JPH02268305A - 配水管網制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば上水道の配水施設における配水管網内
の供給水圧を制御する配水管網制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に上水道の配水施設における配水管網内の供給水圧
は配水管網内の流量変動によって変化する。しかし、水
圧制御により、流量変動にかかわらず常に配水管網内水
圧を上下限許容範囲内に保持しておくのが望ましい。そ
のため、従来の配水管網制御装置においては、１日の時
間帯を大流量の昼間ゾーンと小流量の夜間ゾーンとに２
分し、制御点に設置された減圧弁の二次水圧を手動や夕
イマーにより昼夜別に切換えて配水管網内水圧を制御し
たり、実際に配管図を基に作成された配水管網モデル式
や給水点の流出流量を模擬した給水量モデルにより配水
管網内水圧を計算し、その水圧が許容範囲内に収まるよ
うに最適化計算を行い、制御点の制御弁の開度を決定し
、配水管網内水圧を制御したりしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、第１の方式の配水管網制御装置のように、減
圧弁の二次水圧の設定を手動やタイマーによって昼夜別
に切換えるのでは、季節や曜日による需要変化に対して
適切に対応することが困難であり、過剰水圧や不足水圧
を生ずることがあった。第２の方式の配水管網制御装置
においては、配水管網モデルや給水量モデルを正確に模
擬することが難しく、モデルの精度によっては配水管網
内水圧の適正化が実現できない場合もあるという問題が
あった。

したがって本発明は、常に適正な水圧で安定した配水管
網の水圧管理を実現することの可能な配水管網制御装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明の配水管網制御装置は
、配水管網内の各地点の水圧および流量を含むプロセス
値を検出するプロセス値検出手段と、配水管網内の過去
の配水流量データから今後の配水流量を予測する配水流
量予測手段と、この配水流量予測手段によって予測され
た配水流量予測値を基にして配水管網内の各地点の水圧
を適正化することの可能な制御点の水圧口゛標値スケジ
ュールを決定する水圧演算手段と、制御点の操作および
その操作に対する各地点の水圧変化の関係、前記プロセ
ス値検出手段によって得られたプロセス値、および前記
水圧演算手段によって得られた水圧目標値スケジュール
を基に、配水管網内水圧を制御するための規則を参照し
ながら、制御点水圧目標値を演算する制御点水圧目標値
演算手段と、この制御点水圧目標値演算手段によって得
られた制御点水圧目標値となるように制御点の供給水圧
を調整する供給水圧調整手段とを備えたことを特徴とす
る。

（作　用） 本発明の配水管網制御装置においては、過去の実際の配
水流量データを基にして今後の配水流量を予４１１する
。そして、その配水流量の予測値に基づいて配水管網内
水圧が適正化される制御点水圧目標値スケジュールを決
定し、配水管網内の水圧、流量のプロセスデータと制御
点と配水管網内水圧との関係、および制御点水圧目標値
スケジュールを基に、ある時点での制御点の水圧目標値
を演算し、この演算された水圧目標値となるように制御
点水圧を制御して配水管網内各地点の水圧の適正化を図
る。こうすることにより、時々刻々と変化する配水管網
内の状態に適応した適切な水圧目標値を各制御点に設定
することができ、特定地点の水圧を上下限許容範囲内に
収めることができる。

（実施例） 以下、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図は本発明を上水道の配水管網の水圧制御に適用し
た場合の実施例を示すものであって、配水は配水池１か
ら配水管２ａ、２ｂを通して配水管網３に対して行われ
る。配水管２ａ、２ｂには、配水管網３内の配水水圧を
制御するための手段として制御弁４ａ、４ｂが設けられ
ている。図には２個の配水管２ａ、２ｂおよび２個の制
御弁４ａ。

４ｂＬか示されていないが、実際は必要に応じてもっと
多くの配水管および制御弁が設けられる。

配水池１には、その水位を検出するために水位検出器１
１が設けられており、配水管２には、その通過流量を検
出するために配水流量検出器１２が設けられている。制
御弁４ａ、４ｂの二次側には、制御弁二次水圧検出器１
３ａ、　ｔａｂおよび制御弁通過流量検出器１５ａ、　
１５ｂが設けられている。配水管網３には適当な箇所に
配水管網内水圧検出器１４ｇ。

１４ｂ、　１４ｃ、　１４ｄ、および配水管網内流量検
出器ｌｅａ、１８ｂ、１８ｃ、ｌｅｄが設けられている
。制御弁４ａ、４ｂに対して、その弁開度を検出する制
御弁開度検出器１７ａ、　１７ｂ％および、弁開度を調
節する制御弁制御装置２５ａ、　２５ｂが設けられてい
る。この制御弁制御装置２５ａ、　２５ｂは、演算制御
装置２３により出力装置２４を介して制御される。

演算制御装置２３は、配水流量予測手段２３ａ１水圧演
算手段２３ｂ、推論手段（制御点水圧目標値演算手段）
２３Ｃ、データベース２３ｄ１第１の知識ベース２３ｅ
１および第２の知識ベース２３ｆから成っている。水圧
演算手段２３ｂは水圧目標値スケジュールを演算し、推
論手段２３ｃは制御点水圧目標値を決定し、第１の知識
ベース２３ｅは制御点と管網内水圧の変化関係に関する
知識を記憶しており、第２の知識ベース２３ｆは配水管
網内水圧を制御するための規則に関する知識を記憶して
いる。演算制御装置２３には、水位検出器１１によって
検出された配水池水位Ｈ１配水流量検出器１２によって
検出された配水流ｆｆ１Ｑ、制御弁二次水圧検出器１３
ａ。

１３ｂによって検出された制御弁二次水圧ｈ、制御弁通
過流量検出器１５ａ、　１５ｂによって検出された制御
弁通過流ｍＱなどのプロセス（直、さらには制御弁開度
検出器１７によって検出された制御弁開度ｕ１パラメー
タ設定装置２１によって設定された水圧上限値δ　や水
圧下限値６２などのパラメータ設定値が、それぞれ人力
装置２２を介して取り込まれ、データベース２３ｄに記
憶される。

演算制御装置２３はスケジュール周期Ｔａ（通常は１日
）ごとに、配水流量予測手段２３ａによって配水流量予
測を行うと共に、水圧演算手段２３ｂによって水圧目標
値スケジュールを作成し、制御周期Ｔｂごとに、各検出
器によって検出されたプロセス値を記憶しているデータ
ベース２３ｄおよび制御点と管網内水圧との関係に関す
る第１の知識ベース２３ｅと管網内水圧を制御するため
の規則に関する第２の知識ベース２３ｆとからの情報に
基づいて制御弁４ａ、４ｂの二次水圧目標値を推論手段
２３ｃによって推論し、出力装置２４を介して二次水圧
目標値を制御弁制御装置２５ａ、　２５ｂに対して出力
する。

以上のように構成された配水管網制御装置の動作、つま
りは演算制御装置２３を中心として行われる演算制御の
内容を、第２図のフローチャートを参照して説明する。

まず、スケジュール周期Ｔａ（通常は１日）ごとに行わ
れる作用について説明する。

演算制御装置２３は、パラメータ設定装置２１によって
設定された水圧上限値δ　や水圧下限値δ２などのパラ
メータ設定１直を入力装置２２を介して入力し、データ
ベース２３ｄに格納する。またパラメータ設定装置２１
におけるパラメータの設定値に変更があれば、その変更
後の値を取り入れてデータベース２３ｄに格納する（ス
テップ５０）。次に、演算制御装置２３は、配水流量予
測手段２３ａによって予測処理（ステップ５１）を行う
。

配水流量予測手段２３ａによる予測処理（ステップ５１
）は次のようにして行われる。

まず、配水流量検出器１２から人力された配水流ｍＱを
ある時間、例えば１時間ごとに積分し、毎日の各時間帯
ｋ　（ｋ−１〜２４）ごとの配水流量Ｑ　（ｋ）を蓄積
しておく。そして、過去数日、すなわち、当日を第０日
として、ｊ日前（ｎ−ｊ日）から昨日（ｎ−“１日）ま
での各日の配水流量データをそれぞれＱ　　、　　（ｋ
）、Ｑ　　、　　　（ｋ）、・・・ｎ−Ｊ　　　　　　
　　　　　　　　ローＪ＋１Ｑ　　　（ｋ）として、当
日０の時間帯ｋに対する配水流ｍＱの予測値Ｑ　　（ｋ
）を次の（１）式に示す自己回帰モデルで演算する。

Ｑ　　　（ｋ）−ａ　　　Ｑ　　　−（ｋ）ｎ　　　　
　　　　　Ｏｎ−３ 十ａ　　Ｑ　　、　　　（ｋ）＋・・・ｉ　　　ｎ−Ｊ
＋１ ＋ａＱ（ｋ）　　　　・・・　（１） ｒｔｒ　　　ｎ−１ ここで、係数ａ　ｏ　””　ａ　ｍは、自己回帰モデル
のパラメータであり、逐次最小二乗法などによって求め
られる。

このようにして、ある特定の日の全時間帯ｋ（ｋ−１〜
２４）に対して配水流量予測値Ｑ　　（ｋ）を演算する
。

このようにして得られた特定の日の全時間帯にの配水流
量子ｎ１値Ｑ　　（１０を基にして、各時間帯ｋに対す
る水圧目標値スケジュールＰ（１０を決定するための配
水管網運用計画処理を行う（ステップ５２）。

この処理において、ある時刻にの水圧目標値スケジュー
ルＰ　（ｋ）を決定するに際しては、予め設定されてい
る配水管網内水圧上限値δ１および水圧下限値δ２を保
持しながら、配水管網内水圧り、（ｋ）が均一になるよ
うに考慮する。

この場合、問題は、例えば次のように定式化することか
できる。

目的関数 Σｆｈ　　（ｋ）−ｈ、。ｆ） 制約条件 δ、　＞ｈ、　　（ｋ）　＞δ２ （ｉ−１〜ｍ） ｆ　　（ｈ　（ｋ）、　Ｑ　　（ｋ） ２−最小・・・ ｒ） 一〇 ここで、 各符号などは次の通りとする。

ｈ、（ｋ）：時間帯にの地点ｉの水圧 ｈ　　：配水管網内水圧下限値定値 ｅｆ δ１　１配水管網内水圧上限値 δ２　　：配水管網内水圧下限値 （４）式：配水管網方程式 ｈ　　（ｋ） ：時間帯にの各地点ｉの水圧ｈ１　（ｋ）に対して、ｈ
　（ｋ）−（ｈｌ　（ｋ）。

ｈ２　（ｋ）、・・・、ｈ、（ｋ）ｌ　　とする関数 Ｑ（ｋ）二時間帯にの配水流量予測値 ｒ　　　：ＩＩａｚｅｎ−Ｗｉｌｌｉａ［Ｏｓの実験式
から導出され。

る配水管網の流体抵抗に関する特徴を 表す係数 上記（２）式の目的関数は、配水管網３内の各地点ｉの
水圧を均一化するため、各地点ｉの水圧ｈ　と配水管網
３内の水圧均一般定値ｈｒｅｆ’との差の二乗和を最小
とすることを意味するものである。

なお、ここで、配水管網３内の水圧均一般定値ｈｒｅｌ
’とは、標高の高い地点の水圧を水圧下限で運用するの
か、あるいは標高の低い地点の水圧を水圧上限で運用す
るのか、あるいは総ての地点の水圧を水圧上下限範囲の
中心で運用するのか、などを決定するための評価値であ
る。

また、上記（３〉式の制約条件は、総ての地点の水圧が
上下限範囲内に維持されるように運用することを意味し
ている。

さらに（４）式の制約条件は、各地点の水圧ｈ１が配水
管網３の基本方程式である管網方程式を満足することを
意味している。つまり、各地点ｉでの流量収支式、各地
点間の水頭平衡式、および配水管網３内の総流出量が配
水量予測値と等しい条件などを満足させるということで
ある。

以上のような問題は、目的関数および制約条件が非線形
計画法に基づいて解かれる。そして、この問題を解くこ
とにより、算出された総ての地点ｉの水圧り、（ｋ）の
中で制御弁４ａ、４ｂの、■ 制御弁二次水圧検出器１３ａ、　ｔａｂの設置点に対応
する地点の水圧を制御弁二次水圧目標値Ｐ（ｋ）とする
。

このようにして、特定の日ｎにおける各時間帯にの制御
弁二次水圧目標値Ｐ（ｋ）（ただし、ｋ−１〜２４）を
決定することにより、１日分の制御弁二次水圧目標値ス
ケジュールを作成することができる。

次に、制御周期Ｔｂごとに行われる制御演算内容につい
て説明する。

まず、各検出器１１〜１７からの検出プロセス値ＨＱ＋
　　ｈ＋　　Ｑ＋　　ｕを入力し、データベース２３ｄ
１．：１納する（ステップ５３）。

続いて、推論手段２３ｃが、データベース２３ｄに。

格納されている情報、第１の知識ベース２３ｅおよび第
２の知識ベース２３ｆに格納されている情報に基づいて
、制御弁４ａ、４ｂの二次水圧目標値を演算する（ステ
ップ５４）。

次に、第１の知識ベース２３ｅおよび第２の知識ベース
２３ｆに格納される知識について説明する。

第１の知識ベース２３ｅは、すでに述べたように、制御
弁の二次水圧変化に対する管網内水圧の変化に関する知
識をルール化したものである。例えば、制御弁４ａの二
次側の水圧と配水管網内水圧検出点との関係を以下のよ
うな形で表現している。

関　係　　二制御点と管網内水圧との関係制御点　　二
制御弁４ａの二次水圧（１３ａ）管網内水圧：配水管網
内水圧検出点（１４ａ）影響関係　二強い影響 影響係数　：　０．８４５ 影響方向　：　正 影響関係には、上記の「強い影響」のほかに「中位の影
響」　「弱い影響」　「影響なし」の合わせて４種類が
ある。また、影響係数　０．８４５というのは、制御弁
の二次水圧を１．Ｏｋｇｆ／ｃ−変化させた時に、配水
管網内水圧が、０．８４５　ｋｇｆ／ｃｊ　　変化する
ということを意味する。影響方向が「正」というのは、
制御点水圧を上げれば、配水管網内水圧も上昇するとい
うことを意味している。

次に、第２の知識ベース２３ｆは、配水管網内水圧を制
御するための規則をルール化して表現しているものであ
る。

配水管網を制御する規則を大別すると、以下の４つにな
る。

■　運用状態の判定規則 ■　運用状態の回復規則 ■　運用状態の向上規則 ■　水圧目標値の修正規則 以下、各規則の内容を説明し、その具体例を示す。

■　運用状態の判定規則 配水管網内水圧検出点から得られる水圧と水圧上下限値
δ１．δ２を基に、現在運用されている状態が良いのか
悪いのかを判定する。

ルール例： ｉｆ　ｆ　（計測点名−配水管網内水圧検出点（１４ａ
））かつ（水圧上限値−水圧計４ｐＪ値≧不感帯）かつ
（水圧計測値−水圧下限値≧不感帯）） ｔｈｅｎ　（配水管網内水圧検出点（１４ａ）の状態−
水圧が低い状態） ■　運用状態の回復規則 運用状態が水圧の高い状態や低い状態にある場合は、運
用状態の悪い地点の水圧を運用範囲（水圧上下限値内）
に回復させるために、どの制御弁をどの程度の二次水圧
調整すれば良いかを決定する。

ルール例： １ｆ（（制御点名−制御井４ａ）かつ（計測点名−配水
管網内水圧検出点（１４ａ））かつ（制御点と計測点と
の関係−強い影響または制御点と計測点との関係−中位
の影’＃）かつ（計測点の状態−水圧の低い状態） ｔｈａｎ　（制御弁４ａの修正量−水圧下限値−水圧計
７ｊＩｌｌ値；制御弁４ａ−悪い状態）■　運用状態の
向上規則 運用状態が良い状態でも、水圧目標値スケジュールを参
照して、現在の水圧目標値と水圧目標値スケジュール値
に差がある場合は、その差分を水圧目標値の修正量とす
る。

ルール例： ＩＩ’　＋　（制御点名−制御弁４ａ）かつ（制御点の
状態−悪い状態）かつ（配水流量子Δ１ｌｊ−予測が合
っている状態）かつ（水圧目標値スケジュール［現在時
刻〕−現在の水圧目標値〉許容値） ｔｈｅｎ　（制御弁４ａの修正量−水圧目標値スケジュ
ール［現在時刻］−現在の水圧目標値） ■　水圧目標値の修正規則 運用状態の回復規則（■）および運用状態の向上規則（
■）によって決定された水圧目標値の修正量で運用した
場合に運用状態が真に改善されるかどうかを判定し、運
用状態が改善されるように水圧目標値の修正量をさらに
修正して最終的な水圧目標値を決定する。

ルール例： １ｆ（（制御点名−制御井４ａ）かつ（制御点の修正−
必要）かつ（回復すべき計測点名−配水管網内水圧検出
点（１４ａ））ｔｈｅｎ　（制御弁４ａの二次水圧目標
値−制御弁４ａの修正量／制御点と計測点との影響係数
＊ゲイン＊制御点と計測点との影響方向＋現在の水圧目
標値） このようにして推論された制御弁二次水圧目標値は、出
力装置２４を介して制御弁制御装置２５ａ。

２５ｂに与えられ、制御周期Ｔｂ分の遅延をする（ステ
ップ５５）。制御弁制御装置２５ａ、２５ｂは制御弁４
ａ、４ｂの弁開度を指令に基づきアクチュエータＭを介
して制御し、配水管網３内の水圧を運用範囲内（δ　＜
ｈ＜δ１）になるようにする。

以上のようにして１日分の水圧制御は、ループＡ（第２
図）おいて行い、一定時間ごとに水圧目標値を計算して
水圧制御を行い、１日分の水圧制御スケジュールが終了
すればループＢに基づいてステップ５０へ戻り、次の日
の水圧目標値スケジュールを作成する（ステップ５６）
。

このようにして、この実施例では配水管網内の水圧の各
日の１日分の目標値スケジュールを作成しておき、そお
日の実際の流量、水圧の変動から水圧目標値スケジュー
ルに一定周期ごとに知識ベースに基づいた修正を加える
ことにより、−層現実に即した水圧制御を達成すること
ができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば配水管網に対する配水流量の予７１ｐ１値は逐次
最小二乗法に基づいたものとはせずに、例えば天候要素
を加味した統計的手法の一つであるＧＭＤＨ法を用いる
こともできる。また、本発明は、制御弁による配水管網
内水圧制御に代えて、配水ポンプによる配水管網内水圧
制御に対して適用することもできる。その場合は、配水
ポンプの吐出圧と配水管網内各地点の水圧ｈ　（ｋ）と
の関係を知識ベース化し、各地点での水圧が運用範囲内
で動作するように吐出圧を制御すればよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、配水管網内の過去
の配水流量データから今後の配水流量を予測し、その配
水流量予測値に基づいて配水管網内の各地点の水圧が適
正化されるように水圧目標値スケジュールを決定し、時
々刻々変動するプロセス値を基に水圧目標値スケジュー
ルを修正し、その修正された水圧目標値により配水管網
内の水圧制御を行うことにより、特定地点の水圧が上下
限許容範囲を超えることのない優れた配水管網制御を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する配水系統の構成例と本発明の
一実施例を示すブロック図、第２図は第１図の制御装置
の動作を説明するためのフローチャートである。 ｌ・・・配水池、２・・・配水管、３・・・配水管網、
４ａ。 ４ｂ・・・制御弁、１１・・・水位検出器、１２・・・
配水流量検出器、１３ａ、１３ｂ・・・制御弁二次水圧
検出器、１４ａ。 １４ｂ、　Ｌ４ｃ、　Ｌ４ｄ−・・配水管網内水圧検出
器、１５ａ。 １５ｂ・・・制御弁通過流量検出器、ｌＧａ、　１［１
ｂ・・・配水管網内流量検出器、１７ａ、１７ｂ・・・
制御弁開度検出器、２１・・・パラメータ設定装置、２
２・・・人力装置、２３・・・演算制御装置、２３ａ・
・・配水流量予測手段、２３ｂ・・・水圧演算手段、２
８Ｃ・・・推論手段、２３ｄ・・・データベース、２８
ｅ・・・第１の知識ベース、２８ｆ・・・第２の知識ベ
ース、２４・・・出力装置、２５ａ、　２５ｂ・・・制
御弁制御装置。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 配水管網内の各地点の水圧および流量を含むプロセス値
   を検出するプロセス値検出手段と、配水管網内の過去の
   配水流量データから今後の配水流量を予測する配水流量
   予測手段と、この配水流量予測手段によって予測された
   配水流量予測値を基にして配水管網内の各地点の水圧を
   適正化することの可能な制御点の水圧目標値スケジュー
   ルを決定する水圧演算手段と、制御点の操作およびその
   操作に対する各地点の水圧変化の関係、前記プロセス値
   検出手段によって得られたプロセス値、および前記水圧
   演算手段によって得られた水圧目標値スケジュールを基
   に、配水管網内水圧を制御するための規則を参照しなが
   ら、制御点水圧目標値を演算する制御点水圧目標値演算
   手段と、この制御点水圧目標値演算手段によって得られ
   た制御点水圧目標値となるように制御点の供給水圧を調
   整する供給水圧調整手段とを備えた配水管網制御装置。