(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送水ポンプと、これら送水ポンプにより浄水場から送水を受け、当該配水区域に配水を行う配水池と、この配水池に設置され、配水池の水位を計測する水位計と、この水位計で計測した水位データに応じて制御され、前記複数の送水ポンプの起動停止指令を送出するポンプ台数制御部とを備えた配水施設制御装置において、
前記送水ポンプと配水池とを結ぶ送水管路に設けられ、配水池に送水される送水量を制御する流量調節弁および送水量を計測する流量計と、計測された送水量および前記配水池の水位データが供給され、これらから目標流量値を演算する流量演算装置と、この流量演算装置で演算された目標流量値により前記ポンプ台数制御部を制御するとともに、この目標流量値と前記流量計で計測された送水量とが供給され、目標流量値に適合するように前記流量調節弁を制御する流量制御装置とを備え、
前記流量演算装置は、流量計で配水池への送水量を計測した値と水位計で計測した水位データとから時間あたりの配水量を演算する配水量演算部と、この配水量演算部で演算された時間あたりの配水量と過去のデータを用いて需要予測を行う需要予測部と、この需要予測部により予測された予測配水量と水位計による現在の水位データとから予測水位を演算する予測水位演算部と、この予測水位演算部により得られた予測水位と流量計で計測した値とから目標流量値を演算する流量演算部とから構成したことを特徴とする配水施設制御装置。
【請求項２】
前記需要予測部は、配水量演算部で演算された時間あたりの配水量を単位時間の積算データとして時系列的に蓄えて過去の配水量時系列データをｎ次元、ｔ時間遅れの状態空間に埋め込むようにしたカオス需要予測を採用したことを特徴とする請求項１記載の配水施設制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、上水道の配水施設において、配水池を制御および配水池への送水量を制御する配水施設制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
配水池については「水道施設設計・解説」（厚生省監修・１９９０年版）には以下のように記されている。配水池は、浄水場からの送水を受け、当該配水区域域の需要量に応じた配水を行うための貯留池で、配水量の時間変動を調整する機能とともに、配水池より上流側の事故発生時などにも、所定の水量、水圧を維持できる機能を持つことが必要である。
【０００３】
一方、浄水施設は、計画一日最大給水量を基準としているので、毎時一定量の浄水が配水池に送られる。配水池の制御としては、これら２つの条件をバランス良く満たすことが要求される。現在の技術としては、「水道施設設計・解説」の要求を完全に満たしているとは言い難いが、代表的な制御としては水位一定制御や時間ごとに設定した水位でのレベル制御などが上げられる。
【０００４】
図５は従来の配水池水位制御をポンプ台数制御に適用した配水施設の概略構成図で、１は配水池、２は配水池１の水位を計測する水位計である。３は浄水場７から配水池１に水を送水する複数台からなる送水ポンプで、これら送水ポンプ３は、ポンプ台数制御部４からのポンプ起動停止指令により制御される。ポンプ台数制御部４は水位計２からの信号により運転ポンプ台数が決定される。５は配水区域の管網である。
【０００５】
上記のように構成された配水施設において、配水池１の現在水位が設定された設定最高水位ＨＷＬ（ポンプ全台停止）より高くなった場合、ポンプは全台停止とするが、水位が以下の場合にはポンプの運転台数を次のように制御する。
【０００６】
現在水位がポンプ制御水位１（ＬＴ１）より高くなった場合、次式からポンプは１台運転とする。なお、ＬＷＬは設定最低水位である。
【０００７】
ＬＴ１＝（（ＨＷＬ−ＬＷＬ）／５）×１−ＨＷＬ
次に、現在水位がポンプ制御水位２（ＬＴ２）より高くなった場合、次式からポンプは２台運転とする。
【０００８】
ＬＴ２＝（（ＨＷＬ−ＬＷＬ）／５）×２−ＨＷＬ
以下、現在水位がポンプ制御水位３（ＬＴ３）より高くなった場合、次式からポンプは３台運転とし、
ＬＴ３＝（（ＨＷＬ−ＬＷＬ）／５）×３−ＨＷＬ
また、現在水位がポンプ制御水位４（ＬＴ４）より高くなった場合、次式からポンプは４台運転とする。
【０００９】
ＬＴ４＝（（ＨＷＬ−ＬＷＬ）／５）×４−ＨＷＬ
なお、現在水位がＬＴ４より低くなった場合は、ポンプは５台運転とする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
配水施設の配水池には上記の様に、「配水量の時間変動」の緩衝機能が求められる。最も簡易な制御としては水位一定制御が上げられるが、水位一定制御ではほとんど緩衝機能が働かない。配水の時間変動を考慮した、時間ごとの目標水位を設定する制御方法はある程度の成果を上げているが、日々の配水パタンが一定では無いため、うまく運用されない日が頻繁に発生してしまう問題がある。
【００１１】
また、配水池には、配水池より上流側の事故発生時の配水能力が求められる。この要求（事故対応）をより良く満たすため、配水池の水位は、有効水深が常に高めに設定されている。しかし、上記「緩衝機能」と「事故対応」の要求は相反する要求であり、これらの要求をお互いに満たした制御をする必要があるが、そのような理想的な制御は現状ではなされていない。
【００１２】
ところで配水池は実際に多く運用され、浄水場などからの送水を受けている場合が多い。複数の配水池へ送水している浄水場では、それぞれの配水池への送水量を制御していることが多い。ところが実際には、理想的な制御を行うことが難しい。これは主に配水量の変化が複雑なためにおこる問題である。
【００１３】
水道施設の送水部分は、広域水道供給事業体によって営まれおり、各配水施設は地方自治体が運営している場合が多い。通常、広域水道供給事業体と地方自治体との設備間に、配水量データの送受信機能を持たないため、送水量を決めるプロセスに配水量を直接測定して利用することが出来ない状態である。
【００１４】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、配水池の水位と配水池への送水量から配水量を求め、需要予測を用いて配水施設制御を行うようにした配水施設制御装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、この発明は、複数の送水ポンプと、これら送水ポンプにより浄水場から送水を受け、当該配水区域に配水を行う配水池と、この配水池に設置され、配水池の水位を計測する水位計と、この水位計で計測した水位データに応じて制御され、前記複数の送水ポンプの起動停止指令を送出するポンプ台数制御部とを備えた配水施設制御装置において、
前記送水ポンプと配水池とを結ぶ送水管路に設けられ、配水池に送水される送水量を制御する流量調節弁および送水量を計測する流量計と、計測された送水量および前記配水池の水位データが供給され、これらから目標流量値を演算する流量演算装置と、この流量演算装置で演算された目標流量値により前記ポンプ台数制御部を制御するとともに、この目標流量値と前記流量計で計測された送水量とが供給され、目標流量値に適合するように前記流量調節弁を制御する流量制御装置とを備え、
前記流量演算装置は、流量計で配水池への送水量を計測した値と水位計で計測した水位データとから時間あたりの配水量を演算する配水量演算部と、この配水量演算部で演算された時間あたりの配水量と過去のデータを用いて需要予測を行う需要予測部と、この需要予測部により予測された予測配水量と水位計による現在の水位データとから予測水位を演算する予測水位演算部と、この予測水位演算部により得られた予測水位と流量計で計測した値とから目標流量値を演算する流量演算部とから構成したことにより、送水制御のみで配水施設の機能を生かした自動制御が可能になり、また送水量を安定させることができるとともに、ポンプを安定して稼動することができる特徴がある。
【００１７】
さらに、前記需要予測部は、配水量演算部で演算された時間あたりの配水量を、単位時間の積算データとして時系列的に蓄えて、過去の配水量時系列データをｎ次元、ｔ時間遅れの状態空間に埋め込むようにしたカオス需要予測を採用したことにより、未来に配水池水位を予測し、配水施設を自動制御することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態を示す配水施設制御装置の概略構成説明図で、図１において、河川等から導入した水を浄水場１１で浄水して図示しない浄水池に一時蓄える。この浄水池に蓄えられた浄水は、複数台の送水ポンプ１２により送水管路２６を介して配水池１５ａ，１５ｂに送水される。送水管路２６の途中には、流量調節弁１３ａ，１３ｂおよび流量計１４ａ，１４ｂが設けられる。配水池１５ａ，１５ｂからは各配水区域１６ａ，１６ｂの管網に需要水量に応じて浄水が配水される。なお、送水ポンプ１２は、後述するポンプ台数制御部で制御される。
【００１９】
配水池１５ａ，１５ｂには水位計１７ａ，１７ｂが設けられていて、この水位計１７ａ，１７ｂで得られた水位信号は統合制御装置１８に供給される。統合制御装置１８は、流量演算装置１９ａ，１９ｂとポンプ台数制御部２０から構成され、流量演算装置１９ａ，１９ｂは同一構成であるので、流量演算装置１９ａを例にとって以下述べる。
【００２０】
流量演算装置１９ａは、配水池１５ａへの送水量を流量計１４ａで計測した値と水位計１７ａからの値とから時間あたりの配水量を演算する配水量演算部２１と、この配水量演算部２１で演算された時間あたりの配水量と過去のデータを用いて需要予測を行う需要予測部２２と、この需要予測部２２により予測された予測配水量と水位計１７ａによる現在の水位とから予測水位を演算する予測水位演算部２３と、この予測水位演算部２３により得られた予測水位と流量計１４ａで計測した値とから目標流量値を演算する流量演算部２４とから構成される。
【００２１】
流量演算部２４で演算された目標流量値は流量制御装置２５ａに供給される。この流量制御装置２５ａには、流量計１４ａで計測した値も入力されていて、この計測値が目標流量値に合うように流量調節弁１３ａが流量制御装置２５ａからの出力により調節される。また、流量演算部２４で演算された目標流量値は、ポンプ台数制御部２０にも供給されて、ポンプ台数がその目標流量値に合うように制御される。
【００２２】
上記制御は配水池１５ａの場合のものであるが、配水池１５ｂの場合も同様に流量演算装置１９ｂと流量制御装置１５ｂの出力で制御される。なお、配水池が３つ以上の場合も同様に制御される。
【００２３】
次に、流量演算装置１９ａの各演算部と予測部の詳細について述べる。
【００２４】
▲１▼配水量演算部２１の配水量は、以下の計算式によって計算される。
【００２５】
Ｑout＝ΣＱin＋（ＬＬ−Ｌ0）×Ｓ
Ｑout   ：配水量（１時間分）
ΣＱin  ：送水量（１時間積算）
ＬＬ    ：配水池水位（１時間前）
Ｌ0     ：配水池水位（現在値）
Ｓ      ：配水池底面積
▲２▼需要予測部２２は、カオス理論による需要予測法を採用した。この予測法を採用したのは、検討した需要予測手法の中で最も成績が良かったからである。この予測法は、配水量演算部２１で計算された配水量を用いて、需要予測を行い、時間あたりの配水量を１時間後、２時間後、３時間後、…と予測する。
【００２６】
以下、カオス需要予測法について述べる。需要予測部２２は配水量を単位時間の積算データとして時系列的に蓄え、その過去の配水量の時系列データをｎ次元、ｔ時間遅れの状態空間に埋め込むようにしたものである。
【００２７】
まず，配水量の時系列データy(t)からベクトル(y(t),y(t-τ),y(t-2τ),…y(t-(n-1)τ))をつくる（τは遅れ時間）。このベクトルはｎ次元再構成状態空間「Ｒn」の１点を示すことになる。従って、時間ｔを変化させると、このｎ次元再構成状態空間に軌道が描ける。この様子を図２に示す。図２に示したように、いま、最新の観測によって得られたデータベクトルz(T)をｎ次元再構成状態空間にプロットし、その近傍のデータベクトルをx(i)とし、x(i)のｓステップ先の状態をx(i+s)とする。そして、予測すべきｓステップ先のデータベクトルz(T+s)の予測値（以下予測値には記号∧を付す）を∧z(T+s)とする。この様子を図３に示す。状態x(i)のｓステップ後の状態x(i+s)への変化は、x(i),x(i+s)を用いて次のように言語的表現で表すことができる。
【００２８】
IF x(T) is x(i) THEN x(T+s) is x(i+s)  ……（１）
この（１）式において、x(T)はｎ次元再構成状態空間におけるz(T)の近傍のデータベクトルを表す集合、x(T+s)はx(T)のｓステップ後のデータベクトルを表す集合であり、x(i)は、z(T)の近傍のデータベクトルであるから、状態z(T)から状態z(T+s)のダイナミクスを、状態x(i)から状態x(i+s)のダイナミクスから推定することができる。
【００２９】
ｎ次元再構成状態空間に埋め込まれたアトラクタは滑らかな多様体であり、z(T)からz(T+s)への軌道はz(T)からx(i)へのユークリッド距離によって影響される。ところで、
x(i)=(y(i),y(i-τ),y(i-2τ),…y(i-(n-1)τ))   ……（２）
x(i+s)=(y(i+s),y(i+s-τ),y(i+s-2τ),…y(i+s-(n-1)τ))
であるので、（２）式はｎ次元再構成状態空間におけるｊ軸に注目すると、
IF aj(T) is yj(i) THEN aj(T+s) is yj(i+s)  (j=1〜n)  …（３）
ここで、aj(T)は、z(T)の近傍値x(i)のｎ次元再構成状態空間におけるｊ軸成分、aj(T+s)は、x(i+s)のｎ次元再構成状態空間におけるｊ軸成分、ｎは埋め込み次元数である。
【００３０】
また、z(T)から∧z(T+s)への軌道は、z(T)からx(i)へのベクトル距離によって影響されるが、埋め込まれたアトラクタが滑らかな多様体であり、これは非線形な影響を受ける。よってx(T)からx(T+s)へのマッピングを非線形化するために、（３）式をファジィ関数により表現すると、次式のようになる。
【００３１】
IF aj(T) is (i) THEN aj(T+s) is (i+s)  (j=1〜n)  …（４）
ところで、z(T)=(y(T),y(T-τ),y(T-2τ),…y(T-(n-1)τ))であるので、z(T)のｎ次元再構成状態空間におけるｊ軸成分はyj(T)となる。よって、データベクトルz(T)のｓステップ後のデータベクトルz(T+s)への予測値∧z(T+s)のｊ軸成分は、（４）式のaj(T)にyj(T)を代入しファジィ推論をすることにより、aj(T+s)として求めることができる。
【００３２】
▲３▼予測水位演算部２３における予測水位計算は、それぞれの、配水池１５ａ，１５ｂに対して行われる。まず、それぞれの、配水池１５ａ．１５ｂについて、予測水位を計算する。需要予測部２２で採用した単位時間後までの、予測水位を計算する。
【００３３】
１時間後の予測水位（Ｌ1）は、Ｌ1＝（Ｑ0−Ｑ1）／Ｓ＋Ｌ0
２時間後の予測水位（Ｌ2）は、Ｌ2＝（Ｑ0−Ｑ2）／Ｓ＋Ｌ1
同様に、３時間後から１２時間後までの予測水位を計算すると以下のようになる。
【００３４】
Ｌ3＝（Ｑ0−Ｑ3）／Ｓ＋Ｌ2
Ｌ4＝（Ｑ0−Ｑ4）／Ｓ＋Ｌ3
Ｌ5＝（Ｑ0−Ｑ5）／Ｓ＋Ｌ4
・
・
・
Ｌ12＝（Ｑ0−Ｑ12）／Ｓ＋Ｌ11
なお、上記各符号の意味を以下に示す。
【００３５】
Ｓ     ：配水池底面積
Ｌ0    ：現在水位
Ｌ1    ：１時間後の水位
Ｌ2    ：２時間後の水位
Ｌ3    ：３時間後の水位
Ｌ4    ：４時間後の水位
Ｌ5    ：５時間後の水位
Ｌ6    ：６時間後の水位
Ｌ7    ：７時間後の水位
Ｌ8    ：８時間後の水位
Ｌ9    ：９時間後の水位
Ｌ10    ：１０時間後の水位
Ｌ11    ：１１時間後の水位
Ｌ12    ：１２時間後の水位
Ｑ0    ：１時間あたりの送水ポンプ送水量（現状の値の積算）
Ｑ1    ：１時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ2    ：２時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ3    ：３時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ4    ：４時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ5    ：５時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ6    ：６時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ7    ：７時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ8    ：８時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ9    ：９時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ10   ：１０時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ11   ：１１時間後の予測配水量（単位時間あたり）
Ｑ12   ：１２時間後の予測配水量（単位時間あたり）
▲４▼流量演算部２４では、予め設定された予測有効数（ＥＴ）の範囲で、予測水位がＨＷＬより高くなった場合には、流量設定値を下げ、予め設定された予測有効数（ＥＴ）の範囲で、予測水位がＬＷＬより低くなった場合には、流量設定値を上げる。
【００３６】
ＨＷＬ：流量減少水位
ＬＷＬ：流量増加水位
ＥＴ  ：予測有効数
上記のように構成された実施の形態を用いて配水池を制御した結果のトレンドグラフを図４に示す。このときの設定値は以下の通りである。
【００３７】
ＨＷＬ    ：９ｍ
ＬＷＬ    ：７ｍ
単位時間  ：１時間
ＥＴ      ：６
制御周期  ：１時間
配水池の有効水深：１０ｍ。
【００３８】
なお、水位７ｍ〜９ｍ（貯水率７０％〜９０％）という厳しい条件にもかかわらず、配水池の水位は安定して良好な状態で運用されていて、同時に送水流量も安定している。従って、配水池の運用としては良好である。この図４に示す７日間ポンプは２台の定常運転であった。流量が平均的に運用されるためポンプの台数が安定して運用されている。
【００３９】
前述したように本水道施設の送水部分は、広域水道供給事業体によって営まれおり、各配水施設は地方自治体が運営している。広域水道供給事業体と地方自治体との設備間に、配水量データの送受信機能を持たないため、送水量を決めるプロセスに配水量を直接測定して利用することが出来ない。しかし、この発明により広域水道供給事業体の制御設備のみで、地方自治体が運営する配水池の水位を理想的に制御出来る利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、以下のような効果が得られる。
（１）配水池の水位と配水池への送水量から配水量を求め、需要予測を用いた配水施設制御を行う事により、配水量のデータが無い送水制御装置のみで配水施設の機能を生かした自動制御ができるようになる。
（２）配水池の水位と配水池への送水量から配水量を求め、需要予測を用いた配水施設制御を行う事により、配水量のデータが無い送水制御装置のみで流量調節弁の開度変更回数を少なくすることができ、設備や機器を大事に使用してそれらの耐久性の向上を図ることができるようになる。
（３）配水池の水位と配水池への送水量から配水量を求め、需要予測を用いた配水施設制御を行う事により、配水量のデータが無い送水制御装置のみでポンプを安定して稼動でき、省エネルギーな運転ができるようになる。
（４）配水池の水位と配水池への送水量から配水量を求め、需要予測を用いた配水施設制御を行う事により、配水量のデータが無い送水制御装置のみで送水量を安定させることができ、浄水場で生成される浄水量を安定させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す概略構成説明図。
【図２】時系列配水量データのｎ次元再構成空間への埋め込み説明図。
【図３】  x(T)からx(T+s)へのダイナミクス説明図。
【図４】実施の形態を使用した７日間のトレンドグラフ。
【図５】従来の配水池水位制御をポンプ台数制御に適用した配水施設の概略構成図。
【符号の説明】
１１…浄水場
１２…送水ポンプ
１３ａ，１３ｂ…流量調節弁
１４ａ，１４ｂ…流量計
１５ａ，１５ｂ…配水池
１６ａ，１６ｂ…配水区域
１７ａ，１７ｂ…水位計
１８…統合制御装置
１９ａ，１９ｂ…流量演算装置
２０…ポンプ台数制御部
２１…配水量演算部
２２…重要予測部
２３…予測水位演算部
２４…流量演算部
２５ａ，２５ｂ…流量制御装置
【図１】
0003903653.tif 000002
【図２】
0003903653.tif 000003
【図３】
0003903653.tif 000004
【図４】
0003903653.tif 000005
【図５】
0003903653.tif 000006