(57)【要約】      （修正有）【課題】広域水運用システムの運用計画作成装置およびその方法を提供する。【解決手段】多目的最適化問題における複数の目的関数の重みに応じて1つの目的関数として最適水運用計画を作成する最適化手段0010と、複数の目的関数の重みを決定するために重み決定用連立方程式を作成し、これを解く重み決定用連立方程式作成・求解手段0006と、重み決定用連立方程式を作成するための基となる重み決定用水運用計画群および重み決定用水運用計画群を作成する重み決定用水運用計画群作成手段0001と、重み決定用水運用計画群における水運用計画を序列化するための水運用計画序列を入力する水運用計画序列入力手段0003と、序列化された水運用計画にそれぞれ評価値を与えるための序列評価値変換手段0002とをそなえ、多目的最適化問題における複数の目的関数の重みを重み決定用連立方程式の解として水運用計画を作成する。【選択図】  図１
2006048212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の施設を対象とする広域プラントの最適または準最適な水運用計画立案を多目的最適化問題として定式化する広域水運用システムの水運用計画作成装置において、
多目的最適化問題における複数の目的関数の重みに応じて1つの目的関数として最適水運用計画を作成する最適化手段と、
複数の目的関数の重みを決定するために重み決定用連立方程式を作成し、これを解く重み決定用連立方程式作成・求解手段と、
重み決定用連立方程式を作成するための基となる重み決定用水運用計画群および重み決定用水運用計画群を作成する重み決定用水運用計画群作成手段と、
重み決定用水運用計画群における水運用計画を序列化するための水運用計画序列を入力する水運用計画序列入力手段と、
序列化された水運用計画にそれぞれ評価値を与えるための序列評価値変換手段とをそなえ、
多目的最適化問題における複数の目的関数の重みを重み決定用連立方程式の解として水運用計画を作成する
ことを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項２】
請求項１記載の広域水運用システムの水運用計画作成装置において、
前記水運用計画序列入力手段と前記序列評価値変換手段に替えて、またはこれらとともに、重み決定用水運用計画群の評価値を人間が直接入力するための水運用計画評価値入力手段を有することを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項３】
請求項１記載の広域水運用システムの水運用計画作成装置であって、
前記最適化手段として遺伝的アルゴリズムを用い、前記重み決定用水運用計画群作成手段として、重み決定用水運用計画群に水運用計画が必要な数だけ求解を繰り返し、重み決定用水運用計画群を自動生成することを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項４】
請求項１記載の広域水運用システムの水運用計画作成装置であって、
前記最適化手段として遺伝的アルゴリズムを用い、前記重み決定用水運用計画群作成手段として、最終的に得られた最適な水運用計画だけでなく、求解途中における複数世代の最良の水運用計画および準最良水運用計画を重み決定用水運用計画群とすることを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項５】
請求項３または４記載の広域水運用システムの水運用計画作成装置であって、
前記重み決定用水運用計画群作成手段として自動生成された水運用計画以外に、人間が作成した水運用計画も加えることができることを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項６】
請求項３ないし５の何れかに記載の広域水運用システムの水運用計画作成装置であって、
決定された重みを用いて、再度、重み決定用水運用計画群の作成から繰り返すことを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置。
【請求項７】
複数の施設を対象とする広域プラントの最適または準最適な水運用計画立案を多目的最適化問題として定式化する広域水運用システムの水運用計画作成方法において、
多目的最適化問題における複数の目的関数の重みに応じて1つの目的関数として最適水運用計画を作成し、
複数の目的関数の重みを決定するために重み決定用連立方程式を作成してこれを解き、
重み決定用連立方程式を作成するための基となる重み決定用水運用計画群および重み決定用水運用計画群を作成し、
重み決定用水運用計画群における水運用計画を序列化するための入力を行い、
序列化された水運用計画にそれぞれ評価値を与え、
多目的最適化問題における複数の目的関数の重みを重み決定用連立方程式の解として水運用計画を作成する
ことを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の施設を持つ広域プラント、例えば広域上水道プラントの運用計画作成装置およびその方法に関り、とくに原水の取水量や浄水場での総ろ過量、浄水場から配水池への送水量の時間的変動を極力低減化し、かつポンプの消費する電力の電力料金も極力低減化するように最適化し、安定かつ効率的な水運用を実現する広域水運用システムの運用計画作成装置およびその方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
上水道プラントの運用においては、計算機を用いて単独の施設の運用計画を立案するシステムが既に一般化している。しかも近年の水道広域化の進展に伴い、散在する浄水場や配水場といった施設を計算機システムで一括して管理する流れが定着しつつある。
【０００３】
広域に散在する多数の浄水場や配水場を考慮した最適なプラント運用計画の立案を日々行うことは容易ではなく、益々計算機による運用計画の立案支援が重要となってきている。このため既に、近似的に最適なプラント運用計画を立案するシステムが提案されている（特許文献１など）。
【０００４】
水運用計画の立案に当っては、配水池の運用上、下限の制約、送水量を変更する時の１回に変動させ得る変動幅の制約、送水ポンプの電力使用量の制約など、種々の制約条件の下で、送水量をできるだけ一定に保ちたい、配水池の水位をある時刻にある目標水位にしたい、できるだけ電力料金の安い夜間にポンプを稼動させたい、などの複数の要請に応えなければならない。
【０００５】
このような水運用計画の立案は、数学的には多目的の最適化問題として定式化できる。すなわち、送水量を一定にする、指定時刻に目標水位にする、電力の夜間シフトを行うという複数の目的をそれぞれ目的関数とし、これらの目的関数を配水池の運用上、下限の制約、送水量の変動幅の制約、電力使用量の制約などの条件下で、同時に最適化する、という問題として定式化できる。
【０００６】
このような多目的最適化問題を解く場合には、複数の目的関数の総和を取り、1つの目的関数として扱うことが多い。通常、複数の目的関数の重要度は同じではないため、各目的関数に重みを掛けて和を取る方法が一般的である。
【特許文献１】特願2003-041423号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、各目的関数の重みを数学的に決定することは困難であり、従来は重みを設定しその重み付けで最適化を実行して所望の評価となるかどうかを調べ、所望の評価でない場合は重みを修正するという試行錯誤で重みを決定している。重みの調整には定まった方法がなく、長時間の作業を必要とするため技術者の負担が大きい。
【０００８】
広域に散在する複数の施設を対象とした広域水運用システムにおける水運用計画では、施設ごとにも最適化する必要があり、さらに多くの目的関数を同時に最適化しなければならない。
【０００９】
例えば配水池がＮ個ある場合、前述の送水量一定などの目的関数は、各配水池について最適化しなければならないので、Ｎ倍の目的関数を最適化しなければならないことになる。したがって、各目的関数の重みもＮ倍多くなり、これらの調整を行うのは非常に困難である。
【００１０】
（発明の目的）
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、多目的最適化問題として定式化される水運用計画を作成するにつき、多目的最適化における目的関数の重みの決定を容易に行えるようにして、技術者の負担を軽減し得る広域水運用システムの運用計画作成装置およびその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】
【００１１】
上記目的達成のため、本発明では、
複数の施設を対象とする広域プラントの最適または準最適な水運用計画立案を多目的最適化問題として定式化する広域水運用システムの水運用計画作成装置において、多目的最適化問題における複数の目的関数の重みに応じて1つの目的関数として最適水運用計画を作成する最適化手段と、複数の目的関数の重みを決定するために重み決定用連立方程式を作成し、これを解く重み決定用連立方程式作成・求解手段と、重み決定用連立方程式を作成するための基となる重み決定用水運用計画群および重み決定用水運用計画群を作成する重み決定用水運用計画群作成手段と、重み決定用水運用計画群における水運用計画を序列化するための水運用計画序列を入力する水運用計画序列入力手段と、序列化された水運用計画にそれぞれ評価値を与えるための序列評価値変換手段とをそなえ、多目的最適化問題における複数の目的関数の重みを重み決定用連立方程式の解として水運用計画を作成することを特徴とする広域水運用システムの水運用計画作成装置、およびその方法、
を提供することを目的とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は上述のように、多目的最適化問題として定式化される広域水運用システムの水運用計画作成手段に必須となる多数の目的関数の重み付けを容易にしたため、水運用システムの開発、運用のための作業効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
(実施例の構成)
図１は、本発明の実施例１の構成を示している。実施例１の構成は、従来の広域水運用システムの運用計画作成装置に、多目的最適化の各目的関数の重みを決定するための手段を追加した構成となっている。図１の構成で、従来の広域水運用システムの運用計画作成装置の構成に該当するのは、各目的関数0008、各目的関数の重み0007、制約条件0009、最適化手段0010であり、これらにより最適水運用計画0011を出力する。
【００１５】
この実施例１では、この構成にさらに、重み決定用水運用計画群作成手段0001、序列評価値変換手段0002、水運用計画序列入力手段0003、水運用計画評価値入力手段0004、水運用計画群0005、重み決定用連立方程式作成・求解手段0006が追加された構成となっている。
【００１６】
（実施例の作用）
実施例１の作用を、図２のような排水池１ないし５それらに接続された管路１ないし８により構成された送水系統を例に取って説明する。水運用計画として、1時間ごと24時間分の各管路の、流量の計画を作成する。ここでは、簡単のために制約条件としては、配水池水位の運用上下限、各管路の流量の物理的な上下限のみを考える。また目的関数としては、送水量をできるだけ一定とする、および指定時刻に目標水位にできるだけ近付ける、の２つの目的を考える。
【００１７】
また管路１および管路２の流量は、一定とする。さらに管路７、管路８の各時刻の流量は需要予測機能によって与えられるとする。すなわち水運用計画とは、管路２、管路３、管路４、管路６の各時刻の流量を決定することである。これを定式化すると、以下のようになる。
【００１８】
＜多目的最適化問題＞
[目的関数]
以下の目的関数を、すべて最小化することとする。
【００１９】
(1)送水量をできるだけ一定とするための目的関数
f1 = Σt=1,…,24 |q2(t)-q2(t-1)|
f2 = Σt=1,…,24 |q3(t)-q3(t-1)|
f3 = Σt=1,…,24 |q4(t)-q4(t-1)|
f4 = Σt=1,…,24 |q6(t)-q6(t-1)|
(2)指定時刻に、目標水位にできるだけ近付けるための目的関数
ここでは、時刻24のときに時刻0と同じ水位にするような目標を設定したとする。
【００２０】
f5=|h1(24)-h1(0)|
f6=|h2(24)-h2(0)|
f7=|h3(24)-h3(0)|
f8=|h4(24)-h4(0)|
f9=|h5(24)-h5(0)|
[制約条件]
(1)配水池水位の運用上、下限
h1(t)=h1(t-1)+(q1(t-1)-q2(t-1))/A1
h1L ≦ h1(t) ≦ h1H (t=1,...,24)
h2(t)=h2(t-1)+(q2(t-1)-q3(t-1)-q4(t-1))/A2
h2L ≦ h2(t) ≦ h2H (t=1,...,24)
h3(t)=h3(t-1)+(q3(t-1)-q7(t-1))/A3
h3L ≦ h3(t) ≦ h3H (t=1,...,24)
h4(t)=h4(t-1)+(q5(t-1)-q6(t-1))/A4
h4L ≦ h4(t) ≦ h4H (t=1,...,24)
h5(t)=h5(t-1)+(q4(t-1)+q6(t-1)-q8(t-1))/A5
h5L ≦ h5(t) ≦ h5H (t=1,...,24)
(2)各管路の流量の物理的な上、下限
q2MIN ≦ q2(t) ≦ q2MAX (t=1,...,24)
q3MIN ≦ q3(t) ≦ q3MAX (t=1,...,24)
q4MIN ≦ q4(t) ≦ q4MAX (t=1,...,24)
q6MIN ≦ q6(t) ≦ q6MAX (t=1,...,24)
ここで、
qi(t)は、管路i(i=1,..,8)の時刻t(t=0,...,24)の流量、
hi(t)は、配水池i(i=1,..,5)の時刻t(t=0,...,24)の水位、
hiLは、配水池i(i=1,..,5)の運用下限値、
hiHは、配水池i(i=1,..,5)の運用上限値、
Aiは、配水池i(i=1,..,5)の断面積、
qiMINは、管路i(i=1,..,8)の物理的下限流量、
qiMAXは、管路i(i=1,..,8)の物理的上限流量
を表す。
【００２１】
また、以下は定数として与える。
【００２２】
q1(t),q5(t) (t=0,...,24)（管路１、管路５は一定流量としたため）
q7(t),q8(t) (t=0,...,24)（管路７、管路８は需要予測機能による流量としたため）
q2(0),q3(0),q4(0),q6(0)（各管路の初期流量であるため）
h1(0),h2(0),h3(0),h4(0),h5(0)（各配水池の初期水位であるため）
多目的最適化問題を扱い易くするために、見掛け上、単一目的の問題に変換する。多目的最適化問題のf1,f2,...,f9の9個の目的関数に重み付けをして、以下のような目的関数Fを作る。
【００２３】
＜単一目的最適化問題＞
[目的関数]
min F=w1×f1＋w2×f2＋…＋w9×f9
[制約条件]
多目的最適化問題と同じ。
【００２４】
上記の制約条件および定数として与える数値は、図1の制約条件0009に電子ファイルまたはメモリ上のデータとして格納する。また、上記f1,f2,....,f9の9個の目的関数は、各目的関数0008に格納する。また、目的関数Fの各目的関数の重みw1,w2,...,w9は、各目的関数の重み0007に格納する。重みの決定方法は、後述する。最適化手段0010は、各目的関数0008、各目的関数の重み0007、制約条件0009から最適水運用計画0011を算出する。
【００２５】
重みの決定方法
各目的関数の重み0007に格納する重みは、次のように決定する。まず複数の水運用計画を、人間の手で作成する。図２の例では、水運用計画を作成するとは、各時刻の流量すなわちq2(t)、q3(t)、q4(t)、q6(t)(t=1,...,24)を決定することである。そして、決定すべき重みの数以上の水運用計画を作成する。重み決定用水運用計画群作成手段0001は、これらの値の入力手段である。入力された複数の水運用計画は、重み決定用水運用計画群0005に格納される。
【００２６】
次に、これら複数の水運用計画の評価を行う。各管路の送水量一定の度合いおよび各配水池の指定時刻の目標水位との乖離を、人間が総合的に判断し評価する。評価には、複数の計画を望ましいものから順に序列化するだけの方法と、それぞれの計画に具体的な評価値を付ける方法とが考えられる。
【００２７】
前者の場合は、水運用計画序列入力手段0003および序列評価値変換手段0002によって実現する。水運用計画序列入力手段0003によって複数の計画の序列を入力し、入力した序列から各計画の評価値を序列評価値変換手段0002によって決定する。序列は、一定の規則で評価値に変換する。例えば序列の順位をn位とすると、各計画の評価値V(n)＝110−n×10のように決定する。３つの水運用計画、すなわち計画１、計画２、計画３があり、この順で望ましい結果だったとすると、計画１の評価値は100、計画２の評価値は90、計画３の評価値は80のように決定できる。
【００２８】
後者の場合は、水運用計画評価値入力手段0004によって実現する。各計画の評価値を、直接人間が入力することによって評価値を決定する。実施の際には、前者または後者のどちらかを実装するか、或いは両方の手段を実装し適宜使い分ける方法がある。
【００２９】
序列評価値変換手段0002または水運用計画評価値入力手段0004で決定された各計画の評価値は、重み決定用水運用計画群0005に格納される。
【００３０】
重み決定用水運用計画群0005の1つの計画jは、例えば以下の表のように表される。
【表１】
2006048212.tif 000003
【００３１】
この表および定数から多目的最適化問題の9個の目的関数f1,f2,...,f9の値は、計算できる。したがって、単目的最適化問題の目的関数Fは、f1,f2,...,f9を定数、w1,w2,...,w9を変数と考えて、
Fj=f1j×w1＋f2j×w2＋…＋f9j×w9
と書ける。このFjが重み決定用水運用計画群0005に格納されている評価値となるように、重みが決定できればよい。重み決定用水運用計画群0005には9個の水運用計画があれば、
F1=f11×w1＋f21×w2＋…＋f91×w9
F2=f12×w1＋f22×w2＋…＋f92×w9
...
F9=f19×w1＋f29×w2＋…＋f99×w9
のように連立方程式を構成でき、これを解くことで重みw1,w2,w3,...,w9を決定することができる。
【００３２】
重み決定用連立方程式作成・求解手段0006では、このように重み決定用水運用計画群0005と定数の条件を格納している制約条件0009とから重みを決定するための連立方程式を作成し、解を求める。重み決定用連立方程式作成・求解手段0006で得た重みを、各目的関数の重み0007として格納する。
【００３３】
（実施例の効果）
従来、試行錯誤で行っていた多目的最適化問題における複数の目的関数の重みを決定する作業を、人間にとってより容易な水運用計画を評価するという作業に置き換え、その評価に合うように重みを算出することにより作業時間を短縮し、技術者の負担も軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック線図。
【図２】本発明を適用する送水系統の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３５】
0001重み決定用水運用計画群作成手段、0002  序列評価値変換手段、
0003水運用計画序列入力手段、0004  水運用計画評価値入力手段、
0005重み決定用水運用計画群、0006  重み決定用連立方程式作成・求解手段、
0007各目的関数の重み、0008各目的関数、0009制約条件、0010最適化手段、
0011最適水運用計画。
【図１】
2006048212.tif 000004
【図２】
2006048212.tif 000005