特開 2024-176613 最適化装置、最適化方法および最適化プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176613

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】最適化装置、最適化方法および最適化プログラム

(51)【国際特許分類】

   G05B 13/02 20060101AFI20241212BHJP

   G06Q 50/06 20240101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

G05B13/02 A

G06Q50/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095313

(22)【出願日】2023-06-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度国土技術政策総合研究所「ＡＩを用いた分流式下水道における雨天時侵入水対策技術実証研究」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】金澤 哲夫

(72)【発明者】

【氏名】土井 護

(72)【発明者】

【氏名】大西 直

(72)【発明者】

【氏名】上野 洋平

(72)【発明者】

【氏名】須田 聡

【テーマコード（参考）】

5H004

5L049

5L050

【Ｆターム（参考）】

5H004GA30

5H004GB08

5H004HA01

5H004HA02

5H004HA04

5H004HA05

5H004HB01

5H004HB02

5H004HB04

5H004HB05

5H004KC02

5H004KC31

5L049CC06

5L050CC06

(57)【要約】

【課題】外乱の存在する制御対象の制御に用いる制御パラメータを求めるための計算時間を低減することが可能な最適化装置を得ること。
【解決手段】制御対象２の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化装置１であって、制御対象２に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得する外乱情報取得部である情報取得部１１と、外乱情報に基づいて、制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求める最適化部１２と、を備え、最適化部１２は、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも最適化処理に使用する目的関数の数を制限することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御対象の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化装置であって、
前記制御対象に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得する外乱情報取得部と、
前記外乱情報に基づいて、前記制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って前記制御パラメータの最適解を求める最適化部と、
を備え、
前記最適化部は、前記外乱情報が示す前記外乱のピークまでの期間である第１の期間において、前記外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも前記最適化処理に使用する前記目的関数の数を制限することを特徴とする最適化装置。

【請求項2】

前記最適化部は、前記第１の期間において１つの前記目的関数を使用する単目的最適化処理を行い、前記第２の期間において複数の前記目的関数を使用する多目的最適化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項3】

前記最適化部は、前記第２の期間において前記目的関数に設定された変数のうちの一部を、前記第１の期間において前記目的関数に設定する変数から除外し、除外した前記変数を用いた制約条件の下で前記制御パラメータの前記最適解を求めることを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項4】

前記最適化部が前記第１の期間において使用する前記目的関数は、前記制御対象の消費エネルギーを示す前記目的関数を含むことを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項5】

前記制御対象の前記消費エネルギーを示す前記目的関数は、前記制御対象の消費電力を少なくとも含むことを特徴とする請求項４に記載の最適化装置。

【請求項6】

前記制御対象は、下水処理システムであり、
前記制御パラメータは、前記下水処理システムが有する揚水ポンプの揚水量であり、
前記外乱は、前記下水処理システムへの下水の流入量であることを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項7】

前記最適化部は、前記第２の期間において、前記下水処理システムの消費電力と、前記下水処理システムに貯めた処理前の前記下水の水位と、前記下水処理システムから放流する処理水の水質とを前記目的関数とする多目的最適化を実行することによって、前記揚水量の前記最適解を求めることを特徴とする請求項６に記載の最適化装置。

【請求項8】

前記最適化部は、前記第１の期間において、前記下水処理システムの消費電力を最小化する単目的最適化を実行することによって、前記揚水量の前記最適解を求めることを特徴とする請求項６または７に記載の最適化装置。

【請求項9】

前記最適化部は、前記外乱情報に基づいて前記目的関数の数を制限するか否かを判断し、前記目的関数の数を制限しないと判断した場合、前記第１の期間において前記第２の期間と同数の前記目的関数を使用することを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項10】

前記外乱情報取得部は、前記外乱の大きさの予測値を前記外乱情報として取得することを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項11】

前記最適化部は、前記第１の期間における前記最適化処理の対象期間の長さを、前記第２の期間における前記対象期間の長さよりも長くすることを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項12】

前記最適化部は、前記第１の期間において、２つ以上であって前記第２の期間において使用する前記目的関数の数よりも少ない前記目的関数を使用する多目的最適化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の最適化装置。

【請求項13】

前記最適化部は、前記第１の期間において、前記制御対象が使用する複数の種類のエネルギーのそれぞれの消費エネルギーを示す前記目的関数を使用することを特徴とする請求項１２に記載の最適化装置。

【請求項14】

最適化装置が、制御対象の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化方法であって、
前記制御対象に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得するステップと、
前記外乱情報に基づいて、前記制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って前記制御パラメータの最適解を求めるステップと、
を含み、
前記最適解を求めるステップでは、前記外乱情報が示す前記外乱のピークまでの期間である第１の期間において、前記外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する前記目的関数の数を制限することを特徴とする最適化方法。

【請求項15】

コンピュータシステムに、
制御対象に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得するステップと、
前記外乱情報に基づいて、前記制御対象の制御に用いる制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って前記制御パラメータの最適解を求めるステップと、
を実行させ、
前記最適解を求めるステップでは、前記外乱情報が示す前記外乱のピークまでの期間である第１の期間において、前記外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する前記目的関数の数を制限することを特徴とする最適化プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御対象の制御に用いる制御パラメータの値を最適化処理によって求める最適化装置、最適化方法および最適化プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

制御対象の制御に用いる制御パラメータの値を求める際に、制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数として設定されたものの値が最適化されるような制御パラメータの値を探索する最適化処理が用いられることがある。１つの目的関数を使用するものを単目的最適化処理と呼び、複数の目的関数を使用するものを多目的最適化処理と呼ぶ。

【0003】

例えば、特許文献１では、多目的最適化処理によって、制御対象の制御パラメータの値を最適化する最適化装置において、制御対象が積分系を持つ場合に、目標値へ向かって制御する途中の状態の過渡状態区間と、定常状態区間とで、制御パラメータの値を個別に最適化対象とする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１００７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、多目的最適化処理では、目的関数の数が増えるほど制御パラメータの値に関係する多くの要因を考慮することが可能であるが、最適化処理にかかる計算時間が増大するという問題があった。特に、制御対象に対して外乱が存在する場合、外乱による影響が支配的となる期間では、多くの目的関数を考慮した多目的最適化処理を実行しても現実的な解を得ることができないにも関わらず、計算時間が増大してしまっていた。

【0006】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、外乱の存在する制御対象の制御に用いる制御パラメータを求めるための計算時間を低減することが可能な最適化装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る最適化装置は、制御対象の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化装置であって、制御対象に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得する外乱情報取得部と、外乱情報に基づいて、制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求める最適化部と、を備え、最適化部は、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも最適化処理に使用する目的関数の数を制限することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、外乱の存在する制御対象の制御に用いる制御パラメータを求めるための計算時間を低減することが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１にかかる最適化装置の構成例を示す図

【図2】最適化部の動作についての説明図

【図3】制御対象が下水処理システムである場合の適用例を示す図

【図4】最適化装置が出力する表示画面の一例を示す図

【図5】実施の形態１にかかる最適化装置の動作の第１の例を説明するためのフローチャート

【図6】実施の形態１にかかる最適化装置の動作の第２の例を説明するためのフローチャート

【図7】制御対象が空気調和システムである場合の適用例を示す図

【図8】実施の形態２にかかる最適化装置の動作例を説明するためのフローチャート

【図9】最適化装置を実現するコンピュータシステムの構成例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示の実施の形態に係る最適化装置、最適化方法および最適化プログラムを図面に基づいて詳細に説明する。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる最適化装置１の構成例を示す図である。最適化装置１は、制御対象２の制御に用いる制御パラメータを最適化処理によって求める装置である。最適化装置１は、制御対象２および情報提供サーバ３から最適化処理に用いる情報を取得することが可能な情報取得部１１と、情報取得部１１が取得した情報に基づいて最適化処理を行う最適化部１２と、最適化部１２による最適化結果を出力する結果出力部１３とを有する。制御対象２には、外乱が存在している。外乱とは、ここでは、制御対象２の状態に影響を与える要素であって、制御対象２の外部で発生し、制御対象２の操作員による制御が困難な要素である。

【0012】

情報取得部１１は、最適化処理に用いる情報を取得する。情報取得部１１は、制御対象２から制御対象２の状態を示す状態変数の実測値を取得することができる。情報取得部１１は、必要な場合、情報提供サーバ３が配信している情報を取得することもできる。例えば、情報取得部１１は、情報提供サーバ３が配信する降水量などの気象情報を取得することができる。情報取得部１１は、取得した情報を最適化部１２に出力する。

【0013】

最適化部１２は、情報取得部１１が取得した情報に基づいて、最適化処理を行うことにより、制御対象２の制御パラメータの値を求める。制御パラメータは、制御対象２の制御に用いる変数であって、制御対象２に対する設定値などである。最適化処理は、制御対象２の制御パラメータの値に応じて値が変化する変数である状態変数のうち目的関数に設定したものの値が最適化されるような制御パラメータの値を探索する手法である。状態変数は、例えば、制御対象２の状態を示す変数など、制御対象２に関する対象の状態を示す変数である。制御対象２が空気調和機など制御対象２の利用者の状態に変化を及ぼすものである場合、状態変数は、制御対象２の利用者の状態を示す変数であってもよい。最適化部１２は、第１の最適化部１２１と、第２の最適化部１２２とを有する。第１の最適化部１２１は、第２の最適化部１２２よりも目的関数の数を制限した最適化処理を実行する。例えば、第１の最適化部１２１は、１つの目的関数を使用する単目的最適化処理を行う。なお、第１の最適化部１２１が使用する目的関数の数は、第２の最適化部１２２が使用する目的関数の数よりも少なければよく、２つ以上の目的関数を使用してもよい。第２の最適化部１２２は、第１の最適化部１２１よりも多い目的関数を使用する多目的最適化処理を行う。

【0014】

多目的最適化処理とは、複数の目的関数を最適化するような解を発見する手法である。多目的最適化処理では、制約条件を満たす範囲内で、複数の目的関数の最適化を行う。ここでは、制御対象２の状態が好ましい状態である場合に目的関数の値が小さくなるように目的関数を設定することとする。目的関数の間には、トレードオフの関係が存在する場合もあり、全ての目的関数を最小化することは困難である。このため、多目的最適化処理では、目的関数をｆ₁，ｆ₂，ｆ₃とし、各目的関数に対する重みをα，β，γとした場合、以下の数式（１）で示すような複数の目的関数の重み付け線形和であるＦ（Ｘ）が最小となるように、パレート解を求める。なお、ここでは目的関数の数が３つの場合を示したが、目的関数の数が２つの場合や４つ以上の場合も同様であり、Ｆ（Ｘ）を複数の目的関数の重み付け線形和とすることができる。

【0015】

【数1】

【0016】

図２は、最適化部１２の動作についての説明図である。図２の横軸は時間を示しており、図２の縦軸は外乱の大きさを示している。最適化部１２は、外乱の大きさを示す外乱情報に基づいて、処理対象の期間を、外乱のピークまでの期間である第１の期間と、外乱のピーク以降の期間である第２の期間とに分ける。そして、第１の期間においては第１の最適化部１２１による最適化処理、例えば単目的最適化処理を行い、第２の期間においては第２の最適化部１２２による多目的最適化処理を行うことによって、第１の期間において、第２の期間よりも最適化処理に使用する目的関数の数を制限する。図２では、外乱の値がピークとなる時刻ｔ_pまでの期間を第１の期間、時刻ｔ_p以降の期間を第２の期間とする。なお、最適化部１２は、第１の期間および第２の期間のそれぞれを、さらに複数の期間に分けて、各対象期間毎に最適化処理を行って、制御パラメータの最適解を求めることができる。図２においては、横軸に平行な直線で示す複数の期間のそれぞれが、１回の最適化処理の対象期間である。図２に示すように、最適化部１２は、第１の期間における１回の最適化処理の対象期間の長さＤ１を、第２の期間における対象期間の長さＤ２よりも長くすることができる。なお、ここでは第１の期間における対象期間の長さＤ１を第２の期間における対象期間の長さＤ２よりも長くすることとしたが、Ｄ１はＤ２と等しくてもよい。また、Ｄ１をＤ２よりも短くすることを妨げるものでもないが、第１の期間では、外乱の影響が支配的となるため、Ｄ１を短くしても現実的な解を得ることは困難である。このため、Ｄ１をＤ２よりも長くすることで、さらに、最適化処理にかかる計算時間を低減することができる。また、ここでは、第１の期間および第２の期間のそれぞれの中では、対象期間の長さは一定であることとしたが、対象期間の長さはかかる例に限定されず、一定でなくてもよい。

【0017】

図１の説明に戻る。結果出力部１３は、最適化部１２の最適化処理の結果である最適化結果を出力する。結果出力部１３が最適化結果を出力する方法は、特に制限されない。例えば、結果出力部１３は、表示画面、音声、ランプの点灯などにより、制御対象２の操作員に最適化結果を制御対象２の運転に関するガイダンス情報として出力することによって操作員の作業を支援してもよいし、最適化結果を制御対象２を制御するための設定値として、操作員を介さずに制御対象２に直接出力してもよい。また、結果出力部１３は、表示画面などによって最適化結果を操作員に提供した後、操作員が最適化結果の制御パラメータを採用する操作を行った場合、その制御パラメータの値を設定値として制御対象２に出力するように構成してもよい。

【0018】

図３は、制御対象２が下水処理システム２Ａである場合の適用例を示す図である。ここでは、一般的な下水処理システム２Ａの構成を説明する。下水処理システム２Ａは、下水を運ぶ下水管２１と、下水管２１から下水が流入する流入渠２２と、流入渠２２からの下水中の土砂やゴミなどを沈澱させて取り除くためのため池である沈砂池２３と、沈砂池２３からの下水が流入するポンプ井２４とを有する。

【0019】

ポンプ井２４までたどり着いた下水は、揚水ポンプ２５によって、次の処理施設である最初沈澱池２６に流れるように汲み上げられる。揚水ポンプ２５は、設定された揚水量で下水を汲み上げる。揚水ポンプ２５によって汲み上げられるまでは下水はポンプ井２４に溜まることになるため、揚水ポンプ２５に設定される揚水量によって、下水処理システム２Ａの下水処理量が制御される。

【0020】

最初沈澱池２６は、汚れた下水を静かに流すことによって、沈砂池２３で沈澱されなかった小さなゴミや泥などを沈澱させて下水の汚れを取り除く。最初沈澱池２６による処理後の下水は反応槽２７に流入する。反応槽２７は、微生物に下水中の汚れを食べさせることによって、下水をきれいにする設備である。反応槽２７では、活性汚泥と呼ばれる微生物が存在する泥と最初沈澱池２６からの下水とを混ぜて処理するため、反応槽２７による処理後の下水には活性汚泥が含まれている。この活性汚泥が含まれた下水は、反応槽２７から最終沈澱池２８に送られる。最終沈澱池２８は、反応槽２７からの下水をゆっくり流して、活性汚泥を沈澱させてきれいな水を取り出す。最終沈澱池２８で取り出されたきれいな水は、消毒設備２９に送られる。消毒設備２９は、最終沈澱池２８からの処理後のきれいな水を消毒してから処理水として河川などに放流する。消毒設備２９は、薬品を使用して水を消毒する。

【0021】

上述のような下水処理システム２Ａを制御対象２とした場合、例えば、最適化装置１が解として求める制御パラメータは、揚水ポンプ２５の揚水量である。また、下水処理システム２Ａの外乱は、下水処理システム２Ａへの下水の流入量である。下水処理システム２Ａへの下水の流入量は、例えば、降水量によって変化する。下水処理システム２Ａの熟練操作員は、揚水量を決定する際には複数の事項を考慮している。例えば、熟練操作員が考慮している事項としては、浸水リスクの低減、放流水質の確保、処理コストの低減などが挙げられる。下水処理システム２Ａの浸水リスクを下げるためには、下水処理システム２Ａに貯めた処理前の下水の水位である流入渠２２の水位を低くするために揚水量を大きくした方が好ましい。また、放流水質を確保するためには、水質総量値を低くし、かつ汚泥界面を低くする方が好ましいため、揚水量を下げる方が好ましい。さらに処理コストを低減するためには、電気代を使いすぎないように揚水量を下げる方が好ましい。このため、制御対象２が下水処理システム２Ａである場合、第２の最適化部１２２が使用する目的関数は、下水処理システム２Ａに貯めた処理前の下水の水位である流入渠２２の水位、下水処理システム２Ａから放流する処理水の水質、および、下水処理システム２Ａの消費電力とすることができる。消費電力は、消費エネルギーの一例である。また、第２の最適化部１２２は、デマンドピーク、水位、コスト、水質を使用した制約条件を用いることができる。

【0022】

情報取得部１１は、下水処理システム２Ａの状態を示す状態変数を取得することができる。状態変数としては、例えば、流入渠２２の水位、下水処理システム２Ａが放流する処理水の水質である放流水質などが挙げられる。また、情報取得部１１は、下水処理システム２Ａへの外乱の大きさを示す流入量の実測値を下水処理システム２Ａから取得することができる。さらに、情報取得部１１は、情報提供サーバ３から下水処理システム２Ａの存在する位置における降雨データを取得し、降雨データに基づいて、下水処理システム２Ａへの下水の流入量の予測値を推定してもよい。ここでは、情報取得部１１は、外乱情報として、下水の流入量の予測値を取得し、最適化部１２は、取得した流入量の予測値の予測期間である将来の対象期間における揚水量の最適解を求めることができる。情報取得部１１は、外乱情報を取得する外乱情報取得部の一例である。

【0023】

上述の通り、外乱の影響が支配的となる状況下では、多くの目的関数を使用して最適化処理を行っても、現実的な解を得られないことがある。このため、最適化装置１の最適化部１２では、外乱のピークまでの期間である第１の期間では、単目的最適化処理を行い、外乱のピーク以降の期間である第２の期間では、多目的最適化処理を行う。このとき、最適化部１２は、第１の期間では、消費電力を目的関数とする単目的最適化処理を行う。

【0024】

以下に、下水処理システム２Ａに適用した場合の第２の最適化部１２２の処理について説明する。水位を示す目的関数ｆ₁と、消費電力を示す目的関数ｆ₂と、水質を示す目的関数ｆ₃とを用いる場合、第２の最適化部１２２は、上記の数式（１）で示すＦ（Ｘ）が最小化するように目的関数を最適化する。この場合、各目的関数は、例えば、以下の数式（２）～（４）で表される。

【0025】

【数2】

【0026】

数式（２）のｙ₁は、流入渠２２の水位である。水位を示す目的関数ｆ₁は、流入渠２２の水位から２を減算した値を、「４－２．３」で除算したものの二乗の、対象期間における平均値である。

【0027】

【数3】

【0028】

数式（３）のｙ₂は、消費電力であり、消費電力を示す目的関数ｆ₂は、対象期間における消費電力ｙ₂の平均値である。

【0029】

【数4】

【0030】

数式（４）のＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）は、水中の汚濁物質の量について、それが酸化剤で化学的に酸化するときに消費される酸素量で表したものである。また、ＴＮ（Total Nitrogen）は、アンモニア性窒素、硝酸性窒素などの窒素化合物の総和である。ＴＰ（Total Phosphorus）は、リン酸イオンと有機リンとの総和である。Ｑ_Totalは、水質総量値を表す指標であり、総量規制値に対する割合で示している。

【0031】

また、第２の最適化部１２２は、例えば、以下の数式（５）～（９）で表す制約条件ｇ₁～ｇ₅の下で最適化処理を行うことができる。

【0032】

【数5】

【0033】

数式（５）に示す制約条件ｇ₁は、水位ｙ₁の管理基準値である上限値を定めたものであり、ここでは水位ｙ₁が５．８ｍを超過しないように最適化処理が行われる。

【0034】

【数6】

【0035】

数式（６）に示す制約条件ｇ₂は、揚水量ｕ（ｔ）の上限値を定めたものであり、ここでは、４０００ｍ³／ｈを超えないように最適化処理が行われる。

【0036】

【数7】

【0037】

数式（７）に示す制約条件ｇ₃は、揚水量ｕ（ｔ）の上限値を定めたものであり、ここでは、６０００ｍ³／ｈを超えないように最適化処理が行われる。制約条件ｇ₂および制約条件ｇ₃は、いずれか一方が使用される。

【0038】

【数8】

【0039】

数式（８）に示す制約条件ｇ₄のＤｅｍａｎｄ（ｕ（ｔ））は、消費電力のデマンド値である。制約条件ｇ₄は、デマンド値の上限値を定めたものであり、デマンド値が契約電力値、ここでは１９９０ｋＷを超過しないように最適化処理が行われる。

【0040】

【数9】

【0041】

数式（９）に示す制約条件ｇ₅は、水質総量値を表す指標であるＱ_totalの上限値を定めたものであり、ここでは、０．８を超過しないように最適化処理が行われる。Ｑ_totalは、総量規制値に対する割合で水質総量値を示しているため、排出する水の水質総量値が総量規制値の８０％以下となるように最適化処理が行われる。

【0042】

結果出力部１３は、表示画面を用いて、操作員に対して、最適化結果を出力することができる。

【0043】

図４は、最適化装置１が出力する表示画面の一例を示す図である。図４には、上から順に、最適化処理の結果として求められる揚水量、電力、および水位の経時変化が示されている。このような表示画面を表示することで、操作員による揚水量の設定を補助することが可能になる。また、設定する揚水量によって、水位や水質がどのように変化するのかを操作員が確認しながら揚水量を設定することが可能になる。

【0044】

図５は、実施の形態１にかかる最適化装置１の動作の第１の例を説明するためのフローチャートである。最適化装置１の最適化部１２は、最適化処理の実行タイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。最適化処理の実行タイミングの判断基準については特に制限はない。例えば、最適化部１２は、一定の時間間隔で最適化処理を実行してもよいし、予め定められた時間が到来したタイミングで最適化処理を実行してもよいし、その他、予め定められた条件を満たしたタイミングで最適化処理を実行してもよい。

【0045】

最適化処理の実行タイミングではないと判断した場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、最適化部１２は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

【0046】

最適化処理の実行タイミングであると判断した場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、最適化部１２は、まず、外乱情報に基づいて、情報取得部１１が取得した情報のうち、外乱のピークまでの期間である第１の期間の情報を用いて、第１の期間に対する単目的最適化処理を第１の最適化部１２１により実行する（ステップＳ１０２）。

【0047】

続いて最適化部１２は、外乱情報に基づいて、情報取得部１１が取得した情報のうち、外乱のピーク以降の期間である第２の期間の情報を用いて、第２の期間に対する多目的最適化処理を第２の最適化部１２２により実行する（ステップＳ１０３）。

【0048】

最適化部１２が最適化結果を結果出力部１３に出力すると、結果出力部１３は、例えば表示画面などの手段を用いて、最適化結果を出力する（ステップＳ１０４）。

【0049】

図６は、実施の形態１にかかる最適化装置１の動作の第２の例を説明するためのフローチャートである。以下、図５に示す第１の例と異なる部分について主に説明する。第２の例では、最適化処理の実行タイミングであると判断した場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、最適化部１２は、目的関数の数を制限するか否かを判断する（ステップＳ２０１）。例えば、最適化部１２は、ステップＳ２０１の処理において、外乱情報に基づいて、外乱の大きさの絶対値に基づいて目的関数の数を制限するか否かを判断する。例えば、最適化部１２は、外乱の大きさの絶対値が予め定めた閾値以上である場合、目的関数の数を制限すると判断し、閾値未満である場合、目的関数の数を制限しないと判断することができる。

【0050】

目的関数の数を制限すると判断した場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、図５のステップＳ１０２以降と同様の処理が行われる。目的関数の数を制限しないと判断した場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、最適化部１２は、外乱のピーク前後に関わらず全期間に対して、多目的最適化処理を第２の最適化部１２２により実行する（ステップＳ２０２）。ここで行う多目的最適化処理は、処理対象の期間が第１の期間および第２の期間を含む全期間となる以外はステップＳ１０３の処理と同様である。ステップＳ１０３またはステップＳ２０２の処理が実行された後、ステップＳ１０４の処理が実行される。

【0051】

以上説明したように、実施の形態１によれば、制御対象２の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化装置１であって、制御対象２に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得する外乱情報取得部である情報取得部１１と、外乱情報に基づいて、制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求める最適化部１２と、を備え、最適化部１２は、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する目的関数の数を制限する。これにより、外乱のピークまでの期間では、外乱のピーク以降の期間よりも計算時間を低減することができ、外乱が存在する制御対象２の制御パラメータを求めるための計算時間を低減することが可能になる。

【0052】

また、最適化部１２は、第１の期間において１つの目的関数を使用する単目的最適化処理を行い、第２の期間において複数の目的関数を使用する多目的最適化処理を行うことができる。

【0053】

また、最適化部１２は、第２の期間において目的関数に設定された状態変数のうちの一部を、第１の期間において目的関数に設定する状態変数から除外し、除外した状態変数を用いた制約条件の下で制御パラメータの最適解を求めることができる。これにより、特定の状態変数について、最適化の対象から除外しつつ、一定の条件を満たすように、制御パラメータを求めることが可能になる。

【0054】

最適化部１２が第１の期間において使用する目的関数は、制御対象２の消費エネルギーを示す目的関数を含むことができる。このとき、制御対象２の消費エネルギーを示す目的関数は、制御対象２の消費電力を少なくとも含むことができる。この場合、外乱のピークまでの期間では、消費エネルギー、特に、消費電力を最適化の対象としつつ、外乱の影響を受けて現実的な最適解を得ることが困難となっている他の目的関数については、最適化の対象から除外することが可能になる。

【0055】

また、実施の形態１において、制御対象２は、下水処理システム２Ａであり、この場合、制御パラメータを、下水処理システム２Ａが有する揚水ポンプ２５の揚水量とし、下水処理システム２Ａへの下水の流入量を外乱として取り扱うことができる。このとき、最適化部１２は、第２の期間において、下水処理システム２Ａの消費電力と、下水処理システム２Ａに貯めた処理前の下水の水位と、下水処理システム２Ａから放流する処理水の水質とを目的関数とする多目的最適化を実行することによって、揚水量の最適解を求めることができる。また、最適化部１２は、第１の期間において、下水処理システム２Ａの消費電力を最小化する単目的最適化を実行することによって、揚水量の最適解を求めることができる。

【0056】

最適化部１２は、全対象期間について、外乱のピークまでは目的関数の数を制限してもよいし、外乱情報に基づいて目的関数の数を制限するか否かを判断し、目的関数の数を制限しないと判断した場合、第１の期間において第２の期間と同数の目的関数を使用してもよい。例えば、外乱の大きさが小さいときには、制御対象２への外乱の影響が限定的である場合もある。このため、外乱の影響の大きさに応じて、使用する目的関数の数を制限するか否かを変えることで、より確実に、現実的な最適解を得ることが可能になる。

【0057】

外乱情報取得部である情報取得部１１は、外乱の大きさの予測値を外乱情報として取得することができる。これにより、将来の期間について、制御パラメータの最適解を求めることが可能になる。なお、上記では外乱情報を外乱の大きさの予測値としたが、実測値を用いることで、過去の期間についても制御パラメータの最適解を求めることが可能である。

【0058】

また、最適化部１２は、最適化処理の対象期間毎に制御パラメータの最適解を求め、第１の期間における最適化処理の対象期間の長さを、第２の期間における対象期間の長さよりも長くすることができる。これにより、第１の期間では、最適解を求める頻度を第２の期間よりも低くすることが可能になる。外乱の影響が支配的となる期間では、目的関数の数を制限しているため、頻繁に最適解を求めても制御パラメータの最適解の変化が小さい。このため、最適化処理の実行頻度を低くすることで、さらに計算時間を低減することが可能になる。

【0059】

また、実施の形態１によれば、最適化装置１が、制御対象２の制御に用いる制御パラメータの値を求める最適化方法を提供することもできる。この最適化方法は、制御対象２に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得するステップと、外乱情報に基づいて、制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求めるステップと、を含み、最適解を求めるステップでは、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する目的関数の数を制限する。

【0060】

また、実施の形態１によれば、最適化プログラムを提供することもできる。この最適化プログラムは、コンピュータシステムに、制御対象２に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得するステップと、外乱情報に基づいて、制御対象２の制御に用いる制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求めるステップと、を実行させ、最適解を求めるステップでは、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する目的関数の数を制限する。

【0061】

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、制御対象２が下水処理システム２Ａである場合について説明したが、実施の形態２では、制御対象２が空気調和システム２Ｂである場合について説明する。

【0062】

図７は、制御対象２が空気調和システム２Ｂである場合の適用例を示す図である。空気調和システム２Ｂは、一次空気調和機４と、複数の空気調和機５－１～５－４とを有する。一次空気調和機４は、外気を使って液体を冷やす空冷チラー４１と、冷温水を作り出して複数の空気調和機５－１～５－４に冷温水を供給する吸収式冷温水器４２とを有する。

【0063】

上記のような空気調和システム２Ｂを制御対象２とした場合、例えば、最適化装置１Ｂが解として求める制御パラメータは、空気調和システム２Ｂの設定温度である。また、空気調和システム２Ｂの外乱としては、日射、外気温、人や機器による内部発生熱などが挙げられる。最適化装置１Ｂは、実施の形態１にかかる最適化装置１と同様の機能を有する。以下、最適化装置１と異なる部分について主に説明する。

【0064】

情報取得部１１Ｂは、空気調和システム２Ｂによって空気調和される空間の状態を示す状態変数を含む居室情報を取得することができる。居室情報は、例えば、空気調和機５－１～５－４のそれぞれが空気調和する部屋毎に生成され、室温データ、室内湿度データ、在室人数データの実績値および予定値などを含むことができる。

【0065】

また、情報取得部１１Ｂは、空気調和機５－１～５－４が設置された場所の室外に設置された日射計６１、温度計６２および湿度計６３のそれぞれが計測する外部計測値を取得することができる。日射計６１は日射量を計測し、温度計６２は外気温を計測し、湿度計６３は外気湿度を計測する。

【0066】

さらに情報取得部１１Ｂは、空気調和システム２Ｂの過去の運転実績、例えば気象情報といった外部予報値、空気調和機５－１～５－４の仕様を示す空調機仕様などの情報を取得することができる。

【0067】

最適化部１２Ｂは、最適化部１２と同様に、第１の期間では単目的最適化処理を行い、第２の期間では多目的最適化処理を行ってもよいし、第１の期間において、第２の期間よりも少ない目的関数を使用した多目的最適化処理を行ってもよい。ここでは、最適化部１２Ｂは、第１の期間において、２つの目的関数を使用する多目的最適化処理を行い、第２の期間において、３つ以上の目的関数を使用する多目的最適化処理を行うこととする。

【0068】

例えば、最適化部１２Ｂは、目的関数として、室温、室内湿度、消費エネルギー、快適性といった状態変数を用いることができる。消費エネルギーは、電力やガスなどのエネルギーの消費量を示し、例えば、ガス使用率、電気使用率などである。また、最適化部１２Ｂは、制約条件として消費エネルギーのデマンドピーク値を使用した条件を用いることができる。最適化部１２Ｂは、第２の期間では、上記の状態変数のうち３つ以上を目的関数として使用し、第１の期間では、上記の状態変数のうちの２つを目的関数として使用する。第１の期間において目的関数として使用する状態変数は、例えば、ガス使用率および電気使用率とすることができる。最適化部１２Ｂは、第２の期間において目的関数に設定された状態変数のうちの一部を目的関数に設定する状態変数から除外し、除外した状態変数を用いた制約条件の下で制御パラメータである設定温度の最適解を求めることができる。例えば、最適化部１２Ｂは、第２の期間において室温を目的関数に設定して最適化の対象とし、第１の期間においては室温を目的関数に設定する状態変数から除外して最適化の対象外とし、室温を用いた制約条件、例えば室温が予め定めた範囲の値となるように、設定温度の最適解を求めることができる。

【0069】

図８は、実施の形態２にかかる最適化装置１Ｂの動作例を説明するためのフローチャートである。ここでは、図６に示す最適化装置１の第２の動作例と異なる部分について主に説明する。図８に示す動作例は、図６の第２の動作例におけるステップＳ１０２の代わりにステップＳ３０１を実行する点で図６の第２の動作例と異なる。ステップＳ１０２では、第１の期間に対する単目的最適化処理が行われたのに対して、ステップＳ３０１では、第１の期間に対する目的関数の数を制限した多目的最適化処理が行われる。つまり、実施の形態１では、目的関数の数を制限したときに、第１の期間では１つの目的関数を使用する単目的最適化処理が行われるのに対して、実施の形態２では、２つ以上、且つ、第２の期間で使用される目的関数の数よりも少ない目的関数を使用する多目的最適化処理が行われる。

【0070】

以上説明したように、実施の形態２によれば、制御対象２が空気調和システム２Ｂである場合であっても、実施の形態１と同様に、最適化装置１Ｂは、外乱の存在する制御対象２の制御に用いる制御パラメータを求めるための計算時間を低減することが可能である。

【0071】

また、最適化部１２Ｂは、第１の期間において２つ以上であって第２の期間において使用する目的関数の数よりも少ない目的関数を使用する多目的最適化処理を行うことができる。実施の形態１では、制限後の目的関数の数が１つである場合について説明したが、第１の期間において使用する目的関数の数は、第２の期間において使用する目的関数の数よりも少なければ２つ以上であってもよい。このとき、最適化部１２Ｂが第１の期間において使用する目的関数は、例えば、制御対象２である空気調和システム２Ｂが使用する複数の種類のエネルギーのそれぞれの消費エネルギーを示すもの、例えば電力使用率およびガス使用率とすることができる。

【0072】

なお、ここでは実施の形態２において、制御対象２が空気調和システム２Ｂである場合について、第１の期間で使用する目的関数の数が２つである場合について説明したが、かかる例に限定されない。例えば、実施の形態１において示した制御対象２が下水処理システム２Ａである場合に、第１の期間で使用する目的関数の数を２つ以上とすることもできる。また、制御対象２は、上記で示した例に限定されず、外乱の存在するシステムであって、外乱の影響が支配的となる期間では、多くの目的関数を考慮しても現実的な解を得ることができないような場合に広く適用することが可能である。

【0073】

次に、最適化装置１，１Ｂのハードウェア構成について説明する。最適化装置１，１Ｂは、例えば、コンピュータシステムにより実現される。最適化装置１，１Ｂは、１つのコンピュータシステムにより実現されてもよいし、複数のコンピュータシステムにより実現されてもよい。例えば、最適化装置１，１Ｂはクラウドシステムにより実現されてもよい。クラウドシステムでは、コンピュータシステムのハードウェアと、機能ごとのサーバ等の装置との切り分けを任意に設定できる。例えば、１台のコンピュータシステムが複数の装置としての機能を有していてもよいし、複数台のコンピュータシステムで１つの装置としての機能を有していてもよい。

【0074】

最適化装置１，１Ｂを実現するコンピュータシステムの構成例を説明する。図９は、最適化装置１，１Ｂを実現するコンピュータシステムの構成例を示す図である。図９に示すように、このコンピュータシステムは、制御部１０１と入力部１０２と記憶部１０３と表示部１０４と通信部１０５と出力部１０６とを備え、これらはシステムバス１０７を介して接続されている。

【0075】

図９において、制御部１０１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等である。制御部１０１は、最適化装置１，１Ｂが実施する各処理が記述された最適化プログラムを実行する。入力部１０２は、たとえばキーボード、マウス等で構成され、コンピュータシステムのユーザが、各種情報の入力を行うために使用する。記憶部１０３は、ＲＡＭ（Random Access Memory），ＲＯＭ（Read Only Memory）等の各種メモリおよびハードディスク等のストレージデバイスを含み、上記制御部１０１が実行すべきプログラム、処理の過程で得られた必要なデータ等を記憶する。また、記憶部１０３は、プログラムの一時的な記憶領域としても使用される。表示部１０４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶表示パネル）等で構成され、コンピュータシステムのユーザに対して各種画面を表示する。通信部１０５は、通信処理を実施する通信回路等である。通信部１０５は、複数の通信方式にそれぞれ対応する複数の通信回路で構成されていてもよい。出力部１０６は、プリンタ、外部記憶装置等の外部の装置へデータを出力する出力インタフェイスである。

【0076】

なお、図９は、一例であり、コンピュータシステムの構成は図９の例に限定されない。例えば、コンピュータシステムは出力部１０６を備えていなくてもよい。また、最適化装置１，１Ｂが複数のコンピュータシステムにより実現される場合、これらの全てのコンピュータシステムが図９に示したコンピュータシステムでなくてもよい。例えば、一部のコンピュータシステムは図９に示した表示部１０４、出力部１０６および入力部１０２のうち少なくとも１つを備えていなくてもよい。

【0077】

ここで、最適化装置１，１Ｂの処理が記述された最適化プログラムが実行可能な状態になるまでのコンピュータシステムの動作例について説明する。上述した構成をとるコンピュータシステムには、たとえば、図示しないＣＤ（Compact Disc）－ＲＯＭドライブまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）－ＲＯＭドライブにセットされたＣＤ－ＲＯＭまたはＤＶＤ－ＲＯＭから、最適化プログラムが記憶部１０３にインストールされる。そして、最適化プログラムの実行時に、記憶部１０３から読み出された最適化プログラムが記憶部１０３の主記憶装置となる領域に格納される。この状態で、制御部１０１は、記憶部１０３に格納された最適化プログラムに従って、最適化装置１，１Ｂとしての処理を実行する。

【0078】

なお、上記の説明においては、ＣＤ－ＲＯＭまたはＤＶＤ－ＲＯＭを記録媒体として、最適化装置１，１Ｂにおける処理を記述したプログラムを提供しているが、これに限らず、コンピュータシステムの構成、提供するプログラムの容量等に応じて、たとえば、通信部１０５を経由してインターネット等の伝送媒体により提供されたプログラムを用いることとしてもよい。

【0079】

最適化プログラムは、コンピュータに、制御対象２に対する外乱の大きさを示す外乱情報を取得するステップと、外乱情報に基づいて、制御対象２の制御に用いる制御パラメータの値に応じて値が変化する変数のうち目的関数に設定されたものを最適化する最適化処理を行って制御パラメータの最適解を求めるステップと、を実行させ、最適解を求めるステップでは、外乱情報が示す外乱のピークまでの期間である第１の期間において、外乱のピーク以降の期間である第２の期間よりも使用する目的関数の数を制限する。

【0080】

図１に示した情報取得部１１は、図９に示した制御部１０１、通信部１０５および記憶部１０３により実現され、図１に示した最適化部１２は図９に示した制御部１０１により実現され、図１に示した結果出力部１３は、図９に示した表示部１０４、出力部１０６などにより実現される。

【0081】

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【符号の説明】

【0082】

１，１Ｂ 最適化装置、２ 制御対象、２Ａ 下水処理システム、２Ｂ 空気調和システム、３ 情報提供サーバ、４ 一次空気調和機、５－１～５－４ 空気調和機、１１，１１Ｂ 情報取得部、１２，１２Ｂ 最適化部、１３ 結果出力部、２１ 下水管、２２ 流入渠、２３ 沈砂池、２４ ポンプ井、２５ 揚水ポンプ、２６ 最初沈澱池、２７ 反応槽、２８ 最終沈澱池、２９ 消毒設備、４１ 空冷チラー、４２ 吸収式冷温水器、６１ 日射計、６２ 温度計、６３ 湿度計、１０１ 制御部、１０２ 入力部、１０３ 記憶部、１０４ 表示部、１０５ 通信部、１０６ 出力部、１２１ 第１の最適化部、１２２ 第２の最適化部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】