JP2575453B2 - 配水管網制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、例えば上水道のような配水施設における
配水管網制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に上水道の配水施設においては、配水管網内水圧
は、配水管網内の流量変動によって変化するが、水圧制
御により流量変動にかかわらず常に配水管網内水圧を上
下限許容範囲内に保持しておく必要がある。

この問題を解決するためにこの発明の出願人は、先に
開示した発明（特願昭61−308925号）において、過去の
配水流量データから今後の配水流量を予測して、この予
測された配水流量に基づき、配水管網内の水圧の上下限
許容範囲を満足し、かつ配水管網内水圧が均一になる水
圧目標値スケジュールを決定し、この目標値スケジュー
ルに従って配水管網内の配水ポンプ、減圧弁等を操作
し、水圧の制御を行なう配水管網制御装置を提案した。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した配水管網制御装置にあって
は、水圧目標値を補正する知識を現状のプラント特性
（配管系統等）によって作成されているので、配管の保
守や配水系統の変更によりプラント特性が変化した場
合、水圧目標値を補正する知識がプラント特性と合わな
くなり、制御性能が劣化し、圧力変動等が抑制されない
場合もあるという問題を生じていた。

この発明は、このような先願発明に残された技術的課
題を解決するためになされたもので、プラント特性が変
化しても、常に適正な水圧で安定した配水管網の水圧管
理を行なうことができる配水管網制御装置を提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の配水管網制御装置は、配水管網内の過去の
配水流量データから今後の配水流量を予測する配水流量
予測手段と、 この手段により予測される配水流量予測値をもとに配
水管網内の各地点の水圧が均一となる配水管網内圧力の
目標値スケジュールを決定する水圧演算手段と、 配水管網内の各地点に設置された圧力計及び流量計か
らの実際のプロセス値のデータベースと、 制御点の操作とこの操作に対する各地点の圧力変化と
の関係を配水系統や配水管網運用方案に基づいて構築し
た知識ベースと、 前記データベースと知識ベースからのデータに基づ
き、前記圧力目標値の補正量を推論する手段と、 この推論手段により決定された配水管網圧力の補正後
の水圧目標値に一致するように前記各地点の水圧を調整
する水圧制御手段と、 を具備することを特徴としている。

（作用） この発明の配水管網制御装置では、過去の実際の配水
流量データをもとにして今後の配水流量を予測する。そ
して、この配水流量の予測値に基づいて配水管網内の各
地点の水圧が均一となるような水圧目標値スケジュール
を決定し、この水圧目標値スケジュールに対して、配水
管網内の水圧、流量等のプロセスデータと制御点と配水
管網内の圧力との関係の知識ベースからある時点での水
圧目標値の補正量を推論し、この補正された水圧目標値
に一致するように各地点の水圧制御手段を制御して水圧
制御を行ない、配水管網内各地点の水圧の適正化を図
る。

この場合、本発明では、知識ベースは配水系統や配水
管網運用方案等のフィールドノウハウに基づいて構築さ
れているので、プラント特性が変化しても、常に最適な
水圧制御がなされる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳説す
る。

第１図はこの発明の一実施例を示しており、第２図は
動作を説明するフローチャートである。この実施例は上
水道の配水管網に関するものであり、配水池１から配水
管２を通して配水管網３に配水される。配水管網３内の
適所には、配水圧を制御するための手段として減圧弁4
a,4b,…が設置されている。

前記配水池１には、その水位を検出するための水位検
出器５が設けられており、配水管２には配水流量検出器
６が設けられている。

前記減圧弁4a,4b,…の２次側には、減圧弁２次圧力検
出器7a,7b,…が設けられており、さらに配水管網３内の
各所には配水管網内水圧検出器8a,8b,…、及び配水管網
内流量検出器9a,9b,…が設けられている。

前記各減圧弁4a,4b,…に対しては、その弁開度を調整
するための減圧弁制御手段として減圧弁制御装置10a,10
b,…が設けられている。この減圧弁制御装置10a,10b,…
を制御し、減圧弁4a,4b,…の弁開度を調整するための制
御系は、パラメータ設定装置11、入力装置12、演算制御
装置13、及び出力装置14によって構成されている。

前記パラメータ設定装置11は、水圧上限値δ_１、水圧
下限値δ_２、配水管網内水圧均一設定値h_ref及び自己回
帰モデルの数a₀〜a_mの初期値等のパラメータを設定し、
入力装置12を介して演算制御装置13に入力する。

入力装置12に対しては、配水池水位検出器５、配水流
量検出器６、減圧弁２次圧力検出器7a,7b,…、配水管網
内水圧検出器8a,8b,…、及び配水管網内流量検出器9a,9
b,…によって検出された各種のプロセス値H,Q,h,qが取
り込まれ、この各種のパラメータが演算制御装置13に入
力され、データベースとして記憶される。

演算制御装置13は、配水流量予測手段13aと、水圧演
算手段13bとを備え、配水流量予測手段13aにより配水流
量予測値を算出し、水圧演算手段13bにより配水管内水
圧目標値を決定する。したがって、例えばプロセス制御
用のコンピュータによって構成され、予め内蔵されたプ
ログラムによってこれらの各パラメータを演算し、出力
装置14を介して前記各減圧弁4a,4b,…の減圧弁制御装置
10a,10b,…に出力する。

この演算制御装置13はさらに推論手段13c、データベ
ース13d、知識ベース13eを備え、一定周期τ毎に、決定
された目標値スケジュールから現在時刻の水圧目標値を
取り出し、各検出器7a,7b,…;8a,8b,…;9a,9b,…から検
出されたプロセス値を記憶しているデータベース13d
と、水圧目標値を補正するためにどこの制御点の減圧弁
4a,4b,…を操作するとどこの圧力が変化するかという知
識に関する知識ベース13eとからの情報に基づいて補正
された水圧目標値を推論し、出力装置14に補正された制
御値を出力する。

特に、本実施例における知識ベース13eは、後述する
ように、第３図に示す処理により、配水系統や配水管網
運用方案等に基づいて構築される。

上記の構成の配水管網制御装置の動作について、次に
説明する。

標高の高い所に設けられている配水池１から水が配水
管２を介して配水管網３に配水されてくる。そして、こ
の配水動作における配水池１の水位Ｈ、配水管２による
配水池１からの配水流量Ｑ、配水管網３内の各地点の水
圧ｈがそれぞれ水位検出器５、配水流量検出器６、減圧
弁２次圧力検出器7a,7b,…、配水管網内水圧検出器8a,8
b,…、及び配水管網内流量検出器9a,9b,…によって検出
され、入力装置12を介して演算制御装置13に与えられ
る。また、演算制御装置13に対してはパラメータ設定装
置11から必要なパラメータ、上下限値δ₁,δ_２、自己回
帰モデルの係数a₀〜a_m、配水管網内水圧均一設定値h_ref
が入力装置12を介して与えられる。

演算制御装置13では、第２図のフローチャートに示す
演算動作により各減圧弁4a,4b,…の水圧目標値を演算
し、出力装置14を介して各減圧弁4a,4b,…の減圧弁制御
装置10a,10b,…に出力する。

そして、各減圧弁制御装置10a,10b,…では、この減圧
弁水圧目標値にしたがって減圧弁4a,4b,…の弁開度を調
整し、減圧弁２次圧力を制御することによって配水管網
３内の水圧の適正化を図るのである。

次に、上記の演算制御装置13における演算機能を第２
図のフローチャートを参照して説明する。

演算制御装置13は、パラメータ設定装置11から設定パ
ラメータδ₁,δ₂,h_ref,a₀〜a_mを入力し、データベース1
3dに格納する。また、前記パラメータ設定装置11におけ
るパラメータの設定値に変更があれば、その値も取り入
れてデータベース13dに格納する（ステップ100）。

続いて、演算制御装置13は、需要予測処理を行なう
（ステップ110）。この需要予測処理は次による。

まず、配水流量検出器６から入力された配水流量Ｑを
ある時間、例えば１時間毎に積分し、毎日の各時間帯ｋ
（ｋ＝１〜24）毎の配水流量Ｑ（ｋ）を蓄積しておく。
そして、過去数日、つまりｊ日前（ｎ−ｊ）から昨日
（ｎ−１）までの各日のデータをQ_n-j（ｋ）,Q
_n-j+1（ｋ），…，…Q_n-1（ｋ）とすると、当日ｎの時
間帯ｋに対する配水流量Ｑの予測値Q_n（ｋ）を次の
（１）式に示す自己回帰モデルで演算する。

Q_n（ｋ）＝a₀Q_n-j（ｋ） ＋a₁Q_n-j+1（ｋ）＋… …＋a_mQ_n-1（ｋ） …（１） ここで、係数a₀〜a_mは自己回帰モデルのパラメータで
あり、逐次最小２乗法等によって求められる。

このようにして、ある特定の日の全時間帯ｋ（ｋ＝１
〜24）に対して配水流量予測値Q_n（ｋ）を演算するので
ある。

このようにして得られた特定の日の全時間帯ｋにおけ
る配水流量予測値Q_n（ｋ）をもとにして、各時間帯ｋに
対する水圧目標値スケジュールＰ（ｋ）を決定するため
の配水管網運用計画処理を行なう（ステップ120）。

この処理では、ある時刻ｋの水圧目標値スケジュール
Ｐ（ｋ）を決定する際に、配水管網内水圧h_i（ｋ）が、
予め設定されている配水管網内水圧上限値δ_１、下限値
δ_２を保持しながら配水管網内水圧が均一になるように
各時間帯ｋの水圧目標値スケジュールＰ（ｋ）を決定す
る。

この場合、問題は、例えば次のように定式化すること
ができる。

目的関数 Σ（h_i（ｋ）−h_ref）^２→最小 …（２） 制約条件 δ_１＞h_i（ｋ）＞δ_２（ｉ＝１〜ｍ） …（３） ｆ（ｈ（ｋ）,Q_n（ｋ）,r）＝０ …（４） ここで、 h_i（ｋ）：時間帯ｋの地点ｉの水圧 h_ref:配水管網内水圧均一設定値 δ₁:配水管網内水圧上限値 δ₂:配水管網内水圧下限値 ｆ（ｈ（ｋ）,Q_n（ｋ）,r）＝0:配水管網方程式 ｈ（ｋ）：時間帯ｋの各地点ｉの水圧h_i（ｋ）に対し
て、ｈ（ｋ）＝（h₁（ｋ）,h₂（ｋ），…,h_m（ｋ））と
する関数 Q_n（ｋ）：時間帯ｋの配水流量予測値 r:Hazen−Williamsの式から導き出される配水管網の特
徴を表わす係数 上記の（２）式の目的関数は、配水管網３内の各地点
ｉの水圧を均一化するため、各地点ｉの水圧h_iと配水管
網３内の水圧均一設定値h_refとの残差の２乗和を最小と
することを意味するものである。

尚、ここで、配水管網３内の水圧均一設定値h_refと
は、標高の高い地点の水圧を水圧下限で運用するのか、
あるいは標高の低い地点の水圧を水圧上限で運用するの
か、あるいは全ての地点の水圧を水圧上下限値範囲の中
心で運用するのか等を決めるための評価値である。

また、上記の（３）式の制約条件は、全ての地点の水
圧が上下限値範囲内に維持されるように運用することを
意味している。

さらに、（４）式の制約条件は、各地点の水圧h_iが配
水管網３の基本方程式である管網方程式を満足すること
を意味する。つまり、各地点ｉでの流量収支式、地点間
の水頭平衡式及び配水管網３内の総流出量が配水量予測
値と等しい条件等を満足させるということである。

そして、このような問題は、目的関数及び制約条件が
非線形計画法に基づいて解かれる。そして、この問題を
解くことにより、算出された全ての地点ｉの水圧h
_i（ｋ）の中で減圧弁4a,4b,…の減圧弁２次圧力検出器7
a,7b,…の位置に対応する地点の水圧を減圧弁２次圧力
目標値Ｐ（ｋ）とする。

このようにして、特定の日ｎにおける各時間帯ｋの減
圧弁圧力目標値Ｐ（ｋ）；（ｋ＝１〜24）を決定するこ
とにより、１日分の減圧弁圧力目標値スケジュールが作
成できる。

次に、一定の制御周期τ毎に決定された目標値スケジ
ュールから現在時刻の水圧目標値を取り出し、各検出器
から検出されたプロセス値のデータベース13dと水圧目
標値を補正する知識ベース13eとから補正された水圧目
標値を推論する処理について、説明する。

演算制御装置13では、周期的に以下の動作を行なう。
まず、各検出器５〜９から時々刻々と変化するプロセス
値H,Q,h,qを入力し、データベース13dに格納する（ステ
ップ130）。

次に、推論手段13cが、現在時刻ｋの水圧目標値Ｐ
（ｋ）とプロセス値である総配水流量Ｑ、配水管網内流
量ｑ、配水池水位Ｈ、配水管網内圧力ｈとから、補正さ
れた水圧目標値を推論する（ステップ140）。

この推論手段13cでは、減圧弁２次圧力と配水管網内
圧力との影響度をもとに構築された知識ベース13eに従
って補正された水圧目標値を決定する。知識ベース13e
の内容としては、例えば以下に示すルールを格納してお
くのである。

次に、この知識ベース13eを構築する手順を第３図の
フローチャートを参照しながら、説明する。

ステップ301では、配水管網の運用方案を、入力装置
より入力する。運用方案としては、以下のような方案が
入力される。

配水管網内の水圧は、水圧上下限値範囲内を保持し
なければならない。

配水管網内の水圧が水圧下限値を下回った場合は、
水圧目標値を上昇させる。

配水管網内の水圧が水圧上限値を越えた場合は、水
圧目標値を低下させる。

ステップ302では、プラント特性を入力装置より入力
する。プラント特性データとしては、以下のデータが入
力される。

配管系統データ（どの配管とどの配管が接続されて
いるかという情報） 配管データ（配管の長さ、径、流速係数のデータ） 制御点に関するデータ 配水管網内水圧計測点に関するデータ ステップ303で、入力されたデータをもとに、感度解
析を行なう。この感度解析は、配水管網内の水圧流量の
特性を調べる道具として、既に周知となっている管網計
算法を用いる。

感度解析の方法としては、制御点（減圧弁）の操作量
を数回に分けて変化させたときの各計測点の水圧がどの
ように変化するかを管網計算法により解析する。

ステップ304では、ステップ303により解析された結果
をもとに、制御点と計測点の影響テーブルを作成する。

例えば、 減圧弁4aの２次圧力は、管網内圧力8a,8b,8dに影響
する。

減圧弁4bの２次圧力は、管網内圧力8c,8dに影響す
る。

ステップ305では、配水管網運用方案により、制御に
関する知識を知識ベースに組込む。

そして、上述のように構築された知識は、知識ベース
13eの制御に関する知識13e−１として組込まれ、例えば
次の様なルールとなる。

ルール300: IF“減圧弁4aが減圧制御オン” THEN“減圧弁4aの２次圧力が影響する配水管網内圧力8
a,8b,8cの中で最大圧力Pmax a、最小圧力Pmin aを算出
する” ルール310: IF“減圧弁4bが減圧制御オン” THEN“減圧弁4bの２次圧力が影響する配水管網内圧力8
c,8dの中で、最大圧力Pmax b、最小圧力Pmin bを算出す
る” ・ ・ ルール400: IF“Pmax a＜δ_１かつPmin a＞δ₂" THEN“制御正常なので、水圧目標値Ｐ（ｋ）を補正しな
いで減圧弁4a,4b,…へ出力する目標値P_refとする” ・ ・ ルール500: IF“Pmax a＞δ_１かつPmin a δ₂" THEN“補正量＝δ_１−Pmax a" ルール510: IF“δ_１−Pmax a≧δ_２−Pmin a" THEN“補正量＝δ_２−Pmin a" ・ ・ ルール600: IF“補正量≠0" THEN“P_ref＝水圧目標値P_a（ｋ）＋補正量” ・ ・ これらの知識は、運用方案が変更されない限り、変更
されない。

一方、知識ベース13eのプラントに関する知識13e−２
としては、例えば次の様なルールとなる。

ルール700: IF“減圧弁4aが制御オン” THEN“減圧弁4aの２次圧力に影響する配水管網内水圧計
測点は8a,b,8dである。” ルール710: IF“減圧弁4bが制御オン” THEN“減圧弁4bの２次圧力に影響する配水管網内水圧計
測点は、8c,8dである。” これらの知識は、プラント特性の変更例えば、配水管
の保守（取り替え）や配水系統の変更がなければ変更さ
れない。

このようにして推論により補正された圧力目標値P_ref
は出力装置14に与えられ、この出力装置14が減圧弁4aに
対する減圧弁制御装置10aに対して指令出力を与え、制
御周期分の遅延をする（ステップ150）。

したがって、各減圧弁制御装置10a,10b,…は、減圧弁
4a,4b,…の弁開度を指令に基づいて制御し、配水管網３
内の水圧が運用許容範囲内（δ_２＜ｈ＜δ_１）で動作す
るのである。

このようにして１日分の水圧制御はループＡにおいて
行ない、一定時間毎に水圧目標値に補正を加えながら水
圧制御を行ない、１日分の水圧制御スケジュールが終了
すればループＢに基づいてステップ100に戻り、次の日
の水圧目標値スケジュールを作成する（ステップ16
0）。

このようにして、この実施例では配水管網内水圧の各
日の１日分の目標値スケジュールを作成しておき、その
日の実際の流量、水圧の変動から水圧目標値スケジュー
ルに一定周期毎に知識ベースに基づいた補正を加え、一
層現実に即した水圧制御ができるようにするのである。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、配水管網に対する配水流量の予測値は逐次最小２乗
法に基づいたものとせず、例えば天候要素を加味したGM
DH法を用いることも可能である。また、減圧弁による配
水管網内水圧制御に代えて、配水ポンプによる配水管網
内の水圧制御に対して適用することもできる。そして、
この場合には、配水ポンプによる吐出圧と配水管網内の
各地点での水圧ｈ（ｋ）との関係を知識ベース化し、各
地点での水圧が運用許容範囲内で動作するように吐出圧
を制御すればよい。

さらにこの発明は上記の実施例に限定されるものでは
なく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内
で種々の変更が可能である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、配水管網内の過去の
配水流量データから今後の配水流量を予測し、この配水
流量予測値に基づいて配水管網内の各地点の水圧が均一
になるように水圧目標値スケジュールを決定し、時々刻
々変動するプロセス値をもとに水圧目標値スケジュール
を補正し、この補正された目標値により配水管網内の水
圧制御を行なうので、特定の地点の水圧が上下限許容範
囲を超えることがない。

また、知識ベースの構築が、配水系統や配水管網運用
方案等に基づいてなされているので、プラント特性や運
用方法の変更に対しても制御性能を劣化させることな
く、最適な水圧制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の系統図、第２図は上記実
施例の動作を説明するフローチャート、第３図は知識ベ
ース内に知識を構築する際の手順を説明するフローチャ
ートである。 １……配水池、２……配水管 ３……配水管網 4a,4b,……減圧弁 ５……水圧検出器、６……流量検出器 7a,7b,……減圧弁２次圧力検出器 8a,8b,……配水管網内水圧検出器 9a,9b,……配水管網内流量検出器 10a,10b,……減圧弁制御装置 11……パラメータ設定装置 12……入力装置、13……演算制御装置 13a……配水流量予測手段 13b……水圧演算手段、13c……推論手段 13d……データベース、13e……知識ベース 14……出力装置

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】配水池から配水管網に排出する過去の配水
   流量データから今後の配水流量を予測する配水流量予測
   手段と、 この配水流量予測手段手段により求められた配水流量予
   測値をもとに配水管網内の各地点の水圧が均一となる配
   水管網内水圧の目標値スケジュールを決定する水圧演算
   手段と、 前記配水池の水位計、この配水池から流出する流量を測
   定する配水流量計、配水管網内の各地点に設置された圧
   力計及び流量計から収集された実際のプロセス値を格納
   したデータベースと、 制御点の操作とこの操作に対する各地点の圧力変化との
   関係を配水管網運用方案に基づいて構築した制御に関す
   る知識ルールと、配水系統に基づいて構築したプラント
   に関する知識ルールとをそれぞれ格納すると共に、前記
   配水管網運用方案及び配水系統の変更に伴って各ルール
   の変更が可能な知識ベースと、 前記データベースのプロセス値と知識ベースの知識ルー
   ルに基づき、補正された水圧目標値を推論する推論手段
   と、 この推論手段により決定された配水管網圧力の補正後の
   水圧目標値に一致するように前記各地点の水圧を調整す
   る水圧制御手段と、 を具備することを特徴とする配水管網制御装置。