JP2929257B2 - 水路系における水位・水温等の遠隔環境測定制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水路系における水位や
水温等の環境を計測し、その測定結果を遠隔地にあるホ
ストコンピュータとの間でデータ送受信し、ホストコン
ピュータで水位・水温等の適切値をファジィ推論により
決定し、水路系の水位や水温等が適切な値になるまで水
門開閉装置を作動させて、リアルタイムに制御するため
の方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の水路系の水位制御装置としては、
水門制御装置（例えば、特開昭５８−２１０２０７号公
報、特開昭６２−８６２１７号公報及び特開平０１−３
１０００８号公報参照）などがあるが、一般的には、手
動ハンドル式ゲートバルブやフロート式の水位調整器が
利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術のうち、手
動ハンドル式ゲートバルブについては、例えば農家は、
遠距離の水田まで毎日出向き、水田の水位を確認し、手
動ハンドルを調整しなければならず、そのために消費す
る時間と労力は非常に大きいという問題点があった。

【０００４】また、水田の水位確保のために、少なくと
も一日のうち早朝から夕方まで、最悪の場合には昼夜関
係なく２ヶ月以上も水田に水を流し続けるため、水利用
料金の負担が大きいという問題点があった。

【０００５】さらに、農家に限らず水路管理者は、刻々
変化する水路系環境を遠隔地から監視することだけでも
要望しているが、それさえも容易なことではなかった。

【０００６】また、フロート式の水位調整器では、水位
のみの調整は可能であるが、水路系の温度を監視しなが
らの水位の制御は、ほとんど不可能である。

【０００７】さらに、従来の技術では異常低温やフェー
ン現象などの異常気温変動に対応できる方法がなかっ
た。

【０００８】本発明は、この様な問題点に鑑みてなされ
たものであり、水位・水温等の水路系環境を計測し、そ
の計測結果を遠隔地のコンピュータまでデータ送受信
し、管理者の希望する水位・水温等を維持するようにコ
ンピュータで管理し、制御するための方法および装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。水路系の環境観測データとして少
なくとも水位と外気温と水温とをセンサにより計測する
水路系環境観測装置と、この水路系環境観測装置が設け
られる水路系現場から遠隔地に設けるコンピュータと、
前記水路系環境観測装置と前記コンピュータとの間に前
記計測された水路系環境データをデータ通信するための
或いは所定の指示を水路系現場へ送信するためのデータ
送受信装置と、このデータ送受信装置により水路系環境
を制御するための水門開閉装置とから構成し、水位と水
温を同時に制御するためのファジィ推論による適切値決
定方法を採用することで、水稲の生育段階で重要な活着
期，分げつ期，穂がらみ期及びフェーン現象時につい
て、活着期では水田の水温上昇を優先させ、分げつ期で
は無効分げつを抑制し有効茎を早期確保するために高水
位維持を優先させ、穂ばらみ期では高温由来の根腐れや
土壌内酸素不足を防止させるためのかけ流し潅漑と高水
位維持を優先させ、フェーン現象下では気温の急激な上
昇による稲の高蒸散作用に対応させるための早期高水位
湛水を優先させることにより、水路系環境条件をリアル
タイムに制御するリアルタイム遠隔制御を実現すること
を特徴とする水路系における水位・水温等の遠隔環境測
定制御システムに係るものである。

【００１０】

【実施例】上記目的を達成するために、本実施例の水門
開閉装置においては、手動ハンドル式ゲートバルブの替
わりに、開閉バルブ、モータ、スプロケットおよびチェ
ーン等で構成される電動式水門開閉装置とする。上記モ
ータには、バルブの開閉のために正転、逆転が可能で、
かつバルブ開閉量の把握が可能なステッピングモータ等
を用いることが望ましい。

【００１１】また、開閉バルブにリミットスイッチ等を
設けてバルブの開閉量を検知できるようにすれば、ステ
ッピングモータの替わりに他種のモータを用いてもよ
い。

【００１２】また、チェーンの替わりにベルト等を用い
たり、水門バルブとモータをスプロケット等で直結した
り、モータの出力シャフトを直接水門バルブに接続した
りして、バルブを開閉してもよい。

【００１３】前述のように構成された電動式水門開閉装
置を水門その他の水路系に接続できるように地中に埋設
する。

【００１４】また、水位や温度等の計測のために、それ
ぞれ超音波距離センサ等を利用した水位センサと、白金
抵抗体等を利用した温度センサを装備し、これらセンサ
からのデータをデジタル値に変換させるＡ／Ｄコンバー
タを装備した水路計環境観測装置とする。水位センサや
温度センサにデジタル値を出力させる機能を持つものを
用いる場合は、上記のＡ／Ｄコンバータは不要となる。

【００１５】上記で得られたデジタル値を無線機で遠隔
地のホストコンピュータまで送信させ、あるいは逆にホ
ストコンピュータからの指令を受信して環境観測または
水門の開閉を行うため、マイコン、通信用モデムおよび
無線機から成るデータ送受信装置を装備する。

【００１６】遠隔地への通信方法は、前記無線機の他
に、ＲＳ−２３２Ｃによるデータ通信や、電話回線利用
によるデータ通信等でもよい。

【００１７】遠隔地のホストコンピュータでは、専用の
プログラム等により、計測時の水位や水温、外気温等の
環境条件をディスプレイ等で表示し、必要に応じて管理
者の希望する水位になるまで水門を開閉させる指令を送
信する。

【００１８】さらに、必要に応じ、水路管理者が直接ホ
ストコンピュータから指示して、水門の開閉量を制御で
きるようにする。

【００１９】水路系環境の適切条件は、あらかじめ調査
あるいは経験法則をもとにして作成された制御プログラ
ムを内蔵したリアルタイム遠隔制御システムにより、求
められる。

【００２０】とくに、異常低温やフェーン現象などの異
常気象時の水田水温等の管理には、従来のＯＮ／ＯＦＦ
制御方式に替えて、より柔軟に水位と水温等を制御でき
るファジィ制御方式を用いる。

【００２１】従って、水路系環境観測装置により収集さ
れた水路系の水位、水温、外気温等の環境観測データ
を、データ送受信装置を介して遠隔地にあるホストコン
ピュータに送信する。

【００２２】ホストコンピュータでは、環境測定結果等
のディスプレイ表示を行う。

【００２３】ホストコンピュータに水門開閉バルブの開
閉量を決定するプログラムを用いるか、あるいは、水門
等の管理者がディスプレイを見ながら、そのデータを監
視し、その時の適切な環境条件を判断して、それに合致
する水門開閉装置のバルブ開閉量を決定する。

【００２４】そのバルブ開閉量の指令値は、ホストコン
ピュータ側からデータ送受信装置を介して水路系側の水
門開閉装置内のモータ駆動用ボードに送信される。

【００２５】水門開閉装置では、そのバルブ開閉量の指
令値分だけモータが回転し、バルブが開閉することによ
り、水路内または水田内の水位は適切に保持される。

【００２６】さらに、水温の制御については、前記のリ
アルタイム遠隔制御用プログラムに装備したファジィ制
御方式のソフトウェアを用いる。これにより、水位と水
温を適切に制御できるようになる。

【００２７】上記のファジィ制御方式のソフトウェア
は、季節と時刻により変動する水位と水温の適切値、例
えば、稲の生育段階ごとに異なる適切水位と適切水温を
計算し、その時期での適切水温をファジィ推論で求め、
それを再現させる開門開閉装置のバルブ開閉量をファジ
ィ推論で求める。

【００２８】更に具体的に説明する。実施例について、
水田内環境の遠隔測定制御に関する事例について、図面
を参照して説明すると、図１において、水路系環境観測
装置１、水路系現場側データ送受信装置２、ホストコン
ピュータ側データ送受信装置３、水門開閉装置、ホスト
コンピュータ４、リアルタイム遠隔制御システム５、お
よび測定・制御結果等表示部６から構成されている。

【００２９】図２において、温度センサ９、水位センサ
１０により水位、水温、外気温等の水路系環境を測定す
る。その測定結果は、Ａ／Ｄコンバータボード１１でデ
ィジタル値に変換され、ワンボードマイコン１２を介し
て水路系現場側データ送受信装置２に送られる。

【００３０】Ａ／Ｄコンバータ内蔵型のセンサを用いた
場合は、このＡ／Ｄコンバータボード１１は不要とな
る。また、ワンボードマイコン１２は、パソコンでもよ
いし、チップ化された電子回路等でもよい。

【００３１】その測定結果のディジタル値を、通信用モ
デム２１、無線機２２、およびアンテナ２３等からなる
水路系現場側データ送受信装置２により、遠隔地のホス
トコンピュータ側に接続してあるホストコンピュータ側
データ送受信装置３に送信する。

【００３２】ホストコンピュータでは、予めプログラム
化されたリアルタイム遠隔制御システム５により、受信
した水路環境データと受信日時データを測定・制御結果
等表示部６に表示するとともに、それら水路系環境の測
定値がその日時において適切であるかどうか等を判断す
る。もしその測定値が適切でなければ、水路系環境判断
ソフトウェア等がその時の適切値を計算し、それに合致
する水門開閉装置のバルブ開閉量を決定する。

【００３３】前述のリアルタイム遠隔制御システム５の
替わりに、水門の管理者がホストコンピュータのディス
プレイを見ながら、適切な水位を維持するように水門の
開閉量をキーボード等から入力するようにしてもよい。

【００３４】そのバルブ開閉量の指示値は、ホストコン
ピュータ側のデータ送受信装置３から水路系現場側デー
タ送受信装置２を介して、水路側のワンボードマイコン
１２へ送信される。

【００３５】ワンボードマイコン１２は、そのバルブ開
閉量を達成するまで、バルブ制御用ボード１３により水
門開閉装置７内のモータ１４を回転させるようにする。

【００３６】なお、ワンボードマイコン１２には、ホス
トコンピュータの指令が環境計測を命令しているのか、
バルブ制御用ボード１３の作動を指令しているのかを判
断するプログラムを内蔵してある。

【００３７】水位と水温の同時制御については、リアル
タイム遠隔制御システム５に準備されたファジィ推論プ
ログラム等により、その時の適切な水温を算出し、その
水温を再現できるような水位となるように、水門開閉装
置７のバルブ開閉量をファジィ推論により決定する。

【００３８】以下に、ファジィ推論によるバルブ開閉量
の決定方法の一例を述べる。図６は、稲作時の水田水位
のファジィ制御のためのメンバーシップ関数の一例であ
る。ここで、縦軸のグレードはその現象の程度を表した
ものであり、例えば図６のように横軸の水位計測値が７
０mmであったなら、その時の水温は「ｈ＿ｂｅｓｔ」
（穂ばらみ期で適切の意味、以下同様）の程度が０．５
５であると判断する。他の「ｌｏｗ」（低い）、「ｋ＿
ｂｅｓｔ」（活着期では最適水位）、「ｂ＿ｂｅｓｔ」
（分げつ期では最適水位）、「ｈｉｇｈ」（高い）に対
するグレードも求める。ここでは、たまたま７０mmの線
にかかる他のメンバーシップ関数がないので、他のグレ
ードは、それぞれ０となる。

【００３９】水温のファジィ推論についても同様に行
う。図７は、水温に関するメンバーシップ関数の一例で
ある。例えば、今水温の計測結果が３３．３℃であった
なら、「ｂｅｓｔ」（適切）の程度が０．８５であると
判断する。他の「ｃｏｏｌｅｒ」（低温すぎる）や、
「ｃｏｏｌ」（低温）、「ｈｏｔ」（高温）のグラフに
は３３．３℃の線がかからないので、それらのグレード
は、それぞれ０となる。

【００４０】これらメンバーシップ関数の形は、その地
域や水田管理者の経験で異なるので、あらかじめ調査や
経験則により、決定しておく必要がある。

【００４１】表１は、稲作時の分げつ期における水門開
閉装置の開閉量設定のためのルールを示したものであ
る。いま、水位と水温の測定値がそれぞれ７０mm、３
３．３℃であったとする。この時のグレードは、図６お
よび図７から水位が「ｈ＿ｂｅｓｔ」で０．５５、水温
が「ｂｅｓｔ」で０．８５となり、これらが前件部とな
る。これら前件部の結果を表１に当てはめ、横軸の水位
では「ｈ＿ｂｅｓｔ」、縦軸の水温では「ｂｅｓｔ」を
とった交点を求める。結果的には、用水側バルブと排水
側バルブのメンバーシップ関数が、それぞれ「ｃｌｏｓ
ｅ」（ほとんど閉）、「ｂｅｓｔ」（適切）と決定され
る。

【００４２】表１

【００４３】次に、その結果を用いて、バルブを開閉す
るステッピングモータ１４の開閉量を求める方法につい
て述べる。図８に、αカットしたいわゆる「頭切り」後
の重心法によるステッピングモータの開度（ステップ
数）の算出法の一例を示した。まず、前述の結果の前件
部のグレード０．５５と０．８５のうち、どちらか小さ
い方を求める。これをｍｉｎ演算といい、ｍｉｎ｛０．
５５， ０．８５｝＝０．５５と算出される。

【００４４】次に、図８中のメンバーシップ関数のう
ち、用水側バルブでは「ｃｌｏｓｅ」、また排水側バル
ブでは「ｂｅｓｔ」のメンバーシップ関数のグラフを用
いて、前述のｍｉｎ演算で求めたグレード０．５５より
も、小さい部分だけを残して、グラフをカットして、頭
切りを行う。

【００４５】これにより得られた図８中の斜線部分の重
心の横軸のステップ数を求める。結果的に、用水側バル
ブは２８ステップの開度、排水側バルブは２５０ステッ
プの開度が、ステッピングモータ制御用ステップ数とし
て、ホストコンピュータ４よよびデータ送受信装置３を
介して、圃場側に送信され、水門開閉装置７のバルブ１
８を開閉させる。

【００４６】このバルブ開閉量は、現地水田の面積や自
然減水量により異なるので、例えば「ｌｉｔｔｌｅ」の
時に、水門開閉装置のステッピングモータの開度を何ス
テップ数にするかは、個々に決定しておく。

【００４７】また、リアルタイム遠隔制御システム５
は、水位または水温等の変化速度に応じて、環境計測す
る時間間隔等を決定する機能を持ち、任意時刻あるいは
定期的に環境の計測と制御を行うことができる。

【００４８】この機能により、例えばフェーン現象のた
めに水田内の水温が急上昇する傾向が観測された場合、
直ちに用水側及び排水側のバルブを全開にして水温上昇
を最小限度にとどめることが可能である。

【００４９】なお、遠隔地に模擬水田を設置し、図１の
システムを用いて、水田環境の最適制御実験を行った。
田植え後の「活着期」を想定した時の水田の管理につい
て、従来のフロート式水位調整器等によるＯＮ／ＯＦＦ
制御と、本発明で提案するファジィ制御により管理した
結果の一例を、それぞれ図９と図１０に示す。この「活
着期」では、水位が最優先されるので、水位のみの制御
実験とし、適切水位を３０mmとした。

【００５０】図９のＯＮ／ＯＦＦ制御では、適切水位３
０mmを中心に水位が上下し、水田内の水は絶えず用水・
排水されていることがわかる。実験時間中の６０分間に
用水バルブが２４回開閉し、総用水量は４５６リットル
となった。

【００５１】これに対し、図１０のファジィ制御では、
６回の用水バルブ開閉で済み、総用水量は３０リットル
であった。模擬水田の初期貯水量４６．４リットルに対
する用水回数は、ＯＮ／ＯＦＦ制御で９．８回、ファジ
ィ制御で０．６回であり、本発明によるファジィ制御方
式は、用水回数や用水量の点から考察すると、従来のフ
ロート式水位調整器等によるＯＮ／ＯＦＦ制御方式より
も、はるかに経済的、省力的であることがわかる。

【００５２】また、稲作時の「分げつ期」における水位
と水温の同時最適制御実験を行った。ＯＮ／ＯＦＦ制御
とファジィ制御により管理した結果の一例を、それぞれ
図１１と図１２に示す。この実験は、水位を初期水位約
９mmから適切水位６０mmに維持させ、水温は初期水温３
４℃を維持させることを目的としたものである。

【００５３】図１１のＯＮ／ＯＦＦ制御では、適切水位
６０mmに対し、４０mm〜６０mmの範囲で水位が変動し
た。水温は、水位制御のためにバルブの開閉を繰り返し
すぎたことから、初期値３４℃を維持できず、実験開始
６０分後には約２２℃まで低下した。

【００５４】これに対し、図１２のファジィ制御では、
最初の６分間で比較的大量の排水を行い、次の２６分間
で水位５０〜５５mmとなり、おおよそ適切な水位を実現
できた。これは、表１のファジィ推論ルールにより水温
が重視され、実験開始３４分後から用水・排水バルブと
もに「ほとんど閉」の状態が指示され、結果的に適切な
判断であったことがわかる。

【００５５】上記の実験結果から、本発明中のファジィ
理論応用の環境制御方式は、水資源の節約や労力の省力
化にも有効であることがわかった。

【００５６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００５７】集落等へ流入させる農業用水等の全体の水
量を制御するには、河川等からの流入口に本発明の装置
を設置することにより、達成できる。

【００５８】また、水田での利用例を述べると、水田へ
の用水側と排水側に水門開閉装置７を設置することによ
り、両者の開閉量に差を設けることにより、水田に残る
水の水位を制御することができる。

【００５９】前述の方法により、農家では、水田等の水
位確保のための水の流しっ放しがなくなり、水利用料金
の負担が軽減される。

【００６０】また、水路管理者や農家は、刻々変化する
水路系環境を遠隔地から容易に監視、あるいは制御する
ことができる。

【００６１】この場合、水位、水温、外気温といった水
路系環境のほかに、ｐＨセンサ、汚染物質等の計測セン
サを利用することにより、それらの観測値の遠隔観測等
を行うことができる。

【００６２】さらに、農家等は、多くの水田等の水位等
を毎日調整する作業から解放され、水田管理に要する時
間や労力は大幅に削減できる。

【００６３】また、稲作時に出現する異常低温やフェー
ン現象などの異常気温変動に対応して、その生育時期に
もとづいた水位・水温等の適切な制御が、遠隔地から可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１例を示す全体の構成図であ
る。

【図２】水路系環境観測装置の実施例を示す構成図であ
る。

【図３】ワンボードマイコンのプログラム例を示すフロ
ーチャートである。

【図４】水門開閉装置の実施例を示す斜視図である。

【図５】水路系現場側およびホストコンピュータ側のデ
ータ送受信装置の実施例を示す構成図である。

【図６】稲作時の水田水位のファジィ制御のためのメン
バーシップ関数の一例である。

【図７】稲作時の水田水温のファジィ制御のためのメン
バーシップ関数の一例である。

【図８】「頭切り」後の重心法によるステッピングモー
タの開度（ステップ数）の算出法の一例である。

【図９】「活着期」の水田管理におけるＯＮ／ＯＦＦ制
御の実験結果の一例である。

【図１０】「活着期」の水田管理におけるファジィ制御
の実験結果の一例である。

【図１１】「分げつ期」の水田管理におけるＯＮ／ＯＦ
Ｆ制御の実験結果の一例である。

【図１２】「分げつ期」の水田管理におけるファジィ制
御の実験結果の一例である。

【符号の説明】

１ 水路系環境観測装置 ２ 水路系現場側データ送受信装置 ３ ホストコンピュータ側データ送受信装置 ４ ホストコンピュータ ５ リアルタイム遠隔制御システム ６ 測定・制御結果等表示部 ７ 水門開閉装置 ８ 電波 ９ 温度センサ １０ 水位センサ １１ Ａ／Ｄコンバータ １２ ワンボードマイコン １３ バルブ制御用ボード １４ 水門開閉装置のモータ １５ チェーン １６ モータ側スプロケット １７ バルブ側スプロケット １８ 開閉バルブ １９ 水路用継手 ２０ 指示台 ２１ 通信用モデム ２２ 無線機 ２３ アンテナ

【表１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 27/00 Ｇ０５Ｄ 27/00 Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05D 9/00 A01G 16/00 A01G 25/00 E02B 7/20 E02B 13/02 G05D 27/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水路系の環境観測データとして少なくと
   も水位と外気温と水温とをセンサにより計測する水路系
   環境観測装置と、この水路系環境観測装置が設けられる
   水路系現場から遠隔地に設けるコンピュータと、前記水
   路系環境観測装置と前記コンピュータとの間に前記計測
   された水路系環境データをデータ通信するための或いは
   所定の指示を水路系現場へ送信するためのデータ送受信
   装置と、このデータ送受信装置により水路系環境を制御
   するための水門開閉装置とから構成し、水位と水温を同
   時に制御するためのファジィ推論による適切値決定方法
   を採用することで、水稲の生育段階で重要な活着期，分
   げつ期，穂がらみ期及びフェーン現象時について、活着
   期では水田の水温上昇を優先させ、分げつ期では無効分
   げつを抑制し有効茎を早期確保するために高水位維持を
   優先させ、穂ばらみ期では高温由来の根腐れや土壌内酸
   素不足を防止させるためのかけ流し潅漑と高水位維持を
   優先させ、フェーン現象下では気温の急激な上昇による
   稲の高蒸散作用に対応させるための早期高水位湛水を優
   先させることにより、水路系環境条件をリアルタイムに
   制御するリアルタイム遠隔制御を実現することを特徴と
   する水路系における水位・水温等の遠隔環境測定制御シ
   ステム。