JP6749254B2 - 下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法に係り、特に、雨天時に雨水が流入して下水流量が増加する合流式下水道などにおける、下水ポンプ場に設置されたポンプを好適に起動停止し得る下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法に関するものである。

国内外で広く導入されている下水道システムは、雨水への対応の観点で合流式下水道と分流式下水道に大別される。雨水排除ラインが下水集水ラインに繋がっているものを合流式、繋がっておらず別ラインで排除されるものを分流式と称している。前者の合流式は、日本国内の場合、下水道インフラ整備が先行して実施された大規模都市部を中心に導入されている。合流式下水道の特徴は、雨水が下水に混入してくるため、雨天時に下水処理場への流入下水量が大きく増加する点である。
こうした雨天時の流入下水量の増加に対処するために、下水処理場よりも上流側に中間施設として下水ポンプ場が設置されており、流入下水を円滑に下水処理場に送ると共に、流入下水の一部を下水処理場に流入させること無く、河川などの公共用水域に排除することが一般的に行われている。この下水ポンプ場でのポンプ制御などを適切に実施することによって、以下のような事象を回避する試みがなされている。すなわち、（１）下水処理区の浸水（内水氾濫）、（２）下水処理の不良、（３）簡易放流による公共用水域の水質汚濁、及び（４）下水ポンプ場の水没などの事象を回避又は緩和することがポンプ制御上の目標となっている。

下水処理区に降った雨水の排除（遮集水量）が十分でないと、マンホールなどから雨水が溢れ、内水氾濫を起こすことになる。また、下水処理場への送水（汚水処理量）が過剰になると、生物反応槽での処理時間が確保できずに処理不良となり、処理水質が悪化する。他方、内水氾濫や処理不良を避けるために公共用水域への未処理下水放流（簡易放流量）を増やしすぎると、公共用水域への汚濁負荷が増加する。また、流入下水量に比べてポンプ吐出量が十分でないと、ポンプ井の水位が上昇し、下水ポンプ場が水没することになる。
増加する流入下水量に対して、下水ポンプ場の施設能力が十分でない場合には、上記の（１）〜（４）の事象を回避できないケースも発生するが、下水ポンプ場の運用の工夫によって、可能な範囲で回避する工夫がなされている。
例えば、特許文献１では、下水管渠内の所定の箇所における水位計測値と予測値、及び、下水ポンプ場への流入下水量の予測結果に基づいて、下水管渠内の所定の箇所における水位が浸水危険レベルを超えぬようポンプの起動停止、及びポンプの吐出量を決定する方法が開示されている。この方法によれば、下水ポンプ場の施設能力の範囲内で、可能な限り下水処理区の浸水を回避することができるとされている。

特開２００３−２３９３７２号公報

雨天時における合流式下水道においては、処理区から排出された汚水に加えて降雨由来の雨水が下水管渠に流入することから、処理区の浸水、下水処理の不良、簡易放流による水質汚濁、及び下水ポンプ場の水没などのリスクが増大する。
しかしながら、特許文献１の構成では、上述のようなリスクを回避するための運転制御の対象が、該当する下水ポンプ場のポンプ起動停止、およびポンプ吐出量のみであるため、実行可能な制御範囲は、設置されたポンプ性能の範囲内のみに限定されてしまう。換言すれば、運転制御の対象は、一つの下水ポンプ場のみに限られるため、リスク回避が困難なケースが生じ得る。
そこで、本発明は、下水ポンプ場のみならず、当該下水ポンプ場以外の関連施設とも連携して、より広範な制御範囲に拡張可能な下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る下水道設備の監視制御装置は、下水管渠に接続され、前記下水管渠から流入する下水を下水処理場及び／又は放流先へ送水する複数の下水ポンプ場を有する下水道設備の監視制御装置であって、前記監視制御装置は、前記複数の下水ポンプ場毎の水位に基づき、各下水ポンプ場に設置される少なくともポンプの動作、及び下水処理プロセスとしての活性汚泥処理を再現するポンプ場シミュレータと、前記ポンプ場シミュレータの情報を参照すると共に、制御対象となる一の下水ポンプ場及び前記一の下水ポンプ場と連携する下水処理場から放流先への汚濁負荷に基づく汚濁負荷リスク指標、及び同一の下水処理区内に設置される複数の下水管渠毎の水位に基づく前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに同一の下水処理区内に設置される複数の下水ポンプ場毎の水位に基づく前記下水ポンプ場の水没リスク指標を算出するリスク算出部と、前記汚濁負荷リスク指標、及び前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに前記下水ポンプ場の水没リスク指標が最小となる前記一の下水ポンプ場に設置されるポンプの吐出量を求めるポンプ吐出量算出部と、を有し、前記ポンプ吐出量算出部により求められたポンプの吐出量に基づき前記一の下水ポンプ場を制御することを特徴とする。
また、本発明に係る下水ポンプ場の運転制御方法は、下水管渠に接続され、前記下水管渠から流入する下水を下水処理場及び／又は放流先へ送水する複数の下水ポンプ場の運転制御方法であって、ポンプ場シミュレータにより、前記複数の下水ポンプ場毎の水位に基づき、各下水ポンプ場に設置されるポンプの動作、及び下水処理プロセスとしての活性汚泥処理を再現し、前記ポンプ場シミュレータの情報を参照すると共に、制御対象となる一の下水ポンプ場及び前記一の下水ポンプ場と連携する下水処理場から放流先への汚濁負荷に基づく汚濁負荷リスク指標、及び同一の下水処理区内に設置される複数の下水管渠毎の水位に基づく前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに同一の下水処理区内に設置される複数の下水ポンプ場毎の水位に基づく前記下水ポンプ場の水没リスク指標を算出し、前記汚濁負荷リスク指標、及び前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに前記下水ポンプ場の水没リスク指標が最小となる前記一の下水ポンプ場に設置されるポンプの吐出量を求め、求めたポンプの吐出量に基づき前記一の下水ポンプ場を制御することを特徴とする。

本発明によれば、下水ポンプ場のみならず、当該下水ポンプ場以外の関連施設とも連携して、より広範な制御範囲に拡張可能な下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る下水道設備と監視制御装置の全体概略構成図である。 図１に示す監視制御装置の機能ブロック図である。 図１に示す一の下水ポンプ場の概略構成図である。 下水ポンプ場の概要を説明する図である。 図２に示す監視制御装置を構成するリスク算出部の処理フローを説明する図である。 図２に示す監視制御装置を構成するポンプ吐出量算部の処理フローを説明する図である。 図２に示す監視制御装置を構成するポンプ制御部の処理フローを説明する図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

本実施例では、一例として、合流式下水道の下水処理区に設置された下水ポンプ場に対する雨天時のポンプ運転制御方法、及び、少なくとも下水ポンプ場及び下水処理場を含む下水道設備の監視制御装置について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る下水道設備と監視制御装置の全体概略構成図である。図１に示すように、下水道設備は、下水ポンプ場２ａ、下水ポンプ場２ｂ、下水ポンプ場２ｎ、及び下水処理場３を備える。下水ポンプ場２ａは、下水管渠４ａから流入した下水を受け入れ、当該受け入れた下水のうち雨水を河川などの公共用水域である放流先７へ未処理水として放流管渠６ａを介して放流すると共に、上記受け入れた下水のうち雨水を除く下水を下水処理場３へ流入管渠５ａを介して送水する。同様に、下水ポンプ場２ｂは、下水管渠４ｂから流入した下水を受け入れ、当該受け入れた下水のうち雨水を河川などの公共用水域である放流先７へ未処理水として放流管渠６ｂを介して放流すると共に、上記受け入れた下水のうち雨水を除く下水を下水処理場３へ流入管渠５ｂを介して送水する。下水ポンプ場２ｎは、下水管渠４ｎから流入した下水を受け入れ、当該受け入れた下水のうち雨水を河川などの公共用水域である放流先７へ未処理水として放流管渠６ｎを介して放流すると共に、上記受け入れた下水のうち雨水を除く下水を下水処理場３へ流入管渠５ｎを介して送水する。

下水処理場３は、流入管渠５ａを介して下水ポンプ場２ａより送水される下水、流入管渠５ｂを介して下水ポンプ場２ｂより送水される下水、及び、流入管渠５ｎを介して下水ポンプ場２ｎより送水される下水に対し、生物処理槽（図示せず）による活性汚泥処理などの高度下水処理後の処理水を河川などの公共用水域である放流先７へ放流管渠６を介して放流する。図１では、これら複数の下水管渠４ａ，４ｂ，４ｎ、下水ポンプ場２ａ，２ｂ，２ｎ、流入管渠５ａ，５ｂ，５ｎ、及び放流管渠６，６ａ，６ｂ，６ｎを下水処理区８とした場合を想定している。

また、下水ポンプ場２ａ、下水ポンプ場２ｂ、下水ポンプ場２ｎ、及び下水処理場３は、通信ネットワーク９を介して、下水処理場３から離間する遠隔地に設置される監視制御装置１と相互に通信可能に接続されている。なお、監視制御装置１を下水処理場３内に設置する構成としても良い。この場合、監視制御装置１は、信号線（有線か無線かを問わない）を介して、下水ポンプ場２ａ、下水ポンプ場２ｂ、及び下水ポンプ場２ｎと相互に通信する。

（下水ポンプ場）
図３は図１に示す一の下水ポンプ場２ａの概略構成図であり、図４は下水ポンプ場２ａの概要を説明する図である。なお、他の下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎも同様の構成を備えている。
図３に示すように、後述する監視制御装置１の制御対象である下水ポンプ場２ａは、少なくとも、下水管渠４ａから流入する下水を受け入れる雨水ポンプ井２３、雨水ポンプ井２３内の水位を計測するための水位計２４、雨水ポンプ２１、及び汚水ポンプ２２を備える。水位計２４により計測されたデータ、雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２の動作状況に関連したデータを含む計測値３２は、通信ネットワーク９を介して監視制御装置１へ送信される。他方、後述する監視制御装置１より通信ネットワーク９を介して、雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２などへ制御信号３３が入力される。

また、図４に示すように、下水ポンプ場２ａは、下水管渠４ａとの接続部側に設置される流入ゲート２５、沈砂池２６、及び沈砂池２６の下流側（雨水ポンプ井２３側）に設置され高さを変更可能な越流堰（図示せず）を有する。下水処理区８内で降雨が生ずると、下水管渠４ａを通流する汚水に雨水が混入し、流入ゲート２５を通過し下水（汚水と雨水を含む）が沈砂池２６内に流入する。このとき、図示しない越流堰を超える下水は、雨水ポンプ井２３に流入し、雨水ポンプ２１により汲み出され、河川などの公共用水域である放流先７へ放流管渠６ａを介して沈砂池２６のみによる未処理水（簡易処理水：下水中の固形物（夾雑物）のみ除去）を放流する。換言すれば、雨水ポンプ２１は、流入した下水のうち、下水処理場３で活性汚泥処理などの高度下水処理をせずに放流管渠６ａを介してバイパスさせて、河川などの公共用水域に排除する水を吐出するポンプである。他方、汚水ポンプ２２は、流入した下水のうち、下水処理場３で処理する水を吐出するためのポンプである。沈砂池２６内の上澄み水は汚水ポンプ井（図示せず）に流入し、汚水ポンプ２２により汲み出され、下水処理場３へ流入管渠５ａを介して送水される。下水ポンプ場２ａは、雨水ポンプ井２３に設置された水位計２４のデータや後述する各種データを用いて、雨水ポンプ２１及び汚水ポンプ２２それぞれの吐出量を適切に決定し、雨水を含んだ下水を処理する機能を有する施設である。なお、放流管渠６ａに凝集槽を設け、凝集剤によりフロックを形成し当該凝集槽内にフロックを沈降させ、簡易処理水として凝集槽内の上澄み水を河川などの放流先７に放流管渠６ａを介して放流するよう構成しても良い。

（監視制御装置）
図２は、図１に示す監視制御装置１の機能ブロック図である。図２に示すように、監視制御装置１は、ポンプ場シミュレータ１０、計測値取得部１１、下水処理区ＤＢ１２、リスク算出部１３、ポンプ吐出量算出部１４、ポンプ制御部１５、通信Ｉ／Ｆ１６、及び入出力Ｉ／Ｆ１７を備え、これらは相互に内部バス２０を介して接続されている。また、表示部１８及び入力部１９は、入出力Ｉ／Ｆ１７を介して内部バス２０に接続されている。表示部１８は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は有機ＥＬディスプレイにて構成され、入力部１９は、例えば、マウス及びキーボードにて構成される。
これら、ポンプ場シミュレータ１０、計測値取得部１１、リスク算出部１３、ポンプ吐出量算出部１４、及びポンプ制御部１５は、例えば、図示しないＣＰＵ等のプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置等の記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵ等のプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

監視制御装置１は、下水処理区８で計測された降雨量、下水管渠４ａ，４ｂ，４ｎへの下水の流入流量と水位などを含む外部計測値３１、下水ポンプ場２ａ，２ｂ，２ｎで計測された水位計２４のデータや雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２の動作状況に関連したデータを含む計測値３２に基づいて、後述する各種の演算処理を行い、制御信号３３を出力することで、下水ポンプ場２ａ，２ｂ，２ｎ内の設備や機器を動作させる機能を有する。

ポンプ場シミュレータ１０は、図４に示した下水ポンプ場２ａの沈砂池２６や雨水ポンプ井２３などの施設構造物や、流入ゲート２５や雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２などの装置の動作を再現する数理モデルを備えており、外部計測値３１や計測値３２などを入力として、下水ポンプ場２ａの動作を再現することができる。ここでいう下水ポンプ場２ａの動作とは、例えば、ある流入下水量に対して、雨水ポンプ２１や汚水ポンプ２２の吐出量を制御した時に、雨水ポンプ井２３の水位がどう変化するか、また、これに伴い下水ポンプ場２ａに接続する下水管渠４ａの水位がどのように変化するかを指している。このようなシミュレーションを行うことで、ポンプ制御を行った際に下水ポンプ場２ａの水没リスクや下水処理区８の浸水リスクがどう変化するかを評価し、適切な制御信号３３を設定することが可能となる。なお、制御信号３３は、内部バス２０及び通信Ｉ／Ｆ１６を介して通信ネットワーク９へ送信され、通信ネットワーク９を介して下水ポンプ場２ａにて受信される。

また、ここで備える数理モデルは、例えば、雨水ポンプ井２３に対しては、その構造物の寸法や配管の取り合いに関する情報が含まれており、水理公式によって流入流量の変化に対する雨水ポンプ井２３内の水位の変化などを算定できるモデルとなっている。雨水ポンプ２１や汚水ポンプ２２に対するモデルは、揚程と吐出量との関係、ポンプ回転数と吐出量との関係、ポンプ回転数と消費電力との関係などを表現するモデルが用いられる。さらに、ポンプ場シミュレータ１０の内部又は外部に、連携する下水処理場３の処理水質などを評価できる下水処理場シミュレータ（図示せず）を備えている。例えば、下水処理プロセスとして一般的な生物処理槽による活性汚泥処理を再現できる数理モデルとして、活性汚泥モデルを下水処理場シミュレータ（図示せず）に備える。なお、仮に、下水ポンプ場２ａを監視制御装置１による制御対象とした場合、当該下水ポンプ場２ａに関連する施設又は設備は、同一の下水処理区８内に設置される、下水ポンプ場２ｂ、下水ポンプ場２ｎ、及び下水処理場３となる。

下水処理区ＤＢ１２には、上述したように下水処理区８で計測された降雨量、下水管渠４ａ，４ｂ，４ｎへの下水の流入流量と水位などのデータのほか、下水処理区に降る雨量を予測するための気象レーダ（マイクロ波レーダ）のデータ、流入下水の水質計測値（懸濁物質、有機物、ｐＨなど）のデータなども外部計測値３１として必要に応じて保存されていることが望ましい。

計測値取得部１１は、通信Ｉ／Ｆ１６及び内部バス２０を介して上述の外部計測値３１及び計測値３２を取得する。計測値取得部１１は、取得した外部計測値３１及び計測値３２に対し、例えば、ノイズ除去、平滑化、或は正規化など処理を施し、内部バス２０を介して、ポンプ場シミュレータ１０、リスク算出部１３、ポンプ吐出量算出部１４へ転送すると共に下水処理区ＤＢ１２へ格納する。

リスク算出部１３は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０の情報を参照し、運転制御の良否を判断するためのリスク指標を算出する。ここで算出するリスク指標は、下水処理区８の浸水、下水処理不良、汚濁負荷、下水ポンプ場の水没に関するリスクを定量的に表現したものである。リスク算出部１３は、算出したリスク指標をポンプ吐出量算出部１４へ内部バス２０を介して転送する。

また、ポンプ吐出量算出部１４は、内部バス２０を介してリスク算出部１３より転送されたリスク指標を最小化するような雨水ポンプ２１と汚水ポンプ２２のポンプ吐出量を算出する。ポンプ吐出量算出部１４は、算出したリスク指標を最小化する雨水ポンプ２１と汚水ポンプ２２のポンプ吐出量を、内部バス２０を介してポンプ制御部１５へ転送する。

ポンプ制御部１５は、内部バス２０を介してポンプ吐出量算出部１４より転送されたリスク指標を最小化する雨水ポンプ２１と汚水ポンプ２２のポンプ吐出量に対応したポンプの制御動作を決定し、制御信号３３を下水ポンプ場２ａ，２ｂ，２ｎへ、内部バス２０、通信Ｉ／Ｆ１６、及び通信ネットワーク９を介して送信し、下水ポンプ場２ａ，２ｂ，２ｎを動作させる。

次に、監視制御装置１を構成する、リスク算出部１３、ポンプ吐出量算出部１４、及びポンプ制御部１５の具体的な処理フローについて説明する。なお、以下では、監視制御装置１による制御対象が下水ポンプ場２ａの場合を一例として説明する。

図５は、図２に示す監視制御装置１を構成するリスク算出部１３の処理フローを説明する図である。
図５に示すように、ステップＳ１０１では、リスク算出部１３が計測値読み込み工程を実行する。具体的には、リスク算出部１３は、計測値取得部１１により、通信Ｉ／Ｆ１６及び内部バス２０を介して取得された上述の下水ポンプ場２ａに関する外部計測値３１及び計測値３２に対し、例えば、ノイズ除去、平滑化、或は正規化など処理を施されたデータを取得する。これにより、下水ポンプ場２ａに関する外部計測値３１及び計測値３２は、次工程以降での演算に利用可能な状態となる。

ステップＳ１０２では、リスク算出部１３がポンプ場シミュレータ１０の出力読み込み工程を実行する。具体的には、リスク算出部１３は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０へアクセスし、ポンプ場シミュレータ１０により算出された各種シミュレーション結果、例えば、あるポンプ制御の条件で算出された下水ポンプ場２ａ内の雨水ポンプ井３０の水位や下水管渠４ａの水位などのデータを読み込む。これらステップＳ１０１及びステップＳ１０２にて読み込むデータは、現況値またはシミュレーションによる将来の予測値を含む。なお、上述のステップＳ１０１及びステップＳ１０２では、制御対象である下水ポンプ場２ａ以外の関連施設として、同一の下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎについても同様の処理を実行する。すなわち、リスク算出部１３は、下水ポンプ場２ｂに関する外部計測値３１及び計測値３２に対し、例えば、ノイズ除去、平滑化、或は正規化など処理を施されたデータを取得し、あるポンプ制御の条件で算出された下水ポンプ場２ｂ内の雨水ポンプ井３０の水位や下水管渠４ｂの水位などのデータを読み込む。また、リスク算出部１３は、下水ポンプ場２ｎに関する外部計測値３１及び計測値３２に対し、例えば、ノイズ除去、平滑化、或は正規化など処理を施されたデータを取得し、あるポンプ制御の条件で算出された下水ポンプ場２ｎ内の雨水ポンプ井３０の水位や下水管渠４ｎの水位などのデータを読み込む。

ステップＳ１０３では、リスク算出部１３が下水処理区８（図１）の浸水リスク算出工程を実行する。下水処理区８の浸水は、下水処理区８内の流入下水量（事業場や家庭から排出される汚水量＋降雨に由来する雨水量）に対して、下水管渠４ａを経由して下水ポンプ場２ａから排除される流量が十分でない場合に発生する。浸水リスクは、具体的には下水処理区８内の主要な下水管渠（合流幹線などとも称される）の水位、ここでは、下水管渠４ａの水位に基づいて算出されるもので、例えば、予め設定した危険水位レベルに対する下水管渠４ａ水位の百分率割合（水位÷危険水位レベル×１００）でリスク算出部１３により算出される。予め設定した危険水位レベルに対する下水管渠４ａ水位の百分率割合に代えて、下水管渠４ａの水位の上昇速度に基づいて下水処理区８内の浸水リスクを算出してもよい。また、下水処理区８全体での浸水リスクは、主要な下水管渠４ａ，４ｂ，４ｎの水位の百分率割合の合計として算出してもよい。なお、ステップＳ１０３においても、制御対象である下水ポンプ場２ａ以外の関連施設として、同一の下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎについても同様の処理を実行する。すなわち、リスク算出部１３は、予め設定した危険水位レベルに対する下水管渠４ｂ水位の百分率割合として浸水リスクを算出すると共に、予め設定した危険水位レベルに対する下水管渠４ｎ水位の百分率割合として浸水リスクを算出する。

ステップＳ１０４では、リスク算出部１３が下水ポンプ場２ａの水没リスク算出工程を実行する。下水ポンプ場２ａの水没は、下水管渠４ａからの流入下水量に対して、ポンプ吐出量が十分でない場合に発生する。水没リスクは、具体的には図４に示した下水ポンプ場２ａの沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位に基づいて算出されるもので、浸水リスクの場合と同様に、例えば、予め設定した危険水位レベルに対して、沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位の百分率割合でリスク算出部１３により算出される。予め設定した危険水位レベルに対して、沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位の百分率割合に代えて、下水ポンプ場２ａの沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位上昇速度に基づいて下水ポンプ場２ａの水没リスクを算出しても良い。なお、ステップＳ１０４においても、制御対象である下水ポンプ場２ａ以外の関連施設として、同一の下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎについても同様の処理を実行する。すなわち、リスク算出部１３は、予め設定した危険水位レベルに対して、下水ポンプ場２ｂの沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位の百分率割合で下水ポンプ場２ｂの水没リスクを算出すると共に、予め設定した危険水位レベルに対して、下水ポンプ場２ｎの沈砂池２６と雨水ポンプ井２３の水位の百分率割合で下水ポンプ場２ｎの水没リスクを算出する。

ステップＳ１０５では、リスク算出部１３が汚濁負荷リスク算出工程を実行する。リスク算出部１３は、下水ポンプ場２ａと下水処理場３から河川などの公共用水域へ放流される汚濁負荷に関するリスクを定量的に算出する。対象となる汚濁負荷は、下水ポンプ場２ａから直接放流（簡易放流などとも称される）による汚濁負荷と下水処理場３から放流される処理水由来の汚濁負荷との合計である。ここでの汚濁負荷の種類は、一般的には懸濁物質（ＳＳ；Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ）と有機物（ＢＯＤ；Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ、又はＣＯＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）である。また、必要に応じて、大腸菌などの病原性微生物やウィルスなども汚濁負荷の項目とすることもできる。
下水ポンプ場２ａからの直接放流（簡易放流）に由来する汚濁負荷リスクは、下水ポンプ場２ａの沈砂池２６内へ流入する流入下水の水質濃度と直接放流量との積でリスク算出部１３により算出される。ポンプ制御の判断に必要な数時間先までの汚濁負荷リスクを算出する場合には、水質濃度の現況値を用いることができないため、ポンプ場シミュレータ１０若しくは別の手法で予測した将来水質濃度を用いることになる。また、下水処理場３の放流に由来する汚濁負荷リスクも同様に、処理水の水質濃度と処理水量との積でリスク算出部１３により算出される。ポンプ制御の良否判断のために、ある制御動作を想定した条件での汚濁負荷リスクの算出には、例えば、公知技術である活性汚泥法モデルを用いて、各種条件での推定した処理水質データを用いることもできる。ステップＳ１０５においても、制御対象である下水ポンプ場２ａ以外の関連施設として、同一の下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎについても同様の処理を実行する。すなわち、リスク算出部１３は、下水ポンプ場２ｂからの直接放流（簡易放流）に由来する汚濁負荷リスクを、下水ポンプ場２ｂの沈砂池２６内へ流入する流入下水の水質濃度と直接放流量との積で算出すると共に、下水ポンプ場２ｎからの直接放流（簡易放流）に由来する汚濁負荷リスクを、下水ポンプ場２ｎの沈砂池２６内へ流入する流入下水の水質濃度と直接放流量（簡易放流）との積で算出する。

ステップＳ１０６では、リスク算出部１３が消費エネルギー算出工程を実行する。下水ポンプ場２ａの現在の制御状況、もしくは想定した制御動作における消費エネルギー（エネルギーリスク）を算出する。具体的には、リスク算出部１３は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０にアクセスし、雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２、及び流入ゲート２５や各種の補機類などの消費電力を算出する。また、これに加えて、下水ポンプ場２ａだけでなく、同一の下水処理区８に設置され、下水ポンプ場２ａと連携する下水処理場３の消費電力を合わせて算出しても良い。なお、ステップＳ１０６においても、制御対象である下水ポンプ場２ａ以外の関連施設として、同一の下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎについても同様の処理を実行する。すなわち、リスク算出部１３は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０にアクセスし、下水ポンプ場２ｂの雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２、及び流入ゲート２５や各種の補機類などの消費電力を算出する。また、リスク算出部１３は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０にアクセスし、下水ポンプ場２ｎの雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２、及び流入ゲート２５や各種の補機類などの消費電力を算出する。

ステップＳ１０７では、リスク算出部１３が算出リスク出力工程を実行する。具体的には、リスク算出部１３は、これまでの工程で算出したリスク指標と消費エネルギーをポンプ場シミュレータ１０へ内部バス２０を介して転送する。なお、本実施例では、上述のように、下水処理区８の浸水リスク、制御対象である下水ポンプ場２ａの水没リスク及び下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎの水没リスク、汚濁負荷リスクの全てを算出し出力する構成に代えて、例えば、汚濁負荷リスクのみを算出し出力する構成としても良く、制御対象である下水ポンプ場２ａの水没リスク及び下水処理区８に設置される下水ポンプ場２ｂ及び下水ポンプ場２ｎの水没リスクのみを出力する構成としても良い。さらには、これら水没リスクと汚濁負荷リスクを算出し出力する構成としても良い。また、予め設定した各リスク指標の重み係数を乗じた積和で一つのリスク指標として取り扱っても良い。

図６は、図２に示す監視制御装置１を構成するポンプ吐出量算出部１４の処理フローを説明する図である。
図６に示すように、ステップＳ２０１では、ポンプ吐出量算出部１４が計測値読み込み工程を実行する。具体的には、ポンプ吐出量算出部１４は、計測値取得部１１により、通信Ｉ／Ｆ１６及び内部バス２０を介して取得された上述の下水ポンプ場２ａに関する外部計測値３１及び計測値３２に対し、例えば、ノイズ除去、平滑化、或は正規化など処理を施されたデータを取得する。これにより、下水ポンプ場２ａに関する外部計測値３１及び計測値３２は、次工程以降での演算に利用可能な状態となる。

ステップ２０２では、ポンプ吐出量算出部１４がポンプ吐出量範囲設定工程を実行する。具体的には、下水ポンプ場２ａに設置された雨水ポンプ２１、汚水ポンプ２２のそれぞれに対して、ポンプ吐出量算出部１４は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０へアクセスし、上述の数理モデルに格納されるポンプ仕様に基づいて、以降の工程で最適吐出量を探索する際の計算範囲を設定する。一般的には、それぞれ複数台のポンプが設置されているので、その各々の容量の総計で設定することができるが、ポンプ再起動に掛かる制約や保守上の理由で起動できないポンプがある場合には、そのポンプ分の容量を減ずる必要がある。

ステップＳ２０３では、ポンプ吐出量算出部１４がポンプ吐出量データセット出力工程を実行する。具体的には、ポンプ吐出量算出部１４は、上述のステップＳ２０２にて設定したポンプ吐出量の範囲を所定幅で分割したデータ（雨水ポンプ２１の吐出量と汚水ポンプ２２の吐出量の組合せデータ）のセットを作成し、ポンプ場シミュレータ１０などが演算に利用可能な形態とし、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０などへ転送する。ポンプ吐出量算出部１４より転送されたデータセットを条件として、ポンプ場シミュレータ１０、及び必要に応じて下水処理場シミュレータでのシミュレーションが実行される。また、これらのシミュレーション結果を参照して、上述のようにリスク算出部１３が各種リスク指標を算出する。

ステップＳ２０４では、ポンプ吐出量算出部１４が算出リスクデータセット読み込み工程を実行する。具体的には、上述のリスク算出部１３により算出されたリスクデータセットを、内部バス２０を介して読み込む。この算出されたリスクデータセットには、上述のステップＳ２０３にて出力したポンプ吐出量データセットに対応したリスク指標の算出結果が含まれている。

ステップＳ２０５では、ポンプ吐出量算出部１４が最適ポンプ吐出量判定工程を実行する。ポンプ吐出量算出部１４は、リスクデータセットに含まれる算出結果のうち、最小のリスク指標に対応するポンプ吐出量データ、すなわち最小のリスクを実現できる最適なポンプ吐出量を判定して、抽出する。ここで、最適ポンプ吐出量判定工程についてさらに詳細に説明する。
監視制御装置１による制御対象である下水ポンプ場２ａの運転制御においては、対象となる下水ポンプ場２ａのみならず、図１に示したように、下水の吐出先となる下水処理場３、及び同一の下水処理区８に設置されている複数の下水ポンプ場群（下水ポンプ場２ｂ，・・・２ｎ）と連携した運転制御を行うことが重要となる。具体的には、下水ポンプ場２ａ，２ｂ，・・・２ｎの下水管渠４ａ，４ｂ，・・・４ｎを経由して排除される量、すなわちポンプ吐出量（以下、遮集水量と称する）を個別に設定するのではなく、それぞれの遮集水量を増減させた場合の下水処理区８全体での浸水リスクなどをポンプ場シミュレータ１０で予測し、トータルリスクが最小となるような遮集水量の組合せで運転制御する。
或は、下水処理場３での汚水処理量を増減させた場合の放流管渠６からの汚濁負荷を、下水処理場シミュレータを用いて予測し、トータルリスクが最小となるような汚水処理量、すなわち各下水ポンプ場からのポンプ吐出量の総量を適宜変更しながら運転制御を行う。そのため、上述の図５に示したリスク算出部１３による処理フローにおけるステップＳ１０３〜ステップＳ１０５にて算出される各リスク指標（下水処理区の浸水リスク、下水ポンプ場の水没リスク、汚濁負荷リスク）は、制御対象である下水ポンプ場２ａのみならず、同一の下水処理区８に設置されている下水ポンプ場２ｂ，・・・２ｎ、及び制御対象である下水ポンプ場２ａと連携する下水処理場３を考慮して算出する構成としている。
なお、ここでトータルリスクとは、例えば、浸水リスク、汚濁負荷リスク、および消費エネルギーのそれぞれに重み係数ｗｉ（ｉ：リスクの種類）を掛けた値の線形和として。以下の式（１）で算出することができる。
トータルリスクＲ（ｔ）＝Σ〔ｗｉ×リスク｛ｉ，Ｑ（ｔ）｝］・・・（１）
ポンプ吐出量算出部１４は、上記式（１）に示すトータルリスクＲ（ｔ）が最小となるポンプ吐出量を抽出する。
なお、重み係数ｗｉは、各リスクを同等に取り扱う場合は、総て同じ値（例えば、１．０）とするが、任意に変更して設定することもできる。

ステップＳ２０６では、ポンプ吐出量算出部１４が最適ポンプ吐出量出力工程を実行する。具体的には、ポンプ吐出量算出部１４は、ステップＳ２０５にて抽出したトータルリスクを最小化する最適ポンプ吐出量を、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０へ転送する。なお、ポンプ吐出量算出部１４は、基本的には後述するポンプ制御部１５による制御周期ごとに実行するが、必要に応じて、監視制御装置１の使用者により入力部１９を介して入力される指示によって実行することもできる。

図７は、図２に示す監視制御装置１を構成するポンプ制御部１５の処理フローを説明する図である。
図７に示すように、ステップＳ３０１では、ポンプ制御部１５が最適ポンプ吐出量読み込み工程５１０では、最適ポンプ吐出量読み込み工程を実行する。具体的には、ポンプ制御部１５は、上述のステップＳ２０６にてポンプ吐出量算出部１４より出力された最適ポンプ吐出量（雨水ポンプ２１の吐出量と汚水ポンプ２２の吐出量の組合せ）を、内部バス２０を介して読み込み、以降の工程で利用可能な状態とする。

ステップＳ３０２では、ポンプ制御部１５がポンプ割り当てルール読み込み工程を実行する。具体的には、ポンプ制御部１５は、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０へアクセスし、複数あるポンプにどんな順序や規則で起動停止や吐出量を割り当てるかのルールをポンプ場シミュレータ１０から読み込む。このルールは、例えば、各ポンプの起動停止履歴に基づいて、各ポンプの稼働率に偏りが出ないように起動するポンプや停止するポンプの決定方法を定義したものである。また、最適ポンプ吐出量となるような各ポンプへの吐出量の割り当てについても、例えば、容量の異なるポンプや固定速/可変速のポンプが混在する場合には、所定の吐出量までは可変速ポンプ起動からスタートし、所定吐出量を超えたところで固定速ポンプに切り替えるなどのルールも含む。また、停止直後のポンプは、所定の時間だけ起動対象から外すなどのルールを含めることもできる。

ステップＳ３０３では、ポンプ制御部１５がポンプ起動停止・吐出量決定工程を実行する。具体的には、ポンプ制御部１５は、上述のステップＳ３０３にて読み込んだルールに基づき、各ポンプ（各々複数台が設置された雨水ポンプ２１と汚水ポンプ２２）の起動停止、吐出量を決定し、内部バス２０を介してポンプ場シミュレータ１０へ転送する。ポンプ制御部１５は、ここで出力されたポンプの起動停止と吐出量に関する制御信号３３を、内部バス２０、通信Ｉ／Ｆ１６、及び通信Ｉ／Ｆ１６を介して、制御対象である下水ポンプ場２ａへ送信し、実際のポンプの制御動作が実行される。

上述した機能に加えて、監視制御装置１の使用者（下水ポンプ場２ａの運転者）を支援する機能として、表示部１８の表示画面上（図示せず）に運転状態や制御状態を視認可能に表示する構成とすることが望ましい。具体的には、リスク算出部１３により算出されたリスク指標を、該当する下水処理区８のマップ内に表示する。または、下水ポンプ場２ａのポンプなどの設備レイアウト図内に起動停止や吐出量の現況値或は数時間先までの先行制御の予測値などを表示する。これにより、現在の運転状態と制御状態を容易に且つ正確に把握し、必要な対策をとることが可能となる。

なお、本実施例では、制御対象である下水ポンプ場２ａに関連する施設又は設備として、同一の下水処理区８内に設置される他の下水ポンプ場２ａ，２ｂ，・・・２ｎ、及び下水処理場３とする場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものでは無い。例えば、制御対象である下水ポンプ場が接続される下水管渠と同一の下水管渠に接続される他の下水ポンプ場を、制御対象である下水ポンプ場に関連する施設又は設備としても良い。
また、上述の式（１）に規定される重み係数ｗｉ（ｉ：リスクの種類）を以下のように設定しても良い。同一の下水管渠に接続される複数の下水ポンプ場又は同一の下水処理区に設置される複数の下水ポンプ場及び下水処理場は、それぞれその設置場所が異なり、例えば、都市部或いは住宅地区を下水処理区とする下水処理場、比較的宅地の少ない田畑或いは山間部に比較的近い区域を下水処理区とする下水処理場等がある。都市部或いは住宅地区が下水処理区の場合においては、浸水リスクを回避することが必須となり、これに対し、比較的宅地の少ない田畑或いは山間部に比較的近い区域が下水処理区の場合においては、浸水リスクの回避優先度は低くなる。そのため、比較的宅地の少ない田畑或いは山間部に比較的近い区域が下水処理区の場合においては、下水ポンプ場からの直接放流（簡易放流）を多めに設定する、すなわち、浸水リスクに対する重み係数を低く設定しても良い。

以上のとおり、本実施例によれば、下水ポンプ場のみならず、当該下水ポンプ場以外の関連施設とも連携して、より広範な制御範囲に拡張可能な下水道設備の監視制御装置及び下水ポンプ場の運転制御方法を提供することが可能となる。
また、本実施例によれば、雨天時に下水処理区内に降った雨水が下水管渠に流入する合流式下水道において、従来は下水ポンプ場の水没などを回避するためのポンプ運転制御が行われてきた。本実施例では、これに加えて、その他の回避すべき事象のリスクも同時に考慮するだけでなく、他の下水ポンプ場や下水処理場と連携したポンプ運転制御を実現することにより、雨天時の下水流入量の増加に伴う下水処理区の浸水、下水処理場での処理水質悪化、簡易放流に伴う公共用水域への汚濁負荷増加を抑制することが可能となる。

なお、本発明は上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、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１・・・監視制御装置
２ａ，２ｂ，２ｎ・・・下水ポンプ場
３・・・下水処理場
４ａ，４ｂ，４ｎ・・・下水管渠
５ａ，５ｂ，５ｎ・・・流入管渠
６，６ａ，６ｂ，６ｎ・・・放流管渠
７・・・放流先
８・・・下水処理区
９・・・通信ネットワーク
１０・・・ポンプ場シミュレータ
１１・・・計測値取得部
１２・・・下水処理区ＤＢ
１３・・・リスク算出部
１４・・・ポンプ吐出量算出部
１５・・・ポンプ制御部
１６・・・通信Ｉ／Ｆ
１７・・・入出力Ｉ／Ｆ
１８・・・表示部
１９・・・入力部
２０・・・内部バス
２１・・・雨水ポンプ
２２・・・汚水ポンプ
２３・・・雨水ポンプ井
２４・・・水位計
２５・・・流入ゲート
２６・・・沈砂池
３１・・・外部計測値
３２・・・計測値
３３・・・制御信号

Claims (3)

1. 下水管渠に接続され、前記下水管渠から流入する下水を下水処理場及び／又は放流先へ送水する複数の下水ポンプ場を有する下水道設備の監視制御装置であって、
   前記監視制御装置は、
   前記複数の下水ポンプ場毎の水位に基づき、各下水ポンプ場に設置される少なくともポンプの動作、及び下水処理プロセスとしての活性汚泥処理を再現するポンプ場シミュレータと、
   前記ポンプ場シミュレータの情報を参照すると共に、制御対象となる一の下水ポンプ場及び前記一の下水ポンプ場と連携する下水処理場から放流先への汚濁負荷に基づく汚濁負荷リスク指標、及び同一の下水処理区内に設置される複数の下水管渠毎の水位に基づく前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに同一の下水処理区内に設置される複数の下水ポンプ場毎の水位に基づく前記下水ポンプ場の水没リスク指標を算出するリスク算出部と、
   前記汚濁負荷リスク指標、及び前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに前記下水ポンプ場の水没リスク指標が最小となる前記一の下水ポンプ場に設置されるポンプの吐出量を求めるポンプ吐出量算出部と、を有し、前記ポンプ吐出量算出部により求められたポンプの吐出量に基づき前記一の下水ポンプ場を制御することを特徴とする下水道設備の監視制御装置。
2. 請求項１に記載の下水道設備の監視制御装置において、
   前記ポンプ場シミュレータにより得られる前記各下水ポンプ場に設置されるポンプの運転状態又は前記汚濁負荷リスク指標及び前記下水ポンプ場の水没リスク指標を画面上に表示する表示部を備えることを下水道設備の監視制御装置。
3. 下水管渠に接続され、前記下水管渠から流入する下水を下水処理場及び／又は放流先へ送水する複数の下水ポンプ場の運転制御方法であって、
   ポンプ場シミュレータにより、前記複数の下水ポンプ場毎の水位に基づき、各下水ポンプ場に設置されるポンプの動作、及び下水処理プロセスとしての活性汚泥処理を再現し、
   前記ポンプ場シミュレータの情報を参照すると共に、制御対象となる一の下水ポンプ場及び前記一の下水ポンプ場と連携する下水処理場から放流先への汚濁負荷に基づく汚濁負荷リスク指標、及び同一の下水処理区内に設置される複数の下水管渠毎の水位に基づく前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに同一の下水処理区内に設置される複数の下水ポンプ場毎の水位に基づく前記下水ポンプ場の水没リスク指標を算出し、
   前記汚濁負荷リスク指標、及び前記下水処理区内の浸水リスク指標、並びに前記下水ポンプ場の水没リスク指標が最小となる前記一の下水ポンプ場に設置されるポンプの吐出量を求め、
   求めたポンプの吐出量に基づき前記一の下水ポンプ場を制御することを特徴とする下水ポンプ場の運転制御方法。

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