WO2017154761A1 - 診断装置、診断システム、診断方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体 - Google Patents

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WO2017154761A1
WO2017154761A1 PCT/JP2017/008435 JP2017008435W WO2017154761A1 WO 2017154761 A1 WO2017154761 A1 WO 2017154761A1 JP 2017008435 W JP2017008435 W JP 2017008435W WO 2017154761 A1 WO2017154761 A1 WO 2017154761A1
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WO
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pipe
friction loss
diagnostic
pressure
water
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PCT/JP2017/008435
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English (en)
French (fr)
Inventor
淳 堺
Original Assignee
日本電気株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to GB1814062.4A priority patent/GB2562976B/en
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/08—Detecting presence of flaws or irregularities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00—Protection or supervision of installations
    • F17D5/02—Preventing, monitoring, or locating loss

Definitions

  • the present invention relates to a diagnostic apparatus, a diagnostic system, a diagnostic method, and a computer-readable recording medium.
  • Patent Document 1 describes a technology related to nondestructive inspection of pipes.
  • an actual measurement value representing a propagation speed of an acoustic disturbance propagating between two points separated in the longitudinal direction of the pipe is obtained.
  • the wall thickness parameter is then calculated by fitting the measured value to the predicted value.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its main object to provide a diagnostic device and the like for easily diagnosing the internal state of a pipe.
  • a diagnostic apparatus includes: a friction loss calculating unit that calculates a friction loss of pressure based on the pressure of a fluid in a pipe; and a diagnostic unit that diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss. Prepare.
  • the friction loss of the pressure is obtained based on the pressure of the fluid in the pipe, and the state of the inner surface of the pipe is diagnosed based on the friction loss.
  • a process for obtaining the friction loss of the pressure based on the pressure of the fluid in the pipe and a process for diagnosing the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss is stored temporarily.
  • each component of each device or system represents a functional unit block. Part or all of each component of each apparatus or system is realized by an arbitrary combination of an information processing apparatus 1000 and a program as shown in FIG. 9, for example.
  • the information processing apparatus 1000 includes the following configuration as an example.
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • a storage device 1005 that stores the program 1004
  • a drive device 1007 that reads and writes the recording medium 1006
  • a communication interface 1008 connected to the communication network 1009 -I / O interface 1010 for inputting / outputting data -Bus 1011 connecting each component
  • Each component of each device in each embodiment is realized by the CPU 1001 acquiring and executing a program 1004 that realizes these functions.
  • the program 1004 that realizes the function of each component of each device is stored in advance in the storage device 1005 or the RAM 1003, for example, and is read out by the CPU 1001 as necessary.
  • the program 1004 may be supplied to the CPU 1001 via the communication network 1009, or may be stored in the recording medium 1006 in advance, and the drive device 1007 may read the program and supply it to the CPU 1001.
  • each device may be realized by an arbitrary combination of an information processing device 1000 and a program that are different for each component.
  • a plurality of components included in each device may be realized by any combination of one information processing device 1000 and a program.
  • each device is realized by a general-purpose or dedicated circuit board including a processor or the like, or a combination thereof. These may be constituted by a single chip cage or may be constituted by a plurality of chip cages connected via a bus. Part or all of each component of each device may be realized by a combination of the above-described circuit and the like and a program.
  • each device When some or all of the constituent elements of each device are realized by a plurality of information processing devices and circuits, the plurality of information processing devices and circuits may be centrally arranged or distributedly arranged. Also good.
  • the information processing apparatus, the circuit, and the like may be realized as a form in which each is connected via a communication network, such as a client and server system and a cloud computing system.
  • the diagnosis device and the like target a water supply network that supplies water and facilities provided in the water supply network.
  • the object of control by the diagnostic device in each embodiment of the present invention is not limited to the water supply network.
  • the pressure of the fluid in the pipe may be referred to as “the pressure of the pipe”.
  • the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe may be referred to as “the friction loss of the pressure” or “the friction loss of the pipe”.
  • the diagnostic device 100 includes a friction loss calculating unit 110 and a diagnostic unit 120.
  • the friction loss calculation unit 110 obtains a friction loss of pressure based on the pressure of the fluid in the pipe.
  • the diagnosis unit 120 diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss.
  • the diagnostic apparatus 100 may include a database 130.
  • the database 130 stores the friction loss obtained by the friction loss calculation unit 110 and the result of the diagnosis performed by the diagnosis unit 120.
  • FIG. 3 shows an example in which the diagnostic apparatus 100 according to the present embodiment is applied to a pipeline network 500 that is a water supply network.
  • a pipeline network 500 shown in FIG. 3 mainly includes a water main 510 and one or more water distribution blocks 520.
  • two water distribution blocks 520 of the water distribution block 520-1 and the water distribution block 520-2 are connected to the water main pipe 510.
  • the water main 510 is composed of a plurality of pipes.
  • the water main 510 supplies the water purified at the water purification plant 530 to each of the water distribution blocks 520.
  • the water main 510 is provided with a pump 540 as an example.
  • the water distribution block 520 supplies the tap water, which is a fluid sent from the water purification plant 530 via the water main 510, to each customer who is a user of water.
  • the water distribution block 520 includes a plurality of pipes.
  • a valve 550 is provided at a point where the water main 510 and the water distribution block 520 are connected.
  • the valve 550 adjusts the pressure of clean water so that the pressure (water pressure) of clean water flowing through the water distribution block 520 has an appropriate magnitude.
  • a valve 550-1 is provided at a point where the water main 510 and the water distribution block 520-1 are connected.
  • a valve 550-2 is provided at a point where the water main pipe 510 and the water distribution block 520-2 are connected.
  • Each of the water distribution blocks 520 may be further provided with a pump 540 and a valve 550 (not shown).
  • a pressure sensor 140 is provided in the piping constituting the water distribution block 520.
  • the water distribution block 520-1 is provided with pressure sensors 140-1 and 140-2.
  • the pressure sensor 140 is attached to a fire hydrant or the like of the pipeline network 500.
  • the pressure sensor 140 measures the water pressure that is the pressure of the water flowing in the pipe and its change over time. Information regarding the water pressure measured by the pressure sensor 140 is used when the diagnostic apparatus 100 obtains friction loss or the like, as will be described later.
  • Information on pressure measured by the pressure sensor 140 is stored in a database or storage device (not shown) as necessary.
  • the type and structure of the pressure sensor 140 are not limited, and the pressure sensor 140 of any type and structure is used. However, it is preferable that the pressure sensor 140 measures the pressure at a period that allows analysis described later. For example, the pressure sensor 140 preferably measures pressure at a cycle of 100 samples or more per second.
  • the location where the pressure sensor 140 is provided is not limited to the example shown in FIG. That is, in the water distribution block 520, an arbitrary number of pressure sensors 140 are appropriately provided as necessary. Further, the pressure sensor 140 may be provided in the water main 510 so as to measure the water pressure inside the water main 510 and its change over time.
  • the friction loss calculation unit 110 obtains the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe based on the pressure of water or the like in the pipe.
  • the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe indicates the degree of decrease in the pressure of water or the like caused by friction with the inner wall surface of the pipe when water or the like flows through the pipe. More specifically, the friction loss calculation unit 110 obtains the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe based on the transient change of the pressure of the fluid such as water in the pipe.
  • the transient change in the pressure of the water fluid in the pipe represents a sudden change in the pressure.
  • the transient change in the pressure of the water fluid in the pipe is also called water hammer.
  • the pressure information measured by the two pressure sensors 140-1 and 140-2 shown in FIG. 3 is used as the pressure of the fluid such as water in the pipe and its transient change.
  • the friction loss calculation part 110 calculates
  • the valve 550 is suddenly opened and closed, the occurrence or collapse of an air reservoir in the water (for example, flowing through the pipe) in the pipe, and the use of the water of the consumer user A sudden opening and closing of the plug can occur.
  • This change is also called water hammer as described above.
  • Water hammer can also be caused by operating pumps 540, valves 550, fire hydrants (not shown), etc., provided at various locations in the pipe network 500. The water hammer propagates water in the pipe.
  • the friction loss calculation unit 110 performs friction loss of a pipe based on a transient change in water pressure when each of the pressure sensors 140-1 and 140-2 measures one water hammer that has propagated through the water in the pipe. Ask for.
  • the friction loss calculation unit 110 obtains the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe as follows.
  • the friction loss calculating unit 110 obtains the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe based on the friction coefficient of the pipe using the water pressure measured by each of the pressure sensors 140-1 and 140-2.
  • the change in water pressure when a water hammer occurs is expressed by the water hammer equation of motion shown in the following equation (1) and the continuous equation of water shown in the following equation (2). In this example, it is assumed that the state of the water flow in the pipe is turbulent.
  • Equation (1) and (2) g is the acceleration of gravity, A is the cross-sectional area of the pipe, q is the flow rate of water flowing through the pipe, t is the time, h is the water pressure of the water in the pipe represented by the head, ⁇ is the friction coefficient of the pipe, D is the diameter of the water pipe, and a is the propagation velocity of water hammer in the pipe.
  • x represents the distance in the longitudinal direction of the pipe whose friction loss is to be obtained. Note that h is a length dimension.
  • Equation (3) is an equation representing water hammer as a wave motion.
  • ⁇ is a propagation constant.
  • e is the base of natural logarithm
  • j is an imaginary unit
  • ⁇ is the angular frequency of water hammer.
  • ⁇ represents a propagation constant.
  • the propagation constant ⁇ indicates the degree to which the propagation waveform propagating through the water in the pipe is attenuated or delayed according to the distance.
  • ⁇ represents a water hammer attenuation rate.
  • the attenuation rate ⁇ has frequency characteristics and is a function of each frequency ⁇ . That is, the coefficient of friction is obtained based on the speed of sound and the attenuation of the amplitude when the water hammer propagates in water.
  • ⁇ is a function of water hammer propagation velocity.
  • the water hammer time waveforms measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2 are respectively represented as H 1 + h 1 and H 2 + h 2 .
  • H 1 and H 2 represent pressures that can be measured when water constantly flows through the piping.
  • H 1 and h 2 are fluctuations of the water pressure, that is, the water pressure measured by each of the pressure sensors 140-1 and 140-2 when water hammer occurs, and the case where water constantly flows through the pipe. The difference from the pressure that can be measured is shown.
  • the above-described propagation constant ⁇ is expressed as the following equation (5).
  • L represents a distance between points where each of the pressure sensors 140-1 and 140-2 measures the water pressure.
  • h 1 and h 2 are obtained based on the measured values by the pressure sensors 140-1 and 140-2.
  • L is determined according to the position where the pressure sensors 140-1 and 140-2 measure the pressure in the pipe. Therefore, the propagation constant ⁇ is obtained based on the ratio of fluctuations in the water pressure that are measured values by the pressure sensors 140-1 and 140-2.
  • a representing the propagation velocity of water hammer in the pipe is obtained based on the difference in measurement time when the same water hammer is measured by each of the pressure sensors 140-1 and 140-2, for example. It is done. The a representing the propagation velocity of the water hammer can be obtained theoretically based on characteristics such as the material and diameter of the pipe.
  • the friction loss calculation unit 110 uses the equations (4) and (5) based on the measurement values measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2, and the friction coefficient ⁇ and the flow rate q of the pipe. Can be obtained.
  • the pressure sensors 140-1 and 140-2 may measure a plurality of water hammers. Then, the friction loss calculation unit 110 uses each of the plurality of waveforms indicating water hammer measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2, and multiplies the product of the friction coefficient ⁇ of the piping and the flow rate q with respect to each waveform. Can be obtained.
  • the product of the friction coefficient ⁇ and the flow rate q thus determined may vary due to differences in frequency components, waveforms, amplitudes, etc., and measurement errors in each of the plurality of water hammers.
  • the equation (4) includes ⁇ and ⁇ that are functions of frequency. Therefore, when the friction loss calculation unit 110 obtains the product of the friction coefficient ⁇ of the pipe and the flow rate q based on the above-described equations (4) and (5), ⁇ corresponds to the frequency component of the water hammer. May change.
  • the friction loss calculating unit 110 may correct the above-described measurement variation or frequency variation by setting the friction coefficient of the steady flow as ⁇ eff .
  • the product of the corrected steady flow friction coefficient ⁇ eff and the flow rate q is expressed by the following equation (6).
  • C1 and C2 indicate correction coefficients.
  • ⁇ eff (and the product of ⁇ eff and q) may be obtained using an expression different from the above-described expression (6). Further, ⁇ that is uncorrected may be used depending on the situation such as piping or water hammer. In the following description, ⁇ eff is used, but ⁇ may be used instead of ⁇ eff .
  • equation (7) is an equation showing the relationship between the difference in pressure of water or the like in the pipe (pipe) at two points and the flow rate.
  • the friction coefficient ⁇ or ⁇ eff depends on the flow rate. That is, these values are values that can change due to changes in the flow rate of water in the pipe. Therefore, using the above-described h 1 and h 2 obtained by the water pressure sensors 140-1 and 140-2 and the flow rate q obtained by the equation (7), the Hazen-Williams shown in the following equation (8) is used.
  • the coefficient C is obtained.
  • Expression (8) is an expression showing the relationship between the difference in pressure at two points related to the water in the pipeline and the flow rate.
  • C is an example of a friction coefficient that does not depend on the flow rate of water.
  • C is also a coefficient representing the small friction loss.
  • the friction loss calculating unit 110 is configured to determine the pressure and flow rate between the pressure sensors 140-1 and 140-2 of the pipe and the surrounding points based on the water pressure measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2. It is possible to obtain a relationship with Therefore, the friction loss calculation unit 110 is based on the water pressure measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2, and the friction loss between the pressure sensors 140-1 and 140-2 in the pipe and the surrounding points. Can be obtained.
  • the friction loss calculation unit 110 may construct a piping model based on the friction loss obtained as described above, for example.
  • the piping model is a model representing friction loss at each point of the pipe network 500. That is, the friction loss calculation unit 110 constructs a piping model by obtaining the above-described Hazen-Williams coefficient C for each point of the pipeline network 500 based on the pressure obtained by the pressure sensor 140.
  • the diagnosis unit 120 diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe obtained by the friction loss calculation unit 110.
  • the inner surface of a pipe deteriorates when used for a long period of time. That is, some problem occurs on the inner surface of the pipe. Examples of deterioration of the inner surface of the pipe include generation of rust and clogging, corrosion of the inner surface, increase in unevenness, and the like. As the inner surface of the pipe deteriorates, the friction loss changes. When deterioration occurs on the inner surface of a pipe, generally, friction loss increases according to the degree of deterioration. Therefore, the diagnosis unit 120 diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the magnitude of the friction loss and the temporal change in the magnitude of the friction loss.
  • the diagnosis unit 120 uses the Hazen-Williams coefficient C described above as an example of friction loss. In this case, the diagnosis unit 120 determines that the friction loss is large when the value of C is small.
  • the diagnosis unit 120 analyzes the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss related to one pipe as an example. In this example, the diagnosis unit 120 determines that the inner surface of the pipe has deteriorated when the friction loss satisfies a predetermined condition.
  • the predetermined condition includes, for example, a case where the friction loss increases beyond a threshold value.
  • the value of the Hazen-Williams coefficient C is used as the friction loss, it is determined that the inner surface of the pipe has deteriorated when C is smaller than a threshold value.
  • FIG. 4A is a graph regarding the friction loss when analyzing the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss concerning one pipe.
  • the vertical axis represents the Hazen-Williams coefficient C
  • the horizontal axis represents the flow of time.
  • the friction loss of the pipe increases (the Hazen-Williams coefficient C is small) depending on the time since the start of use. Then, with the passage of time, the friction loss of the pipe may reach the above-described threshold value. In the example shown in FIG. 4A, C reaches a threshold value at time t1. Therefore, the diagnosis unit 120 determines that the inner surface of the pipe has deteriorated at time t1.
  • the above-described threshold value is statistically determined using, for example, the actually obtained friction loss of the pipe.
  • the threshold value may be determined based on the material and diameter of the pipe.
  • the threshold value may be determined based on the material of the pipe, the quality and flow rate of the water flowing through the pipe, the soil around the pipe, the presence or absence of stray current, and the like.
  • the piping of high importance can detect the deterioration of the piping at an early stage in order to prevent a failure caused by the deterioration. Furthermore, since a large flow rate causes a large energy loss due to friction loss, it is preferable that this can be detected early when the friction loss is large. Therefore, the threshold value of such piping may be changed so that deterioration can be determined at an early stage. For example, when the value of the Hazen-Williams coefficient C is used as the friction loss, a larger C value may be used as the threshold value than in a normal case.
  • the diagnosis unit 120 may analyze the state of the inner surface of the pipe based on the state of friction loss over time for one pipe.
  • the diagnosis unit 120 for example, when the time change of the friction loss suddenly increases beyond a predetermined condition (that is, when the Hazen-Williams coefficient C rapidly decreases beyond a predetermined condition). It is determined that some abnormality has occurred inside the piping. Note that the abnormality in this case means that a sudden change (that is, large compared with the progress of normal deterioration) has occurred in the state of the inner surface of the pipe. Abnormality occurs due to, for example, something clogging inside the pipe or breakage of the pipe. Based on the determination result, for example, a pipe manager may perform a pipe inspection.
  • the degree of increase in friction loss is relatively large immediately after the start of use, and gradually decreases with the passage of time since the start of use. That is, the degree of decrease in the Hazen-Williams coefficient C is relatively large immediately after the start of use, as shown in FIG. 4A described above, and with the passage of time since the start of use. Gradually get smaller. However, if any abnormality occurs in the pipe, the degree of increase in friction loss may increase.
  • FIG. 4B An example of the change in the coefficient C in this case is shown in FIG. 4B.
  • the coefficient C increases the degree of increase in friction loss in most of the portions surrounded by the dotted line.
  • the value obtained by second-order differentiation of the temporal change in C is negative. Therefore, as the predetermined condition described above, the diagnosis unit 120 uses a condition as to whether or not the value obtained by second-order differentiation of the state of change in C is negative.
  • the diagnosis unit 120 uses a condition as to whether or not the value obtained by second-order differentiation of the state of change in C is negative.
  • the value obtained by second-order differentiation of the temporal change state of C is negative, for example, most of the time point surrounded by the dotted line in FIG. Judge that it occurred.
  • the diagnosis unit 120 indicates that the state of increase (or decrease) exceeds a predetermined condition or the like from the approximate expression. It may be determined that some abnormality has occurred inside the pipe when it is detached.
  • the above-mentioned conditions may be determined by statistically obtaining the state of friction loss over time.
  • the diagnosis unit 120 may predict the state of the pipe deterioration or the time when the pipe deterioration becomes a predetermined state using the state of the friction loss over time and the threshold value regarding the above-described deterioration. For example, the diagnosis unit 120 predicts the time when the friction loss of the target pipe reaches a predetermined threshold from the state of the friction loss over time. Then, the diagnosis unit 120 predicts the time when the friction loss of the pipe reaches the threshold as the time when the deterioration of the pipe is in a predetermined state. The threshold value is determined based on the magnitude of friction loss when the pipe is in some state. In this case, the diagnosis unit 120 predicts the time when the pipe is in the state.
  • the diagnosis unit 120 predicts the time when the piping is assumed to deteriorate. .
  • the magnitude of friction loss when a pipe has deteriorated is, for example, the friction loss actually measured for pipes with similar conditions, such as the pipe material, diameter, water quality and flow rate of flowing water, and the environment surrounding the pipe. It is calculated using. Since the diagnosis unit 120 predicts the state of deterioration of the pipe in this way, it is possible to easily make a pipe repair plan and the like.
  • the diagnosis unit 120 may analyze the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss obtained for a plurality of points in the pipeline network 500.
  • the diagnosis unit 120 creates a probability distribution of friction loss for a plurality of normal pipes such as newly laid pipes. Similarly, the diagnosis unit 120 creates a probability distribution of friction loss for a plurality of pipes that may be deteriorated, such as pipes that have been used for a long period of time. The diagnosis unit 120 determines that the inner surface of the pipe is deteriorated when the friction loss of the pipe is out of the distribution of the friction loss with respect to the normal pipe. Note that the probability distribution of friction loss for normal piping is, for example, created in advance and stored in the database 130 or the like. The diagnosis unit 120 acquires a probability distribution of friction loss as necessary when analyzing the state of the inner surface of the pipe. The probability distribution of friction loss may be updated at any time when the friction loss for normal piping is obtained.
  • FIG. 5 is an example of the above probability distribution.
  • the horizontal axis represents the Hazen-Williams coefficient C
  • the vertical axis represents the probability density of C.
  • the solid line represents the distribution of C with respect to the normal pipe
  • the alternate long and short dash line represents the distribution of C with respect to the pipe that may be deteriorated.
  • a threshold value is determined as indicated by a dotted line. Then, the diagnosis unit 120 determines whether or not the inner surface of the pipe has deteriorated based on whether or not C is within the threshold range when C is obtained as the friction loss by the friction loss calculation unit 110. Diagnose. That is, the diagnosis unit 120 determines that the inner surface of the pipe is deteriorated when C is out of the threshold value (on the side where the arrow is marked in the graph of FIG. 5). Further, when the friction loss probability distribution is updated, the threshold is updated according to the probability distribution.
  • the friction loss calculating unit 110 obtains the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe based on the water pressure of the water in the pipe measured by the pressure sensors 140-1 and 140-2 (step S101).
  • the diagnosis unit 120 diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss obtained in step S101 (step S102).
  • the diagnostic apparatus 100 when the diagnosis unit 120 analyzes based on the time change of the friction loss, or when analyzing pipes at a plurality of points in the pipeline network 500, the diagnostic apparatus 100 is configured as described above. Repeat the process.
  • the diagnosis unit 120 analyzes based on the time change of the friction loss the diagnosis device 100 repeatedly performs the above-described process on the piping at the same point.
  • the diagnostic apparatus 100 when analyzing the piping of the several points of the pipe network 500, the diagnostic apparatus 100 performs the above-mentioned process repeatedly with respect to the piping of a different point.
  • the diagnostic device 100 diagnoses the state of the inner surface of the pipe based on the friction loss of the pressure of fluid such as water in the pipe. Friction loss changes due to deterioration of piping such as occurrence of rust and clogging, corrosion of the inner surface, and increased irregularities. Therefore, the diagnostic device 100 can accurately diagnose the state of deterioration of the inner surface of the pipe.
  • the friction loss of the pressure of the fluid in the pipe is obtained based on the pressure of the fluid in the pipe.
  • the pressure of the fluid in the pipe is obtained by the pressure sensor 140 attached to a fire hydrant or the like of the pipe network 500 as described above, for example. That is, the pressure is easily obtained as compared with the flow rate of the fluid in the pipe. Therefore, the diagnostic apparatus 100 according to the present embodiment can easily determine the internal state of the piping.
  • the diagnostic device 100 may include the database 130 as described above.
  • the database 130 stores the friction loss obtained by the friction loss calculation unit 110 and the result of the diagnosis performed by the diagnosis unit 120.
  • FIG. 7 shows a configuration of a diagnostic apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the diagnostic apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention further includes an integrated determination unit 150 with respect to the diagnostic apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the diagnostic apparatus 200 may further include the database 130 described above.
  • the integrated determination unit 150 determines the state of the pipe based on the friction loss and another index related to the state of the pipe.
  • Other indicators include, for example, the speed of sound of the pipe, the resonance frequency, the resonance sharpness, the presence or absence of leakage, and the like.
  • an index different from the above-described index may be used as another index.
  • the number of indexes used by the integrated determination unit 150 for determination is not particularly limited. That is, the integrated determination unit 150 may use the above-described plurality of indexes as other indexes. Further, the integrated determination unit 150 may use the diagnosis result of the diagnosis unit 120.
  • the diagnostic apparatus 200 is configured to diagnose the state of the pipe using an index related to the state of another pipe different from the friction loss in addition to the friction loss described above.
  • the integration determination unit 150 determines whether or not the piping is deteriorated as an example of the state of the piping. Further, when the piping is deteriorated, the integrated determination unit 150 may determine whether the piping is generally deteriorated or a specific problem occurs in the piping. The integrated determination unit 150 determines the state of the piping by obtaining, for example, a deterioration degree index based on the friction loss and other indexes. The deterioration degree index is obtained, for example, by weighting and adding to the friction loss and other indices. Alternatively, the deterioration degree index may be obtained using an index such as principal component analysis.
  • the integrated judgment unit 150 is used when the deterioration degree index indicates that there is a problem with all the indicators of the pipe, or when one or more of the friction loss and other indicators indicate that the pipe is deteriorated. Judges that the piping is generally deteriorated. In addition, the integrated judgment unit 150 indicates that any of the indicators related to friction loss or other piping status indicates that the pipe has deteriorated, such as when the deterioration index indicates that there is a problem with a specific index. In this case, it is determined that the elements related to the specific index of the pipe are deteriorated. When the integrated determination unit 150 makes a determination using the deterioration degree index, the integrated determination unit 150 determines the piping state based on whether or not a predetermined condition is satisfied.
  • the predetermined condition is, for example, that the deterioration degree index exceeds a predetermined threshold.
  • the integrated determination unit 150 makes the above determination, it is possible to cope with the state of the piping. For example, when the integrated determination unit 150 determines that the pipe is generally deteriorated, measures such as replacement of the pipe are taken.
  • the diagnosis unit 120 determines that the state of the inner surface of the pipe has deteriorated, but the other indicators indicate normal, the integrated determination unit 150 However, it is determined that the pipe itself is normal (for example, the pipe is not cracked or thinned). Therefore, in this case, the state of the pipe is improved by taking measures such as rehabilitation of the inner surface of the pipe without replacing the pipe. That is, by using the diagnostic device 200 according to the second embodiment of the present invention, it is possible to reduce costs and man-hours required for countermeasures when piping is deteriorated.
  • the diagnostic apparatus 100 may include a mechanism that outputs the analysis result.
  • FIG. 8 shows a diagnostic apparatus 300 according to the second embodiment of the present invention.
  • the diagnostic device 300 according to the second embodiment of the present invention includes a friction loss calculating unit 110, a diagnostic unit 120, and a display unit 160.
  • the display unit 160 displays the result of diagnosis by the diagnosis unit 120.
  • the diagnostic apparatus 300 may include a reception unit 170.
  • the accepting unit 170 accepts an input regarding diagnosis from a user of the diagnostic apparatus 300.
  • the diagnostic device 300 according to the present embodiment is different from the diagnostic device 100 according to the first embodiment in that the diagnostic device 300 includes a display unit 160 and a reception unit 170.
  • the diagnostic apparatus 300 is configured to include a mechanism for outputting the analysis result.
  • the diagnostic apparatus 200 may further include the database 130 described above.
  • the diagnostic apparatus 300 may include the integrated determination unit 150 of the diagnostic apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the display unit 160 is realized by a display or the like, for example.
  • the display unit 160 may be directly connected to the diagnosis unit 120 or may be connected via a communication network (not shown).
  • the reception unit 170 is realized by a keyboard, a switch, or the like, for example.
  • the receiving unit 170 may be realized by a touch panel configured integrally with the display unit 160.
  • the reception unit 170 may be directly connected to the diagnosis unit 120 or may be connected via a communication network (not shown).
  • the display unit 160 may be realized in such a manner that necessary information is displayed on a display included in another information processing apparatus such as a PC (Personal Computer), a smartphone, or a tablet.
  • the accepting unit 170 may be realized in a manner of accepting information from input means included in these information processing apparatuses.
  • the display unit 160 displays, for example, a diagnosis result regarding the internal state of the pipe obtained by the diagnosis unit 120.
  • the display unit 160 displays, for example, the degree of pipe deterioration.
  • the display unit 160 may display the degree of deterioration divided into several stages, or may display the degree of deterioration numerically.
  • the display unit 160 may display a diagnosis result regarding a specific point of the pipeline network 500 according to a diagnosis result, or may display a diagnosis result regarding a plurality of points of the pipeline network 500. Also good.
  • the display unit 160 displays the result of diagnosis for a plurality of points on the pipeline network 500, for example, a part or all of the pipeline network 500 may be displayed together. In this case, the display unit 160 may highlight and display a point where the pipe is determined to be deteriorated, a main pipe, or the like.
  • the display unit 160 may display the friction loss obtained by the friction loss calculation unit 110 together with the result of diagnosis by the diagnosis unit 120.
  • the accepting unit 170 accepts information on the necessity of diagnosis or information on the location to be diagnosed in the pipeline network 500.
  • the reception unit 170 may receive information for designating a location where the detailed diagnosis results are to be displayed.
  • the reception unit 170 may receive information specifying the diagnosis interval.
  • the diagnosis unit 120 predicts the deterioration time of the pipe
  • the reception unit 170 may receive an instruction regarding the location of the point where the deterioration time should be predicted.

Abstract

配管の内部状態を容易に診断する診断装置等を提供する。　診断装置は、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力の摩擦損失を求める摩擦損失算出部と、摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する診断部とを備える。

Description

診断装置、診断システム、診断方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体
　本発明は、診断装置、診断システム、診断方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体に関する。
　上水道網等の配管の施設は、一般に規模が膨大である。また、地中に埋設された配管の劣化の進行は、配管が埋設された土壌の酸性度、電位、圧力等によって異なる場合がある。そして、相対的に新しい配管が急激に劣化し、早期の交換が必要となる場合がある。したがって、配管の補修や交換を的確かつ効率的に行うことが可能となるよう、配管の劣化の程度等の状態を適切に診断する技術が求められている。
　特許文献１には、パイプの非破壊検査に関する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術では、パイプの長手方向に離隔された二点間を伝搬する音響外乱の伝搬速度を表す実測値が求められる。そして、肉厚パラメーターが、実測値を予測値に適合させることによって計算される。
特開２０１３－６１３５０号公報
　特許文献１の手法では、配管の肉厚や内径が求められる。しかしながら、配管の劣化等の状態を適切に診断するには、配管の内部状態を診断することが求められている。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、配管の内部状態を容易に診断する診断装置等を提供することを主たる目的とする。
　本発明の一態様における診断装置は、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力の摩擦損失を求める摩擦損失算出手段と、摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する診断手段とを備える。
　本発明の一態様における診断方法は、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力の摩擦損失を求め、摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する。
　本発明の一態様におけるコンピュータ読み取り可能記録媒体は、コンピュータに、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力の摩擦損失を求める処理と、摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する処理とを実行させるプログラムを日一時的に格納する。
　本発明によると、配管の内部状態を容易に診断する診断装置等を提供することができる。
本発明の第１の実施形態における診断装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置の他の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置を上水道の管路網に適用した場合の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置において診断を行う場合の摩擦損失の変化の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置において診断を行う場合の摩擦損失の変化の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置において診断を行う場合の摩擦損失の分布の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における診断装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態の第２の実施形態における診断装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第３の実施形態における診断装置及び当該診断装置を上水道の管路網に適用した場合の一例を示す図である。 本発明の実施形態における診断装置等を実現する情報処理装置の一例を示す図である。
　本発明の各実施形態について、添付の図面を参照して説明する。本発明の各実施形態において、各装置又はシステムの各構成要素 は、機能単位のブロックを示している。各装置又はシステムの各構成要素の一部又は全部は、例えば図９に示すような情報処理装置１０００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現される。情報処理装置１０００は、一例として、以下のような構成を含む。
　　・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１００１
　　・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）１００２
　　・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１００３
　　・ＲＡＭ１００３にロードされるプログラム１００４
　　・プログラム１００４を格納する記憶装置１００５
　　・記録媒体１００６の読み書きを行うドライブ装置１００７
　　・通信ネットワーク１００９と接続する通信インターフェース１００８
　　・データの入出力を行う入出力インターフェース１０１０
　　・各構成要素を接続するバス１０１１
　各実施形態における各装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム１００４をＣＰＵ１００１が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム１００４は、例えば、予め記憶装置１００５やＲＡＭ１００３に格納されており、必要に応じてＣＰＵ１００１が読み出す。なお、プログラム１００４は、通信ネットワーク１００９を介してＣＰＵ１００１に供給されてもよいし、予め記録媒体１００６に格納されており、ドライブ装置１００７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ１００１に供給してもよい。
　各装置の実現方法には、様々な変形例がある。例えば、各装置は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置１０００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置１０００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。
　また、各装置の各構成要素の一部又は全部は、プロセッサ等を含む汎用または専用の回路 （ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）や、これらの組み合わせによって実現される。これらは、単一のチップ によって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップ によって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。
　各装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、クライアントアンドサーバシステム、クラウドコンピューティングシステム等、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。
　以下の本発明の各実施形態における診断装置等の説明では、診断装置等は、上水を供給する上水道網や当該上水道網に設けられた設備を診断の対象とする。しかしながら、本発明の各実施形態における診断装置による制御の対象は、上水道網には限られない。
　（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、「配管内の流体の圧力」を「配管の圧力」と称する場合がある。また、「配管内の流体の圧力の摩擦損失」を「圧力の摩擦損失」又は「配管の摩擦損失」と称する場合がある。
　図１に示すとおり、本発明の第１の実施形態における診断装置１００は、摩擦損失算出部１１０と、診断部１２０とを有する。摩擦損失算出部１１０は、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力の摩擦損失を求める。診断部１２０は、摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する。また、図２に示すように、診断装置１００はデータベース１３０を備えてもよい。データベース１３０には、摩擦損失算出部１１０によって求められた摩擦損失や、診断部１２０によって行われた診断の結果が格納される。
　図３は、本実施形態における診断装置１００を上水道網である管路網５００に適用した一例である。図３に示す管路網５００は、主に、水道本管５１０と一つ以上の配水ブロック５２０とで構成される。図３に示す管路網５００の例では、配水ブロック５２０－１及び配水ブロック５２０－２の二つの配水ブロック５２０が水道本管５１０に接続されている。水道本管５１０は、複数の配管によって構成される。
　水道本管５１０は、浄水場５３０にて浄化された上水を配水ブロック５２０の各々へ供給する。水道本管５１０には、一例としてポンプ５４０が設けられている。配水ブロック５２０は、水道本管５１０を介して浄水場５３０から送られた流体である上水を、水の利用者である需要家の各々へ供給する。配水ブロック５２０は、複数の配管によって構成される。
　水道本管５１０と配水ブロック５２０とが接続する地点には、一例としてバルブ５５０が設けられる。バルブ５５０は、配水ブロック５２０を流れる上水の圧力（水圧）が適切な大きさとなるように、上水の圧力を調整する。図３に示す例では、水道本管５１０と配水ブロック５２０－１とが接続する地点には、バルブ５５０－１が設けられている。また、水道本管５１０と配水ブロック５２０－２とが接続する地点には、バルブ５５０－２が設けられている。配水ブロック５２０の各々には、図示しないポンプ５４０やバルブ５５０が更に設けられていてもよい。
　また、配水ブロック５２０を構成する配管には、圧力センサ１４０が設けられる。図３に示す例では、配水ブロック５２０－１に、圧力センサ１４０－１及び１４０－２が設けられている。圧力センサ１４０は、管路網５００の消火栓等に取付けられる。圧力センサ１４０は、配管内を流れる水の圧力である水圧やその時間変化を計測する。圧力センサ１４０にて計測された水圧に関する情報は、後述のように、診断装置１００が摩擦損失等を求める際に用いられる。
　圧力センサ１４０が計測した圧力に関する情報は、必要に応じて図示しないデータベースや記憶装置等に保存される。本実施形態においては、圧力センサ１４０の種類や構造は限定されず、任意の種類や構造の圧力センサ１４０が用いられる。ただし、圧力センサ１４０は、後述する解析が可能になる程度の周期で圧力を計測することが好ましい。圧力センサ１４０は、一例として毎秒１００サンプル以上の周期にて圧力を計測することが好ましい。
　圧力センサ１４０が設けられる箇所は、図３に示す例に限られない。すなわち、配水ブロック５２０において、任意の数の圧力センサ１４０が必要に応じて適宜設けられる。また、圧力センサ１４０は、水道本管５１０の内部の水圧やその時間変化を計測するように、水道本管５１０に設けられてもよい。
　続いて、本発明の第１の実施形態における診断装置１００の各構成要素について説明する。
　摩擦損失算出部１１０は、配管内の水等の圧力に基づいて、配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。配管内の流体の圧力の摩擦損失は、配管を水等が流れる場合に、配管の内壁面との摩擦で生じる水等の圧力の減少の程度を示す。摩擦損失算出部１１０は、より詳しくは、配管内の水等の流体の圧力の過渡変化に基づいて配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。
　各実施形態において、配管内の水の流体の圧力の過渡変化は、当該圧力の急激な変化を表す。配管内の水の流体の圧力の過渡変化は、水撃とも呼ばれる。配管内の水等の流体の圧力やその過渡変化は、例えば、図３に示す圧力センサ１４０－１及び１４０－２の２つの圧力センサが計測した圧力の情報が用いられる。なお、摩擦損失算出部１１０は、２つの圧力センサが圧力を計測する地点の間にある配管の摩擦損失を求める。図３に示す例では、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２がそれぞれ圧力を計測する地点の間の配管の摩擦損失を求める。なお、管路網５００において更に図示しない他の圧力センサ１４０が設けられている場合には、摩擦損失算出部１１０は、それらの他の圧力センサ１４０が設けられた地点における配管の摩擦損失を求めてもよい。
　管路網５００の配水ブロック５２０等においては、バルブ５５０の急な開閉、配管内の（例えば、配管を流れる）水中における空気溜まりの発生や崩壊、水の利用者である需要家の水の利用に伴う栓の急な開閉が生じ得る。その結果、配水ブロック５２０を構成する配管内の水の圧力に急激な変化が生じる。この変化は、上述のように水撃とも呼ばれる。水撃は、管路網５００の各所に設けられたポンプ５４０、バルブ５５０、図示しない消火栓等の各々が操作されることによっても生じ得る。水撃は、配管内の水を伝搬する。
　摩擦損失算出部１１０は、配管内の水を介して伝搬した一つの水撃を、圧力センサ１４０－１及び１４０－２のそれぞれが計測した場合における水圧の過渡変化に基づいて、配管の摩擦損失を求める。
　一例として、摩擦損失算出部１１０は、以下のように配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２のそれぞれが計測した水圧を用いて、配管の摩擦係数に基づいて配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。水撃が生じた場合における水圧の変化は、下記の（１）式に示す水撃の運動方程式及び下記の（２）式に示す水の連続式にて表される。なお、この例では、配管内の水の流れの状態は乱流であることを想定する。
（１）式及び（２）式において、ｇは重力加速度、Ａは配管の断面積、ｑは配管を流れる水の流量、ｔは時間、ｈは水頭で表された配管内の水の水圧、λは配管の摩擦係数、Ｄは配水管の直径、ａは配管内における水撃の伝搬速度を表す。ｘは摩擦損失を求める対象とされた配管の長手方向の距離を表す。なお、ｈは、長さの次元となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　（１）式と（２）式とを連立させると、水圧ｈは以下の（３）式のように表される。（３）式は、水撃を波動として表した式である。なお、（３）式において、γは伝搬定数である。また、ｅは自然対数の底、ｊは虚数単位、ωは水撃の角周波数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、γは伝搬定数を表す。伝搬定数γは、配管内の水中を伝搬する伝搬波形が、距離に応じて減衰又は遅延する程度を示す。（３）式において、α及びβを実数としてγ＝α＋ｊβとすると、摩擦係数は（４）式のように表される。αは、水撃の減衰率を表す。減衰率αは周波数特性を有し、その各周波数ωの関数となる。すなわち、摩擦係数は、水撃が水中を伝搬する際の音速と振幅の減衰とに基づいて求められる。また、βは、水撃の伝搬速度の関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々にて計測された水撃の時間波形をそれぞれＨ１+ｈ１、Ｈ２+ｈ２と表す。ここで、Ｈ１、Ｈ２は配管を定常的に水が流れる場合に計測され得る圧力を表す。また、ｈ１、ｈ２は水圧の変動分、すなわち水撃が生じた場合に圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々にて計測された水圧と、配管を定常的に水が流れる場合に計測され得る圧力との差異を示す。この場合に、上述した伝搬定数γは以下の（５）式のように表される。（５）式において、Ｌは、圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々が水圧を計測する地点の間の距離を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ｈ１及びｈ２は、上述のように圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々による計測値に基づいて求められる。また、Ｌは、配管において圧力センサ１４０－１及び１４０－２が圧力を計測する位置に応じて定められる。したがって、伝搬定数γは、圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々による計測値である水圧の変動分の比に基づいて求められる。
　αは、上述のようにγの実部を表す。すなわち、αは、α＝Ｒｅ［γ］と表される。（４）式に含まれるα及びωは、（５）式に基づいて求められる。そして、（４）式において、配管内における水撃の伝搬速度を表すａは、例えば圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々によって同じ水撃を計測した場合における計測時刻の差に基づいて求められる。水撃の伝搬速度を表すａは、配管の材質や直径等の特性等に基づいて理論的にも求められ得る。
　したがって、摩擦係数λと流量ｑとの積は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２の各々による計測値等に基づいて求められる。すなわち、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２によって計測された計測値に基づいて、（４）式及び（５）式を用いて、配管の摩擦係数λと流量ｑとの積を求めることができる。
　圧力センサ１４０－１及び１４０－２は、複数の水撃を計測する場合がある。そして、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２によって計測された複数の水撃を示す波形の各々を用いて、それぞれの波形に関する配管の摩擦係数λと流量ｑとの積を求めることが可能である。このようにして求められた摩擦係数λと流量ｑとの積は、複数の水撃の各々における周波数成分、波形、振幅等の違いや測定誤差に起因して、ばらつきが生じる可能性がある。また、上述のように、（４）式には、周波数の関数であるωとαが含まれる。したがって、摩擦損失算出部１１０が上述した（４）式及び（５）式に基づいて配管の摩擦係数λと流量ｑとの積を求める場合には、λは、水撃の周波数成分などに応じて変化する可能性がある。
　したがって、摩擦損失算出部１１０は、定常流の摩擦係数をλｅｆｆとして、上述した測定のばらつき又は周波数の変動を補正してもよい。補正された定常流の摩擦係数λｅｆｆと流量ｑとの積は、以下の（６）式のように表される。（６）式において、Ｃ１及びＣ２は補正係数を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、λｅｆｆ（及びλｅｆｆとｑとの積）は、上述した（６）式とは異なる式を用いて求められてもよい。また、配管や水撃などの状況に応じて、未補正であるλが用いられてもよい。以下の説明では、λｅｆｆが用いられるが、λｅｆｆに代えてλが用いられてもよい。
　λｅｆｆとｑとの積が求められると、定常流の流量ｑは、圧力の変動分であるｈ１とｈ２とに基づいて、下記の（７）式に示すＤａｒｃｙ－Ｗｅｉｓｂａｃｈの式を用いて求められる。（７）式では、Δｈは、圧力センサ１４０－１から１４０－２の各々が圧力を計測する地点の間での水の圧力の減少の程度を表す。すなわち、（７）式は、２つの地点での管路（配管）内の水等の圧力の差分と流量との関係を示す式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　（７）式では、摩擦係数λ又はλｅｆｆは、流量に依存する。すなわち、これらの値は、配管内の水の流量が変化することに起因して変化し得る値である。そのため、水圧センサ１４０－１及び１４０－２にて求められた上述のｈ１、ｈ２及び（７）式にて求められた流量ｑを用いて、下記の（８）式に示すＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃが求められる。（８）式は、管路内の水に関する２つの地点での圧力の差分と流量との関係を示す式である。（８）式において、Ｃは、水の流量には依存しない摩擦係数の一例である。また、Ｃは、摩擦損失の小ささを表す係数でもある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　（８）式で求められた係数Ｃを用いることで、任意の流量に対して、圧力センサ１４０－１及び１４０－２によって計測された水圧に基づいて、圧力と流量との関係が求められる。つまり、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２にて計測された水圧に基づいて、配管の圧力センサ１４０－１及び１４０－２との間や周囲の地点における圧力と流量との関係を求めることが可能となる。したがって、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２によって計測された水圧に基づいて、配管における圧力センサ１４０－１及び１４０－２との間やその周囲の地点についての摩擦損失が求めることが可能となる。
　また、摩擦損失算出部１１０は、例えば上述のように求められた摩擦損失に基づいて、配管モデルを構築してもよい。配管モデルは、管路網５００の各地点における摩擦損失を表すモデルである。すなわち、摩擦損失算出部１１０は、管路網５００の各地点について、圧力センサ１４０によって求められた圧力に基づいて上述したＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃを求めることで、配管モデルを構築する。
　診断部１２０は、摩擦損失算出部１１０にて求められた配管内の流体の圧力の摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する。
　配管は、長期間にわたって使用されることで、その内面が劣化する。つまり、配管の内面に何らかの問題が生じる。配管の内面の劣化の例として、錆や詰まりの発生、内面表面の腐食、凹凸の増加等が挙げられる。配管の内面が劣化することで、摩擦損失が変化する。配管の内面に劣化が生じた場合には、一般に、劣化の程度に応じて摩擦損失が大きくなる。そこで、診断部１２０は、摩擦損失の大きさや摩擦損失の大きさの時間的な変化に基づいて、配管の内面の状態を診断する。
　なお、診断部１２０では、摩擦損失の例として上述したＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃが用いられる。この場合には、診断部１２０は、Ｃの値が小さい場合に摩擦損失が大きいと判断する。
　診断部１２０は、一例として、一つの配管に関する摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を分析する。この例では、診断部１２０は、摩擦損失が予め定めた条件を満たす場合に配管の内面が劣化したと判断する。予め定めた条件は、例えば摩擦損失が閾値を超えて大きくなる場合が含まれる。摩擦損失としてＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃの値を用いる場合には、Ｃが閾値を超えて小さくなる場合に、配管の内面が劣化したと判断される。
　図４Ａは、一つの配管に関する摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を分析する場合の摩擦損失に関するグラフである。図４Ａのグラフでは、縦軸はＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃを表し、横軸は時間の流れを示す。
　一般に、配管の摩擦損失は、使用が開始されてからの時間に応じて大きく（Ｈａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃが小さく）なる。そして、時間の経過によって、配管の摩擦損失が上述した閾値に達する場合がある。図４Ａに示す例では、時刻ｔ１においてＣが閾値に達する。したがって、診断部１２０は、時刻ｔ１において配管の内面が劣化したと判断される。
　上述した閾値は、例えば、実際に求められた配管の摩擦損失を用いて統計的に定められる。閾値は、配管の材質や口径に基づいて定められてもよい。また、閾値は、配管の材質、配管を流れる水の水質や流量、配管の周囲の土壌、迷走電流の有無等に基づいて定められてもよい。
　また、重要度の高い配管は、劣化に起因する障害を防ぐため、配管の劣化を早期に検知できることが好ましい。更に、流量の大きな配管は、摩擦損失に起因するエネルギー損失が大きくなることから、摩擦損失が大きい場合にはそのことを早期に検知できることが好ましい。そこで、このような配管は、早期に劣化を判定できるように閾値を変更してもよい。例えば、摩擦損失としてＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃの値を用いる場合には、通常の場合と比較して大きなＣの値が閾値として用いられてもよい。
　診断部１２０は、一つの配管に関する摩擦損失の時間変化の様子に基づいて、当該配管の内面の状態を分析してもよい。診断部１２０は、例えば摩擦損失の時間変化が予め定めた条件を超えて急激に大きくなった場合（つまり、Ｈａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃが予め定めた条件を超えて急激に小さくなった場合）に、配管の内部に何らかの異常が生じたと判断する。なお、この場合における異常とは、配管の内面の状態に急激な（すなわち、通常の劣化の進行と比較して大きな）変化が生じたことを意味する。異常は、例えば配管の内部に何かが詰まる、配管が折損する等の原因により生じる。この判断結果に基づいて、例えば配管の管理者等によって配管の検査が行われてもよい。
　一般に、摩擦損失の増加の程度は、使用が開始された直後には相対的に大きく、使用が開始されてからの時間の経過に伴って徐々に小さくなる。すなわち、Ｈａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃの減少の程度は、上述した図４Ａに示されるように、使用が開始された直後には相対的に大きく、使用が開始されてからの時間の経過に伴って徐々に小さくなる。しかしながら、配管の内部に何らかの異常が生じると、摩擦損失の増加の程度が増える場合がある。
　この場合の係数Ｃの変化の一例が図４Ｂに表される。係数Ｃは、点線で囲われる箇所の大部分において、摩擦損失の増加の程度が増えている。この場合には、Ｃの時間的な変化の様子を２階微分した値が負となる。したがって、上述した予め定めた条件として、診断部１２０は、Ｃの時間的な変化の様子を２階微分した値が負となるか否かとの条件を用いる。診断部１２０は、例えば図４Ｂの点線で囲われた時点の大部分のように、Ｃの時間的な変化の様子を２階微分した値が負となる場合に、配管の内部に何らかの異常が生じたと判断する。
　なお、上述した条件として、異なる条件が用いられてもよい。診断部１２０は、例えば摩擦損失の増加の様子（Ｃの減少の様子）が何らかの近似式で表される場合に、その増加（又は減少）の様子が近似式から予め定めた条件等を超えて外れた際に配管の内部に何らかの異常が生じたと判断してもよい。上述した条件は、摩擦損失の時間変化の様子を統計的に求めることで定められてもよい。
　更に、診断部１２０は、摩擦損失の時間変化の様子と、上述した劣化に関する閾値とを用いて、配管の劣化の様子や配管の劣化が所定の状態となる時期を予測してもよい。例えば、診断部１２０は、摩擦損失の時間変化の様子から、対象とする配管の摩擦損失が予め定めた閾値に達する時期を予測する。そして、診断部１２０は、配管の摩擦損失が閾値に達する時期を、当該配管の劣化が所定の状態となる時期であると予測する。閾値は、配管が何らかの状態となる場合の摩擦損失の大きさに基づいて定められる。この場合に、診断部１２０は、配管が当該状態となる時期を予測することとなる。例えば、予測の対象となる配管が劣化したとされる場合等の摩擦損失の大きさに応じて閾値が定められた場合には、診断部１２０は、配管が劣化すると想定される時期を予測する。配管が劣化した場合等の摩擦損失の大きさは、例えば、当該配管と材質や口径、流れる水の水質や流量、配管の周囲の環境等の条件が類似した配管に関して実際に測定された摩擦損失を用いて求められる。診断部１２０がこのように配管の劣化の状態について予測を行うことで、配管の修繕計画の立案等を容易に行うことが可能となる。
　別の一例として、診断部１２０は、管路網５００の複数の地点について求めた摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を分析してもよい。
　例えば、診断部１２０は、新たに敷設された配管等、正常な複数の配管に対する摩擦損失の確率分布を作成する。同様に、診断部１２０は、長い期間にわたり使用されている配管等、劣化が進行している可能性がある複数の配管に対する摩擦損失の確率分布を作成する。そして、診断部１２０は、配管の摩擦損失が正常な配管に対する摩擦損失の分布から外れている場合に、当該配管の内面が劣化していると判定する。なお、正常な配管に対する摩擦損失の確率分布は、例えば、予め作成されてデータベース１３０等に格納される。診断部１２０は、配管の内面の状態の分析を行う際に必要に応じて摩擦損失の確率分布を取得する。摩擦損失の確率分布は、正常な配管に対する摩擦損失が求められた場合に随時更新されてもよい。
　図５は、上述の確率分布の一例である。図５に示すグラフでは、横軸はＨａｚｅｎ－Ｗｉｌｌｉａｍｓの係数Ｃを表し、縦軸はＣの確率密度を表す。また、実線は正常な配管に対するＣの分布を表し、一点鎖線は劣化が進行している可能性がある配管に対するＣの分布を表す。
　図５に示す例においては、例えば点線で示すように閾値が定められる。そして、診断部１２０は、摩擦損失算出部１１０によって摩擦損失としてＣが求められた場合に、Ｃが閾値の範囲内にあるか否かに基づいて、当該配管の内面が劣化しているか否かを診断する。つまり、診断部１２０は、Ｃが閾値から外れている場合（図５のグラフにおいて矢印が記されている側にある）に、当該配管の内面が劣化していると判断する。また、摩擦損失の確率分布が更新された場合には、閾値は確率分布に応じて更新される。
　続いて、図６に示すフローチャートを用いて、本発明の第１の実施形態における診断装置１００の動作について説明する。
　最初に、摩擦損失算出部１１０は、圧力センサ１４０－１及び１４０－２によって計測された配管内の水等の水圧に基づいて、配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める（ステップＳ１０１）。
　次に、診断部１２０は、ステップＳ１０１にて求められた摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する（ステップＳ１０２）。
　なお、例えば上述のように、診断部１２０が摩擦損失の時間変化に基づいて分析する場合や、管路網５００の複数の地点の配管の分析を行う場合等には、診断装置１００は、上述の処理を繰り返して実行する。診断部１２０が摩擦損失の時間変化に基づいて分析する場合には、診断装置１００は、同じ地点の配管に対して繰り返して上述の処理を実行する。また、管路網５００の複数の地点の配管の分析を行う場合には、診断装置１００は、異なる地点の配管に対して繰り返して上述の処理を実行する。
　以上のとおり、本発明の第１の実施形態における診断装置１００は、配管内の水等の流体の圧力の摩擦損失に基づいて、配管の内面の状態を診断する。摩擦損失は、錆や詰まりの発生、内面表面の腐食、凹凸の増加等の配管の劣化によって変化する。したがって、診断装置１００は、配管の内面の劣化の様子を精度よく診断することができる。
　また、配管内の流体の圧力の摩擦損失は、配管内の流体の圧力に基づいて求められる。配管内の流体の圧力は、例えば上述のように管路網５００の消火栓等に取付けられた圧力センサ１４０によって求められる。すなわち、圧力は、配管内の流体の流量等と比較して容易に求められる。したがって、本実施形態における診断装置１００は、配管の内部の状態を容易に求めることを可能とする。
　（第１の実施形態の変形例）
　本発明の第１の実施形態には、変形例が考えられる。
　例えば、診断装置１００は上述のようにデータベース１３０を備えてもよい。データベース１３０には、摩擦損失算出部１１０によって求められた摩擦損失や、診断部１２０によって行われた診断の結果が格納される。診断部１２０によって行われた配管の複数の地点における診断の結果がデータベース１３０に格納されることで、配管の修繕計画の立案等を容易に行うことが可能となる。例えば、劣化している配管や重要な配管を優先して交換するような計画の立案が可能となる。
　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態における診断装置２００の構成を示す。本発明の第２の実施形態における診断装置２００は、図１に示す本発明の第１の実施形態における診断装置１００に対して、統合判断部１５０を更に備える。なお、診断装置２００は、上述したデータベース１３０を更に備えてもよい。
　統合判断部１５０は、摩擦損失と、配管の状態に関する他の指標とに基づいて、配管の状態を判定する。他の指標には、例えば、配管の音速、共振周波数、共振先鋭度、漏洩の有無などが含まれる。ただし、配管に関する指標であれば、他の指標として上述の指標とは異なる指標が用いられてもよい。統合判断部１５０が判断に用いる指標の数は、特に限定されない。すなわち、統合判断部１５０は、他の指標として、上述した複数の指標を用いてもよい。また、統合判断部１５０は、診断部１２０の診断の結果を用いてもよい。
　すなわち、本発明の第２の実施形態における診断装置２００は、上述した摩擦損失に加えて、摩擦損失と異なる他の配管の状態に関する指標を用いて配管の状態を診断するように構成される。
　統合判断部１５０は、配管の状態の一例として、配管が劣化しているか否かを判断する。また、配管が劣化している場合には、統合判断部１５０は、全般的に劣化しているか、又は配管に特定の問題が生じているかを判断してもよい。統合判断部１５０は、摩擦損失と他の指標とに基づいて、例えば劣化度合い指数を求めて配管の状態を判断する。劣化度合い指数は、例えば、摩擦損失と他の指標とにそれぞれ重み付けをして加算して求められる。又は、劣化度合い指数は、主成分分析等の指標を用いて求められてもよい。
　統合判断部１５０は、劣化度合い指数が配管の全ての指標について問題があることを示す場合や、又は摩擦損失と他の指標の一つ以上が配管に劣化が生じていることを示す場合等には、配管が全般的に劣化していると判断する。また、統合判断部１５０は、劣化度合い指数が特定の指標について問題があることを示す場合等、摩擦損失又は他の配管の状態に関する指標のいずれかが配管に劣化が生じていることを示す場合には、配管の当該特定の指標に関わる要素について劣化していると判断する。統合判断部１５０が劣化度合い指数を用いて判断を行う場合には、統合判断部１５０は、所定の条件を満たすか否かに基づいて配管の状態を判断する。所定の条件は、例えば劣化度合い指数が予め定めた閾値を越えるなどである。
　統合判断部１５０が上述の判断を行うことで、配管の状態に応じた対応が可能となる。例えば、統合判断部１５０が、配管が全般的に劣化していると判断した場合等には、配管の取替え等の対策が行われる。
　これに対して、診断部１２０にて配管の内面の状態が劣化していると判断されているが、他の指標が正常であることを示す場合には、統合判断部１５０は、配管の内面が劣化しているが、配管自体は正常である（例えば、配管に亀裂や減肉等が生じていない）と判断する。したがって、この場合には、配管の取替え等を行わなくとも例えば配管の内面の更生等の対策を施すことで配管の状態は改善される。すなわち、本発明の第２の実施形態における診断装置２００を用いることで、配管が劣化した場合の対策に要する費用や工数の削減が可能となる。
　（第３の実施形態）
　また、別の変形例の一つとして、診断装置１００は、分析の結果を出力する機構等を備えてもよい。
　図８は、本発明の第２の実施形態における診断装置３００を示す。本発明の第２の実施形態における診断装置３００は、摩擦損失算出部１１０と、診断部１２０と、表示部１６０を備える。表示部１６０は、診断部１２０による診断の結果等を表示する。また、診断装置３００は、受付部１７０を備えてもよい。受付部１７０は、診断装置３００の利用者からの診断に関する入力を受付ける。本実施形態における診断装置３００は、表示部１６０や受付部１７０を備える点が第１の実施形態における診断装置１００と異なる。
　すなわち、本発明の第３の実施形態における診断装置３００は、分析の結果を出力する機構等を備えるように構成される。
　なお、なお、診断装置２００は、上述したデータベース１３０を更に備えてもよい。また、診断装置３００は、本発明の第２の実施形態における診断装置２００の統合判断部１５０を備えてもよい。
　本実施形態においては、表示部１６０は例えばディスプレイ等で実現される。表示部１６０は、診断部１２０と直接に接続されてもよいし、図示しない通信ネットワークを介して接続されてもよい。また、受付部１７０は例えばキーボードやスイッチ等で実現される。受付部１７０は、表示部１６０と一体に構成されたタッチパネル等で実現されてもよい。受付部１７０が設けられる場合には、受付部１７０は、診断部１２０と直接に接続されてもよいし、図示しない通信ネットワークを介して接続されてもよい。また、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、スマートフォン、タブレット等の他の情報処理装置が備えるディスプレイに必要な情報が表示される態様にて表示部１６０が実現されてもよい。これらの情報処理装置が備える入力手段から情報を受け付ける態様にて受付部１７０が実現されてもよい。
　本実施形態においては、表示部１６０は、例えば診断部１２０にて求められた配管の内部の状態に関する診断の結果を表示する。表示部１６０は、例えば配管の劣化の程度を表示する。この場合に、表示部１６０は、劣化の程度をいくつかの段階に区分して表示してもよいし、劣化の程度を数値化して表示してもよい。
　表示部１６０は、また、診断の結果に応じて、管路網５００の特定の地点に関する診断の結果を表示してもよいし、管路網５００の複数の地点に関する診断の結果を表示してもよい。表示部１６０が、管路網５００の複数の地点についての診断の結果を表示する場合には、例えば管路網５００の一部又は全部を併せて表示してもよい。この場合に、表示部１６０は配管が劣化していると判断された地点や主要な配管等を強調して表示してもよい。
　表示部１６０は、診断部１２０による診断の結果と併せて、摩擦損失算出部１１０により求められた摩擦損失を表示してもよい。
　受付部１７０は、診断の実施の要否や、管路網５００において、診断の対象とする箇所等に関する情報を受付ける。また、表示部１６０が管路網５００の複数の地点についての診断の結果を表示する場合に、受付部１７０は、詳細な診断の結果を表示すべき個所を指定する情報を受付けてもよい。
　また、診断部１２０が配管の各地点の内面の状態を継続して診断する場合には、受付部１７０は、診断の間隔を指定する情報を受付けてもよい。診断部１２０が配管の劣化の時期を予測する場合には、受付部１７０は、劣化の時期を予測すべき地点の箇所についての指示を受付けてもよい。
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施形態における構成は、本発明のスコープを逸脱しない限りにおいて、互いに組み合わせることが可能である。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１６年３月１０日に出願された日本出願特願２０１６－４７００２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１００、２００、３００　　診断装置
　１１０　　摩擦損失算出部
　１２０　　診断部
　１３０　　データベース
　１４０　　圧力センサ
　５００　　管路網
　５１０　　水道本管
　５２０　　配水ブロック
　５３０　　浄水場
　５４０　　ポンプ
　５５０　　バルブ
　１０００　　情報処理装置
　１００１　　ＣＰＵ
　１００２　　ＲＯＭ
　１００３　　ＲＡＭ
　１００４　　プログラム
　１００５　　記憶装置
　１００６　　記録媒体
　１００７　　ドライブ装置
　１００８　　通信インターフェース
　１００９　　通信ネットワーク
　１０１０　　入出力インターフェース
　１０１１　　バス

Claims (15)

  1. 　配管内の流体の圧力に基づいて、前記圧力の摩擦損失を求める摩擦損失算出手段と、
    　前記摩擦損失に基づいて、前記配管の内面の状態を診断する診断手段とを備える診断装置。
  2. 　前記診断手段は、前記摩擦損失の大きさが所定の条件を満たすか否かに基づいて前記配管の内面の状態を診断する、請求項１に記載の診断装置。
  3. 　前記診断手段は、前記摩擦損失の大きさが所定の閾値を超える場合に前記配管が劣化していると診断する、請求項１又は２に記載の診断装置。
  4. 　前記閾値は、正常とされた前記配管に関する前記摩擦損失の大きさの確率分布に基づいて定められる、請求項３に記載の診断装置。
  5. 　前記確率分布は、正常とされた前記配管に関する前記摩擦損失が求められた場合に更新される、請求項４に記載の診断装置。
  6. 　前記診断手段は、前記摩擦損失の時間変化及び前記閾値に基づいて、前記配管の劣化が所定の状態となる時期を予測する、請求項３から５のいずれか一項に記載の診断装置。
  7. 　前記診断手段は、前記摩擦損失の時間変化が所定の条件を満たすか否かに基づいて前記配管の内面の状態を診断する、請求項１から６のいずれか一項に記載の診断装置。
  8. 　前記診断手段は、前記摩擦損失の時間変化が所定の条件を超えて大きくなった場合に前記配管の内面に異常が生じていると診断する、請求項１から６のいずれか一項に記載の診断装置。
  9. 　前記時間変化に関する前記所定の条件は、前記時間変化の変化率に基づいて定められる、請求項８に記載の診断装置。
  10. 　前記摩擦損失及び前記摩擦損失と異なる他の指標に基づいて前記配管の状態を判断する統合判断手段を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の診断装置。
  11. 　前記統合判断手段は、前記診断手段が前記配管の内面が劣化していると診断し、かつ前記他の指標が正常であることを示す場合に、配管の内面が劣化していると診断する、請求項１０に記載の診断装置。
  12. 　前記統合判断手段は、前記診断手段が前記配管の内面が劣化していると診断し、かつ前記他の指標の少なくとも一つが配管の劣化を示す場合に、配管が全般的に劣化していると判断する、請求項１０又は１１に記載の診断装置、
  13. 　配管の複数点にて前記配管内の圧力を取得する圧力取得手段と、
    　請求項１から１２のいずれか一項に記載の診断装置とを備える診断システム。
  14. 　配管内の流体の圧力に基づいて、前記圧力の摩擦損失を求め、
    　前記摩擦損失に基づいて、前記配管の内面の状態を診断する診断方法。
  15. 　コンピュータに、
    　配管内の流体の圧力に基づいて、前記圧力の摩擦損失を求める処理と、
    　前記摩擦損失に基づいて、前記配管の内面の状態を診断する処理とを実行させるプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能記録媒体。
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