JPS58144918A - 配水管網の圧力・流量制御方式 - Google Patents
配水管網の圧力・流量制御方式Info
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- JPS58144918A JPS58144918A JP57027431A JP2743182A JPS58144918A JP S58144918 A JPS58144918 A JP S58144918A JP 57027431 A JP57027431 A JP 57027431A JP 2743182 A JP2743182 A JP 2743182A JP S58144918 A JPS58144918 A JP S58144918A
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- pressure
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- E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
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- E03B7/02—Public or like main pipe systems
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
- G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D16/00—Control of fluid pressure
- G05D16/20—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means
- G05D16/2006—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means
- G05D16/2013—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means
- G05D16/2026—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means with a plurality of throttling means
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は上水道などの配水管網の制御方式に関し、特に
配水管網の圧力・流量制御方式に関する。
配水管網の圧力・流量制御方式に関する。
上水道の配水系統は、広域にわ九る複雑な管網より成る
。本発明は、管網上に設置されたポンプやパルプを遠隔
操作し、管網上の圧力、流量分布を適正化するものであ
るが、これは顧客へのサービス圧確保、漏水の原因とな
る高圧の防止ということから強く望まれていることであ
る。
。本発明は、管網上に設置されたポンプやパルプを遠隔
操作し、管網上の圧力、流量分布を適正化するものであ
るが、これは顧客へのサービス圧確保、漏水の原因とな
る高圧の防止ということから強く望まれていることであ
る。
従来、上水道の配水制御に関してつぎのtl) 、 (
2)の文献に述べられ九方式が知られている。
2)の文献に述べられ九方式が知られている。
(1) 佐藤:等圧配水制御に関する研究、水道協会
誌(昭46−11) (2)小沢:配水管網の末端圧保持プログラム:三菱電
機時報(昭55−9) 上記flJ 、 f2)はともに方式提案段階のもので
あるが、圧力を適正値とする操作量1に求めるため、(
l)ではニュートン法を、(2)では2次計−法を用い
ている。(1) 、 (2)の共通の問題点として、以
下の2点がめる。
誌(昭46−11) (2)小沢:配水管網の末端圧保持プログラム:三菱電
機時報(昭55−9) 上記flJ 、 f2)はともに方式提案段階のもので
あるが、圧力を適正値とする操作量1に求めるため、(
l)ではニュートン法を、(2)では2次計−法を用い
ている。(1) 、 (2)の共通の問題点として、以
下の2点がめる。
(a) 算出した操作量で制御したとき、発生するで
あろう、(圧力、流量に関する)予想と奥州のずれを補
正できる方式でFi、ない。
あろう、(圧力、流量に関する)予想と奥州のずれを補
正できる方式でFi、ない。
(bJ 操作量算出に時間がかかり過ぎ、オンライン
での使用に耐え得ない。
での使用に耐え得ない。
したがって、本発明は、上記従来技術の欠点なpsf!
4するためになされたもので、圧力、流量を適正化する
ため操作量を、オンラインでの使用に耐え得る楊度の時
間(5分以下、)で算出し、実際に操作した後、実測し
た圧力、流量がまだ満足いくものでなければ、−敏速に
操作量の修正分を計算し、実@VC修正を加え、常に、
圧力、流量を適正に保つことを可能と−する’taIM
1方式を提供することを目的とする。
4するためになされたもので、圧力、流量を適正化する
ため操作量を、オンラインでの使用に耐え得る楊度の時
間(5分以下、)で算出し、実際に操作した後、実測し
た圧力、流量がまだ満足いくものでなければ、−敏速に
操作量の修正分を計算し、実@VC修正を加え、常に、
圧力、流量を適正に保つことを可能と−する’taIM
1方式を提供することを目的とする。
この目的を達成するため本発明では、圧力・流量制御部
を最適な操作量を算出する部分(最適計算部)と実測値
に基づき操作量に修正を加える部分(修正計算部)とか
ら構成し、蛾遁ttX邸では管網内の水理現象を模擬す
る管網モデルを内蔵することによシ、現在の総督要量(
配水池田11411rJL量の和)ヲモデル入力とし、
ネットワーク算法(志木:[システム最適化理論]コロ
ナ社を参照のこと)による高速モデル計算により短時間
で歳過操作量を算出できるようにし、修正針、鼻部では
、操作量変化が圧力、流量に与える影響を表わす感匿行
列を用いて、圧力、流量の予想値からのずれ分を補正す
るように1操作量修正分を算出でさるようにした点に特
徴がある。つぎに、本発明による各部の計算処理方式の
原理を述べる。
を最適な操作量を算出する部分(最適計算部)と実測値
に基づき操作量に修正を加える部分(修正計算部)とか
ら構成し、蛾遁ttX邸では管網内の水理現象を模擬す
る管網モデルを内蔵することによシ、現在の総督要量(
配水池田11411rJL量の和)ヲモデル入力とし、
ネットワーク算法(志木:[システム最適化理論]コロ
ナ社を参照のこと)による高速モデル計算により短時間
で歳過操作量を算出できるようにし、修正針、鼻部では
、操作量変化が圧力、流量に与える影響を表わす感匿行
列を用いて、圧力、流量の予想値からのずれ分を補正す
るように1操作量修正分を算出でさるようにした点に特
徴がある。つぎに、本発明による各部の計算処理方式の
原理を述べる。
(a) 最適計算部
管網内の水の流れは、ノード毎に成立する公知の流量収
支式と、ノード閲で成立する公知の圧力平衡式で表わす
ことができる。本計算部が内蔵する管網モデルとは、こ
れらの条件式を連立して得られる非線形代数万機式系の
ことであり、f路の接続構造、電路径、電路長寺を与え
ることにより完全に規定される。モデルの人力データと
しては、ノード毎のIl責量、ポンプやバルブなどの操
作量があり、これらのデータを与えれは、モデル計算(
万機式氷解)により、対応する圧力、流量が計算される
。
支式と、ノード閲で成立する公知の圧力平衡式で表わす
ことができる。本計算部が内蔵する管網モデルとは、こ
れらの条件式を連立して得られる非線形代数万機式系の
ことであり、f路の接続構造、電路径、電路長寺を与え
ることにより完全に規定される。モデルの人力データと
しては、ノード毎のIl責量、ポンプやバルブなどの操
作量があり、これらのデータを与えれは、モデル計算(
万機式氷解)により、対応する圧力、流量が計算される
。
本計算部でlよ、上記管網モデルを駆使して、最適な操
作量を水める。臀に、オンライン環境下での計算t−町
龍とするため、モデル計算の高速化に工夫を払っている
。まず、最適化の基準を与えるための目的g1紋を次の
ように設定する。
作量を水める。臀に、オンライン環境下での計算t−町
龍とするため、モデル計算の高速化に工夫を払っている
。まず、最適化の基準を与えるための目的g1紋を次の
ように設定する。
τ=Σα、 (p、−pi)2+Σβs (x t−J
7 ) 2(1)I j ここで、p7.piは、ノードiの圧力およびその目砿
値 Jt 、 (は、管路jの流量およよびその目*i
i、α1.β1は重み係数である。鍛適化計算の手職は
以下のようになる。− (++ 配水池出側流t(実#J値)から、各ノード
の**量を推定し、管網モデルに入力する。
7 ) 2(1)I j ここで、p7.piは、ノードiの圧力およびその目砿
値 Jt 、 (は、管路jの流量およよびその目*i
i、α1.β1は重み係数である。鍛適化計算の手職は
以下のようになる。− (++ 配水池出側流t(実#J値)から、各ノード
の**量を推定し、管網モデルに入力する。
(紬) 適当な初期操作量を定め、モデルに入力する
。
。
側 管網モデル計算を行い、圧力、Kt’kgt算する
。
。
1v)圧力、流量を(1式に代入し、目的関数値を計算
する。
する。
(V) 目的関数値に基づき収束判定を行い、収束し
ていれば計算終了(終了後、後述のようにjIA度行列
を付随的に求めるようにしてもよい)。
ていれば計算終了(終了後、後述のようにjIA度行列
を付随的に求めるようにしてもよい)。
収束していなければ付会へ。 ゛付か 操作量の
改良計算を行−)k後、(曲へ。
改良計算を行−)k後、(曲へ。
011)〜付会の繰り返し計算は、一般に数十〜数6回
発生する。この中で最も計算時間を要する部分は、θ1
0のモデル計算であるため、ネットワークフローの算法
を用いて高速化を図っている。この方法の基本的な考え
方について述べる。管網内の水の流れは管網内で失われ
るエネルギーを最小化する性質がある。この性質を利用
すれば、上記モデル計算をネットワークの最小費用の流
れを求める算法を用いて行うことができる(ここで、エ
ネルギーt−費用とみなす)。この方法は、それ自体高
速であるだけでなく、この方法によれば操作量が変更さ
れたときの圧力、流量を、前回の値をわずかに修正する
のみで求めることができるため、計算の高速化が図れる
。
発生する。この中で最も計算時間を要する部分は、θ1
0のモデル計算であるため、ネットワークフローの算法
を用いて高速化を図っている。この方法の基本的な考え
方について述べる。管網内の水の流れは管網内で失われ
るエネルギーを最小化する性質がある。この性質を利用
すれば、上記モデル計算をネットワークの最小費用の流
れを求める算法を用いて行うことができる(ここで、エ
ネルギーt−費用とみなす)。この方法は、それ自体高
速であるだけでなく、この方法によれば操作量が変更さ
れたときの圧力、流量を、前回の値をわずかに修正する
のみで求めることができるため、計算の高速化が図れる
。
(bJ 修正計算部
操作量の微小変化が、1Ilj量(配水他出ill流量
、または、監視点圧力)に与える影響を要素とする行夕
41を、感度行列と呼ぶ(r@の操作量とm個のa重量
があればmxr行列)。この感度行列は、前述の最適計
算部において付随的に求めることができる。感度行列か
らゲインを計算し、実測値と最適計算の結果得られた予
想値の偏差に、このゲインを乗することにより操作量の
修正分を計算する。
、または、監視点圧力)に与える影響を要素とする行夕
41を、感度行列と呼ぶ(r@の操作量とm個のa重量
があればmxr行列)。この感度行列は、前述の最適計
算部において付随的に求めることができる。感度行列か
らゲインを計算し、実測値と最適計算の結果得られた予
想値の偏差に、このゲインを乗することにより操作量の
修正分を計算する。
以下、実施例にもとづき1本発明を詳fIaVc説明す
る。
る。
第1図は本発明の方式を用いた配水制御システムの実施
例の全体構成を示す。制御対象となる配水管網は、配水
池01.管路02、パルプ03、流量針04、圧力針0
5などより成る。一方、制御システムは、最適なパルプ
操作量を算出する最適計算部11、操作量の微修正を行
う修正針71部12、配水洩出gIAflL量やvL視
点圧力などt記憶する実測値記憶部14.最適計算によ
り得られる重量、圧力および感度行列を記憶する計Jl
−釆記憶部13.最適計算または修正計算の結果得られ
る操作量を記憶する操作量記憶部15、バルブ制御装[
16より構成される。
例の全体構成を示す。制御対象となる配水管網は、配水
池01.管路02、パルプ03、流量針04、圧力針0
5などより成る。一方、制御システムは、最適なパルプ
操作量を算出する最適計算部11、操作量の微修正を行
う修正針71部12、配水洩出gIAflL量やvL視
点圧力などt記憶する実測値記憶部14.最適計算によ
り得られる重量、圧力および感度行列を記憶する計Jl
−釆記憶部13.最適計算または修正計算の結果得られ
る操作量を記憶する操作量記憶部15、バルブ制御装[
16より構成される。
まず最適計算部11が起動され、現状の配水池出典流量
を取り込み、最適な操作量とそれにX4応する流量(管
路毎)、圧力(ノード毎)、感鼓何列を算出し、記憶部
15またFi13に曹さ込む。
を取り込み、最適な操作量とそれにX4応する流量(管
路毎)、圧力(ノード毎)、感鼓何列を算出し、記憶部
15またFi13に曹さ込む。
この操作量に基づき、バブル制御縁[16は実際にパル
プ03を操作する。実測値記憶部14のデータは、一定
時間間隔で更新され、パルプ操作後の新たな流量、圧力
が、14に誉き込まれる。修正計算部12は、配水他出
11i1流量、監視点圧力に関し、予想値を13から、
実測値を14から絖み込み、さらに、現状の操作量を1
2がら絖み込→、操作量の修正分を計算し、新たな操作
mを15に壷き込む。16は、15から読み込んだ新た
な操作tでパルプ03を制御する。
プ03を操作する。実測値記憶部14のデータは、一定
時間間隔で更新され、パルプ操作後の新たな流量、圧力
が、14に誉き込まれる。修正計算部12は、配水他出
11i1流量、監視点圧力に関し、予想値を13から、
実測値を14から絖み込み、さらに、現状の操作量を1
2がら絖み込→、操作量の修正分を計算し、新たな操作
mを15に壷き込む。16は、15から読み込んだ新た
な操作tでパルプ03を制御する。
第2図は、前記(1)〜9参の計算をおこなう最適計算
部11を計算機プログラムで実施するときのフローチャ
ートである。ステップ111で、r個の配水池のうち1
番目の配水池より需要端への配水洩出@ffEJiwl
(i = 1 、 =−、r )を読み込す、、tス
fツブ112では、総lii←、を計算した後、次式で
各ノードの需要量y、を推定する。
部11を計算機プログラムで実施するときのフローチャ
ートである。ステップ111で、r個の配水池のうち1
番目の配水池より需要端への配水洩出@ffEJiwl
(i = 1 、 =−、r )を読み込す、、tス
fツブ112では、総lii←、を計算した後、次式で
各ノードの需要量y、を推定する。
y−臂IxrI(2)
ここで、γ、は」番目の**ノードにおける需要量が全
体の111要に占める比率の推定値であり、人口データ
、検針データなどから作成できる。ステ、ブ113では
、山登り計算法の一槍であるSimplex法(1,、
C,W、ダイクノン。非線形蛾適化法(培風館)参照)
を用いて操作量の改良値をIt算fる。ステップ114
では、変更された操作量に対し、管網モデル計算金行い
、全ノードの圧力、金管路のat奢求める。モデル計算
は前記(a)で述べた考え方によって行い、費用を最小
にする方式の計算法としてはネットワーク算法の一手法
として公知のprimal−dual法および、pri
mal法を用いる(志木: [システム最適化理論]コ
ロナ社を参照のこと)。
体の111要に占める比率の推定値であり、人口データ
、検針データなどから作成できる。ステ、ブ113では
、山登り計算法の一槍であるSimplex法(1,、
C,W、ダイクノン。非線形蛾適化法(培風館)参照)
を用いて操作量の改良値をIt算fる。ステップ114
では、変更された操作量に対し、管網モデル計算金行い
、全ノードの圧力、金管路のat奢求める。モデル計算
は前記(a)で述べた考え方によって行い、費用を最小
にする方式の計算法としてはネットワーク算法の一手法
として公知のprimal−dual法および、pri
mal法を用いる(志木: [システム最適化理論]コ
ロナ社を参照のこと)。
特に、第1回目の計算では、実行可能な流れ(流量収支
式゛、圧力平衡式を満足する流量、圧力)が得られてい
ないため、実行可iIヒな流れを必要としないprim
al−dual法を用いる。第2回以降の計算では前回
の流れと゛して実行gTii@なにれが得られているの
で、既存の実行可能な流れを修正して新たな流れを求め
ることのできるprimal法を用いる。ステ、プ11
5では、求めた圧力、流源を(1)式に代入して目的関
数を計算する。 ステップ11#6では、 aimp
lex法のアルゴリズムにより収束判定を行い、収束し
ていれはステラ117へ運み、収束していなければステ
ップ113に戻りステップ113〜116の処理を繰り
返す。ステップ117では、各操作量を1個づつ、最適
値のまわりで微小変化させ、それぞれに対しp口mal
法でモデル計算を行い、圧力、流量の変化度合を計算す
る。この結果、感度行列が得られる。ステ、プ118で
、操作量、圧力、流量、感度行列などの計算結果を前記
記憶s13に書き込む。以上の計算方式では、操作変数
の改良のたびに発生するモデル計算が高速化されるため
、全体での計算が従来の類似の方法に比べはるかに短縮
される。たとえば、−記二、−);/法を用いた場合に
比べると、計算時間はl/10以下となる。
式゛、圧力平衡式を満足する流量、圧力)が得られてい
ないため、実行可iIヒな流れを必要としないprim
al−dual法を用いる。第2回以降の計算では前回
の流れと゛して実行gTii@なにれが得られているの
で、既存の実行可能な流れを修正して新たな流れを求め
ることのできるprimal法を用いる。ステ、プ11
5では、求めた圧力、流源を(1)式に代入して目的関
数を計算する。 ステップ11#6では、 aimp
lex法のアルゴリズムにより収束判定を行い、収束し
ていれはステラ117へ運み、収束していなければステ
ップ113に戻りステップ113〜116の処理を繰り
返す。ステップ117では、各操作量を1個づつ、最適
値のまわりで微小変化させ、それぞれに対しp口mal
法でモデル計算を行い、圧力、流量の変化度合を計算す
る。この結果、感度行列が得られる。ステ、プ118で
、操作量、圧力、流量、感度行列などの計算結果を前記
記憶s13に書き込む。以上の計算方式では、操作変数
の改良のたびに発生するモデル計算が高速化されるため
、全体での計算が従来の類似の方法に比べはるかに短縮
される。たとえば、−記二、−);/法を用いた場合に
比べると、計算時間はl/10以下となる。
例えは、口重の制御用計算機HIDIc−BOBによれ
ば5分機度で一■総になる。
ば5分機度で一■総になる。
tIL3図は、修正tt算鼻部2を、計算機プログラム
で実施したと1!のフローチャートである。ステップ1
21で実#IIf[を、ステ、プ122で現状の操作量
を、ステップ123で蛾遍計算結果を読み込む。ステ、
プ124で、次式によプゲインを計算する。
で実施したと1!のフローチャートである。ステップ1
21で実#IIf[を、ステ、プ122で現状の操作量
を、ステップ123で蛾遍計算結果を読み込む。ステ、
プ124で、次式によプゲインを計算する。
Gニー(Y”PY+Q)’Y”P (3
)ココテ、Gニゲイン、Y : w&を行列、YT:
yo転置行列、P、Q:重み行列、−1は逆行列である
ことを示す。さらに、ステ、プ125で、次式により操
作量の修正分Δ#を計算する。
)ココテ、Gニゲイン、Y : w&を行列、YT:
yo転置行列、P、Q:重み行列、−1は逆行列である
ことを示す。さらに、ステ、プ125で、次式により操
作量の修正分Δ#を計算する。
Δシ=−04z (4)ここで、
ノ2は、配水池出側流量および監視点圧力の実測値と予
想値の偏差をベクトル表示したものである。最後に、ス
テップ126で新たに得られた操作量を、前記記憶部1
5に書き込む。以上の簡単な線形演算により(HIDI
C−80Eで1秒以下、実際に即した形で、操作量に修
正を加えることができる。
ノ2は、配水池出側流量および監視点圧力の実測値と予
想値の偏差をベクトル表示したものである。最後に、ス
テップ126で新たに得られた操作量を、前記記憶部1
5に書き込む。以上の簡単な線形演算により(HIDI
C−80Eで1秒以下、実際に即した形で、操作量に修
正を加えることができる。
以上説明したごとく本発明によれは、配水管網のオンラ
イン制御とくに対象の大規模性、非−形性のため従来困
難であった。オ/ライ/配水制御が可能となりた。たと
えば、従来のニー−トン法では1時間以上要し、ていた
最適操作蓋の算出が。
イン制御とくに対象の大規模性、非−形性のため従来困
難であった。オ/ライ/配水制御が可能となりた。たと
えば、従来のニー−トン法では1時間以上要し、ていた
最適操作蓋の算出が。
5分根度で行えるよう−になった。また、モデル誤差、
推定誤差を吸収する機能を持つ修正計算部を付加した結
果、実際に即した制御が行えるようになりた。
推定誤差を吸収する機能を持つ修正計算部を付加した結
果、実際に即した制御が行えるようになりた。
さらに、配水制御が実施されていない現状において、漏
水量rtb全配水量の2割を占めるといわれているが本
発明の方式により、配水制御を行った場合と行わない場
合の圧力分布を求め、これに基づいて漏水量を算定した
結果、漏水量を2割強削減することが可餌になりその効
果は大きい。
水量rtb全配水量の2割を占めるといわれているが本
発明の方式により、配水制御を行った場合と行わない場
合の圧力分布を求め、これに基づいて漏水量を算定した
結果、漏水量を2割強削減することが可餌になりその効
果は大きい。
第1図は、本発明の方式を用いた配水制御システムのブ
ロック構成を示す図、第2図はs jg 1図の最適計
算部を計算機プログラムで実行するときのフローチャー
ト、第3図は、第1図の修正計算部を計算機プログラム
で実行するときのフローチャートである。 ll:最適計算部、12:修正針算部 11図 第2図
ロック構成を示す図、第2図はs jg 1図の最適計
算部を計算機プログラムで実行するときのフローチャー
ト、第3図は、第1図の修正計算部を計算機プログラム
で実行するときのフローチャートである。 ll:最適計算部、12:修正針算部 11図 第2図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ■、配水池と、該配水池の出側流量を針渕する流量針と
、配水池と各**ノードとを結ぶ配水管と、該配水管上
の監視点における圧力を針欄する圧力針と、上記流量と
圧力を変化させる操作手段とを備えた配水管網において
、配水池の出側流量から各1畳ノードの需要量を推定す
るステップと、該推定の結果にもとづき上記流量と圧力
を最適値にするための上記操作手段の操作量を計算する
ステップと、該操作量に対応する流量と圧力の予測値を
計算するステ、プと、該操作量による操作を実施したと
きの流量と圧力の実現値と上記予測値との偏差を求める
ステップと、該偏差より上記操作量に加えるべき修正量
を計算するステ、プと、修正された操作量にもとづき上
記操作手段による操作を実施するステ、ブとからなるこ
とを特徴とする配水管網の圧力・流量−両方式。 i 上記操作量に対応する流量と圧力の予測値を計算す
るステ、ブ紘上記配水管網にたいして配水管網内で失な
われるエネルギーを最小にするようにネットワーク算法
を適用しておこなわれることを特徴とする特許請求範囲
第1項の配水管網の圧力・流量制御方式。
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JP57027431A JPS58144918A (ja) | 1982-02-24 | 1982-02-24 | 配水管網の圧力・流量制御方式 |
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JPH059809B2 JPH059809B2 (ja) | 1993-02-08 |
Family
ID=12220913
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JP57027431A Granted JPS58144918A (ja) | 1982-02-24 | 1982-02-24 | 配水管網の圧力・流量制御方式 |
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