JPS5952448B2

JPS5952448B2 - 上水道システムの運用制御方法

Info

Publication number: JPS5952448B2
Application number: JP54080188A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎宮岡; 邦顕松本; 幹彦大成; 仁平館
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-27
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1984-12-19
Also published as: JPS567110A; AU5974180A; AU536928B2; US4308150A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は上水道システムの運用制御方法に関するもの
である。

更に詳しくは、複数の浄水場およびそれらから送水され
る複数の配水池を含み、浄水場相互間あるいは浄水場と
配水池間等が管路によりネットワーク状に結ばれた上水
道システムの運用制御方法に関するものである。一般に
、水の輸送には大きな流下遅れ時間があるため、上水道
システムにおける、例えば浄水場の適切な運転制御をフ
ィードバック制御だけでおこなうのは極めて困難である
。

従来は、浄水場の運転員が、その時々の時点での配水量
や天候、気温等の周囲条件から、数時間先までの需要量
を経験的に予見して浄水場における処理水量の増減や、
これに伴う取水量の増減を制御していた。しかしながら
、上述のごとく、管路がネツトワ・−ク状に形成され、
幾つもの浄水場が相互に水を融通しあうような複雑な上
水道システムにおいては、経験による運用制御では適切
な制御がほとんど不可能になる。また、省エネルギー、
省資源を考慮した上水道システムの運用制御に対する要
求の高まりにも応じられない。この発明の目的は、複数
の浄水場を含み複雑な管路網構成を有する上水道システ
ムの適切でかつ経済的な運用制御方法を提供することに
ある。

上記目的は、次のごときこの発明の特徴により達成され
る。上水道システムは、１つの浄水量とその浄水場から
送水される少なくとも１つの配水池から成る幾つかのゾ
ーン（ＺＯｎｅ）に分けられる（ゾーニング（ＺＯｎｉ
ｎｇ））。このゾーンを１つの制御単位とみなし、次の
ごときステツプで上水道システム全体の運用制御をおこ
なう。（１）前記ゾーンの各々において、当日の運転に
入る前に、予め当該ゾーンの前記当日の一田こおける水
の需要量およびその任意時間毎の変化を予測しかつそれ
に基づいて前記当該ゾーンにおける必要流入量を求める
。

（２）前記必要流入量を基に前記当該ゾーンの浄水場の
処理水量および当該ゾーンへの管路流量（正負の意味で
の）等の計画値を、また前記需要予測と前記必要流入量
とから前記当該ゾーンの貯水量の計画値を夫々決定する
。

（３）前記当日の運転に入つたならば、前記当該ゾーン
の貯水量を実測しその実測値と前記ゾーン貯水量の計画
値との偏差を求める。

（４）前記偏差が所定の範囲を越えたならば、まず前記
管路流量の計画値を修正し、この修正によつてもなお前
記偏差が前記所定の範囲内にならない場合には前記処理
水量の計画値を修正する。

以下、図を参照して説明する。

第１図はこの発明の実施のために導入されたゾーンの概
念を説明するために上水道システムを概略的に示す図で
ある。

図において、１０，１２，１４，１６は水源を示し、水
源から取水された水は浄水場１８に導びかれる。そこで
処理された浄水は配水池２０，２２，２４に送られ、そ
こから需要家に配水される。各配水池からの矢印２１，
２３，２５は夫々の配水池より需要家へ配水されること
を示す。このように、１つの浄水場１８と、そこから送
水される配水池群を１つのグループとし、これをゾーン
と称する。

図示の上水道システムは４つのゾーン１，２，３，４が
存在する例である。点線で示したゾーン２，３，４はゾ
ーン１と同様に１つの浄水場およびそれから送水を受け
る幾つかの配水池から構成されているが、図においては
省略されている。ゾーン内に存在する配水池の数および
管路網の形状は夫々のゾーンにおいて個有のものである
。配水池２０のごとく管路により他のゾーンにも結ばれ
ている配水池は、それが主として送水を受ける浄水場を
中心として構成されるゾーンに所属させる。図示の例に
おいては、配水池２０は浄水場１８より主として送水を
受けるため、浄水場１８を中心として構成されるゾーン
１に属することになる。このようにゾーニングされた上
水道システムの各ゾーンはそこに含まれるすべての配水
池の貯水能力の和に等しい貯水能力を有するものとみな
すことができ、これをゾーン貯水能力と云う。

このゾーン貯水能力は当該ゾーンにおける一日の需要量
変動を吸収するためのバツフアとして機能する。なお、
ゾーン内のすべての配水池に現実に蓄えられている水の
総量をゾーン貯水量と称する。第２図は、上述のごとく
ゾーニングされた上水道システムの１つのゾーンについ
ての制御手段の構成例を示すものである。図中、第１図
における構成要素と同じものには同じ参照番号を付して
ある。さらに、図において、２６は、例えば取水ゲート
あるいはポンプなどのごとき取水点１０からの原水取水
量を制御する手段である。２８は、例えばポンプあるい
はバルブなどのごときゾーン１と他のゾーンを結ぶ管路
の流量（管路流量）を制御する手段を示す。

３０は需要予測手段であつて、過去の実績データを利用
し、曜眠天候、気温等から翌日の一日分（２４時間分）
の当該ゾーンの総需要量とその任意時間毎（例えば１時
間間隔）の変化を予測する。

３２は運用計画立案手段であつて、需要予測手段３０か
らの需要予測値に基づき当該ゾーンの運用計画、例えば
取水点１０における取水量を決定する取水計画、浄水場
１８における処理水量を決定する浄水場運用計画等を立
案する。

３４は計画値修正手段であつて、当日の運転に入つたと
きに、運用計画立案手段３２により決定された種々の計
画値に対し、ゾーン貯水量の実測値３５に基づいて修正
を加え、取水制御手段２６、浄水場１８および管路流量
制御手段２８等への制御信号３６，３８，４０を出力す
るものである。

上記ゾーン貯水量の実測値信号３５は、当該ゾーン内に
あるすべての配水池で個々に実測された貯水量の総和と
して得られる。なお、上記の計画値修正に際しては、詳
細は後述するが、当該ゾーンの貯水状況のみならず、他
ゾーンの状況も考慮されるのでそのための信号が他ゾー
ンの制御手段との間で交される。図においては、信号４
２として概略的に示す。次に、第３図、第４図を参照し
て、この発明の動作について説明する。

まず、前述のごとく、需要予測手段３０が、過去の実績
データに基づき、翌日の天候、気温、曜日等により２４
時間分の需要量とその変化を予測する。

予測の方法の一例としては、次のような方法がある。過
去の実績データを基に、季節、曜日等に応じた一日の需
要についての一時間毎の変化を示す幾つかのパターンを
用意する。これらのパターンは一日の総需要量で正規化
されたパターンである。予測対象となつている日の条件
により、これらのパターンのうちから該当する１つのパ
ターンを選び出す。他方、同様に過去の実績データから
、予測対象日の曜日および天候、気温予報等により一日
の総需要量を予測する。前記の選択されたパターンと総
需要量予測とから予測対象日の２４時間分についての一
時間毎の需要量変化を求める。上記のごとき予測の結果
として、第３図イに示すごとき当該ゾーンの一日分の需
要量予測曲線が求められる。

運用計画立案手段３２は上記の予測値を積算し需要積算
曲線Ｊ（ｔ）を求める（第３図ロー点鎖線参照）。

さらに、上記曲線Ｊ（ｔ）に当該ゾーンの貯水能力α
を加算した曲線Ｊ（ｔ）＋α （第３図ロニ点鎖線参
照）を求め、第３図口に示すごとき帯状領域を作る。こ
の帯状領域の意味するところは次の通りである。この領
域より下まわる範囲では必要な需要を賄えないことにな
り、またこの領域を上まわる範囲では当該ゾーン内で溢
水を生ずることになる。次に、当該ゾーンの予測対象日
の運転開始時のゾーン貯水量、すなわち初期貯水量を始
点とし前記の帯状領域内を通過する直線を設定する。

この初期貯水量は予測対象日の前日の最終的なゾーン貯
水量に等しい。帯状領域内での直線の引き方としては、
例えば２４時間中の適当な時刻で昼間と夜間とに分け、
夫々に対して一定の勾配をもつ２つの直線を設定するこ
とが考えられる（第３図口実線参照）。これらの直線の
勾配が当該ゾーンへの水の必要流入量を表わすことにな
る（第３図ハ参照）。したがつて、以下この直線を必要
流入量直線という（第３図口実線のごとく折線により
必要流入量が設定される場合にも必要流入量直線と称す
る）。上記必要流入量とはゾーン貯水量を適当な値に保
ちながら当該ゾーンの需要を賄うために必要な当該ゾー
ンへの流入量を表わすものである。したがつて、この必
要流入量は当該ゾーンの浄水場での処理水量のみによつ
て賄われる場合もあるし、また他ゾーンから融通される
水量によつて補われる場合もある。上述の帯状領域内で
の必要流入量直線の引き方は、昼間、夜間の２区間で夫
々異なつた一定の勾配を有する２つの直線によつていた
が、昼夜に限らず時間的に更に細分化した区間を夫々異
なる勾配を有する直線を引いてもよい。

また、２４時間に亘り、一定勾配の１つの直線を引いて
もよいことは勿論である。た・゛し、必要流入量直線の
勾配の変化が多いということは、必要流入量の変更、例
・えば浄水場での処理水量の変更すなわち運転変更の回
数が多いことを意味する。したがつて、浄水場運用のし
やすさという観点からは、できるだけ変更を少なくする
よう必要流入量直線を設定することが望ましい。以上の
ごとくしてゾーンの必要流入量が決定すると、それに基
づいて浄水場での処理水場での処理水量の計画値を求め
ることができる。

他ゾーンからの融通を前提として当該ゾーンの必要流入
量を賄うのであれば、他ゾーンから当該ゾーンへの管路
流量の計画値も決定される。取水量は処理水量に応じて
決まるので、処理水量の計画値が求まれば、必然的に取
水量の計画値も決定する。また、第３図口に示すごとく
、帯域領域内で必要流入量直線が設定されると、その時
々刻々の値は当該ゾーンへの積算流入水量を示すもので
あり、また曲線Ｊ（ｔ）は積算需要量を示すものであ
るので、必要流入量直線と積算曲線Ｊ（ｔ）との差は
当該ゾーンにおける時々刻々のゾーン貯水量を示すこと
になる。したがつて、前述のごとくして求められた種々
の計画値に基づいて運転に入つたとき、もしそれらの計
画値を求める前提となつた需要予測に狂いがなければ、
実際のゾーン貯水量の変化は前記のゾーン貯水量の変化
と同じくなるはずである。この意味から、第３図口より
求まる貯水量は当該ゾーンの貯水量計画値ということが
できる。しかしながら、実際には需要予測に多少の狂い
が存在することやその他の理由から、実際のゾーン貯水
量は前記の貯水量計画値からのずれを生じ．てくる。

したがつて、上記のずれを監視し、そのずれが所定の範
囲内におさまるよう浄水処理水量や管路流量等の計画値
を修正しなければならない次に、上述の計画値修正につ
き詳述する。

１まず、例えばゾーンｉ（７）Ｔ時点におけるゾー
ン貯水量の実測値Ｖ，（Ｔ）とその計画値虐（Ｔ）との
偏差Ｒ１が求められる。Ｒ１＝Ｖ１（Ｔ）−Ｏ１（Ｔ）この偏差Ｒ１に対しては、頻繁な計画値修正動１作を避
けるため許容幅ε，が設定される。

計画値の修正は、偏差Ｒｉと許容幅ε１との関係に応じ
て次のごとくおこなわれる。（イ）１Ｒ１１≦ε，すべてのゾーンがこの条件を満足している場合２にほ、
いずれのゾーンにおいても浄水場の処理水量等の計画値
の修正はおこなわれない。

（ロ）Ｒｉ〉ε １この場合には、次のごとく２段階に分けて修正がおこな
われる。

２レベル１：ゾーン間
相互の融通により修正をおこなう。すなわち、Ｔ＋１時
点のゾーンｉへの管路流量の計画値を修正する。この修
正によつて上記（イ）の条件が満されれば修正は終了す
る。レベル２：上記レベル１の修正により上記（イ）の
条５件が満されないときにのみ浄水場の処理水量等の計
画値の修正をおこなう。上記の修正を第４図に示す。

太い一点鎖線で示すものはゾーン貯水量の計画値ぐ，（
Ｔ）である。例えば、太い実線で示す実測値１のごとく
、３Ｔ時点における実測値が計画値Ｖ１（ｔ）よりずれ
ているとしても、その偏差Ｒ１が許容値しの範囲内にあ
れば、処理水量、管路流量等の計画値の変更はおこなわ
ない。実測値２あるいは３のごとく、Ｔ時点における偏
差Ｒ，が許容幅ε，をはずれ４ている場合には、次の時
点Ｔ＋１においてゾーン貯水量Ｖｌ（Ｔ＋１）が計画値
ぐ１（Ｔ＋１）になるよう処理水量、管路流量等の計画
値を修正する。上記レベル１の修正について、更に詳細
に説明ｔる。

なお、この説明と共に第５図のフロー図を参照すればよ
り良く理解できるであろう。まず、すべてのゾーンにつ
いて、ゾーン貯水量の実測値Ｖと計画値ｖとの偏差Ｒが
求められる。

大に、１Ｒ１〉さなるゾーンがあるか否かが探索される
が、この条件を満すゾーンｉが見い出されセとする。１
）Ｒ１〉ε１の場合この場合、まずゾーンｉから融通すべき対象となるゾー
ンがあるか否か・゛探索される。

これは、既に求められているすべてのゾーンについての
偏差Ｒを利用しておこなわれる。偏差Ｒが最小のゾーン
ｋを見い出し、その偏差Ｒ，が正か負かを判断する。も
し、Ｒｋが負であれば、ゾーンｉよりゾーンｋへ水を融
通すべきことを決定する。この融通によつて前記（イ）
の条件を満足するようにする。また、融通はゾーンｉか
らゾーンｋに至る管路流量の制約内でおこなわれなけれ
ばならない。この制約による流量をΔＱｌｋとする。ゾ
ーンｉからゾーンｋへの融通が複数の管路を経ておこな
われる場合には、その制約が最も大きな管路により融通
のための流量ΔＱｉｋは制約を受けることになる。した
がつて、一般的には次のごとく表わされる。ここに、ｊ：ゾーンｉからゾーンｋへの流路中に含まれる管路の
番号ｐ＋：上記流路中に融通方向に対し流れの方向が順
方向で含まれる管路の集合ｐ−：上記流路中に融通方向
に対し流れの方向が逆方向で含まれる管路の集合Ｑ−，
：管路ｊの最大流量０，（Ｔ＋１）：Ｔ＋１時点における管路ｊの管路流量
計画値また、ゾーンｋのゾーン貯水量が計画値を上まわ
らないようにしなければならないので、融通量は１Ｒｋ
１を越えることはできない。

したがつて、最大融通量ΔＶｌ，はΔＱｌ，と１Ｒ，Ｉ
のうちいずれか小さい方となる。すなわち、ΔＶｌ，は
次のごとく表わされる。ΔＶｌｋ＝Ｍｉｎ｛ΔＱｌ，、
１Ｒｋ１｝Δ１が求まると、ゾーンｉの状態に応じて．
次のごとく２つの場合に分けて修正がおこなわれる。

（１．１）Ｒ１≦ΔＶｌｋの場合この場合、Ｒ１を修正分として流量計画値負３（Ｔ＋１
）を次のごとく修正する。

ノＱｌ，（Ｔ＋１）＝負，（Ｔ＋１）±Ｒ１上
式中、ｐ＋に属する管路に対しては＋Ｒ１をとり、ｐ−
に属するものに対しては−Ｒ１をとる。

上記の修正に伴い、ゾーンＩ．ｋの偏差Ｒ，ｌ、Ｒｋも
次のように修正される。

Ｒ″にＲ，−Ｒ，＝０Ｒ″ｋ＝Ｒｋ＋Ｒ１以上でＲｉ≦ΔＶｌｋの場合のゾーンについての修正は
終了し、再びＲ〉さなるゾーンの探！索をおこない上述
の処理を繰り返えす。

（１．２）Ｒｉ〉ΔＶｌｋの場合この場合にはΔＶｌｋを修正分として流量計画値０，（
Ｔ＋１）を次のごとく修正する。

０″，（Ｔ＋１）＝匂Ｊ（Ｔ＋１）±ΔＶｌ，前記の場
合と同様に、上式中、ｐ＋に属する管路に対しては＋Δ
Ｖ，ｋ．Ｐ−に属するものに対しては一ΔＶｌｋをとる
。

この修正に伴い、ゾーンＩ．ｋの偏差Ｒ１、Ｒｋに対し、次の修正を加えた後、ゾーンｋを融通
対象ゾーンから除外する。

Ｒ″，＝Ｒ１−ΔＶｌｋＲ′ｋ：Ｒｋ＋ΔＶｌｋこの場合、ゾーンｉにおいて、Ｒ′、≦ε，が満されて
いれば、すなわち修正により次の時点Ｔ＋１にゾーンｉ
の貯水量を許容範囲内におさめることができれば、ゾー
ンｉについての修正は終了する。

これが満されていない場合は再び融通対象となるゾーン
の探索に入る。

以上が、Ｒ，〉ε１の場合の修正動作である。

次にＲ１〈−ε，の場合について説明する。（２）Ｒ
，〈−ε１の場合この場合には、まず、ゾーンｉへ融通できるゾーンがあ
るか否かが探索される。

このとき、融通可能ゾーンがなければ、ゾーンｉについ
て前記レベル２の修正をおこない、修正動作を終了する
。融通可能ゾーンが存在する場合、偏差Ｒが最大のゾー
ンｋを見い出し、その偏差Ｒｋが正か負かを判断する。

Ｒ，〈０の場合には、ゾーンｉについて前記レベル２の
修正をおこなう。Ｒｋ＞Ｏであれば、ゾーンｋよりゾー
ンｉへ水を融通すべきことを決定する。この融通はゾー
ンｋからゾーンｉに至る管路流量の制約内でおこなわな
ければならない。したがつて、前記（１）の場合と同様
に、ΔＱ，ｌが求められる。また、ゾーンｋの貯水量が
計画値を下まわらないようにしなければならないので、
融通量はＲｋを越えることはできない。したがつて、最
大融通量ΔＶｋｌは次のごとくなる。Δｋ１＝Ｍｉｎ｛
ΔＱｋ，、Ｒｋ｝ ΔＶｋ，が求まると、前記（１）の場合と同様に、ゾー
ンｉの状態、すなわちＩＲ冒がΔＶ，ｌよりも大きいか
否かに応じて修正がおこなわれる。

修正のしかたとしては前記（１）の場合と同様である（
第５図口参照）。以上（１）、（２）において述べたご
ときレベル１の修正により、すべてのゾーンが前記（イ
）の条件を満足すれば、レベル２の修正はおこなわれな
い。

前記（イ）の条件を満さないゾーンが存在する場合には
、そのゾーンについてレベル２の修正がおこなわれる。
レベル２の修正は次のごとくおこなわれる。

例えばゾーンｌにおいて、なおＩＲｌｌ〉ε１であると
する。た・゛し、Ｒ１は前記レベル１の修正において変
更される後の値である。ゾーンｌの次の時八点Ｔ＋１に
おける浄水場処理水量の計画値Ｙ１（Ｔ＋１）が次のご
とく修正される。

♀″１（Ｔ＋１）＝♀１（Ｔ＋１）−Ｒ１すなわち、浄
水場処理水量の計画値を変更することにより、ゾーン貯
水量がＴ＋１時点にはその計画値に追従するようにする
。

以上説明したごとく、この発明によれば、複雑な上水道
システムの管路網をゾーニングにより単純なネツトワー
クとし、各ゾーン毎に需要予測をおこない、それに基づ
いてゾーンの必要流入量を求めている。

この必要流入量を基に制御のための諸量を計画値を決定
する。これによつて、複雑な管路網を有する上水道シス
テムに対しても適切な運用制御を可能にしている。そし
て実際の需要に応するために諸制御量の計画値を修正す
るに際しては、ゾーン貯水量なる概念を導入し、その実
測値を利用している。このため水の輸送において存在す
る流下遅れ時間を吸収することができる。また、計画値
修正に際しては、浄水場の処理水量の計画値の変更より
も、管路流量計画値の修正を優先せしめ、浄水場の運転
を必要最小限にと・゛めているため上水道システム全体
として経済的な運用が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明で適用される上水道システム管路網の
ゾーニングの概念を説明するための図、第２図はこの発
明を実施するための各ゾーンにおける制御手段の構成例
を示す図、第３図、第４図はこの発明の動作を説明する
ための図であつて、第３図はゾーンの必要流入量決定の
手順を説明するための図、第４図はゾーン貯水量に応七
諸制御量の計画値修正を説明するための図、第５図はこ
の発明による計画値の修正動作を示すフロー図である。図において、１，２，３，４はゾーン、１０，１２，１
４，１６は取水点、１８は浄水場、２０，２２，２４は
配水池、２６は取水量制御手段、２８は管路流量制御手
段、３０は需要量予測手段、３２は運用計画立案手段、
３４は計画値修正手段を示すものである。

Claims

【特許請求の範囲】

１複数のゾーンが網状に結ばれ、各ゾーンは１つの浄
水場とその浄水場から送水される少なくとも１つの配水
池を含み、これらの配水池より需要家に配水される上水
道システムにおいて、前記ゾーンの各々において、当日
の運転に入る前に、予め当該ゾーンの前記当日の一日に
おける水の需要量およびその任意時間毎の変化を予測し
かつそれに基づいて前記当該ゾーンにおける必要流入量
を求め、前記必要流入量を基に前記当該ゾーンの浄水場
の処理水量およびゾーン相互間の管路流量等の計画値を
、また前記需要予測と前記必要流入量とから前記当該ゾ
ーンの貯水量の計画値を夫々決定し、前記当日の運転に
入つたならば、前記当該ゾーンの貯水量を実測しその実
測値と前記ゾーン貯水量の計画値との偏差を求め、前記
偏差が所定の範囲を越えたならば、まず前記管路流量の
計画値を修正し、この修正によつてもなお前記偏差が前
記所定の範囲内にならない場合に前記処理水量の計画値
を修正するようにしたことを特徴とする上水道システム
の運用制御方式。