JP4799168B2

JP4799168B2 - 配水及び管路情報解析システム

Info

Publication number: JP4799168B2
Application number: JP2005368195A
Authority: JP
Inventors: 敦司湯川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: CN1986981A; JP2007170021A; EP1801682A1; EP1801682B1; CN100558994C

Description

本発明は、一つの配水池から配水管路網に流入する浄水の流入量及び配水管路網内の適宜一か所の圧力データを取込んで配水及び管路情報を解析する配水及び管路情報解析システムに関する。

我が国では、一般的に河川から取水した原水を浄水場で浄化処理した後、配水池へポンプにより圧送し、この配水池から配水管路網へ自然流下で配水している。したがって、配水池から配水管路網へ配水する場合、地形の起伏が多い地域では、配水管路網における水圧を適切に保つことは困難である。

そこで、最近では配水管路網をブロック化し、幾つかに分割して管理したり、減圧弁の使用などにより地形の起伏に伴う水圧の変化を軽減したりしているところもある。このようにすれば、水圧を適切に保つことが可能となり、配水管路網の漏水が減少するため、浄水の無駄がなくなり、水道事業にとっては収益の改善につながる。

ところで、従来の給水監視システムは、配水管路網の必要とされる箇所の管路に流量計と圧力計とを設置してその管路の流量と圧力とを計測し、これらの計測値から配水管路網の状態を監視していた。この場合、これらの計測データの利用方法は、圧力制御、流量制御のフィードバック信号、流量の上下限設定による異常値検出、日報月報を作成するための基本情報などである。

このように従来の給水監視システムでは、時刻に従ってデータを収集しているだけで、収集した計測データを解析して配水管路網の維持管理に用いることは行われていない。

したがって、秒単位で変化する配水管路網の状態を把握することは困難であり、配水管路網の経年劣化に伴う漏水を把握することは難しい。

また、配水管路網の状態を把握する手段としては、一般的に管網解析が行われることが多いが、配水管路の情報や管路の設置標高、ポイントごとの流量データなど、必要なデータを事前に設定してシミュレーションによる解析を行うことが必要となるため、膨大な時間と手間がかかる。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、常に配水管路網の圧力を適切に保ち、秒単位で変化する配水管路網の状態を適切に把握することが可能な配水及び管路情報解析システムを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により配水・管路情報解析システムを構成する。

請求項１に係る本発明は、配水池から配水管路網に流入する浄水の流入量を計測する１つの流量計及び前記配水管路網内の適宜一か所の管路の圧力を計測する１つの圧力計より伝送される流量データ及び圧力データを一定周期で取込むデータ収集手段と、前記データ収集手段により収集された１日分の流量データ及び圧力データを順次取込んで下記式に示すヘーゼンウイリアムの近似式に基づいて演算し、最小二乗法を用いて１日毎の仮想管路総延長と流量補正係数をパラメータとして求めて管路状態把握データベースに格納する近似式演算手段と、前記データ収集手段により一定周期で収集された流量データ及び圧力データを取込んで前記管路状態把握データベースに格納されているパラメータを用いて前記ヘーゼンウイリアムの近似式に基づいて圧力値を演算し、この圧力値と実測の圧力値との水頭差が所定値以上変位しているとき異常値を検出するオンライン異常検出手段とを備えた配水・管路情報解析システムである。ここで、ヘーゼンウイリアムの近似式は、
Ｈ _loss ＝10.67×Ｌ×Ｑ ^1.85×α ／（Ｃ ^1.85 ×Ｄ ^4.87 ）である。但し、Ｈ _loss ：損失水頭、Ｌ：仮想管路総延長（ｍ）、Ｑ：流量計の指示値、Ｃ：流速計数、Ｄ：管路口径（ｍｍ）、α：配水ブロックの流量補正係数。

本発明によれば、常に配水管路網の圧力を適切に保ち、秒単位で変化する配水管路網の状態を適切に把握することが可能となる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による配水及び管路情報解析システムが適用される対象プロセスを示す模式図である。

図１に示すように一つの配水池１から配水管路網（以下配水ブロックと呼ぶ）２へ浄水が供給されるプロセスを対象とするものであり、この配水ブロック２の入口付近の浄水注入管３に浄水の流入量を計測するための一つの流量計４が取付けられ、また配水ブロック２内の適宜位置の配管に配水ブロック２内の配水圧力を計測するための一つの圧力計５が取付けられている。また、これら流量計４及び圧力計５により計測されたデータは、配水及び管路情報解析システム１０に伝送される。

上記のように一つの配水池１から配水ブロック２に供給される配水量を一つの流量計４と一つの圧力計５で監視する場合、水道事業を全国の水道統計の日平均給水量で分布させて水道事業の特性を比較する必要がある。

全国の水道統計による日平均給水量は、1,000ｍ³／ｄ〜4500,000ｍ³／ｄまで、広く分布しており、給水量を等間隔で区分したヒストグラムでは正規分布しない。したがって、日平均給水量の全国に対する位置付けは正規分布した水量区域がなければ求めることができない。

そこで、本発明では予め全国の水道統計による日平均給水量を正規分布変換式により変換して正規分布したヒストグラムを求めておき、このヒストグラムから得られる平均値と分散値を用いて、上記配水ブロックを対象として流量計４及び圧力計５により一定周期（例えば５秒周期）で収集したデータから求められる日平均給水量を分析することで、他の分析対象給水ブロックの日平均給水量から水道統計と照合しなくても確率的に給水規模を把握できるようにしたものである。

図２は本発明による配水及び管路情報解析システムの第１の実施形態を示すブロック図である。

図２において、１１は全国の水道統計による各水道事業体の実績日平均給水量データが保存されたデータベースで、このデータベース１１より各日平均給水量データを演算部１２に取込んで（１）式に示す正規分布変換式により日平均給水量を変換することで、全国の水道統計による各水道事業体の日平均給水量のヒストグラムを正規分布させ、これをディスク１３に日平均給水指標（平均値、分散値）として保存しておく。

Ｖ＝log₁₀（Q／1000）^(1/2.5) …… （１）
ここで、データベース１１に保存されている全国の各水道事業体の日平均給水量分布を横軸に日平均給水量、縦軸に事業体の件数としてグラフ化すると図３（ａ）に示すようになる。したがって、図３（ａ）から明らかなように日平均給水量の等間隔のヒストグラムを求めても正規分布しないことが分かる。

これに対して、上記（１）式により変換した全国の各水道事業体の日平均給水量分布を上記同様にグラフ化すると図３（ｂ）に示すようになる。したがって、図３（ｂ）から明らかなように日平均給水量は正規分布し、この正規分布した日平均給水指標から平均値と分散値が得られることが分かる。

次にこのように全国の各水道事業体の日平均給水量を正規分布させた日平均給水指標から調査したい給水事業体の給水量規模が全国規模から見て何％にあるかを把握する装置について述べる。

図２に示すように、調査したい配水ブロックの日平均給水量データを演算部１４に入力し、この演算部１４にて日平均給水量を上記（１）式により変換して規模把握分析装置１５に入力する。この規模把握分析装置１５は、前述したディスク１３に保存されている日平均給水指標（平均値、分散値）が予め書き込まれた図示しない正規分布確率テーブルを備え、演算部１４にて変換された値が正規分布確率テーブルに書き込まれた平均値と分散値をもとに全国規模から見て何％にあるかを演算して出力する。

ここで、具体的な配水ブロックとして、図４に示すように配水ブロックＡ，Ｂを対象として上述した配水情報解析システムにより解析を行った結果を図５に示す。

前述した配水情報解析システムにより図４に示す配水ブロックＡ及び配水ブロックＢの日平均給水量を分析すると、図５に示すように配水ブロックＡ，Ｂの日平均給水量は正規分布し、横軸のように給水量を区分することで与えられた日平均給水量を全国の水道事業体と比較することができる。したがって、上記配水ブロックＡ，Ｂは１日の給水人口から見た場合、施設数が非常に多いところに位置しており、日本の水道事業の中で代表的な規模の施設であることが分かる。

このように本発明の第１の実施形態では、予め全国の水道統計による日平均給水量を（１）式の正規分布変換式により変換して正規分布したヒストグラムを求めておき、このヒストグラムから得られる平均値と分散値を用いて、分析対象となる配水ブロックの日平均給水量を分析することで、従来のように全国の水道統計と照合しなくても、その監視区域が全国の水道統計から見てどのくらいの給水規模の事業体に匹敵するかを簡単且つ容易に判断することができる。

図６は本発明による配水及び管路情報解析システムの第２の実施形態を示すブロック図である。

図６において、２１は図１に示す配水ブロック２の入口付近の浄水注入管３に取付けられた一つの流量計４と配水ブロック２内の適宜位置の配管に取付けられた一つの圧力計５によりそれぞれ計測された流量データ及び圧力データを一定周期、例えば０．８５秒周期で取り込むデータ収集部、２２はこのデータ収集部２１に収集された流量データ及び圧力データを計算処理に必要な周期、例えば５秒周期のデータに変換するデータ変換部である。

また、２３はデータ変換部２２により変換された流量データ及び圧力データを取込んで図示しないメモリに１日分のデータを格納し、このメモリに格納された１日分の流量データ及び圧力データの最も相関の強い時間誤差を選択して補正する１日分時間遅れ補正演算部である。この１日分時間遅れ補正演算部２３は流量計４及び圧力計５からそれぞれ送られてくる計測データに時間誤差があるため、これらの時間誤差を補正するものである。

さらに、２４は１日分時間遅れ補正演算部２３で補正された５秒周期の１日分の流量データ及び圧力データを順次取込んで詳細を後述するへーゼンウイリアムの変形式に基づいて演算し、最小二乗法を用いて１日毎の仮想管路総延長Ｌと流量補正係数αをパラメータとして求める近似式演算部、２５はこの近似式演算部２４により求められたパラメータを格納する管路状態把握データベース部である。

一方、２６はデータ変換部２２より５秒周期で流量データ及び圧力データを取込んで管路状態把握データベース２５に格納されているパラメータを用いてへーゼンウイリアムの近似式に基づいて圧力値を演算し、この圧力値と実測の圧力値との水頭差が所定値（例えば２．５ｍまたは３．３ｍ以上等、予め定めた値）以上変位しているとき異常値を検出するオンライン異常検出部である。

また、２７は管路状態把握データベース部２５に格納されている１日毎の仮想管路総延長Ｌと流量補正係数αの値を監視して管路状態を把握し、学習項目としてこのパラメータのポートフォリオをラベリングして管網をパターンに分ける学習機能を有する管路状態分析解析部である。

さらに、２８はオンライン異常検出部２６で検出された異常値やデータ変換部２２により変換された５秒周期の流量データ及び圧力データを表示するデータ表示装置である。

次に上記のように構成された配水及び管路情報解析システムの作用について述べる。

いま、データ収集部２１に例えば０．８５秒周期で一つの流量計４と一つの圧力計５によりそれぞれ計測された流量データ及び圧力データが取込まれると、これら流量データ及び圧力データは、データ変換部２２により例えば５秒周期のデータに変換されて１日分時間遅れ補正演算部２３に取込まれる。

この１日分時間遅れ補正演算部２３では、データ変換部２２より入力される１日分の流量データ及び圧力データを図示しないメモリに格納し、この１日分の流量データ及び圧力データに対して最も相関の強い時間誤差を選択して補正する。

この１日分の時間遅れを補正した５秒周期の流量データ及び圧力データが、近似式演算部２４に順次取込まれると、（２）式に示すへーゼンウイリアムの変形式に基づいて演算が実行され、最小二乗法を用いて１日毎の仮想管路総延長Ｌと流量補正係数αをパラメータとして求める。

Ｈ_loss＝10.67×Ｌ×Ｑ^1.85×α／（Ｃ^1.85×Ｄ^4.87） …… （２）
ここで、Ｈ_loss：損失水頭
Ｌ：仮想管路総延長（ｍ）
Ｑ：流量計の指示値
Ｃ：流速計数（ここでは110を設定）
Ｄ：管路口径（ここでは図３に示す流入管口径500［ｍｍ］を設定）
α：配水ブロックの流量補正係数
本来、へーゼンウイリアムの式は１本の管路の損失水頭を計算するための式であるが、これを管網について応用したものである。この場合、管網は１本の管路ではないため、同じ流量でも損失水頭が大きくなる場合があり、見かけ上の流量を増やすための係数αを新たに設けた式で近似している。

すなわち、へーゼンウイリアムの式を変形した式で近似することで、管路網の流量、圧力を１本の仮想的な管路で近似し、特性を比較することが可能となる。この場合、減圧がある管路では仮想的に流量を増大させないとロスを表現できないため、流量部分にαを設けた近似式とし、近似方法は同式と実測値の最小２乗誤差が最小となるパラメータを抽出している。

ここで、図７に示すように管網を１本の管路で表した場合の損失水頭は、
Ｈ_loss＝Ｒ×Ｑ^1.85×α
但し、Ｒ＝10.67×Ｌ／Ｃ^1.85×Ｄ^4.85
Ｌ：仮想管路延長、Ｃ：管路係数、Ｄ：管路口径
このようにして求められた１日毎の仮想管路総延長Ｌを上記式から得られるＲと流量補正係数αとをパラメータとして管路状態把握データベース２５に格納される。

次に配水ブロック２のオンラインによる異常状態の検知機能について述べる。

いま、オンライン異常検出部２６にデータ変換部２２より５秒周期で流量データ及び圧力データが取込まれると、管路状態把握データベース２５に格納されている例えば１日前のパラメータＲ,αと実測の流量データとをへーゼンウイリアムの近似式に与えて圧力値を演算し、この圧力値と実測の圧力値とをデータ表示装置２７に出力する。

図８はデータ表示装置２７に表示された配水ブロック２における１日分の流量と水頭のトレンドグラフのうち、ある時間帯（13:00〜13:30）の流入量と水頭の相関を拡大してグラフ化して示したものである。

図８において、流量は常に変化しており、この流量と水頭の関係を（２）式に示す近似式により圧力計算をした圧力は図示点線で示すような波形となり、また実測された圧力は図示実線で示すような波形となっている。

ここで、近似式に対して±２．５［ｍ］の上下限値が設定されているものとすれば、この上下限値を超える図中Ｃ，Ｄ部分が水頭の変化の異常値として捉えることで、流量変化の異常値を検出することができる。

次に配水ブロック２の状態変化検知機能について述べる。

管路状態分析解析部２７では、管路状態把握データベース２５に格納されている１日毎の仮想管路総延長Ｌと流量補正係数αの値を監視して管路状態を把握し、学習項目としてこのパラメータのポートフォリオをラベリングして管網をパターンに分ける学習機能を有している。

図９は水圧を適切に保つために設けられた減圧弁が正常に動作しているときのある期間の圧力、流量の計測データから求めた流量補正係数α、仮想管路総延長Ｌの相関グラフの一例を示している。

図９に示すように流量補正係数αは、1.57〜1.71の範囲で分布し、また管路総延長Ｌも45,000［ｍ］〜66,000［ｍ］の範囲で分布している。したがって、減圧弁が正常に動作しているときは、配水ブロック２の管路抵抗が増加するため、(２)式に示す近似式における管路総延長が増加し、且つ管路総延長の増加に伴って流量補正係数αも増加することが分かる。

また、図１０は減圧弁の不具合を改善した後のある期間の圧力、流量の計測データから求めた流量補正係数α、仮想管路総延長Ｌの相関グラフの一例を示している。

図１０に示すように流量補正係数αは0.97〜1.13の範囲で変化しており、また仮想管路延長Ｌ11,000［ｍ］〜16,8000[ｍ]の範囲で変化している。これは減圧弁の不具合が改善したために、減圧弁の２次側圧力が正常になったためで、結果として仮想管路総延長が短くなり、且つ流量補正係数αの値が１近傍で変化していることが分かる。

このように管路状態分析解析部２７により管路状態把握データベース２５に格納されている１日ごとの仮想管路総延長Ｌと流量補正係数αのパラメータを監視し、これらの値の変化傾向を推定することで、減圧弁の不具合から生じる配水ブロックの状態変化を捉えることが可能となる。

本発明による配水及び管路情報解析システムが適用される対象プロセスを示す模式図。本発明による配水及び管路情報解析システムの第１の実施形態を示すブロック図。（ａ），（ｂ）は全国の各水道事業体の件数に対する日平均給水量の関係を正規分布しない従来の場合と正規分布させた本発明の場合をそれぞれ示すグラフ。対象とした配水ブロックの具体例を示す図。同実施形態において、図４に示す配水ブロックを対象として配水情報解析システムにより解析を行った結果を示す図。本発明による配水及び管路情報解析システムの第２の実施形態を示すブロック図。管網を１本の管路で表した場合の流量損失について説明するための模式図。同実施形態において、オンライン異常検出部で処理されたある時間帯の流入量と水頭の相関を拡大して示すグラフ。同実施形態において、管路状態分析解析部で解析された結果の一例として流量補正係数αと仮想管路総延長Ｌとの相関グラフ。同実施形態において、管路状態分析解析部で解析された結果の一例として減圧弁の不具合を改善した後のある期間の圧力、流量の計測データから求めた流量補正係数αと仮想管路総延長Ｌとの相関グラフ。

符号の説明

１…配水池、２…配水管路網（配水ブロック）３…浄水注入管、４…流量計、５…圧力計、１０…配水及び管路情報解析システム、１１…データベース、１２，１４…演算部、１３ディスク、１５…規模把握分析装置、２１…データ収集部、２２…データ変換部、２３…１日分時間遅れ補正演算部、２４…近似式演算部、２５…管路状態把握データベース部、２６…オンライン異常検出部、２７…管路状態分析解析部、２８…データ表示装置

Claims

配水池から配水管路網に流入する浄水の流入量を計測する１つの流量計及び前記配水管路網内の適宜一か所の管路の圧力を計測する１つの圧力計より伝送される流量データ及び圧力データを一定周期で取込むデータ収集手段と、
前記データ収集手段により収集された１日分の流量データ及び圧力データを順次取込んで下記式に示すヘーゼンウイリアムの近似式に基づいて演算し、最小二乗法を用いて１日毎の仮想管路総延長と流量補正係数をパラメータとして求めて管路状態把握データベースに格納する近似式演算手段と、
Ｈ_loss＝10.67×Ｌ×Ｑ^1.85×α／（Ｃ^1.85×Ｄ^4.87）
但し、Ｈ_loss：損失水頭、Ｌ：仮想管路総延長（ｍ）、Ｑ：流量計の指示値、Ｃ：流速計数、Ｄ：管路口径（ｍｍ）、α：配水ブロックの流量補正係数
前記データ収集手段により一定周期で収集された流量データ及び圧力データを取込んで前記管路状態把握データベースに格納されているパラメータを用いて前記ヘーゼンウイリアムの近似式に基づいて圧力値を演算し、この圧力値と実測の圧力値との水頭差が所定値以上変位しているとき異常値を検出するオンライン異常検出手段と
を備えたことを特徴とする配水・管路情報解析システム。
請求項１に記載の配水・管路情報解析システムにおいて、
前記データ収集手段に収集された流量データ及び圧力データを取込んで１日分のデータを格納するメモリを有し、このメモリに格納された１日分の流量データ及び圧力データに対して最も相関の強い時間誤差を選択して補正し、この補正された１日分の流量データ及び圧力データを順次前記近似式演算手段に与える１日分時間遅れ補正演算手段を設けたことを特徴とする配水・管路情報解析システム。