JPWO2018179691A1 - 配管診断装置、資産管理装置、配管診断方法、及びプログラム - Google Patents

配管診断装置、資産管理装置、配管診断方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

配管診断装置１０は、診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部１１と、シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部１２と、を備えている。

Description

本発明は、上水道といった配管設備の故障リスクを診断するための、配管診断装置、及び配管診断方法に関し、更には、これらを実現するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、配管診断装置を用いた資産管理システムに関する。
上水道網等の配管施設は、一般に規模が膨大である。また、地中に埋設された配管の劣化の進行は、配管が埋設された土壌の酸性度、電位、圧力等によって異なる場合がある。このため、相対的に新しい配管が急激に劣化し早期の交換が必要となる場合がある。従って、配管の補修や交換を的確かつ効率的に行うことが可能となるよう、現在の配管の劣化の程度と今後の劣化の進行を適切に診断する技術が求められている。
現在の配管の劣化の程度を診断する技術については、特許文献１に、配管の非破壊検査に関する技術が開示されている。特許文献１に開示の技術では、まず、配管の長手方向に離隔された２点を通って管内を伝搬する振動の伝搬速度を表す実測値が求められる。続いて、伝搬速度の値から配管の肉厚を求める式に、実測値を適合させることによって、配管の肉厚が逆算される。
その後、特許文献１に開示された技術では、算出された配管の肉厚から、現在の配管の劣化度合いが判定され、配管の劣化の進行が診断される。
また、特許文献２は、配管網に対してシミュレーションを活用することによって、配管網における漏水量を推定する技術を開示している。具体的には、特許文献２開示されている技術では、水圧の解析結果と実際の測定の結果とが一致するように最適化演算を行なって需要量を算出し、算出した需要量と夜間の最小利用量とから、漏水量が推定される。このように、シミュレータを用いて、配管網の漏水量が推定できれば、配管網の劣化の進行を推定することが可能になると考えられる。
特開２０１３−６１３５０号公報 特許第５３２９８７１号公報
ところで、一般的な配管網において、管内の流体の利用や状況の変化に伴い、バルブの急な開閉、空気だまりの発生及び崩壊、需要家の流体使用に伴う栓の開閉に伴って、流体の圧力の振動が発生する。このような圧力の変動は配管に応力変動を与え、配管の疲労を引き起こす。そして長年の使用により繰り返し応力変動が加わると、疲労が進展して配管が破断する。従って、配管網の配管の交換時期を推定するために、配管に加わる圧力変動を評価し疲労の進行速度を推定することは重要である。
しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、配管網における圧力変動を評価することは不可能である。このため、今後の劣化の進行速度と、それに基づく水道管の寿命について推定することも不可能である。従って、適切な配管の交換時期を予測することができず、水道事業者においては、自身が保有する多数の配管について経済効率のよい交換順位を定めることができないという問題が発生する。
また、特許文献２に開示された技術では、シミュレーションによって配管網における漏水量が推定されているに過ぎず、水撃のような動的な圧力変動については解析できないため、この技術によっても圧力変動を評価することは不可能である。
本発明の目的の一例は、上記の課題を鑑み、配管設備において、将来の配管の劣化の進行を推定し得る、配管診断装置、資産管理装置、配管診断方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一側面における配管診断装置は、
診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
を備えている、ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における資産管理装置は、
診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
前記応力解析部によって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、故障リスク推定部と、
前記故障リスク推定部が推定した前記故障リスクに基づいて、前記配管設備を構成する各配管に対して、交換の順位を設定する、交換順位設定部と、
を備えている、ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における配管診断方法は、
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を有する、ことを特徴とする。
更に、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
コンピュータに、
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を実行させる命令を含む、プログラムを記録していることを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、配管設備において、将来の配管の劣化の進行を推定することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の具体的構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の動作を示すフロー図である。 図４は、本発明の実施の形態２における配管診断装置の構成を具体的に示すブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態２における配管診断装置の動作を示すフロー図である。 図６は、本発明の実施の形態における資産管理装置の構成を示すブロック図である。 図７は、地理情報システムのデータベースが格納している接続情報の一例を示す図である。 図８は、水道管網から電気回路網への変換を説明するための図である。 図９は、本発明の実施の形態における応力の解析結果の一例を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態で用いられる配管の強度データの一例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態１及び２における配管診断装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
（実施の形態１）
以下、本実施の形態１における配管診断装置、配管診断方法、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体について、図１〜図３を参照しながら説明する。
［装置構成］
最初に、図１を用いて、本実施の形態１における配管診断装置の概略構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示す本実施の形態１における配管診断装置１０は、診断対象となる配管設備の劣化を診断するための装置である。図１に示すように、配管診断装置１０は、シミュレーション実行部１１と、応力解析部１２とを備えている。
シミュレーション実行部１１は、診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する。応力解析部１２は、シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する。
このように、本実施の形態１では、診断対象となる配管設備に将来生じる応力が計算される。また、配管に生じる応力は、配管の劣化、ひいては破断を引き起こすものである。このため、本実施の形態によれば、配管設備において、将来の配管の劣化の進行を推定することが可能となる。
続いて、図２を用いて、本実施の形態１における配管診断装置の構成についてより具体的に説明する。図２は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の具体的構成を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施の形態１では、配管診断装置１０は、上述したシミュレーション実行部１１及び応力解析部１２に加えて、入力部１３と、出力部１４とを備えている。
このうち、入力部１３は、外部からの指示を受け付ける。例えば、配管の診断の開始が指示されると、入力部１３は、これを受け付け、受け付けた指示をシミュレーション実行部１１に渡す。
また、入力部１３は、外部から配管情報を受け付け、受け付けた配管情報をシミュレーション実行部１１に入力する。また、入力部１３は、配管診断装置１０に接続された端末装置の画面上に、入力用の画面を提供することもできる。この場合、配管診断装置１０のユーザは、自身の端末装置の画面上で、配管情報を入力することができる。
また、出力部１４は、応力解析部１２によって計算された計算結果を外部に出力する。具体的には、出力部１４は、配管診断装置１０に接続された端末装置、又は配管診断装置１０に接続された表示装置に、計算結果を出力する。この場合、端末装置又は表示装置の画面上に計算結果が表示される。ユーザは、画面上で、計算結果を確認することができる。
配管情報は、上述したように、配管設備を構成する配管を流れる流体のシミュレーションの実行に用いられる情報である。具体的には、配管情報は、配管設備を構成する配管における、接続関係（配管のレイアウト）、長さ、直径（口径）、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む。また、配管情報には、更に、配管の圧力振動に影響を与える要素、例えば、タンク、バルブ等の情報が含まれていても良い。更に摩擦係数及び伝搬速度は、配管の材質及び内面の表面粗さ等から計算可能であるため、摩擦係数及び伝搬速度の代わりに、これらを算出するための情報が含まれていても良い。
また、本実施の形態１では、劣化の診断対象となる配管設備としては、水道管網が挙げられる。配管設備が水道管網である場合は、配管情報には、その他に、水道管網から水を使用する需要家の使用量、水道管網に繋がる貯水池、同じく水道管網に繋がるタンク、圧力調整バルブ等の情報が含まれていても良い。
シミュレーション実行部１１は、本実施の形態１では、入力部１３から入力された配管情報に基づいて、配管設備を構成する配管内での圧力振動のシミュレーションを実行する。ここで、圧力振動のシミュレーションとは、配管設備が水道網の場合、需要家による水の使用、バルブの開閉等による圧力変動によって発生した振動が、配管網にどのように伝搬するかを、求めるものである。
また、本実施の形態１では、シミュレーション実行部１１は、配管情報を用いて、配管設備と等価の電気回路を構築し、電気回路における電圧を配管内での圧力とみなして、シミュレーションを実行する。即ち、シミュレーション実行部１１は、配管設備を流れる流体の挙動を電気回路網で表現し、回路シミュレータで電圧を計算することによって、配管内の圧力を計算する。
具体的には、流体の挙動を電気回路網で表現するため、配管を流れる流体の流量は電流に対応付けられ、配管内の圧力は電圧に対応付けられる。これにより、配管を流れる流体の状態をシミュレートできる電気回路網のモデルが作成（又は想定）される。また、モデル化された電気回路網における電流と、配管を流れる流体の流量とは、互いに変換することが可能である。また、電圧と圧力とは、互いに変換することが可能である。
そして、シミュレーション実行部１１は、シミュレーションの実行により、電気回路網の各部における電圧を検出し、検出した電圧を圧力に変換することによって、圧力変動のシミュレーション結果とする。また、シミュレーション実行部１１は、シミュレーションの実行によって、配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得することもできる。
また、シミュレーション実行部１１は、配管設備から電気回路網を構築する代わりに、各配管の伝搬特性に基づいて、連立微分方程式を構築することもできる。この場合、シミュレーション実行部１１は、連立微分方程式の数値計算によって、圧力の振動を算出する。
更に、シミュレーション実行部１１は、既存の流体のシミュレータを用いて、インパルス応答を計算することで、配管の圧力の振動を求めることもできる。更に、シミュレーション実行部１１は、図２に示されていない別のシミュレータと協働して、圧力振動のシミュレーションを実行することもできる。この場合、シミュレータは、外部の別のコンピュータが提供していても良い。
応力解析部１２は、上述したように、シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する。ここで、円筒状の配管の直径をｄ、厚さをｔとし、そこに圧力ｐが加わるとすると、配管には、円周方向に沿って配管を引き伸ばすように（配管の直径を拡大するように）応力σが発生する。この応力をフープ応力といい、応力は下記の数１で算出される。
Figure 2018179691
従って、応力解析部１２は、上記数１を用いて、シミュレーション実行部１１によって求められた圧力振動を応力に変換し、各配管における応力を算出する。なお、応力の算出方法は、上記数１に限定されるものではない。応力解析部１２は、配管の内部の形状に基づいて、内部に掛かる圧力から、配管に掛かる応力を算出することもできる。
また、シミュレーション実行部１１が、シミュレーションの実行によって、配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性を又は時系列の振動特性を取得している場合は、取得されているデータは複数点のデータである。よって、この場合、応力解析部１２は、振動特性を設定された範囲で積分することによって、応力を計算することもできる。また、応力解析部１２は、取得された振動特性の最大値及び平均値を抽出することもできる。
その後、出力部１４が、上述したように、応力解析部１２によって算出された応力を、解析結果として、外部に出力する。このとき、出力部１４は、算出された応力だけでなく、シミュレーション実行部によって得られた圧力変動のデータ自体を出力しても良い。更に、出力部１４は、ユーザが配管毎の応力を視認できるように、応力の違いを視覚的に表現した画像の画像データを出力することもできる。
［装置動作］
次に、本実施の形態１における配管診断装置１０の動作について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１における配管診断装置の動作を示すフロー図である。以下の説明においては、適宜図１及び図２を参酌する。また、本実施の形態１では、配管診断装置１０を動作させることによって、配管診断方法が実施される。よって、本実施の形態１における配管診断方法の説明は、以下の配管診断装置１０の動作説明に代える。
図３に示すように、最初に、入力部１３は、外部から配管情報を受け付け、受け付けた配管情報をシミュレーション実行部１１に入力する（ステップＡ１）。
次に、シミュレーション実行部１１は、ステップＡ１で入力部１３から入力された配管情報に基づいて、配管設備を構成する配管内での圧力振動のシミュレーションを実行する（ステップＡ２）。具体的には、シミュレーション実行部１１は、配管情報を用いて、配管設備と等価の電気回路を構築し、電気回路における電圧を配管内での圧力とみなして、シミュレーションを実行する。
次に、応力解析部１２は、ステップＡ２によるシミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する（ステップＡ３）。
その後、出力部１４は、ステップＡ３で応力解析部１２によって算出された応力を、解析結果として、外部に出力する（ステップＡ４）。具体的には、出力部１４は、配管診断装置１０に接続された端末装置、又は配管診断装置１０に接続された表示装置に、計算結果を出力する。
以上のように、本実施の形態１によれば、配管に将来生じる応力が計算されるので、ユーザは、配管の破裂リスクを推定でき、更には、配管の適切な交換時期及び交換の順番を定めることができる。これにより、配管の破裂を効果的に削減する交換を行うことができる。
［プログラム］
本実施の形態１におけるプログラムは、コンピュータに、図３に示すステップＡ１〜Ａ４を実行させるプログラムであれば良い。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施の形態１における配管診断装置１０と配管診断方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのプロセッサは、シミュレーション実行部１１、応力解析部１２、入力部１３、及び出力部１４として機能し、処理を行なう。
また、本実施の形態１におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されても良い。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ、シミュレーション実行部１１、応力解析部１２、入力部１３、及び出力部１４のいずれかとして機能しても良い。
（実施の形態２）
続いて、本実施の形態２における配管診断装置、配管診断方法、及びプログラムについて、図４及び図５を参照しながら説明する。また、本実施の形態２においては、本発明の実施の形態における資産管理装置についても説明する。
［装置構成］
最初に、図４を用いて、本実施の形態２における配管診断装置の構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における配管診断装置の構成を具体的に示すブロック図である。
図４に示すように、本実施の形態２における配管診断装置２０は、図２に示した実施の形態１における配管診断装置１０と同様に、シミュレーション実行部１１、応力解析部１２、入力部１３、及び出力部１４を備えている。但し、本実施の形態２においては、配管診断装置２０は、以下の点で異なっている。以下においては実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図４に示すように、本実施の形態２においては、配管診断装置２０は、配管診断装置１０と同様の構成に加えて、故障リスク推定部２１と、配管強度推定部２２と、配管情報データベース２３とを備えている。
配管情報データベース２３は、シミュレーション実行部１１に用いる配管情報を格納している。配管情報データベース２３が格納している配管情報は、実施の形態１で述べた配管情報と同様のものを含んでいる。本実施の形態では、入力部１３は、配管情報データベース２３から取得した配管情報をシミュレーション実行部１１に入力する。
また、図４の例では、配管情報データベース２３は、配管診断装置２０の内部に構築されているが、本実施の形態では、配管情報データベース２３は、外部のコンピュータによって提供されていても良い。例えば、配管情報データベース２３として、地理情報システム（ＧＩＳ：Geographic Information System）が提供するデータベースが用いられていても良い。
配管情報データベース２３には、配管の強度データも格納されている。強度データは、対象とする配管の強度を示すデータである。配管の強度の測定方法としては、直接肉厚を計測する方法、磁界センサによって強度を測定するmagnetic flux leakage法（MFL法）、渦電流を計測するRemote Field Eddy Current法（RFEC法）、Broadband Electromagnetic法（BEM法）が挙げられる。なお、これらの方法を実施するためには、予め、配管が埋設されている箇所の周囲の土を掘削する必要がある。
また、土を掘削せず配管が埋設されたまま配管の強度を測定する方法としては、上述の特許文献１に開示されている、音速から肉厚を推定する方法等が挙げられる。また、配管内にカメラを挿入して管壁の表面を観測し、管の劣化状態を大まかに推定する方法も挙げられる。
更に、配管情報データベース２３は、上述の配管情報、強度データに加えて、各配管の材質、距離、敷設された時期、場所等を特定する情報を格納していても良い。更に、配管情報データベース２３は、実験データ又は文献情報に基づいて、配管の材質及び口径毎に、配管の強度を示すＳ−Ｎ曲線のデータを格納していても良い。このＳ−Ｎ曲線としては、新品配管と劣化配管との両方のデータが格納されているのが良く、この場合、特に、劣化配管のＳ−Ｎ曲線は、それに対応する配管の強度の度合いと対応付けられて格納されている。
配管強度推定部２２は、配管設備を構成する配管の強度を推定する。具体的には、配管強度推定部２２は、配管情報データベース２３に格納されている情報に基づいて、対象とする配管の強度を推定して、Ｓ−Ｎ曲線を出力する。
具体的には、配管強度推定部２２は、強度が直接測定されている配管については、その測定結果と対応するＳ−Ｎ曲線を選択または作成する。また、配管強度推定部２２は、強度が直接測定されていない配管については、配管情報データベース２３から、対象とする配管と材料及び口径が同じ配管のＳ−Ｎ曲線に基づいて、対象とする配管のＳ−Ｎ曲線を作成する。
更に、対象とする配管と材料及び口径が同じ配管のＳ−Ｎ曲線が配管情報データベース２３に格納されていない場合は、配管強度推定部２２は、材料は同一であるが、口径が異なる配管のＳ−Ｎ曲線から、対象とする配管のＳ−Ｎ曲線を算出する。
また、対象とする配管の強度が測定されていない場合は、配管強度推定部２２は、対象とする配管が敷設されてからの経過年数と、配管の平均寿命とから劣化度合いを推定し、推定した劣化度合に基づいて、対象とする配管のＳ−Ｎ曲線を作成することもできる。
故障リスク推定部２１は、故障リスクとして、応力の発生回数（圧力変動回数）が多いほど値が高くなる指標を算出する。具体的には、故障リスク推定部２１は、先ず、応力解析部１２の解析結果から、配管における応力の発生回数を算出する。次いで、故障リスク推定部２１は、算出した応力の発生回数と、配管強度推定部２２が推定した対象配管のＳ−Ｎ曲線とを用いて、故障リスクを示す指標を算出する。
例えば、シミュレーションによって、配管が製造されて設置されてから、振幅σ1のフープ応力の変動がｎ１回、振幅σ2のフープ応力の変動がｎ２回、振幅σ3のフープ応力の変動がｎ３回発生することが想定されたとする。このときの配管の疲労度Ｄは、下記の数２で評価することができる。この疲労度Ｄが大きいほど破断のリスクが大きいことを示す。疲労度Ｄの最大値は１である。従って、故障リスク推定部２１は、下記の数２を用いて疲労度Ｄを算出し、算出した疲労度Ｄを配管の故障リスクとして出力することができる。
Figure 2018179691
また、上記数２において、Ｄ＝１となる場合は、統計的に配管が破断する予想時期を表すので、故障リスク推定部２１は、これを用いて配管の残寿命を推定することもできる。すなわち、現在の疲労度がＤ、現時点で時間Δｔの間に、振幅σ1、σ2、σ3、・・・、σi回のフープ応力の変動が、それぞれΔｎ１、Δｎ２、Δｎ３、・・・Δｎｉ回発生している場合、故障リスク推定部２１は、まず、単位期間あたりの疲労度の増加率ΔD／Δｔを下記の数３を用いて算出する。
Figure 2018179691
そして、上記数３において、Ｄ＝１となるまでの時間（残寿命）ｔ’は、Ｄ+ｔ’ΔＤ／Δｔ＝１であるから、故障リスク推定部２１は、下記の数４を用いて、時間（残寿命）ｔ’を算出する。
Figure 2018179691
その後、出力部１４が、故障リスク推定部２１が算出した故障リスク及び残寿命を、外部に出力する。更に、出力部１４は、ユーザが配管毎の故障リスクを視認できるように、故障リスクの違いを視覚的に表現した画像の画像データを出力することもできる。また、出力部１４は、配管毎の故障リスクを記録したリストを出力することもできる。
［装置動作］
次に、本実施の形態２における配管診断装置２０の動作について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態２における配管診断装置の動作を示すフロー図である。以下の説明においては、適宜図４を参酌する。また、本実施の形態２では、配管診断装置２０を動作させることによって、配管診断方法が実施される。よって、本実施の形態２における配管診断方法の説明は、以下の配管診断装置２０の動作説明に代える。
図５に示すように、最初に、入力部１３は、配管情報データベース２３から配管情報を取得し、取得した配管情報をシミュレーション実行部１１に入力する（ステップＢ１）。
次に、シミュレーション実行部１１は、ステップＢ１で入力部１３から入力された配管情報に基づいて、配管設備を構成する配管内での圧力振動のシミュレーションを実行する（ステップＢ２）。ステップＢ２は、図３に示したステップＡ２と同様のステップである。
次に、応力解析部１２は、ステップＢ２によるシミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する（ステップＢ３）。
次に、配管強度推定部２２は、配管設備を構成する配管の強度を推定する（ステップＢ４）。具体的には、配管強度推定部２２は、配管情報データベース２３に格納されている情報に基づいて、対象とする配管の強度を推定して、Ｓ−Ｎ曲線を出力する。
次に、故障リスク推定部２１は、ステップＢ３の解析結果から、配管における応力の発生回数を算出する。次いで、故障リスク推定部２１は、算出した応力の発生回数と、ステップＢ４で推定した対象配管のＳ−Ｎ曲線とを用いて、故障リスクを示す指標を算出する（ステップＢ５）。また、ステップＢ５では、故障リスク推定部２１は、配管の残寿命も算出する。
次に、出力部１４が、故障リスク推定部２１が算出した故障リスク及び残寿命を、外部に出力する（ステップＢ６）。具体的には、出力部１４は、配管診断装置２０に接続された端末装置、又は配管診断装置２０に接続された表示装置に、故障リスク及び残寿命を出力する。
以上のように本実施の形態２によれば、配管の今後の劣化の進行が推定される。このため、配管が破裂してしまう可能性を推定でき、更には、配管の適切な交換時期、交換の順番を定めることもできる。そして、この結果、効率良く、配管設備の故障の発生を抑制することができる。
［プログラム］
本実施の形態２におけるプログラムは、コンピュータに、図５に示すステップＢ１〜Ｂ６を実行させるプログラムであれば良い。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施の形態２における配管診断装置２０と配管診断方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのプロセッサは、シミュレーション実行部１１、応力解析部１２、入力部１３、出力部１４、故障リスク推定部２１、及び配管強度推定部２２として機能し、処理を行なう。
また、本実施の形態２におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されても良い。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ、シミュレーション実行部１１、応力解析部１２、入力部１３、出力部１４、故障リスク推定部２１、及び配管強度推定部２２のいずれかとして機能しても良い。
（資産管理装置）
続いて、図６を用いて、本実施の形態における資産管理装置について説明する。図６は、本発明の実施の形態における資産管理装置の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、本実施の形態における資産管理装置３０は、事業者が保有する配管設備の管理を行なうための装置である。図６に示すように、資産管理装置３０は、図４に示した配管診断装置２０と、交換順位設定部３１とを備えている。
交換順位設定部３１は、配管診断装置２０において故障リスク推定部２１が故障リスクを推定すると、推定された故障リスクに基づいて、配管設備を構成する各配管に対して、交換の順位を設定する。具体的には、交換順位設定部３１は、故障リスク推定部２１によって算出された指標に基づいて、各配管に交換の順位を設定する。
交換順位設定部３１は、例えば、疲労度Ｄの大きい配管を優先して交換の順位を設定する。これにより、事業者は、故障のリスクの高い配管から交換を実施することができるので、事業者が保有する配管の故障を最小限するための効率的な交換が可能となる。
（具体例）
続いて、図７〜図１０を用いて、上述の実施の形態２における配管診断装置２０の動作を具体的に説明する。
まず、本具体例においては、配管情報データベース２３として、地理情報システム（ＧＩＳ：Geographic Information System）が提供するデータベースが用いられているとする。このデータベースには、水道管網の情報、具体的には、水道管網にある配管の長さ、材料、口径、距離、敷設された年代、場所が格納されている。また、同様に、データベースには、水源及びタンクの接続情報も格納されている。図７は、地理情報システムのデータベースが格納している接続情報の一例を示す図である。また、データベースには、管の材料と口径と圧力振動の伝搬速度との関係のデータ、強度データも格納され、更に、解析する周波数などの解析条件も含格納されている。
従って、ユーザは、入力部１３を介して、地理情報システム上の水道網を選択し、配管診断装置２０に対して、解析を指示する。これにより、シミュレーション実行部１１が、配管情報に基づいて、シミュレーションを実行する。
具体的には、シミュレーション実行部１１は、配管情報に基づいて、水道管網を電気回路網に変換する。ここで、図８を用いて、水道管網の電気回路網への変換について説明する。図８は、水道管網から電気回路網への変換を説明するための図である。
図８に示すように、電気回路網を用いて水道管網を表すことは、管３０１を流れる流体の圧力と流量との間の関係性を、電圧と電流との間の関係性と対比させることで可能である。例えば、管網を構成する１本の管３０１は、図８に示すように、コイル３１１とコンデンサ３１２と抵抗３１３とで構成される電気回路３０２に対応付けることが可能である。
即ち、例えば、２点間をつなぐ管３０１は、電気回路３０２で表現することが可能である。このとき、電気回路３０２における、コイル３１１のインダクタンスＬ、コンデンサ３１２のキャパシタンスＣ、抵抗３１３の抵抗値Ｒは、それぞれ下記の数５によって求められる。
Figure 2018179691
数５における圧力振動の伝搬速度は、配管情報データベース２３から、管の材質、口径を取得し、取得した数値を用いることで算出可能である。
シミュレーション実行部１１は、抵抗３１３の代わりに、抵抗３１３によって損失する圧力の大きさ（圧力損失）を表現する電気素子を用いることもできる。圧力損失をＰとすると、Ｐは、たとえば、ヘーゼン・ウィリアムスの式に基づく下記の数６によって表現される。
Figure 2018179691
上記数６において、流量係数とは、ヘーゼン・ウィリアムスの式において、管内の流体の流れやすさを表し、配管の材質及び経年変化の度合いに応じて定まる係数である。但し、上記数６は、管３０１を流れる流体が水である場合の例であり、圧力損失を表現する式は、流体の種類や様々な条件に応じて適切な式が用いられる。
また、シミュレーション実行部１１は、作成した電気回路網に、シミュレートするためのデータを入力する。入力されるデータとしては、解析すべき周波数等が挙げられる。シミュレーション実行部１１は、電気回路網を用いて、例えば、小信号解析法と呼ばれる、振幅の小さい入力信号を用いた解析を実行する。これにより、各周波数における伝搬特性が解析される。小信号解析法は、入力信号の振幅が小さいと仮定することで、電気回路網中の非線形な素子を線形な素子とみなすことができる解析手法である。小信号解析法では、入力信号の振幅が小さいという仮定のもと、線型な素子で構成された小信号モデルが想定され、指定された周波数の電圧に対する出力を算出することができる。
次に、応力解析部１２は、各点での応力を計算する。具体的には、シミュレーション実行部１１で求めた各点の振幅値を元に、解析された周波数範囲で、振幅を積分する。そして、応力解析部１２は、積分した結果を元に、上記数１を用いて応力を算出する。これにより、各配管での応力が計算される。
図９は、本発明の実施の形態における応力の解析結果の一例を示す図である。図９の例では、各配管で発生している応力の強度に応じて、配管の表示態様が変化している。また、このような表示態様を表示するようにすれば、応力の発生しやすい場所が可視化されるので、ユーザに対してリスク要因を提示できる。このため、出力部１４は、図９に示す画面を表示するための画像データを出力することもできる。
次に、配管強度推定部２２は、配管情報データベース２３から、配管の強度データとして、図１０に示すＳ−Ｎ曲線を取得する。図１０は、本発明の実施の形態で用いられる配管の強度データの一例を示す図である。図１０に示すＳ−Ｎ曲線は、応力振幅と繰り返し数との関係を示している。
故障リスク推定部２１は、このＳ−Ｎ曲線に、応力解析部１２によって計算された応力を照合することで、耐えられる繰り返し回数の値を取得する。具体的には、故障リスク推定部２１は、シミュレーションによって推定される応力の発生回数から、残りの耐えられる繰り返し回数を計算し、それを故障リスクとする。
出力部１４は、例えば、故障リスクの大きい（残りの耐えられる繰り返し回数が閾値以下）配管をリストとして出力することにより、故障リスクをユーザに提示する。
（物理構成）
ここで、本実施の形態１及び２におけるプログラムを実行することによって、配管診断装置を実現するコンピュータについて図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態１及び２における配管診断装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。また、本実施の形態では、図１１に示すコンピュータによって、資産管理装置３０を実現することもできる。
図１１に示すように、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、メインメモリ１１２と、記憶装置１１３と、入力インターフェイス１１４と、表示コントローラ１１５と、データリーダ／ライタ１１６と、通信インターフェイス１１７とを備える。これらの各部は、バス１２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。なお、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１に加えて、又はＣＰＵ１１１に代えて、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＦＰＧＡ（Field-ProgrammableGate Array）を備えていても良い。
ＣＰＵ１１１は、記憶装置１１３に格納された、本実施の形態におけるプログラム（コード）をメインメモリ１１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ１１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性の記憶装置である。また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１２０に格納された状態で提供される。なお、本実施の形態におけるプログラムは、通信インターフェイス１１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであっても良い。
また、記憶装置１１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリ等の半導体記憶装置が挙げられる。入力インターフェイス１１４は、ＣＰＵ１１１と、キーボード及びマウスといった入力機器１１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ１１５は、ディスプレイ装置１１９と接続され、ディスプレイ装置１１９での表示を制御する。
データリーダ／ライタ１１６は、ＣＰＵ１１１と記録媒体１２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、及びコンピュータ１１０における処理結果の記録媒体１２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス１１７は、ＣＰＵ１１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。
また、記録媒体１２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））及びＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記録媒体、又はＣＤ−ＲＯＭ（Compact DiskRead Only Memory）などの光学記録媒体が挙げられる。
なお、本実施の形態における配管診断装置１０は、プログラムがインストールされたコンピュータではなく、各部に対応したハードウェアを用いることによっても実現可能である。更に、配管診断装置１０は、一部がプログラムで実現され、残りの部分がハードウェアで実現されていてもよい。
上述した実施の形態の一部又は全部は、以下に記載する（付記１）〜（付記１９）によって表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。
（付記１）
診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
を備えている、ことを特徴とする配管診断装置。
（付記２）
前記応力解析部によって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、故障リスク推定部を、
更に備えている、付記１に記載の配管診断装置。
（付記３）
前記シミュレーション実行部は、前記配管情報を用いて、前記配管設備と等価の電気回路を構築し、前記電気回路における電圧を前記配管内での圧力とみなして、前記シミュレーションを実行する、
付記１または２に記載の配管診断装置。
（付記４）
前記シミュレーション実行部が、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
前記応力解析部が、前記シミュレーション実行部によって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
付記１または２に記載の配管診断装置。
（付記５）
前記配管情報が、前記配管設備を構成する配管における、接続関係、長さ、直径、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む、
付記１〜４のいずれかに記載の配管診断装置。
（付記６）
前記配管設備が、水道管網であり、前記配管情報が、地理情報システムに保持されている水道管網情報である、
付記５に記載の配管診断装置。
（付記７）
診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
前記応力解析部によって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、故障リスク推定部と、
前記故障リスク推定部が推定した前記故障リスクに基づいて、前記配管設備を構成する各配管に対して、交換の順位を設定する、交換順位設定部と、
を備えている、ことを特徴とする資産管理装置。
（付記８）
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を有する、ことを特徴とする配管診断方法。
（付記９）
（ｃ）前記（ｂ）のステップによって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、ステップを、
更に有する、付記８に記載の配管診断方法。
（付記１０）
前記（ａ）のステップにおいて、前記配管情報を用いて、前記配管設備と等価の電気回路を構築し、前記電気回路における電圧を前記配管内での圧力とみなして、前記シミュレーションを実行する、
付記８または９に記載の配管診断方法。
（付記１１）
前記（ａ）のステップにおいて、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記シミュレーション実行部によって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
付記８または９に記載の配管診断方法。
（付記１２）
前記配管情報が、前記配管設備を構成する配管における、接続関係、長さ、直径、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む、
付記８〜１１のいずれかに記載の配管診断方法。
（付記１３）
前記配管設備が、水道管網であり、前記配管情報が、地理情報システムに保持されている水道管網情報である、
付記１２に記載の配管診断方法。
（付記１４）
コンピュータに、
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を実行させる命令を含む、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記１５）
前記プログラムが、前記コンピュータに、
（ｃ）前記（ｂ）のステップによって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、ステップを、
更に実行させる命令を含む、付記１４に記載の記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記１６）
前記（ａ）のステップにおいて、前記配管情報を用いて、前記配管設備と等価の電気回路を構築し、前記電気回路における電圧を前記配管内での圧力とみなして、前記シミュレーションを実行する、
付記１４または１５に記載の記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記１７）
前記（ａ）のステップにおいて、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記シミュレーション実行部によって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
付記１４または１５に記載の記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記１８）
前記配管情報が、前記配管設備を構成する配管における、接続関係、長さ、直径、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む、
付記１４〜１７のいずれかに記載の記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記１９）
前記配管設備が、水道管網であり、前記配管情報が、地理情報システムに保持されている水道管網情報である、
付記１８に記載の記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１７年３月２８日に出願された日本出願特願２０１７−０６２６５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上のように、本発明によれば、配管設備において、将来の配管の劣化の進行を推定することができる。本発明は、流体を配管網で分配するシステム、たとえば浄水場から浄水を配水する配管網システムや、石油・ガスを送るパイプライン、といった用途に有用である。
１０ 配管診断装置（実施の形態１）
１１ シミュレーション実行部
１２ 応力解析部
１３ 入力部
１４ 出力部
２０ 配管診断装置（実施の形態２）
２１ 故障リスク推定部
２２ 配管強度推定部
２３ 配管情報データベース
３０ 資産管理装置
３１ 交換順位設定部
１１０ コンピュータ
１１１ ＣＰＵ
１１２ メインメモリ
１１３ 記憶装置
１１４ 入力インターフェイス
１１５ 表示コントローラ
１１６ データリーダ／ライタ
１１７ 通信インターフェイス
１１８ 入力機器
１１９ ディスプレイ装置
１２０ 記録媒体
１２１ バス
本発明は、上水道といった配管設備の故障リスクを診断するための、配管診断装置、及び配管診断方法に関し、更には、これらを実現するためのプログラムに関する。
本発明の目的の一例は、上記の課題を鑑み、配管設備において、将来の配管の劣化の進行を推定し得る、配管診断装置、資産管理装置、配管診断方法、及びプログラムを提供することにある。
更に、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるプログラムは、
コンピュータに、
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を実行させることを特徴とする。
その後、出力部１４が、上述したように、応力解析部１２によって算出された応力を、解析結果として、外部に出力する。このとき、出力部１４は、算出された応力だけでなく、シミュレーション実行部１１によって得られた圧力変動のデータ自体を出力しても良い。更に、出力部１４は、ユーザが配管毎の応力を視認できるように、応力の違いを視覚的に表現した画像の画像データを出力することもできる。
（付記１１）
前記（ａ）のステップにおいて、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記（ａ）のステップによって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
付記８または９に記載の配管診断方法。
（付記１４）
コンピュータに、
（ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
（ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
を実行させるプログラム。
（付記１５）
前記プログラムが、前記コンピュータに、
（ｃ）前記（ｂ）のステップによって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、ステップを、
更に実行させるプログラム。
（付記１６）
前記（ａ）のステップにおいて、前記配管情報を用いて、前記配管設備と等価の電気回路を構築し、前記電気回路における電圧を前記配管内での圧力とみなして、前記シミュレーションを実行する、
付記１４または１５に記載のプログラム。
（付記１７）
前記（ａ）のステップにおいて、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記（ａ）のステップによって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
付記１４または１５に記載のプログラム。
（付記１８）
前記配管情報が、前記配管設備を構成する配管における、接続関係、長さ、直径、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む、
付記１４〜１７のいずれかに記載のプログラム。
（付記１９）
前記配管設備が、水道管網であり、前記配管情報が、地理情報システムに保持されている水道管網情報である、
付記１８に記載のプログラム。

Claims (9)

  1. 診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
    シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
    を備えている、ことを特徴とする配管診断装置。
  2. 前記応力解析部によって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、故障リスク推定部を、
    更に備えている、請求項１に記載の配管診断装置。
  3. 前記シミュレーション実行部は、前記配管情報を用いて、前記配管設備と等価の電気回路を構築し、前記電気回路における電圧を前記配管内での圧力とみなして、前記シミュレーションを実行する、
    請求項１または２に記載の配管診断装置。
  4. 前記シミュレーション実行部が、前記シミュレーションの実行によって、前記配管設備を構成する配管における周波数毎の振動特性又は時系列の振動特性を取得し、
    前記応力解析部が、前記シミュレーション実行部によって取得された振動特性を積分することによって、前記応力を計算する、
    請求項１または２に記載の配管診断装置。
  5. 前記配管情報が、前記配管設備を構成する配管における、接続関係、長さ、直径、内部の摩擦係数、及び圧力波の伝搬速度を少なくとも含む、
    請求項１〜４のいずれかに記載の配管診断装置。
  6. 前記配管設備が、水道管網であり、前記配管情報が、地理情報システムに保持されている水道管網情報である、
    請求項５に記載の配管診断装置。
  7. 診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、シミュレーション実行部と、
    シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、応力解析部と、
    前記応力解析部によって計算された前記応力と、前記配管設備を構成する配管の強度とに基づいて、前記配管設備の故障リスクを推定する、故障リスク推定部と、
    前記故障リスク推定部が推定した前記故障リスクに基づいて、前記配管設備を構成する各配管に対して、交換の順位を設定する、交換順位設定部と、
    を備えている、ことを特徴とする資産管理装置。
  8. （ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
    （ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
    を有する、ことを特徴とする配管診断方法。
  9. コンピュータに、
    （ａ）診断対象となる配管設備の構成を特定する配管情報に基づいて、前記配管設備を構成する配管内での圧力の振動のシミュレーションを実行する、ステップと、
    （ｂ）シミュレーションによって得られた圧力振動に基づいて、前記配管設備を構成する配管に生じる応力を計算する、ステップと、
    を実行させる命令を含む、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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