JP2023113532A - 水運用計画システムおよび水運用計画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な水量を決定して精緻なガイダンスを可能とする。【解決手段】コンピュータが実行する水道施設における水運用計画システム１は、需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数に基づいて、水道施設が通常の運転状態と異なる非定常状態にあるか否かを判定する第１処理部41と、第１処理部により非定常状態にあると判定された場合、非定常状態に対応する水道施設の運転目標と運転制約を設定する第２処理部42と、第２処理部により設定される運転目標と運転制約、および配水量実績に基づいて計算される需要予測量に基づいて該非定常状態に対応する運用計画問題を導出する第３処理部32と、導出された運用計画問題を解法して水道施設の水量を決定するする第４処理部33と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、水運用計画システムおよび水運用計画方法に係り、特に、非定常時に対する水運用計画に関するものである。

水道の取導送水系において、台風、豪雨、地震などの自然災害、老朽化事故、停電などの非定常事象の発生時に水道施設の運転支援を行うシステムが実用化されている。例えば、特許文献１には、過去事例における運転条件と作業員の活動度をＤＢ（データベース）に記録しておき、非定常状態（自然災害、停電、故障など）時にＤＢを検索して、検索事例の条件（アクションを含む）でシミュレーションを実行し、水質等を含む運転条件の目標を満たせば、その条件をユーザ（作業員）に提示する、水道施設の維持管理支援装置が開示されている。

特開２０１７－９１０３２号公報

特許文献１に記載の技術は、過去に類似事例が無いとユーザに提示できないという課題がある。また、過去事例に類似の事例があったとしても、現状状態に対して満足する解になるとは限らないため、同じくユーザに提示できない場合がある。また、水運用に限定すると、計画問題を定式化、解法して将来運用を提示するものでないため、非定常状態に対する精緻なガイダンスが必ずしも行えないという課題がある。

本発明の目的は、非定常事象に対して適切な水量を決定して、精緻なガイダンスを可能とすることにある。

本発明に係る水運用計画システムの好ましい例は、プログラムを実行するプロセッサと、データを記憶する記憶部を有するコンピュータが実行する、水道施設における水運用計画システムであって、
需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数に基づいて、水道施設が通常の運転状態と異なる非定常状態にあるか否かを判定する第１処理部と、
前記第１処理部により非定常状態にあると判定された場合、該非定常状態に対応する水道施設の運転目標と運転制約を設定する第２処理部と、
前記第２処理部により設定される前記運転目標と前記運転制約、および配水量実績に基づいて計算される需要予測量に基づいて該非定常状態に対応する運用計画問題を導出する第３処理部と、
導出された前記運用計画問題を解法して、該水道施設の水量を決定するする第４処理部と、
を有する水運用計画システム、である。
本発明はまた、上記水運用計画システムにおける水運用計画方法、として把握される。

本発明によれば，非定常事象に対応する水運用計画を定式化して解法することで、適切な水量を決定して精緻なガイダンスが可能となる。

水道システムの全体構成を示す図である。 上水道施設３の水系統を示す図である。 運用計画立案プログラムの機能構成を示す図である。 制約条件・目的関数決定処理部３１の機能構成を示す図である。 水量変更判断処理（１）のフローチャートを示す図である。 水量変更判断処理（２）のフローチャートを示す図である。 水量変更判断処理（３）のフローチャートを示す図である。 水量変更判断処理（４）のフローチャートを示す図である。 水量変更判断テーブルの例を示す図である。 制約条件変換テーブルの例を示す図である。 通常時の目的関数、制約条件の管理テーブルの例を示す図である。 運用モード判定処理のフローチャートを示す図である。 配水量変動のパターンを示す図である。 短期需要予測の例を示す図である。 運用計画立案処理のフローチャートを示す図である。 運用計画立案による水量および水位のパターンの例を示す図である。 実施例２における定常時運用計画立案プログラムの機能構成を示す図である。 実施例２における運用計画立案プログラムの機能構成を示す図である。 運用計画立案管理テーブルの例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。

図１は水道システムの全体を示す図である。
水道システムは、水運用計画システム１と、監視制御装置２と、上水道施設３と、外部サーバ４が、ネットワーク５を介して接続して、相互にデータ通信が可能なシステムである。

上水道施設３は、図２に示すように、水源Ａの水を取水場２２０で取水して、浄水場２２１に送り浄化する。浄水は、浄水池２２２に一時的に貯留され，さらに配水池２２５へポンプ２２３および管路２２４を通して送水される。また、用水供給業者Ｂから浄水が浄水池２２２，配水池２２５等へ送水される。配水池２２５の水は配水管網２２６を通して需要者へ供給される。取水場２２０や浄水場２２１には原水濁度を計測するセンサ、各管路２２４には流量計測計、浄水池２２２，配水池２２５には水位計および配水量を計測する流量計が設置されており、所定の周期で計測データが監視制御装置２に送られる。監視制御装置２は、計測データを基に、各管路の流量やポンプ運転、配水池水位を制御管理する。図２では、点線の上（系統１）とその下（系統２）の２系統の例が示されている。ここでは、系統１から系統２の融通路があり、系統１から系統２への送水のみ可能である。

本実施例の水運用計画システム１は、水量などの将来計画立案に必要な水位、配水量などの情報を監視制御装置２から取得する。外部サーバ４は気象庁などのサーバである。水運用計画システム１は、外部サーバ４から水需要予測に必要な気象情報（天気予報、気温情報）を取得して、水運用計画立案のために使用する。

水運用計画システム１は、プログラムを実行して、水運用計画立案のためのデータ処理を行うコンピュータにより実現される。コンピュータは、プログラムやデータを格納する半導体メモリやハードディスクなどの記憶部１３と、ネットワーク５を介して監視制御装置２や外部サーバ４とデータをやり取りする通信インタフェース（I/F）１４と、プログラムを実行するプロセッサである処理部１５と、キーボードやマウスなどのマンマシンインターフェースである入力装置１６と、データを表示する表示装置１７を有する。本実施例では、処理部１５が、記憶部１３に記憶された運用計画立案プログラム１１を実行して、その処理結果をデータベース（ＤＢ）１２に記憶し、必要に応じて表示装置１７に表示する。プログラムの実行に際して、入力装置１６から入力されたデータや記憶部１３内のＤＢ１２に格納されたデータが参照されて、データ処理される。ＤＢ１２は、種々のデータを格納するが、とりわけ本実施例では、水量変更判断テーブル９０(図９）、制約条件変換テーブル１００（図１０）、通常時管理テーブル１１０（図１１）、運用計画立案管理テーブル１９０（図１９）、等を保管する。

＜運用計画立案プログラム１１＞
図３は、運用計画立案プログラム１１の機能構成を示す。
運用計画立案プログラム１１は、制約条件・目的関数設定処理を行う処理部３１と、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理を行う処理部３２と、運用計画立案処理を行う処理部３３を有して構成される。

処理部３１は、非定常時の運転制約、運転目標を導出する処理を行う。処理部３２は、非定常時の運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を導出する処理を行う。処理部３３は、導出された運転制約（運用計画問題の制約式）、運転目標（運用計画問題の目的関数）、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量に基づいて、非定常事象対応の運用計画問題を定式化し、解法することで、非定常時の将来水量計画値を導出する。導出の結果は、表示装置１７に表示されて、ユーザ（水運用管理者）に提示される。

以下、各処理部３１－３３について詳細に説明する。

＜制約条件・目的関数設定処理部３１＞
図４乃至図１０を参照して、制約条件・目的関数設定処理部３１の処理について説明する。
図４は、制約条件・目的関数設定処理部３１の機能構成を示す。制約条件・目的関数設定処理部３１は、水量変更判断処理部４１と、制約条件・目的関数変換処理部４２から構成される。水量変更判断処理部４１は、水道施設が非定常状態にあるかどうかを判定して、非定常状態で取るべき水量変更を判断する。制約条件・目的関数変換処理部４２は、水量変更判断処理部４１の判断に対応する運転制約（運用計画問題の制約条件）、運転目標（運用計画問題の目的関数）を決定する。なお、これらの処理部については以下に具体的に説明する。

＜水量変更判断処理部４１＞
まず、水量変更判断処理部４１について具体的に説明する。水量変更判断は、(1)水量増量（貯留量維持）(2)水量増量（貯留量増量）(3)水量減量（停止含む）(4)系統管水融通、のいずれか又はその複数の組合せとなる。これら(1)乃至(4)の判断処理は、図５乃至図８に示す処理フローに基づいてそれぞれ実行される。以下、説明する。

(1)水量増量（貯留量維持）は、老朽化事故、自然災害などで配水管網が破損、配水量が急増する場合に判断される。この判断を行う処理フローを図５に示す。この処理は所定時間周期、例えば10分ごとに実行される。

図５において、ステップ５０１（通常配水量変化率計算）では、最新の配水量と10分前（あるいは１時間前など）の配水量を用いて配水量変化率を計算する。ステップ５０２（指標Ａの計算）では、指標Ａを配水量変化率から通常時（非定常でない状態）の配水量変化率（通常時変化率）を差し引くことで計算する。なお、通常時変化率は通常時の配水量時系列を基に毎分ごとに計算した変化率であり、これは予めＤＢ１２に格納されているとする。ステップ５０３では、指標Ａが所定値（例えば0.05、0.1など）以上か否かを判定する。判定の結果、所定値以上であればステップ５０４に進み、所定値未満ならば処理を終了する。ステップ５０４では、水量増量（貯留量維持）判定とし、その判定結果を、ＤＢ１２に保持される水量変更判断テーブル９０の、(1)水量増量（貯留量維持）の行に判定フラグに１をセットする。なお、判定フラグは通常時は０にセットさせるため、初期値は０である。複数の系統がある場合は、系統ごとに判断が実行される。図２の例によれば、２系統の系統ごとの配水量に基づいた判断結果が水量変更判断テーブル９０に記録される。

(2)水量増量（貯留量増量）は、台風、豪雨などにより水道施設に被害が予想される場合や保守点検対応でろ過が停止する場合に判断される。水道施設の被害は、浸水などにより施設が利用不能になる場合や高濁度により浄水処理が停止する場合があり、これらを対象とする。この判断を行う処理フローを図６に示す。この処理も10分周期で実行される。

図６において、ステップ６０１では、ユーザによる貯留量増量指示があったかどうか、気象庁による警戒レベルが大かどうか（豪雨により水道施設浸水が予想されるかどうか）、濁度予測値が所定値以上かどうかを判断する。これらの判断の１つでも満たされたら、ステップ６０２に進み、満たされなければ処理を終了する。ここで、ユーザによる貯留量増量指示は入力装置１６から取得され、気象庁による警戒レベルは外部サーバ４から通信I/F１４を介して取得される。また、濁度予測値が所定値以上とは、このままでは数時間後に濁度が規定値を超えて浄水処理が行えなくなることを意味する。ステップ６０２では、水量増量（貯留量増量）判定とし、水量変更判断テーブル９０の、(2)水量増量（貯留量増量）の判定フラグを１にセットする。

(3)水量減量は、水質汚染（豪雨による高濁など）の場合、風水害、地震により浄水場が停止せざるを得ない状況で判断される（停止も含むとする）。この判断を行う処理フローを図７に示す。この処理も10分周期で実行される。

図７において、ステップ７０１では、原水濁度計測値あるは予測値が所定値以上かどうか、沈殿処理水濁度が所定値以上かどうか、ユーザの停止判断があったかどうかを判断する。ユーザの停止判断は入力装置１６から取得される。これら判断の１つでも満たされたらステップ７０２に進み、満たされなければ処理を終了する。ステップ７０２では、水量減量判定とし、水量変更判断テーブル９０の、(3)水量減量の判定フラグを１にセットする。ステップ７０３では、水量減量幅と減量期間をユーザに問い合わせ、入力装置１６から取得された値をＤＢ１２に格納し、処理を終了する。

(4)系統管水融通は、高濁などで一部浄水場の浄水量が減量（停止）になる場合（施設運転が被害により停止する場合を含む）、管路破損で一部系統の配水量が増量になる場合に判断される。すなわち、複数の系統がある場合、(1)水量増量（貯留量維持）か、(3)水量減量、あるいは両者の組合せで判断される。この判断を行う処理フローを図８に示す。この処理も10分周期で実行される。

図８において、ステップ８０１では、水量増量（貯留量維持も含むとする）判断があるか、水量減量判断があるかを判断する。これらの判断の１つでも満たされたらステップ８０２に進み、満たされなければ処理を終了する。ステップ８０２では、系統管水融通判断とし、水量変更判断テーブル９０の、(4)系統管水融通のフラグを１にセットする。

以上、水量変更判断処理部４１による４つの判断について説明した。これら４つの判断は、各々個別に行われてよいが、複数の判断が同時に行われてもよい。例えば、(1)と(3)、(1)と(4)、(3)と(4)、(1)(3)(4)など同時に行われる場合がある。ここで、増量と減量を同時に行うことはできないので、同一系統で（1）(3)が同時に判断された場合は（3）を優先して処理を行う。なお、フラグが1になった後は、ユーザが判断の解除を行うまで、該当処理（処理(1)から(4)）は停止する。ユーザの解除指示でフラグが０にセットされる。

＜制約条件・目的関数変換処理部４２＞
次に、制約条件・目的関数変換処理部４２について具体的に説明する。この処理は、上記の４つの判断に対応する運転制約（運用計画問題の制約条件）、運転目標（運用計画問題の目的関数）を決定する処理である。この処理は制約条件変換テーブル１００（図１０）を用いて実行される。

ここで、処理部４２の処理を説明する前に、通常時（定常時）の運用計画問題における目的関数および制約条件について、図１１を参照して説明する。図１１は、通常時管理テーブルを示す。通常時管理テーブル１１０は、通常時における運用計画問題定式化で用いられる目的関数、制約条件、計画立案周期、計画立案の時間刻み、計画立案期間、需要予測量を管理する。通常時の一般的な目的関数は、消費電力（1日）か電力コスト（1日）＋流量変動抑制となる。制約条件の主要なものは、各管路流量の上下限制約（不等式）、各配水池水位の上下限制約（不等式）、各ろ過量の上下限制約（不等式）、将来配水量＝需要予測量（等式）、24時間後水位が現在水位に戻る（あるいは朝6時の水位が所定値近傍に入る）、各管路流量に関する等号制約（流量保存則）、である。需要予測は、例えば現時刻から翌日同時刻までの24時間の予測が一時間単位に行われる。これには、配水量実績、天気予報、気温予報等のデータが使用され、これらのデータを統計処理することで予測時系列が求められる。これらの目的関数、制約条件で運用計画問題を解法することで将来の各管路の流量が求められる。すなわち、数理計画法を利用して、これらの制約条件式の下で目的関数を最小化する将来の各管路の流量が求められる。運用計画問題における、時間は１時間ごと、期間は1日先までを扱う。通常時はこの運用計画問題を解法して将来水量を求めて、ユーザに提示する。これに対して、非定常時には非定常事象に対応する制約、目的関数が設定されることになる。

制約条件・目的関数変換処理部４２の説明に戻る。(1)から(4)の各水量判断に対応する制約条件は、制約条件変換テーブル１００を用いて求められる。

(1)水量増量（貯留量維持）に対応する制約条件として、制約条件変換テーブル１００を用いる。この場合、通常時管理テーブル110の制約、目的関数を修正したものを用いる。すなわち、制約条件は、通常時の制約に以下の修正を加えたものを用いる。
・配水池水位の上下限制約値は変更せずそのまま維持する。
・ろ過流量の上限制約を運用上限に設定する。
・24時間後の水位回復制約（あるいは朝の6時の水位回復制約）無効化になる。

この制約では、配水量がろ過量より大きい場合、配水池水位が徐々に低下することから運用計画問題の解法では解が得られない場合がある。この場合、解が見つかるまで水位下限制約を緩める必要がある（例えば下限制約を小さくするなどの調整を行う）。この問題を回避するため、水位下限不等号制約を廃止し、かわりに、次の目的関数を設けても良い。
・目的関数＝電力コスト（消費電力）＋流量変動抑制項
＋Σ定数・｜水位(t)－目標水位｜（将来24時間の偏差の総和、後述する運用モード３では、将来4から6時間などより短い時間の偏差の総和になる。）
なお、上記目的関数の式において、第１項（電力コスト）と第２項（流量変動抑制項）を廃止し、第3項（水位偏差の絶対値の総和）のみで目的関数を構成しても良い。こうすることで、水位（貯留量）維持をより重視した運用が可能になる。

将来水位と目標水位の偏差の時間に関する総和を目的関数の一部とすることで、解無しとなることなく、なるべく目標水位に近い将来水位を実現できる。

(2)水量増量（貯留量増量）に関する制約条件として、制約条件変換テーブル１００を用いて、通常時管理テーブル110の制約および目的関数を修正したものを用いる。すなわち、制約条件は、通常時の制約に以下の修正を加えたものを用いる。
・将来の所定時刻以降の（例えば、12時間後以降）の水位の下限制約を運用上限付近まで引き上げる。
・ろ過流量の上限制約を運用上限に設定する。
・24時間後の水位回復制約（あるいは朝6時の水位回復制約）無効化する。

この場合、水位の下限制約を引き上げる時刻が早すぎると、運用計画問題解法では解無しとなる場合がある。この場合引き上げタイミングの調整が必要になる。これを回避するため、水位下限不等号制約を廃止し、かわりに、次の目的関数を設けても良い。
・目的関数＝電力コスト（消費電力）＋Σ定数・｜水位(t)－目標水位（水位上限）｜（将来24時間の偏差の総和、後述する運用モード３では、将来4から6時間などより短い時間の偏差の総和になる。）
なお、上記目的関数の式において、第１項（電力コスト）を廃止し、第２項（水位偏差の絶対値の総和）のみで目的関数を構成しても良い。こうすることで、貯留量増量をより重視した運用が可能になる。

将来水位と目標水位の偏差の時間に関する総和を目的関数の一部とすることで、解無しとなることなく、なるべく目標水位に近い将来水位を実現できる。

(3)水量減量（停止含む）に関する制約条件として、制約条件変換テーブル１００を用いて、通常時管理テーブル110の制約、目的関数を修正したものを用いる。すなわち、制約条件は、通常時の制約に以下の修正を加えたものを用いる。
・ろ過流量（あるいは取水量）の上下限制約の上下限値を低下させる。
（濁度レベルに応じて設定）
この低下幅と低下させる期間は、ユーザ設定値（図７のステップ７０３で取得した値）を用いる。

(4)系統間水融通に関する制約条件として、制約条件変換テーブル１００を用いて、通常時管理テーブル110の制約、目的関数を修正したものを用いる。すなわち、制約条件は、通常時の制約に以下の修正を加えたものを用いる。

系統２のろ過流量低下、配水量増加に対しては、系統１のろ過増量で対応する。すなわち、制約は以下の修正を加えたものとする。
・系統１のろ過流量の上限値を運用上限に設定する。
・系統１から系統２の融通路の流量上限制約を運用上限値に設定する。
系統１から系統２への流量を増量して対応するものである。

系統１のろ過流量低下、配水量増加に対しては、系統２のろ過増量で対応する。すなわち、制約は以下の修正を加えたものとする。
・系統２のろ過流量の上限値を運用上限に設定する。
・系統１から系統２の融通路の流量下限制約を運用下限値（例えば０）に設定する。
系統１から系統２への流量を減量して対応するものである。系統１では系統２へ水融通する余裕がないので、融通量を減量して対応することを意味する。

系統１と系統２の一方あるいは両方のろ過量低下、配水量増加に対して用水供給業者の供給量を増やして対応する場合は、制約は以下の修正を加えたものとする。
・系統１から系統２の融通路の流量上限制約を運用上限値に設定する。
・系統１から系統２の融通路の流量下限制約を運用下限値（例えば０）に設定する。
・用水供給業者の供給量の上限制約を供給可能な最大値に設定する。

以上の処理により、配水量や濁度の計測値、気象庁からの自然災害情報などから発生事象（非定常事象）に対応する水量変更判断（上記(1)から(4)の４つの判断）がなされ、それに対応する運転制約（運用計画問題の制約条件）と運転目標（運用計画問題の目的関数）が求められることになる。以上の通り、図４の制約条件・目的関数設定処理部３１の処理が詳述された。

以上の処理で求められた、現在状態に対応する制約条件式と目的関数が運用計画立案管理テーブル１９０（図１９）の目的関数、制約条件式の欄に書き込まれる。運用計画立案管理テーブル１９０は、運用計画立案処理３３（運用計画立案処理部３３による処理）で使用される管理テーブルであり、現在（最新）の目的関数、制約条件、運用モード、計画立案周期、計画立案期間、需要予測量に関するデータを管理する。なお、初期状態では、この管理テーブル１９０に定常時の目的関数、制約条件式が書き込まれている。後述するように、運用計画立案管理テーブル１９０に登録された各項目のデータに基づいて運用計画立案処理３３が実行される。

＜運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理部３２＞
次に、図１２乃至図１４、図１９を参照して、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理部３２の処理について説明する。

本実施例では、配水量計測値に基づいて、現在の状態が３つの運用モード（運用モード１、運用モード２、運用モード３）のどれに属するかを判定し、更に、その運用モードに対応する運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を計算する。図１２は、運用モード判定処理（運用モード判定処理プログラムによる処理）のフローチャートを示す。本実施例では、配水量パターンを図１３に示すような、３つのケースに分類する。ケース１，２，３に対応して、それぞれ運用モード１，２，３になる。ケース１は、通常時の配水量を形成するパターンである。ケース２は、単一の管路事故によりバースト漏水が発生し、配水量が一時的に急増するパターンである。ケース３は、地震により管路網で複数のバースト漏水が発生し、配水量が急増して、本来と異なる配水量パターンが形成されるものである。

図１２の運用モード判定処理は、水量変更判断処理(1)～(4)（図５乃至図８）の処理と同じ周期、すなわち１０分周期で実行される。ステップ１２０１では、指標A、指標Bを計算する。これらの指標は運用モード判定のために規定したものである。指標Aは、最新時刻の配水量と１０分前（あるいは１時間前など所定時刻前）の配水量から計算される配水量変化率と通常時の配水量変化率を計算し、それらの差を取ったものである。通常時の配水量変化率の計算方法は前述の通りである。指標Aを用いて配水量急増を判定できる。指標Aは、最新時刻の配水量計測値Cと同じ時刻に対応する需要量予測値D（配水量予測値に相当）から（C－D）/D（あるいは単にC－D）と計算しても良い。指標Bは、現時点から12時間（あるいは24時間）前までの配水量計測値の時系列、需要量予測値（配水量予測値に相当）の時系列の相関係数として計算する。需要予測は１０分周期で行われるが、需要量予測値の時系列は、１０分周期で行われる需要予測の最も現時刻に近い予測値（１０分先の予測値）を時刻とともに記憶し、それを呼び出すことで求めることができる。指標Bを用いて現在の配水量パターン（需要パターン）が本来のパターンからずれたかを判定できる。需要予測には前述した方法を用いる。この一般的な方法では、１時間（あるいは30分）刻みの需要量（＝配水量）時系列しか得られない。単純な線形補間（内挿、外挿）あるいはスプライン補間を利用して、これを１０分刻みの時系列に変換し、指標A、Bの計算に用いる。

ステップ１２０２では、指標Aが所定値（0.05あるいは0.1程度の値を使用）以上かどうか、あるいは既に運用モード２，３判定済みかを判定する。前者は配水量急増を判定する。後者は、一旦、運用モード２，３と判定された場合は、最新データで配水量急増が確認されなくても運用モード２あるいは３を維持する。運用モード２では、配水量急増が一時的になること、運用モード３も配水量急増後、減少する場合があるためである。これらの条件のいずれかが満たされた場合は、ステップ１２０３に進み、それらが満たされなければステップ１２０４に進む。

ステップ１２０４では、運用モード１、すなわち通常時運用モードとの判定になり、運用計画立案周期（運用計画立案の時間刻み）は通常時の１時間（あるいは30分）、運用計画立案期間は24時間、需要予測量を前述の一般的な予測手法を用いて計算された値となる。判定運転モードと決定された運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量に関するデータが、運用計画立案管理テーブル１９０の、現在の運用モード、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量の各項目に書き込まれる。なお、図１９の例では、運用モード１の判定結果が書き込まれているが、最新の判定結果によってその内容が変化する。

ステップ１２０３では、指標Bが所定値（例えば0.8や0.9）以下かどうかを判定する。この条件が満たされたら、現在の配水量パターンが通常パターンからずれているとしてステップ１２０６に進み、満たされなければステップ１２０５に進む。

ステップ１２０５は運用モード２の判定である。このステップでは、この判定に対応する運用計画立案周期（運用計画立案の時間刻み）を１0分、運用計画立案期間を通常時と同じ24時間、需要予測量を通常時の需要予想手法による需要予測量（需要予測量時系列）＋定数値αとする。従来法による将来需要予測量時系列の各成分に固定値αを加算して新たな予測時系列を計算、活用するものである。αは最新時刻の配水量と同じ時刻の需要予測量の差分で計算したものを用いる。αとして、過去計算した差分を記憶し、差分時系列の平均値を用いても良い。判定運転モードと決定された運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量は、運用計画立案管理テーブル１９０の、現在の運用モード、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量の各項目に書き込まれる。

ステップ１２０６は運用モード３の判定である。このステップでは、この判定に対応する運用計画立案周期を10分、運用計画立案期間を通常の立案期間24時間より短い値、例えば、4時間～6時間、需要予測量を、配水量実績値（過去2時間から12時間分）を所定の数理モデル（例えば、ARIMAモデル、ガウス過程回帰モデルなど）に当てはめて構築したモデルによる予測値とする。判定運転モードと決定された運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量は、運用計画立案管理テーブル１９０の、現在の運用モード、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量の各項目に書き込まれる。運用計画立案周期を10分と短くするのは、配水量急増に対して計画立案精度を確保するためである。通常時の１時間当たりの配水量変化量最大値L、配水量急増時の１時間当たりの配水量変化量最大値Mとして、運用モード３の計画立案周期を１時間×L/Mとして計算し、この計算値に近い値を10分刻みの値（10分、20分、30分、40分、…）から選択して用いることもできる。

また、ガウス過程回帰モデルを用いた場合、図１４に示すように、将来の所定時刻の期待値（１４０１）とともに予測誤算範囲を表す信頼区間（１４０２，１４０３）を計算できる。期待値に対する予測誤差の割合が、例えば、１０％以内になるような期間（例えば５時間）を選択して運用計画立案期間とすることもできる。上記の通り、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理部３２の処理について詳述した。

＜運用計画立案処理部３３＞
図１５，図１６を参照して、運用計画立案処理部３３の処理を説明する。図１５は運用計画立案処理のフローチャートである。この処理は運用計画立案処理プログラムにより実行される。この処理において、運用モード１の処理は１時間周期、運用モード２と運用モード３の処理は10分周期で実行される。最新運用モードは、運用計画立案管理テーブル１９０を参照して、各項目のデータが取得できる。ステップ１５０１では、運用計画立案管理テーブル１９０の、現在の事象（定常か非定常）に対応する運転制約（運用計画問題の制約）と、運転目標（運用計画問題に対する目的関数）、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量に関するデータを抽出する。ステップ１５０２では、ステップ１５０１で求めたデータを用いて運用計画問題を解くことで、現在の事象（定常、非定常）に対する将来の各管路の水量、各配水池の水位を計算して求める。ステップ１５０３では、表示装置１７に、水量や水位の計算結果を表示する。一部の水量および水位の表示結果を示すパターンの例を図１６に示す。この例は、配水量急増に適応して、ろ過量が増量し、配水池水位が維持された例である。

上記のように、非定常事象に対応する運転目的、運転制約、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を導出して非定常事象に対応する運用計画問題を定式化し、解法することで適切な水量を決定して、精緻なガイダンスが可能となる。

図１７、図１８を参照して、実施例２を説明する。
図１７は、定常時運用計画立案プログラムの機能構成図である。定常時運用計画立案プログラム１７０１は、需要予測処理部１７０２と、運用計画立案処理部１７０３から構成される。各処理部の処理内容は実施例１に記載の通りである。既に、このような機能を有するプログラムが実現している場合、この機能を使用して、実施例１に係る非定常に対する運用計画を立案することができる。

図１８は、本機能を組み込んだ、定常事象と非定常事象の両方に対応可能な運用計画立案システムである。定常時には定常時運用計画立案機能１７０１を使用して水量の計画値を求める。非定常時には、実施例１に係る、制約条件・目的関数設定処理を行う処理部３１と、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理を行う処理部３２の処理を実行して、運用計画問題の制約条件と目的関数、運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を求める。求めたそれらのデータを定常時運用計画立案処理部１７０１に入力して、定常時運用計画立案部１７０１の処理結果を表示装置１７に表示することで、非定常事象に対応する水量計画値として、ユーザに提示することができる。これによりシステムの開発工数を削減できるというメリットがある。

以上、好ましい実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、種々変形、応用して実施し得る。例えば、上記実施例で開示された、運用計画立案管理テーブル１９０等のテーブルは、管理されるデータが紐づけられていればよく、必ずしもテーブルの構成でなくてもよい。またテーブルと呼ばずに、例えば単に、運用計画立案管理情報、運用計画立案管理データ構造、等と呼んでもよい。

１：水運用計画システム ２：監視制御装置 ３：上水道施設
４：外部サーバ ５：ネットワーク １１：運用計画立案プログラム
１２：データベース １３：記憶部 １４：通信I/F
１５：処理部 １６：入力装置 １７：表示装置
３１：制約条件・目的関数設定処理を行う処理部
３２：運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量計算処理を行う処理部
３３：運用計画立案処理を行う処理部
４１：水量変更判断処理部
４２：制限条件・目的関数変換処理部
９０：水量変更判断テーブル
１００：制約条件変換テーブル
１１０：通常時管理テーブル
１９０：運用計画立案管理テーブル

Claims (11)

1. プログラムを実行するプロセッサと、データを記憶する記憶部を有するコンピュータが実行する、水道施設における水運用計画システムであって、
   需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数に基づいて、水道施設が通常の運転状態と異なる非定常状態にあるか否かを判定する第１処理部と、
   前記第１処理部により非定常状態にあると判定された場合、該非定常状態に対応する水道施設の運転目標と運転制約を設定する第２処理部と、
   前記第２処理部により設定される前記運転目標と前記運転制約、および配水量実績に基づいて計算される需要予測量に基づいて該非定常状態に対応する運用計画問題を導出する第３処理部と、
   導出された前記運用計画問題を解法して、該水道施設の水量を決定するする第４処理部と、
   を有する水運用計画システム。
2. 前記第３処理部は、配水量から計算される配水量変化率、および配水量計測値と配水量予測値から計算される相関係数に基づいて、配水量変化を、
   ・通常時の配水量を形成する第１モードと、
   ・単一の管路事故によりバースト漏水が発生し、配水量が一時的に急増する第２モードと、
   ・地震により管路網で複数のバースト漏水が発生し、配水量が急増して、本来と異なる配水量が形成される第３モードと、
   の３つの運用モードに分類し、各運用モードに対して運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を決定し、
   前記第４処理部は、決定された前記運用計画立案周期、前記運用計画立案期間、前記需要予測量を用いて、前記運用計画問題を解法する、
   請求項１の水運用計画システム。
3. 前記第１処理部は、需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数による水量変更を基に、非定常状態にあると判定し、
   前記第２処理部は、前記第１処理部による該非定常状態に対応する水量変更判断に基づいて、水量増量（貯留量維持）、水量増量（貯留量増量）、停止含む水量減量を導出し、それぞれに対する前記運転制約と前記運転目標を導出する
   請求項１の水運用計画システム。
4. 前記第２処理部は、水量増量（貯留量維持）、水量増量（貯留量増量）の判断に対する前記運転目標として、水位と水位目標値の偏差を運用計画問題の目的関数の一つの項として導入する、
   請求項３の水運用計画システム。
5. 前記第３処理部は、水量変化率が所定の条件を満足し、配水量計測値と配水量予測値から計算される相関係数が所定値以下になった時、前記運転計画立案周期、前記運転計画立案期間を非定常に該当しない場合の通常の値より小さく設定し、かつ、需要予測量として２４時間より短い短期予測を用いる
   請求項２乃至４のいずれかの項記載の水運用計画システム。
6. 前記第３処理部は、ガウス過程回帰モデルを用いて短期需要予測を行い、該モデルの予測誤差が所定の範囲に入るよう運用計画立案期間を設定する
   請求項５の水運用計画システム。
7. 前記記憶部は、
   前記第２処理部により設定された、前記運転目標と、前記運転制約と、
   前記第３処理部により導出された、前記運用計画立案周期と、前記運用計画立案期間と、前記需要予測量と、を管理する運用計画立案管理テーブルを保持し、
   前記第４処理部は、前記運用計画立案管理テーブルを参照して、前記運用計画問題を解法する、
   請求項２の水運用計画システム。
8. 前記記憶部は、
   通常時における運用計画問題定式化で用いられる目的関数、制約条件、計画立案周期、計画立案の時間刻み、計画立案期間、需要予測量、の各データを管理する通常時管理テーブルと、
   前記通常時管理テーブルに管理される該データを基に求められた、非定常時に使用される、水量増量（貯留量維持）、水量増量（貯留量増量）、停止含む水量減量に関する、前記運転目標および前記運転制約を管理する制約条件変換テーブルと、
   を保持する、請求項２の水運用計画システム。
9. プログラムを実行するプロセッサと、データを記憶する記憶部を有するコンピュータが実行する、水道施設における水運用計画方法であって、前記コンピュータは、
   需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数に基づいて、水道施設が通常の運転状態と異なる非定常状態にあるか否かを判定する第１処理ステップと、
   前記第１処理ステップにより非定常状態にあると判定された場合、該非定常状態に対応する水道施設の運転目標と運転制約を設定する第２処理ステップと、
   前記第２処理ステップにより設定される前記運転目標と前記運転制約、および配水量実績に基づいて計算される需要予測量に基づいて該非定常状態に対応する運用計画問題を導出する第３処理ステップと、
   導出された前記運用計画問題を解法して、該水道施設の水量を決定するする第４処理ステップと、を実行する水運用計画方法。
10. 前記第３処理ステップは、配水量から計算される配水量変化率、および配水量計測値と配水量予測値から計算される相関係数に基づいて、配水量変化を、
    ・通常時の配水量を形成する第１モードと、
    ・単一の管路事故によりバースト漏水が発生し、配水量が一時的に急増する第２モードと、
    ・地震により管路網で複数のバースト漏水が発生し、配水量が急増して、本来と異なる配水量が形成される第３モードと、
    の３つの運用モードに分類し、各運用モードに対して運用計画立案周期、運用計画立案期間、需要予測量を決定し、
    前記第４処理ステップは、決定された前記運用計画立案周期、前記運用計画立案期間、前記需要予測量を用いて、前記運用計画問題を解法する、
    請求項９の水運用計画方法。
11. 前記第１処理ステップは、需要者への配水量、原水濁度、水道施設の被災情報、自然災害予報の少なくとも１つまたは複数による水量変更を基に、非定常状態にあると判定し、
    前記第２処理ステップは、前記第１処理ステップによる該非定常状態に対応する水量変更判断に基づいて、水量増量（貯留量維持）、水量増量（貯留量増量）、停止含む水量減量を導出し、それぞれに対する前記運転制約と前記運転目標を導出する
    請求項９の水運用計画方法。

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