(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の配水場および配水池から配管網に配水する場合、前記配水場，配水池の何れか１つの機場で配管網の圧力制御を行い、他機場で配管網の流量一定制御を行う上下水道監視制御システムにおいて、
上位コントローラと前記各機場のコントローラとが伝送ラインで接続され、
前記上位コントローラは、過去実績配水流量を蓄積する履歴データ記憶手段と、計画対象日の曜日，気象情報をもとに前記履歴データ記憶手段から曜日，気象情報に類似した日の過去実績配水流量を抽出するデータ抽出手段と、このデータ抽出手段によって抽出された過去実績配水流量、当該類似した日の気象情報及び実配水流量に基づいて計画対象日の配水流量を予測し、この予測された配水流量及び各機場の現在水位から各機場水位を予測する流量・水位予測手段と、この予測手段による配水流量予測結果から前記各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード計画と流量配分計画とを作成し、この作成された制御モード計画および流量配分計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成する配水計画作成手段とを備え、
この作成された配水計画を前記各機場のコントローラに伝送することを特徴とする上下水道監視制御システム。
【請求項２】
前記配水計画作成手段は、ある機場の機器故障または機器メンテナンス時、該当機場の制御範囲を狭めて使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成することを特徴とする請求項１に記載の上下水道監視制御システム。
【請求項３】
前記配水計画作成手段は、作成された配水計画データを前記流量・水位予測手段に返送し、前記流量・水位予測手段は、返送されてくる配水計画データに基づいて各機場が最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量を予測し、前記配水計画作成手段は、再度予測された配水流量を用いて、再度評価関数の最適化処理を実施することを特徴とする請求項１に記載の上下水道監視制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の配水場や配水池から同一配管網に配水する上水道システムに利用される上下水道監視制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、市町村では、複数の配水場や配水池を設置し、これら配水場や配水池から同一の配管網に配水し、需要者の要求に応えるような上水道システムが採用されている。ここで、配水場は対象流域から流下されてくる水を浄化後に配水ポンプを用いて配管網に配水し、また配水池は配水場などから自然流下されてくる水を配水弁などを介して殆んどそのまま配水網に配水する役割をもっている。これら配水場，配水池はともに排水設備機器を備えていることから機場とも呼んでいる。
【０００３】
ところで、これら機場は、昼間と夜間の水需要の相違から、次のような運用がとられている。
【０００４】
すなわち、複数の機場から同一配水網に配水を行う場合、昼間と夜間の時間帯に応じ、或いは配水流量低下に伴う圧力上昇に応じ、自動または手動にて圧力制御用機場と圧力制御不可機場とを切換えることが行われている。例えば昼間の時間帯は圧力制御用機場に切換え、夜間の時間帯は圧力制御不可機場に切換えるといった運用がなされている。
【０００５】
なお、圧力制御不可機場では、オペレータが２４時間にわたって需要に見合った配水流量設定を行うか、或いは固定流量設定にて配水流量一定制御を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、以上のような配水流量制御では、設定によっては各機場ごとに偏った運用になったり、非効率的な運用とならざるを得ない。また、配水ポンプの故障またはメンテナンス時、その故障またはメンテナンス対象機場および他機場を含めて手動で各種の設定の見直しを行う必要があり、作業が複雑化する問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、各機場間の効率的な配水計画を作成し運用する上下水道監視制御システムを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、機器故障またはメンテナンス時に配水能力を考慮した配水計画を自動的に作成する上下水道監視制御システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（２）  上記課題を解決するために、本発明に係る上下水道監視制御システムは、上位コントローラと各配水場、配水池の機場のコントローラとを伝送ラインで接続するとともに、前記上位コントローラは、過去実績配水流量を蓄積する履歴データ記憶手段と、計画対象日の曜日，気象情報をもとに前記履歴データ記憶手段から曜日，気象情報に類似した日の過去実績配水流量を抽出するデータ抽出手段と、このデータ抽出手段によって抽出された過去実績配水流量、当該類似した日の気象情報及び実配水流量に基づいて計画対象日の配水流量を予測し、この予測された配水流量及び各機場の現在水位から各機場水位を予測する流量・水位予測手段と、この予測手段による配水流量予測結果から前記各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード計画と流量配分計画とを作成し、この作成された制御モード計画および流量配分計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価が最適になるように配水計画を作成する配水計画作成手段とを設け、この作成された配水計画を前記各機場のコントローラに伝送する構成である。
【００１０】
本発明は以上のような手段を講じたことにより、予測手段が予め過去実配水流量データを蓄積する履歴データ記憶手段から計画対象日の曜日，気象情報をもとに類似日，近日の過去実績配水流量を取出して配水流量を予測し、また各機場の現在水位から各機場水位を予測した後、この配水流量予測結果から制御モード計画および流量配分計画を作成し、これら計画に基づく使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成するので、自動的に各機場間で効率的な配水流量となる配水計画を作成できる。
【００１１】
なお、配水計画作成手段としては、ある機場の機器故障、機器メンテナンス時、該当機場の制御範囲を狭めて使用電力評価および前記水位予測を基にした水位評価を最小とする最適化処理により配水計画を作成するので、故障時でも自動的に各機場間の効率的な配水流量となる配水流量を作成できる。
また、配水計画作成手段は、作成された配水計画データを前記流量・水位予測手段に返送し、前記流量・水位予測手段は、返送されてくる配水計画データに基づいて各機場が最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量を予測し、前記配水計画作成手段は、再度予測された配水流量を用いて、再度評価関数の最適化処理を実施することにより、最も効率の良い配水流量を予測できる。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は本発明に係わる上下水道監視制御システムの一実施の形態を示す全体構成図である。
【００１４】
この監視制御システムは、上水道システムの適用例であって、複数の配水場である例えばＡ配水場およびＢ配水場と、例えばＡ配水場から自然流下されてくる水を受けて配水するＣ配水池と、これらＡ，Ｂ配水場およびＣ配水池から配水される水を需要家に送給する配管網１と、これらＡ，Ｂ配水場，Ｃ配水池の統括制御する中央（上位）コントローラ２とによって構成されている。
【００１５】
前記Ａ配水場は可変速の配水ポンプ３を備えた機場であって、浄化後の水を一時的に保持する配水池４と、この配水池４内の水を配管網１に配水する前記可変速用配水ポンプ３と、配水池４内の水を自然流下させる固定速ポンプ５と、これらポンプ３，５の速度制御の他、必要に応じてポンプ台数制御を行うコントローラ６とが設けられている。
【００１６】
前記Ｂ配水場は固定速の配水ポンプ７を備えた機場であって、配水池８と、この配水池８内の水を配管網1に配水する固定速の配水ポンプ７と、このポンプ７の固定速制御の他、必要に応じてポンプ台数制御を行うコントローラ９とが設けられている。
【００１７】
前記Ｃ配水池は流量調節弁１１を備えた機場であって、本体となる配水池１２と、配水池１２内の水を所要とする弁開度のもとに配管網１に配水する流量調節弁１１と、この流量調節弁１１の開度，ひいては配水流量を制御するコントローラ１３とが設けられている。
【００１８】
さらに、各機場には各配水池４，８，１２の水位を計測する水位計（図示せず）が設けられている。
【００１９】
Ａ配水場またはＣ配水池の何れか１つの機場は、配管網１内を所定の圧力に保持するために、末端圧制御／推定末端圧制御／吐出圧一定制御にて圧力制御を行い、他機場である圧力制御を行わないＡ配水場，Ｃ配水池の何れか１つまたはＢ配水場等では配水流量を一定制御する役割をもっている。
【００２０】
そして、中央コントローラ２と各機場のコントローラ６，９，１３とは伝送ライン１４を介して接続され、中央コントローラ２は各機場の状態／計測／機器操作／動作指示設定等を行う。
【００２１】
図２は中央コントローラ２および各機場コントローラ６，９，１３の内部構成を示す機能ブロック図である。
【００２２】
中央コントローラ２は、大きく分けて、各機場との間で情報の授受を行う伝送部２１と、配水流量予測・配水池水位予測のもとに所定期間(例えば１日）の最も効率的な運転計画を作成するＣＰＵで構成された運転計画作成処理部２２と、各機場からの配水池現在水位、実配水流量等を順次記憶する履歴データベース２３とによって構成されている。
【００２３】
すなわち、中央コントローラ２の運転計画作成処理部２２は、各機場から収集される状態／計測される実配水流量，配水池水位その他必要なデータに年月日・曜日・気候等の情報を付加して履歴データベース２３に保存する機能の他、データ抽出手段２２ａ、配水流量・水位予測手段２２ｂおよび配水計画作成手段２２ｃ等が設けられている。
【００２４】
このデータ抽出手段２２ａは、計画対象日，曜日，気候予報等の入力に基づき、履歴データベース２３から曜日，気候予報等に最も類似した類似日，近日（直近）の配水流量データを抽出する機能をもっている。
【００２５】
前記配水流量・水位予測手段２２ｂは、データ抽出手段２２ａによって抽出された類似日，近日の配水流量データを受け取ると、類似日，近日の配水流量、温度・湿度等の気候予報データを用いて計画対象日の配水流量予測を行う。
【００２６】
この配水流量予測ひいては計画対象日配水流量ｑ（ｔ）は例えば以下のような式から求めることが可能である。
【００２７】
計画対象日配水流量ｑ（ｔ）＝ｆ｛（１−α）＊近日データ（ｔ）＋α＊類似
日データ（ｔ），温度・湿度計測値，実配水流量｝
但し、ｔは時間、αは反映係数を意味する。この反映係数αは電力，水位等に関係する季節等の要因によって近日データに対して例えば０．６、類似日データに対して０．４と設定するが、後記する配水計画作成手段２２ｃによる最適化処理の収束状況を学習しつつ最終的に最も効率の高い係数が決定される。
【００２８】
また、計画対象日の配水流量を予測した後、この配水流量予測値および配水池の現在水位等を用いて計画対象日の配水池水位を予測する。
【００２９】
さらに、この配水流量・水位予測手段２２ｂでは、当日の温度，湿度等の気候情報に基づき、配水流量予測との間にずれが生じたとき、そのずれに相当する配水流量分を配水流量予測値に補正処理する。
【００３０】
このようにして計画対象日配水流量ｑ（ｔ）を求めた後、配水計画作成手段２２ｃは、その配水流量予測結果から制御モード計画，配水分配計画に基づく使用電力評価ｇと配水池水位（機場水位）予測を基にした水位評価ｈが最小となるような最適化処理を実施し、計画対象日の配水計画を作成する。すなわち、配水計画は以下の評価関数を最適化問題の解法によって最小化することにより作成する。
【００３１】
評価関数＝Σ｛電力評価ｇ（ｔ；制御モード計画，配水分配計画）
水位異常評価ｈ（ｔ；制御モード計画，配水分配計画）｝→ｍｉｎなお、配水計画作成手段２２ｃで逐次作成される配水計画データは、配水流量・水位予測手段２２ｂに返送され、前記反映係数αを最適となる方向に割合を可変しつつ再度配水流量予測を行い、再度評価関数の最適化処理を行う。この一連の処理は評価関数が最っとも最小となるまで繰り返し実行される。
【００３２】
そして、最終的に得られた最も効率の良い配水流量予測値を記憶した後、伝送部２１を介して各機場のコントローラ６，９，１３に伝送する。
【００３３】
各機場のコントローラ６（９，１３を含む）は、中央コントローラ２との間で情報の授受を行う伝送部３１，この伝送部３１で取り込み、更に当日の実際の温度・湿度等の気候で補正された計画対象日の配水計画を記憶する１日計画記憶部３２、中央コントローラ２から伝送されてくる操作／設定情報を記憶する操作／設定記憶部３３、現場にて設定される機場配水計画を記憶する機場計画記憶部３４、該当機場の配水流量・配水池水位等の情報を一時的に保存する状態／計測記憶部３５および１日配水計画または現場設定の機場計画に基づいて配水ポンプや流量調整弁を制御する配水出力制御手段３６等が設けられている。なお、各記憶部３２〜３５は、同一の記憶媒体をエリア分けし、該当エリアにそれぞれ配水計画情報，操作／設定情報，機場配水計画情報，該当機場配水流量・配水池水位情報等を書込んでもよい。
【００３４】
３７は機場にて入力される操作／設定情報を一時保存する機場操作記憶部である。
【００３５】
次に、Ａ，Ｂ配水場のポンプ使用電力評価が同等な場合の配水計画図の作成例について図３ないし図６を参照して説明する。
【００３６】
なお、図３はＡ，Ｂ配水場から均等配水する場合の評価関数を説明する図であって、同図左側は所定ポンプ台数を用いて同一の制御範囲で運用するときのＡ，Ｂ配水場の配水流量に対する電力評価値の関係を示す図であり、同図右側は同一制御範囲でＡ，Ｂ配水場，Ｃ配水池の水位に対する水位評価値の関係を示す図である。なお、同図（イ）では各配水池の水位が低くて配水不可状態にある場合には高い水位評価値となる例を示し、（ロ）では各配水池の水位が最も適切な状態にある場合には最も低い水位評価値となり、（ハ）では各配水池が満水状態にある場合には高い水位評価値となる例を示してい。
【００３７】
ところで、今，Ａ，Ｂ配水場にて均等配水運用を行う場合、Ａ，Ｂ配水場とも同一の制御範囲にて電力評価および水位評価を行っていくと、Ａ，Ｂ配水場，Ｃ配水池では図４に示すように各機場の圧力制御及び所定流量範囲内の流量制御を規定する制御モード（後記する図６参照）が作成され、また図５に示すような流量分配，つまり分配配水流量が作成され、それをテーブル化すると図６のようになる。
【００３８】
なお、図６において制御モード項目の記号「（１）」は圧力制御、「０」〜「３」は流量制御を示し、そのうち「０」は現在配水せず、「１」は１［ｍ3／h］、「２」は２［ｍ3／h］、「３」は３［ｍ3／h］の配水を行うことを意味する。
【００３９】
すなわち、以上のような電力評価値および水位評価値を用いた評価関数について最適化処理を行うと、Ａ，Ｂ配水場等の均等配水計画を行うに際し、制御モード計画（図４参照），流量配水計画（図５参照）または図６に示すような１日運転計画が作成できる。
【００４０】
また、例えばＢ配水場の配水ポンプ７がメンテナンスまたは故障等によって運転台数が減少したとか或いは一定範囲配水流量で運用する場合、図７に示すようなＢ配水場の制御範囲を狭くして電力評価を行えば、図８および図９または図１０に示すような１日運転計画が作成できる。メンテナンスの場合には外部から直接配水流量・水位予測手段２２ｂに入力され、機場の各機器の故障は伝送部２１から状態／計測の形式で配水流量・水位予測手段２２ｂに入力される。
【００４１】
なお、システム全体から見たとき、中央コントローラ２にて集中監視制御を行う構成となるので、信頼性の面で劣ることが予想されるが、中央コントローラ２から各機場のコントローラ６，９，１３に１日運転計画を渡すことにより、伝送異常時の継続使用が可能であり、また異常が長引いたときには従来どおり各機場から計画を設定することにより運転が継続でき、十分な信頼性を確保できる。
【００４２】
従って、以上のような実施の形態によれば、類似日，近日の配水流量をもとに計画対象日の配水流量および各配水池水位を予測し、これら予測値に基づいて電力評価および水位評価が最小となるように繰り返し最適化処理を実施することにより、各機場間で均等かつ効率的な配水計画を作成できる。
【００４３】
また、機場の機器故障またはメンテナンス時、配水流量に対する電力評価の制御範囲を可変することにより、同様に配水流量・各配水池水位の予測値に基づいて電力評価および水位評価が最小となるように繰り返し最適化処理を実施することにより、自動的に配水計画を作成でき、同様に各機場間において効率的な配水計画を作成できる。
【００４４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。例えば上記実施の形態では、上水道システムに適用したが、下水道システムにも同様に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、過去の実配水流量をもとに配水流量及び水位を予測し、最適化問題の解法により最適化処理することにより、各機場間の効率的な配水計画を作成して各機場へ伝送できる。
【００４６】
また、本発明は、機器故障やメンテナンス時でも、配水能力を考慮しつつ自動的に各機場間の効率的な配水計画を作成して各機場へ伝送できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る上下水道監視制御システムの全体構成を示す図。
【図２】  図１に示す中央コントローラおよび各機場の内部構成を示すブロック図。
【図３】  配水流量・水位に対する電力評価・水位評価を示す図。
【図４】  配水流量予測及び水位予測のもとに作成された制御モード計画図。
【図５】  配水流量予測及び水位予測のもとに作成された流量配分計画図。
【図６】  図４及び図５をテーブル化した図。
【図７】  故障，メンテナンス時による配水流量・水位に対する電力評価・水位評価を示す図。
【図８】  配水流量予測及び水位予測のもとに作成された故障，メンテナンス時の制御モード計画図。
【図９】  配水流量予測及び水位予測のもとに作成された故障，メンテナンス時の流量配分計画図。
【図１０】  図８及び図９をテーブル化した図。
【符号の説明】
１…配管網
２…中央コントローラ
３，５，７…ポンプ
４，８，１２…配水池
６，９，１３…機場コントローラ
２２…運転計画作成処理部
２３…履歴データベース
２２ａ…データ抽出手段
２２ｂ…配水流量・水位予測手段
２２ｃ…配水計画作成手段
【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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【図１０】
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