(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配水池への引入流量計画値と配水池からの配水流量計画値とを用いて、前記配水池を運用制御する配水池運用制御装置において、
前記引入流量計画値と前記配水流量計画値とを用いて配水池目標水位を求める目標水位演算手段と、
この目標水位演算手段で求めた配水池目標水位と配水池の実績水位との偏差に基づいてファジィ推論により補正量を求め、前記配水流量計画値を補正する配水流量計画値補正手段と、
この補正手段により補正された配水流量計画補正量に基づいて前記配水池の配水流量を制御する配水流量制御手段とを備えたことを特徴とする配水池運用制御装置。
【請求項２】
前記配水流量計画値補正手段は、前記目標水位演算手段で求めた配水池目標水位と配水池の実績水位との偏差およびこの偏差の変化量を入力としてファジィ推論により補正量を求める水位系補正手段と、前記引入流量計画値と引入流量実績値との偏差およびこの偏差の変化量を入力としてファジィ推論により補正量を求める引入流量系補正手段とを設け、これら両補正手段の補正量を用いて前記配水流量計画値を補正することを特徴とする請求項１に記載の配水池運用制御装置。
【請求項３】
前記配水流量計画値補正手段は、補正量を調整するための複数のファジィルールを設け、現在の配水流量計画値補正量に基づいてファジィルールを選択し、この選択したファジィルールを用いてファジィ推論により新しい配水流量計画値補正量を求めることを特徴とする請求項１に記載の配水池運用制御装置。
【請求項４】
前記配水流量計画値補正手段は、予め複数の補正量を有する補正量テーブルを設け、前記配水池水位および引入流量の何れか一方または両方を用いてファジィ推論を実行し、得られた推論出力を用いて前記補正量テーブルから補正量を選択することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配水池運用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は上下水道プラントで用いる配水池を運用制御する配水池運用制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、上水道施設における配水池設備は、浄水場で生産される浄水をバッフアの役割をもつ配水池に一旦貯水した後、各需要家の需要に応じて順次供給する。このとき、配水池への引入流量計画値および配水池からの配水流量計画値は、予め事前に配水池の運用範囲となる上下限水位を逸脱しないように設定され、これらの計画値に基づき配水池の運用が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような配水池の運用では、事前に定めた計画値に基づいて配水池を運用することから、引入流量・配水流量計画値と実際の引入流量および配水流量との間に誤差が生ずることが多く、計画値通りに配水池の運用を行うことが困難である。
【０００４】
そこで、従来、運転操作員が配水池の水位を定期的に監視し、計画値通りの水位でないとき、手動により計画値を補正し、配水池の運用を行っている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、予め定めた配水流量計画値を配水池の水位変化に応じて自動的に補正する配水池運用制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、予め配水池への引入流量計画値と配水池からの配水流量計画値とを記憶する計画記憶手段と、この計画記憶手段に記憶される引入流量計画値に基づいて配水池への引入流量を制御する引入流量制御手段と、前記引入流量計画値と前記配水流量計画値とを用いて配水池目標水位を求める目標水位演算手段と、この目標水位演算手段によって求めた配水池目標水位と配水池の実績水位との偏差およびこの偏差の変化量を入力とし、ファジィ推論により補正量を求め、前記配水流量計画値を補正する配水流量計画値補正手段と、この補正手段により補正された配水流量計画補正量を用いて配水池の配水流量を制御する配水流量制御手段とを設けた配水池運用制御装置である。
【０００６】
このような手段を講じたことにより、目標水位演算手段が予め計画される引入流量計画値と配水流量計画値とを用いて配水池目標水位を求めると、配水流量計画値補正手段では、その配水池目標水位と配水池の実績水位との偏差およびこの偏差の変化量を入力としてファジィ推論によって補正量を求めた後、配水流量計画値を補正するので、人手を介入せずに配水池水位に基づいて自動的に配水流量計画値を補正でき、配水池の安定運用を確保できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係わる配水池運用制御装置の一実施の形態を示す全体構成図である。
【０００８】
この配水池運用制御装置は上水道プラントの配水池設備系１と配水池運用制御系１０とからなっている。
この配水池設備系１は、浄水場で生産される浄水を貯水する配水池２の入側配管に引入弁３、出側配管には配水ポンプ４が設置され、引入弁３を開いて配水池２に引き入れた浄水を配水ポンプ４を用いて各需要家に配水する構成となっている。
【０００９】
一方、配水池運用制御系１０は、予め需要家の需要動向により計画される配水池２への引入流量計画値および配水池２からの配水流量計画値を記憶する計画記憶手段１１と、この計画記憶手段１１に記憶される引入流量計画値および配水流量計画値を用いて、配水池２の目標水位を演算する配水池目標水位演算手段１２と、配水流量計画値補正手段１３と、配水流量制御手段１４と、引入流量制御手段１５とによって構成されている。
【００１０】
前記配水流量計画値補正手段１３は、配水池目標水位演算手段１２によって求めた配水池２の目標水位と実際の配水池水位との偏差に基づいて配水流量計画値の補正量を算出し、計画記憶手段１１から読み出す配水流量計画値を補正する機能をもっている。さらに、配水量制御手段１４は配水流量計画値補正手段１３で補正された配水流量計画値補正量に基づいて配水ポンプ４の吐出流量を制御し、また引入流量制御手段１５は前記計画記憶手段１１に記憶される引入流量計画値に基づいて引入弁３の開度を制御し浄水を配水池２に引き込む構成である。
【００１１】
次に、以上のような配水池運用制御装置の動作について説明する。
予め運転操作員などは過去の経験，知識にもとに一日間で必要とする配水池への引入流量計画値および配水池からの配水流量計画値を計画記憶手段１１に記憶し管理する。
【００１２】
この状態において引入流量制御手段１５は、計画記憶手段１１に記憶される引込流量計画値に基づいて引入弁２の開度を制御するが、一方、配水流量系では次のような処理を行う。
【００１３】
すなわち、配水池目標水位演算手段１２は、計画記憶手段１１に記憶される配水池引入流量計画値および配水流量計画値をもとに、次のような演算式を用いて配水池目標水位を求める。
【００１４】
ｈsv(i) ＝ｈsv(i-dt)＋（１／Ａ）・｛Ｑin(i) −Ｑout(i)｝    …（１）
ここで、ｈsv(i) ：時刻ｉにおける配水池目標水位［m ］
Ｑin(i) ：時刻ｉにおける配水池引入流量計画値［m 3 ／h ］
Ｑout(i)：時刻ｉにおける配水池配水流量計画値［m 3 ／h ］
Ａ：配水池断面積［m 2 ］
dt：計画周期
なお、配水池目標水位を演算する際の開始時刻（ｉ＝ｎ：開始時刻）の水位を指定する場合には、次のような初期水位を設定する。
【００１５】
ｈsv(n) ＝ｈ１                                              …（２）
但し、ｈ１：開始時刻の初期水位設定値［m ］である。
このようにして配水池目標水位ｈsv(i) を求めた後、この配水池目標水位ｈsv(i) を配水流量計画値補正手段１３に送出する。この配水流量計画値補正手段１３は、図２に示すように配水池目標水位演算手段１２で求めた配水池目標水位および実際の配水池水位の偏差である配水池水位偏差と、この配水池水位偏差の変化量とを入力とし、配水池水位用ファジィルールを用いてファジィ推論により配水流量計画値の補正量を算出する。
【００１６】
因みに、図３は配水流量計画値の補正量を演算するためのファジィルールテーブルを示す図、図４（ａ）は入力側メンバーシップ関数例を示す図、同図（ｂ）は出力側メンバーシップ関数例を示す図である。
【００１７】
この図３の配水池水位偏差および配水池水位偏差の変化量を入力とするファジィ変数の意味は次の通りである。
Ｌ：小さい
ＭＬ：やや小さい
Ｚ：ゼロ
ＭＨ：やや大きい
Ｈ：大きい
また、配水流量補正量のファジィ変数の意味は次の通りである。
【００１８】
ＱＬ：配水流量補正量を減らす
ＱＭＬ：配水流量補正量を少し減らす
ＱＺ：配水流量補正量を維持する
ＱＭＨ：配水流量補正量を少し増やす
ＱＨ：配水流量補正量を増やす
ファジィ推論における入力，つまり実際の配水池水位と配水池の目標水位との偏差である配水池水位偏差およびこの配水池水位偏差の変化量は次の式を用いて正規化する。
【００１９】
ｅ(i) ＝ｈpv(i) −ｈsv(i)
ｄｅ(i) ＝ｅ(i) −ｅ(i-dt)
ｘ１  ＝ｅ(i) ／ｇ１
ｘ２  ＝ｄｅ(i) ／ｇ２                                    …（３）
ここで、
ｈpv(i) ：時刻ｉにおける配水池水位［m ］
ｘ１：水位偏差の正規化値
ｘ２：水位偏差変化量の正規化値
ｅ(i) ：時刻ｉにおける配水池目標水位と配水池実績水位との水位偏差［m ］
ｄｅ(i) ：時刻ｉにおける水位偏差の変化量［m ］
ｇ１：水位偏差に対するゲイン［m ］
ｇ２：水位偏差変化量に対するゲイン［m ］
以上のように正規化された入力値をもとに、ファジィルールを用いてファジィ推論によりファジィ出力ｙ１を求めることができる。そして、ファジィ推論により求められたファジィ出力ｙ１から次式を用いて補正量を求める。
【００２０】
ｄu (i) ＝ｙ１・ｇ１１
ｕ(i) ＝ｕ(i-dt)＋ｄu (i)                               …（４）
上式において、
ｙ１：補正量の正規化値
ｇ１１：補正量に対するゲイン［m 3 ／h ］
ｄu (i) ：時刻ｉにおける補正量［m 3 ／h ］
ｕ(i) ：時刻ｉにおける補正量を加味した配水流量計画値補正量［m 3 ／h ］である。
【００２１】
以上のようにして配水流量計画値補正手段１３によって補正量を求めたならば、この補正量を用いて計画記憶手段１１の配水流量計画値を補正し、配水流量計画値補正量ｕ(i) を求める。
【００２２】
さらに、配水流量制御手段１４は、配水流量補正手段１３で得られる配水流量計画値補正量に基づいて配水ポンプ４の吐出流量を制御する。
従って、以上のような実施の形態によれば、配水池目標水位と実際の配水池水位との偏差をもとに、ファジィ推論によって補正量を求めて配水流量計画値を補正し、この補正された配水流量計画値補正量を用いて配水ポンプ４の吐出流量を制御するので、運転操作員の介入を必要とせずに自動的に配水池の配水流量計画値を補正でき、配水池の安定運用を図ることができる。
（その他の実施の形態）
（１）  次に、図５および図６を参照して配水池運用制御装置の他の実施の形態について説明する。
【００２３】
この実施の形態は、配水池水位および配水池引入流量を用いて補正量を求める例である。従って、配水流量計画値補正手段１３の改良例であって、この補正手段１３を除く他の構成部分は図１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００２４】
図１および図２に示す配水流量計画値補正手段１３は、配水池目標水位と配水池実績水位との偏差を用いて補正量を求めた例であるが、本実施の形態においては、例えば図５に示すように目標水位演算手段１２で求めた配水池目標水位と配水池の実績水位との偏差およびこの偏差の変化量を入力としてファジィ推論により補正量を求める水位系補正手段２１と、前記引入流量計画値と引入流量実績値との偏差およびこの偏差の変化量を入力としてファジィ推論により補正量を求める引入流量系補正手段２２と、これら両補正手段２１，２２で得られる補正量を用いて、配水流量計画値を補正する補正量演算手段２３とが設けられている。
【００２５】
すなわち、配水流量計画値補正手段１３は、計画記憶手段１１に記憶される配水流量計画値を補正するに際し、図５に示すように配水池水位用ファジィルールテーブルと配水池引入用ファジィルールテーブルとを用意し、これら配水池水位用ファジィルールテーブルおよび配水池引入用ファジィルールテーブルを用いて、それぞれ個別にファジイ推論により補正量を求める。
【００２６】
この配水池引入用のファジイ推論の入力としては、引入流量計画値および実際の引入流量の偏差と、この偏差の変化量とが用いられる。
具体的には、配水池引入流量計画値と実際の配水池引入流量との偏差を演算し、次式のように正規化する。
【００２７】
ｑe (i) ＝ｑpv(i) −ｑsv(i)
ｄｑe (i) ＝ｑe (i) −ｑe (i-dt)
ｘ３＝ｑe (i) ／ｇ３
ｘ４＝ｄｑe (i) ／ｇ４                                …（５）
ここで、
ｑe (i) ：時刻ｉにおける配水池引入流量偏差［m 3 ／h ］
ｄｑe (i) ：時刻ｉにおける配水池引入流量偏差の変化量［m 3 ／h ］
ｑpv(i) ：配水池引入流量［m 3 ／h ］
ｑsv(i) ：配水池引入流量計画値［m 3 ／h ］
ｘ３  ：配水池引入流量偏差の正規化値
ｇ３  ：配水池引入流量偏差に対するゲイン
ｘ４  ：配水池引入流量偏差の変化量の正規化値
ｇ４  ：配水池引入流量偏差の変化量に対するゲイン
このようにして正規化した値ｘ３，ｘ４を図６に示すファジィルールテーブルの入力とし、ファジィ推論により補正量を求める。なお、配水池引入流量のファジィ推論に用いるメンバーシップ関数は図４と同様のものが用いられる。
【００２８】
そして、補正演算手段２３は、以上のようにして配水池引入流量に関するファジィ推論とによって得られた補正量と前記（４）式の配水池水位に関するファジィ推論とによって得られた補正量とを用い、下記（６）式により配水流量計画値の補正を行い、配水流量計画値補正量ｕ(i) を求める。
【００２９】
ｄu (i) ＝ａ（ｙ１・ｇ１１）＋ｂ（ｙ２・ｇ２２）
ｕ(i) ＝ｕ(i-dt)＋ｄu (i)                               …（６）
ここで、
ａ  ：配水池水位に関するファジィ推論に用いるファジィルールの出力に対する重み
ｂ  ：配水池引入に関するファジィ推論に用いるファジィルールの出力に対する重み
ｙ１：配水池水位のファジィルールの出力
ｙ２：配水池引入流量のファジィルールの出力
ｇ１１：配水池水位のファジィルールのゲイン［m 3 ／h ］
ｇ２２：配水池引入流量のファジィルールのゲイン［m 3 ／h ］
従って、以上のような実施の形態によれば、配水池の水位に関するファジィ推論結果の出力と配水池の引入流量に関するファジィ推論結果の出力とを用いて補正量ｄu (i) を加味した配水流量計画補正量ｕ(i) を用いて、配水ポンプ４の吐出流量を制御するので、より適切な配水流量計画値補正量を得ることができ、配水池引入流量側の状況を踏まえて配水流量を制御でき、配水池の安定運用を確保できる。
（２）  さらに、図７および図８を用いて、他の実施の形態について説明する。
【００３０】
この実施の形態は、配水流量計画値補正手段１３の改良例であり、さらに詳しくは現在の配水流量補正量に基づいてファジィ推論に用いるファジィルールテーブルを選択し、この選択されたファジィルールを用いて配水流量計画値の補正量を求める例である。なお、補正手段１３を除く他の構成部分は図１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００３１】
配水流量計画値補正手段１３は、図７に示すように予め複数のファジィルールテーブルをもつファジィルール群３１と、現在の補正量に基づいてファジィルール群３１の中から最適なファジィルールを選択するファジィルール選択手段３２と、このファジィルール選択手段３２で選択されたファジィルールを用いて図２ないし図４と同様にファジィ推論を実行し配水流量計画値の補正量を求めるファジィ演算手段３３とによって構成されている。
【００３２】
このファジィルール選択方法は、例えば現在の補正量が大きい場合、それ以上大きな補正量がかからないようなファジィルール，例えば図８（ａ）に示すようなファジィルールを選択し、一方、現在の補正量が小さい場合にはそれ以上小さな補正量がかからないようなファジィルール，例えば図８（ｂ）に示すようなファジィルールを選択する。ファジィ演算手段３３は、その選択されたファジィルールを用いて配水池水位に対するファジィ推論演算を実行し配水流量計画値の補正量を求める。そして、求めた補正量を用いて配水流量計画値を補正し配水流量制御手段１４に送出し、配水ポンプ３の吐出流量を制御する。
【００３３】
従って、以上のような実施の形態によれば、現在の補正量の傾向を見ながら最適なファジィルールを選択し、ファジィ推論によって補正量を求めて配水流量計画値を補正するので、より速やかに実際の配水流量に収束させることができる。
（３）  さらに、配水池運用制御装置の他の実施の形態について説明する。
【００３４】
この実施の形態は、配水流量計画値補正手段１３の改良例であり、さらに詳しくは予めテーブル化した補正量の中からファジィ推論によって１つの補正量を選択する例である。なお、補正手段１３を除く他の構成部分は図１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００３５】
この配水流量計画値補正手段１３は、図９に示すように配水流量計画値に対する補正量を定める補正量テーブル４１を設け、ファジィ推論によって補正量を選択する。このファジィ推論は、図３および図４に示すものと同様のファジィルールおよびメンバーシップ関数を用いるが、出力のファジィ変数の意味としては次のような内容とする。
【００３６】
ＱＬ：補正量を２段階減らす
ＱＭＬ：補正量を１段階減らす
ＱＺ：補正量を維持する
ＱＭＨ：補正量を１段階増やす
ＱＨ：補正量を２段階増やす
ファジィ推論の出力としては、−１から＋１の間で出力される。従って、以下に示す方法によりファジィ推論の出力結果ｙを流量補正の段階の増減に変換し、下式を用いて補正量を求める。
【００３７】
（３／４）＜ｙの時、…現在補正量ｕ(i) を２段階増加｛ｕ(i) ＝２｝する。
（１／４）＜ｙ≦（３／４）の時、…現在補正量ｕ(i) を１段階増加｛ｕ(i) ＝１｝する。
【００３８】
（−１／４）≦ｙ≦（１／４）の時、…現在補正量ｕ(i) を維持｛ｕ(i) ＝０｝する。
（−３／４）≦ｙ≦（−１／４）の時、…現在補正量ｕ(i) を１段階減少｛ｄｕ(i) ＝−１｝する。
【００３９】
ｙ＜（−３／４）の時、…現在補正量ｕ(i) を２段階減少｛ｄｕ(i) ＝−２｝する。
ｕ(i) ＝ｕ(i-dt)＋ｄｕ(i)                                 …（７）
但し、ｕ(i) ：時刻ｉにおける補正量（−ｍ〜＋ｍの段階出力）
ｄｕ(i) ：時刻ｉにおける補正量変化量（−２〜＋２の段階出力）
そこで、この（７）式により求めた段階に応じた補正量を補正量テーブル４１から取り出し、配水流量計画値を補正する。配水流量制御手段１４は補正された配水流量計画値補正量を用いて配水ポンプ３の吐出流量を制御する。
【００４０】
以上のような実施の形態によれば、予め補正量テーブル４１により補正量の幅ないし上下限補正量を定めることが可能となり、補正量の行き過ぎ等を容易に防止できる。
（４）  さらに、配水流量計画値補正手段１３の他の例について説明する。
【００４１】
この実施の形態は、補正量テーブル４１の中の補正量の決定の他の例である。なお、補正手段１３を除く他の構成部分は図１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００４２】
前記（３）の実施の形態は、予め配水流量計画値の補正量を設定し、ファジィ推論の推論結果に基づいて補正量を選択するものであるが、本実施の形態は、前記（３）の実施の形態と同様に補正量テーブル４１を設けるが、当該（３）の実施の形態と異なり、配水池水位と配水池引入流量とを用い、前記（１）の実施の形態と同様のファジィルールテーブルの下にファジィ推論を実行し、補正量テーブル４１の配水流量計画値の補正量を選択する。なお、各ファジイ変数の意味は前記（３）の実施の形態の場合と同様の意味で使用する。
【００４３】
さらに、配水流量計画値補正手段１３の更に他の例について説明する。
この実施の形態は配水流量計画値補正手段１３の改良例であり、さらに詳しくは補正量テーブル４１の補正量の決定の他の例である。
【００４４】
この実施の形態は、前記（３）の実施の形態と同様に補正量テーブル４１を用い、かつ、配水池水位に基づいて図３および図４のようなファジィルールおよびメンバーシップ関数を用いてファジィ推論を実行し、補正量テーブル４１における配水流量計画値の補正量を決めるものである。なお、各ファジィ変数の意味は前記（３）の実施の形態で用いたものと同じである。
【００４５】
従って、以上述べた前記（３）〜（５）の実施の形態は、予め事前に運転操作員が配水流量計画値の補正量を把握でき、補正量の行き過ぎ等を容易に防止でき、さらにプラントの状況をみながら補正量を容易に修正できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、運転操作員が介入せずに実際の配水池水位の状況に応じて予め定めた配水流量計画値を自動的に補正でき、配水池の安定運用を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる配水池運用制御装置の一実施の形態を示す全体構成図。
【図２】  図１に示す配水流量計画値補正手段を説明する図。
【図３】  図１に示す配水流量計画値補正手段で用いるファジイルールテーブル図。
【図４】  メンバシップ関数を示す図。
【図５】  配水流量計画値補正手段の他の例を説明する図。
【図６】  図５に示す配水流量計画値補正手段で用いるファジイルールテーブル図。
【図７】  配水流量計画値補正手段のさらに他の例を説明する図。
【図８】  図７に示す配水流量計画値補正手段で用いるファジイルールテーブル図。
【図９】  配水流量計画値補正手段のさらに他の例を説明する補正量テーブル図。
【符号の説明】
１…配水池設備系
２…配水池
１０…配水池運用制御系
１２…配水池目標水位演算手段
１３…配水流量計画値補正手段
１４…配水流量制御手段
【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８】
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【図９】
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