DE112019006380T5 - Zustandsvoraussagevorrichtung und zustandsvoraussageverfahren - Google Patents

Abstract

Die Zustandsvoraussagevorrichtung (1) glättet einen Zustandsvektor, der eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunamis einschließt, an jedem von einer Mehrzahl von Punkten, die zweidimensional in einer Region eingestellt sind, die einen Abdeckungsbereich (30) einschließt, unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen (31), die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich (30) eines Radars (2) erstrecken.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft beispielsweise eine Zustandsvoraussagevorrichtung und ein Zustandsvoraussageverfahren zur Voraussage des Wasserpegels und einer Strömungsgeschwindigkeit eines Tsunami.
• STAND DER TECHNIK
• Als Beispiel beschreibt die Nicht-Patent-Literatur 1 eine Technik zur Voraussage des Wasserpegels eines Tsunamis in Echtzeit aus Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche, die von einem Radar erfasst werden, unter Verwendung einer nicht-linearen Flachwassergleichung, die ein Tsunami-Bewegungsmodell definiert.
• LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
• NICHT-PATENT-LITERATUR
• Nicht-Patent-Literatur 1: BELINDA J. LIPA, DONALD E. BARRICK, JOHN BOURG und BRUCE B. NYDEN, „HF Radar Detection of Tsunamis", Journal of Oceanography, Bd. 62, S. 705 bis 716, 2006.
• ABRISS DER ERFINDUNG
• TECHNISCHES PROBLEM
• Wie in der Nicht-Patent-Literatur 1 wurde ein Verfahren zur Voraussage eines Tsunami-Zustands in Echtzeit vorgeschlagen, aber um Menschen vor einem nahenden Tsunami so früh wie möglich zu warnen, ist es notwendig, einen Tsunami-Zustand in Echtzeit exakt vorauszusagen.
• Die vorliegende Erfindung löst das genannte Problem und hat zum Ziel, eine Zustandsvoraussagevorrichtung und ein Zustandsvoraussageverfahren zu erhalten, die in der Lage sind, einen Tsunami-Zustand in Echtzeit vorauszusagen.
• LÖSUNG DES PROBLEMS
• Die Zustandsvoraussagevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Voraussageeinheit zum Voraussagen eines Zustandsvektors für eine nächste Zeit, wobei der Zustandsvektor eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunamis an jedem von einer Mehrzahl von Punkten aufweist, die zweidimensional in einer Region eingestellt sind, die einen Abdeckungsbereich eines Radars einschließt; eine Glättungseinheit zum Glätten des von der Voraussageeinheit vorausgesagten Zustandsvektors unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen, die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich erstrecken; und eine Einstelleinheit, um in der Voraussageeinheit einen Anfangswert einzustellen, der für die Voraussage des Zustandsvektors verwendet wird.
• VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Zustandsvektor, der eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunamis an jedem von einer Mehrzahl von Punkten aufweist, die zweidimensional in einer Region eingestellt sind, die einen Abdeckungsbereich einschließt, geglättet, und zwar unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen, die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich eines Radars erstrecken, und daher kann der Tsunami-Zustand in Echtzeit exakt vorausgesagt werden.
• Figurenliste
• 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Zustandsvoraussagevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
• 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Radarabdeckungsbereich und einem Tsunami zeigt.
• 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Radarabdeckungsbereich und einem Tsunami-Zustandsvektor zeigt.
• 4 ist ein Flussdiagramm eines Zustandsvoraussageverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform.
• 5A ist ein Diagramm, das den Radarabdeckungsbereich und den Tsunami-Zustandsvektor zeigt. 5B ist ein Diagramm, das den Radarabdeckungsbereich und den Zustandsvektor zeigt, die in Zellen des Abdeckungsbereichs gebündelt sind. 5C ist ein Diagramm, das den Radarabdeckungsbereich und einen Beobachtungsvektor zeigt.
• 6A ist ein Blockdiagramm, das eine Hardwarekonfiguration zum Implementieren von Funktionen der Zustandsvoraussagevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 6B ist ein Blockdiagramm, das eine Hardware-Konfiguration zum Ausführen von Software zeigt, die Funktionen der Zustandsvoraussagevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform implementiert.
• BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Erste Ausführungsform.
• 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Zustandsvoraussagevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Abdeckungsbereich 30 eines Radars 2 und einem Tsunami zeigt. Ferner ist 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Abdeckungsbereich 30 des Radars 2 und einem Zustandsvektor des Tsunami zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Zustandsvoraussagevorrichtung 1 eine Vorrichtung, die einen Tsunami-Zustand unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeres- bzw. Wasseroberfläche voraussagt, die von dem Radar 2 erfasst werden, und weist eine Voraussageeinheit 10, eine Glättungseinheit 11 und eine Einstelleinheit 12 auf. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Abdeckungsbereich 30 des Radars 2 in eine Mehrzahl von Bereichen in der Reichweitenrichtung (Distanzrichtung) und der Strahlrichtung (Azimuthrichtung) geteilt, und jeder von den Teilbereichen ist eine Zelle 31. Das Radar 2 ist eine Vorrichtung zum Beobachten einer Strömungsgeschwindigkeit einer Meeresoberfläche für jede Zelle 31 in dem Abdeckungsbereich 30 und weist eine Antenne 20 und eine Signalverarbeitungseinheit 21 auf.
• Die Voraussageeinheit 10 sagt den Zustandsvektor für die nächste Zeit voraus. Der Zustandsvektor ist ein Vektor, der eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunami an jedem von einer Mehrzahl von Punkten voraussagt, die zweidimensional in der Region festgelegt sind, die den Abdeckungsbereich 30 des Radars 2 einschließt. Zum Beispiel weist der in 3 gezeigte Zustandsvektor die Strömungsrate und den Wasserpegel des Tsunami in jeder einzelnen von Regionen auf, die einer Mehrzahl von Gitterpunkten 40 entsprechen, die in der Region eingestellt sind, die den Abdeckungsbereich 30 einschließt. Wenn die Zahl von Gittermaschen in der X-Achsenrichtung in 3 I ist und die Zahl von Gittermaschen in der Y-Achsenrichtung J ist, ist der Zustandsvektor ein Vektor mit einer Dimension I × J × 3. In der folgenden Beschreibung ist die X-Achsenrichtung die Ost-West-Richtung und ist die Y-Achsenrichtung die Nord-Süd-Richtung.
• Wird angenommen, dass die Strömungsrate des Tsunamis in der X-Achsenrichtung M ist, die Strömungsrate des Tsunamis in der Y-Achsenrichtung N ist und der Wasserpegel des Tsunamis in dem Bereich, der den einzelnen Gittermaschen entspricht, H ist, so kann der Zustandsvektor zu einer Zeit k durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden, k ist eine Abtastzeitnummer. X(k) ist ein Zustandsvektor des Tsunamis zur Zeit k. $$X\left(k\right)=\left(\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{1,1}}\left(k\right)\\ M_{\mathrm{2,1}}\left(k\right)\\ \dots \\ M_{l-\mathrm{1,}J}\left(k\right)\\ M_{l,J}\left(k\right)\\ N_{\mathrm{1,1}}\left(k\right)\\ M_{\mathrm{2,1}}\left(k\right)\\ \dots \\ N_{I-\mathrm{1,}J}\left(k\right)\\ N_{I,J}\left(k\right)\\ H_{\mathrm{1,1}}\left(k\right)\\ H_{\mathrm{2,1}}\left(k\right)\\ \dots \\ H_{I-\mathrm{1,}J}\left(k\right)\\ H_{I,J}\left(k\right)\end{array}\right)$$

  
• In der obigen Gleichung (1) ist Mij eine Strömungsrate des Tsunamis in der X-Achsenrichtung in einem Bereich, der einem Gitterpunkt 40 entspricht, welcher der i-te (i = 1, 2, ..., I) Gitterpunkt in der X-Achsenrichtung und der j-te (j = 1, 2, ···, J) Gitterpunkt in der Y-Achsenrichtung ist, und N_ij ist eine Strömungsrate des Tsunamis in der Y-Achsenrichtung in einem Bereich, der einem Gitterpunkt 40 entspricht, welcher der i-te Gitterpunkt in der X-Achsenrichtung und der j-te Gitterpunkt in der Y-Achsenrichtung ist. H_ij ist ein Wasserpegel des Tsunamis in einem Bereich, der einem Gitterpunkt 40 entspricht, welcher der i-te Gitterpunkt in der X-Achsenrichtung und der j-te Gitterpunkt in der Y-Achsenrichtung ist.
• Die Voraussageeinheit 10 sagt einen Zustandsvektor X(k + 1l k)) für eine nächste Zeit k+1 aus dem geglätteten Zustandsvektor X(k| k) zur Zeit k unter Verwendung einer zweidimensionalen Flachwassergleichung voraus, welche die Ausbreitung des Tsunamis ausdrückt. Was die Flachwassergleichung betrifft, so wird beispielsweise eine zweidimensionale Flachwassergleichung verwendet, welche die Ausbreitung des Tsunamis an der Mehrzahl von Gitterpunkten 40 ausdrückt, die in einer Region festgelegt sind, die den Abdeckungsbereich 30 einschließt.
• Die Glättungseinheit 11 glättet einen Zustandsvektor b, der von der Voraussageeinheit 10 vorausgesagt wird, unter Verwendung der Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte einer Meeresoberfläche in der Mehrzahl von Zellen 31, die sich in der Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und der Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich 30 erstrecken. Glättung ist ein Prozess, in dem der Voraussagefehler entfernt wird, der in der Strömungsrate und dem Wasserpegel des Tsunamis, die den Zustandsvektor b bilden, enthalten ist.
• Zum Beispiel interpoliert die Glättungseinheit 11 den Zustandsvektor b linear, um eine Beobachtungsmatrix zu erzeugen, und glättet den Zustandsvektor b unter Verwendung der erzeugten Beobachtungsmatrix. Die Beobachtungsmatrix ist eine Matrix, die einen Zustandsvektor linear in einen Beobachtungsvektor transformiert. Der Beobachtungsvektor ist ein Vektor, der die Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte der Meeresoberfläche in der Mehrzahl von Zellen 31 aufweist.
• Ein Zustandsvektor c, der von der Glättungseinheit 11 geglättet wurde, wird von der Glättungseinheit 11 an die Voraussageeinheit 10 ausgegeben. Ferner gibt die Glättungseinheit 11 eine geglättete Strömungsrate und einen geglätteten Wasserpegel, die von dem Radar 2 für jedes Beobachtungsintervall berechnet werden, als Voraussageergebnis d aus.
• Die Einstelleinheit 12 stellt einen Anfangswert e, der für die Voraussage des Zustandsvektors verwendet wird, in der Voraussageeinheit 10 ein. Zum Beispiel berechnet die Einstelleinheit 12 den Anfangswert e unter Verwendung eines Beobachtungswerts f, der von dem Radar 2 eingegeben wird, und stellt den berechneten Intervallwert e in der Voraussageeinheit 10 ein. Die Voraussageeinheit 10 sagt in der Anfangsphase, in der nach dem Tsunami gesucht wird, den Zustandsvektor für die nächste Zeit unter Verwendung des Anfangswerts e des Zustandsvektors voraus, der von der Einstelleinheit 12 eingestellt wird, und sagt in einer Tsunami-Verfolgungsphase den Zustandsvektor für die nächste Zeit unter Verwendung des Zustandsvektors voraus, der von der Glättungseinheit 11 geglättet wurde.
• Die Antenne 20 sendet eine elektromagnetische Welle zu der Meeresoberfläche, die eine Beobachtungsregion ist, und empfängt die von der Meeresoberfläche zurückgeworfene elektromagnetische Welle. Auf der Basis der an der Antenne 20 empfangenen elektromagnetischen Welle erfasst die Signalverarbeitungseinheit 21 die Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte einer Meeresoberfläche in der Mehrzahl von Zellen 31, die sich in der Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und der Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich 30 erstrecken und gibt die erfassten Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte an die Glättungseinheit 11 aus. Ferner berechnet die Signalverarbeitungseinheit 21 die Strömungsrate in der Fortbewegungsrichtung des Tsunamis auf der Basis von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten a der Meeresoberfläche, die den Zellen 31 entsprechen, die den Tsunami enthalten, und gibt die berechnete Strömungsrate als den Beobachtungswert f an die Einstelleinheit 12 aus.
• Als nächstes wird die Wirkungsweise der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 beschrieben.
• 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Zustandsvoraussageverfahren gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, und zeigt die Wirkungsweise der Zustandsvoraussagevorrichtung 1. Zuerst stellt die Einstelleinheit 12 in der Voraussageeinheit 10 den Anfangswert e, der für die Voraussage des Zustandsvektors verwendet wird, in der Voraussageeinheit 10 ein (Schritt ST1). Zum Beispiel berechnet die Einstelleinheit 12 den Tsunami-Zustandsvektor auf der Basis von Wellenoberflächeninformationen des Tsunamis und stellt den berechneten Zustandsvektor in der Voraussageeinheit 10 als den Anfangswert e ein. Hierbei sind die Tsunami-Wellenoberflächeninformationen Informationen, unter der Mehrzahl von Zellen 31, die durch Teilen des Abdeckungsbereichs 30 des Radars 2 erhalten wurden, diejenige Zelle 31 angeben, die die Tsunamiwellenoberfläche enthält.
• Die Einstelleinheit 12 berechnet einen Zustandsvektor (M N H) gemäß den folgenden Gleichungen (2), (3) und (4) für die Zelle 31 von der Mehrzahl von Zellen 31, welche die Tsunamiwellenoberfläche enthält, wählt eine Masche, die der Zelle 31 entspricht, aus der Mehrzahl von Maschen des Gitters aus, das in der Region eingestellt ist, die den Abdeckungsbereich 30 einschließt, und stellt den berechneten Zustandsvektor (M N H) als den Anfangswert e des Tsunami-Zustandsvektors an dem Gitterpunkt der ausgewählten Masche ein. Andererseits stellt die Einstelleinheit 12 den Anfangswert e für den Gitterpunkt der Masche, die der Zelle 31 entspricht, welche die Tsunamiwellenoberfläche nicht enthält, auf null ein.
• Es sei bemerkt, dass in den folgenden Gleichungen (2) bis (4) V die Strömungsrate in der Fortbewegungsrichtung ist und der Beobachtungswert f ist, der von der Signalverarbeitungseinheit 21 berechnet wird. Φ ist ein Winkel, der von der X-Achse und der Fortbewegungsrichtung des Tsunami gebildet wird, g ist die Erdbeschleunigung und D ist die Wassertiefe. $$M=V\text{cos}\varphi$$

  

  $$N=V\text{sin}\varphi$$

  

  $$H=V\sqrt{\frac{1}{gD}}$$

  
• Es sei bemerkt, dass für die Berechnung der Strömungsrate und des Wasserpegels des Tsunamis auf Basis der Wellenoberflächeninformationen des Tsunamis beispielsweise die Technik verwendet werden kann, die in der nachstehenden Literaturstelle 1 beschrieben wird.
• (Literaturstelle 1) Japanisches Patent Nr. 6440912
• Ferner kann die Einstelleinheit 12 den Tsunami-Zustandsvektor auf der Basis eines Ergebnisses einer inversen Analyse des Tsunamis berechnen. Die inverse Analyse des Tsunamis ist ein Prozess, in dem die Schwankung der Strömungsrate und des Wasserpegels in einem kleinen Bereich der Beobachtungsregion aus der Zeitreihenschwankung der Strömungsrate und des Wasserpegels des Tsunamis, die für jede Masche erfasst werden, unter Verwendung einer Beobachtungspositionsantwortfunktion berechnet wird. Die Strömungsrate und der Wasserpegel des Tsunamis in der Masche, die durch die Einstelleinheit 12 berechnet werden, werden in der Voraussageeinheit 10 als Anfangswert e des Zustandsvektors am Gitterpunkt der Masche eingestellt.
• Ferner kann die Einstelleinheit 12 einen Anfangswert P_2:2 einer Glättungsfehler-Kovarianzmatrix gemäß der folgenden Gleichung (5) berechnen und P_2:2 als den Anfangswert e in der Voraussageeinheit 10 einstellen. In der folgenden Gleichung (5) ist R eine Beobachtungsfehler-Kovarianzmatrix und stellt die Kovarianz des Zellenströmungsgeschwindigkeitsfehlers ein. $$P_{2:2}=\left(\begin{array}{ccc}DRD& O& O\\ O& DRD& O\\ O& O& \frac{1}{g}DR\end{array}\right)$$

  
• Wenn die Einstellung des Anfangswerts abgeschlossen ist, geht der Prozess in einen iterativen Prozess über, in dem die Zustandsvoraussage, die Kalman-Verstärkungsberechnung und der Abdeckungsbereichsglättungsprozess nacheinander für jedes Beobachtungsintervall von dem Radar 2 ausgeführt werden.
• Unter Verwendung des Zustandsvektors X(k | k) zur aktuellen Zeit k berechnet die Voraussageeinheit 10 einen Zustandsvektor X(k+1| k) und eine Voraussagefehler-Kovarianzmatrix P_k+1:k für die nächste Zeit gemäß der folgenden Gleichung (6) (Schritt ST2). Es sei bemerkt, dass in der folgenden Gleichung (6) der Zustandsvektor X(kl k) ein Zustandsvektor zur Zeit k ist, der von der Glättungseinheit 11 geglättet wurde. $$\text{X}\left(\text{k}+1|\text{k}\right)=\text{FX}\left(\text{k}|\text{k}\right)$$

  
• In der obigen Gleichung (6) ist F eine Übergangsmatrix, die eine Voraussage darstellt. Zum Beispiel transformiert die Voraussageeinheit 10 den Zustandsvektor zu der Zeit k linear in den Zustandsvektor zu der nächsten Zeit k+1 gemäß den folgenden Gleichungen (7), (8) und (9). Die folgenden Gleichungen (7) bis (9) sind zweidimensionale Flachwassergleichungen, welche die Ausbreitung eines Tsunamis ausdrücken. Es sei bemerkt, dass g die Erdbeschleunigung ist, dt das Zeitintervall zwischen der Zeit k und der Zeit k+1 ist und dx das Intervall zwischen Gitterpunkten ist. Es sei ferner bemerkt, dass in den folgenden Gleichungen (7) bis (9) H_i,j-1(k) durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt wird, H_i-1,j(k) durch die folgende Gleichung (11) ausgedrückt wird, M_{i, j+1}(k) durch die folgende Gleichung (12) ausgedrückt wird und N_i+1,j(k) durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückt wird. Ferner zeigen die folgenden Gleichungen (10) bis (13) die Reflexionsbedingungen in der Randzelle. $$M_{i,j}\left(k+1\right)=M_{i,j}\left(k\right)-gD\frac{dt}{dx}\left(H_{i,j}\left(k\right)-H_{i-\mathrm{1,}j}\left(k\right)\right)$$

  

  $$N_{i,j}\left(k+1\right)=N_{i,j}\left(k\right)-gD\frac{dt}{dx}\left(H_{i,j}\left(k\right)-H_{i,j-1}\left(k\right)\right)$$

  

  $$H_{i,j}\left(k+1\right)=H_{i,j}\left(k\right)-\frac{dt}{dx}\left(M_{i,j+1}\left(k\right)-M_{i,j}\left(k\right)+N_{i+\mathrm{1,}j}\left(k\right)-N_{i,j}\left(k\right)\right)$$

  

  $$H_{i,j-1}\left(k\right)=H_{i,j}\left(k\right)$$

  

  $$H_{i-\mathrm{1,}j}\left(k\right)=H_{i,j}\left(k\right)$$

  

  $$M_{i,j+1}\left(k\right)=-M_{i,j}\left(k\right)$$

  

  $$N_{i+\mathrm{1,}j}\left(k\right)=-N_{i,j}\left(k\right)$$

  
• Die Voraussageeinheit 10 berechnet die Voraussagefehler-Kovarianzmatrix P_{k+1: k} gemäß der folgenden Gleichung (14). In der folgenden Gleichung (14) ist P_k:k die Glättungsfehler-Kovarianzmatrix, stellt F^t eine Transposition der Übergangsmatrix F dar, ist G eine Prozessrauschen-Transformationsmatrix und stellt G^t eine Transposition der Prozessrauschen-Transformationsmatrix G dar. Q ist eine Prozessrauschen-Kovarianzmatrix und Q = ql_d. q ist ein Prozessrauschenparameter, I_d ist eine Identitätsmatrix der Größe dxd und d = I×J. In der folgenden Gleichung (14) wird angenommen, dass die Wasserpegeldifferenz gemäß der Normalverteilung schwankt, wenn sich der Tsunami bewegt. Zum Beispiel kann die Voraussageeinheit 10 die Übergangsmatrix F unter Beachtung der Grenzbedingungen in Bezug auf Reflexion, Transmission und Überlagerung von elektromagnetischen Wellen aus dem Radar 2 auf der Meeresoberfläche erzeugen. Die Prozessrauschen-Transformationsmatrix G kann von den folgenden Gleichungen (15) und (16) ausgedrückt werden. $$P_{k+1;k}=F{P}_{k:k}F\text{'}+GQG\text{'}$$

  

  $$G=\left(\begin{array}{c}G\text{'}\\ G\text{'}\\ I_d\end{array}\right)$$

  

  $$G\text{'}=\left(-gDdt\text{/}dx\right)I_d$$

  
• Anschließend berechnet die Glättungseinheit 11 die Kalman-Verstärkung K(k) zur Zeit k (Schritt ST3). Zum Beispiel berechnet die Voraussageeinheit 11 die Kalman-Verstärkung K(k) zur Zeit k gemäß der folgenden Gleichung (17). In der folgenden Gleichung (17) ist E eine Beobachtungsmatrix. E^t ist die Transposition der Beobachtungsmatrix E. $$\text{K}\left(\text{k}\right)={\text{P}}_{\text{k}+1:\text{k}}\left(\text{k}\right){\text{E}}^{\text{t}}\left[{\text{EP}}_{\text{k}+1:\text{k}}{\text{E}}^{\text{t}}+\text{R}\right]$$

  
• Die Beobachtungsmatrix E ist eine Matrix, die den Zustandsvektor X(k) linear in einen Beobachtungsvektor Z(k) transformiert, wie in der folgenden Gleichung (18) gezeigt ist. Der Beobachtungsvektor Z(k) schließt einen Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswert der Meeresoberfläche ein, der jeder von der Mehrzahl von Zellen 31 in dem Abdeckungsbereich 30 entspricht, der von dem Radar 2 zur Zeit k erfasst wird. Zum Beispiel ist der Beobachtungsvektor Z(k) Z(k) = {z_1,1 (k) z_2,1 (k) ... _Zr, _s(k)}. z_r,s ist ein Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswert einer Meeresoberfläche in der Zelle 31 mit der Reichweitennummer r und der Strahlnummer s. Die Reichweitennummer r ist eine Seriennummer, die in der Reichweitenrichtung der Zelle 31 zugewiesen wird, und die Strahlnummer s ist eine Seriennummer, die in der Strahlrichtung der Zelle 31 zugewiesen wird. $$\text{Z}\left(\text{k}\right)=\text{EX}\left(\text{k}\right)$$

  
• 5A ist ein Diagramm, das den Abdeckungsbereich 30 und den Tsunami-Zustandsvektor zeigt. 5B ist ein Diagramm, das den Abdeckungsbereich 30 und den Zustandsvektor zeigt, die in der Zelle 31 des Abdeckungsbereichs 30 gebündelt sind. 5C ist ein Diagramm, das den Abdeckungsbereich 30 und den Beobachtungsvektor zeigt. Der in 5A gezeigte Zustandsvektor weist als Elemente die Strömungsrate und den Wasserpegel des Tsunamis in jeder der Regionen auf, die der Mehrzahl von Gitterpunkten 40 entsprechen, und weist eine Dimension I × J × 3 auf.
• Im folgenden ist R die Zahl der Zellen 31 in der Reichweitenrichtung des Abdeckungsbereichs 30, und S ist die Zahl der Zellen 31 in der Strahlrichtung.
• Wie in 5B gezeigt ist, ist eine Matrix A in der folgenden Gleichung (19) eine Matrix mit I × J × 3 Spalten und R × S × 3 Zeilen, die den I × J × 3-Zustandsvektor einer Mehrzahl von Zellen 31 in dem Abdeckungsbereich 30 zuordnet. Was die Zuordnung zwischen dem Zustandsvektor und der Zelle 31 unter Verwendung der Matrix A betrifft, so kann beispielsweise ein Verfahren, in dem ein Gitterpunkt ausgewählt wird, welcher der Zelle am nächsten liegt, oder ein Verfahren, in dem eine lineare Interpolation durchgeführt wird, verwendet werden. Als Beispiel für eine lineare Interpolation können anstelle des Auswählens des Gitterpunkts, der einer Zelle am nächsten liegt, unter Verwendung von höchstens zwei Gitterpunkten, die der Zelle am nächsten liegen, Zustandsvektoren der zwei Gitterpunkte gewichtet und umgekehrt proportional zu den Abständen gemittelt werden. Da die Elemente jedes Gitterpunkts 40 in der entsprechenden Zelle 31 durch Durchführen der Operation der Matrix A an dem I × J × 3-Zustandsvektor X(k) gebündelt werden, wird die Dimension des Zustandsvektors auf R × S × 3 reduziert. Die Elemente des Zustandsvektors, die der Zelle 31 zugeordnet sind, sind die Strömungsrate M in der X-Achsenrichtung, die Strömungsrate N in der Y-Achsenrichtung und der Wasserpegel H des Tsunamis, wie in 5B gezeigt ist. $$\text{E}=\text{BA}$$

  
• Wie in 5C gezeigt ist, ist die Matrix B in der obigen Gleichung (19) eine Matrix mit R × S × 3 Spalten und R × S Zeilen, welche die Strömungsrate jedes Elements des R × S × 3-Zustandsvektors in dem Abdeckungsbereich 30 auf die Strömungsgeschwindigkeit in der Blickrichtung projiziert. Jedes Element der Matrix B transformiert die Strömungsraten M_r,s und N_r,s gemäß der folgenden Gleichung (20) linear in z_r,s. z_r,s ist ein Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswert der Meeresoberfläche, welcher der Zelle 31 der Reichweitennummer r und der Strahlnummer s entspricht. Wie in 5C gezeigt ist, ist es möglich, einen Projektionsströmungsgeschwindigkeitsvektor L, nämlich z_r,s, aus den Elementen jeder Zelle 31 durch Durchführen der Operation der Matrix B an dem R × S × 3-Zustandsvektor zu erhalten. Hierbei steht (p_r,s, q_r,s) für einen Positionsvektor auf eine Zelle mit der Reichweitennummer r und der Strahlnummer s in Bezug auf den Installationspunkt der Radarvorrichtung. $${\text{z}}_{\text{r},\text{s}}=\left\{\left({\text{p}}_{\text{r},\text{s}},{\text{q}}_{\text{r},\text{s}}\right)\cdot \left({\text{M}}_{\text{r},\text{s}},{\text{N}}_{\text{r},\text{s}}\right)\right\}{\text{/D}}_{\text{r},\text{s}}|\left({\text{p}}_{\text{r},\text{s}},{\text{q}}_{\text{r},\text{s}}\right)|$$

  
• Anschließend führt die Glättungseinheit 11 den Abdeckungsbereichsglättungsprozess durch (Schritt ST4). Zum Beispiel berechnet die Glättungseinheit 11 den geglätteten Zustandsvektor X_{k+1: k+1}für die nächste Zeit k+1 unter Verwendung der Kalman-Verstärkung K(k), des Beobachtungsvektors Z(k) und des Zustandsvektors X_{k+1: k}, der von der Voraussageeinheit 10 vorausgesagt wird, gemäß der folgenden Gleichung (21). Dies ist ein Glättungsprozess des Zustandsvektors unter Verwendung eines Kalman-Filters, in dem die Beobachtungsmatrix E von Matrix B x Matrix A ausgedrückt wird. Da es sich bei dem Beobachtungsvektor Z(k) um die Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte der Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen 31 handelt, die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich 30 erstrecken, ist der Zustandsvektor X_{k+1: k+1}ein Vektor, der durch kollektive Glättung der Strömungsgeschwindigkeitsvektoren der Meeresoberfläche, die in dem Abdeckungsbereich 30 erfasst werden, erhalten wird. $${\text{X}}_{\text{k}+1:\text{k}+1}={\text{X}}_{\text{k}+1:\text{k}}+\text{K}\left(\text{k}\right)\left(\text{Z}\left(\text{k}\right)-{\text{EX}}_{\text{k}+1:\text{k}}\right)$$

  
• Als nächstes wird die Hardware-Konfiguration beschrieben, welche die Funktionen der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 implementiert.
• Die Funktionen der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 werden durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert. Das heißt, die Zustandsvoraussagevorrichtung 1 schließt eine Verarbeitungsschaltung zum Ausführen der Verarbeitung ab Schritt ST1 bis Schritt ST4 in 4 ein. Die Verarbeitungsschaltung kann zweckbestimmte Hardware oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) sein, die ein in einem Speicher gespeichertes Programm ausführt.
• 6A ist ein Blockdiagramm, das eine Hardwarekonfiguration zum Implementieren der Funktionen der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 zeigt. 6B ist ein Blockdiagramm, das eine Hardware-Konfiguration zum Ausführen von Software zeigt, welche die Funktionen der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 implementiert. In 6A und 6B ist das Radar 2 ein Radar mit der in 1 gezeigten Konfiguration.
• In einem Fall, wo die Verarbeitungsschaltung eine Verarbeitungsschaltung 100 mit zweckgebundener Hardware ist, die in 6A dargestellt ist, entspricht die Verarbeitungsschaltung 100 zum Beispiel einer einzelnen Schaltung, einer zusammengesetzten Schaltung, einem programmierten Prozessor, einem parallelen-programmierten Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einer im Feld programmierbaren Gatteranordnung (FPGA) oder einer Kombination davon. Die Funktionen der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 können durch separate Verarbeitungsschaltungen implementiert werden, oder diese Funktionen können gemeinsam von einer einzigen Verarbeitungsschaltung implementiert werden.
• Wenn die Verarbeitungsschaltung ein Prozessor 101 ist, der in 6B gezeigt ist, werden die Funktionen der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 durch Software, Firmware oder eine Kombination von Software und Firmware implementiert. Es sei bemerkt, dass Software oder Firmware als Programm beschrieben und in einem Speicher 102 gespeichert wird.
• Der Prozessor 101 implementiert die Funktionen der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 durch Lesen und Ausführen von Programmen, die in dem Speicher 102 gespeichert sind. Zum Beispiel weist die Zustandsvoraussagevorrichtung 1 einen Speicher 102 zum Speichern von Programmen auf, die bei ihrer Ausführung durch den Prozessor 101 als Ergebnis die Ausführung der Verarbeitung ab Schritt ST1 bis Schritt ST4 des in 4 gezeigten Ablaufdiagramms ermöglichen. Diese Programme bewirken, dass ein Computer Abläufe oder Verfahren abarbeitet, die von der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 durchgeführt werden. Der Speicher 102 kann ein computerlesbares Speichermedium sein, das ein Programm speichert, durch das bewirkt wird, dass der Computer als die Voraussageeinheit 10, die Glättungseinheit 11 und die Einstelleinheit 12 fungiert.
• Der Speicher 102 entspricht beispielsweise einem nichtflüchtigen oder flüchtigen Halbleiterspeicher wie einem Direktzugriffsspeicher (random access memory, RAM), einem Nur-Lese-Speicher (read only memory, ROM), einem Flashspeicher, einem löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM) oder einem elektrischen EPROM (EEPROM), einer magnetischen Speicherplatte, einer Diskette, einer optischen Speicherplatte, einer Compactdisc, einer MiniDisc oder einer DVD.
• Manche von den Funktionen der Voraussageeinheit 10, der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 können durch zweckgebundene Hardware implementiert werden, und manche von den Funktionen können durch Software oder Firmware implementiert werden. Zum Beispiel wird die Funktion der Voraussageeinheit 10 von der Verarbeitungsschaltung 100 implementiert, bei der es sich um die zweckgebundene Hardware handelt, und die Funktionen der Glättungseinheit 11 und der Einstelleinheit 12 werden von dem Prozessor 101 implementiert, der die in dem Speicher 102 gespeicherten Programme liest und ausführt. Somit kann die Verarbeitungsschaltung jede der oben genannten Funktionen durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon implementieren.
• Wie oben beschrieben, werden in der Zustandsvoraussagevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Tsunami-Zustandsvektor, welcher der Mehrzahl von Gitterpunkten 40 entspricht, die in der Region eingestellt sind, die den Abdeckungsbereich 30 einschließt, unter Verwendung der Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte der Meeresoberfläche, die der Mehrzahl von Zellen 31 entspricht, die sich in der Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und der Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich 30 des Radars 2 erstrecken, geglättet. Auf diese Weise werden die Strömungsgeschwindigkeitsvektoren der Meeresoberfläche, die in dem Abdeckungsbereich 30 erfasst wird, gemeinsam geglättet, so dass auch dann, wenn das Radar 2 ein einzelnes Radar ist, eine Echtzeit-Tsunamivoraussage und Tsunamizustandsglättung durchgeführt werden können, und die Genauigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsschätzung und die Genauigkeit der Wasserpegelschätzung des Tsunamis sind im Vergleich zu herkömmlichen Techniken verbessert.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung ist es möglich, jede Komponente der Ausführungsform zu modifizieren oder jede Komponente der Ausführungsform wegzulassen.
• INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
• Da die Zustandsvoraussagevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den Tsunamizustand in Echtzeit voraussagen kann, kann sie als Radarsystem verwendet werden, das den Wasserpegel und die Strömungsgeschwindigkeit des Tsunamis voraussagt.
• Bezugszeichenliste

1

Zustandsvoraussagevorrichtung,

2

Radar,

10

Voraussageeinheit,

11

Glättungseinheit,

12

Einstelleinheit,

20

Antenne,

21

Signalverarbeitungseinheit,

30

Abdeckungsbereich,

31

Zelle,

40

Gitterpunkt,

100

Verarbeitungsschaltung,

101

Prozessor,

102

Speicher

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• BELINDA J. LIPA, DONALD E. BARRICK, JOHN BOURG und BRUCE B. NYDEN, „HF Radar Detection of Tsunamis“, Journal of Oceanography, Bd. 62, S. 705 bis 716, 2006 [0003]

Claims (7)

1. Zustandsvoraussagevorrichtung, umfassend: eine Voraussageeinheit zum Voraussagen eines Zustandsvektors für eine nächste Zeit, wobei der Zustandsvektor eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunamis an jedem von einer Mehrzahl von Punkten voraussagt, die zweidimensional in einer Region eingestellt sind, die einen Abdeckungsbereich eines Radars einschließt; eine Glättungseinheit zum Glätten des Zustandsvektors, der von der Voraussageeinheit vorausgesagt wird, unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen, die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich erstrecken; und eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Anfangswerts, der für die Voraussage des Zustandsvektors verwendet wird, in der Voraussageeinheit.
2. Zustandsvoraussagevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Voraussageeinheit den Zustandsvektor unter Verwendung einer zweidimensionalen Flachwassergleichung voraussagt, die eine Ausbreitung des Tsunamis ausdrückt.
3. Zustandsvoraussagevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Glättungseinheit den von der Voraussageeinheit vorausgesagten Zustandsvektor linear interpoliert, um eine Beobachtungsmatrix zu erzeugen, die den Zustandsvektor linear in einen Beobachtungsvektor transformiert, der die Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerte der Meeresoberfläche in der Mehrzahl von Zellen einschließt, und den Zustandsvektor unter Verwendung der erzeugten Beobachtungsmatrix glättet.
4. Zustandsvoraussagevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Voraussageeinheit den Zustandsvektor unter Verwendung einer zweidimensionalen Flachwassergleichung voraussagt, welche die Ausbreitung eines Tsunamis an der Mehrzahl von Gitterpunkten ausdrückt, die in einer Region eingestellt sind, die den Abdeckungsbereich einschließt.
5. Zustandsvoraussagevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinheit den Zustandsvektor auf Basis von Wellenoberflächeninformationen eines Tsunamis berechnet und den berechneten Zustandsvektor in der Voraussageeinheit als Anfangswert einstellt.
6. Zustandsvoraussagevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinheit den Zustandsvektor auf Basis eines Ergebnisses einer inversen Analyse eines Tsunamis berechnet und den berechneten Zustandsvektor in der Voraussageeinheit als Anfangswert einstellt.
7. Zustandsvoraussageverfahren unter Verwendung einer Zustandsvoraussagevorrichtung mit einer Voraussageeinheit, einer Glättungseinheit und einer Einstelleinheit, wobei das Voraussageverfahren die folgenden Schritte umfasst: Einstellen eines Anfangswerts, der zum Voraussagen eines Zustandsvektors verwendet wird, der eine Strömungsrate und einen Wasserpegel eines Tsunamis an jedem von einer Mehrzahl von Punkten aufweist, die zweidimensional in einer Region eingestellt sind, die einen Abdeckungsbereich eines Radars einschließt, durch die Einstelleinheit in der Voraussageeinheit; Voraussagen des Zustandsvektors für eine nächste Zeit, durch die Voraussageeinheit; und Glätten des Zustandsvektors, der von der Voraussageeinheit vorausgesagt wird, unter Verwendung von Strömungsgeschwindigkeits-Beobachtungswerten einer Meeresoberfläche in einer Mehrzahl von Zellen, die sich in einer Mehrzahl von Reichweitenrichtungen und einer Mehrzahl von Strahlrichtungen in dem Abdeckungsbereich erstrecken, durch die Glättungseinheit.

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