(57)【要約】  管路網に設けられたポンプやバルブ等の制御の精度を高めることを可能とする制御装置等を提供する。  制御装置は、配管内の流体の圧力に基づいて、圧力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、配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出部と、制御量に基づいて、ポンプ又はバルブを制御する制御部とを備える。
2017141884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御手段とを備える制御装置。
【請求項２】
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記摩擦損失算出手段は、前記配管の２点で求められた前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化を用いて求められる摩擦係数に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記摩擦損失算出手段は、前記摩擦損失に基づいて、前記配管の摩擦損失を表す配管モデルを構築し、
前記制御量算出手段は、前記配管モデルに基づいて前記制御量を求める、請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
前記制御量又は前記制御量を変更するかに関する情報を表示する表示手段を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項７】
前記ポンプ又はバルブの制御に関する指示を受付ける受付手段を備え、
前記制御手段は、前記受付手段が前記制御量を変更する指示を受付た場合に、前記制御量算出手段が算出した制御量に基づいて前記ポンプ又は前記バルブを制御する、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項８】
前記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、
前記圧力を用いて前記ポンプ又は前記バルブの制御量を求めて制御する請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置とを備える制御システム。
【請求項９】
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、配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段とを備える制御量算出装置。
【請求項１０】
配管の流体の圧力に基づいて、配管の摩擦損失を求める摩擦損失算出手段を備える摩擦損失算出装置。
【請求項１１】
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求め、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御方法。
【請求項１２】
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める処理と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置、制御システム、制御方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
浄水場から浄水をその利用者である需要家へ配水する配水管網システムにおいては、配水管網の末端においても適切な水圧が保たれるようにポンプやバルブ等の制御が行われる。一方で、ポンプの消費エネルギーを抑えるためには、吐水圧を下げ、ポンプの運転台数を減らすこと等が好ましい。ポンプの吐水圧を下げる際には、適切な水圧が保たれるように、配管の摩擦損失を高い精度で見積もることが必要となる。【０００３】
特許文献１には、流体移送システムの設計方法等が記載されている。特許文献１に記載のシステムは、設計条件を入力するステップと、管摩擦係数を計算するステップと、単一流路の圧力損失を計算するステップと、単一流路についての計算結果の合計を行うステップ等を行う。【０００４】
また、特許文献２には、配水コントロールシステムが記載されている。特許文献２に記載の配水コントロールシステムは、リアルタイムのプロセスデータにより配水管網の状態をシミュレーションし、各配水注入点を含む操作点に対して最適な操作量を自動的に算出して設定する。【０００５】
また、特許文献３には、配水圧制御システムが記載されている。特許文献２に記載のシステムは、モデル化誤差を考慮した管路抵抗モデルに基づいて、最悪ケースにおいても末端圧が目標値以上になるような配水圧を制御できる。特許文献３に記載のシステムは、更に、消火栓流量等の通常の需要パターンと異なる突発的な需要を流量センサで計測することで突発需要を速やかに判定し、本来より短い周期で目標吐出圧を計算することで、配水圧を精密制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６５３９９号公報
【特許文献２】特開２００６−１０４７７７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１９３５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１又は２に記載の技術では、圧力損失等は、予めシステムに備えられたデータベースに保存される値等に基づいて求められる。また、特許文献３に記載の技術では、管路抵抗は、配水管網の全体に対して求められる。すなわち、各特許文献に記載の技術では、配管の摩擦損失を高い精度で見積もることが必ずしも考慮されていない。その結果として、各特許文献に記載の技術では、管路網に設けられたポンプやバルブ等に関する制御の精度を高めることが困難である。【０００８】
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、管路網に設けられたポンプやバルブ等の制御の精度を高めることを可能とする制御装置等を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様における制御装置は、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、配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段と、制御量に基づいて、ポンプ又はバルブを制御する制御手段とを備える。【００１０】
本発明の一態様における制御システムは、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、圧力を用いてポンプ又はバルブの制御量を求めて制御する制御装置とを備える。【００１１】
本発明の一態様における制御方法は、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、配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求め、制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する。【００１２】
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、配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める処理と、制御量に基づいて、ポンプ又はバルブを制御する処理とを実行させるプログラムを非一時的に格納する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、管路網に設けられたポンプやバルブ等の制御の精度を高めることを可能とする制御装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態における制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における制御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。
【図３】本発明の第１の実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例における制御装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例における制御量算出装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の変形例における摩擦損失算出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の各実施形態における制御装置等を実現する情報処理装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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（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（システム）の各構成要素の一部又は全部は、例えば図７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。
【００１６】
・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。
【００１７】
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。
【００１８】
また、各装置の各構成要素の一部又は全部は、汎用または専用の回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、プロセッサ等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。
【００１９】
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。
【００２０】
以下の本発明の各実施形態における制御装置等の説明では、制御装置等は、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制御の対象とする。しかしながら、本発明の各実施形態における制御装置による制御の対象は、上水道網には限られない。
【００２１】
（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。図１は、本発明の第１の実施形態における制御装置を示す図である。図２は、本発明の第１の実施形態における制御装置を上水道網に適用した場合の例を示す図である。図３は、本発明の第１の実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００２２】
図１に示すとおり、本発明の第１の実施形態における制御装置１００は、摩擦損失算出部１１０と、制御量算出部１２０と、制御部１３０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、配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。制御量算出部１２０は、摩擦損失算出部１１０が求めた摩擦損失に基づいて、配水を制御するポンプ及びバルブの制御量を求める。制御部１３０は、制御量算出部１２０が求めた制御量に基づいて、前記ポンプ又はバルブを制御する。また、図２は、本実施形態における制御装置１００を上水道網である管路網５００に適用した一例である。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。
【００２３】
図２に示す管路網５００は、上水道網であり、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２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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２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。
【００２６】
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２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経時的な変化を計測する。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、制御装置１００が配管の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。
【００２７】
圧力センサ１４０が設けられる箇所は、図２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経時的な変化を計測するように、水道本管５１０に設けられてもよい。
【００２８】
続いて、本発明の第１の実施形態における制御装置１００の各構成要素について説明する。
【００２９】
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。なお、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２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２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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
【数１】
2017141884.tif 000003
【００３４】
【数２】
2017141884.tif 000004
【００３５】
（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。
【００３６】
【数３】
2017141884.tif 000005
【００３７】
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、ωで表される。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。
【００３８】
【数４】
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【００３９】
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、Ｈ２と表し、その変動分をそれぞれｈ１、ｈ２と表す。ｈ１及びｈ２は、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。
【００４０】
【数５】
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【００４１】
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。
【００４２】
また、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
【数６】
2017141884.tif 000008
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
【数７】
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【００５０】
（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、圧力センサ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。
【００５１】
【数８】
2017141884.tif 000010
【００５２】
（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。
【００５３】
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。そして、摩擦損失算出部１１０は、配管モデルと圧力センサ１４０によって求められた圧力に基づいて、管路網５００の所望の地点における水等の圧力と流量との関係を求める。
【００５４】
制御量算出部１２０は、摩擦損失算出部１１０が求めた配管内の流体の圧力の摩擦損失に基づいて、配水を制御するポンプ５４０及びバルブ５５０の制御量を求める。上述した例においては、制御量算出部１２０は、（８）式のＣを用いて求められた、配管内の水等の圧力と流量との関係に基づいてポンプ５４０やバルブ５５０の制御量を求める。
【００５５】
制御量算出部１２０は、管路網５００の各地点において、予め定められた水圧に関する条件が満たされるように、ポンプ５４０及びバルブ５５０の制御量を求める。予め定められた水圧に関する条件は、例えば４０ｍＨ２Ｏ（水柱メートル）のように具体的な基準値として定められてもよい。また、基準値は、「建物の３階に相当する高さにまでポンプを用いることなく水を供給可能な水圧」のような条件として定められてもよい。
【００５６】
制御量算出部１２０は、一例として、以下のように制御量を求める。摩擦損失算出部１１０によって（８）式のＣが求められると、管路網５００の任意の２つの地点における水圧の差が求められる。つまり、（８）式を用いることで、管路網５００の任意の地点が上述した水圧に関する条件が満たされる場合における、ポンプ５４０等が設けられている地点の水圧が求められる。言い換えると、ポンプ５４０等が設けられている地点における水圧が上述した水圧となるようなポンプ５４０やバルブ５５０等を制御することで、任意の地点における水圧が上述した条件を満たすようになる。
【００５７】
そして、制御量算出部１２０は、具体的なポンプ５４０やバルブ５５０等の制御量を以下のように求める。水圧とポンプ５４０等の制御量との関係が予め求められている場合には、制御量算出部１２０は、当該関係に基づいて制御量を求める。例えば、制御量算出部１２０は、当該関係において上述した水圧と対応するポンプ５４０等の運転台数や回転数、バルブ５５０の開度等を、制御量として求める。
【００５８】
また、制御量算出部１２０は、ポンプ５４０やバルブ５５０等を制御しつつ、これらの設備が設けられている地点の水圧を計測し、上述した水圧であるかを確認することで、制御量を求めてもよい。すなわち、制御量算出部１２０は、ポンプ５４０等が設けられている地点における水圧が上述した水圧となるまでポンプ５４０やバルブ５５０等の制御及び水圧の計測を繰り返すことで、制御量を求めてもよい。
【００５９】
制御量算出部１２０が上述のように制御量を求めることで、適切な水圧が保たれるようなポンプ５４０及びバルブ５５０の制御量が求められる。したがって、水圧が必要とされる程度を超えて高くなることに起因して生じる問題の回避が可能となる。例えば、ポンプ５４０の運転台数が必要とされる台数よりも多くなる場合の防止や、消費されるエネルギーの削減が可能となる。また、適正な水圧が保たれることで、配管への負荷を小さくすることが可能となる。
【００６０】
また、制御量算出部１２０が管路網において適切な水圧が保たれるように制御量を求めることで、水圧が必要とされる程度を超えて低くなることに起因して生じる問題の回避が可能となる。例えば、管路網５００において、配水ブロック５２０の末端においても適正な水圧で水を供給することが可能となる。
【００６１】
制御量を求める対象となるポンプ５４０やバルブ５５０が複数である場合には、制御量算出部１２０は、種々の方法でポンプ５４０やバルブ５５０に対する制御量を求めることが可能である。例えば、制御量算出部１２０は、管路網５００において、複数のポンプ５４０又は複数のバルブ５５０が設けられている場合には、その一部に関して制御量を求めてもよいし、全てに関して制御量を求めてもよい。制御量算出部１２０は、ポンプ５４０及びバルブ５５０の双方に関して制御量を求めてもよいし、いずれか一方に関して制御量を求めてもよい。
【００６２】
制御量算出部１２０は、ポンプ５４０の制御量を予め定められた値等に基づいて定め、バルブ５５０の制御量を求めることで、適切な水圧を保つようにしてもよい。又は、制御量算出部１２０は、バルブ５５０の制御量を予め定められた値等に基づいて定め、ポンプ５４０の制御量を求めることで、適切な水圧を保つようにしてもよい。
【００６３】
更に、制御量算出部１２０は、水圧に関する条件を満たし、かつ、他の条件を満たすようにポンプ５４０やバルブ５５０の制御量を求めてもよい。例えば、制御量算出部１２０は、ポンプ５４０やバルブ５５０に対する制御量が小さくなるように、ポンプ５４０やバルブ５５０の制御量を求めてもよい。又は、制御量算出部１２０は、水圧に関する条件を満たし、かつ、ポンプ５４０の運転やバルブ５５０の制御に必要となる電力を小さくするように、ポンプ５４０やバルブ５５０の制御量を求めてもよい。
【００６４】
更に、制御量算出部１２０は、ポンプ５４０又はバルブ５５０の他に、管路網５００において例えば水圧を維持するために必要となる設備等に対する制御量を求めてもよい。
【００６５】
制御部１３０は、制御量算出部１２０が求めた制御量に基づいて、ポンプ５４０又はバルブ５５０を制御する。すなわち、制御部１３０は、ポンプ５４０の運転台数や運転速度の変更、バルブ５５０の開度の変更等、ポンプ５４０の運転状況を変更するために必要な制御を行う。なお、制御部１３０は、ポンプ５４０又はバルブ５５０の他に、管路網５００において例えば水圧を維持するために必要となる設備等を制御の対象としてもよい。
【００６６】
制御部１３０は、ポンプ５４０又はバルブ５５０のいずれか一方を制御してもよいし、双方を制御してもよい。また、管路網５００において、複数のポンプ５４０又は複数のバルブ５５０が設けられている場合には、制御部１３０は、その一部を制御してもよいし、全てを制御してもよい。図２に示す例では、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、制御量算出部１２０がバルブ５５０−１の制御量を求めた場合には、制御部１３０は、当該制御量に基づいて、バルブ５５０−１を制御する。
【００６７】
また、制御部１３０は、制御を行う場合には、ポンプ５４０やバルブ５５０等の制御の対象となる設備に対して、制御信号線や通信ネットワーク等を介して運転を制御する信号を制御の対象となる設備へ送信することで制御する。また、制御の対象となる設備が操作員によって制御される場合には、制御部１３０は、当該操作員に対してポンプ５４０やバルブ５５０等の制御に必要となる情報等を通知することで、ポンプ５４０やバルブ５５０の運転を制御してもよい。すなわち、制御部１３０は、管路網５００の操作員等に対してポンプ５４０の制御の対象となる設備の制御量を通知する機構であってもよい。この場合には、ポンプ５４０やバルブ５５０は、制御部１３０から通知された操作量に基づいて、操作員によって制御される。
【００６８】
続いて、図３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制御装置１００の動作について説明する。
【００６９】
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）。
【００７０】
次に、制御量算出部１２０は、ステップＳ１０１にて求められた摩擦損失に基づいて、ポンプ又はバルブの制御量を求める（ステップＳ１０２）。上述のように、制御量算出部１２０は、配管内の水等の圧力が予め定められた基準値を上回るような制御量を求める。
【００７１】
次に、制御部１３０は、ステップＳ１０２にて求められた制御量に基づいて、管路網５００に設けられたポンプ５４０やバルブ５５０を制御する（ステップＳ１０３）。
【００７２】
なお、制御装置１００は、例えば配管内の水等の圧力が予め定められた基準値を継続して上回るように、ステップＳ１０１からＳ１０３の処理を繰り返して行ってもよい。この場合には、制御装置１００は、例えば、予め定められた間隔でステップＳ１０１からＳ１０３の処理を繰り返して行ってもよい。また、制御装置１００は、管路網５００の水の需要に応じて処理を繰り返す間隔を変えてもよい。例えば、制御装置１００は、水の需要が多い時間帯には、予め定められた間隔と比較して短い間隔でステップＳ１０１からＳ１０３の処理を繰り返して行ってもよい。又は、制御装置１００は、水の需要が少ない時間帯には、予め定められた間隔と比較して長い間隔でステップＳ１０１からＳ１０３の処理を繰り返して行ってもよい。
【００７３】
以上のとおり、本発明の第１の実施形態における制御装置１００は、摩擦損失算出部１１０が、配管内の流体の圧力の摩擦損失を求める。そして、制御量算出部１２０は、求められた摩擦損失に基づいて、管路網５００において適切な水圧が保たれるようにポンプやバルブの制御量を求める。このように求められた制御量に基づいて、管路網５００に設けられたポンプやバルブが制御部１３０によって制御される。
すなわち、管路網５００に設けられたポンプやバルブは、管路網５００を流れる水等の流体が適切な圧力に保たれるように制御される。したがって、本実施形態における制御装置１００は、管路網に設けられたポンプやバルブ等の制御の精度を高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。図４は、本発明の第１の実施形態の変形例における制御装置の構成を示す図である。図５は、本発明の第１の実施形態の変形例における制御量算出装置の構成を示す図である。図６は、本発明の第１の実施形態の変形例における摩擦損失算出装置の構成を示す図である。
【００７４】
図４に示すように、本変形例における制御装置１０１は、摩擦損失算出部１１０と、制御量算出部１２０と、制御部１３０と、表示部１５０を備える。表示部１５０は、ポンプ５４０やバルブ５５０等に対する制御量を表示する。また、制御装置１０１は、受付部１６０を備えてもよい。受付部１６０は、制御装置１０１の利用者からの入力を受付ける。すなわち、本変形例における制御装置１０１は、表示部１５０や受付部１６０を備える点が第１の実施形態における制御装置１００と異なる。
【００７５】
本変形例においては、表示部１５０は、ディスプレイ等で実現される。表示部１５０は、制御部１３０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。同様に、受付部１６０が設けられる場合には、受付部１６０は、制御部１３０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。
【００７６】
本変形例においては、表示部１５０はポンプ５４０やバルブ５５０等に対して制御量算出部１２０にて求められた制御量を表示する。管路網５００に複数のポンプ５４０や複数のバルブ５５０が設けられている場合には、表示部１５０は、その全てに対する制御量を表示してもよいし、一部のポンプ５４０又はバルブ５５０に対する制御量を表示してもよい。
【００７７】
また、表示部１５０は、制御量と併せて、制御量算出部１２０にて求められた制御量に基づいてポンプ５４０やバルブ５５０の制御を行うか否かを制御装置１０１の利用者等に対して確認する情報を表示してもよい。
【００７８】
この他に、表示部１５０は、制御量を求める際に用いられた情報を表示してもよい。例えば、表示部１５０は、圧力センサ１４０が求めた圧力に関する情報や、摩擦損失算出部１１０にて求められた管路網５００の各地点における圧力と流量の関係を表示してもよい。
【００７９】
受付部１６０は、例えばキーボードやスイッチ等で実現される。また、受付部１６０は、表示部１５０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。そして、受付部１６０は、上述の情報が表示された場合等に、制御装置１０１に対する指示を受付ける。受付部１６０が上述した制御量に基づく制御を行う旨の指示を受付けた場合には、制御部１３０は、制御量算出部１２０にて求められた制御量に基づいて、ポンプ５４０やバルブ５５０の制御を行う。
【００８０】
また、受付部１６０が上述した制御量に基づく制御を行わない旨の指示を受付けた場合には、制御部１３０は、制御量算出部１２０にて求められた制御量に基づいた制御を行わない。そして、制御部１３０は、例えば、指示を受付けた時点におけるポンプ５４０の開度やバルブ５５０の運転台数等を維持するようにする。
【００８１】
受付部１６０は、更に、制御量算出部１２０にて求められた制御量を変更する旨の指示を受付けてもよい。この場合には、制御量算出部１２０は、ポンプ５４０やバルブ５５０の新たな制御量を求めてもよい。そして、制御部１３０は、新たに求められた制御量に基づいて、ポンプ５４０やバルブ５５０を制御してもよい。この場合には、受付部１６０は、管路網５００に関する新たな目標値を併せて受付けてもよい。受付部１６０が新たな目標値を受付けた場合には、制御量算出部１２０は、当該目標値を用いてポンプ５４０やバルブ５５０の新たな制御量を求めてもよい。また、制御量算出部１２０にて求められた制御量を変更する旨の指示と併せて、受付部１６０は制御量に関する情報を受付けてもよい。この場合には、制御部１３０は、受付けた制御量に基づいてポンプ５４０やバルブ５５０を制御する。
【００８２】
なお、制御の対象となるポンプ５４０やバルブ５５０が複数である場合には、受付部１６０は、その各々について、制御量算出部１２０にて求められた制御量に基づいて制御を行うか否かの指示を受付けてもよい。また、この場合に、受付部１６０は、制御量算出部１２０にて求められた制御量に基づいて制御を行うか否かの指示を一括して受付けてもよい。受付部１６０は、この他に、制御装置１０１の各構成要素が制御量の算出や制御を行う時期やその間隔に関する指示を受付けてもよい。
【００８３】
すなわち、本変形例における制御装置１０１は、制御量算出部１２０にて求められた制御量に限らず、利用者の指示に基づいたポンプ５４０やバルブ５５０の制御を可能とする。したがって、本実施形態における制御装置１０１は、管路網５００の状況に応じた適切な運用を可能とする。
【００８４】
また、制御装置１０１の構成要素を用いて、管路網５００のポンプ５４０やバルブ５５０等の制御量を求める制御量算出装置２００が構成されてもよい。制御量算出装置２００は、摩擦損失算出部１１０と、制御量算出部１２０とを備える。
【００８５】
更に、制御装置１０１の構成要素を用いて、管路網５００を構成する配管の摩擦損失を求める摩擦損失算出装置３００が構成されてもよい。摩擦損失算出装置３００は、摩擦損失算出部１１０を備える。
【００８６】
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。
【００８７】
この出願は、２０１６年２月１９日に出願された日本出願特願２０１６−３０１３８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。
【００８８】
この発明の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、これに限られない。
【００８９】
（付記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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御手段とを備える制御装置。
【００９０】
（付記２）
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、付記１に記載の制御装置。
【００９１】
（付記３）
前記摩擦損失算出手段は、前記配管の２点で求められた前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、付記２に記載の制御装置。
【００９２】
（付記４）
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化を用いて求められる摩擦係数に基づいて前記摩擦損失を求める、付記３に記載の制御装置。
【００９３】
（付記５）
前記摩擦損失算出手段は、前記摩擦損失に基づいて、前記配管の摩擦損失を表す配管モデルを構築し、
前記制御量算出手段は、前記配管モデルに基づいて前記制御量を求める、付記４に記載の制御装置。
【００９４】
（付記６）
前記制御量又は前記制御量を変更するかに関する情報を表示する表示手段を備える、付記１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
【００９５】
（付記７）
前記ポンプ又はバルブの制御に関する指示を受付ける受付手段を備え、
前記制御手段は、前記受付手段が前記制御量を変更する指示を受付た場合に、前記制御量算出手段が算出した制御量に基づいて前記ポンプ又は前記バルブを制御する、付記１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
【００９６】
（付記８）
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、
付記１から７のいずれか一項に記載の制御装置とを備える制御システム。
【００９７】
（付記９）
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、配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段とを備える制御量算出装置。
【００９８】
（付記１０）
配管の流体の圧力に基づいて、配管の摩擦損失を求める摩擦損失算出手段を備える摩擦損失算出装置。
【００９９】
（付記１１）
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求め、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御方法。
【０１００】
（付記１２）
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める処理と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御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。
【符号の説明】
【０１０１】
１００    制御装置
１１０    摩擦損失算出部
１２０    制御量算出部
１３０    制御部
１５０    表示部
１４０    圧力センサ
１５０    表示部
１６０    受付部
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
【図１】
2017141884.tif 000011
【図２】
2017141884.tif 000012
【図３】
2017141884.tif 000013
【図４】
2017141884.tif 000014
【図５】
2017141884.tif 000015
【図６】
2017141884.tif 000016
【図７】
2017141884.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月24日(2018.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める制御量算出手段と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御手段とを備える制御装置。
【請求項２】
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記摩擦損失算出手段は、前記配管の２点で求められた前記圧力の過渡変化に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記摩擦損失算出手段は、前記圧力の過渡変化を用いて求められる摩擦係数に基づいて前記摩擦損失を求める、請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記摩擦損失算出手段は、前記摩擦損失に基づいて、前記配管の摩擦損失を表す配管モデルを構築し、
前記制御量算出手段は、前記配管モデルに基づいて前記制御量を求める、請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
前記制御量又は前記制御量を変更するかに関する情報を表示する表示手段を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項７】
前記ポンプ又はバルブの制御に関する指示を受付ける受付手段を備え、
前記制御手段は、前記受付手段が前記制御量を変更する指示を受付た場合に、前記制御量算出手段が算出した制御量に基づいて前記ポンプ又は前記バルブを制御する、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項８】
前記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、
前記圧力を用いて前記ポンプ又は前記バルブの制御量を求めて制御する請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置とを備える制御システム。
【請求項９】
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求め、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する制御方法。
【請求項１０】
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、前記配管の配水を制御するポンプ又はバルブの制御量を求める処理と、
前記制御量に基づいて、前記ポンプ又は前記バルブを制御する処理とを実行させるプログラム。
【国際調査報告】
2017141884.tif 000018
2017141884.tif 000019
2017141884.tif 000020
2017141884.tif 000021