JP3397475B2 - 水運用計画装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の取水源、浄水
場、配水池からなり、浄水場または配水池を経由して複
数の需要家のそれぞれに浄水を供給する送水系統におい
て、取水コスト、浄水生産コスト、浄水送水コストが最
小となるように計画制御する水運用計画装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に送水系統は取水源、浄水池、配
水池、ポンプ及び電動弁から構成される。そしてこれら
の組み合わせ方は、個数も含み無数に考えられる。

【０００３】送水系統において、取水源で取水された水
は、浄水池で浄化され、浄水となって配水池に蓄えられ
る。次に配水池に蓄えられた浄水は、その後需要家側へ
配水される。

【０００４】ところで、取水源、浄水池、および配水池
は、それぞれ複数配置されており、複数の配水池から複
数の需要家へ配水される。このような構成からなる送水
系統においては、需要家への配水量に基づいて取水源、
浄水池および配水池の流量を個別に制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
送水系統においては、取水源、浄水池および配水池の流
量は個別に制御されているのが実情であり、送水系統全
体における運転コストはあまり考慮されていない。この
ように従来は、水資源の有効活用および経済的運用のた
めに、送水系統を総合的に管理運営していない。

【０００６】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、水資源の有効活用および経済的運用を行う
ため、運転コストを考慮して送水系統全体を運転管理す
ることができる水運用計画装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複数の取水源、複数の浄水池および複数の配水池からな
り、複数の需要家の各々に浄水を供給する送水系統の水
運用計画装置において、ｎ日間の過去の取水源の取水流
量、浄水池の浄水生産量、および配水池への送水流量の
実績値を求めるとともに、各々の実績値を組合せたｎ×
ｎ×ｎ個分の個体データからなる初期集団を生成する手
段と、この初期集団の個体データについて、需要量の予
測値、取水流量の制約条件、浄水生産量の制約条件、浄
水池と配水池の水位の制約条件、取水コスト、浄水生産
コスト、および送水コストに基づいて評価関数により適
応度を求める手段と、各個体データ毎の適応度に基づい
て、取水コスト、浄水生産コストおよび送水コストが最
小となる取水流量、浄水生産量および送水流量を求める
手段と、を備えたことを特徴とする水運用計画装置であ
る。

【０００８】請求項２記載の発明は、複数の取水源、複
数の浄水池および複数の配水池からなり、複数の需要家
の各々に浄水を供給する送水系統の水運用計画装置にお
いて、当日の需要量の特徴と類似する過去のｍ日の取水
源の取水流量、浄水池の浄水生産量、および配水池への
送水流量の実績値を求め、各々の実績値からｍ個の個体
データからなる初期集団を生成する手段と、この初期集
団の個体データについて、需要量の予測値、取水流量の
制約条件、浄水生産量の制約条件、浄水池と配水池の水
位の制約条件、取水コスト、浄水生産コスト、および送
水コストに基づいて評価関数により適応度を求める手段
と、各個体データ毎の適応度に基づいて、取水コスト、
浄水生産コストおよび送水コストが最小となる取水流
量、浄水生産量および送水流量を求める手段と、を備え
たことを特徴とする水運用計画装置である。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明によれば、ｎ日間の過去の
取水流量、浄水流量および送水流量の実績値から、ｎ×
ｎ×ｎ個分の個体データからなる初期集団を生成し、こ
の初期集団の個体データについて、送水系統の制約条
件、需要量の予測値、および取水コスト、浄水生産コス
ト、送水コストに基づいて、評価関数により適応度を求
め、この各個体データ毎の適応度に基づいて、取水コス
ト、浄水生産コストおよび送水コストが最小となる取水
流量、浄水生産量、および送水量を求める。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、当日の需要
量の特徴と類似する過去のｍ日の取水流量、浄水生産
量、および送水流量の実績値から、ｍ個の個体データか
らなる初期集団を生成し、この初期集団の個体データに
ついて、送水系統の制約条件、需要量の予測値、および
取水コスト、浄水生産コスト、送水コストに基づいて、
評価関数により適応度を求め、この各個体データ毎の適
応度に基づいて、取水コスト、浄水生産コストおよび送
水コストが最小となる取水流量、浄水生産量、および送
水量を求める。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して発明の実施例について
説明する。図１乃至図５は、本発明による水運用計画装
置の一実施例を示す図である。まず、図１により本発明
が適用される送水系統について述べる。図１に示すよう
に、送水系統は取水源Ｏと、水位計Ｆ０を有する浄水池
Ｈと、３カ所の配水池Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３と、取水ポンプ
Ｓと、送水ポンプＫとを備え、各配水池Ｊ１、Ｊ２、Ｊ
３には電動弁Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が設けられている。

【００１２】図１において、取水源Ｏより取水ポンプＳ
により取水された原水は、浄水プロセスＡによって浄化
され浄水池Ｈに貯水される。その後、浄化された浄水は
送水ポンプＫによって、浄水池Ｈから配水池Ｊ１、Ｊ２
に送水され、配水池Ｊ１の浄水は、需要家Ｄ１に配水さ
れる。一方、配水池Ｊ２の浄水は、配水池Ｊ３を介して
需要家Ｄ３に配水されるとともに、直接需要家Ｄ４にも
配水される。上述のように各配水池Ｊｉ（ｉ＝１，…，
３）には、流入する浄水量を調整する電動弁Ｌｉが設け
られている。更に各配水池Ｊｉには、配水池Ｊｉの水位
を検出する水位計Ｆｉと、この水位計Ｆｉの検出値に基
づいて電動弁Ｌｉを介して配水池Ｊｉに流入する浄水の
量を制御する水位調整手段３３と、浄水の流出量を検出
する流量計Ｇｉが設置されている。

【００１３】需要家Ｄ１、Ｄ３の浄水の使用量は、Ｇ
１、Ｇ３によって検出され、また、需要家Ｄ４の浄水の
使用量は、配水池Ｊ２と需要家Ｄ４を結ぶ浄水の送水路
上に設置された流量計Ｇ４で検出される。これらの流量
計Ｇ１〜Ｇ４の検出値、浄水池Ｈの水位、および各配水
池Ｊｉの水位は、後述する水運用計画装置に送られる。

【００１４】次に、本発明による送水系統の水運用計画
装置について述べる。水運用計画装置１０は、予め求め
られた各配水池Ｊｉの需要予測値１と、浄水池Ｈと各配
水池Ｊｉの水位制約条件と、水位計Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２、
Ｆ３によって検出された浄水池Ｈと各配水池Ｊｉの水位
と、取水源Ｏから浄水プラントＡに取水できる原水の
量、浄水池Ｈから各配水池Ｊｉに流せる浄水の量の制約
条件に基づいて、浄水場プラントＡへの取水流量、浄水
池Ｈの浄水生産量、および各配水池Ｊｉへの送水流量を
計画するものである。この水運用計画装置１０の計画値
に基づいて、取水流量調整手段２２を介して取水流量調
整装置３１によって流量計Ｒの信号を用いてポンプＳが
制御される。同様に送水流量調整手段２３を介して送水
流量調整装置３２によって圧力計Ｅの信号を用いて送水
ポンプＫが制御される。更に水位調整手段２４および水
位調整手段３３によって水位計Ｆｉの信号を用いて各配
水池Ｊｉの流入弁Ｌｉが制御される。これにより、計画
値通りに取水流量、浄水生産量、送水流量、および各配
水池水位が制御される。

【００１５】次に水運用計画装置１０内の作用について
説明する。まず以下の目的関数を定める。

【００１６】 Ｊ＝Ｊｉｎ（取水コスト）＋Ｊｐｄ（浄水生産コスト）＋Ｊｏｕｔ（送水コス ト）→ｍｉｎ ……（１） ここで、 （ｊ＝１〜 ｌ：取水源の数） （ｊ＝１〜ｍ ｍ：浄水場の数） （ｊ＝１〜ｎ ｎ：送水管の数）である。

【００１７】また、式（２）〜（４）における各変数
は、次に示すとおりである。 Ｗｉｃ ：取水源Ｏから取水した場合の取水コス
ト［円／ｍ³ ］ Ｗｐｃ ：浄水場Ａにおける浄水生産コスト
［円／ｍ³ ］ Ｗｏｃ(j) ：浄水池Ｈから各配水池Ｊｉへの送水コ
ストまたは、配水池間の送水コスト ［円／ｍ
³ ］ Ｑｉｎ(i,j) ：取水源Ｏからのｉ時の取水量
［円／ｍ³ ］ Ｑｐ(i,j) ：浄水場Ｓのｉ時の浄水生産量
［円／ｍ³ ］ Ｑｏｕｔ(i,j) ：浄水場Ｈから各配水池Ｊｉへの送水量
または、配水池間の送水量 ［円／ｍ³ ］ 制約条件は、プラントの施設能力を考慮して、以下の様
になる。 （１）取水量に関する制約式 １日に取水できる最大取水流量を２４時間に等分する
と、以下の制約式を得る。 ０≦Ｑｉｎ（ｉ，ｊ）≦Ｑｉｍａｘ（ｊ） ……（５） Ｑｉｍａｘ（ｊ）：１日の最大取水流量を２４時間で等
分した値［ｍ³ ／ｈ］ （２）浄水生産量に関する制約 各浄水場の施設能力を考慮して、１日に生産できる浄水
生産量を２４時間で等分すると、以下の制約式を得る。 ０≦Ｑｐ（ｉ，ｊ）≦Ｑｐｍａｘ（ｊ） ……（６） Ｑｐｍａｘ（ｊ）：１日の最大浄水生産量を２４時間で
等分した値［ｍ³ ／ｈ］ （３）送水量上下限値に関する制約 送水流量は、送水管の管径、送水ポンプの吐出流量によ
って制限される。ここでは、送水管毎に送水流量の上限
値を以下の様に規定する。 ０≦Ｑｏｕｔ（ｉ，ｊ）≦Ｑｏｍａｘ（ｊ） ……（７） Ｑｏｍａｘ（ｊ）：送水管毎の送水流量上限値［ｍ³ ／
ｈ］ （４）浄水場及び配水池水位に関する制約 浄水場あるいは配水池の流入および流出の関係から、浄
水場あるいは配水池の水位変動が生じる。浄水場及び配
水池には、運用上、上下限水位があるので、以下の水位
制約式を得る。

【００１８】 ｈｐ(i,j) ＝ｈｐ (i-1,j)＋1/A1(j) ＊（Ｑｐ(i,j) −Ｑout(i,j)）…（８） ｈｏ(i,j) ＝ｈｏ (i-1,j)＋1/A2(j) ＊（Ｑout(i,j)−Ｑｙ（i,j)）…（９） ｈｐ(i,j) ：ｊ番目の浄水場の配水池水位［ｍ］ ｈｏ(i,j) ：ｊ番目の配水池の配水池水位［ｍ］ Ａ１(j) ：ｊ番目の浄水場の浄水池断面積［ｍ² ］ Ａ２(j) ：ｊ番目の配水池の配水池断面積［ｍ² ］ Ｑｙ(i,j) ：需要ｊの需要量［ｍ³ ／ｈ］ 次に、上記各式（１）−（９）を用いて、各取水源の１
日の取水量、各浄水場の１日の浄水生産量、各配水池へ
送水する１日の送水流量をＧＡ（Genetic Argorith ms
）によって演算する。

【００１９】まず取水源Ｏからの取水流量Ｑｉｎ（ｉ，
ｊ）、浄水場Ａの浄水生産量Ｑｐ（ｉ，ｊ）、送水管を
流れる送水流量Ｑｏｕｔ（ｉ，ｊ）を０、１の２進数で
表現する。具体的には、取水流量、浄水生産量、送水流
量を過去のある日の実績値を基に下記に示すように、
０、１のビットで表現する。

【００２０】 １２３４５６・・・ｎ 取水流量 ：［１１１０００・・・０］ 浄水生産量：［１１１０００・・・０］ ^{｝ ……（10）} 送水流量 ：［１１１０００・・・０］ 上記の中で、１２３４５６・・・ｎ列は２ⁿ 、２^n-1 、
・・・、２⁰ を表しており、例えば、（11）の例では、
取水流量、浄水生産量、送水流量ともにその値が、 ２ⁿ ＋２^n-1 ＋２^n-2 であることを示している。このビット行を参照する過去
の実績値の日数分だけ準備する。

【００２１】（10）式に示した取水流量、浄水生産量、
送水流量のビット行それぞれに関して、下記操作を行う
ことにより、組み合わせによる最適な計画値を得る。 （ステップ１）取水流量、浄水生産量、送水流量の各ビ
ット行に関して、参照する過去の実績値の組み合わせを
構成し、初期集団を生成する。例えば、ｎ日間の過去の
実績データを参照する場合は下記の様な組み合わせをｎ
×ｎ×ｎ個生成する。生成したそれぞれの集団を個体と
称する。

【００２２】 取水流量 浄水生産量 送水流量 ［１１１０００・・・０ １１１０００・・・０ １１１０００・・・０］ （ステップ２）次に、取水コスト、浄水生産コスト、送
水コストと取水に関する制約、浄水生産に関する制約、
送水に関する制約を基にした評価関数をそれぞれの生成
した集団について演算する。演算した値を適応度と呼
ぶ。適応度は例えば、コスト評価を行う式（１）に式
（５）〜（９）に示した各制約を組み合わせて作成し、
制約を満足しない場合は、過大な適応度を与えるよう考
慮しておく（図２）。 （ステップ３）次に図３に示すように、各個体に対して
演算した適応度に関して、適応度の和に対する割合を演
算し、この割合が小さな個体を割合に相応して次世代に
優先的に再生する。この時、最初に生成した集団の総数
が変化しないように割合が大きなものは、取り除かれ
る。すなわち、図３において、割合がａ₂ のものは適応
度が大きいものであるから図３から取除かれ、これに対
して割合がａ_{n ×n ×n} のものは適応度が小さいもので
あるから、次世代に優先的に残すため再生して２分割す
る。このように、割合がａ_{n ×n ×n} のものを２つに分
割するとともに、割合がａ₂ のものを除くことにより、
集団の総数を変化させないようにする。 （ステップ４）次に図４に示すように、再生された各個
体の内、任意の２つの個体をランダムに選択し、選択し
た個体にある境界線をランダムに選びこの境界線を境と
して、２つの個体を入れ替える。この操作を交叉と呼
ぶ。図４において取水流量の交叉のみを示したが、この
交叉は浄水生産量、送水流量の各ビットについても行わ
れる。この操作により、新しい２つの個体が生成され
る。 （ステップ５）図５に示すように（ステップ４）で生成
された新しい個体に対して、ある確率である個体のビッ
トの０と１を反転する。この操作を突然変異と呼ぶ。こ
の反転は、取水流量、浄水生産量、送水流量の各ビット
毎に行われる。突然変異により生成された個体を付加し
た状態の集団の中で、適応度がもっとも大きいものを取
り除く。 （ステップ６）今回の適応度の値の平均値と前回の適応
度の値の平均値との差がある値以上の場合は、（ステッ
プ２）に戻る。ある値以下になった場合は、生成された
個体の中でもっとも適応度の小さい個体を選択し、選択
した個体を取水流量、浄水生産量、送水流量の計画値に
変換して終了する。

【００２３】このようにして、水運用計画装置１０にお
いて、取水流量、浄水生産量、および送水流量の計画値
が求められ、これらの値は前述のように取水流量調整手
段２２、送水流量調整手段２３および水位調整手段２４
に送られる。

【００２４】本実施例によれば取水から配水までの送水
系統においてコストが最小となる運用計画を求め、この
運用計画により送水系統の運転管理を行うことができ
る。

【００２５】次に本発明の変形例について述べる。

【００２６】上記実施例において、ｎ日間の過去の実績
データからｎ×ｎ×ｎ個の初期集団を求める例を示した
が（ステップ１）、この（ステップ１）の代わりに当日
の需要量の特徴と類似する過去のｍ日の取水源の取水流
量、浄水池の浄水生産量、および配水池への送水流量の
実績値をニューラルネットワークにより求め、各々の実
績値からｍ個の個体データからなる初期集団を求めても
よい。この場合、水運用計画装置１０における演算を速
やかに行うことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
運転コストの低減を図ることができ、また水資源の有効
活用および経済的運用を行うことができる。このため送
水系統全体の効率的な運転管理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水運用計画装置が適用される送水
系統全体の概略ブロック図。

【図２】水運用計画装置における作用を示す図。

【図３】水運用計画装置における作用を示す図。

【図４】水運用計画装置における作用を示す図。

【図５】水運用計画装置における作用を示す図。

【符号の説明】

１ 需要予測値 ２ 各設備の制約条件 １０ 水運用計画装置 ２２ 取水流量調整手段 ２３ 送水流量調整手段 ２４ 水位調整手段 ３１ 取水流量調整装置 ３２ 送水流量調整装置 ３３ 配水池流入流量調整装置 Ｏ 取水源 Ｓ 取水ポンプ Ａ 浄水プラント Ｈ 浄水池 Ｋ 送水ポンプ Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３ 配水池 Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 流量計 Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ 水位計 Ｅ 圧力計 Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 電動弁

フロントページの続き (72)発明者 小 林 主一郎 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (56)参考文献 特開 平６−230829（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−259106（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−102939（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−204412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−137475（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−276687（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−108117（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E03B 1/00 G05B 13/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の取水源、複数の浄水池および複数の
   配水池からなり、複数の需要家の各々に浄水を供給する
   送水系統の水運用計画装置において、 ｎ日間の過去の取水源の取水流量、浄水池の浄水生産
   量、および配水池への送水流量の実績値を求めるととも
   に、各々の実績値を組合せたｎ×ｎ×ｎ個分の個体デー
   タからなる初期集団を生成する手段と、 この初期集団の個体データについて、需要量の予測値、
   取水流量の制約条件、浄水生産量の制約条件、浄水池と
   配水池の水位の制約条件、取水コスト、浄水生産コス
   ト、および送水コストに基づいて評価関数により適応度
   を求める手段と、各個体データ毎の適応度に基づいて、
   取水コスト、浄水生産コストおよび送水コストが最小と
   なる取水流量、浄水生産量および送水流量を求める手段
   と、を備え、 取水流量、浄水生産量および送水流量を求める手段は、 初期集団の個体データの適応度の和に対する各個体デー
   タの適応度の割合を演算して、当該適応度の割合が最も
   小さいものを２つに分割する共に当該適応度の割合が最
   も大きいものを取り除くことにより、各個体データの適
   応度を調整し、このように調整された各個体データ毎の
   適応度に基づいて、取水流量、浄水生産量および送水流
   量を求めることを特徴とする水運用計画装置。
2. 【請求項２】複数の取水源、複数の浄水池および複数の
   配水池からなり、複数の需要家の各々に浄水を供給する
   送水系統の水運用計画装置において、 当日の需要量の特徴と類似する過去のｍ日の取水源の取
   水流量、浄水池の浄水生産量、および配水池への送水流
   量の実績値を求め、各々の実績値からｍ個の個体データ
   からなる初期集団を生成する手段と、 この初期集団の個体データについて、需要量の予測値、
   取水流量の制約条件、浄水生産量の制約条件、浄水池と
   配水池の水位の制約条件、取水コスト、浄水生産コス
   ト、および送水コストに基づいて評価関数により適応度
   を求める手段と、 各個体データ毎の適応度に基づいて、取水コスト、浄水
   生産コストおよび送水コストが最小となる取水流量、浄
   水生産量および送水流量を求める手段と、を備え、 取水流量、浄水生産量および送水流量を求める手段は、 初期集団の個体データの適応度の和に対する各個体デー
   タの適応度の割合を演算して、当該適応度の割合が最も
   小さいものを２つに分割する共に当該適応度の割合が最
   も大きいものを取り除くことにより、各個体データの適
   応度を調整し、このように調整された各個体データ毎の
   適応度に基づいて、取水流量、浄水生産量および送水流
   量を求めることを特徴とする水運用計画装置。