JP2004092285A - 配水管網ルート検索装置及びこの装置を用いた配水制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表示された配水管網ルートの検索手段が容易に判明する。
【解決手段】管網モデル作成・調整部１１は、管網モデルを作成または修正するとともに、結果をデータベース１４へ登録する。作成された管網モデルをもとに、水理解析（流量など）や水質解析（残塩解析など）を管網解析部１２で実行するとともに、結果をデータベース１４に登録する。ルート検索部１３では、管網解析部１２の結果を使用して任意の２点間でのルート検索を行なう。管網解析部１２の結果を使用するのは、ルート検索を行なうには、流向を使用する必要があるためである。流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】管網モデル作成・調整部１１は、管網モデルを作成または修正するとともに、結果をデータベース１４へ登録する。作成された管網モデルをもとに、水理解析（流量など）や水質解析（残塩解析など）を管網解析部１２で実行するとともに、結果をデータベース１４に登録する。ルート検索部１３では、管網解析部１２の結果を使用して任意の２点間でのルート検索を行なう。管網解析部１２の結果を使用するのは、ルート検索を行なうには、流向を使用する必要があるためである。流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、上水道配水管網における配水管網ルート検索装置及びこの装置を用いた配水制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上水道配水管網解析は、近年コンピュータなどの高性能化により節点数・管路数を増やした解析が可能となり、都市全体をより詳細で複雑な管網をモデル化し、解析する傾向にある。流量や水圧などの水理解析、残塩などの水質解析は解析範囲全域に対して行なわれ、ＧＩＳなど地図情報と組み合せて解析範囲全体の結果が視覚的に判り易いシステムが増えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、単に配水管網の２点間での水質の状況を知りたい場合がある。通常、配水管網におけるルート検索は、主に次のように使用されると考えられる。
【０００４】
ａ．配水池からの流れがどのようになっているか
ｂ．２点間の動水勾配はどのようになっているか
ｃ．水質汚染がどのように広がっていくか。
【０００５】
ここで問題となるのは、管網上は接続されているが、実際には水の流れがないルートも多数存在していることである。解析結果は一般に流向の表示もされるが、管網が複雑で、かつデータが非常に多いため、ユーザーが２点間の流れを認識できず、任意の２点間をユーザーが指定しても、流れるルートが検索できない場合がある。
【０００６】
上記のように配水管網におけるルート検索においては、次のような問題点がある。
（１）表示されたルートがどのような方法で検索された不明である点、
（２）動水勾配は判明するが、他の水質因子がどのように広がっていくか判明しにくい、
（３）検索されたルートがユーザーの期待したルートと異なるときがある。
【０００７】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、表示された配水管網ルートの検索手段が容易に判明し、かつ事前に水質汚染や残留塩素を判明することができる配水管網ルート検索装置及びこの装置を用いた配水制御装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、配水管網モデルを作成または修正する配水管網モデル作成・調整部と、この配水管網モデル作成・調整部で作成された配水管網モデルをもとに、水理解析やなどの水質解析を実行する配水管網解析部と、この配水管網解析部で解析された結果及び作成された配水管網モデルを登録するデータベースと、前記配水管網解析部の結果を使用して任意の２点間での配水管網ルートを検索し、その任意の２点間の水理や水質の変化状況を把握するルート検索部とを備えてなることを特徴とするものである。
【０００９】
ルート検索部は、ルート検索に際して配水管網の下流側から上流側に向けて検索し、また、ルート決定に際して配水管網の管路長または管路内滞留時間を用いることを特徴とするものである。
【００１０】
配水管網解析部における水理解析は、流量、圧力、流向センサーからの計測情報を解析することを特徴とするものである。
【００１１】
配水管網解析部における水質解析は、水質センサー、残塩センサーからの計測情報を解析することを特徴とするものである。
【００１２】
また、配水管上流側に設置した水質センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートの配水を止め、補助水源から需要家の配水管網ルートへ配水を供給させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、配水管上流側に設置した残留塩素センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで残留塩素流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートで残留塩素が減少したことを検知したとき、補助水源に設置されている追加塩素注入設備から需要家の配水管網ルートへ一定の残留塩素の配水を供給させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の第１形態を示すルート検索機能を具備した配水管網の解析方法の構成図で、図１において、この配水管網の解析方法は、配水管網モデル作成・調整部１１、管網解析部（水理解析・水質解析）１２、ルート検索部１３及びデータベース１４から構成される。
【００１５】
配水管網モデル作成・調整部１１では、管網モデルを作成または修正するとともに、その結果をデータベース１４へ登録する。この管網モデル作成・調整部１１で作成された管網モデルをもとに、流量、圧力、流向などの水理解析や残塩解析、汚染物質拡散解析などの水質解析を管網解析部１２で実行するとともに、その結果をデータベース１４に登録する。
【００１６】
ルート検索部１３では、管網解析部１２の結果を使用して任意の２点間でのルート検索を行なう。管網解析部１２の結果を使用するのは、ルート検索を行なうには、流向を使用する必要があるためである。流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができるからである。
【００１７】
図２はルート検索できる場合と検索できない場合の配水管網の概念図で、図２中数字符号を付した丸印は、節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。ここでは、圧力や流量は関係がない。
【００１８】
図２において、ルート２→５としては、２→３→５と２→４→５の２つのルート検索が考えられる。一方、ルート３→４では、５→４または３→２で逆行するため、ルート検索は特定できない。
【００１９】
ルート検索部１３において、表示される項目は、横軸に節点間の距離か項目、縦軸に全水頭、残塩、汚染物質濃度、滞留時間などである。動水勾配は、横軸に距離、縦軸に全水頭をプロットすることで表示可能であるが、残塩や汚染物質濃度といった水質も表示することが可能で、残塩の減少傾向が判明する。このようにすることで、任意の節点間の圧力や水質の変化状況が把握できる管網解析方法が可能となる。
【００２０】
図３はこの発明の実施の第２形態を示す樹木状配水管網の概念図で、図中の数字符号を付した丸印は、図２と同様に節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。この配水管網の例では、ルートは、必ず１つのみ存在する。そのため、始点節点（ルート検索で指定する上流側の指定節点）が検索されると、検索を終了することができる。検索順は、終点節点（ルート検索で指定する下流側の指定節点）から始まり、始点節点で終了するようにする。水道管網は、配水池が少数で末端に多数の需要点があるため、下流側から検索した方が無駄な検索をしなくて良いためである。
【００２１】
ルート検索の例を述べるにあたり、上記以外の用語の定義を記す。上流管路とは、対象となる節点に対し、水が流れ込む管路、上流節点とは、上流管路に接続した相手節点、下流管路とは、対象となる節点に対し、水が流れ出る管路、下流節点とは、下流管路に接続した相手節点である。
【００２２】
ルート検索の１つの例として、図３において、始点節点が節点４、終点節点が節点６の場合を考える。ルートは、節点６→節点５→節点４の順に検索され終了する。同時に、節点をつなぐ管路は、管路［５］→管路［４］の順に検索される。このとき、節点５の下流節点である節点７は検索されない。
【００２３】
なお、節点と管路の両方を検索する理由は、動水勾配を決定する全水頭は節点に対して計算されるが、始点節点と終点節点との距離を計算するには、管路長を足し合わせる必要があるためである。最上流となる配水池は複数存在することが考えられる。
【００２４】
次に別のルート検索例を述べる。この例として、始点節点が節点３、終点節点が節点６の場合を考える。最終的には、ルートは、節点６→節点５→節点４→節点３の順に検索され終了するが、節点４は上流節点が節点１と節点３の２つが存在する。
【００２５】
節点４から節点１が先に検索された場合、最上流である配水池に到達しても始点節点がないことになる。しかし、実際は別ルートに始点節点である節点４が存在する。
【００２６】
従って、始点節点に到達する前に配水池に到達した場合、２つ以上上流節点がある節点４まで戻り、別ルートを検索するルーチンが必要となる。また、戻るには、一旦登録したルートを削除しながら節点４に移動する。このようにすることで、樹木状管網のルート検索を行うことができる。
【００２７】
上述したようなルート検索の例のフローチャートを図４に示す。図４において、管網解析結果の読み込み処理（接続関係、流向、水質）をステップＳ１で行なった後、始点節点、終点節点の設定処理をステップＳ２で行う。
【００２８】
その後、全節点の上流節点の数をステップＳ３で決定する。節点の数を決定したならステップＳ５で終点節点を指定処理する。
【００２９】
終点節点指定処理後、全ルート検索を完了したかをステップＳ６で判定処理し、完了した「ＹＥＳ」ならステップＳ７の登録されたルートの書き出し処理を行なって処理を終了する。
【００３０】
一方、ステップＳ６の判定処理で、完了しない「ＮＯ」なら節点をルートに登録処理（ステップＳ８）してから、最上流（配水池）か始点節点に到達かをステップ９で判定処理する。
【００３１】
ステップＳ９の判定処理で「ＮＯ」なら上流節点が１つであるかをステップＳ１０で判定処理する。ここで、「ＹＥＳ」なら上流節点を指定処理（ステップＳ１１）してから上流管路をルートに登録処理（ステップ１２）した後、ステップＳ６の判定処理に戻る。なお、ステップＳ１０で「ＮＯ」なら検索していない上流節点を指定処理（ステップ１３）してステップ１２の処理に進む。
【００３２】
前記ステップＳ９の判定処理で「ＹＥＳ」なら始点節点に到達したかをステップＳ１４で判定処理して「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理を行い、「ＮＯ」ならステップＳ１５で「登録していたルート、次の上流節点を初期化」処理し、ステップＳ１６の処理に進む。ステップＳ１６は、２つ以上上流節点があり、検索していない節点まで戻る処理で、この処理を行なった後、ステップＳ１７で節点が終点節点であるかを判定処理する。判定の結果、「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理を行い、「ＮＯ」ならステップＳ１０判定処理を行う。
【００３３】
上記のような処理を行うことで、第２形態の樹木状配水管網のルート検索方法を行うことができる。
【００３４】
図５はこの発明の実施の第３形態を示す網目状配水管網の概念図で、図中の数字符号を付した丸印は、図２と同様に節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。この配水管網の例では、ルートは、複数存在することが予想される。そのため、始点節点が検索されても、検索を終了することはできない。このため、最大ルート数を設定するか、考えられる全てのルートの検索が終了するまで続けられる。なお、検索順は、第２形態と同じく、終点節点（下流側）から始まり、始点節点（上流側）で終了するようにする。
【００３５】
ルート検索の１つの例として、図５において、始点節点１、終点節点１１とする場合を考える。ルートは、節点１１→節点７→節点３→節点２→節点１の順に検索される。同時に、節点をつなぐ管路は、管路１３→管路６→管路２→管路１の順に検索される。このとき、節点１１の下流節点である節点１２や節点１５は検索されない。
【００３６】
網目状配水管網では、ルートが見つかり、次のルートを検索するとき、見つかったルートを次のルートにコピーする。そして、次のルートに行ってから、２つ以上の上流節点がある節点まで戻り、次のルートの検索を始める。
【００３７】
上記の例では、節点２、節点３とも上流節点は１つであるため、節点７まで戻ることになる。そして、始点節点である節点１まで検索する。このようにして、合計６個のルートが表１、表２に示すように検索される。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
また、節点６は２つの下流管路と２つの上流管路があり、いずれの下流管路側からもルートに入ってくる。つまり、管路９からのルートを２つ検索した（２番目と３番目）とき、節点６は２つのルートを検索したことになるが、管路１２からのルートでも２つ検索されなければならない（４番目と５番目）従って、節点が上流節点数だけ検索し、更に下流に戻るとき、節点の検索数を初期化する必要がある（例えば、「登録していたルート、次の上流節点を初期化」「２つ以上の上流節点があり、検索していない節点まで戻る」ルーチンにおいて実行）。
【００４１】
上記のように処理することにより網目状の配水管網のルート検索を行うことができる。
【００４２】
図６は上述した網目状配水管網のルート検索のフローチャートで、図４に示したフローチャートと同じ処理には、同じステップを付して説明する。図６において、図４に示したフローチャートのステップＳ２と異なる処理は、始点節点（目的地）、終点節点の設定（最大ルート数の設定）処理を行う点である。
【００４３】
その後、図４に示した処理をステップＳ９の判定処理まで行ない、その判定処理で、「ＹＥＳ」ならステップＳ１９の判定処理で配水池に到達したかを判定する。その判定処理の結果、「ＹＥＳ」ならステップＳ１５の処理に進み、「ＮＯ」ならステップＳ２０の処理を行う。ステップＳ２０は、登録していたルートを次のルートにコピーする処理で、この処理の後、ステップＳ２１の次のルートへ登録するように変更する処理を行なって、ステップＳ１５の処理に進む。
【００４４】
その後、ステップＳ１７の処理まで行なった後、ステップＳ１７の判定処理で、「ＹＥＳ」ならステップＳ２２の全ルート検索完了したかの判定処理を行い、この判定処理で完了した「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理に進み、完了しない「ＮＯ」ならステップＳ１３の処理に進む。
【００４５】
次にこの発明の実施の第４形態から第６形態について述べる。第４形態から第６形態は、ルート決定のための選択肢で、第４形態は最長距離を選択肢とし、第５形態は最短時間を選択肢とし、第６形態は大口径管路を選択肢とした特の例である。
【００４６】
まず、第４形態について述べるに、第２形態ではルートが１つであるが、第３形態ではルートが複数存在した。この場合、どのルートを決定するかが必要となる。この第４形態では、距離を使用したルート決定方法について説明する。
【００４７】
図５に示した網目状管網でルート検索した結果、次の表３に示す結果が得られたとする。
【００４８】
【表３】
【００４９】
表３において、合計距離は、図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字を距離としたときの合計である。それぞれのルートにおいて管路順が検索されているため、距離の合計を計算するのは容易である。合計距離を比較し、最も長い１番目のルートが最終的に決定されるルートとなる（もちろん、最も短い距離のルートを決定するルートとしてもよい）。
【００５０】
上記第４形態では、距離を指標としてルート決定を行なったが、第５形態では、時間を使用したルート決定方法について述べる。図５に示した網目状管網でルート検索した結果、次の表４に示す結果が得られたとする。
【００５１】
【表４】
【００５２】
表４において、合計時間は、図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字を時間としたときの合計である。それぞれのルートにおいて管路順が検索されているため、時間の合計を計算するのは容易である。合計時間を比較し、最も短い時間６番目のルートが最終的に決定されるルートとなる（もちろん、最も長い時間のルートを決定するルートとしてもよい）。
【００５３】
次に第６形態について述べるに、管網解析では、時間や距離でなく、メインのルートがどのような状況になっているかを考慮することがある。メインのルートは管径が太いことが多いため、ここでは管径を指標に判断していく、以下第６形態によるルート決定方法について述べる。
【００５４】
図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字は管径であるとする。ここで、検索されたルートの始点での下流管路の管径を比較する。管路１の管径は１０、管路４の管径は９であるため、管路１が選択される。次に管路１とつながった節点２で同じように管径を比較すると、管路２が選択される。この段階で、１番目のルートしか該当するルートがないため、最終的に１番目が決定される。
【００５５】
また、下流管路に同じ管径の管路が存在したときには、流量を比較することでルートを判断する。ここでは同じ管径の下流管路がなく流量も記載されていないが、メインルートの方の流量が多いことが考えられるためである。管径流量とも同じ場合は、どちらかのルートをとり、次の下流節点での管径を比較することとする。
【００５６】
上記のように処理することで、メインルートでのルート決定をすることができる。
【００５７】
図７はこの発明の実施の第７形態を示す水質汚染物質の拡大状況予測方法の概念図で、この第７形態は水質解析とルート検索との組み合せ例である。図７において、水源７０である節点１から流入した水は、節点５にある需要家である工場７１まで到達する。
【００５８】
工場７１に都合の悪い水質汚濁物質を検知するセンサーは、節点５には設置できないため、節点２に設置されている。水質センサー７２での計測情報は、管網解析・ルート検索装置７３に入力されている。各節点での水質や節点２から節点５までの最短の到達時間を計算することができる。節点４は補助水源７４であり、バルブ７５が閉まったときなど非常時のみの運転となる。
【００５９】
節点１から濃度２．０μｇ／Ｌで水質汚染物質が流入したとする。また、節点４からは濃度０．０μｇ／Ｌとする。水質汚染物質は節点２にある水質センサー７２により検知される。
【００６０】
ここで、節点２からバルブ７５までの到達時間が管網解析・ルート検索装置７３により１時間と計算されたとすると、それまでにバルブ７５を事前に閉めることができるとともに、補助水源７４を運転することができ、工場７１には水質汚染物質が流入しないことになる。
【００６１】
一般にバルブ７５の開閉や水源の運転は設定状態になるまで時間を要する（操作員が閉める場合も多い）ため、事前に水質汚染を検知できると、需要家に被害を及ぼさないシステムが構築できる。
【００６２】
また、この第７形態では、水質汚染の検知から工場７１まで複数のルートが存在し、それぞれにバルブ７５がついている場合、ルート検索により最短な時間のルートからバルブ７５の操作をしていくことも可能となる。
【００６３】
図８（ａ）はこの発明の実施の第８形態を示す残留塩素の減少状況予測方法の概念図で、この第８形態は水質解析とルート検索との組み合せ例である。図８（ａ）において、水源８０である節点１から流入した水は、節点５にある需要家８１まで到達する。
【００６４】
残留塩素を測定する残塩センサー８２は、節点５には設置できないため、節点２に設置されている。残塩センサー８２での計測情報は管網解析・ルート検索装置８３に入力されており、各節点での水質や節点２から節点５までの最短の到達時間を計算することができる。
【００６５】
節点４は補助水源８４であるが、ここには非常用の追加塩素注入設備８５が設置されており、通常塩素は注入しない。残留塩素は管路で１日当たり０．１ｍｇ／Ｌの割合で減少するとする。
【００６６】
いま、図８（ｂ）に示すように、節点１から濃度０．７ｍｇ／Ｌで残塩が流入したとする。節点４からは０．０ｍｇ／Ｌとする。残塩は節点２にある残塩センサー８２により検知される。通常は、需要家８１のある節点５での残塩濃度が０．１ｍｇ／Ｌとする。
【００６７】
ここで、仮に節点２と節点３の間で事故があり、この間だけ１日０．２ｍｇ／Ｌの割合で減少するようになったとする。すると、管網解析・ルート検策装置８３では、残塩減少率を再定義できるとともに、到達時間を計算することができる。そのため、需要家８１に残塩濃度の低い水が配水される前に、追加塩素注入設備８５を運転することができ、従って、需要家８１には一定の残留塩素の水を送ることができる。
【００６８】
一般に追加塩素注入設備は、たくさん設置できず、到達時間もかかるため、設定した状態になるまで時間を要する。このように、事前に残留塩素低下の事故が判明すると、需要家に安心して被害を拡大させないシステムが構成できる。
【００６９】
また、上記第８形態では、事故の検知から需要家まで複数のルートが存在し、追加塩素注入設備や事故発生箇所が複数存在しても、ルート検索により被害の最も早く発生するルートから対策することも可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、以下のような作用効果が得られる。
（１）管網解析結果である流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができる。また、節点と管路を同時に検索できるため、任意の節点間の圧力や水質の変化状況が距離や時間と関連付けて把握できる管網解析システムが構成可能となる。
（２）下流側節点から上流側節点を検索し、下流側節点は検索しないことで、樹木状管網のルート検索を効率良く行うことができる。この管網に加えて、ルートコピールーチン、ある節点での上流節点を全て検索したのち初期化するルーチンを加えることで、網目状管網のルート検索を無駄なく全て行うことができる。
（３）管路長を用いることで、また、管路内滞留時間を採用することで最適なルートを求めることができるとともに、管路長をもちいることでメインルートでの最適なルートを求めることができる利点もある。
（４）バルブの開閉や水源の運転は、設定状態に到達するまで時間を要するため、事前に水質汚染が判明すると、需要家に被害を発生させないシステムが構築できる利点がある。また、複数のルートが存在し、それぞれにバルブが付いている場合、ルート検索により最短な時間のルートからバルブの操作を行なっていくことが可能となる。
（５）追加塩素注入設備は、たくさん設置できず、到達時間もかかるため、設定した状態になるまで時間を要するが、事前に残留塩素低下の事故が判明しても、需要家に被害を発生させないシステムが構築できる。また、複数のルートが存在し、追加塩素注入設備や事故発生箇所が複数存在しても、ルート検索により被害の最も早く発生するルートから対策することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の第１形態を示すルート検索機能を具備した配水管網の解析方法の構成図。
【図２】ルート検索できる場合と検索できない場合の配水管網の概念図。
【図３】この発明の実施の第２形態を示す樹木状配水管網の概念図。
【図４】樹木状配水管網におけるルートの検索方法を示すフローチャート。
【図５】この発明の実施の第３形態を示す網目状配水管網の概念図。
【図６】網目状配水管網におけるルートの検索方法を示すフローチャート。
【図７】この発明の実施の第７形態を示す水質汚染物質の拡大状況予測方法の概念図。
【図８】（ａ）はこの発明の実施の第８形態を示す残留塩素の減少状況予測方法の概念図、（ｂ）は予測方法の動作説明図。
【符号の説明】
１１…管網モデル作成・調整部
１２…管網解析部
１３…ルート検索部
１４…データベース
７０、８０…水源
７１、８１…需要家
７２…水質センサー
７３、８３…管網解析・ルート検索装置
７４、８４…補助水源
７５…バルブ
８２…残塩センサー
８５…追加塩素注入設備
【発明の属する技術分野】
この発明は、上水道配水管網における配水管網ルート検索装置及びこの装置を用いた配水制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上水道配水管網解析は、近年コンピュータなどの高性能化により節点数・管路数を増やした解析が可能となり、都市全体をより詳細で複雑な管網をモデル化し、解析する傾向にある。流量や水圧などの水理解析、残塩などの水質解析は解析範囲全域に対して行なわれ、ＧＩＳなど地図情報と組み合せて解析範囲全体の結果が視覚的に判り易いシステムが増えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、単に配水管網の２点間での水質の状況を知りたい場合がある。通常、配水管網におけるルート検索は、主に次のように使用されると考えられる。
【０００４】
ａ．配水池からの流れがどのようになっているか
ｂ．２点間の動水勾配はどのようになっているか
ｃ．水質汚染がどのように広がっていくか。
【０００５】
ここで問題となるのは、管網上は接続されているが、実際には水の流れがないルートも多数存在していることである。解析結果は一般に流向の表示もされるが、管網が複雑で、かつデータが非常に多いため、ユーザーが２点間の流れを認識できず、任意の２点間をユーザーが指定しても、流れるルートが検索できない場合がある。
【０００６】
上記のように配水管網におけるルート検索においては、次のような問題点がある。
（１）表示されたルートがどのような方法で検索された不明である点、
（２）動水勾配は判明するが、他の水質因子がどのように広がっていくか判明しにくい、
（３）検索されたルートがユーザーの期待したルートと異なるときがある。
【０００７】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、表示された配水管網ルートの検索手段が容易に判明し、かつ事前に水質汚染や残留塩素を判明することができる配水管網ルート検索装置及びこの装置を用いた配水制御装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、配水管網モデルを作成または修正する配水管網モデル作成・調整部と、この配水管網モデル作成・調整部で作成された配水管網モデルをもとに、水理解析やなどの水質解析を実行する配水管網解析部と、この配水管網解析部で解析された結果及び作成された配水管網モデルを登録するデータベースと、前記配水管網解析部の結果を使用して任意の２点間での配水管網ルートを検索し、その任意の２点間の水理や水質の変化状況を把握するルート検索部とを備えてなることを特徴とするものである。
【０００９】
ルート検索部は、ルート検索に際して配水管網の下流側から上流側に向けて検索し、また、ルート決定に際して配水管網の管路長または管路内滞留時間を用いることを特徴とするものである。
【００１０】
配水管網解析部における水理解析は、流量、圧力、流向センサーからの計測情報を解析することを特徴とするものである。
【００１１】
配水管網解析部における水質解析は、水質センサー、残塩センサーからの計測情報を解析することを特徴とするものである。
【００１２】
また、配水管上流側に設置した水質センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートの配水を止め、補助水源から需要家の配水管網ルートへ配水を供給させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、配水管上流側に設置した残留塩素センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで残留塩素流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートで残留塩素が減少したことを検知したとき、補助水源に設置されている追加塩素注入設備から需要家の配水管網ルートへ一定の残留塩素の配水を供給させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の第１形態を示すルート検索機能を具備した配水管網の解析方法の構成図で、図１において、この配水管網の解析方法は、配水管網モデル作成・調整部１１、管網解析部（水理解析・水質解析）１２、ルート検索部１３及びデータベース１４から構成される。
【００１５】
配水管網モデル作成・調整部１１では、管網モデルを作成または修正するとともに、その結果をデータベース１４へ登録する。この管網モデル作成・調整部１１で作成された管網モデルをもとに、流量、圧力、流向などの水理解析や残塩解析、汚染物質拡散解析などの水質解析を管網解析部１２で実行するとともに、その結果をデータベース１４に登録する。
【００１６】
ルート検索部１３では、管網解析部１２の結果を使用して任意の２点間でのルート検索を行なう。管網解析部１２の結果を使用するのは、ルート検索を行なうには、流向を使用する必要があるためである。流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができるからである。
【００１７】
図２はルート検索できる場合と検索できない場合の配水管網の概念図で、図２中数字符号を付した丸印は、節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。ここでは、圧力や流量は関係がない。
【００１８】
図２において、ルート２→５としては、２→３→５と２→４→５の２つのルート検索が考えられる。一方、ルート３→４では、５→４または３→２で逆行するため、ルート検索は特定できない。
【００１９】
ルート検索部１３において、表示される項目は、横軸に節点間の距離か項目、縦軸に全水頭、残塩、汚染物質濃度、滞留時間などである。動水勾配は、横軸に距離、縦軸に全水頭をプロットすることで表示可能であるが、残塩や汚染物質濃度といった水質も表示することが可能で、残塩の減少傾向が判明する。このようにすることで、任意の節点間の圧力や水質の変化状況が把握できる管網解析方法が可能となる。
【００２０】
図３はこの発明の実施の第２形態を示す樹木状配水管網の概念図で、図中の数字符号を付した丸印は、図２と同様に節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。この配水管網の例では、ルートは、必ず１つのみ存在する。そのため、始点節点（ルート検索で指定する上流側の指定節点）が検索されると、検索を終了することができる。検索順は、終点節点（ルート検索で指定する下流側の指定節点）から始まり、始点節点で終了するようにする。水道管網は、配水池が少数で末端に多数の需要点があるため、下流側から検索した方が無駄な検索をしなくて良いためである。
【００２１】
ルート検索の例を述べるにあたり、上記以外の用語の定義を記す。上流管路とは、対象となる節点に対し、水が流れ込む管路、上流節点とは、上流管路に接続した相手節点、下流管路とは、対象となる節点に対し、水が流れ出る管路、下流節点とは、下流管路に接続した相手節点である。
【００２２】
ルート検索の１つの例として、図３において、始点節点が節点４、終点節点が節点６の場合を考える。ルートは、節点６→節点５→節点４の順に検索され終了する。同時に、節点をつなぐ管路は、管路［５］→管路［４］の順に検索される。このとき、節点５の下流節点である節点７は検索されない。
【００２３】
なお、節点と管路の両方を検索する理由は、動水勾配を決定する全水頭は節点に対して計算されるが、始点節点と終点節点との距離を計算するには、管路長を足し合わせる必要があるためである。最上流となる配水池は複数存在することが考えられる。
【００２４】
次に別のルート検索例を述べる。この例として、始点節点が節点３、終点節点が節点６の場合を考える。最終的には、ルートは、節点６→節点５→節点４→節点３の順に検索され終了するが、節点４は上流節点が節点１と節点３の２つが存在する。
【００２５】
節点４から節点１が先に検索された場合、最上流である配水池に到達しても始点節点がないことになる。しかし、実際は別ルートに始点節点である節点４が存在する。
【００２６】
従って、始点節点に到達する前に配水池に到達した場合、２つ以上上流節点がある節点４まで戻り、別ルートを検索するルーチンが必要となる。また、戻るには、一旦登録したルートを削除しながら節点４に移動する。このようにすることで、樹木状管網のルート検索を行うことができる。
【００２７】
上述したようなルート検索の例のフローチャートを図４に示す。図４において、管網解析結果の読み込み処理（接続関係、流向、水質）をステップＳ１で行なった後、始点節点、終点節点の設定処理をステップＳ２で行う。
【００２８】
その後、全節点の上流節点の数をステップＳ３で決定する。節点の数を決定したならステップＳ５で終点節点を指定処理する。
【００２９】
終点節点指定処理後、全ルート検索を完了したかをステップＳ６で判定処理し、完了した「ＹＥＳ」ならステップＳ７の登録されたルートの書き出し処理を行なって処理を終了する。
【００３０】
一方、ステップＳ６の判定処理で、完了しない「ＮＯ」なら節点をルートに登録処理（ステップＳ８）してから、最上流（配水池）か始点節点に到達かをステップ９で判定処理する。
【００３１】
ステップＳ９の判定処理で「ＮＯ」なら上流節点が１つであるかをステップＳ１０で判定処理する。ここで、「ＹＥＳ」なら上流節点を指定処理（ステップＳ１１）してから上流管路をルートに登録処理（ステップ１２）した後、ステップＳ６の判定処理に戻る。なお、ステップＳ１０で「ＮＯ」なら検索していない上流節点を指定処理（ステップ１３）してステップ１２の処理に進む。
【００３２】
前記ステップＳ９の判定処理で「ＹＥＳ」なら始点節点に到達したかをステップＳ１４で判定処理して「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理を行い、「ＮＯ」ならステップＳ１５で「登録していたルート、次の上流節点を初期化」処理し、ステップＳ１６の処理に進む。ステップＳ１６は、２つ以上上流節点があり、検索していない節点まで戻る処理で、この処理を行なった後、ステップＳ１７で節点が終点節点であるかを判定処理する。判定の結果、「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理を行い、「ＮＯ」ならステップＳ１０判定処理を行う。
【００３３】
上記のような処理を行うことで、第２形態の樹木状配水管網のルート検索方法を行うことができる。
【００３４】
図５はこの発明の実施の第３形態を示す網目状配水管網の概念図で、図中の数字符号を付した丸印は、図２と同様に節点を示し、矢印は流向を含んだ管路を示す。この配水管網の例では、ルートは、複数存在することが予想される。そのため、始点節点が検索されても、検索を終了することはできない。このため、最大ルート数を設定するか、考えられる全てのルートの検索が終了するまで続けられる。なお、検索順は、第２形態と同じく、終点節点（下流側）から始まり、始点節点（上流側）で終了するようにする。
【００３５】
ルート検索の１つの例として、図５において、始点節点１、終点節点１１とする場合を考える。ルートは、節点１１→節点７→節点３→節点２→節点１の順に検索される。同時に、節点をつなぐ管路は、管路１３→管路６→管路２→管路１の順に検索される。このとき、節点１１の下流節点である節点１２や節点１５は検索されない。
【００３６】
網目状配水管網では、ルートが見つかり、次のルートを検索するとき、見つかったルートを次のルートにコピーする。そして、次のルートに行ってから、２つ以上の上流節点がある節点まで戻り、次のルートの検索を始める。
【００３７】
上記の例では、節点２、節点３とも上流節点は１つであるため、節点７まで戻ることになる。そして、始点節点である節点１まで検索する。このようにして、合計６個のルートが表１、表２に示すように検索される。
【００３８】
【表１】
【表２】
また、節点６は２つの下流管路と２つの上流管路があり、いずれの下流管路側からもルートに入ってくる。つまり、管路９からのルートを２つ検索した（２番目と３番目）とき、節点６は２つのルートを検索したことになるが、管路１２からのルートでも２つ検索されなければならない（４番目と５番目）従って、節点が上流節点数だけ検索し、更に下流に戻るとき、節点の検索数を初期化する必要がある（例えば、「登録していたルート、次の上流節点を初期化」「２つ以上の上流節点があり、検索していない節点まで戻る」ルーチンにおいて実行）。
【００４１】
上記のように処理することにより網目状の配水管網のルート検索を行うことができる。
【００４２】
図６は上述した網目状配水管網のルート検索のフローチャートで、図４に示したフローチャートと同じ処理には、同じステップを付して説明する。図６において、図４に示したフローチャートのステップＳ２と異なる処理は、始点節点（目的地）、終点節点の設定（最大ルート数の設定）処理を行う点である。
【００４３】
その後、図４に示した処理をステップＳ９の判定処理まで行ない、その判定処理で、「ＹＥＳ」ならステップＳ１９の判定処理で配水池に到達したかを判定する。その判定処理の結果、「ＹＥＳ」ならステップＳ１５の処理に進み、「ＮＯ」ならステップＳ２０の処理を行う。ステップＳ２０は、登録していたルートを次のルートにコピーする処理で、この処理の後、ステップＳ２１の次のルートへ登録するように変更する処理を行なって、ステップＳ１５の処理に進む。
【００４４】
その後、ステップＳ１７の処理まで行なった後、ステップＳ１７の判定処理で、「ＹＥＳ」ならステップＳ２２の全ルート検索完了したかの判定処理を行い、この判定処理で完了した「ＹＥＳ」ならステップＳ７の処理に進み、完了しない「ＮＯ」ならステップＳ１３の処理に進む。
【００４５】
次にこの発明の実施の第４形態から第６形態について述べる。第４形態から第６形態は、ルート決定のための選択肢で、第４形態は最長距離を選択肢とし、第５形態は最短時間を選択肢とし、第６形態は大口径管路を選択肢とした特の例である。
【００４６】
まず、第４形態について述べるに、第２形態ではルートが１つであるが、第３形態ではルートが複数存在した。この場合、どのルートを決定するかが必要となる。この第４形態では、距離を使用したルート決定方法について説明する。
【００４７】
図５に示した網目状管網でルート検索した結果、次の表３に示す結果が得られたとする。
【００４８】
【表３】
表３において、合計距離は、図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字を距離としたときの合計である。それぞれのルートにおいて管路順が検索されているため、距離の合計を計算するのは容易である。合計距離を比較し、最も長い１番目のルートが最終的に決定されるルートとなる（もちろん、最も短い距離のルートを決定するルートとしてもよい）。
【００５０】
上記第４形態では、距離を指標としてルート決定を行なったが、第５形態では、時間を使用したルート決定方法について述べる。図５に示した網目状管網でルート検索した結果、次の表４に示す結果が得られたとする。
【００５１】
【表４】
表４において、合計時間は、図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字を時間としたときの合計である。それぞれのルートにおいて管路順が検索されているため、時間の合計を計算するのは容易である。合計時間を比較し、最も短い時間６番目のルートが最終的に決定されるルートとなる（もちろん、最も長い時間のルートを決定するルートとしてもよい）。
【００５３】
次に第６形態について述べるに、管網解析では、時間や距離でなく、メインのルートがどのような状況になっているかを考慮することがある。メインのルートは管径が太いことが多いため、ここでは管径を指標に判断していく、以下第６形態によるルート決定方法について述べる。
【００５４】
図５に示す管路番号１から２０のカッコ内の数字は管径であるとする。ここで、検索されたルートの始点での下流管路の管径を比較する。管路１の管径は１０、管路４の管径は９であるため、管路１が選択される。次に管路１とつながった節点２で同じように管径を比較すると、管路２が選択される。この段階で、１番目のルートしか該当するルートがないため、最終的に１番目が決定される。
【００５５】
また、下流管路に同じ管径の管路が存在したときには、流量を比較することでルートを判断する。ここでは同じ管径の下流管路がなく流量も記載されていないが、メインルートの方の流量が多いことが考えられるためである。管径流量とも同じ場合は、どちらかのルートをとり、次の下流節点での管径を比較することとする。
【００５６】
上記のように処理することで、メインルートでのルート決定をすることができる。
【００５７】
図７はこの発明の実施の第７形態を示す水質汚染物質の拡大状況予測方法の概念図で、この第７形態は水質解析とルート検索との組み合せ例である。図７において、水源７０である節点１から流入した水は、節点５にある需要家である工場７１まで到達する。
【００５８】
工場７１に都合の悪い水質汚濁物質を検知するセンサーは、節点５には設置できないため、節点２に設置されている。水質センサー７２での計測情報は、管網解析・ルート検索装置７３に入力されている。各節点での水質や節点２から節点５までの最短の到達時間を計算することができる。節点４は補助水源７４であり、バルブ７５が閉まったときなど非常時のみの運転となる。
【００５９】
節点１から濃度２．０μｇ／Ｌで水質汚染物質が流入したとする。また、節点４からは濃度０．０μｇ／Ｌとする。水質汚染物質は節点２にある水質センサー７２により検知される。
【００６０】
ここで、節点２からバルブ７５までの到達時間が管網解析・ルート検索装置７３により１時間と計算されたとすると、それまでにバルブ７５を事前に閉めることができるとともに、補助水源７４を運転することができ、工場７１には水質汚染物質が流入しないことになる。
【００６１】
一般にバルブ７５の開閉や水源の運転は設定状態になるまで時間を要する（操作員が閉める場合も多い）ため、事前に水質汚染を検知できると、需要家に被害を及ぼさないシステムが構築できる。
【００６２】
また、この第７形態では、水質汚染の検知から工場７１まで複数のルートが存在し、それぞれにバルブ７５がついている場合、ルート検索により最短な時間のルートからバルブ７５の操作をしていくことも可能となる。
【００６３】
図８（ａ）はこの発明の実施の第８形態を示す残留塩素の減少状況予測方法の概念図で、この第８形態は水質解析とルート検索との組み合せ例である。図８（ａ）において、水源８０である節点１から流入した水は、節点５にある需要家８１まで到達する。
【００６４】
残留塩素を測定する残塩センサー８２は、節点５には設置できないため、節点２に設置されている。残塩センサー８２での計測情報は管網解析・ルート検索装置８３に入力されており、各節点での水質や節点２から節点５までの最短の到達時間を計算することができる。
【００６５】
節点４は補助水源８４であるが、ここには非常用の追加塩素注入設備８５が設置されており、通常塩素は注入しない。残留塩素は管路で１日当たり０．１ｍｇ／Ｌの割合で減少するとする。
【００６６】
いま、図８（ｂ）に示すように、節点１から濃度０．７ｍｇ／Ｌで残塩が流入したとする。節点４からは０．０ｍｇ／Ｌとする。残塩は節点２にある残塩センサー８２により検知される。通常は、需要家８１のある節点５での残塩濃度が０．１ｍｇ／Ｌとする。
【００６７】
ここで、仮に節点２と節点３の間で事故があり、この間だけ１日０．２ｍｇ／Ｌの割合で減少するようになったとする。すると、管網解析・ルート検策装置８３では、残塩減少率を再定義できるとともに、到達時間を計算することができる。そのため、需要家８１に残塩濃度の低い水が配水される前に、追加塩素注入設備８５を運転することができ、従って、需要家８１には一定の残留塩素の水を送ることができる。
【００６８】
一般に追加塩素注入設備は、たくさん設置できず、到達時間もかかるため、設定した状態になるまで時間を要する。このように、事前に残留塩素低下の事故が判明すると、需要家に安心して被害を拡大させないシステムが構成できる。
【００６９】
また、上記第８形態では、事故の検知から需要家まで複数のルートが存在し、追加塩素注入設備や事故発生箇所が複数存在しても、ルート検索により被害の最も早く発生するルートから対策することも可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、以下のような作用効果が得られる。
（１）管網解析結果である流向を使用すると、管路上は接続されているが、流れないようなルートを未然に削除することができる。また、節点と管路を同時に検索できるため、任意の節点間の圧力や水質の変化状況が距離や時間と関連付けて把握できる管網解析システムが構成可能となる。
（２）下流側節点から上流側節点を検索し、下流側節点は検索しないことで、樹木状管網のルート検索を効率良く行うことができる。この管網に加えて、ルートコピールーチン、ある節点での上流節点を全て検索したのち初期化するルーチンを加えることで、網目状管網のルート検索を無駄なく全て行うことができる。
（３）管路長を用いることで、また、管路内滞留時間を採用することで最適なルートを求めることができるとともに、管路長をもちいることでメインルートでの最適なルートを求めることができる利点もある。
（４）バルブの開閉や水源の運転は、設定状態に到達するまで時間を要するため、事前に水質汚染が判明すると、需要家に被害を発生させないシステムが構築できる利点がある。また、複数のルートが存在し、それぞれにバルブが付いている場合、ルート検索により最短な時間のルートからバルブの操作を行なっていくことが可能となる。
（５）追加塩素注入設備は、たくさん設置できず、到達時間もかかるため、設定した状態になるまで時間を要するが、事前に残留塩素低下の事故が判明しても、需要家に被害を発生させないシステムが構築できる。また、複数のルートが存在し、追加塩素注入設備や事故発生箇所が複数存在しても、ルート検索により被害の最も早く発生するルートから対策することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の第１形態を示すルート検索機能を具備した配水管網の解析方法の構成図。
【図２】ルート検索できる場合と検索できない場合の配水管網の概念図。
【図３】この発明の実施の第２形態を示す樹木状配水管網の概念図。
【図４】樹木状配水管網におけるルートの検索方法を示すフローチャート。
【図５】この発明の実施の第３形態を示す網目状配水管網の概念図。
【図６】網目状配水管網におけるルートの検索方法を示すフローチャート。
【図７】この発明の実施の第７形態を示す水質汚染物質の拡大状況予測方法の概念図。
【図８】（ａ）はこの発明の実施の第８形態を示す残留塩素の減少状況予測方法の概念図、（ｂ）は予測方法の動作説明図。
【符号の説明】
１１…管網モデル作成・調整部
１２…管網解析部
１３…ルート検索部
１４…データベース
７０、８０…水源
７１、８１…需要家
７２…水質センサー
７３、８３…管網解析・ルート検索装置
７４、８４…補助水源
７５…バルブ
８２…残塩センサー
８５…追加塩素注入設備
Claims (6)
- 配水管網モデルを作成または修正する配水管網モデル作成・調整部と、
この配水管網モデル作成・調整部で作成された配水管網モデルをもとに、水理解析や水質解析を実行する配水管網解析部と、
この配水管網解析部で解析された結果及び作成された配水管網モデルを登録するデータベースと、
前記配水管網解析部の結果を使用して任意の２点間での配水管網ルートを検索し、その任意の２点間の水理や水質の変化状況を把握するルート検索部と、
を備えてなることを特徴とする配水管網ルート検索装置。 - ルート検索部は、ルート検索に際して配水管網の下流側から上流側に向けて検索し、または、ルート決定に際して配水管網の管路長または管路内滞留時間を用いることを特徴とする請求項１記載の配水管網ルート検索装置。
- 配水管網解析部における水理解析は、流量、圧力、流向センサーからの計測情報を解析することを特徴とする請求項１記載の配水管網ルート検索装置。
- 配水管網解析部における水質解析は、水質センサー、残塩センサーからの計測情報を解析することを特徴とする請求項１記載の配水管網ルート検索装置。
- 請求項１記載の配水管網ルート検索装置において、配水管上流側に設置した水質センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートの配水を止め、補助水源から需要家の配水管網ルートへ配水を供給させるようにしたことを特徴とする配水管網ルート検索装置を用いた配水制御装置。
- 請求項１記載の配水管網ルート検索装置において、配水管上流側に設置した残留塩素センサーの計測情報を配水管解析部にて解析し、その解析結果に応じてルート検索部で配水管網ルートを検索し、その検索により上流側から下流側まで残留塩素流水が到達する最短時間を計算して、主水源から需要家への配水管網ルートで残留塩素が減少したことを検知したとき、補助水源に設置されている追加塩素注入設備から需要家の配水管網ルートへ一定の残留塩素の配水を供給させるようにしたことを特徴とする配水管網ルート検索装置を用いた配水制御装置。
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