WO2015083551A1 - 漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラム - Google Patents

漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラム Download PDF

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勝也 横川
諒 難波
理 山中
寿治 杉野
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株式会社東芝
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0676—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on flow sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/08—Pipe-line systems for liquids or viscous products
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D3/00—Arrangements for supervising or controlling working operations

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a water leakage suppression device, a water leakage suppression system, and a water leakage suppression program.
  • a terminal pressure control device that determines a pressure at a pressure operation point based on a terminal pressure and a target value at a terminal position of a distribution pipe network that supplies water is known.
  • the situation of the water distribution pipe network could not be sufficiently grasped.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a water leakage suppression device, a water leakage suppression system, and a water leakage suppression program capable of suppressing water leakage from a water distribution pipeline network.
  • the water leakage suppression device of the embodiment includes an acquisition unit, a pressure estimation unit, an extraction unit, and a control unit.
  • An acquisition part acquires the information regarding the quantity of the water which flows in into the water distribution pipe network containing a some node, and the information regarding the quantity of the water which flows out from the said node.
  • the pressure estimation unit estimates the water pressure at at least a part of the nodes in the distribution pipeline network based on the model information including the information acquired by the acquisition unit and the connection information of the nodes in the distribution pipeline network.
  • the extraction unit extracts a minimum value of the water pressure from a plurality of water pressures including the water pressure estimated by the pressure estimation unit.
  • a control part controls the adjustment part which can adjust the water pressure or flow volume of the water which flows in into the distribution pipe network based on the minimum value extracted by the extraction part.
  • the image figure which illustrated the time change of the water pressure of the terminal when a pressure setting value is set up by conventional technology.
  • the image figure which illustrated the time change of the water pressure of the point with the smallest water pressure when a pressure setting value is set by this embodiment.
  • the figure which shows an example of a system configuration in case the water leak suppression apparatus 30 and the control apparatus 60 corresponded to the control part 40 are comprised as a different body.
  • the figure which shows an example of a system configuration in case the water leak suppression apparatus 30 and the control apparatus 60 corresponded to the control part 40 are comprised as a different body.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a water leakage suppression system 1 including a water leakage suppression device 30 according to the first embodiment.
  • the water leakage suppression system 1 supplies water (purified water) stored in the distribution reservoir 10 to a home, a business office, or the like by a pump 20.
  • a rotation speed sensor 22 is attached to the pump 20.
  • the rotation speed sensor 22 outputs the rotation speed Npv of the pump 20 to the water leakage suppression device 30.
  • the pressure of water pumped by the pump 20 is detected by the discharge pressure sensor 23.
  • the discharge pressure sensor 23 outputs the discharge pressure P0pv to the water leakage suppression device 30.
  • the flow rate of water that the pump 20 flows out is detected by the flow rate sensor 24.
  • the flow sensor 24 outputs the water flow rate to the water leakage suppression device 30.
  • a smart meter capable of detecting the amount of water used is attached to at least a part of homes, business establishments, and the like where water is supplied from each node.
  • the smart meter transmits the amount of water used to the water leakage suppression device 30 at a frequency of once per minute or once per hour, for example.
  • the information on the amount of water used is, for example, tabulated as information for each node in the water leakage suppression device 30 and treated as the amount of water flowing out from the node.
  • a device that measures or tabulates the amount of water used at home or office for each node instead of providing a mechanism in which the information on the amount of water used is tabulated as information for each node in the water leakage suppression device 30, a device that measures or tabulates the amount of water used at home or office for each node. It may be provided.
  • the configuration for acquiring information related to the amount of water flowing out from the node should be capable of collecting and providing information related to the amount of water flowing out from the node at least several times a day to the water leakage suppression device 30. preferable.
  • the mechanism for collecting information on the amount of water flowing out from the node is not limited to the provision of a device that measures the amount of water used and automatically transmits it to the water leakage suppression device 30. May be read and input to the device, and a mechanism transmitted from the device to the water leakage suppression device 30 may be employed.
  • FIG. 2 is a diagram exemplifying the relationship between nodes and homes and offices. In the figure, black circles indicate homes and offices. Further, it is preferable that the pressure sensor 26 is attached to a desired position of the water distribution pipe network PN. In the present embodiment, the pressure sensor 26 can be omitted.
  • the water leakage suppression device 30 includes, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), a flash memory, an HDD (Hard Disk Drive), and various communication devices ( Network card).
  • the water leakage suppression device 30 includes a water usage acquisition unit 32, a nodal pressure estimation unit 34, a minimum pressure extraction unit 36, and a control unit 40.
  • the nodal pressure estimation unit 34 includes an equation automatic construction unit 34A.
  • the control unit 40 further includes a minimum pressure control unit 42, a discharge pressure control unit 44, and an actuator control unit 46.
  • the water leakage suppression device 30 may include a display unit 50 such as an LCD (Liquid Crystal Display) or an organic EL (Electroluminescence) display device, and a display image generation unit 52.
  • These functional units are software functional units that function when the CPU executes a program stored in the storage device, for example.
  • the program may be stored in advance in the storage device (non-temporary storage medium) of the water leakage suppression device 30, or may be acquired from another computer via a network such as the Internet, or the program may be stored.
  • the portable storage medium non-temporary storage medium
  • Some or all of these functional units may be hardware functional units such as LSI (Large Scale Integration) and ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the water leakage suppression device 30 stores the water distribution pipe network model information 38 in the storage device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of information stored as the water distribution pipe network model information 38.
  • the distribution pipe network model information 38 in addition to the number of nodes and the number of pipes, information such as effective head [m], type, and installation altitude [m] for each node is associated with the node number. Is described.
  • the type “1” indicates a node into which water is injected from the pump 20, and the type “ ⁇ 1” indicates a terminal node to which the pressure sensor 26 is attached.
  • information such as the start and end node numbers, pipe lengths (lengths), pipe friction coefficients, and the like for each pipe is described in association with the pipe numbers.
  • the water usage amount acquisition unit 32 aggregates the usage amount of water received from a smart meter attached to a home or business, and uses the water usage at each node (that is, the water flowing out from the node). Amount).
  • the node pressure estimation unit 34 determines the pressure at each node ( Estimate the water pressure.
  • the water pressure is referred to as water pressure as necessary.
  • the nodal pressure estimation unit 34 estimates the pressures p1, p2,... Pn at the respective nodes by solving the ordinary differential equation (1) and the mass balance equation (2).
  • i and j are node numbers
  • vij is the flow velocity of water in the pipe line ij (the pipe line connecting the node i and the node j)
  • Lij is the length [m] of the pipe line ij.
  • Equation (2) A is a connection matrix shown in Equation (3), S is a pipeline area matrix shown in Equation (4), and V is a vector in which the flow velocities vij are arranged in order of pipeline numbers.
  • the transposed vector [vij] T, f is the inflow vector shown in Equation (5), and Q is a vectorization of the amount of water used at each node.
  • connection matrix A “1” of the matrix element indicates a node upstream of the water flow among the nodes at both ends of the pipe line indicated by the pipe number, and “ ⁇ 1” indicates the water flow. Indicates a downstream node for flow.
  • Sij in the pipeline area matrix is the area (( ⁇ / 4) ⁇ Dij2) of the pipeline ij of the pipeline represented by the horizontal position.
  • the value ⁇ in the inflow amount vector f is the flow rate input from the flow rate sensor 24.
  • ASV-f-Q 0 (2)
  • the equation automatic construction unit 34A of the nodal pressure estimation unit 34 when new distribution pipe network model information 38 is stored in the storage device, or when the distribution pipe network model information 38 is updated, the distribution pipe network model information 38.
  • the nodal pressure estimator 34 uses the flow rate input from the flow sensor 24, the amount of water used for each node, and the pressure input from the pressure sensor 26 to the software generated by the automatic equation construction unit 34A. By inputting as a parameter, a process for solving the equations (1) and (2) is executed, and the pressure (water pressure) at each node is estimated.
  • the pressure (water pressure) at each node is estimated only by inputting the above parameters. be able to.
  • the water leakage suppression device 30 is customized to a specific water distribution network
  • software including equations (1) and (2) corresponding to the water distribution network is prepared from the beginning, and the equation is automatically constructed. Generation of software by the unit 34A may be omitted. Further, the automatic equation construction unit 34A itself may be omitted.
  • the minimum pressure extraction unit 36 may extract a substantial minimum value by performing a process of excluding abnormal values or the like instead of strictly extracting the minimum value.
  • the minimum pressure control unit 42 of the control unit 40 is an appropriate discharge pressure target value of the pump 20 based on the minimum value min (pi) input from the minimum pressure extraction unit 36 and a preset pressure set value Psv. P0sv is calculated.
  • the pressure set value Psv is, for example, from a node or a home or office by the structure illustrated in FIG. 2 with respect to a limit water pressure (for example, 200 kPa) for ejecting water from a faucet at a home or office. It is calculated
  • the pressure set value Psv is set to, for example, about 15 m with an effective water head.
  • the minimum pressure control unit 42 sets the minimum value min (pi) in advance by controlling the flow rate of the water flowing into the water distribution network PN instead of the water pressure of the water flowing into the water distribution network PN. Control may be made so as not to fall below the set pressure set value Psv.
  • the discharge pressure control unit 44 performs a feedback calculation such as PID on the basis of the discharge pressure target value P0sv set by the minimum pressure control unit 42 and the discharge pressure P0pv input from the discharge pressure sensor 23. A target rotational speed Nsv of 20 is determined.
  • the discharge pressure target value P0sv calculated by the minimum pressure control unit 42 is not automatically output to the discharge pressure control unit 44, but is displayed on the display unit 50 or the like so that a person can follow the displayed contents.
  • the discharge pressure target value P0sv for the discharge pressure control unit 44 may be input.
  • the discharge pressure target value P0sv may be a discrete value or discrete data (for example, high-medium-low, or ABC) instead of a continuous value.
  • the calculation timing of the discharge pressure target value P0sv does not need to coincide with the information acquisition cycle or the control cycle of the pump 20, and may be every fixed time (for example, every hour).
  • the actuator control unit 46 controls the energization of the pump 20 so that the rotation speed Npv of the pump 20 input from the rotation speed sensor 22 matches the target rotation speed Nsv, or accompanies the pump 20 (or alone). Control the actuator that opens and closes the valve.
  • Equation (6) there is a relationship represented by Equation (6) between the pressure in the water distribution block and the amount of water leakage.
  • L is the amount of water leakage [L / sec] at node i
  • C is the water leakage coefficient.
  • the water leakage coefficient is a coefficient depending on the pipe line extension and diameter regarding the node i, the shape of the water leakage hole, and the area.
  • h is an effective head [m] of the node i
  • ⁇ is an experimental multiplier (for example, 1.15).
  • the water leakage suppression effect can be obtained by reducing the water pressure (effective water head) at each node as much as possible.
  • L c ⁇ h ⁇ (6)
  • the water pressure at each node is estimated by the above-described method, and control is performed so that the estimated minimum value of the pressure is equal to or higher than the pressure setting value. In comparison, it is less necessary to set the pressure set value higher with a margin. As a result, the water leakage suppression device 30 can set the pressure set value relatively low. For this reason, the water leakage suppression apparatus 30 can suppress the water pressure as the whole water distribution pipe network PN, and can reduce the amount of water leakage to the ground.
  • FIG. 4 is an image diagram illustrating the time variation of the water pressure at the end when the pressure set value is set by the conventional technique
  • FIG. 5 is the most water pressure when the pressure set value is set according to the present embodiment.
  • the water leakage suppression device 30 performs control based on the node estimated to have the lowest water pressure, and thus reduces the water pressure of the entire distribution pipeline network PN, and leaks water into the ground. Can be suppressed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a water distribution status display image generated by the display image generation unit 52.
  • the amount of water used and the pressure estimated for each node are displayed superimposed on a simple map of the water distribution pipe network PN. By displaying such an image, the relationship between the amount of water used and the pressure in the water distribution network PN can be grasped at a glance.
  • the display image generation unit 52 may visualize the water leakage suppression effect and display it on the display unit 50.
  • the display image generation unit 52 may cause the display unit 50 to display a graph in which the discharge pressure of the pump 20 is plotted on the horizontal axis and the minimum value for each discharge pressure value is plotted on the vertical axis.
  • the flow rate can be monitored using the detection value of the flow rate sensor 24, for example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the discharge pressure of the pump 20 and the minimum flow rate detected at night (night minimum flow rate).
  • the nighttime minimum flow rate may show different flow rates even at the same discharge pressure. This variation is considered to be caused by variation in the actual amount of water used.
  • the water leakage suppression effect in order to visualize the water leakage suppression effect, it is effective to extract and display the minimum value for each discharge pressure from the night minimum flow rate.
  • the data within the broken line in FIG. 7 corresponds to the minimum value for each discharge pressure in the night minimum flow rate.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration of the water leakage suppression system 1 including the water leakage suppression device 30 according to the second embodiment.
  • the water leakage suppression device 30 according to the second embodiment includes a water usage pattern creation unit 33 and a water usage database 39 in addition to the configuration of the first embodiment.
  • a smart meter attached to a home or office is measured at the same frequency as the first embodiment (for example, once a minute or once an hour). However, it is possible to cope with the case where information is transmitted less frequently than measurement (for example, about once a day).
  • the water usage amount acquisition unit 32 writes the water usage amount for each node, for example, for each day of the week or for each time zone.
  • the water usage pattern creation unit 33 associates, for example, the flow rate detected by the flow sensor 24, the water pressure detected by the pressure sensor 26, and the water usage with the water usage database 39.
  • the correlation model is constructed by storing in Then, the water usage pattern creation unit 33 inputs the flow rate detected by the flow sensor 24 and the water pressure detected by the pressure sensor 26 as parameters for the correlation model, thereby using the water for each node at that time. The amount is estimated and output to the nodal pressure estimation unit 34.
  • the correlation model may be a multiple regression model with flow rate, pressure, and time as explanatory variables, an ARMA (Auto Regressive Moving Average) model, an ARIMA (Auto Regressive Integrated Moving Average) model, or the like.
  • the water usage pattern creation unit 33 estimates the water usage at each node at a point in time by a simple method of multiplying the normalized water usage pattern of the previous day by the current injection flow rate. May be. Since the subsequent processing is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
  • information on the amount of water flowing into the distribution pipeline network and information on the amount of water flowing out from nodes in the distribution pipeline network are obtained, and these information, It is possible to estimate the water pressure at the nodes in the distribution pipe network based on the distribution pipe network model information including the connection information, and to adjust the water pressure flowing into the distribution pipe network based on the minimum estimated value. Since the adjustment unit is controlled, water leakage from the water distribution pipeline network can be suppressed.
  • the water leakage suppression device 30 includes the control unit 40, but is configured separately from the control unit 40, and the control target values such as the minimum pressure min (pi) and the discharge pressure P0pv correspond to the control unit 40. It may be transmitted to a device that performs the above.
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams illustrating an example of a system configuration in the case where the water leakage suppression device 30 and the control device 60 corresponding to the control unit 40 are configured as separate bodies. In these drawings, the same reference numerals as those in the above embodiment have the same functions as those in the above embodiment.
  • the water leakage suppression device 30 may transmit the minimum pressure min (pi) to the control device 60 via a network NW such as the Internet. As shown in FIG.
  • the 30 may transmit the discharge pressure P0pv to the control device 60 via a network NW such as the Internet.
  • NW such as the Internet.
  • the minimum pressure min (pi) and the discharge pressure P0pv may be discrete values or discrete data (for example, high-medium-low or ABC) instead of continuous values.
  • the minimum pressure min (pi) and the discharge pressure P0pv received from the water leakage suppression device 30 are not automatically input to the function unit of the control device 60, but are displayed on the display device on the control device 60 side. However, the control target may be input to the control device 60.
  • the interface portion to which the detection values of the flow sensor 24 and the pressure sensor 26 and the water usage acquisition unit 32 in the water leakage suppression device 30 are input are examples of the “acquisition unit”.
  • the estimation unit 34 is an example of a “pressure estimation unit”
  • the minimum pressure extraction unit 36 is an example of an “extraction unit”
  • the water usage pattern creation unit 33 is an example of a “water amount estimation unit”.
  • the discharge pressure target value P0sv is an example of the “control target value”.

Abstract

　実施形態の漏水抑制装置は、取得部と、圧力推定部と、抽出部と、制御部とを持つ。取得部は、複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報と、前記節点から流出する水の量に関する情報とを取得する。圧力推定部は、前記取得部により取得された情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する。抽出部は、前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する。制御部は、前記抽出部により抽出された最小値に基づいて、前記配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御する。

Description

漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラム
　本発明の実施形態は、漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラムに関する。
　従来、水を供給する配水管路網の末端の位置における末端圧力と目標値に基づいて、圧力操作点の圧力を決定する末端圧力制御装置が知られている。従来の技術では、配水管路網の状況を十分に把握することができなかった。このため、従来の技術では、各家庭等の需要点において確実に水が供給できるようにするために、注入する水の水圧を高めに設定する必要があり、配水管路網からの漏水が増加する場合があった。
特開２００１－２８０５９７号公報
　本発明が解決しようとする課題は、配水管路網からの漏水を抑制することができる漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラムを提供することである。
　実施形態の漏水抑制装置は、取得部と、圧力推定部と、抽出部と、制御部とを持つ。取得部は、複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報と、前記節点から流出する水の量に関する情報とを取得する。圧力推定部は、前記取得部により取得された情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する。抽出部は、前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する。制御部は、前記抽出部により抽出された最小値に基づいて、前記配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御する。
第１の実施形態に係る漏水抑制装置３０を含む漏水抑制システム１の構成の一例を示す図。 節点と家庭や事業所等との関係を例示した図。 配水管路網モデル情報３８として格納される情報の一例を示す図。 従来の技術によって圧力設定値が設定された場合の末端の水圧の時間変化を例示したイメージ図。 本実施形態によって圧力設定値が設定された場合の最も水圧が小さい地点の水圧の時間変化を例示したイメージ図。 表示画像生成部５２が生成する配水状況表示画像の一例を示す図。 ポンプ２０の吐出圧力と、夜間に検出された最小の流量（夜間最小流量）との関係を例示した図。 第２の実施形態に係る漏水抑制装置３０を含む漏水抑制システム１の構成の一例を示す図。 漏水抑制装置３０と、制御部４０に相当する制御装置６０とが別体として構成される場合のシステム構成の一例を示す図。 漏水抑制装置３０と、制御部４０に相当する制御装置６０とが別体として構成される場合のシステム構成の一例を示す図。
　以下、図面を参照し、漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラムの実施形態について説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る漏水抑制装置３０を含む漏水抑制システム１の構成の一例を示す図である。漏水抑制システム１は、配水池１０に蓄えられた水（浄水）を、ポンプ２０によって家庭や事業所等に供給する。ポンプ２０には、回転数センサ２２が取り付けられる。回転数センサ２２は、ポンプ２０の回転数Ｎｐｖを漏水抑制装置３０に出力する。また、ポンプ２０が圧送する水の圧力は、吐出圧力センサ２３によって検出される。吐出圧力センサ２３は、吐出圧力Ｐ０ｐｖを漏水抑制装置３０に出力する。また、ポンプ２０が流出させる水の流量は、流量センサ２４によって検出される。流量センサ２４は、水の流量を漏水抑制装置３０に出力する。
　ポンプ２０から家庭や事業所等に水を提供する配水管路網ＰＮには、節点ｑ１、ｑ２、‥ｑｎ（図ではｎ＝９）が設定されている。各節点から水が提供される家庭や事業所等の少なくとも一部には、水の使用量を検出可能なスマートメータが取り付けられている。スマートメータは、例えば１分間に１回や１時間に１回といった頻度で、漏水抑制装置３０に水の使用量を送信する。この水の使用量の情報は、例えば、漏水抑制装置３０において節点毎の情報として集計され、節点から流出する水の量として扱われる。なお、水の使用量の情報が漏水抑制装置３０において節点毎の情報として集計される仕組みを備えることに代えて、節点毎に家庭や事業所等の水の使用量を計測または集計する装置が備えられてもよい。節点から流出する水の量に関する情報を取得するための構成は、少なくとも１日に複数回、節点から流出する水の量に関する情報を収集して漏水抑制装置３０に提供可能なものであることが好ましい。また、節点から流出する水の量に関する情報を収集する仕組みとして、水の使用量を計測して自動的に漏水抑制装置３０に送信する機器を備えることに限らず、検針メータの検出値を人が読み取り、機器に入力することで、その機器から漏水抑制装置３０に送信される仕組みが採用されてもよい。
　図２は、節点と家庭や事業所等との関係を例示した図である。図中、黒丸が家庭や事業所等を示している。また、配水管路網ＰＮの所望の位置には、圧力センサ２６が取り付けられると好適である。なお、本実施形態において、圧力センサ２６は省略することができる。
　漏水抑制装置３０は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）やＲＡＭ（Random　Access　Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard　Disk　Drive）等の記憶装置、各種通信装置（ネットワークカード等）を備える。漏水抑制装置３０は、水使用量取得部３２と、節点圧力推定部３４と、最小圧力抽出部３６と、制御部４０とを備える。節点圧力推定部３４は、方程式自動構築部３４Ａを備える。制御部４０は、更に、最小圧力制御部４２と、吐出圧力制御部４４と、アクチュエータ制御部４６とを備える。また、漏水抑制装置３０は、ＬＣＤ（Liquid　Crystal　Display）や有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置などの表示部５０と、表示画像生成部５２とを備えてもよい。これらの機能部（表示部５０を除く）は、例えば、記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより機能するソフトウェア機能部である。プログラムは、予め漏水抑制装置３０の記憶装置（非一時的記憶媒体）に格納されていてもよいし、インターネットなどのネットワークを介して他のコンピュータから取得されてもよいし、プログラムを格納した可搬型の記憶媒体（非一時的記憶媒体）が漏水抑制装置３０のドライブ装置に装着されることで漏水抑制装置３０にインストールされてもよい。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large　Scale　Integration）やＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。また、漏水抑制装置３０は、配水管路網モデル情報３８を記憶装置に格納している。
　図３は、配水管路網モデル情報３８として格納される情報の一例を示す図である。図示するように、配水管路網モデル情報３８では、節点数や管路数の他、節点毎の有効水頭［ｍ］や種別、設置標高［ｍ］などの情報が、節点番号に対応付けられて記述されている。ここで、種別「１」とは、ポンプ２０から水が注入される節点であることを示し、種別「―１」とは、圧力センサ２６が取り付けられた末端節点であることを示す。また、配水管路網モデル情報３８では、管路毎の始点および終点の節点番号、管長（長さ）、管路摩擦係数などの情報が、管路番号に対応付けられて記述されている。
　水使用量取得部３２は、前述したように、家庭や事業所等に取り付けられたスマートメータから受信した水の使用量を集計し、節点毎の水の使用量（すなわち節点から流出する水の量）を取得する。
　節点圧力推定部３４は、流量センサ２４から入力された流量、節点毎の水の使用量、圧力センサ２６から入力された圧力、および配水管路網モデル情報３８に基づいて、各節点における圧力（水圧）を推定する。以下、水の圧力のことを、必要に応じて水圧と称する。節点圧力推定部３４は、常微分方程式（１）と、物質収支の式（２）とを解くことで、各節点における圧力ｐ１、ｐ２、‥ｐｎを推定する。式（１）において、ｉ、ｊは節点の番号であり、ｖｉｊは管路ｉｊ（節点ｉと節点ｊを結ぶ管路）における水の流速であり、Ｌｉｊは管路ｉｊの長さ［ｍ］であり、ρは水密度［ｋｇ／ｍ３］であり、Ｈｉは節点ｉの標高であり、Ｄｉｊは管路ｉｊの口径［ｍ］であり、λｉｊは管路ｉｊの管路摩擦抵抗である。また、式（２）おいて、Ａは式（３）に示す接続行列であり、Ｓは式（４）に示す管路面積行列であり、Ｖは流速ｖｉｊを管路番号順に並べたベクトルの転置ベクトル［ｖｉｊ］Ｔであり、ｆは式（５）に示す流入量ベクトルであり、Ｑは節点毎の水の使用量をベクトル化したものである。接続行列Ａにおいて、行列要素の「１」は、その管路番号の示す管路の両端の節点のうち、水の流れに関して上流側の節点であることを示し、「―１」は、水の流れに関して下流側の節点であることを示す。また、管路面積行列におけるＳｉｊは、横位置によって表される管路の管路ｉｊの面積（（π／４）・Ｄｉｊ２）である。また、流入量ベクトルｆにおける値αは、流量センサ２４から入力された流量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ＡＳＶ―ｆ―Ｑ＝０　‥（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　節点圧力推定部３４の方程式自動構築部３４Ａは、新規な配水管路網モデル情報３８が記憶装置に格納されたり、配水管路網モデル情報３８が更新されたりすると、配水管路網モデル情報３８の接続関係や管路の数などを反映した次数の常微分方程式（１）と物質収支の式（２）とを含むソフトウェアを生成する。この場合、節点圧力推定部３４は、方程式自動構築部３４Ａにより生成されたソフトウェアに対して、流量センサ２４から入力された流量、節点毎の水の使用量、圧力センサ２６から入力された圧力をパラメータとして入力することで、式（１）と式（２）を解く処理を実行し、各節点における圧力（水圧）を推定する。なお、方程式自動構築部３４Ａにより、ある配水管路網について式（１）と式（２）を含むソフトウェアが生成された後は、上記パラメータの入力のみで各節点における圧力（水圧）を推定することができる。また、漏水抑制装置３０が特定の配水管路網にカスタマイズされたものである場合、最初から配水管路網に対応する式（１）と式（２）を含むソフトウェアが用意され、方程式自動構築部３４Ａによるソフトウェアの生成は省略されてもよい。また、方程式自動構築部３４Ａ自体が省略されてもよい。
　最小圧力抽出部３６は、節点圧力推定部３４により推定された圧力ｐｉ（ｉ＝１～ｎ）から、最小値ｍｉｎ（ｐｉ）を抽出し、制御部４０に出力する。ここで、最小圧力抽出部３６は、厳密に最小値を抽出するのではなく、異常値を除外する処理等を行って、実質的な最小値を抽出するようにしてもよい。
　制御部４０の最小圧力制御部４２は、最小圧力抽出部３６から入力された最小値ｍｉｎ（ｐｉ）と、予め設定された圧力設定値Ｐｓｖとに基づいて、ポンプ２０の適切な吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖを演算する。この圧力設定値Ｐｓｖは、例えば、家庭や事業所等の蛇口から水を十分な勢いで噴出させるための限界水圧（例えば２００ｋＰａ）に対して、図２に例示した構造によって節点から家庭や事業所等までの間に減少する圧力見込み値を加算することで、予め求められている。圧力設定値Ｐｓｖは、例えば有効水頭で１５ｍ程度に設定される。全ての節点における水の圧力ｐｉが、圧力設定値Ｐｓｖ以上となるように制御することで、配水管路網ＰＮを利用する家庭や事業所等に、水を十分に提供することができる。なお、最小圧力制御部４２は、配水管路網ＰＮに流入する水の水圧に代えて、配水管路網ＰＮに流入する水の流量を制御することで、最小値ｍｉｎ（ｐｉ）が予め設定された圧力設定値Ｐｓｖを下回らないように制御してよい。
　吐出圧力制御部４４は、最小圧力制御部４２により設定された吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖと、吐出圧力センサ２３から入力された吐出圧力Ｐ０ｐｖとに基づいて、ＰＩＤ等のフィードバック演算を行うことにより、ポンプ２０の目標回転数Ｎｓｖを決定する。なお、最小圧力制御部４２により演算された吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖは、自動的に吐出圧力制御部４４に出力されるのではなく、表示部５０などに表示され、人が、表示された内容に従って吐出圧力制御部４４に対する吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖを入力するように構成されてもよい。この場合、吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖは、連続値ではなく離散値または離散データ（例えば、高―中―低、或いはＡ―Ｂ―Ｃといったもの）であってよい。また、吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖの演算タイミングは、情報の取得周期やポンプ２０の制御周期と一致させる必要はなく、一定時間毎（例えば１時間毎）であってもよい。アクチュエータ制御部４６は、回転数センサ２２から入力されるポンプ２０の回転数Ｎｐｖが、目標回転数Ｎｓｖに一致するように、ポンプ２０への通電制御を行ったり、ポンプ２０に付随する（或いは単独の）バルブを開閉するアクチュエータを制御したりする。
　［従来の技術との比較］
　ここで、従来の技術として、配水管路網内で最も水圧が低くなると想定された固定地点（末端）の水圧を測定し、末端の水圧が圧力設定値以上となるように制御する技術が知られている。末端は、配水管路網の入り口から遠方であったり、或いは標高が高いことによって水圧が低くなると想定された固定地点である。しかしながら、この「末端」の水圧が、必ずしも最も低くなるとは限らない。現実の配水管路網では、水需要の偏りなどに起因して、最も水圧の低い地点が、時間の経過に応じて変動する場合がある。このため、固定地点における水圧が圧力設定値以上となるように制御する場合、より水圧が低い地点が生じ得ることを想定して、圧力設定値を高めに設定せざるを得ない場合がある。圧力設定値を高めに設定すると、配水管路網全体としての水圧が上昇するため、地中への漏水量が多くなってしまう。
　なお、一般に配水ブロック内の圧力と漏水量との間には、式（６）に示す関係があることが、実験的に確認されている。式中、Ｌは節点ｉの漏水量［Ｌ／ｓｅｃ］であり、Ｃは漏水係数である。漏水係数は、節点ｉに関する管路延長や口径、漏水孔の形状、面積に依存する係数である。また、ｈは節点ｉの有効水頭［ｍ］であり、κは実験乗数（例えば１．１５）である。式（６）から分かるように、各節点の水圧（有効水頭）をなるべく小さくすることで、漏水抑制の効果を得ることができる。
　Ｌ＝ｃ・ｈκ　‥（６）
　本実施形態の漏水抑制装置３０では、上記説明した手法によって各節点における水の圧力を推定し、推定された圧力の最小値が圧力設定値以上となるように制御するため、上記従来の技術と比較すると、圧力設定値に余裕を持たせて高めに設定する必要性が小さくなる。この結果、漏水抑制装置３０は、圧力設定値を比較的低く設定することができる。このため、漏水抑制装置３０は、配水管路網ＰＮ全体としての水圧を抑制することができ、地中への漏水量を低減することができる。図４は、従来の技術によって圧力設定値が設定された場合の末端の水圧の時間変化を例示したイメージ図であり、図５は、本実施形態によって圧力設定値が設定された場合の最も水圧が小さい地点の水圧の時間変化を例示したイメージ図である。これらの図中において、ＬＰは限界水圧である。また、図５において、最も水圧が小さい地点は、固定地点ではなく、動的に変化する。図示するように、本実施形態の漏水抑制装置３０は、水圧が最も低いと推定された節点を基準として制御を行うため、配水管路網ＰＮ全体としての水圧を低下させ、地中への漏水を抑制することができる。
　［表示画像］
　表示画像生成部５２には、漏水抑制装置３０内で参照可能な各種情報が入力される。表示画像生成部５２は、例えば、各節点における水の使用量と、推定された圧力と比較可能な態様で表示する表示画面を生成し、表示部に表示させる。図６は、表示画像生成部５２が生成する配水状況表示画像の一例を示す図である。この配水状況表示画像では、節点毎に、水の使用量と推定された圧力が、配水管路網ＰＮの簡易的な地図に重畳して表示される。このような画像を表示することで、配水管路網ＰＮにおける水の使用量と圧力の関係を一目で把握させることができる。
　また、表示画像生成部５２は、漏水抑制効果を可視化して表示部５０に表示させてもよい。例えば、表示画像生成部５２は、横軸にポンプ２０の吐出圧力、縦軸に夜間最小流量のうち吐出圧力値毎の最小値をプロットしたグラフを表示部５０に表示させてもよい。流量は、例えば流量センサ２４の検出値を用いて監視することができる。図７は、ポンプ２０の吐出圧力と、夜間に検出された最小の流量（夜間最小流量）との関係を例示した図である。このように、夜間最小流量は、同じ吐出圧力であっても、異なる流量を示すことがある。このバラつきは、実際の水の使用量のバラつきに起因するものであると考えられる。従って、漏水抑制効果を可視化するには、夜間最小流量のうち吐出圧力毎の最小値を抽出して表示するのが効果的である。図７における破線内のデータが、夜間最小流量のうち吐出圧力毎の最小値に相当する。このような画像を、漏水抑制装置３０の適用前と適用後の状態のそれぞれについて表示することで、漏水抑制装置３０による漏水抑制効果を把握させることができる。
　［まとめ］
　以上説明した本実施形態の漏水抑制装置３０、およびこれを利用した漏水抑制システムによれば、配水管路網ＰＮに流入する水の量に関する情報（流量センサ２４によって検出される流量）と、配水管路網ＰＮにおける節点から流出する水の量に関する情報（水使用量取得部３２により取得される水の使用量）を取得し、これらの情報と、節点の接続情報を含む配水管路網モデル情報３８とに基づいて、配水管路網ＰＮにおける節点の水圧を推定し（圧力センサ２６が取り付けられている節点については推定不要）、推定値の最小値に基づいて配水管路網ＰＮに流入する水の水圧を調整可能な調整部（ポンプ２０）を制御するため、配水管路網ＰＮからの漏水を抑制することができる。
　（第２の実施形態）
　図８は、第２の実施形態に係る漏水抑制装置３０を含む漏水抑制システム１の構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係る漏水抑制装置３０は、第１の実施形態の構成に加えて、水使用量パターン作成部３３と、水使用量データベース３９とを備える。第２の実施形態の漏水抑制装置３０は、家庭や事業所等に取り付けられたスマートメータが、第１の実施形態と同様の頻度（例えば１分間に１回や１時間に１回）で計測を行うが、情報の送信を、計測よりも低頻度に（例えば１日１回程度）行う場合に対応することができる。
　水使用量データベース３９には、節点毎に、例えば、曜日毎、時間帯毎の水の使用量が、水使用量取得部３２によって書き込まれる。水使用量パターン作成部３３は、例えば、流量センサ２４によって検出された流量や、圧力センサ２６によって検出された水圧と、水の使用量とを、水の使用量と関連付けて水使用量データベース３９に格納することで、相関モデルを構築しておく。そして、水使用量パターン作成部３３は、流量センサ２４によって検出された流量と、圧力センサ２６によって検出された水圧とを相関モデルに対するパラメータとして入力することで、その時点における節点毎の水の使用量を推定し、節点圧力推定部３４に出力する。
　相関モデルは、流量や圧力、時間を説明変数とする重回帰モデルであってもよいし、ＡＲＭＡ（Auto　Regressive　Moving　Average）モデルやＡＲＩＭＡ（Auto　Regressive　Integrated　Moving　Average）モデル等であってもよい。また、水使用量パターン作成部３３は、正規化された前日と同じ水使用量のパターンに、現在の注入流量を乗じるといった簡易的な方法で、その時点における節点毎の水の使用量を推定してもよい。なお、以降の処理については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
　［まとめ］
　以上説明した本実施形態の漏水抑制装置３０、およびこれを利用した漏水抑制システムによれば、第１の実施形態と同様、配水管路網ＰＮからの漏水を抑制することができる。また、第１の実施形態と比較すると、節点毎の水の使用量を取得する頻度が低い場合にも、対応することができる。
　以上述べた少なくともひとつの実施形態によれば、配水管路網に流入する水の量に関する情報と、配水管路網における節点から流出する水の量に関する情報を取得し、これらの情報と、節点の接続情報を含む配水管路網モデル情報とに基づいて、配水管路網における節点の水圧を推定し、推定値の最小値に基づいて配水管路網に流入する水の水圧を調整可能な調整部を制御するため、配水管路網からの漏水を抑制することができる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　例えば、漏水抑制装置３０は、制御部４０を含むものとしたが、制御部４０とは別体として構成され、最小圧力ｍｉｎ（ｐｉ）や吐出圧力Ｐ０ｐｖ等の制御目標値を制御部４０に相当する装置に送信するものであってもよい。図９および図１０は、漏水抑制装置３０と、制御部４０に相当する制御装置６０とが別体として構成される場合のシステム構成の一例を示す図である。これらの図において、上記実施形態と同じ符号が付されているものは、上記実施形態と同様の機能を有するものとする。図９に示すように、漏水抑制装置３０は、最小圧力ｍｉｎ（ｐｉ）を、インターネット等のネットワークＮＷを介して制御装置６０に送信してもよいし、図１０に示すように、漏水抑制装置３０は、吐出圧力Ｐ０ｐｖを、インターネット等のネットワークＮＷを介して制御装置６０に送信してもよい。上記実施形態と同様、最小圧力ｍｉｎ（ｐｉ）や吐出圧力Ｐ０ｐｖは、連続値ではなく、離散値または離散データ（例えば、高―中―低、或いはＡ―Ｂ―Ｃといったもの）であってよい。なお、図９または図１０で示す構成において、上記第２の実施形態のように、水使用量パターン作成部３３や水使用量データベースを備える構成としてもよい。また、漏水抑制装置３０から受信した最小圧力ｍｉｎ（ｐｉ）や吐出圧力Ｐ０ｐｖは、自動的に制御装置６０の機能部に入力されるのではなく、制御装置６０側の表示装置に表示され、人が制御目標を制御装置６０に入力するようにしてもよい。
　なお、上記各実施形態において、漏水抑制装置３０における、流量センサ２４や圧力センサ２６の検出値が入力されるインターフェース部分、および水使用量取得部３２が「取得部」の一例であり、節点圧力推定部３４が「圧力推定部」の一例であり、最小圧力抽出部３６が「抽出部」の一例であり、水使用量パターン作成部３３が「水量推定部」の一例である。また、吐出圧力目標値Ｐ０ｓｖが「制御目標値」の一例である。

Claims (15)

  1. 　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報と、前記節点から流出する水の量に関する情報とを取得する取得部と、
    　前記取得部により取得された情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する圧力推定部と、
    　前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する抽出部と、
    　前記抽出部により抽出された最小値に基づいて、前記配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御する制御部と、
    　を備える漏水抑制装置。
  2. 　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報と、前記節点から流出する水の量に関する情報とを取得する取得部と、
    　前記取得部によって過去に取得された前記節点から流出する水の量に関する情報に基づいて、現在の前記節点から流出する水の量を推定する水量推定部と、
    　前記取得部により取得された情報、前記水量推定部により推定された水の量、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する圧力推定部と、
    　前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する抽出部と、
    　前記抽出部により抽出された最小値に基づいて、前記配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御する制御部と、
    　を備える漏水抑制装置。
  3. 　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報、前記節点から流出する水の量に関する情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する圧力推定部と、
    　前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する抽出部と、を備え、
    　前記抽出部により抽出された最小値、または前記抽出部により抽出された最小値に基づく制御目標値を出力する、
    　漏水抑制装置。
  4. 　前記取得部は、前記配水管路網における所定の節点における水圧を更に取得する、
    　請求項１から３のうちいずれか１記載の漏水抑制装置。
  5. 　前記圧力推定部は、節点間の圧力差と節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、物質収支の式とを連立的に解くことで、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する、
    　請求項１から３のうちいずれか１項記載の漏水抑制装置。
  6. 　前記圧力推定部は、前記モデル情報に基づいて、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを含むソフトウェアを生成し、前記生成したソフトウェアに対して前記取得部により取得された情報を入力することで、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを解き、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する、
    　請求項５記載の漏水抑制装置。
  7. 　配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御する制御装置と、漏水抑制装置とを備える漏水抑制システムであって、
    　前記漏水抑制装置は、
    　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報と、前記節点から流出する水の量に関する情報とを取得する取得部と、
    　前記取得部により取得された情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する圧力推定部と、
    　前記圧力推定部により推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出する抽出部と、を備え、
    　前記抽出部により抽出された最小値、または前記抽出部により抽出された最小値に基づく制御目標値を、前記制御装置に送信する、
    　漏水抑制システム。
  8. 　前記取得部は、前記配水管路網における所定の節点における水圧を更に取得する、
    　請求項７記載の漏水抑制システム。
  9. 　前記圧力推定部は、節点間の圧力差と節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、物質収支の式とを連立的に解くことで、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する、
    　請求項７または８記載の漏水抑制システム。
  10. 　前記圧力推定部は、前記モデル情報に基づいて、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを含むソフトウェアを生成し、前記生成したソフトウェアに対して前記取得部により取得された情報を入力することで、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを解き、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定する、
    　請求項９記載の漏水抑制システム。
  11. 　コンピュータに、
    　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報、前記節点から流出する水の量に関する情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定させ、
    　前記推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出させ、
    　前記抽出された最小値に基づいて、前記配水管路網に流入する水の水圧または流量を調整可能な調整部を制御させる、
    　漏水抑制プログラム。
  12. 　コンピュータに、
    　複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報、前記節点から流出する水の量に関する情報、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定させ、
    　前記推定された水圧を含む複数の水圧の中から水圧の最小値を抽出させ、
    　前記抽出部により抽出された最小値、または前記抽出された最小値に基づく制御目標値を出力させる、
    　漏水抑制プログラム。
  13. 　前記推定させる処理において、前記コンピュータに、複数の節点を含む配水管路網に流入する水の量に関する情報、前記節点から流出する水の量に関する情報、前記配水管路網における所定の節点における水圧、および前記配水管路網における節点の接続情報を含むモデル情報に基づいて、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定させる、
    　請求項１１または１２に記載の漏水抑制プログラム。
  14. 　前記推定させる処理において、前記コンピュータに、節点間の圧力差と節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、物質収支の式とを連立的に解くことで、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定させる、
    　請求項１１または１２に記載の漏水抑制プログラム。
  15. 　前記推定させる処理において、前記コンピュータに、前記モデル情報に対応する、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを含むソフトウェアを生成させ、前記生成させたソフトウェアに対して前記取得部により取得された情報を入力することで、前記節点間の圧力差と前記節点間を流れる流量との関係を示す方程式と、前記物質収支の式とを解き、前記配水管路網における節点の少なくとも一部における水圧を推定させる、
    　請求項１４記載の漏水抑制プログラム。
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