JP3974294B2 - 上下水道監視制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の配水場や配水池から同一配管網に配水する上水道システムに利用される上下水道監視制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、市町村では、複数の配水場や配水池を設置し、これら配水場や配水池から同一の配管網に配水し、需要者の要求に応えるような上水道システムが採用されている。ここで、配水場は対象流域から流下されてくる水を浄化後に配水ポンプを用いて配管網に配水し、また配水池は配水場などから自然流下されてくる水を配水弁などを介して殆んどそのまま配水網に配水する役割をもっている。これら配水場,配水池はともに排水設備機器を備えていることから機場とも呼んでいる。
【0003】
ところで、これら機場は、昼間と夜間の水需要の相違から、次のような運用がとられている。
【0004】
すなわち、複数の機場から同一配水網に配水を行う場合、昼間と夜間の時間帯に応じ、或いは配水流量低下に伴う圧力上昇に応じ、自動または手動にて圧力制御用機場と圧力制御不可機場とを切換えることが行われている。例えば昼間の時間帯は圧力制御用機場に切換え、夜間の時間帯は圧力制御不可機場に切換えるといった運用がなされている。
【0005】
なお、圧力制御不可機場では、オペレータが24時間にわたって需要に見合った配水流量設定を行うか、或いは固定流量設定にて配水流量一定制御を行っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、以上のような配水流量制御では、設定によっては各機場ごとに偏った運用になったり、非効率的な運用とならざるを得ない。また、配水ポンプの故障またはメンテナンス時、その故障またはメンテナンス対象機場および他機場を含めて手動で各種の設定の見直しを行う必要があり、作業が複雑化する問題がある。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、各機場間の効率的な配水計画を作成し運用する上下水道監視制御システムを提供することにある。
【0008】
また、本発明の他の目的は、機器故障またはメンテナンス時に配水能力を考慮した配水計画を自動的に作成する上下水道監視制御システムを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
(2) 上記課題を解決するために、本発明に係る上下水道監視制御システムは、上位コントローラと各配水場、配水池の機場のコントローラとを伝送ラインで接続するとともに、前記上位コントローラは、過去実績配水流量を蓄積する履歴データ記憶手段と、計画対象日の曜日,気象情報をもとに前記履歴データ記憶手段から曜日,気象情報に類似した日の過去実績配水流量を抽出するデータ抽出手段と、このデータ抽出手段によって抽出された過去実績配水流量、当該類似した日の気象情報及び実配水流量に基づいて計画対象日の配水流量を予測し、この予測された配水流量及び各機場の現在水位から各機場水位を予測する流量・水位予測手段と、この予測手段による配水流量予測結果から前記各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード計画と流量配分計画とを作成し、この作成された制御モード計画および流量配分計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価が最適になるように配水計画を作成する配水計画作成手段とを設け、この作成された配水計画を前記各機場のコントローラに伝送する構成である。
【0010】
本発明は以上のような手段を講じたことにより、予測手段が予め過去実配水流量データを蓄積する履歴データ記憶手段から計画対象日の曜日,気象情報をもとに類似日,近日の過去実績配水流量を取出して配水流量を予測し、また各機場の現在水位から各機場水位を予測した後、この配水流量予測結果から制御モード計画および流量配分計画を作成し、これら計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成するので、自動的に各機場間で効率的な配水流量となる配水計画を作成できる。
【0011】
なお、配水計画作成手段としては、ある機場の機器故障、機器メンテナンス時、該当機場の制御範囲を狭めて使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成するので、故障時でも自動的に各機場間の効率的な配水流量となる配水流量を作成できる。
また、配水計画作成手段は、作成された配水計画データを前記流量・水位予測手段に返送し、前記流量・水位予測手段は、返送されてくる配水計画データに基づいて各機場が最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量を予測し、前記配水計画作成手段は、再度予測された配水流量を用いて、再度評価関数の最適化処理を実施することにより、最も効率の良い配水流量を予測できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0013】
図1は本発明に係わる上下水道監視制御システムの一実施の形態を示す全体構成図である。
【0014】
この監視制御システムは、上水道システムの適用例であって、複数の配水場である例えばA配水場およびB配水場と、例えばA配水場から自然流下されてくる水を受けて配水するC配水池と、これらA,B配水場およびC配水池から配水される水を需要家に送給する配管網1と、これらA,B配水場,C配水池の統括制御する中央(上位)コントローラ2とによって構成されている。
【0015】
前記A配水場は可変速の配水ポンプ3を備えた機場であって、浄化後の水を一時的に保持する配水池4と、この配水池4内の水を配管網1に配水する前記可変速用配水ポンプ3と、配水池4内の水を自然流下させる固定速ポンプ5と、これらポンプ3,5の速度制御の他、必要に応じてポンプ台数制御を行うコントローラ6とが設けられている。
【0016】
前記B配水場は固定速の配水ポンプ7を備えた機場であって、配水池8と、この配水池8内の水を配管網1に配水する固定速の配水ポンプ7と、このポンプ7の固定速制御の他、必要に応じてポンプ台数制御を行うコントローラ9とが設けられている。
【0017】
前記C配水池は流量調節弁11を備えた機場であって、本体となる配水池12と、配水池12内の水を所要とする弁開度のもとに配管網1に配水する流量調節弁11と、この流量調節弁11の開度,ひいては配水流量を制御するコントローラ13とが設けられている。
【0018】
さらに、各機場には各配水池4,8,12の水位を計測する水位計(図示せず)が設けられている。
【0019】
A配水場またはC配水池の何れか1つの機場は、配管網1内を所定の圧力に保持するために、末端圧制御/推定末端圧制御/吐出圧一定制御にて圧力制御を行い、他機場である圧力制御を行わないA配水場,C配水池の何れか1つまたはB配水場等では配水流量を一定制御する役割をもっている。
【0020】
そして、中央コントローラ2と各機場のコントローラ6,9,13とは伝送ライン14を介して接続され、中央コントローラ2は各機場の状態/計測/機器操作/動作指示設定等を行う。
【0021】
図2は中央コントローラ2および各機場コントローラ6,9,13の内部構成を示す機能ブロック図である。
【0022】
中央コントローラ2は、大きく分けて、各機場との間で情報の授受を行う伝送部21と、配水流量予測・配水池水位予測のもとに所定期間(例えば1日)の最も効率的な運転計画を作成するCPUで構成された運転計画作成処理部22と、各機場からの配水池現在水位、実配水流量等を順次記憶する履歴データベース23とによって構成されている。
【0023】
すなわち、中央コントローラ2の運転計画作成処理部22は、各機場から収集される状態/計測される実配水流量,配水池水位その他必要なデータに年月日・曜日・気候等の情報を付加して履歴データベース23に保存する機能の他、データ抽出手段22a、配水流量・水位予測手段22bおよび配水計画作成手段22c等が設けられている。
【0024】
このデータ抽出手段22aは、計画対象日,曜日,気候予報等の入力に基づき、履歴データベース23から曜日,気候予報等に最も類似した類似日,近日(直近)の配水流量データを抽出する機能をもっている。
【0025】
前記配水流量・水位予測手段22bは、データ抽出手段22aによって抽出された類似日,近日の配水流量データを受け取ると、類似日,近日の配水流量、温度・湿度等の気候予報データを用いて計画対象日の配水流量予測を行う。
【0026】
この配水流量予測ひいては計画対象日配水流量q(t)は例えば以下のような式から求めることが可能である。
【0027】
計画対象日配水流量q(t)=f{(1−α)*近日データ(t)+α*類似
日データ(t),温度・湿度計測値,実配水流量}
但し、tは時間、αは反映係数を意味する。この反映係数αは電力,水位等に関係する季節等の要因によって近日データに対して例えば0.6、類似日データに対して0.4と設定するが、後記する配水計画作成手段22cによる最適化処理の収束状況を学習しつつ最終的に最も効率の高い係数が決定される。
【0028】
また、計画対象日の配水流量を予測した後、この配水流量予測値および配水池の現在水位等を用いて計画対象日の配水池水位を予測する。
【0029】
さらに、この配水流量・水位予測手段22bでは、当日の温度,湿度等の気候情報に基づき、配水流量予測との間にずれが生じたとき、そのずれに相当する配水流量分を配水流量予測値に補正処理する。
【0030】
このようにして計画対象日配水流量q(t)を求めた後、配水計画作成手段22cは、その配水流量予測結果から制御モード計画,配水分配計画に基づく使用電力評価gと配水池水位(機場水位)予測を基にした水位評価hが最小となるような最適化処理を実施し、計画対象日の配水計画を作成する。すなわち、配水計画は以下の評価関数を最適化問題の解法によって最小化することにより作成する。
【0031】
評価関数=Σ{電力評価g(t;制御モード計画,配水分配計画)
水位異常評価h(t;制御モード計画,配水分配計画)}→minなお、配水計画作成手段22cで逐次作成される配水計画データは、配水流量・水位予測手段22bに返送され、前記反映係数αを最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量予測を行い、再度評価関数の最適化処理を行う。この一連の処理は評価関数が最っとも最小となるまで繰り返し実行される。
【0032】
そして、最終的に得られた最も効率の良い配水流量予測値を記憶した後、伝送部21を介して各機場のコントローラ6,9,13に伝送する。
【0033】
各機場のコントローラ6(9,13を含む)は、中央コントローラ2との間で情報の授受を行う伝送部31,この伝送部31で取り込み、更に当日の実際の温度・湿度等の気候で補正された計画対象日の配水計画を記憶する1日計画記憶部32、中央コントローラ2から伝送されてくる操作/設定情報を記憶する操作/設定記憶部33、現場にて設定される機場配水計画を記憶する機場計画記憶部34、該当機場の配水流量・配水池水位等の情報を一時的に保存する状態/計測記憶部35および1日配水計画または現場設定の機場計画に基づいて配水ポンプや流量調整弁を制御する配水出力制御手段36等が設けられている。なお、各記憶部32〜35は、同一の記憶媒体をエリア分けし、該当エリアにそれぞれ配水計画情報,操作/設定情報,機場配水計画情報,該当機場配水流量・配水池水位情報等を書込んでもよい。
【0034】
37は機場にて入力される操作/設定情報を一時保存する機場操作記憶部である。
【0035】
次に、A,B配水場のポンプ使用電力評価が同等な場合の配水計画図の作成例について図3ないし図6を参照して説明する。
【0036】
なお、図3はA,B配水場から均等配水する場合の評価関数を説明する図であって、同図左側は所定ポンプ台数を用いて同一の制御範囲で運用するときのA,B配水場の配水流量に対する電力評価値の関係を示す図であり、同図右側は同一制御範囲でA,B配水場,C配水池の水位に対する水位評価値の関係を示す図である。なお、同図(イ)では各配水池の水位が低くて配水不可状態にある場合には高い水位評価値となる例を示し、(ロ)では各配水池の水位が最も適切な状態にある場合には最も低い水位評価値となり、(ハ)では各配水池が満水状態にある場合には高い水位評価値となる例を示してい。
【0037】
ところで、今,A,B配水場にて均等配水運用を行う場合、A,B配水場とも同一の制御範囲にて電力評価および水位評価を行っていくと、A,B配水場,C配水池では図4に示すように各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード(後記する図6参照)が作成され、また図5に示すような流量分配,つまり分配配水流量が作成され、それをテーブル化すると図6のようになる。
【0038】
なお、図6において制御モード項目の記号「(1)」は圧力制御、「0」〜「3」は流量制御を示し、そのうち「0」は現在配水せず、「1」は1[m3/h]、「2」は2[m3/h]、「3」は3[m3/h]の配水を行うことを意味する。
【0039】
すなわち、以上のような電力評価値および水位評価値を用いた評価関数について最適化処理を行うと、A,B配水場等の均等配水計画を行うに際し、制御モード計画(図4参照),流量配水計画(図5参照)または図6に示すような1日運転計画が作成できる。
【0040】
また、例えばB配水場の配水ポンプ7がメンテナンスまたは故障等によって運転台数が減少したとか或いは一定範囲配水流量で運用する場合、図7に示すようなB配水場の制御範囲を狭くして電力評価を行えば、図8および図9または図10に示すような1日運転計画が作成できる。メンテナンスの場合には外部から直接配水流量・水位予測手段22bに入力され、機場の各機器の故障は伝送部21から状態/計測の形式で配水流量・水位予測手段22bに入力される。
【0041】
なお、システム全体から見たとき、中央コントローラ2にて集中監視制御を行う構成となるので、信頼性の面で劣ることが予想されるが、中央コントローラ2から各機場のコントローラ6,9,13に1日運転計画を渡すことにより、伝送異常時の継続使用が可能であり、また異常が長引いたときには従来どおり各機場から計画を設定することにより運転が継続でき、十分な信頼性を確保できる。
【0042】
従って、以上のような実施の形態によれば、類似日,近日の配水流量をもとに計画対象日の配水流量および各配水池水位を予測し、これら予測値に基づいて電力評価および水位評価が最小となるように繰り返し最適化処理を実施することにより、各機場間で均等かつ効率的な配水計画を作成できる。
【0043】
また、機場の機器故障またはメンテナンス時、配水流量に対する電力評価の制御範囲を可変することにより、同様に配水流量・各配水池水位の予測値に基づいて電力評価および水位評価が最小となるように繰り返し最適化処理を実施することにより、自動的に配水計画を作成でき、同様に各機場間において効率的な配水計画を作成できる。
【0044】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。例えば上記実施の形態では、上水道システムに適用したが、下水道システムにも同様に適用することができる。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、過去の実配水流量をもとに配水流量及び水位を予測し、最適化問題の解法により最適化処理することにより、各機場間の効率的な配水計画を作成して各機場へ伝送できる。
【0046】
また、本発明は、機器故障やメンテナンス時でも、配水能力を考慮しつつ自動的に各機場間の効率的な配水計画を作成して各機場へ伝送できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る上下水道監視制御システムの全体構成を示す図。
【図2】 図1に示す中央コントローラおよび各機場の内部構成を示すブロック図。
【図3】 配水流量・水位に対する電力評価・水位評価を示す図。
【図4】 配水流量予測及び水位予測のもとに作成された制御モード計画図。
【図5】 配水流量予測及び水位予測のもとに作成された流量配分計画図。
【図6】 図4及び図5をテーブル化した図。
【図7】 故障,メンテナンス時による配水流量・水位に対する電力評価・水位評価を示す図。
【図8】 配水流量予測及び水位予測のもとに作成された故障,メンテナンス時の制御モード計画図。
【図9】 配水流量予測及び水位予測のもとに作成された故障,メンテナンス時の流量配分計画図。
【図10】 図8及び図9をテーブル化した図。
【符号の説明】
1…配管網
2…中央コントローラ
3,5,7…ポンプ
4,8,12…配水池
6,9,13…機場コントローラ
22…運転計画作成処理部
23…履歴データベース
22a…データ抽出手段
22b…配水流量・水位予測手段
22c…配水計画作成手段
Claims (3)
- 複数の配水場および配水池から配管網に配水する場合、前記配水場,配水池の何れか1つの機場で配管網の圧力制御を行い、他機場で配管網の流量一定制御を行う上下水道監視制御システムにおいて、
上位コントローラと前記各機場のコントローラとが伝送ラインで接続され、
前記上位コントローラは、過去実績配水流量を蓄積する履歴データ記憶手段と、計画対象日の曜日,気象情報をもとに前記履歴データ記憶手段から曜日,気象情報に類似した日の過去実績配水流量を抽出するデータ抽出手段と、このデータ抽出手段によって抽出された過去実績配水流量、当該類似した日の気象情報及び実配水流量に基づいて計画対象日の配水流量を予測し、この予測された配水流量及び各機場の現在水位から各機場水位を予測する流量・水位予測手段と、この予測手段による配水流量予測結果から前記各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード計画と流量配分計画とを作成し、この作成された制御モード計画および流量配分計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成する配水計画作成手段とを備え、
この作成された配水計画を前記各機場のコントローラに伝送することを特徴とする上下水道監視制御システム。 - 前記配水計画作成手段は、ある機場の機器故障または機器メンテナンス時、該当機場の制御範囲を狭めて使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成することを特徴とする請求項1に記載の上下水道監視制御システム。
- 前記配水計画作成手段は、作成された配水計画データを前記流量・水位予測手段に返送し、前記流量・水位予測手段は、返送されてくる配水計画データに基づいて各機場が最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量を予測し、前記配水計画作成手段は、再度予測された配水流量を用いて、再度評価関数の最適化処理を実施することを特徴とする請求項1に記載の上下水道監視制御システム。
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