JP2015098724A - 水管理システム、水管理方法、プログラムおよびサーバ - Google Patents

Abstract

【課題】水の安定供給を図った水管理システムを提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、水管理システムは、配水系統から供給された水をプールする複数の受水槽を備える水インフラを管理する。この水管理システムは、予測部、計算部および制御部を具備する。予測部は、複数の受水槽から配水される複数の需要家の水デマンドを予測する。計算部は、予測された水デマンドに基づいて受水槽毎の給水予定時刻を計算する。制御部は、受水槽毎の給水予定時刻に基づくスケジュールで複数の受水槽に配水系統から給水する。さらに、制御部は、給水予定時刻が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該給水予定時刻の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらす。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、水インフラを管理する技術に関する。

高層の集合住宅（タワーマンションなど）やオフィスビル、あるいは学校などの建物では高層階での水圧が不足しがちである。一時的に大量の水を使用する大規模施設（噴水のあるショッピングモールなど）では水道の蛇口（給水栓）での水圧が不安定になりやすい。そこで受水槽式給水が採用される。この方式では、供給者（水道局、水道会社など）から供給される水は受水槽に溜められ、受水槽から各給水栓に配水される。

多くの受水槽は定水位弁を備える。受水槽内の水位が低下すると定水位弁は自動的に開き、受水槽が給水される。受水槽内の水位が既定値に達すると定水位弁は自動的に閉じ、給水が停止される。このように、定水位弁は槽内部の水位に基づいて、受水槽への給水／給水停止をローカルで制御する。一方、災害に対処するために、受水槽に給水する弁を遠隔（リモート）から制御できるようにする技術も提案されている。

特開２００６−１０９０７２号広報

定水位弁が開くと受水槽に大量の水が一度に流れ込み、水の流量にピークが生じる。このピークは水圧を一時的に低下させる。複数の受水槽への給水が同時に起こるとピークが重なって広範囲の水圧がダウンし、水の安定供給が脅かされる。
水を安定して供給するためには供給量と需要（デマンド）量とを調整する必要がある。水デマンドの時間変動に合わせて浄水場で供給量を調整することは不可能ではないが、浄水場の水の処理能力には限界がある、また、水利権は毎秒の取水可能な容量が決められているので、ピークに合わせて過大な水利権を取得することは不経済である。

浄水場としては設備の安定稼働のため浄水量を一定に保ち、時間あたりの浄水場からの送水量を一定にすることが望ましい。電力インフラでは需給調整のための研究が進んでいるが、水は電気と異なり圧力の伝播に時間を要するので、水インフラにおける需給調整は、より、難しい。

目的は、水の安定供給を図った水管理システム、水管理方法、プログラムおよびサーバを提供することにある。

実施形態によれば、水管理システムは、配水系統から供給された水をプールする複数の受水槽を備える水インフラを管理する。この水管理システムは、予測部、計算部および制御部を具備する。予測部は、複数の受水槽から配水される複数の需要家の水デマンドを予測する。計算部は、予測された水デマンドに基づいて受水槽毎の給水予定時刻を計算する。制御部は、受水槽毎の給水予定時刻に基づくスケジュールで複数の受水槽に配水系統から給水する。さらに、制御部は、給水予定時刻が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該給水予定時刻の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらす。

図１は、実施形態に係る水管理システムの一例を示すシステム図である。 図２は、受水槽６１，６２，…，６ｎの一例を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係るサーバ２００の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、サーバ２００の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、配水域における水の流量の日内変動の一例を示すグラフである。

図１は、実施形態に係る水管理システムの一例を示すシステム図である。図１に示される配水系統は、配水池１と、上水道の主幹線２とを備える。主幹線２は配水池１から導出され、複数の配水ブロック３１，３２，…が主幹線２に接続される。流量計７は、主幹線２が配水ブロック３１，３２，…に分岐する箇所に設けられる。

配水池１で浄化された水は、各配水ブロック３１，３２，…を経由して、コミュニティに分布する各需要家４，…に配水される。集合住宅や商業施設などの大口の需要家５１，５２，…，５ｎは、受水槽６１，６２，…，６ｎをそれぞれ備える。受水槽６１，６２，…，６ｎは、配水系統から供給される水をそれぞれ一時的にプールする。

配水ブロック３１，３２，…、需要家４、５１，５２，…，５ｎ、受水槽６１，６２，…，６ｎ、流量計７および通信ネットワーク８などにより上水道インフラ（水インフラ）が形成される。水インフラは、図示しない下水道インフラを含んでも良い。

受水槽６１，６２，…，６ｎ、および流量計７は通信ネットワーク８を介してクラウドコンピューティングシステム（以下、クラウドと略記する）１００に接続される。通信ネットワーク８は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、有線ＬＡＮ、ＷＡＮ（Wide Area Network）、公衆回線網、インターネットなど、種々の形態が可能である。このほか、流量計７および受水槽６１，６２，…，６ｎごとに専用線を敷設しても良い。

クラウド１００はサーバ２００およびデータベース３００を備える。サーバ２００は、単体のコンピュータ、あるいは複数のコンピュータの総体として構成されることが可能である。データベース３００は、単体あるいは複数のストレージデバイスにより実現される記憶手段として構成されることが可能である。

図２は、受水槽６１の一例を示すブロック図である。受水槽６２，…，６ｎも同様である。受水槽６１は、通信部６ａ、水位センサ６ｂおよび開閉装置６ｃを備える。通信部６ａはクラウド１００およびサーバ２００と通信ネットワーク８を介して通信し、種々のデータを授受する。水位センサ６ｂは例えば水圧式の水位メータを備え、槽内部の水の水位を例えば１０分間隔で計測する。計測により得られた水位データは通信ネットワーク８経由でサーバ２００に伝送され、データベース３００に蓄積される。なお、計測された槽内の水位が既定の最低水位を下回っていれば、警告信号を発するようにしても良い。

リモート制御バルブとしての開閉装置６ｃは、例えば電磁バルブとして実現される。開閉装置６ｃは、配水系統と受水槽６１との間の給水経路９に設けられ、この給水経路９を開閉する。開閉装置６ｃの開閉は通信ネットワーク８を介してクラウド１００側から制御される。つまり開閉装置６ｃの開閉はサーバ２００により制御される。すなわち受水槽６１，６２，…，６ｎへの給水／給水停止はクラウド１００によりリモート制御される。

図３は、実施形態に係るサーバ２００の一例を示す機能ブロック図である。サーバ２００は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）とメモリとを備えるコンピュータである。メモリはこのコンピュータを制御するプログラムを記憶する。ＣＰＵが各種のプログラムに基づいて機能することでサーバ２００に係る諸機能が実現される。

サーバ２００は、予測部２ａ、スケジュール作成部２ｂ、制御部２ｃ、通信部２ｄおよび記憶部２ｆを備える。予測部２ａ、スケジュール作成部２ｂ、制御部２ｃ、および通信部２ｄは、例えば記憶部２ｆに記憶されＣＰＵにより実行されるプログラムの処理機能として実現される。また、これらのプログラムをクラウド１００に分散させてインプリメントすることも可能である。

このうち通信部２ｄは通信ネットワーク８を介して受水槽６１，６２，…，６ｎの通信部６ａに接続される。通信部２ｄは、受水槽６１，６２，…，６ｎから水位データを取得したり、開閉装置６ｃへの開閉制御コマンドを投入したりする。取得された水位データなどは記憶部２ｆに記憶される。

予測部２ａは、受水槽６１，６２，…，６ｎから配水される複数の需要家の水需要（水デマンド）を予測する。実施形態において、予測部２ａは、受水槽６１，６２，…，６ｎから直接給水される需要家５１〜５ｎの水デマンドを予測する。もちろん、配水系統から給水される需要家４の個別の水デマンドを併せて予測しても良い。

特に予測部２ａは、受水槽６１，６２，…，６ｎにプールされた水の減少速度を、水位センサ６ｂから取得された時系列の水位データに基づいて算出する。この受水槽６１，６２，…，６ｎごとの水の減少速度に基づいて、需要家５１〜５ｎごとの水デマンドを見積もる（estimate）ことができる。もちろん、水デマンドは時間帯により一日の中で変動したり、季節毎に変動したり、突発的なイベントの発生などにより変化したりする。このような要素を統計的に処理し、既知の手法によっても水デマンドを予測することが可能である。

スケジュール作成部２ｂは、予測部２ａにより予測された水デマンドに基づいて、受水槽６１，６２，…，６ｎ毎の次回の給水時刻、つまり給水予定時刻を計算する。受水槽６１，６２，…，６ｎ毎の給水予定時刻をまとめて、給水スケジュールが作成される。

制御部２ｃは、受水槽６１，６２，…，６ｎ毎の開閉装置６ｃを給水スケジュールに基づいて個別に制御し、受水槽６１，６２，…，６ｎのそれぞれに配水系統から給水する。つまり受水槽６１，６２，…，６ｎへの給水タイミングは、制御部２ｃにより個別に制御される。

特に実施形態では、複数の受水槽の給水予定時刻が重なれば、制御部２ｃはこれらの受水槽間（つまり給水予定時刻の重なりあう受水槽同士）で給水時刻をずらすことにより、複数の受水槽が同じタイミングで給水されることを防止する。例えば２つの受水槽間で給水予定時刻が重なれば、制御部２ｃはいずれかの受水槽の給水時刻（実際に給水される時刻）を前倒しで早める。３つ以上の受水槽が関係すれば、少なくとも２つの受水槽の給水時刻を順次早めればよい。これにより、給水時刻を遅くするのに比べて槽内の水が枯渇することを防止できる。次に、上記構成における作用を説明する。

図４は、サーバ２００の処理手順の一例を示すフローチャートである。サーバ２００は、通信ネットワーク８およびクラウド１００を経由して、受水槽６１，６２，…，６ｎの水位センサ６ｂから水位データを取得する（ステップＳ１）。取得された水位データはデータベース３００に記憶される（ステップＳ２）。

次にサーバ２００は、プールされた水の単位時間当たりの減少量、つまり減少速度を受水槽６１，６２，…，６ｎ毎に算出する（ステップＳ３）。減少速度は、例えば最新の水位データとその前回の水位データとの差分を、既定のデータ収集インターバル（例えば１０分間隔）で除算して算出できる。さらに、前々回の水位データを参照しても良い。

次にサーバ２００は、それぞれの水位と減少速度とに基づいて、受水槽６１，６２，…，６ｎ毎の水デマンドを予測する（ステップＳ４）。さらにサーバ２００は、予測された水デマンドに基づいて、受水槽６１，６２，…，６ｎ毎の給水予定時刻Ｔｍ（ｍ＝１，２，…，ｎ−１，ｎ）を計算する（ステップＳ５）。

次にサーバ２００は、給水予定時刻Ｔｍ（ｍ＝１，２，…，ｎ−１，ｎ）を比較して、同じ時刻がないかどうか、つまり給水予定時刻に重なりが有るか否かを確認する（ステップＳ６）。重なりが無ければ（Ｎｏ）、サーバ２００は開閉装置６ｃのそれぞれに、給水予定時刻Ｔｍ（ｍ＝１，２，…，ｎ−１，ｎ）に基づく給水スケジュールで制御信号を与えて給水制御を行う（ステップＳ７）。

給水時刻の重なる受水槽が有れば（ステップＳ６でＹｅｓ）、サーバ２００はいずれかの受水槽の給水時刻を早めたスケジュールで（ステップＳ８）受水槽６１，６２，…，６ｎのそれぞれに給水する。

以上説明したようにこの実施形態では、配水域内の受水槽のそれぞれに開閉装置、水位センサおよび通信部を備え、水位センサで取得された水位データをクラウドコンピューティングシステムのサーバにより収集する。サーバは配水域内の各受水槽の水位を監視し、受水槽毎の水の減少速度（または水位の低下する速度）を算出する。

サーバは、水の減少速度と水位データとに基づいて今後の水デマンドを予測し、受水槽毎の次回の給水予定時刻を算出する。その結果、複数の受水槽で同時刻での給水が生じることが予測されると、サーバはいずれかの受水槽の給水時刻を前倒しする。これにより複数の受水槽に同時に給水されることが回避され、水流のピークシフトを実現することが可能になる。

既存の技術では、各受水槽は、ボールタップや電極棒、あるいは電磁弁を用いた定水位弁がローカルで機能することで給水されていた。このため受水槽ごとの定水位弁がそれぞれ勝手に動作することになり、給水のタイミングの重なることが起こり得る。

図５に示されるように、受水槽への給水は水流にピークを生じさせる。図５のグラフの縦軸は立米（立方メートル）／秒で示される流量である。図５の例では、３０立方メートルの受水槽への給水による配水系統からの水の引き抜きにより、ピークの生じることがわかる。つまり１日の配水量のわずか０．３％の容量の受水槽１箇所への給水により、急峻なピークが発生する。複数の受水槽への給水が同時に発生するとピークはさらに大きくなり、配水域内の水圧が許容値を下回るおそれがある。

これに対し実施形態によれば、水デマンドの予測結果に基づいて各受水槽の給水予定時刻を予測し、同時刻に複数の受水槽への給水が予測されれば、前倒しで給水を行う。これにより同時刻に複数の受水槽が給水されることを回避し、水デマンドのピークシフトを実現することが可能になる。これらのことから、水の安定供給を図った水管理システム、水管理方法、プログラムおよびサーバを提供することが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…配水池、２…主幹線、２ａ…予測部、２ｂ…スケジュール作成部、２ｃ…制御部、２ｄ…通信部、２ｆ…記憶部、３１，３２…配水ブロック、４…需要家、５１〜５ｎ…需要家、６１，６２，〜，６ｎ…受水槽、６ａ…通信部、６ｂ…水位センサ、６ｃ…開閉装置、７…流量計、８…通信ネットワーク、９…給水経路、１００…クラウドコンピューティングシステム、２００…サーバ、３００…データベース

Claims (16)

1. 配水系統から供給された水をプールする複数の受水槽を備える水インフラを管理する水管理システムにおいて、
   前記複数の受水槽から配水される複数の需要家の水デマンドを予測する予測部と、
   前記予測された水デマンドに基づいて前記受水槽毎の給水予定時刻を計算する計算部と、
   前記受水槽毎の給水予定時刻に基づくスケジュールで前記複数の受水槽に前記配水系統から給水する制御部とを具備し、
   前記制御部は、
   前記給水予定時刻が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該給水予定時刻の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらすことを特徴とする、水管理システム。
2. 前記複数の受水槽は、前記配水系統との間の給水経路に設けられ通信ネットワークを介して制御可能なリモート制御バルブを備え、
   前記制御部は、前記スケジュールに基づいて前記複数の受水槽毎のリモート制御バルブの開閉を前記通信ネットワークを介して制御する、請求項１記載の水管理システム。
3. 前記複数の受水槽は、前記通信ネットワークに接続される水位センサを備え、
   前記計算部は、
   前記水位センサで計測される前記受水槽毎の水位を前記通信ネットワークを介して取得し、
   前記取得された水位と前記予測された水デマンドとに基づいて前記給水予定時刻を計算する、請求項２記載の水管理システム。
4. 前記制御部は、前記給水予定時刻の重なりあう受水槽のうち少なくとも１つの受水槽の給水時刻を当該受水槽の給水予定時刻よりも早める、請求項１に記載の水管理システム。
5. さらに、前記受水槽毎の容量を記憶するデータベースを具備し、
   前記計算部は、前記データベースに記憶される容量に基づいて前記受水槽毎の給水終了予定時刻を計算し、
   前記制御部は、前記給水予定時刻から前記給水終了予定時刻までの期間が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該期間の重なりを解消すべく当該期間の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらすことを特徴とする、請求項１に記載の水管理システム。
6. 配水系統から供給された水をプールする複数の受水槽を備える水インフラを管理するコンピュータにより実行される水管理方法において、
   前記複数の受水槽から配水される複数の需要家の水デマンドを予測し、
   前記予測された水デマンドに基づいて前記受水槽毎の給水予定時刻を計算し、
   前記受水槽毎の給水予定時刻に基づくスケジュールで前記複数の受水槽に前記配水系統から給水し、
   前記給水することは、
   前記給水予定時刻が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該給水予定時刻の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらすことを特徴とする、水管理方法。
7. 前記複数の受水槽は、前記配水系統との間の給水経路に設けられ通信ネットワークを介して制御可能なリモート制御バルブを備え、
   前記給水することは、前記スケジュールに基づいて前記複数の受水槽毎のリモート制御バルブの開閉を前記通信ネットワークを介して制御する、請求項６記載の水管理方法。
8. 前記複数の受水槽は、前記通信ネットワークに接続される水位センサを備え、
   前記計算することは、
   前記水位センサで計測される前記受水槽毎の水位を前記通信ネットワークを介して取得し、
   前記取得された水位と前記予測された水デマンドとに基づいて前記給水予定時刻を計算する、請求項７記載の水管理方法。
9. 前記給水することは、前記給水予定時刻の重なりあう受水槽のうち少なくとも１つの受水槽の給水時刻を当該受水槽の給水予定時刻よりも早める、請求項６に記載の水管理方法。
10. 前記計算することは、前記受水槽毎の容量に基づいて前記受水槽毎の給水終了予定時刻を計算し、
    前記給水することは、前記給水予定時刻から前記給水終了予定時刻までの期間が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該期間の重なりを解消すべく当該期間の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらす、請求項６に記載の水管理方法。
11. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の方法をコンピュータに実行させるための命令を含む、プログラム。
12. 配水系統から供給された水をプールする複数の受水槽を備える水インフラを、通信ネットワークを介して管理するサーバであって、
    前記複数の受水槽から配水される複数の需要家の水デマンドを予測する予測部と、
    前記予測された水デマンドに基づいて前記受水槽毎の給水予定時刻を計算する計算部と、
    前記受水槽毎の給水予定時刻に基づくスケジュールで前記複数の受水槽に前記配水系統から給水する制御部とを具備し、
    前記制御部は、
    前記給水予定時刻が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該給水予定時刻の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらすことを特徴とする、サーバ。
13. 前記複数の受水槽は、前記配水系統との間の給水経路に設けられ前記通信ネットワークを介して制御可能なリモート制御バルブを備え、
    前記制御部は、前記スケジュールに基づいて前記複数の受水槽毎のリモート制御バルブの開閉を前記通信ネットワークを介して制御する、請求項１２記載のサーバ。
14. 前記複数の受水槽は、前記通信ネットワークに接続される水位センサを備え、
    前記計算部は、
    前記水位センサで計測される前記受水槽毎の水位を前記通信ネットワークを介して取得し、
    前記取得された水位と前記予測された水デマンドとに基づいて前記給水予定時刻を計算する、請求項１３記載のサーバ。
15. 前記制御部は、前記給水予定時刻の重なりあう受水槽のうち少なくとも１つの受水槽の給水時刻を当該受水槽の給水予定時刻よりも早める、請求項１２に記載のサーバ。
16. 前記計算部は、前記受水槽毎の容量に基づいて前記受水槽毎の給水終了予定時刻を計算し、
    前記制御部は、前記給水予定時刻から前記給水終了予定時刻までの期間が２つ以上の受水槽間で重なれば、当該期間の重なりを解消すべく当該期間の重なりあう受水槽間で給水時刻をずらすことを特徴とする、請求項１２に記載のサーバ。