JPH0463757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、有機性廃水を嫌気性処理するメタ
ン製造装置の制御装置に関し、特に有機性廃水の
流入量とメタン製造装置で発生したメタンガスの
排出量の信号の時系列データおよびそれらの１階
時間差分時系列データの相互関係を分析してメタ
ン製造装置の運転状態を把握し、必要な運転管理
方法を指示することができるメタン製造装置の制
御装置に関する。

（従来の技術） 下水や産業廃水を嫌気的に処理し、介在するメ
タン醗酵によつて燃料として利用価値の高いメタ
ンガスを製造することは、処理テストの削減や発
生汚泥量の低減などが期待される有望な技術であ
る。

介在するメタン醗酵は、これを司どるメタン菌
が偏性の嫌気性細菌のために空気の混入を非常に
嫌い、さらに発生するガスが可燃性気体であるた
めに、装置全体を密閉系としなければならない。
そのため、従来の好気性および通性の装置と比
べ、醗酵の状態の監視が非常にしにくいものであ
る。

そこで、従来より、メタン製造装置に流入する
廃水の流量や有機物濃度および発生するガス量や
その組成、さらに流出する処理水の水質を検知
し、これらの値からメタン製造装置内部で生じて
いる生物化学反応の状態を解析する数理モデルが
利用されてきた。

（発明が解決しようとする課題） しかし、数理モデルによつて演算できる生物化
学反応は極めて限定されたものであり、かつ検出
可能な水質因子もPHやORP等種類が限られてい
ること、およびそれらのプロセス計測器としての
信頼性も好気性処理のものと比べてかなり低く、
数理モデルを用いた制御システム制御精度も極め
て低く、ほとんど実用に供し得ない状態である。

そのため、メタン製造装置の運転管理は従来、
上記のような制御システムによらず、自ずと運転
員の長年の経験に基づく管理手法に委ねられ、従
つて手動運転が主に行なわれており、汎用性のあ
るメタン製造装置の制御装置の出現が望まれてい
た。

ところで、メタン製造装置から得ることの出来
る信頼性のある信号は、水質に関する信号よりも
流量に関する信号であり、流量信号の中でも下水
や排水等の廃水の流入流量（以下、流入量と称す
る）と発生するガスの流出量（以下、ガス流量と
称する）とは、容易に長期間安定して得ることの
出来る信号である。

そこで、発明者は、これらの安定して得られる
メタン製造装置の流量信号を入力信号とする制御
システムに注目し、その開発を試みた。

一般的に、流入量とガス流量との関係は、現行
の手動運転によるメタン製造装置の管理手法にお
いても重要な監視項目である。すなわち、運転員
であるメタン製造装置の専門家（エキスパート）
は、流入量の特性およびガス流量の応答特性に関
し、相互に関係付ける規範を経験的に蓄積してお
り、その規範に準拠して日常の運転管理を行なつ
ている。

しかしながら、専門家（エキスパート）が準拠
する規範はしばしば個々人によつて異なつてお
り、しかも使用する用語も共通でない場合があ
る。そのため、従来の手動による運転管理は実用
的ではあるが体系的でなく、また専門家ではある
が客観性に乏しいという問題点があつた。

さらに、メタン製造装置の形式や装置の規模、
廃水の性質の違いによつてその判断がばらつくと
いう問題点もあつた。

この発明は、このような従来のメタン製造装置
の制御装置の問題点に鑑みてなされたもので、流
入量とガス流量という従来の経験的管理方法にお
いて重要であり、かつ信頼性のある信号の時系列
データを活用し、これら２種類の信号の時系列デ
ータおよびそれらの１階時間差分時系列データの
相互関係を分析して特徴を抽出し、運転操作員
（エキスパート）の経験的知識との特徴の比較に
より最適な運転管理方法を見出だすことのできる
メタン製造装置の制御装置を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明は、都市下水や工場排水等の有機性廃
水を嫌気性処理してメタンガスとして回収し、そ
の有機性廃水の流入量とその回収されるメタンガ
スの排出量を計測し、かつ運転熟練者の経験を考
慮した知識ベースで運転制御できるメタン製造装
置の制御装置において、 メタン製造装置に流入する有機性廃水の流量信
号とメタンガスの排出流量信号それぞれの時系列
データとそれらの１階時間差分時系列データを記
憶するデータ記憶部と、前記データ記憶部に記憶
されたこれらの信号データから時間要素を消去し
て得られる相互関係からプロセスの特徴を抽出す
る分析部と、前記信号データの相互関係の特徴と
メタン製造装置の運転管理方法との因果関係を定
めた知識ベースと、前記分析部の分析結果と前記
知識ベースの知識データを修正して運転管理方法
を決定する推論部とを備えたものである。

（作用） 一般に、メタン製造装置のようなプロセスの信
号を専門家（エキスパート）の経験的知識を用い
る制御システムに利用する場合、しばしば時系列
信号は様々な手法で分析され、その分析結果が制
御システムにおけるプロセスの知識に変換され
る。

そこで、この発明のメタン製造装置の制御装置
では、有機性廃水の流入量とメタンガスの排出量
との２種類の信号の時系列データの相互関係は、
双方の共通の変数である時間を消去することによ
つて記述される。すなわち、時系列信号Ｘ，Ｙ
は、 Ｙ＝Ｆ(t) Ｙ＝Ｇ(t) ……(1) と表わされ、これらのデータから時間要素を消去
するためには、２次元（ｘ，ｙ）座標上に（Ｘ，
Ｙ）＝（Ｆ(t)、Ｇ(t)）をプロツトすることによつて
図形として表現することにより実現できる。

この図形の性質は、プロセスの状態を反映して
おり、かつ運転操作の方法と直接関連している。

そこで、この図形から特性を抽出し、エキスパ
ートの経験的知識から得られた知識ベースと比較
することにより、プロセスの運転状態を把握する
と共に、必要な運転管理方法を自動的に見出だす
ことができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説す
る。

第１図はこの発明の一実施例を示すブロツク図
であり、制御装置１は、データ記憶部２、分析部
３、知識ベース４および推論部５から構成されて
いる。

そして、メタン製造装置６からのデータの入力
端７がデータをデータ記憶部２に与えるようにな
つている。また推論部５の出力はインタフエース
部８を介して表示器９に接続され、同時にメタン
製造装置６の操作出力端１０に接続されている。

前記分析部３は、第２図に示すように線図化回
路１１と、この線図化回路１１からの線図情報を
基にしてメタン製造装置６の属性値を抽出する属
性値演算回路１２と、この属性値演算回路１２に
対して属性パラメータを与える属性パラメータ記
憶回路１３とから構成されている。

上記の構成のメタン製造装置の制御装置の動作
について、次に説明する。

制御装置１は、メタン製造装置６から入力端７
を介してメタン製造装置６に流入する廃水の流入
量信号と、メタン製造装置６内で発生したメタン
ガスの排出量信号とを取り込み、データ記憶部２
にメタン製造装置６の時系列データとして記憶す
る。

次に分析部３において、上記時系列データから
入出力信号間の相互関係の特性を表わす特徴リス
トが後述する手順で生成される。

この特徴リストは、知識ベース４に送られ、知
識ベース４に格納されている知識データを修正す
る。

この修正された知識ベース４内の知識データ
は、推論部５に参照されて記号処理され、メタン
製造装置６を制御するための最適な運転管理方法
を決定する。

そして、この推論部５による運転管理方法の決
定内容が、制御装置１の出力としてインタフエー
ス部８を介して表示器９と操作出力端１０とに与
えられる。

このような推論動作により、制御装置１内に取
り込まれる時系列データを基にして最適な運転管
理方法の自動決定がなされるのであるが、前記分
析部３における特徴リスト生成の演算動作につい
て、さらに詳しく説明すると、第２図に示すよう
になる。

第２図の分析部３において、第１図に示したデ
ータ記憶部２に記憶されている少なくとも２種の
プロセス信号の時系列データ（Ｆ(t)、Ｇ(t)）を読
み込み、線図化回路１１に入力される。

線図化回路１１においては、２種の時系列デー
タは、それぞれ次式に従つて規格化される。

ｘ(t)＝Ｆ(t)−X^T／σx ……(2) ｙ(t)＝Ｇ(t)−Y^T／σy ……(3) ここで、Ｆ(t)、Ｇ(t)は時系列データ、σx、σy
は標準偏差、X^T、Y^Tは時系列データＦ(t)、Ｇ(t)
の期間Ｔの間の平均値である。

次に規格化された時系列データｘ(t)、ｙ(t)は、
次式に従つて時間差分時系列データに変換され
る。

ｘ・(t)＝ｘ(t)−ｘ（ｔ−１） ……(4) ｙ・＝ｙ(t)−ｙ（ｔ−１） ……(5) ここで、ｔ，ｔ−１，ｔ−２，……はサンプリ
ング時刻、ｘ・(t)、ｙ・(t)は時間差分時系列データを
示している。

さらに、規格化されたプロセス信号（ｘ，ｙ）
と、その１階時間差分信号（ｘ・，ｙ・）とは、それ
ぞれ第３図ａ，ｂに示すように時間要素を消去し
た相互関係を示す線図として表わされる。この第
３図ａ，ｂの時系列データの線図は、その期間Ｔ
として24時間の毎時間ごとの信号を用いたもので
ある。

このようにして得られた線図は、ついで属性値
演算回路１２に伝送される。

属性値演算回路１２では、属性パラメータ記憶
回路１３において予め定義しておいた属性パラメ
ータの値が演算される。

その演算結果は、第４図に示すようなものとな
り、特徴リストとして出力される。

このようにして生成された特徴リストは、属性
と属性値一対の集合としてメタン製造装置６の期
間Ｔにおける特徴を表わしており、属性リスト、
すなわち（属性、属性値）の集合として推論部５
における推論演算によつて知識ベース４の知識デ
ータと対照され、メタン製造装置６の運転管理方
法の決定に利用される。

前記知識ベース４には、第４図の特徴リストに
おける上記の属性リストと運転管理指標との関係
を予め定めた知識データが記憶されている。

推論部５の推論によつて決定されたメタン製造
装置６の運転管理指標は、制御装置１から出力さ
れ、推論部５での決定の内容および推論に用いら
れた知識ベース４内の知識データおよび、推論の
筋道等が表示器９に表示されて運転員に知らせる
と共に、決定された運転管理指標の内容がメタン
製造装置６の操作出力端１０に伝送される。

ここで、特徴リストの属性リストと知識ベース
４内の知識データとの対照により推論動作によつ
て運転管理方法を決定するルールの例を示してみ
ると、次のようになる。

RULE OVERLOAD1 IF （線図形XY＝長円）、 かつ（平均値Ｘ＝レベル−(2)）、 かつ（面積Ｘ・Ｙ・＝レベル−(3)）、 THEN （汚泥引抜＝−25％） すなわち、第３図ａの線図の形が長円であり、
かつ処理水量Ｘの平均値が予め決められている級
数おうちレベル−(2)であり、かつ第３図ｂで示し
た線図の面積が予め決められている級数のうちレ
ベル−(3)である場合には、第１図のメタン製造装
置６には汚泥が多く蓄積されているので、その４
分の１（25％）を除去しなければならない、とい
う運転管理方法が出力されるのである。

このようにして、メタン製造装置６への廃水の
流入量信号とメタン製造装置６内で発生したメタ
ンガスの流出量信号に対して、時間要素を消去し
て相互関係を求め、また１階時間差分値について
もその時間要素を消去することにより相互の関係
を求め、特徴リストを抽出する。

そして、得られた特徴リストを知識ベース４の
知識データとの照合により必要な運転管理方法を
指示することができ、エキスパートの判断に近い
適確な運転管理方法を自動的に決定することがで
きるのである。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、メタン製造装
置の有機性廃水の流入量信号とメタンガスの排出
量信号それぞれの時系列データおよびそれらの１
階時間差分時系列データから時間要素を消去して
これらの信号相互の関係を求め、その相互間の特
徴を知識ベースと比較して推論し、必要な運転管
理方法を決定するものであるため、専門家（エキ
スパート）の経験に基づく判断に近い判断が自動
的に実行でき、極めて適確な運転管理を行なうこ
とができる。

しかも、メタン製造装置の有機性廃水の流入量
信号とメタンガスの排出量信号それぞれの１階時
間差分時系列データについてもその時間要素を消
去して信号相互の関係を求め、知識ベースと比較
して推論し、運転管理方法を決定するようにして
いるので、プロセスの変化の方向を反映し、かつ
運転操作の方法と直接関連する特徴を抽出するこ
とができ、この結果として、メタン製造装置の変
動特性も考慮した運転管理方法が決定でき、メタ
ン製造装置の運転状態の大きな変化に対しても追
従性の良い運転管理が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロツク図、第
２図は上記実施例における分析部の詳しい構成を
示すブロツク図、第３図は上記実施例により得ら
れた特性線図、第４図は上記実施例で得られる特
徴リストの構造図である。 １……制御装置、２……データ記憶部、３……
分析部、４……知識ベース、５……推論部、６…
…メタン製造装置、１１……線図化回路、１２…
…属性値演算回路、１３……属性パラメータ記憶
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 都市下水や工場排水等の有機性廃水を嫌気性
   処理してメタンガスとして回収し、その有機性廃
   水の流入量とその回収されるメタンガスの排出量
   を計測し、かつ運転熟練者の経験を考慮した知識
   ベースで運転判断するメタン製造装置の制御装置
   において、 メタン製造装置に流入する有機性廃水の流量信
   号とメタンガスの排出流量信号それぞれの時系列
   データとそれらの１階時間差分時系列データを記
   憶するデータ記憶部と、前記データ記憶部に記憶
   されたこれらの信号データから時間要素を消去し
   て得られる相互関係からプロセスの特徴を抽出す
   る分析部と、前記信号データの相互関係の特徴と
   メタン製造装置の運転管理方法との因果関係を定
   めた知識ベースと、前記分析部の分析結果と前記
   知識ベースの知識データを修正して運転管理方法
   を決定する推論部とを備えて成るメタン製造装置
   の制御装置。