JP2006057407A - Pipe network analysis method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pipe network analysis method which is accurately carried out in a short time. <P>SOLUTION: The pipe network PN comprises a network of a water source S1, nodes N1-N4 to be mutual intersections of conduits and the conduits K1-K5 with one end or the other end connected to the water source S1 or the nodes N1-N4. A water amount to be taken out from the conduit by water demand is reduced from a water amount in the pipe network PN, and a flow rate in the conduits K1-K5 constituting the pipe network PN and a water head to be water pressure in the nodes N1-N4 are calculated in the pipe network analysis method. The water amount to be taken out from at least one part in the conduit where water demand exists is taken out when the water amount to be taken out is reduced from the water amount in the pipe network PN. The flow rate in the conduit where the water demand exists is made to be varied in steps, and a conduit flow rate q<SB>s</SB>, Ki on the start point side to be a flow rate on the upperstream side and a conduit flow rate q<SB>e</SB>, Ki on the end point side to be a flow rate on the downstream side in the conduit are calculated as the flow rate in the conduit. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、管網解析方法に関する。   The present invention relates to a pipe network analysis method.

近年、水道事業において、地中に埋設された管路網(以下、管網と記す)の状態を把握し、この管網を構成する管路についての更新計画などを立てるといった維持管理を行うことは極めて重要となっている。   In recent years, in the water supply business, to grasp the state of the pipeline network buried in the ground (hereinafter referred to as the pipeline network), and to perform maintenance management such as making an update plan for the pipelines that make up this pipeline network Is extremely important.

このような中、管網に水を供給する配水池の水頭(海抜0〔m〕から配水池の水面までの高さ)、管路の配置状況、管路の口径、管路どうしの交点(以下、節点と記す)から取り出される水の量(以下、取り出し水量と記す)などの与条件下で、各管路の流量や各節点の水頭を算出する、いわゆる管網解析が実施されている。このような管網解析の結果から各管路の流量や各節点の水頭のデータを得ることで、例えば、流量の多い管路、水頭の低い節点などを把握でき、管路の重要度などを把握できるので、管路の更新計画などに役立てることができる。   Under such circumstances, the head of the reservoir that supplies water to the pipe network (height from the sea level to 0 [m] to the surface of the reservoir), the location of the pipeline, the diameter of the pipeline, the intersection of the pipelines ( The so-called pipe network analysis is carried out to calculate the flow rate of each pipeline and the head of each node under given conditions such as the amount of water taken out from the node (hereinafter referred to as the amount of removed water). . By obtaining data on the flow rate of each pipe and the head of each node from the results of such pipe network analysis, for example, it is possible to grasp pipes with a high flow rate, nodes with low heads, and the importance of pipes. Since it can be grasped, it can be used for a pipeline renewal plan.

上記ような管網解析を、例えば、図15に示すような、水源S1、節点N1〜N4が管路K1〜K5により接続されて構成されている管網に対して実施する場合、実際の管網であれば、例えば、図16に示すように、それぞれの管路から住宅などに給水管P1〜P7が接続され、これらの管から任意の水量V1〜V7が取り出されるが、このような給水管P1〜P7も含めて管網解析を行うと、給水管と管路との交点を節点として取り扱う必要が生じ、さらに給水管も管網解析の対象となってしまうため、結果的に管路の数や節点の数が飛躍的に多くなり、解析時に行う計算の量が非常に膨大になってしまう。   When the pipe network analysis as described above is performed on a pipe network in which, for example, a water source S1 and nodes N1 to N4 are connected by pipe lines K1 to K5 as shown in FIG. If it is a net | network, as shown in FIG. 16, for example, water supply pipes P1-P7 are connected to a house etc. from each pipe line, and arbitrary water quantities V1-V7 are taken out from these pipes. When the pipe network analysis including the pipes P1 to P7 is performed, it is necessary to handle the intersection of the water supply pipe and the pipe line as a node, and the water pipe is also subject to the pipe network analysis. The number of nodes and the number of nodes will increase dramatically, and the amount of calculations performed at the time of analysis will become very large.

そこで、給水管P1〜P7を解析時に取り扱わないようにして、給水管P1〜P7が管網解析の対象とならないようにし、これらの給水管P1〜P7から取り出される水量だけを別に取り扱うことで、解析時に必要な計算の量を少なくするようにしている。   Therefore, the water supply pipes P1 to P7 are not handled at the time of analysis, the water supply pipes P1 to P7 are not subjected to pipe network analysis, and only the amount of water taken out from these water supply pipes P1 to P7 is handled separately. The amount of calculation required at the time of analysis is reduced.

管網解析の際の取り出し水量の取り扱いについては、図17(a)に示すように、給水管によって管路から取り出される取り出し水量を各節点にまとめて、これらの節点から一定の量の水を取り出すといった節点取り出しモデルと、図18(a)に示すように、給水管によって管路から取り出される取り出し水量をその管路から長さ方向にわたって一様に、一定の水量を取り出すといった管路取り出しモデルとがある。   As shown in Fig. 17 (a), regarding the handling of the amount of water taken out during pipe network analysis, the amount of water taken out from the pipeline by the water supply pipe is collected at each node, and a fixed amount of water is discharged from these nodes. A node extraction model in which extraction is performed, and a pipe extraction model in which, as shown in FIG. 18 (a), a constant amount of water is extracted uniformly from the pipe along the length direction. There is.

図17(a)に示す節点取り出しモデルの場合、上述の通り、水は管路からではなく各節点から取り出されるという取り扱いであるので、図17(b)に示すように、例えば、節点Aから節点Bに到る管路内を流れる水の流量は一定となる。   In the case of the nodal extraction model shown in FIG. 17A, as described above, since water is taken out from each node instead of from the pipeline, for example, as shown in FIG. The flow rate of the water flowing in the pipe line reaching the node B is constant.

また、図18(a)に示す管路取り出しモデルの場合であれば、上述の通り、水は管路からその長さ方向にわたって一様に、一定量が取り出されるという取り扱いであるので、例えば、図18(b)に示すように、節点Aから節点Bに到る管路内を流れる水の流量は、徐々に一定の割合で減少する。   Further, in the case of the pipeline extraction model shown in FIG. 18A, as described above, since water is handled in such a way that a certain amount is uniformly extracted from the pipeline over its length direction, for example, As shown in FIG. 18B, the flow rate of the water flowing in the pipe line from the node A to the node B gradually decreases at a constant rate.

それぞれのモデルにおいて、上記のようにして取り出し水量を取り扱うことで、解析時に行う計算の量が少なくなるようにし、管網解析を迅速に行えるようにしている。なお、管路取り出しモデルを用いた管網解析方法としては、例えば、非特許文献1に記載されたものがある。
宇土、西川、泉「メッシュ流量法による配水管網の解析と設計」、計測と制御、社団法人計測自動制御学会、1989年8月、Vol.28、No.8、p.45−58
In each model, the amount of water taken out is handled as described above, so that the amount of calculation to be performed at the time of analysis is reduced and pipe network analysis can be performed quickly. In addition, as a pipe network analysis method using the pipe extraction model, for example, there is one described in Non-Patent Document 1.
Uto, Nishikawa, Izumi “Analysis and design of water distribution pipe network by mesh flow method”, Measurement and Control, Society of Instrument and Control Engineers, August 1989, Vol. 28, no. 8, p. 45-58

近年の管網解析においては、節点の水頭とその節点における地盤高との差で表される有効水頭を用いて、その節点における有効水頭が所定の大きさより小さいとその節点における水の出が悪くなるといったことを表現する、いわゆる取り出し水量の圧力依存性を考慮する要望が高まっている。これは、従来の管網解析では、取り出し水量を常に一定として取り扱っており、管網解析の結果、節点の有効水頭の大きさがいかなる大きさであっても水の出具合には影響せず、現実に即していないということによる。   In pipe network analysis in recent years, if the effective head represented by the difference between the head of the node and the ground height at that node is used, and the effective head at that node is smaller than a predetermined size, the drainage of water at that node is poor. There is an increasing demand for considering the pressure dependency of the amount of water taken out, which expresses that. This is because in the conventional pipe network analysis, the amount of water to be taken out is always treated as constant, and as a result of the pipe network analysis, there is no effect on the water output regardless of the size of the effective head of the node. Because it is not in reality.

取り出し水量の圧力依存性を考慮する場合、図17(b)に示すように、管路内を流れる水の流量が一定となる節点取り出しモデルであれば、計算の都合上、解析時に行う計算の量もそれほど多くはならないので、取り出し水量の圧力依存性を考慮した解析を行うことが可能である。一方、図18(b)に示すように、管路内における水の流量が徐々に一定の割合で減少する管路取り出しモデルの場合には、取り出し水量の圧力依存性を考慮することは理論上は可能であっても、実際に解析を行うときの計算量が非常に膨大になってしまうので、事実上の実施は非常に困難となる。   When considering the pressure dependency of the amount of water to be taken out, as shown in FIG. 17 (b), if it is a nodal point extraction model in which the flow rate of water flowing in the pipeline is constant, the calculation performed at the time of analysis is performed for the convenience of calculation. Since the amount does not increase so much, it is possible to perform an analysis considering the pressure dependency of the amount of water taken out. On the other hand, as shown in FIG. 18 (b), in the case of a pipe extraction model in which the flow rate of water in the pipe gradually decreases at a constant rate, it is theoretically necessary to consider the pressure dependence of the amount of extracted water. Even if it is possible, since the amount of calculation when actually performing the analysis becomes very large, practical implementation becomes very difficult.

上述のように、取り出し水量の圧力依存性を考慮した管網解析を行う場合には、管路取り出しモデルよりも節点取り出しモデルのほうが好適であるが、節点取り出しモデルの場合、取り出し水量は上述の通り、各節点から取り出すという取り扱いになっており、実際の管網や管路取り出しモデルのように、管路からの水の取り出しを考えていないので、管路取り出しモデルに比べて管網解析の精度が劣ってしまうおそれがある。   As described above, when performing a pipe network analysis in consideration of the pressure dependency of the amount of water to be taken out, the node take-out model is preferable to the pipe take-out model. As it is, it is handled to take out from each node, and we do not consider taking out water from the pipe like the actual pipe network or pipe take-out model. There is a risk that the accuracy will be inferior.

そこで本発明はこのような問題を解決して、精度よくかつ短時間で行える管網解析方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a pipe network analysis method that can solve such problems and can be performed accurately and in a short time.

上記課題を解決するために請求項1記載の発明は、水源と、管路どうしの交点である節点と、一端および他端に前記水源または前記節点が接続される管路とのネットワーク関係から構成される管網に対して、水の需要により前記管路から取り出される水量を、前記管網における水量から減じたうえで、前記管網を構成する各管路内の流量および各節点における水圧である水頭を算出する管網解析方法において、前記取り出される水量を前記管網における水量から減ずる際に、前記水の需要がある管路における少なくとも一箇所から前記取り出される水量を取り出して、前記水の需要がある管路内の流量が段階的に変化するようにし、そのうえで前記管路内の流量として前記管路における上流側の流量である始点側管路流量と下流側の流量である終点側管路流量とを算出するものである。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is constituted by a network relationship between a water source, a node that is an intersection of pipes, and a pipe line to which the water source or the node is connected to one end and the other end. The amount of water taken out from the pipe due to demand for water is subtracted from the amount of water in the pipe network, and then the flow rate in each pipe constituting the pipe network and the water pressure at each node. In the pipe network analysis method for calculating a certain head, when the amount of water to be taken out is subtracted from the amount of water in the pipe network, the amount of water taken out is taken out from at least one place in a pipeline where the water is in demand, The flow rate in the pipeline with demand is changed stepwise, and then the flow rate in the pipeline is the upstream flow rate in the pipeline and the downstream flow rate. And calculates the end point pipeline flow.

このようにすると、例えば、管路からの水の取り出しが管路に接続された給水管から行われる場合、その給水管からの取り出し水量に応じて管路からの取り出し水量を設定することで、節点取り出しモデルのように取り出し水量を節点から取り出す場合や、管路取り出しモデルのように取り出し水量を管路からその長さ方向にわたって一様に、一定量を取り出す場合に比べて、水の取り出し状況が現実に近くなり、より現実に即した管網解析を行うことができる。これにより、管網解析の精度の向上を図ることができる。また、水の需要がある管路内の流量として、始点側管路流量と終点側管路流量とを算出するので、現実に即した管路流量を算出することができる。さらに、水の需要がある管路における少なくとも一箇所から水を取り出して管網解析を行っても、解析対象となる管路や節点の数は、節点取り出しモデルや管路取り出しモデルと同様であるので、短時間で管網解析を行うことができる。   In this way, for example, when water is taken out from the pipe line from a water supply pipe connected to the pipe line, by setting the amount of water taken out from the pipe line according to the amount of water taken out from the water pipe, Compared to the case of taking out the amount of water taken out from the node as in the nodal extraction model, or the case of taking out a constant amount of water from the pipe in the length direction as in the case of the pipe extraction model. Is close to reality, and pipe network analysis can be performed more realistically. Thereby, the accuracy of pipe network analysis can be improved. In addition, since the start-point side pipe flow rate and the end-point side pipe flow rate are calculated as the flow rate in the pipe line where there is a demand for water, it is possible to calculate the pipe flow rate according to reality. Furthermore, even if water is extracted from at least one location in a pipeline where there is demand for water, and the pipe network analysis is performed, the number of pipelines and nodes to be analyzed is the same as the node extraction model and the pipeline extraction model. Therefore, pipe network analysis can be performed in a short time.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の管網解析方法において、管網における各節点の水頭の初期値を設定し、前記水頭の初期値に基づいて、水の需要がある管路における始点側管路流量の下限値と上限値とを設定し、前記始点側管路流量の下限値と上限値とに基づいて前記始点側管路流量の初期値を設定し、前記始点側管路流量の初期値に基づいて算出した節点の水頭と、前記設定した節点の水頭の初期値とに基づいて前記始点側管路流量の初期値を更新し、更新した初期値に基づいて算出した節点の水頭と、前記設定した節点の水頭の初期値とに基づいて前記更新した初期値を更新する収束計算を行い、その収束値を始点側管路流量として算出し、前記算出した始点側管路流量に対応する終点側管路流量を算出するものである。   The invention according to claim 2 is the pipe network analysis method according to claim 1, wherein the initial value of the head of each node in the pipe network is set, and based on the initial value of the water head, A lower limit value and an upper limit value of the start point side pipe flow rate are set, an initial value of the start point side pipe flow rate is set based on the lower limit value and the upper limit value of the start point side pipe flow rate, and the start point side pipe flow rate A node calculated based on the updated initial value and the initial value of the starting-side pipe flow rate updated based on the head of the node calculated based on the initial value of the flow rate and the initial value of the head of the set node. And a convergence calculation for updating the updated initial value based on the initial value of the head of the set node, and calculating the convergence value as a starting side pipe flow rate, and calculating the calculated starting point side pipe The end point side pipe flow rate corresponding to the flow rate is calculated.

このようにすると、収束計算を行って始点側管路流量の値を算出するので、この始点側管路流量の値を精度よく算出できるとともに、この始点側管路流量に対応する終点側管路流量も精度よく算出することができる。   In this way, since the convergence calculation is performed to calculate the value of the starting point side pipe flow rate, the value of the starting point side pipe flow rate can be calculated accurately, and the end point side pipe flow corresponding to the starting point side pipe flow rate is calculated. The flow rate can also be calculated with high accuracy.

請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の管網解析方法において、水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、設定した各節点の水頭の初期値を更新し、前記更新した各節点の水頭の値に基づいて、前記水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量を算出し、前記算出した始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、前記更新した各節点の水頭の値をさらに更新する収束計算を行い、始点側管路流量および終点側管路流量の収束値を前記水の需要がある管路における始点側管路流量の値および終点側管路流量の値とし、前記節点の水頭の収束値を前記節点の水頭の値として算出するものである。   According to a third aspect of the present invention, in the pipe network analyzing method according to the first or second aspect, the water head of each node set based on the start side pipe flow rate and the end side pipe flow rate in a pipe having water demand The initial value of each of the nodes is updated based on the updated value of the head of water, the start side pipe flow rate and the end side pipe flow rate in the pipe having the water demand are calculated, and the calculated start side pipe Based on the channel flow rate and the end side pipe flow rate, a convergence calculation is performed to further update the updated head values of the nodes, and the convergence value of the start side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate The value of the start point side pipe flow rate and the value of the end point side pipe flow rate in a certain pipe line are calculated, and the convergence value of the head of the node is calculated as the value of the head of the node.

このようにすると、水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、設定した各節点の水頭の初期値を更新し、前記更新した各節点の水頭の値に基づいて、前記水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量を算出し、前記算出した始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、前記更新した各節点の水頭の値をさらに更新する収束計算を行うことで、始点側管路流量の値および終点側管路流量の値、および節点の水頭の値を精度よく算出することができる。   In this way, based on the starting point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate in pipes where water is in demand, the set initial value of the head of each node is updated, and the updated value of the head of each node is updated. Based on the above, the starting point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate in the pipe having the demand for water are calculated, and the updated each of the updated start point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate are calculated based on the calculated starting point side pipe flow rate and end point side pipe flow rate. By performing a convergence calculation that further updates the value of the head of the node, the value of the start side pipe flow rate, the value of the end side pipe flow rate, and the value of the head of the node can be accurately calculated.

請求項4記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項記載の管網解析方法において、水の需要がある管路における少なくとも一箇所から取り出される水量が、前記管路における水が取り出される箇所の水頭から前記水が取り出される箇所の地盤高を減じた値である圧力水頭の大きさに応じて変化するものである。   The invention according to claim 4 is the pipe network analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein the amount of water taken out from at least one place in the pipe where water is in demand is taken out of the water in the pipe. It changes according to the size of the pressure head, which is a value obtained by subtracting the ground height of the place where the water is taken out from the head of the place where the water is taken out.

このようにすると、取り出し水量を圧力水頭の大きさに依存させたことで、例えば、圧力水頭の低下する需要のピーク時や高台にある地区において水の出が悪くなるといったことを表現できるので、取り出し水量が一定の場合である従来の管網解析よりも精度よく管網解析を行うことができる。   In this way, by making the amount of water taken out dependent on the size of the pressure head, for example, it can be expressed that the drainage of water becomes worse at the peak of demand or the area on the hill where the pressure head decreases, Pipe network analysis can be performed with higher accuracy than the conventional pipe network analysis in which the amount of water taken out is constant.

以上のように本発明によれば、例えば、管路からの水の取り出しが管路に接続された給水管から行われる場合、その給水管からの取り出し水量に応じて管路からの取り出し水量を設定することで、節点取り出しモデルのように取り出し水量を節点から取り出す場合や、管路取り出しモデルのように取り出し水量を管路からその長さ方向にわたって一様に、一定量を取り出す場合に比べて、水の取り出し状況が現実に近くなり、より現実に即した管網解析を行うことができる。これにより、管網解析の精度の向上を図ることができる。また、水の需要がある管路内の流量として、始点側管路流量と終点側管路流量とを算出するので、現実に即した管路流量を算出することができる。さらに、水の需要がある管路における少なくとも一箇所から水を取り出して管網解析を行っても、解析対象となる管路や節点の数は、節点取り出しモデルや管路取り出しモデルと同様であるので、短時間で管網解析を行うことができる。   As described above, according to the present invention, for example, when water is taken out from a pipe from a water supply pipe connected to the pipe, the quantity of water taken out from the pipe is set according to the quantity of water taken out from the water pipe. By setting, compared to the case of taking out the amount of water taken out from the node as in the nodal extraction model, or the case of taking out a constant amount from the pipe along the length direction as in the pipe extraction model. The water extraction situation is close to reality, and a more realistic pipe network analysis can be performed. Thereby, the accuracy of pipe network analysis can be improved. In addition, since the start-point side pipe flow rate and the end-point side pipe flow rate are calculated as the flow rate in the pipe line where there is a demand for water, it is possible to calculate the pipe flow rate according to reality. Furthermore, even if water is extracted from at least one location in a pipeline where there is demand for water, and the pipe network analysis is performed, the number of pipelines and nodes to be analyzed is the same as the node extraction model and the pipeline extraction model. Therefore, pipe network analysis can be performed in a short time.

本発明の実施の形態の管網解析方法により、図1(a)に示す管網に対して管網解析を行う方法を説明する。
本実施の形態では、給水管によって管路から取り出される水を、図1(a)に示すように、各管路における少なくとも一箇所、この場合は任意の複数の箇所から一定量だけ取り出すという取り扱いとし、これにより、例えば、図1(b)に示すように、節点Aから節点Bに到る管路内において、区間AB1では一定流量のq1〔m/s〕の水が流れ、B1地点において(q1−q2)〔m/s〕の水が取り出され、区間B1B2では一定流量のq2〔m/s〕の水が流れ、B2地点において(q2−q3)〔m/s〕の水が取り出され、というように、取り出し水量を取り扱うことができ、節点Aから節点Bに到る管路内を流れる水の流量が、水の流れ方向に沿って階段状に、段階的に減少するように取り扱うことができる。以下、上記のように取り出し水量を取り扱うモデルを離散型取り出しモデルと記す。
A method for performing a pipe network analysis on the pipe network shown in FIG. 1A by the pipe network analysis method according to the embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, as shown in FIG. 1 (a), the water taken out from the pipeline by the water supply pipe is taken out from at least one location in each pipeline, in this case, a fixed amount from any plurality of locations. Thus, for example, as shown in FIG. 1 (b), in the pipeline from the node A to the node B, a constant flow of q1 [m 3 / s] of water flows in the section AB1, and the point B1 (Q1-q2) [m 3 / s] of water is taken out in section B1B2, q2 [m 3 / s] of constant flow flows, and (q2-q3) [m 3 / s] at point B2 The amount of water taken out can be handled, and the flow rate of the water flowing in the pipe line from the node A to the node B is stepwise along the water flow direction. It can be handled to decrease. Hereinafter, a model that handles the amount of extracted water as described above is referred to as a discrete extraction model.

また、本実施の形態では、図1(a)に示す管網に対して管網解析を行うにあたって、図2および図3に示すように、種々の初期データが与えられている。
詳細には、図2に示すように、水源S1については、水源の水頭としてのLWL(Low Water Level)の値A〔m〕および水源S1の地盤高H(S1)〔m〕が与えられている。また、本実施の形態では各節点から水が取り出されるといった取り扱いをしないので、節点N1〜N4のそれぞれには、取り出し水量の値0.0〔m/s〕が与えられている。さらに節点N1〜N4にはそれぞれの地盤高H(N1)〜H(N4)〔m〕が与えられている。
Further, in the present embodiment, when performing the pipe network analysis on the pipe network shown in FIG. 1A, various initial data are given as shown in FIGS.
Specifically, as shown in FIG. 2, the water source S1 is given a value A [m] of LWL (Low Water Level) as the head of the water source and a ground height H (S1) [m] of the water source S1. Yes. Further, in the present embodiment, since water is not taken out from each node, each of the nodes N1 to N4 is given a value of 0.0 [m 3 / s]. Further, the ground heights H (N1) to H (N4) [m] are given to the nodes N1 to N4.

また、管路K1〜K5については、図3に示すように、始点、終点、流速係数CH、管路長L(K1)〜L(K5)〔m〕、管内径D(K1)〜D(K5)〔mm〕が与えられている。また、本実施の形態では、例えば、管路K1〜K5のうち、管路K3と管路K4とから水の取り出しがあり、管路K1、K2、K5からは水の取り出しが無い場合を説明する。このため、管路K1、K2、K5には取り出し水量が0.0〔m/s〕、管路K3、K4には取り出し水量V〔m/s〕が与えられている。 In addition, as shown in FIG. 3, the pipes K1 to K5 have a start point, an end point, a flow velocity coefficient CH, pipe lengths L (K1) to L (K5) [m], pipe inner diameters D (K1) to D ( K5) [mm] is given. In the present embodiment, for example, a case where water is taken out from the pipes K3 and K4 and the water is not taken out from the pipes K1, K2, and K5 among the pipes K1 to K5 will be described. To do. For this reason, the pipes K1, K2, and K5 are provided with a take-out water amount of 0.0 [m 3 / s], and the pipes K3 and K4 are provided with a take-out water amount V [m 3 / s].

なお、以下に説明する管網解析においては、上述のように、給水管によって管路から取り出される水を、各管路における任意の複数の箇所から一定の量だけ取り出すというように取り扱うが、その解析の手順は公知の節点水頭法に基づいて行う。   In the pipe network analysis described below, as described above, the water taken out from the pipe line by the water supply pipe is handled in such a manner that a certain amount is taken out from a plurality of arbitrary locations in each pipe line. The analysis procedure is based on the known nodal head method.

また、本実施の形態においては、水が管路の一端側から他端側に流れた時の損失水頭を求めるヘーゼン・ウイリアムスの実験式(数1に示す)を用いる。   Further, in the present embodiment, the Hazen Williams empirical formula (shown in Equation 1) is used to find the loss head when water flows from one end side to the other end side of the pipe.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

数1において、hは損失水頭〔m〕、qは流量〔m/s〕、CHは流速係数、Dは管内径〔m〕、Lは管路長〔m〕であり、このrを管路の抵抗係数とする(以下、管路抵抗と記す)。管路抵抗rは、流速係数CH、管内径Dおよび管路長Lにより決定する定数である。また、図4に示すように、節点における圧力水頭である有効水頭e〔m〕と地盤高H〔m〕との和で表される高さを節点の水頭P(以下、節点水頭Pと記す)〔m〕とすると、上記の数1で表される損失水頭hは、数2に示すように、その管路の始点の節点水頭P(水源の場合はLWL)と終点の節点水頭Pとの差で表される。 In Equation 1, h is a head loss [m], q is a flow rate [m 3 / s], CH is a flow velocity coefficient, D is a pipe inner diameter [m], and L is a pipe length [m]. The resistance coefficient of the road (hereinafter referred to as pipe resistance). The pipe resistance r is a constant determined by the flow velocity coefficient CH, the pipe inner diameter D, and the pipe length L. In addition, as shown in FIG. 4, the height represented by the sum of the effective head e [m], which is the pressure head at the node, and the ground height H [m] is indicated as the head P of the node (hereinafter referred to as the node head P). ) [M], the loss head h represented by the above equation 1 is expressed by the following equation (2): the node head P S (LWL in the case of a water source) and the node head P at the end of the pipeline Expressed by the difference from e .

Figure 2006057407
Figure 2006057407

また、数1をqについて解いた式、数3   In addition, an equation obtained by solving Equation 1 for q, Equation 3

Figure 2006057407
Figure 2006057407

を損失水頭hで偏微分したものをgとすると、gは、数4のように表される。なお、以下において、このgを管路についての変分コンダクタンスと記す。 Where g is a partial derivative of loss head h, and g is expressed by the following equation (4). In the following, g is referred to as variational conductance for the pipe.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

以上のような条件において、図1(a)に示す管網に対して、管網解析を行うには、まず、図5に示すように、ステップ1(S001)として、図2および図3に示すような、管網の初期データの読み込みを行う。   In order to perform a pipe network analysis on the pipe network shown in FIG. 1A under the above conditions, first, as shown in FIG. 5, step 1 (S001) is performed as shown in FIGS. Read the initial network data as shown.

次に、図5に示すように、ステップ2(S002)として、ステップ1にて読み込んだデータに基づいて、水源S1、節点N1〜N4、管路K1〜K5を連結し、管網におけるネットワーク関係を構築する。このとき、管網解析の計算において電気回路網の理論を応用できるようにする。   Next, as shown in FIG. 5, as step 2 (S002), based on the data read in step 1, the water source S1, nodes N1 to N4, and pipelines K1 to K5 are connected, and network relations in the pipeline network Build up. At this time, the theory of the electric network is applied in the calculation of the pipe network analysis.

詳細には、図6に示すように、管網PNにグラフ化の処理を施す。すなわち、電気回路網のアースに相当する基準節点N5(水頭=0〔m〕)を設け、この基準節点N5と水の流出入がある節点(水源)とを接続する。本実施の形態の場合は、水は管路から取り出すものとして取り扱うが、上述したように、解析の手順は公知の節点水頭法に基づいて行うので、ここでは流量が0〔m/s〕の水の流出入が各節点からあるものとして、これらの節点N1〜N4と基準節点N5とを基準節点接続枝b1〜b4により接続する。そして、水源S1と基準節点N5とを基準節点接続枝b5により接続する。 Specifically, as shown in FIG. 6, graph processing is performed on the pipe network PN. That is, a reference node N5 (water head = 0 [m]) corresponding to the ground of the electric network is provided, and this reference node N5 is connected to a node (water source) where water flows in and out. In the case of the present embodiment, the water is handled as being taken out from the pipe, but as described above, the analysis procedure is performed based on the known nodal head method, so the flow rate is 0 [m 3 / s] here. These nodes N1 to N4 and the reference node N5 are connected by reference node connection branches b1 to b4. Then, the water source S1 and the reference node N5 are connected by the reference node connection branch b5.

このとき、基準節点接続枝b1〜b4の流量は、節点N1〜N4における取り出し水量、すなわち0〔m/s〕で一定であり、このような場合、基準節点接続枝b1〜b4を公知の解放除去によって、図7に示すように除去することができる。ただし、基準節点接続枝b5の流量は未知であるので、基準節点接続枝b5は除去できない。 At this time, the flow rates of the reference node connection branches b1 to b4 are constant at the amount of water taken out at the nodes N1 to N4, that is, 0 [m 3 / s]. In such a case, the reference node connection branches b1 to b4 are made publicly known. By release removal, it can be removed as shown in FIG. However, since the flow rate of the reference node connection branch b5 is unknown, the reference node connection branch b5 cannot be removed.

なお、図7における矢印は、管路K1〜K4および基準節点接続枝b5における水の流れ方向を示している。管路K1〜K4における水の流れ方向は任意に設定してよいが、基準節点接続枝b5における水の流れ方向は、基準節点N5に向かう方向に設定しておく。また、基準節点接続枝b5についてのデータを図8に示す。図8に示すように、基準節点接続枝b5の始点は水源S1、終点は基準節点N5であり、この基準節点N5の水頭を0〔m〕と設定しているので、始点と終点との水頭差は、水源S1のLWLの値であるA〔m〕となる。   In addition, the arrow in FIG. 7 has shown the flow direction of the water in the pipe lines K1-K4 and the reference | standard node connection branch b5. The water flow direction in the pipe lines K1 to K4 may be set arbitrarily, but the water flow direction in the reference node connection branch b5 is set in a direction toward the reference node N5. Further, data on the reference node connection branch b5 is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the starting point of the reference node connection branch b5 is the water source S1, the end point is the reference node N5, and the head of this reference node N5 is set to 0 [m]. The difference is A [m] which is the value of LWL of the water source S1.

次に、図5に示すように、ステップ3(S003)として、グラフ理論に基づいて広さ優先木を検索する。一般に、グラフ理論における木とは、全ての点(節点)を含み、かつ、閉回路(ループ)を持たない部分グラフ(ここでは管路に相当する)と定義されており、広さ優先木は、根(基準節点)からできるだけ枝分かれするように探索して得られる木である。   Next, as shown in FIG. 5, in step 3 (S003), a breadth-priority tree is searched based on the graph theory. In general, a tree in graph theory is defined as a subgraph (here, corresponding to a pipe line) that includes all points (nodes) and does not have a closed circuit (loop). , A tree obtained by searching so as to branch as much as possible from the root (reference node).

この広さ優先木の検索については公知の手法により行うことができるので、ここではその手法についての詳しい説明は避ける。なお、ステップ3において行った広さ優先木検索の結果を図9に示す。図9に示すように、検索の結果、広さ優先木が張られた管路K1〜K3、K5を木枝として実線で表し、広さ優先木が張られなかった管路K4を補木枝として破線で表している。   Since the search for the breadth-first tree can be performed by a known method, a detailed description of the method is omitted here. The result of the breadth-first tree search performed in step 3 is shown in FIG. As shown in FIG. 9, as a result of the search, pipes K1 to K3 and K5 with a breadth-priority tree are represented by solid lines as tree branches, and pipe K4 without a breadth-priority tree is a complementary tree branch. As a broken line.

節点水頭法により管網解析を行う際には、各節点における節点水頭Pを未知数とするので、後の計算において必要となる節点水頭Pの初期値を、図5におけるステップ4(S004)に示すように、前記広さ優先木の検索の結果を利用してあらかじめ決定する。   When the pipe network analysis is performed by the nodal head method, the nodal head P at each node is set as an unknown, and the initial value of the nodal head P required in the subsequent calculation is shown in Step 4 (S004) in FIG. As described above, the determination is made in advance using the search result of the breadth priority tree.

詳細には、図9に示す管網PNであれば、広さ優先木検索における深さne、すなわち広さ優先木の最末端である節点N3から根である基準節点N5までの枝(管路)の数が4であり、また、図2より、水源S1のLWLはA〔m〕で、節点N3の地盤高はH(N3)〔m〕であるので、水源S1から節点N3に至る途中において、管路一つあたりでの水頭の平均の降下量Δhは数5のように表すことができる。   More specifically, in the case of the pipe network PN shown in FIG. 9, the depth ne in the breadth-first tree search, that is, the branch (pipe line) from the node N3 that is the terminal end of the breadth-priority tree to the reference node N5 that is the root. ) Is 4, and from FIG. 2, the LWL of the water source S1 is A [m], and the ground height of the node N3 is H (N3) [m], so that it is on the way from the water source S1 to the node N3. , The average head drop Δh per pipe line can be expressed as:

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ここで、例えば、水源S1のLWLがA=30.0〔m〕、節点N3の地盤高がH(N3)=18.0〔m〕である場合には、上記の降下量Δhは数5より4.0〔m〕となる。したがって、節点N1の節点水頭Pの初期値P(N1)を、30.0−4.0=26.0〔m〕、節点N2およびN4の節点水頭Pの初期値P(N2)およびP(N4)を、26.0−4.0=22.0〔m〕と設定する。なお、このとき、隣り合う節点どうしの節点水頭の初期値が同じになってしまうと、それらの節点を接続する管路における損失水頭が0になることがあるので、このようなことを防止するために、各管路における水頭の平均の降下量Δhを乱数により変動させ、それぞれの節点N1〜N4の節点水頭の初期値を、例えば、数6のように設定する。 Here, for example, when the LWL of the water source S1 is A = 30.0 [m] and the ground height of the node N3 is H (N3) = 18.0 [m], the above-described drop amount Δh is expressed by the following equation (5). As a result, 4.0 [m] is obtained. Therefore, the initial value P (N1) 0 of the node hydrocephalus P node N1, 30.0-4.0 = 26.0 [m], the initial value P (N2) of the node hydrocephalus P at the node N2 and N4 0 and P (N4) 0 is set to 26.0−4.0 = 22.0 [m]. At this time, if the initial values of the node heads of adjacent nodes become the same, the loss head in the pipe connecting the nodes may become zero, so this is prevented. Therefore, the average drop amount Δh of the water head in each pipe line is varied by a random number, and the initial values of the node heads of the nodes N1 to N4 are set as shown in, for example, Equation 6.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

次に、図5に示すように、ステップ5(S005)に進み、後の工程の計算時に用いるヤコビ行列Jを決定する。本実施の形態の場合、管網PNにおける節点は4ヵ所であるので、ヤコビ行列Jを4×4の行列とする。また、ヤコビ行列Jの対角要素であるjiiの値を、節点Niに接続している管路の変分コンダクタンスgの総和とし、非対角要素jijの値を、節点Niと節点Njとを直結する管路の変分コンダクタンスの値に負の符号を付したものとし、直結する管路が無ければ、jij=0とする。これにより、後の工程の計算時に用いるヤコビ行列Jは、数7のように表すことができる。 Next, as shown in FIG. 5, the process proceeds to step 5 (S005) to determine a Jacobian matrix J to be used for calculation in a later process. In the present embodiment, since there are four nodes in the pipe network PN, the Jacobian matrix J is a 4 × 4 matrix. Also, the value of j ii that is a diagonal element of the Jacobian matrix J is the sum of the variational conductance g of the pipe connected to the node Ni, and the value of the non-diagonal element j ij is the value of the node Ni and the node Nj. And the variable conductance value of the pipe line directly connected to each other is attached with a negative sign, and j ij = 0 if there is no pipe line directly connected. Thereby, the Jacobian matrix J used at the time of the calculation of a subsequent process can be expressed as in Expression 7.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

このとき、例えば、ヤコビ行列Jの対角要素であるj33の値は、節点N3に接続している管路K3、K4の変分コンダクタンスgの総和であるので、(gK3+gK4)となり、また、非対角要素j23の値は、節点N2と節点N3とを直結する管路、この場合、管路K3の変分コンダクタンスgK3に負の符号を付した(−gK3)となる。ただし、この時点では各管路の変分コンダクタンスの値は未知である。 At this time, for example, the value of j 33 which is a diagonal element of the Jacobian matrix J is (g K3 + g K4 ) because it is the sum of the variational conductances g of the pipes K3 and K4 connected to the node N3. In addition, the value of the off-diagonal element j 23 is a pipe that directly connects the node N2 and the node N3, in this case, a variational conductance g K3 of the pipe K3 is given a negative sign (−g K3 ). Become. However, at this point, the variational conductance value of each pipeline is unknown.

そこで、ステップ7(S007)、ステップ8(S008)〜ステップ10(S010)においては、管路K1〜K5の変分コンダクタンスを求める。管路K1〜K5においては、管路からの水の取り出しがある管路とそうでない管路とがあり、それぞれの場合において変分コンダクタンスの算出方法が異なるため、図5に示すように、ステップ6(S006)において、管網解析の対象となる全ての管路、すなわち本実施の形態の場合であれば、管路K1〜K5に対して、管路からの水の取り出しがあるか否かについて調べる。   Therefore, in Step 7 (S007) and Step 8 (S008) to Step 10 (S010), variational conductances of the pipelines K1 to K5 are obtained. In the pipelines K1 to K5, there are a pipeline with water extraction from the pipeline and a pipeline without it, and the calculation method of variational conductance is different in each case. Therefore, as shown in FIG. 6 (S006), in the case of all the pipes to be subjected to pipe network analysis, that is, in the case of the present embodiment, whether or not water is taken out from the pipes for the pipes K1 to K5. Find out about.

管路からの水の取り出しがある管路(管路K3、K4)については、ステップ8(S008)〜ステップ10(S010)の処理を施して、管路K3、K4の変分コンダクタンスを算出し、管路からの水の取り出しがない管路(管路K1、K2、K5)については、ステップ7(S007)の処理を施して、管路K1、K2、K5の変分コンダクタンスを算出する。   For pipelines (pipelines K3, K4) where water is taken out from the pipelines, the process of step 8 (S008) to step 10 (S010) is performed to calculate the variational conductance of the pipelines K3, K4. For the pipes (pipe lines K1, K2, K5) from which no water is taken out from the pipe lines, the process of step 7 (S007) is performed to calculate the variational conductances of the pipe lines K1, K2, K5.

ここではまず、管路からの水の取り出しがある管路K3、K4についての変分コンダクタンスgK3、gK4を算出する方法を説明する。なお、以下では、管路K3について処理を施す場合を説明する。 Here, first, a method for calculating the variation conductances g K3 and g K4 for the pipes K3 and K4 where water is taken out from the pipe will be described. Hereinafter, a case where the process is performed on the pipe line K3 will be described.

管路からの水の取り出しがある管路K3は、管路の途中で水が取り出されるので、節点N2から管路K3に流入する水量と、管路K3から節点N3に流出する水量とが異なる、すなわち、管路K3の始点側管路流量と終点側管路流量とが異なる。そこで、ステップ8では、管路K3の始点側管路流量をqs、K3、管路K3の終点側流量をqe、K3とし(管路K4の場合では、始点側管路流量をqs、K4、終点側流量をqe、K4として)、変分コンダクタンスを算出するのに必要な、管路K3の始点側管路流量の下限値と上限値とを設定する。 Since the water is taken out from the pipe K3 where the water is taken out from the pipe, the amount of water flowing from the node N2 into the pipe K3 is different from the amount of water flowing out from the pipe K3 to the node N3. That is, the starting point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate of the pipe line K3 are different. Therefore, in step 8, the starting point side pipe flow rate of the pipe line K3 is set to q s, K3 , and the end point side flow rate of the pipe line K3 is set to q e, K3 (in the case of the pipe line K4, the starting point side pipe flow rate is set to q s. , K4 , and the end side flow rate as qe , K4 ), the lower limit value and the upper limit value of the start point side pipe flow rate of the pipe line K3 necessary for calculating the variational conductance are set.

管路K3については、図10に示すように、管路長L(K3)の管路K3をn等分し、等分されたそれぞれの区間の中点からCL、CL、…、CLn−1、CLの量の水の取り出しがあるものとして取り扱う。なお、以下の計算において用いる文字を表1に示す。また、以下において、需要量とは人などが水を要求する量であり、供給量とは管路から供給可能な水の量である。 For the pipe line K3, as shown in FIG. 10, the pipe line K3 of the pipe length L (K3) is divided into n equal parts, and CL 1 , CL 2 ,. Treated as having n-1 and CL n water withdrawals. Table 1 shows the characters used in the following calculations. In the following, the demand amount is the amount that a person or the like requests water, and the supply amount is the amount of water that can be supplied from a pipeline.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

なお、第i区間での供給水量は、第i区間での需要水量と、第i区間の有効水頭の大きさに応じた水の取り出し可能率(水の取り出し易さ)とに基づいて表される関数である(図13参照)。   Note that the amount of water supplied in the i-th section is expressed based on the demand water volume in the i-th section and the water extraction possibility (ease of water extraction) according to the size of the effective head in the i-th section. (See FIG. 13).

ここで、r=10.666CH−1.85・D−4.87とすると、図10において、第1区間の中間点における水頭P1_midは、節点N2の節点水頭の初期値P(N2)から水が第1区間の中間点まで流れた時の損失水頭を減じた値であり、水が第1区間の中間点まで流れた時の損失水頭は数1より算出することができるので、第1区間の中間点の水頭P1_midを数8のように表すことができる。 Here, when r * = 10.666CH− 1.85 · D− 4.87 , in FIG. 10, the head P 1_mid at the midpoint of the first section is the initial value P (N2) of the node head of the node N2. It is a value obtained by subtracting the loss head when water flows from 0 to the middle point of the first section, and the loss head when water flows to the middle point of the first section can be calculated from Equation 1. The water head P 1_mid at the midpoint of the first section can be expressed as in Expression 8.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

また、第1区間の中間点における有効水頭e1_midは、水頭P1_midから、その中間点における地盤高gLを減じた値であり、その中間点の地盤高gLは、始点での地盤高gLに地盤高増加分gLaddの半区間分を加えれば良いので、第1区間の中間点における有効水頭e1_midは、数9のように表すことができる。 The effective hydrocephalus e 1_Mid at the midpoint of the first section, from hydrocephalus P 1_Mid, a value obtained by subtracting the ground elevation gL 1 at its midpoint, the ground elevation gL 1 intermediate point, ground elevation at the start Since it suffices to add the half height of the ground height increase gL add to gL s , the effective water head e 1_mid at the midpoint of the first section can be expressed as in Equation 9.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

また、第1区間の中間点における流量q1_midは、始点側管路流量qから第1の区間で供給された水量を減ずればよいので、数10のように表すことができる。 Further, the flow rate q 1_mid at the midpoint of the first section can be expressed as in Equation 10 because the amount of water supplied in the first section may be reduced from the starting point side pipe flow rate q s .

Figure 2006057407
Figure 2006057407

同様に、第k区間(2≦k≦n)の中間点における水頭Pk_midは、第(k−1)区間の水頭Pk−1_midの値から、水が第(k−1)区間の中間点から第k区間の中間点までの1区間だけ流れた時の損失水頭を減じた値であり、数11のように表すことができる。 Similarly, the water head P k_mid at the middle point of the k-th section (2 ≦ k ≦ n) is the middle of the (k−1) -th section from the value of the water head P k-1_mid of the (k−1) -th section. This is a value obtained by subtracting the loss head when only one section flows from the point to the middle point of the k-th section, and can be expressed as Equation 11.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

また、第k区間の中間点における有効水頭ek_midは、第k区間の中間点における節点水頭Pk_midから、この中間点における地盤高gLk_midを減じた値であるので、数12のように表すことができる。 Further, the effective head e k_mid at the midpoint of the k-th section is a value obtained by subtracting the ground height gL k_mid at this midpoint from the nodal head Pk_mid at the midpoint of the k-th section, and is expressed as in Expression 12. be able to.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

さらに、第k区間の中間点における流量qk_midは、第(k−1)区間の中間点の流量qk−1_midから第k区間で供給された水量を減ずればよいので、数13のように表すことができる。 Furthermore, the flow rate q k_mid at the middle point of the k-th section is obtained by subtracting the amount of water supplied in the k-th section from the flow rate q k-1_mid at the middle point of the (k−1) -th section. Can be expressed as

Figure 2006057407
Figure 2006057407

管路K3の終点での節点水頭をPpre、eとすると、この終点での節点水頭Ppre、eは、第n区間の中間点における水頭Pn_midから水が半区間だけ流れた時の損失水頭を減じた値であるので、数14のように表すことができる。 Assuming that the node head at the end point of the pipe K3 is P pre, e , the node head head P pre, e at this end point is the loss when water flows for only a half section from the head P n_mid at the midpoint of the nth section. Since it is a value obtained by subtracting the water head, it can be expressed as in Expression 14.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

そして、管路K3における終点での水頭をPpre、eの値が、ステップ4において設定した管路K3の終点である節点N3の節点水頭P(N3)=Pの値(後述するステップ22において、節点水頭の値を更新しているのであれば、更新後の節点水頭の値)に対して所定の誤差範囲内に収まるように収束計算を行い、管路K3の始点側管路流量qs、K3の値を算出する。 Then, the value P pre, e of the head at the end point in the pipe K3 is the value of the node head P (N3) 0 = P e of the node N3 that is the end point of the pipe K3 set in Step 4 (a step described later) 22, if the value of the nodal head is updated, the convergence calculation is performed so as to be within a predetermined error range with respect to the updated value of the nodal head), and the starting side pipe flow rate of the pipe K3 The values of q s and K3 are calculated.

このようなqs、K3を求める方法としては、2分法、はさみうち法、割線法などがあるが、2分法などにより始点側管路流量qs、K3の値を算出するためには、この始点側管路流量qs、K3の下限値qs_min、上限値qs_maxを設定する必要がある。なお、以下では、例えば2分法を用いた場合の説明をする。 As a method for obtaining such a q s, K3 is dichotomy, pincer attack method, because there are such secant, to calculate the value of the start point side conduit flow q s, K3 due dichotomy is the starting point side conduit flow q s, K3 lower limit q s_min, it is necessary to set the upper limit value q s_max. In the following description, for example, the case of using the bisection method will be described.

始点側管路流量qs、K3の下限値qs_minを設定する際に、管路3からの取り出し水量が0〔m/s〕であると仮定してqs、K3=yh/|h|1−βと一定流量にすると、このときの終点の節点水頭はP(N3)=P(ステップ4で設定した初期値)であるが、qs_min=qs、K3として、qs、K3から取り出し水量があるとすると、CLi≧0であるので、終点側の節点N3に到達する流量はqs、K3よりも少なくなる。数1によると、損失水頭hは、管路の流量の1.85乗に比例することから、始点側管路流量をqs、K3=yh/|h|1−β(ただし、h=P(N2)−P(N3))としたときの損失水頭hと、取り出し水量が0以上のときの損失水頭hとでは、h≧hとなり、したがって、数2より、始点側管路流量をqs、K3=yh/|h|1−βとしたときの終点の節点水頭Pと、取り出し水量が0以上のときの終点の節点水頭Ppre、eとは、Ppre、e≧Pとなる。 When setting the lower limit q s_min of the starting point side pipe flow rate q s, K3 , it is assumed that the amount of water taken out from the pipe 3 is 0 [m 3 / s], q s, K3 = yh / | h When 1−β is set to a constant flow rate, the nodal head of the end point at this time is P (N3) 0 = P e (the initial value set in Step 4), but q s_min = q s, where K s If there is an amount of water taken out from K3, since CLi ≧ 0, the flow rate reaching the node N3 on the end point side is smaller than qs, K3 . According to Equation 1, the loss head h is proportional to the 1.85th power of the flow rate of the pipeline, so that the start side pipeline flow rate is q s, K3 = yh / | h | 1-β (where h = P (N2) −P (N3)) and the head loss h * when the amount of extracted water is 0 or more, h ≧ h * . Therefore, from Equation 2, the starting side pipe flow rate a q s, K3 = yh / | h | 1-β and to the node water head P e of the end point of the time was, nodal water head P pre of the end point of the time taken out of water is greater than or equal to 0, and the e, P pre, e ≧ the P e.

次に、始点側管路流量qs、K3の上限値qs_maxを設定する。ここで例えば、管路からの取り出し水量が0〔m/s〕とであると仮定して流量をqs、K3=yh/|h|1−βとし、始点側管路流量の上限値をqs_max=qs、K3+(CL/2)とし、図11に示すように、管路K3がその中間の地点C(=L(K3)/2)において区間Aと区間Bとの2区間に分割され、かつ、供給水量と需要水量とが等しい場合を考える。 Next, the upper limit value q s_max of the starting point side pipe flow rate q s, K3 is set. Here, for example, assuming that the amount of water taken out from the pipeline is 0 [m 3 / s], the flow rate is q s, K3 = yh / | h | 1−β, and the upper limit value of the start side pipeline flow rate Q s_max = q s, K3 + (CL / 2), and as shown in FIG. 11, the line K3 is 2 between the section A and the section B at the intermediate point C (= L (K3) / 2). Consider a case where the water is divided into sections and the supply water amount and the demand water amount are equal.

このような場合、第A区間の流量はqs、K3+(CL/2)で、供給水量がCLであると、第B区間の流量はqs、K3−(CL/2)となる。ここで、数1式で表される関数を図12に示す。 In such a case, the flow rate in the A section is q s, K3 + (CL / 2), and if the supply water amount is CL, the flow rate in the B section is q s, K3- (CL / 2). Here, FIG. 12 shows the function expressed by the equation (1).

図12に示すように、流量がqs、K3+(CL/2)のときの損失水頭をh、流量がqs、K3−(CL/2)のときの損失水頭をhとすると、管路K3における損失水頭hは、第A区間における損失水頭と第B区間における損失水頭の和で表すことができ、第A区間は管路長L(K3)の半分であるので、第A区間での損失水頭は、h/2、第B区間での損失水頭はh/2となり、したがって、管路K3における損失水頭hは、h=(h+h)/2となる。 As shown in FIG. 12, assuming that the loss head when the flow rate is q s, K3 + (CL / 2) is h A , and the loss head when the flow rate is q s, K3 − (CL / 2) is h B. The loss head h * in the pipe K3 can be expressed as the sum of the loss head in the A section and the loss head in the B section, and the A section is half of the pipe length L (K3). The head loss in the A section is h A / 2, and the head loss in the B section is h B / 2, so the head loss h * in the pipe K3 is h * = (h A + h B ) / 2. It becomes.

図12において、hは、直線abの中点であり、関数であるh=r・q・|q|0.85は、下に凸な関数であり、区間abにおいては、直線abよりも下側(負の領域)になるので、上記の損失水頭hと、全区間の流量がqs、K3のときの損失水頭hとは、h>hとなる。 In FIG. 12, h * is the midpoint of the straight line ab, and the function h = r · q · | q | 0.85 is a downward convex function. Since it is on the lower side (negative region), the above-described loss head h * and the loss head h when the flow rate in the entire section is qs and K3 are h * > h.

したがって、数2より、始点側管路流量をqs、K3=yh/|h|1−β+(CL/2)(ただし、h=P(N2)−P(N3))とした場合、Ppre、e≦Pとなる。
以上のことから、始点側管路流量qs、K3が下限値qs_minと上限値qs_maxとに挟まれることになる。したがって、始点側流量qs、K3の下限値をqs_min=qs、K3、上限値をqs_max=qs、K3+(CL/2)と設定する。
Therefore, from Equation 2, when the starting point side pipe flow rate is qs , K3 = yh / | h | 1-β + (CL / 2) (where h = P (N2) −P (N3)), P pre, e ≦ P e .
From the above, so that the starting point side pipe flow q s, K3 is sandwiched between the lower limit value q s_min and the upper limit value q s_max. Therefore, to set the lower limit of the start point-side flow rate q s, K3 q s_min = q s, K3, the upper limit value q s_max = q s, K3 + a (CL / 2).

始点側管路流量の下限値qs_min、および上限値qs_maxを設定すると、次に、ステップ9(S009)において、数8〜数14より、始点側管路流量が下限値qs_minであるときの終点の節点水頭Pe_min、終点側管路流路qe_min、および始点側管路流量が上限値qs_maxであるときの終点の節点水頭Pe_max、終点側管路流路qe_maxを算出する。 Start side conduit flow limit value q s_min, and setting the upper limit value q s_max, then, in step 9 (S009), from the number 8 to number 14, when the start point side conduit flow rate is the lower limit value q s_min endpoint node hydrocephalus P e_min the calculated end point side conduit channel q e_min, and end point at the start point side conduit flow rate is an upper limit value q s_max node hydrocephalus P E_max, the end point side conduit channel q E_max .

ここで、上記において算出した節点N2、N3の節点水頭の初期値P(N2)、P(N3)などの値を用いて、上記のステップ8およびステップ9の計算を行う場合を説明する。なお、水源S1、節点N1〜N4、管路K1〜K5については、表2、表3に示すような初期条件が与えられている。 Here, by using a value such as the nodes N2, N3 initial value P of the node water head (N2) 0, P (N3 ) 0 calculated in the above, the case of performing the calculation of step 8 and step 9 . For the water source S1, the nodes N1 to N4, and the pipelines K1 to K5, initial conditions as shown in Tables 2 and 3 are given.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ステップ8にて行う計算は以下のようになる。管路K3の場合、始点は節点N2、終点はN3であり、ステップ4にて設定した初期値は、P(N2)=20.80118、P(N3)=16.41315である。したがって、上述したように、始点側管路流量qの下限値はqs_min=qs、K3=yh/|h|1−βより算出することができるので、数2、数3より、始点側管路流量qの下限値qs_minは、qs_min=0.08162373となる。 The calculation performed in step 8 is as follows. In the case of the pipe K3, the start point is the node N2 and the end point is N3, and the initial values set in step 4 are P (N2) 0 = 20.01818 and P (N3) 0 = 16.41315. Therefore, as described above, the lower limit value of the starting point side pipe flow rate q s can be calculated from q s_min = q s and K3 = yh / | h | 1−β. lower limit q s_min side pipe flow q s is a q s_min = 0.08162373.

また、始点側管路流量qs、K3の上限値はqs_max=qs、K3+(CL/2)=yh/|h|1−β+(CL/2)より算出することができ、ここで、表3より、管路K3の管路長L(K3)は100〔m〕、管路K3からの取り出し水量(供給水量)の合計はCL=0.03〔m/s〕であり、管路K3を分割する区間数をn=20とすると、始点側管路流量qs、K3の上限値qs_maxは、qs_max=0.09662373となる。 The upper limit value of the originating side conduit flow q s, K3 is q s_max = q s, K3 + (CL / 2) = yh / | h | 1-β + (CL / 2) can be calculated from, here, from Table 3, the pipe length of the conduit K3 L (K3) is 100 [m], total CL = 0.03 eject water from line K3 (supply water amount) [m 3 / s] Yes , if the number of sections for dividing the pipe K3 is n = 20 , the upper limit q s_max of the starting-point-side pipe flow qs , K3 is q s_max = 0.096662373.

ここで、表3より、流速係数CH=110、管内径D=0.2〔m〕であり、上記より、管路K3における1区間の長さは5〔m〕(100〔m〕/20=5〔m〕)であるので、ステップ9にて行う計算は以下のようになる。すなわち、第1区間の中点の水頭は、数8より、P1_mid=20.69217929〔m〕となる。また、第1区間の地盤高gLは、表2の条件を用いて、始点の地盤高gLと終点の地盤高gLとの内挿補間により、gL=15.1428〔m〕となる。さらに、第1区間の中点の有効水頭e1_midは、数9より、e1_mid=5.54937929〔m〕となる。 Here, from Table 3, the flow velocity coefficient CH = 110 and the pipe inner diameter D = 0.2 [m]. From the above, the length of one section in the pipe line K3 is 5 [m] (100 [m] / 20. = 5 [m]), the calculation performed in step 9 is as follows. That is, the head of the midpoint of the first section is P 1_mid = 20.692179929 [m] from Equation 8. In addition, the ground height gL 1 of the first section is gL 1 = 15.1428 [m] by interpolation between the ground height gL s at the start point and the ground height gL e at the end point using the conditions in Table 2. Become. Furthermore, the effective head e 1_mid at the midpoint of the first section is e 1_mid = 5.549337929 [m] from Equation 9.

このとき、第1区間の取り出し水量の圧力依存性を考慮する、すなわち、第1区間における中点の有効水頭e1_midの値に応じた供給水量を求める。図13は、有効水頭と取り出し可能率との特性曲線を示している。この場合、第1区間の中点における有効水頭e1_midが約5.5〔m〕なので、このときの取り出し可能率を、図13より0.057とする。 At this time, the pressure dependency of the amount of extracted water in the first section is taken into consideration, that is, the amount of supplied water corresponding to the value of the effective head e 1_mid at the midpoint in the first section is obtained . FIG. 13 shows a characteristic curve of the effective water head and the takeout rate. In this case, the effective hydrocephalus e 1_Mid at the midpoint of the first section is because about 5.5 [m], the removable rate at this time, and FIG. 13 than 0.057.

したがって、第1区間において取り出し可能な水量(供給水量)CLは、数15のように求まる。 Therefore, the amount of water (supply water amount) CL 1 that can be taken out in the first section is obtained as shown in Equation 15.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

次に、第1区間の中点における水頭P1_mid、有効水頭e1_mid、および始点側管路流量qs、K3の下限値qs_minを用い、かつ、数11〜数14を用いて、上記と同様の手順で、第2区間の中点における水頭P2_mid、地盤高gL、有効水頭e2_mid、を求め、さらに、この結果を用いて、第3区間、第4区間、…と、同様の計算を行うことで、始点側管路流量qs、K3の下限値qs_minに対応する終点側管路流量qe_min、終点の節点水頭Pe_minを算出する。 Next, hydrocephalus P 1_Mid at the midpoint of the first section, with a lower limit q s_min effective hydrocephalus e 1_Mid, and the start point side conduit flow q s, K3, and by using the number 11 to number 14, and the In the same procedure, the head P 2_mid , the ground height gL 2 , and the effective head e 2_mid at the midpoint of the second section are obtained, and the third section, the fourth section,... calculated by performing, starting side conduit flow q s, K3 end point side conduit flow q e_min corresponding to the lower limit value q s_min of calculating the nodal hydrocephalus P e_min endpoint.

さらに、同様の手順で、始点側管路流量qs、K3の上限値qs_maxについても、この上限値qs_maxに対応する終点側管路流量qe_max、終点の節点水頭Pe_maxを算出する。数16には、算出した結果を示す。 Furthermore, the same procedure, for the upper limit value q s_max the starting side conduit flow q s, K3, the upper limit value q s_max the corresponding end point side conduit flow q E_max, calculates the nodal hydrocephalus P E_max endpoint. Equation 16 shows the calculated result.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

次に、図5に示すように、ステップ10(S010)として、管路K3の変分コンダクタンスgK3を算出する。通常、管路からの水の取り出しがない場合であれば、数4を用いて管路の変分コンダクタンスを算出することができるが、管路K3は、管路からの水の取り出しを考慮した管路であるので、数4を用いて管路の変分コンダクタンスを算出することができない。 Next, as shown in FIG. 5, as step 10 (S010), the variational conductance gK3 of the pipe line K3 is calculated. Usually, if there is no water removal from the pipeline, the variation conductance of the pipeline can be calculated using Equation 4, but the pipeline K3 takes into account the removal of water from the pipeline. Since it is a pipeline, the variational conductance of the pipeline cannot be calculated using Equation 4.

そこで、例えば、起点側管路流量と終点側管路流量との平均値と、終点の節点水頭との関係を表した数17により、管路K3の変分コンダクタンスgK3の値を算出する。 Therefore, for example, the value of the variational conductance g K3 of the pipeline K3 is calculated by Expression 17 representing the relationship between the average value of the starting-side pipe flow rate and the ending-point-side pipe flow rate and the nodal head of the end point.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

数16、数17より、gK3=0.00935086となる。
次に、ステップ11(S011)として、始点側管路流量の初期値qs、K3(0)を数18
From Equations 16 and 17, g K3 = 0.009355086.
Next, as step 11 (S011), the initial values qs and K3 (0) of the starting point side pipe flow rate are expressed by the following equation ( 18 )

Figure 2006057407
Figure 2006057407

に基づいて決定し、ステップ12(S012)〜ステップ17(S017)において、上述したように、2分法による反復計算を行う。
詳細には、ステップ12として、ステップ11において決定した始点側管路流量qs、K3(0)(後述するステップ17にて始点側管路流量の値を更新した場合であれば、その更新後の値)と、ステップ4において設定した節点N2の節点水頭の初期値P(N2)(後述するステップ22で節点水頭を更新した場合であれば、その更新後の値)とを用いて、数8〜数14より、始点側管路流量がqs、K3(0)のときの終点側管路流量qe、K3(0)および終点の水頭Pe、N3を算出する。
In step 12 (S012) to step 17 (S017), as described above, the iterative calculation by the bisection method is performed.
Specifically, as step 12, start point side pipe flow rate qs , K3 (0) determined in step 11 ( if the value of the start point side pipe flow rate is updated in step 17 described later, after the update ) And the initial value P (N2) 0 of the node head of the node N2 set in step 4 (or the updated value if the node head is updated in step 22 described later), From Equations 8 to 14, the end point side pipe flow rates q e and K3 (0) and the end point heads Pe and N3 when the start point side pipe flow rate is q s and K3 (0) are calculated.

そして、ステップ13(S013)として、ステップ12において算出した終点の水頭Pe、N3の値と、ステップ4において設定した節点水頭、この場合、管路K3の終点となる節点N3の節点水頭の初期値P(N3)(後述するステップ22(S022)において節点水頭の値を更新した場合であれば、その更新後の値)との差が、誤差範囲、例えば1.0×10−6の範囲内であるかを算出する。このとき、前記差が誤差範囲内に収まらない場合には、ステップ14(S014)に進む。 Then, as Step 13 (S013), the end point heads Pe and N3 calculated in Step 12 and the node head set in Step 4, in this case, the initial point head of the node N3 serving as the end point of the pipe line K3 The difference from the value P (N3) 0 (or the updated value if the value of the nodal head is updated in step 22 (S022) described later) is within an error range, for example, 1.0 × 10 −6 . Calculate whether it is within range. At this time, if the difference does not fall within the error range, the process proceeds to step 14 (S014).

ステップ14としては、ステップ12において算出した終点の水頭Pe、N3の値と、ステップ4において設定した節点N3の節点水頭の初期値P(N3)(後述するステップ22において節点水頭の値を更新した場合にはその更新後の値)との大きさを比較し、算出した終点の水頭Pe、N3の値が、設定した節点水頭の初期値P(N3)よりも大きい場合には、ステップ15(S015)に進み、ステップ15において、qs_min=qs、K3(0)として、すなわち始点側管路流量の下限値qs_minの値が、始点側管路流量の初期値qs、K3(0)となるように、qs_minの値を修正して、ステップ17(S017)に進む。 Step 14 includes the values of the end point heads Pe and N3 calculated in Step 12 and the initial value P (N3) 0 of the nodal point head of the node N3 set in Step 4 (the value of the nodal point head in Step 22 described later). If you update compares the magnitude of its value after update), when the calculated value of the water head P e, N3 endpoint is larger than the initial value P (N3) 0 of the node hydrocephalus set is Then, the process proceeds to step 15 (S015). In step 15, as q s_min = q s, K3 (0) , that is, the lower limit value q s_min of the starting point side pipe flow rate is the initial value q s of the starting point side pipe flow rate. , The value of q s_min is corrected so as to be K3 (0), and the process proceeds to step 17 (S017).

また、算出した終点の水頭Pe、N3の値が、設定した節点水頭の初期値P(N3)よりも小さい場合には、ステップ16(S016)に進み、ステップ16において、qs_max=qs、K3(0)として、すなわち始点側管路流量の上限値qs_maxの値が、始点側管路流量の初期値qs、K3(0)となるように、qs_maxの値を修正して、ステップ17に進む。 The value of the water head P e, N3 of the calculated end point is smaller than the initial value P (N3) 0 of the node hydrocephalus set, the process proceeds to step 16 (S016), in step 16, q s_max = q s, as K3 (0), i.e. the value of the upper limit value q s_max the starting side conduit flow, so that the initial value q s of the start point side conduit flow, K3 (0), to modify the value of q s_max Then, the process proceeds to Step 17.

ステップ17においては、ステップ15において修正したqs_minの値、または、ステップ16において修正したqs_maxの値を用いて、qs、K3(1)=0.5・(qs_min+qs_max)として、始点側管路流量の値を更新する。なお、qs、Ki(k)は、管路Kiの始点側管路流量の値が、K回更新されていることを表している。 In step 17, the value of q s_min was modified in step 15 or, using the values of q s_max was modified in step 16, as q s, K3 (1) = 0.5 · (q s_min + q s_max), Update the value of the starting pipe flow rate. Note that q s and Ki (k) indicate that the value of the starting point side pipe flow rate of the pipe Ki has been updated K times.

そして、ステップ12に戻り、ステップ17において更新した始点側管路流量qs、K3(1)の値を用いて、ステップ12〜ステップ17の計算を繰り返し行い、ステップ13において、ステップ12において算出した終点の水頭Pe、N3の値と、ステップ4において設定した節点水頭、この場合、管路K3の終点となる節点N3の節点水頭の初期値P(N3)(後述するステップ22において節点水頭の値を更新した場合にはその更新後の値)との差が、誤差範囲内に収まる場合には、ステップ18(S018)に進む。 Then, the process returns to step 12, and the calculations of step 12 to step 17 are repeated using the values of the starting point side pipe flow rate q s and K3 (1) updated in step 17, and the calculation in step 12 is performed in step 13. The value of the end point head Pe, N3 and the node head set in step 4, in this case, the initial value P (N3) 0 of the node head of the node N3 that is the end point of the pipe K3 (the node head in step 22 described later) If the difference between the updated value and the updated value is within the error range, the process proceeds to step 18 (S018).

ステップ18においては、前記差が誤差範囲内に収まったときの始点側管路流量qs、K3(k)の値および終点側管路流量qe、K3(k)の値が、管路K3の始点側管路流量qs、K3の値および終点側管路流量qe、K3の値であると決定する。このとき、上記の数16の値を用いて算出した始点側管路流量の値および終点側管路流量の値はそれぞれ、qs、K3=0.08189067、qe、K3=0.08154781となる。そして、ステップ19(S019)に進む。なお、管路K4についても、ステップ8〜ステップ18と同様の計算を行う。また、上記において、ステップ12〜ステップ17では、2分法を用いた計算についての説明をしたが、これに限らず、はさみうち法や割線法などを用いることもできる。 In step 18, the values of the start point side pipe flow rate qs , K3 (k) and the end point side pipe flow rate qe , K3 (k) when the difference falls within the error range are determined as the pipe K3. Are determined to be the values of the starting point side pipe flow rate qs , K3 and the end point side pipe flow rate qe , K3 . At this time, each of the values and the ending point side conduit flow value of the calculated start point side conduit with a flow rate value of the number 16 of the, q s, K3 = 0.08189067, and q e, K3 = 0.08154781 Become. Then, the process proceeds to Step 19 (S019). Note that the same calculation as in steps 8 to 18 is performed for the pipe K4. In addition, in the above description, the calculation using the bisection method has been described in Step 12 to Step 17, but not limited to this, the scissors method, the secant method, or the like can be used.

管路K4を分割する区間数をn=20をすると、管路K4も管路K3と同様に、表3より管路長L(K4)が100〔m〕、管路K4からの取り出し水量の合計がCL=0.03〔m/s〕、流速係数CH=110、管内径D=0.2〔m〕であり、管路K4における1区間の長さが5〔m〕(100〔m〕/20=5〔m〕)であるので、変分コンダクタンスはgK4、管路K4における始点側管路流量qs、K4、終点側管路流量qe、K4は、数19に示す値になる。 Assuming that the number of sections for dividing the pipeline K4 is n = 20, the pipeline length K (100) is 100 [m] from Table 3 and the amount of water taken out from the pipeline K4 is similar to the pipeline K3. The total is CL = 0.03 [m 3 / s], flow velocity coefficient CH = 110, pipe inner diameter D = 0.2 [m], and the length of one section in the pipe K4 is 5 [m] (100 [ m] / 20 = 5 [m]), the variational conductance is g K4 , the start side pipe flow rates q s and K 4 in the pipe K 4 , and the end side pipe flow rates q e and K 4 are expressed by Equation 19. Value.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

また、上記においては、ステップ6において、管路からの水の取り出しがある管路(管路K3、K4)に対してステップ8〜ステップ18の処理を施した場合を説明したが、ステップ6において、管路からの水の取り出しがない管路(管路K1、K2、K5)については、ステップ7に進む。   Moreover, in the above, although the case where the process of step 8-step 18 was performed in step 6 with respect to the pipeline (pipeline K3, K4) with extraction of the water from a pipeline was demonstrated in step 6 For the pipelines (ducts K1, K2, K5) where no water is taken out from the pipeline, the process proceeds to step 7.

ステップ7において、管路K1、K2、K5は、管路からの水の取り出しが無い管路であり、管路内の流量が一定であることから、数1〜数3から管路K1、K2、K5の変分コンダクタンスgK1、gK2、gK5を算出する。ここで、例えば表2、表3より管路K1、K2、K5のそれぞれの管路の流速係数がCH=110、管路長がL=100〔m〕、管内径がD=0.2〔m〕、水源S1のLWL=30.0〔m〕であり、ステップ4で設定した節点N1、N2、N5の初期値が、P(N1)=25.40、P(N2)=20.80118、P(N4)=20.84996であるので、数1〜数3より、管路K1、K2、K5の変分コンダクタンスgK1、gK2、gK5、管路K1、K2、K5の流量qK1、qK2、qK5は、数20に示す値になる。 In step 7, the pipes K1, K2, and K5 are pipes from which water is not taken out from the pipe, and the flow rate in the pipe is constant. , K5 variation conductances g K1 , g K2 , and g K5 are calculated. Here, for example, from Tables 2 and 3, the flow velocity coefficient of each of the pipes K1, K2, and K5 is CH = 110, the pipe length is L = 100 [m], and the pipe inner diameter is D = 0.2 [ m], LWL of the water source S1 = 30.0 [m], and the initial values of the nodes N1, N2, and N5 set in Step 4 are P (N1) 0 = 25.40, P (N2) 0 = 20 80118, P (N4) 0 = 20.84996, the variational conductances g K1 , g K2 , g K5 , lines K 1, K 2, K 5 of the lines K 1, K 2, K 5 are obtained from Equations 1 to 3. The flow rates q K1 , q K2 , and q K5 of FIG.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

このように、管路K1、K2、K5の変分コンダクタンスgK1、gK2、gK5、管路K1、K2、K5の流量qK1、qK2、qK5を算出すると、ステップ19(S019)に進む。 Thus, when the variational conductances g K1 , g K2 , g K5 , and the flow rates q K1 , q K2 , q K5 of the conduits K1, K2, and K5 are calculated, step 19 (S019). Proceed to

ステップ19において、ステップ5にて数7に示すように決定したヤコビ行列Jに、数17により算出した管路K3の変分コンダクタンスgK3、数19に示す管路K4の変分コンダクタンスgK4、数20に示す管路K1、K2、K5の変分コンダクタンスgK1、gK2、gK5、の値を代入し、数21に示すようにヤコビ行列Jを算出し、ステップ20(S020)に進む。 In step 19, the Jacobian matrix J determined as shown in Equation 7 in Step 5 is added to the variation conductance g K3 of the conduit K3 calculated by Equation 17, the variation conductance g K4 of the conduit K4 shown in Equation 19, Substituting the values of the variational conductances g K1 , g K2 , and g K5 of the pipelines K1, K2, and K5 shown in Expression 20, the Jacobian matrix J is calculated as shown in Expression 21, and the process proceeds to Step 20 (S020). .

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ステップ20においては、まず、各節点N1〜N4における流量連続式を立てる。この流量連続式は、例えば、図14に示すような、ある節点Nにおいて、この節点Nから管路に流出する水量をq、q、この節点Nに流入する水量を−q、−q、また、節点から取り出す水量をcとする(上述したように、本実施の形態における管網解析の手順は公知の節点水頭法に基づいて行うので、ここではc=0〔m/s〕とする)とき、これらの総和が、数22に示すように0になることを表している。 In step 20, first, a continuous flow rate system is established at each of the nodes N1 to N4. For example, as shown in FIG. 14, the flow rate continuous expression is such that at a certain node N, the amount of water flowing out from the node N to the pipe line is q 3 , q 4 , and the amount of water flowing into the node N is −q 1 , − q 2 , and the amount of water taken out from the node is c (as described above, since the procedure of the pipe network analysis in the present embodiment is performed based on the known nodal head method, c = 0 [m 3 / s]), the sum of these values is 0 as shown in Equation 22.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

したがって、節点N1〜N4についての流量連続式fN1(Q)〜fN4(Q)は数23に示すようになる。このとき、水源S1の水頭はLWL=A〔m〕、基準節点N5の水頭は0〔m〕であって、これらの水頭の値は既知であるので、ここでは水源S1および基準節点N5についての流量連続式は考慮しない。 Therefore, the continuous flow rates f N1 (Q) to f N4 (Q) for the nodes N1 to N4 are as shown in Equation 23. At this time, the water head of the water source S1 is LWL = A [m], the water head of the reference node N5 is 0 [m], and the values of these water heads are known, so here the water source S1 and the reference node N5 The continuous flow type is not considered.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ここで、本実施の形態においては、c=0であるので、ステップ7において算出した管路K1、K2、K5の流量qK1、qK2、qK5と、ステップ18において算出した管路K3の始点側管路流量qs、K3、終点側管路流量qe、K3、管路K4の始点側管路流量qs、K4、終点側管路流量qe、K4の値を数23に代入し、数24を得る。 In this embodiment, since c = 0, the flow rates q K1 , q K2 , q K5 of the pipelines K1, K2, and K5 calculated in step 7 and the pipeline K3 calculated in step 18 are calculated. Substitute the values of the start point side pipe flow rates q s and K3 , the end point side pipe flow rates q e and K3 , the start point side pipe flow rates q s and K4 , and the end point side pipe flow rates q e and K4 into Equation 23. And the number 24 is obtained.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ここで、fN1(Q)〜fN4(Q)のそれぞれの絶対値が閾値、例えば1.0×10−6よりも小さくなるいか否かを判断する。数24に示した値では、fN1(Q)〜fN4(Q)のそれぞれの絶対値が閾値1.0×10−6よりも小さくならないので、流量連続式を満たさないとして、ステップ21(S021)に進む。 Here, it is determined whether or not the absolute values of f N1 (Q) to f N4 (Q) are smaller than a threshold, for example, 1.0 × 10 −6 . As the values shown in Expression 24, since the absolute value of each of f N1 (Q) ~f N4 ( Q) is not less than the threshold value 1.0 × 10 -6, not satisfied flow continuous, step 21 ( The process proceeds to S021).

上記の数23が流量連続式を満たすような管路流量の値を得るためには、ステップ19において算出したヤコビ行列Jを用いてニュートン・ラフソン法による反復計算を行う。そこで、ステップ21では、まず、上記の反復計算に用いる連立一次方程式を立てる。   In order to obtain the value of the pipe flow rate such that the above equation 23 satisfies the continuous flow rate equation, iterative calculation is performed by the Newton-Raphson method using the Jacobian matrix J calculated in step 19. Therefore, in step 21, first, simultaneous linear equations used for the above iterative calculation are established.

数23において、qK1、qK2、qK5は、数3および数2より、節点水頭Pを用いて表すことができる。また、数23におけるqs、K3、qs、K4、qe、K3、qe、K4は、ステップ4で設定した節点N1〜N4の節点水頭の初期値P(N1)〜P(N4)の値を用い、ステップ8〜ステップ18の処理を行うことで得られることから、節点水頭Pの関数といえるので、fN1(Q)〜fN4(Q)を数25のようにおくことができる。 In Equation 23, q K1 , q K2 , and q K5 can be expressed using the node head P from Equation 3 and Equation 2. Further, q s, K 3 , q s, K 4 , q e, K 3 , q e, and K 4 in Expression 23 are the initial values P (N 1) 0 to P (N 4) of the node heads of the nodes N 1 to N 4 set in Step 4. ) Since it is obtained by performing the processing of step 8 to step 18 using a value of 0 , it can be said that it is a function of the nodal head P. Therefore, f N1 (Q) to f N4 (Q) are set as shown in Equation 25. be able to.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

したがって、ニュートン・ラフソン法による反復計算に用いる連立一次方程式を数26のように表すことができる。   Therefore, simultaneous linear equations used for the iterative calculation by the Newton-Raphson method can be expressed as shown in Equation 26.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ここで、ΔP=(ΔPN1、ΔPN2、ΔPN3、ΔPN4(Tは転置行列)は、Pの値を修正する修正値であり、J、ΔP、F(P)、Pのそれぞれは、ニュートン・ラフソン法による反復計算のk回目において用いられている値とする。また、Pk+1は、数27に示す式にて求めることができる。 Here, ΔP = (ΔP N1 , ΔP N2 , ΔP N3 , ΔP N4 ) T (T is a transposed matrix) is a correction value for correcting the value of P, and J k , ΔP k , F (P k ), Each of P k is a value used in the k-th iteration of the Newton-Raphson method. Further, P k + 1 can be obtained by the equation shown in Equation 27.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

数7および数25より、数26は、数28のように表すことができる。   From Equation 7 and Equation 25, Equation 26 can be expressed as Equation 28.

Figure 2006057407
Figure 2006057407

ただし、fN1(P)〜fN4(P)のそれぞれは、節点N1〜N4における節点水頭の初期値である。また、数21および数24より、数29を導き、 However, f N1 (P 0) is ~f N4 respectively (P 0), the initial value of the node hydrocephalus at node N1-N4. In addition, from Equation 21 and Equation 24, Equation 29 is derived,

Figure 2006057407
Figure 2006057407

数29の左からヤコビ行列Jの逆行列を乗じ、ΔPを算出する。
上記のようにして、連立一次方程式を解くと、次に、ステップ22に進む。ステップ22においては、数27より、今回の反復計算に用いた節点水頭の値に、算出した修正値を足し合わせることで、次回の反復計算に用いる節点水頭の値を更新する。そして、ステップ6に戻り、ステップ6〜ステップ19の処理を再び行い、ステップ20における流量連続式を満たすまで、ステップ21、ステップ22、およびステップ6〜ステップ19の処理を繰り返し行う。
Multiply the inverse matrix of the Jacobian matrix J from the left side of Equation 29 to calculate ΔP.
When the simultaneous linear equations are solved as described above, the process proceeds to step 22 next. In step 22, the value of the nodal head used for the next iterative calculation is updated by adding the calculated correction value to the value of the nodal head used for the current iterative calculation from Equation 27. Then, the process returns to step 6, the processes of step 6 to step 19 are performed again, and the processes of step 21, step 22, and step 6 to step 19 are repeated until the flow rate continuity formula in step 20 is satisfied.

ステップ20において流量連続式が満たされると、ステップ23に進み、流量連続式を満たした時における管路K1、K2、K5の流量qK1、qK2、qK5、管路K3における始点側管路流量qs、K3、終点側管路流量qe、K3、管路K4における始点側管路流量qs、K4、終点側管路流量qe、K4、また、流量連続式を満たした時の計算時に用いた節点水頭の値などを記録し、作業を終了する。 When the flow rate continuous type is satisfied in step 20, the process proceeds to step 23, where the flow rates q K1 , q K2 , q K5 , and the starting point side pipe line in the pipe K3 when the flow rate continuous type is satisfied. Flow rate q s, K3 , end point side pipe flow rate q e, K3 , start point side pipe flow rate q s, K4 , end point side pipe flow rate q e, K4 , and when continuous flow rate is satisfied Record the value of the nodal head used at the time of calculation, and finish the work.

そして、以上の管網解析の結果を用いて、管網全体に大きな影響を与える重要な管路などの策定を行い、その結果を、管路の更新計画などの維持管理に用いる。
以上のように本発明によれば、給水管からの取り出し水量に応じて管路からの取り出し水量を設定することで、節点取り出しモデルのように取り出し水量を節点から取り出す場合や、管路取り出しモデルのように取り出し水量を管路からその長さ方向にわたって一様に、一定量を取り出す場合に比べて、水の取り出し状況が現実に近くなり、より現実に即した管網解析を行うことができる。これにより、管網解析の精度の向上を図ることができる。
Then, using the results of the above-described pipe network analysis, an important pipe line that has a great influence on the entire pipe network is formulated, and the result is used for maintenance management such as a pipe renewal plan.
As described above, according to the present invention, by setting the amount of water to be taken out from the pipeline according to the amount of water to be taken out from the water supply pipe, the amount of water to be taken out from the node as in the node taking out model, or the pipe taking out model Compared to the case where a constant amount is taken out from the pipe along the length of the water as in the case where the water is taken out, the state of taking out the water becomes closer to reality, and a more realistic pipe network analysis can be performed. . Thereby, the accuracy of pipe network analysis can be improved.

また、2分法などを用いて始点側管路流量の値を算出するので、この始点側管路流量の値を精度よく算出できるとともに、この始点側管路流量に対応する終点側管路流量も精度よく算出することができる。   In addition, since the value of the starting point side pipe flow rate is calculated using a bisection method, the value of the starting point side pipe flow rate can be calculated with high accuracy, and the end point side pipe flow rate corresponding to the starting point side pipe flow rate. Can also be calculated with high accuracy.

また、ニュートン・ラフソン法により収束計算を行うことで、始点側管路流量の値および終点側管路流量の値、および節点の水頭の値を精度よく算出することができる。
さらに、取り出し水量を有効水頭の大きさに依存させたことで、例えば、圧力水頭の低下する需要のピーク時や高台にある地区において水の出が悪くなるといったことを表現できるので、取り出し水量が一定の場合である従来の管網解析よりも精度よく管網解析を行うことができる。
In addition, by performing convergence calculation using the Newton-Raphson method, it is possible to accurately calculate the value of the starting point side pipe flow rate, the value of the end point side pipe flow rate, and the value of the nodal head.
Furthermore, by making the amount of water taken out dependent on the size of the effective head, for example, it can be expressed that the amount of water taken out becomes worse at peak times of demand where the pressure head falls or in areas on high ground. The pipe network analysis can be performed with higher accuracy than the conventional pipe network analysis which is a fixed case.

なお、上記の管網解析方法は、節点取り出しモデルと組み合わせて計算することができる。   Note that the above pipe network analysis method can be calculated in combination with a node extraction model.

(a)は、本発明の管網解析方法における離散型取り出しモデルを説明する図、(b)は、図1(a)に示した場合における管路内の流量を示す図である。(A) is a figure explaining the discrete extraction model in the pipe network analysis method of this invention, (b) is a figure which shows the flow volume in a pipe line in the case shown to Fig.1 (a). 図1(a)に示す管網における水源と節点とに与えられている初期データを示す図である。It is a figure which shows the initial data provided to the water source and node in the pipe network shown to Fig.1 (a). 図1(a)に示す管網における管路に与えられている初期データを示す図である。It is a figure which shows the initial data provided to the pipe line in the pipe network shown to Fig.1 (a). LWL、動水位、損失水頭、地盤高、有効水頭の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between LWL, dynamic water level, loss head, ground height, and effective head. 本発明の管網解析方法を示す図である。It is a figure which shows the pipe network analysis method of this invention. 基準節点接続枝を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the reference | standard node connection branch. 開放除去可能な基準節点接続枝を除去した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which removed the reference | standard node connection branch which can be removed open. 図7における基準節点接続枝b5のデータを示す図である。It is a figure which shows the data of the reference | standard node connection branch b5 in FIG. 図7に示す管網に対する広さ優先木の検索結果を示す図である。It is a figure which shows the search result of the breadth priority tree with respect to the pipe network shown in FIG. 図1に示した離散型取り出しモデルにおいて行う計算の方法を示す図である。It is a figure which shows the method of the calculation performed in the discrete extraction model shown in FIG. 図1に示した離散型取り出しモデルにおいて、始点側管路流量の上限値を決定する際における管路内の流量を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a flow rate in a pipeline when determining an upper limit value of a start-side pipeline flow rate in the discrete extraction model shown in FIG. 1. 図11に示した場合における損失水頭の大きさと、管路流量が一定の場合における損失水頭の大きさとを比較する図である。It is a figure which compares the magnitude | size of the loss head in the case shown in FIG. 11 with the magnitude | size of the loss head in the case where pipe flow volume is constant. 有効水頭(圧力)と取り出し可能率(流量)との関係を表した特性曲線を示す図である。It is a figure which shows the characteristic curve showing the relationship between an effective water head (pressure) and the extraction possibility rate (flow rate). 節点における流量連続式を示す図である。It is a figure which shows the flow volume continuous type in a node. 管網解析の対象となる管網を示す図である。It is a figure which shows the pipe network used as the object of pipe network analysis. 実際の管網では給水管によって管路から水が取り出されているということを示す図である。It is a figure which shows that water is taken out from the pipe line by the water supply pipe in the actual pipe network. (a)は、各節点から一定量の水を取り出す節点取り出しモデルを示す図、(b)は、節点取り出しモデルにおける管路内の流量を示す図である。(A) is a figure which shows the node extraction model which takes out fixed amount of water from each node, (b) is a figure which shows the flow volume in the pipe line in a node extraction model. (a)は、各管路からその長さ方向にわたって一様に、一定の水量を取り出す管路取り出しモデルを示す図、(b)は、管路取り出しモデルにおける管路内の流量を示す図である。(A) is a figure which shows the pipe | tube extraction model which takes out a fixed amount of water uniformly from each pipe | tube along the length direction, (b) is a figure which shows the flow volume in the pipe line in a pipe | tube extraction model. is there.

符号の説明Explanation of symbols

S1 水源
N1〜N4 節点
K1〜K5 管路
PN 管網
s、Ki 始点側管路流量
e、Ki 終点側管路流量
S1 Water source N1 to N4 Nodes K1 to K5 Pipe line PN Pipe network q s, Ki start side pipe flow rate q e, Ki end side pipe flow rate

Claims (4)

水源と、管路どうしの交点である節点と、一端および他端に前記水源または前記節点が接続される管路とのネットワーク関係から構成される管網に対して、水の需要により前記管路から取り出される水量を、前記管網における水量から減じたうえで、前記管網を構成する各管路内の流量および各節点における水圧である水頭を算出する管網解析方法において、前記取り出される水量を前記管網における水量から減ずる際に、前記水の需要がある管路における少なくとも一箇所から前記取り出される水量を取り出して、前記水の需要がある管路内の流量が段階的に変化するようにし、そのうえで前記管路内の流量として前記管路における上流側の流量である始点側管路流量と下流側の流量である終点側管路流量とを算出することを特徴とする管網解析方法。 With respect to a pipe network composed of a network relationship between a water source, a node that is an intersection of the pipes, and a pipe to which the water source or the node is connected to one end and the other end, In the pipe network analysis method for calculating the water head which is the flow rate in each pipe line constituting the pipe network and the water pressure at each node after subtracting the water quantity taken out from the pipe network, the quantity of water taken out Is subtracted from the amount of water in the pipe network, the amount of water taken out is taken out from at least one place in the pipeline where the water is demanded so that the flow rate in the pipeline where the water is demanded changes stepwise. And a starting point side pipe flow rate which is an upstream side flow rate and a downstream side flow rate which is a downstream side flow rate are calculated as a flow rate in the pipe. Analysis method. 管網における各節点の水頭の初期値を設定し、前記水頭の初期値に基づいて、水の需要がある管路における始点側管路流量の下限値と上限値とを設定し、前記始点側管路流量の下限値と上限値とに基づいて前記始点側管路流量の初期値を設定し、前記始点側管路流量の初期値に基づいて算出した節点の水頭と、前記設定した節点の水頭の初期値とに基づいて前記始点側管路流量の初期値を更新し、更新した初期値に基づいて算出した節点の水頭と、前記設定した節点の水頭の初期値とに基づいて前記更新した初期値を更新する収束計算を行い、その収束値を始点側管路流量として算出し、前記算出した始点側管路流量に対応する終点側管路流量を算出することを特徴とする請求項1記載の管網解析方法。 Set the initial value of the head of each node in the pipe network, and based on the initial value of the head, set the lower limit value and the upper limit value of the start side pipe flow rate in the pipe where water is demanded, the start side An initial value of the starting point side pipe flow rate is set based on the lower limit value and the upper limit value of the pipe flow rate, the head of the node calculated based on the initial value of the starting point side pipe flow rate, and the set nodal point The initial value of the starting-point-side pipe flow rate is updated based on the initial value of the head, and the update is performed based on the head of the node calculated based on the updated initial value and the initial value of the head of the set node The convergence calculation for updating the initial value is performed, the convergence value is calculated as the starting point side pipe flow rate, and the end point side pipe flow rate corresponding to the calculated starting point side pipe flow rate is calculated. The pipe network analysis method according to 1. 水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、設定した各節点の水頭の初期値を更新し、前記更新した各節点の水頭の値に基づいて、前記水の需要がある管路における始点側管路流量および終点側管路流量を算出し、前記算出した始点側管路流量および終点側管路流量に基づいて、前記更新した各節点の水頭の値をさらに更新する収束計算を行い、始点側管路流量および終点側管路流量の収束値を前記水の需要がある管路における始点側管路流量の値および終点側管路流量の値とし、前記節点の水頭の収束値を前記節点の水頭の値として算出することを特徴とする請求項1または2記載の管網解析方法。 Based on the start point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate in the pipe where water is demanded, the initial value of the head of each set node is updated, and based on the updated head value of each node, Calculate the starting point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate in the pipe with the demand for water, and based on the calculated starting point side pipe flow rate and end point side pipe flow rate, the updated head value of each node The convergence calculation for further updating is performed, and the convergence value of the start point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate is set to the value of the start point side pipe flow rate and the end point side pipe flow rate in the pipe having the water demand, 3. The pipe network analysis method according to claim 1, wherein a convergence value of the water head of the node is calculated as a value of the water head of the node. 水の需要がある管路における少なくとも一箇所から取り出される水量が、前記管路における水が取り出される箇所の水頭から前記水が取り出される箇所の地盤高を減じた値である圧力水頭の大きさに応じて変化することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項記載の管網解析方法。
The amount of water taken from at least one location in a pipeline where water is in demand is the size of the pressure head, which is a value obtained by subtracting the ground height of the location where the water is taken out from the location where the water is taken out in the pipeline. The pipe network analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein the pipe network analysis method changes according to the method.
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