(57)【要約】      （修正有）【課題】供給系が無送水状態に陥ることなくポンプを再起動させ、配水管路網に対して円滑に送水することができる配水制御性能検証方法および配水制御方法を提供する。【解決手段】配水管路網モデルのシミュレーションに用いる必要なパラメータを設定し、設定したパラメータと管路網解析手段とを用いて前記配水管路網モデルにおける配水の圧力および流量をそれぞれ推定する場合において、前記複数の配水注入点のうちから１つの配水注入点に着目し、着目した配水注入点に接続されたポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを検証する。【選択図】図１
2010216089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の配水注入点を有する配水管路網に対してポンプから配水注入点としての吐出弁を介して浄水を供給するときの制御量を模擬的に検証するための配水制御性能検証方法において、
（ａ）検証対象となる配水管路網に関する各種のプロセスデータを収集し、収集したプロセスデータに基づいて仮想的な配水管路網モデルを構築し、
（ｂ）前記工程（ａ）で構築した配水管路網モデルのシミュレーションに用いる必要なパラメータとして吐出圧設定値、ポンプの規定回転数、吐出弁開時間、最低流量、弁開度、初期吐出圧設定値、吐出圧変更幅、需要量をそれぞれ設定し、
（ｃ）前記工程（ｂ）で設定したパラメータと前記管路網解析手段とを用いて前記配水管路網モデルにおける配水の圧力および流量をそれぞれ推定する場合において、前記複数の配水注入点のうちから１つの配水注入点に着目し、着目した配水注入点に接続されたポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを検証することを特徴とする配水制御性能検証方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）ではポンプＱ-Ｈ特性モデルを用いることを特徴とする請求項１記載の検証方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）ではバルブ特性モデルを用いることを特徴とする請求項１記載の検証方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）では吐出圧力制御モデルを用いることを特徴とする請求項１記載の検証方法。
【請求項５】
前記吐出圧力制御モデルの制御関数として、Ｇａｐ関数、ＰＩ制御関数、出力上下限関数、ＲＡＮＧＥ関数、および出力偏差リミット関数を用いることを特徴とする請求項４記載の検証方法。
【請求項６】
前記工程（ｃ）では、ポンプＱ-Ｈ特性モデル、バルブ特性モデルおよび吐出圧力制御モデルからなる群のうちから選択される１又は２以上を用いることを特徴とする請求項１または５のいずれか１項記載の検証方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちのいずれか１項記載の配水制御性能検証方法を用いて模擬的にポンプ再起動時の配水操作を検証し、検証した配水操作に従って前記ポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを特徴とする配水制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配水管路網の状態をシミュレーションして配水管路網への多点注入配水を最適に制御する性能を検証する配水制御性能検証方法、およびそれを用いて検証された制御手法を実地に適用する配水制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
平成１４年度の水道法改正により水道事業の統合手続きが簡素化されるなど、全国各地の市町村で水道事業の統合化が活発に検討されている。具体的には、統合される各区域に既にある配水インフラを最大限有効に活用して、統合された配水区域における水圧変化や流量変化を配水管網解析を用いて検証する必要がある。
【０００３】
例えば、同一の管路網に対して複数の配水ポンプで配水するいわゆる多点注入配水では、その最適の水圧管理や省エネルギ運転を図る制御方式を見つけだす必要がある。多点注入配水に必要な操作を最適に制御するために各種パラメータを含むプロセスデータに基づいて管路網解析を行う。例えば特許文献１に記載されたシミュレーション方法では配水管路網モデルを用いて管路網解析している。この管路網解析において考慮すべき事項を次に列挙する。
【０００４】
１）連絡管接続効果の検証
全域で適正な圧力が確保されているか否か、また流れの向きや流速に急激な変化が生じないかなどを検証する。検証に必要なデータとして配水管路網モデルおよび監視データがある。
【０００５】
２）需要量に対する供給能力（装置性能）の適正化
全域で需要と供給の過不足のないバランスがとれるように管路網解析を用いて需要量に対する供給能力を検証する。検証に必要なデータとして配水管路網モデルおよび監視データがある。
【０００６】
３）運転管理範囲の明確化
各地域で個々別々に運転管理していたものを統合して統括的な運転管理システムを構築するために、どの範囲のどこまでを管理下におくのかその運転管理範囲を明らかにしておく必要がある。必要に応じてシステム拡張および自動化をおこなう。
【０００７】
４）配水ポンプとバルブ制御の更新
配水制御シミュレーションにより操作対象となるポンプとバルブの検証を行う。必要なデータとしてポンプ特性および弁特性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１０４７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、需要が少ない夜間の時間帯では、配水区域の水圧（末端圧力）が適正な範囲でポンプを全台停止することで、従来よりもさらに省エネルギ運転する可能性をさぐることができる。しかし、需要の少ない夜間に駆動するポンプ台数を減らして配水する省エネルギ運転方式を採用しようとすると、夜間停止していたポンプを朝方（朝６時頃）の需要ピークに対応するために再始動する際に、稼働中の他の配水場のポンプ圧力に押されて、配水注入点に浄水を配水できない無送水状態に陥るか、または逆流を生じるおそれがある。
【００１０】
しかしながら、特許文献１のシミュレーション方法では、再起動時に供給系が無送水状態に陥るリスクが考慮されていないため、ポンプを再起動したとしても実際に管路網に対して送水することができない無送水の状態に陥るおそれがある。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、供給系が無送水状態に陥ることなくポンプを再起動させ、配水管路網に対して円滑に送水することができる配水制御性能検証方法および配水制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る配水制御性能検証方法は、複数の配水注入点を有する配水管路網に対してポンプから配水注入点としての吐出弁を介して浄水を供給するときの制御量を模擬的に検証するための配水制御性能検証方法において、
（ａ）検証対象となる配水管路網に関する各種のプロセスデータを収集し、収集したプロセスデータに基づいて仮想的な配水管路網モデルを構築し、
（ｂ）前記工程（ａ）で構築した配水管路網モデルのシミュレーションに用いる必要なパラメータとして吐出圧設定値、ポンプの規定回転数、吐出弁開時間、最低流量、弁開度、初期吐出圧設定値、吐出圧変更幅、需要量をそれぞれ設定し、
（ｃ）前記工程（ｂ）で設定したパラメータと前記管路網解析手段とを用いて前記配水管路網モデルにおける配水の圧力および流量をそれぞれ推定する場合において、前記複数の配水注入点のうちから１つの配水注入点に着目し、着目した配水注入点に接続されたポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを検証することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る配水制御方法は、上記の配水制御性能検証方法を用いて模擬的にポンプ再起動時の配水操作を検証し、検証した配水操作に従って前記ポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを特徴とする。
【００１４】
本明細書中の重要な用語をそれぞれ次のように定義する。
【００１５】
「配水管路網」とは、多数の需要者に浄水を個別に配水するために需要者に対応する多数の管路を網目状に張り巡らせた管路のネットワークのことをいう。配水管路網は、浄水供給源である配水場のポンプに接続された複数の配水注入点を備えている。これらの配水注入点を介して個々のポンプから配水管路網に浄水が供給される。
【００１６】
「代表圧力」とは、配水管路網の末端（蛇口等）に掛かる配水圧力（末端圧力）のことをいう。
【００１７】
「最低流量」とは、逆流の発生または無送水の状態に陥ることなく、ポンプから配水注入点を介して配水管路網に浄水が流れ込ませるために必要な最低限の配水流量のことをいう。
【００１８】
「規定回転数」とは、ポンプと配水管路網との間に設けた吐出弁を開くときまでにポンプが到達している回転数をいう。再起動してからポンプ回転数が所定の規定回転数（例えば全速回転数の６０％）に達するまでの間は吐出弁は閉じた状態にあり、ポンプ回転数が規定回転数に達したときにはじめて吐出弁を開けて配水を開始する。
【００１９】
「吐出弁開時間」とは、ポンプ再起動の開始から吐出弁を開くときまでの時間をいう。
【００２０】
「吐出圧設定値」とは、ポンプの性能に応じて設定されるポンプ−吐出弁間に生じる圧力をいう。
【００２１】
「無送水を検知する」とは、画面上で所定のモデルを用いて配水制御性能をシミュレーションする際に、再起動時のポンプ回転数が規定回転数以上であり、かつ、ポンプから配水注入点を介して配水管路網に供給される配水流量が最低流量以下である時間が所定の無送水規定時間（例えば２分間）を超えたときに画面上に表示されるアウトプットの一形態をいう。
【００２２】
「吐出圧力制御モデル」とは、ポンプ吐出弁の二次側の吐出圧力計測値と吐出圧力設定値とに基づいて目標となる適正なポンプ回転数を求めるシミュレーションモデルの一手法をいう。
【００２３】
「ポンプＱ-Ｈ特性モデル」とは、吐出圧力制御モデルを用いて求めたポンプ回転数に基づいてポンプ吐出圧力を求めるシミュレーションモデルの一手法をいう。
【００２４】
「バルブ特性モデル」とは、タイムテーブルによって与えられた弁開度に基づいて圧力損失を求めるシミュレーションモデルの一手法をいう。
【００２５】
「配水管路網モデル」とは、複数の配水注入点を有する配水管路網を１本の仮想的な管路で等価的に置き換え、各配水場からの吐出圧力に基づいて流量および代表圧力（末端圧力）を求めるシミュレーションモデルの一手法をいう。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の配水制御性能検証方法によれば、各種のモデルを用いてシミュレーションすることにより、停止中のポンプを再始動させる際に、逆流や無送水を検知することなく、夜間の省エネルギ運転から朝方のピーク需要対応運転に切り替える配水制御の性能を模擬的に検証することができる。
【００２７】
また、本発明の配水制御方法によれば、上記の検証方法を用いて検証した配水制御性能を実地に配水管路網の配水制御操作に適用して、逆流を生じることなく、かつ無送水の状態に陥らないように、停止中のポンプを再始動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の配水制御性能検証方法および配水制御方法に用いるシミュレーションモデルの一例を示すブロック概念図。
【図２】図１のシミュレーションモデルのうちからポンプＱ-Ｈ特性モデルの部分を抜き出した部分ブロック概念図。
【図３】図１のシミュレーションモデルのうちからバルブ特性モデルの部分を抜き出した部分ブロック概念図。
【図４】図３のバルブ特性モデルのシミュレーション演算に用いるバルブ特性曲線。
【図５】図４を用いて同定した係数に基づいてバルブによる圧力損失を考慮したポンプ運転点を求めるときに用いる特性線図。
【図６】図１のシミュレーションモデルのうちから配水管路網モデルの部分を抜き出した部分ブロック概念図。
【図７】（ａ）は配水管路網モデルをさらに模式化して示す図、（ｂ）は管路網の部分を仮想的に１本の管路と等価と仮定して近似計算するときの近似解法の手法を説明するための図。
【図８】吐出圧力制御モデルを用いて配水制御性能を検証するときの一例を示す制御ブロック図。
【図９】本発明の検証方法を従来の検証方法と比べて説明するための新旧併記ブロック概念図。
【図１０】本発明の配水制御性能検証方法および配水制御方法を説明するためのフローチャート。
【図１１】（ａ）〜（ｉ）は本発明の配水制御性能検証方法および配水制御方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１２】本発明の方法を用いて配水プロセスを行ったときの各状態量の推移をそれぞれ示す特性線図。
【図１３】従来の方法を用いて配水プロセスを行ったときの各状態量の推移をそれぞれ示す特性線図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の配水制御性能検証方法は、複数の配水注入点を有する配水管路網に対してポンプから配水注入点としての吐出弁を介して浄水を供給するときの制御量を模擬的に検証するための配水制御性能検証方法において、（ａ）検証対象となる配水管路網に関する各種のプロセスデータを収集し、収集したプロセスデータに基づいて仮想的な配水管路網モデルを構築し、（ｂ）前記工程（ａ）で構築した配水管路網モデルのシミュレーションに用いる必要なパラメータとして吐出圧設定値、ポンプの規定回転数、吐出弁開時間、最低流量、弁開度、初期吐出圧設定値、吐出圧変更幅、需要量をそれぞれ設定し、（ｃ）前記工程（ｂ）で設定したパラメータと前記管路網解析手段とを用いて前記配水管路網モデルにおける配水の圧力および流量をそれぞれ推定する場合において、前記複数の配水注入点のうちから１つの配水注入点に着目し、着目した配水注入点に接続されたポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水することを検証する。
【００３０】
また、本発明の配水制御方法は、上記の配水制御性能検証方法を用いて模擬的にポンプ再起動時の配水操作を検証し、検証した配水操作に従って前記ポンプを再起動させ、ポンプ回転数が所定の規定回転数に達したときに前記着目した配水注入点にある吐出弁を開けて前記配水管路網に向けて送水する際に、他の配水注入点の吐出圧力を減少させて、前記配水管路網の末端における代表圧力を低下させ、前記着目した配水注入点からの流量が前記最低流量を超えたと判定した後に、流量制御から圧力制御に切り替えて配水する。
【００３１】
上記工程（ｃ）ではポンプＱ-Ｈ特性モデル、バルブ特性モデルまたは吐出圧力制御モデルのうちのいずれか１つ又はこれらの２つ以上を組み合わせて用いることが好ましい。ポンプＱ-Ｈ特性モデル、バルブ特性モデルおよび吐出圧力制御モデルの各々は上記のように定義したものが該当する。吐出圧力制御モデルを用いてシミュレーションする場合は、制御関数としてＧａｐ関数、ＰＩ制御関数、出力上下限関数、ＲＡＮＧＥ関数、および出力偏差リミット関数を用いることができる。Ｇａｐ関数、ＰＩ制御関数、出力上下限関数、ＲＡＮＧＥ関数、および出力偏差リミット関数の各々については、図８を用いて吐出圧力制御モデルを説明するところで後述する。
【００３２】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の検証方法に用いたシミュレーションモデルの一例を示すブロック概念図である。本実施形態のシミュレーションモデル１は、管路網解析を行う際に利用されるものであり、複数の地域の配水場、例えばＹ地区とＭ地区とＴ地区の３つの配水場から配水管路網３が給水を受けるときの配水制御回路をイメージして構築されたものである。このようなシミュレーションモデル１は、ポンプＱ-Ｈ特性モデル２ａ、バルブ特性モデル２ｂ、配水管路網モデル３、吐出圧力制御モデル４などの複数のサブモデルを含み、データベースからプロセスデータとして吐出弁開度タイムテーブル１１、回転数タイムテーブル１２および吐出圧力設定値テーブル１３などを随時呼び出し、呼び出したプロセスデータを各サブモデルに投入して演算を実行し、実際の配水操作を模して仮想的に各操作量を検証するものである。
【００３４】
ポンプＱ-Ｈ特性モデル２ａおよびバルブ特性モデル２ｂは、配水池２１と、配水池２１から水を汲み上げる複数のポンプ２２，２３と、これらのポンプの回転数を検出する回転数センサ２２ａ，２３ａと、複数の開閉弁２４と、圧力センサ２５，２５ａ，２５ｂと、流量センサ２６とを含んでいる。
【００３５】
ポンプＱ-Ｈ特性モデル２ａは、後述する吐出圧力制御モデル４の回転数制御部（ＮＣ）４３で求めたポンプ回転数に基づいてポンプ吐出圧力を求める演算に用いられる。すなわち、配水流量Ｑのパラメータ変数としてポンプ回転数が、また代表圧力Ｈのパラメータ変数としてポンプ吐出圧力がそれぞれ演算に用いられる。
【００３６】
［ポンプＱ-Ｈ特性モデルの同定］
標準的なポンプを備えた最もシンプルな構成のポンプＱ-Ｈ特性モデルを図２に示す。この図２では第１ポンプ２２に属する１系統のみを示したが、第２ポンプ２３の系統もこれと同様の構成である。このモデル１では配水池２１から配水管路網３までの間に上流側から順にポンプ２２、圧力センサ２５、流量センサ２６、吐出弁２８を配水ライン上に並べて配置している。圧力センサ２５はポンプ２２の下流側でポンプ２次圧力ｈ１を検出し、検出したポンプ２次圧力ｈ１を吐出圧力制御モデル４の圧力制御部（ＰＣ）４２に送り、吐出圧力制御モデル４に配水に必要なポンプ回転数を演算させるものである。なお、ポンプ１次圧力ｈ0は配水池２１の静水圧により与えられている。流量センサ２６はポンプ２２から送り出される配水の流量Ｑを随時検出し、検出流量Ｑのデータを台数制御演算部５０へ送り、台数制御演算部５０に需要量等に見合ったポンプの必要台数を演算させるものである。台数制御演算部５０は、演算手法の詳細をここでは省略するが所定の数式を用いてポンプ必要台数を演算により求め、求めたポンプ必要台数に基づいて駆動させるポンプと待機停止状態におくポンプとをそれぞれ指定して駆動ポンプ台数および停止ポンプ台数を決定するものである。吐出弁２８は配水管路網３の直前に配置され、各地区の配水場から配水管路網３に対して浄水が配水される配水注入点に該当するものである。なお、今回のシミュレーションでは、ポンプ０台運転から1台運転までの検証であるので、台数制御演算ロジックは省略した。
【００３７】
本モデルのシミュレーションで用いた変数として、ポンプ１次圧力ｈ0（ｍ）とポンプ２次圧力ｈ1（ｍ）との差圧はポンプ回転数ｎ（［0,1］の値）とポンプ運転台数Ｍ（台）と吐出流量Ｑ（ｍ3／時）との関数で表わすことができ、下式（１）で与えられる。但し、本シミュレーションではＭ＝１に固定した。式中の記号a,b,cは係数パラメータである。
【数１】
2010216089.tif 000003
【００３８】
数式（１）で同定されるポンプＱ-Ｈ特性線は、揚抵と吐出流量とを結ぶ上に凸の２次曲線で表わされる。
【００３９】
［バルブ特性モデルの同定］
標準的な性能を備える汎用ポンプによる配水プロセスを図３に示す。上述のポンプＱ-Ｈ特性モデルでは圧力センサ２５を流量センサ２６よりも上流側に配置したが、本実施形態のバルブ特性モデル１Ａでは図３に示すように圧力センサ２５ａ，２５ｂを流量センサ２６よりも下流側に配置している。すなわち、吐出弁２８を挟むように吐出弁２８の前後に１対の圧力センサ２５ａ，２５ｂを設け、吐出弁２８の入側の圧力ｈ１（バルブ１次圧力＝ポンプ２次圧力）と出側の圧力ｈ２（バルブ２次圧力）とをそれぞれ検出するようにしている。すなわち、本モデルで用いた変数は、バルブ１次圧力ｈ１とバルブ２次圧力ｈ２との差圧はバルブ回転数ｕの関数で表すことができ、一般に次の（２）式と（３）式とで与えられる。但し、下式中の記号はそれぞれｇ＝9.8(m2/s)、Ａ：断面積(m2)、ｕ：バルブ開度（［0,1］の値）である。
【数２】
2010216089.tif 000004
【００４０】
【数３】
2010216089.tif 000005
【００４１】
バルブ開度ｕと１次圧力ｈ１及び２次圧力ｈ２の実測値データを上式（２）と（３）に用いて関数ｆv(u)を同定する。例えばＴ地区配水場の流量調整弁の損失係数ζを同定した結果を説明する。図４は弁開度を２３％で固定した場合の運転点を示す特性線図である。図中の特性線Ａは実測値データをプロットして線を引いたもの、特性線Ｂはシミュレーションで仮想的に求めた近似値データをプロットして線を引いたものである。前者と後者との差はわずかであり、後者が前者に良く対応していることがわかる。なお、（３）式中の係数ｋ，ｎは非線形の最小二乗法を用いて同定する。係数ｋ，ｎを同定した結果の一例をあげると、例えばｋ＝6.845，ｎ＝3.347の同定結果を得ることができた。
【００４２】
図５にＴ地区配水ポンプの揚程-圧力特性（Ｑ-Ｈ特性）をモデル化した結果の一例を示す。図中の特性線Ｃはバルブ特性曲線であり、特性線ＤはポンプＱ-Ｈ特性曲線（ポンプ揚程と吐出流量との相関曲線）である。ポンプＱ-Ｈ特性モデルで同定した係数ｋ，ｎに基づいてバルブによる圧力損失を考慮したポンプ運転点O.Pを求める。すなわち、特性線Ｃと特性線Ｄとの交点がポンプ運転点O.Pに該当する。ポンプ運転点O.Pの座標（Ｑａ，Ｐａ）からポンプ吐出圧力Ｐａと吐出流量Ｑａとを読み取ることができる。例えばＴ地区配水ポンプを検証してみたところ吐出圧力Ｐａが約３０ｍ、吐出流量Ｑａが約２１０ｍ3/hであった。
【００４３】
［配水管路網モデルの同定］
本実施形態では図６に示すようにＹ地区とＭ地区とＴ地区の３つの配水場ポンプ３１，３２，３３から配水管路網３が給水を受けるときの配水管路網プロセスをモデル化した配水管路網モデルを用いる。
【００４４】
このモデルでは図７（ａ）に示す管路網３を図７（ｂ）に示す１本の仮想的な等価な管路３Ａに置き換えて表したモデルから各配水場の流量や末端圧力を計算する。
【００４５】
本モデルを用いて末端圧力と各配水場からの配水流量を演算するためには、下式（４）の高次連立方程式の解を求める。
【数４】
2010216089.tif 000006
【００４６】
但し、h1〜h3：各配水ポンプの吐出圧力、Ｑ1〜Ｑ3：配水流量、Ｑdemand：需要量である。なお、管路抵抗係数r1〜r3は本モデルのパラメータである。これらのパラメータ係数をシミュレーションすることにより同定した。
【００４７】
［吐出圧力制御モデル］
本実施形態の吐出圧力制御モデルに用いた制御ブロック図を図８に示す。
【００４８】
図１の圧力制御部（ＰＣ）４２は、この図８に示す制御ユニット４０のなかに含まれている。すなわち、圧力制御部４２は、ロジック要素としてＧａｐ関数、ＰＩ制御関数、ＲＡＮＧＥ関数、出力偏差リミット関数、出力上下限関数を備えている。これらの関数は直列に配列されたシーケンス制御回路を構成するものである。吐出圧力設定値テーブル１３から圧力制御部４２に目標圧力ＰＯsvが入力されると、Ｇａｐ関数、ＰＩ制御関数、ＲＡＮＧＥ関数、出力偏差リミット関数、出力上下限関数で次々に演算され、吐出圧力ＰＯpvが求められ、求めた吐出圧力ＰＯpvをフィードバックしてこれと目標圧力ＰＯsvとの差分を求め、求めた誤差圧力ＰＯerrがゼロ（又は許容値以下）となるまで演算を繰り返す。誤差圧力ＰＯerrがゼロ（又は許容値以下）になったところで、吐出圧力ＰＯpvが切替スイッチ４４を介して回転数制御部（ＮＣ）４３に出力される。なお、切替スイッチ４４は、回転数タイムテーブル１２からのデータの読み出しと吐出圧力設定値テーブル１３からのデータの読み出しとを、シミュレーションモデルに応じて切り替えるスイッチである。
【００４９】
次に上記制御ブロック図中に示した各種関数の概要をそれぞれ説明する。
【００５０】
（i）Ｇａｐ関数
Ｇａｐ関数は、指定された領域内に不感帯（ゼロ出力）を生成する。吐出圧力目標値POsvと吐出圧力値POpvとの差分POerrを求め、求めた差分POerrがＧａｐ関数で規定された所望のＧａｐ値の範囲内にあるか否かを判定する。つまり、不感帯の下限値と上限値の間の入力（下限より大きく、かつ上限より小さい）は、出力はゼロになる。ここでは、目標とする圧力と実際の圧力との誤差がある一定の範囲内であれば目標値と一致していると判断する。
【００５１】
入力：圧力目標値と圧力計測値の誤差（P0err）
出力：If P0err ＞Gap値下限  AND  P0err ＜ Gap値上限
P0err ＝ 0
Else P0err ＝ P0err
つまり、上記Gap値の範囲内にP0errの値が入っている間は、ポンプ回転数を変更しない。
【００５２】
本実施形態ではＧａｐ値を０．１に設定した。したがって、吐出圧力目標値（設定値）が33mであった場合には、吐出圧力実測値が33.1mより大きいかまたは29.9m未満になった場合にポンプ回転数を制御する。
【００５３】
（ii）PI制御関数
PI制御関数は、通常のPI（比例積分）制御を模擬しており、目標値との偏差に基づいて必要なポンプ回転数の目標値を演算する。演算は次の下式（５）〜（７）を用いて行なう。
【数５】
2010216089.tif 000007
【００５４】
【数６】
2010216089.tif 000008
【００５５】
【数７】
2010216089.tif 000009
【００５６】
ここで、上記の式中の記号はそれぞれ下記を表わす。
【００５７】
ＣFB(n)  ：時刻ｎの回転数目標値
ΔＣFB(n)：時刻ｎの回転数目標値変化量
ＳＶ      ：吐出圧力目標値
ｅｎ      ：今回制御周期の入力偏差
ｅｎ-１  ：前回制御周期の入力偏差
Ｋp      ：比例ゲイン
Ｔｉ      ：積分時間
Δｔｂ    ：制御周期
また、入出力はそれぞれ下記で与えられる。
【００５８】
入力：圧力目標値と圧力計測値の誤差
出力：回転数目標値
（iii）出力上下限関数
出力上下限関数は信号の範囲を制限する関数である。この関数を用いると、予め設定された上限値と下限値とに基づいて入力信号が下限と上限のパラメータで指定された範囲内にある場合、下式（８）に示すように入力信号Nsvは変更されることなくそのまま出力される。一方、入力信号がこれらの範囲外にある場合、下式（８）に示すように信号Else Nsvは上限値または下限値のいずれか一方に固定される。
【数８】
2010216089.tif 000010
【００５９】
なお、本実施形態では、下限値を最低回転数である５６％、上限値を１００％とした。
【００６０】
（iv）RANGE関数
吐出圧力制御で出力可能な回転数の有効数字でまるめる関数である。回転数をある閾値で区切り、その一桁後ろで四捨五入した値を出力する。例えば有効数字を４桁とする場合は、計算結果として0.87527の値が入力されると５桁目を四捨五入した0.8753（この場合は切り上げた値）を出力する。
【００６１】
入力：回転数（n）
出力：回転数（n）（ただし，有効数字は閾値まで）
本実施形態では、有効数字３桁とした。つまり、０．１％のレベルで回転数制御が可能であることとした。
【００６２】
（v）出力偏差リミット関数
出力偏差リミット関数とは、前回の回転数と今回の回転数との偏差がある閾値Ｒを超える場合に、その閾値Ｒで制限する関数をいう。この関数を用いると、下式（９）に示すように入力は回転数（Npv）で与えられる。ΔNpvの絶対値が閾値Ｒより小さい場合、下式（９）に示すように出力はΔNpvで与えられる。一方、入力信号がこれらの範囲外にある場合、下式（９）に示すように信号Else Nsvは閾値Ｒに固定される。
【数９】
2010216089.tif 000011
【００６３】
本実施形態では閾値Ｒを０．０２（２％）とした。すなわち、制御周期ごとに変更できる回転数は２％刻みとした。
【実施例】
【００６４】
条件の異なる７つのケースを想定して所定の配水管路網解析用ソフトウェアを用いてそれぞれシミュレーションを実施した。ケース１〜７のシミュレーション条件を表１に示し、それらの結果と評価を表２に示す。
【００６５】
［シミュレーション条件］
表１に実施したケース１〜７の条件をそれぞれ示す。Ｙ地区の吐出圧設定値と吐出弁開時間を一定値に固定し、Ｙ地区の規定回転数と最低流量、Ｔ地区の弁開度、Ｍ地区の初期吐出圧設定値と吐出圧変更幅と需要量とをそれぞれ変える条件でシミュレーションを実施した。ケース７では、Ｔ地区の弁開度をシミュレーション開始時に２３％として検証を進め、所定時間経過後に弁開度を０％（弁閉止）に変更する条件でシミュレーションした。なお、ケース１〜７のシミュレーションは、すべてシミュレーション開始後２０秒後にＹ地区の配水ポンプを再起動させるものとした。
【００６６】
なお、管路網内の圧力を低下させる際の優先順位を次の１）〜３）のように設定した。
【００６７】
１）Ｔ地区配水場のポンプ停止
２）Ｍ地区配水場の吐出圧設定値低下
３）Ｙ地区配水場の返送弁開
［シミュレーション結果］
表２に上記ケース１〜７のシミュレーション結果を示した。表２において記号○は無送水が検知されない実施例のケース、記号△は逆流しないが供給流量が最低流量以下となって無送水が検知される比較例のケース、記号×は逆流が発生する比較例（又は参考例）のケースをそれぞれ示す。
【００６８】
ケース１では、再起動したＹ地区のポンプ２２の規定回転数を６０％まで上昇させた後に吐出弁２８を弁開度１００％に開ける動作を行ったが、ポンプ吐出圧力が弱いために不足し、そのために逆流を発生し、約２分後には無送水を検知する結果となった。
【００６９】
ケース２では、再起動したＹ地区のポンプ２２の規定回転数を７５％まで上昇させた後に吐出弁２８を弁開度１００％に開ける動作を行った。その結果、逆流は発生しなかったが、配水流量が１７ｍ3／ｈｒとなり、最低流量である２０ｍ3／ｈｒに到達することができないままの状態で、約２分後には無送水を検知する結果となった。
【００７０】
ケース３では、再起動したＹ地区のポンプ２２の規定回転数を７５％まで上昇させた後に吐出弁２８を弁開度１００％とする動作を行った。吐出弁２８の全開後において、最低流量２０ｍ3／ｈｒ以上の配水流量が確保されているため、以降は流量制御から吐出圧力制御に切り替えて運転する。
【００７１】
ケース３では、再起動したＹ地区のポンプ２２の規定回転数を７５％まで上昇させた後に吐出弁２８を弁開度１００％とする動作を行い、さらにＭ地区のポンプ吐出圧変更幅を−５ｍとすることにより吐出圧設定値を２８ｍとした。本ケースでは吐出弁２８を全開にしても配水流量が１７ｍ3／ｈｒとなって最低流量２０ｍ3／ｈｒ以下であるため、このままの状態では無送水を検知する可能性が非常に高くなるが、本ケース３ではＭ地区のポンプ吐出圧変更幅を−５ｍとして吐出圧設定値を２８〜３３ｍの範囲で変更しているので、配水流量が最低流量２０ｍ3／ｈｒを超えることができ、流量制御から吐出圧制御に切り替えて運転することができるようになる。
【００７２】
ケース４では、Ｔ地区のポンプが起動している状態で、需要量は上記ケース１〜３と同じ２００ｍ3／ｈｒとした。このケース４では、Ｙ地区のポンプを再起動させると、Ｔ地区からの配水流量が無送水の状態になった。
【００７３】
ケース５では、Ｔ地区のポンプが起動している状態で、需要量を３００ｍ3／ｈｒとした。このケース５では、無送水を検知することなく、Ｙ地区のポンプを順調に再起動できている。
【００７４】
ケース６では、Ｔ地区のポンプが起動している状態で、Ｙ地区のポンプの規定回転数を７５％→６０％に低下させた。このケース６では、Ｙ地区のポンプを再起動させることができず、無送水を検知する結果となった。
【００７５】
ケース７では、Ｙ地区のポンプを再起動させた後に、Ｙ地区の配水流量が最低流量２０ｍ3／ｈｒ以上にならないので、Ｔ地区のポンプを停止させ、さらにＭ地区の吐出圧設定値を１０ｍ下げた。このケース７では、Ｙ地区の配水流量は逆流しないが、その配水流量が最低流量２０ｍ3／ｈｒ以下であり、流量制御から吐出圧力制御に切り替えできなかった。
【００７６】
なお、ポンプの規定回転数が低い（本検証では６０％とした）場合は、無送水を検知する可能性が高く、規定回転数を高く設定することが望ましい。ただし、規定回転数を高く設定しすぎると管破断のおそれがあるため、本設定値は十分検証する必要がある。
【表１】
2010216089.tif 000012
【００７７】
【表２】
2010216089.tif 000013
【００７８】
次に、図１１〜図１３および図９を参照しながら本発明の方法を従来の方法と対比して説明する。
【００７９】
図９中に太線で囲ったブロックが本発明方法の主要な部分に該当する。すなわち、吐出圧力調整タイミングテーブル５１、吐出圧調整幅テーブル５２、圧力自動調整機能５３がそれである。
【００８０】
吐出弁（２４）全開直後は回転数制御モードとし、十分なポンプ回転数を確保してから吐出圧力制御モードへ自動切替する。また、配水流量が最低流量以下の場合は、他の配水場のポンプ吐出圧力を下げる圧力自動調整機能５３を備えている。
【００８１】
上記制御性能を検証するためには、管路網３の内部挙動をシミュレーションする式（４）の高次連立方程式を解く必要がある。
【００８２】
監視システムから得られるｈi，ｈp，Ｑi，Ｑpの実データから（４）式中の管路抵抗ｒiを最小二乗法により同定した。ここで、管路抵抗ｒiは、配水場ｉ（ｉ＝１，２，３）から管路網内代表圧力ｈまでの管路抵抗である。
【００８３】
また、式（４）の連立方程式は０．０１ｍの固定幅による直接解法により近似解を求めた。なお、ｈiはポンプ回転数ｎiと吐出弁開度ｕiとの関数であり、上記の式（１）〜（３）の近似式で表わされる。
【００８４】
次に図１０を参照して本発明のシミュレーションモデルを動作させて配水制御性能を検証するときの作用の一例を説明する。
【００８５】
先ず配水ポンプについて全台停止と再起動の条件をそれぞれ設定する（工程Ｋ１）。停止条件が成立するか否かを判定する（工程Ｋ２）。停止条件が成立するようになるまで工程Ｋ３→工程Ｋ２→工程Ｋ３の制御ループを繰り返す。停止条件が成立すると、制御器から各ポンプの電源に全台停止指令信号を送り、全てのポンプを順次停止させる（工程Ｋ３〜Ｋ４）。ここで、夜間の水道需要は昼間のそれに比べて低下するため、３つの地区を１台のポンプのみで賄う省エネルギ運転を行なうことが可能である。そこで、夜間において、ある特定の地区については配水ポンプを全台停止させる。
【００８６】
次いで、ポンプの再始動（再起動）の条件が成立するか否かを判定する（工程Ｋ５）。ポンプ再起動の条件が成立するようになるまで工程Ｋ５→工程Ｋ４→工程Ｋ５の制御ループを繰り返す。再起動の条件が成立すると、制御器から各ポンプの電源にポンプ運転指令信号を送り、１台または複数台のポンプを再起動させる（工程Ｋ６）とともに、ポンプが再起動制御中であることを表示手段により表示する（工程Ｋ６１）。表示手段として、赤や橙色のランプの点灯、カラーディスプレイへの画面表示、又はこれらの組み合わせを用いることができる。さらに、警報や音声で報知するアラーム手段を表示手段と組み合わせることもできる。
【００８７】
複数台の配水ポンプの運転を関連させて連動制御する（工程Ｋ７）。ポンプに流量制御開始指令を出す（工程Ｋ８）。ポンプの配水流量が設定配水流量以上であるか否かを判定する（工程Ｋ９）。ポンプ配水流量が設定配水流量以上になるまで工程Ｋ９→工程Ｋ８→工程Ｋ９の制御ループを繰り返す。
【００８８】
次いで、シミュレーションを行っている入力画面に制御モード選択・切替え画面を表示させ、圧力制御モードを選択実行し、流量制御モードから圧力制御モードに切り替える（工程Ｋ１０）。吐出圧力制御開始指令を送る（工程Ｋ１１）。制御モード切り替え後、再起動制御中であることを表示するランプを消灯する（工程Ｋ１２）。末端圧力（代表圧力）ｈの制御開始指令を送る（工程Ｋ１３）。
【００８９】
Ｔ地区水源地ポンプの割り込み制御を行う（工程Ｋ１４）。Ｔ地区水源地ポンプの割り込み制御を停止する（工程Ｋ１５）。Ｔ地区水源地ポンプの運転指令を送る（工程Ｋ１６）。
【００９０】
Ｍ地区配水場ポンプの割り込み制御を行う（工程Ｋ１７）。Ｍ地区配水場ポンプの割り込み制御を停止する（工程Ｋ１８）。Ｍ地区配水場ポンプの自動運転指令を送る（工程Ｋ１９）。
【００９１】
吐出流量監視タイマ１を利用する時間制御法により割り込み制御を開始する（工程Ｋ２０）。Ｔ地区水源地ポンプが運転中であるか否かを判定する（工程Ｋ２１）。Ｔ地区水源地ポンプが運転中になるまで工程Ｋ２１→工程Ｋ２０→工程Ｋ２１の制御ループを繰り返す。工程Ｋ２１の判定結果がＹＥＳになると、Ｔ地区水源地ポンプに強制停止指令を送り、Ｔ地区水源地ポンプを強制的に停止させる（工程Ｋ２２）。
【００９２】
上記動作と同時並行して、吐出流量監視タイマ２を利用する時間制御法により割り込み制御を開始する（工程Ｋ２３）。Ｍ地区配水場のポンプが自動運転中であるか否かを判定する（工程Ｋ２４）。Ｍ地区排水場ポンプが自動運転中になるまで工程Ｋ２４→工程Ｋ２３→工程Ｋ２４の制御ループを繰り返す。工程Ｋ２４の判定結果がＹＥＳになると、Ｍ地区配水場に割り込み設定圧力指令を送る（工程Ｋ２５）。ＬＣＤパラメータを用いる。
【００９３】
再始動渋滞検出タイマでカウントする（工程Ｋ２６）。ソフトタイマをセットする。ポンプ流量が設定配水流量以上か否かを判定する（工程Ｋ２７）。工程Ｋ２７の判定結果がＮＯの場合は、次のタイマカウントアップ判定工程に進み、タイマカウントアップしたか否かを判定する（工程Ｋ２８）。タイマカウントアップするまで工程Ｋ２８→Ｋ２６→Ｋ２７→Ｋ２８を繰り返す。タイマカウントアップすると、再始動渋滞を表示する（工程Ｋ２９）。一方、工程Ｋ２７の判定結果がＹＥＳの場合（ポンプ流量が設定配水流量以上である場合）は、リセットボタンを押して吐出流量監視タイマ１および２をそれぞれリセットする（工程Ｋ３０）。
【００９４】
［シミュレーション結果］
図１１のポンプ再起動時のタイミングチャートに基づいて、以下のシミュレーションケースを仮定し、Ｙ地区配水ポンプ制御シミュレーションを実施した。その結果、図１２に示すポンプ再起動時に逆流や無送水を検知しない動作を確認できた。一方、従来の方法を用いて検証した結果、図１３に示すようにポンプ再起動時に無送水を検知する（ポンプ停止）動作を確認できた。
【００９５】
以下にそれらの動作を説明する。
【００９６】
図１１（ａ）に示すようにタイミングt6の割り込み制御終了後は、Ｙ地区配水場ポンプの設定圧力（ＳＶ）を上げ、必要な吐出圧力になるタイミングｔ８で設定圧力の上昇動作をやめる。ここで、ポンプ設定圧力とは表１に示す吐出圧設定値のことをいう。
【００９７】
図１１（ｂ）に示すように、タイミングｔ５にＹ地区配水場の配水流量制御を有効にし、配水流量が最低流量以上になるまで回転数を増加させる。
【００９８】
図１１（ｃ）に示すようにタイミングｔ１に再始動指令をポンプに送り、ポンプを再起動する。ポンプ回転数（ＰＶ）が規定回転数に達すると、その規定回転数で定常運転する。時間ｔ２〜ｔ５の間は定常運転を続ける。タイミングｔ５に（ｂ）の配水流量（SV）が増加することによりポンプ回転数を上げ、タイミングｔ６に流量制御モードから吐出圧制御モードに切り替える。タイミングｔ８以降は規定回転数よりもかなり高い回転数でポンプを定常運転する。なお、時間ｔ１〜ｔ６の間は再始動制御（割り込み制御）中となる。
【００９９】
図１１（ｄ）に示すようにタイミングｔ２にＹ地区の吐出弁を開けはじめる。すなわち、時間ｔ２〜ｔ３を掛けて吐出弁開度を０％（全閉）から１００％（全開）にする。時間ｔ３以降は吐出弁は全開状態である。
【０１００】
図１１（ｅ）に示すようにタイミングｔ３にＴ地区水源地の流量調整弁（吐出弁）開度を２３％から０％とし、Ｔ地区水源地の吐出弁を閉じる。次いで、タイミングｔ６にＴ地区水源地の吐出弁開度を０％から２３％に復帰させ、Ｔ地区水源地の吐出弁を開ける。このＴ地区水源地の吐出弁の閉止時間ｔ３〜ｔ６の間において、Ｔ地区水源地の配水ポンプを停止させる。
【０１０１】
図１１（ｆ）に示すように、吐出弁の閉止時間ｔ３〜ｔ６の間において、Ｔ地区水源地の配水流量はゼロである。
【０１０２】
図１１（ｇ）に示すようにＭ地区配水場の吐出圧（ＳＶ）を抑制する。すなわち、タイミングｔ４にＭ地区配水場の吐出弁の開度を小さくして吐出圧を低下させる。時間ｔ４〜ｔ７までの間は低レベルに吐出圧を抑えた状態の吐出圧一定制御を行う。タイミングｔ７に流量制御モードから圧力制御モードに切り替える制御復帰動作（Ｙ配水場吐出圧制御のタイミング）に合わせて、Ｍ地区配水場の吐出弁の開度を元の開度に復帰させる。
【０１０３】
図１１（ｈ）に示すように吐出弁の開度調整に対応してポンプ回転数（ＰＶ）を調整する。すなわち、タイミングｔ４にＭ地区配水場のポンプ回転数を小さくする。また、タイミングｔ７に流量制御モードから圧力制御モードに切り替える制御復帰動作（Ｙ配水場吐出圧制御のタイミング）に合わせて、Ｍ地区配水場のポンプ回転数を元の回転数に復帰させる。
【０１０４】
図１１（ｉ）に示すように時間ｔ３〜ｔ８の間は配水管路網ブロックの末端圧力（ＰＶ）を下げる。このとき、最低末端圧力２５ｍ（夜間）とする。
【０１０５】
図１２は本発明方法でシミュレーション検証したときの各地区の圧力と流量の経時変化をそれぞれ示す特性線図である。図中の特性線Ａ１はＹ地区の配水流量変化を、特性線Ａ２は配水管路網内の代表圧力ｈ変化を、特性線Ａ３はＭ地区の配水流量変化を、特性線Ａ４はＭ地区の吐出圧変化を、特性線Ａ５はＹ地区の吐出圧変化をそれぞれ示す。
【０１０６】
図１３は従来の方法でシミュレーション検証したときの各地区の圧力と流量の経時変化をそれぞれ示す特性線図である。図中の特性線Ｂ１はＹ地区の配水流量変化を、特性線Ｂ２は配水管路網内の代表圧力ｈ変化を、特性線Ｂ３はＭ地区の配水流量変化を、特性線Ｂ４はＭ地区の吐出圧変化を、特性線Ｂ５はＹ地区の吐出圧変化をそれぞれ示す。
【０１０７】
両図の対比から明らかなように、本発明方法を用いれば、Ｔ地区停止時にＹ地区配水流量が最低流量以下の場合には、Ｍ地区配水場の吐出圧力設定値を下げることによって、無送水を回避できることがわかった。
【０１０８】
また、本発明方法を用いれば、Ｔ地区の配水ポンプ稼働時に、Ｙ地区配水ポンプ再起動後、Ｙ地区配水流量が最低流量以下である場合は、まずＴ地区配水ポンプを停止し、さらにＭ地区吐出圧力設定値を下げることによって逆流を防ぐことができることがわかった。ただし、本ケースでは、Ｙ地区配水流量が最低流量以下であったため、吐出弁全開でも最低流量以下である場合には、回転数を徐々に上げていくこともできる。
【０１０９】
一方、従来方式では、Ｙ地区の配水ポンプを全台停止させた状態から同ポンプを再起動すると、他の地区の配水場からのポンプ配水圧により無送水を検知するおそれがある。
【０１１０】
したがって、Ｙ地区配水場の配水ポンプを再起動するシーケンス制御を改良する必要があるため、今回、シーケンス制御の妥当性をシミュレーション検証することができる。
【０１１１】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、上述した実施の形態と他の実施の形態とを適宜に組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１，１Ａ，１Ｂ…シミュレーションモデル、
２ａ…ポンプＱ-Ｈ特性モデル、２ｂ…バルブ特性モデル、
３…配水管路網モデル、４…吐出圧力制御モデル、
１１…吐出弁開度タイムテーブル、
１２…回転数タイムテーブル、
１３…吐出圧力設定値テーブル、
２１…配水池、２２，２３…ポンプ、２２ａ，２３ａ…回転数センサ、
２４…弁、２５，２５ａ，２５ｂ…圧力センサ、
２６…流量センサ、
２８…吐出弁（配水注入点）、
３０…圧力計、３１，３２，３３…ポンプ、
４０…制御ユニット、
４２…圧力制御部（ＰＣ）、４３…回転数制御部（ＮＣ）、４４…切替スイッチ、
５０…台数制御演算部、
５１…吐出圧力調整タイミングテーブル、
５２…吐出圧力調整幅テーブル、
５３…圧力自動調整機能、
５４，５５…吐出流量監視タイマ。
【図１】
2010216089.tif 000014
【図２】
2010216089.tif 000015
【図３】
2010216089.tif 000016
【図４】
2010216089.tif 000017
【図５】
2010216089.tif 000018
【図６】
2010216089.tif 000019
【図７】
2010216089.tif 000020
【図８】
2010216089.tif 000021
【図９】
2010216089.tif 000022
【図１０】
2010216089.tif 000023
【図１１】
2010216089.tif 000024
【図１２】
2010216089.tif 000025
【図１３】
2010216089.tif 000026