(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取水ポンプ施設と、送水ポンプ施設と、配水ポンプ施設とを制御対象とする水道中央監視制御装置において、
前記制御対象施設のポンプ号機ごとの機器特性を記憶する機器特性記憶部と、前記制御対象施設で各ポンプ号機の運転方式などを定める制御ルールを記憶する制御ルール記憶部と、前記機器特性記憶部と前期制御ルール記憶部の情報をもとに、前記制御対象施設ごとにコストモデルを構築し、コストモデル記憶部に格納するコストモデル構築部と、前記コストモデル記憶部に記憶されたコストモデルを用いて水道運用計画データの運用コストを評価するコスト計算部と、前記コスト計算部で評価される運用コストを最小とする最適な水道運用計画データを作成する運用計画最適化部と、前記最適な運用計画データを前記制御対象施設へと送信する通信部と、運転員とのインタフェースを行なうヒューマンインタフェース部とを有し、
前記コストモデルは、制御対象施設のポンプ運転台数を状態とする状態遷移関係と、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数とからなり、
前記コスト計算部は、前記コストモデルの状態遷移表現を実行する状態遷移機械によって構成されることを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水道中央監視制御装置であって、
さらに、実績運用データ記憶部と機器特性・制御ルール更新部とを有し、
前記通信部は、制御対象施設から運転実績に関する情報を収集して前記実績運用データ記憶部に格納し、
前記機器特性・制御ルール更新部は、前記運用実績に関する情報から、前記機器特性記憶部に記憶された機器特性情報、および前記制御ルール記憶部に記憶された制御ルール情報を更新することを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コストモデル構築部は、制御対象施設のポンプ号機の稼働・停止状態ごとに独立の状態を有する状態遷移表現をもつコストモデルを、類似した状態を統合することで状態遷移表現を簡素化したコストモデルへ変換する機能を有し、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数を、区分的に線形な関数で近似する機能を有することを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コストモデルの制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数は、前記機器特性記憶部に記憶された、ポンプの吐出流量と揚程との関係を表す特性と、ポンプの吐出流量と効率との関係を表す特性と、を用いて、前記制御ルール記憶部に記憶された、吐出流量あるいは吐出圧力を設定する制御方式により定まる可変速ポンプの回転数と、バルブの減圧幅とを用いて計算されることを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記制御ルール記憶部に記憶された、配水ポンプ施設の吐出圧力を設定する制御方式として、推定末端圧力一定制御、あるいは吐出圧力一定制御を用いることを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コスト計算部で評価し、前記運用計画最適化部で最小化する運用コストは、
水道施設の運用に要する消費電力、
あるいは前記消費電力を賄うための電力料金、
あるいは前記消費電力の温室効果ガス換算値のいずれかであることを特徴とする水道中央監視制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６に記載の水道中央監視制御装置を計算機サーバで実現し、
通信ネットワークを介して制御対象施設と接続することで、
水道中央監視制御装置が運用計画データを制御対象施設に送信し、実績運用データを制御対象施設から収集するよう構成された水道監視制御システム。
【請求項８】
取水ポンプ施設と、送水ポンプ施設と、配水ポンプ施設とを制御対象とする水道監視制御プログラムにおいて、
コンピュータを
前記制御対象施設のポンプ号機ごとの機器特性を記憶する機器特性記憶部と、前記制御対象施設で各ポンプ号機の運転方式などを定める制御ルールを記憶する制御ルール記憶部と、前記機器特性記憶部と前期制御ルール記憶部の情報をもとに、前記制御対象施設ごとにコストモデルを構築し、コストモデル記憶部に格納するコストモデル構築部と、前記コストモデル記憶部に記憶されたコストモデルを用いて水道運用計画データの運用コストを評価するコスト計算部と、前記コスト計算部で評価される運用コストを最小とする最適な水道運用計画データを作成する運用計画最適化部と、前記最適な運用計画データを前記制御対象施設へと送信する通信部と、運転員とのインタフェースを行なうヒューマンインタフェース部と、として機能させ、
前記コストモデルは、制御対象施設のポンプ運転台数を状態とする状態遷移関係と、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数とからなり、
前記コスト計算部は、前記コストモデルの状態遷移表現を実行する状態遷移機械によって構成されることを特徴とする水道監視制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道中央監視制御装置、水道監視制御システムおよび水道監視制御プログラムに係り、特にコスト評価に関して最適な運用計画を求め、その運用計画に基づいて水道施設を制御する水道中央監視制御装置、水道監視制御システムおよび水道監視制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１および特許文献２がある。特許文献１には、上水道施設全体の運用コスト（薬品コストおよび電力コスト）を計算することで上水道施設全体の運用コストを評価できる上水道運用評価装置を提供すると記載されている。
【０００３】
特許文献２には、設備構成および運転方法の変更によるポンプおよび送風機の消費電力量の差を精度良く評価することができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６６３８０
【特許文献２】特開２００７−２４９３７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、上水道運用評価装置の仕組みが記載されている。しかし、特許文献１の上水道運用評価装置は、取水量・送水量・配水量の日量に比例したコスト評価しか行なうことができない。
【０００６】
このような上水道運用評価装置では、例えば、配水量に代表されるように、流量とコスト（消費電力）の間に非線形性があり、また一日の中での流量の変化が大きい評価対象において、コストの評価誤差が大きい場合がある。また、一般的なポンプの台数制御ルールでは、配水量の増加時と減少時で同じ配水量でもポンプ運転台数が異なり、コスト（消費電力）も異なる場合があり、この現象はヒステリシスと呼ばれる。特許文献１の上水道運用評価装置では、ヒステリシスを考慮できず、コストの評価誤差が大きい場合がある。言い換えると流量に対するコストの多値性を考慮できない。また、上記の誤差により、評価を行なう上水道運用計画や、その計画に基づく制御にさらなる改善の余地が残る場合がある。
【０００７】
また、特許文献２には、エネルギー診断装置の仕組みが記載されている。しかし、特許文献２のエネルギー診断装置は、複数台のポンプを連携して制御する施設でのエネルギー評価に際して、個別のポンプの吐出量まで与えるか、あるいは個別ポンプの吐出量を計算するシミュレーション装置を用意しなければならない。
【０００８】
このようなエネルギー診断装置では、例えば、エネルギー診断装置による評価を利用して、水道施設全体で消費エネルギーを最小化する施設運用方法を最適化技術で求める際に、個別ポンプの吐出量まで運用方法を定めるために探索空間が莫大となる、あるいは個別ポンプの吐出量を計算するシミュレーション装置の計算量が多い、との理由で最適化計算の計算時間が増大する場合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、流量とコストの非線形性・多値性を考慮でき、また計算負荷を抑えたコスト計算を用いて、運用コストが最小となる水道運用計画の立案ならびに施設制御を行なう中央監視制御装置を提供する。例えば、特に配水ポンプ施設で顕著な流量とコストの対応の非線形性や、ポンプ台数運転のヒステリシスを考慮したコスト評価に関して最適な運用計画を求め、その運用計画に基づいて水道施設を制御する中央監視制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１１】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、取水ポンプ施設、送水ポンプ施設、配水ポンプ施設などを制御対象とする水道中央監視制御装置１０１であって、制御対象施設のポンプ号機ごとの機器特性を記憶する機器特性記憶部１２１と、制御対象施設で各ポンプ号機の運転方式などを定める制御ルールを記憶する制御ルール記憶部１２２と、機器特性記憶部と制御ルール記憶部の情報をもとに、制御対象施設ごとにコストモデルを構築し、コストモデル記憶部１２３に格納するコストモデル構築部１１１と、コストモデル記憶部１２３に記憶されたコストモデルを用いて水道運用計画データの運用コストを評価するコスト計算部１１２と、コスト計算部１１２で評価される運用コストを最小とする最適な水道運用計画データを作成する運用計画最適化部１１３と、最適な運用計画データを制御対象施設へと送信する通信部１４２と、運転員とのインタフェースを行なうヒューマンインタフェース部１４１とを有し、コストモデルは、制御対象施設のポンプ運転台数を状態とする状態遷移関係と、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数とからなり、コスト計算部１１２はコストモデルの状態遷移表現を実行する状態遷移機械によって構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、配水ポンプ施設で顕著な流量とコストの非線形性や、ポンプ台数運転のヒステリシスを考慮したコスト評価に関して最適な運用計画を求め、その運用計画に基づいて水道施設を制御する中央監視制御装置および水道監視制御システムを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】上水道監視制御システムのブロック図である。
【図２】制御対象施設の制御対象設備の構成を説明するブロック図である。
【図３】上水道中央監視制御装置のハードウェアブロック図である。
【図４】機器特性テーブルを説明する図である。
【図５】機器特性テーブルの要素である流量−揚程特性のグラフである。
【図６】機器特性テーブルの要素である流量−効率特性のグラフである。
【図７】制御ルールテーブルを説明する図である。
【図８Ａ】制御ルールテーブルの要素である吐出圧力設定のグラフである。
【図８Ｂ】制御ルールテーブルの要素である管路モデルのグラフである。
【図９】制御ルールテーブルの要素であるポンプ台数切替流量テーブルの例である。
【図１０】コストモデル記憶部に記憶されるコストモデルテーブルを説明する図である。
【図１１Ａ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの状態遷移関係を表す状態遷移図である。
【図１１Ｂ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの流量−コスト関係のグラフである。
【図１２Ａ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの状態遷移関係を表す状態遷移図である。
【図１２Ｂ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの流量−コスト関係のグラフである。
【図１３Ａ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの状態遷移関係を表す状態遷移図である。
【図１３Ｂ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの流量−コスト関係のグラフである。
【図１４Ａ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの状態遷移関係を表す状態遷移図である。
【図１４Ｂ】コストモデルテーブルの要素であるコストモデルの流量−コスト関係のグラフである。
【図１５】コストモデル構築処理のフローチャートである。
【図１６】運用計画データである。
【図１７】施設制約データである。
【図１８】機器特性・制御ルール更新部の処理を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。本実施例では、機器特性と制御ルールからコストモデルを構築する上水道ポンプ運用最適化装置を説明する。しかし、水道は、上水道には限らず、工業用水道（工水）、雨水・再生水等の中水道、農業用水道を含む。
【００１５】
図１において、上水道監視制御システム５００は、上水道中央監視制御装置１０１と、制御対象施設１５１と、制御対象施設１５２とから構成されている。
上水道中央監視制御装置１０１は、コストモデル構築部１１１と、コスト計算部１１２と、運用計画最適化部１１３と、需要予測部１１４と、機器特性・制御ルール更新部１１５と、機器特性記憶部１２１と、制御ルール記憶部１２２と、コストモデル記憶部１２３と、施設制約記憶部１２４と、運用計画記憶部１２５と、実績運用データ記憶部１２６と、ヒューマンインタフェース部１４１と、通信部１４２とを有する。また、上水道中央監視制御装置１０１は、監視・制御の対象である制御対象施設１５１、制御対象施設１５２と通信部１４２を介して接続されている。
【００１６】
制御対象施設１５１は、遠隔施設制御装置１６１と制御対象設備（ポンプ）１７１、を有する。同様に、制御対象施設１５２は、遠隔施設制御装置１６２と制御対象設備（バルブ）１７２、を有する。
【００１７】
図１にて上水道中央監視制御装置１０１は、制御対象施設１５１、制御対象施設１５２の２つの施設のみと接続されているが、一般には導送配水ポンプ施設、浄水場、配水場などの多数の制御対象の施設と接続される。ここで制御対象の施設とは、上水道中央監視制御装置１０１にネットワークを介して接続された水道施設である。制御対象の施設は、上水道中央監視制御装置１０１にて計測情報を収集すること、また上水道中央監視制御装置１０１から制御方法に関する情報を送信すること、そのいずれかまたは両者を行なう施設である。
【００１８】
コストモデル構築部１１１は、制御対象施設１５１などの、一つまたは複数のポンプから構成された制御対象の施設ごとに、機器特性記憶部１２１に格納された当該制御対象施設の各ポンプの機器特性と、制御ルール記憶部１２２に格納された当該制御対象施設の制御ルールとを読み出し、その機器特性と制御ルールに基づいて当該制御対象施設のコストモデルを構築する。また、コストモデル構築部１１１は、構築したコストモデルをコストモデル記憶部１２３に格納する。
【００１９】
コスト計算部１１２は、コストモデル記憶部１２３から読みだしたコストモデルに基づき、運用計画最適化部１１３から与えられる運用計画データ３４０に対して、その運用計画データ３４０で制御を行なうことに要するコストを計算して、コストデータ１３１として出力する。ただし、運用計画データ３４０は制御対象の全施設の運用方法を示す情報であるため、コスト計算部１１２は、制御対象施設ごとにコストモデル記憶部１２３からコストモデルを読みだし、当該施設の運用方法を運用計画データ３４０から抽出して当該施設のコストを計算する。コスト計算部１１２は、続いて全ての制御対象施設について加算してコストデータを算出する。制御対象の全施設の運用コストは、式１で表すことができる。
【００２０】
【数１】
0005416729.tif 000002
【００２１】
ここで、
Ｃｔｏｔａｌ：制御対象の全施設の運用コスト［ｋＷｈ］
ｊ：制御対象の施設を表すインデックス
Ｍ：制御対象の施設の総数
Ｃ（ｊ）：制御対象の施設ｊの運用コスト［ｋＷｈ］
である。
各施設ｊの運用コストＣ（ｊ）の計算方法についてはコストモデルの説明とあわせて図１１の説明にて後述する。
【００２２】
制御対象施設ではないが、運用コストを考慮したい施設がある場合は、当該施設を制御対象施設とみなして同様に運用コストを算出・加算することができる。上水道中央監視制御装置１０１と接続されていない施設だがその運用コストを考慮したい施設がある場合などが該当する。
【００２３】
コストデータ１３１は、上記制御対象の全施設の運用コストＣｔｏｔａｌを含むコスト情報からなり、制御対象の全施設の運用コストＣｔｏｔａｌのほかに、各制御対象施設のコスト情報等を含んでもよい。
【００２４】
なお本実施例にてコストとは、ポンプ運転（施設運用）に要する消費電力量を指す。ただし、時間帯ごとの単価の変化も考慮した消費電力量の購入費用（電力料金）や、消費電力量の温室効果ガス換算値等、消費電力量を変換して得られる指標を用いることもできる。
【００２５】
運用計画最適化部１１３は、施設制約記憶部１２４から運用計画の満たすべき制約条件を読み出し、需要予測部１１４から得た地域ごとの上水道の需要予測値を制約条件とし、これらの制約条件を満たす運用計画の候補を運用計画データ３４０として出力する。さらに運用計画最適化部１１３は、先に出力した運用計画データ３４０に対してコスト計算部１１２が算出したコストデータ１３１を参照し、よりコストを小さくする別の運用計画の候補を探索し、運用計画データ３４０を出力する処理を繰り返す。上記の処理を何らかの停止条件が満たされるまで繰り返すことで、運用計画最適化部１１３はコストを最小化する運用計画を算出する。
【００２６】
運用計画最適化部１１３は、算出した最適な運用計画データを、運用計画記憶部１２５に格納する。利用するコストモデルや施設制約の詳細に依存するが、運用計画最適化部１１３の機能は、数理計画法としての最適化問題として記述できる。運用計画最適化部１１３の機能は、シンプレックス法や分枝限定法を利用した数理最適化手法や、遺伝的アルゴリズムなどのメタヒューリスティクス手法などを用いて実装できる。
【００２７】
機器特性・制御ルール更新部１１５は、実績運用データ記憶部１２６に蓄積された実績運用データから、制御対象施設のポンプの機器特性情報を更新し、機器特性記憶部１２１の記憶内容を更新する。また、制御対象施設の送水管路モデルなどの情報を更新し、制御ルール記憶部１２２の記憶内容を更新する。
【００２８】
ヒューマンインタフェース部１４１は、機器特性記憶部１２１、制御ルール記憶部１２２およびコストモデル記憶部１２３に格納された各種情報や、最適な運用計画データに対してコスト計算部１１２が算出したコストデータ１３１をディスプレイ装置などを通じて表示し、上水道中央監視制御装置１０１の操作オペレータに提示する。ヒューマンインタフェース部１４１は、図示しないディスプレイ装置を含んでもよい。
【００２９】
通信部１４２は、運用計画記憶部１２５に格納された最適な運用計画データを制御対象施設１５１や制御対象施設１５２などの各制御対象施設に送信する。また、通信部１４２は、各制御対象施設から実績運用データを収集し、実績運用データ記憶部１２６に格納する。運用実績データとは、制御対象のポンプ施設の吐出流量、吐出圧力等を指す。
【００３０】
制御対象施設１５１では、遠隔施設制御装置１６１が受信した運用計画データをポンプ等の制御対象設備への制御信号へと変換し、制御対象設備（ポンプ）１７１の運転状態へと反映させる。また、遠隔施設制御装置１６１は吐出流量や吐出圧力等の計測情報を各計測機器から収集し、上水道中央監視制御装置１０１へと送信する。制御対象施設１５２等においても同様の処理が行なわれ、上水道中央監視制御装置１０１が作成した最適な運用計画を施設の運転状態へと反映させることで水道施設の運転を最適化する。
【００３１】
図２を参照して、制御対象施設の制御対象設備（ポンプ）１７１の構成を説明する。図２において、ポンプ１号機２０１およびポンプ２号機２０２は可変速ポンプ、ポンプ３号機２０３は固定速ポンプである。吐出弁２１１はポンプ１号機２０１の吐出弁、吐出弁２１２はポンプ２号機２０２の吐出弁、吐出弁２１３はポンプ３号機２０３の吐出弁である。吸込み井２２１は、ポンプ２０１〜２０３へ水を供給する。計測器２３１は、吐出流量ならびに吐出圧力の計測器である。各設備を接続している矢印線は施設内の管路を表す。
【００３２】
この制御対象設備（ポンプ）１７１に対して、図１の遠隔施設制御装置１６１は、吐出弁２１１の開度設定を含むポンプ１号機２０１の稼働・停止信号、ポンプ１号機２０１の回転数、吐出弁２１２の開度設定を含むポンプ２号機２０２の稼働・停止信号、ポンプ２号機２０２の回転数、吐出弁２１３の開度設定を含むポンプ３号機２０３の稼働・停止信号、を制御信号として送信する。
【００３３】
また、遠隔施設制御装置１６１は、ポンプ１号機２０１の稼働・停止状態、ポンプ１号機２０１の回転数、吐出弁２１１の開度情報、ポンプ１号機２０１の消費電力、ポンプ２号機２０２の稼働・停止状態、ポンプ２号機２０２の回転数、吐出弁２１２の開度情報、ポンプ２号機２０２の消費電力、ポンプ３号機２０３の稼働・停止状態、吐出弁２１３の開度情報、ポンプ３号機２０３の消費電力、吸込み井２２１の水位情報、計測器２３１からの吐出流量および吐出流量情報を収集する。
消費電力計が設置されていない場合、消費電力の計測は、電流計による電流の計測値と力率の計測値を組み合わせて電力を推定することとしてもよい。
【００３４】
図３を参照して、上水道中央監視制御装置のハードウェア構成を説明する。図３において、上水道中央監視制御装置１０１は、中央処理装置（ＣＰＵ）１１０と、メモリ１２０と、メディア入出力部１３０と、入力部１４０と、通信制御部１４２と、表示部１４５と、周辺機器ＩＦ部１８０と、バス１９０とから構成されている。
【００３５】
ＣＰＵ１１０は、メモリ１２０上のプログラムを実行する。メモリ１２０は、プログラム、テーブル等を一時記憶する。メディア入出力部１３０は、プログラム、テーブル等を保持する。入力部１４０は、キーボード、マウス等である。通信制御部１４２は、図１の通信部１４２である。通信制御部１４２は、ネットワーク４００と接続されている。表示部１４５は、図１の説明のディスプレイである。周辺機器ＩＦ部１８０は、プリンタ等のインタフェースである。バス１９０は、ＣＰＵ１１０、メモリ１２０、メディア入出力部１３０、入力部１４０、通信制御部１４２、表示部１４５、周辺機器ＩＦ部１８０を相互接続する。
【００３６】
図１と図３との対比から明らかなように、図１のコストモデル構築部１１１、コスト計算部１１２、運用計画最適化部１１３、需要予測部１１４、機器特性・制御ルール更新部１１５は、ＣＰＵ１１０がプログラムを実行することで実現している。
【００３７】
図４を参照して、機器特性記憶部１２１に格納される機器特性テーブルを説明する。図４において、機器特性テーブル３００は、施設３０１と、ポンプ号機３０２と、流量−揚程特性３０３と、流量−効率特性３０４と、可変速３０５と、規格化した回転数の制御範囲３０６とから構成されている。
【００３８】
機器特性テーブル３００は、制御対象施設のポンプ号機ごとに、流量−揚程特性、流量−効率特性、回転数制御可能かどうか（可変速かどうか）の真偽値、可変速の場合は規格化した回転数の制御範囲、のそれぞれについて情報を保持している。
【００３９】
図５を参照して、機器特性記憶部１２１に格納される機器特性情報のうち、一台の特定のポンプの流量−揚程特性（Ｑ−Ｈ特性曲線）を説明する。
先に図４を参照して述べたとおり、機器特性テーブル３００は、制御対象施設のポンプ号機ごとに同様の流量−揚程特性３０３を保持する。上水道向けに多く用いられる渦巻きポンプでは、流量−揚程特性は、式２または式３のいずれかによる近似が知られている。
【００４０】
Ｈ＝Ａ・Ｑ＾２＋Ｂ・Ｑ＋Ｃ  …（式２）
Ｈ＝Ａ・Ｑ＾Ｂ＋Ｃ          …（式３）
ここで、
Ｈ：ポンプの全揚程［ｍ］
Ｑ：ポンプの吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
Ａ、Ｂ、Ｃ：式ごとに独立な係数
＾：べき乗
である。上記の式で流量−揚程特性を近似する場合は、近似式の種別と係数Ａ、Ｂ、Ｃを保持すればよい。あるいは、複数の代表的な流量および揚程のペアをデータとして保持し、それらのデータを直線でつないだ折れ線で流量−揚程特性を近似することとしてもよい。
【００４１】
回転数制御を行なうポンプの場合、図５の実線と破線の曲線のように、流量−揚程特性は、回転数の変化によって異なる曲線をとる。そのため機器特性情報として回転数ごとの流量−揚程特性を保持しなければならない。回転数制御の効果は、一般に次の式４または式５（ポンプの相似則）で近似される。
【００４２】
Ｈ／Ｓ＾２＝一定  …（式４）
Ｑ／Ｓ＝一定      …（式５）
ここで、
Ｓ：回転数［ｒｐｍ］
である。回転数ごとの流量−揚程特性の保持の方法としては、上記相似則での近似を用いることができる。あるいは、複数の代表的な回転数における流量−揚程特性を保持し、その他の回転数に関しては補間を行なって流量−揚程特性を近似することとしてもよい。
【００４３】
図６を参照して、機器特性記憶部１２１に格納される機器特性情報のうち、一台の特定のポンプの流量−効率特性を説明する。
【００４４】
流量−揚程特性と同様に、先に図４を参照して述べたとおり、機器特性テーブル３００は、制御対象施設のポンプ号機ごとに同様の流量−効率特性３０４を保持する。上水道向けに多く用いられる渦巻きポンプでは、流量−効率特性は次の式６または式７のいずれかによる近似が知られている。
【００４５】
η＝Ａ・Ｑ＾２＋Ｂ・Ｑ              …（式６）
η＝Ａ・Ｑ＾３＋Ｂ・Ｑ＾２＋Ｃ・Ｑ  …（式７）
ここで、
η：ポンプの効率［−］
Ｑ：ポンプの吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
Ａ、Ｂ、Ｃ：式ごとに独立な係数
である。上記の式で流量−揚程特性を近似する場合は、近似式の種別と係数Ａ、Ｂ、Ｃを保持すればよい。あるいは、複数の代表的な流量および効率のペアをデータとして保持し、それらのデータを直線でつないだ折れ線で流量−効率特性を近似することとしてもよい。
【００４６】
ここでポンプの効率とは、ポンプが吐出する水に行なった仕事率を、ポンプ駆動のために供給された電力で除した値を指す。すなわち、一般にポンプの機械仕様に記載されるポンプ機械効率と、電動機の効率、回転数制御であればインバータ等制御機器の効率を掛け合わせた値を指す。効率特性の保持方法としては、ポンプ機械効率と、電動機効率と、インバータ効率とを別に保持することとしてもよい。
【００４７】
回転数制御を行なうポンプの場合、図６の実線と破線の曲線のように、流量−効率特性は、回転数の変化によって異なる曲線をとる。流量−揚程特性と同様に、回転数制御の効果はポンプの相似則で近似することができる。あるいは、代表的な回転数における流量−効率特性を保持し、その他の回転数については補間を行なって流量−効率特性を近似することとしてもよい。
【００４８】
機器特性記憶部１２１に格納される機器特性により、一台のポンプに対して、その運転状態を定めたときの電力（コスト）を評価できる。ポンプが吐出する水に行なった仕事率は、吐出流量と揚程の積であらわされることから、ポンプ駆動に必要な電力は、式８で表現できる。
【００４９】
Ｅ＝ｋ・Ｑ・Ｈ／η  …（式８）
ここで、
Ｅ：ポンプ駆動に必要な電力［ｋＷ］
Ｑ：ポンプの吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
Ｈ：ポンプの全揚程［ｍ］
η：ポンプの効率［−］
ｋ：比例係数［ｋＷｈ／ｍ＾４］
である。
【００５０】
ただし、運転状態を定めるとは、図５、図６の特性を用いて上記の式のＱ（吐出流量）、Ｈ（全揚程）、η（効率）を定めることを指す。同一施設内の他のポンプの運転状態、並びに施設から水を送る管路・配水区等の特性に応じて運転状態は変化する。可変速ポンプの場合は、回転数の選択も運転状態に影響する。
【００５１】
図７を参照して、制御ルール記憶部１２２に格納される制御ルールテーブルを説明する。図７において、制御ルールテーブル３１０は、施設３１１と、運転台数切替流量テーブル３２０と、ポンプ号機運転順序３１３と、流量／圧力制御の有無３１４と、流量／圧力制御の方式３１５とから構成される。
【００５２】
制御ルールテーブル３１０は、制御対象施設ごとに、ポンプ運転台数制御の切替流量テーブル、ポンプ号機の運転順序決定方式、吐出流量および吐出圧力の制御の有無、吐出流量および吐出圧力の制御の方式、のそれぞれについて情報を保持している。ポンプ号機の運転順序決定方式とは、施設に複数台あるポンプ号機をどのような順序で起動し、あるいは停止するかを定めた制御ルールを指す。この制御ルールは、一般にポンプの運転時間を均等化する目的で設定される。また、施設に可変速ポンプ号機がある場合は、可変速ポンプ号機を利用することが消費電力を下げる効果を持つため、固定速ポンプより優先して利用されることが一般的である。ポンプ運転台数制御の切替流量テーブル、ポンプ号機の運転順序決定方式の情報は、図１１を参照して後述するポンプ施設の運転台数に関する状態遷移の遷移条件を定める他の情報で置き換えることもできる。
【００５３】
ポンプ台数運転制御以外の吐出流量および吐出圧力制御を行なわない施設の場合、運転するポンプ号機を定めることで運転状態が確定する。しかし可変速ポンプ号機がある場合や、バルブ制御を行なう場合、吐出流量および吐出圧力制御の代表的な方式に、吐出圧力を設定する方式、および吐出流量を設定する方式、の２つの方式がある。例えば可変速ポンプ号機を備える配水ポンプ施設では、吐出圧力の設定を目標にポンプ回転数の制御を行ない、吐出流量は配水区の需要量に任せて変化することを許容する。ここで例えば制御対象施設１５１が上記配水ポンプ施設とした場合、この吐出圧力の設定方式が例えば遠隔施設制御装置１６１に記憶されている。この吐出圧力の設定方式の内容を制御ルール記憶部１２２でも保持する。詳細は図８Ａの説明にて後述する。一方、送水ポンプ施設では、吐出流量の設定を目標にポンプ回転数やバルブ開度の制御を行ない、吐出圧力は円滑な送水が可能な範囲で任意に変化することを許容する。ただし、回転数制御を行なう施設では、一般的に、バルブ（吐出弁）でのエネルギーロスを減らすために、吐出弁の開度調整による吐出流量や吐出圧力の調整は行なわない。ここで、制御対象施設１５１が可変速ポンプ号機を備える上記送水ポンプ施設とした場合、吐出流量を設定目標とした回転数の制御を推定するためには、制御対象施設１５１からの送水先の管路のモデル（流量−圧力特性）が必要となる。この送水管路モデルを制御ルール記憶部１２２でも保持する。詳細は図８Ｂの説明にて後述する。
【００５４】
図８Ａを参照して、制御ルール記憶部１２２に格納される制御ルール情報のうち、吐出圧力設定方式を説明する。
先に図７の制御ルールテーブルにて述べたとおり、吐出圧力設定による制御を行なう施設（配水ポンプ施設など）について、同様の吐出圧力設定方式を保持する。図８Ａは、代表的な吐出圧力設定方式の一つである推定末端圧一定制御と呼ばれる方式を示す。この方式は、吐出圧力を吐出流量（または吐出流量に何らかの平均化処理をかけた値）から式９で定める。
【００５５】
Ｐ＝Ｐ０＋Ｃ・Ｑ＾１．８５  …（式９）
ここで、
Ｐ：吐出圧力［ｋＰａ］
Ｑ：吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
Ｐ０、Ｃ：係数
である。この方式のように、吐出流量のみから吐出圧力を決定する任意の方式を利用できる。任意の吐出流量に対して一定の吐出圧力を設定する吐出圧力一定制御を用いることもできる。一方で、他の施設の吐出流量などに依存して吐出圧力を決定する方式でも、図１１の説明にて詳細を述べる方法によって取り扱うことができる。
【００５６】
図８Ｂを参照して、制御ルール記憶部１２２に格納される制御ルール情報のうち、管路モデルを説明する。
先に図７の制御ルールテーブルにて述べたとおり、可変速ポンプ号機を含む制御対象施設で、吐出流量設定による回転数制御を行なう施設（送水ポンプ施設など）について、同様の管路モデルを保持する。管路モデルは、当該施設から水を送る先の管路に対して、吐出流量Ｑ［ｍ＾３／ｈ］を流す際に必要となる吐出圧力Ｐ［ｋＰａ］の関係を表す。代表的なモデルとして、管路での圧力損失としてヘーゼン・ウィリアムス式を仮定した式１０を用いる。
【００５７】
Ｐ＝Ｐ０＋Ｃ・Ｑ＾１．８５  …（式１０）
ここで、
Ｐ：吐出圧力［ｋＰａ］
Ｑ：吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
Ｐ０、Ｃ：係数
である。係数Ｐ０は、当該施設の標高と、送水先（管路の出口）の標高差に依存し、Ｃは管路の長さと口径等に依存する。
【００５８】
図８Ａの圧力設定方式と、図８Ｂの管路モデルとで式の形が同一の式の例を挙げたが、設定の意味合いは異なる。圧力設定方式の情報は、任意性を持って定められる制御パラメータであるのに対して、管路モデルの情報は実制御対象のモデルである。
【００５９】
図９を参照して、制御ルール記憶部１２２に格納される制御ルール情報のうち、ポンプ運転台数を切り替える流量を定めた運転台数切替流量テーブルを説明する。図９において、運転台数切替流量テーブル３２０は、停止後ポンプ運転台数３２１と、起動後ポンプ運転台数３２２と、ポンプ停止流量３２３と、ポンプ起動流量３２４とから構成される。
【００６０】
運転台数切替流量テーブル３２０は、吐出流量が増加していく際に、ポンプ運転台数を増加させる目安となる流量と、吐出流量が減少していく際に、ポンプ運転台数を減少させる目安となる流量の情報を保持している。台数を増加させる流量と台数を減少させる流量がもし同じだった場合、その流量前後で吐出量が小刻みに変化する場合にポンプの起動・停止が頻発してポンプや電気機器などの劣化が早まるおそれがある。そのため台数を増加させる流量と台数を減少させる流量を変えた制御を行なうことが一般的である。このことにより同じ吐出流量でもポンプの運転台数が異なる現象はヒステリシスと呼ばれる。図９の例ではポンプ号機を指定しない記述となっているが、特性の異なる複数のポンプを有する施設の場合などでは、具体的なポンプ号機を指定したテーブルとなっていてもよい。
【００６１】
図１０を参照して、コストモデル記憶部１２３に格納されるコストモデルテーブルを説明する。図１０において、コストモデルテーブル３３０は、施設３３１と、種別３３２と、コストモデル３３３とから構成される。
【００６２】
コストモデルテーブル３３０は、制御対象の施設３３１ごとに、少なくとも一つの種別３３２と、コストモデル情報３３３とを格納している。ここで種別３３２とは、コストモデルの精密さ、あるいは近似の程度を表す項目である。種別３３２、およびコストモデル３３３の内容の詳細については、図１１から図１４の説明において後述する。
【００６３】
図１１を参照して、コストモデル記憶部１２３に格納されるコストモデル情報のうち、可変速ポンプ２台と固定速ポンプ１台からなるある施設のコストモデルを説明する。この施設は、図２に示した制御対象設備で、図４および図７における配水ポンプ場Ｂであり、ここではこの施設を制御対象施設１５１とする。この施設１５１は、可変速ポンプ２台（１号機、２号機）と固定速ポンプ１台（３号機）の合計３台のポンプを備えている。
【００６４】
遠隔施設制御装置１６１の行なう制御について説明する。吐出流量が図９の切替流量テーブルに記載された流量閾値をまたいで変化した場合、ポンプ運転台数を変化させる。１台ポンプが運転されているとき、吐出流量が１１ｍ＾３／ｍｉｎを超えた場合に２台目のポンプを起動させる。
【００６５】
可変速ポンプである１号機あるいは２号機を優先して運転し、３号機は既に２台が稼働している場合にのみ追加で運転する。ただし必ず１台以上のポンプを運転する。１号機と２号機とが運転されていて、そのうちの１台を停止する場合、ポンプ稼働時間を平均化するため累積運転時間の長い号機を停止する。図８Ａに示した圧力設定（推定末端圧一定）となるよう、１号機と２号機の回転数を制御する。
【００６６】
本実施例におけるコストモデルは、施設のポンプ運転状態の変化を抽象化した状態遷移関係と、その各状態において消費電力を施設の吐出流量から算出する関数（以下、消費電力関数）と、からなる。図１１Ａは、状態遷移関係を表す状態遷移図、図１１Ｂは、各状態での消費電力関数を重ねて表示したグラフである。
【００６７】
図１１Ａにおいて、状態ＡＸ、ＡＹ、Ｂ、Ｃとは、施設の各ポンプ号機が稼働中か、あるいは運転中か、の情報を表す。具体的には、状態ＡＸは、１号機が稼働中、２号機と３号機が停止中の運転状態を表す。図１１Ａは先述した遠隔施設制御装置１６１のポンプ台数に関わる制御を再現した状態遷移図である。吐出流量が図９の運転台数切替流量テーブル３２０に記載の閾値をまたいで変化した場合、状態遷移する。具体的には、状態Ｂにおいて流量が閾値より減少しポンプを１台停止させる場合、遠隔施設制御装置１６１は、１号機と２号機の累積運転時間の大小に応じて状態ＡＸあるいは状態ＡＹに遷移する。
【００６８】
図１１Ｂの各グラフは、各状態において吐出流量を定めた場合の消費電力を表す。状態ごとに消費電力関数を設定することで、状態によって同じ流量でも消費電力が異なる現象（ヒステリシス）を再現できる。各状態において消費電力を施設の吐出流量から算出する関数は、必ずしも施設の吐出流量のみの関数である必要はない。ポンプ施設の吸込み側にある吸込井の水位や、他の施設の吐出流量にパラメータとして依存する関数であってもよい。
【００６９】
図１１のコストモデルでは、ポンプ消費電力の非線形性や、台数運転ヒステリシスによる多値性も含めて精緻なコスト評価を行なうことができる。これに対して、特許文献１に記載の配水量（吐出流量）に比例するコストモデルを用いた場合は、図１１Ｂにみられる非線形性や多値性を再現することができない。
【００７０】
全ての吐出流量の範囲でみると下に凸の曲線となっているため、吐出流量が小さい場合や大きい場合に誤差が大きくなる。小さい吐出流量や、ヒステリシスによる多値性の影響する吐出流量では、比例コストモデルは相対的に２０％以上も過大あるいは過小に偏った評価値となりえる。
【００７１】
図１１Ｂの例では、１号機ポンプのみが稼働している状態ＡＸと、２号機ポンプのみが稼働している状態ＡＹとで異なる消費電力関数を持っている。これは１号機と２号機の機器特性が異なることによる消費電力の違いを表現している。１号機と２号機がたとえ同型のポンプであっても、経年変化によって機器特性に差異が生じることもある。図１１Ａのような運転状態を考慮したコストモデルを用いることで、こうした場合においても精緻なコストの評価が行なえる。
【００７２】
コスト計算部１１２では、制御対象施設ごとにステートマシン（状態遷移機械）をもち、コストモデルの状態遷移関係をシミュレートしながら、状態に応じた消費電力関数でコスト（消費電力）を計算し、各時間のコスト（消費電力）を積分することで当該施設のコスト（消費電力量）を算出する。
【００７３】
コストモデルは、吐出流量の瞬時値から消費電力の瞬時値を評価するものであるが、運用計画データ３４０に一般的に用いられる１０分から１時間程度の平均値に対してもそのまま適用する。一般的に、上水道施設の吐出流量の変化は比較的ゆるやかで、１０分程度では大きくは変化しないこと、また水源からの取水や配水池への送水などでは１時間に１回以下の頻度でしか吐出流量を切り替えないことから上記の適用方法でも精度は保たれる。また、１０分程度より短い時間ではポンプの起動・停止にかかる過渡現象の影響が大きいため、１０分程度以上の平均化流量を用いることが望ましい。
【００７４】
先述したとおり、本実施例のコストモデルの評価対象はポンプの消費電力を賄うのに要する電力料金としてもよい。一般に電力料金は、電力消費の少ない夜間に単価が低い。夜間の単価は昼間の１／３程度となることもあり、活用が望ましい。上水道運用計画を日量ではなく１時間単位以下のピッチで立案することで、単価の変化を含めた電力料金の評価が可能で、夜間電力を活用する上水道運用計画が立案できる。
【００７５】
図１２を参照して、コストモデル記憶部１２３に格納されるコストモデル情報のうち、図１１と同一の施設の別のコストモデルを説明する。図１１と同様に、図１２Ａは、状態遷移関係を表す状態遷移図、図１２Ｂは、各状態での消費電力関数を重ねて表示したグラフである。
【００７６】
図１２のコストモデルは、図１１のコストモデルを近似的に簡単化したコストモデルの例である。図１２Ａにおいて、状態Ａ、Ｂ、Ｃとは、施設のポンプ運転台数の情報を表す。具体的には、状態Ａは、ポンプ運転台数が１台という運転状態を表す。
【００７７】
状態Ａは、図１１Ａの状態ＡＸおよび状態ＡＹを統合した状態、状態Ｂは、図１１Ａの状態Ｂと同等の状態、状態Ｃは、図１１Ａの状態Ｃと同等の状態を表現している。状態の統合により、状態Ａにおける消費電力関数は、状態ＡＸおよび状態ＡＹのそれぞれの消費電力関数の値を平均化した関数としている。平均化により、１号機ポンプと２号機ポンプの機器特性の差異を考慮したコスト評価は行なえなくなるが、モデルが簡単化されることにより、ポンプ号機の累積運転時間を考慮する必要がなくなるなど、コスト評価が簡便となるメリットがある。
【００７８】
運用計画最適化部１１３にて多数の運用計画データ３４０を生成して評価する際、コスト評価の簡便化によって、コスト評価に要する計算量が削減されることや、最適化問題のクラスが変わることでより高速な最適化手法が利用可能になる。もし１号機ポンプと２号機ポンプの機器特性に有意な差異がない場合、図１１のコストモデルと比べて、コスト評価に新たな誤差を生じさせることなく、より簡単なモデルに図１２のコストモデルはなっている。
【００７９】
図１３を参照して、コストモデル記憶部１２３に格納されるコストモデル情報のうち、図１１と同一の施設の別のコストモデルを説明する。図１３において、図１１と同様に、図１３Ａは、状態遷移関係を表す状態遷移図、図１３Ｂは、各状態での消費電力関数を重ねて表示したグラフである。
【００８０】
図１３のコストモデルは、図１２のコストモデルをさらに近似的に簡単化したコストモデルの例である。図１３Ａにおいて、状態は状態Ａの一つだけであり、状態遷移のないモデルとなっている。また、図１３Ｂにおいて、消費電力関数は、図１２Ｂの複数の消費電力関数を、単一の区分的に線形な関数（折れ線）で近似した関数である（区分線形近似）。なお、図１３Ｂにおいて、破線は、近似前の図１２Ｂの消費電力関数を表す。
【００８１】
状態遷移のないモデルにより、ポンプ運転台数の差異によるコストの多値性は考慮できない。また非線形な関数を区分線形近似することによる誤差も生じる。しかしながら、図１２の説明でも述べたとおりコストモデルを簡素化することによるメリットは、高まる。本実施例で、コストモデルは、運用計画データ３４０の評価に用いられることを考えると、一定の評価誤差は許容される。なぜならば、需要予測部１１４から出力される需要予測値にも誤差はあるため、需要予測値から計算される運用計画データ３４０も、制御時には必然的に誤差を生じるためである。
【００８２】
全ての制御対象施設のコストモデルにおいて、図１３のように消費電力関数を区分線形近似すると、運用計画最適化部１１３およびコスト計算部１１２を、線形計画問題、あるいは混合整数線形計画問題の最適化エンジンによって実装することができる。このため、高速解法が可能で、最適な運用計画の立案に要する計算時間を短縮することができる。
【００８３】
図１４を参照して、コストモデル記憶部１２３に格納されるコストモデル情報のうち、固定速ポンプ３台からなる施設の流量−エネルギーコストモデルを説明する。の例である。この施設では、回転数制御やバルブ開度制御を基本的に行なわず、ポンプの起動・停止のみで吐出流量や吐出圧力を制御している。
【００８４】
図１４Ａは、状態遷移関係を表す状態遷移図、図１４Ｂは各状態での消費電力関数を重ねて表示したグラフである。図１４Ａにおける状態Ａ、Ｂ、Ｃは、図１２Ａと同様に、ポンプ運転台数を表す情報である。上述のように回転数制御やバルブ制御を行なわない場合、一般的に吐出流量は、ポンプ運転状態に応じた離散的な値のみをとる。図１４Ｂの消費電力関数も、ポンプ運転状態に応じた離散的な吐出流量にのみ消費電力の値をとる関数となっている。
一方、この施設において図１３のように状態遷移の除去および区分線形近似によるモデルの簡単化を行なう場合、図１４Ｂの破線で示す消費電力関数を選ぶことができる。
【００８５】
図１５を参照して、コストモデル構築部１１１における、一つの制御対象施設に対してコストモデルを構築する処理フローを説明する。ここではまず、図１１から図１３で説明した施設１５１について、コストモデルの構築処理を説明する。
【００８６】
状態遷移関係の構築のステップ１４０１で、コストモデル構築部１１１は、制御ルール記憶部１２２に格納されている情報を用いて、当該施設の各ポンプ号機の稼働・停止状態を再現する状態遷移関係を作成する。図７の制御ルールテーブル３１０では、運転台数切替流量テーブル３２０と、ポンプ号機運転順序３１３とを用いる。また、図１１Ａの説明で述べたような、各状態の間で状態遷移する条件を決定し、各状態の担当する吐出流量の範囲を定める。
【００８７】
図１４のように、固定ポンプの台数運転制御のみを行なう場合、図８Ｂの管路モデルと、各状態での稼働中のポンプ号機の機器特性を用いて、状態で実現する吐出流量を求める。複数台ポンプが並列で運転している際の、合成された流量−揚程特性は、次のように求められる。揚程がＨ１のとき１号機ポンプの吐出流量がＱ１１、２号機ポンプの吐出流量がＱ１２とすると、１号機ポンプと２号機ポンプが稼働している際には、揚程がＨ１のとき吐出流量はＱ１１＋Ｑ１２となる。上記のような合成された流量−揚程特性と、図８Ｂの管路モデルとの交点が、状態で実現される吐出流量となる。
【００８８】
消費電力関数の算出のステップ１４０２で、コストモデル構築部１１１は、状態遷移関係の構築のステップ１４０１で得た各状態について、消費電力を施設の吐出流量から算出する関数（消費電力関数）を定める。ある状態を選ぶと、吐出流量の範囲（下限値および上限値）と、稼働するポンプの号機一覧とが決まっている。吐出流量を、上記範囲内で固定した場合を考える。ポンプ回転数制御やバルブ制御があれば、図７の制御ルールテーブル３１０で示した吐出圧力と吐出流量の制御方式３１５に則って、固定した吐出流量を実現する制御パラメータを定める。その制御パラメータに応じた、各ポンプ号機の消費電力を図６の説明で述べたように機器特性情報から算出し、各ポンプ号機の消費電力を総和して施設の消費電力として定める。
【００８９】
図１１のコストモデルで、状態Ｃを考える。担当する範囲内にて吐出流量Ｑを固定する。すると図８Ａの吐出圧力設定（推定末端圧一定）から、制御目標の吐出圧力Ｐが定まる。一般的には吐出圧力Ｐは単位変換することでポンプの揚程Ｈと近似できるので、ポンプの揚程Ｈが定まる。より厳密には、ポンプ吸込み井の水位に応じた補正が加わるため、こうした補正の影響を考慮してもよい。
【００９０】
機器特性情報（流量−揚程特性）から、揚程Ｈのときの固定速３号機ポンプの吐出流量Ｑ３が定まる。図７の配水ポンプ場Ｂの行に記載の通り、残る流量（Ｑ−Ｑ３）を可変速ポンプ１号機および２号機で同一流量ずつに担当すればよい。ポンプ１号機および２号機のそれぞれについて、機器特性情報（流量−揚程特性）から揚程がＨでありかつ流量が（Ｑ−Ｑ３）／２となる回転数Ｓ１、Ｓ２が定まる。こうして求めた揚程Ｈ、流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３から、各ポンプ号機の効率η１、η２、η３も求まり、図６の説明で述べた式にて各ポンプ号機の消費電力Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を算出できる。吐出流量Ｑのときの当該施設の消費電力は、Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３と定める。
【００９１】
モデルの簡素化のステップ１４０３で、コストモデル構築部１１１は、必要に応じて、図１１のコストモデルから図１２のコストモデル、さらに図１３のコストモデルで説明したような、コストモデルの簡素化を行なう。簡素化の観点は、状態遷移関係の簡単化と、消費電力関数の簡単化がある。
【００９２】
図１１のコストモデルでは、状態ＡＸと状態ＡＹは、担当する吐出流量の範囲がほぼ同一で、また消費電力関数も同一の吐出流量では差が小さく、互いに類似した状態と言える。これはポンプ１号機とポンプ２号機が互いに同型のポンプであるような場合に実現される。吐出流量の範囲の差分と、消費電力関数の差が一定の閾値以下であるような、互いに類似した状態を見出し、それらの状態を統合することで図１２のコストモデルへとモデルを簡素化できる。
【００９３】
一方で、消費電力関数は非線形関数であるが、区分的に線形な関数で近似することができる。具体的には、任意にいくつかの吐出流量を選択し、選択した吐出流量における点をグラフ上で結んだ折れ線は、一つの区分線形近似となる。近似の精度を各吐出流量における差の２乗和として評価し、この２乗和が最小となるような近似を求めてもよい。
【００９４】
このようにして得られたコストモデルは、簡素化の程度、すなわち、コストモデルの精密さ、あるいは近似の程度とともに、コストモデル記憶部１２３に格納する。
【００９５】
図１６を参照して、運用計画最適化部１１３に格納される最適な運用計画データ３４０を説明する。図１６において、運用計画データ３４０は、種別３４１と、時刻３４２と、計画流量３４３とから構成される。
【００９６】
運用計画データ３４０は、各制御対象施設に対して、将来の３０分刻みの各期間における吐出流量の計画値の情報を有する。なお制御対象施設でなくとも、ポンプ運用と関連の深い項目、具体的には配水池の水位などについて、将来の各時刻の計画値を含めることとしてもよい。
【００９７】
図１７を参照して、施設制約記憶部１２４に格納される施設制約情報を説明する。図１７において、施設制約情報３５０は、種類３５１と、項目３５２と、内容３５３とから構成される。
【００９８】
施設制約情報３５０は、制御対象施設などの各施設にて、運用計画データ３４０が満たすべき制約の情報を格納している。図１７に示す通り、制約として、ポンプ施設の吐出流量の範囲（上下限値）や、ポンプ施設の吐出流量の切替回数の上限、ポンプ施設の吐出流量の変化量の最大値、配水池の水位の範囲（上下限値）、制御対象施設の間の接続関係などが挙げられる。
【００９９】
図１８を参照して、機器特性・制御ルール更新部１１５の処理フローを説明する。なお、図２に示した制御対象設備１７１をもつ制御対象施設１５１を取り上げて説明する。
流量−揚程特性の更新のステップ１７０１で、機器特性・制御ルール更新部１１５は、図５に示した流量−揚程特性を、更新する。ここでは、流量−揚程特性を式１１
Ｈ＝ｆ（Ｑ，Ａ，Ｂ，Ｃ）  …（式１１）
ただし、
Ｈ：揚程［ｍ］
Ｑ：吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
でモデル化し、係数Ａ、Ｂ、Ｃを定めると流量−揚程特性が定まる。また、回転数制御は、ポンプの相似則でモデル化する。すなわち、定格回転数Ｓ０を用いて、回転数Ｓのときの流量−揚程特性は式１２
Ｈ＝ｆ（Ｑ×Ｓ／Ｓ０，Ａ，Ｂ，Ｃ）×Ｓ＾２／Ｓ０＾２…（式１２）
でモデル化する。関数ｆの具体例としては、図５の説明で取り上げた式２、式３を用いることができる。
【０１００】
実績運用データ記憶部１２６より、過去１か月間など、一定期間の運用実績データから、吐出圧力Ｐ、吐出流量Ｑ、吸込み井の水位、各ポンプ号機の稼働・停止状況、各可変速ポンプ号機の回転数を抽出する。吐出圧力Ｐと吸込み井の水位から、ポンプの揚程Ｈを推定する。各ポンプ号機において、係数Ａ、Ｂ、Ｃを仮に定めた場合、実績の稼働・停止状況および回転数を用いて、揚程Ｈのときの吐出流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が推定できる。その推定吐出流量の総和Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３と、実績吐出流量Ｑの差の自乗（Ｑ−Ｑ１−Ｑ２−Ｑ３）＾２を、運用実績データについて和をとった値（残差自乗和）が最小となるように各ポンプ号機の係数Ａ、Ｂ、Ｃを定めればよい。
残差自乗和を最小にする係数の決定手法には、滑降シンプレックス法などの一般的な最適化手法を用いることができる。
【０１０１】
流量−効率特性の更新のステップ１７０２で、機器特性・制御ルール更新部１１５は、図６に例を示した流量−効率特性を、更新する。ここでは、流量−効率特性を式１３
η＝ｇ（Ｑ，Ａ，Ｂ，Ｃ）  …（式１３）
ただし、
η：効率［−］
Ｑ：吐出流量［ｍ＾３／ｈ］
でモデル化し、係数Ａ、Ｂ、Ｃを定めると流量−効率特性が定まる。また、回転数制御はポンプの相似則でモデル化する。すなわち、定格回転数Ｓ０を用いて、回転数Ｓのときの流量−揚程特性は、式１４
η＝ｇ（Ｑ×Ｓ／Ｓ０，Ａ，Ｂ，Ｃ）  …（式１４）
でモデル化する。このとき消費電力は、
Ｅ＝ｋ・Ｑ・Ｈ／η                  …（式１５）
ただし
Ｅ：消費電力［ｋＷ］
ｋ：比例係数［ｋＷｈ／ｍ＾４］
Ｈ：揚程［ｍ］
とモデル化できる。関数ｇの具体例としては、図５の説明で取り上げた式２、式３を用いることができる。
【０１０２】
実績運用データ記憶部１２６より、過去１か月間など、一定期間の運用実績データから、吐出圧力Ｐ、吐出流量Ｑ、各ポンプ号機の稼働・停止状況、各可変速ポンプ号機の回転数、各ポンプの消費電力を抽出する。吐出圧力Ｐと吸込み井の水位から、ポンプの揚程Ｈを推定する。各ポンプ号機において、係数Ａ、Ｂ、Ｃを仮に定めた場合、実績の稼働・停止状況および回転数、先に更新した流量−揚程特性を用いて、揚程Ｈのときの吐出流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と、消費電力Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３が推定できる。その推定消費電力Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３と、対応する実績消費電力の差の自乗を、運用実績データについて和をとった値（残差自乗和）が最小になるように各ポンプ号機の係数Ａ、Ｂ、Ｃを定めればよい。
残差自乗和を最小にする係数の決定手法には、例えば滑降シンプレックス法などの一般的な最適化手法を用いることができる。
【０１０３】
機器特性・制御ルール更新部１１５による機器特性情報の更新処理により、機器の劣化に伴う特性変化に対応したコストの評価が行なえる。また、ポンプ施設の新設や改修を行なったときに、当初はポンプ仕様に記載の特性値を設定して評価を始めて、運用実績が蓄積するにしたがってより運用実態に合った機器特性情報に更新していくことができる。
【０１０４】
本実施例では機器特性記憶部１２１に格納される機器特性情報のみの更新を扱ったが、図８Ｂに例を示した管路モデルなど、制御ルール記憶部１２２に格納される情報を実績運用データから更新してもよい。
【０１０５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０１０６】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【０１０７】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１…上水道中央監視制御装置、１１０…中央処理装置（ＣＰＵ）、１１１…コストモデル構築部、１１２…コスト計算部、１１３…運用計画最適化部、１１４…需要予測部、１１５…機器特性・制御ルール更新部、１２０…メモリ、１２１…機器特性記憶部、１２２…制御ルール記憶部、１２３…コストモデル記憶部、１２４…施設制約記憶部、１２５…運用計画記憶部、１２６…実績運用データ記憶部、１３０…メディア入出力部、１４０…入力部、１４１…ヒューマンインタフェース部、１４２…通信部、１４５…表示部、１８０…周辺機器ＩＦ部、１９０…バス、４００…ネットワーク、５００…上水道監視制御システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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