(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を輸送する管網における供給圧力と総供給量と管網の接続情報等の管網データに基づいて、流体の管網内の、時刻ｔにおける流量分布を計算する管網解析部と、
前記管網内の、前記時刻ｔにおける到達経路別流量分布を、前記管網解析部が計算した流量分布に基づいて算出する滞留時間解析部と、を備え、
前記到達経路別流量分布とは、流体を供給するノードから、着目するノードまでの流体の到達経路、到達時間、及び到達流量からなる流量要素の集まりを示し、
前記到達経路とは、前記流体を供給するノードから前記着目するノードまでの間に他のノードが存在することにより複数経路が存在する場合には、当該複数経路のそれぞれを示し、
前記滞留時間解析部は、時刻ｔより１時刻前の管網内到達経路別流量分布がない場合は、到達経路［なし］，到達流量＝時刻ｔの総供給量、到達時間０の流量要素を作成し、１時刻前の管網内到達経路別流量分布がある場合は、到達経路［なし］，到達流量＝「１時刻前の到達流量」×「時刻ｔの総供給量」／「１時刻前の総供給量」、到達時間０の流量要素を作成し、次いで、流量要素を計算済みのノードを一つ選び、このノードの１時刻前のすべての流量要素に着目し、この着目した流量要素の到達経路に下流側のノードまでの経路を加えたものを下流側のノードの新たな流量要素とし、新たな流量要素の到達時間＝「着目した流量要素の到達時間」＋「下流側のノードまでの管路の長さ×断面積」／「選んだノードと下流側のノード間の管路の流量」とし、新たな流量要素の到達流量＝「着目した流量要素の到達流量」×「選んだノードと下流側のノード間の管路の流量」／「選んだノードのすべての流量要素の到達流量の総和」とし、作成した新たな流量要素全てについて、１時刻前の管網内到達経路別流量分布と比較し、同じ到達経路の流量要素が存在しなければ、新たな流量要素として加え、同じ到達経路の流量要素が存在すれば、その流量要素を作成した際の起点となったノードと新たな流量要素を作成した際の起点となったノードとを比べ、上流側に位置するノードの方の流量要素を選択し、これを管網中の全てのノードについて実行し、前記管網内に存在する複数ノードの、前記複数経路のそれぞれについて、流量要素を計算することにより、前記到達経路別流量分布を算出する、解析装置。
【請求項２】
前記滞留時間解析部は、前記時刻ｔよりも１時刻前の流量要素を用いて、前記時刻ｔにおける流量要素を算出する、請求項１記載の解析装置。
【請求項３】
前記滞留時間解析部は、第一のノードから第二のノードへの流体の前記到達時間が、一定時間に満たない場合、前記第一のノードの流量要素に基づいて、前記第二のノードの流量要素を計算する、請求項１又は２記載の解析装置。
【請求項４】
前記滞留時間解析部は、第一のノードから第二のノードへの前記到達流量が、一定量に満たない場合、前記第二のノードの、当該第一のノードから第二のノードの経路についての流量要素を計算しない、請求項１又は２記載の解析装置。
【請求項５】
流体を輸送する管網における供給圧力と総供給量と管網の接続情報等の管網データに基づいて、流体の管網内の、時刻ｔにおける流量分布を計算するステップと、
前記管網内の、前記時刻ｔにおける到達経路別流量分布を、前記流量分布に基づいて算出するステップと、を備え、
前記到達経路別流量分布とは、流体を供給するノードから、着目するノードまでの流体の到達経路、到達時間、及び到達流量からなる流量要素の集まりを示し、
前記到達経路とは、前記流体を供給するノードから前記着目するノードまでの間に他のノードが存在することにより複数経路が存在する場合には、当該複数経路のそれぞれを示し、
前記到達経路別流量分布を計算するステップでは、時刻ｔより１時刻前の管網内到達経路別流量分布がない場合は、到達経路［なし］，到達流量＝時刻ｔの総供給量、到達時間０の流量要素を作成し、１時刻前の管網内到達経路別流量分布がある場合は、到達経路［なし］，到達流量＝「１時刻前の到達流量」×「時刻ｔの総供給量」／「１時刻前の総供給量」、到達時間０の流量要素を作成し、次いで、流量要素を計算済みのノードを一つ選び、このノードの１時刻前のすべての流量要素に着目し、この着目した流量要素の到達経路に下流側のノードまでの経路を加えたものを下流側のノードの新たな流量要素とし、新たな流量要素の到達時間＝「着目した流量要素の到達時間」＋「下流側のノードまでの管路の長さ×断面積」／「選んだノードと下流側のノード間の管路の流量」とし、新たな流量要素の到達流量＝「着目した流量要素の到達流量」×「選んだノードと下流側のノード間の管路の流量」／「選んだノードのすべての流量要素の到達流量の総和」とし、作成した新たな流量要素全てについて、１時刻前の管網内到達経路別流量分布と比較し、同じ到達経路の流量要素が存在しなければ、新たな流量要素として加え、同じ到達経路の流量要素が存在すれば、その流量要素を作成した際の起点となったノードと新たな流量要素を作成した際の起点となったノードとを比べ、上流側に位置するノードの方の流量要素を選択し、これを管網中の全てのノードについて実行し、前記管網内に存在する複数ノードの、前記複数経路のそれぞれについて、流量要素を計算することにより、前記到達経路別流量分布を算出する、解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上水道管網やガス管網などの流体を輸送する管網内に流体が滞留する時間を解析するための解析装置および解析方法に関し、さらに詳しくは、到達経路別に到達時間および到達流量を解析する解析装置および解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上水道の管網では、浄水場や配水池といった供給点で上水に注入する塩素の濃度が、上水道管網内での滞留時間に依存して減少していくことが知られている。また、トリハロメタンといった発癌性物質の濃度が、上水道管網内での滞留時間に依存して増加していくことが知られている。従って、上水道管網内に上水が滞留する時間を知ることは重要である。
【０００３】
しかし、上水の滞留時間を実測することは難しいため、計算で推定することが提案されている。
例えば、特開平７−３２８５９８号公報に記載の「配水管網の水質管理方法」では、着目するノードについて塩素濃度が減少すると仮定した場合と塩素濃度が減少しないと仮定した場合の塩素濃度の伝播解析を行い、前記ノードの推定濃度同士を比較することにより、供給点からの到達時間すなわち滞留時間を求めることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平７−３２８５９８号公報に記載の方法では、各管路の流量比が一定であることを計算の前提としているが、これは現実の流量状態とは異なる問題点がある。また、異なる到達経路を通って流体が到達する場合には、到達経路により滞留時間が異なることがあるが、到達経路ごとの滞留時間を求めることができない問題点がある。さらに、ノード毎に上述のような計算を実行すると、管網内の全ノードでは計算量が多くなり過ぎて、計算時間が非常に長くかかる問題点がある。
そこで、本発明の目的は、各管路の流量比が変化しても管網内の滞留時間を計算できると共に到達経路ごとの滞留時間を計算でき更に現実的な計算量すなわち現実的な計算時間で管網内の滞留時間を計算することができる解析装置および解析方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、流体を輸送する管網における流体の供給点に設置された圧力センサおよび流量センサと、前記管網の接続情報等の管網データを保持する管網データベースと、前記圧力センサから得られる供給圧力と前記流量センサから得られる総供給量と前記管網データベースに保持された管網データに基づいて管網解析を行い前記管網の流量分布（管路毎の流量）を計算する管網解析手段と、前記流量分布から現時刻の管網内到達経路別流量分布（あるノードまでの流体の到達経路と到達時間と到達流量からなる流量要素の集まり）を計算するか又は前記流量分布と１時刻前の管網内到達経路別流量分布から現時刻の管網内到達経路別流量分布を計算する管網内滞留時間解析手段とを備えたことを特徴とする管網内滞留時間解析システムを提供する。
上記第１の観点の管網内滞留時間解析システムでは、実測した供給圧力と総供給量から流量分布を計算するため、各管路の流量比が変化しても対応できる。また、計算した流量分布を基に、到達経路と到達時間と到達流量とからなる流量要素の集まりである管網内到達経路別流量分布を計算するため、到達経路ごとの滞留時間を計算できる。さらに、１時刻前の管網内到達経路別流量分布が存在すればそれを利用して現時刻の管網内到達経路別流量分布を計算するため、計算量を削減でき、現実的な計算時間で滞留時間を計算することが出来る。
【０００６】
第２の観点では、本発明は、上記第１の観点の管網内滞留時間解析システムにおいて、前記管網解析手段は、唯一のソースおよび該ソースと供給点とを結ぶ仮想管路を作成して前記管網データに加え、前記管網内滞留時間解析手段は、１時刻前の管網内到達経路別流量分布が存在する場合には、１時刻前の管網内到達経路別流量分布における各到達流量に（現時刻の全ての供給点の供給流量の総和）／（１時刻前の全ての供給点の供給流量の総和）を乗算して各到達流量を更新し、到達時間を０とし且つ（現時刻の全ての供給点の供給流量の総和）を到達流量とする流量要素を前記ソースに対して作成し、前記更新した到達流量と前記作成した流量要素とを用いて現在の流量状態が継続する時間分だけ下流に各ノードの１時刻前の流量要素を展開し全てのノードの流量要素を更新することで、現時刻の管網内到達経路別流量分布を求めることを特徴とする管網内滞留時間解析システムを提供する。
上記第２の観点の管網内滞留時間解析システムでは、供給点が複数存在する管路でも、その管網の構成を損なうことなく、唯一の供給点（ソース）から流体を供給する管網とみなすことが可能となり、解析が容易になる。そして、１時刻前の管網内到達経路別流量分布を利用して現時刻の管網内到達経路別流量分布を計算するため、計算量を削減でき、計算時間を短縮できる。
【０００７】
第３の観点では、本発明は、上記第２の観点の管網内滞留時間解析システムにおいて、前記管網内滞留時間解析手段は、前記到達流量が所定流量以下の流量要素については、前記到達流量を０とみなし、下流への展開を行わないことを特徴とする管網内滞留時間解析システムを提供する。
上記第３の観点の管網内滞留時間解析システムでは、小さな流量の管路は無視するため、計算量を削減でき、計算時間を短縮できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【０００９】
−第１の実施例−
図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態の管網内滞留時間解析システムについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システム（１）および配水管網（１０２）の全体構成の説明図である。
上水は、配水池もしくは浄水場といった供給点（１０１）から配水管網（１０２）へ供給される。供給点（１０１）には、圧力センサ（１０３）および流量センサ（１０４）が存在する。また、配水管網（１０２）中には、圧力もしくは流量センサ（１１３）が存在する。
管網内滞留時間解析システム（１）は、前記圧力センサ（１０３）と、前記流量センサ（１０４）と、前記圧力もしくは流量センサ（１１３）と、それら圧力センサおよび流量センサの計測値を基に配水管網（１０２）内の上水の到達経路別流量分布を計算する管網内滞留時間解析装置（１０５）とを具備して構成される。
【００１０】
前記管網内滞留時間解析装置（１０５）は、配水管網（１０２）の管路の接続情報（例えば始点，終点情報）や諸属性情報（例えば長さ，断面積情報）などの管網データを保持する管網データベース（１０６）と、ある時刻ｔの供給圧力と供給流量（１０７）又はそれと時刻ｔの計測圧力と計測流量（１１４）から配水管網（１０２）内の時刻ｔの流量分布（１０８）を計算する管網解析部（１０９）と、前記時刻ｔの流量分布（１０８）又はそれと時刻ｔ-1の（１時刻前の）管網内到達経路別流量分布（１１０）から時刻ｔの管網内到達経路別流量分布（１１１）を計算する管網内滞留時間解析部（１１２）とを具備して構成される。
【００１１】
ここで、管網内到達経路別流量分布（１１０，１１１）とは、あるノードまでの流体の到達経路，到達時間および到達流量の３つの属性からなる流量要素の集まりをいう。
例えば、図５の（ａ）に流向を示す管網においては、図５の（ｂ）に示すようにノード４への流体の到達経路は３つあるため、ノード４には３つの流量要素ｅ14，ｅ24およびｅ34がある。第１の流量要素ｅ14は、ソースｓからノード４への第１の到達経路［ｓ，２，４］，到達時間ｘおよび到達流量ｙからなっている。また、第２の流量要素ｅ24は、ソースｓからノード４への第２の到達経路［ｓ，１，２，４］，到達時間および到達流量からなる。さらに、第３の流量要素ｅ34は、ソースｓからノード４への第３の到達経路［ｓ，１，４］，到達時間および到達流量からなる。ある時刻ｔにおける全てのノード（ソースｓも含む）についての全ての流量要素ｅの集まりが、時刻ｔの管網内到達経路別流量分布である。
【００１２】
図２は、前記管網内滞留時間解析システム（１）による管網内滞留時間解析の手順を示すフロー図である。
ステップ２０１では、管網データベース（１０６）から管網データを読み込む。
ステップ２０２では、図３に示すように、唯一のソース（３０１）としての仮想ノードを作成し、管網データに加える。また、このソース（３０１）と配水管網（１０２）に対する全ての供給点（１０１）とを接続する仮想管路（３０３）を作成し、管網データに加える。ソース（３０１）での需要量は０とする。また、前記仮想管路（３０３）は、長さ０の管路とする。
これにより、複数の供給点（１０１）が存在する場合であっても、唯一の供給点（３０１）から流体を供給する管網とみなすことが可能となり、後述するステップ２０４，２０５での解析が容易になる。
【００１３】
ステップ２０３では、圧力センサ（１０３）および流量センサ（１０４）から供給圧力および供給流量を取り込む。そして、すべての供給点の供給流量の総和を総供給量とする。なお、供給圧力と総供給量だけから管網解析を行う場合は、圧力センサ（１０３）および流量センサ（１０４）から時刻ｔの供給圧力／供給流量（１０７）を取り込むだけでよいが、管網中の計測圧力／計測流量を利用する管網解析（特願平８−６６４７８号）を行う場合は、圧力もしくは流量センサ（１１３）からも時刻ｔの計測圧力と計測流量（１１４）を取り込む。
ステップ２０４では、公知の手法により管網解析を行い、前記ステップ２０３で取り込んだ計測値から時刻ｔの流量分布（１０８）を計算する。
【００１４】
ステップ２０５では、前記流量分布（１０８）を基に時刻ｔの管網内到達経路別流量分布（１１１）を計算する。このとき、時刻ｔ-1の管網内到達経路別流量分布（１１０）があれば、これを利用して計算量を削減する。この管網内到達経路別流量分布計算処理の詳細については後述する。
ステップ２０６では、時刻ｔの管網内到達経路別流量分布（１１１）を出力する。出力内容は、例えば、次のものである。
（１）指定されたノードについての加重平均到達時間＝（指定されたノードについての各流量要素の到達時間と到達流量の積の和）／（指定されたノードについての各流量要素の到達流量の和）。
（２）指定されたノードについての加重平均到達流量＝（指定されたノードについての各流量要素の到達時間と到達流量の積の和）／（指定されたノードについての各流量要素の到達時間の和）。
（３）指定されたノードについての到達経路別の到達時間の割合を表した円グラフ。
（４）指定されたノードについての到達経路別の到達流量の割合を表した円グラフ。
（５）指定されたノードについての流量要素のうちで到達時間が最長のもの。
（６）指定されたノードについての流量要素のうちで到達時間が最短のもの。
（７）指定されたノードについての流量要素のうちで到達流量が最大のもの。
（８）到達時間が所定の基準値より長い流量要素。
【００１５】
ステップ２０７では、次の時刻ｔ+1の解析を行うか否かを判定し、行うなら前記ステップ２０３に戻り、行わない場合は終了する。
【００１６】
図４は、前記ステップ２０５における管網内到達経路別流量分布計算処理の手順を示すフロー図である。
ステップ４０１では、時刻ｔ-1の管網内到達経路別流量分布（１１０）がない場合は何もせずにステップ４０２へ進み、時刻ｔ-1の管網内到達経路別流量分布（１１０）がある場合は読み出し、時刻ｔ-1の到達流量に（時刻ｔの総供給量）／（時刻ｔ-1の総供給量）を乗じて到達流量を更新し、時刻ｔ-1と現時刻ｔでの流量収支が一致するよう調整する。
ステップ４０２では、ソース（３０１）に、到達経路［なし］，到達流量＝現時刻ｔの総供給量、到達時間０の流量要素ｅ1Sを作成する。
【００１７】
ステップ４０３では、流量要素を計算済みのノード（ソースを含む）を一つ選び、このノードの時刻ｔ-1のすべての流量要素に着目して、この着目した流量要素を用いて下流側のノードの新たな流量要素を作成する。すなわち、新たな流量要素の到達経路は、着目した流量要素の到達経路に下流側のノードまでの経路を加えたものとする。また、新たな流量要素の到達時間は、着目した流量要素の到達時間に下流側のノードまでの流下時間＝（管路の長さ×断面積）／（選んだノードと下流側のノード間の管路の流量(ｍ3／ｓ)）を加えたものとする。また、新たな流量要素の到達流量は、着目した流量要素の到達流量に（選んだノードと下流側のノード間の管路の流量）／（選んだノードのすべての流量要素の到達流量の総和）を乗じたものとする。
なお、新たな流量要素の作成は、現時刻ｔでの同流量要素の展開の起点となったノードの到達時間との差が、現時刻の流量状態が継続する時間（時刻ｔ-1と時刻ｔの差）を上回らない範囲で行う。例えば、時刻ｔ-1と時刻ｔの差が３０分なら、この処理を始めた最初のノードの到達時間との差が３０分以内となる到達時間のノードまでのみ展開する。
【００１８】
ステップ４０４では、ステップ４０３で作成した新たな流量要素全てについて、時刻ｔ-1の管網内到達経路別流量分布（１１０）と比較し、同じ到達経路の流量要素が存在しなければ、新たな流量要素として加える。また、同じ到達経路の流量要素が存在すれば、その流量要素を作成した際の起点となったノードと新たな流量要素を作成した際の起点となったノードとを比べ、上流側に位置するノードの方の流量要素を選択する。
【００１９】
ステップ４０５では、管網中の全てのノードについて前記ステップ４０３および前記ステップ４０４を実行し、その後、処理を終了する。
【００２０】
以上の第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システム（１）によれば、次の効果が得られる。
（１）実測した供給圧力と総供給量から流量分布を計算するため、各管路の流量比が変化しても対応できる。
（２）計算した流量分布を基に、到達経路と到達時間と到達流量とからなる流量要素の集まりである管網内到達経路別流量分布を計算するため、到達経路ごとの滞留時間を計算できる。
（３）１時刻前の管網内到達経路別流量分布が存在すれば、それを利用して現時刻の管網内到達経路別流量分布を計算するため、計算量を削減でき、現実的な計算時間で滞留時間を計算することが出来る。
（４）供給点が複数存在する管路でも、その管網の構成を損なうことなく、唯一の供給点から流体を供給する管網とみなすため、解析が容易になる。
【００２１】
−第２の実施形態−
図６を用いて、本発明の第２の実施形態の管網内滞留時間解析システムについて説明する。
第２の実施形態では、図４の管網内到達経路別流量分布計算処理の代わりに、図６の管網内到達経路別流量分布計算処理を実行する。
図６の管網内到達経路別流量分布計算処理は、図４の管網内到達経路別流量分布計算処理のステップ４０３をステップ６０３に置き換えたものである。そこで、ステップ６０３のみ説明する。
ステップ６０３では、下流側のノードに新たな流量要素を作成するとき、到達流量が所定量以下の場合は、この到達流量を０とみなし、新しい流量要素は作成しない。
これにより、全体に占める割合が少ない流量要素に多大な計算時間を消費することを防ぎ、計算の高速化を図ることができる。
なお、前記所定量は、例えばノードへの総流入量に対して０．１％程度にとれば、計算精度に悪影響を及ぼさずに、計算時間を大幅に短縮できる。
【００２２】
以上の第２の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システムによれば、第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システム（１）の効果に加えて、次の効果が得られる。
（５）小さな流量の管路は無視するため、計算量を削減でき、計算時間を短縮できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の解析装置および解析方法によれば、次の効果が得られる。
（１）実測した供給圧力と総供給量から流量分布を計算するため、各管路の流量比が変化しても対応できる。
（２）計算した流量分布を基に、到達経路と到達時間と到達流量とからなる流量要素の集まりである管網内到達経路別流量分布を計算するため、到達経路ごとの滞留時間を計算できる。
（３）１時刻前の管網内到達経路別流量分布が存在すれば、それを利用して現時刻の管網内到達経路別流量分布を計算するため、計算量を削減でき、現実的な計算時間で滞留時間を計算することが出来る。
（４）供給点が複数存在する管路でも、その管網の構成を損なうことなく、唯一の供給点から流体を供給する管網とみなすため、解析が容易になる。
（５）小さな流量の管路は無視するため、計算量を削減でき、計算時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システムおよび管網の全体構成説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システムにおける管網内滞留時間解析処理を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態の管網内滞留時間解析システムにおける管網内滞留時間解析処理で使用するソースの概念の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の管網内滞留時間解析システムにおける管網内到達経路別流量分布計算処理を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システムにおいて使用する流量要素の概念の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる管網内滞留時間解析システムにおける管網内到達経路別流量分布計算処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０１…供給点
１０２…路網
１０３…圧力センサ
１０４…流量センサ
１０５…管網内滞留時間解析装置
１０６…管網データベース
１０９…管網解析部
１１２…管網内滞留時間解析部
１１３…管網内に設置された圧力／流量センサ
３０１…ソース
３０３…仮想管路
【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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