JP2002032442A - 開閉複合水路システム・シミュレーション装置におけるシミュレーション・モデル作成方法及びシミュレーション結果表示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】地下水路システム等の開閉複合水路システムの
モデル作成を容易にする。 【解決手段】コンピュータ制御されるスクリーン上に、
地下水路システムを構成するタンク（立抗）、管路、ポ
ンプ、バルブ等の構成要素を表すアイコンＩ３〜Ｉ１
０、並びに地下水路システムに地表から流入する流量及
び地下水路システムから吐水する地表の河川等の水位を
表すアイコンＩ１、Ｉ２を表示し、これらアイコンから
選択してスクリーンのモデル設定領域にアイコンをドロ
ップすることにより、シミュレーション・モデルの構成
要素を選択する。そして、ドロップされたアイコンとア
イコンとをリンクして構成要素の隣接関係を設定し、ド
ロップされたアイコンの中から選択されたアイコンの仕
様又は特性を、ウインドウ中のアイテムから値を選択す
るか又はアイテムの値を入力するかにより設定する。こ
れにより、画面上でシミュレーション・モデルを容易に
作成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、排水ポンプを用いた開閉
複合水路システム（排水ポンプ・システム）の水位及び
流量からなる状態量（流況）をシミュレーションにより
予測する技術に関する。より詳細には、本発明は、開閉
複合水路の状態量をシミュレーションにより予測するシ
ステムにおいて、開閉複合水路システムのシミュレーシ
ョン・モデルを、モニタ画面上で容易に作成及び変更で
きるようにするとともに、ポンプ等の動きと水の流れの
相関関係をモニタ画面上に視覚的に表示することができ
るシミュレーション・モデル作成方法及びシミュレーシ
ョン結果表示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】集中豪雨等による都市の洪水等の水害対
策として、雨水等を地下水路に流し、その水を排水ポン
プを用いて河川等に流し込む地下水路システム（排水ポ
ンプ・システム）が注目を集めており、また、公共事業
の建設コストの削減が強く求められていることから、地
下水路システムの建設においても、コスト削減が求めら
れている。このような状況において、地下水路システム
の計画時に、雨水等の流入から排水までの挙動を長期に
渡って的確に予測するとともに、建設コスト（イニシャ
ル・コスト）及び維持コスト（ランニング・コスト）を
低くするように、採用する設備仕様や運転方法の最適化
が求められている。

【０００３】このため、地下水路システムのシミュレー
ションを行う種々の手法が開発されている。その１つと
して、地下水路として「天端の開いた仮想スロット」を
設けた解析モデルを用い、すなわち、地下水路を開水路
として解析しているものがある。このシミュレーション
手法においては、水の連続方程式と水の運動方程式とを
用い、これら方程式を「Preissmannの４点陰形式差分
法」を用いて差分化し、一次Talor展開して線形化し、
「Newton-Paphson法」によって収束演算し、全計算点で
の水の状態量すなわち水位及び流量を求めている。

【０００４】また、地下水路として「天端の閉じた仮想
スロット」を用いたシミュレーション手法もある。この
手法においては、上記した「天端の開いた仮想スロッ
ト」をモデルとして用いた場合に比べて、地下水路が空
気排出が不十分で液体上面に空気溜まりを有する場合で
も、水状態量の予測を高精度で行うことができ、したが
って、地下水路の実際の状況に即した水の状態量の予測
を高精度で行うことができる。このシミュレーション手
法においては、水の連続方程式及び水の運動方程式に加
えて、空気の連続方程式及び運動方程式を用い、これら
方程式を「Preissmannの４点陰形式差分法」を用いて差
分化し、一次Talor展開して線形化し、水路内点の未知
の状態量を消去して水路の線形特性式を得、そして、
「Newton-Paphson法」によって収束演算し、全計算点で
の水状態量を求めている。さらに、仮想スロットを用い
ることなく解析する方法も提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、地下
水路システムの水の状態量をシミュレーションするため
手法が種々提案されているが、地下水路システムのシミ
ュレーション・モデル（以下、「地下水路システム・モ
デル」）そのものを設定するための操作が容易なモデル
設定手段が提案されてなく、また、シミュレーション・
システムにおいて、水の状態量並びにポンプ動作と水の
流れとの相関関係等のシミュレーション結果を表示する
ための適切な表示手段が提案されていない。同様に、地
上水路システム、及び地上水路システムと地下水路シス
テムとの混合システムについても、シミュレーション・
モデルを容易に設定する手段、及びシミュレーション結
果を適切に表示する手段についても、提案されていな
い。したがって、開閉複合水路システム、すなわち、地
下水路システム、地上水路システム、又は地下水路シス
テムと地上水路システムとの混合システムを建設しよう
としている地方自治体等の地域の係員等に対して、開閉
複合水路システム・モデル及び該モデルを用いた場合の
シミュレーション結果を、理解しやすい状態で提示する
手段がなく、このような手段の提案が切望されていた。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、開閉複合水路システム・シミュレーシ
ョン装置において、開閉複合水路システム・モデルの作
成を容易にする方法を提供することである。本発明の別
の目的は、作成された開閉複合水路システム・モデルに
おける水の状態量及び水の流れとポンプ動作との相関関
係を、視覚的に見やすい状態で表示できるようにするこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の開閉複合水路システム・シミュレーシ
ョン装置における開閉複合水路システムのシミュレーシ
ョン・モデルを作成する方法においては、コンピュータ
により制御されるモニタ・スクリーン上に、開閉複合水
路システムを構成するタンク（立抗）、管路、ポンプ、
及びバルブ等の構成要素を表すアイコン、並びに、開閉
複合水路システムに地表から流入する流量及び開閉複合
水路システムから吐水する地表の河川等の水位を表すア
イコンを、表示するステップと、表示されたアイコンの
中から選択されたアイコンをモニタ・スクリーンのモデ
ル設定領域にドロップすることにより、シミュレーショ
ン・モデルの構成要素を選択するステップと、ドロップ
されたアイコンとアイコンとをリンクすることによっ
て、構成要素の隣接関係を設定するステップと、ドロッ
プされたアイコンの中から選択されたアイコンの仕様又
は特性を、ウインドウ中のアイテムから値を選択するか
又はアイテムの値を入力するかにより、設定するステッ
プとからなることを特徴としている。

【０００７】また、本発明に係る、開閉複合水路システ
ム・シミュレーション装置におけるシミュレーション結
果表示方法においては、作成された開閉複合水路システ
ムのシミュレーション・モデルに基づいて、該モデルの
各地点の所定の時間毎の水位及び流量を演算するステッ
プと、演算された水位を、モニタ・スクリーンに表示さ
れた管路縦断面画面上に表示するステップであって、あ
る時点に固定して水位を表示するか、時間経過に伴って
変動するように水位を表示するかを選択可能である、水
位表示ステップとからなることを特徴としている。

【０００８】さらに、本発明は、別の、開閉複合水路シ
ステム・シミュレーション装置におけるシミュレーショ
ン結果表示方法を提供し、該方法は、作成された開閉複
合水路システムのシミュレーション・モデルに基づい
て、該モデルの各地点の所定の時間毎の水位及び流量を
演算するステップと、作成された開閉複合水路システム
のシミュレーション・モデルを３次元的に表示するステ
ップと、表示された３次元モデルにおいて、管路の平面
形状を変更するステップと、表示された３次元モデルに
おいて、水の流れ方向及び流速をベクトル表示するステ
ップとを含んでいることを特徴としている。

【０００９】シミュレーション結果表示方法において
は、上記したシミュレーション・モデル作成方法によっ
て作成されたモデルであることが好ましく、また、好ま
しくは、水位が表示されたモニタ画面上に、シミュレー
ション・モデルにおいて採用されたポンプ及びバルブ等
を表すアイコンを、シミュレーション・モデルにおいて
配置された箇所に対応する部分にドロップするステップ
と、配置されたアイコンによって表されるポンプの特性
を、モニタ画面上の任意の位置に表示するステップと、
配置されたアイコンによって表されるポンプ及びバルブ
を、時間経過に伴って変化する水位の表示に連動させ
て、回転及び開閉動作するよう表示するステップとを含
んでいる。

【００１０】本発明はさらに、上記したシミュレーショ
ン・モデル作成方法又はシミュレーション結果表示方法
を実行するためのプログラムが記憶された、コンピュー
タで読み取り可能なプログラムを記憶した記憶媒体を提
供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る開閉複合水
路システム・モデル作成方法において、地下水路システ
ムのモデルを作成する際のモニタ画面の一例を示してい
る。図１において、１はアイコン表示部、２は地下水路
システム・モデル作成部である。なお、図示を省略して
いるが、本発明においては、コンピュータのソフトウエ
ア・プログラムによって、適宜のモニタ画面が表示され
るよう制御されるものである。アイコン表示部１には、
吐水位アイコンＩ１、流入アイコンＩ２、タンク・アイ
コンＩ３、管路アイコンＩ４、堰アイコンＩ５、バルブ
・アイコンＩ６、ポンプ・アイコンＩ７、第１立坑施設
アイコンＩ８、第２立坑施設アイコンＩ９、ポンプ施設
アイコンＩ１０が含まれている。第１立坑施設アイコン
Ｉ８は、立坑への水の流れ込み量を水位によって規定で
きるようにしているものであり、一方、第２立坑施設ア
イコンＩ９は、立坑施設への水の流れ込み量を流量によ
って規定できるようにしたものである。

【００１２】オペレータは、モニタ・スクリーン上にお
いて、アイコン表示部１から適宜のアイコンを選択し
て、地下水路システム・モデル作成部２の位置に配置
し、かつ「矢印」で構成要素と構成要素と接続すること
により、地下水路システム・モデルの構成要素、すなわ
ち、図１においては、流入用タンク、管路、ポンプ、バ
ルブ、吸水用タンク、吐水用タンクの相対的配置が決定
される。相対的配置の決定により、図２に示したよう
に、地下水路システム・モデルのルートが表示される。

【００１３】構成要素の相対的配置を決定した後、オペ
レータは、それぞれの構成要素の仕様（形状、能力及び
地表からの配置位置等）、タンクへの流入量、及び、地
下水を排水すべき河川の水位（吐水位）を設定する。例
えば、図１の「管路１」の特性仕様、すなわち大きさ、
及び、地表からの配置位置を設定する場合、オペレータ
は、まず、図１に示したモニタ画面の「管路１」の管路
アイコンＩ４’をクリック等により選択する。これによ
り、図３に示したウインドウが表示され、直径、管低
高、区間距離を、オペレータが入力するすることによ
り、「管路１」の大きさ及び地表からの位置等が設定さ
れる。設定結果は、図４に示したような画像として、モ
ニタ・スクリーンのウインドウに表示される。なお、図
４上でデータを入力してもよい。

【００１４】水の流入量、例えば、「タンク」に流入す
る流量を設定する場合、オペレータが図１の流入アイコ
ンＩ２’をクリックすると、図５に示したウインドウが
表示される。オペレータが、該ウインドウの時間対流量
のテーブルに数値を入力することにより、「タンク」に
流入する水の流入量が設定される。設定された時間対流
量は、ウインドウの一部（図５においては、右下部）に
グラフ表示される。他のタンクへの流入量、及び河川の
吐水位についても、同様にして設定される。

【００１５】ポンプ及びバルブの仕様についても、同様
に設定するが、例えば、「ポンプ１」の仕様を決定する
場合、図１に示した「ポンプ１」のアイコンＩ７’をク
リックすると、図６に示したようなウインドウが表示さ
れる。オペレータが、ポンプの規模、形式等の必要な数
値を入力することにより、「ポンプ１」の仕様が設定さ
れる。そして、設定された仕様に基づいて、ポンプ特性
（全揚程対吐出量）がウインドウに表示される。地下水
路システム・モデルの構成要素それぞれの仕様設定は、
設定すべき構成要素のアイコンをクリックしてから行う
ことができる、任意の順番で設定可能である。また、別
の配置及び仕様の地下水路システム・モデルを作成する
場合は、ルート作成画面に戻って、図１〜図６を参照し
て説明したように、新しいモデルを「ルート２」、「ル
ート３」……として作成すればよい。

【００１６】このようにして地下水路システム・モデル
の設定を行い、次に、地下水路システム・モデルにおけ
る水の状態量（水位及び流量）の時間的変化、及びポン
プ等の動作状況をシミュレーション演算し、その結果を
モニタ・スクリーンに表示する。状態量のシミュレーシ
ョンは、任意のシミュレーション手法により演算するこ
とが可能であるが、特に、従来例に関連して説明した、
地下水路すなわち管路を「天端の閉じた仮想スロット」
とする解析モデルを用いたシミュレーション手法が最適
である。

【００１７】管路の水位変化のシミュレーション結果
は、例えば、図７に示すように表される。図７におい
て、横軸は地下水路の長さ方向の距離を表しており、縦
軸は地表からの距離を表している。水位表示画面中、符
号Ｃは地下水路、Ｔ１は立て抗、Ｔ２は吸水槽、Ｔ３は
吐水槽を、Ｈ１は地下水路の水位をそれぞれ表してい
る。このような水位を表した状態で、モニタ・スクリー
ンのメニュー・バーから「アニメーション」メニュー
（不図示）を選択すると、水位Ｈ１が、所定時間経過毎
（図７においては、０．１６７分毎に設定）に状態量が
変化する様子を、時間軸を圧縮して示すことができる。
これにより、降水量等に依存して時間経過とともに変化
する開閉複合水路の水位を、アニメーションとして動的
表示することができ、雨量の多い地域において、設定し
た地下水路システム・モデルが適切であるかどうかの指
標とすることができる。管路の水位Ｈ及び流量Ｑを、図
８に示すように、同時に表示することも可能である。

【００１８】水位表示画面には、図７の上部に示したよ
うに、ポンプ・アイコンＩ１１、バルブ・アイコンＩ１
２、堰アイコンＩ１３、吐水位アイコンＩ１４が配置さ
れており、これらは、図１における地下水路システム・
モデル設定画面におけるアイコンとは、別の形状で表さ
れている。アイコンＩ１１〜Ｉ１４は、プルダウン・ウ
インドウを有し、図１に示した地下水路システム・モデ
ルにおいて設定されたポンプ及びバルブ等を表すことが
できる。さらに、水位表示画面には、その左端に示した
ように、流量変化アイコンＩ１５、水位変化アイコンＩ
１６、ポンプ特性アイコンＩ１７、ポンプの回転速度／
翼角／開度アイコンＩ１８、水位（Ｈ）／流量（Ｑ）ア
イコンＩ１９、及びアナログ・メータ・アイコンＩ２０
が表示される。

【００１９】オペレータが、例えばポンプ・アイコンＩ
１１を選択しかつ小ポンプ１を選択し、水位表示画面上
のポンプ配置個所に該アイコンをドロップすると、図９
に示すように、「小ポンプ１」のアイコンＩ１１’が形
成される。同様にして、「大ポンプ１」、「バルブ１」
及び「バルブ２」のアイコンが吸水槽Ｔ２の近傍に配置
される。さらに、このような状態で、メニュー・バーか
ら「アニメーション」を選択すると、上記したように、
水位Ｈ１が変動するとともに、ポンプ及びバルブの動作
状況を、動的に示すことができる。

【００２０】そして、オペレータが、ポンプ特性アイコ
ンＩ１７を選択して、画面上の任意の位置にドロップ
し、該アイコンと「小ポンプ１」のアイコンＩ１１’と
を接続すると、図９に示すように、「小ポンプ１特性」
のグラフＧ１が表示される。同様にして、他のポンプ特
性（図９においては、「大ポンプ１特性」）、管路の流
量及び水位（図９においては、「吸水槽：流量」及び
「吸水槽：水位」）、並びに、回転速度／翼角／開度の
グラフが画面上に表示される。画面上のグラフは全て、
ドラグアンドドロップにより、任意の位置に移動させる
ことができる。

【００２１】任意の位置における状態量を知りたい場
合、オペレータは、水位／流量アイコンＩ１９をクリッ
クしてモニタ画面の適宜の箇所にドロップし、該ドロッ
プされたアイコンと水位Ｈ１上の点をリンクすることに
より、例えば、符号Ｉ１９’で示すように、その位置の
水位（Ｈ −５．１６）及び流量（Ｑ ４．５７）が表
示される。

【００２２】ところで、ポンプの始動頻度が多くなるこ
とは、操作員に精神的な負担を与えるとともに、ポンプ
機器の信頼性にも影響を与えるので、好ましいことでは
ない。始動頻度は、ポンプの運転台数制御及びポンプの
回転速度制御により少なくすることができるが、本発明
のシステムにおいては、運転台数制御及び回転速度制御
をシミュレーションすることにより、始動頻度を低下さ
せるに最適な制御方法を推定することができる。

【００２３】すなわち、図９において、水位表示画面を
動的表示したい場合、頻繁に運転・停止を繰り返すポン
プ・アイコン（Ｉ１１’など）を見いだすことができ
る。これは、モデルに使用した全てのポンプの回転数を
アイコンＩ１８などで表示しても、同様に見いだすこと
ができる。頻繁に運転・停止を繰り返すポンプは、その
運転条件である水槽水位の始動水位と停止水位の間隔を
変えることでポンプ運転・停止間隔を変えることができ
る。したがって、オペレータは、新たな運転・停止水位
を入力し、再び計算を行い、図９のようなモニタ画面で
結果を表示することにより、新たな始動頻度が判るよう
になる。以上のようにして、問題とならない始動頻度と
なるまで試行錯誤を行うことにより、最適な運転・停止
水位すなわち最適な運転制御方法）を決定することがで
きる。また、ポンプを単純に運転・停止するだけでな
く、ポンプ運転後、停止水位に至る間に、水槽水位が一
定となるように回転速度を制御することも可能であり、
この場合も、図９に示すモニタ画面上で対象となるポン
プを見いだし、設定を変更し、再計算して表示させるこ
とにより、最適な運転制御方法を決定することができ
る。

【００２４】本発明の方法においてはさらに、図１０に
示すように、作成された地下水路システム・モデルを３
次元的にモニタ・スクリーン上に表示することもでき
る。この画面においては、それぞれの構成要素の隣接関
係を保持しつつ、２次元的に配置を変化させることがで
きる。また、シミュレーションの結果得られた管路を流
れる水の方向及び速度を、ベクトルＶ１で表示すること
ができる。上記したシミュレーション・モデル作成方法
及びシミュレーション結果表示方法を実行するためのプ
ログラムは、フロッピー（登録商標）等に記憶して持ち
運んでもよく、また、インターネット等のネットワーク
を介して、必要なターミナルに配信してもよい。さら
に、上記においては、地下水路システムのシミュレーシ
ョンについて説明したが、本発明は、地下水路システム
に限定されることなく、地上水路システム、及び地上水
路と地下水路との混合システム等の、任意の開閉複合水
路システムのシミュレーションに適用可能である。

【００２５】本発明は以上のように構成されて、モニタ
・スクリーン上で開閉複合水路システム・モデルの設定
ができ、しかも水の状態量のシミュレーションを見やす
い形態で表示することができる。したがって、最適な開
閉複合水路施設の計画及び設計支援ツールとして、極め
て有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る開閉複合水路システム・モデル作
成方法によって作成された地下水路システム・モデルの
構成要素の配置関係を示すモニタ画面の模式図である。

【図２】作成された地下水路システム・モデルのルート
を示すモニタ画面の模式図である。

【図３】管路の仕様を設定表示するためのモニタ画面の
模式図である。

【図４】設定された管路の仕様を設定表示するモニタ画
面の模式図である。

【図５】流入量を設定するためのモニタ画面の模式図で
ある。

【図６】ポンプの仕様を設定するためのモニタ画面の模
式図である。

【図７】管路の水位変化のシミュレーション結果を示す
モニタ画面の模式図である。

【図８】管路の水位及び流量を同時に表示したモニタ画
面の模式図である。

【図９】種々のシミュレーション結果を同時に表示した
モニタ画面の模式図である。

【図１０】作成された地下水路システム・モデルを３次
元的に表示したモニタ画面の模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2D063 AA00 5B046 AA02 GA01 HA01 HA05 JA04 5B049 AA01 AA06 BB05 EE07 EE41 FF03 GG07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開閉複合水路システム・シミュレーショ
   ン装置における開閉複合水路システムのシミュレーショ
   ン・モデルを作成する方法において、 コンピュータにより制御されるモニタ・スクリーン上
   に、開閉複合水路システムを構成するタンク（立抗）、
   管路、ポンプ、及びバルブ等の構成要素を表すアイコ
   ン、並びに、開閉複合水路システムに地表から流入する
   流量及び開閉複合水路システムから吐水する地表の河川
   等の水位を表すアイコンを、表示するステップと、 表示されたアイコンの中から選択されたアイコンをモニ
   タ・スクリーンのモデル設定領域にドロップすることに
   より、シミュレーション・モデルの構成要素を選択する
   ステップと、 ドロップされたアイコンとアイコンとをリンクすること
   によって、構成要素の隣接関係を設定するステップと、 ドロップされたアイコンの中から選択されたアイコンの
   仕様又は特性を、ウインドウ中のアイテムから値を選択
   するか又はアイテムの値を入力するかにより、設定する
   ステップとからなることを特徴とするシミュレーション
   ・モデル作成方法。
2. 【請求項２】 開閉複合水路システム・シミュレーショ
   ン装置におけるシミュレーション結果表示方法におい
   て、 作成された開閉複合水路システムのシミュレーション・
   モデルに基づいて、該モデルの各地点の所定の時間毎の
   水位及び流量を演算するステップと、 演算された水位を、モニタ・スクリーンに表示された管
   路縦断面画面上に表示するステップであって、ある時点
   に固定して水位を表示するか、時間経過に伴って変動す
   るように水位を表示するかを選択可能である、水位表示
   ステップとからなることを特徴とするシミュレーション
   結果表示方法。
3. 【請求項３】 開閉複合水路システム・シミュレーショ
   ン装置におけるシミュレーション結果表示方法におい
   て、 作成された開閉複合水路システムのシミュレーション・
   モデルに基づいて、該モデルの各地点の所定の時間毎の
   水位及び流量を演算するステップと、 作成された開閉複合水路システムのシミュレーション・
   モデルを３次元的に表示するステップと、 表示された３次元モデルにおいて、管路の平面形状を変
   更するステップと、 表示された３次元モデルにおいて、水の流れ方向及び流
   速をベクトル表示するステップとを含んでいることを特
   徴とするシミュレーション結果表示方法。
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の方法において、開
   閉複合水路システムのシミュレーション・モデルは、請
   求項１記載の方法によって作成されることを特徴とする
   方法。
5. 【請求項５】 請求項２又は４記載の方法において、該
   方法はさらに、水位が表示されたモニタ画面上に、シミ
   ュレーション・モデルにおいて採用されたポンプ及びバ
   ルブ等を表すアイコンを、シミュレーション・モデルに
   おいて配置された箇所に対応する部分にドロップするス
   テップと、 配置されたアイコンによって表されるポンプの特性を、
   モニタ画面上の任意の位置に表示するステップと、 配置されたアイコンによって表されるポンプ及びバルブ
   を、時間経過に伴って変化する水位の表示に連動させ
   て、回転及び開閉動作するよう表示するステップとを含
   んでいることを特徴とする方法。
6. 【請求項６】 コンピュータで読み取り可能なプログラ
   ムを記憶した記憶媒体において、請求項１〜５いずれか
   に記載の方法を実行するためのプログラムを記憶した記
   憶媒体。