JP5019197B2 - 配水情報管理装置 - Google Patents

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管路情報を解析し、その解析結果について水量と圧力との関係が把握し易い表現形式にて表示装置に表示する配水情報管理装置に関する。

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。

最近の配水監視システムでは、配水圧の適正化、さらに水需要や漏水量の把握等を目的として、配水管路網が整備されつつあり、必要な箇所で管路の流量と圧力を計測して配水ブロックの状態を監視している。

ところで、配水ブロックを適正管理するには、計測されたデータを効果的に活用し、状態変化を捉えることが有効であるが、現状では収集したデータを圧力や流量の上下限閾値による異常値検出、日報月報を作成するために用いられているのが一般的である。

このように従来の配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、配水管路網から収集した流量および圧力データに基づいて秒単位で変化する管路情報をへーゼンウイリアムズの近似式に基づいて解析し、その結果を表示装置に把握し易い表現形式に処理して表示させることにより、配水情報を適切に簡単且つ容易に管理することができる配水情報管理装置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情報管理装置を構成する。

請求項１に対応する発明は、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から１日分の流量データ及び圧力データを順次取得し、下記式に示すへーゼンウィリアムズの近似式に基づいて前記流量データによる流量計測値（Ｑ）、既知の流速係数（Ｃ）及び既知の管路口径（Ｄ）を使用して損失水頭（Ｈ _loss ）から換算される圧力値を演算し、前記圧力値と前記圧力データによる圧力計測値との差に関する最小二乗法の演算処理結果に基づいて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算出し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：流速係数、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を取得し、前記管路状態把握データベースから前記近似式演算手段により算出された前記パラメータを使用して前記へーゼンウイリアムズの近似式に基づいて損失水頭（Ｈ _loss ）から換算される圧力値を演算するオンライン圧力検出手段と、前記オンライン圧力検出手段により算出された圧力値と、前記データ収集手段により収集された流量データ及び圧力データとの相関関係を表示するデータ表示装置とを有し、前記データ表示装置は、前記オンライン圧力検出手段により入力される前記圧力値と実測の流量データ及び圧力データとの相関を、前記１つの流量計による流量計測値（Ｑ）と前記１つの圧力計からの圧力データ及び前記へーゼンウイリアムズの近似式に基づいて算出される圧力値に相当する水頭（Ｈ）との関係でＱＨカーブとして表現処理するＱＨカーブモード処理部と、前記ＱＨカーブモード処理部で処理された前記ＱＨカーブのグラフとして、配水管路網における流入量と水頭（Ｈ）との相関関係を表示する表示部とを備えている。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の配水情報管理装置において、前記データ表示装置は、前記ＱＨカーブモード処理部に加えて、前記オンライン圧力検出手段より入力される前記圧力値と実測の流量データ及び圧力データとの相関関係を、トレンドグラフとして表現処理するトレンドモード処理部と、前記ＱＨカーブモード処理部およびトレンドモード処理部のいずれかを選択して前記表示部に出力する切換手段とを備えている。

本発明によれば、配水ブロックから収集した代表的な流入量および圧力データに基づいて秒単位で変化する管路情報をへーゼンウイリアムズの近似式に基づいて解析し、その結果を表示装置により把握し易い表現形式に処理して表示するようにしたので、配水情報を適切に簡単且つ容易に管理することができる。

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情報監視装置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、配水情報管理装置１０に伝送される。

図２は本発明による配水情報管理装置の第１の実施形態を示すブロック図である。

図２において、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ィリアムズ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ィリアムズの近似式に基づいて圧力値を演算するオンライン圧力検出部である。

また、２７はオンライン圧力検出部２６で検出された近似式による圧力値とデータ変換部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との相関関係を表示するデータ表示装置である。

この表示装置２７は、オンライン圧力値検出部２６より入力される近似式による圧力値とデータ変換部２２より入力される実測の流量データ及び圧力データとの相関関係をトレンドグラフで表現するトレンドモード処理部２７ａと、近似式による圧力値と実測の流量データ及び圧力データをもとに流量（Ｑ）と水頭（Ｈ）との関係でＱＨカーブとして表現するＱＨカーブモード処理部２７ｂと、これらトレンドモード処理部２７ａおよびＱＨカーブモード処理部２７ｂのいずれかを選択して表示部２７ｃに出力する切換手段２７ｄとを備えている。

次に上記のように構成された配水情報管理装置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、（１）式に示すへーゼンウィリアムズ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） …… （１）
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：流速係数（ここでは110を設定）
Ｄ：管路口径（ここでは流入管口径500［ｍｍ］を設定）
α：配水ブロックの流量補正係数
本来、へーゼンウィリアムズの式は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、へーゼンウィリアムズ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、近似方法は同式で計算される圧力値と実測値である計測された圧力値との最小２乗誤差が最小となるパラメータ、即ち、仮想管路総延長（Ｌ）と流量補正係数（α）を抽出している。

ここで、図３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、下記式から算出される。
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：流速係数、Ｄ：管路口径
前記式（１）で示すへーゼンウィリアムズの近似式から求められた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算出して管路状態把握データベース２５に格納できる。

次に配水ブロック２のオンラインによる圧力検出部２６で検出された近似式による圧力値とデータ変換部２２より出力される実測の流量および圧力の相関関係を表示装置２７により表示させる手法について述べる。

いま、オンライン圧力検出部２６にデータ変換部２２より５秒周期で流量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ィリアムズの近似式に与えて圧力値を演算し、この近似式による圧力値とデータ変換部２２より出力される実測の流量および圧力値とがデータ表示装置２７に与えられる。

このデータ表示装置２７に近似式による圧力値と実測の流量および圧力値とが取込まれると、トレンドモード処理部２７ａでは図４に示すように縦軸を水頭と流量スケールとし、横軸を時間スケールとして近似式による圧力値と実測の流量値及び圧力値をトレンドしてグラフ化処理し、またＱＨカーブモード処理部２７ｂでは図５に示すように縦軸を水頭（Ｈ）スケールとし、横軸を流量（Ｑ）スケールとして近似式による圧力値をプロットしてＱＨカーブを描き、このＱＨカーブに対して実測の流量値に対応する圧力値をプロット処理する。

ここで、図４はデータ表示装置２７のトレンドモード処理部２７ａにより処理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表示部２７ｄに表示したものである。

図４に示すグラフから明らかなように、流量は常に変化しており、この流量と水頭の関係を（１）式に示す近似式により計算した圧力は図示細線で示すような波形となり、また実測された圧力は図示太線で示すような波形となっていることが分かる。

また、近似式による圧力に対して±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できることが分かる。

一方、図５はデータ表示装置２７のＱＨカーブモード処理部２７ｂにより処理された配水ブロック２における１日分の流量と水頭の相関をＱＨカーブのグラフとして図４と同様の条件で表示部２７ｄに表示したものである。

図５に示すグラフから明らかなように、図４に示すグラフの時間軸上に表現された５秒周期の流量データと水頭（圧力）データをＱＨカーブで表現することにより、配水ブロックの代表的な流量と圧力の関係を容易に把握できることが分かる。

また、配水ブロックの流入量と水頭の相関関係を（１）式で近似してプロットしたＱＨカーブに対して±２．５［ｍ］の上下限値が設定されているものとすれば、実際に計測した流量および圧力データが上下限設定値の範囲外のとき異常値であることが容易に分かる。

このように本実施形態では、データ表示装置２７のトレンドモード処理部２７ａ又はＱＨカーブモード処理部２７ｂで処理された配水ブロックの配水管理データをトレンドグラフ又はＱＨカーブの何れかを切換手段２７ｄにより選択して表示部２７ｃに表示するようにしたので、配水ブロックの代表的な水量と圧力の関係を把握することができる。

特にＱＨカーブによる表示は、配水ブロックの水量と圧力の関係が把握し易く、配水情報を適切に簡単且つ容易に管理することができる。

本発明による配水情報管理装置が適用される対象プロセスを示す模式図。 本発明による配水情報管理装置の第１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、データ表示装置のトレンドモード処理部で処理された配水ブロックにおける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、データ表示装置のＱＨカーブモード処理部により処理された配水ブロックにおけるある時間帯の流量と水頭の相関をＱＨカーブで示すグラフ。

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…配水情報管理装置、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…オンライン圧力検出部、２７…データ表示装置、２７ａ…トレンドモード処理部、２７ｂ…ＱＨカーブモード処理部、２７ｃ…表示部、２７ｄ…切換手段

Claims (2)

1. 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から１日分の流量データ及び圧力データを順次取得し、下記式に示すへーゼンウィリアムズの近似式に基づいて前記流量データによる流量計測値（Ｑ）、既知の流速係数（Ｃ）及び既知の管路口径（Ｄ）を使用して損失水頭（Ｈ _loss ）から換算される圧力値を演算し、前記圧力値と前記圧力データによる圧力計測値との差に関する最小二乗法の演算処理結果に基づいて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算出し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：流速係数、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を取得し、前記管路状態把握データベースから前記近似式演算手段により算出された前記パラメータを使用して前記へーゼンウイリアムズの近似式に基づいて損失水頭（Ｈ _loss ）から換算される圧力値を演算するオンライン圧力検出手段と、
   前記オンライン圧力検出手段により算出された圧力値と、前記データ収集手段により収集された流量データ及び圧力データとの相関関係を表示するデータ表示装置とを有し、
   前記データ表示装置は、
   前記オンライン圧力検出手段により入力される前記圧力値と実測の流量データ及び圧力データとの相関を、前記１つの流量計による流量計測値（Ｑ）と前記１つの圧力計からの圧力データ及び前記へーゼンウイリアムズの近似式に基づいて算出される圧力値に相当する水頭（Ｈ）との関係でＱＨカーブとして表現処理するＱＨカーブモード処理部と、
   前記ＱＨカーブモード処理部で処理された前記ＱＨカーブのグラフとして、配水管路網における流入量と水頭（Ｈ）との相関関係を表示する表示部とを備えたことを特徴とする配水情報管理装置。
2. 請求項１記載の配水情報管理装置において、
   前記データ表示装置は、
   前記ＱＨカーブモード処理部に加えて、前記オンライン圧力検出手段より入力される前記圧力値と実測の流量データ及び圧力データとの相関関係を、トレンドグラフとして表現処理するトレンドモード処理部と、
   前記ＱＨカーブモード処理部およびトレンドモード処理部のいずれかを選択して前記表示部に出力する切換手段とを備えたことを特徴とする配水情報管理装置。

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