類の流域監視データの時系列情報と、雨水が流入する貯留部への雨水の流入量の時系列情報とについて、時間をずらして相関係数を求め、
前記相関係数が所定値を超える前記流域監視データを抽出し、
前記抽出した流域監視データと前記貯留部への雨水の流入量との間の遅れ時間を前記相関係数が最大値となるずらし時間として求め、求めた前記遅れ時間に基づいて前記貯留部の水位の変化に対する寄与度を算出し、
前記算出した遅れ時間および前記寄与度に基づいて、複数の雨水排水ポンプの起動水位を設定し、
前記複数の雨水排水ポンプのうち、前記貯留部の水位が前記起動水位以上となった雨水排水ポンプを起動する、
雨水排水ポンプ制御方法。 - コンピュータに、
複数種類の流域監視データの時系列情報と、雨水が流入する貯留部への雨水の流入量の時系列情報とについて、時間をずらして相関係数を求めさせ、
前記相関係数が所定値を超える前記流域監視データを抽出させ、
前記抽出した流域監視データと前記貯留部への雨水の流入量との間の遅れ時間を前記相関係数が最大値となるずらし時間として求めさせ、求められた前記遅れ時間に基づいて前記貯留部の水位の変化に対する寄与度を算出させ、
前記算出した遅れ時間および前記寄与度に基づいて、複数の雨水排水ポンプの起動水位を設定させ、
前記複数の雨水排水ポンプのうち、前記貯留部の水位が前記起動水位以上となった雨水排水ポンプを起動させる、
雨水排水ポンプ制御プログラム。 - 雨水が流入する貯留部の水位と設定値との比較に基づいて、前記雨水を排出する複数の雨水排水ポンプを段階的に制御するポンプ制御部と、
前記貯留部への雨水の流入量のピーク予測値と、前記ピーク予測値の誤差とに基づいて、第1の設定値および前記第1の設定値に対応する前記雨水排水ポンプの起動台数を決定し、前記決定した第1の設定値および対応する起動台数に基づいて、前記複数の雨水排水ポンプに対する設定値を決定する決定部と、
を備える雨水排水ポンプ制御装置。 - 前記決定部は、前記貯留部への雨水の流入量の期待値に基づいて、第2の設定値および前記第2の設定値に対応する前記雨水排水ポンプの起動台数を決定し、前記決定した第1の設定値および前記第1の設定値に対応する起動台数、および前記決定した第2の設定値および前記第2の設定値に対応する起動台数に基づいて、前記複数の雨水排水ポンプに対する設定値を決定する、
請求項8記載の雨水排水ポンプ制御装置。 - 時系列情報に基づき、雨水が流入する貯留部の水位に与える影響が大きい複数種類のパラメータを、パラメータ候補の中から選択する選択部と、
前記パラメータ候補の時系列情報に基づき、前記パラメータの変化が前記貯留部の水位を変化させるまでの遅れ時間と、前記パラメータの変化が前記貯留部の水位の変化に対する寄与度とを、前記パラメータ毎に算出する算出部と、
を備えるパラメータ提供装置。
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