JP4423607B2 - 降雨予測システム及びそれを利用した排水ポンプ運転支援システム - Google Patents

Description

本発明は、降雨予測システムに係り、具体的には、比較的狭い地域の降雨量の予測を簡易なシステムにより実現するのに好適な降雨予測システムに関する。

都市部の下水処理場や雨水排水設備では、河川や下水の洪水や氾濫を防止するため、下水道管渠に流入する雨水の変動を予測して排水ポンプや滞水池を運用する必要がある。そのため、現在時刻までの降雨計測値だけではなく、現在時刻から数１０分以降までの降雨量の予測をすることが求められている。
例えば、特許文献１に記載された従来技術では、レーダーサイトから中央データ処理室に広域の降雨データを集め、これに基づいて降雨分布データを作成し、時間変化に基づいて降雨域の移動傾向を表す移動ベクトルを算出し、降雨予測の対象地域に近い移動ベクトルを選定して降雨予測値を得ることが提案されている。

また、特許文献２に記載された従来技術では、広域に設けた複数の雨量計からの時刻ごとの降雨強度計測値を収集し、これに基づいて降雨域の移動ベクトルをを算出して、雨域の移動、拡大縮小、降雨強度の変化を抽出し、これらに基づいて降雨予測値を得ることが提案されている。

特開平８−４３５４５号公報 特開平１１−１４２５３１号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された降雨予測方法によれば、広域を対象にしていることから、気象レーダや情報ネットワークのインフラストラクチュアが必要になり、予測システムが大規模にならざるを得ない。

ところが、小規模の下水処理場や排水ポンプ機場などに流入する雨水等の流出域は、一般に狭いことから、気象レーダと連動させることなく、ネットワークなどに接続する必要がない独立型の、いわゆるスタンドアローン型の簡易な降雨予測システムの実現が要望されている。

本発明は、気象レーダーと連動しない雨量計等の降雨強度計測値に基づいて、降雨強度の時間推移を許容される精度内で予測可能にする簡易な降雨予測システムを実現することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、いわゆるスタンドアローン型の降雨予測システムとし、特に、予測精度の高い降雨予測アルゴリズムを構築することを特徴とする。

具体的には、本発明の降雨予測システムは、降雨パターンの特徴を規定するパラメータを仮設定した予測降雨パターンを用いて、過去の降雨強度計測値に基づいて前記パラメータを変更して総降雨量予測値を繰り返し算出し、算出した総降雨量予測値が過去の総降雨量計測値に設定範囲内で一致する前記パラメータを求め、求めた前記パラメータによって規定された予測降雨パターンを用いて現在の降雨強度計測値に基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測することを特徴とする。

すなわち、本発明は、予め予測降雨パターンを過去の降雨強度の計測値に基づいて作成しておき、降雨予測に際しては、現在の降雨強度計測値に基づいて予測降雨パターンを用いて降雨強度の予測値を得る。

さらに具体的には、降雨量を計測する雨量計と、降雨ケースごとに前記雨量計により計測された降雨強度計測値が時系列的に格納されるデータベースと、前記過去の降雨強度計測値と前記雨量計により計測される現在の降雨強度計測値とに基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測する降雨予測手段とを備え、前記降雨予測手段は、降雨パターンの特徴を規定するパラメータを求めるパラメータ演算手段と、該パラメータによって規定された予測降雨パターンを用いて、現在の降雨強度計測値に基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測する降雨予測演算手段とを有し、前記パラメータ演算手段は、前記パラメータを仮設定した予測降雨パターンを用いて、前記過去の降雨強度計測値に基づいて前記パラメータを変更して総降雨量予測値を繰り返し算出し、算出した総降雨量予測値が過去の総降雨量計測値に設定範囲内で一致する前記パラメータを求めることを特徴とする。

ここで、予測降雨パターンの特徴を規定するパラメータとして、降雨強度上限値と降雨継続時間上限値を用いることができる。すなわち、予測降雨パターンは、例えば、降雨強度がある増加率で増加傾向にある場合、現在以降の降雨強度予測値を現在の増加率で一定時間増加させ、その後、予め定めた減少率で減少させて降雨強度が零まで外挿する。この場合、現在時刻から降雨強度が零になるまでの時刻を降雨継続時間と定義する。また、現在の降雨強度計測値と現在までの降雨強度計測値との差が負、すなわち降雨強度がある減少率で減少傾向にある場合、現在以降の降雨強度予測値を、現在の減少率で減少させて降雨強度零まで外挿する。また、予測降雨パターンは、一次関数に限らず二次以上の関数で滑らかに近似することもできる。

ところで、上述の予測降雨パターンによると、降雨強度の増加率が過大の場合、これまで経験のない過大な降雨強度を算出する可能性がある。そこで、最大降雨強度を定めておく必要がある。本来、降雨予測システムでは、現在以降の降雨強度の変化パターンが、高降雨強度で短時間の降雨パターンになるか、低降雨強度で長時間の降雨パターンになるか等は未知である。また、降雨パターンには、地域により差があるため、降雨強度上限値や降雨継続時間上限値の確からしい値を定めることは予測誤差を低減する上で重要である。

この点、本発明によれば、降雨パターンの特徴を規定するパラメータを仮定した予測降雨パターンを設定し、設定した予測降雨パターンを過去の降雨強度計測値に適用し、予測値を実際の計測値に設定範囲内で一致させるようにパラメータを調整して、予測降雨パターンを決定していることから、雨量計のみの降雨強度計測値に基づいて、降雨強度の時間推移を許容される精度内で予測可能にする簡易な降雨予測システムを実現することができる。

また、予測降雨パターンのパラメータ（例えば、降雨継続時間上限値、降雨強度上限値）を定めるにあたって、予測対象地域における過去の降雨強度計測値を用いているため、降雨強度の予測誤差を最も低減できる。また、過去の降雨強度計測値を蓄積していくことにより、降雨強度予測の信頼性を向上させることができる。その結果、河川に隣接するポンプ機場や小規模下水処理場など簡易な排水ポンプ機場において、比較的雨量の計測手段の少ない条件においても簡易な方法で降雨の時間推移を予測できる経済性の高い降雨予測システムを実現できる。

特に、本発明は、少なくとも１台の雨量計、あるいは単一の雨量データを基に降雨の時間推移を予測できるので、従来の複数の雨量計、またはレーダによる降雨分布を用いる降雨予測システムと比較して、経済性を向上できる効果がある。

本発明によれば、雨量計等の降雨強度計測値に基づいて、降雨強度の時間推移を許容される精度内で予測可能にする簡易な降雨予測システムを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態の降雨予測システムに係る降雨予測の手順を示すフローチャートである。図２は、本発明の一実施形態の降雨予測システムに係る予測降雨パターンの特徴を規定するパラメータの決定法の手順を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態の降雨予測システムの構成図である。図４は、雨量計で計測した降雨強度計測値の時間変化を表す概念図である。図５は、本実施形態に係る予測降雨パターンを説明するための概念図である。図６は、本実施形態のパラメータと総降雨量予測値標準偏差との相関図である。図７〜図９は、それぞれ、現在までの降雨強度計測値に基づいて、本実施形態の予測降雨パターンを用いて現在以降の降雨強度の時間推移を求めてなる降雨予測値の例を説明する概念図である。図１０は、本実施形態の降雨予測システムの表示画面の例である。

図３に示すように、本実施形態の降雨予測システムは、降雨強度予測計算機１と、データベース２と、降雨パターンパラメータ計算機３と、降雨予測の対象地域に設けられた複数の雨量計４１〜４４とを有して構成される。雨量計４１〜４４により計測された降雨強度の計測値は、雨量計ネットワーク４を介して降雨強度予測計算機１とデータベース２に送られるようになっている。降雨パターンパラメータ計算機３は、データベース２から信号線を介して、あるいは図示していないデータ媒体を介して降雨強度の計測値を取得可能になっている。また、本実施形態では、降雨強度予測計算機１は、キー入力あるいはデータ媒体などを介して、オフラインデータ入力操作５により降雨パターンパラメータ計算機３の計算結果であるパラメータを取得可能になっている。

一般に、雨量計４１〜４４で計測される降雨強度は、図４に示すように、降雨開始後に時間とともに変動しながら増加し、ある時間後に変動しながら降雨強度零に減少するパターンとなる。なお、図中の実線は、降雨強度の変化を表し、ハッチング部分の面積が総降雨量に相当する。

次に、本実施形態に係る予測降雨パターンの概念について、図５を参照して説明する。現在時刻以降の降雨強度の変化を予測するためには、降雨強度の増減の傾向に基づいて、図５に示す破線のように、降雨強度の変化パターンを予め定めておく必要がある。例えば、同図の例では、現在時刻と現在時刻より前の降雨強度計測値から降雨強度の増加率を求め、現在時刻以降に対してその増加率を外挿して滑らかに降雨強度を増加させ、その後に上限値に達した後、滑らかに減少させて降雨強度が零になるように、予測降雨パターンを設定することができる。ここで、現在時刻より前の降雨強度計測値とは、直前の計測値とすることができるが、これに限られるものではなく、直前の複数点の降雨強度計測値を用いてもよい。

ここで、本実施形態では、予測を行う現在時刻から降雨強度が零になるまでの時間を、予測降雨パターンの特徴を規定するパラメータの一つである降雨継続時間上限値Ｔｍａｘとして定義する。また、降雨強度の最大値を、予測降雨パターンの特徴を規定する他のパラメータである降雨強度上限値Ｒｍａｘとして定義する。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態の特徴に係るパラメータである降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを求める手順を説明する。本実施形態では、降雨パターンパラメータ計算機３によりデータベース２に格納されている対象地域における過去の降雨強度計測値を読み出し、その計測値を統計処理して降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを算出するようになっている。すなわち、図２のフローチャートに沿って処理をする。
（ステップＳ２１〜Ｓ２５）
処理の開始にあたって種々の初期設定を行う。まず、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを仮設定すると共に、降雨強度上限値Ｒｍａｘの繰り返し計算の収束判定閾値εを入力設定する（Ｓ２１）。また、降雨強度上限値Ｒｍａｘの仮設定として、その最小値Ｒｍａｘ（Ｌ）と最大値Ｒｍａｘ（Ｒ）を入力設定する（Ｓ２２）。次に、Ｒｍａｘ（Ｌ）とＲｍａｘ（Ｒ）の中央値（平均値）を降雨強度上限値Ｒｍａｘに設定して（Ｓ２３）、以後の処理を行う。なお、ステップＳ２４は、降雨強度上限値Ｒｍａｘの繰り返し計算の収束判定であるから後述する。このように初期設定した後、過去の複数（Ｎｃ）の降雨ケースの降雨強度計測値を用いてＴｍａｘとＲｍａｘを求めるために、降雨ケースｉ（ｉ＝１〜Ｎｃの整数）を初期化する（Ｓ２５）。
（ステップＳ２６）
そして、データベース２から過去の複数の降雨ケースｉの時系列データである降雨強度計測値Ｒｍ（ｉ，ｔ）を取り出し、これを降雨開始時刻ｔｓｔから降雨終了時刻ｔｅｎｄまで積分して、数１に示す総降雨量計測値Ｓｍ（ｉ）を算出する。積分して総降雨量計測値Ｓｍ（ｉ）を算出する。なお、積分の時間刻みは、降雨強度計測値Ｒｍの計測時間刻みΔｔｍとする。

また、各降雨ケースｉの降雨強度計測回数Ｎｍ（ｉ）を数２により求める。

（ステップＳ２７）
次いで、ある時刻ｔ１において、降雨強度計測時ごとに現在以降の時刻ｔ２における降雨強度予測値Ｒｐ（ｉ，ｔ１，ｔ２）を積分し、その積分値を現在までの降雨量計測値Ｓｍ（ｉ，ｔ１）に加算して、数３の総降雨量予測値Ｓｐ（ｉ，ｔ１）を算出する。

ここで、降雨強度予測値Ｒｐ（ｉ，ｔ１，ｔ２）は、ステップＳ２１で仮設定された降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと、ステップＳ２３で設定された降雨強度上限値Ｒｍａｘにより規定される予測降雨パターンに基づいて算出する。本実施形態の予測降雨パターンの考え方を、図７〜図９を参照して説明する。図７〜図９に示す予測降雨パターンは、図５の降雨パターンを簡略化して表示したものである。図７の例は、現在時刻において降雨強度が増加過程にある場合を示す。この場合の予測降雨パターンは、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの１／２の時間までは、現在の増加率で降雨強度は増加し、その後、残りのＴｍａｘの１／２の時間に零まで減少するものとしている。なお、図７の例では、降雨強度の最大値が降雨強度上限値に達していないケースである。また、図８の例は、現在時刻において降雨強度は減少過程にある場合を示す。この場合の予測降雨パターンは、降雨強度は現在の減少率で零まで減少するものとしている。なお、降雨強度の減少率が大きい場合は、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘ以内で、図８に示すように、降雨強度は零に達する。一方、降雨強度の減少率が小さい場合は、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘ以内で降雨強度は零に達しない場合がある。この場合は、Ｔｍａｘの１／２時間経過後に降雨強度減少率を大きくして、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの時刻で降雨強度を零にするものとする。

一方、図９の例は、現在時刻において降雨強度は増加過程にあり、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの１／２の時間以内に降雨強度の最大値が降雨強度上限値Ｒｍａｘに達するケースである。この場合は、集中豪雨など急激に多量の降雨が発生する場合であり、上限値を設けないと、降雨強度予測値が実現象の範囲を超えた降雨強度に達することになる。そこで、予測時の降雨強度の増加率が過大な場合は、降雨強度上限値Ｒｍａｘを設け、図９に示すように降雨強度を降雨強度上限値Ｒｍａｘに制限した予測降雨パターンとする。そして、この場合も、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの１／２の時間が経過した後は、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの時刻で零に一致するように降雨強度を減少させる予測降雨パターンとする。

このように、予め定めた予測降雨パターンに基づいて降雨強度を予測する場合の予測精度を向上するためには、図２のフローチャートに沿って、降雨強度上限値Ｒｍａｘと降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを確度高く定める。

つまり、上述のように定めた予測降雨パターンに基づいて、降雨強度計測時ｔ１ごとの総降雨量予測値Ｓｐ（ｉ，ｔ１）を求める。そして、総降雨量予測値Ｓｐ（ｉ，ｔ１）を数２で求めた降雨強度計測回数Ｎｍ（ｉ）で除して、数４の各降雨ケースのケース平均総降雨量予測値Ｓｐｐ（ｉ）を算出する。

（ステップＳ２８）
ここで、ケース平均総降雨量予測値Ｓｐｐ（ｉ）と、降雨強度計測時ごとの総降雨量予測値Ｓｐ（ｉ，ｔ１）の標準偏差σ（ｉ）を数５で算出する。

（ステップＳ２９）
ここで、全ての降雨ケースについて、ステップＳ２６〜Ｓ２８の処理が終了したか否か判定し、否定であれば、ステップＳ２６に戻って計数ｉをインクリメントして、ステップＳ２６〜Ｓ２８の処理を繰り返す。ステップＳ２６〜Ｓ２８の処理が終了していれば、ステップＳ３０に進む。
（ステップＳ３０）
まず、全降雨ケース数Ｎｃの平均総降雨量計測値Ｓｍａを、次式数６で算出する。

次いで、次式数７により、全降雨ケース数Ｎｃの平均総降雨量予測値Ｓｐａを算出する。

また、数５で求めた標準偏差σ（ｉ）を、次式数８により、全降雨ケース数Ｎｃで平均した平均総降雨量予測値標準偏差σｔを算出する。

（ステップＳ３１〜Ｓ３３）
ここで、平均総降雨量計測値Ｓｍａと平均総降雨量予測値Ｓｐａとの差（Ｓｍａ−Ｓｐａ）を求め、差が正の場合は現在のＲｍａｘをＲｍａｘ（Ｌ）に設定し、差が負の場合は現在のＲｍａｘをＲｍａｘ（Ｒ）に設定して、ステップＳ２３に戻って、ステップＳ２３〜Ｓ３３の処理を繰り返す。

このステップＳ３１〜Ｓ３３の処理は、いわゆる２分法論理であり、降雨強度上限値Ｒｍａｘをパラメータとして、平均総降雨量予測値Ｓｐａが総降雨量計測値Ｓｍａに一致するように、最適な降雨強度上限値Ｒｍａｘを繰り返し収束計算により求めるものである。

このようなステップＳ２３〜Ｓ３３の繰り返し処理により、ステップＳ２４において、Ｒｍａｘ（Ｒ）−Ｒｍａｘ（Ｌ）＞εでない場合は、図２の処理を終了
する。つまり、仮設定した予測降雨パターンによる予測が過去の実測値に設定範
囲内で一致するように、降雨強度上限値Ｒｍａｘをパラメータとして平均総降雨量予測値Ｓｐａが平均総降雨量計測値Ｓｍａに一致する降雨強度上限値Ｒｍａｘを繰り返し収束計算により求める。

図２の処理により得られる結果は、ステップＳ２１で仮設定した降雨継続時間上限値Ｔｍａｘにおける平均総降雨量予測値標準偏差σｔ及び降雨強度上限値Ｒｍａｘである。

次に、ステップＳ２１で仮設定する降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを変化させて、さらに図２の処理を繰り返し実行し、図６（Ｂ）に示す関係線図を得る。また、図６（Ａ）に示すように、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘに対する平均総降雨量予測値標準偏差σｔの相関を求め、平均総降雨量予測値標準偏差σｔが最小となる降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを求める。

そして、図６（Ａ）の関係から求めた降雨継続時間上限値Ｔｍａｘに対応する降雨強度上限値Ｒｍａｘを最適な降雨強度上限値Ｒｍａｘとして決定する。

ここで、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを短くすると実測値と比較して降雨強度が高い方にばらつき、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを長くすると、実測値と比較して降雨強度が低い方にばらつく。そのため、平均総降雨量予測値標準偏差σｔは、図６（Ａ）に示したように、下に突のグラフになり、極小値を有する。この平均総降雨量予測値の標準偏差σｔが極小となる降雨継続時間Ｔmaxが、降雨強度実測値と計算値のばらつきを最小化する最適値であり、図６（Ｂ）に示すように、最適な降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘの組み合わせを定めることができる。

図２の処理によって求めた統計計算の結果について、例えば、図９に示す最適な降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを含む予測降雨パターンの一例を、降雨パターンパラメータ計算機３の表示画面に表示する。また、図９の内容を、用紙に印刷して出力するようにすることができる。さらに、最適な降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘ及びその条件を、数値で出力表示等するだけでもよい。

図１に示すように、求めた降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを、降雨強度予測計算機１に予測降雨パターンのパラメータとして入力し、降雨予測処理を実施することにより、現在以降の降雨強度の時間推移を予測する。また、降雨強度予測計算機１には、媒体による読み出しにより降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを与えることができる。

すなわち、降雨強度予測計算機１は、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを取り込み（Ｓ１）、入力設定された予測時刻ごとにステップＳ３〜Ｓ１１の処理を実行する（Ｓ２）。予測時刻に達したら、現在の降雨強度の増減率ΔＲを演算する（Ｓ３）。この増減率は、雨量計４１〜４４により計測された降雨強度を取り込み、現在までの降雨強度と現在の降雨強度に基づいて演算する。次いで、増減率ΔＲの極性に基づいて、降雨強度が増加傾向にあるか、減少傾向にあるかを判断する（Ｓ４）。

増加傾向にある場合は、基本的に、図７又は図９に示したように、現在の増減率ΔＲに沿って降雨強度が増加する予想降雨パターンとする（Ｓ５）。そして、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの１／２の時間（Ｔｍａｘ／２）以内に、降雨強度上限値Ｒｍａｘに達するか否かを判断する（Ｓ６）。達する場合は、図９に示したように、予想降雨パターンの強雨強度の増加をＲｍａｘに制限し（Ｓ７）、達しない場合は、図７に示したように、強雨強度が増減率ΔＲで増加する予想降雨パターンとする。そして、予想対象の時点がＴｍａｘ／２に達したか否かを判断し（Ｓ８）、達していなければステップＳ６に戻って処理を繰り返す。予想対象の時点がＴｍａｘ／２に達した場合は、図７及び図９に示したように、残りのＴｍａｘ／２の間で、その時点の降雨強度から降雨強度が零になるように予測して終了する（Ｓ９）。

一方、ステップＳ４における判断が、降雨強度の減少の場合は、図８に示したように、現在の増減率ΔＲに沿って強雨強度が増減率ΔＲで減少する予想降雨パターンと予測する。この場合において、増減率ΔＲが小さい場合は、図８に一点鎖線で示したように、そのままではＴｍａｘにおいて零にならない。そこで、そのままの増減率でＴｍａｘにおいて零になるか否か判断し（Ｓ１２）、肯定判断のときは予測を終了し、否定判断のときは、ステップＳ８に移行して、残りのＴｍａｘ／２の間で、その時点の降雨強度から降雨強度が零になるように予測して終了する（Ｓ９）。

このように本実施形態により降雨予測を行うことにより、予測時点ごとに、図１０に示す予測降雨パターンが得られ、降雨強度予測計算機１の表示画面に出力表示される。また、図１０の内容を、用紙に印刷して出力するようにすることができる。

上述した実施の形態において、データベース２から抽出して統計処理に用いる総降雨量計測値については、過去の全データを使用してもよいが、例えば季節によってデータを分別し、降雨予測実施時の季節と同一の季節における過去の総降雨量計測値を用いれば、降雨強度のより確からしい予測が可能である。

また、同様に、統計処理に用いる総降雨量計測値を月によって分別し、降雨予測実施月と同一の月における過去の総降雨量計測値を用いることができる。

本実施形態の降雨予測システムによれば、比較的雨量の計測手段の少ない条件においても簡易な方法で降雨の時間推移を予測できるので、降雨予測システムの経済性を向上する効果がある。また、降雨強度予測にその地域における過去の計測値を用いるので、降雨強度予測の信頼性を向上する効果がある。
（実施形態２）
図１１に、本発明の降雨予測システムの他の実施形態の構成図を示す。図３の実施形態と相違する点は、オフラインデータ入力操作５に代えて、降雨パターンパラメータ計算機３をオンライン伝送線６により降雨強度予測計算機１に直接接続し、求めたパラメータを降雨強度予測計算機１に直接送信するようになっている。

図１２に、本実施形態の降雨パターンパラメータ計算機３におけるパラメータ計算のフローチャートを示す。降雨パターンパラメータ計算機３では、図１２に示すフローに沿って収束計算により降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを計算する。すなわち、まず、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの仮設定として、その最小値Ｔｍａｘ（Ｌ）と最大値Ｔｍａｘ（Ｒ）を入力設定する（Ｓ４１）。次に、Ｔｍａｘ（Ｌ）とＴｍａｘ（Ｒ）の中央値（平均値）を降雨継続時間上限値Ｔｍａｘに設定する（Ｓ４２）。そして、図２に示したフローチャートに従って、平均総降雨量予測値標準偏差σｔ（Ｔｍａｘ）及び降雨強度上限値Ｒｍａｘ（Ｔｍａｘ）を求める（Ｓ４４）。

次いで、平均総降雨量予測値標準偏差σｔ（Ｔｍａｘ）の微係数ｆ（Ｔｍａｘ）とｆ（Ｔｍａｘ（Ｌ））を算出する（Ｓ４５）。そして、ｆ（Ｔｍａｘ）ｆ（Ｔｍａｘ（Ｌ）の積が負か否か判断し（Ｓ４６）、負の場合は現在のＴｍａｘをＴｍａｘ（Ｌ）に変更し（Ｓ４７）、正の場合は現在のＴｍａｘをＴｍａｘ（Ｒ）に変更して（Ｓ４８）、ステップＳ４２に戻って処理を繰り返す。そして、ステップＳ４３の判断において、Ｔｍａｘ（Ｒ）−Ｔｍａｘ（Ｌ）の差が収束判定閾値ε以下に減少した時点で処理を終了し、そのときの降雨継続時間上限値Ｔｍａｘと降雨強度上限値Ｒｍａｘを最適化の結果として出力する。

すなわち、前述したように、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを短くすると実測値と比較して高降雨強度側にデータがばらつき、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘを長くすると、実測値と比較して低い降雨強度側にデータがばらつく。そのため、平均総降雨量予測値標準偏差σｔは下に突のグラフになり、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘは最適値を有する。したがって、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘに対する平均総降雨量予測値標準偏差σｔの微係数は、降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの増加にしたがって、始め負の値をとって零に近づき、平均総降雨量予測値標準偏差σｔの極小値を超えると正の値に変わる。この特性を利用し、平均総降雨量予測値標準偏差σｔの微係数が零に収束するように変形２分法などにより計算し、継続時間上限値Ｔｍａｘの最適値を求めることができる。継続時間上限値Ｔｍａｘの最適値が得られれば、図２に示したフローチャートにより、降雨強度上限値Ｒｍａｘの最適値も同時に求められる。

このように、降雨パターンパラメータ計算機３で降雨継続時間上限値Ｔｍａｘの最適化を行い、降雨強度予測計算機１にオンラインで接続することにより、データ評価の手順やデータ媒体を介さずに自動的に降雨パターンパラメータを降雨強度予測計算機１に入力できる。

本実施形態の降雨予測システムによれば、実施形態１の効果に加えて、より簡易な方法で降雨の時間推移を予測できるので、降雨予測システムの経済性を向上する効果がある。
（実施形態３）
図１３は、本発明の降雨予測システムのさらに他の実施形態の構成図である。図１１の実施形態との相違点は、降雨パターンパラメータ計算プログラムを降雨強度予測計算プログラムに組み込み、降雨強度予測計算機１に降雨パターンパラメータ計算機能を持たせたことにある。本実施形態によれば、データベース２から過去の降雨データ計測値を降雨強度予測計算機１に取り込み、直接計算処理できる構成とする。

本実施形態の降雨予測システムによれば、実施形態２の効果に加えて、システム機器を簡素化できるので、降雨予測システムの経済性を向上する効果がある。
（実施形態４）
図１４に、本発明の図１０に示した降雨予測システムを、ポンプ機場運転制御に適用した実施形態のシステム構成図を示す。図に示すように、小規模下水処理場などのポンプ機場には、ポンプ機場流入予測計算機８とポンプ機場運転制御器９が設けられている。ポンプ機場流入予測計算機８は、降雨強度予測計算機１により予測された降雨パターンを取り込み、これに基づいて地表面、地下の流出計算と下水管渠の水理計算を行う。

ポンプ機場運転制御器９は、ポンプ機場流入予測計算機８による流入量予測を基に、ポンプ運転台数や運転速度、ゲートの開閉などを制御する。ポンプ運転台数や運転速度、ゲートの開閉などの制御量は、制御量データとしてポンプ機場流入予測計算機８にフィードバックされる。

また、流入予測値と実際の計測値と差異をポンプ機場流入予測計算機８から降雨予測システムにフィードバックすることにより、流入予測の精度及びポンプ機場の制御性能を向上できる。この精度向上によって、ポンプ機場の機器構成、容量も最適化できる。本実施形態では、各計算機の機能をプログラムに置き換えて、１台あるいはより少ない計算機で機能を達成することができる。

本実施形態によれば、実施形態２の効果に加えて、ポンプ機場や小規模下水処理場においてポンプ設備容量を最適化でき、ポンプ運転量を最適化できるので、ポンプ機場や小規模下水処理場の運転に関わる経済性を向上する効果がある。
（実施形態５）
図１５に、本発明の図１０に示した降雨予測システムを、ポンプ機場運転制御に適用した他の実施形態のシステム構成図を示す。図１４のポンプ機場運転制御システムに、ポンプ機場運転支援装置１０を組み込んだものである。ポンプ機場運転支援装置１０は、ポンプ機場流入予測計算機８による流入量予測を基に、現在の降雨状況、流入状況、現在のポンプ機場運転状況を表示するとともに、ポンプ運転台数や運転速度、ゲートの開閉などについて画像及び音声によるガイダンス情報を提供する。本ポンプ機場運転支援装置１０により、ポンプやゲートなどを手動運転する場合に、より的確な操作を行うための情報を得ることができる。本実施形態においても、各計算機の機能をプログラムに置き換えて、１台あるいはより少ない計算機で機能を達成することができる。

本実施形態によれば、実施形態４の効果に加えて、ポンプ機場や小規模下水処理場においてポンプ運転に関する判断を支援できるので、ポンプ機場や小規模下水処理場の運転に関わる信頼性を向上する効果がある。

また、本発明の降雨システムにより、ポンプ機場や小規模下水処理場においてポンプ運転を最適化できるので、ポンプ機場や小規模下水処理場の運転に関わる経済性を向上する効果がある。また、ポンプ運転に関する判断を支援できるので、ポンプ機場や小規模下水処理場の運転に関わる信頼性を向上する効果がある。

本発明の一実施形態の降雨予測システムに係る降雨予測の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態の降雨予測システムに係る予測降雨パターンの特徴を規定するパラメータの決定法の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態の降雨予測システムの構成図である。 雨量計で計測した降雨強度計測値の時間変化を表す概念図である。 本発明の予測降雨パターンの一例を説明するための概念図である。 図２実施形態のパラメータと総降雨量予測値標準偏差との相関図である。 図１実施形態の予測降雨パターンを用いて現在以降の降雨強度の時間推移を求めた降雨予測値の一例を説明する概念図である。 図１実施形態の予測降雨パターンを用いて現在以降の降雨強度の時間推移を求めた降雨予測値の他の一例を説明する概念図である。 図１実施形態の予測降雨パターンを用いて現在以降の降雨強度の時間推移を求めた降雨予測値のさらに他の一例を説明する概念図である。 図３実施形態の降雨予測システムの表示画面の例である。 本発明の他の実施形態の降雨予測システムの構成図である。 本発明の他の実施形態の降雨予測システムに係る降雨予測の手順を示すフローチャートである。 本発明のさらに他の実施形態の降雨予測システムの構成図である。 本発明の降雨予測システムを適用したポンプ機場運転制御システムの一実施形態の構成図である。 本発明の降雨予測システムを適用したポンプ機場運転制御システムの他の実施形態の構成図である。

符号の説明

１ 降雨強度予測計算機
２ データベース
３ 降雨パターンパラメータ計算機
４ 雨量計ネットワーク計測線
５ オフラインデータ入力操作
６ オンライン伝送線
４１〜４４ 雨量計

Claims (18)

1. 降雨パターンの特徴を規定するパラメータを仮設定した予測降雨パターンを用いて、過去の降雨強度計測値に基づいて前記パラメータを変更して総降雨量予測値を繰り返し算出し、算出した総降雨量予測値が過去の総降雨量計測値に設定範囲内で一致する前記パラメータを求め、求めた前記パラメータによって規定された予測降雨パターンを用いて現在の降雨強度計測値に基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測する降雨予測システム。
2. 降雨量を計測する雨量計と、降雨ケースごとに前記雨量計により計測された降雨強度計測値が時系列的に格納されるデータベースと、前記過去の降雨強度計測値と前記雨量計により計測される現在の降雨強度計測値とに基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測する降雨予測手段とを備え、
   前記降雨予測手段は、降雨パターンの特徴を規定するパラメータを求めるパラメータ演算手段と、該パラメータによって規定された予測降雨パターンを用いて、現在の降雨強度計測値に基づいて現在以降の降雨強度の時間推移を予測する降雨予測演算手段とを有し、
   前記パラメータ演算手段は、前記パラメータを仮設定した予測降雨パターンを用いて、前記過去の降雨強度計測値に基づいて前記パラメータを変更して総降雨量予測値を繰り返し算出し、算出した総降雨量予測値が過去の総降雨量計測値に設定範囲内で一致する前記パラメータを求める降雨予測システム。
3. 前記予測降雨パターンは、前記パラメータが降雨強度上限値と降雨継続時間上限値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
4. 前記予測降雨パターンは、現在の降雨強度の増減率に従って初期の降雨強度が増加又は減少するものとし、増加のときのパターンは、現在から前記降雨継続時間上限値の１／２時間までは降雨強度が増加し、その後は降雨強度が減少して前記降雨継続時間上限値において零になるパターンであり、減少のときのパターンは、初期の減少率に従って降雨強度が減少しても前記降雨継続時間上限値において零にならないとき、前記降雨継続時間上限値の１／２時間経過後は降雨強度が減少して前記降雨継続時間上限値において零になるパターンであることを特徴とする請求項３に記載の降雨予測システム。
5. 前記予測降雨パターンは、前記降雨強度が増加時の降雨強度を前記降雨強度上限値に制限するパターンであることを特徴とする請求項４に記載の降雨予測システム。
6. 前記パラメータ演算手段は、前記データベースから過去の複数の降雨ケースにおける降雨強度計測値を取り出し、降雨強度計測値を積分して総降雨量計測値を算出し、予め降雨継続時間上限値を仮定して降雨強度計測時ごとに現在以降の降雨強度予測値を積分して現在までの降雨量計測値に和して総降雨量予測値を算出し、降雨強度計測時ごとの総降雨量予測値の和を降雨強度計測回数で除して平均総降雨量予測値を算出し、降雨強度上限値をパラメータとして平均総降雨量予測値が総降雨量計測値に一致する降雨強度上限値を繰り返し収束計算により求め、平均総降雨量予測値と降雨強度計測時ごとの総降雨量予測値の標準偏差を算出し、該標準偏差を全降雨ケースで平均した平均総降雨量予測値標準偏差を算出し、降雨継続時間上限値に対する平均総降雨量予測値標準偏差の相関を求め、平均総降雨量予測値標準偏差が最小となる降雨継続時間上限値を求め、求めた降雨継続時間上限値を用いて再度降雨強度上限値を繰り返し収束計算で求めることにより、最適な降雨継続時間上限値と降雨強度上限値の組み合わせを定めることを特徴とする請求項２に記載の降雨予測システム。
7. 平均総降雨量予測値標準偏差が最小となる降雨継続時間上限値の算出は、降雨継続時間上限値を解析パラメータとして繰り返し計算し平均総降雨量予測値標準偏差が最も小さくなる降雨継続時間上限値を算出することを特徴とする請求項６に記載の降雨予測システム。
8. 降雨継続時間上限値を解析パラメータとして繰り返し計算し該標準偏差が最も小さくなる降雨継続時間上限値は、降雨継続時間上限値に対する該標準偏差の微係数を計算し、該微係数の符号が負から正に転換する点を収束計算により求め、該標準偏差の極小値を求めて得ることを特徴とする請求項７に記載の降雨予測システム。
9. 請求項１乃至８に記載の降雨予測システムを備え、降雨強度の時間推移を予測して得られた降雨強度予測値に基づいて、下水処理場又は河川排水ポンプ機場への雨水流入量を計算し、該下水処理場又は河川排水ポンプ機場のポンプの運転及び停止を自動制御することを特徴とする排水ポンプ運転支援システム。
10. 請求項１乃至８に記載の降雨予測システムを備え、降雨強度の時間推移を予測して得られた降雨強度予測値に基づいて、下水処理場又は河川排水ポンプ機場への雨水流入量を計算し、該下水処理場又は河川排水ポンプ機場のポンプの運転及び停止を、音声と画像の少なくとも一方でガイダンスすることを特徴とする排水ポンプ運転支援システム。
11. 前記過去の降雨強度計測値は、年間の時期と期間に分別され、降雨予測時の時期に対応する過去の降雨強度計測値を用いて前記パラメータを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
12. 前記過去の総降雨量計測値は、季節に分別され、降雨予測時の時期に対応する季節の過去の降雨強度計測値を用いて前記パラメータを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
13. 前記過去の総降雨量計測値は、月ごとに分別され、降雨予測時の月に対応する季節の過去の降雨強度計測値を用いて前記パラメータを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
14. 現在までの降雨強度計測値と現在以降の降雨強度を予測して得られた降雨強度予測値の時間推移をディスプレイ上又は用紙上にグラフ表示又は数値表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
15. 前記過去の降雨強度計測値の少なくとも最大降雨強度上限値と降雨継続時間上限値がディスプレイ上又は用紙上に表示されることを特徴とする請求項１又は２に記載の降雨予測システム。
16. 請求項１５の降雨予測システムにおいて、降雨計測値データベースから得られた少なくとも最大降雨強度上限値と降雨継続時間上限値が降雨予測システムのオンライン、あるいはオフラインの入力変数であることを特徴とする降雨予測システム。
17. 請求項１５の降雨予測システムにおいて、少なくとも現在時刻以降の総降雨予測値がディスプレイ上、又は用紙上に表示されることを特徴とする降雨予測システム。
18. 請求項１５の降雨予測システムにおいて、現在時刻までの総降雨量計測値と現在時刻以降の総降雨予測値の和がディスプレイ上、又は用紙上に表示されることを特徴とする降雨予測システム。

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