JP2003065500A

JP2003065500A - 配水管網維持管理装置

Info

Publication number: JP2003065500A
Application number: JP2001256743A
Authority: JP
Inventors: Eisaku Nanba; 栄作難波; Futoshi Kurokawa; 太黒川; Minoru Saito; 実斉藤; Shojiro Tamaki; 省二郎環; Yoshihiro Motokura; 義弘本蔵
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力分布、流量分布等の配水管網の状態を精
度良く把握することができ、また配水コントロールの良
否判定を行うことができ、さらに配管の新設・増設時の
検討及び良否判定をすることができる配水管網維持管理
装置を提供する。【解決手段】配水管網内の節点２に設置された圧力計
５で計測された節点エネルギー位を時々刻々収集し、収
集された節点エネルギー位から各管路の流量を演算し、
演算した各管路の流量を基に節点からの流出量を演算す
ることにより、管網解析精度及び信頼性の高い配水管網
維持管理装置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ある水道水の配水
管網において、管網内の需要分布の把握や、ブロック化
の検討、圧力分布の把握、及び配管破裂等を特定するた
めの配水管維持管理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、水道水は、取水源（河川やダ
ム）から導入し、浄水場で水処理し、配水ポンプで配水
管路網を通じて各家庭に供給される。

【０００３】各市、各町に張られた配水管路網は、給水
区域の規模、給水人口、地勢、各町の歴史などによって
様々に異なった姿を持っている。各家庭での水需要が満
足されているかどうか確認するため、この配水管網を解
析すること、即ち管網解析が従来から行われていた。

【０００４】管網解析は、配水管網の幾何学的構成を抽
象化し、点としての節点と線としての管路から構成して
いるものとして扱う。ここで節点とは配水池・水量流出
点・ポンプ・減圧弁・管径ないし管種の異なる管路の接
続点など、水流の始点・終点と不連続点の総称である。

【０００５】図７を用いて従来の管網解析技術について
説明する。

【０００６】管網解析のための機器は、配水管網を構成
する配管３や配水池１の情報を入力するための配管入力
手段１９、配管入力手段１９から入力された配管情報を
格納するための配管データＤＢ９２、節点２からの需要
量４を推定し割付入力する需要割付手段９４、後述する
解析手段により管網解析を行う解析手段９３、及び解析
結果をオペレータに提示する表示手段９５から構成され
る。

【０００７】次に、解析手段９３に用いられる管網解析
技術について説明する。

【０００８】管網解析には、以下に示すエネルギー位法
と呼ばれる手法が主として使われている。

【０００９】エネルギー位法について（１）流量式の一般化節点ｉ、ｊを結ぶ管路_ｉｊの流量Ｑ_ｉｊと損失水頭Ｈ
_ｉｊの関係は、Ｑ_ｉｊ＝ｓ’_ｉｊ｜Ｈ_ｉｊ｜Ｈ_ｉｊ・・・（１．１）と表すことができ、Ｈ_ｊ＝Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊであるから、式
（１．１）はＱ_ｉｊ＝ｓ’_ｉｊ｜Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ｜^ａ−１（Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ）・・・（１．２）となる、ここに定数ｓ’と定数ａは次のとおりである。

【００１０】ヘーゼン・ウィリアムス式：ｓ’＝０．２７８５３Ｃ_ＨＤ^２．６３Ｌ^{−０．５４} ａ＝０．５４高菜式ｓ’＝０．２７８５３Ｃ_ＴＤ^２．６３Ｌ
^{−０．５１２４}ａ＝０．５１２４ここでＣ_Ｈ、Ｃ_Ｔは管路の材質等により決まる定数、Ｄ
は管路の直径、Ｌは管路の長さを表す。

【００１１】式（１．２）をニュートン法で一次化する
と、Ｅ_ｉとＥ_ｊで偏微分した式がそれぞれ ∂Ｑ_ｉｊ／∂Ｅ_ｉ＝ａ・ｓ’｜Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ｜^ａ−１ ∂Ｑ_ｉｊ／∂Ｅ_ｊ＝−ａ・ｓ’｜Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ｜^ａ−１・・・（１．３）となることから、ニュートン法より、Ｑ_ｉｊ＝ｑ_ｉｊ＋（∂Ｑ_ｉｊ／∂Ｅ_ｉ）ΔＥ_ｉ＋（∂Ｑ_ｉｊ／∂Ｅ_ｊ）_{ｅｉ，ｅｊ}ΔＥ_ｊ＝ｑ_ｉｊ＋ａ・ｓ’｜ｅ_ｉ−ｅ_ｊ｜^ａ−１（ΔＥ_ｉ−ΔＥ_ｊ）・・・（１．４）となる。一方、反復法を用いると、式（１．２）の右辺
が非線形部分と線形部分とに分離されているので、Ｑ_ｉｊ＝ｑ_ｉｊ＋ｓ’_ｉｊ｜ｅ_ｉ−ｅ_ｊ｜^ａ−１（ΔＥ_ｉ−ΔＥ_ｊ）＝ｑ_ｉｊ＋ｓ_ｉｊ（ΔＥ_ｉ−ΔＥ_ｊ）・・・（１．５）と一次化される。ここで、ｓ_ｉｊ＝ｓ’_ｉｊ｜ｅ_ｉ−ｅ_ｊ｜^ａ−１ｑ_ｉｊ＝ｓ’_ｉｊ｜ｅ_ｉ−ｅ_ｊ｜^ａ−１（ｅ_ｉ−ｅ_ｊ）＝ｓ_ｉｊ（ｅ_ｉ−ｅ_ｊ）・・・（１．６）であり、ｑ_ｉｊは節点エネルギー位の仮定値または近似
値ｅ_ｉ、ｅ_ｊに対する流量である。

【００１２】（２）マーロウらの式節点ｉの隣接節点をｊとするとき、節点ｉのまわりの節
点方程式は

【数１】と書かれる。ここで、ＩＮＲは配水池以外の節点の集合
を表し、節点の数をＮ、配水池の数をＭとすると、式数
はＮ−Ｍ本である。

【００１３】反復法で１次化された式（１．５）の流量
を式（１．７）に代入すると、

【数２】となる。このＮ−Ｍ元の連立１次方程式を解いて、節点
エネルギー位の仮定値または近似値で表されている右辺
の節点方程式が許容誤差以内におさまるまで繰り返す。

【００１４】（３）マーティン・ピータスの方法ニュートン法で１次化された式（１．４）の流量を式
（１．７）の節点方程式に代入すると、

【数３】となる。

【００１５】ここで、節点エネルギー位（式（１．９）
の左辺）を未知とし、上述の方程式を解く。即ち、各家
庭の需要量（式（１．９）の右辺）を推定し需要割付手
段９４から入力した上で、上述の管網解析理論に基づく
解析手段９３により節点エネルギー位を求める。

【００１６】かかる管網解析を、配水管網の新設・拡張
時点で行う場合は、仮に設計した管網で管網解析を行
い、得られた節点エネルギー位が所定値以上あれば、有
効な解の１つとしてみることが可能である。

【００１７】また、既存の管網の改善・制御のために管
網解析を行う場合は、実績データを用いて各家庭の需要
量を入力し、得られた節点エネルギー位が所定値以下の
節点の有無を確認することで、配水コントロールの有効
性を確認する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、既存の管網
の改善・制御のために管網解析を行う場合においては、
各家庭の需要量を需要割付手段９４に適切に与える必要
がある。すなわち、実際の需要量とかけ離れた需要量を
与えた場合、得られた節点エネルギー位は意味のないも
のになってしまう。

【００１９】一方、各家庭の実際の需要量に基づいて需
要量を推定し、需要割付手段９４に入力することは非現
実的である。なぜなら、実際の需要量のデータを収集す
ることは、オンラインで収集できずオフラインでの収集
作業となるため非常に大変な作業となるからである。そ
の結果、実際の需要量に基づかない推定値を使わざるを
得ないため、需要割付手段９４に入力する需要量の推定
値そのものが必ずしも信頼性のあるものではなくなる。

【００２０】したがって、従来の管網解析では、得られ
たエネルギー位の精度も信頼性がなく、圧力分布、流量
分布等の配水管網の状態が精度良く把握できない、また
配水コントロールの良否判定ができない、さらに配管の
新設・増設時の検討及び良否判定ができないなどの問題
があった。

【００２１】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
なされたもので、圧力分布、流量分布等の配水管網の状
態を精度良く把握することができ、また配水コントロー
ルの良否判定を行うことができ、さらに配管の新設・増
設時の検討及び良否判定をすることができる配水管網維
持管理装置を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明にかかる配水管網維持管理装置は、配水管網
を構成する節点と管路の情報に基づいて、配水管網を維
持・管理する配水管網維持管理装置において、配水管網
に設置された計測器のデータを収集する収集手段と、収
集手段により収集したデータ、及び配水管網を構成する
管路の節点と管路の情報に基づいて、各家庭の需要量を
推定する需要量推定手段とを具備することを特徴とす
る。

【００２３】本発明によれば、配水管網に設置された計
測器の実際のデータを用いて需要量を求めているため、
管網解析結果の精度が向上すると共に信頼性も向上す
る。したがって、配管の新設・増設の検討や、配水コン
トロールシステムの評価等を行った場合、従来の管網技
術と比較して、より現実にあった結果が得られる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる配水管網維
持管理装置の一実施の形態について、図１ないし図６を
参照して詳細に説明する。なお図７に示した従来の構成
と同一構成には同一符号を付して詳細な説明は省略す
る。また、従来の技術の項で示した数式は、同一の式番
号を付して引用する。

【００２５】図１は本発明の第１の実施の形態の全体構
成を示したものである。

【００２６】図１に示す通り、配水管網は配水池１、節
点２、管路３から構成され、各節点２から各家庭からの
需要量４に応じて水が供給される。各配水池１、各節点
２には圧力計５が取り付けられ、各圧力計５からのデー
タは、本発明にかかる配水管網維持管理装置における収
集手段１１により収集される。

【００２７】本発明にかかる配水管網維持管理装置は、
収集手段１１、実績データＤＢ１２、取得手段１３、割
当て手段１４、需要量推定手段１５、表示手段１６、配
管入力手段１７、配管データＤＢ１８、および通常状態
ＤＢ１９からなる。

【００２８】収集手段１１は配水管網内の各節点２に設
置された各圧力計５で計測された節点エネルギー位（Ｅ
_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）を時々刻々収集し、収集手段
１１で収集したデータ（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）
は、実績データＤＢ１２に格納される。実績データＤＢ
１２は、少なくとも配水管網内の各節点２に設置された
各圧力計５で計測された節点エネルギー位（Ｅ_１，
Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）節点の場所を特定する節点ＩＤ、
及び計測時刻を格納する。

【００２９】取得手段１３は、実績データＤＢ１２に格
納された節点エネルギー位（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，
Ｅ_ｎ）の中から任意時刻のデータを取得する。

【００３０】オペレータは、配水管網を構成する節点２
と管路３の情報として、節点ＩＤ、その節点における標
高、管路の位置を特定する管路ＩＤ、および、その管路
における終点及び始点の節点ＩＤ、さらに、その管路に
おける管路長、口径、Ｃ値を、配管入力手段１７から入
力する。入力されたデータは配管データＤＢ１８に格納
される。

【００３１】割当て手段１４は、配管データＤＢ１８か
ら配管データを読み込むと共に、取得手段１３にて得ら
れた節点エネルギー位（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）を
対応する節点に割り当てる。

【００３２】需要量の推定は、需要量推定手段１５によ
りなされる。即ち、まず下記式により節点ｉ、ｊを結ぶ
管路の流量Ｑ_ｉｊを求める。

【００３３】Ｑ_ｉｊ＝ｓ’_ｉｊ｜Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ｜
^ａ−１（Ｅ_ｉ−Ｅ_ｊ）ｓ’、ａは、ベーゼン・ウイリアムス式によりｓ’＝０．２７８５３Ｃ_ＨＤ^２．６３Ｌ^{−０．５４} ａ＝０．５４高菜式を採用した場合は、ｓ’＝０．２７８５３Ｃ_ＴＤ^２．６３Ｌ^{−０．５１２４} ａ＝０．５１２４となる。ここでＣ_Ｈ、Ｃ_Ｔは管路の材質等により決まる
定数、Ｄは管路の直径、Ｌは管路の長さを表す。

【００３４】Ｃ_Ｈ、Ｃ_Ｔ、Ｄ、Ｌは、あらかじめオペ
レータが配管入力手段１７から入力し、配管データＤＢ
１８に格納された値を用いる。Ｅ_ｉ、Ｅ_ｊの値は、収集
手段１１により収集され、計測時刻と共に実績データＤ
Ｂ１２に格納されたエネルギー位（Ｅ_１，Ｅ_２，・・
・，Ｅ_ｎ）の内、最新時刻のデータを用いる。

【００３５】続いて、節点ｉから各家庭への需要量Ｐ_ｉ
を求める。Ｐ_ｉは、節点ｉのまわりの節点方程式から、
下記式により求められる。

【００３６】

【数４】求められた推定値は、時刻と共に通常状態ＤＢ１９に格
納される。

【００３７】需要量推定手段１５にて得られた各管路の
流量（Ｑ_１２，Ｑ_１３，・・・，Ｑ _ｎｍ）、各節点のエ
ネルギー位（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）、および各節
点の需要量（Ｐ_１，Ｐ_２，・・・，Ｐ_ｎ）は表示手段１
６表示され、オペレータに提示される。

【００３８】このように第１の実施の形態によれば、節
点圧力計５の実測値を用いて各節点の需要量を推定する
ので、圧力分布、流量分布等の配水管網の状態を精度良
く把握することができる。

【００３９】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。図２は本発明の第２の実施の形態の全体構成
を示したものである。

【００４０】第２の実施の形態は、第１の実施の形態に
異常判定手段２１と表示手段２２を追加した構成となっ
ている。

【００４１】異常判定手段２１では、通常状態ＤＢ１９
に逐次格納されている需要量推定手段１５にて推定した
それまでの需要量及び節点圧力のデータと、今回新たに
推定された需要量及び節点圧力とを比較して、需要量及
び節点圧力が通常状態と違わないかどうかをチェックす
る。

【００４２】すなわち、今回新たに推定された需要量ま
たは節点圧力が、通常の状態の平均値から大きく異なる
場合、あるいは、今回新たに推定された需要量または節
点圧力が、時系列的な変化傾向から見て急激な変動であ
った場合に、「配水管路網に何かが起きた（配管破裂な
ど）」と判定する。

【００４３】表示手段２２では、異常判定手段２１にて
判定した結果をオペレータに提示する。

【００４４】このように第２の実施の形態によれば、か
かる機能により、配管破裂等の配水管網に異常が起きた
ことをオンラインで察知できるため、すばやい対応が可
能となる。

【００４５】続いて、本発明の第３の実施の形態につい
て説明する。図３は本発明の第３の実施の形態の全体構
成を示したものである。

【００４６】第３の実施の形態は、第２の実施の形態に
ブロック化エリア支援手段３１を追加した構成となって
いる。

【００４７】ブロック化エリア支援手段３１では、通常
状態ＤＢ１９に格納された過去の配水管網の状態、即ち
節点圧力及び需要量、を連続して再生し表示手段１６を
通じてオペレータに提示することでブロック化計画の支
援を行う。

【００４８】即ち、各管路３における流量、及びその方
向の変化を時系列的に見ることができるから、節点圧力
から等圧線（圧力の等高線）を作成し、その上に需要量
を重ねて表示手段１６に表示することで、等圧線の谷と
なる部分で時の経過とともに、流れの方向がたびたび変
わる管路３、つまり流れがぶつかり合っている管路３を
見つけ出すことができる。このような管路３をつなぎ合
わせることにより、ブロック切り分けすべき領域の判断
が可能となる。なお、等圧線，需要量を別々に表示する
ことも可能である。

【００４９】このように第３の実施の形態によれば、従
来の管網解析技術では、解析精度に問題があったため、
精密なブロック化検討が難しかったが、本発明では解析
精度が高いため、より精密なブロック化検討が可能とな
る。

【００５０】次に、本発明の第４の実施の形態について
説明する。図４は本発明の第４の実施の形態の全体構成
を示したものである。

【００５１】第４の実施の形態は、第３の実施の形態に
需要予測支援手段４１と表示手段４２を追加した構成に
なっている。

【００５２】需要予測支援手段４１では、通常状態ＤＢ
１９に蓄えられている時系列の需要量から、当日の需要
量を予測する。予測にはニューラルネットワークを応用
した予測方法や、ＧＭＤＨを応用した予測方法等を用い
る。

【００５３】表示手段４２では、需要予測支援手段４１
にて予測した需要量をオペレータに提示する。なお、オ
ペレータの判断で予測結果の修正も可能である。また、
予測結果を配水コントロールシステム（図示省略）に入
力することも可能である。

【００５４】このように第４の実施の形態によれば、需
要予測支援手段４１により、各家庭の需要量が予測でき
るため、浄配水場の運用計画が立てやすくなり、経験の
ないオペレータにでも、配水管網の圧力が適正値になる
ような運用が可能となる。

【００５５】続いて、本発明の第５の実施の形態につい
て説明する。図５は本発明の第５の実施の形態の全体構
成を示したものである。

【００５６】第５の実施の形態は、第４の実施の形態に
旧管網解析モデル同定手段５１と旧管網解析モデル５２
を追加した構成になっている。

【００５７】旧管網解析モデル同定手段５１では、通常
状態ＤＢ１９に蓄えられた需要量及び実績データＤＢ１
２に蓄えられた節点圧力を真値として、従来の管網解析
モデルの同定を行い、同定できたモデルを旧管網解析モ
デル５２に格納する。即ち、従来の管網解析では管路の
特性と需要量を既知として節点圧力を推定しているが、
管路内の汚れ等経年変化により管路特性が変化してしま
うと、与えられた需要量に対する節点圧力の推定値が正
確でなくなってしまう。そこで、通常状態ＤＢ１９に蓄
えられた需要量を入力として従来の管網解析で推定した
節点圧力が、実績データＤＢ１２に蓄えられた節点圧力
と同等になるように管路特性をチューニングするもので
ある。

【００５８】このように第５の実施の形態によれば、実
績値に基づいて同定した管網解析モデルを作成すること
により、従来の管網解析において問題となっていた解析
精度についての問題が解決される。それにより、解析精
度の問題で未使用になっていた管網解析システムが使用
できるようになる。

【００５９】次に、本発明の第６の実施の形態について
説明する。図６は本発明の第６の実施の形態の全体構成
を示したものである。

【００６０】第６の実施の形態は第５の実施の形態に圧
力推定手段６１を追加した構成になっている。

【００６１】圧力推定手段６１では、全ての節点圧力を
計測できない場合に、計測できた節点を基に、統計的手
法を用いて残りの節点圧力を推定する。

【００６２】このように第６の実施の形態によれば、全
ての節点圧力を計測できない場合にでも、需要量推定手
段１５により各管路の流量、各節点からの流出量を演算
することができると共に、経済的にも圧力計設置数を少
なくすることができるので、コストダウンが可能とな
る。

【００６３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、精度の高い管網解析結果が得られるので、圧力分
布、流量分布等の配水管網の状態を精度良く把握するこ
とができる。また配水コントロールの良否判定を行うこ
とができる。さらに配管の新設・増設時の検討及び良否
判定をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる配水管網維持管理装置の第１の
実施の形態についての構成を示した全体構成図である。

【図２】第２の実施の形態についての構成を示した全体
構成図である。

【図３】第３の実施の形態についての構成を示した全体
構成図である。

【図４】第４の実施の形態についての構成を示した全体
構成図である。

【図５】第５の実施の形態についての構成を示した全体
構成図である。

【図６】第６の実施の形態についての構成を示した全体
構成図である。

【図７】従来の管網解析設備の全体構成図である。

【符号の説明】１配水池２節点３管路４各家庭での需要量５節点圧力計１１収集手段１５需要量推定手段１６，２２，４２表示手段２１異常判定手段３１ブロック化エリア支援手段４１需要予測支援手段５１旧管網解析モデル同定手段５２旧管網解析モデル６１圧力推定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤実東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者環省二郎東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者本蔵義弘東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内Ｆターム(参考） 3J071 AA12 BB11 CC02 CC11 DD36 EE07 EE19 EE24 EE37 FF12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配水管網を構成する節点と管路の情報に
基づいて、配水管網を維持・管理する配水管網維持管理
装置において、配水管網に設置された計測器のデータを収集する収集手
段と、前記収集手段により収集したデータ、及び配水管網を構
成する管路の節点と管路の情報に基づいて、各家庭の需
要量を推定する需要量推定手段とを具備することを特徴
とする配水管網維持管理装置。
【請求項２】配水管網の異常状態を判定する異常状態
判定手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の
配水管網維持管理装置。
【請求項３】配水管網のブロック化を検討する際に支
援情報を提供するブロック化エリア支援手段を具備する
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに
記載の配水管網維持管理装置。
【請求項４】配水管網における各家庭の需要量を予測
する需要予測支援手段を具備することを特徴とする請求
項１ないし請求項３のいずれかに記載の配水管網維持管
理装置。
【請求項５】管路の特性と需要量を既知として節点圧
力を推定する旧管網解析モデルと、前記旧管網解析モデルをチューニングする旧管網解析モ
デル同定手段と、チューニングされたモデルを旧管網解析モデルに格納す
る手段とを具備することを特徴とする請求項１ないし請
求項４のいずれかに記載の配水管網維持管理装置。
【請求項６】配水管網に設置された計測器による節点
圧力のデータから、計測器が設置されていない節点圧力
を推定する圧力推定手段を具備することを特徴とする請
求項１ないし請求項５のいずれかに記載の配水管網維持
管理装置。