JP4780997B2 - 上水道運用計画方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、上水道運用計画方法及び装置に係り、特に、上水道の導送配水管網における最適な配水計画を立案するに好適な上水道運用計画方法及び装置に関する。

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，配水計画等を行うものである。

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いる。

また、例えば、特開平６−２３０８２９号公報に記載のように、多層状ネットワークを用いて、単に上下限値等の制約条件を満たすだけでなく、輸送量の時間変動を少なくする、離散的な輸送量も扱える等、現実的な要求事項も満たしつつ、高速に求解する方法が知られている。

さらに、例えば、特開平９−２３１２８２号公報に記載のように、現状分析をした後、現状と類似した事例のコスト係数を呼び出し配水計画を実行し、その結果に満足できない場合は違う事例からコスト係数を呼び出し、配水計画を再実行するものが知られている。

特開平６−２３０８２９号公報 特開平９−２３１２８２号公報

１９９７年１２月、地球温暖化防止のための京都議定書の採択をうけ、２００３年４月の省エネ法改正により上水道事業においても浄水場やポンプ所や給水所での省エネ施策を一段と進めていく必要がでてきた。

しかしながら、特開平６−２３０８２９号公報や特開平９−２３１２８２号公報に記載された方法では、最小費用の観点で配水計画を策定しており、省エネルギーの点については配慮がされていないものである。

本発明の目的は、省エネルギーを考慮した上水道運用計画方法及び装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、上水道の水管網に対し、浄水場，給水所，需要先，必要に応じて取水源をノードとし、導水管をアークとしたネットワークを用い、流量計算を行う上水道運用計画装置を用いた上水道運用計画方法において、上記上水道運用計画装置は、需要量実績値，ネットワークの構成情報，浄水場，給水所における初期貯蔵量を含むデータを記録した第１の実績データベースのデータを用いて配水の需要を予測し、リアルタイムでセンサからの計測値を取り込んで記録する第２の実績データベースから上記各アークのコスト係数を更新してコスト係数データベースに記録し、各アークでのコスト係数をエネルギー原単位とし、前記コスト係数から求まる総コスト値が最も省エネルギーとなるように配水計画水量を算出するようにしたものである。
かかる方法により、省エネルギーを考慮した上水道運用計画を策定し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記配水計画水量を単位量当り作り出す為のポンプ電力量をアークの原単位とし、原水量を単位量当り処理するための水処理剤の使用量をノードの原単位とし、原単位をコスト係数とし、最小費用流問題を解くためにノードの原単位をアークの原単位に割り振るようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記配水計画水量の計測値をリアルタイムで計測し、前記コスト係数を、前記計測値から求めるようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、過去と現在のコスト係数を比較することによって異常検知を行うようにしたものである。

（５）上記目的を達成するために、本発明は、上水道の水管網に対し、浄水場，給水所，需要先，必要に応じて取水源をノードとし、導水管をアークとしたネットワークを用い、需要量実績値，ネットワークの構成情報，浄水場，給水所における初期貯蔵量を含むデータを記録した第１の実績データベースのデータを用いて配水の需要を予測する需要予測手段と、リアルタイムでセンサからの計測値を取り込んで記録する第２の実績データベースから上記各アークのコスト係数を更新してコスト係数データベースに記録し、各アークでのコスト係数をエネルギー原単位とし、前記コスト係数から求まる総コスト値が最も省エネルギーとなるように配水計画水量を算出する配水計画手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、省エネルギーを考慮した上水道運用計画を策定し得るものとなる。

（６）上記（５）において、好ましくは、過去と現在のコスト係数を比較することによって異常検知を行う異常検知手段を備えるようにしたものである。

本発明によれば、省エネルギーを考慮して、かつ、最小費用の上水道運用計画を策定することができる。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態による上水道運用計画方法及び装置の内容について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による上水道運用計画装置のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による上水道運用計画装置の構成を示すシステムブロック図である。

上水道運用計画装置１００は、需要予測手段１１０と、配水計画手段１２０と、異常検出手段１３０とを備えている。上水道運用計画装置１００には、実績データベース（ＤＢ）−Ａ２１０と、実績ＤＢ−Ｂ２２０と、コスト係数ＤＢ２３０と、センサ２５０と、入力手段２７０と、出力手段２８０とが接続されている。

需要予測手段１１０は、実績ＤＢ−Ａ２１０に蓄積された需要予測に必要な諸データを用いて、配水の需要を予測する。実績ＤＢ−Ａ２１０に蓄積されている諸データとしては、需要量実績値，ネットワークの構成情報，浄水場・給水所における初期貯蔵量，各アークでの輸送量の上下限などがある。

配水計画手段１２０は、センサ２５０によって検出された各種データ（各施設の機器毎の送水ポンプ電力量や送水流量、水処理のためのＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム），活性炭，オゾン，塩素などの使用量など）をリアルタイムで取り込み、実績ＤＢ−Ｂ２２０に格納する。また、配水計画手段１２０は、実績ＤＢ−Ｂ２２０に格納された各種データを用いてコスト係数を算出し、コスト係数ＤＢ２３０に格納する。さらに、配水計画手段１２０は、需要予測手段１１０によって予測された需要と、コスト係数ＤＢ２３０に格納されたコスト係数を用いて、数理計画法による最小費用流問題を解き、配水計画を策定する。配水計画手段１２０による配水計画の策定処理の内容については、後述する。策定された配水計画は、出力手段２８０から出力される。各施設の機器は、配水計画に従って、制御装置によって制御される。

異常検出手段１３０は、コスト係数ＤＢ２３０に格納されたアークｉのコスト係数Ｆｉ（ｔ）の値を所定時間毎にチェックし、その値がある決められた値以上になった時に、コスト係数異常と検知し、出力手段２８０から異常検知を出力し、オペレータに知らせる。異常検出手段１３０によるコスト係数の異常検知処理の内容については、後述する。

次に、図２を用いて、導水から送配水までの浄水場内のフローの一例に従って説明する。
図２は、導水から送配水までの浄水場内のフローを示すブロック図である。

河川などの取水源ＧＷＳから取水された源水は、導水ポンプＰＵ１を用いて、導水管ＣＴ１を経て、浄水場ＦＰに取り入れられる。浄水場ＦＰは、着水井ＦＰ１，薬品混和池ＦＰ２，沈殿池ＦＰ３，濾過池ＦＰ４，オゾン混和池ＦＰ５，配水池ＦＰ６などの種々の処理池が備えられている。例えば、着水井ＦＰ１では、導水管ＣＴ１から導入された水に活性炭を加えて水処理する。薬品混和池ＦＰ２では、活性炭やＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）が混入され水処理される。オゾン混和池ＦＰ５では、オゾンが混入され水処理される。配水池ＦＰ６では、塩素が混入され水処理される。なお、浄水場ＦＰの中の池の種類は、源水の汚れ具合等によって異なるものであり、図２にしめした池が全て備えられるものではないが、少なくとも、なんらかの水処理剤（ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム），活性炭，オゾン，塩素など）を使用しての水処理が行われ、これらの水処理剤の使用量によってコストも変動する。

また、配水池ＦＰ６にて処理の終わった上水は、送水・配水ポンプＰＵ２により、送水管ＷＰ１により給水所ＷＳＰを経て需要先ＤＡに供給され、また、配水管ＳＰ１により需要先ＤＡに供給される。ここで、送水・配水ポンプＰＵ２の消費電力もコストに影響する。

次に、図３を用いて、本実施形態による上水道運用計画装置における配水計画手段１２０による配水計画の算出方法について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による上水道運用計画装置における配水計画手段による配水計画の算出方法の説明図である。

配水計画手段１２０では、多層状拡張ネットワークを用いて、数理計画法による最小費用流計算により、配水計画を策定する。

ここで、図３を用いて、配水計画手段１２０が配水計画策定に用いる多層状拡張ネットワークについて説明する。

時刻Ｔ１における空間ネットワークＳＮ１は、複数のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３や分岐Ｓ１１と、それらを結ぶアークＡ１１，Ａ１２，Ａ１３，Ａ１４から構成されている。例えば、ノードＮ１は浄水場に該当し、ノードＮ２が給水所に該当し、ノードＮ３が需要先に該当する。これ以外に取水源等も必要に応じて、ノードとして、ネットワークに組み入れられる。

同様にして、時刻Ｔ２における空間ネットワークＳＮ２は、複数のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３や分岐Ｓ２１と、それらを結ぶアークＡ２１，Ａ２２，Ａ２３，Ａ２４から構成されている。また、時刻Ｔ３における空間ネットワークＳＮ３は、複数のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３や分岐Ｓ３１と、それらを結ぶアークＡ３１，Ａ３２，Ａ３３，Ａ３４から構成されている。

例えば、１日の配水計画を策定する場合で考えると、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、数時間置きの空間ネットワークを示している。ソースＳＯは、１日の最初の初期値を示し、シンクＳＩは１日の最終の終値を示している。

ソースＳＯと時刻Ｔ１における空間ネットワークＳＮ１の各ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３は、それぞれ、アークＡ１−０１，Ａ２−０１，Ａ３−０１で結ばれ、時刻Ｔ１における空間ネットワークＳＮ１と時刻Ｔ２における空間ネットワークＳＮ２の同じノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３同士は、それぞれ、アークＡ１−１２，Ａ２−１２，Ａ３−１２で結ばれる。また、時刻Ｔ２における空間ネットワークＳＮ２と時刻Ｔ３における空間ネットワークＳＮ３の同じノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３同士は、それぞれ、アークＡ１−２３，Ａ２−２３，Ａ３−２３で結ばれ、時刻Ｔ３における空間ネットワークＳＮ３の各ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３とシンクＳＩは、それぞれ、アークＡ１−３４，Ａ２−３４，Ａ３−３４で結ばれる。

複数のノードおよびそれらを結ぶアークからなる空間ネットワークＳＮ１，ＳＮ２，ＳＮ３，…を時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ごとに多層に重ねて、同一のノード（Ｎ２１，Ｎ２２，Ｎ３１のそれぞれ）を層間で結ぶアークＡ１−１２，Ａ１−２３，Ａ２−１２，Ａ２−２３，Ａ３−１２，Ａ３−２３上の流量で時間毎の貯蔵量を表し、全アークＡ１１，Ａ１２，Ａ１３，Ａ１４，Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３，Ａ２４，Ａ３１，Ａ３２，Ａ３３，Ａ３４，Ａ１−０１，Ａ２−０１，Ａ３−０１，Ａ１−１２，Ａ１−２３，Ａ２−１２，Ａ２−２３，Ａ３−１２，Ａ３−２３，Ａ１−３４，Ａ２−３４，Ａ３−３４に流量の関数となるコストを割り当てることにより、総コスト値が最小となる流量を求める最小費用流問題として数理計画の手法により、動的な配水計画を解くことができる。これにより、各アークＡ１１，Ａ１２，Ａ１３，Ａ１４，Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３，Ａ２４，Ａ３１，Ａ３２，Ａ３３，Ａ３４，Ａ１−０１，Ａ２−０１，Ａ３−０１，Ａ１−１２，Ａ１−２３，Ａ２−１２，Ａ２−２３，Ａ３−１２，Ａ３−２３，Ａ１−３４，Ａ２−３４，Ａ３−３４の送水量が求まる。

従来の方式では、コスト係数は一定であったり、コスト係数を以前の事例から呼び出すため、一度配水計画を実行すると、需要予測を変えた場合や緊急時になった場合でないと配水計画を行う必要はないものである。しかしながら、上水道の特徴として、１つのポンプの電力量が大きくその値が少し変わっただけでコスト係数が変化したり、入力である原水の濁度が変わった場合にもコスト係数は大きく変化することにある。そういったリアルタイムな変化に対応するため、本実施形態では、上水道運用計画装置１００は、リアルタイムでセンサ２５０からの計測値を取り込み、実績ＤＢーＢ２２０に格納され、また、コスト係数ＤＢ２３０もリアルタイムで更新され、コスト係数ＤＢ２３０が更新される度に、配水計画手段１２０は、自動的に配水計画を行うことができる。

図２に示したように、浄水場では、導水から送配水までの間に、水処理のために水処理剤（ＰＡＣ，活性炭，オゾン，塩素等）を投入し、また、送水ポンプＰＵ２では電力を消費する。コスト係数ＤＢ２３０は、取水から送水までの消費したエネルギーを実績ＤＢ−Ｂ２２０でＣＯ２換算した各アークのコスト係数を集めたＤＢである。消費電力量や水処理剤の使用量といったエネルギー使用量を同じエネルギーとして扱えるよう、本実施形態では、それらをエネルギー原単位であるＣＯ２排出量に換算して扱っている。時刻ｔにおけるｉ番目のアークｉのコスト係数Ｇi(t)は、以下の式（１）で計算される。

Ｇi(t)＝（k1・ＫW i(t)＋（k2・ＰＡＣ i(t)＋k3・ＣＨＡ i(t)＋k4・Ｏ３ i(t)＋k5・ＣＬ２ i(t))／（Ｑ i(t)） …（１）

ここで、ＫＷi(t)は時刻ｔにおけるアークｉに送水するために使用した送水ポンプ電力量、ＰＡＣi(t)は時刻ｔにおけるアークｉに供給する水を生産するために使用したＰＡＣ消費量、ＣＨＡ i(t)は時刻ｔにおけるアークｉに供給する水を生産するために使用した活性炭消費量、Ｏ３ i(t)は時刻ｔにおけるアークｉに供給する水を生産するために使用したオゾン消費量、ＣＬ２ i(t))は時刻ｔにおけるアークｉに供給する水を生産するために使用した塩素消費量、k1は電力量のＣＯ２排出原単位、k2はＰＡＣのＣＯ２排出原単位、k3は活性炭のＣＯ２排出原単位、k4はオゾンのＣＯ２排出原単位、k5は塩素のＣＯ２排出原単位、Ｑは時刻ｔにおけるアークｉへの送水量である。なお、源水の汚れ度合いに応じて、使用される水処理剤の種類は異なるので、必要とされる水処理剤についてコスト係数を求める必要がある。例えば、活性炭を使用しない場合には、式（１）の右辺のk3・ＣＨＡ i(t)は不要である。また、別の水処理剤を用いる場合には、式（１）の右辺にその水処理剤のコスト係数を加味する必要があり、また、ポンプとして、導水ポンプや配水ポンプを用いる場合には、これらのポンプのコスト係数も加味する必要がある。

すなわち、導水量，送水量，配水量などを単位量当り作り出すための導水ポンプ電力量，送水ポンプ電力量，配水ポンプ電力量などの水供給に関わるアーク原単位と、原水量を単位量当り処理する為のＰＡＣ使用量，活性炭使用量，オゾン使用量などの水処理に関わる処理剤の使用に関わるノードの原単位を用い、原単位をコスト係数とし、最小費用流問題を解くためにノードの原単位をアークの原単位に割り振ることにより、アークだけでなくノードの内部の処理を考慮にいれることができ、上水道全体のエネルギーを包括したことを特徴とする。

次に、全体のコストをＺとすると、全体のコストＺは、以下の式（２）で求められる。

Ｚ＝Σ（Ｇi×Ｑi）＝Σ（k1・ＫW i(t)＋（k2・ＰＡＣ i(t)＋k3・ＣＨＡ i(t)＋k4・Ｏ３ i(t)＋k5・ＣＬ２ i(t)) …（２）

そして、配水計画手段１２０は、式（２）で示される全体のコストＺを最小にするＱを求めることにより、配水計画を策定する。Ｚを最小にするということは、（k1・ＫW ＋（k2・ＰＡＣ＋k3・ＣＨＡ＋k4・Ｏ３＋k5・ＣＬ２)を最小にするということと等しく、（k1・ＫW ＋（k2・ＰＡＣ＋k3・ＣＨＡ＋k4・Ｏ３＋k5・ＣＬ２)はＣＯ２排出量を表している。つまり、全体のコストＺを最小にするように最小費用流問題を解いて得られた解は、最も省エネルギーな配水計画になっている。

次に、異常検出手段１３０の処理内容について説明する。異常検出手段１３０は、コスト係数を利用することにより、対象とするアークの省エネルギーに対する推進や後退を検知する。アークｉのコスト係数の変化Ｆi(t)は、以下の式（３）で求めることができる。

Ｆi(t)＝Ｇi(t)／Ｇi(t-1) …（３）

ここで、アークｉのコスト係数の変化Ｆｉ（ｔ）＜１の時、すなわち時刻ｔ−１に比べて時刻ｔのコスト係数が小さい時、アークｉは省エネルギーに進んでおり、Ｆｉ（ｔ）＞０の時、すなわち時刻ｔ−１に比べて時刻ｔのコスト係数が大きい時、アークｉは省エネルギーから後退していることがわかる。

異常検出手段１３０は、最初に、コスト係数ＤＢ２３０に、Ｆｉ（ｔ）を格納する。Ｆｉ（ｔ）は短い期間でそこまで変化するものではないため、異常検出手段１３０は、Ｆｉ（ｔ）の値がある決められた値以上になった時に、異常検知し、出力手段２８０を用いて、異常検出をオペレータに知らせることができる。オペレータは異常検出に応じて、配水計画を実行するなどの対応をとることができる。

なお、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの時間の幅は任意である。そこで、時間の幅を「時間」として、Ｆｉ（ｔ）＞＞１であれば、短い時間の間に急激に省エネルギーが後退したことを示し、１）油が流入したためＰＡＣの使用量が増えた、２）圧力が高まり送水ポンプの電力消費量が増えた、３）配管が破裂したため送水量が減った等の緊急時の発生を知ることができる。時間の幅を「月」もしくは「年」として、Ｆｉ（ｔ）＞１であれば、長い期間と共に省エネルギーが後退したことを示し、その値より、設備の劣化の度合いやを知ることができ、Ｆｉ（ｔ）＜１であれば、省エネルギーが推進されたことを示し、その値により設備投資の効果やノウハウの変化を知ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、省エネルギーを考慮した上水道運用計画を策定することができる。

本発明の一実施形態による上水道運用計画装置の構成を示すシステムブロック図である。 導水から送配水までの浄水場内のフローを示すブロック図である。 本発明の一実施形態による上水道運用計画装置における配水計画手段による配水計画の算出方法の説明図である。

符号の説明

１００…上水道運用計画装置
１１０…需要予測手段
１２０…配水計画手段
１３０…異常検出手段
２１０…実績ＤＢ−Ａ
２２０…実績ＤＢ−Ｂ
２３０…コスト係数ＤＢ
２５０…センサ
２７０…入力手段
２８０…出力手段

Claims (6)

1. 上水道の水管網に対し、浄水場，給水所，需要先，必要に応じて取水源をノードとし、導水管をアークとしたネットワークを用い、流量計算を行う上水道運用計画装置を用いた上水道運用計画方法において、
   上記上水道運用計画装置は、
   需要量実績値，ネットワークの構成情報，浄水場，給水所における初期貯蔵量を含むデータを記録した第１の実績データベースのデータを用いて配水の需要を予測し、
   リアルタイムでセンサからの計測値を取り込んで記録する第２の実績データベースから上記各アークのコスト係数を更新してコスト係数データベースに記録し、
   各アークでのコスト係数をエネルギー原単位とし、
   前記コスト係数から求まる総コスト値が最も省エネルギーとなるように配水計画水量を算出することを特徴とする上水道運用計画方法。
2. 請求項１記載の上水道運用計画方法において、
   前記配水計画水量を単位量当り作り出す為のポンプ電力量をアークの原単位とし、
   原水量を単位量当り処理するための水処理剤の使用量をノードの原単位とし、
   原単位をコスト係数とし、
   最小費用流問題を解くためにノードの原単位をアークの原単位に割り振ることを特徴とする上水道運用計画方法。
3. 請求項１記載の上水道運用計画方法において、
   前記配水計画水量の計測値をリアルタイムで計測し、
   前記コスト係数を、前記計測値から求めることを特徴とする上水道運用計画方法。
4. 請求項１記載の上水道運用計画方法において、
   過去と現在のコスト係数を比較することによって異常検知を行うことを特徴とする上水道運用計画方法。
5. 上水道の水管網に対し、浄水場，給水所，需要先，必要に応じて取水源をノードとし、導水管をアークとしたネットワークを用い、
   需要量実績値，ネットワークの構成情報，浄水場，給水所における初期貯蔵量を含むデータを記録した第１の実績データベースのデータを用いて配水の需要を予測する需要予測手段と、
   リアルタイムでセンサからの計測値を取り込んで記録する第２の実績データベースから上記各アークのコスト係数を更新してコスト係数データベースに記録し、
   各アークでのコスト係数をエネルギー原単位とし、
   前記コスト係数から求まる総コスト値が最も省エネルギーとなるように配水計画水量を算出する配水計画手段を備えたことを特徴とする上水道運用計画装置。
6. 請求項５記載の上水道運用計画装置において、さらに、
   過去と現在のコスト係数を比較することによって異常検知を行う異常検知手段を備えたことを特徴とする上水道運用計画装置。

Images