JP2016156345A - 運転効率推定システム、運転効率推定方法、運転効率推定装置及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、送水施設の具体例を示す図である。
図1の符号1は、水が輸送される輸送路を表している。図中の実線矢印は水が輸送される方向を表しており、輸送路1を流れる水は符号2が示す合流点で合流する。このような輸送路を持つ送水施設には、ポンプ3−1〜3−4、流量計4、圧力計5が設置される。ポンプ3−1〜3−4(流体輸送装置)は、合流点2で合流する前の複数の輸送路1のそれぞれに設置される。流量計4は、合流点2又は合流後の輸送路1に設置される。流量計4は、設置位置の輸送路1を流れる水の流量を計測する。圧力計5は、合流点2又は合流後の輸送路1に設置される。圧力計5は、設置位置の輸送路1を流れる水の圧力を計測する。以下、説明を簡単にするため、特に区別しない限り、ポンプ3−1〜3−4をまとめてポンプ3と記載する。
ポンプ効率推定装置100は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備える。CPUは、メモリや補助記憶装置に記憶されたポンプ効率推定プログラムを実行する。ポンプ効率推定装置100は、ポンプ効率推定プログラムの実行によって運転情報取得部101、流量情報取得部102、圧力情報取得部103、電力情報取得部104、運転期間抽出部105及び運転効率推定部106を備える装置として機能する。なお、ポンプ効率推定装置100の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。ポンプ効率推定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。ポンプ効率推定プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
流量情報取得部102は、流量計4から流量情報を取得する。流量情報取得部102は、取得された流量情報を運転効率推定部106に出力する。
圧力情報取得部103は、圧力計5から圧力情報を取得する。圧力情報取得部103は、取得された圧力情報を運転効率推定部106に出力する。
電力情報取得部104は、電力計8から電力情報を取得する。電力情報取得部104は、取得された電力情報を運転効率推定部106に出力する。
図3において、図(a)は運転情報の具体例を示す図である。図(b)は流量情報の具体例を示す図である。図(c)は圧力情報の具体例を示す図である。図(d)は電力情報の具体例を示す図である。図(a)、(b)、(c)及び(d)の横軸は時間を表し、各図の時間軸は同じ時間を表す。図(a)の縦軸は、ポンプ1〜4の4基のポンプの運転状況を表す。図(b)、(c)及び(d)の縦軸は、それぞれ流量、圧力及び電力を表す。
運転期間抽出部105は、運転情報取得部101から運転情報を取得する。運転期間抽出部105は、運転情報が示す各ポンプの運転状況に基づいて、運転情報が示す期間から1つのポンプが単独で運転されている期間(以下、「単独運転期間」という。)を抽出する。運転期間抽出部105は、抽出された単独運転期間と、その単独運転期間に運転されていたポンプと、を示す単独運転情報を運転効率推定部106に出力する。
図4において縦軸は運転効率の値を表し、横軸は時間を表す。図4にプロットされた点は、単独運転期間における複数の計測データに基づいて算出された、複数の運転効率の値を示す。運転効率の各値は、各時刻における計測データから算出されたものである。図4の例は、運転効率推定部106が、各点の重心における値を運転効率の推定値とすることを示している。各点の重心における運転効率の値は、例えば次の式(2)によって表される。
まず、ポンプ効率推定装置100は、運転情報、流量情報、圧力情報及び電力情報を取得する(ステップS101)。具体的には、運転情報取得部101が運転制御システム9から運転情報を取得し、流量情報取得部102が流量計4から流量情報を取得し、圧力情報取得部103が圧力計5から圧力情報を取得し、電力情報取得部104が電力計8から電力情報を取得する。運転情報取得部101は、取得した運転情報を運転期間抽出部105に出力する。流量情報取得部102、圧力情報取得部103、電力情報取得部104は、それぞれ取得した流量情報、圧力情報及び電力情報を運転効率推定部106に出力する。
以下、第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aについて説明する。第1の実施形態のポンプ効率推定装置100は、運転情報から各ポンプの単独運転期間を抽出することにより、ポンプごとの運転効率を推定した。しかしながら、第1の実施形態における推定方法では、計測データが存在する流量の範囲(以下、「流量範囲」という。)においては運転効率を推定することができるが、流量範囲外では運転効率を推定することができない場合がある。一般に、流量と圧力との間、及び流量と消費電力との間には相関があることが知られており、流量範囲が異なるポンプ同士の運転効率を単純に比較することができない。そのため、第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aは、流量範囲の異なるポンプについて運転効率を比較することが可能となるように、あるポンプについて取得された単独運転期間における計測データから流量に対する圧力及び電力を推定する。
なお、図6では、図2と同じ符号を付すことによって図2と同様の機能部についての説明を省略する。
第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aは、運転効率推定部106に代えて運転効率推定部106aを備える点、圧力曲線推定部107及び電力曲線推定部108をさらに備える点で第1の実施形態のポンプ効率推定装置100と異なる。
図7における図(a)は、あるポンプの単独運転期間における圧力情報を示す図である。図(b)は、当該ポンプの単独運転期間における電力情報を示す図である。図(c)は、当該ポンプの単独運転期間における圧力情報及び電力情報に基づいて推定された、運転効率推定モデルを示す図である。このように、任意の流量範囲で取得される圧力情報及び電力情報に基づいて、任意の流量に対する運転効率を示す運転効率推定モデルが構築されることによって、第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aは、異なる流量範囲のポンプ同士で運転効率を比較することを可能にする。
なお、図8では、図5と同じ符号を付すことによって図5と同様の処理についての説明を省略する。
圧力曲線推定部107は、運転期間抽出部105から各ポンプの単独運転期間を示す情報を取得する。また、圧力曲線推定部107は、流量情報取得部102及び圧力情報取得部103から、それぞれ流量情報及び圧力情報を取得する。圧力曲線推定部107は、流量情報及び圧力情報における単独運転期間の計測データに基づいて、各ポンプの圧力パラメータを決定する(ステップS201)。圧力曲線推定部107は、決定した各ポンプの圧力パラメータをポンプ効率推定部16aに出力する。
以下、第3の実施形態のポンプ効率推定装置100bについて説明する。第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aは、ある流量範囲について取得された計測データに基づいて、任意の流量範囲における運転効率を推定する運転効率推定モデルを構築することによって、流量範囲の異なるポンプについて運転効率を比較することを可能にした。しかしながら、第2の実施形態における推定方法では、各ポンプについて単独運転期間の計測データが十分に得られない場合、運転効率推定モデルの圧力パラメータ及び電力パラメータを決定できない可能性がある。そのため、第3の実施形態のポンプ効率推定装置100bは、複数のポンプが同時に運転された状況で取得された計測データに基づいて、圧力パラメータ及び電力パラメータを決定することを可能にする。
なお、図9では、図6と同じ符号を付すことによって図6と同様の機能部についての説明を省略する。
第3の実施形態のポンプ効率推定装置100bは、運転期間抽出部105を備えない点、圧力曲線推定部107に代えて圧力曲線推定部107bを備える点、電力曲線推定部108に代えて電力曲線推定部108bを備える点で第2の実施形態のポンプ効率推定装置100aと異なる。
以下、第4の実施形態のポンプ効率推定装置100cについて説明する。第3の実施形態のポンプ効率推定装置100bは、複数のポンプが同時に運転された状況で取得された計測データに基づいて定式化される非線形最適化問題を解くことで、圧力パラメータ及び電力パラメータを決定した。しかしながら、第3の実施形態におけるパラメータの決定方法では、最適化問題において推定すべきパラメータの数が多いため、可同定性が低下したり、最適解が得られない場合があった。そのため、第4の実施形態のポンプ効率推定装置100cは、まず計測データの近似直線を決定し、決定された近似直線のパラメータをもとに、ポンプの特性を考慮して外挿することで圧力パラメータ及び電力パラメータを決定する。
なお、図10では、図9と同じ符号を付すことによって図9と同様の機能部についての説明を省略する。
第4の実施形態のポンプ効率推定装置100cは、圧力曲線推定部107bに代えて圧力曲線推定部107cを備える点、電力曲線推定部108bに代えて電力曲線推定部108cを備える点、直線近似部109をさらに備える点で第3の実施形態のポンプ効率推定装置100bと異なる。以下、圧力パラメータ及び電力パラメータのそれぞれについて、各パラメータの決定における各機能部の構成について説明する。
直線近似部109は、運転情報取得部101から運転情報を取得する。また、直線近似部109は、流量情報取得部102及び圧力情報取得部103から、それぞれ流量情報及び圧力情報を取得する。直線近似部109は、取得した運転情報、流量情報及び圧力情報に基づいて、各ポンプにおける流量によって圧力を表す近似直線を決定する。狭い流量範囲について計測データが取得される場合、圧力H(t)を示す近似直線は次の式(24)のように表される。
図11の横軸は流量を表し、縦軸は圧力を表す。図11の点群20は、圧力曲線を求める対象となるポンプについて取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。ここでは、点群20に示される計測データに対応する単独運転しているポンプを仮にポンプAと記載する。また、点群21は、ポンプA単独ではなく、複数台のポンプが運転する計測データがプロットされた点の集合を表す。
図11に示された前提条件と、図12が示す前提条件との違いは、式(29)が式(32)に置き換えられた点である。そして、式(33)は、圧力曲線23が、流量範囲の最大値において近似直線22上の点を通るという前提条件を表しているのに対して、式(32)は、圧力曲線23が、流量範囲の最小値において近似直線22上の点を通るという前提条件を表している。
直線近似部109は、運転情報取得部101から運転情報を取得する。また、直線近似部109は、流量情報取得部102及び電力情報取得部104から、それぞれ流量情報及び電力情報を取得する。直線近似部109は、取得した運転情報、流量情報及び電力情報に基づいて、各ポンプにおける流量によって電力を表す近似直線を決定する。狭い流量範囲について計測データが取得される場合、電力P(t)を示す近似直線は次の式(34)のように表される。
図13の横軸は流量を表し、縦軸は電力を表す。図13の点群30は、電力曲線を求める対象となるポンプAについて取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。また、点群31−1及び点群31−2は、ポンプAについて異なるタイミングで取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。以下、説明を簡単にするために、特に区別しない限り点群31−1及び点群31−2を点群31と記載する。
以下、第5の実施形態のポンプ効率推定装置100dについて説明する。上述した第2〜第4の実施形態のポンプ効率推定装置では、運転効率を推定するための圧力パラメータ及び電力パラメータの決定を最適化問題として定式化している。最適化問題を解くことにより運転効率を推定する場合、決定すべきパラメータの可同定性が重要となる。そして、上述した最適化問題の可同定性に本質的に影響を与えるのはポンプの運転情報である。
図14は、3台のポンプの運転状態を示すd(t)が{1、1、0}又は{1、1、1}の2パターンの値しかとらない場合を示している。図14における全体流量は、各ポンプの流量の総和を表し、全体消費電力は、各ポンプの消費電力の総和を表す。この場合、ポンプ3については稼働及び非稼働の切り替わりが運転情報に含まれるため、パラメータの推定が可能である。しかしながら、ポンプ1及びポンプ2については、稼働及び非稼働の切り替わりが運転情報に含まれないため、パラメータを推定することができない。
なお、図15では、図10と同じ符号を付すことにより、図10と同様の機能部についての説明を省略する。
第5の実施形態のポンプ効率推定装置100dは、カバー率向上部110をさらに備える点で第4の実施形態のポンプ効率推定装置100cと異なる。
以下、カバー率向上部110が行うカバー率向上処理の詳細について説明する。
カバー率Rは、例えば次の式(42)のように定義される。
図16は、式(43)で表される運転情報に対して、間引きの対象となるポンプの組み合わせを変えてカバー率向上処理を行った結果を示す。図16の間引きパターンは、間引きの対象となるポンプの組み合わせを表す。間引きパターンに「×」が記載されたポンプが間引きの対象となるポンプである。対象ポンプ台数は、カバー率向上処理後の運転情報でパラメータの推定が可能となるポンプの台数を表す。図16から、間引きの対象となるポンプが多くなるほど、カバー率が向上することが分かる。なお、図16において、対象ポンプ台数が1台の場合にカバー率をゼロとしているのは、式(43)で表される運転情報において、ポンプ1、ポンプ2及びポンプ3の全てが稼働しない運転状態を示すパターンがないことを表している。
図17は、第6の実施形態のポンプ効率推定装置100eの機能構成を示す機能ブロック図である。
なお、図17では、図15と同じ符号を付すことにより、図15と同様の機能部についての説明を省略する。
第6の実施形態のポンプ効率推定装置100eは、表示部111、記憶部112及び表示制御部113をさらに備える点で第5の実施形態のポンプ効率推定装置100dと異なる。
運転効率情報の第1の表示態様は、各ポンプの運転効率を任意の流量について比較可能にする態様である。第1の表示態様では、表示制御部113は、例えばユーザによって指定された任意の流量に対して各ポンプの運転効率を算出し、算出した運転効率の値を効率曲線に対応づけて表示部111に表示させる。
運転効率情報の第2の表示態様は、各ポンプの運転効率を運転効率の最大値で比較可能にする態様である。第2の表示態様では、表示制御部113は、各ポンプの運転効率の最大値を算出し、算出した運転効率の最大値を効率曲線に対応づけて表示部111に表示させる。
運転効率情報の第3の表示態様は、任意のポンプの運転効率について時系列の変化を表示する態様である。第3の表示態様では、表示制御部113は、例えばユーザによって指定されたポンプについて、過去の所定期間ごとに推定された効率曲線を時系列に表示部111に表示させる。
第1の方法は、計測データから、ポンプの起動時や停止時に計測される過渡的なデータを除去する方法である。この場合、ポンプ効率推定装置は、例えば図21のように、ポンプの起動時又は停止時を含む所定期間のデータを計測データから削除する。
Claims (15)
- 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され、前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置と、
前記流体輸送装置ごとの稼働又は停止の状態を時系列に示す運転情報を取得する運転情報取得部と、
前記運転情報に基づいて、前記流体輸送装置のそれぞれが単独で稼働している単独運転期間を抽出する運転期間抽出部と、
前記流体輸送装置の消費電力の総量を計測し、前記消費電力の総量を時系列に示す電力情報を取得する電力計測部と、
前記流体の圧力を計測し、前記圧力を時系列に示す圧力情報を取得する圧力計測部と、
前記合流点における前記流体の流量を計測し、前記流量を時系列に示す流量情報を取得する流量計測部と、
前記単独運転期間における前記電力情報、前記圧力情報及び前記流量情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置の運転効率を推定する運転効率推定部と、
を備える運転効率推定システム。 - 前記単独運転期間における前記流量情報及び前記圧力情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置における流量と圧力との関係を示す圧力曲線を推定する圧力曲線推定部と、
前記単独運転期間における前記流量情報及び前記電力情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置における流量と電力との関係を示す電力曲線を推定する電力曲線推定部と、
をさらに備え、
前記運転効率推定部は、前記圧力曲線及び前記電力曲線に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置の任意の流量に対する運転効率を推定する、
請求項1に記載の運転効率推定システム。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置と、
前記流体輸送装置ごとの稼働又は非稼働の状態を時系列に示す運転情報を取得する運転情報取得部と、
前記流体輸送装置の消費電力の総量を計測し、前記消費電力の総量を時系列に示す電力情報を取得する電力計測部と、
前記流体の圧力を計測し、前記圧力を時系列に示す圧力情報を取得する圧力計測部と、
前記合流点における前記流体の流量を計測し、前記流量を時系列に示す流量情報を取得する流量計測部と、
前記運転情報、前記流量情報及び前記圧力情報に基づいて、前記流体輸送装置ごとの流量と圧力との関係を示す圧力曲線を推定する圧力曲線推定部と、
前記運転情報、前記流量情報及び前記電力情報に基づいて、前記流体輸送装置ごとの流量と電力との関係を示す電力曲線を推定する電力曲線推定部と、
前記圧力曲線及び前記電力曲線に基づいて、前記流体輸送装置ごとの運転効率を推定する運転効率推定部と、
を備える運転効率推定システム。 - 前記圧力曲線推定部は、非線形最適化問題を解くことで前記圧力曲線を表すパラメータを推定し、
前記電力曲線推定部は、非線形最適化問題を解くことで前記電力曲線を表すパラメータを推定する、
請求項3に記載の運転効率推定システム。 - 前記圧力曲線推定部は、前記流量情報及び前記圧力情報が示す計測値を直線で近似し、前記流体輸送装置の締切圧は一定であることを条件の1つとして前記圧力曲線を表すパラメータを連立方程式の解として推定し、
前記電力曲線推定部は、前記流量情報及び前記電力情報が示す計測値を直線で近似し、流量がゼロのときの電力は変化しないことを条件の1つとして前記電力曲線を表すパラメータを連立方程式の解として推定する、
請求項3に記載の運転効率推定システム。 - 前記運転情報取得部によって取得された前記運転情報から非稼働の流体輸送装置の運転情報を削除することで、削除後の運転情報に含まれる各流体輸送装置の状態の組み合わせの数が、取り得る状態の組み合わせの数に占める割合を高めるカバー率向上処理を行うカバー率向上部をさらに備え、
前記圧力曲線推定部は、前記カバー率向上処理が行われた前記運転情報、前記流量情報及び前記圧力情報に基づいて前記圧力曲線を推定し、
前記電力曲線推定部は、前記カバー率向上処理が行われた前記運転情報、前記流量情報及び前記電力情報に基づいて前記電力曲線を推定する、
請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の運転効率推定システム。 - 前記運転効率の推定に関する処理が行われる前に、前記流量計測部によって取得された前記流量情報と、前記圧力計測部によって取得された前記圧力情報と、前記電力計測部によって取得された前記電力情報から、運転効率の推定精度を低下させる可能性のある情報を除去する除去部をさらに備える、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の運転効率推定システム。 - 前記運転効率の推定結果を表示する表示部と、
前記推定結果を、前記流体輸送装置間で比較可能な態様で前記表示部に表示させる表示制御部と、
をさらに備える、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の運転効率推定システム。 - 前記表示制御部は、前記流体輸送装置のうち選択された少なくとも1つの流体輸送装置について、前記推定結果を時系列で比較可能な態様で前記表示部に表示させる、
請求項8に記載の運転効率推定システム。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置ごとの稼働又は停止の状態を時系列に示す運転情報に基づいて、前記流体輸送装置のそれぞれが単独で稼働している単独運転期間を抽出する運転期間抽出ステップと、
前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報、及び前記合流点における前記流体の流量を時系列に示す流量情報の前記単独運転期間の情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置の運転効率を推定する運転効率推定ステップと、
を有する運転効率推定方法。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置ごとの稼働又は非稼働の状態を時系列に示す運転情報と、前記合流点における前記流体の流量を時系列に示す流量情報と、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と圧力との関係を示す圧力曲線を推定する圧力曲線推定ステップと、
前記運転情報と、前記流量情報と、前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と電力との関係を示す電力曲線を推定する電力曲線推定ステップと、
前記圧力曲線及び前記電力曲線に基づいて、前記流体輸送装置ごとの運転効率を推定する運転効率推定ステップと、
を有する運転効率推定方法。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置について、前記流体輸送装置ごとの稼働又は停止の状態を時系列に示す運転情報に基づいて、前記流体輸送装置のそれぞれが単独で稼働している単独運転期間を抽出する運転期間抽出部と、
前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報と、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報と、前記流体の総流量を時系列に示す流量情報と、の前記単独運転期間における情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置の運転効率を推定する運転効率推定部と、
を備える運転効率推定装置。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置について、前記流体輸送装置ごとの稼働又は停止の状態を時系列に示す運転情報に基づいて、前記流体輸送装置のそれぞれが単独で稼働している単独運転期間を抽出する運転期間抽出ステップと、
前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報と、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報と、前記流体の総流量を時系列に示す流量情報と、の前記単独運転期間における情報に基づいて、前記単独運転期間に稼働した前記流体輸送装置の運転効率を推定する運転効率推定ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置ごとの稼働又は非稼働の状態を時系列に示す運転情報と、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報と、前記合流点における前記流体の流量を時系列に示す流量情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と圧力との関係を示す圧力曲線を推定する圧力曲線推定部と、
前記運転情報と、前記流量情報と、前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と電力との関係を示す電力曲線を推定する電力曲線推定部と、
前記圧力曲線及び前記電力曲線に基づいて、前記流体輸送装置ごとの運転効率を推定する運転効率推定部と、
を備える運転効率推定装置。 - 1点で合流する複数の輸送路ごとに設置され前記輸送路を流れる流体を輸送する流体輸送装置ごとの稼働又は非稼働の状態を時系列に示す運転情報と、前記流体の圧力を時系列に示す圧力情報と、前記合流点における前記流体の流量を時系列に示す流量情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と圧力との関係を示す圧力曲線を推定する圧力曲線推定ステップと、
前記運転情報と、前記流量情報と、前記流体輸送装置の消費電力の総量を時系列に示す電力情報と、に基づいて前記流体輸送装置ごとの流量と電力との関係を示す電力曲線を推定する電力曲線推定ステップと、
前記圧力曲線及び前記電力曲線に基づいて、前記流体輸送装置ごとの運転効率を推定する運転効率推定ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
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