JP6018970B2 - 配水制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、配水制御装置及びその方法に関する。

配水池からの水を需要家に輸送する配水管網内では、需要変動に伴って流量が変化し、圧力も絶えず変化する。需要家の快適な水使用のためには適正な末端圧力となるよう配水を行う必要があり、そのためには、管網内各点の圧力、流量の状態を的確に把握する管網解析計算や、その状態をもとに管網内が適正な圧力に保たれるようポンプやバルブ等の配水機器を制御する配水制御などが重要となる。精度のよい管網解析計算やそれに基づく配水制御のためには、管網解析計算への入力情報である管網上の水需要分布を正確に把握できることが必要不可欠となる。

特許文献１に記載の技術では、配水管網を複数のエリアに分割し、エリア単位で一律に水需要分布を増加または減少させ、管網解析計算による圧力、流量の計算値と計測値との誤差が最小になるように水需要分布の補正し、配水制御を行うことが記載されている。

特開平９−２１７９００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、同一エリア内で同一の補正を行うため、エリア内の全ての需要点で水需要のピーク時刻が一致するなど類似した需要パターンとなる。そのため、特許文献１に記載の技術では、水需要を正確に推定することができず、各需要点での正確な需要推定に基づく適切な配水制御をすることが困難である。

上記課題を解決するため、本発明では、配水池から配水管網を経て水が供給される需要家の施設情報を記憶する需要家情報記憶部と、需要家の施設情報を取得する需要家情報取得部と、配水管網上に設置された流量計または圧力計の計測データを取得する計測データ取得部と、分割された複数のエリアごとに取得した施設情報と、計測データとに基づいて、施設特性要素別に需要パターンを算出する需要パターン算出部と、需要パターンと、複数の需要家を集約した需要点における施設情報とに基づいて、需要点における需要量を推定する需要量推定部と、推定された各需要点における需要量に基づいて配水制御をする制御部と、を備える。

本発明によれば、各需要点での正確な需要量推定に基づき、適切に配水制御をすることが可能となる。

配水制御システムの全体構成の概略図。 流量計の適切な設置場所を計画する処理を示すフローチャート。 配水管網を流量計のない管路によって接続された需要点の集合からなるエリアに分割する処理を示すフローチャート。 配水管網が上記エリアに分割された状況を示す一例。 需要家の施設特性別の需要パターンを作成する処理を示すフローチャート。 作成された需要家の施設特性別の需要パターンの一例。 管路流速係数の推定を行う処理を示すフローチャート。 配水機器（ポンプ、バルブ）の制御を行う処理を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態に本発明が限定されることはない。

図１に、配水制御管理装置１０１と、ポンプ１３１やバルブ１３２等の配水機器、圧力計１３６や流量計１３７等の計測器、ネットワーク１３８からなる配水制御システムの全体構成の概略図を示す。配水池１３０の水はポンプ１３１またはバルブ１３２などの配水機器によって配水管網１３３を経て需要家まで配水される。配水管網１３３は、管路１３４および需要点１３５から構成される。ここで、需要点１３５は、複数の需要家を集約した代表点とする。配水管網１３３上には、いくつかの需要点１３５の圧力を計測する圧力計１３６と、いくつかの管路流量を計測する流量計１３７が設置されている。ポンプ１３１、バルブ１３２にも圧力計１３６、流量計１３７が設置されており（図示なし）、配水池１３０から配水管網１３３への水供給量と供給圧力を計測している。配水制御管理装置１０１は、ネットワーク１３８を介してポンプ１３１、バルブ１３２、圧力計１３６、流量計１３７と相互に接続されている。

配水制御管理装置１０１は、配水管網１３３から計測データを収集し、配水管網１３３上の各需要点１３５における需要分布を推定し、需要点１３５を構成する需要家に対して適正な圧力で配水を行うようポンプ１３１、バルブ１３２の制御を行う。また、配水制御管理装置１０１は、ＣＰＵ１０２、メモリ１０３、入力装置１０４、表示装置１０５、ハードディスク１０６、システムバス１０７などを備えている。ＣＰＵ１０２は、配水制御管理装置１０１全体の動作を制御し、ハードディスク１０６内の各種プログラムに従って所定の処理を実行する中央演算処理装置である。メモリ１０３は、各種プログラムや各種データをロードする記憶装置である。入力装置１０４は、各種テーブルへの登録情報や各種プログラムの実行に必要となる情報を入力するための装置であり、例えばキーボード、マウス、CD/DVDドライブ装置等である。表示装置１０５は、各種テーブルの登録情報や各種プログラムの実行結果などを表示するための装置であり、例えばディスプレイ装置である。ハードディスク１０６は、各種プログラム１１０〜１１７、および各種テーブル１２０〜１２３を磁気ディスクに格納する記録装置である。システムバス１０６は、各種装置間の制御情報、各種データなどの授受を媒介する経路である。

入力データ登録プログラム１１０は、需要家に関する情報や配水管網に関する情報を所定のテーブルに登録して管理するプログラムである。流量計設置場所計画プログラム１１１は、配水管網１３３上の流量計１３７の適切な設置場所を計画するプログラムである。データ計測プログラム１１２は、圧力計１３６、流量計１３７より計測した圧力値、流量値を取得し、所定のテーブルに登録して管理するプログラムである。需要パターン作成プログラム１１３は、配水管網１３３上の需要分布推定に必要となる需要家の施設特性別の需要パターンを作成するプログラムである。需要推定プログラム１１４は、配水管網１３３上の需要分布（需要点１３５別における各時間帯毎の需要量）を推定するプログラムである。管網解析計算プログラム１１５は、上記推定された需要分布を入力情報として配水管網１３３の管網解析計算を行うプログラムである。管路流速係数推定プログラム１１６は、管網解析計算に必要となる配水管網１３３の管網モデルのパラメータである管路流速係数を推定するプログラムである。配水機器制御プログラム１１７は、各需要点１３５の圧力が適正圧力となるようにポンプ１３１の回転数やバルブ１３２の開度を決定し制御を行うプログラムである。

需要家情報管理テーブル１２０は、需要家別の施設特性情報や水使用量の検針データなどの需要家に関する情報を管理するテーブルである。管網情報管理テーブル１２１は、管路１３４、需要点１３５などの配水管網１３３に関する情報を管理するテーブルである。上記の配水管網１３３に関する情報は、管網解析計算に必要となる情報である。計測データ管理テーブル１２２は、圧力計１３６、流量計１３７より計測した時刻別の圧力値、流量値を管理するテーブルである。需要パターン管理テーブル１２３は、配水管網１３３上の需要分布推定に必要となる需要家の施設特性別の需要パターンを管理するテーブルである。

さて本発明の実施の形態では、配水制御管理装置１０１において、ハードディスク１０６内の各種プログラム１１０〜１１７がＣＰＵ１０１によって実行されることにより、以下の（１）〜（９）の各種処理が実現され、需要家の施設特性を考慮した正確な水需要の推定とそれに基づく管網解析や配水機器制御ができるようになる。

（１）需要家に関する情報の登録。
（２）配水管網に関する情報の登録。
（３）流量計の適切な設置場所の計画（図２〜４で詳細説明）。
（４）圧力、流量の計測値の収集。
（５）需要家の施設特性別の需要パターンの作成（図５で詳細説明）。
（６）配水管網上の需要分布の推定。
（７）管網解析計算に基づく配水管網上の圧力、流量分布の推定。
（８）管路流速係数の推定（管網モデルキャリブレーションに関する。図７で詳細説明）。
（９）配水圧を適正化する配水機器の制御（図８で詳細説明）。

以下、処理（１）〜（９）の実現方法について、図２〜８を用いて説明する。
はじめに、配水制御管理装置１０１における、需要家に関する情報の登録を行う処理（１）について説明する。配水制御管理装置１０１の管理者は、入力装置１０４より、各需要家に関する情報として、需要家名、住所、需要家の施設特性情報、水道利用者数（住宅の場合は家族人員数、他の施設の場合は水道を使用する可能性のある施設利用者数）、および定期的に行われる水使用量の検針データと水使用期間などを入力する。ここで、需要家の施設特性情報とは、住宅、商業施設、工場、事業所、飲食店などの業種情報のことであるが、地域の事情に合わせて独自の施設特性情報を追加してもよい。また上記水道利用者数と組合せて、住宅（家族３人以下）、住宅（家族４人以上）などのように施設特性情報をさらに細分化して、入力してもよい。本実施例では、施設特性が、住宅、商業施設、工場、事業所の４種類であるとする。そして配水制御管理装置１０１の入力データ登録プログラム１１０では、入力された需要家のエントリごとに、入力情報を需要家情報管理テーブル１２０に登録する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の入力データ登録プログラム１１０によって、需要家に関する情報の登録処理が行われる。

次に、配水制御管理装置１０１における、配水管網に関する情報の登録を行う処理（２）について説明する。配水制御管理装置１０１の管理者は、入力装置１０４より、配水管網１３３に関する情報として、管路１３４の識別情報、管路長、管路径、流速係数、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、流量計の有無情報、および需要点１３５の識別情報、位置情報、標高、圧力計の有無情報などを入力する。そして配水制御管理装置１０１の入力データ登録プログラム１１０では、入力された管路および需要点のエントリごとに、管網情報管理テーブル１２１に登録する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の入力データ登録プログラム１１０によって、配水管網に関する情報の登録処理が行われる。

次に、配水制御管理装置１０１における、流量計の適切な設置場所の計画を行う処理（３）について、図２〜図４を用いて説明する。これは、後述する需要家の施設特性別の需要パターンを作成可能とするため、配水管網１３３を水供給量算出可能な複数のエリアに分割するよう流量計１３７の適切な設置場所を計画するものである。処理（３）は、需要家の施設特性別の需要パターンの作成をはじめて行う場合や、管路構造が変化した場合（管路１３４の追加、削除、管路長・管路径の異なる管路への交換）などに実行する。図２は、流量計の適切な設置場所を計画する処理を示すフローチャートである。図３は、配水管網を流量計のない管路によって接続された需要点の集合からなるエリアに分割する処理を示すフローチャートである。図４は、配水管網が上記エリアに分割された状況を示す一例である。

ステップＳ２０１において、配水制御管理装置１０１の流量計設置場所計画プログラム１１１は、管網情報管理テーブル１２１より、配水管網１３３を構成する管路１３４の識別情報、管路径、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、流量計の有無、および需要点１３５の識別情報を取得する。そして流量計設置場所計画プログラム１１１は、流量計１３７の新規設置数ＮにＮ＝０を設定する。

ここで、流量計設置場所を計画するためには、少なくとも流量計１３７の新規設置数Ｎ＝１にする必要があるが、すでに設置済みの流量計１３７によって配水管網１３３が水供給量算出可能な複数のエリアに分割できているのであれば、流量計を新たに設置する必要はない。よって本処理（３）では、流量計１３７の設置場所を計画する前に、既存の流量計１３７によって配水管網１３３を水供給量算出可能な複数のエリアに分割可能であるかどうかの確認を行うようにする。上記の処理を１つのアルゴリズムで実行できるようにするため、本処理（３）では、Ｎ＝０（既存の流量計のみ）の場合からスタートして、徐々にＮの数を増やしていく（新規に流量計を設置）ものとする。

ステップＳ２０２において、Ｎ＝０のとき、本ステップＳ２０２は実行せずステップＳ２０３に進む。Ｎ≧１のとき、流量計設置場所計画プログラム１１１は、ＧＡ（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ、遺伝的アルゴリズム）を用いて、流量計１３７がまだ設置されていない管路１３４の中から、新たに流量計１３７を設置すべきＮ個の管路１３４を選定することにより流量計設置場所計画案を作成（または修正）する。

ステップＳ２０３において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、配水管網１３３を流量計１３７のない管路１３４によって接続された需要点１３５の集合からなるエリア（エリア境界部分に設置された流量計１３７によってエリア内への水供給量を算出可能となるエリア）に分割する。この処理の流れを、図３および図４を用いて説明する。

ステップＳ３０１において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、需要点１３５の１つを探索のスタート点として設定する。

ステップＳ３０２において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、スタート点から流量計のない管路１３４を介して接続されている全ての需要点１３５を探索し、同一エリアとして識別する。

ステップＳ３０３において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、上記識別されたどのエリアにも含まれない需要点１３５が存在するかどうか（全ての需要点１３５が上記識別済みのエリアのいずれかに含まれているかどうか）の確認を行う。存在する場合はステップＳ３０４に進み、存在しない場合は全ての需要点のエリア分割が完了したとみなして処理を終了する。

ステップＳ３０４において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、上記識別されたどのエリアにも含まれない需要点１３５の１つをを探索のスタート点として設定し、ステップＳ３０２に進む。

図４の例では、例えば、はじめに需要点１がスタート点として設定される。そして流量計のない管路１３４によって接続された全ての需要点２、５、６が探索され、需要点１、２、５、６が１つのエリア４０１として識別される。次に識別済みのエリア（需要点１、２、５、６）に含まれない需要点３がスタート点として設定される。そして流量計のない管路１３４によって接続された全ての需要点４、７、８、１１が探索され、需要点３、４、７、８、１１が１つのエリア４０１として識別される。以下、ステップ３０２〜３０４を繰り返し、配水管網１３３は以下の需要点からなる４つのエリア４０１に分割される。
・需要点１、２、５、６からなるエリア
・需要点３、４、７、８、１１からなるエリア
・需要点９、１０、１３、１４からなるエリア
・需要点１２、１５、１６からなるエリア
分割されたエリアは、その境界となる管路に流量計１３７が設置されているため（配水池からの水供給量も流量計によって計測可能）、時刻別の水供給量を算出可能となる。

流量計の適切な設置場所の計画を行う処理（２）の説明に戻る。

ステップＳ２０４において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、分割されたエリア数が、需要家の施設特性数（本実施例では４種類としている）以上であるかどうかの確認を行う。エリア数が施設特性数以上であればステップＳ２０５に進み、そうでなければステップＳ２０９に進む。後述する需要家の施設特性別の需要パターンを作成のためには、水供給量を算出可能なエリア数が、少なくとも需要家の施設特性数以上必要であり、エリア数が足りない場合は、ステップＳ２０９以降において流量計設置場所計画案の見直しを行うものである。

ステップＳ２０５において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、需要家情報管理テーブル１２１より、それぞれの需要点１３５を構成する全ての需要家の件数とその施設特性情報（住宅、商業施設、工場、事業所）を取得する。そして流量計設置場所計画プログラム１１１は、各エリアの需要家の件数と、需要家の施設特性別の構成比率を算出する。上記構成比率は、例えば、住宅：商業施設：工場：事業所＝１：２：３：４などである。

ステップＳ２０６において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、ステップＳ２０５において算出した各エリアに十分な件数の需要家が含まれているかどうか、すなわち各エリアの需要家件数が所定の件数以上であるかどうかの確認を行う。所定の件数として、例えば、全需要家件数÷エリア数×８０％などの値を設定する。全てのエリアの需要家件数が所定件数以上であればステップＳ２０７に進み、そうでなければステップＳ２０９に進む。後述する需要家の施設特性別の需要パターンを高精度で作成するためには、水供給量を算出可能な各エリアに十分な件数の需要家が含まれている必要があり、需要家件数が十分でない場合は、ステップＳ２０９以降において流量計設置場所計画案の見直しを行うものである。

ステップＳ２０７において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、ステップＳ２０５において算出した各エリアの需要家の施設特性別の構成比率が十分異なっているかどうか、すなわち各エリアの上記構成比率からなる各ベクトルの線形独立性を示す指標値が所定値以上であるかどうかの確認を行う。上記線形独立性を示す指標として、例えば、上記各ベクトルからなる行列の最小特異値を用いるものとし（最小特異値が０に近いほど線形従属性が高く、０より大きいほど線形独立性が高い）、上記所定値は、例えば０．１として設定する。行列の最小特異値を求める方法は公知であり、一般的な行列計算ソフトウェアによって算出可能であるため、本実施形態では特に説明を行わない。上記線形独立性を示す指標が所定値以上であればステップＳ２０８に進み、そうでなければステップＳ２０９に進む。後述する需要家の施設特性別の需要パターンを高精度で作成するためには、水供給量を算出可能な各エリアの需要家の施設特性別の構成比率が十分異なっている必要があり、上記構成比率が十分異なっていない場合は、ステップＳ２０９以降において流量計設置場所計画案の見直しを行うものである。

ステップＳ２０８において、Ｎ＝０のとき、本ステップＳ２０８は実行せずステップＳ２１０に進む。Ｎ≧１のとき、流量計設置場所計画プログラム１１１は、管網情報管理テーブル１２１より、ステップＳ２０２において作成した新たに流量計１３７を設置すべきＮ個の管路１３７の管路径を取得し、管路径に応じた流量計価格と工事費から新規流量計１３７の設置コストを計算する（一般に管路径が大きいほど流量計の価格と工事費は高くなる）。そして流量計設置場所計画プログラム１１１は、上記流量計設置コストをマイナス倍した値と、ステップＳ２０６において算出した各エリア内の最小の需要家件数と、ステップＳ２０７において算出した各エリアの需要家の施設特性別構成比率からなる各ベクトルの線形独立性を示す指標値（上記各ベクトルからなる行列の最小特異値）の加重平均をとった目的関数の値を計算し、目的関数値が収束したかどうかの判定を行う。上記目的関数値が最大値に収束していればステップＳ２１０に進み、そうでなければステップＳ２０９に進む。上記目的関数の値が大きいほど、上記流量計設置場所計画案に基づいて流量計設置を行った際の流量計設置コストが安くなり、また各エリアに十分な件数の需要家が含まれ、かつ各エリアの需要家の施設特性別の構成比率が十分異なるようになるため、後述するように、より高精度な需要家施設特性別の需要パターンが作成できるようになる。 ステップＳ２０９において、Ｎ＝０のとき、本ステップＳ２０９は実行せずステップＳ２１１に進む。Ｎ≧１のとき、流量計設置場所計画プログラム１１１は、新規流量計設置数ＮのときのステップＳ２０２における上記ＧＡによる流量計設置場所計画案の作成回数が十分大きな所定回数以上であるかどうか、例えば１万回以上であるかどうかの確認を行う。上記計画案作成回数が所定回数以上であればステップＳ２１１に進む。そうでなければステップＳ２０２に進み、新規流量計設置数Ｎの値を変更しないままで、ＧＡを用いて新たな流量計設置場所計画案の作成を行う。

ステップＳ２１０において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、配水制御管理装置１０１の管理者に対して、図４に示すようにビジュアルな形で、作成された流量計設置場所計画案を表示装置１０５に表示する。管理者は上記流量計設置場所計画案を確認、評価し、適切であれば流量計設置場所計画案が確定となり、処理を終了する。不適であればステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１１において、流量計設置場所計画プログラム１１１は、流量計１３７の新規設置数Ｎを１つ加算してステップＳ２０２に進み、新たな新規流量計設置数Ｎのもとで、ＧＡを用いて流量計設置場所計画案の作成を行う。ここで、ステップＳ２０９から本ステップＳ２１１に処理が進んできた場合は、新規流量計設置数Ｎでは十分な回数の流量計設置場所計画案の作成を行っても適切な案が得られなかったため、Ｎの数を増やして新たに流量計設置場所計画案を作成することを意味する。ステップ２１０から本ステップＳ２１１に処理が進んできた場合は、新規流量計設置数Ｎでは最適な流量計設置場所計画案でも配水制御管理装置１０１の管理者の承認を得られなかったため、Ｎの数を増やして新たに流量計設置場所計画案を作成することを意味する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の流量計設置場所計画プログラム１１１によって、流量計の適切な設置場所の計画処理が行われる。

そして配水制御管理装置１０１の管理者は、上記確定した流量計設置場所計画案に従って管路１３４上に流量計の設置を行う。また上記分割された各エリア内に圧力計１３６が設置されていない場合は、各エリア内の任意の地点（需要点）に圧力計の設置を行う。そして上記管理者は、入力装置１０４より、新たに流量計を設置した管路１３４の識別情報と、新たに圧力計を設置した需要点１３５の識別情報を入力する。配水制御管理装置１０１の入力データ登録プログラム１１０では、上記入力された管路１３４の流量計有無情報を「有」に更新し、上記入力された需要点１３５の圧力計有無情報を「有」に更新する。

次に、配水制御管理装置１０１における、圧力、流量の計測値の収集を行う処理（４）について説明する。配水制御管理装置１０１のデータ計測プログラム１１２では、所定周期ごとに（例えば５分周期など）、ネットワーク１３８を介して各圧力計１３６、各流量計１３７、ポンプ１３３、バルブ１３４より流量、圧力の計測値の収集を行い、上記計測値を計測データ管理テーブル１２２に登録する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１のデータ計測プログラム１１２によって、圧力、流量の計測値の収集処理が行われる。

次に、配水制御管理装置１０１における、需要家の施設特性別の需要パターンの作成を行う処理（５）について、図５、図６を用いて説明する。処理（５）は、需要家の施設特性別の需要パターンの作成をはじめて行う場合や、需要分布の推定精度が悪くなってきた場合などに実行する。図５は、需要家の施設特性別の需要パターンを作成する処理を示すフローチャートである。図６は、作成された需要家の施設特性別の需要パターンの一例である。

ステップＳ５０１において、配水制御管理装置１０１の需要パターン作成プログラム１１３は、管網情報管理テーブル１２１より、配水管網１３３を構成する管路１３４の識別情報、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、流量計の有無、および需要点１３５の識別情報を取得する。そして、上記流量計の適切な設置場所の計画を行う処理（３）において説明したように、図３に示すフローチャートに従って、配水管網１３３を水供給量算出可能な複数のエリアに分割する。そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記分割されたエリアに関する情報として、エリア識別情報、およびエリア内の需要点、流量計、圧力計の識別情報を需要パターン管理テーブル１２３に登録する。

ステップＳ５０２において、需要パターン作成プログラム１１３は、需要家情報管理テーブル１２０より、各需要家の最新の水使用量の検針値とその水使用期間を取得する。このとき各需要家の水使用期間が一致していない場合、需要パターン作成プログラム１１３は、同一の水使用期間となるよう水使用量検針値の補正を行う。例えば、４月２日から５月３１日までの６０日間の水使用量Ａを４月１日から５月３１日までの６１日間の水使用量Ｂに補正する場合、前回の検針期間２月２日から４月１日までの５９日間の水使用量Ｃであったとすると、Ｂ＝Ａ＋Ｃ／５９で計算する。そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記各エリア内に含まれる全ての需要家の水使用量の検針値を合計して、エリア別の所定期間（上記同一の水使用期間）Ｔにおけるトータル需要量を算出する。

そして需要パターン作成プログラム１１３は、計測データ管理テーブル１２２より、上記所定期間Ｔにおける所定周期ごとの所定管路上の流量計測値を取得する。そして上記各エリアにおける上記所定期間の流量収支（流入量−流出量の合計）を計算し、エリア別の上記所定期間Ｔのトータル水供給量を算出する。そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記水供給量から上記需要量を減じることにより、エリア別の上記所定期間Ｔの漏水量を算出する。

ステップＳ５０３において、需要パターン作成プログラム１１３は、計測データ管理テーブル１２２より、上記所定期間Ｔにおける所定周期ごとの所定需要点上の圧力計測値を取得する。そして上記各エリア内のいずれかの圧力計測値を用いて、上記所定期間Ｔにおけるエリア別、時刻別の代表圧力を算出する。

そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記エリア別、時刻別の代表圧力に基づき、上記所定期間Ｔにおけるエリア別、時刻別の漏水量を算出する。時刻ｔ（所定期間Ｔ内の時刻）における所定エリアＡの漏水量Ｌ（ｔ）は、エリア放出係数ｃ（Ａ）と時刻ｔにおけるエリア代表圧力Ｐ（ｔ）を用いて、以下の近似式で表すことができる。

Ｌ（ｔ）＝ｃ（Ａ）×Ｐ（ｔ）＾ｋ …（式１）
ここでｋは０．５〜２．８の値をとる定数であり、本実施形態ではｋ＝０．５とする。
上記近似式（式１）の両辺の上記所定期間における総和をとると、以下のようになる。

ΣＬ（ｔ）＝ｃ（Ａ）×ΣＰ（ｔ）＾ｋ …（式２）
上記（式２）の右辺、すなわち上記所定期間ＴのエリアＡの漏水量はステップＳ５０２において算出されており、上記（式２）の左辺内のエリアＡの代表圧力Ｐ（ｔ）も算出されているため、上記（式２）を解いて、上記所定エリアＡのエリア放出係数ｃ（Ａ）を算出する。そしてｃ（Ａ）を上記（式１）に代入して解くことにより、上記所定期間Ｔにおけるエリア別、時刻別の漏水量Ｌ（ｔ）を算出する。そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記算出された上記エリア別のエリア放出係数を需要パターン管理テーブル１２３に登録する。

ステップＳ５０４において、需要パターン作成プログラム１１３は、需要家情報管理テーブル１２０より、各需要家の施設特性情報（住宅、商業施設、工場、事業所の４種類）を取得し、上記施設特性別に需要家の件数をカウントして、各エリアにおける需要家施設特性別の需要家件数を算出する。そして需要パターン作成プログラム１１３は、計測データ管理テーブル１２２より、上記所定期間Ｔにおける所定周期ごとの所定管路上の流量計測値を取得する。そして上記各エリアにおける各時刻ごとの流量収支（流入量−流出量）を計算し、所定期間Ｔにおけるエリア別、時刻別の水供給量を算出する。

ここで、所定エリアＡに関する変数を以下のように定義すると、エリアＡにおいて以下の（式３）が成り立つ。
ｔ：所定期間Ｔ内の時刻
Ｆ（ｔ）：時刻ｔにおけるエリアＡの水供給量（既知）
Ｌ（ｔ）：時刻ｔにおけるエリアＡの漏水量（既知）
α（Ａ，ｉ）：エリアＡにおける需要家施設特性ｉの需要家件数（既知）
Ｚ（ｉ，ｔ）：時刻ｔにおける需要家施設特性ｉの需要家１件あたりの需要量（未知）
（ｉ＝１、２、３、４のときの施設特性は、それぞれ住宅、商業施設、工場、事業所である）
Ｆ（ｔ）−Ｌ（ｔ）＝Σα（Ａ，ｉ）×Ｚ（ｉ，ｔ） （Σはｉに関する総和）…（式３）
ある時刻ｔにおいて、（式３）における未知変数はＺ（ｉ，ｔ）（ｉ＝１，２，３，４）の４つである。上記エリア数は需要家施設特性数（４つ）以上となるようにエリア分割されているため、各エリアにおいて成り立つ（式３）の数は４つ以上となる。また各エリアの需要家の施設特性別の構成比率が異なっているため、上記各エリアにおいて成り立つ連立方程式（式３）は不定または不能とならず求解可能となる。需要パターン作成プログラム１１３は、上記連立方程式を解いて、上記所定期間Ｔにおける需要家施設特性別、時刻別の需要家１件あたりの需要量を算出する。上記連立方程式において、未知変数の数より式の数の方が多い場合は、最小２乗法などにより計算誤差を最小化するように解を決定すればよい。

ステップＳ５０５において、需要パターン作成プログラム１１３は、上記算出した上記所定期間Ｔにおける需要家施設特性別、時刻別の需要家１件あたりの需要量について、毎日の時刻別の平均をとり、需要家施設特性別の１日の時刻別需要量（需要パターン）を作成する。このとき、例えば平日・休日別に平均をとって、平日・休日別の需要パターンを作成してもかまわない。そして需要パターン作成プログラム１１３は、上記作成された需要家施設特性別の需要パターンを需要パターン管理テーブル１２３に登録する。ここで図６に、作成された需要家施設特性別の需要パターンの一例を示しておく。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の需要パターン作成プログラム１１３によって、需要家の施設特性別の需要パターンの作成処理が行われる。

すなわち、需要家情報取得部が分割された複数のエリアごとに取得した施設情報と、計測データとに基づいて、施設特性要素別に需要パターンを算出する。

次に、配水制御管理装置１０１における、配水管網上の需要分布の推定を行う処理（６）について説明する。配水管網１３３の管網解析計算の入力データとしてその需要分布の推定値が必要となるため、処理（６）は、管網解析計算を行う際などに実行する。配水制御管理装置１０１の需要推定プログラム１１４は、需要家情報管理テーブル１２０より、各需要家の施設特性情報を取得し、上記施設特性別に需要家の件数をカウントして、各需要点１３５における需要家施設特性別の需要家件数を算出する。そして需要推定プログラム１１４は、需要パターン管理テーブル１２３より需要家施設特性別の需要家１件あたりの需要パターンを取得する。ここで、所定の需要点Ｂに関する変数を以下のように定義すると、需要点Ｂにおいて以下の（式４）が成り立つ。
Ｄ（Ｂ，ｔ）：時刻ｔにおける需要点Ｂの需要量（未知）
β（Ｂ，ｉ）：需要点Ｂにおける需要家施設特性ｉの需要家件数（既知）
Ｚ（ｉ，ｔ）：時刻ｔにおける需要家施設特性ｉの需要家１件あたりの需要量（需要パターン、既知）
（ｉ＝１、２、３、４のときの施設特性は、それぞれ住宅、商業施設、工場、事業所である）
Ｄ（Ｂ，ｔ）＝Σβ（Ｂ，ｉ）×Ｚ（ｉ，ｔ） （Σはｉに関する総和）…（式４）
需要推定プログラム１１４は、全ての需要点１３５について上記（式４）を計算して、配水管網１３３上の時刻別の需要分布を算出する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の需要推定プログラム１１４によって、配水管網上の需要分布の推定処理が行われる。

すなわち、需要量推定部が、需要パターンと、複数の需要家を集約した需要点における施設情報とに基づいて、需要点における需要分布（需要量）を推定する。

次に、配水制御管理装置１０１における、管網解析計算に基づく配水管網上の圧力、流量分布の推定を行う処理（７）について説明する。処理（７）は、配水管網１３３上の圧力分布、流量分布を把握したい場合などに実行する。管網解析計算とは、管路１３４の識別情報、管路長、管路径、流速係数（管路の材質や経年によって変化する）、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、および需要点１３５の識別情報、位置情報、標高等の管網モデル情報より導出される需要点での流量収支式、および管路での圧力平衡式を連立して解くことによって管網上の圧力、流量分布を求めるものである。管網解析計算を行うアルゴリズムは公知であり、例えばアメリカ合衆国環境保護庁が開発したＥＰＡＮＥＴなどの管網解析計算ツールがフリーで公開されているため、本実施形態では詳細な説明を省略する。管網解析計算プログラム１１５は、上記管網モデル情報、および与えられた配水地点（ポンプ１３１、バルブ１３２）における流量値、圧力値、配水管網１３３上の需要分布等の境界条件に基づいて管網解析計算を行い、配水管網１３３上の圧力分布および流量分布を算出する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の管網解析計算プログラム１１５によって、管網解析計算に基づく配水管網上の圧力、流量分布の推定処理が行われる。

次に、配水制御管理装置１０１における、管路流速係数の推定を行う処理（８）について、図７を用いて説明する。処理（８）は、管路１３４の管路抵抗係数の推定をはじめて行う場合や、管路構造が変化した場合（管路１３４の追加、削除、管路長・管路径の異なる管路への交換）などに実行する。図７は、管路流速係数の推定を行う処理を示すフローチャートである。

ステップＳ７０１において、配水制御管理装置１０１の管路流速係数推定プログラム１１６は、需要推定プログラム１１４を呼び出して実行し、過去の所定時刻における配水管網１３３上の各需要点１３５の需要量（需要分布）を推定する。

ステップＳ７０２において、管路流速係数推定プログラム１１６は、需要パターン管理テーブル１２３より、最新の上記分割されたエリアのエリア識別情報、およびエリア内の需要点、流量計、圧力計の識別情報、およびエリア別のエリア放出係数を取得する。そして計測データ管理テーブル１２２より、上記所定時刻における各エリア内の所定需要点上の圧力計測値をエリア別の代表圧力として取得する。そして管路流速係数推定プログラム１１６は、（式１）に基づいてエリア別の上記所定時刻における漏水量を算出する。

ステップＳ７０３において、管路流速係数推定プログラム１１６は、ステップＳ７０１にて推定した各需要点１３５の需要量に対して、ステップＳ７０２にて算出したエリア別の漏水量を上記需要量に応じてエリア内の各需要点に比例配分するようにして、上記所定時刻における各需要点１３５の漏水を含めた需要量（需要分布）を推定する。

ステップＳ７０４において、管路流速係数推定プログラム１１６は、管網情報管理テーブル１２１より、配水管網１３３上の管路１３４の識別情報、管路長、管路径、流速係数（管路の材質や経年によって変化する）、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、および需要点１３５の識別情報、位置情報、標高等の管網モデル情報を取得する。そして管路流速係数推定プログラム１１６は、類似の材質や経年をもつ各管路１３４をいくつかの管路グループに分割し、ＧＡを用いて、同一管路グループ内の流速係数を一律に増加または減少させて管路抵抗係数の補正案を作成（または修正）する。

ステップＳ７０５において、管路流速係数推定プログラム１１６は、計測データ管理テーブル１２２より、上記所定時刻における配水管網１３３上の配水地点（ポンプ１３１、バルブ１３２）における圧力、流量の計測値を取得する。そして管路流速係数推定プログラム１１６は、管網解析計算プログラム１１５を呼び出し、上記管網モデル情報、および上記取得された配水地点（ポンプ１３１、バルブ１３２）における圧力、流量の計測値、およびステップＳ７０３において推定された配水管網１３３上の漏水を含めた需要分布、等の境界条件を管網解析計算プログラム１１５に引渡して実行する。管網解析計算プログラム１１５は、上記処理（７）で説明した管網解析計算を行い、配水管網１３３上の圧力分布および流量分布を算出する。

ステップＳ７０６において、管路流速係数推定プログラム１１６は、計測データ管理テーブル１２２より、上記所定時刻における配水管網１３３上の圧力、流量計測地点における圧力、流量の計測値を取得する。そして管路流速係数推定プログラム１１６は、圧力、流量計測地点における計測値と上記管網解析計算による計算値との誤差が所定の許容範囲以内であるかどうかの判定を行う。そして管路流速係数推定プログラム１１６は、上記誤差が所定許容範囲以内でなければステップＳ７０４に進み、管路抵抗係数の補正案の修正を行う。上記誤差が所定許容範囲以内であれば、上記補正された管路抵抗係数を最適なパラメータとして決定し、管網情報管理テーブル１２１に登録する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の管路流速係数推定プログラム１１６および管網解析計算プログラム１１５によって、管路流速係数の推定処理が行われる。

次に、配水制御管理装置１０１における、配水圧を適正化する配水機器の制御を行う処理（９）について、図８を用いて説明する。処理（９）は、上記処理（４）のデータ計測周期ごとに（例えば５分周期など）、最新の圧力、流量データが計測されたタイミングで実行する。図８は、配水機器（ポンプ、バルブ）の制御を行う処理を示すフローチャートである。

ステップＳ８０１において、配水制御管理装置１０１の配水機器制御プログラム１１７は、需要推定プログラム１１４を呼び出して実行し、現時点の次の時刻における配水管網１３３上の各需要点１３５の需要量（需要分布）を推定する。

ステップＳ８０２において、配水機器制御プログラム１１７は、需要パターン管理テーブル１２３より、最新の上記分割されたエリアのエリア識別情報、およびエリア内の需要点、流量計、圧力計の識別情報、およびエリア別のエリア放出係数を取得する。そして計測データ管理テーブル１２２より、現時刻における各エリア内の所定需要点上の圧力計測値をエリア別の代表圧力として取得する。そして配水機器制御プログラム１１７は、（式１）に基づいてエリア別の現時刻における漏水量を算出する。上記エリア別漏水量は次時刻のものが好ましいが、次時刻のエリア別代表圧力は未計測であるため、計測可能な現時刻のエリア別代表圧力より算出される現時刻のエリア別漏水量で次時刻のエリア別漏水量を代用するものである。

ステップＳ８０３において、配水機器制御プログラム１１７は、ステップＳ８０１にて推定した各需要点１３５の需要量に対して、ステップＳ８０２にて算出したエリア別の漏水量を上記需要量に応じてエリア内の各需要点に比例配分するようにして、次時刻における各需要点１３５の漏水を含めた需要量（需要分布）を推定する。

ステップＳ８０４において、配水機器制御プログラム１１７は、管網情報管理テーブル１２１より、配水管網１３３上の管路１３４の識別情報、管路長、管路径、流速係数（管路の材質や経年によって変化する）、接続情報（管路の始点、終点となる需要点の識別情報）、および需要点１３５の識別情報、位置情報、標高等の管網モデル情報を取得する。そして配水機器制御プログラム１１７は、ＧＡを用いて、配水地点（ポンプ１３１、バルブ１３２）における現時刻の流量、圧力を増加または減少させて次時刻の配水計画案（流量、圧力）を作成（または修正）する。このとき上記配水計画は、各配水地からの流量（配水量）の合計が、上記漏水を含めた各需要点１３５の需要量の合計に一致するように作成を行う。

ステップＳ８０５において、配水機器制御プログラム１１７は、管網解析計算プログラム１１５を呼び出し、上記管網モデル情報、および上記配水計画案による配水地点における次時刻の圧力、流量の計画値、およびステップＳ８０３において推定された次時刻の配水管網１３３上の漏水を含めた需要分布、等の境界条件を管網解析計算プログラム１１５に引渡して実行する。管網解析計算プログラム１１５は、上記処理（７）で説明した管網解析計算を行い、次時刻の配水管網１３３上の圧力分布および流量分布を算出する。

ステップＳ８０６において、配水機器制御プログラム１１７は、上記管網解析計算による各需要点１３５の圧力計算値が所定許容範囲以内であるかどうかの判定を行う。そして配水機器制御プログラム１１７は、上記圧力計算値が所定許容範囲以内でなければステップＳ８０４に進み、配水計画案の修正を行う。上記誤差が所定許容範囲以内であれば、ステップＳ８０７に進む。

ステップＳ８０７において、配水機器制御プログラム１１７は、上記作成された次時刻の配水計画案（各配水地点からの流量、圧力）を実現するように、ポンプ１３１の回転数、およびバルブ１３２の開度を決定する。

上記のようにして、配水制御管理装置１０１の配水機器制御プログラム１１７および管網解析計算プログラム１１５によって、配水圧を適正化する配水機器の制御処理が行われる。

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、配水管網を水供給量算出可能な複数のエリアに分割し、またエリア別の漏水量の推定を行っているため、各エリアにおいて成り立つ水供給量と漏水量と施設特性別の需要家の件数と施設特性別の需要パターンとの関係式を導出可能となる。これを解くことで需要家の施設特性別の需要パターンを算出し、上記需要パターンの重ね合わせで水需要分布の推定を行っているため、需要家の施設特性を考慮した正確な水需要の推定が可能となる。

１００…配水制御システム、１０１…配水制御管理装置、１０２…ＣＰＵ、１０３…メモリ、１０４…入力装置、１０５…表示装置、１０６…ハードディスク、１０７…システムバス、１１０…入力データ登録プログラム、１１１…流量計設置場所計画プログラム、１１２…データ計測プログラム、１１３…需要パターン作成プログラム、１１４…需要推定プログラム、１１５…管網解析計算プログラム、１１６…管路流速係数推定プログラム、１１７…配水機器制御プログラム、１２０…需要家情報管理テーブル、１２１…管網情報管理テーブル、１２２…計測データ管理テーブル、１２３…需要パターン管理テーブル、１３０…配水池、１３１…ポンプ、１３２…バルブ、１３３…配水管網、１３４…管路、１３５…需要点、１３６…圧力計、１３７…流量計、１３８…ネットワーク。

Claims (8)

1. 配水池から配水管網を経て水が供給される需要家の施設情報を記憶する需要家情報記憶部と、
   前記需要家の施設情報を取得する需要家情報取得部と、
   前記配水管網上に設置された流量計または圧力計の計測データを取得する計測データ取得部と、
   分割された複数のエリアごとに取得した前記施設情報と、前記計測データと、前記流量計の計測データから算出される前記エリアにおける水供給量とに基づいて、施設特性要素別に需要パターンを算出する需要パターン算出部と、
   前記需要パターンと、複数の需要家を集約した需要点における施設情報とに基づいて、前記需要点における需要量を推定する需要量推定部と、
   推定された各需要点における前記需要量に基づいて配水制御をする制御部と、
   前記配水管網上に設置された前記流量計の計測データに基づいて、前記エリアにおける水供給量が算出可能となるように、前記流量計の設置位置を計画する流量計設置場所計画部とを備え、
   前記流量計設置場所計画部は、
   分割された前記エリア数が、施設特性要素数以上となり、
   前記エリアにおける施設特性要素の構成比率を算出したときの前記構成比率がエリア毎に相違するように又は、
   新に設置される流量計にかかるコストを算出したときの前記コストが一定値より低くなるように又は、
   前記エリアに属する需要家の数が一定の値を満たすように、
   前記流量計の設置位置を計画する
   ことを特徴とする配水制御装置。
2. 請求項１に記載の配水制御装置において、
   前記需要家情報記憶部に記憶される前記施設情報とは、前記需要家の検針データを含み、
   前記需要パターン算出部は、
   前記エリアにおける前記検針データの合計値と、前記エリアにおける水供給量とに基づいて前記エリアにおける漏水量を算出し、
   前記施設情報と、前記計測データとに加え、前記漏水量にも基づいて需要パターンを算出する
   ことを特徴とする配水制御装置。
3. 請求項２に記載の配水制御装置において、
   算出された前記需要点における需要量の分布に基づいて管網解析計算を実行し、前記配水管網上の圧力分布および流量分布を推定する管網解析計算部と、
   前記配水管網上に設置された流量計または圧力計の計測データと、前記管網解析計算部によって算出された前記圧力推定値または流量推定値との比較に基づいて、管路の流速係数を推定する管路流速係数推定部と、を更に備えることを特徴とする配水制御装置。
4. 請求項３に記載の配水制御装置において、
   算出された前記需要点における需要量の分布に基づいて管網解析計算を実行し、前記配水管網上の圧力分布および流量分布を推定する管網解析計算部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記管網解析計算部によって算出された前記圧力の推定値が所定の範囲となるようにポンプの回転数またはバルブの開度を制御する
   ことを特徴とする配水制御装置。
5. 配水制御装置が、
   配水池から配水管網を経て水が供給される需要家の施設情報を記憶し、
   前記需要家の施設情報を取得し、
   前記配水管網上に設置された流量計または圧力計の計測データを取得し、
   分割された複数のエリアごとに取得した前記施設情報と、前記計測データと、前記流量計の計測データから算出される前記エリアにおける水供給量とに基づいて、施設特性要素別に需要パターンを算出し、
   前記需要パターンと、複数の需要家を集約した需要点における施設情報とに基づいて、前記需要点における需要量を推定し、
   推定された各需要点における前記需要量に基づいて配水制御を行い、
   分割された前記エリア数が、施設特性要素数以上となり、前記エリアにおける施設特性要素の構成比率を算出したときの前記構成比率がエリア毎に相違するように又は、新に設置される流量計にかかるコストを算出したときの前記コストが一定値より低くなるように又は、前記エリアに属する需要家の数が一定の値を満たすように、前記流量計の設置位置を計画する
   ことを特徴とする配水制御方法。
6. 請求項５に記載の配水制御方法において、
   記憶される前記施設情報とは、前記需要家の検針データを含み、
   前記エリアにおける前記検針データの合計値と、前記エリアにおける水供給量とに基づいて前記エリアにおける漏水量を算出し、
   前記施設情報と、前記計測データとに加え、前記漏水量にも基づいて需要パターンを算出する
   ことを特徴とする配水制御方法。
7. 請求項６に記載の配水制御方法において、
   算出された前記需要点における需要量の分布に基づいて管網解析計算を実行し、前記配水管網上の圧力分布および流量分布を推定し、
   前記配水管網上に設置された流量計または圧力計の計測データと、前記管網解析計算部によって算出された前記圧力推定値または流量推定値との比較に基づいて、管路の流速係数を推定する
   ことを特徴とする配水制御方法。
8. 請求項７に記載の配水制御方法において、
   算出された前記需要点における需要量の分布に基づいて管網解析計算を実行し、前記配水管網上の圧力分布および流量分布を推定し、
   算出された前記圧力の推定値が所定の範囲となるようにポンプの回転数またはバルブの開度を制御する
   ことを特徴とする配水制御方法。

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