JP2020091171A - Weather forecasting system, weather forecasting method, and weather forecasting program - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の一側面は、気象予測システム、気象予測方法、および気象予測プログラムに関する。 One aspect of the present disclosure relates to a weather forecast system, a weather forecast method, and a weather forecast program.
気象を予測する仕組みが従来から知られている。例えば、特許文献1,2のいずれにも、高速にかつ簡易に降水域の発達および衰退を予測する装置が記載されている。 Mechanisms for predicting weather have been known for some time. For example, Patent Documents 1 and 2 each describe a device that predicts the development and decline of a precipitation area quickly and easily.
気象観測装置により気象が観測されない地点の気象予測については、予測の対象となる地理的範囲が比較的広かったり、精度が十分でなかったりする。そのため、任意の地点の気象を高い精度で予測することが望まれている。 Regarding the weather forecast of a point where the weather is not observed by the meteorological observation device, the geographical range to be forecast may be relatively wide or the accuracy may be insufficient. Therefore, it is desired to predict the weather at an arbitrary point with high accuracy.
本開示の一側面に係る気象予測システムは、少なくとも一つのプロセッサを備える。少なくとも一つのプロセッサは、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成する。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。 A weather forecast system according to one aspect of the present disclosure includes at least one processor. At least one processor generates prediction data indicating future weather at the target point by supplying the neural network with input data indicating past weather at each of the plurality of observation points. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
本開示の一側面に係る気象予測方法は、少なくとも一つのプロセッサを備える気象予測システムにより実行される。気象予測方法は、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成するステップを含む。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。 A weather forecasting method according to one aspect of the present disclosure is executed by a weather forecasting system including at least one processor. The weather forecast method includes a step of generating forecast data indicating future weather at a target point by applying input data indicating past weather at each of a plurality of observation points to a neural network. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
本開示の一側面に係る気象予測プログラムは、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成するステップをコンピュータに実行させる。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。 A meteorological prediction program according to an aspect of the present disclosure includes a step of generating prediction data indicating future weather at a target point by supplying input data indicating past weather at each of a plurality of observation points to a neural network. Let the computer run. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
このような側面においては、複数の観測地点での過去の気象だけでなく、それぞれの観測地点の地理的位置と対象地点の地理的位置とをさらに含む入力データがニューラルネットワークに与えられる。対象地点の気象を予測する際に観測地点と対象地点との間の地理的位置が考慮されるので、任意の地点の気象を高い精度で予測することが可能になる。 In such an aspect, input data including not only the past weather at a plurality of observation points but also the geographical position of each observation point and the geographical position of the target point is given to the neural network. Since the geographical position between the observation point and the target point is considered when predicting the weather at the target point, it becomes possible to predict the weather at any point with high accuracy.
他の側面に係る気象予測システムでは、対象地点が複数の観測地点のいずれとも異なってもよい。この場合には、気象観測装置を用いて気象が観測されない地点の気象を予測することができる。 In the weather prediction system according to another aspect, the target point may be different from any of the plurality of observation points. In this case, the meteorological observation device can be used to predict the meteorology of a point where the meteorological observation is not made.
他の側面に係る気象予測システムでは、対象地点が、複数の観測地点のうち最も外側に位置する2以上の観測地点を結ぶことで画定される地理的範囲内に位置してもよい。複数の観測地点で囲まれるように対象地点が設定されることで、対象地点の気象が周囲の時系列気象データに基づいて予測される。したがって、対象地点の気象をより高い精度で予測することが可能になる。 In the weather prediction system according to another aspect, the target point may be located within a geographical range defined by connecting two or more outermost observation points among the plurality of observation points. By setting the target point so as to be surrounded by a plurality of observation points, the weather at the target point is predicted based on the surrounding time series meteorological data. Therefore, it becomes possible to predict the weather at the target point with higher accuracy.
本開示の一側面によれば、任意の地点の気象を高い精度で予測することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to predict the weather at an arbitrary point with high accuracy.
以下、添付図面を参照しながら本開示での実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
[システムの概要]
実施形態に係る気象予測システム1は、指定された場所の将来の気象を予測するコンピュータシステムである。気象とは、大気の状態のことをいう。予測される気象要素は限定されない。例えば、気象予測システム1は、地上から見た大気の状態(晴れ、曇、雨など)、気圧(海面気圧)、気温、湿度、風向、風速、感雨(降水があるかないかを示す指標)、または降雨強度(単位時間当たりの降水量)を予測してもよい。
[System overview]
The weather prediction system 1 according to the embodiment is a computer system that predicts future weather in a designated place. Meteorology refers to the state of the atmosphere. The forecasted weather element is not limited. For example, the meteorological prediction system 1 is a state of the atmosphere viewed from the ground (sunny, cloudy, rain, etc.), atmospheric pressure (sea level pressure), temperature, humidity, wind direction, wind speed, and feeling of rain (an index indicating whether there is precipitation). Alternatively, the rainfall intensity (precipitation amount per unit time) may be predicted.
気象予測システム1は機械学習を利用する。機械学習とは、与えられた情報に基づいて反復的に学習することで法則またはルールを自律的に見つけ出す手法である。気象予測システム1は、ニューラルネットワークを含んで構成される計算モデルを用いた機械学習を実行する。ニューラルネットワークとは、人間の脳神経系の仕組みを模した情報処理のモデルのことをいう。例えば、気象予測システム1は深層学習を実行することで気象を予測する。深層学習とは、多層構造のニューラルネットワーク(深層ニューラルネットワーク(DNN))を用いた機械学習のことをいう。 The weather forecasting system 1 uses machine learning. Machine learning is a method of autonomously finding rules or rules by iteratively learning based on given information. The weather forecast system 1 executes machine learning using a calculation model including a neural network. A neural network is a model of information processing that imitates the mechanism of human cranial nerve system. For example, the weather prediction system 1 predicts weather by executing deep learning. Deep learning refers to machine learning using a multilayered neural network (deep neural network (DNN)).
気象予測システム1は、学習を繰り返すことで計算モデルを生成し、この計算モデルを学習済みモデルとして取得することができる。これは学習フェーズに相当する。学習済みモデルは、将来の気象を予測するために最適であると推定される計算モデルであり、“現実に最適である計算モデル”とは限らないことに留意されたい。気象予測システム1は、学習済みモデルを用いて入力データを処理することで、将来の気象を示す予測データを出力することもできる。これは予測フェーズに相当する。 The weather prediction system 1 can generate a calculation model by repeating learning and can acquire this calculation model as a learned model. This corresponds to the learning phase. It should be noted that the learned model is a computational model that is estimated to be optimal for predicting future weather, and is not necessarily a “computation model that is optimal in reality”. The weather forecast system 1 can also output forecast data indicating future weather by processing the input data using the learned model. This corresponds to the prediction phase.
学習済みモデルはコンピュータシステム間で移植可能である。したがって、或るコンピュータシステムで生成された学習済みモデルを、別のコンピュータシステムで用いることができる。もちろん、一つのコンピュータシステムが学習済みモデルの生成および利用の双方を実行してもよい。すなわち、気象予測システム1は、学習フェーズおよび予測フェーズの双方を実行してもよいし、学習フェーズおよび予測フェーズのいずれか一方を実行しなくてもよい。 Trained models are portable between computer systems. Therefore, the trained model generated by one computer system can be used by another computer system. Of course, one computer system may perform both generation and utilization of the trained model. That is, the weather prediction system 1 may execute both the learning phase and the prediction phase, or may not execute either one of the learning phase and the prediction phase.
気象予測システム1は、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データを計算モデル(ニューラルネットワーク)に与えることで、一つの対象地点での将来の気象を示す予測データを生成する。観測地点とは、観測装置を用いて気象が観測される地点のことをいう。例えば、観測地点は、気象観測装置が設置された地点であり得る。観測地点の個数、個々の観測地点の配置、および観測地点間の距離は何ら限定されない。対象地点とは、将来の気象が予測される地点のことをいう。典型的には、対象地点は、複数の観測地点のいずれとも異なる地点であり、具体的には、気象観測装置を用いて気象が観測されない地点であり、例えば、気象観測装置が設置されていない地点である。しかし、観測地点が対象地点として選択されてもよい。対象地点は、複数の観測地点の少なくとも一部で確定される地理的範囲内の任意の位置であり得る。「地理的範囲内」という用語は、地理的範囲の境界を含む概念であってもよい。 The weather forecasting system 1 generates forecast data showing future weather at one target point by supplying input data showing past weather at each of a plurality of observation points to a calculation model (neural network). An observation point is a point where weather is observed using an observation device. For example, the observation point may be a point where the meteorological observation device is installed. The number of observation points, the arrangement of individual observation points, and the distance between observation points are not limited at all. The target point is a point where future weather is predicted. Typically, the target point is a point different from any of the plurality of observation points, specifically, a point where the weather is not observed using the meteorological observation device, for example, the meteorological observation device is not installed. It is a point. However, the observation point may be selected as the target point. The target point may be any position within a geographical range defined by at least a part of the plurality of observation points. The term "within geographic area" may be a concept that includes the boundaries of a geographic area.
図1は、観測地点と対象地点との位置関係の例を示す地図である。この例では、多数の観測地点91が示されている。図1は、対象地点を包含する地理的範囲の一例も示す。複数の観測地点91のそれぞれでの過去の気象に基づいて対象地点の気象を予測する場合には、地理的範囲92は、最も外側に位置する2以上の観測地点91を結ぶことで画定される。したがって、地理的範囲92は、複数の観測地点91のすべてを含むように設定される。この場合には、地理的範囲92内の任意の場所(例えば、地点93、地点94、または地点95)が対象地点になり得る。
FIG. 1 is a map showing an example of the positional relationship between an observation point and a target point. In this example, a large number of observation points 91 are shown. FIG. 1 also shows an example of a geographical range that includes the point of interest. When predicting the weather of the target point based on the past weather at each of the plurality of observation points 91, the
[システムの構成]
図2は気象予測システム1を構成するコンピュータ100の一般的なハードウェア構成を示す。例えば、コンピュータ100はプロセッサ101、主記憶部102、補助記憶部103、通信制御部104、入力装置105、および出力装置106を備える。プロセッサ101はオペレーティングシステムおよびアプリケーション・プログラムを実行する。主記憶部102は例えばROMおよびRAMで構成される。補助記憶部103は例えばハードディスクまたはフラッシュメモリで構成され、一般に主記憶部102よりも大量のデータを記憶する。通信制御部104は例えばネットワークカードまたは無線通信モジュールで構成される。入力装置105は例えばキーボード、マウス、タッチパネルなどで構成される。出力装置106は例えばモニタおよびスピーカで構成される。
[System configuration]
FIG. 2 shows a general hardware configuration of the
気象予測システム1の各機能要素は、補助記憶部103に予め記憶される気象予測プログラム110により実現される。具体的には、各機能要素は、プロセッサ101または主記憶部102の上に気象予測プログラム110を読み込ませてその気象予測プログラム110を実行させることで実現される。プロセッサ101はその気象予測プログラム110に従って、通信制御部104、入力装置105、または出力装置106を動作させ、主記憶部102または補助記憶部103におけるデータの読み出しおよび書き込みを行う。処理に必要なデータまたはデータベースは主記憶部102または補助記憶部103内に格納される。
Each functional element of the weather forecast system 1 is realized by the
気象予測プログラム110は、例えば、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリなどの有形の記録媒体に固定的に記録された上で提供されてもよい。あるいは、気象予測プログラム110は、搬送波に重畳されたデータ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。
The
気象予測システム1は1台のコンピュータ100で構成されてもよいし、複数台のコンピュータ100で構成されてもよい。複数台のコンピュータ100を用いる場合には、これらのコンピュータ100がインターネットやイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続されることで、論理的に一つの気象予測システム1が構築される。
The weather forecasting system 1 may be configured by one
図3は気象予測システム1の機能構成の一例を示す図である。本実施形態では、気象予測システム1は、気象を予測するための学習済みモデルを生成する第1システム10と、将来の気象を示す予測データをその学習済みモデルを用いて生成および出力する第2システム20とを備える。第1システム10は、機械学習を実行することで学習済みモデルを生成および取得する学習部11を機能要素として備える。第2システム20は、その学習済みモデルを用いて入力データから予測データを求める予測部21を機能要素として備える。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the weather prediction system 1. In the present embodiment, the weather prediction system 1 includes a
上述したように、学習済みモデルはコンピュータシステム間で移植可能である。したがって、本実施形態のように、第1システム10で生成された計算モデルを、別のコンピュータシステムである第2システム20で用いることができる。もちろん、気象予測システムを第1システム10と第2システム20とに分けることは必須ではない。
As mentioned above, the trained model is portable between computer systems. Therefore, as in this embodiment, the calculation model generated by the
図4は気象予測システム1で用いられるニューラルネットワーク30の一例を示す図である。ニューラルネットワーク30は複数のブロックに分かれる。具体的には、ニューラルネットワーク30は、複数の観測地点に対応する複数の地点ブロック31と、一つのアセンブリブロック32とを含む。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the
一つの地点ブロック31は一つの観測地点に対応する。複数の地点ブロック31は互いに独立し、これは、各地点ブロック31が残りの地点ブロック31のいずれともデータをやり取りしないことを意味する。図4は、観測地点Aに対応する地点ブロック31aと、観測地点Bに対応する地点ブロック31bと、観測地点Cに対応する地点ブロック31cとを特に示す。観測地点の個数は2以上であればいくつでもよく、したがって、地点ブロック31の個数は2以上の任意の数である。例えば、気象予測システム1が48ヶ所の観測地点での過去の気象に基づいて対象地点の気象を予測する場合には、ニューラルネットワーク30は48個の地点ブロック31を含む。
One
ニューラルネットワーク30に入力される入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つのデータ集合は一つの観測地点に対応する。したがって、複数の地点ブロック31は複数のデータ集合に対応するということができる。図4は、観測地点Aに対応するデータ集合Aと、観測地点Bに対応するデータ集合Bと、観測地点Cに対応するデータ集合Cとを特に示す。
The input data input to the
それぞれのデータ集合は、対応する観測地点における時系列気象データと、該観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。時系列気象データは、或る時間幅における観測地点での気象の推移を示す時系列データであり、より具体的には、連続する複数の観測時刻のそれぞれにおける観測地点の気象を示すデータである。時系列気象データは、一つの観測時刻とその時点での気象を示す1種類以上の気象値との組を複数個含む。地理的位置とは、現実世界における地表上の位置のことをいい、例えば緯度および経度で表される。 Each data set includes time series meteorological data at the corresponding observation point, the geographical position of the observation point, and the geographical position of the target point. The time-series meteorological data is time-series data indicating the change in the weather at the observation point in a certain time width, and more specifically, data indicating the weather at the observation point at each of a plurality of consecutive observation times. .. The time series meteorological data includes a plurality of sets of one observation time and one or more kinds of meteorological values indicating the meteorology at that time. The geographical position means a position on the ground surface in the real world, and is represented by latitude and longitude, for example.
図4は観測地点Aのデータ集合Aを例示する。この例では、時系列気象データは、基準時t0からその1時間前までの間に10分間隔で得られた気象値を示す。言い換えると,その時系列気象データは時刻および気象値の組を7個含んで構成される。この例では、気象値は気温、湿度、海面気圧、風(u,v)、および感雨で構成される。「風(u,v)」という表記は、東西方向のベクトル(風向および風速)と南北方向のベクトル(風向および風速)とで風を表すことを意味する。図4の例では、観測地点および対象地点の地理的位置はいずれも緯度および経度で示される。対象地点の地理的位置はすべてのデータ集合において同じである。 FIG. 4 illustrates a data set A at the observation point A. In this example, the time-series meteorological data indicates meteorological values obtained at 10-minute intervals from the reference time t 0 to one hour before the reference time t 0 . In other words, the time series meteorological data includes seven sets of time and meteorological value. In this example, the meteorological value is composed of temperature, humidity, sea level pressure, wind (u, v), and rain. The expression "wind (u, v)" means that the wind is expressed by a vector (wind direction and wind speed) in the east-west direction and a vector (wind direction and wind speed) in the north-south direction. In the example of FIG. 4, the geographical positions of the observation point and the target point are both indicated by latitude and longitude. The geographic location of the point of interest is the same for all datasets.
それぞれの地点ブロック31は、時系列気象データに対応する気象ブロック33と、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応する位置ブロック34と、該気象ブロック33および該位置ブロック34の双方からの出力値を処理するカップリングブロック35とを含む、気象ブロック33と位置ブロック34とは互いに独立し、これは、気象ブロック33と位置ブロック34との間でデータがやり取りされないことを意味する。気象ブロック33は時系列気象データを受け付けて処理することで出力値を生成し、その出力値を処理結果としてカップリングブロック35に渡す。位置ブロック34は観測地点および対象地点の双方の地理的位置を受け付けて処理することで出力値を生成し、その出力値を処理結果としてカップリングブロック35に渡す。気象ブロック33および位置ブロック34からカップリングブロック35に渡される出力値は、ニューラルネットワーク30での処理の途中で得られる中間値であるといえる。カップリングブロック35はその中間値を処理することで出力値を生成し、その出力値を処理結果としてアセンブリブロック32に渡す。地点ブロック31(より具体的には、カップリングブロック35)からアセンブリブロック32に渡される出力値も、ニューラルネットワーク30での処理の途中で得られる中間値であるといえる。
Each
アセンブリブロック32は、複数の地点ブロック31(より具体的には、複数のカップリングブロック35)から得られる複数の出力値を処理して予測データ(予測結果)を生成および出力するブロックである。例えば、気象予測システム1が48ヶ所の観測地点での過去の気象に基づいて対象地点の気象を予測する場合には、アセンブリブロック32は48個の地点ブロック31からの出力値を受け付け、それらの出力値を処理して予測データを生成および出力する。
The
ニューラルネットワーク30内の個々のブロックの構成は限定されない。例えば、それぞれのブロックにおいて、層の個数、および個々の全結合層(fully−connected layer)でのノードの個数はいずれも任意に定められてよい。図4は個々のブロックの構成の一例も示す。この例では、気象ブロック33は、120個のノードを有する二つの全結合層「FC120」と、20個のノードを有する一つの全結合層「FC20」とで構成される。位置ブロック34は、10個のノードを有する三つの全結合層「FC10」で構成される。カップリングブロック35も、10個のノードを有する三つの全結合層「FC10」で構成される。アセンブリブロック32は、10個のノードを有する二つの全結合層「FC10」と出力層「FC1」とで構成される。
The configuration of each block in the
図4の例では、ニューラルネットワーク30は基準時t0から60分後の気温を示す予測データを出力する。これは、ニューラルネットワーク30が、任意の対象地点の60分後の気温を予測するためだけに用いられることを意味する。任意の対象地点での別の時点での気温(例えば30分後の気温)を予測したり、任意の対象地点での60分後の別の気象要素(例えば感雨)を予測したりする場合には、気象予測システム1は別のニューラルネットワークを用意する必要がある。また、観測地点の個数を変える場合にも、気象予測システム1は別のニューラルネットワークを用意する必要がある。
In the example of FIG. 4, the
[システムの動作]
図5および図6を参照しながら、気象予測システム1の動作を説明するとともに本実施形態に係る気象予測方法について説明する。図5は気象予測システム1の学習処理の一例を処理フローS1として示すフローチャートである。図6は気象予測システム1の予測処理の一例を処理フローS2として示すフローチャートである。図5および図6はそれぞれ、学習フェーズおよび予測フェーズに対応する。処理フローS1,S2のいずれも、本開示に係る気象予測方法に対応し得る。
[System operation]
The operation of the weather prediction system 1 will be described and the weather prediction method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a flowchart showing an example of the learning process of the weather prediction system 1 as a process flow S1. FIG. 6 is a flowchart showing an example of a prediction process of the weather prediction system 1 as a process flow S2. 5 and 6 correspond to the learning phase and the prediction phase, respectively. Both of the processing flows S1 and S2 can correspond to the weather forecasting method according to the present disclosure.
図5を参照しながら、学習部11により実行される処理フローS1を説明する。この処理フローS1は学習済みモデルの生成方法の一例であるといえる。
The processing flow S1 executed by the
ステップS11では、学習部11は、複数の観測地点のうちの一つを対象地点として選択する。学習のために用いられる複数の観測地点は任意の基準で選択されてよい。
In step S11, the
ステップS12では、学習部11は、対象地点以外のすべての観測地点(すなわち、残りのすべての観測地点)のデータ集合を含む入力データを用いて機械学習を実行する。学習フェーズで用いられる入力データは、機械学習のための訓練データであるということができる。入力データの取得方法は限定されない。例えば、学習部11は所与のデータベースにアクセスして入力データを読み込んでもよいし、他のコンピュータから送られてきた入力データを受信してもよい。この機械学習では、対象地点として選択された観測地点での実測値が正解として用いられる。学習部11は、入力データをニューラルネットワーク30に与えることで予測データを生成する。そして、学習部11はその予測データ(予測結果)と正解との差(すなわち、誤差)に基づいて、バックプロパゲーション(誤差逆伝播法)などの手法を用いてニューラルネットワーク30内の重みを更新する。
In step S12, the
ステップS13では、学習部11は終了条件を満たすか否かを判定する。この終了条件は、機械学習を終了して学習済みモデルを取得するための条件である。終了条件は任意に設定されてよい。例えば、学習部11は、ニューラルネットワーク30の性能が、予め定められた基準を満たした場合に、機械学習を終了してもよい。あるいは、学習部11は、予め定められた回数の学習を実行し終えた場合に機械学習を終了してもよい。例えば、学習部11は、選択された複数の観測地点のすべてが対象地点として処理された場合に機械学習を終了してもよい。
In step S13, the
終了条件を満たさない場合には、処理はステップS14に進む。ステップS14では、学習部11は、まだ対象地点として選択されていない一つの観測地点を次の対象地点として選択する。そして、学習部11はステップS12の処理を再び実行する。
If the ending condition is not satisfied, the process proceeds to step S14. In step S14, the
終了条件を満たす場合には、処理はステップS15に進む。ステップS15では、学習部11は、機械学習された計算モデル(すなわち、ニューラルネットワーク30)を学習済みモデルとして取得する。この処理は、学習済みモデルが生成されたことを意味する。学習部11はその学習済みモデルを出力する。学習済みモデルの出力方法は限定されない。例えば、学習部11は学習済みモデルを、メモリ、データベースなどの記憶装置に格納してもよいし、他のコンピュータシステムに送信してもよい。
If the end condition is satisfied, the process proceeds to step S15. In step S15, the
例えば、48ヶ所の観測地点での観測結果を用いる場合には、学習部11は一つの観測地点を対象地点として選択し(ステップS11)、残りの47ヶ所の観測地点のデータ集合を含む入力データを用いて機械学習を実行する(ステップS12)。すべての観測地点を対象地点として処理することが終了条件である場合には、学習部11は対象地点を入れ替えながら機械学習を繰り返す。したがって、この場合には学習部11はステップS12の処理を48回実行した後に、学習済みモデルを取得する。
For example, when using the observation results at 48 observation points, the
図6を参照しながら、予測部21により実行される処理フローS2を説明する。ステップS21では、予測部21は入力データを受け付ける。入力データの取得方法は限定されない。例えば、予測部21は所与のデータベースにアクセスして入力データを読み込んでもよいし、他のコンピュータから送られてきた入力データを受信してもよい。
The processing flow S2 executed by the
ステップS22では、予測部21はその入力データを学習済みモデル(ニューラルネットワーク)に入力することで予測データを生成する。
In step S22, the
ステップS23では、予測部21はその予測データを出力する。この結果、気象予測システム1のユーザは対象地点の気象予測を得ることができる。予測データの出力方法は限定されない。例えば、予測部21は予測データを、モニタ上に表示してもよいし、所定のデータベースに格納してもよいし、他のコンピュータシステムに送信してもよい。予測データの表現方法も任意であり、例えば、予測データはテキスト、表、グラフ、イラストなどの任意の手法で表現され得る。
In step S23, the
[効果]
以上説明したように、本開示の一側面に係る気象予測システムは、少なくとも一つのプロセッサを備える。少なくとも一つのプロセッサは、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成する。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。
[effect]
As described above, the weather prediction system according to one aspect of the present disclosure includes at least one processor. At least one processor generates prediction data indicating future weather at the target point by supplying the neural network with input data indicating past weather at each of the plurality of observation points. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
本開示の一側面に係る気象予測方法は、少なくとも一つのプロセッサを備える気象予測システムにより実行される。気象予測方法は、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成するステップを含む。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。 A weather forecasting method according to one aspect of the present disclosure is executed by a weather forecasting system including at least one processor. The weather forecast method includes a step of generating forecast data indicating future weather at a target point by applying input data indicating past weather at each of a plurality of observation points to a neural network. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
本開示の一側面に係る気象予測プログラムは、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成するステップをコンピュータに実行させる。入力データは、複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含む。一つの観測地点に対応する一つのデータ集合は、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、対象地点の地理的位置とを含む。ニューラルネットワークは、複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して予測データを生成するアセンブリブロックとを含む。複数の地点ブロックのそれぞれは、時系列気象データに対応する気象ブロックと、観測地点および対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して中間値を生成するカップリングブロックとを含む。 A meteorological prediction program according to an aspect of the present disclosure includes a step of generating prediction data indicating future weather at a target point by supplying input data indicating past weather at each of a plurality of observation points to a neural network. Let the computer run. The input data includes a plurality of data sets corresponding to a plurality of observation points. One data set corresponding to one observation point includes time series meteorological data at the one observation point, the geographical position of the one observation point, and the geographical position of the target point. The neural network includes a plurality of point blocks that correspond to a plurality of data sets and are independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate prediction data. Each of the plurality of point blocks includes a meteorological block corresponding to time-series meteorological data, a position block corresponding to both geographical positions of an observation point and a target point and independent of the meteorological block, the meteorological block and the meteorological block. A coupling block that processes the output values from both of the position blocks to produce an intermediate value.
このような側面においては、複数の観測地点での過去の気象だけでなく、それぞれの観測地点の地理的位置と対象地点の地理的位置とをさらに含む入力データがニューラルネットワークに与えられる。対象地点の気象を予測する際に観測地点と対象地点との間の地理的位置が考慮されるので、任意の地点の気象を高い精度で予測することが可能になる。 In such an aspect, input data including not only the past weather at a plurality of observation points but also the geographical position of each observation point and the geographical position of the target point is given to the neural network. Since the geographical position between the observation point and the target point is considered when predicting the weather at the target point, it becomes possible to predict the weather at any point with high accuracy.
他の側面に係る気象予測システムでは、対象地点が複数の観測地点のいずれとも異なってもよい。この場合には、気象観測装置を用いて気象が観測されない地点の気象を予測することができる。 In the weather prediction system according to another aspect, the target point may be different from any of the plurality of observation points. In this case, the meteorological observation device can be used to predict the meteorology at a point where no meteorological observation is made.
他の側面に係る気象予測システムでは、対象地点が、複数の観測地点のうち最も外側に位置する2以上の観測地点を結ぶことで画定される地理的範囲内に位置してもよい。複数の観測地点で囲まれるように対象地点が設定されることで、対象地点の気象が周囲の時系列気象データに基づいて予測される。したがって、対象地点の気象をより高い精度で予測することが可能になる。 In the weather prediction system according to another aspect, the target point may be located within a geographical range defined by connecting two or more outermost observation points among the plurality of observation points. By setting the target point so as to be surrounded by a plurality of observation points, the weather at the target point is predicted based on the surrounding time series meteorological data. Therefore, it becomes possible to predict the weather at the target point with higher accuracy.
[実施例]
以下、実施例を具体的に説明するが、本開示はそれらに何ら限定されるものではない。
[Example]
Examples will be specifically described below, but the present disclosure is not limited thereto.
時系列気象データとして、POTEKA(登録商標)という超高密度気象観測システムから得られる実測値を用いた。時系列気象データを構成する気象要素は、気温、湿度、海面気圧、風(u,v)、および感雨とした。気象値の推移が10分間隔で示されるように時系列気象データを用意した。 As the time series meteorological data, actual measurement values obtained from an ultra high density meteorological observation system called POTEKA (registered trademark) were used. The meteorological elements constituting the time series meteorological data are temperature, humidity, sea level pressure, wind (u, v), and rain. Time series meteorological data was prepared so that the changes in meteorological values could be shown at 10-minute intervals.
図1で示される複数の観測地点91のうち、ほぼ中央に位置する一ヶ所を対象地点として選択した。また、残りの観測地点91を、対象地点の気象を予測するための観測地点として選択した。そして、気象予測システム1を用いて対象地点の1時間後の気温を予測する処理を求めると共に、該対象地点での1時間後の実際の気温を測定した。気温の予測値および実測値が所与の時間幅において10分間隔で得られるように、その予測および測定を繰り返した。図7はその予測および測定の結果を示す。実線は実測値を示し、破線は予測値を示す。 One of the plurality of observation points 91 shown in FIG. 1 was selected as a target point, which is located in the center. Further, the remaining observation points 91 are selected as the observation points for predicting the weather of the target point. Then, the weather forecasting system 1 was used to obtain a process of predicting the temperature of the target point one hour later, and the actual temperature of the target point one hour later was measured. The prediction and measurement were repeated so that the predicted and measured temperature values were obtained at 10-minute intervals in a given time span. FIG. 7 shows the result of the prediction and measurement. The solid line shows the measured value, and the broken line shows the predicted value.
[変形例]
以上、本開示での実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。本開示は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
[Modification]
In the above, it explained in detail based on the embodiment in this indication. However, the present disclosure is not limited to the above embodiment. The present disclosure can be variously modified without departing from the gist thereof.
少なくとも一つのプロセッサにより実行される気象予測方法の処理手順は上記実施形態での例に限定されない。例えば、上述したステップの一部が省略されてもよいし、別の順序で各ステップが実行されてもよい。また、上述したステップのうちの任意の2以上のステップが組み合わされてもよいし、ステップの一部が修正または削除されてもよい。あるいは、上記の各ステップに加えて他のステップが実行されてもよい。 The processing procedure of the weather forecasting method executed by at least one processor is not limited to the example in the above embodiment. For example, some of the steps described above may be omitted, or the steps may be performed in a different order. Further, any two or more of the steps described above may be combined, or some of the steps may be modified or deleted. Alternatively, other steps may be executed in addition to the above steps.
気象予測システム内で二つの数値の大小関係を比較する際には、「以上」および「よりも大きい」という二つの基準のどちらを用いてもよく、「以下」および「未満」という二つの基準のうちのどちらを用いてもよい。このような基準の選択は、二つの数値の大小関係を比較する処理についての技術的意義を変更するものではない。 When comparing the magnitude relationship of two numerical values in a weather forecast system, either of the two criteria "greater than or equal to" and "greater than" may be used, and the two criteria "less than or equal to" and "less than" may be used. Either of these may be used. The selection of such a criterion does not change the technical significance of the process of comparing the magnitude relationship of two numerical values.
本開示の一側面によれば、任意の地点の気象を高い精度で予測することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to predict the weather at an arbitrary point with high accuracy.
1 気象予測システム
10 第1システム
11 学習部
20 第2システム
21 予測部
30 ニューラルネットワーク
31,31a,31b,31c 地点ブロック
32 アセンブリブロック
33 気象ブロック
34 位置ブロック
35 カップリングブロック
91 観測地点
92 地理的範囲
100 コンピュータ
101 プロセッサ
110 気象予測プログラム
1
Claims (5)
前記少なくとも一つのプロセッサが、複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成し、
前記入力データが、前記複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含み、
一つの前記観測地点に対応する一つの前記データ集合が、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、前記対象地点の地理的位置とを含み、
前記ニューラルネットワークが、前記複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して前記予測データを生成するアセンブリブロックとを含み、
前記複数の地点ブロックのそれぞれが、前記時系列気象データに対応する気象ブロックと、前記観測地点および前記対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して前記中間値を生成するカップリングブロックとを含む、
気象予測システム。 With at least one processor,
The at least one processor, by inputting the input data indicating the past weather at each of the plurality of observation points to the neural network, to generate prediction data indicating the future weather at the target point,
The input data includes a plurality of data sets corresponding to the plurality of observation points,
One said data set corresponding to one said observation point includes time series meteorological data at said one observation point, geographical position of said one observation point, and geographical position of said target point,
The neural network includes a plurality of point blocks corresponding to the plurality of data sets and independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate the prediction data,
Each of the plurality of point blocks, a weather block corresponding to the time series meteorological data, a position block corresponding to the geographical position of both the observation point and the target point and independent of the weather block, A coupling block for processing output values from both the weather block and the position block to produce the intermediate value,
Weather forecast system.
請求項1に記載の気象予測システム。 The target point is different from any of the plurality of observation points,
The weather forecasting system according to claim 1.
請求項1または2に記載の気象予測システム。 The target point is located within a geographical range defined by connecting two or more outermost observation points among the plurality of observation points,
The weather prediction system according to claim 1.
複数の観測地点のそれぞれにおける過去の気象を示す入力データをニューラルネットワークに与えることで、対象地点での将来の気象を示す予測データを生成するステップを含み、
前記入力データが、前記複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含み、
一つの前記観測地点に対応する一つの前記データ集合が、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、前記対象地点の地理的位置とを含み、
前記ニューラルネットワークが、前記複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して前記予測データを生成するアセンブリブロックとを含み、
前記複数の地点ブロックのそれぞれが、前記時系列気象データに対応する気象ブロックと、前記観測地点および前記対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して前記中間値を生成するカップリングブロックとを含む、
気象予測方法。 A weather forecasting method executed by a weather forecasting system comprising at least one processor,
By providing the neural network with input data indicating past weather at each of the plurality of observation points, including a step of generating prediction data indicating future weather at the target point,
The input data includes a plurality of data sets corresponding to the plurality of observation points,
One of the data sets corresponding to one of the observation points includes time-series weather data at the one observation point, a geographical position of the one observation point, and a geographical position of the target point,
The neural network includes a plurality of point blocks corresponding to the plurality of data sets and independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate the prediction data,
Each of the plurality of point blocks, a weather block corresponding to the time-series weather data, and a position block corresponding to the geographical position of both the observation point and the target point and independent of the weather block, A coupling block for processing output values from both the weather block and the position block to produce the intermediate value.
Weather forecast method.
前記入力データが、前記複数の観測地点に対応する複数のデータ集合を含み、
一つの前記観測地点に対応する一つの前記データ集合が、該一つの観測地点における時系列気象データと、該一つの観測地点の地理的位置と、前記対象地点の地理的位置とを含み、
前記ニューラルネットワークが、前記複数のデータ集合に対応し且つ互いに独立した複数の地点ブロックと、該複数の地点ブロックからの複数の中間値を処理して前記予測データを生成するアセンブリブロックとを含み、
前記複数の地点ブロックのそれぞれが、前記時系列気象データに対応する気象ブロックと、前記観測地点および前記対象地点の双方の地理的位置に対応し且つ該気象ブロックとは独立した位置ブロックと、該気象ブロックおよび該位置ブロックの双方からの出力値を処理して前記中間値を生成するカップリングブロックとを含む、
気象予測プログラム。 By giving input data indicating past weather at each of a plurality of observation points to the neural network, causing the computer to execute the step of generating prediction data indicating future weather at the target point,
The input data includes a plurality of data sets corresponding to the plurality of observation points,
One said data set corresponding to one said observation point includes time series meteorological data at said one observation point, geographical position of said one observation point, and geographical position of said target point,
The neural network includes a plurality of point blocks corresponding to the plurality of data sets and independent of each other, and an assembly block that processes a plurality of intermediate values from the plurality of point blocks to generate the prediction data,
Each of the plurality of point blocks, a weather block corresponding to the time series meteorological data, a position block corresponding to the geographical position of both the observation point and the target point and independent of the weather block, A coupling block for processing output values from both the weather block and the position block to produce the intermediate value,
Weather forecast program.
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---|---|---|---|
JP2018227904A JP2020091171A (en) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | Weather forecasting system, weather forecasting method, and weather forecasting program |
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KR20220164198A (en) | 2021-06-04 | 2022-12-13 | 한국과학기술정보연구원 | Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method |
US11816554B2 (en) | 2020-06-25 | 2023-11-14 | Si Analytics Co., Ltd. | Method and apparatus for generating weather data based on machine learning |
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- 2018-12-05 JP JP2018227904A patent/JP2020091171A/en active Pending
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