JP7013325B2

JP7013325B2 - 運用計画立案装置および運用計画立案方法

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Publication number: JP7013325B2
Application number: JP2018098029A
Authority: JP
Inventors: 進吾足立; 信補高橋; 晴茂斉藤; 基朗小熊; 信幸中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2022-01-31
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: JP2019203287A

Description

本発明は、プラントの運用計画立案装置および運用計画立案方法に関する。

上下水道プラントなどの運用に関して、特許文献１には、「配水網における需要の予測と計測結果とに基づいて、前記需要の予測を修正すべきかを判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果に応じて、前記計測結果に基づき前記需要の予測を修正する需要予測修正手段と、修正された前記需要の予測に基づいて、前記配水網に設けられた設備の運用計画を修正する運用計画修正手段とを備える水運用計画装置」、「前記判定手段は、前記需要の予測と前記計測結果との差異が所定の基準よりも大きい場合に前記需要の予測を修正する」、「前記需要予測修正手段は、前記需要の予測と前記計測結果に基づく実際の需要との差異を求めることで前記需要の予測を修正する」、「前記運用計画修正手段は、前記運用計画と、修正された前記需要の予測に応じて定められる新たな運用計画との差異を求めることで前記運用計画を修正する」、という記載がある。

特開２０１７－８２４３５号公報

特許文献１の技術では、需要予測の誤差以外の原因による各種運用変更によって運用計画の修正が必要となる場合が想定されていない。運用変更の例としては、設備点検のために運用計画外のポンプ運転を行う場合や、一つの配水区域に対して複数の配水池から配水を行っている送配水系において、需要予測どおりの総配水量であっても配水池間の配水量のバランスが計画と異なった場合などが挙げられる。

また、ポンプ始動・停止などの運転切替時刻は、例えば毎正時と毎時３０分のように限定して運用計画を立案することが一般的である。このため、運用計画を修正する場合であっても、前記の限定によって運用計画の修正の自由度が低く、実際に運転切替を行うまでには少なくとも３０分以上の時間を要する可能性が高い。結果として、例えば配水池の変動幅が大きくなってしまう可能性が高く、運用をより最適化する余地が残る。

そこで、本発明では、各種運用変更に追従した運用計画を出力する運用計画立案装置および運用計画立案方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる運用計画立案装置は、制御対象となる設備の過去の運転実績データに基づいて、需要の予測値を計算する需要予測部と、所定周期または前記設備に対する運用変更の検知により、前記設備の運用計画を再立案する必要性を判定する再計画判定部と、前記再計画判定部による前記判定の結果に基づいて、前記再立案する必要があると判定された設備について、制御可能な時間的な境界点を示す変更限界時刻を計算する変更限界時刻計算部と、前記需要予測部が計算した前記需要の予測値と、前記変更限界時刻計算部が計算した前記変更限界時刻とに基づいて、前回の運用計画から運転切替を前倒しする修正は、前記変更限界時刻より後の時刻への修正であることを追加の制約条件として、前記設備の運用を最適化する運用計画を立案する運用計画立案部と、を備えることを特徴とする運用計画立案装置として構成される。

また、本発明は、上記運用計画立案装置で行われる運用計画立案方法としても把握される。

本発明によれば、各種運用変更に追従した運用計画を出力することができる。

運用計画立案装置およびシステムの実施形態の論理構成を示す図である。運用計画立案装置のハードウェアブロック図である。運用制御の対象となる水道施設群の構成を示す図である。運用計画の例を示す図である。運用計画と実績の差分にもとづく運用変更の検知を示す図である。変更限界時刻計算部の処理フローチャートである。再計画時の変更限界時刻と計画の修正を示す図である。再計画時の変更限界時刻と修正対象外の計画項目を示す図である。運用計画表示ウィンドウの例を示す図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１は、運用制御システム１００および運用計画立案装置１０１の論理構成を示す図である。運用制御システム１００および運用計画立案装置１０１は、水道の導送配水プロセスを運用制御および運用計画立案の対象とし、予め作成した運用計画に基づいて機器を制御する。

運用制御システム１００は、運用計画立案装置１０１と、監視制御装置１０２と、センサ１０３と、サブコントローラ１０４とを有している。

運用計画立案装置１０１は、再計画判定部１１１と、変更限界時刻計算部１１２と、需要予測部１１３と、運用計画立案部１１４と、運転実績データ記憶部１２１と、変更限界基礎データ記憶部１２２と、データ収集部１５１と、計画出力部１５２と、計画表示部１５３とを備える。

再計画判定部１１１は、運転実績データ記憶部１２１より運転実績データを読み出し、運用計画立案部１１４より最新の運用計画を受信し、所定周期または運用変更の検知によって運用計画の再立案の必要性、すなわち、再計画の要否を判定する処理を行う。また、再計画判定部１１１は、再計画を要と判定した場合に、判定理由を変更限界時刻計算部１１２と運用計画立案部１１４に送信する。再計画判定部１１１の処理の詳細は、図５の説明とともに後述する。

変更限界時刻計算部１１２は、再計画判定部１１１より判定理由を受信し、当該判定理由に含まれる再計画の対象設備を選択し、運用計画の変更限界時刻を計算する処理を行い、前記再計画の対象設備と、前記変更限界時刻を運用計画立案部１１４に送信する。変更限界時刻計算部１１２の処理の詳細は、図６の説明とともに後述する。

需要予測部１１３は、運転実績データ記憶部１２１より過去の運転実績データを読み出し、当該運転実績データに基づいて需要の予測値を計算し、前記需要の予測値を運用計画立案部１１４に送信する。ここで、需要の予測値とは、予測時点から所定の将来期間（例えば２４時間分）における、所定の時間ステップ（例えば１５分間）ごと、配水区域ごとの配水量の予測値の時系列をさす。需要予測の計算方法には、公知の時系列予測方法を採用することができる。

運用計画立案部１１４は、運転実績データ記憶部１２１より直近の運転実績データを読み出し、需要予測部１１３より需要の予測値を受信し、変更限界時刻計算部１１２より再計画の対象設備と変更限界時刻を受信し、再計画判定部１１１より判定理由を受信する。そして、運用計画立案部１１４は、前回の運用計画から運転切替を前倒しする修正は、前記変更限界時刻より後の時刻への修正であることを追加の制約条件として、プラント運用を最適化する運用計画を立案する処理を行い、前記運用計画を計画出力部１５２および計画表示部１５３に送信する。運用計画立案部１１４の処理の詳細は、図７および図８の説明とともに後述する。また、運用計画の詳細は図４の説明にて後述する。

運転実績データ記憶部１２１は、データ収集部１５１より送信された運用計画対象についての取送配水プロセスの運転実績データを蓄積する。当該運転実績データは、再計画判定部１１１、変更限界時刻計算部１１２、需要予測部１１３、運用計画立案部１１４により読み出される。運転実績データとは、例えば、取送配水プロセスのセンサ計測値、および、機器やセンサの故障状態を示すデータをさす。また、運転実績データには、監視制御装置１０２で管理している関連データ、すなわち、機器やセンサの故障状態の変化に関するアラーム情報等を含めてもよい。

変更限界基礎データ記憶部１２２は、変更限界時刻の計算の基礎となるデータとして、設備ごとの特徴に応じた余裕時間と、再計画の対象設備の組合せに対応する計算時間の上限値を蓄積する。余裕時間は、運用計画立案装置１０１で立案された再計画後の運用計画が、監視制御装置１０２およびサブコントローラ１０４を介して再計画の対象設備に送信され、上記対象設備が当該運用計画を反映した再計画後の運用を開始するまでの時間である。余裕時間の具体的な設定方法については、図６の説明において後述する。また、上記計算時間の上限値は、運用計画立案部１１４が上記対象設備についての最適な運用計画を立案するために必要な時間の閾値であり、例えば、運用計画についての最適化問題を計算して近似最適解を得るために許容される時間の閾値である。当該上限値の具体的な用い方については図７を用いて後述する。当該データは、変更限界時刻計算部１１２により読み出される。変更限界基礎データ記憶部１２２が蓄積するデータの詳細は図６の説明にて後述する。

データ収集部１５１は、監視制御装置１０２から運用計画対象の導送配水プロセスの運転実績データを受信し、運転実績データ記憶部１２１に送信する。

計画出力部１５２は、運用計画立案部１１４より運用計画を受信し、前記運用計画を監視制御装置１０２に運用制御の目標値として送信する。

計画表示部１５３は、変更限界時刻計算部１１２より変更限界時刻を受信し、運用計画立案部１１４より前回および最新の運用計画を受信し、これらを操作者向けのディスプレイのウィンドウに表示する。計画表示部１５３の表示例は、図８の説明として後述する。

監視制御装置１０２は、運用制御対象の導送配水プロセスの状態を計測するセンサ１０３から計測値を収集し、前記計測値と、センサ１０３や機器の故障状態と、センサ１０３や機器の故障状態の変化に関するアラーム情報を運用計画立案装置１０１に送信し、また運用制御の目標値として運用計画を運用計画立案装置１０１から受信し、受信した当該運用計画に基づいて運用制御対象の導送配水プロセスの状態を制御するサブコントローラ１０４に制御目標値を送信する。
なお、運用計画立案装置１０１は、監視制御装置１０２からは遠隔地に設置されたデータセンター上のプログラムとして実現してもよい。

図２は、運用計画立案装置のハードウェアブロック図である。図２を参照して、運用計画立案装置１０１のハードウェア構成を説明する。
図２において、運用計画立案装置１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、メモリ２０２と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）２０３と、通信制御装置２０４と、入力装置２０５と、表示装置２０６と、バス２１０とを有して構成されている。

ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２上のプログラムを実行する演算装置である。メモリ２０２は、プログラム、テーブル等を一時記憶する記憶媒体である。ＨＤＤ２０３は、プログラム、テーブル等を保持する記憶装置である。

入力装置２０５は、キーボード、マウス等の入力機器である。通信制御装置２０４は、ＮＩＣ（Network Interface Card）等の通信機器であり、ネットワーク２２０と接続されている。
表示装置２０６は、例えば、図１で説明したディスプレイである。

バス２１０は、ＣＰＵ２０１、メモリ２０２、メディア入出力部２０３、入力部２０５、通信制御部２０４、表示部２０６、周辺機器ＩＦ部２０７を相互接続する通信路である。

図１と図２との対比から明らかなように、図１の運用計画立案装置１０１は、ＣＰＵ２０１がプログラムを実行することで実現している。
すなわち、図２に示すＨＤＤ２０３には、運用計画立案装置１０１の再計画判定部１１１、変更限界時刻計算部１１２、需要予測部１１３、運用計画立案部１１４、データ収集部１５１、計画出力部１５２、計画表示部１５３の機能を実現するためのプログラム、および運転実績データ記憶部１２１、変更限界基礎データ記憶部１２２が蓄積するデータが記憶される。ＣＰＵ２０１が、上記プログラムをＨＤＤ２０３から読み出してメモリ２０２にロードして実行することにより、上記各部の機能を実現する。

なお、上記プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供したり、インターネット等のネットワークに接続された他のコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより、ＨＤＤ２０３に提供または配布するように構成してもよい。運用計画立案装置１０１と、監視制御装置１０２を同一のハードウェア上に異なるプログラムとして実現することとしてもよい。

図３は、運用制御の対象となる水道施設群の構成を示す図である。図３を参照して、運用計画立案装置１０１が監視対象とする広域プラントである水道の導送配水プロセスの構成を説明する。

図３は、水道の導送配水系の設備構成を示す。配水池３０１、３０２から配水区域３４１に対して、配水ポンプ施設３２１、３２２により多点注入でポンプ配水している。図中には、配水管３５４のように、代表的な配水管のみを記載している。配水区域３４１中には、末端局３６１、３６２があり、水圧や水質を計測する。また、配水池３０３から配水区域３４２に対して減圧バルブ３３４を通じて自然流下配水している。配水池３０１への流入は、送水管３５１を通じて用水供給事業者から受水と、合わせて導水ポンプ施設３２４からの原水を浄水場３１１で処理した浄水とからなる。配水池３０１の水の一部は、送水ポンプ施設３２３、送水管３５３を経由して配水池３０３に送水している。配水池３０２への流入は、送水管３５２を通じた用水供給事業者から受水である。各配水池の送水管からの流入部には、流量調整バルブ３３１、流量調整バルブ３３２、仕切バルブ３３３がある。

この例にて、監視制御装置１０２が計測値を収集するセンサ１０３は、各配水池の水位計、各ポンプ施設、バルブにおける流量計、各ポンプ施設と末端局における水圧計、各ポンプ施設のポンプ運転号機、回転数、消費電力の計測器、各バルブの開度の計測器、などが該当する。

また、この例にて、監視制御装置１０２が制御を指示するサブコントローラ１０４は、各ポンプの始動・停止、回転数調整機器、各バルブの開度調整などを制御するコントローラが該当する。

なお、以下、配水ポンプ施設３２１をＡ配水ポンプ、配水ポンプ施設３２２をＢ配水ポンプ、送水ポンプ施設３２３をＣ送水ポンプと略記することがある。

運用計画の例を示す図４を参照して、本実施例における運用計画の例を説明する。運用計画とは、ここでは、運用計画立案時点から所定の将来期間（例えば２４時間分）における、制御目標ないしはプロセス状態の推移の計画をさす。

制御目標ないしはプロセス状態の具体例としては、各流量計での導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数、配水池水位、ポンプ回転数や、バルブ開度、目標流量などのポンプ・バルブの制御目標などがある。後述するように、運用計画立案装置１０１は、水道の導送配水プロセスを運用計画立案の対象とし、運用計画立案部１１４が、導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数、配水池水位のいずれかを含む運用計画であって、運転切替として、導送配水ポンプの起動または／および停止、バルブの開閉、ポンプまたは／およびバルブの制御目標の変更のいずれかの操作を含む運用計画を立案する。

図４中では、運用計画の例として、配水区域３４１の総配水量と、配水池３０１の水位と、送水ポンプ施設３２３のポンプ運転台数の時間的な推移を表示している。

運用計画における推移は、主に時間ステップ（以下、例として３０分間とする）ごとの値の時系列で表現する。この際、時々刻々と変化するプロセスを３０分間ごとの値で表現するために、適切な集約方法で時間ステップを代表する値を定める。例えば、水位は毎正時および毎時３０分における値、取水・送水・配水量は各３０分の平均値を取る。

ただし、導送配水ポンプの起動・停止、バルブの開閉、ポンプ・バルブの制御目標の変更などの運転切替は、毎正時および毎時３０分だけでなく、任意の時刻での切替を運用計画として含む。例えば、運用計画立案装置１０１は、送水ポンプ施設３２３の送水ポンプ運転台数を１５時５分に０台から１台へと切り替える運用計画を出力することがある。
なお、送水ポンプ１台運転時の送水流量が６０ｍ^３／ｈの場合、１５時０分から３０分の送水量は６０／３０×２５＝５０ｍ^３／ｈと出力する。

また、運用計画立案装置１０１は、毎正時および毎時３０分だけでなく、任意の時刻を初期状態として運用計画を立案する。

後述するとおり、再計画判定部１１１が運用計画と運転実績の差異から運用変更を検知したとき、運用計画立案装置１０１は次の正時あるいは３０分を待たずに直ちに運用計画を立案する。この時運用計画立案装置１０１は、運用計画の最初の時間ステップとしては、初期状態である計画立案時刻から次の正時あるいは３０分までの時間ステップを採用する。

この時間ステップは３０分間ではなくより短い変則的な長さとなる。運用計画立案部１１４における最適化問題の定式化においては、水量バランスの制約条件で時間ステップの長さを考慮することで、時間ステップの変則的な長さに対応可能な式とする。当該式については数２を用いて後で具体的に説明する。

図５は、Ａ配水ポンプの運転台数を対象とし、運用計画と実績の差分にもとづく運用変更の検知を示す図である。図５を参照して、再計画判定部１１１の処理を説明する。
再計画判定部１１１は、データ受信、判定、結果送信の各ステップで処理を行う。
データ受信ステップでは、再計画判定部１１１は、運転実績データ記憶部１２１より運転実績データを読み出し、運用計画立案部１１４より最新の運用計画を受信する。
続く判定ステップでは、再計画判定部１１１は、二通りの方法により再計画の要否を判定する。どちらか一方の方法が要と判定すれば、再計画の要否の判定結果は要とする。

まず第一の方法として、再計画判定部１１１は、処理時刻が所定周期に該当する場合に再計画が要と判定する。例えば再計画の周期を３０分として、毎正時および毎時３０分に再計画が要と判定する。

一方、第二の方法として、再計画判定部１１１は、運用計画立案部１１４から受信した最新の運用計画と、運転実績データ記憶部１２１から読み出した運転実績とを比較し、運用変更、すなわち、計画外の運転操作や外乱を検知した場合に再計画が要と判定し、計画外の運転操作や外乱に追従してプラント運用を行えるようにする。

運用変更の検知の例を説明する。図５（ａ）はＡ配水ポンプの運転台数の最新の運用計画値、（ｂ）は同運転台数の実績値である。運用計画値５０１のポンプ始動時刻５０２に対して、実績値５０３のポンプ始動時刻５０４が前倒しされている。

この例のように、再計画判定部１１１は、運用計画と実績とで運転切替時刻の差が所定の閾値（例えば１０分）よりも大きいか否かを判定し、その差が所定の閾値よりも大きいと判定した場合に、運用変更を検知し、再計画が要と判定する。

再計画判定部１１１は、また、運用計画と実績との間で、配水池水位、導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数のいずれかの差が所定の閾値以上であるか否かを判定し、その差が所定の閾値よりも大きいと判定した場合に運用変更を検知する。

最後の結果送信ステップでは、再計画判定部１１１は、再計画の要否の判定結果が要のときに、判定理由を変更限界時刻計算部１１２と運用計画立案部１１４に送信する。ここで、判定理由は、所定周期に基づく判定か、あるいは運用変更を検知したかの区別と、後者の場合は運用変更を検知した項目である。上記の例の場合、検知した項目はＡ配水ポンプのポンプ始動時刻の前倒しである。

上述した再計画判定部１１１を備えることで、運用計画立案装置１０１は設備点検のために運用計画外のポンプ運転を行う場合や、一つの配水区域に対して複数の配水池から配水を行っている送配水系において、需要予測どおりの総配水量であっても配水池間の配水量のバランスが計画と異なった場合などの運用変更を検知できる。

図６は、変更限界時刻計算部の処理フローチャートである。図６を参照して、変更限界時刻計算部１１２の処理を説明する。
ステップ６０１において、変更限界時刻計算部１１２は、処理を開始する。
ステップ６０２において、変更限界時刻計算部１１２は、再計画判定部１１１より判定理由を受信する。
ステップ６０３において、変更限界時刻計算部１１２は、前記判定理由に基いて再計画の対象設備を選択する。

ここで、変更限界時刻計算部１１２は、前記判定理由が運用変更の検知である場合に、検知項目による影響の大きい設備、具体的には、検知項目の上流に位置する設備を再計画の対象設備として選択する。

例えば、運用変更の検知項目が配水池３０３の水位である場合、変更限界時刻計算部１１２は、その上流となる送水ポンプ施設３２３、配水池３０１、流量調整バルブ３３１、浄水場３１１、導水ポンプ施設３２４を再計画の対象設備とする。一方で、配水ポンプ施設３２１－３２２や、配水池３０２、流量調整バルブ３３２は上流にはないため、変更限界時刻計算部１１２は、これらの設備を再計画の対象外とする。また、例えば、運用変更の検知項目が配水ポンプ施設３２１－３２２の配水量である場合、変更限界時刻計算部１１２は、上流にはない送水ポンプ施設３２３、配水池３０３、減圧バルブ３３４は再計画の対象外とし、その他の設備を再計画の対象設備とする。
なお、前記判定理由が所定周期に基づく判定の場合、変更限界時刻計算部１１２は、変更限界時刻計算部１１２は全ての設備を再計画の対象設備として選択する。

ステップ６０４において、変更限界時刻計算部１１２は、前記再計画の対象設備に対応する運用計画立案部１１４が近似最適解を得るために許容される計算時間の上限値Ｓを、変更限界基礎データ記憶部１２２から読み出す。

ここで、変更限界基礎データ記憶部１２２は、再計画の対象設備の組合せごとに、計算時間の上限値をテーブル形式で蓄積している。例えば、変更限界基礎データ記憶部１２２は、上述した二通りの組合せと、全ての設備を含む組合せについて、それぞれ計算時間の上限値を記憶しており、変更限界時刻計算部１１２により読み出される。なお、記憶していない再計画の対象設備の組合せに対しては、変更限界基礎データ記憶部１２２に記憶されている全ての設備を含む組合せの計算時間の上限値が、変更限界時刻計算部１１２により読み出される。

ステップ６０５において、変更限界時刻計算部１１２は、再計画の対象となる各設備ｋについて、変更限界基礎データ記憶部１２２より余裕時間Ｒ＿ｋを読み出す。なお、＿は下付き文字の略記法である。
ここで、変更限界基礎データ記憶部１２２は、設備ごとの余裕時間をテーブル形式で蓄積している。

余裕時間は、設備の特徴に応じて異なる値を設定できる。例えば、導水量を調整する導水ポンプの運転台数は、運用計画立案装置１０１の操作者、すなわち水道の導送配水システムを監視する運転員が運用計画の修正による浄水プロセスの安定性への影響を確認する時間を確保するために、送水ポンプよりも長い余裕時間を設定する。一方、例えば水需要量に比べて容量の小さい配水池へと送水する送水ポンプの運転台数は、速やかな配水池水位の適正化のために、導水ポンプよりも短い余裕時間を設定する。他にも、設備に対する監視制御システムから遠方制御の可否などの特徴に応じて余裕時間を設定できる。

ステップ６０６において、変更限界時刻計算部１１２は、再計画の対象となる各設備ｋについて、ステップ６０４で受信した計算時間の上限値Ｓと、ステップ６０５で受信した余裕時間Ｒ＿ｋを用いて、式
Ｔ＿ｋ＝Ｓ＋Ｒ＿ｋ
により変更限界時刻Ｔ＿ｋを計算する。変更限界時刻は、設備を適切に制御できる時間的な境界点である。

ステップ６０７において、変更限界時刻計算部１１２は、再計画の対象設備と、各設備の変更限界時刻Ｔ＿ｋを運用計画立案部１１４に送信する。

ステップ６０８において、変更限界時刻計算部１１２は、処理を終了する。

上述した変更限界時刻計算部１１２を備えることで、運用計画立案装置１０１は、設備ごとの運転切替の変更限界時刻を精緻に評価でき、後述する運用計画立案部１１４にて、より自由度の高い運用計画の立案を行える。

また、判定理由に基いて再計画の対象設備を限定し、運用計画立案部１１４の計算時間の上限を変更することで、運用計画立案装置１０１は、可能な場合に変更限界時刻を前倒しし、より自由度の高い運用計画の立案を行える。さらに、局所的だが対応の緊急度が高い運用変更に対して迅速に運用計画を修正できる。

図７および図８を参照しながら、運用計画立案部１１４の処理を説明する。
運用計画立案部１１４は、データ受信、最適化問題構成、最適化問題求解、結果送信のステップで処理を行う。

続くデータ受信ステップでは、運用計画立案部１１４は、運転実績データ記憶部１２１より直近の運転実績データを読み出し、需要予測部１１３より需要の予測値を受信し、変更限界時刻計算部１１２より再計画の対象設備と変更限界時刻を受信し、再計画判定部１１１より判定理由を受信する。

続く最適化問題構成ステップでは、運用計画立案部１１４は、受信した各データに基いて、運用計画を立案する最適化問題を構成する。例えば、運用計画立案部１１４は、当該各データを受信したときの値を以下の算式に当てはめる。

最適化問題は以下で表現する。

ここで、ｆ、ｇ＿ｊ、ｈ＿ｉは関数であり、
Ｘ：運用計画を表現するベクトル、
ｓ：各配水池の水位や各ポンプの運転状態などの運用計画立案時点での導送配水システムの状態を表すベクトル、
Ｄ：需要の予測値を表すベクトル、
Ｔ：各設備の変更限界時刻のベクトル、
Ｙ：前回立案した運用計画を表現するベクトル、
ｐ：設備のインデックス、
Ｐ：全設備の集合、
Ｑ：再計画の対象設備の集合、である。

関数ｆ、ｇ＿ｊを定式化するためには、公知の手法を利用することができる。例えば、関数ｆは対象システムにおけるポンプ消費電力を表す関数とし、関数ｇ＿ｊは、配水区域における水需要の満足を表す制約式、配水池における水量バランスを意味する流入量と流出量と水位変化の関係式、固定速ポンプのみからなる導送配水ポンプ施設におけるポンプ運転台数と導送配水量の関係式、などを意味する関数とする。すなわち、関数ｇ＿ｊは、設備側の制約条件を表す関数として定めることができる。例として、配水池ｒにおける水量バランスを意味する流入量と流出量と水位変化の関係式は、

と書ける。ただし、
Ａ＿ｒ：配水池ｒの底面積、
Ｌ＿ｒ［ｔ］：水位ｒの時間ステップｔでの水位、
ｑ＿ｒ，ｉｎ［ｔ］：水位ｒの時間ステップｔにおける流入量、
ｑ＿ｒ，ｏｕｔ［ｔ］：水位ｒの時間ステップｔにおける流出量、
δ［ｔ］：時間ステップｔの長さ、である。

上記数２では、従来のように固定値（例えば、３０分ごと）ではなく、時間ステップｔの長さを変数として定義している。したがって、例えば、運用計画立案部１１４が、最初の正時を経過し、その３０分後に至るまで（例えば、最初の正時から２０分後）に、上記第二の方法により再計画が要である旨の判定結果を受信した場合であっても、その時点での時間ステップの長さδ［ｔ］（例えば、２０分）を上記算式に与えることにより、運用変更が検知されたタイミングで、直ちに運用計画を修正することができる。

関数ｈ＿ｉは、運転切替に関する制約条件を表す関数であり、後述する。
制約式Ｘ＿ｐ＝Ｙ＿ｐは、再計画の対象外である設備では、前回立案した運用計画の値をそのまま採用することを表す。

運転切替に関する制約条件は、前回の運用計画から運転切替を前倒しする修正は、前記変更限界時刻より後の時刻への修正であることを課すという条件である。図７および図８を参照して、詳細を説明する。

図７は、Ｂ配水ポンプの運転台数に関する変更限界時刻と計画の修正を示す図である。
再計画判定時刻７０１は、再計画判定部１１１が図５で説明した処理を実行して再計画を要と判定したときの時刻である。期間７０２、７０３は、それぞれ、変更限界時刻７０４の計算に用いられた運用計画立案部１１４の計算時間の上限値、当該設備の余裕時間を示す。また、時刻７０４は、変更限界時刻計算部１１２が計算した変更限界時刻である。

前回計画値７０５は、変更限界時刻７０４より後の時刻７０６にポンプを追加始動する運転切替を行う計画である。

こうした運転切替に対して、運用計画立案部１１４は、関数ｈ＿ｉの一つとして、前回の運用計画から前記運転切替を前倒しする修正は、前記変更限界時刻より後の時刻への修正であることを課す。すなわち、前記最適化問題の最適化解の候補である修正計画値７０７のポンプ追加始動時刻７０８は、変更限界時刻７０４より後の時刻でなければならないことを関数ｈ＿ｉの一つとして定式化する。

また、図８は、Ｃ送水ポンプの運転台数に関する変更限界時刻と修正対象外の計画項目を示す図である。期間８０３、８０４の意味は図７と同様である。

前回計画値８０５は、変更限界時刻８０４より前の時刻８０６にポンプを追加始動する運転切替を行う計画である。
こうした運転切替に対して、運用計画立案部１１４は、関数ｈ＿ｉの一つとして、時刻８０６の運転切替を修正計画値８０７そのまま採用することを課す。

続く最適化問題求解ステップでは、運用計画立案部１１４は、上記期間７０２の時間内で得られた計算結果の中から前記最適化問題の近似最適解として最適な運用計画を求める。

図８では、修正対象外の設備についての運用計画を例に説明しているが、修正対象の設備であっても、同様に考えることができる。すなわち、運用計画立案部１１４は、前回計画値８０５が変更限界時刻８０４よりも前の時刻として定められている場合について、時刻８０６を修正計画値８０７としてそのまま採用することを課すことができる。

最適化問題の近似最適解を求める方法は、例えば、遺伝的アルゴリズムや数理計画法などの公知の技術を用いることができる。

最後の結果送信ステップでは、運用計画立案部１１４は、前記運用計画を計画出力部１５２と計画表示部１５３に送信する。

運用計画立案部１１４の処理時点では、収集できるデータは再計画判定時刻７０１までのプラントの状態であるため、運用計画立案部１１４は、再計画判定時刻７０１を初期状態として運用計画を立案する。しかしながら、運用計画立案部１１４の処理が終了し、その出力した運用計画に従って制御を行うタイミングは、変更限界時刻７０４ごろとなる。

上述した運用計画立案部１１４を備えることで、運用計画立案装置１０１は必要な場合には運転切替を変更限界時刻の直後まで前倒しする、より自由度の高い運用計画を立案できる。

また、図８を参照して説明した運用計画立案部１１４を備えることで、運用計画立案装置１０１は、運用計画の立案時点では未実施だが、運用計画の修正には間に合わない運転切替について、前回の運用計画通りの運転切替を前提として以降の運用計画を修正できる。なお、こうした運転切替については、実施有無の両方の場合についてそれぞれ前提として運用計画を立案し、運用計画の立案後に実施有無を実績に基づいて確認し、実績に即した運用計画を採用する構成としてもよい。

図９は、運用計画表示ウィンドウの例を示す図である。図９を参照して、計画表示部１５３が変更限界時刻および運用計画を操作者に提示する方法を説明する。
計画表示部１５３がディスプレイ等に表示する運用計画表示ウィンドウ９０１は、項目選択パネル９１１と計画詳細表示パネル９１２を有する。

計画表示部１５３は、項目選択パネル９１１に対して、表示対象とする運用計画の項目の選択肢を表示する。また、計画表示部１５３は、項目選択パネル９１１にて、操作者からの選択操作を受け付けて、表示する運用計画の項目の入力を受け取る。

計画表示部１５３は、計画詳細表示パネル９１２に対して、項目選択パネル９１１で選択された項目を対象に、変更限界時刻計算部１１２が計算した再計画時刻９２１、運用計画立案部１１４の計算時間の上限９２２、余裕時間９２３、変更限界時刻９２４と、運用計画立案部１１４が計算した前回計画値９３５および修正計画値９３７、それらの運転切替時刻９３６、９３８を表示する。

上述した計画表示部１５３を備えることで、運用計画立案装置１０１は操作者に対して変更限界時刻７０４を精緻に評価した運用計画の修正結果を伝えることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１００運用制御システム
１０１運用計画立案装置
１１１再計画判定部
１１２変更限界時刻計算部
１１４運用計画立案部

Claims

制御対象となる設備の過去の運転実績データに基づいて、需要の予測値を計算する需要予測部と、
所定周期または前記設備に対する運用変更の検知により、前記設備の運用計画を再立案する必要性を判定する再計画判定部と、
前記再計画判定部による前記判定の結果に基づいて、前記再立案する必要があると判定された設備について、制御可能な時間的な境界点を示す変更限界時刻を計算する変更限界時刻計算部と、
前記需要予測部が計算した前記需要の予測値と、前記変更限界時刻計算部が計算した前記変更限界時刻とに基づいて、前回の運用計画から運転切替時刻を前倒しする修正を実施する場合、前記変更限界時刻より後の時刻となるよう修正を実施することを追加の制約条件として、前記設備の運用を最適化する運用計画を立案する運用計画立案部と、を備えた運用計画立案装置において、
前記運用計画立案装置は、水道の導送配水プロセスを運用計画立案の対象とし、
前記運用計画立案部は、導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数、配水池水位のいずれかを含む前記運用計画であって、前記運転切替として、導送配水ポンプの起動または／および停止、バルブの開閉、ポンプまたは／およびバルブの制御目標の変更のいずれかの操作を含む前記運用計画を立案する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
請求項１に記載の運用計画立案装置であって、
前記変更限界時刻計算部は、前記運用計画立案部が前記最適化する運用計画を立案するための計算時間の上限値と、前記運用計画立案部が前記再立案した運用計画に従って前記設備を運転するまでの余裕時間とを、前記再計画判定部が前記運用計画を再立案する必要があると判定したときの時刻に加えることで、前記変更限界時刻を計算する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
請求項１に記載の運用計画立案装置であって、
前記運用計画立案部は、前記変更限界時刻より前の時刻への運転切替については、前回の運用計画を採用する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
請求項１に記載の運用計画立案装置であって、
前記再計画判定部は、前記運用計画と運転実績とに基づいて、前記運転切替の時刻、配水池水位、導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数のいずれかの差が所定の値以上である場合に前記運用変更を検知し、前記運用計画の再立案の必要性を判定する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
請求項２に記載の運用計画立案装置であって、
前記変更限界時刻計算部は、前記設備ごとの特徴に応じた前記余裕時間に基いて、前記変更限界時刻を設備ごとに計算する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
請求項２に記載の運用計画立案装置であって、
前記運用計画立案部は、前記再計画判定部による前記判定の理由に基いて、再計画の対象設備を選択して運用計画を修正し、
前記変更限界時刻計算部は、選択された前記再計画の対象設備に対応する前記計算時間の上限値を用いて前記変更限界時刻を計算する、
ことを特徴とする運用計画立案装置。
需要予測部が、制御対象となる設備の過去の運転実績データに基づいて、需要の予測値を計算し、
再計画判定部が、所定周期または前記設備に対する運用変更の検知により、前記設備の運用計画を再立案する必要性を判定し、
変更限界時刻計算部が、前記再計画判定部による前記判定の結果に基づいて、前記再立案する必要があると判定された設備について、制御可能な時間的な境界点を示す変更限界時刻を計算し、
運用計画立案部が、前記需要予測部が計算した前記需要の予測値と、前記変更限界時刻計算部が計算した前記変更限界時刻とに基づいて、前回の運用計画から運転切替時刻を前倒しする修正を実施する場合、前記変更限界時刻より後の時刻となるよう修正を実施することを追加の制約条件として、前記設備の運用を最適化する運用計画を立案する、運用計画立案方法において、
水道の導送配水プロセスを運用計画立案の対象とし、
前記運用計画立案部は、導水量、送水量、配水量、導送配水ポンプの運転台数、配水池水位のいずれかを含む前記運用計画であって、前記運転切替として、導送配水ポンプの起動または／および停止、バルブの開閉、ポンプまたは／およびバルブの制御目標の変更のいずれかの操作を含む前記運用計画を立案する、
ことを特徴とする運用計画立案方法。