JP6847606B2 - Water distribution pump control device, water distribution pump control method, water distribution pump control system and computer program - Google Patents

Water distribution pump control device, water distribution pump control method, water distribution pump control system and computer program Download PDF

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本発明の実施形態は、配水ポンプ制御装置、配水ポンプ制御方法、配水ポンプ制御システム及びコンピュータプログラムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a water distribution pump control device, a water distribution pump control method, a water distribution pump control system, and a computer program.

上水道の配水管網では、無送水にならず、全ての需要家が水を利用できるようにするために配水ポンプが適正な圧力で配水を行っている。しかしながら、過度に高い配水の圧力は、配水ポンプによる消費電力の増加や、配水管からの漏水量の増加を招く可能性がある。そのため、配水管網の圧力は、各小配水区(以下、「配水ブロック」という。)内で最も圧力が低くなる点(以下、「末端」という。)において必要最低限の圧力が維持されるように調整されることが望ましい。各配水ブロック内で最も圧力が低くなる点の圧力は末端圧と呼ばれ、上記のように末端圧を制御することにより配水管網の圧力を適切に維持する制御方法は、一般に末端圧制御として知られている。一般に、末端圧制御は配水ブロックごとに独立して行われることが多い。 In the water distribution network of the water supply, the water distribution pump distributes water at an appropriate pressure so that water is not sent out and all consumers can use the water. However, an excessively high distribution pressure may lead to an increase in power consumption by the distribution pump and an increase in the amount of water leakage from the distribution pipe. Therefore, the pressure of the water distribution pipe network is maintained at the minimum necessary pressure at the point where the pressure is the lowest (hereinafter referred to as "terminal") in each small distribution area (hereinafter referred to as "water distribution block"). It is desirable to be adjusted so as to. The pressure at the point where the pressure becomes the lowest in each water distribution block is called the terminal pressure, and the control method for appropriately maintaining the pressure of the water distribution pipe network by controlling the terminal pressure as described above is generally referred to as terminal pressure control. Are known. In general, terminal pressure control is often performed independently for each distribution block.

一方で、全配水区の運用を考えた場合、各配水ブロック間に連絡管を設け、各配水ブロック間で相互に水を融通し合えるほうが望ましい。しかしながら、配水ブロック間の水の流入出は、配水ブロックごとの末端圧制御に干渉し、制御の精度を低下させる要因となりうる。そのため、各配水ブロックが相互に水を融通し合うような配水管網において、配水ポンプを末端圧に基づいて制御する場合には、配水管網全体でのバランスや各配水ブロック間の干渉を考慮する必要がある。このような課題を解決する制御方法が従来いくつか提案されているが、いずれの制御方法も配水ブロックごとに末端圧制御を行う既存システムとの親和性が高いとは言えず、必ずしも容易には既存システムに適用できない可能性があった。 On the other hand, when considering the operation of all distribution blocks, it is desirable to provide a connecting pipe between each distribution block so that water can be interchanged between each distribution block. However, the inflow and outflow of water between the distribution blocks interferes with the end pressure control for each distribution block, and can be a factor that reduces the accuracy of the control. Therefore, when controlling the distribution pump based on the terminal pressure in a distribution pipe network in which each distribution block exchanges water with each other, consideration is given to the balance of the entire distribution pipe network and interference between each distribution block. There is a need to. Several control methods have been proposed to solve such problems, but none of them has a high affinity with the existing system that controls the end pressure for each water distribution block, and it is not always easy. It may not be applicable to existing systems.

特開昭58−82317号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-82317 特開昭59−174094号公報JP-A-59-174094 特開平6−2800号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-2800 特開平6−306893号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-306893

本発明が解決しようとする課題は、配水ブロックが相互に水を融通し合うことが可能なように構成された配水管網において、末端圧に基づく配水ポンプの制御をより容易に実現することができる配水ポンプ制御装置、配水ポンプ制御方法、配水ポンプ制御システム及びコンピュータプログラムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to more easily realize the control of the water distribution pump based on the terminal pressure in the water distribution pipe network configured so that the water distribution blocks can exchange water with each other. It is to provide a water distribution pump control device, a water distribution pump control method, a water distribution pump control system, and a computer program that can be used.

実施形態の配水ポンプ制御装置は、圧力情報取得部と、制御部と、を持つ。圧力情報取得部は、複数の配水ブロックに分割された配水区の配水管網において、前記複数の配水ブロックのうちの第1の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第1の圧力情報と、前記第1の配水ブロックに隣接する第2の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第2の圧力情報と、を取得する。制御部は、前記第1及び第2の圧力情報と、前記第1の配水ブロック内の配水を行う第1の配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて、前記第1の圧力情報が示す圧力と、前記第2の圧力情報が示す圧力との差が小さくなるように前記制御目標を補正する。制御部は、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御を合意勾配アルゴリズムで実現する。
The water distribution pump control device of the embodiment includes a pressure information acquisition unit and a control unit. The pressure information acquisition unit measures or estimates the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the first water distribution block among the plurality of water distribution blocks in the water distribution pipe network of the distribution area divided into a plurality of water distribution blocks. The first pressure information indicating the value and the second pressure information indicating the measured value or the estimated value of the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the second water distribution block adjacent to the first water distribution block are provided. get. The control unit has the pressure indicated by the first pressure information based on the first and second pressure information and the control target given to the first water distribution pump that distributes water in the first water distribution block. The control target is corrected so that the difference between the pressure and the pressure indicated by the second pressure information becomes small. The control unit corrects the control target and determines the operation amount of the first water distribution pump by distributed cooperative control with the adjacent water distribution block, and realizes the distributed cooperative control by the consensus gradient algorithm.

実施形態の配水ポンプ制御装置によって配水ポンプが制御される配水区の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the distribution area in which the distribution pump is controlled by the distribution pump control device of embodiment. 実施形態の配水ポンプ制御装置1の機能構成の具体例を示すブロック図。The block diagram which shows the specific example of the functional structure of the water distribution pump control device 1 of embodiment. 実施形態の配水ポンプ制御装置1が行う処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the process performed by the water distribution pump control device 1 of embodiment. 実施形態におけるPID制御の概略を示す図。The figure which shows the outline of the PID control in an embodiment.

以下、実施形態の配水ポンプ制御装置、配水ポンプ制御方法、配水ポンプ制御システム及びコンピュータプログラムを、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the water distribution pump control device, the water distribution pump control method, the water distribution pump control system, and the computer program of the embodiment will be described with reference to the drawings.

(実施形態)
図1は、実施形態の配水ポンプ制御装置によって配水ポンプが制御される配水区の具体例を示す図である。図1に示す配水区Aは、配水ブロックB1〜配水ブロックB5の5つの小配水区を含む。各配水ブロックBi(i=1,2,…,5)には各配水ブロックに閉じた配水管網Wi(i=1,2,…,5)が敷設されている。各配水管網Wiは、隣接する配水ブロックの配水管網と連絡管Cij(i=1,2,…,5、j=1,2,…,5)で接続されている。ここでCijは、配水ブロックBiと配水ブロックBjの間を接続する連絡管を表す。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a specific example of a distribution zone in which a distribution pump is controlled by the distribution pump control device of the embodiment. The distribution zone A shown in FIG. 1 includes five small distribution zones of distribution blocks B1 to B5. A closed water pipe network Wi (i = 1, 2, ..., 5) is laid in each water distribution block Bi (i = 1, 2, ..., 5). Each water pipe network Wi is connected to the water pipe network of the adjacent water distribution block by a connecting pipe Cij (i = 1, 2, ..., 5, j = 1, 2, ..., 5). Here, Cij represents a connecting pipe connecting the water distribution block Bi and the water distribution block Bj.

各配水ブロックBiには、それぞれの配水ブロック内に供給される水を貯える貯水施設Ti(i=1,2,…,5)が設置され、貯水施設Tiに貯えられた水は、貯水施設Tiに設けられた配水ポンプPi(i=1,2,…,5)によって配水管網Wiに送出される。また、各配水管網Wiの末端には、配水管の水圧(末端圧)を計測する圧力計Si(i=1,2,…,5)が設置されている。圧力計Siは所定の周期で末端圧を計測し、配水ポンプPiの吐出圧力は圧力計Siによって計測された配水管網Wiの末端圧に基づいて制御される。なお、図1においては説明の便宜上、配水ブロックごとに1台の配水ポンプを示しているが、各配水ブロックの配水ポンプは複数であってもよい。 A water storage facility Ti (i = 1, 2, ..., 5) for storing water supplied in each water distribution block is installed in each water distribution block Bi, and the water stored in the water storage facility Ti is stored in the water storage facility Ti. It is sent to the water distribution pipe network Wi by the water distribution pump Pi (i = 1, 2, ..., 5) provided in. Further, at the end of each water pipe network Wi, a pressure gauge Si (i = 1, 2, ..., 5) for measuring the water pressure (terminal pressure) of the water pipe is installed. The pressure gauge Si measures the terminal pressure at a predetermined cycle, and the discharge pressure of the water distribution pump Pi is controlled based on the terminal pressure of the water distribution pipe network Wi measured by the pressure gauge Si. Although FIG. 1 shows one water distribution pump for each water distribution block for convenience of explanation, there may be a plurality of water distribution pumps for each water distribution block.

図2は、実施形態の配水ポンプ制御装置1の機能構成の具体例を示すブロック図である。配水ポンプ制御装置1は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、配水ポンプ制御プログラムを実行する。配水ポンプ制御装置1は、配水ポンプ制御プログラムの実行によって記憶部101、入力部102、通信部103、末端圧情報取得部104(圧力情報取得部)及び制御部105を備える装置として機能する。なお、配水ポンプ制御装置1の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。配水ポンプ制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。配水ポンプ制御プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 FIG. 2 is a block diagram showing a specific example of the functional configuration of the water distribution pump control device 1 of the embodiment. The water distribution pump control device 1 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a water distribution pump control program. The water distribution pump control device 1 functions as a device including a storage unit 101, an input unit 102, a communication unit 103, a terminal pressure information acquisition unit 104 (pressure information acquisition unit), and a control unit 105 by executing a water distribution pump control program. Even if all or part of each function of the water distribution pump control device 1 is realized by using hardware such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array). Good. The distribution pump control program may be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium is, for example, a flexible disk, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM or a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. The distribution pump control program may be transmitted via a telecommunication line.

記憶部101は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部は、配水ポンプの制御に必要な種々の設定情報や計測データなどの情報を記憶する。 The storage unit 101 is configured by using a storage device such as a magnetic hard disk device or a semiconductor storage device. The storage unit stores information such as various setting information and measurement data necessary for controlling the water distribution pump.

入力部102は、マウスやキーボード、タッチパネル等の入力装置を用いて構成される。入力部102は、自装置に対する利用者の情報入力を受け付け、入力された情報を必要とする他の機能部に出力する。 The input unit 102 is configured by using an input device such as a mouse, a keyboard, and a touch panel. The input unit 102 receives the user's information input to the own device and outputs the input information to another function unit that requires the input information.

通信部103は、自装置をネットワークに接続する通信インターフェースを含んで構成される。通信部103は、自装置が制御を受け持つ配水ブロック(以下、「自ブロック」という。)の圧力計及び配水ポンプと通信し、自ブロックに隣接する配水ブロック(以下、「隣接ブロック」という。)の圧力計と通信する。 The communication unit 103 includes a communication interface for connecting the own device to the network. The communication unit 103 communicates with the pressure gauge and the water distribution pump of the water distribution block (hereinafter referred to as “own block”) under the control of the own device, and communicates with the water distribution block adjacent to the own block (hereinafter referred to as “adjacent block”). Communicate with the pressure gauge.

末端圧情報取得部104は、自ブロックにおける末端圧を示す自末端圧情報と、隣接ブロックにおける末端圧を示す隣接末端圧情報と、を取得する。これらの末端圧情報は、各配水ブロックの圧力計が、それぞれの配水ブロックの末端圧を計測することによって生成される。末端圧情報取得部104は、通信部103を介して自ブロック及び隣接ブロックの圧力計と通信することにより、各圧力計から自末端圧情報及び隣接末端圧情報を取得する。末端圧情報取得部104は、取得された末端圧情報を記憶部101に記憶させる。 The terminal pressure information acquisition unit 104 acquires the self-terminal pressure information indicating the terminal pressure in the own block and the adjacent terminal pressure information indicating the terminal pressure in the adjacent block. These end pressure information is generated by the pressure gauge of each distribution block measuring the end pressure of each distribution block. The end pressure information acquisition unit 104 acquires the own end pressure information and the adjacent end pressure information from each pressure gauge by communicating with the pressure gauges of the own block and the adjacent block via the communication unit 103. The terminal pressure information acquisition unit 104 stores the acquired terminal pressure information in the storage unit 101.

なお、末端圧情報取得部104は、水需要推定機能及び末端圧推定機能を有し、必要に応じて推定した末端圧を自末端圧情報又は隣接末端圧情報に含めても良い。例えば、末端圧情報取得部104は、次のような場合に末端圧の推定を行う。 The terminal pressure information acquisition unit 104 has a water demand estimation function and a terminal pressure estimation function, and the terminal pressure estimated as necessary may be included in the own terminal pressure information or the adjacent terminal pressure information. For example, the terminal pressure information acquisition unit 104 estimates the terminal pressure in the following cases.

(1)圧力計が配水管網内に多数設置されている場合
図1は、圧力計が予め決定された所定の末端地点に設置された場合を例示しているが、実際には、配水管網内の複数地点に圧力計が設置されている場合もある。このような場合、末端圧情報取得部104は、複数計測される圧力値のうちの最も小さい値を末端圧として選択してもよい。また、末端圧情報取得部104は、複数計測される圧力値と配水管網の情報とを用いて末端圧を推定してもよい。例えば、ある配水管の途中で圧力が計測されている場合、その地点より先では圧力はさらに低下しているはずである。このような場合、配水管網の情報が取得可能であれば、その地点より先の配管による圧力損失を推定することができる。この損失分の圧力が推定されれば、計測点より先に存在する末端候補の圧力を推定することができる。このようにして、末端圧情報取得部104は、各配水管について末端候補の圧力を推定し、推定された末端候補の圧力のうちの最小値を末端圧として取得することができる。
(1) When a large number of pressure gauges are installed in the water distribution pipe network Fig. 1 illustrates the case where the pressure gauges are installed at predetermined predetermined terminal points, but in reality, the water distribution pipes are installed. Pressure gauges may be installed at multiple points in the network. In such a case, the terminal pressure information acquisition unit 104 may select the smallest value among the plurality of measured pressure values as the terminal pressure. Further, the terminal pressure information acquisition unit 104 may estimate the terminal pressure by using a plurality of measured pressure values and information on the water distribution pipe network. For example, if the pressure is measured in the middle of a water pipe, the pressure should drop further beyond that point. In such a case, if the information on the distribution pipe network can be obtained, the pressure loss due to the pipes beyond that point can be estimated. If the pressure corresponding to this loss is estimated, the pressure of the terminal candidate existing before the measurement point can be estimated. In this way, the end pressure information acquisition unit 104 can estimate the pressure of the end candidate for each water pipe and acquire the minimum value of the estimated end candidate pressure as the end pressure.

(2)圧力計は設置されていないが水需要量が詳細に計測できる場合
配水管網内に圧力計が設置されていない場合であっても、スマートメータなどの普及により詳細な水需要量が計測できる場合がある。そのような場合、水需要量の計測値と、配水ポンプの吐出圧力の計測値とを用いて管網解析を行うことにより末端圧を推定することができる。具体的には、管網解析によって配水管網の圧力分布を計算し、圧力が最も低い点を末端とすることで末端圧を取得することができる。
(2) When the pressure gauge is not installed but the water demand can be measured in detail Even if the pressure gauge is not installed in the water distribution pipe network, the detailed water demand can be measured due to the spread of smart meters and the like. It may be possible to measure. In such a case, the terminal pressure can be estimated by performing a pipe network analysis using the measured value of the water demand amount and the measured value of the discharge pressure of the water distribution pump. Specifically, the pressure distribution of the distribution pipe network is calculated by the pipe network analysis, and the end pressure can be obtained by setting the point where the pressure is the lowest as the end.

(3)圧力と水需要量とが部分的に計測される場合
この場合、まず、末端圧情報取得部104は、水需要家ごとの時系列の水需要パターンを予め保持しておく。また、末端圧情報取得部104は、配水ブロック内の各水需要家について、各水需要家のそれぞれの全水需要量が当該配水ブロック内の全水需要量に占める平均的な割合(以下、「消費割合」という。)を保持しておく。末端圧情報取得部104は、各配水ブロックにおける全水需要量の計測値を所定の頻度(例えば、数時間〜1日に1回程度の割合)で取得する。末端圧情報取得部104は、取得された計測値を、上記の水需要パターン及び消費割合で按分することによって水需要家ごとの水需要量を推定することができる。なお、各需要家の水需要量は上記以外の方法で推定されてもよい。例えば、より複雑なアルゴリズムを用いることで精度の良い水需要量が推定されてもよい。
(3) When the pressure and the water demand amount are partially measured In this case, first, the terminal pressure information acquisition unit 104 holds in advance a time-series water demand pattern for each water consumer. In addition, the terminal pressure information acquisition unit 104 indicates that for each water consumer in the distribution block, the total water demand of each water consumer is the average ratio of the total water demand in the water distribution block (hereinafter referred to as “)”. It is called "consumption ratio"). The terminal pressure information acquisition unit 104 acquires the measured value of the total water demand in each water distribution block at a predetermined frequency (for example, at a rate of several hours to once a day). The terminal pressure information acquisition unit 104 can estimate the amount of water demand for each water consumer by apportioning the acquired measured value according to the above water demand pattern and consumption ratio. The water demand of each consumer may be estimated by a method other than the above. For example, a more complex algorithm may be used to estimate water demand with high accuracy.

末端圧情報取得部104は、上記のように取得された各需要家の水需要量の推定値を用いて管網解析を行うことにより末端圧を推定することができる。ここで、管網解析の結果から圧力が最も低い点を末端としてもよいが、いくつかの箇所で圧力が計測できている場合には、その実測値を用いて末端圧を補正することができる。例えば、管網解析の結果と実測値との誤差に基づいて末端圧を補正することができる。又は、データ同化等の手法により圧力の実測値を入力に含めて管網解析を行うことにより、圧力計測点における誤差を最小化するように推定された圧力分布に基づいて末端圧を取得することも可能である。 The terminal pressure information acquisition unit 104 can estimate the terminal pressure by performing a pipe network analysis using the estimated value of the water demand of each consumer acquired as described above. Here, the point where the pressure is the lowest may be set as the end from the result of the tube network analysis, but if the pressure can be measured at several points, the end pressure can be corrected by using the measured value. .. For example, the end pressure can be corrected based on the error between the result of the tube network analysis and the measured value. Alternatively, the terminal pressure can be obtained based on the pressure distribution estimated to minimize the error at the pressure measurement point by performing the tube network analysis by including the measured value of the pressure in the input by a method such as data assimilation. Is also possible.

制御部105は、自末端圧情報及び隣接末端圧情報に基づいて自ブロックの配水ポンプの吐出圧力の指示値を決定する。制御部105は、通信部103を介して自ブロックの配水ポンプと通信することにより、決定した指示値を自ブロックの配水ポンプに通知する。 The control unit 105 determines the indicated value of the discharge pressure of the water distribution pump of the own block based on the own terminal pressure information and the adjacent terminal pressure information. The control unit 105 notifies the water distribution pump of the own block of the determined indicated value by communicating with the water distribution pump of the own block via the communication unit 103.

具体的には、制御部105は、分散協調制御の手法を用いて自ブロックの配水ポンプに指示する吐出圧力を決定する。一般に配水ポンプは、その配水ポンプが受け持つ配水ブロックごとに独立して分散制御される。しかしながら、連絡管を介して配水ブロック間で水を融通し合う場合、配水ブロックごとに独立した制御では、連絡管を介して流入出する水の影響を考慮することが難しい。そのため、制御部105は、自ブロックと隣接ブロックとの分散協調制御により自ブロックの配水ポンプを制御する。具体的には、制御部105は、次の式(1)に示される合意勾配アルゴリズムによって自ブロックの配水ポンプを制御する。 Specifically, the control unit 105 determines the discharge pressure instructed to the water distribution pump of the own block by using the method of distributed cooperative control. Generally, the water distribution pump is independently distributed and controlled for each water distribution block that the water distribution pump is in charge of. However, when water is exchanged between distribution blocks via a connecting pipe, it is difficult to consider the influence of water flowing in and out through the connecting pipe with independent control for each distribution block. Therefore, the control unit 105 controls the water distribution pump of the own block by the distributed cooperative control between the own block and the adjacent block. Specifically, the control unit 105 controls the water distribution pump of its own block by the consensus gradient algorithm shown in the following equation (1).

Figure 0006847606
Figure 0006847606

式(1)の合意勾配アルゴリズムは、最適化問題において、関数の勾配に関する情報を最適解の探索に用いる勾配法と、複数の制御対象を同じ状態に収束させる合意制御を実現する合意アルゴリズムとを組み合わせたものである。式(1)における右辺第1項が勾配法に基づく項(以下、「勾配項」という。)であり、第2項は合意アルゴリズムに基づく項(以下、「合意項」という。)である。また、集合Mは、自ブロックi及びその隣接ブロックjの識別子の集合を表す。 The consensus gradient algorithm of equation (1) includes a gradient method that uses information about the gradient of a function to search for an optimal solution and an agreement algorithm that realizes consensus control that converges multiple controlled objects to the same state in an optimization problem. It is a combination. The first term on the right side of the equation (1) is a term based on the gradient method (hereinafter referred to as "gradient term"), and the second term is a term based on the consensus algorithm (hereinafter referred to as "agreement term"). Also, the set M i represents a set of identifiers of its own block i and its adjacent blocks j.

以下、式(1)における勾配項及び合意項について説明する。まず、勾配項について説明する。勾配項に含まれるPは自ブロックiの末端圧の計測値(又は推定値でもよい)を表し、f(P)は勾配法による最適解の探索に用いられる評価関数を表す。具体的には、f(P)は次の式(2)によって表される。 Hereinafter, the gradient term and the consensus term in the equation (1) will be described. First, the gradient term will be described. P i included in the gradient term represents the measured value of the end pressure of the self block i (or the estimated value), f i (P i) denotes the evaluation function used in the search of the optimal solution by a gradient method. Specifically, f i (P i) is expressed by the following equation (2).

Figure 0006847606
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式(2)において、Pi_refは自ブロックiの末端圧の目標値を表す。すなわち、式(2)は、末端圧の目標値と計測値との誤差の二乗和を最小化することを目的とする最適化問題の評価関数を表す。なお、このような末端圧の最適化問題においては、次に述べる理由からP>Pi_refである必要がある。実施形態の配水ポンプ制御装置1による制御目的は、末端圧を必要最小の値に保つことであり、その必要最小値はPi_refという目標値として設定される。式(2)の評価関数は、Pi_refとPの二乗誤差を最小化する評価関数であるが、PがPi_refよりも小さくなることは許容されない。そのため、末端圧の最適化問題には、式(2)の評価関数に対する制約条件として、P>Pi_refを考慮する必要がある。しかしながら、分散制御では、制約を直接的に評価関数に組み入れることが難しいことが多い。そのため、P<Pi_refの場合にペナルティを与えるペナルティ項が式(1)に付加されてもよい。このように評価関数に対してペナルティ項を付加する手法は一般にペナルティ関数法と呼ばれ、制約付きの最適化問題を解く手法の1つとして知られている。 In the formula (2), Pi_ref represents the target value of the terminal pressure of the own block i. That is, the equation (2) represents an evaluation function of an optimization problem for the purpose of minimizing the sum of squares of the error between the target value of the terminal pressure and the measured value. Incidentally, in such a terminal pressure optimization problem needs to be a P i> P i_ref reasons described below. The purpose of control by the water distribution pump control device 1 of the embodiment is to keep the terminal pressure at the required minimum value, and the required minimum value is set as a target value of Pi_ref. Evaluation function of formula (2) is a cost function that minimizes the square error P i_ref and P i, P i that is not allowed to be smaller than P i_ref. Therefore, the end pressure optimization problem as a constraint condition for the evaluation function of equation (2), it is necessary to consider the P i> P i_ref. However, in distributed control, it is often difficult to incorporate constraints directly into the evaluation function. Therefore, the penalty term penalizing in the case of P i <P i_ref may be added to equation (1). The method of adding a penalty term to the evaluation function in this way is generally called the penalty function method, and is known as one of the methods for solving a constrained optimization problem.

なお、式(2)の評価関数には、末端圧の目標値と計測値との誤差を最小化するという目的に加えて、他の評価指標を最適化する項が組み込まれてもよい。例えば、評価関数には、末端圧の目標値と計測値との間の誤差を最小化しつつ、配水ポンプの消費エネルギーの最小化を目的とする項が組み込まれてもよい。この場合の評価関数は、例えば次の式(3)のように表される。 In addition to the purpose of minimizing the error between the target value of the terminal pressure and the measured value, the evaluation function of the equation (2) may incorporate a term for optimizing other evaluation indexes. For example, the evaluation function may include a term aimed at minimizing the energy consumption of the water distribution pump while minimizing the error between the target value and the measured value of the terminal pressure. The evaluation function in this case is expressed by, for example, the following equation (3).

Figure 0006847606
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式(3)におけるqは配水ポンプの消費エネルギー又は消費エネルギーに換算可能な量である。例えばqは吐出圧力であってもよい。λは消費エネルギーに対して末端圧の二乗誤差に対する重み付けを行う係数である。式(3)には、式(2)と同様にペナルティ項が付加されてもよい。 Q i in the formula (3) is the energy consumption of the water distribution pump or the amount that can be converted into the energy consumption. For example, q i may be the discharge pressure. λ is a coefficient that weights the energy consumption against the squared error of the terminal pressure. A penalty term may be added to the equation (3) as in the equation (2).

一方で、合意項に含まれるPは隣接ブロックjの末端圧の計測値(又は推定値でもよい)を表し、bijは隣接ブロックjに対する自ブロックiの合意制御を実現するパラメータ(以下、「合意パラメータ」という。)である。具体的には、合意パラメータbijは、次の式(4)及び式(5)によって表される制御目的を実現する。 On the other hand, P j included in the consensus term represents a measured value (or an estimated value) of the terminal pressure of the adjacent block j, and bij is a parameter (hereinafter, may be an estimated value) that realizes consensus control of the own block i with respect to the adjacent block j. It is called "agreement parameter"). Specifically, the consensus parameter bij realizes the control objective represented by the following equations (4) and (5).

Figure 0006847606
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Figure 0006847606
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式(4)は、各配水ブロックにおける末端圧の二乗誤差を配水区全体で最小化するという制御目的を表している。式(4)において、wは各配水ブロック(i=1,2,…,5)の評価関数に対する重みを表すパラメータである。なお、各配水ブロックの重要度が同じ、又は各配水ブロックの重要度を区別しない場合、全ての配水ブロックiについてw=1と設定されてもよい。式(5)は、自ブロックiの末端圧と隣接ブロックjの末端圧との圧力差を小さくする(ゼロに近づける)という制御目的を表している。 Equation (4) expresses the control purpose of minimizing the squared error of the terminal pressure in each distribution block in the entire distribution zone. In the formula (4), w i is the water distribution block (i = 1,2, ..., 5 ) is a parameter representing the weight for the evaluation function. Incidentally, importance of each water distribution block is the same, or when there is no need to distinguish between the importance of each water distribution block, may be set for every water distribution block i and w i = 1. Equation (5) expresses the control purpose of reducing (approaching zero) the pressure difference between the terminal pressure of the own block i and the terminal pressure of the adjacent block j.

すなわち、合意項は、自ブロックiの末端圧Pに対する隣接ブロックjの末端圧Pの寄与分の総和を表している。 That agreement term represents the sum of the contribution of the terminal pressure P j of the adjacent blocks j over end pressure P i of the self block i.

なお、合意勾配アルゴリズムが収束するための条件は、例えば以下の参考文献等に示されている。
参考文献1:畑中他、システム科学技術のための分散協調最適化とポテンシャルゲーム、計測と制御= Journal of the Society of Instrument and Control Engineers 51(1), 49-54, 2012-01-10計測自動制御学会
参考文献2:飯野他、センサネットワークと制御理論、計測と制御= Journal of the Society of Instrument and Control Engineers 47(8), 649-656, 2008-08-10 計測自動制御学会
参考文献3:東他、マルチエージェントシステムの制御(システム制御工学シリーズ)、III 合意制御(1)、コロナ社
例えば、式(1)に示した合意勾配アルゴリズムは、一例としてbij=1/|M|とすることにより収束させることができる。
The conditions for the consensus gradient algorithm to converge are shown in, for example, the following references.
Reference 1: Hatanaka et al., Distributed cooperative optimization and potential game for systems science and technology, measurement and control = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers 51 (1), 49-54, 2012-01-10 Automatic measurement Control Society Reference 2: Iino et al., Sensor Network and Control Theory, Measurement and Control = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers 47 (8), 649-656, 2008-08-10 Measurement and Control Society Reference 3: East other, control of the multi-agent system (system control Engineering Series), III consensus control (1), corona Publishing e.g., consensus gradient algorithm shown in equation (1) is, b ij = 1 as an example / | M i | a It can be converged by doing.

制御部105は、式(1)の合意勾配アルゴリズムによる最適化問題を解くことにより、式(4)及び式(5)に示す制御目的を実現するPを算出する。すなわち、このような制御部105の処理を換言すれば、式(1)の最適化問題を解くことによって、本来勾配項のみで決定される目標値Pi_refを隣接ブロックとの協調動作が考慮された目標値に補正することに相当する。 The control unit 105 calculates Pi that realizes the control objectives shown in the equations (4) and (5) by solving the optimization problem by the consensus gradient algorithm of the equation (1). That is, in other words, by solving the optimization problem of the equation (1), the cooperative operation of the target value Pi_ref, which is originally determined only by the gradient term, with the adjacent block is considered. It is equivalent to correcting to the target value.

制御部105は、このように算出されたPを新たな末端圧の目標値Pi_refとして配水ポンプに対する吐出圧力の指示値を算出する。具体的には、制御部105は、配水ポンプの制御則(例えばフィードバック制御則など)に式(1)を適用することによって吐出圧力の指示値を算出する。 The control unit 105 calculates the indicated value of the discharge pressure to the water distribution pump by using the Pi i calculated in this way as a new target value Pi_ref of the terminal pressure. Specifically, the control unit 105 calculates the indicated value of the discharge pressure by applying the equation (1) to the control law of the water distribution pump (for example, the feedback control law).

この場合、配水ポンプの制御則を構築するために、配水ポンプの吐出圧力と末端圧との関係を示す末端圧モデルが必要となる。本実施形態において、末端圧モデルは特定のモデルに限定されないが、例えば次の式(6)に示される末端圧モデルを想定する。 In this case, in order to construct the control law of the distribution pump, a terminal pressure model showing the relationship between the discharge pressure of the distribution pump and the terminal pressure is required. In the present embodiment, the terminal pressure model is not limited to a specific model, but for example, the terminal pressure model represented by the following equation (6) is assumed.

Figure 0006847606
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式(6)において、g(P,P)は、配水ブロックiの末端圧と隣接ブロックjの末端圧とによって表される関数である。uは配水ブロックiの配水ポンプの吐出圧力を表し、bは吐出圧力を末端圧に換算するための係数パラメータである。例えば、関数gは、配水管網の動的な圧力変化を表す管網解析モデルを構築し、その管網解析モデルに対して配水ポンプの吐出圧力を操作量として入力し、そのステップ応答を得ることによって求めることができる。また、関数gの導出には、簡略化された管網解析モデルが用いられても良い。次の式(7)は、このような管網解析モデルの一例を示す式である。 In equation (6), g i (P i , P j ) is a function represented by the terminal pressure of the water distribution block i and the terminal pressure of the adjacent block j. u i represents the discharge pressure of the distribution pump of a water distribution block i, b i is a coefficient parameter for converting the discharge pressure at the end pressure. For example, the function g i is to construct a pipe network analysis model representing the dynamic pressure change in the water distribution network, enter the discharge pressure of the water distribution pumps for the pipe network analysis models as the operation amount, the step response It can be obtained by obtaining. In addition, the derivation of the function g i, simplified tube network analysis model may be used. The following equation (7) is an equation showing an example of such a pipe network analysis model.

Figure 0006847606
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式(7)において、i及びjは管網の節点の識別子であり、上記の配水ブロックの識別子であるi及びjとは異なる。p(t)は時刻tにおける節点iの圧力[Pa]を表す。νij(t)は節点i及び節点jを結ぶ管路の時刻tにおける流速[m/s]を表す。Hは節点iの標高[m]を表す。ρは管路を流れる流体の密度[kg/m]を表す。gは重力加速度[m/s]を表す。Lijは節点i及び節点jを結ぶ管路の長さ[m]を表す。Dijは節点i及び節点jを結ぶ管路の口径[m]を表す。λijは節点i及び節点jを結ぶ管路の摩擦損失係数を表す。式(7)にいて、右辺第1項は有効水圧差による圧力損失を表し、右辺第2項は標高差による圧力損失を表し、右辺第3項は流体と管路壁面との間での摩擦による圧力損失を表す。 In the formula (7), i and j are identifiers of the nodes of the pipe network, and are different from the identifiers i and j of the water distribution block described above. p i (t) represents the pressure [Pa] at the node i at time t. ν ij (t) represents the flow velocity [m / s] at time t of the node i and the pipeline connecting the nodes j. H i represents the elevation of the node i [m]. ρ represents the density [kg / m 3 ] of the fluid flowing through the pipeline. g represents the gravitational acceleration [m / s 2 ]. Lij represents the length [m] of the node i and the pipeline connecting the nodes j. D ij represents the diameter [m] of the node i and the pipeline connecting the nodes j. λ ij represents the friction loss coefficient of the node i and the pipeline connecting the nodes j. In equation (7), the first term on the right side represents the pressure loss due to the effective water pressure difference, the second term on the right side represents the pressure loss due to the difference in altitude, and the third term on the right side represents the friction between the fluid and the pipeline wall surface. Represents the pressure loss due to.

管網解析モデルが式(7)のように表される場合、配水ポンプの吐出圧力の制御則は次の式(8)で表される。 When the pipe network analysis model is expressed by the following equation (7), the control rule of the discharge pressure of the distribution pump is expressed by the following equation (8).

Figure 0006847606
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制御部105は、式(8)に基づいて算出された配水ポンプの吐出圧力uを指示値として配水ポンプPに送信する。 Control unit 105 transmits the discharge pressure u i of distribution pump which is calculated based on the equation (8) as an instruction value to the distribution pump P i.

図3は、実施形態の配水ポンプ制御装置1が行う処理の流れを示すフローチャートである。まず、末端圧情報取得部104が自ブロックの末端圧を取得する(ステップS101)。上述したように、末端圧情報取得部104は、自末端圧情報が示す最小の圧力値を末端圧として取得してもよいし、推定によって末端圧を取得してもよい。同様に、末端圧情報取得部104は隣接ブロックの末端圧を取得する(ステップS102)。 FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing performed by the water distribution pump control device 1 of the embodiment. First, the terminal pressure information acquisition unit 104 acquires the terminal pressure of the own block (step S101). As described above, the terminal pressure information acquisition unit 104 may acquire the minimum pressure value indicated by the self-terminal pressure information as the terminal pressure, or may acquire the terminal pressure by estimation. Similarly, the terminal pressure information acquisition unit 104 acquires the terminal pressure of the adjacent block (step S102).

末端圧情報取得部104は、取得された自ブロックの末端圧と、隣接ブロックの末端圧と、自ブロックの末端圧の目標値とに基づいて、自ブロックの末端圧の目標値を補正する(ステップS103)。末端圧情報取得部104は、補正後の末端圧の目標値に基づいて、自ブロックの配水ポンプの吐出圧力の指示値を決定する(ステップS104)。なお、式(8)のように、合意勾配アルゴリズムが配水ポンプの制御則に組み込まれる場合には、ステップS103とステップS104とは必ずしも別々のステップとして実行されず、1つのステップで実行されてもよい。 The terminal pressure information acquisition unit 104 corrects the target value of the terminal pressure of the own block based on the acquired terminal pressure of the own block, the terminal pressure of the adjacent block, and the target value of the terminal pressure of the own block ( Step S103). The terminal pressure information acquisition unit 104 determines the indicated value of the discharge pressure of the water distribution pump of the own block based on the corrected target value of the terminal pressure (step S104). When the consensus gradient algorithm is incorporated into the control law of the water distribution pump as in Eq. (8), step S103 and step S104 are not necessarily executed as separate steps, and even if they are executed in one step. Good.

このように構成された実施形態の配水ポンプ制御装置1は、自ブロックの末端圧の目標値を、自ブロックの末端圧と隣接ブロックの末端圧との差が小さくすることを目的とした分散協調制御により補正し、補正された末端圧の目標値に基づいて自ブロックの配水ポンプの吐出圧力の指示値を算出する制御部を持つ。配水ポンプ制御装置1がこのような構成を備えることにより、配水ブロックが相互に水を融通し合うことが可能なように構成された配水管網において、末端圧に基づく配水ポンプの制御をより容易に実現することができる。 The water distribution pump control device 1 of the embodiment configured in this way disperses and coordinates the target value of the end pressure of the own block for the purpose of reducing the difference between the end pressure of the own block and the end pressure of the adjacent block. It has a control unit that corrects by control and calculates the indicated value of the discharge pressure of the water distribution pump of its own block based on the corrected target value of the terminal pressure. By providing the water distribution pump control device 1 with such a configuration, it is easier to control the water distribution pump based on the terminal pressure in the water distribution pipe network configured so that the water distribution blocks can exchange water with each other. Can be realized.

具体的には、実施形態の配水ポンプ制御方法は分散協調型の制御方法であるため、配水区全体を統括する中央制御装置を必要とせず、各配水ブロックでは少なくとも隣接する配水ブロックの末端圧情報が取得されればよい。さらに、実施形態の配水ポンプ制御方法は、従来一般に用いられている勾配法との親和性がよいため、より容易に分散協調制御に適応させることができる。 Specifically, since the water distribution pump control method of the embodiment is a distributed cooperative control method, it does not require a central control device that controls the entire distribution area, and each distribution block has at least terminal pressure information of adjacent distribution blocks. Should be obtained. Further, since the water distribution pump control method of the embodiment has a good affinity with the gradient method generally used in the past, it can be more easily adapted to the distributed cooperative control.

各配水ブロックの配水ポンプが実施形態の配水ポンプ制御装置1によって隣接する配水ブロックとの分散協調制御を行うことにより、全配水区の全ての需要家に対して必要な量の水を確実に供給しつつ、配水区全体で消費電力や漏水量が最少とするような配水ポンプの制御を実現することができる。また、このような分散協調制御が行われることによって、いずれかの配水ブロックにおいて配水ポンプが故障した場合であっても、当該配水ブロックに対して隣接する配水ブロックから水を供給することが可能になる。そのため、断水のリスクを低減することができる。 The distribution pump of each distribution block performs distributed coordinated control with the adjacent distribution block by the distribution pump control device 1 of the embodiment, thereby reliably supplying the required amount of water to all consumers in all distribution zones. At the same time, it is possible to control the water distribution pump so as to minimize the power consumption and the amount of water leakage in the entire distribution area. Further, by performing such distributed cooperative control, even if the water distribution pump fails in any of the water distribution blocks, it is possible to supply water from the water distribution block adjacent to the water distribution block. Become. Therefore, the risk of water outage can be reduced.

<第1の変形例>
第1の変形例では、配水ポンプに加えて種々のアクチュエータが各配水ブロックに設置される場合において、配水ポンプとこれらの種々のアクチュエータに対する操作量の指示値を合意勾配アルゴリズムによって算出する方法について説明する。例えば、上記のアクチュエータは、各連絡管の流量を制御する電動バルブであってもよいし、各連絡管の流量をより積極的に制御する加圧ポンプなどであってもよい。
<First modification>
In the first modification, when various actuators are installed in each distribution block in addition to the water distribution pump, a method of calculating the indicated value of the operation amount for the water distribution pump and these various actuators by the consensus gradient algorithm will be described. To do. For example, the actuator may be an electric valve that controls the flow rate of each connecting pipe, or may be a pressurizing pump that more positively controls the flow rate of each connecting pipe.

このような状況下では、上記実施形態のように末端圧を目標値に追従させる制御方法では、操作量の数が制御量を計測する圧力計の数よりも多くなり冗長となる。そのため、このような場合、配水区内に配水ポンプ以外のアクチュエータと同数以上の圧力計を適切に設置することにより、上記実施形態と同様の制御を行うことができる。なお、圧力計を追加設置することが困難な場合、圧力の実測値に代えて、上記実施形態と同様の方法で算出される圧力の推定値を取得してもよい。 Under such a situation, in the control method in which the end pressure follows the target value as in the above embodiment, the number of manipulated variables is larger than the number of pressure gauges for measuring the controlled variables, which is redundant. Therefore, in such a case, the same control as in the above embodiment can be performed by appropriately installing the same number or more pressure gauges as the actuators other than the water distribution pump in the distribution area. If it is difficult to additionally install a pressure gauge, an estimated pressure value calculated by the same method as in the above embodiment may be obtained instead of the measured pressure value.

この場合、追加取得された圧力値のそれぞれに対応する目標値を式(1)に組み込むことにより、上記実施形態と同様の方法でアクチュエータの操作量の指示値を取得することができる。なお、この場合、式(2)と同様に、アクチュエータの消費電力を考慮した評価関数が用いられても良い。 In this case, by incorporating the target value corresponding to each of the additionally acquired pressure values into the equation (1), the indicated value of the actuator operation amount can be acquired by the same method as that of the above embodiment. In this case, the evaluation function considering the power consumption of the actuator may be used as in the equation (2).

このような第1の変形例によれば、連絡管の流量を制御することができるため、上記実施形態よりもよりきめ細かい制御が可能となる。特に、ある配水ブロックの配水ポンプが故障した場合、その配水ブロックに対して隣接ブロックから水が供給されるようにアクチュエータを動作させることが可能となるため、断水のリスクをより低減することが可能になる。 According to such a first modification, since the flow rate of the connecting pipe can be controlled, finer control than in the above embodiment is possible. In particular, when the water distribution pump of a certain water distribution block fails, the actuator can be operated so that water is supplied from the adjacent block to the water distribution block, so that the risk of water outage can be further reduced. become.

<第2の変形例>
第2の変形例では、各配水ブロックにおいて、少なくとも圧力が低くなることが想定される地点(例えば、標高の高い地点や配水ポンプから遠く離れている地点)には圧力計が設置されている場合において、各配水ブロックの配水ポンプに対する操作量の指示値を合意勾配アルゴリズムによって算出する方法について説明する。
<Second modification>
In the second modification, in each water distribution block, a pressure gauge is installed at least at a point where the pressure is expected to be low (for example, a point at a high altitude or a point far away from the water distribution pump). A method of calculating the indicated value of the operation amount for the water distribution pump of each water distribution block by the agreed gradient algorithm will be described.

上記実施形態では、末端と考えられる地点に設置された圧力計によって計測された末端圧又は末端と考えられる地点について推定された末端圧に基づいて、合意勾配アルゴリズムによる分散協調制御を実現する例について説明したが、実際には、末端圧をとる地点は需要家の水需要量に応じて時々刻々と変化することが想定される。このような場合、式(1)の評価関数を次の式(9)のように変形することで、合意勾配アルゴリズムを時々刻々と変化する末端に対応させることができる。 In the above embodiment, an example of realizing distributed cooperative control by a consensus gradient algorithm based on the terminal pressure measured by a pressure gauge installed at a point considered to be the end or the terminal pressure estimated at the point considered to be the end. As explained, in reality, it is assumed that the point where the terminal pressure is taken changes from moment to moment according to the amount of water demand of the consumer. In such a case, by transforming the evaluation function of the equation (1) as in the following equation (9), the consensus gradient algorithm can be made to correspond to the ever-changing end.

Figure 0006847606
Figure 0006847606

式(9)において、jは配水ブロックiに設置されている圧力計の識別子である。なお、配水ブロックごとに設置される圧力計の数jは異なってもよい。また、式(1)式と同様にPi_refとPijとの間にはPi_ref>Pijの制約が存在する。この制約は、式(2)のような評価関数を用いる場合についても同様である。 In the formula (9), j is an identifier of the pressure gauge installed in the water distribution block i. The number j of the pressure gauges installed for each water distribution block may be different. Further, restriction of P i_ref> P ij between the formula (1) as well as P i_ref and P ij are present. This restriction also applies to the case where the evaluation function as in Eq. (2) is used.

このような第2の変形例によれば、評価関数に末端を選択する制約が付加されることにより、水需要量に応じて時々刻々と変化する末端の推定を分散協調制御から独立して行う必要が無く、単に評価関数を式(9)のように変更するだけで上記実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to such a second modification, by adding a constraint to select the end to the evaluation function, the end estimation that changes from moment to moment according to the water demand is performed independently of the distributed cooperative control. It is not necessary, and the same effect as that of the above embodiment can be obtained by simply changing the evaluation function as shown in the equation (9).

<第3の変形例>
上述したとおり、式(7)を用いて分散協調制御を行う場合には予め末端圧モデルが構築されていることが前提となる。しかしながら、配水区の圧力分布を表す末端圧モデルを構築する作業には多くの労力が必要となる。一方、従来行われている配水ポンプの制御は、PID(Proportional-Integral-Differential)制御で実現されていることが多い。
<Third modification example>
As described above, when performing distributed cooperative control using the equation (7), it is premised that the terminal pressure model has been constructed in advance. However, a lot of labor is required to construct a terminal pressure model representing the pressure distribution of the distribution area. On the other hand, the conventional control of the water distribution pump is often realized by PID (Proportional-Integral-Differential) control.

図4は、PID制御の概略を示す図である。図4は、制御対象プロセス10に対してPID制御を実行するPID制御装置20を示している。例えば、制御対象プロセス10は配水ブロックごとの末端圧制御に対応する。この場合、制御対象プロセス10の操作量は配水ポンプ30の吐出圧力であり、制御量は圧力計40によって計測される各配水ブロックの末端圧である。PID制御装置20は、末端圧の計測値に基づいて、末端圧を目標値に近づけるように作用する新たな吐出圧力を算出して配水ポンプ30に設定する。このようなPID制御は、比較的簡易な構成で実現可能であるため、産業界において広く一般に普及している制御方法である。第3の変形例では、式(7)を次の式(10)のように変形することによって、従来のPID制御を拡張した分散協調制御を実現する。 FIG. 4 is a diagram showing an outline of PID control. FIG. 4 shows a PID control device 20 that executes PID control for the controlled process 10. For example, the controlled process 10 corresponds to the end pressure control for each water distribution block. In this case, the manipulated variable of the controlled process 10 is the discharge pressure of the water distribution pump 30, and the controlled variable is the terminal pressure of each water distribution block measured by the pressure gauge 40. The PID control device 20 calculates a new discharge pressure that acts to bring the terminal pressure closer to the target value based on the measured value of the terminal pressure, and sets it in the water distribution pump 30. Since such PID control can be realized with a relatively simple configuration, it is a control method that is widely and generally used in the industrial world. In the third modification, the distributed cooperative control that extends the conventional PID control is realized by transforming the equation (7) as shown in the following equation (10).

Figure 0006847606
Figure 0006847606

式(10)の右辺第1項はPID制御のうちのP制御(比例制御)を表す項であり、Kは比例ゲインを表す定数である。第2項はI制御(積分制御)を表す項であり、Kは積分ゲインを表す定数である。一方、第3項は分散協調制御における合意項を表す。 The first term on the right side of the equation (10) is a term representing P control (proportional control) among PID controls, and K p is a constant representing proportional gain. The second term represents the I control (integral control), K i is a constant representing an integral gain. On the other hand, the third term represents an agreement term in distributed cooperative control.

ここで、評価関数として式(1)のような2次形式の評価関数を仮定し、末端圧モデルとして一次遅れ系と呼ばれるモデルを仮定した場合、式(10)は式(5)に一致する。このことから、式(10)による分散協調制御(PI制御+合意制御)は、ある特定の条件下では合意勾配アルゴリズムによる分散協調制御と同様であることが分かる。式(10)は、評価関数の形式が異なる場合や末端圧モデルに対する仮定が成立しない場合には必ずしも合意勾配アルゴリズムに一致しないが、従来のPI制御に合意項を付加した形で表されるため、従来のPID制御との親和性が高いと考えられる。そのため、配水ブロックごとに行われるPID制御を、より容易に分散協調制御に対応させることができると考えられる。 Here, when a quadratic form evaluation function such as Eq. (1) is assumed as the evaluation function and a model called a first-order lag system is assumed as the terminal pressure model, Eq. (10) matches Eq. (5). .. From this, it can be seen that the distributed cooperative control (PI control + consensus control) according to the equation (10) is similar to the distributed cooperative control by the consensus gradient algorithm under certain specific conditions. Equation (10) does not necessarily match the consensus gradient algorithm when the form of the evaluation function is different or the assumption for the terminal pressure model does not hold, but it is expressed in the form of adding the consensus term to the conventional PI control. , It is considered that the affinity with the conventional PID control is high. Therefore, it is considered that the PID control performed for each water distribution block can be more easily made to correspond to the distributed cooperative control.

<第4の変形例>
第3の変形例では、従来のPI制御に合意項を加えることで分散協調制御を実現する方法について説明したが、第4の変形例では、従来のPI制御に代えて極値制御を用いた分散協調制御の実現方法について説明する。この場合の分散協調制御則は、次の式(11)のように表される。
<Fourth modification>
In the third modification, a method of realizing distributed cooperative control by adding an agreement term to the conventional PI control was described, but in the fourth modification, extreme value control was used instead of the conventional PI control. A method for realizing distributed cooperative control will be described. The distributed cooperative control law in this case is expressed by the following equation (11).

Figure 0006847606
Figure 0006847606

式(11)の右辺第1項は極値制御(Extremum Seeking Control)(極値探索制御とも呼ばれる)と呼ばれる制御方式を表す項であり、EはPi_ref及びPに基づいて極値制御により制御量uの一部の寄与分を算出する関数である。極値制御の詳細については種々の文献に記載されているため、ここでの説明を省略する(例えば、参考文献「Ariyur and Kristic,“Real Time Optimization by Eextemum Seeking Control”,Wiley」参照)。極値制御は、制御周期ごとに取得される評価量の値に基づいて未知の評価関数の極値(極小点又は極大点)を探索する制御方式である。極値制御は、制御対象プロセスのモデルを必要としないため、多種多様なプロセスの制御に適用可能である。 A term representing the control system the first term of formula (11) is called the extreme control (Extremum Men Seeking Women Control) (also referred to as extreme search control), E S is the extreme value control based on P i_ref and P i is a function for calculating a portion of the contribution of the control quantity u i by. Since the details of extreme value control are described in various documents, the description thereof is omitted here (see, for example, the reference "Ariyur and Kristic," Real Time Optimization by Eextemum Seeking Control ", Wiley"). Extreme value control is a control method that searches for the extreme value (minimum point or maximum point) of an unknown evaluation function based on the value of the evaluation quantity acquired for each control cycle. Extreme value control does not require a model of the controlled process, so it can be applied to control a wide variety of processes.

式(11)の右辺第2項は、第3の変形例と同様の合意項である。このように、配水ブロックごとの制御項(右辺第1項)に対して分散協調制御における合意項を付加することにより、配水ブロックごとの個別制御を分散協調性に対応させることが可能となる。 The second term on the right side of the equation (11) is the same consensus term as the third modification. In this way, by adding the consensus term in the distributed cooperative control to the control term (first term on the right side) for each water distribution block, it is possible to make the individual control for each water distribution block correspond to the distributed cooperativeness.

<第5の変形例>
第5の変形例では、評価関数の値に応じて、分散協調制御の対象とする隣接ブロックを動的に変更する制御方法について説明する。上述の実施形態及び変形例では、最適化の条件として、P>Pi_refであることを必要としたが、ある配水ブロックの配水ポンプが故障した場合や、ある特定の配水ブロックでの水の需要が急激に大きくなった場合、ある特定の配水ブロックで管路から多量の漏水が生じている場合、ある特定の配水ブロックで管路の破断があった場合などの異常時には、末端圧が上記条件を満足できなくなるケースが想定される。
<Fifth variant>
In the fifth modification, a control method for dynamically changing the adjacent block to be the target of the distributed cooperative control will be described according to the value of the evaluation function. In the embodiments and modifications described above, as a condition for the optimization, but was required to be a P i> P i_ref, and if the distribution pump of a water distribution block fails, there the water at a specific water distribution block In the event of an abnormality such as a sudden increase in demand, a large amount of water leaking from a pipeline in a specific water distribution block, or a break in a pipeline in a specific water distribution block, the terminal pressure will be as described above. It is assumed that the conditions cannot be satisfied.

第5の変形例では、このような場合を想定し、分散協調制御の対象とする隣接ブロックの範囲を自ブロックの状況に応じて変更する制御方法である。以下、図1に示した配水ブロックB1を例に説明する。配水ブロックB1は、配水ブロックB2、配水ブロックB3及び配水ブロックB5と連絡管で連結されている。そのため、通常時においては、配水ブロックB1に隣接する配水ブロックを表す識別子の集合Nは、N={2,3,5}と表される。この場合、例えば次のように隣接ブロックを変更する。 The fifth modification is a control method that assumes such a case and changes the range of adjacent blocks to be subject to distributed cooperative control according to the situation of the own block. Hereinafter, the water distribution block B1 shown in FIG. 1 will be described as an example. The water distribution block B1 is connected to the water distribution block B2, the water distribution block B3, and the water distribution block B5 by a connecting pipe. Therefore, in the normal state, the set N 1 of the identifiers representing the water distribution blocks adjacent to the water distribution block B1 is expressed as N 1 = {2, 3, 5}. In this case, the adjacent block is changed as follows, for example.

(1)P>P1_refの場合
={2,3,5}
(2)P<P1_refの場合
={2,3,4,5}
(1) In the case of P 1 > P 1_ref N 1 = {2, 3, 5}
(2) In the case of P 1 <P 1_ref N 1 = {2,3,4,5}

すなわち、配水ブロックB1の末端圧が目標値を下回った場合(上記(1)の場合)には、直接連絡管で接続されている配水ブロックだけでなく、配水ブロックB2や配水ブロックB3を介して間接的に接続されている配水ブロックB4も隣接ブロックとして定義する。図1では、配水区が5つの配水ブロックのみで構成されるため、末端圧が目標値を大きく下回った場合に全配水ブロックが隣接ブロックと定義されることになるが、これは必ずしも全ての配水ブロックが隣接ブロックに定義されることを意味するものではない。一般には、末端圧が目標値を大きく下回った場合に、隣接ブロックに隣接する配水ブロックが新たな隣接ブロックに追加されることを意味している。 That is, when the terminal pressure of the water distribution block B1 falls below the target value (in the case of (1) above), not only the water distribution block directly connected by the connecting pipe but also the water distribution block B2 and the water distribution block B3 are used. The indirectly connected water distribution block B4 is also defined as an adjacent block. In FIG. 1, since the distribution zone is composed of only five distribution blocks, all distribution blocks are defined as adjacent blocks when the terminal pressure is significantly lower than the target value, but this is not necessarily all distribution. It does not mean that the block is defined as an adjacent block. In general, it means that a water distribution block adjacent to an adjacent block is added to a new adjacent block when the end pressure is significantly below the target value.

上記のように隣接ブロックの範囲が、自ブロックの状況に応じて変更されることにより、何らかの理由で一部の配水ブロックにおいて必要最低限の末端圧を確保できなくなった場合に、当該配水ブロックに対する水の供給を、配水区全体でバックアップすることが可能になる。 When the range of the adjacent block is changed according to the situation of the own block as described above and it becomes impossible to secure the minimum necessary terminal pressure in some water distribution blocks for some reason, the water distribution block is subjected to. It will be possible to back up the water supply throughout the distribution area.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、自ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値(第1の圧力情報)と、隣接ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値(第2の圧力情報)と、を取得する圧力情報取得部と、自ブロック及び隣接ブロックの圧力情報と、自ブロックの配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて前記制御目標を補正する制御部と、を持つことにより、配水ブロックが相互に水を融通し合うことが可能なように構成された配水管網において、末端圧に基づく配水ポンプの制御をより容易に実現することができる。 According to at least one embodiment described above, the measured value or estimated value (first pressure information) of the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the own block and the predetermined position in the water distribution pipe network in the adjacent block. Based on the pressure information acquisition unit that acquires the measured or estimated pressure value (second pressure information), the pressure information of the own block and the adjacent block, and the control target given to the water distribution pump of the own block. By having a control unit that corrects the control target, it is easier to control the water distribution pump based on the terminal pressure in the water distribution pipe network configured so that the water distribution blocks can exchange water with each other. It can be realized.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

1…配水ポンプ制御装置、101…記憶部、102…入力部、103…通信部、104…末端圧情報取得部、105…制御部、10…制御対象プロセス、20…制御装置、30…配水ポンプ、40…圧力計、A…配水区、B1〜B5…配水ブロック、Bi,Bj…配水ブロック、Cij…連絡管、Pi…配水ポンプ、Si…圧力計、Wi…配水管網 1 ... Water distribution pump control device, 101 ... Storage unit, 102 ... Input unit, 103 ... Communication unit, 104 ... Terminal pressure information acquisition unit, 105 ... Control unit, 10 ... Control target process, 20 ... Control device, 30 ... Water distribution pump , 40 ... pressure gauge, A ... distribution area, B1 to B5 ... water distribution block, Bi, Bj ... water distribution block, Cij ... connecting pipe, Pi ... water distribution pump, Si ... pressure gauge, Wi ... water distribution pipe network

Claims (10)

複数の配水ブロックに分割された配水区の配水管網において、前記複数の配水ブロックのうちの第1の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第1の圧力情報と、前記第1の配水ブロックに隣接する第2の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第2の圧力情報と、を取得する圧力情報取得部と、
前記第1及び第2の圧力情報と、前記第1の配水ブロック内の配水を行う第1の配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて、前記第1の圧力情報が示す圧力と、前記第2の圧力情報が示す圧力との差が小さくなるように前記制御目標を補正する制御部と、
を備え
前記制御部は、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御を合意勾配アルゴリズムで実現する
配水ポンプ制御装置。
In the water distribution pipe network of the distribution area divided into a plurality of water distribution blocks, the first one showing the measured value or the estimated value of the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the first water distribution block among the plurality of water distribution blocks. A pressure information acquisition unit that acquires pressure information and second pressure information indicating a measured value or an estimated value of pressure at a predetermined position in a water pipe network in a second water distribution block adjacent to the first water distribution block. When,
Based on the first and second pressure information and the control target given to the first water distribution pump that distributes water in the first water distribution block, the pressure indicated by the first pressure information and the first. A control unit that corrects the control target so that the difference from the pressure indicated by the pressure information of 2 becomes small,
Equipped with a,
The control unit corrects the control target and determines the operation amount of the first water distribution pump by distributed cooperative control with an adjacent water distribution block, and realizes the distributed cooperative control by a consensus gradient algorithm. apparatus.
前記所定位置は、第1の配水ブロック内又は第2の配水ブロック内の配水管網における圧力最小点である、
請求項1に記載の配水ポンプ制御装置。
The predetermined position is the minimum pressure point in the distribution pipe network in the first distribution block or the second distribution block.
The water distribution pump control device according to claim 1.
前記圧力情報取得部は、前記第1の配水ブロック内又は第2の配水ブロック内の複数の位置で圧力情報を時系列に取得し、
前記制御部は、前記圧力情報に基づいて前記第1の配水ブロック内又は第2の配水ブロック内の複数の位置からその時点での圧力最小点を選択し、選択された圧力最小点の圧力情報に基づいて前記制御目標を補正する、
請求項2に記載の配水ポンプ制御装置。
The pressure information acquisition unit acquires pressure information in time series at a plurality of positions in the first water distribution block or the second water distribution block.
The control unit selects the pressure minimum point at that time from a plurality of positions in the first water distribution block or the second water distribution block based on the pressure information, and the pressure information of the selected pressure minimum point. Correct the control target based on
The water distribution pump control device according to claim 2.
前記圧力情報取得部は、前記第1の配水ブロック内又は前記第2の配水ブロック内の圧力最小点の圧力を水需要予測又は管網解析によって推定し、推定された前記圧力を示す情報を前記第1の圧力情報又は前記第2の圧力情報とする、
請求項2又は3に記載の配水ポンプ制御装置。
The pressure information acquisition unit estimates the pressure at the minimum pressure point in the first water distribution block or the second water distribution block by water demand forecast or pipe network analysis, and obtains information indicating the estimated pressure. The first pressure information or the second pressure information.
The water distribution pump control device according to claim 2 or 3.
前記制御部は、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御をPID制御と合意制御とを組み合わせたアルゴリズムで実現する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の配水ポンプ制御装置。
The control unit corrects the control target and determines the operation amount of the first water distribution pump by distributed cooperative control with an adjacent water distribution block, and the distributed cooperative control is combined with PID control and consensus control. Realized by algorithm,
The water distribution pump control device according to any one of claims 1 to 4.
前記制御部は、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御を極値制御と合意制御とを組み合わせたアルゴリズムで実現する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の配水ポンプ制御装置。
The control unit corrects the control target and determines the operation amount of the first water distribution pump by distributed cooperative control with an adjacent water distribution block, and the distributed cooperative control is combined with extreme value control and consensus control. Realized by the algorithm
The water distribution pump control device according to any one of claims 1 to 4.
前記制御部は、前記第2の配水ブロックを所定の条件に基づいて他の配水ブロックに変更する、
請求項1〜のいずれか一項に記載の配水ポンプ制御装置。
The control unit changes the second water distribution block to another water distribution block based on a predetermined condition.
The water distribution pump control device according to any one of claims 1 to 6.
請求項1〜のいずれか一項に記載の配水ポンプ制御装置を複数備え、
前記配水ポンプ制御装置のそれぞれが、前記第1及び第2の圧力情報と、前記第1の配水ブロック内の配水を行う第1の配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて前記制御目標を補正する、
配水ポンプ制御システム。
The water distribution pump control device according to any one of claims 1 to 7 is provided.
Each of the water distribution pump control devices corrects the control target based on the first and second pressure information and the control target given to the first water distribution pump that distributes water in the first water distribution block. To do
Water distribution pump control system.
複数の配水ブロックに分割された配水区の配水管網において、前記複数の配水ブロックのうちの第1の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第1の圧力情報と、前記第1の配水ブロックに隣接する第2の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第2の圧力情報と、を取得する圧力情報取得ステップと、
前記第1及び第2の圧力情報と、前記第1の配水ブロック内の配水を行う第1の配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて、前記第1の圧力情報が示す圧力と、前記第2の圧力情報が示す圧力との差が小さくなるように前記制御目標を補正するステップであって、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御を合意勾配アルゴリズムで実現する制御ステップと、
を有する配水ポンプ制御方法。
In the water distribution pipe network of the distribution area divided into a plurality of water distribution blocks, the first one showing the measured value or the estimated value of the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the first water distribution block among the plurality of water distribution blocks. Pressure information acquisition step of acquiring pressure information and second pressure information indicating a measured value or an estimated value of pressure at a predetermined position in a water pipe network in a second water distribution block adjacent to the first water distribution block. When,
Based on the first and second pressure information and the control target given to the first water distribution pump that distributes water in the first water distribution block, the pressure indicated by the first pressure information and the first. It is a step of correcting the control target so that the difference from the pressure indicated by the pressure information of 2 becomes small, and the correction of the control target and the determination of the operation amount of the first water distribution pump are performed with the adjacent water distribution block. The control step that realizes the distributed cooperative control by the agreed gradient algorithm, and
Water distribution pump control method having.
複数の配水ブロックに分割された配水区の配水管網において、前記複数の配水ブロックのうちの第1の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第1の圧力情報と、前記第1の配水ブロックに隣接する第2の配水ブロック内の配水管網における所定位置の圧力の計測値又は推定値を示す第2の圧力情報と、を取得する圧力情報取得ステップと、
前記第1及び第2の圧力情報と、前記第1の配水ブロック内の配水を行う第1の配水ポンプに与えられる制御目標とに基づいて、前記第1の圧力情報が示す圧力と、前記第2の圧力情報が示す圧力との差が小さくなるように前記制御目標を補正するステップであって、前記制御目標の補正と前記第1の配水ポンプの操作量の決定とを隣接する配水ブロックとの分散協調制御によって行い、前記分散協調制御を合意勾配アルゴリズムで実現する制御ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
In the water distribution pipe network of the distribution area divided into a plurality of water distribution blocks, the first one showing the measured value or the estimated value of the pressure at a predetermined position in the water distribution pipe network in the first water distribution block among the plurality of water distribution blocks. Pressure information acquisition step of acquiring pressure information and second pressure information indicating a measured value or an estimated value of pressure at a predetermined position in a water pipe network in a second water distribution block adjacent to the first water distribution block. When,
Based on the first and second pressure information and the control target given to the first water distribution pump that distributes water in the first water distribution block, the pressure indicated by the first pressure information and the first. It is a step of correcting the control target so that the difference from the pressure indicated by the pressure information of 2 becomes small, and the correction of the control target and the determination of the operation amount of the first water distribution pump are performed with the adjacent water distribution block. A control step that is performed by the distributed cooperative control of the above and realizes the distributed cooperative control by the agreed gradient algorithm, and
A computer program that lets a computer run.
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