JP3263593B2 - 水位制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダムや堰といった
貯留槽の水位変化を制御する水位制御装置に関し、特
に、流入する貯留物を貯留する貯留槽と、この貯留槽に
貯留された貯留物を放流する放流口と、貯留物の目標放
流量を算出し、放流口からの貯留物の放流を制御する制
御手段とを備え、目標放流量の放流によって貯留槽の貯
留物を任意のレベルで一定に保持するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】堰やダムでは、自然環境の中で、水位を
任意レベルに保持しつつ水が貯留槽に貯留される。水位
は、貯留槽に流入する水の流入量と、貯留槽から放流さ
れる水の放流量とに基づいて制御される。ただし、堰や
ダムでは、ゲートの開閉を通じて水の放流量のみを制御
するに留まる。

【０００３】水位を制御するにあたって目標放流量が設
定される。例えば、水位偏差方式によれば、目標水位か
らの水位偏差に応じて予め決められた放流量が目標放流
量に設定される。また、流入量計算方式によれば、任意
の時間内の貯水量の増加分とその時間内の平均放流量と
に基づいて貯留槽に流入する水の流入量が算出され、こ
の流入量に相当する水量が目標放流量に設定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の水位偏差方式で
は、水位偏差を生じさせる水位変化が生じた後、この変
化に応じて目標放流量が決定されることから、遅れ制御
となって水位変動幅が大きくなる。しかも、原理的に
は、水位に定常偏差が生じてしまう。

【０００５】その一方で、前述した流入量計算方式で
は、流入量の把握に時間遅れが生じ、しかも、先行する
時間内の流入量を後続する時間内で放流することから、
遅れ制御となる。さらに、流入量の計算にあたって、貯
水位測定誤差や、貯水位から貯水量への変換誤差、放流
量誤差等の誤差要因が存在し、正確な流入量を得ること
が難しく、目標放流量を正確に設定することができなか
った。

【０００６】このような遅れ制御や定常偏差を回避する
流入量計算方式では、目標放流量に適切な補正を加える
ことが提案されている。しかしながら、提案された方式
では、流入量の変化を線形にみなしていることから、現
流入量や現水位等のリアルな状況に応じた柔軟な補正を
行うことはできない。

【０００７】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、水位を精度よく一定に維持することができる水位制
御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、上流から流入する貯留物を貯留して放流口から放流
する貯留槽の放流量を制御して、前記貯留槽の水位を制
御する水位制御装置において、前記貯留槽に対する貯留
物の現流入量を算出する諸量演算部と、流入量の関数に
基づいて貯留物の予測流入量を算出する流入量予測部
と、流入量と流入量変化速度との組合せに対応する水位
偏差補正係数を求めるための情報を保持した補正係数情
報保持部と、前記現流入量と前記予測流入量とに基づ
き、平均流入量と平均流入量変化速度とを算出し、この
平均流入量と平均流入量変化速度との組合せに対応する
水位偏差補正係数を前記補正係数情報保持部の情報に基
づいて求める補正係数算出部と、前記貯留槽への流入量
と、前記貯留槽の水位の目標水位からの水位偏差と、に
基づき目標放流量を算出する目標放流量算出部であっ
て、前記貯留槽への流入量として前記現流入量と前記予
測流入量とを考慮すると共に前記水位偏差に対して前記
補正係数算出部で求めた水位偏差補正係数を反映させた
算出式を用いて前記目標放流量を算出する目標放流量算
出部と、を備え、前記目標放流量に基づき前記貯留槽の
放流量を制御する水位制御装置が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ本発
明の好適な実施形態を説明する。

【００１０】図１は本発明に係る水位制御装置が適用さ
れたダムの構造を示す。上流から貯留物としての水を流
入させる川１０をダム１１でせき止めることによって貯
留槽１２は形成される。貯留槽１２に貯留された貯留水
１３は放流口としてのゲート１４から放流される。ゲー
ト１４からの水の放流は、後述する制御手段によって制
御される。

【００１１】図２に示すように、制御手段１５には、上
流情報としての上流ダム放流量ｑ_ouを検出する上流情報
装置１６と、貯留水１３の水位ｈを検出する水位計１７
と、ゲート１４のゲート開度ｐを検出するゲート開度計
１８と、監視情報ＳＶが入力される機側盤１９とが接続
される。制御手段１５は、上流情報装置１６、水位計１
７、ゲート開度計１８および機側盤１９から入力される
様々な情報に基づいてゲート開閉駆動手段２０に対する
制御量を算出する。ゲート開閉駆動手段２０は、入力さ
れた制御量に応じてゲート１４を開閉する。このゲート
１４の開閉によって所望量の放水がなされる。ただし、
上流ダム放流量に代えて、上流河川水位や上流河川流
量、上流雨量、それらの任意の組合せといった上流情報
を用いることもできる。

【００１２】図３に示すように、制御手段１５は、上流
ダム放流量ｑ_ouを収集する上流情報収集部２１と、監視
情報ＳＶを参照しつつ水位ｈおよびゲート開度ｐから現
流入量ｑｉを算出する諸量演算部２２と、貯留水の目標
水位ｈｏを設定する目標水位設定部２３とを備える。諸
量演算部２２は、水位ｈおよび放流量ｑｏに基づいて現
流入量ｑｉを算出する。目標水位ｈｏは、外部から入力
されるようにしてもよい。

【００１３】流入量予測部２４は、諸量演算部２２で算
出された現流入量ｑｉと、上流情報収集部２１で収集さ
れた上流ダム放流量ｑ_ouとを逐次（例えば１０分（＝Δ
Ｔ）おきに）記憶する。流入量予測部２４は、記憶され
た現流入量ｑｉおよび上流ダム放流量ｑ_ouに基づいて、
次時点例えば１０分後の予測流入量をＡＲＸ方式で算出
する。ただし、上流ダム放流量ｑ_ouが得られない場合に
は、ＡＲＸ方式に代えて、ＡＲ方式が採用される。

【００１４】予測流入量の算出を詳述すると、ＡＲＸ方
式では、ＡＲＸモデル（ａｕｔｏ−ｒｅｇｒｅｓｓｉｖ
ｅ ｗｉｔｈ ｅｘｏｇｅｎｅｏｕｓ ｉｎｐｕｔ ｍ
ｏｄｅｌ：自己回帰外部入力モデル）に基づいて予測流
入量が算出される。このＡＲＸモデルではｋ時点での流
入量ｑｉ（ｋ）が次式で表される。

【００１５】

【数１】 ただし、各現流入量ｑｉおよび上流ダム放流量ｑ_ouのデ
ータはゲート操作時間間隔ΔＴごとにサンプリングされ
る。ここで、ゲート操作時間間隔ΔＴは１０ｍｉｎに設
定される。各パラメータａ₁ 、ａ₂ 、…、ａ_n 、ｂ₁ 、
ｂ₂ 、…、ｂ_n や次数ｎは、過去の実績データに最小二
乗法を適用して平均二乗誤差を算出することによって決
定される。この算出は予め流入量予測部２４で実行され
る。

【００１６】ＡＲＸモデルの式誤差ｅ（ｋ）は白色雑音
であることから予測流入量は次式で表される。

【００１７】

【数２】 ここで、ｋ時点を例えば１０分後とみなせば、ｋ時点で
の現流入量ｑｉは１０分後の流入量の予測値となる。す
なわち、予測流入量は、現時点までに累積された流入量
ｑｉおよび上流ダム放流量ｑ_ouによって算出されること
ができる。

【００１８】またＡＲ方式では、ＡＲモデル（ａｕｔｏ
−ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅｌ：自己回帰モデ
ル）に基づいて予測流入量が算出される。このＡＲモデ
ルではｋ時点での流入量ｑｉ（ｋ）が次式で表される。

【００１９】

【数３】 ＡＲＸ方式と同様に、各パラメータａ₁ 、ａ₂ 、…、ａ
_n や次数ｎは、過去の実績データに最小二乗法を適用し
て平均二乗誤差を算出することによって決定される。こ
の算出は予め流入量予測部２４で実行される。ＡＲモデ
ルの式誤差ｅ（ｋ）は白色雑音であることから予測流入
量は次式で表される。

【００２０】

【数４】 指標算出部２５は、諸量演算部２２で算出された現流入
量ｑｉと、流入量予測部２４で算出された予測流入量に
基づいて補正係数の指標を算出する。補正係数の指標と
しては、例えば、流入量Ａｑｉや流入量変化速度Ｄｑｉ
が挙げられる。これらの指標は、瞬間的な変化に惑わさ
れずに大局的な動向を把握するために、予測流入量を含
んだ複数の時点でのデータを平均して用いることが望ま
しい。例えば、指標算出部２５は、次式に従って平均流
入量Ａｑｉおよび平均流入量変化速度Ｄｑｉを算出す
る。

【００２１】

【数５】 補正係数算出部２６は、指標算出部２５で算出された流
入量Ａｑｉおよび流入量変化速度Ｄｑｉに基づいて水位
偏差補正係数Ｋを算出する。この算出には、補正係数算
出部２６に記憶された水位偏差補正係数テーブルが用い
られる。この水位偏差補正係数テーブルには、熟練者の
経験に基づいて、流入量Ａｑｉおよび流入量変化速度Ｄ
ｑｉの組合せ条件によって決定される水位偏差補正係数
Ｋが予め用意されている。補正係数算出部２６は、与え
られた流入量Ａｑｉおよび流入量変化速度Ｄｑｉから水
位偏差補正係数Ｋを検索する。流入量Ａｑｉおよび流入
量変化速度Ｄｑｉが水位偏差補正係数テーブルに現れな
い中間値である場合には、４点直線補間法に基づいて水
位偏差補正係数Ｋが算出される。この水位偏差補正係数
Ｋの算出にファジー理論を採用する場合には、前述の水
位偏差補正係数テーブルがメンバーシップ関数およびフ
ァジールールに相当し、前述の４点直線補間法による水
位偏差補正係数Ｋの算出がファジー推論演算に相当す
る。

【００２２】目標放流量算出部２７は、流入量予測部２
４からの予測流入量と、補正係数算出部２６からの水位
偏差補正係数Ｋと、諸量演算部２２からの水位ｈと、目
標水位設定部２３からの目標水位ｈｏとに基づいて目標
放流量ｑｏｏを算出する。

【００２３】目標開度算出部２８は、目標放流量算出部
２７からの水位ｈおよび目標放流量ｑｏｏに基づいてゲ
ート１４の目標ゲート開度Ｐｏを算出する。ゲート開閉
制御部２９は、現在のゲート開度Ｐや監視情報ＳＶを参
照しつつ目標ゲート開度Ｐｏに基づいてゲート開閉制御
量を算出する。開閉制御量を含んだゲート開閉指令信号
がゲート開閉駆動手段２０に向けて出力され、ゲート１
４が目標ゲート開度Ｐｏに設定される。

【００２４】図４のフローチャートを参照しつつ本実施
形態の作用を説明する。貯留槽１２には川１０から水が
流れ込んでいる（図１参照）。ゲート１４からの放流は
制御手段１５によって制御され、貯留水１３の水位は、
目標水位ｈｏで一定に保持される。第１ステップＳ１で
は、上流ダム放流量ｑ_ouや貯留水１３の水位ｈ、ゲート
開度ｐ、目標水位ｈｏが制御手段１５に取り込まれる。
取り込まれた貯留水１３の水位ｈ、ゲート開度ｐおよび
目標水位ｈｏに基づいて、流入量予測部２４は第２ステ
ップＳ２で１０分後の予測流入量を算出する。

【００２５】第３ステップＳ３で、指標算出部２５は、
式（５）および式（６）に従って補正係数の指標を算出
する。第４ステップＳ４では、算出された平均流入量Ａ
ｑｉおよび平均流入量変化速度Ｄｑｉに基づいて補正係
数算出部２６が水位偏差補正係数テーブルから水位偏差
補正係数Ｋを算出する。ここまでに得られた予測流入量
や水位補正係数Ｋ、水位ｈ、目標水位ｈｏは目標放流量
算出部２７に送られる。

【００２６】第５ステップＳ５で、目標放流量算出部２
７は、現流入量ｑｉおよび次時点での予測流入量から予
測流入総量を次式に従って算出する。

【００２７】

【数６】 予測流入総量と現時点ｍでの水位偏差から次時点（ｍ＋
１）までの目標放流総量Ｑｏｏ（ｍ）が次式で算出され
る（第６ステップＳ６）。ここで、Ａは貯留水の貯水面
積を示す。

【００２８】

【数７】 第７ステップＳ７では、過去の水位変化の加速度が閾値
α以上であるか否かが次式に従って判断される。

【００２９】

【数８】 加速度が閾値α以上であれば、第８ステップＳ８に進
み、次式に従って目標放流量ｑｏｏが算出される。

【００３０】

【数９】 第７ステップＳ７で加速度が閾値αに満たないと判断さ
れると、第９ステップＳ９で、次時点（ｍ＋１）での予
測水位が次式に従って算出される。

【００３１】

【数１０】 第１０ステップＳ１０では、算出された予測水位に基づ
いて、予測水位偏差が閾値βに比較される。

【００３２】

【数１１】 予測水位偏差が閾値β以上であれば、第８ステップＳ８
に進み、式（１０）に従って目標放流量ｑｏｏが算出さ
れる。予測水位偏差が閾値βに満たなければ、第１１ス
テップＳ１１で、前時点（ｍ−１）の目標放流量ｑｏｏ
（ｍ−１）が現時点ｍの目標放流量ｑｏｏ（ｍ）として
保持される。

【００３３】このように水位偏差補正係数Ｋを導入した
ことによって、熟練者の操作に倣って貯留水の放流を実
施することができるので、水位偏差に対応する貯留水を
１度に放流しようとする際に発生するハンチングを防止
することができる。また、本実施形態では、水位不感帯
の閾値βを導入して一定範囲の不感帯を設定し、水位ｈ
の測定精度および波浪等の影響によるハンチングを防止
したり、制御回数を減少させたりしている。ただし、従
来のように現時点ｍでの水位ｈ（ｍ）に対して判定を行
うのではなく、予測水位ｈ（ｍ＋１）に基づいて判定を
行うことから、時間遅れのない制御を可能にすることが
できる。ただし、不感帯を設けたままでは急激な水位変
化に対して追随することが不可能になってしまうので、
過去の水位変化の加速度を観察し、追従性の向上を図っ
ている。

【００３４】続いて第１２ステップＳ１２では、算出さ
れた目標放流量ｑｏｏに基づいてゲート１４の目標ゲー
ト開度Ｐｏが算出され、この目標ゲート開度Ｐｏに従っ
て制御量が算出される（第１３ステップＳ１３）。算出
された制御量に従って、ゲート開閉駆動手段２０はゲー
ト１４を開閉駆動する。

【００３５】

【実施例】図５は、ゲート操作時間間隔ΔＴが１０ｍｉ
ｎに設定された本発明に係る水位制御装置が適用された
貯留槽の水位変化を示す。図６に示すように、ＡＲＸモ
デルおよびＡＲモデルは６次数に設定され、６次の各パ
ラメータが各々設定される。水位偏差補正係数Ｋは図７
に示す水位偏差補正係数テーブルに保存される。貯留槽
の貯水面積Ａは０．３６４ｋｍ² である。閾値αは例え
ば５ｃｍに設定され、閾値βは例えば５ｃｍに設定され
る。

【００３６】図５によれば、目標水位に対する小さな水
位偏差で貯留水のレベルが推移していることがわかる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、熟練者の
操作に倣って貯留水の放流を実施することができるの
で、水位偏差に対応する貯留水を１度に放流しようとす
る際に発生するハンチングを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る水位制御装置が適用されたダム
の断面図である。

【図２】 水位制御装置の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図３】 制御手段の構成を示すブロック図である。

【図４】 制御手順を示すフローチャートである。

【図５】 本発明の一具体例に係る水位制御装置の作動
結果を示すグラフである。

【図６】 ＡＲＸモデルおよびＡＲモデルのパラメータ
を示す図である。

【図７】 水位偏差補正係数テーブルを示す図である。

【符号の説明】

１２ 貯留槽、１３ 貯留物としての貯留水、１４ 放
流口としてのゲート、１５ 制御手段、２２ 諸量演算
部、２４ 流入量予測部、２５ 指標算出部、２６ 補
正係数算出部、２７ 目標放流量算出部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上流から流入する貯留物を貯留して放流
   口から放流する貯留槽の放流量を制御して、前記貯留槽
   の水位を制御する水位制御装置において、 前記貯留槽に対する貯留物の現流入量を算出する諸量演
   算部と、 流入量の関数に基づいて貯留物の予測流入量を算出する
   流入量予測部と、 流入量と流入量変化速度との組合せに対応する水位偏差
   補正係数を求めるための情報を保持した補正係数情報保
   持部と、 前記現流入量と前記予測流入量とに基づき、平均流入量
   と平均流入量変化速度とを算出し、この平均流入量と平
   均流入量変化速度との組合せに対応する水位偏差補正係
   数を前記補正係数情報保持部の情報に基づいて求める 補
   正係数算出部と、 前記貯留槽への流入量と、前記貯留槽の水位の目標水位
   からの水位偏差と、に基づき目標放流量を算出する目標
   放流量算出部であって、前記貯留槽への流入量として前
   記現流入量と前記予測流入量とを考慮すると共に前記水
   位偏差に対して前記補正係数算出部で求めた水位偏差補
   正係数を反映させた算出式を用いて 前記目標放流量を算
   出する目標放流量算出部と、 を備え、前記目標放流量に基づき前記貯留槽の放流量を
   制御 する水位制御装置。