JP4407420B2

JP4407420B2 - 配水量予測装置

Info

Publication number: JP4407420B2
Application number: JP2004227982A
Authority: JP
Inventors: 和也平林
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP2006045892A

Description

本発明は、浄水場の取水施設、浄水施設、配水設備の運用計画を立てるために必要な配水量予測を、異常日データを含んだ場合においても、精度を低下させることなく、オペレータが安心して制御を行うことができる配水量予測装置に関する。

従来の配水量予測装置は、火災や積雪時などの異常日データを、特殊な処理なしで配水量の予測を行っている。また、平均変動パターンは、晴天日のみ抽出しパターンを作成するものである（例えば、特許文献１参照）。
図２において、１は取水施設で、河川、ダムなどより浄水施設へ水を供給する。２は浄水施設で、河川、ダムなどより取水した水から水質基準に適合した必要量の浄水を安定して供給するための施設である。３は配水池で各家庭、工場などで使用される上水は配水池より自然流下、ポンプなどにより需要家に配水される。４は需要家に配水された配水流量を測定する流量計、６はオペレータにより実績天候、予想天候、予想気温を入力する入力装置で、５は気温計である。
７は計測器によって測定された計測値及びオペレータの入力により収集した計測値を蓄積する計測値蓄積装置である。
８は平均変動パターン作成装置で、計測値蓄積装置７で蓄積された配水量を、曜日、時刻、天候によって層別して平均変動パターンを作成する。つまり、平均変動パターンは、各時刻単位の配水量を曜日毎の直近数日間の平均値から算出する。また、平均変動パターンの更新は、予測日により近い計測値を使用することを目的に毎日行う。しかし、配水量は、雨の影響を受けるため、雨天日の配水量は、平均変動パターンの更新に使用しない。
９は雨天日補正係数作成装置で、過去の配水量から雨天日と雨天日以外の配水量の平均値の比を各時刻単位に計算したものである。つまり、雨天日の平均変動パターンは、雨天日以外の平均変動パターンに雨天日補正係数を各時刻毎に乗じて求める。
１０は、システム変数データ作成装置で、計測値蓄積装置７に記憶している計測値、平均変動パターン作成装置８で作成した平均変動パターン、雨天日補正係数作成装置９で作成した雨天日補正係数を入力して、天候、曜日の影響を除いたデータを作成する。配水量から平均変動パターンを引いた部分(以下、これを残差部分呼ぶ)と最高気温(１日の最高気温)を対象とするデータを作成する。残差部分のデータは、以下の式求められる。
Ｑst(n)＝Ｑt(n)−Ｑave(n)・Ｃ(n) (n=1,2,3,・・・,24) ・・・（１）
但し、
n ：時刻
Ｑst(n) ：時刻nにおける残差部分の計測値
Ｑt(n) ：時刻nにおける配水量
Ｑave(n) ：時刻nにおける平均変動パターン
Ｃ(n) ：時刻nにおける雨天日補正係数
１１は、自己回帰モデル作成装置で、システム変数データ作成装置１０で作成したデータを入力して自己回帰モデルを作成する。いま、時刻nにおけるプロセスの状態をｋ次元の全変数ベクトルＸ(n)、時刻nよりm時点前の全変数ベクトルをＸ(n-m)、白色ノイズベクトルをＵ(n)、自己回帰モデルの回帰係数をＡ(m)、自己回帰モデルの最適次数をMで表すと、その自己回帰表現は、

で表される。
従って自己回帰モデルの作成とは、自己回帰係数、白色ノイズベクトルの分散および自己回帰モデルの最適次数決定に帰結される。自己回帰係数A(m)は、要素をAij(m)とし、次の連立方程式をi=1,2,3,・・・・,kについて解くことにより求められる。但し、Xi、Xjの相互分散をRij(l)、自己回帰係数の要素をAij(m)とすると

白色ノイズベクトルＵ(n)の要素をεi(n)とすると、その残差分散値σi^２は次のようになる。

なお、モデルの最適次数Ｍは予測誤差を表す(5)式のMFPE(M)を最小にする値である。

但し、Nはデータ数、‖d_M‖はU(n)の分散共分散行列推定値である。また、MFPEはMultiple Final Prediction Errorの頭文字である。このようにして自己回帰係数、白色ノイズの分散および最適モデル次数が求められ、自己回帰モデルが作成される。従って、残差部分の予測を行うために必要な、残差部分と最高気温との関係式を自己回帰モデルから求めることができる。自己回帰モデルの更新は、直近の計測値を使用することを目的に直近数十日の計測値を使用して１日１回行う。
１２は残差部分の予測値演算装置で、自己回帰モデル作成装置１１で作成した自己回帰モデルとシステム変数データ作成装置１０で作成したデータから統計的に類推可能な残差部分の24時間予測を演算する。自己回帰モデルを用いた時の24時間予測は次のように表される。

但し、
Ｑst(n)p ：時刻nにおける残差部分の予測値
Ｑst(n) ：時刻nにおける残差部分の計測値
Temp(n) ：時刻nの最高気温
Ａ₁₁(m) ：残差部分の予測値に対する残差部分の自己回帰係数
Ａ₁₂(m) ：残差部分の予測値に対する最高気温の自己回帰係数
しかし、１点先以上の予測が必要なため、１点先以上の予測には、残差部分は予測値を使用し、最高気温は予想最高気温を使用する。
このようにして得られた残差部分の予測値Ｑst(0)p,Ｑst(1)p・・・・Ｑst(23)pを予測値演算装置１３に出力する。
１３は、配水量予測値演算装置で、予測日の天候、曜日、時刻から予測日に該当する平均変動パターンを選択し、直近の配水量、最高気温、予想最高気温から求めた残差部分の予測値との和を配水量予測値とする。配水量予測式は、(7)式のように決定される。
Ｑt(n)p＝Ｑst(n)p＋Ｑave(n)・Ｃ(n) (n=1,2,3,・・・,24)・・・（７）
但し、Ｑt(n)p：予測配水量
このように、従来の配水量予測装置は、火災や積雪時などの異常日データの処理を行わずに配水量を予測するのである。また、平均変動パターンは、晴天日のみ抽出しパターンを作成するのである。
(特開平8-239868)

従来の配水量予測装置は、火災や積雪時などの異常日データを取り込むようになっていて配水量を予測するために、正確なモデルを作成することができないので、異常日データが存在する場合、予測精度が低下するという問題があった。また、雨天日が継続するような場合は、平均変動パターンのベースとなるデータが古くなるので、予測精度が低下するというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、異常日データを処理するとともに平均変動パターンに雨天日のデータを取り込むようにし、予測精度の悪化を防ぐとともに精度が向上することができる配水量予測装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、河川から取水施設、浄水施設を経て需要家に配水する浄水を貯水する配水施設３からの配水量を測定する流量計４と、実績天候、予想天候、予想気温の予想データを入力する入力装置５と、気温を計測する気温計６と、計測値を蓄積する計測値蓄積装置７と、配水量を曜日、時刻、天候によって層別する平均変動パターン作成装置８と、過去の配水量から雨天日と雨天日以外の配水量の平均値の比を各時刻単位に計算する雨天日補正係数作成装置９と、前記配水量と前記平均変動パターンの差である残差部分と気温をシステム変数とするデータを作成するシステム変数データ作成装置１０と、前記システム変数データ作成装置で作成したデータを入力して自己回帰モデルを作成する自己回帰モデル作成装置１１と、前記自己回帰モデル作成装置で作成した自己回帰モデルと前記システム変数データ作成装置で作成したデータから統計的に類推可能な残差部分の24時間予測を演算する残差部分の予測値演算装置１２と、予測日の天候、曜日、時刻から予測日に該当する平均変動パターンを選択し、直近の配水量、予想気温から求めた残差部分の予測値との和を配水量予測値とする配水量予測値演算装置１３を備えた浄水場の配水量予測装置において、前記入力装置は、前記予想データに加えて異常日を入力し、前記平均変動パターン作成装置は、前記異常日を検出し削除する異常日削除手段を設け、前記システム変数データ作成装置は、前記削除された異常日を除く正常日のみで計算する正常日データ処理手段を設けたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記平均変動パターン作成装置に、雨天日の値に雨天日補正係数を除する雨天日補正手段を設けたものである。

請求項１に記載の発明によると、火災時、積雪時などの異常日データを削除することにより、予測のベースとなるデータが配水量の動きを的確に表現することができ、予測精度悪化を防ぎ、さらに予測精度を向上させることができる。また、請求項２に記載の発明によると、平均変動パターンに雨天日のデータを取り込み、直近のデータを取り扱うことができるため、予測精度が向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の配水量予測装置のブロック図である。
図において、８は平均変動パターン作成装置、８１は異常日修正手段、８２は雨天日修正手段である。その他の符号は従来例と同じであるため説明を省略する。
入力装置５は、従来と同じくオペレータにより実績天候、予想天候、予想気温を入力するが、それに加え、災害、積雪時など通常の動きと異なる日をオペレータが判断し異常日を入力する。
平均変動パターン作成装置８は、計測値蓄積装置７で蓄積された配水量を、曜日、時刻、天候によって層別して平均変動パターンを作成する。つまり、平均変動パターンは、各時刻単位の配水量を曜日毎の直近数日間の平均値から算出する。また、平均変動パターンの更新は、予測日により近い計測値を使用することを目的に毎日行う。異常日修正手段８１は、火災時、積雪時などの異常日データが、標準的な配水量の動きをしていないため、平均変動パターンに取り込まないようにする処理である。また、雨天日の取扱いについて次のように計算する。すなわち、雨天日の配水量は雨の影響を受けるため、雨天日修正手段８２は、雨天日補正係数を除することにより、晴天日として取扱い、平均変動パターンの計算値として使用し、平均変動パターンを算出する。
システム変数データ作成装置１０は、通常は従来と同じ機能であるが、火災、積雪などの異常日は次のように取り扱う。（１）式に対し、入力装置５にて入力された異常日を読込み、火災時、積雪時などの異常日データが存在すると、異常日の１日のデータをシステム変数作成のためのデータ作成に取り込まない。
（２）式から（７）式で演算した予測結果を浄水施設へ出力し、送水ポンプなどの運転を行う。
本発明が特許文献１（非特許文献１）と異なる部分は、火災、積雪などの異常日データや雨天日データを取り扱うために、出力装置と平均変動パターンとシステム変数作成装置を備えた部分である。

火災、積雪などの異常データ日を取り除くことによって標準的なデータのみで予測するためのモデルを作成することができるので、外乱の多い下水の流入量予測、河川の水位予測という用途にも適用できる。

本発明の配水量予測装置のブロック図従来の配水量予測装置のブロック図

符号の説明

１取水施設
２浄水施設
３配水施設
４流量計
５入力装置
６気温計
７計測値蓄積装置
８平均変動パターン作成装置
８１異常日修正手段
８２雨天日修正手段
９雨天日補正係数作成装置
１０システム変数データ作成装置
１１自己回帰モデル作成装置
１２残差部分の予測値演算装置
１３配水量予測値演算装置

Claims

河川から取水施設、浄水施設を経て需要家に配水する浄水を貯水する配水施設３からの配水量を測定する流量計４と、実績天候、予想天候、予想気温の予想データを入力する入力装置５と、気温を計測する気温計６と、計測値を蓄積する計測値蓄積装置７と、配水量を曜日、時刻、天候によって層別する平均変動パターン作成装置８と、過去の配水量から雨天日と雨天日以外の配水量の平均値の比を各時刻単位に計算する雨天日補正係数作成装置９と、前記配水量と前記平均変動パターンの差である残差部分と気温をシステム変数とするデータを作成するシステム変数データ作成装置１０と、前記システム変数データ作成装置で作成したデータを入力して自己回帰モデルを作成する自己回帰モデル作成装置１１と、前記自己回帰モデル作成装置で作成した自己回帰モデルと前記システム変数データ作成装置で作成したデータから統計的に類推可能な残差部分の24時間予測を演算する残差部分の予測値演算装置１２と、予測日の天候、曜日、時刻から予測日に該当する平均変動パターンを選択し、直近の配水量、予想気温から求めた残差部分の予測値との和を配水量予測値とする配水量予測値演算装置１３を備えた浄水場の配水量予測装置において、
前記入力装置は、前記予想データに加えて異常日を入力し、
前記平均変動パターン作成装置は、前記異常日を検出し削除する異常日修正手段を設け、
前記システム変数データ作成装置は、前記削除された異常日を除く正常日のみで計算することを特徴とする配水量予測装置。
前記平均変動パターン作成装置は、雨天日の値に雨天日補正係数を除する雨天日修正手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の配水量予測装置。