DE112014007193T5

DE112014007193T5 - Zustandsschätzvorrichtung

Info

Publication number: DE112014007193T5
Application number: DE112014007193.5T
Authority: DE
Inventors: Tetsutaro Yamada; Yoshiaki Yokoyama; Yasushi Obata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: MY167374A; WO2016079848A1; US9964408B2; JPWO2016079848A1; JP6132990B2; DE112014007193B4; US20170314920A1

Abstract

Eine Zustandsschätzvorrichtung enthält: eine Beobachtungseinheit 1, die eine Strömungsgeschwindigkeit einer Seeoberfläche mit einem Strahls misst und eine Küstenwellenhöhen misst, eine Vorhersageeinheit 5, die anhand eines Zustandsvektors enthaltend die Strömungsgeschwindigkeit jeder Bereichszelle des Strahls, eine Wellenhöhendifferenz zwischen den Bereichszellen über eine Grenze hiervon und einen Küstenwellenhöhenwert, den Zustandsvektor zu einer nächsten Zeit vorhersagt, eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9, die eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix anhand einer Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix berechnet, eine Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7, die eine Verstärkungsmatrix auf der Grundlage der von der Beobachtungseinheit 1 und der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 erhaltenen Berechnungsergebnisse berechnet, eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8, die eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix anhand der von der Beobachtungseinheit 1, der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 und der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 erhaltenen Verarbeitungsergebnisse berechnet, eine Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6, die den Zustandsvektor für jede Wellenhöhendifferenz anhand der von der von der Beobachtungseinheit 1, der Vorhersageeinheit 5 und der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 erhaltenen Verarbeitungsergebnisse glättet, und eine Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10, die eine Wellenhöhe der Bereichszellen durch Addieren der Wellenhöhe und der Wellenhöhendifferenz in einer Richtung zu der offenen See hin berechnet unter Verwendung eines von der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 erhaltenen Verarbeitungsergebnisses.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zustandsschätzvorrichtung, die eine Schätzung des Zustands einer Seeoberfläche durchführt.
STAND DER TECHNIK
Es ist erforderlich, einen Tsunami so schnell wie möglich genau vorherzusagen, um den Tsunami in weiter Entfernung zu erfassen, und sofort einen Alarm auszulösen. Es ist daher erforderlich, einen genauen Wellenhöhenwert und einen genauen Strömungsgeschwindigkeitswert des Tsunami in Echtzeit zu erkennen. Als Gegenmaßnahmen hierfür gibt es die folgenden Erfindungen als Stand der Technik (siehe beispielsweise die Nichtpatentdokumente 1 bis 4 und das Patentdokument 1.)
Bei der im Nichtpatentdokument 1 offenbarten Technik wird ein Wellenhöhenwert in Echtzeit vorhergesagt anhand eines von einem Radar erhaltenen Strömungsgeschwindigkeitswerts, unter Verwendung einer nichtlinearen Gleichung für seichtes Wasser, die ein kinetisches Modell für einen Tsunami ist.
In der im Nichtpatentdokument 2 offenbarten Technik wird ein Wellenhöhenwert in Echtzeit vorhergesagt, indem eine Filterung von Wellenhöhenwerten unter Berücksichtigung von Beobachtungsfehlern anhand von Wellenhöhenwerten einer Tsunamimessung mittels einer Boje eines globalen Positionssystems (GPS), die von einer Küste zur offenen See hin angeordnet ist, durchgeführt wird.
In der im Patentdokument 1 offenbarten Technik wird eine Tsunamiwellenquelle auf der Grundlage einer an einer Beobachtungsposition beobachteten Tsunamiwellenhöhe geschätzt, und eine Tsunamiwellenhöhe wird anhand der geschätzten Tsunamiwellenquelle geschätzt.
In der im Nichtpatentdokument offenbarten Technik werden die Erfassung eines Tsunami, die einen HF-Radar verwendet, und eine Gleichung über eine Beziehung zwischen einer Strömungsgeschwindigkeit und einer Wellenhöhe des Tsunami, die auf einer Gleichung für seichtes Wasser basiert, beschrieben.
In der im Nichtpatentdokument 4 offenbarten Technik wird ein Verfahren des Assimilierens eines Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerts eines HF-Radars mit einem Gezeitenmodell als ein Schätzverfahren für eine Strömungsgeschwindigkeit zu einer normalen Zeit, zu der ein Tsunami nicht existiert, beschrieben.
ZITATLISTE
NICHTPATENTLITERATUR

Nichtpatentdokument 1: Izumiya, ”Study on Real-Time Prediction of Tsunami Using Ocean Surface Flow Velocity Field Obtained by Ocean Radar”, Proceedings of Coastal Engineering, Band 52, Seiten 246 bis 250.
Nichtpatentdokument 2: Koike, ”Study on Real-Time Tsunami Forecasting and Warning That Uses Kalman Filter”, Journal of Japan Society of Civil Engineers No. 27-0293-2003.
Nichtpatentdokument 3: BELINDA J. LIPA, DONALD E. BARRICK, JOHN BOURG und BRUCE B. NYDEN ”HF Radar Detection of Tsunamis”, Journal of Oceanography, Band 62, Seiten 705 bis 716, 2006.
Nichtpatentdokument 4: Oyvind Breivik, Oyvind Saetra, ”Real time assimilation of HF radar currents into a coastal ocean model”, Journal of Marine Systems, Band 28, Ausgaben 3–4, Seiten 161–182, April 2011.

PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: JP 2008-089316 A

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Jedoch wird bei der im Nichtpatentdokument 1 offenbarten Technik, während ein durch ein Radar erhaltener Strömungsgeschwindigkeitswert einen Beobachtungsfehler enthält, der Beobachtungsfehler nicht berücksichtigt. Somit wird als ein Problem dieser Technik die Genauigkeit der Wellenhöhenvorhersage beeinträchtigt. Zusätzlich besteht bei dieser Technik auch das Problem, dass zwei oder mehr Radarvorrichtungen installiert werden müssen (das heißt, es wird angenommen, dass ein Strömungsgeschwindigkeitsvektor in einem zweidimensionalen Raum erhalten werden muss).
Zusätzlich müssen bei der im Nichtpatentdokument 2 offenbarten Technik zum Erfassen eines Tsunami, der aus verschiedenen Orientierungen stammen kann, mehrere Tsunamimessgeräte in einem zweidimensionalen Raum installiert werden, so dass das Problem besteht, dass die Kosten für die Installation der Tsunamimessgeräte hoch sind. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass, da ein Tsunamimessgerät wie eine GPS-Boje nicht direkt einen Strömungsgeschwindigkeitswert erfassen kann, ein anhand eines Wellenhöhenwerts auf der Grundlage einer Bewegungsgleichung für den Tsunami berechneter Strömungsgeschwindigkeitswert einen beträchtlichen Fehler enthält. Zusätzlich ist weiterhin zu berücksichtigen, dass, da ein Tsunamimessgerät unter Verwendung einer GPS-Boje nicht an einer von Land weit entfernten Stelle der offenen See installiert werden kann, nur ein Wellenhöhenwert der See in Küstennähe identifiziert werden kann.
Zusätzlich besteht bei der im Patentdokument 1 offenbarten Technik, da angenommen wird, dass der Wellenhöhenwert an einer Stelle der offenen See direkt beobachtet werden kann, ein Problem ähnlich wie in dem Fall des Nichtpatentdokuments 2.
In dem Fall des Berechnens eines Wellenhöhenwerts anhand eines Strömungsgeschwindigkeitswerts auf der Grundlage der im Nichtpatentdokument 3 beschriebenen Gleichung für seichtes Wasser ist, da ein Fehler des Strömungsgeschwindigkeitswerts ähnlich wie in dem Fall des Nichtpatentdokuments 1 nicht berücksichtigt wird, zu beachten, dass die Schätzgenauigkeit für den Wellenhöhenwert beeinträchtigt ist.
In dem Nichtpatentdokument 4 sind weder ein Schätzverfahren für einen Tsunami noch ein Schätzverfahren für einen Wellenhöhenwert einer Seeoberfläche beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zustandsschätzvorrichtung anzugeben, die einen genauen Wellenhöhenwert und einen genauen Strömungsgeschwindigkeitswert eines Tsunami in Echtzeit erkennen kann.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Zustandsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine Beobachtungseinheit, die einen Strömungsgeschwindigkeitswert einer Seeoberfläche unter Verwendung eines Strahls misst und einen Küstenwellenhöhenwert misst, eine Vorhersageeinheit, die für einen Zustandsvektor enthaltend den Strömungsgeschwindigkeitswert von jeder von Bereichszellen des Strahls, eine Wellenhöhendifferenz zwischen den Bereichszellen über eine Grenze hiervon und den Küstenwellenhöhenwert, den Zustandsvektor zu einer nächsten Zeit vorhersagt; eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, die eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix anhand einer Glättungsfehler-Kovarianzmatrix berechnet; eine Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit, die eine Verstärkungsmatrix anhand von Verarbeitungsergebnissen, die durch die Beobachtungseinheit und die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, berechnet; eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, die eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix anhand der Verarbeitungsergebnisse, die durch die Beobachtungseinheit, die Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit und die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, berechnet; eine Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit, die den Zustandsvektor für jede Wellenhöhendifferenz anhand von Verarbeitungsergebnissen, die von der Beobachtungseinheit, der Vorhersageeinheit und der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, glättet; und eine Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit, die einen Wellenhöhenwert von jeder der Bereichszellen durch Addieren des Wellenhöhenwerts und der Wellenhöhendifferenz in einer Richtung zur offenen See hin unter Verwendung eines von der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit erhaltenen Verarbeitungsergebnisses berechnet.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung können gemäß der vorbeschriebenen Konfiguration ein genauer Wellenhöhenwert und ein genauer Strömungsgeschwindigkeitswert eines Tsunami in Echtzeit erkannt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Zustandsschätzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert;
2 ist ein Diagramm, das Zustände eines Radars und Tsunami in der Zustandsschätzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert;
3 ist ein Diagramm, das einen Radarüberdeckungsbereich und einen Zustandsvektor in der Zustandsschätzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert;
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abstand und einer Wellenhöhendifferenz in der Zustandsschätzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert;
5 ist ein Diagramm, das eine Glättungsverarbeitung in einer herkömmlichen Zustandsschätzvorrichtung illustriert; und
6 ist ein Diagramm, das eine Glättungsverarbeitung in der Zustandsschätzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Zustandsschätzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert.
Wie in 1 illustriert ist, enthält die Zustandsschätzvorrichtung eine Beobachtungseinheit 1, eine Berechnungseinheit 2 für einen Wellenhöhenanfangswert, eine Setzeinheit 3 für einen Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix, eine Setzeinheit 4 für einen Anfangswert des Glättungswertvektors, eine Vorhersageeinheit 5, eine Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6, eine Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7, eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8, eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9, eine Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10, eine Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11, und eine Alarmeinheit 12. Jede der vorgenannten Funktionseinheiten der Zustandsschätzvorrichtung wird durch eine Programmverarbeitung unter Verwendung einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) auf der Grundlage von Software durchgeführt.
Die Beobachtungseinheit 1 misst einen Strömungsgeschwindigkeitswert einer Seeoberfläche und einen Küstenwellenhöhenwert. Hier misst die Beobachtungseinheit 1 den Strömungsgeschwindigkeitswert der Seeoberfläche unter Verwendung eines Radarstrahls auf einer Zellenbasis und misst den Küstenwellenhöhenwert unter Verwendung eines an einer Küste installierten Gezeitenmessgeräts. Hier bezieht sich die Zelle auf eine Einheit des Abstands und der Strahlauflösung. Informationen, die Beobachtungswerte (den Strömungsgeschwindigkeitswert und den Wellenhöhenwert), die von der Beobachtungseinheit gemessen wurden, anzeigen, werden zu der Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert, der Setzeinheit 4 für den Anfangswert des Glättungswertvektors, der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6, der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 und der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 ausgegeben.
Die Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnet einen Anfangswert einer Wellenhöhendifferenz eines Ziel(Seeoberflächen)-Zustandsvektors. Die Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnet auf der Grundlage des von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswerts für jede Bereichszelle einen Anfangswert einer Wellenhöhendifferenz des Zustandsvektors anhand einer Differenz zwischen Strömungsgeschwindigkeitswerten zu zwei Zeiten, die einem Strömungsgeschwindigkeitswert zu einer Anfangszeit und einem Strömungsgeschwindigkeitswert zu einer nächsten Zeit entsprechen. Informationen, die die von der Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnete Wellenhöhendifferenz anzeigen, werden zu der Setzeinheit für den Anfangswert des Glättungswertvektors ausgegeben.
Die Setzeinheit 3 für den Anfangswert einer Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix setzt einen Anfangswert einer Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix zu einer Anfangszeit. Informationen, die die von der Setzeinheit 3 für den Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix gesetzte Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix anzeigen, werden zu der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 ausgegeben.
Die Setzeinheit für den Anfangswert des Glättungswertvektors setzt die von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Werte und die von der Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnete Wellenhöhendifferenz als Anfangswerte des Zielzustandsvektors. Informationen, die den von der Setzeinheit 4 für den Anfangswert des Glättungswertvektors gesetzten Zielzustandsvektor anzeigen, werden zu der Vorhersageeinheit 5 ausgegeben.
Die Vorhersageeinheit 5 sagt den Zielzustandsvektor voraus. Die Vorhersageeinheit 5 sagt einen Zielzustandsvektor zu der nächsten Zeit voraus für den in einer anfänglichen Phase von der Setzeinheit 4 für den Anfangswert des Glättungswertvektors gesetzten Zielzustandsvektor und für einen durch die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 geglätteten Zielzustandsvektor in einer Nachführungsphase. Informationen, die den von der Vorhersageeinheit 5 vorhergesagten Zielzustandsvektor anzeigen, werden zu der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 und der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 ausgegeben.
Die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 glättet einen Zielzustandsvektor für jede Wellenhöhendifferenz auf der Grundlage des von der Vorhersageeinheit 5 vorhergesagten Zielzustandsvektors, der von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte und einer von der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechneten Verstärkungsmatrix. Informationen, die den durch die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 geglätteten Zielzustandsvektor anzeigen, werden zu der Vorhersageeinheit 5 und der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 ausgegeben.
Die Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechnet eine Verstärkungsmatrix anhand der von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte und einer von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix. Informationen, die die von der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechnete Verstärkungsmatrix anzeigen, werden zu der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 und der Glättungsfehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 ausgegeben.
Die Glättungsfehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 berechnet eine Glättungsfehler-Kovarianzmatrix anhand der von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte, der von der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechneten Verstärkungsmatrix und der von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix. Informationen, die die von der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 berechnete Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix anzeigen, werden zu der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 ausgegeben.
Die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechnet eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix. Die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechnet die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix unter Verwendung der von der Setzeinheit für den Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix berechneten Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix in einer Initialisierungsphase, und unter Verwendung der von der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 berechneten Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix in der Nachführungsphase. Informationen, die die von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechnete Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix anzeigen, werden zu der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7, der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 und der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 ausgegeben.
Die Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechnet einen Wellenhöhenwert jeder Bereichszelle durch Addieren des Wellenhöhenwerts und der Wellenhöhendifferenz in einer Richtung zur offenen See hin auf der Grundlage des durch die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 geglätteten Zielzustandsvektors. Informationen, die den durch die Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechneten Wellenhöhenwert und einen Strömungsgeschwindigkeitswert des zu der Zeit geglätteten Zielzustandsvektors anzeigen, werden zu der Alarmeinheit 12 ausgegeben.
Die Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 berechnet eine Wahrscheinlichkeit jedes Strahls anhand des von der Vorhersageeinheit 5 vorhergesagten Zielzustandsvektors und der von der Vorhersagefehler-Kovarianz-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix, und erfasst eine Strahlrichtung, in der die Wahrscheinlichkeit am größten wird, als eine Ankunftsrichtung des Tsunami. Informationen, die die von der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 erfasste Strahlrichtung anzeigen, werden zu der Alarmeinheit 12 ausgegeben.
Die Alarmeinheit 12 gibt einen Tsunamialarm auf der Grundlage der von der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 erfassten Strahlrichtung, des von der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechneten Wellenhöhenwerts und einer Größe des Strömungsgeschwindigkeitswerts zu der Zeit aus. Zusätzlich sagt die Alarmeinheit 12 eine Ankunftszeit des Tsunami voraus, indem eine Fluidsimulation unter Verwendung einer Bewegungsgleichung des Tsunami durchgeführt wird unter Verwendung des von der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechneten Wellenhöhenwerts und des Strömungsgeschwindigkeitswerts zu der Zeit als Anfangsbedingungen.
Als Nächstes wird eine Arbeitsweise der Zustandsschätzvorrichtung mit der vorbeschriebenen Konfiguration beschrieben.
Die Arbeitsweise der Zustandsschätzvorrichtung ist geteilt in die Initialisierungsphase und die Nachführungsphase. In der Initialisierungsphase wird ein Anfangswert eines Kalman-Filters gesetzt durch Durchführen des Setzens eines Anfangswerts des Zielzustandsvektors und des Setzens eines Anfangswerts der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix in einem Zustand, in welchem Beobachtungswerte (Strömungsgeschwindigkeitswerte, Wellenhöhenwerte) entsprechend 2 Zeiten akkumuliert wurden. Zusätzlich wird in der Nachführungsphase ähnlich einem normalen Kalman-Filter eine Aktualisierung des Zustandsvektors für jede Zeit online durchgeführt.
Bei der Operation der Zustandsschätzvorrichtung misst zuerst die Beobachtungseinheit 1 einen Strömungsgeschwindigkeitswert einer Seeoberfläche unter Verwendung eines Strahls und misst einen Küstenwellenhöhenwert. 2 ist ein Diagramm, das die Messung eines Strömungsgeschwindigkeitswerts einer Seeoberfläche unter Verwendung eines Radars illustriert.
Nachfolgend berechnet die Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert einen Anfangswert einer Wellenhöhendifferenz eines Zielzustandsvektors auf der Grundlage des von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswerts.
Hier kann eine Strömungsgeschwindigkeitskomponente nur in einer Augenblickserfassung durch Verwendung eines durch eine einzelne Radarvorrichtung erhaltenen Strömungsgeschwindigkeitswerts erfasst werden. Somit wird ein Kalman-Filter, das die gegenseitige Interaktion von Wellen in der Bereichsrichtung berücksichtigt, für jeden Strahl gebildet. Somit wird, wie in 3 und der folgenden Gleichung (1) illustriert ist, das Kalman-Filter für jeden Strahl ausgeführt unter Verwendung eines Strömungsgeschwindigkeitswerts (Strömungsrate) in jeder Bereichszelle von einer Küste zur offenen See, einer Wellenhöhendifferenz in einer räumlichen Richtung zwischen benachbarten Bereichszellen über eine Grenze hiervon, und eines Küstenwellenhöhenwerts, als einem Zielzustandsvektor.
In der Gleichung (1) bezeichnet X(k) einen Zielzustandsvektor zu einer Zeit k, M_i(k) bezeichnet eine Strömungsrate einer i-ten Bereichszelle zu der Zeit k, η₀(k) bezeichnet einen Küstenwellenhöhenwert, und Δη_i-1,i(k) bezeichnet eine Wellenhöhendifferenz der i-ten Bereichszelle.
Im Folgenden wird die Verarbeitung des Kalman-Filters, die in einem Fall durchgeführt wird, in dem ein Strahl fixiert ist, beschrieben. Jedoch wird tatsächlich eine gleichzeitige Durchführung von Kalman-Filtern entsprechend der Anzahl von Strahlen angenommen.
Dann verwendet die Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert die Strömungsgeschwindigkeitswerte zu zwei Zeiten, die einem Strömungsgeschwindigkeitswert zu der Anfangszeit und einem Strömungsgeschwindigkeitswert zu der nächsten Zeit entsprechen, als Eingangswerte und berechnet für jede Bereichszelle einen Anfangswert einer Wellenhöhendifferenz eines Zustandsvektors anhand einer Differenz zwischen den Strömungsgeschwindigkeitswerten zu der Anfangszeit und zu der nächsten Zeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen (2) und (3). Δη_i-1,i(k) = Δx / ghΔt(M_i(k + 1) – M_i(k)) (2) M_i(k) = hu_i(k) (3)
In den Gleichungen (2) und (3) bezeichnet u_i eine Strömungsgeschwindigkeit der i-ten Bereichszelle, t bezeichnet eine Zeit, h bezeichnet eine Wassertiefe, d bezeichnet die Anzahl von Bereichszellen, g bezeichnet eine Gravitationsbeschleunigung, Δx bezeichnet einen Abstand zwischen Bereichszellen, und Δt bezeichnet ein Abtastintervall. Zusätzlich wird angenommen, dass die Wassertiefe h aus Topografiedaten oder dergleichen bekannt ist.
Nachfolgend setzt die Setzeinheit 3 für den Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix zu der Anfangszeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen (4) bis (7).
In Gleichung (4), bezeichnet P_k:k eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix zu der Zeit k, R bezeichnet eine Beobachtungsfehler-Kovarianzmatrix, Q bezeichnet eine Antriebsgeräusch(drive noise)-Kovarianzmatrix, G bezeichnet eine Antriebsgeräusch-Umwandlungsmatrix, die durch die Gleichungen (r) bis (7) dargestellt ist, und Id bezeichnet eine Einheitsmatrix in der Größe von d·d. Hier wird in den Gleichungen (5) bis (7) angenommen, dass eine Wellenhöhendifferenz gemäß einer normalen Verteilung schwankt, wenn sich der Tsunami bewegt. Jedoch kann die Formulierung unter der Annahme durchgeführt werden, dass eine Zeitableitung einer Wellenhöhendifferenz gemäß der normalen Verteilung schwankt.
Nachfolgend setzt die Setzeinheit 4 für den Anfangswert des Glättungswertvektors die von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte und den von der Berechnungseinheit 2 für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnete Wellenhöhendifferenz als Anfangswerte des Zielzustandsvektors.
Nachfolgend sagt die Vorhersageeinheit 5 den Zielzustandsvektor vorher. Zu dieser Zeit sagt die Vorhersageeinheit 5 einen Zielzustandsvektor zu der nächsten Zeit vorher unter Verwendung der folgenden Gleichungen (8) bis (10), für den durch die Setzeinheit 4 für den Anfangswert des Glättungswertvektors gesetzten Zielzustandsvektor in der Anfangsphase und für den durch die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 geglätteten Zielzustandsvektor in der Nachführungsphase. X_k:k-1 = AX_k-1:k-1(8)
In Gleichung (8) bezeichnet X_k:k-1 einen vorhergesagten Zustandsvektor zur Zeit k. Zusätzlich wird eine Übergangsmatrix A in der Größe von (2d + 1)·(2d + 1), die ein kinetisches Modell anzeigt, durch die Gleichungen (9) und (10) dargestellt.
Die Einzelheiten der Übergangsmatrix A werden nachfolgend beschrieben.
Zuerst kann unter Verwendung einer eindimensionalen linearen Gleichung für seichtes Wasser eine Beziehung zwischen einem Strömungsgeschwindigkeitswert und einer Wellenhöhendifferenz durch die folgenden Gleichungen (11) und (12) dargestellt werden. M_i(k + 1) = M_i(k) – gh Δt / Δx(η_i+1(k) – η_i(k)) (11) Δη_i,i-1(k + 1) = Δη_i,i+1(k) – Δt / Δx(M_i+2(k) – 2M_i+1 + M_i(k)) (12)
Hierdurch kann durch Sammeln der eindimensionalen linearen Gleichungen für seichtes Wasser der jeweiligen Bereichszellen in einer Matrix als einem kinetischen Modell, wobei der Beziehungsausdruck (13), der auf eine Grenzbedingung bezogen ist, berücksichtigt wird, die Übergangsmatrix A, die das kinetische Modell anzeigt, durch die Gleichungen (9) und (10) dargestellt werden. Obgleich in der vorstehenden Beschreibung das kinetische Modell von den eindimensionalen linearen Gleichungen für seichtes Wasser abgeleitet ist, kann das Glätten mit einem nichtlinearen Filter wie einem erweiterten Kalman-Filter, einem Teilchenfilter oder dergleichen durchgeführt werden, wobei eine Gleichung für seichtes Wasser verwendet wird, mit der ein nichtlinearer Ausdruck berücksichtigt wird. Zusätzlich können, da es bekannt ist, dass die eindimensionale lineare Gleichung für seichtes Wasser einen großen Fehler an einem Punkt enthält, an dem eine Wassertiefe seicht ist, Antriebsgeräusche gemäß der Wassertiefe in einem Messbereich der Beobachtungseinheit 1 gesetzt werden.
Nachfolgend glättet die Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 einen Zielzustandsvektor für jede Wellenhöhendifferenz unter Verwendung der folgenden Gleichungen (14) und (15) auf der Grundlage des Zielzustandsvektors, der von der Vorhersageeinheit 5 vorhergesagt wurde, der Beobachtungswerte, die von der Beobachtungseinheit 1 gemessen wurden, und der Verstärkungsmatrix, die von der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechnet wurde.
In Gleichung (14) bezeichnet X_k:k einen geglätteten Zustandsvektor zu der Zeit k, H bezeichnet eine Beobachtungsmatrix in der Größe von d·(2d + 1), die durch Formel (15) dargestellt ist, von der Beziehung zwischen einer Strömungsrate und einer Strömungsgeschwindigkeit, und Z(k) bezeichnet einen Beobachtungswertvektor eines Küstenwellenhöhenwerts und eines Strömungsgeschwindigkeitswerts.
Nachfolgend berechnet die Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 eine Verstärkungsmatrix unter Verwendung der folgenden Gleichung (16) anhand der von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte und der von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix. K(k) = P_k:k-1(k)H'[HP_k:k-1H' + R] (16)
In Gleichung (16) bezeichnet H' eine Transponierung der Matrix H.
Nachfolgend berechnet die Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix unter Verwendung der folgenden Gleichung (17) anhand der von der Beobachtungseinheit 1 gemessenen Beobachtungswerte, der von der Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit 7 berechneten Verstärkungsmatrix und der von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix. P_k:k = (I – K(k)H)P_k:k-1 (17)
Nachfolgend berechnet die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix unter Verwendung der folgenden Gleichung (18). Zu dieser Zeit berechnet die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix unter Verwendung der von der Setzeinheit 3 für den Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix berechneten Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix in der Initialisierungsphase und unter Verwendung der von der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 8 berechneten Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix in der Nachführungsphase. P_k:k-1 = AP_k-1:k-1A' + GQG' (18)
In Gleichung (18) bezeichnet P_k:k-1 eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix zu einer Zeit k – 1.
Nachfolgend berechnet die Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 einen Wellenhöhenwert jeder Bereichszelle durch Addieren des Wellenhöhenwerts und der Wellenhöhendifferenz in der Richtung zu der offenen See hin unter Verwendung der folgenden Gleichung (19) auf der Grundlage des von der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit 6 geglätteten Zielzustandsvektors (siehe 4).
Nachfolgend berechnet die Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 eine Wahrscheinlichkeit jedes Strahls unter Verwendung der folgenden Gleichungen (20) und (21) anhand des von der Vorhersageeinheit 5 vorhergesagten Zielzustandsvektors und der von der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit 9 berechneten Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix, und erfasst eine Strahlrichtung, in der die Wahrscheinlichkeit am größten wird, als eine Ankunftsrichtung des Tsunami. p(Z_k) (20) p ~ N(HX_k:k-1, R + HP_k:k-1H') (21)
In Gleichung (20) bezeichnet P eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion und hat eine durch Gleichung (21) dargestellte Normalverteilung. Hier bezeichnet N(a, b) in Gleichung (21) eine Normalverteilung eines Durchschnitts A und einer Varianz b.
Nachfolgend gibt die Alarmeinheit 12 einen Tsunamialarm aus, auf der Grundlage der von der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit 11 erfassten Strahlrichtung, des von der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechneten Wellenhöhenwerts und der Größe des Strömungsgeschwindigkeitswerts zu der Zeit. Zusätzlich sagt die Alarmeinheit 12 eine Ankunftszeit des Tsunami vorher, indem eine Fluidsimulation unter Verwendung einer Bewegungsgleichung des Tsunami durchgeführt wird, unter Verwendung des von der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit 10 berechneten Wellenhöhenwerts und des Strömungsgeschwindigkeitswerts zu der Zeit als Anfangsbedingungen.
Wie vorstehend beschrieben ist, werden gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Wellenhöhenwerte aufgelöst in Wellenhöhendifferenzen in einer räumlichen Richtung, und ein Strömungsgeschwindigkeitswert (Strömungsrate), ein Küstenwellenhöhenwert und eine Wellenhöhendifferenz werden in einer Zeitreihenrichtung als ein Zielzustandsvektor geglättet, und dann werden der geglättete Wellenhöhenwert und die geglättete Wellenhöhendifferenz in der Richtung zur offenen See hin addiert. Gemäß einer derartigen Konfiguration ist es möglich, einen genauen Wellenhöhenwert und einen genauen Strömungsgeschwindigkeitswert des Tsunami in Echtzeit zu erkennen.
In dem Nichtpatentdokument 2, in welchem ein Wellenhöhenwert als ein Zustandsvektor dargestellt ist, kann in einem Fall des Schätzens eines Wellenhöhenwerts auf offener See ein Strömungsgeschwindigkeitswert beobachtet werden, aber ein Wellenhöhenwert, der ein anderer als ein Küstenwellenhöhenwert ist, kann nicht direkt erhalten werden, so dass ein Wellenhöhenwert nicht genau geschätzt werden kann.
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand der Ausbreitung von Strömungsraten (Strömungsgeschwindigkeitswerten) und Wellenhöhenwerten, sowie ein Konzept des Glättens eines Wellenhöhenwerts auf offener See bei einem herkömmlichen Verfahren illustriert. In 5 zeigen Pfeile in einem Rhombus, das durch Wellenhöhenwerte und Strömungsraten gebildet ist, den Ausbreitungszustand von Wellenhöhenwerten und Strömungswerten auf der Grundlage einer eindimensionalen Gleichung für seichtes Wasser an.
Bei einem herkömmlichen Verfahren wird als ein Anfangswert des Kalman-Filters ein Wellenhöhen-Anfangswert berechnet unter Verwendung der Gleichungen (2) und (19), und wird geglättet unter Verwendung umgebender Strömungsraten. Somit ist der Einfluss eines Fehlers des Wellenhöhen-Anfangswerts groß. Selbst wenn das Glätten in der Zeitreihenrichtung durchgeführt wird, wird die Schätzungsgenauigkeit der Wellenhöhenwerte nicht verbessert. Zusätzlich hierzu sind zum Glätten eines Wellenhöhenwerts auf offener See verwendete Strömungsraten auf Strömungsraten in einem Dreieckbereich in 5 beschränkt. Somit verschlechtert die Schätzungsgenauigkeit von Wellenhöhenwerten.
Demgegenüber werden bei der vorliegenden Erfindung Wellenhöhenwerte in Wellenhöhendifferenzen in der räumlichen Richtung aufgelöst, das Glätten wird für jede Wellenhöhendifferenz durchgeführt, und ein Wellenhöhenwert wird erhalten durch eine Additionsverarbeitung von Wellenhöhendifferenzen in der räumlichen Richtung. Bei dieser Konfiguration wird, selbst wenn die Schätzungsgenauigkeit eines Wellenhöhen-Anfangswerts schlecht ist, eine Wellenhöhendifferenz jedes Mal geglättet, während die Zeit fortschreitet, so dass ein Wellenhöhenwert genau geschätzt werden kann.
6 ist ein Diagramm, das ein Konzept des Glättens von Wellenhöhendifferenzen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
Wie in 6 illustriert ist, sind Strömungsraten (Strömungsgeschwindigkeitswerte), die zum Glätten einer Wellenhöhendifferenz, die einem Küstenwellenhöhenwert am nächsten ist, verwendet werden, Strömungsraten in gestrichelten Linien in 6. Zusätzlich wird ein Wellenhöhenwert auf offener See dargestellt durch Addieren von Wellenhöhendifferenzen. Somit entspricht die Anzahl von Strömungsraten, die bei der Berechnung des Wellenhöhenwerts auf offener See verwendet werden, der Anzahl von Strömungsraten zu sämtlichen vergangenen Zeiten in allen Bereichszellen. Als eine Folge wird erwartet, dass die Schätzungsgenauigkeit von Wellenhöhenwerten gegenüber dem herkömmlichen Verfahren verbessert ist.
Es ist zu beachten, dass bei der vorliegenden Erfindung innerhalb des Bereichs der Erfindung jedes Bestandselement in dem Ausführungsbeispiel modifiziert oder jedes Bestandselement in dem Ausführungsbeispiel weggelassen werden kann.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Zustandsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen genauen Wellenhöhenwert und einen genauen Strömungsgeschwindigkeitswert eines Tsunamis in Echtzeit identifizieren, und sie ist geeignet zur Verwendung in einer Zustandsschätzungsvorrichtung oder dergleichen, die eine Zustandsschätzung einer Seeoberfläche durchführt.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Beobachtungseinheit, 2: Berechnungseinheit für den Wellenhöhen-Anfangswert, 3: Setzeinheit für den Anfangswert der Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix, 4: Setzeinheit für den Anfangswert des Glättungswertvektors, 5: Vorhersageeinheit, 6: Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit, 7: Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit, 8: Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, 9: Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, 10: Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit, 11: Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit, 12: Alarmeinheit.

Claims

Zustandsschätzvorrichtung, welche aufweist: eine Beobachtungseinheit, die einen Strömungsgeschwindigkeitswert einer Seeoberfläche unter Verwendung eines Strahls misst und einen Küstenwellenhöhenwert misst; eine Vorhersageeinheit, die für einen Zustandsvektor enthaltend einen Strömungsgeschwindigkeitswert von jeder von Bereichszellen des Strahls, eine Wellenhöhendifferenz zwischen den Bereichszellen über eine Grenze von diesen und den Küstenwellenhöhenwert, den Zustandsvektor zu einer nächsten Zeit vorhersagt; eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, die eine Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix anhand einer Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix berechnet; eine Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit, die eine Verstärkungsmatrix anhand von Verarbeitungsergebnissen, die von der Beobachtungseinheit und der Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, berechnet; eine Fehlerglättungs-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit, die eine Glättungsfehler-Kovarianzmatrix anhand von Verarbeitungsergebnissen, die durch die Beobachtungseinheit, die Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit und die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, berechnet; eine Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit, die den Zustandsvektor für jede Wellenhöhendifferenz anhand von Verarbeitungsergebnissen, die durch die Beobachtungseinheit, die Vorhersageeinheit und die Verstärkungsmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, glättet; und eine Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit, die einen Wellenhöhenwert von jeder der Bereichszellen berechnet durch Addieren des Wellenhöhenwerts und der Wellenhöhendifferenz in einer Richtung zur offenen See hin, unter Verwendung eines Verarbeitungsergebnisses, das von der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit erhalten wurde.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorhersageeinheit den Zustandsvektor zu der nächsten Zeit vorhersagt unter Verwendung eines kinetischen Modells auf der Grundlage einer Gleichung für seichtes Wasser.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit, die eine Wahrscheinlichkeit von jedem der Strahlen berechnet anhand von Verarbeitungsergebnissen, die durch die Vorhersageeinheit und die Vorhersagefehler-Kovarianzmatrix-Berechnungseinheit erhalten wurden, und die eine Strahlrichtung, in der die Wahrscheinlichkeit hoch ist, als eine Ankunftsrichtung eines Tsunami erfasst.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Alarmeinheit, die eine Ankunftszeit eines Tsunami anhand einer von der Wahrscheinlichkeits-Berechnungseinheit erfassten Strahlrichtung, des von der Wellenhöhenwert-Berechnungseinheit berechneten Wellenhöhenwerts und des Strömungsgeschwindigkeitswerts des Zustandsvektors, der von der Wellenhöhendifferenz-Glättungseinheit geglättet wurde, vorhersagt.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Berechnungseinheit für den Wellenhöhen-Anfangswert, die auf der Grundlage des von der Beobachtungseinheit gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswerts für jede der Bereichszellen einen Anfangswert einer Wellenhöhendifferenz in dem Zustandsvektor berechnet anhand einer Differenz zwischen den Strömungsgeschwindigkeitswerten zu zwei Zeiten, die dem Strömungsgeschwindigkeitswert zu einer Anfangszeit und dem Strömungsgeschwindigkeitswert zu einer nächsten Zeit entsprechen, wobei die Vorhersageeinheit in einer Anfangsphase anhand eines Zustandsvektors enthaltend den Strömungsgeschwindigkeitswert und den Küstenwellenhöhenwert von jeder der Bereichszellen, die von der Beobachtungseinheit beobachtet werden, und eine Wellenhöhendifferenz zwischen den Bereichszellen über die Grenze hiervon, die von der Berechnungseinheit für den Wellenhöhen-Anfangswert berechnet wurde, den Zustandsvektor zu der nächsten Zeit vorhersagt.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorhersageeinheit den Zustandsvektor zu der nächsten Zeit unter Verwendung eines kinetischen Modells auf der Grundlage einer nichtlinearen Gleichung für seichtes Wasser vorhersagt.
Zustandsschätzungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Vorhersageeinheit eine Größe von Antriebsgeräuschen gemäß einer Wassertiefe in einem Messbereich der Beobachtungseinheit in dem kinetischen Modell auf der Grundlage der Gleichung für seichtes Wasser setzt.