专利名称：控制雨水泵运行的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种控制在污水处理工厂中使用的雨水泵或类似装置运行的设备和方法，更具体地说，涉及一种用于按照降雨的时间和地区变化而控制雨水泵运行数目的雨水泵运行控制设备和方法。
污水处理工厂对污水处理很重要。污水处理工厂对防止由降雨引起的灾害、保证城市卫生和维持良好环境也很重要。从这点出发，控制作为污水处理设备的要运行的雨水泵的数目是非常重要的。雨水泵运行控制的适当与否会显著影响成功和失败之间的差别。
污水处理工厂中处理的雨量随按地区按时间变化的雨量特征、地面形貌、管道设置、管道结构等而变化。因此，在某一地区中雨量随时间的变化与过去不重合，并不具有再现性。这种雨量性质称为雨量的时间和地区变化。
下述常规技术被用于预报此种复杂变化的雨量，并确定要运行的雨水泵的数目。
1.在市区的许多个位置设置地面雨量器。在地面雨量器测得的雨量的基础上由个人经验预报未来的雨量。在预报的雨量的基础上确定要运行的泵的数目。
2.每个地区的雨量用雷达雨量器观测。在观测到的雨量的基础上由个人经验预报未来的雨量。在预报的雨量的基础上确定待运行的泵的数目。
3.在井(泵井)中设置水位表，雨水泵从井中将水泵出。在由水位表测得的水位升降的基础上确定待运行的雨水泵的数目。这第三种技术公开在例如日本专利公告No.57-186080中。
第一和第二种技术大大依赖于个人的经验。因此，很难充分地确定要运行的雨水泵的数目。
泵井的水位升降速率按照与泵井连接的管道的结构、与上述连接泵井的管道的远端连接的另一管道的类型等等而显著不同。此外，在市区中，由于人口密集造成的房屋过分拥挤或铺砌路面的扩展，大部分雨水并不渗透入地面而是流入污水管道。为此，由于大量的雨水必须同时排入江河，人们越来越使用具有极大容量的雨水泵。因此，按照第三种技术，即使在确定泵井水位上升的基础上增加要运行的泵的数目时，水位可能很快下降，或者反之亦然。因此，在第三种技术中，要运行的泵的数目必须按照泵井中水位的变化而随时间变化。这会消耗大量电力，缩短雨水泵的使用寿命，而且有时会恶化雨水从污水管道向江河的充分排放。
本发明的目的是提供一种雨水泵运行的控制设备和方法，它们能够从全面观点分析雨量以充分地预报雨量，从而将足以完成排放工作的要运行的雨水泵数目的变化减到最小。
为了达到本发明的上述目的，按照本发明所述的雨水泵运行控制设备，也就是为将市区流动的雨水排入江河而控制许多个雨水泵的运行所用的雨水泵运行控制设备中包括一个雷达雨量器，用于观测每个预定观测时期内的二维雨量分布;
地面雨量器，设置在地面的许多个点上，用于测量地面上的实际雨量;
一个水位表，设置在一个泵井中;
一个雨量预报装置，用于在由地面雨量器测量的雨量基础上校准由雷达雨量器获得的二维雨量分布，并在几组过去校准的雨量分布的基础上预报从现时开始的预定时间内的雨量;
径流分析装置，用于在由雨量预报装置获得的预报雨量的基础上进行适合排放区域特征的经流分析，并计算降雨排水量，从而在泵井中获得入口排水量;
一个泵数目确定装置，用于在由径流分析装置获得的泵井入口排水量和水位表水位的基础上考虑到当前运行的泵的数目来确定要运行的泵的数目。
按照包括上述装置的本发明，由雷达雨量器对每个预定观测时期提供的二维雨量分布是在由设置在许多个地面点上的地面雨量器测得的实际雨量的基础上校准的，从而获得有关排放区域的正确雨量分布。此外，由于从现时开始的预定时间内的雨量是在几组过去校准的雨量分布的基础上预报的，雨量可以得到比较准确的预报。其次，泵井的入口排水量的计算考虑了例如有关排放区域中的污水管道网络。因此，在泵井中流动的未来的雨水量可以得到比较准确的预报。要运行的雨水泵的数目是在泵井入口排水量和水位表水位的基础上确定的。因此，雨水泵的数目可以得到精确的控制。
下面简要说明附图。
图1是按照本发明实施例所述的一种雨水泵运行控制设备的总体设置框图;
图2是说明数据处理单元中一系列数据处理流程用的流程图;
图3是表示雨量预报曲线的图形;
图4是表示网格和并不具有预定移动方向的雨水重心点的轨迹的视图;
图5是表示全部区域平均雨量的图形;
图6是表示网格和具有预定移动方向的雨水重心点的轨迹的视图;
图7是说明雨量预报单元中的计算处理用的流程图;
图8是表示当降雨开始前的一个时期为计算时间时得到的雨量曲线的图形;
图9是表示当降雨开始后和获得预定数目的数据组之前的一个时期为计算时间时得到的雨量曲线的图形;
图10是表示当有关排放区域的雨量是在雨量分布的基础上计算的时候所得到的移动矢量和有关排放区域之间的关系的视图;
图11和12是表示有关排放区域的污水管道网络的垂直配置的视图;
图13是表示经流分析结果和污水管道网络之间关系的视图;
图14是说明当保持污水管道网络的垂直配置时所进行的计算用的视图;
图15是说明当人造结构物如溢流堰加到污水管道网络上而进行水位计算时的溢流排水量计算用的视图;
图16是说明一个结构物和泵井水位之间的关系的视图;
图17是表示确定要运行的泵的数目用的Petri网络的视图。
下面将参考附图详细说明本发明的一个实施例。
图1表示按照本发明的一个实施例所述的一种雨水泵运行控制设备的总体设置。本设备包括一个由雷达天线1a和雷达发射/接收单元16组成的雷达雨量器1。至少雨量器1的天线1a被安置在靠近市区的比较开阔的地方。天线1a在单元1b的控制下运行。单元1b产生一个待发射的信号并从天线1a上发射无线电波信号。单元1b接收由雨云3中或从雨云中降下的雨滴3a进行背散射所返回的无线电波，作为雷达接收功率的数据。雷达接收功率数据与代表雨量分布的数据相对应。雷达发射/接收单元1b通过数据发射单元4a和4b将雷达接收功率数据发射到数据处理单元2。使用单元4a和4b是因为雷达雨量器1和数据处理单元2被安置在不同的地方。
测量地面上实际雨量用的许多个地面雨量器5被安置在地面上。雨量器5安置在市区内外的许多个点上。例如，一个翻斗被用作雨量器5。当翻斗从圆筒形接水口接收一预定量的雨量时，翻斗倾倒。通过计算相应翻斗的倾倒次数就可以得到某一点的雨量。雨量器5通过发射单元6a和6b将得到的雨量数据发射给数据处理单元2。
数据处理单元2包括(例如)一个数据校准单元7、一个雨量预报单元9、一个径流分析单元10和一个泵数目确定单元11。单元7至11可以单个地(例如)由一台计算机组成。另一种方式是，整个数据处理单元2可以由一台计算机组成，使得单元7至11的功能由软件处理。
数据校准单元7在从地面雨量器5来的雨量数据的基础上校准从雷达雨量器1来的雷达接收功率数据(雨量分布数据)。雷达雨量器1获得的雨量数据是通过雨云3来的雨滴得到的间接数据，不是充分可靠的。因此，单元7利用由地面雨量器5真实测到的(直接)雨量数据校准从雷达雨量器1得到的雨量数据。结果，得到代表二维雨量分布的高精度数据(雨量分布数据)。为了能够使(例如)操作人员理解当前的雨量分布状态，单元7在显示单元8上显示校准过的雨量分布。校准过的雨量分布数据可以用打印机打印或记录在记录单元中。单元7将得到的雨量分布数据贮存在记忆单元7a中，例如数据库中。
雨量预报单元9利用由观测得到的许多组校准过的雨量分布数据预报从现时开始的一个预定时间内的雨量。在本实施例中，雨量预报包括从当前时间到预定未来时间的动态预报和在预定未来时间之后的一个时期内的静态预报(见图3)。单元9将一条代表预报雨量变化的曲线(预报雨量曲线)连接到一条代表由观测得到的实际雨量变化的曲线(实际雨量曲线)上，从而得到一条连接的雨量曲线。预报的实际的和连接的雨量曲线将在后面详细说明。所谓“由过去的观测得到的校准过的雨量分布数据”，是在比当前时间早的若干观测时期内得到的与当前降雨事件有关的校准过的雨量分布数据。单元9将得到的连接雨量曲线贮存在记忆单元9a中。
径流分析单元10按照市区中泵站的泵的数目划分排放区域。单元10得到一条代表在每个泵站流入泵井的污水排水量的变化的曲线(泵井入口排水量曲线)。为了得到泵井入口排水量曲线，单元10进行计算时考虑到连接雨量曲线、流过每个划分的排放区域的大多数下游点的雨量排水量以及污水管道网络的汇合和分支。单元10将连接雨量曲线提供给泵的数目确定单元11。
雨水泵24将泵井21中的雨水向上泵入江河。一个水位表22设置在泵井21中并观测泵井21中的水位。泵24通过泵驱动装置25运行和停止。泵数目确定单元11保持预定的雨水泵运行规则。单元11在泵井入口排水量曲线、水位表22的测量数据和雨水泵操作规则的基础上计算准备通过泵从泵井21排入江河的水量(泵输水量)。单元11获得一条代表泵井或类似装置中水位变化的水位变化曲线。单元11获得从当前计算时间到其后若干计算时期内的泵排水量、要运行的泵的数目和泵井水位。如果需要，单元11向驱动器控制器23提供一个指令。按此指令，控制器23控制泵驱动器25改变要运行的泵24的数目。
如上所述，数据处理单元2可以在从当前时间(当前计算时间)开始的预定时间(若干计算时期)内确定雨量、泵井流入速率、泵排水量、要运行的泵的数目、泵井水位等等。因此，单元2可以预报泵24的全部运行状态，并且如果它预报麻烦即将发生就能迅速检查防止麻烦的反措施。
下面将说明具有上述配置的泵运行控制设备的运行。
雷达发射/接收单元1b对每个观测时期产生一个发射信号，观测时期由它自己确定或者在数据处理单元2的指令基础上确定。单元1b将产生的发射信号送到雷达天线1a上。天线1a一接收到发射信号，就发射一个无线电波到空中。天线1a接收由雨云3中或从雨云降下的雨滴3a背散射返回的无线电波。天线1a将接收功率数据发射给雷达发射/接收单元1b。单元1b通过数据发射单元4a和4b将雷达接收功率数据提供给数据校准单元7。
安置在许多个点上的地面雨量表5测量实际的雨量以获得雨量数据。雨量表5通过发射单元6a和6b将获得的许多个雨量数据提供给数据校准单元7。
在从雷达雨量器1得到的雷达接收功率数据和从地面雨量器5得到的雨量数据的基础上，数据处理单元2按照图2所示的流程图进行数据处理。下面将参考图2说明单元2的运行。参考图2，每个方框表示数据处理单元的一次运行，它们用参考符号E标记，而每个下部划线部分表示数据，它们用参考符号D标记。
步骤E1数据校准单元7在记忆单元7a中贮存在晴天得到的地面形貌回波数据D1。数据D1可以通过从雷达天线1a发射无线电波并获得在晴天由地面周围形貌、建筑物之类背反射所返回的无线电波的强度。单元7从雷达雨量器1接收雷达接收功率数据D2并将数据D2转换为雨量分布数据D3。数据D2转换为D3进行如下。就是，从雷达接收功率数据D2中减去地面形貌数据D1。结果，从数据D2中除去地面形貌回波的影响。由于在雷达接收功率Z和雨量强度R之间建立了函数关系，数据D2利用所谓雷达方程式Z＝a·Rb(此处a和b都是常数)被转换为雨量分布数据D3。
步骤E2在步骤E1中得到的雨量分布数据D3是与广阔区域有关的二维数据。数据校准单元7利用从地面雨量器5得到的代表实际雨量的地面雨量数据(点数据)D4校准该二维数据D3。这种校准是通过(例如)校正上述雷达方程式中的常数a和b来进行的，使得雨量强度R符合地面雨量器5的测量值。
而后单元7获得雨量网格数据D5。数据D5代表在一个网格内的雨量，网格是通过划分围绕雷达天线1a的区域而得到的。更具体地说，如图4所示，假定天线转动360°以观测雨量，网格是通过将整个360°圆周等分为“128”或“256”个扇形并围绕天线1a以数公里为一个单位画圆圈。
单元7对图3所示的每个观测时期(观测时间单位宽度)△Tm获得数据D5。单元7将获得的雨量网格数据D5贮存在记忆单元7a中。单元7a将数据D5从过去保持到当前时间。
步骤E3操作人员很难直接从雨量网格数据D5理解当前的雨量分布状态。因此，数据校准单元7将数据D5数量化，使得一个人能够容易地理解当前的雨量分布状态。单元7将数量化的雨量网格数据提供给显示单元8。显示单元8显示数量化的雨量网格数据(现时直播显示D6)。
步骤E4在本实施例中，泵的运行控制对每个与观测时期△Tm无关的计算时期△Te进行及时的修正。计算时期△Te每过去一个(在时间△Te，2△Te，3△Te，……)，雨量预报单元9就预报一次未来的雨量。单元9对每个观测时期△Tm从校准单元7接收数据D5，并将数据D5贮存在记忆单元9a中。因此，单元9至少将当前计算时间Ko的最新几组(Kd 1，Kd＝0，1，2，……)雨量网格数据贮存在记忆单元9a中。在这几组数据的基础上，如图3所示，单元9在从当前时间Ko开始的若干计算时期内在若干时间(Kf点)上动态地预报雨量。如果需要，单元9在动态预报时间之后在若干时间(Kg点)上静态地预报雨量(动态和静态的意义将在以后说明)。一个动态预报时间是一个从当前计算时间Ko到Kf·△Te的时间间隔，而一个静态预报时间是一个从时间Ko Kf·△Te到时间Ko (Kf Kg)·△Te的时间间隔。参考图3，假定计算时期△Te为10分钟，单元9在从现时算起的1小时内在6个(Kf)点上动态地预报雨量，并在其后的5个(Kg)点上静态地预报雨量。
雨量预报方法随雨量表达方法而不同。正常的雨量网格数据包括(例如)代表几万个网格中雨量的数据，其数据量是巨大的。因此，几乎不可能在雨量预报中直接利用雨量网格数据D5。为此，在本实施例中，数据D5是统计地压缩成几种类型的数据而加以利用的。这种压缩方法包括(1)第一方法，其中雨量用一个重心点和一个平均雨量代表;(2)第二方法，其中雨量用总平均雨量代表。在第一方法中，得到雨量分布的重心点，而只对具有雨量的网格得到雨量的平均值。在第二法中，在围绕雷达天线1a的预定范围内对整个范围获得雨量的平均值。
图4表示一个雨量分布重心点的轨迹，图5表示平均雨量。
参考图4，参考符号O代表雷达天线1a的位置，而参考符号T代表重心点在网格上的轨迹。重心点的轨迹具有一个漂移模式(w模式)和一个向前模式(F模式)，在漂移模式中如图4所示轨迹并不具有预定的方法，在向前模式中如图6所示轨迹沿预定方向向前移动。重心点的轨迹可以有时候在某一时间处于F模式而后处于W模式，或是相反。因此，在本实施例中，单元9每预报一次雨量(每次图3中表示的当前计算时间Ko进行了及时的修正;每次过去时间△Te)，模式测定就进行一次。当重心点的向前移动方向的弯曲角α几次(例如3次)连续地掉入预定角度(例如45°)的范围内时，单元9就确定重心点的轨迹处于F模式中。反之，单元9就确定W模式。
下面参考图7说明雨量预报单元9进行的雨量预报运行的全部详细流程。进行雨量预报必须考虑到这样一个事实，即雨量随时间和地区的变化不会重复过去的历史(例如，具有不存在再现性的特征)。为此，单元9第(1)通过处理当前降雨的过去数据来预报雨量，第(2)考虑到重心点漂移的事实来统计地预报雨量重心点的未来位置，从而预报雨量。更具体地说，为了上述第(1)项中的处理，单元9在当前计算时间Ko处理一次降雨事件的Kd组网格数据Mt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Kd·△Tm)。为了上述第(2)项中的处理，在雨量预报的建立中，单元9计算雨量重心点位置的平均值和离差，并假定雨量重心点位置的变化代表正常分布时在从当前计算时间Ko开始的预定时间(动态预报时间)内预报重心点的位置。当采用这样一种预报方法时，雨量预报用的要处理的网格数据组的数目在从降雨开始时间起的时间△Tm·Kd内是不够充分的。因此，在本实施例中，在从降雨开始时间起的时间△Tm·Kd(初始时期)中采用了与上述F模式和W模式不同的预报方法(此后称为Ⅰ模式)。
下面参考图7说明雨量预报的运行。当每次过去预定的计算时期△Te时，雨量预报单元9就执行图7中所示的流程。在下述说明中，Ko代表当前计算时间;Ks代表在降雨开始后的网格数据组的数目;Kd代表为雨量预报而要处理的网格数据组的数目;Km代表为模式确定而要处理的网格数据组的数目;Kf代表动态预报的次数;Kg代表静态预报的次数;△Te代表一个计算时期(或预报时期);△Tm代表一个观测时期。
单元9从外部单元(或通过操作人员的输入)接收有关当前降雨事件的总雨量Rt和降雨时间Tt的静态预报(步骤S1)。静态预报指代表(例如)从某一时间开始在8(Tt)小时内降下200(Rt)毫米雨的预报。在这种静态预报中，可以利用由气象局进行的雨量预报。或者是，系统的管理人可以个人获得此种数据。单元9而后检验是否已经获得Kd组雨量网格数据。如果还没有获得Kd组网格数据，单元9就确定Ⅰ模式，而流程就前进到步骤S3。在步骤S3中，单元9检验雨是否已经降下。如果雨尚未降下，那末实际雨量为零，而流程就前进到步骤S4。单元9在总雨量Rt和降雨时间Tt的基础上形成一条如图8所示的倒转的等腰三角形雨量曲线(步骤S4)。在图8中，当用计算时期△Te除降雨时间Tt得到的值为偶数时，代表最大雨量曲线中最大值的区段数目为2，而当该值为奇数时，该区段数目为1。最大雨量的获得如下所述如果Tt/△Te＝2m，最大雨量＝Rt/(m 1)(2区段);
如果Tt/△Te＝2m-1，最大雨量＝Rt/m(1区段)。
如果单元9在步骤S3中确定当前计算时间Ko在降雨开始之后，那末流程就前进到步骤S5。此时，还没有得到预定的网格数据组的数目(O＜Ks＜Kd)。此时，由于得到了Ks组的实际雨量At(t＝Ko，Ko-△Tm，Ko-2·△Tm，……，Ko-Ks·△Tm)，因此从步骤S5中的总雨量中减去由下述方程式代表的实际雨量总和St＝Ko∑AtS＝t＝Ko-Ks·△Tm降雨时间是由从Tt中减去Ks·△Tm而得到的。在得到的数据的基础上，单元9形成一条等腰三角形雨量曲线，并得到一条如图9中虚线所示的结合实际和预报数据的雨量曲线。
当从降雨开始时间起已经过去了预定时期Kd·△Tm并得到了预定的处理数据组的数目Kd，流程就从步骤S2前进到S7。在当前计算时间Ko单元9检验重心点的轨迹是否处在F或W模式。单元9随确定结果进行不同的数据处理。基本上，数据处理在两种模式中都是在下述三个推断的基础上进行的。
(1)重心点的运动矢量是从重心点的轨迹计算的。
(2)计算了与降雨时间有关的变化速率(增减速率)。
(3)假定在当前计算时间Ko时的雨量分布状态在动态预报时间内是不变化的。
除了工模式以外的雨量预报处理可以分为第一至第四阶段，如图7所示。下面将按顺序说明第一至第四处理阶段。
在步骤S7，时间t调置在Ko(当前计算时间)。在步骤S8和S9，计算了在当前计算时间Ko时雨量重心点的位置Pt和雨量分布Mt的降雨面积平均值At。雨量重心点的位置Pt和降雨面积平均值At被用于计算重心点运动矢量和以后要说明的雨量变化速率。雨量重心点的位置Pt位于二维平面中，因此它可以用两个分量表示。根据每个分量，每个网络中心点的坐标乘上该网络的面积和该网络中的雨量，而后将乘上面积和雨量的坐标在一起相加，以获得与所有网络相对应的总和。同样，根据每个分量，每个网格中心点的坐标乘上该网格的面积，而后将乘上面积的坐标在一起相加以获得与所有网格相对应的总确。雨量重心点的位置Pt可以用后一个总和去除前一个总和来得到。降雨面积平均值At是通过计算雨量不等于0的网格雨量平均值而得到的。
当Pt和At的计算在当前计算时间Ko结束时，单元9在步骤S10中检验是否已经获得Ka组过去的Pt和At值。如果在步骤S10中为否，那么从时间t中减去△Tm(步骤S11)。执行步骤S8和S9，以便在紧接的先前观测时间Ko-△Tm时获得Pt和Kd。上述运行重复进行。当获得Kd组Pt和At值时，运行就前进到步骤S12。
在步骤S12中，单元9利用Kd组重心点Pt和平均值At按照下列方程式计算降雨面积平均值的变化速率C
t＝Ko-(Km 1)·△TmC=｛ 1/((Km-1)) ｝
(1- (At-△Tm)/(At) )在步骤S13中，时间t重新调置到当前计算时间Ko。随后，在步骤S14，产生上述运动速度矢量。运动速度矢量的得到如下述。计算线段Pt-△Tm·Pt(重心点在当前计算时间的位置)相对于线段Pt-2·△Tm(重心点在相对于时间t的第二个先前观测时间时的位置)Pt-△Tm(重心点在紧接时间t前面的一个观测时间的位置)的角度αt。单元9在角αt和模式分支角αm的基础上进行模式的确定(步骤S15)。如果αt＞αm，单元9就确定W(漂移)模式，流程就前进到达以后要说明的步骤S30。如果αt≤αm，运行就前进到步骤S16。在步骤S16中，单元9检验时间t是否比当前计算时间Ko早一个时间Km·△Tm，也就是，步骤S15中的确是否是对所有过去的Km观测时间进行的。如果在步骤S16中为否，就从时间t中减去△Tm(步骤S17)，而运行就返回到步骤S14。其后，就执行上述处理。如果αt＞αm的情况即使在Km个紧接前面观测时间中存在一次，W模式就被确定，而运行就前进到步骤S30。如果在Km个紧接前面观测时间中不存在αt＞αm的情况，重点心就大体上沿直线运动，而F模式就被确定。运行就前进到步骤S18。
在步骤S18中，单元9计算一个在动态预报时间中假定为常量的运动速度矢量Pt-3·△Tm·Pt/(3·△Tm)。运动速度矢量代表重心点Pt的运动方向和单位时间运动量。在步骤19中，时间t调置为初始预报时间t＝Ko △Te。在当前计算时间Ko时的雨量分布MKo被预报沿运动速度矢量的方向按单位时间的量值进行运动。因此，在步骤S20中，运动速度矢量被乘以△Te，以得到重心点到下一个预报时间(计算时间)的运动距离。两量分布MKo平行移动一个在步骤S20中得到的运动距离，作为预报时间Ko △Te时的雨量分布。图10表示运动的雨量分布。有关排放区域的每个网格中的雨量是在运动雨量分布的基础上计算的(步骤S21)。在步骤S21中得到的雨量被乘以变化速率C以计算雨量预报值rt(步骤S22)。在步骤S22中，单元9检验上述运行是否是对所有Kf预报时间进行的。如果在步骤S22中为否(即，如果t＜Ko Kf·△Tm)，△To就加入到时间T中。上述运行被重复。如果在步骤S23中单元9确定上述运行是对所有Kf预报时间进行的，运行就前进到步骤S25。
当实际降雨时间Ks·△Tm和动态预报时间Kf·△Te的和小于降雨时间Tt或当实际雨量总和GW和动态预报雨量总和JW小于总雨量Rt时，在步骤S25中用下列方程式计算剩余时间Tr和剩余雨量Rrt＝KoGW＝∑Att＝Ko-Ks·△Tm
t＝Ko Kf·△TeJW＝∑γtt＝Ko △TeTr＝Tt-Ks△Tm-Kf·△Tet＝Kot＝Ko Kf·△TeRγ＝Rt-∑ At-∑ γtt＝Ko-Ks·△Tm t＝Ko △Te在步骤S26中，检验了是否Rr＞0。如果Rr≤0，处理就结束。如果Rγ＞0，运行就前进到步骤S27。在步骤S27中，检验了是否Tγ＜0。如果Tr≥0，运行就前进到步骤S28，并产生一条三角形雨量曲线，其中剩余时间Tγ和剩余雨量Rf如图3所示地逐渐减小。这被称为静态预报。静态预报的预报点数目(预报次数数目)Kq由Kq＝INT(Tr/△Te)得到。INT((X)指X的整数部分。如果Rr是正的而Tr是负的，Tγ＝5·△To在步骤S29中被调装到产生一条三角形的雨量曲线，其中雨量逐渐减小。以这种方式，获得处于F模式的雨量预报曲线D7的运行就结束了。运行流程返回到图2中的步骤E5。
在步骤S15中，如果角αt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Km·△Tm)大于角αm，那么W模式就被确定。运行就前进到步骤S30。在步骤30中，计算了重心点Pt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Kd·△Tm)在当前和过去的Kd预报点的位置(坐标)的平均值Pa和离差σp。计算的平均值Pa和离差σp被用作建立雨量预报过程中正态分布的常数。在步骤S31中中，时间t调置到Ko △Te。在步骤S32中，得到重心点在预报时间t＝Ko △Te的英置。此外，假定重心点位置的变化为正常分布，在正态分布N(Pa，σp)的基础上利用蒙特卡罗方法计算了重心点Pt的位置(步骤S33)。从得到的重心点位置计算出从Pt到Pt △Te的运动速度矢量。雨量分布MKo在计算得的运动速度矢量的基础上运动(步骤S33)。与步骤S22类似，雨量乘上变化速率C以计算雨量预报值rt(步骤S34)。在步骤S35中，单元9检验预报是否完全对所有Kf动态预报点进行。如果还留下任何预报点，在步骤S36中将△Te加入到时间t中。其后，重复步骤S32至S35的运行。当处理对所有预报时间t＝Ko △Te·K(K＝1，2，……，Kf)完全进行时，流程就前进到步骤25。其后，完成类似于在F模式中的运行。以这种方式，得到W模式的雨量动态和静态预报。雨量预报运行已经参考图7说明。说明将返回到图2中的流程图。
步骤E5当得到图3所示的有关排放区域的雨量预报曲线D7时，实际雨量曲线和雨线D7互相连接如下。为了进行这种连接处理，实际雨量曲线(由一组每个具有宽度△Tm的矩形代表)必须重写为一组每个具有计算时期△Te的宽度的矩形。将说明满足t＝ts u·△Tm Te的部分。在这个方程式中，ts是最初时间，te是最后时间，0＝ts，te≤△Tm，而u是包括零在内的正整数。假定在ts、u·△T和te时的雨量分别为gs、gj(j＝1，2，……u)和ge，这部分的校正实际雨量ga给出如下ga=(gs· (ts)/(△Tm) Σj = 1u]]>gj ge· (te)/(△Tm) )/△Te当u＝0时，得到ga＝(gs· (ts)/(△Tm) ge· (te)/(△Tm) )/△Te所得到的连接雨量曲线数据D8被提供给径流分析单元10。
步骤E6径流分析单元10从雨量预报单元9接收连接的雨量曲线数据D8。单元10贮存有关污水管道网络的数据D9。单元10利用连接的雨量曲线数据D8和污水管道网络数据D9进行符合有关市区的排放区域特征的经流分析。雨量预报单元9在径流分析的基础上计算雨水的排水量，从而得到流入泵井21的水的排水量。在本实施例中，从连接的雨量〔mm/h〕得到有关市区排放区域〔m2〕的雨水放水量〔m2/s〕。将雨量转换为排水量的排水量分析法主要被常规地用于防止江河水灾。常规的排水量分析法建立在一个假定的基础上，就是雨量渗入地面，留在那里，而后流动。但是，在一个房屋拥挤并铺砌了街道的新近的市区内，雨量并不渗入地面，而是立即流入排放区域。这样一种区域的径流分析被称为市区径流分析，以区别于焦点集中在地面渗透的径流分析方法。
市区径流分析方法包括一种宏观水文学方法和一种微观水力学方法。水文学方法只计算排水量，因此适用于复杂污水管道网络的径流分析。水力学方法在排水量和压力的基础上计算排水量，因此不适用于复杂污水管道网络的径流分析。水力学方法适用于简单的管道干线线。因此，在本实施例中，只处理排水量的宏观水文学方法被用作径流分析方法。宏观水文学方法包括几个方法。方法之一是RRL(通路研究实验室)方法。RRL方法在有关排放区域的最下游点上计算排水量。RRL方法公开在《水力学部门》杂志1969年11月号第1809-1834页，是人们已经知道的。
为了更好地理解，将说明图11所示的具有污水管道雨络的市区排放区领。在这个排放区域中安置了许多个管道接合处I1至J3、泵站P1和P2及其它设施。在该排放区域的结合处J1，从上游污水管道排出的雨水被分流到泵站P1和结合处J3。在结合处J3，从结合处J1和J2来的污水分量合并流入泵站P2。为了利用RRL方法计算在最下游点的排水量，将分别说明具有结合处J1至J3作为最下游点的三个部分排放区域。雨量预报单元9形成一条曲线，代表在结合处J1至J3分开的污水管道中的排水量变化。经过结合处J1和J2而流过结合处J3的排水必须被认为是结合处J3处的排水量。为此，为了得到结合处J3处的排水量，必须考虑结合处J1-J3之间和J2-J3之间的输水时间和两条路线的水的汇合。因此，在这种径流分析中，第(1)在不包括雨水溢流堰的污水管道网络的情况下必须计算输水时间，第(2)为了计算排水量必须考虑代表每个结合处的上游和下游的位置关系。两个结合处之间的输水时间是通过管道中的流体分析得到的。许多输水时间计算为敞开渠道的水流分析，并可以通过解非线性双曲线偏微分方程来得到。这个方程包括一个与均匀水流有关而不考虑时间和面积变化的方程，一个与非均匀水流有关而不考虑时间变化的方程，以及一个与不稳定水流有关而考虑时间和面积变化的方程。但是，因为只处理一份排水量而且一个泵运行的计算时间为5或10分钟，也就是比较短，所以宁可假定流体为均匀水流来解非线性双曲线偏微分方程。
下面将说明考虑到结合处的上下游关系来分析污水管道中排水量的方法。例如，当采用基本的RRL方法时，如图12中点划线所示，一个有关的排放区域被分成三个分别具有结合处J1至J3作为最下游点的排放区域。计算了相应点的水到达结合处J1至J3所需时间。到达时间为计算时期倍数的点被连接起来，形成如图12中虚线所示的到达时间相等的曲线。计算用点划线围成的三部分的面积，以形成到达时间和面积之间的关系。在到达时间和面积之间的关系的基础上利用雨量曲线形成一条代表排水量变化的曲线。
下面将参考图13详细说明这一运行。如图13所示，从市区径流分析结果得到的排水量曲线R1至R3沿由箭头指示的导向分支流到包括结合处J1至J3、泵站P1和P2等等的污水管道网络。假定R1至R3为流出节点，J1至J3为流入/流出节点，P1和P2为流入节点，雨水分量从作为排水量曲线的流出节点R1至R3分别流到流入/流出节点J1至J3。从节点R1来的流入分支和到节点P1和J3去的流出分支都连接在流入/流出节点J1上。因此，这个污水管道网络是由流入节点P1和P2、具有流出分支的节点R1至R3以及具有流入流出分支的节点J1至J3组成的。为了计算考虑到节点之间垂直关系的排水量，形成了一个如图14所示的代表节点连接关系的表格。在这个节点连接关系表中，流入/流出节点J1至J3和流入节点P1和P2被排列到最上排的从左至右，流入/流出节点J1至J3和流出节点R1至R3被排列在最左列的从上至下，而“1”被写入互相连接关系的部分中。图14表示，为节点J1计算R1，为节点J2计算R2，为节点J3计算R3，可以计算排水量，因为J1和J2已经计算了。此外，节点J1的排水量已经为节点P1计算了，节点J3的排水量已经为节点P2计算了。因此，在这个污水管道网络中，按节点J1、J2、J3、P1和P2的顺序依次进行计算，可以得到排水量。流出节点R1至R3可以独立地计算，因为它们没有流入。在流出节点Ri(i＝1，2，3)被计算后，节点J1、J2、J3、P1和P2上的排水量在上述连接关系的基础上被计算出来。当存在大量的流入节点时，定流入节点的数目而不考虑垂直关系有时是有效的。此时，按排列顺序进行计算，使得一个包括未运行流出节点的流入节点的计算不进行，而下一个流入节点的计算是进行的。在计算进行到底后，对排列顺序中的未运行流入节点重新进行计算。通过重复进行这一计算，可以形成所有流入节点的排水量曲线，同时满足垂直关系，因为运用了定向分支。
径流分析单元10检验污水管道是否具有溢流堰(步骤E7)。如果污水管道没有溢流堰，运行就前进到步骤E9。如果污水管道具有溢流堰，运行就前进到步骤E8。
步骤E8将说明具有雨水溢流堰(包括一个台阶，一个洞孔，等等)的污水管道网络的径流分析。此时，径流分析单元10贮存有关以前的污水管道形状的数据D11。在污水管的汇合点经常使用雨水溢流堰。在晴天雨水溢流堰将一定量的污水流提供给处理工厂。当水流量因降雨而增加时，雨水溢流堰将超过一定水位的水溢流到前面路径上，并直接将水排入江河。当管道中的水位高于溢流堰高度时，管道中的水就溢流。因此，必须计算溢流的排水量。通常，为了易于测量排水量，溢流堰具有三角形或矩形截面，而排水量从其水深计算。为此，可以容易地计算从这样一个溢流堰流出的水的排水量。在如图15所示的具有圆形截面的污水管道30中，溢流排水量可以在下述两个条件下计算出来。在第一个条件中，假定具有圆形截面的污水管道30是一个具有矩形截面的全宽度溢流溢，那么深度hr就能计算出来。在第二个条件下，假定建立了相等面积的条件，那么矩形截面的深度hr被转换为圆形截面的深度hc，从而计算出排水量。下面将更详细地说明这一点。在图15所示的圆形截面中，全宽度溢流堰的高度为hω，溢流堰宽度为Wω，溢流堰截面积为Aω。在这些条件下，可以假定一个由虚线指示的矩形截面，其长边等于溢流堰宽度Wω，其短边等于全宽度溢流堰的高度hω。利用法朗西斯公式，给出这样一个溢流堰的排水量Qω如下Qω＝1.84Wωhr23假定管道直径为D，Wω＝DSin(φW/2)hω＝d/2｛1-Cos(φW/2)｝Aω＝(D/2)2·｛(φW/2)-(SinφW/2)｝成立。假定作为第二条件的相等面积成立，通过向每个量添加一个下标c而获得下列方程式Wω·hr Aω＝Ac＝(D/2)2·｛φC/2)-(SinφC/2)｝因此，由于上述C可以通过利用牛顿方法重复进行计算而得到，临界深度hc可以由下列方程式得到hc＝(D/2)·｛1-Cos(φC/2)｝-hω
在临界深度hc的基础上可以计算通过一根污水管道的液体的排水量Q。
由径流分析得到的排水量Q分支为溢流堰溢流排水量Qω和流到处理工厂的排水量Qt。必须按照管道结构规格进行详细的计算。当分支点与控制截面隔开时，进行了基于非均匀水流分析的水表面形状计算。这种计算是按照下述六个步骤进行的(1)画出一个通道的纵向和截面形状;(2)计算一个人造结构的溢流堰、台阶和洞孔的控制深度h;(3)计算均匀水流的深度ho;(4)计算临界深度hc;(5)确定流动状态;(6)从控制深度h跟踪水面形状，作为亚临界流动中上游的起点和超临界流动中下游的起点。流动状态列于表1。
表1(符号表示)状态分类水面形状亚临界流动滞水M1，C1，S1亚临界流动下沉滞水M2，H2，A2超临界流动滞水M3，C3，S3，H3，A3超临界流动下沉滞水S2临界流动均匀水流C2也就是说，虽然如表1所示流动状态包括亚临界流动、超临界流动和临界流动(均匀水流)，但考虑到控制深度h、均匀水流深度ho、临界深度hc以与流水量、梯度、截面形状等有关的其它条件，流动状态可以分类为五种水流。水面形状可以如表2列举的那样分类。这种复杂的计算只对预定的管道区段进行。为此，按照流动状态要分支的排水量Qw是利用相互作用的计算机预先计算的，同时排水量是在一定范围内变化的。经流分析单元10在预先计算和贮存的排水量Q、分支排水量Qw和处理工厂排水量Qt之间关系的基础上计算溢流堰排水量。
步骤E9如上所述，当预先确定了排水量Q、排水量Qw和Qt之间的关系时，可以通过从排水量Q中减去分支排水量Qw来得到雨水进入泵井的入口排水量。
在上述处理步骤中，计算了当雨降下而雨水通过污水管道网络流入泵站而后流入泵井21时得到的排水量。通过计算每个预报时间的排水量，得到表示流入泵井的雨水排水量的变化的曲线D13。
表2水面形状h、ho、hc之间的关系通道分类M1h＞ho＞hc中等梯度M2ho＞h＞hci＞0M3ho＞hc＞hho＞hcS1h＞hc＞ho陡峭梯度S2hc＞h＞hoi＞0S3hc＞ho＞hhc＞hoC1h＞hc＝ho临界梯度C2h＝hc＝hoi＞0C3hc＝ho＞hhc＞hoA2h＞hc反向梯度A3hc＞hi＜0H2ho→∞，h＞hc水平的H3ho→∞，hc＞hi＝0步骤E10上述由经流分析单元10得到的雨水泵井入口排水量曲线数据被提供给泵数目确定单元11。单元11利用雨水泵井入口排水量曲线D13和有关系的数据D14按照雨水泵运行规程计算泵输送量曲线和泵井水位曲线D15。单元11按照得到的泵输送置曲线和泵井水位曲线确定要运行的泵的数目。泵井21包括许多个额定功率相同的雨水泵24和水位表22。每个泵24由马达或原动机之类泵驱动机25驱动。
计算时期△Te(min)随单机雨水泵24的容量Qu(m3/S)而不同。当单机泵的容量大时计算时期△Te(min)被调置得较短，而当容量小时△Te被调置得较长。因此，必须考虑泵容量比Vp来确定计算时期。泵容量比Vp用一个系数表示，该系数表示当一个单独的雨水泵运行△Te时间而不进水时得到的在上下限之间泵井水位的降低比率。例如，假定如图16所示的具有沉淀池31的泵井21的底面积为A而泵井的最高和最低水位分别为Hχ和Hn，那么泵容量比Vp由下列方程式给出Vp＝60.0×Qu×△Te/｛(Hχ-Hn)A｝因此，当泵容量Qu＝2(m3/S)而泵井21容积为10.360(m3)时，Vp＝△Te/30。假定Vp＝0.2，那么计算时间△Te＝0.6(min)。参考图16，参考编号32表示入口，33表示门，34表示过滤网，35表示抽水管。此外，图16中Hχ表示最高水位，Hu表示高水位，Hm表示中水位，Hl表示低水位，Hn表示最低水位。泵数目确定单元11使泵24运行而同时使水位保持在最高和最低水位之间的范围内。中水位Hm是最高和最低水位的平均值，高水位Hu是位于最高水位和中水位的中间的水位，而低水位Hl是位于最低水位和中水位的中间的水位。
下面说明泵的运行规程。雨水泵24必须按照准备排放的雨水排排水量的特征运行。雨水排水量特征与接受雨量的排放区域的雨量特征有关。此时，人们认为雨量特征产生主动的影响，而排放区域的特征产生被动的影响。也就是，前者的影响大于后者的影响。雨量特征存在时间和地区的变化，因此最好认为是随机的(或无规则的)过程。雨量特征对泵的运行的影响是，即使当泵井中流动的水的排水量增大时，入口排水量在下一个计算时期中也并不总是增大的。为此，实际的泵的运行可以这样进行，使得当入口排水量增大而升高泵井的水位时，要运行的泵的数目就增多，而当水位降低时，要运行的泵的数目就减少。但是，在这种方法中，要运行的泵的数目的变化频率是增高的。因此，在本实施例中，(1)泵容量比率Vp被调置为较低的值(如0.2)，(2)为了减小要运行的泵的数目的变化频率，在一定的计算时间只进行通过泵运行数目变化计算得到的泵数目的部分变化，而其余变化的进行在下一个计算时间内确定。例如，当要运行的泵的数目经计算为了而正在运行的泵的数目为1，两个泵必须补充运行。但是，在本实施例中，只有一个泵作为计算的结果而补充运行，而另一个泵是否补充运行在下一个计算时间内确定。以这种方式可以减小泵运行数目的变化频率。
当在计算时间Ko-△Te时水位表22的指示值为HKo-△Te而要运行的泵的数目为Iko-△Te的时候，要运行的泵的数目按照下列四个步骤在下一个计算时间和后续时间内确定。
步骤1-通过径流分析计算流入泵井21的雨水排水量QKo。
步骤2-计算水位校正量Qh＝(Hko-△Te-Hm)。
A.注意，如果Hl≤Hko-△Te≤Hu，那么调置到Qh＝0。
步骤3-按照下列方程式从入口排水量Qko和水位校正量Qk计算要运行的泵的数目IkoIko＝INT｛0.5 (Qko Qh)/Qu｝式中INT｛χ｝为χ的整数部分。
步骤4-计算运行数目的差Id＝Iko-△Te-Iko。
注意(a)如果Id≤1和Hko-△Te＞Hm，则Id＝1(b)如果Id≥1和Hko-△Te≤Hm，则Id＝0(c)如果Id≤-1和Hko-△Te≥Hm，则Id＝0(d)如果Id≤-1和Hko-△Te＜Hm，则Id＝-1。
图17是当雨水泵数目为3时用来按照上述步骤改变要运行的泵的数目的Petri网。
参考图17，用参考符号Pi(i＝1，2，……，28)表示一个位置的函数。更具体地说，参考符号P1表示水位在先前时间(ko-△Te)时处于第一较低区域;P2表示水位在先前时间时处于第二较低区域;P3表示水位在先前时间时处于第二较高区域;P4表示水位在先前时间时处于第一较高区域;P5表示水位在先前时间时处于较低区域;P6表示水位在先前时间时处于较高区域;P7表示在先前时间时没有考虑水位的校正量;P8表示在先前时间时没有考虑水位的校正量;P9表示在先前时间时运行3个泵;P10表示在先前时间时运行2个泵;P11表示在先前时间时运行1个泵;P12表示在先前时间时没有泵在运行。P13表示在当前时间时由径流分析得到的入口排水量预报值;P14表示在当前时间时要运行的泵的数目的计算;P15表示在当前时间时有3个泵在运行;P16表示在当前时间时有2个泵在运行;P17表示在当前时间时有1个泵在运行;P18表示在当前时间时没有泵在运行;P19表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少3个;P20表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少2个;P21表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少1个;P22表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间既不增加也不减少;P23表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加1个;P24表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加2个;P25表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加3个;P26表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为要减少1个;P27表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为既不增加也不减少;P28表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为增加1个。
参考图17，框P27表示要运行的泵的数目既不增加也不减少。即使要运行的泵的数目由步骤3中的计算结果确定为要减少3个(P19)、2个(P20)和1个(P21)或要增加1个(P23)、2个(P24)和3个(P25)，在某些情况下要运行的泵的数目却被确定为既不增加也不减少。此外，即使当要运行的泵的数目被确定为减少3个(P19)和2个(P20)或增加2个(P24)和3个(P25)，在某些情况下要运行的泵的数目却被最后确定为减少1个(P26)或增加1个(P28)。所有这些功能有助于减少要运行的泵的数目的变化频率。
表3比较在5个实例中常规设备和按照本发明实施例的设备之间要运行的泵的数目的变化频率。如表3中显而易见的，由本发明设备得到的要运行的泵的数目的变化频率比常规设备得到的要小得多。后者仅仅是在泵井水位的基础上改变要运行的泵的数目。
表3实例号雨量(mm)降雨时间(h)所用方法变化频率降雨实例11710本发明7常规方法10降雨实例22019本发明10常规方法14降雨实例31311本发明4常规方法6降雨实例44914本发明5常规方法22降雨实例52012本发明8常规方法12泵数目确定单元11的输出是步骤4中得到的要运行的泵的数目Id。数目Id对每个计算时间被提供给驱动控制器23，以使雨水泵24运行或停止，从而充分地调整输送速率。此种情况下，差数Id＝0意思是不产生运行变化指令。因此，改变要运行的泵的数目所使用的指令的数目可以减少。
为了通知数据处理的部分结果，数据校准单元7、雨量预报单元9、径流分析单元10和泵数目确定单元11在显示单元8上显示处理过的数据。
在上述实施例中，用雷达雨量器得到的整个城市区域的雨量数据利用用地面雨量器测量的许多个点的直接雨量数据来校正。结果，通过广阔的地区可以得到详细的二维雨量数据。由于雨量曲线是利用许多组雨量数据预报的，要运行的雨水泵24的数目可以正确地确定。此外，在上述实施例中，雨量重心点的轨迹是否沿某个方向向前运动这一点受到检验，而计算模式是按照检验结果来变化的，从而得到雨量曲线。因此，雨量曲线可以以高精度得到。直到预报时间之前的雨量分布的运动距离、运动方向等等，都可以比较正确地预报。在上述实施例中，考虑到城市化的进步，计算了市区的径流排水量，这种计算是在结合点之间的垂直关系的基础上进行的，除了雨量曲线数据外，也考虑了污水管道网络的排放区域的输水时间。为此，可以正确地计算流入泵井21的雨水的排水量。其次，由泵数目确定单元11的计算结果得到的要运行的泵的数目的变化频率被调整而减少。由于所有上述处理工作，要运行的泵的数目的变化频率可以减少到低于常规设备，与流入泵井的雨水排水量的快速变化相适应。
本发明并不限于上述实施例。通常，当许多个雷达雨量器设置在有关的广阔区域内时，雨量特征随雨达雨量器发射的无线电波频率而不同。此外，如果扩大雷达雨量器的观测范围，观测精度就会下降。在这种情况下，从许多个雷达雨量器得到的数据可以受到处理，使得一个具有高精度的雷达雨量器的数据被用于在图7的第三阶段中由雨水预报单元9从雨水分布MK。计算雨量，从而预报雨量。使用的雷达雨量器主要是地面型的。但是，也可以使用从气象卫星得来的数据。
在图7所示的流程图中，例如，在第一阶段中，每次当前计算时间得到及时修正，Kd过去雨量网络数据就会计算出来。但是，过去计算的雨量网络数据可以贮存在记忆单元7a中，使得贮存数据被直接用于过去计算时间的雨量网络数据，而只计算当前计算时间的雨量网络数据。
在上述实施例中，运动速度矢量是在当前计算时间KO和时间KO-3·△tm时的重心点位置的基础上得到的。同样，例如，可以检验重心点的诸如转向之类的运动。例如，当运动速度矢量保持沿一个方向连续地向右或向左弯曲(Km-1)次，它的轨迹就转弯了。此时，也就是，当弯曲角αt(t＝KO-(Km 1)·△Tm……，KO)始终沿一个方向时，角度的平均值可以被用作KO △tr·K(K＝0，1，2，……，kf)时间的弯曲角。弯曲角是由下列方程式得到的at=Σt=KD-(Km 1)·ΔTmt=KDt/(Km-1)·ΔTm]]>也就是，考虑到平均角度值的弯曲角度，从连接KO-△Tm和KO时间的重心点的矢量可以得到运动矢量。以这种方式，可以处理转向运动。
为了对污水管干线很长而且干线管和泵井连在一起互受影响的污水处理工厂进行径流分析，径流分析单元10在考虑到非线性偏微分联立方程的时间和面积变化的情况下进行了非均匀分析。利用有限差分法计算得到正解或负解。在这种情况下，由于单位时间宽度被调置为几秒，并考虑到泵排水头特征或内排放磨擦损轮曲线而进行大量计算，也可以分析瞬时流动现象。
在上述实施例中，对泵数目确定单元11，中水位Hm被定在最高和最低水位的中间。当泵井的底面积A是水位h的函数(A＝A(h)时，容积为总容积一半时的水位hm′被定为中水位。水位hm′由下列方程式得到
当预报大雨量时，在进入泵井的入口排水量增大之前，必须排空泵井中的水。在这种情况下，通过定中水位H＊m低于Hm或Hm′来进行计算。中水位H＊m由操作人员选择，在运行期间可以变化。而且，本发明可以以各种方式实施和改进而并不偏离本发明的精神和范围。
如上所述，由于雨量的时间和面积变化并不再现过去的数据，这些变化很难处理。但是，在本发明中，雷达雨量器得到的二维数据受到地面雨量器数据的校准。从校准的雨量数据可以预报从现时起数小时内的雨量曲线，从而预报从现时起数小时内的时间顺序的泵运行状态。在本发明中，除雨量曲线预报外，还考虑了雨量通过污水管道网络流入泵井的过程。也就是，在本发明中，在考虑到主要地点的状态变化的情况下，计算了进入泵井的入口排水量。以确定要运行的泵的数目。因此，可以用数目合适的泵进行排放处理，与流入泵井的雨水排水量的快速变化相适应。为此，在本发明中，可以最大限度地保护房屋不受雨水淹没，而雨水可以用要运行的泵的数目的变化频率最小的条件来排入江河。
权利要求
1.一种雨水泵运行控制设备，用于控制许多个将市区中流动的雨水排入江河用的雨水泵的运行，该设备包括一个泵井，连接到污水管道上，用于接受雨水；雨水泵，用于从上述泵井排放上述泵井中的雨水；一个水位表，安置在上述泵井中；泵数目确定装置，用于在考虑到上述水位表的水位和当前运行的泵的数目的情况下确定要运行的泵的数目；一个雷达雨量器，用于对每个预定的观测时期观测二维的雨量分布状态；地面雨量器，安置在地面的许多个点上，用于测量地面上的实际雨量；雨量预报装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据，并在若干组校准的雨量分布数据的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量；径流分析装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析，以计算降雨排水量，并预报在上述泵井中流动的雨水的排水量；上述泵数目确定装置在考虑到由上述径流分析装置计算的在上述泵井中流动的雨水排水量、上述水位表的水位以及当前运行的泵的数目的情况下确定要运行的泵的数目。
2.一种根据权利要求1所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括校准装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据;用于从上述校准装置接收若干组校准过的雨量分布数据的装置，该装置计算每组的雨量重心点，从而获得重心点的轨迹;一种装置，用于当从重心点轨迹得到的重心点运动方向落在预定角度以内时利用重心点的动方向和运动速度，并当重心点运动方向落在预定角度以外时计算过去重心点的平均值和离差以获得重心点的运动方向和运动速度;雨量增大/减小速率获得装置，用于从雨量的面积平均值获得雨量的增大/减小速率;一种装置，用于为了预报考虑到降雨的时间和面积变化的雨量而计算有关排放区域的面积中的雨量，假定当前计算时间的最新雨量分布在若干未来计算时期中并不变化并沿上述运动方向以上述运动速度运动;预报雨量装置，用于放大由上述雨量计算装置按增大/减小速率计算的雨量，以获得预报的雨量。
3.一种根据权利要求1所述的设备，其中上述径流分析装置包括用于按照有关排放区域的预报雨量和管道输水时间获得流入上述泵井的雨水排水量的装置，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;用于获得在上述泵井中流动的雨水排水量的装置，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络具有溢流堰的话。
4.一种根据权利要求1所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括确定装置，用于当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正，并确定为了抽出校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化装置，用于当上述确定装置确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少1个。
5.一种雨水泵运行控制设备，用于控制许多个将流入污水处理工厂的雨水排入江河用的雨水泵的运行状态，该设备包括一个雷达雨量器，用于观测二维雨量分布状态;地面雨量器，用于测量地面上的实际雨量;雨量预报装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的二维雨量分布数据，并按照若干组校准过的过去的雨量分布数据来预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量;泵数目确定装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上预报在上述泵井中流动的雨水的雨量，并确定要运行的泵的数目。
6.一种根据权利要求5所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括分析装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析，以计算降雨排水量，从而预报在上述泵井中流动的水的排水量;确定装置，用于在由上述分析装置预报的上述泵井的入口排水量、水位表的水位以及当前运行的泵的数目的基础上确定要运行的泵的数目。
7.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于接收表示一定时间内一定降雨量的静态雨量预报的装置;用于许多组过去的雨量分布和静态雨量预报的基础上对一定的降雨事件预报一个预定时间范围内的雨量的装置。
8.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于计算雨量分布的重心点的位置以获得重心点的轨迹的装置;用于在重心点的轨迹的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内重心点的位置的装置;增减速率获得装置，用于在当前降雨事件的过去雨量数据的基础上获得雨量的增减速率;用于使最新的雨量分布向预报位置移动用的装置;用于在移动的雨量分布的基础上计算要观测的排放区域内的雨量并利用增减速率放大计算的雨量以获得预报的雨量的装置。
9.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于接收时间顺序雨量分布数据并计算每组数据的雨量重心点的装置;用于利用预定的规则检验重心点是否运动的装置;计算装置，用于如果重心点的运动符合预定规则就按照预定规则计算重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置，或是如果重心点的运动不符合预定规则就通过计算过去的重心点的位置的平均值和离差的办法来计算重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置;雨量增减速率获得装置，用于在雨量的地区平均值的基础上获得雨量的增减速率;一种装置，用于假定当前计算时间的最新雨量分布在预定时期内不变化而使最新雨量分布移到由计算的重心点确定的位置上，计算在有关排放区域的面积内的雨量，并利用增减速率放大计算的雨量，以获得预报的雨量。
10.一种根据权利要求5所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括用于在有关排放区域的预报雨量和管道输水时间的基础上获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的装置，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;用于获得在上述泵井中流动的雨水排水量的装置，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络包括溢流堰的话。
11.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述泵数目确定装置包括确定装置，用于当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正量，并确定为了抽出校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化装置，用于当上述确定装置确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少1个。
12.一种控制许多个排放在污水处理工厂中流动的雨水用的雨水泵的运行状态的雨水泵运行控制方法，该方法包括利用一个雷达雨量器获得表示二维雨量分布状态的雨量分布数据的步骤;利用地面雨量器测量实际雨量的步骤;用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据并在若干组校准的过去的雨量分布数据的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量的雨量预报步骤;在上述雨量预报步骤得到的预报雨量的基础上预报在泵井中流动的雨水排水量的泵数目确定步骤。
13.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确决步骤包括在上述雨量预报步骤中得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析以计算降雨排水量并预报在上述泵井中流动的雨水的排水量的分析步骤;在上述分析步骤中预报的上述泵井的入口排水量、水位表的水位和当前运行的泵的数目的基础上确定要运行的泵的数目的泵步骤。
14.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述雨量预报步骤包括接收时间顺序的雨量分布数据并计算每组的雨量重心点的步骤;检验重心点是否按预定规则运动的步骤;如果重心点的运动符合预定规则就按照预定规则或是如果重心点的运动不符合预定规则就通过计算重心点的过去位置的平均值和离差来获得重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置的步骤;从雨量的地区平均值获得雨量的增减速率的雨量增减速率获得步骤;假定当前计算时间的最新雨量分布在预定时间期内不变化而使最新雨量分布移到由计算的重心点确定的位置上、计算在有关排放区域的面积内的雨量、并利用增减速率放大雨量以获得预报的雨量的步骤。
15.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确定步骤包括在有关排放区域的预报雨量和管道输水时间的基础上获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的步骤，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的步骤，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络包括溢流堰的话。
16.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确定步骤包括当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正量并确定为了排放校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目的步骤，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化步骤，就是当确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少一个的泵数目变化步骤。
全文摘要
控制雨水泵运行的设备和方法。将地面雨量器测得的实际雨量数据输入处理装置，以校准雷达雨量器测量的雨量分布数据，并从若干组校准雨量分布数据预报从现时开始的预定时间内的雨量。数据处理装置在预报雨量的基础上按照排放区域的特征进行径流分析，从而预报泵井中流动的雨水排水量。数据处理装置考虑泵井中流动的雨水排水量、水位表水位和当前运行的泵的数目，来确定要运行的泵的数目，从而控制泵井中排放雨水的泵的运行。
文档编号F04B49/06GK1038858SQ8910435
公开日1990年1月17日 申请日期1989年6月26日 优先权日1988年6月25日
发明者小舘英, 加藤孝天, 青木滋天 申请人:株式会社东芝
技术领域：
本发明涉及一种控制在污水处理工厂中使用的雨水泵或类似装置运行的设备和方法，更具体地说，涉及一种用于按照降雨的时间和地区变化而控制雨水泵运行数目的雨水泵运行控制设备和方法。
污水处理工厂对污水处理很重要。污水处理工厂对防止由降雨引起的灾害、保证城市卫生和维持良好环境也很重要。从这点出发，控制作为污水处理设备的要运行的雨水泵的数目是非常重要的。雨水泵运行控制的适当与否会显著影响成功和失败之间的差别。
污水处理工厂中处理的雨量随按地区按时间变化的雨量特征、地面形貌、管道设置、管道结构等而变化。因此，在某一地区中雨量随时间的变化与过去不重合，并不具有再现性。这种雨量性质称为雨量的时间和地区变化。
下述常规技术被用于预报此种复杂变化的雨量，并确定要运行的雨水泵的数目。
1.在市区的许多个位置设置地面雨量器。在地面雨量器测得的雨量的基础上由个人经验预报未来的雨量。在预报的雨量的基础上确定要运行的泵的数目。
2.每个地区的雨量用雷达雨量器观测。在观测到的雨量的基础上由个人经验预报未来的雨量。在预报的雨量的基础上确定待运行的泵的数目。
3.在井(泵井)中设置水位表，雨水泵从井中将水泵出。在由水位表测得的水位升降的基础上确定待运行的雨水泵的数目。这第三种技术公开在例如日本专利公告No.57-186080中。
第一和第二种技术大大依赖于个人的经验。因此，很难充分地确定要运行的雨水泵的数目。
泵井的水位升降速率按照与泵井连接的管道的结构、与上述连接泵井的管道的远端连接的另一管道的类型等等而显著不同。此外，在市区中，由于人口密集造成的房屋过分拥挤或铺砌路面的扩展，大部分雨水并不渗透入地面而是流入污水管道。为此，由于大量的雨水必须同时排入江河，人们越来越使用具有极大容量的雨水泵。因此，按照第三种技术，即使在确定泵井水位上升的基础上增加要运行的泵的数目时，水位可能很快下降，或者反之亦然。因此，在第三种技术中，要运行的泵的数目必须按照泵井中水位的变化而随时间变化。这会消耗大量电力，缩短雨水泵的使用寿命，而且有时会恶化雨水从污水管道向江河的充分排放。
本发明的目的是提供一种雨水泵运行的控制设备和方法，它们能够从全面观点分析雨量以充分地预报雨量，从而将足以完成排放工作的要运行的雨水泵数目的变化减到最小。
为了达到本发明的上述目的，按照本发明所述的雨水泵运行控制设备，也就是为将市区流动的雨水排入江河而控制许多个雨水泵的运行所用的雨水泵运行控制设备中包括一个雷达雨量器，用于观测每个预定观测时期内的二维雨量分布;
地面雨量器，设置在地面的许多个点上，用于测量地面上的实际雨量;
一个水位表，设置在一个泵井中;
一个雨量预报装置，用于在由地面雨量器测量的雨量基础上校准由雷达雨量器获得的二维雨量分布，并在几组过去校准的雨量分布的基础上预报从现时开始的预定时间内的雨量;
径流分析装置，用于在由雨量预报装置获得的预报雨量的基础上进行适合排放区域特征的经流分析，并计算降雨排水量，从而在泵井中获得入口排水量;
一个泵数目确定装置，用于在由径流分析装置获得的泵井入口排水量和水位表水位的基础上考虑到当前运行的泵的数目来确定要运行的泵的数目。
按照包括上述装置的本发明，由雷达雨量器对每个预定观测时期提供的二维雨量分布是在由设置在许多个地面点上的地面雨量器测得的实际雨量的基础上校准的，从而获得有关排放区域的正确雨量分布。此外，由于从现时开始的预定时间内的雨量是在几组过去校准的雨量分布的基础上预报的，雨量可以得到比较准确的预报。其次，泵井的入口排水量的计算考虑了例如有关排放区域中的污水管道网络。因此，在泵井中流动的未来的雨水量可以得到比较准确的预报。要运行的雨水泵的数目是在泵井入口排水量和水位表水位的基础上确定的。因此，雨水泵的数目可以得到精确的控制。
下面简要说明附图。
图1是按照本发明实施例所述的一种雨水泵运行控制设备的总体设置框图;
图2是说明数据处理单元中一系列数据处理流程用的流程图;
图3是表示雨量预报曲线的图形;
图4是表示网格和并不具有预定移动方向的雨水重心点的轨迹的视图;
图5是表示全部区域平均雨量的图形;
图6是表示网格和具有预定移动方向的雨水重心点的轨迹的视图;
图7是说明雨量预报单元中的计算处理用的流程图;
图8是表示当降雨开始前的一个时期为计算时间时得到的雨量曲线的图形;
图9是表示当降雨开始后和获得预定数目的数据组之前的一个时期为计算时间时得到的雨量曲线的图形;
图10是表示当有关排放区域的雨量是在雨量分布的基础上计算的时候所得到的移动矢量和有关排放区域之间的关系的视图;
图11和12是表示有关排放区域的污水管道网络的垂直配置的视图;
图13是表示经流分析结果和污水管道网络之间关系的视图;
图14是说明当保持污水管道网络的垂直配置时所进行的计算用的视图;
图15是说明当人造结构物如溢流堰加到污水管道网络上而进行水位计算时的溢流排水量计算用的视图;
图16是说明一个结构物和泵井水位之间的关系的视图;
图17是表示确定要运行的泵的数目用的Petri网络的视图。
下面将参考附图详细说明本发明的一个实施例。
图1表示按照本发明的一个实施例所述的一种雨水泵运行控制设备的总体设置。本设备包括一个由雷达天线1a和雷达发射/接收单元16组成的雷达雨量器1。至少雨量器1的天线1a被安置在靠近市区的比较开阔的地方。天线1a在单元1b的控制下运行。单元1b产生一个待发射的信号并从天线1a上发射无线电波信号。单元1b接收由雨云3中或从雨云中降下的雨滴3a进行背散射所返回的无线电波，作为雷达接收功率的数据。雷达接收功率数据与代表雨量分布的数据相对应。雷达发射/接收单元1b通过数据发射单元4a和4b将雷达接收功率数据发射到数据处理单元2。使用单元4a和4b是因为雷达雨量器1和数据处理单元2被安置在不同的地方。
测量地面上实际雨量用的许多个地面雨量器5被安置在地面上。雨量器5安置在市区内外的许多个点上。例如，一个翻斗被用作雨量器5。当翻斗从圆筒形接水口接收一预定量的雨量时，翻斗倾倒。通过计算相应翻斗的倾倒次数就可以得到某一点的雨量。雨量器5通过发射单元6a和6b将得到的雨量数据发射给数据处理单元2。
数据处理单元2包括(例如)一个数据校准单元7、一个雨量预报单元9、一个径流分析单元10和一个泵数目确定单元11。单元7至11可以单个地(例如)由一台计算机组成。另一种方式是，整个数据处理单元2可以由一台计算机组成，使得单元7至11的功能由软件处理。
数据校准单元7在从地面雨量器5来的雨量数据的基础上校准从雷达雨量器1来的雷达接收功率数据(雨量分布数据)。雷达雨量器1获得的雨量数据是通过雨云3来的雨滴得到的间接数据，不是充分可靠的。因此，单元7利用由地面雨量器5真实测到的(直接)雨量数据校准从雷达雨量器1得到的雨量数据。结果，得到代表二维雨量分布的高精度数据(雨量分布数据)。为了能够使(例如)操作人员理解当前的雨量分布状态，单元7在显示单元8上显示校准过的雨量分布。校准过的雨量分布数据可以用打印机打印或记录在记录单元中。单元7将得到的雨量分布数据贮存在记忆单元7a中，例如数据库中。
雨量预报单元9利用由观测得到的许多组校准过的雨量分布数据预报从现时开始的一个预定时间内的雨量。在本实施例中，雨量预报包括从当前时间到预定未来时间的动态预报和在预定未来时间之后的一个时期内的静态预报(见图3)。单元9将一条代表预报雨量变化的曲线(预报雨量曲线)连接到一条代表由观测得到的实际雨量变化的曲线(实际雨量曲线)上，从而得到一条连接的雨量曲线。预报的实际的和连接的雨量曲线将在后面详细说明。所谓“由过去的观测得到的校准过的雨量分布数据”，是在比当前时间早的若干观测时期内得到的与当前降雨事件有关的校准过的雨量分布数据。单元9将得到的连接雨量曲线贮存在记忆单元9a中。
径流分析单元10按照市区中泵站的泵的数目划分排放区域。单元10得到一条代表在每个泵站流入泵井的污水排水量的变化的曲线(泵井入口排水量曲线)。为了得到泵井入口排水量曲线，单元10进行计算时考虑到连接雨量曲线、流过每个划分的排放区域的大多数下游点的雨量排水量以及污水管道网络的汇合和分支。单元10将连接雨量曲线提供给泵的数目确定单元11。
雨水泵24将泵井21中的雨水向上泵入江河。一个水位表22设置在泵井21中并观测泵井21中的水位。泵24通过泵驱动装置25运行和停止。泵数目确定单元11保持预定的雨水泵运行规则。单元11在泵井入口排水量曲线、水位表22的测量数据和雨水泵操作规则的基础上计算准备通过泵从泵井21排入江河的水量(泵输水量)。单元11获得一条代表泵井或类似装置中水位变化的水位变化曲线。单元11获得从当前计算时间到其后若干计算时期内的泵排水量、要运行的泵的数目和泵井水位。如果需要，单元11向驱动器控制器23提供一个指令。按此指令，控制器23控制泵驱动器25改变要运行的泵24的数目。
如上所述，数据处理单元2可以在从当前时间(当前计算时间)开始的预定时间(若干计算时期)内确定雨量、泵井流入速率、泵排水量、要运行的泵的数目、泵井水位等等。因此，单元2可以预报泵24的全部运行状态，并且如果它预报麻烦即将发生就能迅速检查防止麻烦的反措施。
下面将说明具有上述配置的泵运行控制设备的运行。
雷达发射/接收单元1b对每个观测时期产生一个发射信号，观测时期由它自己确定或者在数据处理单元2的指令基础上确定。单元1b将产生的发射信号送到雷达天线1a上。天线1a一接收到发射信号，就发射一个无线电波到空中。天线1a接收由雨云3中或从雨云降下的雨滴3a背散射返回的无线电波。天线1a将接收功率数据发射给雷达发射/接收单元1b。单元1b通过数据发射单元4a和4b将雷达接收功率数据提供给数据校准单元7。
安置在许多个点上的地面雨量表5测量实际的雨量以获得雨量数据。雨量表5通过发射单元6a和6b将获得的许多个雨量数据提供给数据校准单元7。
在从雷达雨量器1得到的雷达接收功率数据和从地面雨量器5得到的雨量数据的基础上，数据处理单元2按照图2所示的流程图进行数据处理。下面将参考图2说明单元2的运行。参考图2，每个方框表示数据处理单元的一次运行，它们用参考符号E标记，而每个下部划线部分表示数据，它们用参考符号D标记。
步骤E1数据校准单元7在记忆单元7a中贮存在晴天得到的地面形貌回波数据D1。数据D1可以通过从雷达天线1a发射无线电波并获得在晴天由地面周围形貌、建筑物之类背反射所返回的无线电波的强度。单元7从雷达雨量器1接收雷达接收功率数据D2并将数据D2转换为雨量分布数据D3。数据D2转换为D3进行如下。就是，从雷达接收功率数据D2中减去地面形貌数据D1。结果，从数据D2中除去地面形貌回波的影响。由于在雷达接收功率Z和雨量强度R之间建立了函数关系，数据D2利用所谓雷达方程式Z＝a·Rb(此处a和b都是常数)被转换为雨量分布数据D3。
步骤E2在步骤E1中得到的雨量分布数据D3是与广阔区域有关的二维数据。数据校准单元7利用从地面雨量器5得到的代表实际雨量的地面雨量数据(点数据)D4校准该二维数据D3。这种校准是通过(例如)校正上述雷达方程式中的常数a和b来进行的，使得雨量强度R符合地面雨量器5的测量值。
而后单元7获得雨量网格数据D5。数据D5代表在一个网格内的雨量，网格是通过划分围绕雷达天线1a的区域而得到的。更具体地说，如图4所示，假定天线转动360°以观测雨量，网格是通过将整个360°圆周等分为“128”或“256”个扇形并围绕天线1a以数公里为一个单位画圆圈。
单元7对图3所示的每个观测时期(观测时间单位宽度)△Tm获得数据D5。单元7将获得的雨量网格数据D5贮存在记忆单元7a中。单元7a将数据D5从过去保持到当前时间。
步骤E3操作人员很难直接从雨量网格数据D5理解当前的雨量分布状态。因此，数据校准单元7将数据D5数量化，使得一个人能够容易地理解当前的雨量分布状态。单元7将数量化的雨量网格数据提供给显示单元8。显示单元8显示数量化的雨量网格数据(现时直播显示D6)。
步骤E4在本实施例中，泵的运行控制对每个与观测时期△Tm无关的计算时期△Te进行及时的修正。计算时期△Te每过去一个(在时间△Te，2△Te，3△Te，……)，雨量预报单元9就预报一次未来的雨量。单元9对每个观测时期△Tm从校准单元7接收数据D5，并将数据D5贮存在记忆单元9a中。因此，单元9至少将当前计算时间Ko的最新几组(Kd 1，Kd＝0，1，2，……)雨量网格数据贮存在记忆单元9a中。在这几组数据的基础上，如图3所示，单元9在从当前时间Ko开始的若干计算时期内在若干时间(Kf点)上动态地预报雨量。如果需要，单元9在动态预报时间之后在若干时间(Kg点)上静态地预报雨量(动态和静态的意义将在以后说明)。一个动态预报时间是一个从当前计算时间Ko到Kf·△Te的时间间隔，而一个静态预报时间是一个从时间Ko Kf·△Te到时间Ko (Kf Kg)·△Te的时间间隔。参考图3，假定计算时期△Te为10分钟，单元9在从现时算起的1小时内在6个(Kf)点上动态地预报雨量，并在其后的5个(Kg)点上静态地预报雨量。
雨量预报方法随雨量表达方法而不同。正常的雨量网格数据包括(例如)代表几万个网格中雨量的数据，其数据量是巨大的。因此，几乎不可能在雨量预报中直接利用雨量网格数据D5。为此，在本实施例中，数据D5是统计地压缩成几种类型的数据而加以利用的。这种压缩方法包括(1)第一方法，其中雨量用一个重心点和一个平均雨量代表;(2)第二方法，其中雨量用总平均雨量代表。在第一方法中，得到雨量分布的重心点，而只对具有雨量的网格得到雨量的平均值。在第二法中，在围绕雷达天线1a的预定范围内对整个范围获得雨量的平均值。
图4表示一个雨量分布重心点的轨迹，图5表示平均雨量。
参考图4，参考符号O代表雷达天线1a的位置，而参考符号T代表重心点在网格上的轨迹。重心点的轨迹具有一个漂移模式(w模式)和一个向前模式(F模式)，在漂移模式中如图4所示轨迹并不具有预定的方法，在向前模式中如图6所示轨迹沿预定方向向前移动。重心点的轨迹可以有时候在某一时间处于F模式而后处于W模式，或是相反。因此，在本实施例中，单元9每预报一次雨量(每次图3中表示的当前计算时间Ko进行了及时的修正;每次过去时间△Te)，模式测定就进行一次。当重心点的向前移动方向的弯曲角α几次(例如3次)连续地掉入预定角度(例如45°)的范围内时，单元9就确定重心点的轨迹处于F模式中。反之，单元9就确定W模式。
下面参考图7说明雨量预报单元9进行的雨量预报运行的全部详细流程。进行雨量预报必须考虑到这样一个事实，即雨量随时间和地区的变化不会重复过去的历史(例如，具有不存在再现性的特征)。为此，单元9第(1)通过处理当前降雨的过去数据来预报雨量，第(2)考虑到重心点漂移的事实来统计地预报雨量重心点的未来位置，从而预报雨量。更具体地说，为了上述第(1)项中的处理，单元9在当前计算时间Ko处理一次降雨事件的Kd组网格数据Mt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Kd·△Tm)。为了上述第(2)项中的处理，在雨量预报的建立中，单元9计算雨量重心点位置的平均值和离差，并假定雨量重心点位置的变化代表正常分布时在从当前计算时间Ko开始的预定时间(动态预报时间)内预报重心点的位置。当采用这样一种预报方法时，雨量预报用的要处理的网格数据组的数目在从降雨开始时间起的时间△Tm·Kd内是不够充分的。因此，在本实施例中，在从降雨开始时间起的时间△Tm·Kd(初始时期)中采用了与上述F模式和W模式不同的预报方法(此后称为Ⅰ模式)。
下面参考图7说明雨量预报的运行。当每次过去预定的计算时期△Te时，雨量预报单元9就执行图7中所示的流程。在下述说明中，Ko代表当前计算时间;Ks代表在降雨开始后的网格数据组的数目;Kd代表为雨量预报而要处理的网格数据组的数目;Km代表为模式确定而要处理的网格数据组的数目;Kf代表动态预报的次数;Kg代表静态预报的次数;△Te代表一个计算时期(或预报时期);△Tm代表一个观测时期。
单元9从外部单元(或通过操作人员的输入)接收有关当前降雨事件的总雨量Rt和降雨时间Tt的静态预报(步骤S1)。静态预报指代表(例如)从某一时间开始在8(Tt)小时内降下200(Rt)毫米雨的预报。在这种静态预报中，可以利用由气象局进行的雨量预报。或者是，系统的管理人可以个人获得此种数据。单元9而后检验是否已经获得Kd组雨量网格数据。如果还没有获得Kd组网格数据，单元9就确定Ⅰ模式，而流程就前进到步骤S3。在步骤S3中，单元9检验雨是否已经降下。如果雨尚未降下，那末实际雨量为零，而流程就前进到步骤S4。单元9在总雨量Rt和降雨时间Tt的基础上形成一条如图8所示的倒转的等腰三角形雨量曲线(步骤S4)。在图8中，当用计算时期△Te除降雨时间Tt得到的值为偶数时，代表最大雨量曲线中最大值的区段数目为2，而当该值为奇数时，该区段数目为1。最大雨量的获得如下所述如果Tt/△Te＝2m，最大雨量＝Rt/(m 1)(2区段);
如果Tt/△Te＝2m-1，最大雨量＝Rt/m(1区段)。
如果单元9在步骤S3中确定当前计算时间Ko在降雨开始之后，那末流程就前进到步骤S5。此时，还没有得到预定的网格数据组的数目(O＜Ks＜Kd)。此时，由于得到了Ks组的实际雨量At(t＝Ko，Ko-△Tm，Ko-2·△Tm，……，Ko-Ks·△Tm)，因此从步骤S5中的总雨量中减去由下述方程式代表的实际雨量总和St＝Ko∑AtS＝t＝Ko-Ks·△Tm降雨时间是由从Tt中减去Ks·△Tm而得到的。在得到的数据的基础上，单元9形成一条等腰三角形雨量曲线，并得到一条如图9中虚线所示的结合实际和预报数据的雨量曲线。
当从降雨开始时间起已经过去了预定时期Kd·△Tm并得到了预定的处理数据组的数目Kd，流程就从步骤S2前进到S7。在当前计算时间Ko单元9检验重心点的轨迹是否处在F或W模式。单元9随确定结果进行不同的数据处理。基本上，数据处理在两种模式中都是在下述三个推断的基础上进行的。
(1)重心点的运动矢量是从重心点的轨迹计算的。
(2)计算了与降雨时间有关的变化速率(增减速率)。
(3)假定在当前计算时间Ko时的雨量分布状态在动态预报时间内是不变化的。
除了工模式以外的雨量预报处理可以分为第一至第四阶段，如图7所示。下面将按顺序说明第一至第四处理阶段。
在步骤S7，时间t调置在Ko(当前计算时间)。在步骤S8和S9，计算了在当前计算时间Ko时雨量重心点的位置Pt和雨量分布Mt的降雨面积平均值At。雨量重心点的位置Pt和降雨面积平均值At被用于计算重心点运动矢量和以后要说明的雨量变化速率。雨量重心点的位置Pt位于二维平面中，因此它可以用两个分量表示。根据每个分量，每个网络中心点的坐标乘上该网络的面积和该网络中的雨量，而后将乘上面积和雨量的坐标在一起相加，以获得与所有网络相对应的总和。同样，根据每个分量，每个网格中心点的坐标乘上该网格的面积，而后将乘上面积的坐标在一起相加以获得与所有网格相对应的总确。雨量重心点的位置Pt可以用后一个总和去除前一个总和来得到。降雨面积平均值At是通过计算雨量不等于0的网格雨量平均值而得到的。
当Pt和At的计算在当前计算时间Ko结束时，单元9在步骤S10中检验是否已经获得Ka组过去的Pt和At值。如果在步骤S10中为否，那么从时间t中减去△Tm(步骤S11)。执行步骤S8和S9，以便在紧接的先前观测时间Ko-△Tm时获得Pt和Kd。上述运行重复进行。当获得Kd组Pt和At值时，运行就前进到步骤S12。
在步骤S12中，单元9利用Kd组重心点Pt和平均值At按照下列方程式计算降雨面积平均值的变化速率C
t＝Ko-(Km 1)·△TmC=｛ 1/((Km-1)) ｝
(1- (At-△Tm)/(At) )在步骤S13中，时间t重新调置到当前计算时间Ko。随后，在步骤S14，产生上述运动速度矢量。运动速度矢量的得到如下述。计算线段Pt-△Tm·Pt(重心点在当前计算时间的位置)相对于线段Pt-2·△Tm(重心点在相对于时间t的第二个先前观测时间时的位置)Pt-△Tm(重心点在紧接时间t前面的一个观测时间的位置)的角度αt。单元9在角αt和模式分支角αm的基础上进行模式的确定(步骤S15)。如果αt＞αm，单元9就确定W(漂移)模式，流程就前进到达以后要说明的步骤S30。如果αt≤αm，运行就前进到步骤S16。在步骤S16中，单元9检验时间t是否比当前计算时间Ko早一个时间Km·△Tm，也就是，步骤S15中的确是否是对所有过去的Km观测时间进行的。如果在步骤S16中为否，就从时间t中减去△Tm(步骤S17)，而运行就返回到步骤S14。其后，就执行上述处理。如果αt＞αm的情况即使在Km个紧接前面观测时间中存在一次，W模式就被确定，而运行就前进到步骤S30。如果在Km个紧接前面观测时间中不存在αt＞αm的情况，重点心就大体上沿直线运动，而F模式就被确定。运行就前进到步骤S18。
在步骤S18中，单元9计算一个在动态预报时间中假定为常量的运动速度矢量Pt-3·△Tm·Pt/(3·△Tm)。运动速度矢量代表重心点Pt的运动方向和单位时间运动量。在步骤19中，时间t调置为初始预报时间t＝Ko △Te。在当前计算时间Ko时的雨量分布MKo被预报沿运动速度矢量的方向按单位时间的量值进行运动。因此，在步骤S20中，运动速度矢量被乘以△Te，以得到重心点到下一个预报时间(计算时间)的运动距离。两量分布MKo平行移动一个在步骤S20中得到的运动距离，作为预报时间Ko △Te时的雨量分布。图10表示运动的雨量分布。有关排放区域的每个网格中的雨量是在运动雨量分布的基础上计算的(步骤S21)。在步骤S21中得到的雨量被乘以变化速率C以计算雨量预报值rt(步骤S22)。在步骤S22中，单元9检验上述运行是否是对所有Kf预报时间进行的。如果在步骤S22中为否(即，如果t＜Ko Kf·△Tm)，△To就加入到时间T中。上述运行被重复。如果在步骤S23中单元9确定上述运行是对所有Kf预报时间进行的，运行就前进到步骤S25。
当实际降雨时间Ks·△Tm和动态预报时间Kf·△Te的和小于降雨时间Tt或当实际雨量总和GW和动态预报雨量总和JW小于总雨量Rt时，在步骤S25中用下列方程式计算剩余时间Tr和剩余雨量Rrt＝KoGW＝∑Att＝Ko-Ks·△Tm
t＝Ko Kf·△TeJW＝∑γtt＝Ko △TeTr＝Tt-Ks△Tm-Kf·△Tet＝Kot＝Ko Kf·△TeRγ＝Rt-∑ At-∑ γtt＝Ko-Ks·△Tm t＝Ko △Te在步骤S26中，检验了是否Rr＞0。如果Rr≤0，处理就结束。如果Rγ＞0，运行就前进到步骤S27。在步骤S27中，检验了是否Tγ＜0。如果Tr≥0，运行就前进到步骤S28，并产生一条三角形雨量曲线，其中剩余时间Tγ和剩余雨量Rf如图3所示地逐渐减小。这被称为静态预报。静态预报的预报点数目(预报次数数目)Kq由Kq＝INT(Tr/△Te)得到。INT((X)指X的整数部分。如果Rr是正的而Tr是负的，Tγ＝5·△To在步骤S29中被调装到产生一条三角形的雨量曲线，其中雨量逐渐减小。以这种方式，获得处于F模式的雨量预报曲线D7的运行就结束了。运行流程返回到图2中的步骤E5。
在步骤S15中，如果角αt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Km·△Tm)大于角αm，那么W模式就被确定。运行就前进到步骤S30。在步骤30中，计算了重心点Pt(t＝Ko，Ko-△Tm，……，Ko-Kd·△Tm)在当前和过去的Kd预报点的位置(坐标)的平均值Pa和离差σp。计算的平均值Pa和离差σp被用作建立雨量预报过程中正态分布的常数。在步骤S31中中，时间t调置到Ko △Te。在步骤S32中，得到重心点在预报时间t＝Ko △Te的英置。此外，假定重心点位置的变化为正常分布，在正态分布N(Pa，σp)的基础上利用蒙特卡罗方法计算了重心点Pt的位置(步骤S33)。从得到的重心点位置计算出从Pt到Pt △Te的运动速度矢量。雨量分布MKo在计算得的运动速度矢量的基础上运动(步骤S33)。与步骤S22类似，雨量乘上变化速率C以计算雨量预报值rt(步骤S34)。在步骤S35中，单元9检验预报是否完全对所有Kf动态预报点进行。如果还留下任何预报点，在步骤S36中将△Te加入到时间t中。其后，重复步骤S32至S35的运行。当处理对所有预报时间t＝Ko △Te·K(K＝1，2，……，Kf)完全进行时，流程就前进到步骤25。其后，完成类似于在F模式中的运行。以这种方式，得到W模式的雨量动态和静态预报。雨量预报运行已经参考图7说明。说明将返回到图2中的流程图。
步骤E5当得到图3所示的有关排放区域的雨量预报曲线D7时，实际雨量曲线和雨线D7互相连接如下。为了进行这种连接处理，实际雨量曲线(由一组每个具有宽度△Tm的矩形代表)必须重写为一组每个具有计算时期△Te的宽度的矩形。将说明满足t＝ts u·△Tm Te的部分。在这个方程式中，ts是最初时间，te是最后时间，0＝ts，te≤△Tm，而u是包括零在内的正整数。假定在ts、u·△T和te时的雨量分别为gs、gj(j＝1，2，……u)和ge，这部分的校正实际雨量ga给出如下ga=(gs· (ts)/(△Tm) Σj = 1u]]>gj ge· (te)/(△Tm) )/△Te当u＝0时，得到ga＝(gs· (ts)/(△Tm) ge· (te)/(△Tm) )/△Te所得到的连接雨量曲线数据D8被提供给径流分析单元10。
步骤E6径流分析单元10从雨量预报单元9接收连接的雨量曲线数据D8。单元10贮存有关污水管道网络的数据D9。单元10利用连接的雨量曲线数据D8和污水管道网络数据D9进行符合有关市区的排放区域特征的经流分析。雨量预报单元9在径流分析的基础上计算雨水的排水量，从而得到流入泵井21的水的排水量。在本实施例中，从连接的雨量〔mm/h〕得到有关市区排放区域〔m2〕的雨水放水量〔m2/s〕。将雨量转换为排水量的排水量分析法主要被常规地用于防止江河水灾。常规的排水量分析法建立在一个假定的基础上，就是雨量渗入地面，留在那里，而后流动。但是，在一个房屋拥挤并铺砌了街道的新近的市区内，雨量并不渗入地面，而是立即流入排放区域。这样一种区域的径流分析被称为市区径流分析，以区别于焦点集中在地面渗透的径流分析方法。
市区径流分析方法包括一种宏观水文学方法和一种微观水力学方法。水文学方法只计算排水量，因此适用于复杂污水管道网络的径流分析。水力学方法在排水量和压力的基础上计算排水量，因此不适用于复杂污水管道网络的径流分析。水力学方法适用于简单的管道干线线。因此，在本实施例中，只处理排水量的宏观水文学方法被用作径流分析方法。宏观水文学方法包括几个方法。方法之一是RRL(通路研究实验室)方法。RRL方法在有关排放区域的最下游点上计算排水量。RRL方法公开在《水力学部门》杂志1969年11月号第1809-1834页，是人们已经知道的。
为了更好地理解，将说明图11所示的具有污水管道雨络的市区排放区领。在这个排放区域中安置了许多个管道接合处I1至J3、泵站P1和P2及其它设施。在该排放区域的结合处J1，从上游污水管道排出的雨水被分流到泵站P1和结合处J3。在结合处J3，从结合处J1和J2来的污水分量合并流入泵站P2。为了利用RRL方法计算在最下游点的排水量，将分别说明具有结合处J1至J3作为最下游点的三个部分排放区域。雨量预报单元9形成一条曲线，代表在结合处J1至J3分开的污水管道中的排水量变化。经过结合处J1和J2而流过结合处J3的排水必须被认为是结合处J3处的排水量。为此，为了得到结合处J3处的排水量，必须考虑结合处J1-J3之间和J2-J3之间的输水时间和两条路线的水的汇合。因此，在这种径流分析中，第(1)在不包括雨水溢流堰的污水管道网络的情况下必须计算输水时间，第(2)为了计算排水量必须考虑代表每个结合处的上游和下游的位置关系。两个结合处之间的输水时间是通过管道中的流体分析得到的。许多输水时间计算为敞开渠道的水流分析，并可以通过解非线性双曲线偏微分方程来得到。这个方程包括一个与均匀水流有关而不考虑时间和面积变化的方程，一个与非均匀水流有关而不考虑时间变化的方程，以及一个与不稳定水流有关而考虑时间和面积变化的方程。但是，因为只处理一份排水量而且一个泵运行的计算时间为5或10分钟，也就是比较短，所以宁可假定流体为均匀水流来解非线性双曲线偏微分方程。
下面将说明考虑到结合处的上下游关系来分析污水管道中排水量的方法。例如，当采用基本的RRL方法时，如图12中点划线所示，一个有关的排放区域被分成三个分别具有结合处J1至J3作为最下游点的排放区域。计算了相应点的水到达结合处J1至J3所需时间。到达时间为计算时期倍数的点被连接起来，形成如图12中虚线所示的到达时间相等的曲线。计算用点划线围成的三部分的面积，以形成到达时间和面积之间的关系。在到达时间和面积之间的关系的基础上利用雨量曲线形成一条代表排水量变化的曲线。
下面将参考图13详细说明这一运行。如图13所示，从市区径流分析结果得到的排水量曲线R1至R3沿由箭头指示的导向分支流到包括结合处J1至J3、泵站P1和P2等等的污水管道网络。假定R1至R3为流出节点，J1至J3为流入/流出节点，P1和P2为流入节点，雨水分量从作为排水量曲线的流出节点R1至R3分别流到流入/流出节点J1至J3。从节点R1来的流入分支和到节点P1和J3去的流出分支都连接在流入/流出节点J1上。因此，这个污水管道网络是由流入节点P1和P2、具有流出分支的节点R1至R3以及具有流入流出分支的节点J1至J3组成的。为了计算考虑到节点之间垂直关系的排水量，形成了一个如图14所示的代表节点连接关系的表格。在这个节点连接关系表中，流入/流出节点J1至J3和流入节点P1和P2被排列到最上排的从左至右，流入/流出节点J1至J3和流出节点R1至R3被排列在最左列的从上至下，而“1”被写入互相连接关系的部分中。图14表示，为节点J1计算R1，为节点J2计算R2，为节点J3计算R3，可以计算排水量，因为J1和J2已经计算了。此外，节点J1的排水量已经为节点P1计算了，节点J3的排水量已经为节点P2计算了。因此，在这个污水管道网络中，按节点J1、J2、J3、P1和P2的顺序依次进行计算，可以得到排水量。流出节点R1至R3可以独立地计算，因为它们没有流入。在流出节点Ri(i＝1，2，3)被计算后，节点J1、J2、J3、P1和P2上的排水量在上述连接关系的基础上被计算出来。当存在大量的流入节点时，定流入节点的数目而不考虑垂直关系有时是有效的。此时，按排列顺序进行计算，使得一个包括未运行流出节点的流入节点的计算不进行，而下一个流入节点的计算是进行的。在计算进行到底后，对排列顺序中的未运行流入节点重新进行计算。通过重复进行这一计算，可以形成所有流入节点的排水量曲线，同时满足垂直关系，因为运用了定向分支。
径流分析单元10检验污水管道是否具有溢流堰(步骤E7)。如果污水管道没有溢流堰，运行就前进到步骤E9。如果污水管道具有溢流堰，运行就前进到步骤E8。
步骤E8将说明具有雨水溢流堰(包括一个台阶，一个洞孔，等等)的污水管道网络的径流分析。此时，径流分析单元10贮存有关以前的污水管道形状的数据D11。在污水管的汇合点经常使用雨水溢流堰。在晴天雨水溢流堰将一定量的污水流提供给处理工厂。当水流量因降雨而增加时，雨水溢流堰将超过一定水位的水溢流到前面路径上，并直接将水排入江河。当管道中的水位高于溢流堰高度时，管道中的水就溢流。因此，必须计算溢流的排水量。通常，为了易于测量排水量，溢流堰具有三角形或矩形截面，而排水量从其水深计算。为此，可以容易地计算从这样一个溢流堰流出的水的排水量。在如图15所示的具有圆形截面的污水管道30中，溢流排水量可以在下述两个条件下计算出来。在第一个条件中，假定具有圆形截面的污水管道30是一个具有矩形截面的全宽度溢流溢，那么深度hr就能计算出来。在第二个条件下，假定建立了相等面积的条件，那么矩形截面的深度hr被转换为圆形截面的深度hc，从而计算出排水量。下面将更详细地说明这一点。在图15所示的圆形截面中，全宽度溢流堰的高度为hω，溢流堰宽度为Wω，溢流堰截面积为Aω。在这些条件下，可以假定一个由虚线指示的矩形截面，其长边等于溢流堰宽度Wω，其短边等于全宽度溢流堰的高度hω。利用法朗西斯公式，给出这样一个溢流堰的排水量Qω如下Qω＝1.84Wωhr23假定管道直径为D，Wω＝DSin(φW/2)hω＝d/2｛1-Cos(φW/2)｝Aω＝(D/2)2·｛(φW/2)-(SinφW/2)｝成立。假定作为第二条件的相等面积成立，通过向每个量添加一个下标c而获得下列方程式Wω·hr Aω＝Ac＝(D/2)2·｛φC/2)-(SinφC/2)｝因此，由于上述C可以通过利用牛顿方法重复进行计算而得到，临界深度hc可以由下列方程式得到hc＝(D/2)·｛1-Cos(φC/2)｝-hω
在临界深度hc的基础上可以计算通过一根污水管道的液体的排水量Q。
由径流分析得到的排水量Q分支为溢流堰溢流排水量Qω和流到处理工厂的排水量Qt。必须按照管道结构规格进行详细的计算。当分支点与控制截面隔开时，进行了基于非均匀水流分析的水表面形状计算。这种计算是按照下述六个步骤进行的(1)画出一个通道的纵向和截面形状;(2)计算一个人造结构的溢流堰、台阶和洞孔的控制深度h;(3)计算均匀水流的深度ho;(4)计算临界深度hc;(5)确定流动状态;(6)从控制深度h跟踪水面形状，作为亚临界流动中上游的起点和超临界流动中下游的起点。流动状态列于表1。
表1(符号表示)状态分类水面形状亚临界流动滞水M1，C1，S1亚临界流动下沉滞水M2，H2，A2超临界流动滞水M3，C3，S3，H3，A3超临界流动下沉滞水S2临界流动均匀水流C2也就是说，虽然如表1所示流动状态包括亚临界流动、超临界流动和临界流动(均匀水流)，但考虑到控制深度h、均匀水流深度ho、临界深度hc以与流水量、梯度、截面形状等有关的其它条件，流动状态可以分类为五种水流。水面形状可以如表2列举的那样分类。这种复杂的计算只对预定的管道区段进行。为此，按照流动状态要分支的排水量Qw是利用相互作用的计算机预先计算的，同时排水量是在一定范围内变化的。经流分析单元10在预先计算和贮存的排水量Q、分支排水量Qw和处理工厂排水量Qt之间关系的基础上计算溢流堰排水量。
步骤E9如上所述，当预先确定了排水量Q、排水量Qw和Qt之间的关系时，可以通过从排水量Q中减去分支排水量Qw来得到雨水进入泵井的入口排水量。
在上述处理步骤中，计算了当雨降下而雨水通过污水管道网络流入泵站而后流入泵井21时得到的排水量。通过计算每个预报时间的排水量，得到表示流入泵井的雨水排水量的变化的曲线D13。
表2水面形状h、ho、hc之间的关系通道分类M1h＞ho＞hc中等梯度M2ho＞h＞hci＞0M3ho＞hc＞hho＞hcS1h＞hc＞ho陡峭梯度S2hc＞h＞hoi＞0S3hc＞ho＞hhc＞hoC1h＞hc＝ho临界梯度C2h＝hc＝hoi＞0C3hc＝ho＞hhc＞hoA2h＞hc反向梯度A3hc＞hi＜0H2ho→∞，h＞hc水平的H3ho→∞，hc＞hi＝0步骤E10上述由经流分析单元10得到的雨水泵井入口排水量曲线数据被提供给泵数目确定单元11。单元11利用雨水泵井入口排水量曲线D13和有关系的数据D14按照雨水泵运行规程计算泵输送量曲线和泵井水位曲线D15。单元11按照得到的泵输送置曲线和泵井水位曲线确定要运行的泵的数目。泵井21包括许多个额定功率相同的雨水泵24和水位表22。每个泵24由马达或原动机之类泵驱动机25驱动。
计算时期△Te(min)随单机雨水泵24的容量Qu(m3/S)而不同。当单机泵的容量大时计算时期△Te(min)被调置得较短，而当容量小时△Te被调置得较长。因此，必须考虑泵容量比Vp来确定计算时期。泵容量比Vp用一个系数表示，该系数表示当一个单独的雨水泵运行△Te时间而不进水时得到的在上下限之间泵井水位的降低比率。例如，假定如图16所示的具有沉淀池31的泵井21的底面积为A而泵井的最高和最低水位分别为Hχ和Hn，那么泵容量比Vp由下列方程式给出Vp＝60.0×Qu×△Te/｛(Hχ-Hn)A｝因此，当泵容量Qu＝2(m3/S)而泵井21容积为10.360(m3)时，Vp＝△Te/30。假定Vp＝0.2，那么计算时间△Te＝0.6(min)。参考图16，参考编号32表示入口，33表示门，34表示过滤网，35表示抽水管。此外，图16中Hχ表示最高水位，Hu表示高水位，Hm表示中水位，Hl表示低水位，Hn表示最低水位。泵数目确定单元11使泵24运行而同时使水位保持在最高和最低水位之间的范围内。中水位Hm是最高和最低水位的平均值，高水位Hu是位于最高水位和中水位的中间的水位，而低水位Hl是位于最低水位和中水位的中间的水位。
下面说明泵的运行规程。雨水泵24必须按照准备排放的雨水排排水量的特征运行。雨水排水量特征与接受雨量的排放区域的雨量特征有关。此时，人们认为雨量特征产生主动的影响，而排放区域的特征产生被动的影响。也就是，前者的影响大于后者的影响。雨量特征存在时间和地区的变化，因此最好认为是随机的(或无规则的)过程。雨量特征对泵的运行的影响是，即使当泵井中流动的水的排水量增大时，入口排水量在下一个计算时期中也并不总是增大的。为此，实际的泵的运行可以这样进行，使得当入口排水量增大而升高泵井的水位时，要运行的泵的数目就增多，而当水位降低时，要运行的泵的数目就减少。但是，在这种方法中，要运行的泵的数目的变化频率是增高的。因此，在本实施例中，(1)泵容量比率Vp被调置为较低的值(如0.2)，(2)为了减小要运行的泵的数目的变化频率，在一定的计算时间只进行通过泵运行数目变化计算得到的泵数目的部分变化，而其余变化的进行在下一个计算时间内确定。例如，当要运行的泵的数目经计算为了而正在运行的泵的数目为1，两个泵必须补充运行。但是，在本实施例中，只有一个泵作为计算的结果而补充运行，而另一个泵是否补充运行在下一个计算时间内确定。以这种方式可以减小泵运行数目的变化频率。
当在计算时间Ko-△Te时水位表22的指示值为HKo-△Te而要运行的泵的数目为Iko-△Te的时候，要运行的泵的数目按照下列四个步骤在下一个计算时间和后续时间内确定。
步骤1-通过径流分析计算流入泵井21的雨水排水量QKo。
步骤2-计算水位校正量Qh＝(Hko-△Te-Hm)。
A.注意，如果Hl≤Hko-△Te≤Hu，那么调置到Qh＝0。
步骤3-按照下列方程式从入口排水量Qko和水位校正量Qk计算要运行的泵的数目IkoIko＝INT｛0.5 (Qko Qh)/Qu｝式中INT｛χ｝为χ的整数部分。
步骤4-计算运行数目的差Id＝Iko-△Te-Iko。
注意(a)如果Id≤1和Hko-△Te＞Hm，则Id＝1(b)如果Id≥1和Hko-△Te≤Hm，则Id＝0(c)如果Id≤-1和Hko-△Te≥Hm，则Id＝0(d)如果Id≤-1和Hko-△Te＜Hm，则Id＝-1。
图17是当雨水泵数目为3时用来按照上述步骤改变要运行的泵的数目的Petri网。
参考图17，用参考符号Pi(i＝1，2，……，28)表示一个位置的函数。更具体地说，参考符号P1表示水位在先前时间(ko-△Te)时处于第一较低区域;P2表示水位在先前时间时处于第二较低区域;P3表示水位在先前时间时处于第二较高区域;P4表示水位在先前时间时处于第一较高区域;P5表示水位在先前时间时处于较低区域;P6表示水位在先前时间时处于较高区域;P7表示在先前时间时没有考虑水位的校正量;P8表示在先前时间时没有考虑水位的校正量;P9表示在先前时间时运行3个泵;P10表示在先前时间时运行2个泵;P11表示在先前时间时运行1个泵;P12表示在先前时间时没有泵在运行。P13表示在当前时间时由径流分析得到的入口排水量预报值;P14表示在当前时间时要运行的泵的数目的计算;P15表示在当前时间时有3个泵在运行;P16表示在当前时间时有2个泵在运行;P17表示在当前时间时有1个泵在运行;P18表示在当前时间时没有泵在运行;P19表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少3个;P20表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少2个;P21表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间减少1个;P22表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间既不增加也不减少;P23表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加1个;P24表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加2个;P25表示在当前时间要运行的泵的数目比先前时间增加3个;P26表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为要减少1个;P27表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为既不增加也不减少;P28表示在当前时间要运行的泵的数目被确定为增加1个。
参考图17，框P27表示要运行的泵的数目既不增加也不减少。即使要运行的泵的数目由步骤3中的计算结果确定为要减少3个(P19)、2个(P20)和1个(P21)或要增加1个(P23)、2个(P24)和3个(P25)，在某些情况下要运行的泵的数目却被确定为既不增加也不减少。此外，即使当要运行的泵的数目被确定为减少3个(P19)和2个(P20)或增加2个(P24)和3个(P25)，在某些情况下要运行的泵的数目却被最后确定为减少1个(P26)或增加1个(P28)。所有这些功能有助于减少要运行的泵的数目的变化频率。
表3比较在5个实例中常规设备和按照本发明实施例的设备之间要运行的泵的数目的变化频率。如表3中显而易见的，由本发明设备得到的要运行的泵的数目的变化频率比常规设备得到的要小得多。后者仅仅是在泵井水位的基础上改变要运行的泵的数目。
表3实例号雨量(mm)降雨时间(h)所用方法变化频率降雨实例11710本发明7常规方法10降雨实例22019本发明10常规方法14降雨实例31311本发明4常规方法6降雨实例44914本发明5常规方法22降雨实例52012本发明8常规方法12泵数目确定单元11的输出是步骤4中得到的要运行的泵的数目Id。数目Id对每个计算时间被提供给驱动控制器23，以使雨水泵24运行或停止，从而充分地调整输送速率。此种情况下，差数Id＝0意思是不产生运行变化指令。因此，改变要运行的泵的数目所使用的指令的数目可以减少。
为了通知数据处理的部分结果，数据校准单元7、雨量预报单元9、径流分析单元10和泵数目确定单元11在显示单元8上显示处理过的数据。
在上述实施例中，用雷达雨量器得到的整个城市区域的雨量数据利用用地面雨量器测量的许多个点的直接雨量数据来校正。结果，通过广阔的地区可以得到详细的二维雨量数据。由于雨量曲线是利用许多组雨量数据预报的，要运行的雨水泵24的数目可以正确地确定。此外，在上述实施例中，雨量重心点的轨迹是否沿某个方向向前运动这一点受到检验，而计算模式是按照检验结果来变化的，从而得到雨量曲线。因此，雨量曲线可以以高精度得到。直到预报时间之前的雨量分布的运动距离、运动方向等等，都可以比较正确地预报。在上述实施例中，考虑到城市化的进步，计算了市区的径流排水量，这种计算是在结合点之间的垂直关系的基础上进行的，除了雨量曲线数据外，也考虑了污水管道网络的排放区域的输水时间。为此，可以正确地计算流入泵井21的雨水的排水量。其次，由泵数目确定单元11的计算结果得到的要运行的泵的数目的变化频率被调整而减少。由于所有上述处理工作，要运行的泵的数目的变化频率可以减少到低于常规设备，与流入泵井的雨水排水量的快速变化相适应。
本发明并不限于上述实施例。通常，当许多个雷达雨量器设置在有关的广阔区域内时，雨量特征随雨达雨量器发射的无线电波频率而不同。此外，如果扩大雷达雨量器的观测范围，观测精度就会下降。在这种情况下，从许多个雷达雨量器得到的数据可以受到处理，使得一个具有高精度的雷达雨量器的数据被用于在图7的第三阶段中由雨水预报单元9从雨水分布MK。计算雨量，从而预报雨量。使用的雷达雨量器主要是地面型的。但是，也可以使用从气象卫星得来的数据。
在图7所示的流程图中，例如，在第一阶段中，每次当前计算时间得到及时修正，Kd过去雨量网络数据就会计算出来。但是，过去计算的雨量网络数据可以贮存在记忆单元7a中，使得贮存数据被直接用于过去计算时间的雨量网络数据，而只计算当前计算时间的雨量网络数据。
在上述实施例中，运动速度矢量是在当前计算时间KO和时间KO-3·△tm时的重心点位置的基础上得到的。同样，例如，可以检验重心点的诸如转向之类的运动。例如，当运动速度矢量保持沿一个方向连续地向右或向左弯曲(Km-1)次，它的轨迹就转弯了。此时，也就是，当弯曲角αt(t＝KO-(Km 1)·△Tm……，KO)始终沿一个方向时，角度的平均值可以被用作KO △tr·K(K＝0，1，2，……，kf)时间的弯曲角。弯曲角是由下列方程式得到的at=Σt=KD-(Km 1)·ΔTmt=KDt/(Km-1)·ΔTm]]>也就是，考虑到平均角度值的弯曲角度，从连接KO-△Tm和KO时间的重心点的矢量可以得到运动矢量。以这种方式，可以处理转向运动。
为了对污水管干线很长而且干线管和泵井连在一起互受影响的污水处理工厂进行径流分析，径流分析单元10在考虑到非线性偏微分联立方程的时间和面积变化的情况下进行了非均匀分析。利用有限差分法计算得到正解或负解。在这种情况下，由于单位时间宽度被调置为几秒，并考虑到泵排水头特征或内排放磨擦损轮曲线而进行大量计算，也可以分析瞬时流动现象。
在上述实施例中，对泵数目确定单元11，中水位Hm被定在最高和最低水位的中间。当泵井的底面积A是水位h的函数(A＝A(h)时，容积为总容积一半时的水位hm′被定为中水位。水位hm′由下列方程式得到
当预报大雨量时，在进入泵井的入口排水量增大之前，必须排空泵井中的水。在这种情况下，通过定中水位H＊m低于Hm或Hm′来进行计算。中水位H＊m由操作人员选择，在运行期间可以变化。而且，本发明可以以各种方式实施和改进而并不偏离本发明的精神和范围。
如上所述，由于雨量的时间和面积变化并不再现过去的数据，这些变化很难处理。但是，在本发明中，雷达雨量器得到的二维数据受到地面雨量器数据的校准。从校准的雨量数据可以预报从现时起数小时内的雨量曲线，从而预报从现时起数小时内的时间顺序的泵运行状态。在本发明中，除雨量曲线预报外，还考虑了雨量通过污水管道网络流入泵井的过程。也就是，在本发明中，在考虑到主要地点的状态变化的情况下，计算了进入泵井的入口排水量。以确定要运行的泵的数目。因此，可以用数目合适的泵进行排放处理，与流入泵井的雨水排水量的快速变化相适应。为此，在本发明中，可以最大限度地保护房屋不受雨水淹没，而雨水可以用要运行的泵的数目的变化频率最小的条件来排入江河。
权利要求
1.一种雨水泵运行控制设备，用于控制许多个将市区中流动的雨水排入江河用的雨水泵的运行，该设备包括一个泵井，连接到污水管道上，用于接受雨水；雨水泵，用于从上述泵井排放上述泵井中的雨水；一个水位表，安置在上述泵井中；泵数目确定装置，用于在考虑到上述水位表的水位和当前运行的泵的数目的情况下确定要运行的泵的数目；一个雷达雨量器，用于对每个预定的观测时期观测二维的雨量分布状态；地面雨量器，安置在地面的许多个点上，用于测量地面上的实际雨量；雨量预报装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据，并在若干组校准的雨量分布数据的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量；径流分析装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析，以计算降雨排水量，并预报在上述泵井中流动的雨水的排水量；上述泵数目确定装置在考虑到由上述径流分析装置计算的在上述泵井中流动的雨水排水量、上述水位表的水位以及当前运行的泵的数目的情况下确定要运行的泵的数目。
2.一种根据权利要求1所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括校准装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据;用于从上述校准装置接收若干组校准过的雨量分布数据的装置，该装置计算每组的雨量重心点，从而获得重心点的轨迹;一种装置，用于当从重心点轨迹得到的重心点运动方向落在预定角度以内时利用重心点的动方向和运动速度，并当重心点运动方向落在预定角度以外时计算过去重心点的平均值和离差以获得重心点的运动方向和运动速度;雨量增大/减小速率获得装置，用于从雨量的面积平均值获得雨量的增大/减小速率;一种装置，用于为了预报考虑到降雨的时间和面积变化的雨量而计算有关排放区域的面积中的雨量，假定当前计算时间的最新雨量分布在若干未来计算时期中并不变化并沿上述运动方向以上述运动速度运动;预报雨量装置，用于放大由上述雨量计算装置按增大/减小速率计算的雨量，以获得预报的雨量。
3.一种根据权利要求1所述的设备，其中上述径流分析装置包括用于按照有关排放区域的预报雨量和管道输水时间获得流入上述泵井的雨水排水量的装置，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;用于获得在上述泵井中流动的雨水排水量的装置，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络具有溢流堰的话。
4.一种根据权利要求1所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括确定装置，用于当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正，并确定为了抽出校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化装置，用于当上述确定装置确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少1个。
5.一种雨水泵运行控制设备，用于控制许多个将流入污水处理工厂的雨水排入江河用的雨水泵的运行状态，该设备包括一个雷达雨量器，用于观测二维雨量分布状态;地面雨量器，用于测量地面上的实际雨量;雨量预报装置，用于用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的二维雨量分布数据，并按照若干组校准过的过去的雨量分布数据来预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量;泵数目确定装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上预报在上述泵井中流动的雨水的雨量，并确定要运行的泵的数目。
6.一种根据权利要求5所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括分析装置，用于在由上述雨量预报装置得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析，以计算降雨排水量，从而预报在上述泵井中流动的水的排水量;确定装置，用于在由上述分析装置预报的上述泵井的入口排水量、水位表的水位以及当前运行的泵的数目的基础上确定要运行的泵的数目。
7.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于接收表示一定时间内一定降雨量的静态雨量预报的装置;用于许多组过去的雨量分布和静态雨量预报的基础上对一定的降雨事件预报一个预定时间范围内的雨量的装置。
8.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于计算雨量分布的重心点的位置以获得重心点的轨迹的装置;用于在重心点的轨迹的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内重心点的位置的装置;增减速率获得装置，用于在当前降雨事件的过去雨量数据的基础上获得雨量的增减速率;用于使最新的雨量分布向预报位置移动用的装置;用于在移动的雨量分布的基础上计算要观测的排放区域内的雨量并利用增减速率放大计算的雨量以获得预报的雨量的装置。
9.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述雨量预报装置包括用于接收时间顺序雨量分布数据并计算每组数据的雨量重心点的装置;用于利用预定的规则检验重心点是否运动的装置;计算装置，用于如果重心点的运动符合预定规则就按照预定规则计算重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置，或是如果重心点的运动不符合预定规则就通过计算过去的重心点的位置的平均值和离差的办法来计算重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置;雨量增减速率获得装置，用于在雨量的地区平均值的基础上获得雨量的增减速率;一种装置，用于假定当前计算时间的最新雨量分布在预定时期内不变化而使最新雨量分布移到由计算的重心点确定的位置上，计算在有关排放区域的面积内的雨量，并利用增减速率放大计算的雨量，以获得预报的雨量。
10.一种根据权利要求5所述的设备，其中上述泵数目确定装置包括用于在有关排放区域的预报雨量和管道输水时间的基础上获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的装置，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;用于获得在上述泵井中流动的雨水排水量的装置，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络包括溢流堰的话。
11.一种根据权利要求5所述的设备，其中，上述泵数目确定装置包括确定装置，用于当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正量，并确定为了抽出校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化装置，用于当上述确定装置确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少1个。
12.一种控制许多个排放在污水处理工厂中流动的雨水用的雨水泵的运行状态的雨水泵运行控制方法，该方法包括利用一个雷达雨量器获得表示二维雨量分布状态的雨量分布数据的步骤;利用地面雨量器测量实际雨量的步骤;用上述地面雨量器得到的雨量来校准上述雷达雨量器得到的雨量分布数据并在若干组校准的过去的雨量分布数据的基础上预报在一个从现时开始的预定时间内的雨量的雨量预报步骤;在上述雨量预报步骤得到的预报雨量的基础上预报在泵井中流动的雨水排水量的泵数目确定步骤。
13.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确决步骤包括在上述雨量预报步骤中得到的预报雨量的基础上进行符合排放区域特征的径流分析以计算降雨排水量并预报在上述泵井中流动的雨水的排水量的分析步骤;在上述分析步骤中预报的上述泵井的入口排水量、水位表的水位和当前运行的泵的数目的基础上确定要运行的泵的数目的泵步骤。
14.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述雨量预报步骤包括接收时间顺序的雨量分布数据并计算每组的雨量重心点的步骤;检验重心点是否按预定规则运动的步骤;如果重心点的运动符合预定规则就按照预定规则或是如果重心点的运动不符合预定规则就通过计算重心点的过去位置的平均值和离差来获得重心点在一个从现时开始的预定时间内的位置的步骤;从雨量的地区平均值获得雨量的增减速率的雨量增减速率获得步骤;假定当前计算时间的最新雨量分布在预定时间期内不变化而使最新雨量分布移到由计算的重心点确定的位置上、计算在有关排放区域的面积内的雨量、并利用增减速率放大雨量以获得预报的雨量的步骤。
15.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确定步骤包括在有关排放区域的预报雨量和管道输水时间的基础上获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的步骤，该有关排放区域具有一个包括汇合点和分支点的污水管道网络，该管道输水时间为上述污水管道网络的结合点之间的输水时间;获得在上述泵井中流动的雨水的排水量的步骤，该雨水排水量包括溢流堰的溢流排水量，如果上述污水管道网络包括溢流堰的话。
16.一种根据权利要求12所述的方法，其中，上述泵数目确定步骤包括当上述泵井的水位接近最高或最低水位时考虑对中水位的水位校正量并确定为了排放校正量和入口排水量的总量而要运行的泵的数目的步骤，假定这个总量对应于要排放的排水量;泵数目变化步骤，就是当确定的要运行的泵的数目比在水位高于中水位的条件下的当前运行的泵的数目大1个或1个以上时使要运行的泵的数目增加1个，以及当要运行的泵的数目比在水位低于中水位的条件下的当前运行的泵的数目小1个或1个以上时使要运行的泵的数目减少一个的泵数目变化步骤。
全文摘要
控制雨水泵运行的设备和方法。将地面雨量器测得的实际雨量数据输入处理装置，以校准雷达雨量器测量的雨量分布数据，并从若干组校准雨量分布数据预报从现时开始的预定时间内的雨量。数据处理装置在预报雨量的基础上按照排放区域的特征进行径流分析，从而预报泵井中流动的雨水排水量。数据处理装置考虑泵井中流动的雨水排水量、水位表水位和当前运行的泵的数目，来确定要运行的泵的数目，从而控制泵井中排放雨水的泵的运行。
文档编号F04B49/06GK1038858SQ8910435
公开日1990年1月17日 申请日期1989年6月26日 优先权日1988年6月25日
发明者小舘英, 加藤孝天, 青木滋天 申请人:株式会社东芝
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