JP3425160B2 - Water supply operation planning method - Google Patents

Water supply operation planning method

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JP3425160B2
JP3425160B2 JP13833792A JP13833792A JP3425160B2 JP 3425160 B2 JP3425160 B2 JP 3425160B2 JP 13833792 A JP13833792 A JP 13833792A JP 13833792 A JP13833792 A JP 13833792A JP 3425160 B2 JP3425160 B2 JP 3425160B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、上水道の導送水管網に
おける、最適な運用計画を立案する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for preparing an optimum operation plan for a water supply pipe network for waterworks.

【0002】[0002]

【従来の技術】人口の都市部集中化による水需要増加に
伴って水道施設は大規模複雑化し、システム全体を効率
よくしかも円滑にコントロールすることが非常に困難と
なってきている。一方、新たな水源の開発には多大な時
間と費用を要するため、限られた水資源を有効に活用す
る必要が高まり、水道事業に計算機システムが積極的に
導入され、システム技術の適用が図られてきた。運用計
画は、取水から配水にいたる全システムを総合管理制御
する目的で、需要予測、取水計画、配分計画等を行うも
のである。
2. Description of the Related Art With the increase in water demand due to the concentration of population in urban areas, water facilities have become large-scale and complex, and it has become extremely difficult to control the entire system efficiently and smoothly. On the other hand, the development of a new water source requires a great deal of time and money, so there is a growing need to make effective use of limited water resources, and computer systems are being actively introduced into the water supply business. Has been. The operation plan is to perform demand forecasting, water intake planning, distribution planning, etc. for the purpose of comprehensive management and control of all systems from water intake to water distribution.

【0003】従来の運用計画は、計算機の記憶容量、演
算速度等の制約から、計画を各地域ごと、各時刻ごとに
分割して行なっていた。まず、水系を地域的まとまりで
あるゾーンを単位として分割し、ゾーンごとの予測需要
を満足する配分計算を行う。この時、ゾーンの貯水量は
あらかじめ計画し、ゾーン間の導水量や送水量は各時刻
毎に配分計算する。ゾーン間の配分が決定したところ
で、次にゾーン内の配分計算を行なう。この方法は、松
本:「大規模上水道の時空間階層型運用計画システム」
日本自動制御協会多目的システム研究分科会No.79-4,11
に紹介されている。
In the conventional operation plan, the plan is divided for each region and each time because of the constraints of the storage capacity of the computer, the calculation speed, and the like. First, the water system is divided into zones, each of which is a regional unit, and the distribution calculation that satisfies the forecast demand for each zone is performed. At this time, the amount of water stored in the zone is planned in advance, and the amount of water transfer and water transmission between zones is calculated at each time. When the allocation between zones is determined, the allocation within the zone is calculated next. This method is based on Matsumoto: "Large-scale water and space water supply space-time operation planning system"
Japan Automatic Control Association Multipurpose System Research Subcommittee No.79-4,11
Have been introduced to.

【0004】需要に応じた取水量や流量を計画する問題
は、導送水管のネットワーク上の各アークに輸送コスト
や浄化コストを付加し、取水源から配水池への送水にか
かる総費用を評価関数としてそれを最小化する、最小費
用流問題として定式化できる。その解法としては、シン
プレックス法をはじめとして、様々な数理的解法が考案
されており、例えば、伊理、古林著「ネットワーク理
論」(日科技連)の第4章に紹介されている。さらに、
ホルダーを有するネットワークの場合は、各時刻ごとに
別々に対応した個別のネットワークが貯水量に相当する
アークで連結された多層状の拡張ネットワークをモデル
として扱うことができ、この考え方については、志水著
「システム最適化理論」(コロナ社)の第5章p392〜p3
97に記されている。また、システムの動的な最適化問題
の解法としては、T.Nishiya:CONTROL AND DYNAMIC SYST
EMS,Academic Press,inc. Vol.42 p341〜p370に記され
ている。
The problem of planning water intake and flow according to demand is to add the transportation cost and the purification cost to each arc on the network of water conduits to evaluate the total cost of water transfer from the intake source to the reservoir. It can be formulated as a minimum cost flow problem that minimizes it as a function. Various mathematical solutions such as the simplex method have been devised as the solution, and are introduced in Chapter 4 of "Network Theory" by Iri and Furubayashi (Nikka Giren), for example. further,
In the case of a network with holders, it is possible to treat as a model a multi-layered extended network in which individual networks corresponding to each time are connected by arcs corresponding to the amount of stored water. Chapter 5 of "System Optimization Theory" (Corona Publishing) p392-p3
It is written in 97. In addition, as a solution of the dynamic optimization problem of the system, T.Nishiya: CONTROL AND DYNAMIC SYST
EMS, Academic Press, inc. Vol.42 p341-p370.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来の運用計画では、
問題を時間的空間的に分割していたために、条件が厳し
い場合には、解が存在するにもかかわらず配分できない
というケースがあった。また、配分不可能な場合に可能
な限りの条件を満足させる準最適解を計算することもで
きなかった。配水池の貯水量を有効に利用し安定した供
給を実現する計画値を確実に求めるには、動的な最適化
による一括計算が望ましい。しかし動的最適化を行なう
と、問題の規模が大きくなり、通常のアルゴリズムでは
限られた計算時間で解を求めるのは困難であり、実現で
きない状況であった。
In the conventional operation plan,
Since the problem was divided temporally and spatially, there were cases where it was not possible to allocate even if a solution existed when the conditions were severe. In addition, it was not possible to calculate a suboptimal solution that satisfies all possible conditions when it cannot be allocated. Collective calculation by dynamic optimization is desirable in order to reliably obtain the planned value that effectively uses the water storage capacity of the reservoir and realizes stable supply. However, when dynamic optimization is performed, the scale of the problem becomes large, and it is difficult to find a solution in a limited calculation time with an ordinary algorithm, which is a situation that cannot be realized.

【0006】さらに、実際の運用においては、浄化施設
へ負担がかからないように浄水量は時間的に変動しない
方が望ましいし、バルブ操作の容易さの面からも一定流
量の方が良い。また、ポンプによって送水する場合に
は、回転数によって流量を連続的に調節するよりは、常
に最大吐出量で、台数のみ切り替える方が効率的であ
る。このためには、ポンプの能力に応じた離散的な流量
を設定する必要がある。通常の数理計画法では、運用上
要求される条件をすべて等式や不等式としてあらかじめ
表現して定式化する。需要を満足する矛盾のない流れで
あるための条件として、ネットワーク上の各アークの流
量上下限は不等式として、各ノード上の物質収支は等式
条件として容易に表現される。しかしながら、このよう
な様々な性質の条件をすべて数式として表現すると問題
が複雑化する。その上、正確に条件を記述することには
限界があり、現実の運用上は必ずしも好ましい計画値と
はならないという問題点があった。本発明の目的は、種
々の条件を満足した現実運用に耐える解を高速に求める
方法を提供することにある。
Furthermore, in actual operation, it is desirable that the amount of purified water does not fluctuate with time so that the purification facility is not burdened, and a constant flow rate is better in terms of easiness of valve operation. Further, when water is supplied by a pump, it is more efficient to always switch the number of units at the maximum discharge amount rather than continuously adjusting the flow rate by the number of rotations. For this purpose, it is necessary to set a discrete flow rate according to the capacity of the pump. In ordinary mathematical programming, all conditions required for operation are expressed as equalities and inequalities in advance and formulated. As conditions for a consistent flow that satisfies the demand, the upper and lower limits of the flow rate of each arc on the network are easily expressed as inequalities, and the material balance on each node is easily expressed as an equality condition. However, if all the conditions of such various properties are expressed as mathematical expressions, the problem becomes complicated. In addition, there is a limit in accurately describing the conditions, and there is a problem that the desired planned value is not always obtained in actual operation. An object of the present invention is to provide a method for rapidly obtaining a solution that satisfies various conditions and can withstand actual operation.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、取水源、浄水場、配水池、分岐点をノード、導水
管、送水管をアークとみなし、上水道の導送水管網を、
空間ネットワークとして表現する。これを運用を計画す
る各時刻毎に単位時間の個数分構成して並べ、各空間ネ
ットワークの配水池に対応するノード同士を、貯水量を
表わすアークで結ぶ。さらに仮想的取水源をソースノー
ド、仮想的消費点をシンクノードとして1点ずつ設け、
ソースノードと初期時刻の空間ネットワークの各取水源
および配水池とを初期貯水量を表すアークで結び、シン
クノードと最終時刻の空間ネットワークの各取水源およ
び配水池とを最終貯水量を表すアークで結ぶ。このよう
にして構成される多層状の拡張ネットワークをもって、
水系全体の時間的変化を表現するモデルとする。配分計
画を、このモデル上の各ノードでの物質収支および各ア
ークでの導水量、送水量、貯水量の上下限を制約条件と
し、各アークでの導水量、送水量、貯水量の単位量当り
費用を表わすコスト係数から求まる総費用を最小にす
る、拡張ネットワーク上の最小費用流問題とみなして、
これを数理計画法によって求める。次に、運用上要求さ
れる他の制約条件を満足するように、数理計画法で得ら
れた最小費用流を改善することによって、導水量、送水
量、貯水量の動的な計画値を立案する。以上が解決方法
の概要である。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the intake source, the water treatment plant, the reservoir, the branch point are regarded as the nodes, the water pipes and the water pipes are regarded as arcs, and the water supply pipe network of the water supply is
Express as a spatial network. These are constructed and arranged by the number of unit times for each time when operation is planned, and the nodes corresponding to the reservoirs of each spatial network are connected by an arc representing the amount of stored water. In addition, each virtual intake point is set as a source node and each virtual consumption point is set as a sink node.
The source node and each intake source and reservoir of the spatial network at the initial time are connected by an arc that represents the initial storage volume, and the sink node and each intake source and distribution reservoir of the spatial network at the final time are connected by an arc that represents the final storage volume. tie. With a multi-layered expansion network configured in this way,
The model is used to express the temporal change of the entire water system. The distribution plan is constrained by the material balance at each node on this model and the upper and lower limits of the amount of water transferred, the amount of water transferred, and the amount of stored water at each arc, and the amount of water transferred at each arc, the amount of water transferred, and the unit amount of stored water. Considering the minimum cost flow problem on the extended network that minimizes the total cost obtained from the cost coefficient that represents the cost per hit,
This is obtained by mathematical programming. Next, by dynamically improving the minimum cost flow obtained by the mathematical programming so as to satisfy other operational constraints, a dynamic planned value for the amount of water transfer, water transfer, and water storage is planned. To do. The above is the outline of the solution.

【0008】上記最小費用流問題は線形計画問題の一種
であるから、シンプレックス法を適用することができ
る。拡張ネットワークを構成する各アークの流量である
導水量、送水量、貯水量を変数とし、各ノードで成立す
べき物質収支の等式と各アークで成立すべき導水量、送
水量、貯水量の上下限に対する不等式を制約条件とし、
各アークでの流量とコスト係数から定まる総費用を評価
関数とする。いま、時間方向も考慮しているため、上記
最小費用流問題は多段線形計画問題となり、これに分割
解法を適用する。まず全体の問題を、計画する各時刻に
対応した各段ごとの小さい問題に分割する。そしてさら
に各段に含まれる変数を、上限値または下限値をとる非
基底変数と、非基底変数値と等式条件から定まる値をと
る基底変数とに分割し、各段ごとの等式条件の基底変数
の係数からなる基底小行列の逆行列を用いて、各非基底
変数を単位量変化させたときの総費用の変化量を表す相
対費用係数を求める。総費用を減少させる割合のもっと
も大きい非基底変数を、他の基底変数が上下限値になる
まで変化させることによって、基底変数と非基底変数の
組合せを変えて総費用を減少させるという手順を繰り返
す。
Since the above minimum cost flow problem is a kind of linear programming problem, the simplex method can be applied. With the variables of the amount of water transfer, the amount of water transfer, and the amount of water storage of each arc that composes the expansion network, the equation of the material balance that should be established at each node and The inequality for the upper and lower bounds is the constraint,
The evaluation cost is the total cost determined by the flow rate at each arc and the cost coefficient. Since the time direction is also taken into consideration, the above minimum cost flow problem becomes a multistage linear programming problem, and the division solution method is applied to this. First, the whole problem is divided into small problems for each stage corresponding to each planned time. Then, the variables included in each stage are divided into non-basic variables that take upper or lower limits and non-basic variables that take values determined from the non-basic variable values and the equality condition, and the equality condition of each stage Using the inverse matrix of the base submatrix composed of the coefficients of the base variables, the relative cost coefficient that represents the change amount of the total cost when the unit amount of each non-base variable is changed is obtained. Repeat the procedure of changing the combination of the basic variable and the non-basic variable to reduce the total cost by changing the non-basic variable with the largest proportion to reduce the total cost until the other base variables reach the upper and lower limit values. .

【0009】最小費用流計算においてコストを設定する
際に、導水量や送水量が下限を下回る場合には絶対値が
大きい負のコスト係数を、上限を上回る場合には絶対値
が大きい正のコスト係数を設定する。また、貯水量が設
備下限を下回る場合には絶対値が十分大きい負のコスト
係数を、運用下限を下回る場合には絶対値が設備下限以
下の場合よりは小さいが十分大きい負のコスト係数を設
定し、貯水量が設備上限を上回る場合には絶対値が十分
大きい正のコスト係数を、運用上限を上回る場合には絶
対値が設備上限以上の場合よりは小さいが十分大きい正
のコスト係数を設定する。このように、値に応じて段階
的にコスト係数が変化するコスト関数を用いて、配分不
可能な場合でも確実に解が計算できるようにする。
When setting the cost in the minimum cost flow calculation, a negative cost coefficient with a large absolute value is used when the amount of water transfer or water transmission is below the lower limit, and a positive cost with a large absolute value is exceeded when it exceeds the upper limit. Set the coefficient. In addition, if the water storage amount is below the facility lower limit, a negative cost coefficient with a sufficiently large absolute value is set, and if the water storage amount is below the operating lower limit, a negative cost coefficient is set that is smaller but sufficiently larger than when the absolute value is below the facility lower limit. However, if the water storage capacity exceeds the facility upper limit, a positive cost coefficient with a sufficiently large absolute value is set, and if the water storage capacity exceeds the operation upper limit, a positive cost coefficient with a smaller but sufficiently larger absolute value than the facility upper limit is set. To do. In this way, the cost function in which the cost coefficient changes stepwise according to the value is used so that the solution can be reliably calculated even when the allocation is impossible.

【0010】さらに、導水量、送水量、貯水量を指定値
に固定する必要がある場合には、指定値以下では絶対値
が十分大きな負のコスト係数を、指定値以上では絶対値
が十分大きな正のコスト係数を設定する。
Further, when it is necessary to fix the amount of water to be introduced, the amount of water to be sent, and the amount of stored water to specified values, a negative cost coefficient whose absolute value is sufficiently large below the specified value and an absolute value is sufficiently large above the specified value. Set a positive cost factor.

【0011】最小費用流の改善は、流量を修正したい管
路を含み、2つの配水池間を結ぶパスを探索し、拡張ネ
ットワーク上で、異なる2層上では同一の該パスを、2
層間は2つの配水池の貯水量に相当するアークを通るパ
スからなるループを構成し、ループ上での修正を行う。
さらに、流量を修正したい管路を含み、2つの配水池間
を結ぶパスのうちコストがゼロのパスを探索し、拡張ネ
ットワーク上で、修正したい時刻に対応する層上での該
配水池間パスと、2つの配水池の修正したい時刻から最
終時刻までの貯水量に相当するアークを通ってシンクノ
ードに到るパスとを連結したループを構成し、このルー
プ上での修正を行う。これらの、修正を反復することに
よって、目標流量に近づける。
The improvement of the minimum cost flow is to search for a path connecting between two reservoirs including a pipeline whose flow rate is to be corrected, and to find the same path on two different layers on the extension network.
Between the layers, a loop consisting of a path that passes through an arc corresponding to the amount of water stored in the two reservoirs is constructed, and correction is performed on the loop.
Furthermore, a path with a zero cost is searched for among the paths connecting the two reservoirs, including the pipeline whose flow rate is to be corrected, and the path between the reservoirs on the layer corresponding to the time to be corrected on the extended network, A loop is constructed by connecting a path reaching the sink node through an arc corresponding to the amount of water storage from the time to be corrected to the final time of the two reservoirs, and the correction is performed on this loop. The target flow rate is approached by repeating these corrections.

【0012】[0012]

【作用】上水道の導送水管網を、各時刻ごと別々に対応
したネットワークが貯水量に相当するアークによって連
結された、多層状の拡張ネットワークとして表現するこ
とによって、配水池貯水量は、層間を結ぶ管路の流量と
みなすことができ、通常の管路流量と区別する必要がな
く処理をすることができる。このようなモデルを用いる
ことによって、動的な配分計画を拡張ネットワーク上の
最小費用流を求める問題に帰着させることができ、動的
な計画が容易に計算できる。ところが、運用上要求され
る様々な性質の条件をすべて数式として表現すると問題
が複雑化し、動的最適化をするために変数が倍増してい
るため、通常の数理的解法によって限られた計算時間で
解を求めることは困難となる。その上、正確に条件を記
述することには限界があり、現実の運用上は必ずしも好
ましい計画値とはならない。そこで、まず始めに拡張ネ
ットワークの各ノードでの物質収支、および各アークの
流量上下限のみを制約条件として、矛盾の無い流れであ
るために必要最小限の条件を満足した最小費用流を求め
る。この問題は、定式化も容易で、数理計画法によっ
て、高速に解を求めることが可能である。次に、運用上
要求されるその他の制約条件を満足するように、コスト
の上昇を最小限に抑えながら最小費用流を改善すること
によって、種々の条件を満足した現実運用に耐える導水
量、送水量、貯水量等の動的な計画値を高速に求めるこ
とができる。以上が、問題解決の主な原理である。
[Operation] By expressing the water supply pipe network as a multi-layered expansion network in which the networks corresponding to each time are connected by the arc corresponding to the water storage amount, the reservoir water storage amount is It can be regarded as the flow rate of the connecting pipeline, and the processing can be performed without having to distinguish it from the normal pipeline flow rate. By using such a model, the dynamic allocation plan can be reduced to the problem of finding the minimum cost flow on the extended network, and the dynamic plan can be easily calculated. However, if all conditions of various properties required for operation are expressed as mathematical expressions, the problem becomes complicated and the variables are doubled for dynamic optimization. It is difficult to find a solution in. In addition, there are limits to how accurately the conditions can be described, and they are not always desirable planned values in actual operation. Therefore, first, the minimum cost flow that satisfies the minimum necessary conditions for a consistent flow is obtained by limiting only the material balance at each node of the expansion network and the upper and lower limits of the flow rate of each arc. This problem is easy to formulate, and it is possible to find a solution at high speed by mathematical programming. Next, by improving the minimum cost flow while minimizing the increase in cost so as to satisfy other constraints required for operation, the amount of water transmission and transmission that can withstand actual operation satisfying various conditions. It is possible to quickly obtain dynamic planned values such as water volume and water storage volume. The above is the main principle of problem solving.

【0013】上記の最小費用流計算は、多段線形計画問
題として定式化でき、全体の問題の係数行列は、対角方
向に階段状に小行列が並ぶ形状となる。基底行列を、対
角方向の小行列が正方行列である行列と補正行列との積
として表すことによって、全体の問題は各段ごとの小さ
い問題に分割できる。次に各段ごとの基底逆行列と補正
行列の逆行列から相対費用係数を求め、通常のシンプレ
ックス法と同一手順を繰り返すことにより最小費用流を
求める。基底逆行列計算を小行列の逆行列演算の繰り返
しに変換することで、計算量が大きく削減される。ま
た、物質収支の等式条件のみで構成される係数行列は、
その要素が1、−1、0のみで、その基底逆行列、補正
行列等はすべて物質のやり取りを表すことからやはり、
その要素は1、−1、0のみである。この性質を利用し
て、すべての行列計算を和差算で表現することが可能で
ある。このことは、計算機上では大きな省力化につなが
るばかりでなく、計算誤差がまったく生じないという利
点がある。
The above minimum cost flow calculation can be formulated as a multi-stage linear programming problem, and the coefficient matrix of the overall problem has a shape in which small matrices are arranged in a stepwise manner in the diagonal direction. By expressing the basis matrix as a product of a matrix in which a small diagonal matrix is a square matrix and a correction matrix, the whole problem can be divided into small problems in each stage. Next, the relative cost coefficient is obtained from the inverse matrix of the base matrix and the correction matrix of each stage, and the minimum cost flow is obtained by repeating the same procedure as the ordinary simplex method. By converting the base inverse matrix calculation into the repetition of the inverse matrix calculation of the small matrix, the calculation amount is greatly reduced. Also, the coefficient matrix consisting only of the material balance equation is
Since the elements are only 1, -1, 0 and the basis inverse matrix, the correction matrix, etc. all represent the exchange of substances,
Its elements are only 1, -1, 0. By utilizing this property, all matrix calculations can be expressed by addition and subtraction. This not only leads to great labor saving on a computer, but also has the advantage that no calculation error occurs.

【0014】以上のように多段線形計画問題として定式
化すると、最小費用流を高速に求めることができるが、
配分不可能な場合は実行可能解が存在しないため計画値
が何も求められない。現実の運用計画ではいくつかの配
水池で下限を割るような不完全な計画値を計算し運用の
指針としたいという要求がある。そこで、配水池貯水量
と管路流量の上下限外に高いコストを付加した階段状コ
ストとすれば、必ず解が計算できる。その際に上下限外
のコストを、貯水量のコストに比べて流量のコストが充
分に大きくなるようにすれば、不完全な計画値が、流量
上限を越えたり、逆流したりすることのないようにでき
る。また、制限値に達するまでできるだけ多く取水し
て、安全性の観点から配水池にできるだけ多くの貯水量
を確保しなければならない場合がある。このような条件
は、取水源の貯水量には正のコストを、配水池貯水量に
負のコストを付加することにより、取水源の貯水量は、
可能な限り少なく、配水池貯水量は可能な限り多くな
り、計画値に反映される。また、流量指定をしたい場合
には、指定値以下では絶対値が十分大きな負のコスト係
数を、指定値以上では絶対値が十分大きな正のコスト係
数を設定する。指定値以外では、非常にコストが高くな
るようにすることで、指定値に計画される。
When the formulation as a multistage linear programming problem is performed as described above, the minimum cost flow can be obtained at high speed.
If it cannot be allocated, no feasible solution exists and no plan value can be obtained. In the actual operation plan, there is a demand to calculate an incomplete plan value that divides the lower limit of some reservoirs and use it as a guideline for operation. Therefore, the solution can be calculated without fail if the staircase cost is obtained by adding a high cost outside the upper and lower limits of the reservoir water storage volume and pipeline flow rate. At that time, if the cost outside the upper and lower limits is set so that the cost of the flow is sufficiently larger than the cost of the stored water, the incomplete planned value will not exceed the upper limit of the flow or flow backward. You can In addition, it may be necessary to secure as much water storage as possible from the viewpoint of safety by drawing as much water as possible until the limit is reached. Under these conditions, by adding a positive cost to the storage volume of the intake source and a negative cost to the reservoir storage volume, the storage volume of the intake source becomes
Reservoir water storage will be as low as possible and as high as possible, which will be reflected in the planned values. Further, when it is desired to specify the flow rate, a negative cost coefficient whose absolute value is sufficiently large is set below the specified value, and a positive cost coefficient whose absolute value is sufficiently large is set above the specified value. Other than the specified value, the cost is set to be extremely high, so that the specified value is planned.

【0015】こうして、最小費用流を求めておき、さら
に他の条件を満足させるように、解をヒューリステイッ
クに改善して現実運用に耐える計画値にする。例えば、
バルブ操作により流量調整をする管路については、流量
変動の少ない計画値が望ましく、ある時間帯の平均流量
となり、ポンプによる送水を行う管路ではポンプ吐出量
に応じた離散値となる。最小費用流計算で得られた解を
もとに目標流量としてこれらを算出する。改善方法は、
流量を修正したい管路を含み、2つの配水池間を結ぶパ
スを探索し、拡張ネットワーク上で、異なる2層上では
同一の該パスを、2層間は両端の2つの配水池の貯水量
に相当するアークを通るループを構成し、このループ上
に修正流量を加算することによって改善する。これは、
2つの配水池間の管路の流量が異なる時刻で互いに修正
流量分だけ増減されることになり、全体のコストは変化
しない。あるいは、流量を修正したい管路を含み、2つ
の配水池間を結ぶパスのうちコストがゼロのパスを探索
し、拡張ネットワーク上で、修正したい時刻に対応する
層上ではコストがゼロの該パスと、2つの配水池の修正
したい時刻から最終時刻までの貯水量に相当するアーク
を通ってシンクノードに到るパスとを連結したループを
構成し、このループ上に修正流量を加算することによっ
て改善する。これは、輸送費用のかからない管路の流量
を修正し、それに応じてその両端の2つの配水池の最終
貯水量を変化させることになる。こういった修正を反復
することにより目標流量に近づける。
In this way, the minimum cost flow is obtained, and the solution is heuristically modified so as to satisfy other conditions, and is set to a planned value that can withstand actual operation. For example,
A planned value with little fluctuation in flow rate is desirable for the pipeline that adjusts the flow rate by valve operation, and the average flow rate is for a certain period of time, and for the pipeline that conducts water supply by the pump, it is a discrete value according to the pump discharge rate. These are calculated as target flow rates based on the solution obtained by the minimum cost flow calculation. The improvement method is
Search for a path that connects two reservoirs, including the pipeline whose flow rate is to be modified, and find the same path on two different layers on the extended network, and the two layers are equivalent to the reservoirs of two reservoirs at both ends. It is improved by constructing a loop through the arcs that perform and adding a correction flow rate on this loop. this is,
The flow rate of the pipeline between the two reservoirs will be increased or decreased by the corrected flow rate at different times, and the overall cost will not change. Alternatively, a path with a zero cost is searched for among paths connecting two reservoirs that include a pipeline whose flow rate is to be corrected, and the path with a zero cost is found on the layer corresponding to the time to be corrected on the extended network. Improve by constructing a loop that connects the path reaching the sink node through the arc corresponding to the reservoir volume from the desired time to the final time of the two reservoirs and adding the corrected flow rate on this loop To do. This will modify the flow rate of the pipeline without transportation costs and change the final reservoir volume of the two reservoirs at both ends accordingly. The target flow rate is approached by repeating these modifications.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、上水道の一般的な水系図および本発
明の適用による運用形態を示した図である。取水源11
−1、2から取水された原水は、導水管15−1〜3を
経て浄水場12−1、2へ着水し、そこで浄化された浄
水は送水管16−1〜6によって各地域の配水池13−
1〜5へ配分され、さらに各配水池からは需要家へ浄水
が配られる。各地域、各時刻で異なる需要を常に満足さ
せるように水系を運用し、取水量、管路流量、配水池貯
水量等を計画する必要がある。需要は、日々の天候条件
等、様々な要因によっても変化するため、毎回計画を迅
速に計画しなければならない。ところが、需要が増加す
る一方で水源確保が困難なことから、運用条件も厳しく
なり、限られた資源を有効活用する必要にせまられてい
る。そこで、運用センタ14を設け、情報ネットワーク
18−1〜8によりデータを収集して計画を立案し、各
施設へ計画値を送信するによって水系全体を統括的に管
理を行なう。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing a general water system of water supply and an operation mode by application of the present invention. Water intake source 11
Raw water taken from -1, 2 reaches the water treatment plants 12-1, 2 through the water conduits 15-1 to 3 and the purified water purified there is distributed by the water pipes 16-1 to 16 in each region. Water pond 13-
Water is distributed to 1 to 5, and purified water is distributed to consumers from each distribution reservoir. It is necessary to operate the water system so as to always satisfy different demands in each region and each time, and to plan the intake amount, the flow rate of the pipeline, the reservoir storage amount, etc. Since demand changes due to various factors such as daily weather conditions, it is necessary to plan the plan promptly every time. However, as demand increases and it is difficult to secure a water source, the operating conditions become strict, and it is necessary to make effective use of limited resources. Therefore, the operation center 14 is provided, data is collected by the information networks 18-1 to 18-8 to make a plan, and the planned value is transmitted to each facility, whereby the entire water system is comprehensively managed.

【0017】図2は、運用計画の概要を示した図であ
る。まず、需要実績データ22を用いて、需要予測パラ
メータの解析を行なう(21)。天候その他の要因か
ら、このパラメータに基づき、各配水池での需要量の予
測値を計算する(23)。次に、予測需要量および隣接
都市など他団体との売買契約等を考慮し、計画取水量を
決定する(24)。管網データ26は、配分計算に必要
な設定条件のうち、比較的変更の少ないもので、管網接
続情報、流量や貯水量等の設備上下限、送水や浄化等の
コスト係数である。比較的頻繁に変化する設定条件は、
入力端末27を介してオペレータにより設定される。例
えば、各配水池の初期貯水量、平滑化の優先順位、指定
流量値等である。これら一連のデータおよび条件を入力
として、配分計画を行ない(25)、各配水池の貯水
量、各管路の流量等の計画値を決定する。本発明は、運
用計画の中心的位置を占める配分計画を高度にかつ高速
に立案するアルゴリズムを提供する。以下、その内容に
ついて述べる。
FIG. 2 is a diagram showing an outline of the operation plan. First, the demand performance data 22 is used to analyze the demand forecast parameters (21). From the weather and other factors, the predicted value of demand at each reservoir is calculated based on this parameter (23). Next, the planned water withdrawal amount is determined in consideration of the forecast demand amount and the sales contract with other groups such as adjacent cities (24). The pipe network data 26 is a relatively small change in the setting conditions necessary for distribution calculation, and is pipe network connection information, facility upper and lower limits such as flow rate and water storage amount, and cost coefficient for water supply and purification. Setting conditions that change relatively frequently are
It is set by the operator via the input terminal 27. For example, the initial storage amount of each distribution reservoir, the priority order of smoothing, the designated flow rate value, and the like. Using these series of data and conditions as input, a distribution plan is made (25), and planned values such as the amount of water stored in each reservoir and the flow rate of each pipeline are determined. The present invention provides an algorithm for highly and rapidly planning a distribution plan that occupies a central position in an operation plan. The contents will be described below.

【0018】本発明による前記配分計画25の処理フロ
ーを図3に示す。まず、計算に必要となる諸条件を設定
し、問題の定式化を行なう(31)。ここで、入力項目
について整理しておく。
A processing flow of the distribution plan 25 according to the present invention is shown in FIG. First, various conditions necessary for calculation are set, and the problem is formulated (31). Here, the input items are organized.

【0019】1)予測需要量…各配水池の時間単位の需
要量で、前記需要予測23の出力である。
1) Predicted demand amount ... The demand amount of each distribution reservoir on an hourly basis, which is the output of the demand forecast 23.

【0020】2)計画取水量…総需要量と他団体との売
買契約による分水量と受水量から計画する取水総量で、
前記取水計画24の出力である。
2) Planned water intake: Total water intake to be planned from the total demand and the water distribution amount and water intake amount under the sales contract with other groups,
It is an output of the water intake plan 24.

【0021】3)管網接続情報…各施設、分岐点、管路
がどう接続されているかを表現する情報である。
3) Pipe network connection information: information representing how each facility, branch point, and pipeline are connected.

【0022】4)設備条件…配水池の貯水量の上下限
値、管路流量の上下限値、送水ポンプの台数およびその
吐出量である。
4) Facility conditions: upper and lower limit values of water storage amount in distribution reservoir, upper and lower limit values of pipe flow rate, number of water supply pumps and discharge amount thereof.

【0023】5)コスト係数…単位流量当たりの浄化費
用、送水費用である。
5) Cost coefficient: Purification cost and water supply cost per unit flow rate.

【0024】6)流量切替時刻…ポンプやバルブによっ
て流量を操作する場合の切替時刻である。
6) Flow rate switching time: The switching time when the flow rate is controlled by a pump or a valve.

【0025】7)指定流量…運用の都合上他の流量では
許されない指定場所での流量である。
7) Designated flow rate: This is a flow rate at a designated place which is not allowed by other flow rates for the convenience of operation.

【0026】8)平滑化優先順位…後述の平滑化処理の
ための設定である。
8) Smoothing priority order: Settings for smoothing processing described later.

【0027】9)初期貯水量…計画の初期時刻の貯水量
で各施設から情報ネットワーク18−1〜8を経て収集
される。
9) Initial water storage amount ... The water storage amount at the initial time of the plan, which is collected from each facility through the information networks 18-1 to 18-8.

【0028】条件設定の次に、配分計画を最小費用流問
題として定式化して、計算する(32)。ここでは、物
質保存の条件と貯水量および流量の上下限のみを満足し
た最小費用流を求める。このような最小費用流は、数理
計画法による高速計算が可能であるが、流量の時間変動
が大きく現実運用には適用できない場合が多い。そこ
で、流量の平滑化を中心として、運用上要求される他の
諸条件を満足するように解を改善する(33)。以上の
処理を行なって得られた計画値を運用計画者が判定し
(34)、不適当であると判断した場合には、設定条件
を変えて再び処理を繰り返す。
After setting the conditions, the distribution plan is formulated as a minimum cost flow problem and calculated (32). Here, the minimum cost flow that satisfies only the conditions for material storage and the upper and lower limits of water storage and flow rate is obtained. Although such a minimum cost flow can be calculated at high speed by mathematical programming, it is often not applicable to actual operation because the flow rate fluctuates over time. Therefore, the solution is improved so as to satisfy other various conditions required for operation, centering on smoothing of the flow rate (33). The operation planner judges the planned value obtained by performing the above processing (34), and if it is judged to be inappropriate, the setting condition is changed and the processing is repeated again.

【0029】ここで、配分計画を最小費用流問題として
扱う際の概念を説明する。図4は、その際に用いるモデ
ルを示す図である。配分計画を、図のような多層状のネ
ットワークのソース36からシンク37への流れを決定
する問題として考える。38−1〜3は各時刻ごとの水
系に対応するネットワークである。39−1〜3は取水
源、40−1〜3は分岐点、41−1〜3、42−1〜
3は配水池を表わす。層内のアーク51−1〜3、52
−1〜3、53−1〜3、54−1〜3は流下遅れのな
い管路の流量を表わす。層間のアークのうち44−0〜
3、45−0〜3のように同一の配水池に対応するノー
ド同士を結ぶアークは各配水池の貯水量を表わす。従っ
て、ソースからのアーク44−0、45−0は初期貯水
量を、シンクまでのアーク44−3、45−3は最終貯
水量を表わす。取水源についても大きな配水池とみな
し、同様の扱いとする。このとき、シンクからのアーク
43−0によって取水上限量を設定することができる。
層間のアークで、異なる施設に対応するノード同士を接
続するアークは、流下遅れを生じる管路の流量を表わ
す。このように拡張されたネットワークをモデルとすれ
ば、貯水量が流量とまったく同等に扱える。各アークに
コスト係数と上下限を付加し、拡張ネットワーク上の最
小費用流を計算すれば、配水池の貯水量を有効に利用し
た動的な計画値を算出することが可能となる。
Here, the concept of handling the allocation plan as a minimum cost flow problem will be described. FIG. 4 is a diagram showing a model used in that case. Consider the distribution plan as a problem that determines the flow from source 36 to sink 37 in a multi-layered network as shown. 38-1 to 38-3 are networks corresponding to the water system at each time. 39-1 to 3 are water intake sources, 40-1 to 3 are branch points, 41-1 to 3 and 42-1 to
3 represents a reservoir. Arcs 51-1 to 52 in the layer
-1 to 53-1 to 3-4 and 54-1 to 5-3 represent the flow rates of the pipelines with no downflow delay. 44-0 of the arc between layers
An arc connecting nodes corresponding to the same reservoir, such as 3, 45-0 to 3, represents the amount of water stored in each reservoir. Therefore, the arcs 44-0 and 45-0 from the source represent the initial water storage amount, and the arcs 44-3 and 45-3 to the sink represent the final water storage amount. The water source will also be treated as a large reservoir and treated in the same way. At this time, the upper limit amount of water intake can be set by the arc 43-0 from the sink.
The arc between the layers, which connects the nodes corresponding to the different facilities, represents the flow rate of the pipeline that causes the delay. If the network expanded in this way is used as a model, the water storage volume can be treated exactly like the discharge volume. By adding the cost coefficient and upper and lower limits to each arc and calculating the minimum cost flow on the expansion network, it becomes possible to calculate a dynamic plan value that effectively uses the reservoir water storage volume.

【0030】以上の拡張ネットワークをモデルとした最
小費用流問題は、以下に述べるように多段線形計画問題
として定式化できる。まず、各アークの流量をx
i(t)(i=1…n,t=1…T)とする。添字iは
実際の施設に対応するもので、nは取水源、配水池、管
路の総数である。添字tは時刻に対応し、Tは計画する
単位時間数である。拡張ネットワーク上の各ノードでの
物質保存の条件は、(流入の総量)=(流出の総量)+
需要量 であるから、
The minimum cost flow problem modeled on the extended network described above can be formulated as a multistage linear programming problem as described below. First, the flow rate of each arc is x
i (t) (i = 1 ... n, t = 1 ... T). The subscript i corresponds to the actual facility, and n is the total number of intake sources, distribution reservoirs, and pipelines. The subscript t corresponds to the time, and T is the planned unit time. The condition for material storage at each node on the extended network is (total inflow) = (total outflow) +
Since it is demand,

【0031】[0031]

【数1】 [Equation 1]

【0032】と表わされる。ここで、x(t)は、xi
(t)を要素とするn次元ベクトル、A1、A2はm×n
行列、btは需要量を表わすm次元ベクトルである。た
だし、拡張ネットワークの層内のノード数、すなわち取
水源、配水池、分岐点の総数をmとする。また、x
(0)は初期貯水量、bt(t=1…T)は予測需要量
として、予め入力された定数である。さらに、x
(t)、bt(t=1…T)の各要素をすべて並べてで
きるベクトルをX、bとすると数1は
It is represented by Where x (t) is x i
An n-dimensional vector having (t) as elements, A 1 and A 2 are m × n
The matrix, b t, is an m-dimensional vector representing the demand amount. However, the number of nodes in the layer of the extended network, that is, the total number of water intake sources, distribution reservoirs, and branch points is m. Also, x
(0) is an initial water storage amount, b t (t = 1 ... T) is a forecast demand amount, and is a constant input in advance. Furthermore, x
If the vector formed by arranging all the elements of (t) and b t (t = 1 ... T) is X and b, then Equation 1 is

【0033】[0033]

【数2】 [Equation 2]

【0034】となる。ここで、Aは図5のような階段構
造の行列である。対角方向に並ぶ小行列A1、A2は、−
1、0、1を要素とする疎行列であり、その他は全てゼ
ロ行列である。各アークの流量上下限、コスト係数を同
様にベクトルとしてl、h、cとすると、言うまでもな
く不等式条件として
It becomes Here, A is a matrix having a staircase structure as shown in FIG. The small matrices A 1 and A 2 arranged in the diagonal direction are −
It is a sparse matrix having 1, 0, 1 as elements, and the others are all zero matrices. Similarly, if the upper and lower limits of the flow rate of each arc and the cost coefficient are vectors l, h, and c, it goes without saying that they are inequality conditions.

【0035】[0035]

【数3】 [Equation 3]

【0036】が成り立たねばならない。全体のコストを
zとすると、
Must be satisfied. If the total cost is z,

【0037】[0037]

【数4】 [Equation 4]

【0038】である。以上、最小費用流問題は、数2、
数3に示された制約のもとで数4で表わされるコストを
最小にするXを求めるという、多段線形計画問題に定式
化された。
[0038] As above, the minimum cost flow problem is
It was formulated as a multi-stage linear programming problem of finding X that minimizes the cost expressed by the equation 4 under the constraint shown by the equation 3.

【0039】続いて、多段線形計画法による最小費用流
問題の解法を説明する。以下は、図3の処理32に対応
する部分である。上記のような物質収支の条件のみを制
約等式とする最小費用流問題については、係数行列およ
び基底逆行列の非ゼロ要素は、すべて1または−1とな
る。このことは計算機上では、次のような利点がある。
Next, a method of solving the minimum cost flow problem by the multistage linear programming will be described. The following is a part corresponding to the process 32 of FIG. For the minimum cost flow problem that has only the material balance condition as the constraint equation, the non-zero elements of the coefficient matrix and the basis inverse matrix are all 1 or -1. This has the following advantages on a computer.

【0040】(1)計算の大部分を和差算として表現す
ることができ、割算をなくすことができる。従って、係
数や定数をすべて整数とすれば、計算機上で使用される
変数をすべて整数として定義することができる。このこ
とは、実数同志の積和演算が整数同志の和算に変換でき
ることを意味し、大幅な計算時間の短縮となる。
(1) Most of the calculations can be expressed as addition and subtraction, and division can be eliminated. Therefore, if all coefficients and constants are integers, all variables used on the computer can be defined as integers. This means that the product-sum operation of real numbers can be converted into the summation of integers, which greatly reduces the calculation time.

【0041】(2)計算機で反復計算を行う場合、常に
考慮しなければならないのが、誤差管理の問題である。
しかしながら、すべて整数でかつ割算がないために、誤
差は常にゼロであり、誤差管理のためのチェックを行う
必要がなくなる。以上2点を考慮して、プログラム化を
行なえば、大幅な高速化を行なうことができる。
(2) When performing iterative calculation on a computer, the problem of error management must always be considered.
However, since they are all integers and there is no division, the error is always zero, which eliminates the need for checking for error management. If programming is performed in consideration of the above two points, the speed can be significantly increased.

【0042】さらに、多段線形計画問題の係数行列の階
段構造に着目し、シンプレックス法を基本とし、基底分
解法を応用した高速解法を適用する。通常のシンプレッ
クス法の場合、初期可能解は人工変数を付加した問題を
設定して求めるが、上記の様な多段の問題ではその際に
問題がさらに大規模になってしまう。そこで、図7に示
す処理手順により、問題規模が大きくならないようにす
る。いま、最終時刻をkとした問題をP(k)と表わす
ことにする。まず、k=1として、P(1)をとく(6
1)。次に、時間段数を1つ増やし、付け加えられた変
数x(k)の初期値をP(k−1)の解の最終時刻x
(k−1)にセットし、感度解析を応用して条件を満た
さないものについてのみ人工変数を付加してP(k)の
初期可能解を求める(62)。そして、P(k)を最適
化する。この操作を繰り返して時間段数を増やしてい
き、k=Tとなるまで行なう(64)。こうして、人工
変数の付加を最小限に抑えて問題を解くことができる。
以上が、多段線形計画法の概略流れであるが、処理73
は必ずしも全ての時刻kについて行なう必要がなく、処
理62で、数時刻分を追加した問題の初期解を求めて処
理63に進むこともできる。
Further, focusing on the staircase structure of the coefficient matrix of the multi-stage linear programming problem, a fast solution method based on the simplex method and applying the basis decomposition method is applied. In the case of the ordinary simplex method, the initial feasible solution is obtained by setting a problem with an artificial variable added, but in the case of the multistage problem as described above, the problem becomes even larger. Therefore, the procedure shown in FIG. 7 is used to prevent the problem scale from increasing. Now, a problem with the final time being k will be represented as P (k). First, with k = 1, solve P (1) (6
1). Next, the number of time steps is increased by 1, and the initial value of the added variable x (k) is set to the final time x of the solution of P (k-1).
It is set to (k-1) and the sensitivity analysis is applied to add an artificial variable only to those that do not satisfy the condition to obtain an initial feasible solution of P (k) (62). Then, P (k) is optimized. This operation is repeated to increase the number of time steps until k = T (64). In this way, the problem can be solved with the addition of artificial variables minimized.
The above is the general flow of the multi-stage linear programming.
Does not necessarily have to be performed for all the times k, and the process 62 can proceed to the process 63 by obtaining an initial solution of the problem to which several times have been added.

【0043】以下、処理63におけるk=Tの場合、す
なわちP(T)の解法について述べる。シンプレックス
法では、基底逆行列に関係する処理に大きな計算量を必
要とため、これらの処理を、小行列の逆行列計算を逐次
行う形式に表現することにより、記憶容量、計算量の削
減を図る。そこでまず、シンプレックス乗数と相対費用
係数の計算について説明しておく。
A method of solving P (T) when k = T in the process 63, that is, P (T) will be described below. In the simplex method, a large amount of calculation is required for the processing related to the base inverse matrix. Therefore, by expressing these processing in a form of sequentially performing the inverse matrix calculation of a small matrix, the storage capacity and the amount of calculation are reduced. . Therefore, first, the calculation of the simplex multiplier and the relative cost coefficient will be described.

【0044】いま、数2〜数4の問題において、数5に
示すような基底が各時間からちょうどm個ずつで構成さ
れる特殊な状態にある基底行列を考える。
Now, in the problems of the expressions 2 to 4, let us consider a basis matrix in a special state where the number of bases shown in the expression 5 is exactly m from each time.

【0045】[0045]

【数5】 [Equation 5]

【0046】この時、シンプレックス乗数の計算は、対
角小行列の逆行列計算を逐次行う形式に表現できる。し
かしながら、一般には、時間をまたがる基底の入れ替え
も存在するため、数5のような構造にはならない。そこ
で、基底行列Bを次のように表現する。
At this time, the calculation of the simplex multiplier can be expressed in a form in which the inverse matrix calculation of the diagonal small matrix is sequentially performed. However, in general, there is also the exchange of bases over time, so that the structure as shown in Formula 5 is not obtained. Therefore, the basis matrix B is expressed as follows.

【0047】[0047]

【数6】 [Equation 6]

【0048】ここで、本来の基底行列を構成する列ベク
トルのうち、特殊な基底行列には含まれていないものを
集めた行列をB1、本来の基底行列にも含まれているも
のを集めた行列をB2すると、Fは適当な置換により次
のような構造になる。
Here, among the column vectors forming the original basis matrix, B 1 is a matrix that collects the column vectors that are not included in the special basis matrix, and B 1 is the matrix that is also included in the original basis matrix. If the above matrix is B 2 , then F will have the following structure by appropriate substitution.

【0049】[0049]

【数7】 [Equation 7]

【0050】上記の表現を用いれば、Fの逆行列は以下
のように計算できる。
Using the above expression, the inverse matrix of F can be calculated as follows.

【0051】[0051]

【数8】 [Equation 8]

【0052】以上の準備のもとに、シンプレックス乗数
の計算手順を示す。シンプレックス乗数をπ、基底変数
に対応するコスト係数ベクトルをcBとすると数6を用
いて、
Based on the above preparations, the procedure for calculating the simplex multiplier will be described. If the simplex multiplier is π and the cost coefficient vector corresponding to the basis variable is c B , then using Equation 6,

【0053】[0053]

【数9】 [Equation 9]

【0054】という関係を導ける。ここで数7における
基底行列の分解に対応して、
The relationship can be derived. Here, corresponding to the decomposition of the basis matrix in Equation 7,

【0055】[0055]

【数10】 [Equation 10]

【0056】と表しておくと数8および数9から、[Mathematical formula-see original document] From Equation 8 and Equation 9,

【0057】[0057]

【数11】 [Equation 11]

【0058】となる。数9より、It becomes From number 9,

【0059】[0059]

【数12】 [Equation 12]

【0060】であるから、数5に示した構造を考慮して
各小行列ごとに計算すると次式を得る。
Therefore, when the calculation is performed for each submatrix in consideration of the structure shown in Expression 5, the following equation is obtained.

【0061】[0061]

【数13】 [Equation 13]

【0062】但し、シンプレックス乗数πおよびコスト
係数ベクトルcB´を、m次元ベクトルの結合として以
下のように表す。
However, the simplex multiplier π and the cost coefficient vector c B ′ are expressed as a combination of m-dimensional vectors as follows.

【0063】[0063]

【数14】 [Equation 14]

【0064】[0064]

【数15】 [Equation 15]

【0065】数13より、シンプレックス乗数について
以下のような漸化式を得る。
From Equation 13, the following recurrence formula is obtained for the simplex multiplier.

【0066】[0066]

【数16】 [Equation 16]

【0067】上記の関係を利用して、大規模な行列のシ
ンプレックス乗数を、小行列の逆行列計算の繰返しに分
解することができ、記憶容量、計算量ともに大きく改善
することが可能となる。
Utilizing the above relationship, the simplex multiplier of a large-scale matrix can be decomposed into repeated small matrix inverse matrix calculations, and both the storage capacity and the calculation amount can be greatly improved.

【0068】つぎに、P(T)の解法の処理手順につい
て述べる。この解法は、最適化の対象とする変数をxB
とxN(t)に限定した問題をt=1・・・Tについ
て、繰返し解くことによって計算量の削減を図ることを
特徴としている。図7に処理フロー図を示す。まず、最
適化対象の段tを最終時刻Tにセットする(71)。つ
ぎに、シンプレックス乗数と相対費用係数を計算する
(72)。シンプレックス乗数は上記に述べた計算手順
で求める。一方、相対費用係数ベクトルλは、Nを非基
底行列、cNを非基底変数に対応するコスト係数ベクト
ルとすると、
Next, the processing procedure of the P (T) solution will be described. In this solution, the variable to be optimized is x B
It is characterized in that the calculation amount is reduced by repeatedly solving the problem limited to x N (t) for t = 1 ... T. FIG. 7 shows a processing flow chart. First, the stage t to be optimized is set to the final time T (71). Next, the simplex multiplier and the relative cost coefficient are calculated (72). The simplex multiplier is obtained by the calculation procedure described above. On the other hand, the relative cost coefficient vector λ, where N is a non-basic matrix and c N is a cost coefficient vector corresponding to a non-basic variable,

【0069】[0069]

【数17】 [Equation 17]

【0070】であるがBと同様にNも大規模な行列であ
るため、πNの計算は容易ではない。ところが、限定さ
れた問題では、相対費用係数の計算は、第t段すなわち
However, like B, N is also a large-scale matrix, and therefore πN is not easy to calculate. However, in a limited problem, the calculation of the relative cost factor is performed in the t-th stage, namely

【0071】[0071]

【数18】 [Equation 18]

【0072】のみ行えばよい。ただしNt,t-1,Nt,t
Nを数5と同様に分割した小行列である。
Only need to be performed. However, N t, t−1 and N t, t are small matrices obtained by dividing N in the same manner as in the equation 5.

【0073】こうして、計算した第t段の相対費用係数
および第t段の非基底変数と上下限のすべての要素jに
ついて以下の関係を満たしていれば、時刻tについては
最適化終了である(73)。
Thus, if the following relation is satisfied for the calculated relative cost coefficient of the t-th stage and the non-basic variable of the t-th stage and all the upper and lower limit elements j, the optimization is completed at time t ( 73).

【0074】[0074]

【数19】 [Formula 19]

【0075】最適でない場合には、上記の条件を満たさ
ないjについて、
If it is not optimal, for j that does not satisfy the above condition,

【0076】[0076]

【数20】 [Equation 20]

【0077】となる番号sを選択し(74)、Select the number s which becomes (74),

【0078】[0078]

【数21】 [Equation 21]

【0079】により、解の更新をする(75)。ここ
で、θは、更新された上記の変数のうちどれかが上下限
に到達する最小の数である。最初に上下限に到達した変
数が非基底の場合は、基底変換が生じないため、相対費
用係数を再び計算する必要はなく、再び最適性のチェッ
クを行なう(76)。最初に上下限に到達した変数が、
基底の場合は、基底変数の入れ替えを行ない、基底逆行
列および補正行列の更新を行なう(77)。なお、数2
1における基底逆行列の計算もシンプレックス乗数と同
様の計算により高速化ができる。以上の処理を最適性の
条件、数19が満足されるまで反復し、最適化されると
時刻を一つ減らし(78)、同じことをt=1となるま
で(79)繰り返す。全ての段で、一度でも基底変換が
あった場合は(80)再び最初からの処理を繰り返す。
以上、徹底した計算量の削減を試みたアルゴリズムによ
り、最小費用流を高速に処理することが可能となる。
Thus, the solution is updated (75). Here, θ is the minimum number at which any of the updated variables reaches the upper and lower limits. If the variable that reaches the upper and lower limits first is non-basic, no basis transformation occurs, so there is no need to recalculate the relative cost coefficient, and the optimality is checked again (76). The variable that first reached the upper and lower limits is
In the case of the basis, the basis variables are exchanged, and the basis inverse matrix and the correction matrix are updated (77). The number 2
The calculation of the base inverse matrix in 1 can be speeded up by the same calculation as the simplex multiplier. The above process is repeated until the condition of the optimality, Formula 19, is satisfied, and when optimized, the time is decremented by one (78) and the same is repeated until t = 1 (79). If there is a base conversion even once in all stages (80), the process from the beginning is repeated again.
As described above, the algorithm that attempts to thoroughly reduce the calculation amount enables the minimum cost stream to be processed at high speed.

【0080】上記の線形計画法で、各々の変数に対して
一定のコスト係数用いた場合、配分不能な場合には実行
可能解が存在しないために、計算不可能となり計画値が
求められない。そこで、上下限外の領域に大きなコスト
を付加することによって、事実上、実行可能解が常に存
在するようにし、水不足や管路破損等の厳しい条件によ
って配分不能となる場合も計算が可能となるようにす
る。図8に、最小費用流計算で用いるコスト関数を示
す。(a)は管路流量(b)配水池貯水量のコスト関数
を示している。いずれも複数区間から成る階段コストで
ある。これらコスト係数の絶対値が以下の条件を満たす
ようにすれば、運用の指針となる様な計画値を求めるこ
とができる。
In the above linear programming method, when a fixed cost coefficient is used for each variable, no feasible solution exists when it cannot be allocated, so that calculation becomes impossible and the planned value cannot be obtained. Therefore, by adding a large cost to the area outside the upper and lower limits, in practice, there is always a feasible solution, and it is possible to calculate even when it becomes impossible to allocate due to severe conditions such as water shortage or pipeline damage. To do so. FIG. 8 shows the cost function used in the minimum cost flow calculation. (A) shows the cost function of the pipe flow rate (b) reservoir water storage amount. All are stair costs consisting of multiple sections. If the absolute values of these cost coefficients satisfy the following conditions, it is possible to obtain a planned value that serves as a guideline for operation.

【0081】(1)|管路上下限内コスト係数の最大値
|<<|配水池運用上下限外コスト係数| ある配水池へ送水する輸送コストが、その配水池の下限
を割った場合に上昇するコストより低いと、取水量に対
する余裕があるのに配水池の下限が割れるという運用に
なってしまう。
(1) | Maximum value of cost coefficient within upper and lower limit of pipeline | << | Cost coefficient outside upper and lower limit of reservoir operation | The transportation cost to send to a certain reservoir rises when the lower limit of the reservoir is divided If the cost is lower than that, the lower limit of the reservoir will be broken even though there is a margin for water intake.

【0082】(2)|配水池運用上下限外コスト係数|
<|配水池設備上下限外コスト係数| 配水池の通常運用では、安全のために設備設計上の容量
より余裕を残した範囲に上下限を設定することが多い。
しかし、やむを得ない場合には運用上下限の範囲を越え
た、設備上下限内の状態を許して運用する。このような
運用上の都合を反映させるため、運用上下限外のコスト
係数の絶対値は、設備上下限外のコストの絶対値に比べ
て、やや小さくする。
(2) | Cost coefficient outside upper and lower limit of reservoir operation |
<| Distribution reservoir upper / lower cost coefficient outside the limit | In normal operation of a reservoir, the upper and lower limits are often set within a range with a margin left over from the capacity of facility design for safety.
However, if it is unavoidable, the operation should be performed while allowing the state within the upper and lower limits of the equipment beyond the upper and lower limits of the operation. In order to reflect such operational convenience, the absolute value of the cost coefficient outside the operational lower limit is made slightly smaller than the absolute value of the cost outside the facility upper and lower limit.

【0083】(3)|配水池設備上下限外コスト係数|
<<|管路上下限外コスト係数| 配分不能の場合、上下限を割る変数が配水池のみとした
い。これは、管を逆流したり、流量制限を超えたりする
解よりも、配水池上下限を満たさない解の方が水がいつ
どこで不足するかという情報を得るのに役立つからであ
る。そして、例えば1時間の逆流を許せば10時間の配
水池上下限割れがなくなる場合、単に|配水池上下限外
コスト係数|<|管路上下限外コスト係数|としただけ
では所望の解が得られない。
(3) | Cost coefficient outside upper and lower limits of distribution reservoir equipment |
<< | Cost coefficient outside upper and lower limit of pipeline | When allocation is not possible, we would like to limit only the reservoir to the variable that divides the upper and lower limits. This is because a solution that does not satisfy the upper and lower limits of the reservoir is more useful for obtaining information about when and where water is insufficient than a solution that flows backward through the pipe or exceeds the flow rate limit. If, for example, if backflow for 1 hour is allowed and upper and lower limit cracks in the reservoir are eliminated for 10 hours, the desired solution cannot be obtained simply by using | the cost coefficient outside the upper and lower limits of the reservoir | .

【0084】(4)|管路上下限外コスト係数|<<|
人工変数のコスト係数| 他のいかなるコストよりも人工変数は大きくなければな
らない。
(4) | Pipeline lower / lower bound cost coefficient | << |
Artificial Variable Cost Factors | An artificial variable must be larger than any other cost.

【0085】その他、運用の都合上、制限値に達するま
でできるだけ多く取水し、安全性の観点から配水池にで
きるだけ多くの貯水量を確保しなければならない場合が
ある。このような条件は、取水源の貯水量には正のコス
トを、配水池貯水量に負のコストを付加することによ
り、取水源の貯水量は、可能な限り少なく、配水池貯水
量は可能な限り多くなり、計画値に反映される。また、
流量指定をしたい場合には、(c)のように指定値が最
小となり、絶対値の十分大きなコストを付加すれば、指
定値とすることができる。
In addition, for operational convenience, it may be necessary to collect as much water as possible until the limit value is reached, and to secure as much water storage amount as possible in the distribution reservoir from the viewpoint of safety. Under these conditions, by adding a positive cost to the storage volume of the intake source and a negative cost to the storage volume of the reservoir, the storage volume of the intake source is as small as possible and the storage volume of the reservoir is possible. It will be as much as possible and will be reflected in the planned value. Also,
When it is desired to specify the flow rate, the specified value becomes the minimum as shown in (c), and the specified value can be obtained by adding a sufficiently large absolute cost.

【0086】以上述べたアルゴリズムとコスト関数を用
いれば、拡張ネットワーク上の最小費用流問題を非常に
高速に解くことが可能となる。しかし、ここで得られる
解は物質収支と流量上下限という流れとして矛盾のない
ための最小限の条件のみを満足する最小費用流である。
流量をバルブによって調節している管路では、時間変動
の激しい流量は望ましくない。また、ポンプにより圧送
している管路については、ポンプ吐出量に応じた流量が
求められるものもある。この段階では、こういった条件
は考慮されていない。数式条件で上記の最小費用流問題
に組み入れると、条件数が一挙に増大するばかりでな
く、逆行列演算が複雑化し誤差管理も必要となり、高速
性が失われてしまう。そこで、上記の最小費用流問題に
改善を加えることによって、所望の計画値を得る。
By using the above-described algorithm and cost function, the minimum cost flow problem on the extended network can be solved very quickly. However, the solution obtained here is the minimum cost flow that satisfies only the minimum conditions for the consistency of the material balance and the upper and lower limits of the flow rate.
In a pipeline in which the flow rate is controlled by a valve, a flow rate with drastic time fluctuation is not desirable. In addition, for a pipeline that is pumped by a pump, a flow rate corresponding to the pump discharge amount may be required. At this stage, these conditions are not taken into consideration. Incorporating the mathematical conditions into the above minimum cost flow problem not only increases the number of conditions all at once, but also makes the inverse matrix calculation complicated and requires error management, resulting in loss of speed. Therefore, the desired planned value is obtained by improving the above minimum cost flow problem.

【0087】以下、図3における処理33に対応する部
分である解の改善方法について説明する。まず、平滑化
を必要とする各管路について目標流量を設定する。例え
ば、バルブ操作により流量調整をする管路については、
流量変動の少ない計画値が望ましく、ある時間帯の平均
流量となる。また、ポンプによる送水を行う管路ではポ
ンプ吐出量に応じた離散値となる。これらは、最小費用
流をもとに算出する。
The method of improving the solution, which is the portion corresponding to the process 33 in FIG. 3, will be described below. First, a target flow rate is set for each pipeline that requires smoothing. For example, for the pipeline that adjusts the flow rate by operating the valve,
A planned value with little fluctuation in flow rate is desirable, and it is the average flow rate during a certain time period. In addition, in the pipeline where water is sent by the pump, it becomes a discrete value according to the pump discharge amount. These are calculated based on the minimum cost stream.

【0088】次に、修正可能な箇所をヒューリスティッ
クに探索する処理を反復する。コスト係数の総和が0に
なるパス上に流れを加えても、加えた結果、パスを構成
する各アークの流量が上下限内である限りコストは変化
しない。このことを利用し、拡張ネットワーク上で、コ
スト0のパスを探索し、適当な流れを加えることによっ
て、目標量に近づける。この際に、修正を加えるパス
が、始点と終点が一致したループとなっていれば、修正
を加えても各ノードでの物質収支の条件は満足される。
しかしながら、大規模なネットワーク上ですべての適当
なループを探索するには、やはり膨大な計算時間を要す
る。そこで、ループの形状を2種類のループに限定する
ことにより、探索時間を短縮し、高速に平滑処理を行な
う。これら2種類のループの例を、それぞれ図9、図1
0に示す。
Next, the process of heuristically searching for a correctable portion is repeated. Even if a flow is added on a path where the sum of cost coefficients is 0, as a result of the addition, the cost does not change as long as the flow rate of each arc forming the path is within the upper and lower limits. Utilizing this, a path with cost 0 is searched for on the extended network, and an appropriate flow is added to bring the path closer to the target amount. At this time, if the path to be modified is a loop in which the start point and the end point match, the condition of the material balance at each node is satisfied even if the path is modified.
However, searching all suitable loops on a large scale network still requires a huge amount of calculation time. Therefore, by limiting the shape of the loop to two types of loops, the search time is shortened and smoothing processing is performed at high speed. Examples of these two types of loops are shown in FIG. 9 and FIG. 1, respectively.
It shows in 0.

【0089】いま、管路uの流量を目標量に近付けるよ
うに修正するとする。図9のループ101の構成方法に
ついて述べる。適当な2つの配水池のs、tを選択し、
配水池sからtに至る経路で、管路uを含むものを探索
する。次に、管路uの流量が、目標量に比べて最も下回
っている時刻iと、最も上回っている時刻jを選択す
る。91−i、91−jは、拡張ネットワークの時刻i
とjに対応した空間ネットワークである。また、92〜
95−i、96〜98−i、92〜95−j、96〜9
8−jは、これら異なる2層上で、探索した経路の配水
池や分岐点、管路に対応したノードやアークである。さ
らに、99−i、99−i+1は配水池sの貯水量に、
100−i、100−i+1は配水池tの貯水量に対応
したアークである。ループ101は、拡張ネットワーク
上でこれらのアークを連結したものである。すなわち、
修正したい時刻に対応する異なる2層では探索した経路
に対応したパスを、2層間は両端の2つの配水池の貯水
量に相当するアークを通るパスを連結して構成したもの
である。このループに沿って修正量を加える。なお、ル
ープの方向とアークの方向が逆向きの場合は、修正量を
減じる。従って、探索する経路の輸送方向は必ずしも一
定方向である必要はない。上記のようなループは、層内
の互いに対応するアークを反対方向に通過するので流量
のコストは相殺される。2つの配水池の貯水量コスト係
数が同じであれば、ループのコストは常に0となる。こ
のループ上の修正は、配水池sからtに至る管路の流量
を時刻iとjで互いに増減し、それに応じて両端の配水
池の貯水量を時刻iからj−1まで変化させることに相
当する。
Now, it is assumed that the flow rate of the conduit u is corrected so as to approach the target value. A method of configuring the loop 101 of FIG. 9 will be described. Select the appropriate two reservoirs s and t,
A route including the pipeline u is searched for in the route from the distribution reservoirs s to t. Next, the time i at which the flow rate of the pipeline u is the lowest and the time j at which the flow rate is the highest are selected. 91-i and 91-j are times i of the extended network.
And the spatial network corresponding to j. Also, 92-
95-i, 96-98-i, 92-95-j, 96-9
8-j are nodes and arcs corresponding to the reservoirs, branch points, and pipelines of the searched routes on these two different layers. Furthermore, 99-i and 99-i + 1 are the water storage amount of the reservoir s,
100-i and 100-i + 1 are arcs corresponding to the amount of water stored in the reservoir t. The loop 101 is a connection of these arcs on the extended network. That is,
In the two different layers corresponding to the time to be corrected, the paths corresponding to the searched routes are connected to the two layers by connecting the paths passing through the arcs corresponding to the water storage amounts of the two reservoirs at both ends. Add a correction amount along this loop. If the loop direction and arc direction are opposite, the correction amount is reduced. Therefore, the transportation direction of the route to be searched does not necessarily have to be a fixed direction. The loops as described above pass through corresponding arcs in the bed in opposite directions, thus offsetting the cost of flow. If the two storage reservoirs have the same storage cost coefficient, the loop cost will always be zero. The modification on this loop is to increase / decrease the flow rate of the pipeline from the reservoirs s to t at time i and j, and to change the reservoir water volume at both ends accordingly from time i to j-1. Equivalent to.

【0090】図10のループ102の構成方法について
述べる。ループ101の場合と同様に適当な2つの配水
池のs、tを選択し、配水池sからtに至る経路で、管
路uを含むものを探索する。さらに、探索した経路のう
ちで、経路に沿ったコストがゼロのものを選択する。流
量を修正する時刻をiとして、拡張ネットワーク上で、
時刻iに対応する層での探索した経路に対応したパス
と、両端の2つの配水池に対応するノードからシンクノ
ードまでの、貯水量に相当するアーク99−i、i+
1、…、Eおよび100−i、i+1、…、Eからなる
パスとを連結してループ106を構成する。2つの配水
池の貯水量コスト係数が同じであれば、このループのコ
ストもやはり0になる。このループ上の修正は、配水池
sからtに至る費用のかからない管路の流量を時刻iに
修正し、それに応じて両端の配水池の貯水量を時刻iか
ら最終時刻まで変化させることに相当する。
A method of constructing the loop 102 of FIG. 10 will be described. Similar to the case of the loop 101, appropriate two distribution reservoirs s and t are selected, and a route including the pipeline u is searched for in the route from the distribution reservoirs s to t. Further, among the searched routes, a route with a cost of zero is selected. On the extended network, the time to correct the flow rate is i,
The path corresponding to the searched route in the layer corresponding to the time i and the arcs 99-i, i + corresponding to the amount of stored water from the nodes corresponding to the two reservoirs at both ends to the sink node.
, E and 100-i, i + 1, ..., E are connected to form a loop 106. If the storage cost coefficients of the two reservoirs are the same, the cost of this loop will also be zero. The modification on this loop is equivalent to modifying the flow rate of the pipeline from the reservoirs s to t at no cost to the time i, and changing the reservoir water volume at both ends from the time i to the final time accordingly. To do.

【0091】次に、これらの修正を行なう順序を示した
処理フローを図11に示す。修正は、あらかじめ入力さ
れた平滑化対象管路の優先順位に基づいて行う。ここ
で、平滑化対象管路は必ず配水池に直接流入するか流出
する管であるものに限る。一般に、上水道におけるポン
プやバルブは、配水池からの流出量を調節する役割のも
のが大部分であるため、この制限は運用計画にほとんど
影響しない。
Next, FIG. 11 shows a processing flow showing the order of performing these corrections. The correction is performed based on the priority order of the smoothing target pipelines input in advance. Here, the pipeline to be smoothed is always limited to a pipe that directly flows into or out of the reservoir. In general, pumps and valves in water supply are mostly responsible for controlling the outflow from distribution reservoirs, so this limitation has little effect on operational planning.

【0092】まず、入力された平滑化優先順位と目標流
量の設定を行なう(111)。流量指定される管路は優
先順位を最も高くしておく。目標流量は、平滑化対象管
路に直接接続している配水池(以後、直結配水池とす
る)を始点とし、終点配水池を順に変えながら調べてい
く。始点配水池と終点配水池のペアそれぞれについて
は、まずそれらを結ぶパスを全て列挙し(112)、平
滑化対象管路を含まないパス、平滑化対象管路より優先
順位の高い管路を含むパスを削除する(113)。残っ
た各パスについて、平滑化対象管路の各時刻の流量のう
ち、目標流量からのずれが、正の方向に最も大きい時刻
と負の方向に最も大きい時刻を選択し、図9のようなル
ープを構成して修正する。同じパス上で時刻を変えなが
ら修正できなくなるまで繰り返す。(114)もし、そ
のパスのコストが0であれば、目標流量から最も離れて
いる時刻を選択し、図10のようなパスを構成して修正
する。全てのパスについて修正が終ったら、列挙したパ
スを消去し(115)、別の配水池のペアの処理に移
る。以上の一連の処理で1度も修正個所がなくなれば終
了し、そうでなければ同じことを最初から繰り返す。
First, the input smoothing priority and target flow rate are set (111). The priority is set to the highest priority for the pipeline for which the flow rate is specified. The target flow rate will be investigated starting from a distribution reservoir directly connected to the smoothing target pipeline (hereinafter referred to as a direct connection distribution reservoir) and changing the end distribution reservoir in order. For each pair of the starting point reservoir and the ending point reservoir, first, all the paths that connect them are listed (112), and the paths that do not include the smoothing target pipeline and the pipelines that have a higher priority than the smoothing target pipeline are included. The path is deleted (113). For each remaining path, of the flow rates of the smoothing target pipeline at each time point, the time point where the deviation from the target flow rate is the largest in the positive direction and the largest time point in the negative direction is selected, and as shown in FIG. Configure and modify the loop. Repeat on the same path while changing the time until it cannot be corrected. (114) If the cost of the path is 0, the time most distant from the target flow rate is selected, and the path as shown in FIG. 10 is configured and corrected. When all the paths have been corrected, the listed paths are deleted (115), and another pair of reservoirs is processed. In the series of processes described above, the process ends if there are no correction points, and otherwise the same process is repeated from the beginning.

【0093】図12に、本発明を適用して得られた計画
値の一例を示す。(a)は、水系内のある配水池の貯水
量、(b)、(c)は配水池に直結する管路の流量で、
それぞれ流入側、流出側である。いずれも、ポンプによ
る送水によって流量が調節されている。計算に用いたデ
ータは、23時から2時まで流入側ポンプの設備点検に
より流入量が大幅に制限されるケースである。このよう
な特殊な場合にも貯水量を有効に活かすことにより配分
可能となっている。また、17時、23時、6時に設定
された標準切替時刻の間は流量変動も少なく、実運用に
即した計画値になっている。
FIG. 12 shows an example of the planned value obtained by applying the present invention. (A) is the amount of water stored in a reservoir in the water system, (b), (c) is the flow rate of the pipeline directly connected to the reservoir,
Inflow side and outflow side, respectively. In both cases, the flow rate is adjusted by pumping water. The data used for the calculation is the case where the inflow rate is significantly limited by the equipment inspection of the inflow side pump from 23:00 to 2:00. Even in such a special case, it can be allocated by effectively utilizing the stored water volume. Further, during the standard switching time set at 17:00, 23:00, and 6:00, there is little fluctuation in the flow rate, and the planned value is in accordance with actual operation.

【0094】[0094]

【発明の効果】上水道の運用計画に、本発明を適用する
ことにより、配水池貯水量を有効に活用した動的な計画
の立案ができる。計画値は、最も経済的な運用になって
いるばかりでなく、浄水場での浄水プロセス、配水池や
管路でのバルブ操作やポンプ運転等、水系上の各施設で
の要求に応えたものとすることができる。さらに、大都
市級の大規模水系の運用計画でも制御用計算機で実用可
能な立案時間で計算可能である。
EFFECTS OF THE INVENTION By applying the present invention to a water supply operation plan, it is possible to make a dynamic plan effectively utilizing the reservoir water storage amount. The planned values are not only the most economical operation, but also those that meet the requirements of each facility in the water system, such as the water purification process at the water purification plant, valve operation and pump operation at distribution reservoirs and pipelines. Can be Furthermore, even a large-scale water system operation plan for a large city can be calculated in a planning time that can be practically used by a control computer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】一般的な上水道の水系図とその運用形態であ
る。
FIG. 1 shows a water system diagram of a general water supply system and its operation mode.

【図2】上水道の運用計画の概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a water supply operation plan.

【図3】本発明による配分計画のフローチャートであ
る。
FIG. 3 is a flow chart of a distribution plan according to the present invention.

【図4】配分計画を、最小費用流問題として扱う時にモ
デルとして用いる、多層状の拡張ネットワークを示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a multi-layered extended network used as a model when a distribution plan is treated as a minimum cost flow problem.

【図5】最小費用流問題を、多段線形計画問題として定
式化した場合の等式条件を表す係数行列の構造を示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing a structure of a coefficient matrix representing an equality condition when the minimum cost flow problem is formulated as a multistage linear programming problem.

【図6】最小費用流問題を、多段線形計画問題として定
式化した場合の解法を示す概略のフローチャートであ
る。
FIG. 6 is a schematic flowchart showing a solution when the minimum cost flow problem is formulated as a multistage linear programming problem.

【図7】多段線形計画問題の解法を示す詳細フローチャ
ートである。
FIG. 7 is a detailed flowchart showing a method for solving a multistage linear programming problem.

【図8】運用計画で用いるコスト関数の例を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a cost function used in an operation plan.

【図9】ヒューリスティックな平滑化処理方法を用いる
場合の、拡張ネットワーク上での修正パスの例を示す図
である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a correction path on an extended network when using a heuristic smoothing processing method.

【図10】ヒューリスティックな平滑化処理方法を用い
る場合の、拡張ネットワーク上での修正パスの例を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a correction path on an extended network when a heuristic smoothing processing method is used.

【図11】ヒューリスティックな平滑化処理方法を示す
フローチャートである。
FIG. 11 is a flowchart showing a heuristic smoothing processing method.

【図12】本発明を適用して立案した上水道運用計画の
計画値の一例である。
FIG. 12 is an example of a planned value of a water supply operation plan that is made by applying the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西谷 卓史 神奈川県川崎市麻生区王禅寺1099番地 株式会社 日立製作所 システム開発研 究所内 (72)発明者 笠井 武郎 茨城県日立市大みか町五丁目2番1号 株式会社 日立製作所 大みか工場内 (72)発明者 舘 仁平 茨城県日立市大みか町五丁目2番1号 株式会社 日立製作所 大みか工場内 (72)発明者 嶋内 繁行 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社 日立製作所内 (72)発明者 林 晃 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社 日立製作所内 (72)発明者 ▲高▼橋 照章 神奈川県横浜市中区港町1丁目1番地 横浜市水道局内 (72)発明者 佐野 進 神奈川県横浜市中区港町1丁目1番地 横浜市水道局内 (72)発明者 渡辺 正仁 神奈川県横浜市中区港町1丁目1番地 横浜市水道局内 (72)発明者 早坂 拓 神奈川県横浜市中区港町1丁目1番地 横浜市水道局内 (56)参考文献 特開 平1−305407(JP,A) 特開 平3−3015(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 7/00 - 7/06 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takushi Nishitani 1099 Ozenji, Aso-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Hitachi, Ltd. System Development Laboratory (72) Inventor Takeo Kasai 5-2-1 Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Issue Hitachi, Ltd. Omika Factory (72) Inventor Nihei Tate 5-21 Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Hitachi Ltd. Omika Factory (72) Inventor Shigeyuki Shimauchi 4-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Address Hitachi, Ltd. (72) Inventor Akira Hayashi 4, 6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Address: Hitachi Ltd. (72) Inventor ▲ Takahashi Teruaki 1-1, Minato-cho, Naka-ku, Yokohama, Kanagawa (72) Inventor Susumu Sano 1-1, Minato-cho, Naka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Yokohama-shi water (72) Inventor Masahito Watanabe 1-1 Minato-cho, Naka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Yokohama-shi Waterworks Bureau (72) Inventor Taku Hayasaka 1-1-1, Minato-cho, Naka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Yokohama Waterworks Bureau (56) References JP-A-1-305407 (JP, A) JP-A-3-3015 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G05D 7/ 00-7/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】上水道の導送水管網において、取水源、浄
水場、配水池、分岐点をノード、導水管、送水管をアー
クとした空間ネットワークを、運用を計画する各時刻毎
に単位時間の個数分構成して並べ、各空間ネットワーク
の配水池に対応するノード同士を、貯水量を表わすアー
クで結び、さらに仮想的取水源をソースノード、仮想的
消費点をシンクノードとして1点ずつ設け、ソースノー
ドと初期時刻の空間ネットワークの各取水源および配水
池とを初期貯水量を表すアークで結び、シンクノードと
最終時刻の空間ネットワークの各取水源および配水池と
を最終貯水量を表すアークで結んだ多層状の拡張ネット
ワークを用い、各ノードでの物質収支および各アークで
の導水量、送水量、貯水量の上下限を制約条件として、
各アークでの導水量、送水量、貯水量の単位量当り費用
を表わすコスト係数から求まる総費用を最小にする、該
拡張ネットワーク上の最小費用流を数理計画法によって
求めておき、運用上要求される他の制約条件を満足する
ように、該最小費用流を改善することによって、導水
量、送水量、貯水量の動的な計画値を立案する上水道運
用計画方法において、 前記最小費用流計算を、拡張ネットワークを構成する各
アークの流量である導水量、送水量、貯水量を変数と
し、各ノードで成立すべき物質収支の等式と各アークで
成立すべき導水量、送水量、貯水量の上下限に対する不
等式を制約条件とし、各アークでの流量とコスト係数か
ら定まる総費用を評価関数とする、多段線形計画問題と
して定式化し、計画する各時刻に対応した各段ごとの小
さい問題に分割した後、さらに各段に含まれる変数を、
上限値または下限値をとる非基底変数と、非基底変数値
と等式条件から定まる値をとる基底変数とに分割し、各
段ごとの等式条件の基底変数の係数からなる基底小行列
の逆行列を用いて、各非基底変数を単位量変化させたと
きの総費用の変化量を表す相対費用係数を求め、総費用
を減少させる割合のもっとも大きい非基底変数を、他の
基底変数が上下限値になるまで変化させることによっ
て、基底変数と非基底変数の組合せを変えて総費用を減
少させるという手順を繰り返す、分割計算をしたシンプ
レックス法により、最小費用流を求めることを特徴とす
る上水道運用計画方法。
1. A water supply pipe network, a water intake source, a water treatment plant, a distribution reservoir, a spatial network with branch points as nodes, water pipes, and water pipes as arcs. The nodes are connected by an arc representing the amount of water storage, and the virtual water intake source is a source node and the virtual consumption points are sink nodes. , The source node and each intake source and reservoir of the spatial network at the initial time are connected by an arc that represents the initial storage amount, and the sink node and each intake source and distribution reservoir of the spatial network at the final time are an arc that represents the final storage amount. Using a multi-layered extended network connected by, the constraint condition is the material balance at each node and the amount of water transfer at each arc, the amount of water transfer, and the upper and lower limits of the amount of water storage.
The minimum cost flow on the extended network that minimizes the total cost obtained from the cost coefficient that represents the cost per unit amount of water transfer amount, water transfer amount, and water storage amount at each arc is obtained by mathematical programming, and the operational requirement In the water supply operation planning method, the minimum cost flow is calculated by improving the minimum cost flow so as to satisfy the other constraint conditions. Is the flow rate of each arc that constitutes the expanded network, the amount of water transfer, the amount of water transfer, and the amount of water storage. Formulated as a multi-stage linear programming problem, with the inequality for the upper and lower limits of quantity as the constraint condition, and the total cost determined by the flow rate and cost coefficient at each arc as the evaluation function, the small scale for each stage corresponding to each planned time After dividing the problem into variables,
It is divided into non-basic variables that take upper or lower limits, and non-basic variables that take values determined by the equality condition and the equality condition. Using the inverse matrix, the relative cost coefficient that represents the amount of change in total cost when each non-basic variable is changed by a unit amount is obtained, and the non-basic variable with the largest proportion that reduces the total cost is It is characterized by finding the minimum cost flow by the simplex method with division calculation, which repeats the procedure of changing the combination of the basic variable and the non-basic variable to reduce the total cost by changing it to the upper and lower limit values. Water supply operation planning method.
【請求項2】上水道の導送水管網において、取水源、浄
水場、配水池、分岐点をノード、導水管、送水管をアー
クとした空間ネットワークを、運用を計画する各時刻毎
に単位時間の個数分構成して並べ、各空間ネットワーク
の配水池に対応するノード同士を、貯水量を表わすアー
クで結び、さらに仮想的取水源をソースノード、仮想的
消費点をシンクノードとして1点ずつ設け、ソースノー
ドと初期時刻の空間ネットワークの各取水源および配水
池とを初期貯水量を表すアークで結び、シンクノードと
最終時刻の空間ネットワークの各取水源および配水池と
を最終貯水量を表すアークで結んだ多層状の拡張ネット
ワークを用い、各ノードでの物質収支および各アークで
の導水量、送水量、貯水量の上下限を制約条件として、
各アークでの導水量、送水量、貯水量の単位量当り費用
を表わすコスト係数から求まる総費用を最小にする、該
拡張ネットワーク上の最小費用流を数理計画法によって
求めておき、運用上要求される他の制約条件を満足する
ように、該最小費用流を改善することによって、導水
量、送水量、貯水量の動的な計画値を立案する上水道運
用計画方法において、 前記最小費用流の改善は、導水量や送水量を修正したい
管路を含み、2つの配水池間を結ぶ流路を探索し、修正
したい管路の送水量が目標量に比較して最も上回ってい
る時刻と最も下回っている時刻とに対応した、拡張ネッ
トワークの異なる2層上では、同一の該流路に対応した
1つまたは複数のアークからなるパスを、2層間は2つ
の配水池の貯水量に相当するアークからなるパスを、そ
れぞれ選択して連結した、閉じたパスであるループを構
成し、該ループに沿って各アークの流量を同量だけ修正
することを反復して改善することを特徴とする上水道運
用計画方法。
2. A water supply pipe network for water supply, a water intake source, a water treatment plant, a reservoir, a spatial network using branch points as nodes, water pipes, and water pipes as arcs. The nodes are connected by an arc representing the amount of water storage, and the virtual water intake source is a source node and the virtual consumption points are sink nodes. , The source node and each intake source and reservoir of the spatial network at the initial time are connected by an arc that represents the initial storage amount, and the sink node and each intake source and distribution reservoir of the spatial network at the final time are an arc that represents the final storage amount. Using a multi-layered extended network connected by, the constraint condition is the material balance at each node and the amount of water transfer at each arc, the amount of water transfer, and the upper and lower limits of the amount of water storage.
The minimum cost flow on the extended network that minimizes the total cost obtained from the cost coefficient that represents the cost per unit amount of water transfer amount, water transfer amount, and water storage amount at each arc is obtained by mathematical programming, and the operational requirement In order to satisfy the other constraint conditions, the minimum cost flow is improved so that a dynamic planned value of the amount of water transfer, the amount of water transfer, and the amount of stored water is drafted. The improvement involves searching for a flow path that connects two reservoirs, including the pipeline for which the amount of water to be introduced and the amount of water to be delivered are to be corrected, and the time when the amount of water to be delivered to the pipeline to be corrected is the highest and the lowest when compared to the target amount. On two different layers of the expansion network corresponding to different times, a path consisting of one or a plurality of arcs corresponding to the same flow path is provided and an arc corresponding to the water storage amount of two reservoirs is provided between the two layers. A path consisting of A method of planning a water supply operation, characterized in that a loop, which is a closed path, selected and connected to each other, is configured, and that the flow rate of each arc is corrected by the same amount along the loop repeatedly.
【請求項3】上水道の導送水管網において、取水源、浄
水場、配水池、分岐点をノード、導水管、送水管をアー
クとした空間ネットワークを、運用を計画する各時刻毎
に単位時間の個数分構成して並べ、各空間ネットワーク
の配水池に対応するノード同士を、貯水量を表わすアー
クで結び、さらに仮想的取水源をソースノード、仮想的
消費点をシンクノードとして1点ずつ設け、ソースノー
ドと初期時刻の空間ネットワークの各取水源および配水
池とを初期貯水量を表すアークで結び、シンクノードと
最終時刻の空間ネットワークの各取水源および配水池と
を最終貯水量を表すアークで結んだ多層状の拡張ネット
ワークを用い、各ノードでの物質収支および各アークで
の導水量、送水量、貯水量の上下限を制約条件として、
各アークでの導水量、送水量、貯水量の単位量当り費用
を表わすコスト係数から求まる総費用を最小にする、該
拡張ネットワーク上の最小費用流を数理計画法によって
求めておき、運用上要求される他の制約条件を満足する
ように、該最小費用流を改善することによって、導水
量、送水量、貯水量の動的な計画値を立案する上水道運
用計画方法において、 前記最小費用流の改善は、導水量や送水量を修正したい
管路を含み、2つの配水池間を結ぶ流路のうちコストが
ゼロの流路を探索し、修正したい時刻に対応した、拡張
ネットワークの1つの層上では、該流路に対応した1つ
または複数のアークからなるパス、修正したい時刻の2
つの配水池に対応するノードからシンクノードまでは、
貯水量に相当するアークからなるパスを、それぞれ選択
して連結した、閉じたパスであるループを構成し、該ル
ープに沿って各アークの流量を同量だけ修正することを
反復して改善することを特徴とする上水道運用計画方
法。
3. A water supply pipe network, a water intake source, a water treatment plant, a reservoir, a spatial network using branch points as nodes, water pipes and water pipes as arcs, and a unit time for each time of operation planning. The nodes are connected by an arc representing the amount of water storage, and the virtual water intake source is a source node and the virtual consumption points are sink nodes. , The source node and each intake source and reservoir of the spatial network at the initial time are connected by an arc that represents the initial storage amount, and the sink node and each intake source and distribution reservoir of the spatial network at the final time are an arc that represents the final storage amount. Using a multi-layered extended network connected by, the constraint condition is the material balance at each node and the amount of water transfer at each arc, the amount of water transfer, and the upper and lower limits of the amount of water storage.
The minimum cost flow on the extended network that minimizes the total cost obtained from the cost coefficient that represents the cost per unit amount of water transfer amount, water transfer amount, and water storage amount at each arc is obtained by mathematical programming, and the operational requirement In order to satisfy the other constraint conditions, the minimum cost flow is improved so that a dynamic planned value of the amount of water transfer, the amount of water transfer, and the amount of stored water is drafted. The improvement involves searching for a flow path that has zero cost among the flow paths that connect the two reservoirs, including the pipeline where you want to correct the amount of water transfer or water transmission, and on one layer of the expansion network that corresponds to the time you want to correct. Then, the path consisting of one or more arcs corresponding to the flow path, and the
From the node corresponding to one reservoir to the sink node,
It improves by iteratively constructing a loop that is a closed path by selecting and connecting paths each consisting of an arc corresponding to the water storage amount and correcting the flow rate of each arc by the same amount along the loop. A water supply operation planning method characterized by the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0696916A (en) * 1991-03-14 1994-04-08 Takeshi Masumoto Material for magnetic refrigerating work and its manufacture
JP2006350542A (en) * 2005-06-14 2006-12-28 Hitachi Ltd Energy-saving water supply support system
JP4511435B2 (en) * 2005-09-05 2010-07-28 三菱電機株式会社 Water supply operation planning device
JP2007264845A (en) * 2006-03-27 2007-10-11 Chugoku Electric Power Co Inc:The Dam storage water trading system
KR101562490B1 (en) * 2015-04-14 2015-10-23 고려대학교 산학협력단 Optimal Design Method of Water Distribution Networks Using Source Tracing Based Decomposition Technique
WO2017073012A1 (en) * 2015-10-26 2017-05-04 日本電気株式会社 Water supply planning system, water supply planning method, and program recording medium
CN111259334B (en) * 2020-01-14 2023-06-23 杭州电子科技大学 Abnormal water consumption monitoring and early warning method for large users of industrial enterprises
WO2021161559A1 (en) * 2020-02-12 2021-08-19 三菱重工業株式会社 Physical quantity calculation device, operation amount calculation device, physical quantity calculation method, and program
JP7411061B2 (en) * 2020-02-12 2024-01-10 三菱重工業株式会社 Physical quantity calculation device, manipulated variable calculation device, physical quantity calculation method, program and operation optimization system
JP7258383B1 (en) * 2022-04-28 2023-04-17 Wota株式会社 program, method, information processing device, system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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