JPH08134962A - 管網制御支援装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水理的に保証された管網制約を満たしつつ制
御目標を達成する管網の制御方法を求めることができる
管網制御支援装置を得る。 【構成】 水圧や流量の値を制御目標として、管網の水
圧や流量の許容範囲を管網制約として、バルブの開度な
どを制御変数としてそれぞれ設定し、これらの管網制
約、制御目標、制御変数に関して管網制約を満たしつつ
制御目標を達成するような制御方法を探索するもので、
その制御方法の探索は、探索中の制御方法がどの程度管
網制約を満たし、かつ制御目標を達成しているかを評価
することで行ない、制御方法の評価は、制御方法が表す
制御が実行された場合の管網状態を管網の水理に基づい
たシミュレートにて行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、上水道設備の送水系
統網や配水管網などの管網を安全に効率良く運用制御す
ることを支援する管網制御支援装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】上水道設備の運用は、浄水場や外部から
の買水によって送られてくる水道水を需要家に安定して
安全に供給することを目的とする。その運用に当たって
は、送水系統網や配水管網などの管網内の水圧や流量を
適正値に保つようにバルブやポンプなどを制御する必要
がある。このような管網の制御を支援する装置として、
従来より、操作員の操作経験を用いた知識工学に基づく
ものと、数理計画法に基づくものがあった。

【０００３】まず、知識工学に基づいた管網制御支援装
置について以下に説明する。図１３は、例えば「配水管
理支援エキスパートシステム」（第３８回水道研究発表
会、第３５２〜３５４頁、１９８７年）に示された、従
来の知識工学に基づく管網制御支援装置の構成を示すブ
ロック図である。図において、１は管網の構造や管網へ
の流入量や管網からの流出量など、管網状態のうちの既
知のものが設定される管網データ部である。２は管網の
各点での水圧や流量など、管網状態のうちの未知のもの
を求める管網状態評価部である。３は操作員の操作経験
をルールの形で格納した知識ベース部である。なお、こ
のルールは if 条件部 then 操作部 の形で表現され、その条件部には水圧値や流量などの管
網の状態や時刻など、制御を行なう際の前提条件が記述
される。また、その操作部にはバルブの開度をどのよう
に変更するかなど、条件部の前提条件が満たされた時に
とるべき操作が記述される。

【０００４】４は管網状態にマッチするルールを選択す
ることによって管網の制御方法を求める推論エンジン部
である。５は推論エンジン部４で得られた制御方法を実
行した結果の管網状態をユーザーに表示する表示部であ
る。

【０００５】次に動作について説明する。ここで、図１
４は図１３に示された管網制御支援装置における処理の
流れを表すフローチャートである。この図１４におい
て、まずユーザーによって操作対象の管網の状態が管網
データ部１に設定される（ステップＳＴ１）。次にこの
ステップＳＴ１による設定での管網の各点での水圧や流
量などを、管網状態評価部２での管網シミュレーション
によって求める（ステップＳＴ２）。なお、この管網シ
ミュレーションの手法には混合解析手法や補木流量解析
法などの従来より知られている手法が用いられる。

【０００６】次いで推論エンジン部４において、知識ベ
ース部３に格納されているルールの中から、ステップＳ
Ｔ２で求められた管網状態により条件部が満たされるル
ールを選択する（ステップＳＴ３）。次にこのステップ
ＳＴ３で選択されたルールの操作部を実行した場合の管
網の状態を、管網状態評価部２におけるシミュレーショ
ンによって求め、その結果を表示部５でユーザーに表示
する（ステップＳＴ４）。

【０００７】次に数理計画法に基づいた管網制御支援装
置について以下に説明する。図１５は、例えば「上水道
配水制御技法 ＮＥＦＬＡＮ−Ｃの開発」（日立評論、
第ｌ６４巻、第２号、第５１〜５６頁、１９８２年）に
示された、従来の数理計画法に基づく管網制御支援装置
の構成を示すブロック図である。図において、１１は管
網構造や管網への流入量や管網から流出量など、管網状
態のうちの既知のものを格納する管網データ部である。
１２は管網の各点での水圧や流量など、管網状態のうち
の未知のものを求める管網状態評価部である。１３は管
網内のいくつかの点の水圧や流量の目標値を設定する目
標設定部である。１４は管網状態が目標からどの程度隔
たっているかを反映した目標関数の値を最小にするよう
な、バルブ開度などの制御変数の値を求める最適化部で
ある。１５は前記目標関数を最小にする制御変数の値に
よる管網の状態を表示する表示部である。

【０００８】次に動作について説明する。ここで、図１
６は図１５に示された管網制御支援装置における処理の
流れを表すフローチャートである。この図１６におい
て、まずユーザーによって管網の状態が管網データ部１
１に設定される（ステップＳＴ１１）。次にこのステッ
プＳＴ１１による設定での管網の各点での水圧や流量な
どを、管網状態評価部１２での管網シミュレーションに
より求める（ステップＳＴ１２）。なお、この管網シミ
ュレーションには従来より知られているプライマル・デ
ュアル（Primal−Dual）法が用いられる。

【０００９】次いで最適化部１４において、目標関数の
値が減少するように各制御変数の値を変更する（ステッ
プＳＴ１３）。この修正の方法としては、従来より知ら
れているシンプレックス（Simplex ）法が用いられる。
次にこのステップＳＴ１３で得られた制御変数値の設定
での管網の各点における水圧や流量を管網状態評価部１
２で求め（ステップＳＴ１４）、その値に基づいて、最
適化部１４で目標関数の値を求める（ステップＳＴ１
５）。ここで、この目標関数としては、次に示す式が用
いられる。

【００１０】Σ_i ｕ_i＊（ｈ_i−ｈｇ_i）² ＋Σ_j ｖ_j
＊（ｑ_j−ｑｇ_j）^２

【００１１】なお、この目標関数中において、ｈｇ＿ｉ
は節点ｉでの水圧の目標値、ｈ_iは節点ｉでの水圧、ｑ
ｇ_jは管路ｊでの流量の目標値、ｑ_jは管路ｊでの流
量、ｕ_iとｖ_jは重み係数をそれぞれ示している。

【００１２】次にこのステップＳＴ１５で求めた目標関
数の値が、誤差として設定された値よりも大きければス
テップＳＴ１３に戻る（ステップＳＴ１６）。一方、目
標関数の値が誤差よりも小さければ、管網状態評価部１
２で実行するシミュレーションにより、その時の制御変
数の値をもとにした管網の状態を求め、その結果を表示
部１５でユーザーに表示する（ステップＳＴ１７）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の知識工学に基づ
く管網制御支援装置は以上のように構成されているの
で、知識ベース部３が中心的役割を果たすこととなる
が、この知識ベース部３に格納されたルールは管網の熟
練操作員の操作経験に基づいたものであり、水理的に保
証されたものではないので推論結果が信頼性に欠けると
いう問題点があった。また、知識ベース部３を構築する
ためには熟練操作員からインタビューにより制御知識を
獲得する必要があるが、この知識獲得は熟練操作員自身
が自分の制御知識を整理できていない場合には困難であ
り、さらに、管網が運用され始めたところで操作員にも
制御知識がないような場合には知識ベース部３を構築す
ることができないなどという問題点もあった。

【００１４】また、従来の数理計画法に基づく管網制御
支援装置は上で説明したように、制御目標からの隔たり
を反映した目標関数を設定し、この関数の値を最小にす
る制御変数の値を求めることによって制御目標を達成す
るような制御方法を求めるものである。しかし、その処
理は一つの解のみを扱い、処理の流れが制御変数の値を
初期設定から目標関数値が小さくなるように修正し続け
るというものであるので、初期設定の仕方によっては得
られる結果が疑似最適解、すなわち極小値であって、最
適解、すなわち最小値が得られないことがあり、得られ
る解の精度が低いという問題点があった。

【００１５】さらに、通常の管網の運用では、管網を現
在のある状態から他の状態に移したい場合に、バルブ開
度を現在の値から大幅に変化させると管網内で逆流や急
流が起こり水の濁りが発生したり圧力異常を起こすこと
があるので、関係するバルブの開度を少しずつ変化させ
ながら管網を制御する。従って、どの順番でどのバルブ
を制御すればよいかという時系列制御問題の解決は管網
運用にとって重要である。ところが、従来の数理計画法
に基づく管網制御支援装置は、管網制約を満たしつつ制
御目標を達成するような全ての制御変数の値を求める静
的制御問題を解決するのみであり、制御変数の値の初期
設定に従った管網状態から管網制約を満たしつつ制御目
標が達成された管網状態に移行するためには、どの制御
変数の値をどの順番でどのように変更すればよいかを求
める時系列制御問題に対する解を与えることができない
などの問題点もあった。

【００１６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、第１の目的は、水理的に保証さ
れた管網制約を満たしつつ制御目標を達成する管網の制
御方法を求めることができる管網制御支援装置を得るこ
とにある。

【００１７】また、第２の目的は、得られた制御方法が
知識工学に基づく運用支援を行なう場合の知識獲得過程
を支援することができる管網制御支援装置を得ることに
ある。

【００１８】また、第３の目的は、制御方法の求解過程
が疑似最適解に陥ることなく最適解を見つけることがで
き、結果として得られる制御方法の精度が高い管網制御
支援装置を得ることにある。

【００１９】また、第４の目的は、時系列制御問題を扱
うことができる管網制御支援装置を得ることにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る管
網制御支援装置は、制御目標設定部で水圧や流量の値を
制御目標として設定し、管網制約設定部で管網の水圧や
流量の許容範囲を管網制約として設定し、制御変数設定
部でバルブの開度などを制御変数として設定し、これら
の管網制約と制御目標と制御変数に関して管網制約を満
たしつつ制御目標を達成するような制御方法を、制御解
探索部で探索するものであり、その制御方法の探索は、
管網状態評価部で探索中の制御方法がどの程度管網制約
を満たし、かつ制御目標を達成しているかを評価するこ
とによって行ない、その制御方法の評価は、管網状態評
価部で制御方法の表す制御が実行された場合の管網状態
を管網の水理に基づいてシミュレートすることによって
行なうものである。

【００２１】請求項２の発明に係る管網制御支援装置
は、制御解保存部で制御問題の解の集合を保存し、制御
問題設定部で静的制御問題を反映した制御問題の解の評
価基準を設定し、制御解評価部で制御解保存部に保存さ
れた個々の制御解を制御問題設定部で設定された評価基
準に従って評価し、制御解修正部で制御解評価部から得
られる制御解の評価値をもとに、制御解保存部に保存さ
れた制御解の集合を修正するものである。

【００２２】請求項３の発明に係る管網制御支援装置
は、管網制御支援装置における制御問題設定部および制
御解評価部として、時系列制御問題設定部および時系列
制御解評価部を用い、その時系列制御問題設定部で時系
列制御問題を反映した制御問題の解の評価基準を設定
し、時系列制御解評価部で制御解保存部に保存される個
々の制御解を時系列制御問題設定部で設定された制御解
の評価基準に従って評価するものである。

【００２３】

【作用】請求項１の発明における管網制御支援装置は、
制御方法の探索において、その制御方法に従って管網を
制御した場合の管網状態を水理に基づいたシミュレーシ
ョンで評価し、制御方法の効果を確認しながら探索する
ことにより、水理的に保証された制御方法を求めること
を可能とし、さらに、得られる制御方法を知識獲得のた
めのインタビューで熟練操作員に提示することにより、
熟練操作員が自分の知識を思い出したり整理したりする
ことを助けて知識獲得を支援し、また新しい管網を制御
対象とする場合などで操作員に制御知識がない場合など
には、得られる制御方法を操作知識の代用として使用す
ることを可能とする。

【００２４】請求項２の発明における管網制御支援装置
は、制御解保存部で制御解の集合を保持してその各々を
探索の対象として扱い、さらに、制御解修正部が生物の
進化過程を模擬して最適解を探索することにより、探索
過程が疑似最適解に陥ることを防止し、最適解を求める
ことを可能にする。

【００２５】請求項３の発明における管網制御支援装置
は、管網制御支援装置の制御問題設定部に時系列制御問
題設定部を用いて、時系列制御問題を反映した制御問題
の解の評価基準を設定し、また、制御解評価部に時系列
制御解評価部を用いて、制御解保存部に保存される個々
の制御解を時系列制御問題設定部で設定された制御解の
評価基準に従って評価することにより、時系列制御問題
の取り扱いを可能とする。

【００２６】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の実施例１による管網制御支援装
置の構成を示すブロック図である。図において、２１は
管網の構成要素である節点や管路やバルブなどの属性、
管網の構造、および節点での水の流出量または流入量や
水圧のうちの既知のものを設定する管網状態設定部であ
る。２２は管網状態設定部２１で設定される節点や管路
のうちの、水圧をある目標の値に設定したい節点の節点
名とその目標値、および流量をある目標の値に設定した
い管路の管路名とその目標値を制御目標として設定する
制御目標設定部である。２３は管網状態設定部２１で設
定される節点や管路のうちの、節点名とその節点での水
圧の許容範囲、および管路名とその管路での流量の許容
範囲を管網制約として設定する管網制約設定部である。

【００２７】２４は管網状態設定部２１で設定される各
種バルブのうち、制御目標設定部２２で設定された制御
目標を達成するために開度を制御するバルブのバルブ名
と制御の際の制約を設定する制御変数設定部である。２
５は制御目標設定部２２、管網制約設定部２３、および
制御変数設定部２４でそれぞれ設定された制御目標、管
網制約、および制御変数に関して、管網制約を満たしつ
つ制御目標を達成するような制御方法を求める制御解探
索部である。２６は制御解探索部２５から入力される各
制御変数の値、および管網状態設定部２１で設定された
管網状態をもとに、水理に基づくシミュレーションで管
網の節点の水圧と管路の流量を求める管網状態評価部で
ある。

【００２８】次に動作について説明する。ここで、図２
はこのように構成された管網制御支援装置における処理
の流れを表すフローチャートである。この図２におい
て、まずユーザーが管網状態設定部２１によって、管網
の構成要素である節点や管路やバルブなどの属性、管網
の構造、および節点での水の流出量または流入量および
水圧のうちの既知のものを管網状態として設定する（ス
テップＳＴ２１）。次に示す表１〜表３はこのようにし
て設定された管網状態のデータの一例を表したものであ
る。これらの表の例に記載した管網の構成要素は、節
点、管路、およびリニアバルブであり、表１は節点、表
２は管路、表３はリニアバルブについてのものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】この表１の節点に関しては左から順に、節
点の名前、その節点での外からの流量、およびその節点
での水圧が記述されている。なお、流量、水圧の記述は
２字組である。その１字目は“Ｋ”または“Ｕ”であ
り、“Ｋ”は値が既知であることを、“Ｕ”は値が未知
であることをそれぞれ表している。また２字目は、１字
目が“Ｋ”の場合には既知である流量または水圧を表す
数値であり、“Ｕ”の場合には“−”である。また流量
に関して、２字目が負の値の場合はその節点に外から水
が流入することを、正の値の場合はその節点から外に水
が流出することをそれぞれ示している。例えば、節点
“００”は、１．６９５６６ｍ³ ／ｓの量の水の流入が
あり、水圧は３０ｍである。

【００３３】また、表２の管路に関しては左から順に、
管路の名前、その管路の始点である節点名、その管路の
終点である節点名、抵抗係数、長さ、口径、その管路を
流れる水の流量、およびその管路の両端での水圧差が記
述されている。この場合、流量と水圧の記述形式は表１
の節点の場合と同一である。さらに、表３のリニアバル
ブに関しては左から順に、リニアバルブの名前、そのリ
ニアバルブの始点である節点名、そのリニアバルブの終
点である節点名、口径、そのリニアバルブを流れる水の
流量、そのリニアバルブの両端での水圧差、およびその
リニアバルブの特性が記述されている。この場合も、流
量と水圧の記述形式は表１の節点の場合と同一であり、
特性は２個以上の２字組からなる。各２字組はバルブの
開度とその開度をとった時のバルブの抵抗係数を表すも
のである。

【００３４】次にユーザーが制御目標設定部２２より、
制御目標を１個以上設定する（ステップＳＴ２２）。目
標設定の一例として２字組で指定し、節点名とその節点
での水圧の目標値、または管路名とその管路での流量の
目標値で指定する。例えば、目標設定 ｛ｐｆ，２５．０｝ は、節点“ｐｆ”での水圧の目標値が２５．０ｍである
ことを表す。

【００３５】次にユーザーが管網制約設定部２３より、
管網制約を１個以上設定する（ステップＳＴ２３）。制
約設定の一例として３字組で指定し、節点名とその節点
での水圧の値の許容範囲の下限値と上限値、または管路
名とその管路での流量の値の許容範囲の下限値と上限値
で指定する。例えば、制約設定 ｛ａ０，２０．５，２２．５｝ は、節点“ａ０”での水圧の許容範囲が２０．５ｍ以
上、かつ２２．５ｍ以下であることを表す。

【００３６】次にユーザーが制御変数設定部２４より、
制御変数と制御変数の値に関する制約を１個以上設定す
る（ステップＳＴ２４）。制御変数の設定方法の一例と
して、リニアバルブの場合には、バルブ開度が下限値か
ら上限値までの間をある刻み幅による離散的な値をとる
タイプであれば、バルブ名、タイプ名、下限値、上限
値、および刻み幅の５字組で設定する。例えば、変数設
定 ｛１２，discrete_delta，５，８０，５｝ は、制御変数がバルブ“１２”の開度であり、５度から
８０度まで５度刻みの離散値のみをとることを表す。ま
た、バルブ開度が離散的な値のみをとりその値が列挙で
きるタイプであれば、バルブ名、タイプ名、およびその
具体的な値で設定する。例えば、変数設定 ｛ｇ７，discrete_enumerate，｛５，３０，５５，８
０｝｝ は、制御変数がリニアバルブ“ｇ７”の開度であり、５
度、３０度、５５度、または８０度のいずれかの値のみ
をとることを表す。

【００３７】次に制御解探索部２５にて、制御目標設定
部２２、管網制約設定部２３、および制御変数設定部２
４でそれぞれ設定された制御目標、管網制約、および制
御変数に関して、管網制約を満たしつつ制御目標を達成
するような制御方法を求める（ステップＳＴ２５）。こ
の制御方法の探索の過程においては、その制御を実行し
た場合の管網の状態における制御目標からの隔たりと、
管網制約の違反度を反映した制御方法の評価基準を設定
し、初期設定された制御方法の評価と修正を繰り返すこ
とによって制御方法の探索を行う。また、制御方法の評
価は、管網状態評価部２６において、その制御を実行し
た場合の管網の状態における節点の水圧と管路の流量を
シミュレーションにより求める。このシミュレーション
は、管網状態設定部２１で設定された管網の構成要素の
属性と構造と流量や水圧の設定値をもとに、管網の水理
を反映した混合解析手法や補木流量解析法などの従来よ
り知られている手法を用いて実行する。

【００３８】このように、実施例１によれば、管網の水
理を表現するのに必要な管網の構成要素の属性や管網の
構造を設定し、制御方法の目標達成度と制約達成度をシ
ミュレーションにより水理的に確認しながら制御方法を
探索するので、水理的に保証された制御方法を求めるこ
とが可能である。

【００３９】また、実施例１で得られる制御方法を知識
獲得のためのインタビューで、熟練操作員に提示するこ
とにより、熟練操作員が自分の知識を思い出したり整理
したりすることを補助でき、知識獲得の支援が可能とな
る。さらに、新しい管網を制御対象とする場合などで操
作員に制御知識がない場合には、実施例１で得られる制
御方法を操作知識の代用として使用することが可能であ
る。

【００４０】実施例２．以下、この発明の実施例２を図
に基づいて説明する。図３はこの発明の他の実施例によ
る管網制御支援装置の構成を示すブロック図である。図
において、２１〜２４および２６は図１に同一符号を付
した部分と同様の構成であるので、その説明は省略す
る。

【００４１】３１は制御問題の解の集合を保存する制御
解保存部である。３２は制御目標設定部２２、管網制約
設定部２３、および制御変数設定部２４で各々設定され
た制御目標、管網制約、および制御変数に関して、静的
制御問題を反映した、制御解保存部３１に保存されてい
る制御解の評価基準を設定し、制御解と制御変数の対応
を規定する対応データを設定する制御問題設定部であ
る。３３は制御解保存部３１に保存された個々の制御解
を制御問題設定部３２で設定された評価基準に従って評
価する制御解評価部である。３４は制御解評価部３３で
得られた制御解の評価値をもとに、制御解保存部３１に
保存されている制御解の集合を修正する制御解修正部で
ある。なお、制御解探索部２５はこれら制御解保存部３
１、制御問題設定部３２、制御解評価部３３、および制
御解修正部３４によって形成されている。

【００４２】次に動作について説明する。ここで、図４
はこのように構成された管網制御支援装置における処理
の流れの要部を表すフローチャートである。なお、この
実施例２は図２のステップＳＴ２５における処理の具体
的な実現例であるので、ここでは図２のステップＳＴ２
５以外についての説明は省略し、図２のステップＳＴ２
５に対応する動作のみを図４に従って説明する。

【００４３】図４において、まず、静的制御問題を反映
した制御解の評価尺度を制御問題設定部３２にて設定す
る（ステップＳＴ３１）。この評価尺度の一例として、
以下に示す評価関数がある。

【００４４】Ｆ＝Σ_i ｗｇ_i＊Ｐ_i＋Σ_j ｗｃ_j＊Ｑ_j

【００４５】評価関数Ｆの第１項が制御解が表す制御の
結果得られる管網状態における制御目標との隔たりを表
す式であり、第２項が制御解が表す制御の結果得られる
管網状態における管網制約の違反の程度を表す式であ
る。この評価関数Ｆの値が小さい制御解ほど、より最適
な制御解である。ここで、上記式中の_iは各々の制御目
標を識別する添字、_jは各々の管網制約を識別する添字
であり、ｗｇ_iは制御目標ｉの重み、ｗｃ_jは管網制約
ｊの重みをそれぞれ表し、Ｐ_iおよびＱ_jは以下のよう
に定義される。

【００４６】 Ｐ_i＝（ｇ_i−ｇｇ_i）² Ｑ_j＝（ｃ_j−ｃｌ_j）² （ｃ_j＜ｃｌ_jの場合） ＝０ （ｃｌ_j≦ｃ_j≦ｃｈ_jの場合） ＝（ｃ_j−ｃｈ_j）² （ｃ_j＞ｃｈ_jの場合）

【００４７】ここで、上記式中のｇ_iは制御目標ｉが設
定されている節点の水圧または管路の流量の制御解が表
す制御変数の値の設定のもとでの管網状態での値を表
し、ｇｇ_iは制御目標ｉに対応する節点の水圧または管
路の流量の目標値を表している。また、ｃ_jは管網制約
ｊに対応する節点の水圧または管路の流量の制御解が表
す制御変数の値の設定のもとでの管網状態での値を表
し、ｃｌ_jは管網制約ｊでの許容範囲の下限値を、ｃｈ
_jは管網制約ｊでの許容範囲の上限値をそれぞれ表して
いる。

【００４８】次に制御問題設定部３２において、制御変
数設定部２４で設定された制御変数と制御変数の値に関
する制約を反映して、制御解保存部３１に保存された各
制御解の表現と制御変数の値との対応を規定する対応デ
ータを設定する（ステップＳＴ３２）。この対応データ
による変換表の一例を次の表４に示す。なお、説明の便
宜上、この表４の各行の左端に行番号を括弧付の数字で
付記する。

【００４９】

【表４】

【００５０】この変換表では、制御変数が３個あること
を表しており（１行目）、制御解で用いられる変数（以
下、内部変数と記す）は制御変数と１対１で対応してい
る。内部変数１は（２行目）、バルブｌｖ_1に対応し
（３行目）、このバルブの開度がある値の刻み幅で変化
するタイプであり（４行目）、内部変数１の値の最小値
が０（５行目）、最大値が１５（６行目）であることを
それぞれ表している。なお、前記バルブの開度は次式で
求めることができ、この式中のoffsetには８行目の値５
を、delta には７行目の値５をそれぞれ代入する。

【００５１】開度＝ offset ＋ delta＊（内部変数１の
値）

【００５２】また、内部変数２は（９行目）、バルブｌ
ｖ_2に対応し（１０行目）、このバルブの開度が離散値
をとるタイプであり（１１行目）、内部変数２の値の最
小値が０（１２行目）、最大値が３（１３行目）をと
り、内部変数２の値０がバルブの開度５度に、値１が開
度１５度に、値２が開度４０度に、値３が開度７０度に
それぞれ対応すること（１４行目）を表している。

【００５３】さらに、内部変数３は（１５行目）、バル
ブｌｖ_3に対応し（１６行目）、前記内部変数１の場合
と同様に、このバルブの開度がある値の刻み幅で変化す
るタイプであり（１７行目）、内部変数３の値の最小値
が０（１８行目）、最大値が７（１９行目）であること
をそれぞれ表している。なお、前記バルブの開度は次式
で求めることができ、この式中のoffsetには２１行目の
値１０を、delta には２０行目の値１０をそれぞれ代入
する。

【００５４】開度＝ offset ＋ delta＊（内部変数３の
値）

【００５５】次にステップＳＴ３２で設定された対応デ
ータをもとに複数個の制御解をランダムに生成し、それ
を制御解保存部３１に格納する（ステップＳＴ３３）。
制御解保存部３１に格納された制御解の一例を図５を用
いて説明する。図５は表４に記載した対応データに基づ
く制御解の一例を示す説明図である。図５に示された制
御解は表４の対応データで表される全ての内部変数の値
を保持する。左から第ｉ番目の数字であるＸ_iが内部変
数ｉの値を表す（１≦ｉ≦３）。この制御解は、表４の
対応データに従って解釈され、バルブｌｖ_1の開度を３
０度、バルブｌｖ_2の開度を４０度、バルブｌｖ_3の開
度を４０度に各々設定する制御方法を示している。

【００５６】次に制御解評価部３３によって、前記ステ
ップＳＴ３１で設定された評価尺度を用いて制御解保存
部３１に格納されている各制御解の評価値を計算する
（ステップＳＴ３４）。この評価は具体的には、ステッ
プＳＴ３２で設定された対応データに基づいて制御解が
表す制御変数の値を求め、その値をもとに管網状態をシ
ミュレートして、ステップＳＴ３１で説明した評価関数
Ｆの値を計算することで行う。また、この管網状態のシ
ミュレーションは管網状態評価部２６を呼び出すことに
よって行う。

【００５７】次に制御解修正部３４で各制御解に対し
て、ステップＳＴ３４で得られた評価値をもとに集団で
の相対評価値をその制御解の適応度として求める（ステ
ップＳＴ３５）。この相対評価では、より最適である制
御解、すなわち評価値がより小さい制御解ほど適応度と
して大きな値が割当てられる。

【００５８】次にこのステップＳＴ３５で得られた適応
度をもとに、制御解修正部３４で生物の進化過程を模擬
した方法で制御解の集団を修正し、制御解保存部３１に
格納されている集団をこの修正後の集団で置き換え（ス
テップＳＴ３６）、しかる後にステップＳＴ３４に戻
る。このステップＳＴ３４〜ＳＴ３６の繰り返しは、終
了条件が満足されるまで行なわれる（ステップＳＴ３
７）。この終了条件の一例としては、規定の繰り返し回
数を行なったか否か、または評価関数Ｆの値が規定の閾
値未満の制御解が見つかったか否かなどがある。

【００５９】ここで、ステップＳＴ３６の処理の詳細を
図６を用いて説明する。図６において、ステップＳＴ３
５で得られた適応度を反映した確率で、制御解保存部３
１に保存された制御解の集団から２個の制御解を選択す
る（ステップＳＴ４１）。なお、これらの制御解を親の
解と呼ぶ。

【００６０】次に適当に交叉点を選んで、その点で２つ
の親の解の内容を交叉する（ステップＳＴ４２）。この
交叉によってできる制御解を子の解と呼ぶ。図７はステ
ップＳＴ４２で行なわれる交叉の一例を示す説明図であ
り、交叉点が内部変数１の値と内部変数２の値の間に設
定され、その交叉点より後の内部変数の値が親の解１と
親の解２の間で交換されて、子の解１と子の解２が生成
されることを示している。

【００６１】次に子の解の持つ数値の一部をある微小な
確率でランダムに変更することにより、子の解に突然変
異を施す（ステップＳＴ４３）。図８はステップＳＴ４
３で行なわれる突然変異の一例を示す説明図であり、子
の解の内部変数３の値がランダムに変更されることを示
している。ステップＳＴ４１からステップＳＴ４３まで
の処理を、子の解の数が元の集団の制御解の個数と一致
するまで繰り返す。その後、制御解保存部３１に保存さ
れた制御解の集団をこれらの子の解の集団で置き換え
る。

【００６２】ステップＳＴ３６では以上のように、ステ
ップＳＴ４１で適応度に応じた確率で親の解を選択する
ことにより、適応度の低い制御解、すなわち評価関数Ｆ
の値が大きい制御解は淘汰されて探索対象から除外され
ていく。ステップＳＴ４２で親の解同士で制御解を部分
的に交換して子の解を生成することにより、親の解の中
で性質の良い部分が子の解に遺伝する、すなわち、制御
解の中で評価関数Ｆの値を小さくする部分が探索対象と
して保持されていく。そして、ステップＳＴ４３で子の
解の一部をランダムに変更することにより、探索過程で
局所解に陥ってもそこから脱出する可能性が生じ、最適
解に到達することができる。

【００６３】このようにステップＳＴ３４〜ＳＴ３６の
繰り返しを重ねるにつれて、生物の進化過程を模擬した
最適化作用が働き、より最適な制御解、すなわち評価関
数Ｆの値が小さい制御解が探索される。

【００６４】以上のように、実施例２によれば、複数個
の制御解を探索対象として扱い、これらの制御解を生物
の進化を模擬した方式で修正することによって最適解を
探索するので、局所解に陥ることがなく最適解を求める
ことができて、結果として得られる制御方法の精度が高
い管網制御支援装置を得ることができる。

【００６５】実施例３．以下、この発明の実施例３を図
に基づいて説明する。図９はこの発明のさらに他の実施
例による管網制御支援装置の構成を示すブロック図であ
る。図において、２１〜２４、２６、３１および３４は
図３に同一符号を付した部分と同様の構成であるのでそ
の説明は省略する。

【００６６】４１は制御目標設定部２２、管網制約設定
部２３、および制御変数設定部２４で各々設定された制
御目標、管網制約、および制御変数に関して、時系列制
御問題を反映した、制御解保存部３１に保存された制御
解の評価基準を設定し、制御解と制御変数の対応を規定
する対応データを設定する時系列制御問題設定部であ
る。４２は制御解保存部３１に保存された個々の制御解
を時系列制御問題設定部４１によって設定された制御解
の評価基準に従って評価する時系列制御解評価部であ
る。

【００６７】このように、この実施例３では時系列制御
問題が扱えるように、実施例２における制御問題設定部
３２として上記時系列制御問題設定部４１を用い、制御
解評価部３３として上記時系列制御解評価部４２を用い
たものである。

【００６８】次に動作について説明する。ここで、図１
０はこのように構成された管網制御支援装置における処
理の流れの要部を表すフローチャートである。なお、こ
の実施例３も図２のステップＳＴ２５における処理の具
体的な実現例であるので、ここでは図２のステップＳＴ
２５以外の説明は省略し、図２のステップＳＴ２５に対
応する動作のみを図１０に従って説明する。

【００６９】図１０において、まず、時系列制御問題を
反映した制御解の評価尺度を時系列制御問題設定部４１
で設定する（ステップＳＴ５１）。この評価尺度の一例
として、以下に示す２つの評価関数がある。

【００７０】Ｇ＝Σ_i ｗｇ_i＊Ｐ_i Ｈ＝Σ_j ｗｃ_j＊Ｑ_j

【００７１】上記２つの評価関数のうち、Ｇは制御変数
のある値の設定による管網状態における制御目標との隔
たりを表す評価関数であり、Ｈは制御変数のある値の設
定による管網状態における管網制約の違反の程度を表す
評価関数である。ここで、i、j 、ｗｇ_i、ｗｃ_j、Ｐ_i
およびＱ_jは、ステップＳＴ３１で説明したそれらと各
々同様の定義であるので説明は省略する。

【００７２】次に時系列制御問題設定部４１において、
制御変数設定部２４で設定された制御変数と制御変数の
値に関する制約を反映して、制御解の表現と制御変数の
値との対応を規定する対応データを設定する（ステップ
ＳＴ５２）。この対応データによる変換表の一例を次の
表５に示す。なお、この場合も説明の便宜上、表５の各
行の左端に行番号を括弧付の数字で付記する。

【００７３】

【表５】

【００７４】ここで、この表５の１行目〜２１行目は、
各制御変数に関する変換規則を記述しており、表４の１
行目〜２１行目と同様であるのでその説明は省略する。
表５の２２行目および２３行目が時系列制御問題に固有
の記述である。２２行目は、各内部変数の値の初期設定
を指定する。内部変数１の値が７、内部変数２の値が
１、および内部変数３の値が２であること、すなわち、
バルブｌｖ_1の開度を４０度、バルブｌｖ_2の開度を１
５度、およびバルブｌｖ_3の開度を３０度に初期設定す
ることを表している。また、２３行目は、この２２行目
で設定された初期設定から何回の制御を行なうことによ
り制御目標を達成するか、その回数を指定する。この例
では４回のバルブ操作を行なうことを表している。

【００７５】次にステップＳＴ５２で設定された対応デ
ータをもとに複数個の制御解をランダムに生成し、それ
を制御解保存部３１に格納する（ステップＳＴ５３）。
図１１はこの制御解保存部３１に格納される制御解の一
例を示す説明図である。この制御解は２字組が４個なら
んでおり、左からＸ番目の２字組が、第Ｘ番目の制御を
表している。各２字組の１字目は内部変数の番号を表す
整数であり、２字目は制御を表す０または１の整数であ
る。なお、この２字目の整数０は内部変数の値を１減ら
すことを、１は内部変数の値を１増やすことをそれぞれ
表している。図１１に示した制御解は、まず内部変数１
の値を１減らし、その後内部変数２の値を１増やし、そ
の後内部変数１の値を１減らし、その後内部変数３の値
を１減らすことを表す。すなわち、バルブｌｖ_1、バル
ブｌｖ_2、およびバルブｌｖ_3の開度が各々、４０度、
１５度、３０度の初期設定から、まずバルブｌｖ_1の開
度を３５度に、次いでバルブｌｖ_2の開度を４０度に、
次いでバルブｌｖ_1の開度を３０度に変え、最後にバル
ブｌｖ_3の開度を２０度に変える時系列の制御方法を表
している。

【００７６】次に時系列制御解評価部４２によって、ス
テップＳＴ５１で設定された評価尺度を用いて制御解保
存部３１に格納されている各制御解の評価値を計算する
（ステップＳＴ５４）。このステップＳＴ５４の詳細動
作を図１２を用いて以下に説明する。この図において、
Ｖ（ｔ）はｔ回目の制御が行なわれた直後の各内部変数
の値を表すベクトルであり、Ｈ（ｔ）は内部変数の値を
Ｖ（ｔ）に設定した場合の管網状態における評価関数Ｈ
の値である。また、ｔ_max は制御解が表す制御の回数を
示すものである。以下、図１２に従ってその手順を説明
する。

【００７７】まず、ｔの値を１に設定し（ステップＳＴ
６１）、引き続いてＶ（ｔ）の計算を行う（ステップＳ
Ｔ６２）。次にＶ（ｔ）で表される内部変数の値を、ス
テップＳＴ５２で設定された対応データを用いて制御変
数の値に変換し、その設定による管網状態をシミュレー
トすることによって評価関数Ｈの値を計算し、その計算
結果をＨ（ｔ）の値とする（ステップＳＴ６３）。この
管網状態のシミュレーションは管網状態評価部２６を呼
び出すことにより行う。以下、ステップＳＴ６２とステ
ップＳＴ６３の処理を制御解が表す制御の回数分繰り返
す（ステップＳＴ６４、ＳＴ６５）。これによってＶ
（ｔ_max ）とＨ（１）〜Ｈ（ｔ_max ）とが算出される。

【００７８】その後、次式の値を計算して、それを制御
解の評価値とする（ステップＳＴ６６）。

【００７９】Ｇ_last＋Ｈ_max

【００８０】ここで、上記Ｇ_lastは制御解の最終状態、
すなわち、内部変数の値をＶ（ｔ_{ma x} ）に設定した場合
の管網の状態における評価関数Ｇの値を表し、Ｈ_max は
Ｈ（１）〜Ｈ（ｔ_max ）の最大値を表す。制御解の評価
値をこのように求めることにより、制御解の評価値は、
時系列制御による最終状態がどの程度制御目標から隔た
っているかと、時系列制御の途中で管網制約の違反が最
大どの程度であるかを表すことになり、評価値の小さい
制御解ほどより最適な制御方法を表すことになる。

【００８１】次に制御解修正部３４で各制御解に対し
て、ステップＳＴ５４で得られた評価値をもとに集団で
の相対評価値をその制御解の適応度として求める（ステ
ップＳＴ５５）。この相対評価では、より最適である制
御解、すなわち評価値がより小さい制御解ほど適応度と
して大きな値が割当てられる。

【００８２】次にこのステップＳＴ５５で得られた適応
度をもとに、制御解修正部３４で生物の進化過程を模擬
した方法で制御解の集団を修正し、制御解保存部３１に
格納されている集団をこの修正後の集団で置き換え（ス
テップＳＴ５６）、しかる後にステップＳＴ５４に戻
る。このステップＳＴ５４〜ＳＴ５６の繰り返しは、終
了条件が満足されるまで行なわれる（ステップＳＴ５
７）。この終了条件の一例としては、規定の繰り返し回
数を行なったか否か、または評価値が規定の閾値未満の
制御解が見つかったか否かなどがある。なお、ステップ
ＳＴ５６の処理の詳細は図４におけるステップＳＴ３６
と同様であるのでその説明は省略する。

【００８３】このようにステップＳＴ５４〜ＳＴ５６の
処理を繰り返して重ねるにつれ、実施例２におけるステ
ップＳＴ３４〜ＳＴ３６の繰り返しの場合と同様に、生
物の進化過程を模擬した最適化作用が働き、局所解に陥
ることなく、制御解の評価値が最小である最適な解が探
索される。

【００８４】以上のように、実施例３によれば、制御解
が時系列制御問題の解を表現し、制御解を時系列制御問
題に適合するように評価して最適解を探索するので、時
系列制御問題を解くことが可能となる。

【００８５】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、制御方法の探索において、その制御方法に従って管
網を制御した場合の管網状態を水理に基づいたシミュレ
ーションで評価し、制御方法の効果を確認することによ
り探索を行なうように構成したので、水理的に保証され
た制御方法を得ることができるという効果がある。ま
た、得られた制御方法を知識獲得のためのインタビュー
で熟練操作員に提示すれば、熟練操作員が自分の知識を
思い出したり整理したりすることを補助することができ
て、知識獲得の支援が可能となり、さらに新しい管網を
制御対象とする場合などで操作員に制御知識がない場合
などには、得られた制御方法を操作知識の代用として使
用することができる効果がある。

【００８６】請求項２の発明によれば、複数個の制御問
題の解を探索対象として扱い、これらの解を生物の進化
を模擬した方式で修正して最適解を探索するように構成
したので、局所解に陥ることなく最適解を求めることが
可能となり、精度の高い制御方法を得ることができる効
果がある。

【００８７】請求項３の発明によれば、制御解が時系列
制御問題の解を表現し、制御解を時系列制御問題に適合
するように評価して最適解を探索するように構成したの
で、時系列制御問題の制御方法を得ることができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例１による管網制御支援装置
の構成を示すブロック図である。

【図２】 上記実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図３】 この発明の実施例２による管網制御支援装置
の構成を示すブロック図である。

【図４】 上記実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図５】 上記実施例の制御解の一例を示す説明図であ
る。

【図６】 上記実施例の制御解の集団の修正の詳細動作
を示すフローチャートである。

【図７】 上記実施例の制御解の交叉を示す説明図であ
る。

【図８】 上記実施例の制御解の突然変異を示す説明図
である。

【図９】 この発明の実施例３による管網制御支援装置
の構成を示すブロック図である。

【図１０】 上記実施例の動作を示すフローチャートで
ある。

【図１１】 上記実施例の制御解の一例を示す説明図で
ある。

【図１２】 上記実施例の制御解の評価の詳細手順を示
すフローチャートである。

【図１３】 知識工学の手法に基づく従来の管網制御支
援装置の構成を示すブロック図である。

【図１４】 上記管網制御支援装置の動作を示すフロー
チャートである。

【図１５】 数理計画法に基づく従来の管網制御支援装
置の構成を示すブロック図である。

【図１６】 上記管網制御支援装置の動作を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

２１ 管網状態設定部、２２ 制御目標設定部、２３
管網制約設定部、２４制御変数設定部、２５ 制御解探
索部、２６ 管網状態評価部、３１ 制御解保存部、３
２ 制御問題設定部、３３ 制御解評価部、３４ 制御
解修正部、４１ 時系列制御問題設定部、４２ 時系列
制御解評価部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上水道設備の送水系統網や配水管網など
   の管網の節点や管路やバルブなどの構成要素の属性、管
   網の構造、および節点での水の流出量または流入量およ
   び水圧のうちの既知のものを設定する管網状態設定部
   と、前記管網状態設定部で設定される節点や管路のう
   ち、水圧をある目標の値に設定したい節点の節点名とそ
   の目標値、および流量をある目標の値に設定したい管路
   の管路名とその目標値を制御目標として設定する制御目
   標設定部と、前記管網状態設定部で設定される節点や管
   路のうち、節点名とその節点での水圧の許容範囲、およ
   び管路名とその管路での流量の許容範囲を管網制約とし
   て設定する管網制約設定部と、前記管網状態設定部で設
   定されるバルブのうち、前記制御目標設定部で設定され
   た制御目標を達成するために開度を制御するバルブのバ
   ルブ名と制御の際の制約を制御変数として設定する制御
   変数設定部と、前記制御目標設定部、管網制約設定部、
   および制御変数設定部で各々設定された制御目標、管網
   制約、および制御変数に関して、管網制約を満たしつつ
   制御目標を達成するような制御方法を求める制御解探索
   部と、前記制御解探索部から入力される各制御変数の
   値、および前記管網状態設定部で設定された管網状態を
   もとに、管網の節点の水圧と管路の流量を求める管網状
   態評価部とを備えた管網制御支援装置。
2. 【請求項２】 前記制御解探索部が、制御問題の解の集
   合を保存する制御解保存部と、前記制御目標設定部、管
   網制約設定部、および制御変数設定部で各々設定された
   制御目標、管網制約、および制御変数に関して、管網制
   約を満たしつつ制御目標を達成するような、全ての制御
   変数の値を求める問題を反映した、前記制御解保存部に
   保存された制御解の評価基準を設定し、制御解と制御変
   数の対応を規定する対応データを設定する制御問題設定
   部と、前記制御解保存部に保存された個々の制御解を前
   記制御問題設定部で設定された評価基準に従って評価す
   る制御解評価部と、前記制御解評価部で得られた制御解
   の評価値をもとに、前記制御解保存部に保存された制御
   解の集合を修正する制御解修正部を有することを特徴と
   する請求項１に記載の管網制御支援装置。
3. 【請求項３】 前記制御問題設定部として、前記制御目
   標設定部、管網制約設定部、および制御変数設定部で各
   々設定された制御目標、管網制約、および制御変数に関
   して、制御変数の値の初期設定に従った管網状態から管
   網制約を満たしつつ制御目標が達成された管網状態に移
   行するためには、どの制御変数の値をどの順番でどのよ
   うに変更すればよいかを求める問題を反映した、前記制
   御解保存部に保存された制御解の評価基準を設定し、制
   御解と制御変数の対応を規定する対応データを設定する
   時系列制御問題設定部を用い、前記制御解評価部とし
   て、前記制御解保存部に保存された個々の制御解を、前
   記時系列制御問題設定部で設定された制御解の評価基準
   に従って評価する時系列制御解評価部を用いたことを特
   徴とする請求項２に記載の管網制御支援装置。