(57)【要約】【課題】個別のパラメータ調整が不要で、十分な水位抑制効果を実現するとともに、急激な気象・流況変化にも対応可能な水位制御方法および水位制御支援方法の提供を目的とする。【解決手段】水位計測工程４にて、水門直上流の水位を計測し、参照軌道設定工程５にて、計測した水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える。そして、評価関数設定工程６にて、将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める。さらに、最適化計算工程７にて、上記評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する。ゲート操作工程８では、前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行う。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川水門の開閉動作可能なゲートの開閉により、水門直上流の水位を制御する方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうゲート操作工程とを有することを特徴とする水位制御方法。
【請求項２】
前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項１記載の水位制御方法。
【請求項３】
前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項１および２記載の水位制御方法。
【請求項４】
前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項１ないし３記載の水位制御方法。
【請求項５】
河川水門の直上流の水位を制御するための、開閉動作可能なゲートの開閉操作を指示する水位制御支援方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
該算出された将来の特定時刻までのゲート開度を指示するゲート操作指示工程とを有することを特徴とする水位制御支援方法。
【請求項６】
前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項５記載の水位制御支援方法。
【請求項７】
前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項５および６記載の水位制御支援方法。
【請求項８】
前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項５ないし７記載の水位制御支援方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は河川の水門、ダムなどのゲートの操作を行い、水門、ダム直上流の水位を制御する方法、およびゲートの操作動作を指示し、水門、ダム直上流の水位制御を支援する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、河川堰のゲートにおいては、農業用の水量確保や洪水調整といった目的で、河川水位や放流量が調整・制御するため、操作員によってゲート開度の維持・操作が行われていた。このゲート操作は、流水制御の基本ルールに従い、水位条件に応じたゲート操作手順がシーケンスとして予め与えられている。操作員による手動操作によらず、自動制御で行う場合には、シーケンサなどに予め決まったゲート操作をプログラミングしているのが一般的である。この技術は、例えば、特開平９−２１７３３３号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
また、他の水位制御技術としては、ＰＩ制御を用いる方法やファジィ制御を用いる方法（例えば、特開平６−３３６７１５号公報（特許文献２））が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１７３３３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平６−３３６７１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で示すシーケンス制御を用いた水位制御技術では、問題点がある。すなわち、シーケンスで定められたゲート操作開度、操作待機時間、などの個別のパラメータ調整が必要な場合がほとんどであり、かつ河川ごとに流況が異なり、また施工される水門ゲートのタイプも同一ではないことから、同一のシーケンスを利用できることが少ない。このため、河川ごと、水門ゲートの種類ごとに前記調整パラメータをさまざまに調整する必要が生ずる。また、制御シーケンスは水門が完成してからゲート動作を実施しなければ、実際の挙動を評価できないため、設備完成後の水位調整の状況を見ながら、制御シーケンスを調整することが必須となる。ところが、これら調整要素は前記ゲート操作開度や操作待機時間などといった静的なパラメータが主体のため、調整は一度で終わらなく試行錯誤の連続とならざるを得えない。さらに、このような試行錯誤をさまざまな気象、流況で行う必要もあり、調整は極めて困難なものとなっていた。
【０００７】
これに対して、特許文献２などで示すＰＩ制御を用いる方法やファジィ制御を用いる方法では、水位制御の調整はＰＩパラメータやメンバーシップ関数の調整をするだけで良いという利点があるものの、河川流れの動特性をモデルとして有していないため、流入量の急激な変化が発生した場合など河川の流況を予測した操作を実施することはできないという問題点がある。さらに、自動制御のためだけに操作量を出力するため、操作員からは今後どのような操作が行われかのが不明であり、急激な気象変化や流況変化時に手動介入する必要があるのかを判断するのが容易ではないという問題もある。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決し、個別のパラメータ調整が不要で、十分な水位抑制効果を実現するとともに、急激な気象変化や流況変化にも対応可能な水位制御方法および水位制御支援方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は次の発明により解決される。
【００１０】
本発明は、河川水門の開閉動作可能なゲートの開閉により、水門直上流の水位を制御する方法において、前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうゲート操作工程とを有することを特徴とする水位制御方法である。
【００１１】
また本発明は、前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項１記載の水位制御方法である。
【００１２】
また本発明は、前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項１および２記載の水位制御方法である。
【００１３】
また本発明は、前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項１ないし３記載の水位制御方法である。
【００１４】
また本発明は、河川水門の直上流の水位を制御するための、開閉動作可能なゲートの開閉操作を指示する水位制御支援方法において、
前記水門直上流の水位を計測する水位計測手段により、水位計測を行う水位計測工程と、
該計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える参照軌道設定工程と、
将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める評価関数設定工程と、
該評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する最適化計算工程と、
該算出された将来の特定時刻までのゲート開度を指示するゲート操作指示工程とを有することを特徴とする水位制御支援方法である。
【００１５】
また本発明は、前記水位計測工程からゲート操作工程までを、予め定めた制御周期ごとに毎回実施することを特徴とする請求項５記載の水位制御支援方法である。
【００１６】
また本発明は、前記最適化計算工程において、水門からの放流量が放流量上限値以下であるように前記ゲート開度に制約を設けることを特徴とする請求項５および６記載の水位制御支援方法である。
【００１７】
さらに本発明は、前記目標水位の上下に範囲を設けて、目標水位に不感帯を設けることを特徴とする請求項５ないし７記載の水位制御支援方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下に図面および数式を用いて説明する。
図２は、本発明を実施するための制御系基本構成を示す。一般に水門のゲート操作により水位を制御する場合、水位計１を水門直上流に配置し、計測された水位をもとに油圧装置など（（図示せず）によって水位調整ゲート３の開閉といったゲート操作を行う。このとき、シーケンサやＰＬＣなどのプログラマブルな演算装置によって実現される水位制御装置２に、ゲート操作規則などをプログラミングしている。
【００１９】
本発明ではこのゲート操作の決定にモデル予測制御の手法を用いる。モデル予測制御はプロセスの入出力間の動的モデルを用い、現時刻より未来の出力の動きを予測し、その予測する動きができるだけ好ましい動きになるように操作量を設定する。また、このような操作量の決定手続きを毎サンプル時刻ごとに繰り返し行うものである。
【００２０】
図３は、モデル予測制御の考え方を説明する図である。時刻ｔにおいてプロセスの観測量ｙ（ｔ）を観測し、ｙ（ｔ）を始点として、設定値ｒに近づく目標値の軌道（以下、参照軌道と称する）ｙＲ（ｔ＋ｊ）を計算する。目標値の軌道を決めた後、さらにｙ（ｔ）を始点として、現時刻より先の数ステップにわたる出力の値ｙＰ（ｔ＋ｊ）を、プロセスの入出力モデルを使って予測する。その際、出力の予測値が目標の軌道にできるだけ近くなるように現時刻より数ステップ（Ｍステップ）にわたる入力（ｕ（ｔ），・・・，ｕ（ｔ＋Ｍ−１））を定める。ただし、ここでは参照軌道と出力が将来にわたってすべて近づくのではなく、将来のある所定区間（以下、一致区間と称する）でできるだけ一致するように計算が行われる。決められた入力のうち、ｕ（ｔ）だけを次のサンプル時刻ｔ＋１までプロセスに与え、時刻ｔ＋１において出力ｙ（ｔ＋１）を再び観測する。
【００２１】
その値ｙ（ｔ＋１）はモデル誤差や外乱のため、時刻ｔで予測したｙＰ（ｔ＋１）と往々にしてずれる。そこで、この時刻を新たにｔ’として、観測値ｙ（ｔ’）を新たな始点として、上述の計算をしなおし、現時刻ｔ’より数ステップにわたる入力（ｕ（ｔ’），ｕ（ｔ’＋１），・・・，ｕ（ｔ’＋Ｍ−１））を算出し、ｕ（ｔ’）だけを次のサンプル時刻まで与える。以下同様の手順を繰り返していくのが、モデル予測制御のアルゴリズムである。
【００２２】
このアルゴリズムによって求まる入力値が、自動制御で用いる操作量であるが、これを自動制御に直接使わず、ガイダンスシステムとして操作量を指示・表示することもできる。とくに河川流れのように時定数の長いプロセスでは、制御周期は長いため、モデル予測制御の操作量指示を見て、オペレータが実際の設定、操作をすることも可能である。
【００２３】
ゲート操作による水位制御では、制御量はゲート直上流の水位となり、操作量はゲートの開度となる。したがって、制御系設計のために必要となるモデルは、ゲート操作をした結果、ゲート直上流の水位がどのように変化するかを記述する動特性モデルである。モデル予測制御では、プラントの動特性モデルは必ずしも微分方程式で記述される必要は無く、図４に示すような単位入力（ｕ＝１）に対するステップ応答モデルをサンプル時刻（１、２、３、・・・ｓ、ｓ＋１、・・・）ごとの信号列（ａ１、ａ２、ａ３、・・・ａｓ、ａｓ、・・・）として持たせても良い。すなわち、ゲートを所定量ステップ状に開ける指令を与え、その結果水位が変化して一定値に収束するまでの時系列データを記録して、モデルとすることが可能である。もちろん、河川の流体モデルとゲートの排出流量の厳密なモデルからモデルを算出してもなんら問題はない。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態を示す図であり、水位制御での処理フローを示している。先ず、水位計測工程４にて、水門直上流の水位を計測する。次に、参照軌道設定工程５にて、計測された水位が予め定めた目標水位から外れているときには、目標水位になるまでの水位履歴を参照軌道として与える。
【００２５】
そして、評価関数設定工程６にて、将来の所定区間を対象に、前記参照軌道と水位予測値との誤差または／および操作量であるゲート開度に関する評価関数を定める。さらに、最適化計算工程７にて、上記評価関数を最小にする、現在時刻から将来の特定時刻までのゲート開度を算出する。最後のゲート操作工程８では、前記ゲート開度のうち、現在のゲート開度のみを用いてゲート開閉を行なうというものである。そして、予め決めた制御周期にて、４〜８までの工程をサイクリックに繰り返す。なお、ガイダンスの場合には、ゲート操作工程８の代りに、前工程の最適化計算工程７にて求められた将来の特定時刻までのゲート開度を指示・表示する工程となる点が異なる。
【００２６】
次に、数式を用いて本発明の他の実施の形態を詳説する。今、ある河川に設置されたゲートの開度と水位変化が図４に示したステップ応答モデルで記述されるとする（大きさ１のステップ入力に対して、各サンプル時刻における出力をａｉで表す。ただし、ｉ≧ｓに対してはａｉ＝ａｓ、  すなわち一定値ａｓに収束する）。このとき、時刻ｔでステップ入力Δｕ（ｔ）が入ったときの時刻ｔ＋ｊでの出力ｙＭ（ｔ＋ｊ）は、（１）式で記述できる。
【００２７】
【数１】
2004293199.tif 000003
【００２８】
ある時刻ｋの入力偏差Δｕ（ｋ）は、（２）式で表わされる。
【００２９】
【数２】
2004293199.tif 000004
【００３０】
図５は、ステップ応答モデルによる出力予測を示すものである。ある時刻の出力は、過去の各時刻の入力偏差に対するステップ応答の重ね合わせとして表現できることになり、時刻ｔ＋ｊでの出力ｙＭ（ｔ＋ｊ）は（３）式のように記述できる。
【００３１】
【数３】
2004293199.tif 000005
【００３２】
このステップ応答モデルをもとにして、一致区間（  ｔ＋Ｌ  〜  ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）での出力予測を行うと（４）式のように記述できる。
【００３３】
【数４】
2004293199.tif 000006
【００３４】
また、要素ごと（６）式のような行列表示を用いれば、（４）式は（５）式のように書き換えることができる。
【００３５】
【数５】
2004293199.tif 000007
【００３６】
【数６】
2004293199.tif 000008
【００３７】
次に、時刻ｔ＋ｊでの参照軌道ｙＲ（ｔ＋ｊ）を、時刻ｔでの実績ｙ（ｔ）、時刻ｔ＋ｊでの設定値ｒ（ｔ＋ｊ）および定数αを用いて（７）式のように与える。
【００３８】
【数７】
2004293199.tif 000009
【００３９】
一致区間（  ｔ＋Ｌ  〜  ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）における参照軌道は、（９）式のような行列表示を用いれば、（８）式のように定められる。
【００４０】
【数８】
2004293199.tif 000010
【００４１】
【数９】
2004293199.tif 000011
【００４２】
さらに時刻ｔ＋ｊでの予測式ｙＰ（ｔ＋ｊ）は、時刻ｔでの実績ｙ（ｔ）で誤差を補正すれば、（１０）式のように表すことができる。
【００４３】
【数１０】
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【００４４】
これにより一致区間（  ｔ＋Ｌ  〜  ｔ＋Ｌ＋Ｐ−１）における予測式は、（１２）式のような行列表示を用い、（１１）式のように表される。
【００４５】
【数１１】
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【００４６】
【数１２】
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【００４７】
次に、例えば（１３）式のような評価関数Ｊを定める。これは、参照軌道と水位の誤差及び操作量の大きさに関する評価関数である。
【００４８】
【数１３】
2004293199.tif 000015
【００４９】
この評価関数Ｊが最小となるように最適化計算を行い、このときの操作量Δｕ（ｔ），…，  Δｕ（ｔ＋Ｍ−１）が求めるべき操作量である。最適化計算を行う際に、操作量や出力ｙに上下限などを定めて、制約付きの最適化計算としてとくことも可能である。最適化計算の手法としては、二次計画問題の解法であるレムケ法、双対法などを用いる。
【００５０】
また、上述の説明ではステップ応答モデルを用いたので、算出される操作量は前回入力との差となるΔｕ（ｔ）となっている。しかしながら、モデルをインパルス応答モデルなどに変更することで、直接ｕ（ｔ）を計算することも可能である。
【００５１】
また、操作量である水門ゲート開度から水門からの放流量を算出し、その上限値を最適化問題の制約として与えることも可能である。これは、河川への流入量が上限を超えていない通常の運転での場合には、水門からの放流量に制限を設けている実際の操作に対応させたものである。
【００５２】
さらに、一般に河川の維持すべき水位は範囲を持って定められており、所定の水位範囲であれば、特に操作をする必要がない上、経済上の効果もある。このような場合には、制御上の不感帯を設け、不感帯から水位が外れた場合に自動制御を作動させればよい。
【００５３】
【実施例】
図６に制御対象とした河川の堰とゲート構成を示す。河川に堰が設けられ、１つの引き上げ式ゲートと５つの起伏式ゲートが設置され、堰の直上流に水位を計測する手段が設けられている。図７は、引き上げ式ゲート９の構造を模式的に示した図である。堰の上部に設けられた昇降可能なゲートと堰の間隙を調節することにより、放水量を加減できるようにしたゲートである。また、図８は、起伏式ゲート１０の構造を模式的に示した図である。ゲート下部を中心に回転させゲートを起こしたり倒したりできるようにして、ゲート上部からの溢流量を加減できるようにしたゲートである。
【００５４】
このとき、ゲートの種類によって、水位変化特性が異なるため、ゲートの種類毎に動特性モデルを持つこととする。すなわち、（１）式で記述されるステップ応答モデルを、引き上げ式ゲート操作時のモデルと起伏式ゲート操作時のモデルを重ね合わせた（１４）式に示す２入力モデルとするものである。
【００５５】
【数１４】
2004293199.tif 000016
【００５６】
なお、本実施例では５門の起伏式ゲートがあるが同じ型式のものとし、そのため、起伏式ゲートによる水位変化モデルとしては１種類としている。通常、このように複数の水門からなる場合、緊急時を除いて、水門は１つ１つ順番に使用される。したがって、ゲートの操作限界に到達するまでは、常に１つのゲートが水位制御に用いられるので、モデルによる予測計算は上述した１入力のモデル予測アルゴリズムとほぼ同様に算出できる。
【００５７】
次に、具体的な例にてモデル予測制御を用いた操作量の計算手順を説明する。今、図６に示される堰上流の水位計の計測値が仮に１９．６４ｍとして与えられたとする。このとき、モデル予測制御を用いた操作量の計算は、まず観測値１９．６４ｍに対して、図９（ａ）に示すような、目標水位（１９．６４ｍとする）に到達するまでの将来の水位軌跡すなわち参照軌道を算出する。このとき、目標が一致しているかどうかを評価する一致区間を１〜３０ステップ（１ステップを４分として１２０分間）で考える。
【００５８】
また、目標水位に至る水位軌跡を実現するための将来にわたっての操作量の内、最初の５ステップ（将来の２０分後まで）を算出するものとする。この操作量を上述のモデル予測制御に基づき算出したのが図９（ｂ）である。これは、現在の水位を図９（ａ）に示した軌跡によって目標値に到達させるのには、今後、図９（ｂ）のように操作をすればよいということを意味する。
【００５９】
現実には様々な外乱によって、水位は変動させられるため、このような将来に渡る操作量推定を毎ステップ（この場合４分おき）計算するようにし、外乱などがあっても良いようにしている。また、ここで求めた操作量を用いた自動制御を行わなくても、毎ステップ将来に渡る操作量を表示することにより、操作員に対してのガイダンスを与えることも可能である。
【００６０】
図１０は、図６に示される堰上流の水位計の計測値を観測値として、各ゲートの操作限界で使用ゲートを切り替えながらモデル予測制御を実施したシミュレーション結果を示している。これは、図１１に示した上流からの流入量変化が外乱として与えられたときの河川の水位制御をシミュレートしたものであり、水位制御の不感帯として２０ｃｍを与えている。図１０（ａ）の図が水位変化を表し、図１０（ｂ）の下の図がモデル予測制御による各ゲートの操作履歴を表している。ここでは、水位制御の不感帯として２０ｃｍを与えており、流入量変化という外乱が入っても、不感帯の中に水位がとどまるように水位制御が実現できることがわかる。（図１０（ａ））  同様な条件で、従来からのシーケンス制御による河川の水位制御をシミュレートしたものが、図１２（ａ）（ｂ）である。
【００６１】
両者を比べてみると、本発明の場合は、流入量変化という外乱が入っても、２０ｃｍの不感帯の中に水位がとどまるように水位制御が実現できている（図１０（ａ））反面、シーケンス制御による場合は、水位変動が８０ｃｍ以上と大きいことが分かる（図１２（ａ））。また、ゲート操作は、本発明の場合は、ゆっくりしたスムーズな操作であるが、シーケンス制御による場合は、スピードが速く、バタバタした操作であり、引き上げ幅も８ｍと大きいことが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、個別のパラメータ調整が不要となるとともに、操作量の制約設定、目標水位の不感帯設定により、実際的で十分な水位抑制効果を実現することができる。また、将来の数ステップ先までの操作量を制御周期毎に指示・表示するので、自動制御がどのようになされていくかを監視者などが把握できるため、急激な気象変化や流況変化時に手動介入する必要があるのかを判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図。
【図２】本発明を実施するための制御系基本構成を示す図。
【図３】モデル予測制御の考え方を説明する図。
【図４】ステップ応答モデルを説明する図。
【図５】ステップ応答モデルによる出力予測を示す図。
【図６】制御対象とした河川の堰とゲート構成を示す図。
【図７】引き上げ式ゲートの構造を模式的に示す図。
【図８】起伏式ゲートの構造を模式的に示す図。
【図９】モデル予測制御を用いた操作量の計算手順を説明する図。
【図１０】本発明を実施した水位制御シミュレーション結果を示す図。
【図１１】上流からの流入量変化を示す図。
【図１２】従来からのシーケンス制御による水位制御シミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
１  水位計
２  水位制御装置
３  水位調整ゲート
４  水位計測工程
５  参照軌道設定工程
６  評価関数設定工程
７  最適化計算工程
８  ゲート操作工程
９  引き上げ式ゲート
１０  起伏式ゲート
【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】
2004293199.tif 000022
【図７】
2004293199.tif 000023
【図８】
2004293199.tif 000024
【図９】
2004293199.tif 000025
【図１０】
2004293199.tif 000026
【図１１】
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【図１２】
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