JP2752147B2 - 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） 本発明は、例えば上水道の配水施設における配水管網
内の供給水圧を制御す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ける配水管網内の供給水
圧は配水管網内の流動変動によって変化する。しかし、
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のが望ましい。
このため、従来の配水管網制御装置においては、１日の
時間帯を大流量の昼間ゾーンと小流量の夜間ゾーンとに
２分し、制御点に設置された減圧弁の二次水圧を手動や
タイマーにより昼夜別に切換えて配水管網内水圧を制御
したり、実際に配管図を基に作成された配水管網モデル
式や給水点の流出流量を模擬した給水量モデルにより配
水管網内水圧を計算し、その水圧が許容範囲内に収まる
ように最適化計算を行い、制御点の制御弁の開度を決定
し、配水管網内水圧を制御したりしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、第１の方式の配水管網制御装置のように、
減圧弁の二次水圧の設定を手動やタイマーによって昼夜
別に切換えるのでは、季節や曜日による需要変化に対し
て適切に対応することが困難であり、過剰水圧や不足水
圧を生ずることがあった。第２の方式の配水管網制御装
置においては、配水管網モデルや給水量モデルを正確に
模擬することが難しく、モデルの精度によっては配水管
網内水圧の適正化が実現できない場合もあるという問題
があった。

したがって本発明は、常に適正な水圧で安定した配水
管網の水圧管理を実現することの可能な配水管網制御装
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） 上記目的を達成するために本発明の配水管網制御装置
は、配水管網内の各地点の水圧および流量を含む検出プ
ロセス値および予め設定された各地点の水圧上限値およ
び水圧下限値を含むパラメータ設定値を記憶するデータ
ベースと、配水管網内の水圧制御点に設けられた配水水
圧制御手段の制御量およびその制御量に対する各地点の
水圧変化の関係に関する知識をルール化して記憶してい
る第１の知識ベースと、配水管網内の水圧を制御するた
めの規則に関する知識をルール化して記憶している第２
の知識ベースと、データベースに記憶されている配水管
網内の過去の配水流量データに基づいて今後の所定のス
ケジュール周期ごとの配水流量を自己回帰モデルにより
予測する配水流量予測手段と、データベースに記憶され
ている各地点の水圧上限値および水圧下限値の範囲内に
維持されるように配水管網内の各地点の水圧を適正化す
ることの可能な各水圧制御点の水圧目標値スケジュール
を演算する水圧演算手段と、データベースに記憶されて
いるプロセス値、第１の知識ベースに記憶されている各
水圧制御点の制御量およびその制御量に対する各地点の
水圧変化の関係に関する知識、および第２の知識ベース
に記憶されている配水管網内水圧を制御するための規則
に関する知識を参照し、各水圧制御点の二次水圧目標値
を制御周期ごとに演算し、この演算結果として得られた
現在の二次水圧目標値を配水流量予測手段によって得ら
れた水圧目標値スケジュールと比較しその比較結果に応
じて水圧目標値スケジュールを修正し、その修正された
水圧目標値が達成されるように配水水圧制御手段を制御
する推論手段とを備えたものである。

（作 用） 本発明の配水管網制御装置においては、過去の実際の
配水流量データを基にして今後の配水流量を予測する。
そして、その配水流量の予測値に基づいて配水管網内水
圧が適正化される制御点水圧目標値スケジュールを決定
し、配水管網内の水圧、流量のプロセスデータと制御点
と配水管網内水圧との関係、および制御点水圧目標値ス
ケジュールを基に、ある時点での制御点の水圧目標値を
演算し、この演算された水圧目標値となるように制御点
水圧を制御して配水管網内各地点の水圧の適正化を図
る。こうすることにより、時々刻々と変化する配水管網
内の状態に適応した適切な水圧目標値を各制御点に設定
することができ、特定地点の水圧を上下限許容範囲内に
収めることができる。

（実施例） 以下、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

第１図は本発明を上水道の配水管網の水圧制御の適用
した場合の実施例を示すものであって、配水は配水池１
から配水管2a,2bを通して配水管網３に対して行われ
る。配水管2a,2bには、配水管網３内の配水水圧を制御
するための手段として制御弁4a,4bが設けられている。
図には２個の配水管2a,2bおよび２個の制御弁4a,4bしか
示されていないが、実際は必要に応じてもっと多くの配
水管および制御弁が設けられる。配水池１には、その水
位を検出するために水位検出器11が設けられており、配
水管２には、その通過流量を検出するために配水流量検
出器12が設けられている。制御弁4a,4bの二次側には、
制御弁二次水圧検出器13a,13bおよび制御弁通過流量検
出器15a,15bが設けられている。配水管網３には適当な
箇所に配水管網内水圧検出器14a,14b,14c,14d、および
配水管網内流量検出器16a,16b,16c、16dが設けられてい
る。制御弁4a,4bに対して、その弁開度を検出する制御
弁開度検出器17a,17b、および、弁開度を調節する制御
弁制御装置25a,25bが設けられている。この制御弁制御
装置25a,25bは、演算制御装置23により出力装置24を介
して制御される。

演算制御装置23は、配水流量予測手段23a、水圧演算
手段23b、推論手段（制御点水圧目標値演算手段）23c、
データベース23d、第１の知識ベース23e、および第２の
知識ベース23fから成っている。水圧演算手段23bは水圧
目標値スケジュールを演算し、推論手段23cは制御点水
圧目標値を決定し、第１の知識ベース23eは制御点と管
網内水圧の変化関係に関する知識を記憶しており、第２
の知識ベース23fは配水管網内水圧を制御するための規
則に関する知識を記憶している。演算制御装置23には、
水位検出器11によって検出された配水池水位Ｈ、配水流
量検出器12によって検出された配水流量Ｑ、制御弁二次
水圧検出器13a,13bによって検出された制御弁二次水圧
ｈ、制御弁通過流量検出器15a,15bによって検出された
制御弁通過流量ｑなどのプロセス値、さらには制御弁開
度検出器17によって検出された制御弁開度ｕ、パラメー
タ設定装置21によって設定された水圧上限値δ_１や水圧
下限値δ_２などのパラメータ設定値が、それぞれ入力装
置22を介して取り込まれ、データベース23dに記憶され
る。

演算制御装置23はスケジュール周期Ta（通常は１日）
ごとに、配水流量予測手段23aによって配水流量予測を
行うと共に、水圧演算手段23bによって水圧目標値スケ
ジュールを作成し、制御周期Tbごとに、各検出器によっ
て検出されたプロセス値を記憶しているデータベース23
dおよび制御点と管網内水圧との関係に関する第１の知
識ベース23eと管網内水圧を制御するための規則に関す
る第２の知識ベース23fとからの情報に基づいて制御弁4
a,4bの二次水圧目標値を推論手段23cによって推論し、
出力装置24を介して二次水圧目標値を制御弁制御装置25
a,25bに対して出力する。

以上のように構成された配水管網制御装置の動作、つ
まりは演算制御装置23を中心として行われる演算制御の
内容を、第２図のフローチャートを参照して説明する。

まず、スケジュール周期Ta（通常は１日）ごとに行わ
れる作用について説明する。

演算制御装置23は、パラメータ設定装置21によって設
定された水圧上限値δ_１や水圧下限値δ_２などのパラメ
ータ設定値を入力装置22を介して入力し、データベース
23dに格納する。またパラメータ設定装置21におけるパ
ラメータの設定値に変更があれば、その変更後の値を取
り入れてデータベース23dに格納する（ステップ50）。
次に、演算制御装置23は、配水流量予測手段23aによっ
て予測処理（ステップ51）を行う。

配水流量予測手段23aによる予測処理（ステップ51）
は次のようして行われる。

まず、配水流量検出器12から入力された配水流量Ｑを
ある時間、例えば１時間ごとに積分し、毎日の各時間帯
ｋ（ｋ＝１〜24）ごとの配水流量Ｑ（ｋ）を蓄積してお
く。そして、過去数日、すなわち、当日を第ｎ日とし
て、ｊ日前（ｎ−ｊ日）から昨日（ｎ−１日）までの各
日の配水流量データをそれぞれQ_n-j（ｋ）,Q
_n-j+1（ｋ），…Q_n-1（ｋ）として、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、逐次最小二乗法など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。

このようにして得られた特定の日の全時間帯ｋの配水
流量予測値Q_n（ｋ）を基にして、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う（ステップ52）。

この処理において、ある時刻ｋの水圧目標値スケジュ
ールＰ（ｋ）を決定するに際しては、予め設定されてい
る配水管網内水圧上限値δ_１および水圧下限値δ_２を保
持しながら、配水管網内水圧h_i（ｋ）が均一になるよう
に考慮する。

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 制約条件 δ_１＞h_i（ｋ）＞δ_２ …（３） （ｉ＝１〜ｍ） ｆ｛ｈ（ｋ）,Q_n（ｋ）,r｝＝０ …（４） ここで、各符号などは次の通りとする。

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 （４）式：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の実験式から導出される配水
管網の流体抵抗に関する特徴を表す係数 上記（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との差の二乗和を最小とする
ことを意味するものである。

なお、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、あるいは総ての地点の水圧を水圧上下限範囲の中心
で運用するのか、などを決定するための評価値である。

また、上記（３）式の制約条件は、総ての地点の水圧
が上下限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
意味している。つまり、各地点ｉでの流量収支式、各地
点間の水頭平衡式、および配水管網３内の総流出量が配
水量予測値と等しい条件などを満足させるということで
ある。

以上のような問題は、目的関数および制約条件が非線
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、算出された総ての地点ｉの水圧h_i（ｋ）の
中で制御弁4a,4bの、制御弁二次水圧検出器13a,13bの設
置点に対応する地点の水圧を制御弁二次水圧目標値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の制
御弁二次水圧目標値Ｐ（ｋ）（ただし、ｋ＝１〜24）を
決定することにより、１日分の制御弁二次水圧目標値ス
ケジュールを作成することができる。

次に、制御周期Tbごとに行われる制御演算内容につい
て説明する。

まず、各検出器11〜17からの検出プロセス値H,Q,h,q,
uを入力し、データベース23dに格納する（ステップ5
3）。

続いて、推論手段23cが、データベース23dに格納され
ている情報、第１の知識ベース23eおよび第２の知識ベ
ース23fに格納されている情報に基づいて、制御弁4a,4b
の二次水圧目標値を演算する（ステップ54）。

次に、第１の知識ベース23eおよび第２の知識ベース2
3fに格納される知識について説明する。

第１の知識ベース23eは、すでに述べたように、制御
弁の二次水圧変化に対する管網内水圧の変化に対する知
識をルール化したものである。例えば、制御弁4aの二次
側の水圧と配水管網内水圧検出点との関係を以下のよう
な形で表現している。

関 係 ：制御点と管網内水圧との関係 制御点 ：制御弁4aの二次水圧（13a） 管網内水圧：配水管網内水圧検出点（14a） 影響関係 ：強い影響 影響係数 :0.845 影響方向 ： 正 影響関係には、上記の「強い影響」のほかに「中位の
影響」「弱い影響」「影響なし」の合わせて４種類があ
る。また、影響係数0.845というのは、制御弁の二次水
圧を1.0kgf/cm²変化させた時に、配水管網内水圧が、0.
845kgf/cm²変化するということを意味する。影響方向が
「正」というのは、制御点水圧を上げれば、配水管網内
水圧も上昇するということを意味している。

次に、第２の知識ベース23fは、配水管網内水圧を制
御するための規則をルール化して表現しているものであ
る。

配水管網を制御する規則を大別すると、以下の４つに
なる。

運用状態の判定規則 運用状態の回復規則 運用状態の向上規則 水圧目標値の修正規則 以下、各規則の内容を説明し、その具体例を示す。

運用状態の判定規則 配水管網内水圧検出点から得られる水圧と水圧上下限
値δ₁,δ_２を基に、現在運用されている状態が良いのか
悪いのかを判定する。

ルール例： if｛（計測点名＝配水管網内水圧検出点（14a））か
つ（水圧上限値−水圧計測値≧不感帯）かつ（水圧計測
値−水圧下限値≧不感帯）｝ then（配水管網内水圧検出点（14a）の状態＝水圧が
低い状態） ： ： 運用状態の回復規則 運用状態が水圧の高い状態や低い状態にある場合は、
運用状態の悪い地点の水圧を運用範囲（水圧上下限値
内）に回復させるために、どの制御弁をどの程度の二次
水圧調整すれば良いかを決定する。

ルール例： if｛（制御点名＝制御弁4a）かつ（計測点名＝配水管
網内水圧検出点（14a））かつ（制御点と計測点との関
係＝強い影響または制御点と計測点との関係＝中位の影
響）かつ（計測点の状態＝水圧の低い状態） then（制御弁4aの修正量＝水圧下限値−水圧計測値；
制御弁4a＝悪い状態） 運用状態の向上規則 運用状態が良い状態でも、水圧目標値スケジュールを
参照して、現在の水圧目標値と水圧目標値スケジュール
値に差がある場合は、その差分を水圧目標値の修正量と
する。

ルール例： if｛（制御点名＝制御弁4a）かつ（制御点の状態＝悪
い状態）かつ（配水流量予測＝予測が合っている状態）
かつ（水圧目標値スケジュール［現在時刻］−現在の水
圧目標値＞許容値） then（制御弁4aの修正量＝水圧目標値スケジュール
［現在時刻］−現在の水圧目標値） 水圧目標値の修正規則 運用状態の回復規則（）および運用状態の向上規則
（）によって決定された水圧目標値の修正量で運用し
た場合に運用状態が真に改善されるかどうか判定し、運
用状態が改善されるように水圧目標値の修正量をさらに
修正して最終的な水圧目標値を決定する。

ルール例： if｛（制御点名＝制御弁4a）かつ（制御点の修正＝必
要）かつ（回復すべき計測点名＝配水管網内水圧検出点
（14a）） then（制御弁4aの二次水圧目標値＝制御弁4aの修正量
／制御点と計測点との影響係数＊ゲイン＊制御点と計測
点との影響方向＋現在の水圧目標値） ： ： このようにして推論された制御弁二次水圧目標値は、
出力装置24を介して制御弁制御装置25a,25bに与えら
れ、制御周期Tb分の遅延をする（ステップ55）。制御弁
制御装置25a,25bは制御弁4a,4bの弁開度を指令に基づき
アクチュエータＭを介して制御し、配水管網３内の水圧
を運用範囲内（δ_２＜ｈ＜δ_１）になるようにする。

以上のようにして１日分の水圧制御は、ループＡ（第
２図）おいて行い、一定時間ごとに水圧目標値を計算し
て水圧制御を行い、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50へ戻り、次の日
の水圧目標値スケジュールを作成する（ステップ56）。

このようにして、この実施例では配水管網内の水圧の
各日の１日分の目標値スケジュールを作成しておき、そ
お日の実際の流量、水圧の変動から水圧目標値スケジュ
ールに一定周期ごとに知識ベースに基づいた修正を加え
ることにより、一層現実に即した水圧制御を達成するこ
とができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、例えば配水管網に対する配水流量の予測値は逐次最
小二乗法に基づいたものとはせずに、例えば天候要素を
加味した統計的手法の一つであるGMDH法を用いることも
できる。また、本発明は、制御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水圧制御に
対して適用することもできる。その場合は、配水ポンプ
の吐出圧と配水管網内各地点の水圧ｈ（ｋ）との関係を
知識ベース化し、各地点での水圧が運用範囲内で動作す
るように吐出圧を制御すればよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、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、その
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
適正化され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基に水圧目標値スケジュ
ールを修正し、その修正された水圧目標値により配水管
網内の水圧制御を行うことにより、特定地点の水圧が上
下限許容範囲を超えることのない優れた配水管網制御を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する配水系統の構成例と本発明の
一実施例を示すブロック図、第２図は第１図の制御装置
の動作を説明するための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
……制御弁、11……水位検出器、12……配水流量検出
器、13a,13b……制御弁二次水圧検出器、14a,14b,14c,1
4d……配水管網内水圧検出器、15a,15b……制御弁通過
流量検出器、16a,16b……配水管網内流量検出器、17a,1
7b……制御弁開度検出器、21……パラメータ設定装置、
22……入力装置、23……演算制御装置、23a……配水流
量予測手段、23b……水圧演算手段、23c……推論手段、
23d……データベース、23e……第１の知識ベース、23f
……第２の知識ベース、24……出力装置、25a,25b……
制御弁制御装置。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−143614（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−294518（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−216010（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−16207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−152001（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−251211（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】配水管網内の各地点の水圧および流量を含
   む検出プロセス値および予め設定された各地点の水圧上
   限値および水圧下限値を含むパラメータ設定値を記憶す
   るデータベースと、配水管網内の水圧制御点に設けられ
   た配水水圧制御手段の制御量およびその制御量に対する
   各地点の水圧変化の関係に関する知識をルール化して記
   憶している第１の知識ベースと、配水管網内の水圧を制
   御するための規則に関する知識をルール化して記憶して
   いる第２の知識ベースと、前記データベースに記憶され
   ている配水管網内の過去の配水流量データに基づいて今
   後の所定のスケジュール周期ごとの配水流量を自己回帰
   モデルにより予測する配水流量予測手段と、前記データ
   ベースに記憶されている前記各地点の水圧上限値および
   水圧下限値の範囲内に維持されるように配水管網内の各
   地点の水圧を適正化することの可能な各水圧制御点の水
   圧目標値スケジュールを演算する水圧演算手段と、前記
   データベースに記憶されているプロセス値、前記第１の
   知識ベースに記憶されている各水圧制御点の制御量およ
   びその制御量に対する各地点の水圧変化の関係に関する
   知識、および前記第２の知識ベースに記憶されている配
   水管網内水圧を制御するための規則に関する知識を参照
   し、各水圧制御点の二次水圧目標値を制御周期ごとに演
   算し、この演算結果として得られた現在の二次水圧目標
   値を前記配水流量予測手段によって得られた水圧目標値
   スケジュールと比較しその比較結果に応じて前記水圧目
   標値スケジュールを修正し、その修正された水圧目標値
   が達成されるように前記配水水圧制御手段を制御する推
   論手段とを備えた配水管網制御装置。