JPH0351960B2 - - Google Patents
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- JPH0351960B2 JPH0351960B2 JP56098300A JP9830081A JPH0351960B2 JP H0351960 B2 JPH0351960 B2 JP H0351960B2 JP 56098300 A JP56098300 A JP 56098300A JP 9830081 A JP9830081 A JP 9830081A JP H0351960 B2 JPH0351960 B2 JP H0351960B2
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- Japan
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- pressure
- equation
- flow rate
- network
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D7/00—Control of flow
- G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
- G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T137/00—Fluid handling
- Y10T137/0318—Processes
- Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
- Y10T137/0368—By speed of fluid
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10T137/00—Fluid handling
- Y10T137/0318—Processes
- Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
- Y10T137/0374—For regulating boiler feed water level
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
- Pipeline Systems (AREA)
- Flow Control (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、管路網、たとえば、水道管路網、ガ
ス管路網による流体輸システムの制御方式に関す
るものである。以下説明を具体的にするために上
水道管路網システムを一例にあげて説明する。
ス管路網による流体輸システムの制御方式に関す
るものである。以下説明を具体的にするために上
水道管路網システムを一例にあげて説明する。
上水道管路網（以下、単に管路網と呼ぶ）によ
る上水配水システムは、水の供給源である配水池
と、その配水池から送水をうける複数の需要端と
配水池と複数の需要端とを連結するいくつかの管
路網とを含む。上水道管路網の配水制御とは、管
路網の需要端における需要量に変動があつたとし
ても、管路網内の流量・圧力の分布を目標値に維
持できるように、管路網内のバルブの開度やポン
プの圧力を操作することである。従来の配水制御
においては、渇水時、事故時等に上水供給者（オ
ペレータ）がマニユアルに従つて操作するのみで
あつた。上水供給者は、朝、夕の需要増大時にも
一定圧力以上で配水する義務があり、これを達成
するために、必要以上の高圧によつて配水を行な
つていた。特に夜間の需要減少時においては、管
路網内の圧力が上昇し、これによる漏水が総配水
量の1/6にもなるという問題があつた。最近は、
上水価格も高騰しており、省資源の観点からも、
単に高圧配水するだけでは不十分となつて来た。
そこで、需要増大時には、サービス圧力が確保で
き、さらに、需要減少時には、漏水が低減できる
ように、需要の変動に合わせて、バルブやポンプ
をきめ細かく操作することによつて管路網の圧力
を適正圧力に維持するという配水制御のニーズが
発生した。
る上水配水システムは、水の供給源である配水池
と、その配水池から送水をうける複数の需要端と
配水池と複数の需要端とを連結するいくつかの管
路網とを含む。上水道管路網の配水制御とは、管
路網の需要端における需要量に変動があつたとし
ても、管路網内の流量・圧力の分布を目標値に維
持できるように、管路網内のバルブの開度やポン
プの圧力を操作することである。従来の配水制御
においては、渇水時、事故時等に上水供給者（オ
ペレータ）がマニユアルに従つて操作するのみで
あつた。上水供給者は、朝、夕の需要増大時にも
一定圧力以上で配水する義務があり、これを達成
するために、必要以上の高圧によつて配水を行な
つていた。特に夜間の需要減少時においては、管
路網内の圧力が上昇し、これによる漏水が総配水
量の1/6にもなるという問題があつた。最近は、
上水価格も高騰しており、省資源の観点からも、
単に高圧配水するだけでは不十分となつて来た。
そこで、需要増大時には、サービス圧力が確保で
き、さらに、需要減少時には、漏水が低減できる
ように、需要の変動に合わせて、バルブやポンプ
をきめ細かく操作することによつて管路網の圧力
を適正圧力に維持するという配水制御のニーズが
発生した。
ところで、制御対象となる管路網内には、需要
量を時々刻々直接測定するオンライン計測器はな
く、数百からなる管路あるいは需要端を有する管
路網内のごく一部、たとえば数十ケ所に、センサ
（圧力計．流量計）がモニタ用に設けられている
にすぎない。
量を時々刻々直接測定するオンライン計測器はな
く、数百からなる管路あるいは需要端を有する管
路網内のごく一部、たとえば数十ケ所に、センサ
（圧力計．流量計）がモニタ用に設けられている
にすぎない。
このセンサの出力にもとづき、このセンサが設
けられた需要点の圧力を一定圧にするように配水
制御することも考えられるが、この場合、センサ
が設けられていない需要点の圧力が一定圧になる
という保障はなく、問題がある。
けられた需要点の圧力を一定圧にするように配水
制御することも考えられるが、この場合、センサ
が設けられていない需要点の圧力が一定圧になる
という保障はなく、問題がある。
また、センサを各需要端にすべて設置すること
も考えられるが、センサやそのセンサのデータを
通信する通信機器が高価であるため、現実にはセ
ンサによる計測点の数を限定せざるを得ないとい
う問題がある。
も考えられるが、センサやそのセンサのデータを
通信する通信機器が高価であるため、現実にはセ
ンサによる計測点の数を限定せざるを得ないとい
う問題がある。
また、各需要家に設けられた需要計を利用する
ことも考えられるが、この検針は月１回程度であ
り、１日の時々刻々の需要変化を検出することは
できないという問題がある。
ことも考えられるが、この検針は月１回程度であ
り、１日の時々刻々の需要変化を検出することは
できないという問題がある。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するた
めになされたものであり、センサの設けられてな
い需要端の圧力も所定圧力偏差内におさめること
ができる流体輸送システムの制御方式を提供する
ことを目的とする。
めになされたものであり、センサの設けられてな
い需要端の圧力も所定圧力偏差内におさめること
ができる流体輸送システムの制御方式を提供する
ことを目的とする。
本発明の特徴は、
管路網による流体輸送システムの制御方式にお
いて、 管路網内の需要端数よりも少ない所定地点の圧
力および流量を検出し、 需要端の各需要量を、あらかじめ得られている
上記管路網の流量・圧力平衡式の線形化式を用い
カルマンフイルタにより推定し、 この推定された需要量にもとづいて、上記需要
端の各圧力を目標圧力に近づけるように、上記管
路網内のバルブやポンプを制御することにより、 所定地点以外の需要端の圧力も所定圧力偏差内
におさめることを保障できるようにした点にあ
る。
いて、 管路網内の需要端数よりも少ない所定地点の圧
力および流量を検出し、 需要端の各需要量を、あらかじめ得られている
上記管路網の流量・圧力平衡式の線形化式を用い
カルマンフイルタにより推定し、 この推定された需要量にもとづいて、上記需要
端の各圧力を目標圧力に近づけるように、上記管
路網内のバルブやポンプを制御することにより、 所定地点以外の需要端の圧力も所定圧力偏差内
におさめることを保障できるようにした点にあ
る。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する
（なお、ここでは推定と予測とは区別して用語を
用いている）。
（なお、ここでは推定と予測とは区別して用語を
用いている）。
第１図において、１０は配水池であり、１１は
配水管路網１３内に設けられた圧力計または流量
計からなるセンサである。１２は配水制御用のバ
ルブである。１４は需要端である。需要端１４の
数に比べ、センサ１１の数は少ない。
配水管路網１３内に設けられた圧力計または流量
計からなるセンサである。１２は配水制御用のバ
ルブである。１４は需要端である。需要端１４の
数に比べ、センサ１１の数は少ない。
センサ１１によつて時刻ｔにおいて計測された
流量および圧力の観測デーztは、需要推定装置２
に入力される。需要量推定装置２（詳細について
は後述する）は観測データzt、後述する操作量偏
差Δut、需要量予測値yr、目標値ztにもとづいて、
時刻ｔにおける需要量yt｜tを推定する。記憶装
置４には、第４図および第５図に示すベース・テ
ーブルおよびカレント・パターン・テーブルを記
憶している。これらのテーブルは天候および曜日
により分類された１日の需要量の変化を示すパタ
ーンからなる。外部から入力される曜日Ｙ、天候
Ｗは需要予測装置５を介して、記憶装置４に入力
されている。
流量および圧力の観測デーztは、需要推定装置２
に入力される。需要量推定装置２（詳細について
は後述する）は観測データzt、後述する操作量偏
差Δut、需要量予測値yr、目標値ztにもとづいて、
時刻ｔにおける需要量yt｜tを推定する。記憶装
置４には、第４図および第５図に示すベース・テ
ーブルおよびカレント・パターン・テーブルを記
憶している。これらのテーブルは天候および曜日
により分類された１日の需要量の変化を示すパタ
ーンからなる。外部から入力される曜日Ｙ、天候
Ｗは需要予測装置５を介して、記憶装置４に入力
されている。
需要予測装置５は、運用計画装置１により１時
間程度の間隔で運用計画を行うための需要予測値
yrを求めるが、これは“運用計画需要予測値”と
して１時間程度先の需要を予想した値である。一
方、需要推定装置２では、後述の（15）式を用い
てｔ時刻での（ｔ＋１）時刻の需要量変動Δyt+1
を推定する。この推定演算は１時刻が２〜５分程
度となる間隔でおこなわれる。
間程度の間隔で運用計画を行うための需要予測値
yrを求めるが、これは“運用計画需要予測値”と
して１時間程度先の需要を予想した値である。一
方、需要推定装置２では、後述の（15）式を用い
てｔ時刻での（ｔ＋１）時刻の需要量変動Δyt+1
を推定する。この推定演算は１時刻が２〜５分程
度となる間隔でおこなわれる。
１日の途中においては、装置５は装置４に書き
込み命令が出力されており、装置４は、時々刻々
装置２より出力される需要推定値yt｜tを、カレ
ント・パターン・テーブル内の、曜日Ｙおよび天
候Ｗによつて推定されたエリアに書き込み、カレ
ント・パターン・テーブルを最新のパターンに更
新する。ベース・パターン・テーブルには、各需
要端の過去の需要推定値を、あらかじめ、季節、
天候、曜日ごとにまとめ、それを平均して算出し
た需要パターンが記憶されている。
込み命令が出力されており、装置４は、時々刻々
装置２より出力される需要推定値yt｜tを、カレ
ント・パターン・テーブル内の、曜日Ｙおよび天
候Ｗによつて推定されたエリアに書き込み、カレ
ント・パターン・テーブルを最新のパターンに更
新する。ベース・パターン・テーブルには、各需
要端の過去の需要推定値を、あらかじめ、季節、
天候、曜日ごとにまとめ、それを平均して算出し
た需要パターンが記憶されている。
一日の初めの時刻午前０時において、装置５か
ら装置４へ読み出し命令が出力される。装置４は
外部から入力された季節Ｓ、曜日Ｙ、天候Ｗに対
応する各需要端のベース・パターンを、ベース・
パターン・テーブルから選択して出力する。また
曜日Ｙ、天候Ｗに対応する各需要端のカレント・
パターンをカレント・パターン・テーブルから選
択して出力する。このようにして、出力されたベ
ースパターンBrはカレントパターンCrにより需
要予測装置５は次のようにして、当日の需要予測
を行なう。
ら装置４へ読み出し命令が出力される。装置４は
外部から入力された季節Ｓ、曜日Ｙ、天候Ｗに対
応する各需要端のベース・パターンを、ベース・
パターン・テーブルから選択して出力する。また
曜日Ｙ、天候Ｗに対応する各需要端のカレント・
パターンをカレント・パターン・テーブルから選
択して出力する。このようにして、出力されたベ
ースパターンBrはカレントパターンCrにより需
要予測装置５は次のようにして、当日の需要予測
を行なう。
予測需要量yrは
yr＝P^r・Qf (1)
より算出される。
ここで、P^rは配水比率、Qfは日平均配水量で
ある。なお、P^r，Qfは P^r＝αBr＋（１−α）Cr (2) Qf＝QB（１−λi）＋Ｆ（ｒ） (3) より算出された値である。ここで、 QB：基本水量 λi：祝祭日、天候比率 Ｆ（ｒ）：気温等の外乱要因補正項 α（０≦α≦１）：パターン比率 である。Prの一例を第６図に示す。式(1)にすべて
の需要端について需要予測を行い、需要予測ベク
トルyrを得る。このようにして得られたyrは装置
１および２に送られる。
ある。なお、P^r，Qfは P^r＝αBr＋（１−α）Cr (2) Qf＝QB（１−λi）＋Ｆ（ｒ） (3) より算出された値である。ここで、 QB：基本水量 λi：祝祭日、天候比率 Ｆ（ｒ）：気温等の外乱要因補正項 α（０≦α≦１）：パターン比率 である。Prの一例を第６図に示す。式(1)にすべて
の需要端について需要予測を行い、需要予測ベク
トルyrを得る。このようにして得られたyrは装置
１および２に送られる。
運用計画決定装置１の動作フロー図を第２図に
示す。装置１の動作説明に入る前に、配水管網の
特性について述べる。
示す。装置１の動作説明に入る前に、配水管網の
特性について述べる。
配水制御の対象である上水道管網の物理的特性
は、需要端（節点）１４における流量収支、およ
び管路（枝）における圧力平衡で次式のように表
現される。
は、需要端（節点）１４における流量収支、およ
び管路（枝）における圧力平衡で次式のように表
現される。
流量収支条件式
fi（xi，yi）＝
〓
ｊ∈A-（ｉ）xj−
〓
Ｊ∈A+（ｉ）xj−yi＝０ (4)
圧力平衡条件式
gj（xj，pi，uj）＝Ps(j)
−Pe(j)−hj（xj，uj）＝０ (5)
ここで、流量が管路及びバルブを通過する圧力
損失はそれぞれ流量の1.85乗及び２乗に比例する
ことがわかつているので、圧力損失水頭は枝（管
路）にバルブがないとき及びあるときに分けて次
のような実験式で表わせる。この式は実験に基づ
いたモデル式として一般に知られている。
損失はそれぞれ流量の1.85乗及び２乗に比例する
ことがわかつているので、圧力損失水頭は枝（管
路）にバルブがないとき及びあるときに分けて次
のような実験式で表わせる。この式は実験に基づ
いたモデル式として一般に知られている。
hj（xj，uj）＝Rj｜xi｜1.85sgn（xi）
（枝にバルブがないとき）
（Rj｜xj｜1.85＋uj｜xj｜2）sgn（xj）
（枝にバルブがあるとき） (6)
ここで、
ｉ＝１，２，……，ｎ：ネツトワークの節点
（需要端） ｊ＝１，２，……，ｎ：ネツトワークの枝（管
路） Pi：節点ｉの圧力 xj：枝ｊの流量 yi：節点ｉの需要量 A+（ｉ）：ｉを始点とする枝の集合 A-（ｉ）：ｉを終点とする枝の集合 S(j)：枝ｊの始点 e(j)：枝ｊの終点 R(j)：枝ｊの物理的性質によつて決まる抵抗
係数 sgn（xj）：xjの符号を示す。
（需要端） ｊ＝１，２，……，ｎ：ネツトワークの枝（管
路） Pi：節点ｉの圧力 xj：枝ｊの流量 yi：節点ｉの需要量 A+（ｉ）：ｉを始点とする枝の集合 A-（ｉ）：ｉを終点とする枝の集合 S(j)：枝ｊの始点 e(j)：枝ｊの終点 R(j)：枝ｊの物理的性質によつて決まる抵抗
係数 sgn（xj）：xjの符号を示す。
ui：バルブの開度による抵抗係数
である。需要量の変動を推定する方法を導びく、
ために、計測系の定式化を行う。この計測系は、
次のように記述できる。
ために、計測系の定式化を行う。この計測系は、
次のように記述できる。
ｚ＝Ｈ（ｘ
ｐ） (7)
ここで
ｚ：計測ベクトルｚ＝（z1，z2，……，zIS）T
zi：センサｉによつて計測された計測値
Is：センサ数の次元
ｘ：流量ベクトル ｘ＝（x1，x2，……，xn）T
ｐ：圧力ベクトル ｐ＝（p1，p2，……，po）T
Ｈ：計測行列、たとえば第１図のような管路網
内のセンサの設置場所なら次のような行列
なる。
内のセンサの設置場所なら次のような行列
なる。
Ｈ行列の第１行はセンサ１１の一方（例えば、
管路網左端のセンサ）に対応し、第２行は他方
（例えば、管路網中心のセンサ）に対応する。ま
た、21列のうち、前半の12列は12個の枝（管路）
に対応し、後半の９列は９個の需要端に対応す
る。
管路網左端のセンサ）に対応し、第２行は他方
（例えば、管路網中心のセンサ）に対応する。ま
た、21列のうち、前半の12列は12個の枝（管路）
に対応し、後半の９列は９個の需要端に対応す
る。
このように構成されたＨ行列内の“１”はセン
サの設置されている位置を示すことになる。
サの設置されている位置を示すことになる。
通常、需要端にあるセンサは圧力計であり、管
路上にあるセンサは流量計である。
路上にあるセンサは流量計である。
計測系の(7)式は、圧力あるいは流量の一部を計
測していることを表わしている。
測していることを表わしている。
次に装置１の動作を説明する。
ある需要予測に対して、最適な操作量を決定す
る方法を説明する。操作量ｕに関して適当な初期
状態upを設定する（101）。装置５から出力された
需要端ｉの需要量yi、初期操作量upの管路ｊにお
ける操作量ujが与えられているので、これらの値
(1)，(2)，(3)式に代入して、管路網の流量・圧力を
シユミレートする管網解析技法たとえば、マーロ
ー法、ニユートン法を用いて、流量ｘ、圧力ｐを
算出する（102）。その値に基づいき操作量ｕの修
正量Δuを評価関数の改善度合が最大となるよう
に決定する。修正されたｕの値で再び管路網の流
量・圧力をシユミレートを行い、次のステツプの
ｘ，ｐを求める（102〜104）。このくり返しをｘ，
ｐが一定値に収束するまで行えば、最適解を求め
ることができる。この方法を式で説明すれば次の
ようになる。最適な運用計画を決定するための評
価関数として、圧力制御を目標とした次の式を設
定する。
る方法を説明する。操作量ｕに関して適当な初期
状態upを設定する（101）。装置５から出力された
需要端ｉの需要量yi、初期操作量upの管路ｊにお
ける操作量ujが与えられているので、これらの値
(1)，(2)，(3)式に代入して、管路網の流量・圧力を
シユミレートする管網解析技法たとえば、マーロ
ー法、ニユートン法を用いて、流量ｘ、圧力ｐを
算出する（102）。その値に基づいき操作量ｕの修
正量Δuを評価関数の改善度合が最大となるよう
に決定する。修正されたｕの値で再び管路網の流
量・圧力をシユミレートを行い、次のステツプの
ｘ，ｐを求める（102〜104）。このくり返しをｘ，
ｐが一定値に収束するまで行えば、最適解を求め
ることができる。この方法を式で説明すれば次の
ようになる。最適な運用計画を決定するための評
価関数として、圧力制御を目標とした次の式を設
定する。
Ｊ＝‖ｐ−ｐ＊‖2→min (8)
ｐ＊は、漏水低減、サービス圧確保の観点から
決めた制御目標値であり、外部より装置１へ入力
される。ｐは、管路網内の需要端の圧力である。
この評価関数Ｊの改善度合を最大にする操作量ｕ
の修正Δuを決定すればよい。（ｉ＋１）回目のく
り返しによる操作量の修正量は、 Δui+1＝−（GT iGi）-1GT（pi−ｐ＊） (9) である。
決めた制御目標値であり、外部より装置１へ入力
される。ｐは、管路網内の需要端の圧力である。
この評価関数Ｊの改善度合を最大にする操作量ｕ
の修正Δuを決定すればよい。（ｉ＋１）回目のく
り返しによる操作量の修正量は、 Δui+1＝−（GT iGi）-1GT（pi−ｐ＊） (9) である。
ここで、
Gi：（A-1 iBi）の下のｎ行からなる行列
ｉ＋１ステツプの制御量ui+1は、
ui+1＝ui＋Δui+1 (10)
となる。この方法をくり返し、最適点に収束した
ところ（Ｊ＜ε）の操作量（バルブの開度、ポン
プの吐出圧）ｕ＝ur（最適操作量と呼ぶ）、流量
xr、圧力prを算出する。さらに、次式 zr＝Ｈ（xr pr） (11) より、計画計測ベクトルzrを算出する。
ところ（Ｊ＜ε）の操作量（バルブの開度、ポン
プの吐出圧）ｕ＝ur（最適操作量と呼ぶ）、流量
xr、圧力prを算出する。さらに、次式 zr＝Ｈ（xr pr） (11) より、計画計測ベクトルzrを算出する。
装置１は、このようにして算出した、ur，pr，
xr，zrを出力する。
xr，zrを出力する。
次に、需要推定装置２について説明する。
需要端の変動に対して、センサの数が制限され
ているため網全体の需要量変動を直接知ることは
できない。このため、カルマンフイルターの理論
を適用して、少数の測定点情報から管路網全体の
需要変動を推定し、次の時点の需要量の予測値を
得るように需要推定装置２は動作する。各需要端
１４の需要変動にともなつて、運用計画そのもの
の値で操作していたのでは、網全体の圧力・流量
が変動して、適正値に維持できない。そこで、需
要変動に追従した制御を行うために、バルブやポ
ンプを操作することにより、変化した流量・圧力
を適正値に到達させ、維持しようとするものであ
る。そのとき、もちろん流量・圧力条件式を満た
す操作量を決定する必要がある。運用計画決定装
置によつてあらかじめ、ある需要量に対する計画
値が決められているので、ある需要量からの変動
に対応した制御をすることになる。ある任意の時
刻ｔにおける需要量変動Δytによる流量・圧力の
変動は、式(4)〜(7)により次のように表わせる。
（ここでは操作量をΔutだけ変更したものと仮定
する） ｆ（xr，yr）＋∂f（xr，yr）／∂xΔxt＋
∂f（xr，yr）／∂yΔyt＝０(12) ｇ（xr，pr，ur）＋∂g（xr，pr，ur）／∂xΔxt ＋∂g（xr，pr＋ur）／∂pΔpr ＋∂g（xr，pr，ur）／∂uΔut＝０ （13） xr，pr，urは、需要量yrに対する運用計画値で
あり、流量・圧力条件式を満足するから、式(12)，
（13）は次の行列式に書き直せる。
ているため網全体の需要量変動を直接知ることは
できない。このため、カルマンフイルターの理論
を適用して、少数の測定点情報から管路網全体の
需要変動を推定し、次の時点の需要量の予測値を
得るように需要推定装置２は動作する。各需要端
１４の需要変動にともなつて、運用計画そのもの
の値で操作していたのでは、網全体の圧力・流量
が変動して、適正値に維持できない。そこで、需
要変動に追従した制御を行うために、バルブやポ
ンプを操作することにより、変化した流量・圧力
を適正値に到達させ、維持しようとするものであ
る。そのとき、もちろん流量・圧力条件式を満た
す操作量を決定する必要がある。運用計画決定装
置によつてあらかじめ、ある需要量に対する計画
値が決められているので、ある需要量からの変動
に対応した制御をすることになる。ある任意の時
刻ｔにおける需要量変動Δytによる流量・圧力の
変動は、式(4)〜(7)により次のように表わせる。
（ここでは操作量をΔutだけ変更したものと仮定
する） ｆ（xr，yr）＋∂f（xr，yr）／∂xΔxt＋
∂f（xr，yr）／∂yΔyt＝０(12) ｇ（xr，pr，ur）＋∂g（xr，pr，ur）／∂xΔxt ＋∂g（xr，pr＋ur）／∂pΔpr ＋∂g（xr，pr，ur）／∂uΔut＝０ （13） xr，pr，urは、需要量yrに対する運用計画値で
あり、流量・圧力条件式を満足するから、式(12)，
（13）は次の行列式に書き直せる。
Ar（Δx
Δp）t＝BrΔut＋CrΔyt（14）
ここで、
また、Er＝A-1 rBr，Fr＝A-1 rCrとする。
推定すべき需要量の変動Δytに関しては、あら
かじめどのように変化するかは不明であるので次
のようにする（状態方程式と呼ぶ）。式（14）は、
第一次近似までをとつて恒等的に０としたもの
で、第二次近似までをとつて恒等的に０としたも
ので、第二次項以下については表わしていない。
計測雑音等まで含めて考えると次のように表わす
のが実際的である。これを観測方程式と呼ぶ。
（式（16）は式（14）を式(7)とから導出される） 状態方程式 Δyt+1＝DΔyt＋ξt （15） 観測方程式 Δzt＝HFrΔyt＋HErΔur＋ωt （16） ここで、ξtは需要量の時間的変動の可能性を示
す統計的パラメータであり、ωtは、前述したよ
うな観測の雑音であり、あらかじめ与えられてい
る。ξt，ωtは互いに独立で、次の仮定をおく。す
べてのｔにおいて、平均値 Ｅ（ξt）＝０，Ｅ（ωt）＝０ であり、２乗平均値 Ｅ（ξtξT/〓）＝Ptδt〓， Ｅ（ωtωT/〓）＝Rtδt〓 であるものとする。
かじめどのように変化するかは不明であるので次
のようにする（状態方程式と呼ぶ）。式（14）は、
第一次近似までをとつて恒等的に０としたもの
で、第二次近似までをとつて恒等的に０としたも
ので、第二次項以下については表わしていない。
計測雑音等まで含めて考えると次のように表わす
のが実際的である。これを観測方程式と呼ぶ。
（式（16）は式（14）を式(7)とから導出される） 状態方程式 Δyt+1＝DΔyt＋ξt （15） 観測方程式 Δzt＝HFrΔyt＋HErΔur＋ωt （16） ここで、ξtは需要量の時間的変動の可能性を示
す統計的パラメータであり、ωtは、前述したよ
うな観測の雑音であり、あらかじめ与えられてい
る。ξt，ωtは互いに独立で、次の仮定をおく。す
べてのｔにおいて、平均値 Ｅ（ξt）＝０，Ｅ（ωt）＝０ であり、２乗平均値 Ｅ（ξtξT/〓）＝Ptδt〓， Ｅ（ωtωT/〓）＝Rtδt〓 であるものとする。
ξt，ωtは正規確率過程とする。
また、Ｄは需要の状態変数遷移行列を表わし、
具体的には、ｎ×ｎ（ｎは需要端の数）の単位行
列である。
具体的には、ｎ×ｎ（ｎは需要端の数）の単位行
列である。
さて、需要量推定装置の動作は次のごとくであ
る。
る。
需要量推定装置２は、時刻ｔの計測値と目標値
との偏差Δzt（＝zt−zr）、時刻ｔの操作量と運用
計画値の偏差Δut（＝ut−ur）を入力とし、次の関
係から管路網全体の需要量変動を推定する。
との偏差Δzt（＝zt−zr）、時刻ｔの操作量と運用
計画値の偏差Δut（＝ut−ur）を入力とし、次の関
係から管路網全体の需要量変動を推定する。
Δy^t|t＝Δy＊t|t-1＋Kt｛Δzt−（HFrΔy＊
t|t-1＋HErΔut）｝ （17）
Kt＝St（HFr）Rt -1 （18）
St -1＝（HFr）TRt -1（HFr）＋Pt -1
ここに、
Δy^t|t：（ｔ）時点での（ｔ）時点の需要量
（変動）指定値 Δy＊t|t-1：（ｔ−１）時点での（ｔ）時点の
需要量（変動）の予測量 Kt：推定誤差修正ゲイン Δzt：（ｔ）時点での圧力（流量）の実測
値（＝zr−zr） HFr：Δyに対するΔzの感度行列 HEr：Δuに対するΔzの感度行列 Rt：時刻ｔでの観測ノイズξtの分散行列 Pt：時刻ｔでのξtの分散行列 上記（18）式から明らかな通り、需要量推定装
置２においては、時刻（ｔ−１）で予測した需要
の変動ｙ＊t|t-1に対し、この式の第２項の関係
から、ｙ＊t|t-1と操作量の変動Δutとから求まる
値によつて修正を加えている。なお、修正ゲイン
Ktはｔ時点までの推定誤差の２乗平均を最小に
するごとき修正係数であつて、（18）式より推定
時点毎に時々刻々求められる。
（変動）指定値 Δy＊t|t-1：（ｔ−１）時点での（ｔ）時点の
需要量（変動）の予測量 Kt：推定誤差修正ゲイン Δzt：（ｔ）時点での圧力（流量）の実測
値（＝zr−zr） HFr：Δyに対するΔzの感度行列 HEr：Δuに対するΔzの感度行列 Rt：時刻ｔでの観測ノイズξtの分散行列 Pt：時刻ｔでのξtの分散行列 上記（18）式から明らかな通り、需要量推定装
置２においては、時刻（ｔ−１）で予測した需要
の変動ｙ＊t|t-1に対し、この式の第２項の関係
から、ｙ＊t|t-1と操作量の変動Δutとから求まる
値によつて修正を加えている。なお、修正ゲイン
Ktはｔ時点までの推定誤差の２乗平均を最小に
するごとき修正係数であつて、（18）式より推定
時点毎に時々刻々求められる。
さらに、次のサンプリング時刻（ｔ＋１）での
予測需要量（変動）ｙ＊t+1|tと、ξt+1の分散行
列は、次の予測式で求まる。
予測需要量（変動）ｙ＊t+1|tと、ξt+1の分散行
列は、次の予測式で求まる。
Δy＊t+1|t＝DΔy^t|t （19）
Pt＝DStDT＋Pt （20）
このように逐次、計測値ztと操作量utを入力と
して、需要量変動の予測値Δy＊t+1|tを求めるこ
とができる。従つて、需要端の需要変動に対し
て、少数の測定点情報から管路網全体の需要変動
を推定し、次の時点の需要量予測値が得られる。
需要予測装置２のブロツク図を第３図に示す。
して、需要量変動の予測値Δy＊t+1|tを求めるこ
とができる。従つて、需要端の需要変動に対し
て、少数の測定点情報から管路網全体の需要変動
を推定し、次の時点の需要量予測値が得られる。
需要予測装置２のブロツク図を第３図に示す。
次に操作量決定装置３の動作を説明する。
装置３においては、需要推定装置２で予測した
次の時刻（ｔ＋１）の需要予測量Δy＊t+1|tと、
時刻ｔの操作量Δutとから時刻ｔの操作量ut+1を
得るという機能を持つ。装置３は目標圧力からの
ずれを最小にして適正圧力を保持するという意味
から次のような評価関数を設定する。
次の時刻（ｔ＋１）の需要予測量Δy＊t+1|tと、
時刻ｔの操作量Δutとから時刻ｔの操作量ut+1を
得るという機能を持つ。装置３は目標圧力からの
ずれを最小にして適正圧力を保持するという意味
から次のような評価関数を設定する。
Jt+1＝‖（Δxt+1
ΔPt+1）‖2P＋‖ut+1−ut‖2Q→min
（21）
Ｐ，Ｑ：重み行列（正定行列）
（21）式中の第１項は、需要変動によつて起き
た流量圧力の変動を運用計画値 （xr pr）に近づけるという目的をもち、 第２項は、時刻（ｔ＋１）での操作量ut+1とのず
れ（時刻（ｔ＋１））で操作する変量）が過大に
なるのを防ぐ目的をもつ項である。
た流量圧力の変動を運用計画値 （xr pr）に近づけるという目的をもち、 第２項は、時刻（ｔ＋１）での操作量ut+1とのず
れ（時刻（ｔ＋１））で操作する変量）が過大に
なるのを防ぐ目的をもつ項である。
上記（21）式を（14）式を用いて変形すると
Jt+1＝‖At -1BrΔu＋Ar -1CrΔyr‖2P＋‖ut+1
−ut‖2Q ＝〔ErΔu＋FrΔyt〕TＰ〔ErΔu＋FrΔyt〕 ＋〔ut+1−ut〕TＱ〔ut+1−ut〕 ここで、∂Jt+1／∂Δu＝０とおくと、Δuの空間にお いて上記の評価関数を最小にする操作量は次式に
よつて表わされる。
−ut‖2Q ＝〔ErΔu＋FrΔyt〕TＰ〔ErΔu＋FrΔyt〕 ＋〔ut+1−ut〕TＱ〔ut+1−ut〕 ここで、∂Jt+1／∂Δu＝０とおくと、Δuの空間にお いて上記の評価関数を最小にする操作量は次式に
よつて表わされる。
Δut+1＝−（ETPE＋Ｑ）-1
〔ETPFΔy＊t+1|t＋Ｑ（ur−ut）〕 （22）
ut+1＝ut＋Δut+1 （23）
ここに
Ｅ（＝Ar -1Br）：Δuに対する（Δx
Δp）の感度
行列。
Ｆ（＝Ar -1Cr）：Δyに対する（Δx
Δp）の感度
行列。
Ｐ：（18）式中第１項の重み行列。
Ｑ：（18）式中第２項の重み行列。
ur：需要量yrのときの運用計画値
（22）式の右辺のur−utはΔutでもあるから、
ここに誘導した制御方策は一種のPI（比例積分）
型制御であるとみなすことができる。また、目的
関数式（21）の第二項を導入することで、バルブ
の疲弊の低減故障の低減ができる。第３図は、需
要量推定装置２と制御装置３のブロツク図を示す
ものである。
ここに誘導した制御方策は一種のPI（比例積分）
型制御であるとみなすことができる。また、目的
関数式（21）の第二項を導入することで、バルブ
の疲弊の低減故障の低減ができる。第３図は、需
要量推定装置２と制御装置３のブロツク図を示す
ものである。
以上説明したように本発明によれば、
(1) センサが設けられていない需要端の圧力も目
標圧力範囲になるように保障できる。すなわち
限られた観測点における観測データから、管路
網内の各需要端の需要量を推定することによ
り、観測点以外の需要端や管路についても、需
要変動にともなう圧力の過不足等が起らないよ
うに、制御することができる。
標圧力範囲になるように保障できる。すなわち
限られた観測点における観測データから、管路
網内の各需要端の需要量を推定することによ
り、観測点以外の需要端や管路についても、需
要変動にともなう圧力の過不足等が起らないよ
うに、制御することができる。
(2) 曜日、天候ごとに集計された過去の配水需要
データから需要予測をしているので、きめこま
かい需要予測にもとづいた配水ができる。
データから需要予測をしているので、きめこま
かい需要予測にもとづいた配水ができる。
３ 第１図に示すように、予測された需要量に基
ずいて多変数非線形モデルの最適化計算を行う
運用計画決定装置１と、線形化された管網のモ
デルを持ち線形の最適フイードバツク制御を行
う、操作量決定装置３および需要推定装置２と
いうように分けている。これは、最適運用計画
を決定する最適計算をオフライン計算であらか
じめ求めておくことにより、オンライン計算部
である装置２，３を簡便化している。これによ
つて数百という管路からなる大規模管路網にお
いても配水制御を実現することができる。
ずいて多変数非線形モデルの最適化計算を行う
運用計画決定装置１と、線形化された管網のモ
デルを持ち線形の最適フイードバツク制御を行
う、操作量決定装置３および需要推定装置２と
いうように分けている。これは、最適運用計画
を決定する最適計算をオフライン計算であらか
じめ求めておくことにより、オンライン計算部
である装置２，３を簡便化している。これによ
つて数百という管路からなる大規模管路網にお
いても配水制御を実現することができる。
(4) オンラインによる需要推定値に基づいた需要
予測装置への入力情報を与えることができる。
また、需要予測装置を設けることにより、オン
ラインの需要データや需要変動要因を自動的に
集計しているので、これを用いている運用計画
の精度向上がはかられる。
予測装置への入力情報を与えることができる。
また、需要予測装置を設けることにより、オン
ラインの需要データや需要変動要因を自動的に
集計しているので、これを用いている運用計画
の精度向上がはかられる。
第１図は本発明の一実施例のブロツク図、第２
図は運用計画決定装置の動作フロー図、第３図は
需要推定装置および操作量決定装置のブロツク
図、第４図は需要量のベース・パターン・テーブ
ルの構成図、第５図は需要量のカレント・パター
ン・テーブルの構成図、第６図は配水比率の一例
図である。 １：運用計画決定装置、２：需要推定装置、
３：操作量決定装置、４：記憶装置、５：需要予
測装置。
図は運用計画決定装置の動作フロー図、第３図は
需要推定装置および操作量決定装置のブロツク
図、第４図は需要量のベース・パターン・テーブ
ルの構成図、第５図は需要量のカレント・パター
ン・テーブルの構成図、第６図は配水比率の一例
図である。 １：運用計画決定装置、２：需要推定装置、
３：操作量決定装置、４：記憶装置、５：需要予
測装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 流体輸送のための管路網内における需要端の
数よりも少ない所定地点の圧力および流量を検出
する段階と、あらかじめ得られている上記管路網
の流量・圧力平衡式の線形化式を用いカルマンフ
イルタにより上記需要端の各需要量を推定する段
階と、 該推定された需要量にもとづいて、上記需要端
の各圧力を目標圧力に近づけるように、上記管路
網内のバルブやポンプを制御する段階とからなる
ことを特徴とする流体輸送システムの制御方式。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56098300A JPS58700A (ja) | 1981-06-26 | 1981-06-26 | 流体輸送システムの制御方式 |
| US06/655,436 US4569012A (en) | 1981-06-26 | 1984-09-28 | Method and system for controlling fluid transportation in a pipe network |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56098300A JPS58700A (ja) | 1981-06-26 | 1981-06-26 | 流体輸送システムの制御方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58700A JPS58700A (ja) | 1983-01-05 |
| JPH0351960B2 true JPH0351960B2 (ja) | 1991-08-08 |
Family
ID=14216062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56098300A Granted JPS58700A (ja) | 1981-06-26 | 1981-06-26 | 流体輸送システムの制御方式 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4569012A (ja) |
| JP (1) | JPS58700A (ja) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4686628A (en) * | 1984-07-19 | 1987-08-11 | Fairchild Camera & Instrument Corp. | Electric device or circuit testing method and apparatus |
| US4720807A (en) * | 1985-05-20 | 1988-01-19 | Vacuum General, Inc. | Adaptive pressure control system |
| JPS6365513A (ja) * | 1986-09-06 | 1988-03-24 | Fuji Electric Co Ltd | 配水量デ−タ欠損時の自動修復方法 |
| DE3789268T2 (de) * | 1986-10-20 | 1994-06-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Vorrichtung zur Unterbrechung eines Gasflusses. |
| JPS63163610A (ja) * | 1986-12-26 | 1988-07-07 | Toshiba Corp | 配水管網制御システム |
| US4827430A (en) * | 1987-05-11 | 1989-05-02 | Baxter International Inc. | Flow measurement system |
| DE3829831A1 (de) * | 1988-09-02 | 1990-03-15 | Hansa Metallwerke Ag | Einrichtung zum zapfen einer vorwaehlbaren fluessigkeitsmenge, insbesondere wassermenge |
| US4951549A (en) * | 1988-12-12 | 1990-08-28 | Olsen Controls, Inc. | Digital servo valve system |
| US5047965A (en) * | 1989-01-05 | 1991-09-10 | Zlokovitz Robert J | Microprocessor controlled gas pressure regulator |
| US5592397A (en) * | 1993-05-11 | 1997-01-07 | Tokyo Gas Co., Ltd. | Computer program product for determining elementary circuits and initial values of flow in a pipe network |
| US5414641A (en) * | 1993-05-11 | 1995-05-09 | Tokyo Gas Co., Ltd | Method and apparatus for determining elementary circuits and initial values of flows in a pipe network |
| JP3352153B2 (ja) * | 1993-06-17 | 2002-12-03 | 株式会社東芝 | 配水流量予測装置 |
| JP3800713B2 (ja) * | 1996-09-12 | 2006-07-26 | 株式会社明電舎 | 配水施設制御装置 |
| US6112137A (en) * | 1998-02-04 | 2000-08-29 | Gas Research Institute | Adaptive system for predictive control of district pressure regulators |
| US7647136B2 (en) * | 2006-09-28 | 2010-01-12 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Method and apparatus for enhancing operation of a fluid transport pipeline |
| FR2946704B1 (fr) * | 2009-06-16 | 2013-02-22 | Inst Francais Du Petrole | Methode pour reduire la perte de charge d'un liquide en ecoulement dans une conduite en tenant compte de la degradation d'agents reducteurs de trainee. |
| US9175810B2 (en) * | 2012-05-04 | 2015-11-03 | General Electric Company | Custody transfer system and method for gas fuel |
| WO2015083551A1 (ja) * | 2013-12-02 | 2015-06-11 | 株式会社東芝 | 漏水抑制装置、漏水抑制システム、および漏水抑制プログラム |
| CN106641731B (zh) * | 2017-01-20 | 2021-04-20 | 荆州嘉华科技有限公司 | 一种流体输配系统调压节能装置及方法 |
| CN109595469A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-09 | 清华大学 | 输水管网的水压检测和水流系统及方法 |
| EP3699700A1 (de) * | 2019-02-25 | 2020-08-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Druckregelung in einem versorgungsnetz |
| CN116102096B (zh) * | 2023-01-17 | 2024-03-01 | 中节能国祯环保科技股份有限公司 | 一种城市污水厂网一体化的控制方法及系统 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5350863A (en) * | 1976-10-20 | 1978-05-09 | Hitachi Ltd | Demand quantity estimating apparatus for flow rate pressure controlling in piping network |
| JPS5467876A (en) * | 1977-11-11 | 1979-05-31 | Hitachi Ltd | System of using fluid transportation facility |
| JPS57178512A (en) * | 1981-04-29 | 1982-11-02 | Mitsubishi Electric Corp | Controller for water distributing pipe network |
-
1981
- 1981-06-26 JP JP56098300A patent/JPS58700A/ja active Granted
-
1984
- 1984-09-28 US US06/655,436 patent/US4569012A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4569012A (en) | 1986-02-04 |
| JPS58700A (ja) | 1983-01-05 |
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