JPH0921500A - 管網管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複数の供給源の存在する大規模または詳細な管
路網に対して、オンライン制御が可能な計算速度を有し
つつ精度の保証される管網制御および管理方法を提供
し、かつ通信路の異常発生時にも対応できる方法を提供
すること。 【構成】流体を輸送する管網であって、その中に流体の
輸送の状態を制御する配水場（１０）、ポンプ（１１）
やバルブ（１２）などの制御点を有する管網を管理する
管網管理方法であって、複数の制御点（１０〜１２）か
ら所定数の制御点を選択し、選択された制御点一つに対
して一つのブロック（１６−Ａ〜Ｅ）を構成し、構成さ
れた各ブロックを互いに上下関係の存在する多層構造を
構成する関係で結び付け、各ブロックは、境界の管路を
通して自ブロックの上位のブロックおよび下位のブロッ
クと流体の輸送状態に関するデータの授受を専用線（２
０）を通して行うことにより、自ブロック内の流体の輸
送状態に関する管網解析を計算機（１８）で行い、管網
解析された各ブロックの解析結果を統合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、上水道管網、ガス管網
等の流体輸送システムの制御および管理に係る。そのな
かでも特に制御および管理を行うべき点が複数、更に付
け加えればオンラインで管網計算を行うことが困難にな
るほど多数、存在するときの該システムの制御および管
理に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、水道、ガス等の流体を輸送する
管網（管路）内では、需要変動に伴って流量が変化し、
圧力も絶えず変化する。しかしながら、利用者のために
は、末端圧力を一定に維持する必要があり、圧力制御に
より、需要変動に関わらず、管網内圧力を所定の範囲内
に保持しておく必要がある。このため、管路内各所の圧
力、流量といった状態を的確に知る管網解析、およびそ
の状態を基に管路内が適切な圧力に保たれるように導く
管網制御が必要となる。

【０００３】上述のような管網解析および制御を行うた
めの技術としては、例えば、特開平６―３０３６７７号
公報「管網管理方法およびこれを利用するシステム」に
開示された方法が知られている。この方法は、管網内に
主要管網を設定し、これを管理する管理センタ、および
主要管網に接続するブロックを構成し、各ブロック内に
サブセンタを設置し、これがブロック内の下位管網を管
理する、木構造の如き分割を管網に施し、各ブロックを
分散管理することを特徴としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】現在の流体輸送網の制
御および管理においては、管網の途中に存在してオンラ
イン制御する施設または常時監視し続ける観測点等の設
置は、少数の地点で行われているのみである。特に上水
道システムにおいては、今後、渇水時の水源確保が重要
な問題になり、この問題を解決するために、雨水利用や
下水処理水の利用が積極的に行われるものと思われ、そ
の結果、管網の中間地点に雨水や下水処理水を利用した
配水施設が多数設置されるものと思われる。従って制御
を行うべき対象の増化に伴なって計算量も増化し、これ
に対応した管網の制御を含んだ管理方法が求められる。
加えて、渇水時においてだけでなく平常時においても、
漏水防止のため、または１０階程度の建物への直結給水
を実現するために、全ての利用者に対して適正な圧力、
流量等のサービスを行うことに対する要求が高まること
は容易に想像でき、よりきめ細かい制御および管理を行
う必要がある。そのため、これまで計算量低減のために
行ってきた管路網の簡略化をよりきめ細かく行うこと
で、より詳細な管網モデルを対象にし、かつごく短い時
間間隔でのオンラインによる管網解析を行う必要性がで
てきている。

【０００５】上記課題に対して、中央集中管理を行う方
法による管網全体を対象とした管網解析および制御であ
っては、その計算時間は管網の規模が大きくなるほど顕
著に増大し上記課題に対応することは、特にオンライン
制御を行うにおいては、非常に困難である。分割して管
理するにしても、前記従来技術では、管網の形態が主要
な管路が存在しこれに主要でない管路網が付随する形に
ならなければ、その効果が現れず、任意の管網に適用で
きる方法ではない。

【０００６】また別の課題としては、管網上の制御点お
よび観測点からの通信路に異常が発生し、流量および圧
力に関する制御データもしくは観測データの送受信が不
可能になった場合、中央集中管理による方法では対応が
不可能であり、これを解決しなければならない。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、従来の技術における上述
の諸問題を解消し、オンラインでも対応できる計算速度
でかつ精度を保証する管網制御および管理方法を実現す
ることであり、データの送受信が不能となるような異常
時にも対応できるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、複
数の制御点または観測点の中からユーザが分割したい数
だけ制御点または観測点を選択し、該点一つに対して一
つのブロックを構成し、該ブロックが互いに上下関係の
存在する多層構造を構成する関係で結び付き、各ブロッ
クは、境界の管路を通して自ブロックの上位のブロック
および下位のブロックとデータの授受を行うことによ
り、自ブロック内だけで独立に管網解析を行い、これら
を統合することで全体の管網解析を行っていくことを特
徴とする管網管理方法で達成できる。また、複数の制御
点または観測点の中からユーザがブロック化したい数だ
け選択した制御点または観測点を起点とし、予め調査し
ておいた管路の流向に基づき、該点より流体の到達可能
な地域を影響エリアとし、この影響エリア内に他の該点
が存在しないものから順にブロックとして構成していく
ことで、自動的に階層的にブロックを構成する機能を実
現することにより達成できる。ここで、管網解析とは、
任意位置の流体の輸送状況を既知として、そこから管網
全体の流体の輸送状況を算出することである。例えば、
管網末端の需要量、供給点（配水池）における供給量あ
るいは供給圧力を既知として、管網全体の各節点圧力お
よび管路流量を算出することである。

【０００９】上述のブロックの管網解析は、解析を行う
ブロックに着目し、該ブロックより上位のブロックから
計算時の一時刻前の境界節点の圧力データを受けとり、
下位のブロックからは既に管網解析を行った後の出力結
果である境界管路の流量データを受けとることで行う。
該ブロックは下位のブロック全ての計算が終り次第、下
位のブロックより境界となる管路の流量を取り込み境界
点の需要量として処理し、管網解析を実行する。これを
最下位のブロックより連鎖的に実行し、全てのブロック
の管網解析を行う。

【００１０】自動的階層的なブロック構成については、
管網上に多く点在している制御点および観測点の各々に
対して、その影響エリアを限定しブロックとすることに
よってなされる。この際、他の制御点および観測点に影
響を及ぼさない制御点または観測点が構成するブロック
を最下位のブロックとして、最初に構成する。他の制御
点および観測点に影響を及ぼす制御点または観測点は、
影響を及ぼされる側の制御点または観測点がブロックを
構成した後、その上位ブロックとして構成される。これ
を繰り返すことによって、互いに上下関係の存在するブ
ロック網を構成する。

【００１１】流量（流速）、圧力といったデータの通信
が不可能になるような異常事態においては、異常発生ブ
ロックは、異常発生以前のデータと、異常発生時の時
刻、気温、天気等の種々の条件を加味して、受信不能と
なったデータの推定を行い、制御を行う。ここで、各ブ
ロックは上位および下位のブロック内の全節点の需要デ
ータを保持しておく。この時、異常発生ブロックに接続
するブロックは、異常発生ブロック内の節点の需要量と
推定値を異常発生ブロックと同じ条件で推定すること
で、異常発生ブロック内の制御をシミュレートし、異常
発生ブロックから送られてくるはずのデータを基に解析
を行い、異常発生ブロックへ送るべきデータを生成でき
るように制御を行う。上記のように、異常時の制御を行
うことによって、通信の不可能となったブロック間であ
っても、流量および圧力の整合性を保ちつつ配水を行
う。

【００１２】

【作用】大規模な管網モデル、または簡略化をほとんど
行わない詳細な管網モデルに対して管網計算を行うに
は、計算量の増化から、特にオンライン計算等の速度を
要求される場面では従来とは異なった管網制御および管
理方法が要求される。本発明に係る管網分割制御および
管理方法は、複数の制御点または観測点が存在する管網
モデルにおいて、これらの中からユーザが分割したい数
だけ制御点または観測点を選択し、該点一つに対して一
つのブロックを構成することで、管網解析を行う対象で
あるブロック１つ当りの規模を小さくし、計算速度の高
速化を図っている。

【００１３】また、本発明に係る管網分割制御および管
理方法における、自動ブロック化機能は、管路を流れる
流体の流向を判断して、ブロックを構成するので、一意
には決まらないが、任意の形態の管路網に対して適用で
きる。

【００１４】ブロック化を行うにあたって、上位のブロ
ックが前時刻の境界節点の圧力データを下位のブロック
に対して与え、下位のブロックは与えられた境界節点の
圧力データをもとにして管網計算を行い、境界節点の流
入量を計算し、これを上位のブロックへ与えることで、
互いにデータの授受を行い、下位のブロックから順に上
位のブロックへと管網計算を行い、該ブロックが互いに
上下関係の存在する多層構造を構成する関係で結び付
き、管網の制御および管理を分割して行う、という処理
を行うことにより、実管網で圧力の伝達に時間がかかる
ことを考慮に入れれば、全管網を対象に管網制御および
管理を行っていた従来の手法に比べてより精度のよい解
析を行うことができる。但し、上述のことはブロックの
大きさと伝達時間に対して、オンライン制御を行う時間
間隔を充分に考慮しておかなければならない。

【００１５】データ通信が不可能となったブロックにお
いて、異常発生ブロックおよび該ブロックに接続するブ
ロックで、異常発生時の間の送受信が不可能なデータ
を、最終通信データに基づいて同じ規則で推定すること
により、ブロック間の流量、圧力の整合性を保ちつつ、
運用を行うことができる。この運用は管網全体から見れ
ば最適な制御ではないが、外部との通信の断たれたブロ
ック内においては、最適な制御を行うことが可能であ
り、末端圧に影響を与えない運用を行うことが可能であ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の一実施例に係る管網管理
方法の対象とする流体を輸送するシステムの例を、上水
道を例にとって示したものである。この例では、河川よ
り取水する一般的な浄水場１３に加えて、今後実現する
であろう雨水および下水処理水を利用する施設１４、１
５からも配水を行う、渇水時の対策として有効な、多数
の供給源が管網上に存在する上水道システムを示してい
る。なお、図１では、後述する自動ブロック化により既
にブロック化がなされているものが示されている。管網
は、配水場１０やポンプ１１やバルブ１２の制御点を基
点として構成された５つのブロックＡ〜Ｅ（１６―Ａ〜
Ｅ）と、これらのブロック間を連絡する境界管網１７等
により成っている。本実施例の管網管理方法は、各ブロ
ックＡ〜Ｅに対して管網解析および制御を行う管網計算
を行うことによって、管網内の流量および圧力の分布を
適切に保持することを目的としている。この管網解析
は、各ブロック毎に設置された計算機１８によって行わ
れ、ブロック間のデータの授受は専用線２０を用いて行
われる。

【００１７】図２は、本実施例の管網管理方法におい
て、各ブロックにおける上位および下位からのデータの
受けとりから管網計算までの手順を、フローチャートに
表したものである。まず、最下位ブロックから計算を行
う（ステップ２１）。該ブロックは上位のブロックより
一時刻前のデータを受けとり（ステップ２２）、管網計
算を実行する（ステップ２３）。最下位ブロックの計算
が終了した後、上位のブロックの計算を開始する。最下
位ブロックが複数ある場合はこのステップを繰り返す。
上位のブロックは、自ブロックより下位の全てのブロッ
クの計算が終了した後実行される（ステップ２４、２
５）。該ブロックは、下位のブロックより計算結果より
得られる境界管路の流量データを受けとり（ステップ２
６）、上位のブロックより一時刻前の境界節点の圧力デ
ータを受けとり（ステップ２７）、管網計算を実行する
（ステップ２８）。これを全てのブロックについて計算
が終了するまで繰り返す（ステップ２９）。

【００１８】図３は、上述のブロック間のデータの授受
の関係、および計算順序を、図１の例について、表した
ものである。図１においてブロック内の流体が他ブロッ
クへ流出していかないブロックＥ（１６―Ｅ）が本例に
おける最下位ブロックとなり、該ブロックより上位であ
るブロックＤ（１６―Ｄ）とブロックＣ（１６―Ｃ）か
ら一時刻前の計算結果である境界節点の圧力データ（３
０）を受けとって、最初に管網計算が行われる。次に上
位のブロックの計算に移るが、ブロックＣはブロックＤ
の上位ブロックでもあるので、ブロックＤの管網計算を
先に行う。ブロックＤは、上位のブロックＢ（１６―
Ｂ）とブロックＣ（１６―Ｃ）より一時刻前の境界節点
の圧力データを受けとり、下位のブロックＥより境界管
路の流量データ（３１）を受けとり、これを境界節点の
需要量として組み込み、、管網計算を実行する。以下同
様に、ブロックＣ、ブロックＢ、ブロックＡ（１６―
Ａ）をこの順で管網計算を実行していく。なお、ブロッ
クＣとブロックＢは上下の関係にはなっていないのでど
ちらを先に実行しても構わない。また当然、並列に行っ
ても構わない。

【００１９】ブロックの自動構成について、図１で示し
た例に対して、図４を用いて説明を行う。まず、ユーザ
が分割したい制御点または観測点を選択する。図１の例
では、配水池１０―Ａ〜Ｃ、ポンプ接続点３２、バルブ
接続点３３を選択する。選択された点より流体の到達可
能な地域である影響エリアを探索すると、配水池１０―
Ａと配水池１０―Ｃはその影響エリア内にポンプ接続点
３２やバルブ接続点３３を含むので、このエリアはブロ
ックとしない。従って、残る配水池１０―Ｂとポンプ接
続点３２とバルブ接続点３３の中から最初にブロック化
する点を選択する。この選択は、ユーザの意志で任意に
決定することもできるし、また全てのブロックの規模が
およそ一定になるような、ある選択基準に従ったルール
を設定して決定しても、本ブロック自動構成方法には本
質的に影響しない。

【００２０】図４においては、まずバルブ接続点３３を
選択してブロックを構成し、以下配水池１０―Ｂ、配水
池１０―Ｃ、ポンプ接続点３２、配水池１０―Ａの順に
選択しブロックを構成している。

【００２１】図５は、図１で示した管網モデルにおい
て、データ通信路２０が送受信不能になりブロックＤが
孤立した場合の、各ブロック間のデータの授受、および
孤立したブロックとの関係を示す。このような場合、孤
立したブロックＤは、通信が不能となった以前の上位ブ
ロックよりの圧力データおよび下位ブロックからの流量
データを基にして、異常発生時の時刻、気温、天気を加
味して、通信不能となった上位および下位のブロックか
らの受信データ（３５、３６、３７）を図６のように推
定し（４０）、ブロック内の制御を行う。また、異常発
生ブロックに接続するブロックは、異常発生ブロック
は、異常発生ブロック内の制御をシミュレートすること
で、異常発生ブロックから送られてくるはずのデータ
（３８）を算出し、これを基に解析を行い、異常発生ブ
ロックへ送るべきデータ（３９）を生成できるように制
御を行う。

【００２２】上述の実施例は本発明の一例を示したもの
であり、本発明はこれに限らず、ガスの供給管理等、流
体を輸送するあらゆる管網に適用することが可能であ
る。また、オンラインによる利用のみならず、オフライ
ンによる利用も有効である。

【００２３】

【発明の効果】多数の制御点または観測点の存在する管
網において、この点に関する計算を小さなブロックのみ
で行うことにより、多数の供給源の存在する管網の計算
の高速化およびデータ通信不能時への対応を可能とし
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】管網管理方法の対象とするシステムの例の全体
図である。

【図２】各ブロックの管網計算の手順を表したフローチ
ャートである。

【図３】ブロック間の上下関係および計算順序を示した
図である。

【図４】管網モデルをブロック化した図である。

【図５】通信路不通のため、一つのブロックが孤立した
時のブロック間の上下関係を表した図である。

【図６】ブロックが孤立した時の境界データの推定値を
示した図である。

【符合の説明】

１０…配水池、１１…ポンプ、１２…バルブ、１６…ブ
ロック、１７…境界管網、２７…ブロック境界

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体を輸送する管網であって、その中に前
   記流体の輸送の状態を制御する制御点を有する管網を管
   理する管網管理方法において、 前記複数の制御点から所定数の制御点を選択し、 選択された制御点一つに対して一つのブロックを構成
   し、 構成された各ブロックを互いに上下関係の存在する多層
   構造を構成する関係で結び付け、 前記各ブロックは、境界の管路を通して自ブロックの上
   位のブロックおよび下位のブロックと前記流体の輸送状
   態に関するデータの授受を行うことにより、前記自ブロ
   ック内の流体の輸送状態に関する管網解析を行い、 管網解析された各ブロックの解析結果を統合することで
   前記管網の流体の輸送状態に関する管網解析を行うこと
   を特徴とする管網管理方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の管網管理方法において、 前記各ブロックは、上位のブロックから計算時の一時刻
   前の境界節点の圧力データを受けとり、下位のブロック
   からは既に管網解析を行った後の出力結果である境界管
   路の流量データを受けとることで管網解析を行い、これ
   を最下位のブロックより連鎖的に実行することにより全
   体の管網解析を行うことを特徴とする管網管理方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の管網管理方法において、 前記所定の制御点から起点となる制御点を指定し、 前記管網内の流体の流向に基づき、指定された制御点か
   ら前記流体が所定時間内に到達可能な地域を前記制御点
   の影響エリアとして指定し、 指定された影響エリアのうち他の制御点の少ない影響エ
   リアから順に、上位の階層のブロックとして構成するこ
   とにより、前記管網に対して階層的に前記ブロックを構
   成することを特徴とする管網管理方法。
4. 【請求項４】流体の輸送状態を制御する複数の制御点が
   存在する流体を輸送する管網において、 予め前記管網を複数のブロックに分割しておき、 前記制御点からの、前記流体に関するデータの通信が不
   可能になる異常事態においては、異常が発生したブロッ
   クは、異常発生以前の前記流体に関するデータと異常発
   生時の前記管網に関する条件に基づいて、受信不能とな
   ったデータの推定し、 推定されたデータに基づいて前記管網の流体の制御を行
   うことを特徴とする管網管理方法。