JP4714164B2 - Rainwater inflow prediction device and rainwater inflow prediction method - Google Patents
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本発明は、雨水処理場への雨水流入量予測技術に係り、特に降雨量を用いて雨水処理場に流入する雨水流入量を予測する雨水流入量予測装置及び雨水流入量予測方法に関する。 The present invention relates to a stormwater inflow prediction technique for a stormwater treatment plant, and more particularly to a stormwater inflow prediction device and a stormwater inflow prediction method for predicting a stormwater inflow that flows into a stormwater treatment plant using rainfall.
雨水処理場への雨水流入量の予測においては、実測あるいは気象庁等により予測された降雨データと雨水処理場において測定された実測流入量との関係を、ブラックボックス化した何がしかの手法で記述し、降雨データから雨水処理場への雨水流入量を予測する手法が一般的なものである。ブラックボックス化される手法としては、過去の蓄積データに基づいた類似パターン検索に基づく手法(例えば、特許文献1参照。)、RRL(ロード・リサーチ・ラボラトリィ)法、修正RRL法などの非線形関数を用いる手法、遺伝的アルゴリズムを用いる手法などが提案されている。 In predicting the amount of rainwater inflow into a storm water treatment plant, the relationship between the measured data or the rainfall data predicted by the Japan Meteorological Agency, etc. and the measured inflow measured at the storm water treatment plant is described using a black box method. However, a method for predicting the amount of inflow of rainwater into the rainwater treatment plant from rain data is common. Non-linear functions such as a method based on a similar pattern search based on past accumulated data (for example, see Patent Document 1), an RRL (load research laboratory) method, a modified RRL method, etc. A method using a genetic algorithm and a method using a genetic algorithm have been proposed.
アスファルトなどで舗装された地域と森林地帯では吸水性、保水性などが異なるように、降雨量と雨水処理場への雨水流入量の関係は、降雨のあった地域の土地の利用方法によって異なる。例えば、地面が舗装された市街地と耕作地帯、森林地帯では、降雨が観測されてから雨水処理場に雨水が流入するまでの時間や流入量が異なる。そのため、降雨データから雨水処理場への雨水流入量を予測するために非線形関数が用いられている。 The relationship between the amount of rainfall and the amount of rainwater flowing into the sewage treatment plant differs depending on the method of use of the land in the area where the rainfall occurred, so that water absorption and water retention are different between areas paved with asphalt and forest areas. For example, in an urban area where the ground is paved, a cultivated area, and a forest area, the time and amount of inflow from when rain is observed until rainwater flows into the rainwater treatment plant are different. Therefore, a nonlinear function is used to predict the amount of rainwater inflow from the rain data to the storm water treatment plant.
ところで、一般に降雨量の測定は、アメダス(AMeDAS)観測点に代表されるように、離散的な地点で行われている。降雨はすべての降雨地域で一様ではないため、降雨量観測点で観測された降雨が必ずしもその降雨量観測点が配置された領域での降雨を表してはいない。また、降雨量観測点は、雨水処理場に雨水が流入する領域とは必ずしも一致しない。つまり、降雨量と雨水処理場への雨水流出量との関係の非線形性は、地面の吸水特性のみならず、観測地点の離散性による寄与も大きい。修正RRL法では、このような降雨量観測点の離散性を考慮し、雨量計設置場所等の降雨量観測点に応じて領域が分割され、降雨量にその対応領域の面積を乗じた重み付けを行うことによって雨量分布を考慮している。
しかしながら、雨量計の数が限られていることから、雨量計の設置場所に応じて分割される領域は、市街地や森林地帯などの土地利用に応じて区分される領域に比べて広域にわたる。そのため、降雨量と雨水処理上への雨水流入量との関係は、熟練者が、降雨量観測点に対応して分割された領域内の土地利用の分布を考慮しながらモデル化する必要がある。 However, since the number of rain gauges is limited, the area divided according to the installation location of the rain gauge covers a wider area than the areas divided according to land use such as urban areas and forest areas. Therefore, the relationship between the amount of rainfall and the amount of inflow of rainwater into the storm water treatment needs to be modeled by the skilled person considering the distribution of land use in the area divided according to the rainfall observation point. .
また、近年、細密なメッシュを用いた気象計算による降雨予測データや、雨量レーダによる観測網が全国に広がり、例えば1辺が1km〜5kmのメッシュでの降雨レーダデータや降雨予測データが気象庁などから提供されている。しかし、修正RRL法等では、領域を大量の細密なメッシュで区分した高解像度の降雨量データが想定されておらず、これらのデータを面データとして有効に使って雨水処理場への流入量を予測する手法は確立されていない。更に、修正RRL法等の非線形関数を用いる予測方法を細密なメッシュごとのデータに適用するとしても、降雨量と雨水処理場への流入量との関係を、土地利用図などからメッシュそれぞれについて推定する必要があり、経験と勘をともなった多大な検討が必要となる。つまり、上記に提案された方法では、細密なメッシュに分割された領域の降雨データが取得されても、それらの降雨データを用いて雨水処理場への雨水流入量を効率よく高い精度で予測することができない。 In recent years, precipitation prediction data based on weather calculations using fine meshes and observation networks using rainfall radars have spread throughout the country. For example, precipitation radar data and precipitation prediction data with meshes of 1 to 5 km on each side are available from the Japan Meteorological Agency. Is provided. However, in the modified RRL method, etc., high-resolution rainfall data that divides the area with a large amount of fine mesh is not assumed, and these data are effectively used as surface data to reduce the inflow to the storm water treatment plant. No prediction method has been established. Furthermore, even if a prediction method using a non-linear function such as a modified RRL method is applied to fine data for each mesh, the relationship between rainfall and inflow to the storm water treatment plant is estimated for each mesh from land use maps. It is necessary to do a lot of study with experience and intuition. In other words, with the method proposed above, even if rainfall data of a region divided into a fine mesh is acquired, the amount of rainwater inflow into the stormwater treatment plant is predicted with high accuracy using those rainfall data. I can't.
本発明は、複数の領域の降雨量データを用いて、雨水処理場への雨水流入量を効率よく、且つ高精度に予測できる雨水流入量予測装置及び雨水流入量予測方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a rainwater inflow prediction device and a rainwater inflow prediction method that can predict rainwater inflow to a storm water treatment plant efficiently and with high accuracy using rainfall data of a plurality of regions. And
本発明の一態様によれば、(イ)複数の領域のそれぞれの降雨量の時系列データ、及び複数の領域からの総雨水流入量の時系列データを格納する測定量データベースと、(ロ)時系列データを用いて、過去に得られた降雨量と雨水流入量との複数の領域それぞれについての関係を示す線形関数を複数の領域についてそれぞれ生成する関数生成ユニットと、(ハ)線形関数を用いて、複数の領域の降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データから、雨水流入量を予測する予測ユニットとを備える雨水流入量予測装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, (b) a measurement amount database that stores time-series data of rainfall amounts in a plurality of regions and time-series data of total rainwater inflows from the plurality of regions; A function generation unit that generates a linear function for each of a plurality of regions using the time-series data, and (c) a linear function; A rainwater inflow prediction device is provided that includes a prediction unit that predicts rainwater inflow from rainfall input data including at least one of predicted rainfall values and current measured values in a plurality of regions.
本発明の他の態様によれば、関数生成ユニット、予測ユニット、複数の領域のそれぞれの降雨量及び複数の領域からの総雨水流入量の時系列データを格納する測定量データベース、及び線形関数記憶領域を備える雨水流入量予測装置を用いて雨水流入量を予測する雨水流入量予測方法であって、(イ)関数生成ユニットが、測定量データベースから時系列データを読み出し、時系列データを用いて過去に得られた降雨量と雨水流入量との複数の領域それぞれについての関係を示す線形関数を複数の領域についてそれぞれ生成して、線形関数記憶領域に格納するステップと、(ロ)予測ユニットが、線形関数記憶領域から線形関数を読み出し、線形関数を用いて、複数の領域の降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データから雨水流入量を予測するステップとを含む雨水流入量予測方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a function generation unit, a prediction unit, a measurement amount database that stores time series data of each rainfall amount and total rainwater inflow amount from a plurality of regions, and a linear function storage A rainwater inflow prediction method for predicting rainwater inflow using a rainwater inflow prediction device having a region, wherein (a) a function generation unit reads time-series data from a measurement database and uses the time-series data. (B) a prediction unit that generates a linear function indicating a relationship between each of a plurality of regions of rainfall and rainwater inflow obtained in the past for each of the plurality of regions and stores the linear function in a linear function storage region; Read out the linear function from the linear function storage area, and use the linear function to generate rainfall that includes at least one of the predicted rainfall value and the current actual measurement value in multiple areas. Rainwater inflow prediction method comprising the steps of predicting the rainwater inflow from the input data is provided.
本発明によれば、複数の領域の降雨量データを用いて、雨水処理場への雨水流入量を効率よく、且つ高精度に予測できる雨水流入量予測装置及び雨水流入量予測方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rainwater inflow amount prediction apparatus and rainwater inflow amount prediction method which can estimate the rainwater inflow amount to a rainwater treatment plant efficiently and with high precision using the rainfall amount data of a some area | region can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す第1及び第2の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Next, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. Further, the following first and second embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is a component part. The structure and arrangement are not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る雨水流入量予測装置は、図1に示すように、複数の領域のそれぞれの降雨量の時系列データ、及び複数の領域からの総雨水流入量の時系列データを格納する測定量データベース30と、時系列データを用いて、過去に得られた降雨量と雨水流入量との複数の領域それぞれについての関係を示す線形関数を複数の領域についてそれぞれ生成する関数生成ユニット11と、線形関数を用いて、複数の領域の降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データから、雨水流入量を予測する予測ユニット12とを備える。以下において、雨水流入量を予測する対象の雨水処理場を「対象処理場」という。図1に示すように、関数生成ユニット11及び予測ユニット12は、中央演算処理装置(CPU)10に含まれる。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the rainwater inflow prediction device according to the first embodiment of the present invention has time series data on the amount of rainfall in each of a plurality of regions and the total amount of rainwater inflow from a plurality of regions. Using the measured
ここで、図2に示すように、降雨が対象処理場に流れ込む全領域(以下において、「流入領域」という。)を、N個の複数の個別領域にメッシュ1〜メッシュNとして分割している(N:2以上の整数)。図2において、メッシュ1〜メッシュNの降雨量はそれぞれf1(t)〜fN(t)であり、雨水処理場に流れ込む総雨水流入量はg(t)である。降雨量f1(t)〜fN(t)及び総雨水流入量g(t)は時系列データである。流入領域をN個のメッシュに分割する方法としては、例えば、メッシュ1〜メッシュNを形状及び大きさが互いに同一の、正方形或いは長方形などの方形領域として流入領域を分割する方法などが採用可能である。図1に示す雨水流入量予測装置は、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれについて、それぞれのメッシュにおける個別の降雨量と対象処理場に流れ込む総雨水流入量との関係を示す線形関数を生成する。そして、メッシュ1〜Nの降雨データと線形関数を用いて、対象処理場への総雨水流入量を予測する。
Here, as shown in FIG. 2, the entire area where the rain flows into the target treatment plant (hereinafter referred to as “inflow area”) is divided into a plurality of N individual areas as
図1に示す関数生成ユニット11は、フーリエ変換モジュール111及び関数算出モジュール112を有する。フーリエ変換モジュール111は、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量の時系列データ及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データを、それぞれ降雨事象が観測された時間を含む一定の時間でフーリエ変換する。関数算出モジュール112は、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値、及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値を用いて、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれについて、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量と対象処理場に流れ込む総雨水流入量との関係を示す線形関数を、伝達関数として算出する。具体的には、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値を入力とし、対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値を出力とする伝達関数がメッシュ1〜メッシュNのそれぞれについて算出される。伝達関数の算出方法の詳細は後述する。
The
ここで、「降雨事象」とは、降雨の開始から終了までの降雨が連続している事象であり、例えば任意に設定される一定値以上の降雨量が、流入領域を分割したメッシュ1〜メッシュNのいずれかで観測される事象を降雨事象とする。流入領域のいずれかで降雨事象が観測された時間において測定された各メッシュの降雨量の時系列データ及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データが、フーリエ変換の対象である。したがって、同一の降雨事象において降雨が観測される時刻はメッシュ1〜メッシュNで必ずしも一致せず、メッシュ1〜メッシュNのいずれかにおける降雨量が0である降雨事象も存在し得る。
Here, the “rainfall event” is an event in which the rainfall from the start to the end of the rain is continuous, for example, a
一般的に、降雨量及び対象処理場への雨水流入量のデータは常時取得されるが、降雨事象が観測された時間を含む一定の時間が、フーリエ変換モジュール111によるフーリエ変換の対象になる。フーリエ変換の対象となる時間(以下において、「変換対象時間」という。)の例を、図3を参照して以下に説明する。
In general, data on the rainfall and the amount of rainwater flowing into the target treatment plant are always acquired, but a certain period of time including the time when the rainfall event is observed is subject to Fourier transform by the
図3の縦軸は任意のメッシュの降雨量及び対象処理場への総雨水流入量の測定値であり、横軸は時刻である。図3において、単位時間当りに測定値L以上の降雨量が測定される時刻t1〜t2が、任意のメッシュで降雨事象が観測される時間である。図3に示すように、降雨量が観測され始める時刻に遅れて、雨水処理場への雨水流入量が観測される。流入領域を分割したメッシュ1〜メッシュNで最も早く降雨事象が観測された時刻及び最後に降雨事象が観測された時刻に基づいて、流入領域の変換対象時間が設定される。例えば、メッシュ1〜メッシュNで最も早く降雨事象が観測された時刻が図3に示した時刻t1であり、最後に降雨事象が観測された時刻が時刻t2である場合、メッシュ1〜メッシュNの変換対象時間は、時刻t1から時間tsだけ前の時刻t0を始点とし、時刻t2から時間teだけ後の時刻t3を終点として設定される。時間ts及び時間teは任意に設定可能であるが、時間teは、時刻t3での雨水処理場への降雨事象に起因する雨水流入量が0になるように設定されることが望ましい。ただし、変換対象時間の始点及び終点は任意に設定可能である。例えば、変換対象時間を32時間或いは64時間のように任意に設定することが可能であり、設定した変換対象時間内に複数の降雨事象が観測された場合は、それらの降雨事象を1事象としてフーリエ変換の対象とすることができる。尚、降雨量は、例えばレーダ雨量計や地上雨量計などによって測定される。
The vertical axis in FIG. 3 is a measurement value of the rainfall amount of an arbitrary mesh and the total rainwater inflow amount to the target treatment plant, and the horizontal axis is time. In FIG. 3, times t1 to t2 at which the rainfall amount equal to or greater than the measurement value L is measured per unit time are times when a rainfall event is observed with an arbitrary mesh. As shown in FIG. 3, the amount of rainwater flowing into the storm water treatment plant is observed after the time when rainfall starts to be observed. The conversion target time of the inflow region is set based on the earliest time when the rain event was observed in the
予測ユニット12は、フーリエ変換モジュール121、予測値算出モジュール122、及びフーリエ逆変換モジュール123を有する。フーリエ変換モジュール121は、予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含むメッシュ1〜メッシュNそれぞれの降雨量入力データの時系列データを、降雨量入力データが予測された時間及び測定された時間でフーリエ変換する。予測値算出モジュール122は、メッシュ1〜メッシュNそれぞれのフーリエ変換された降雨量入力データに、関数生成ユニット11によって生成されたメッシュ1〜メッシュNそれぞれの降雨量と対象処理場に流れ込む総雨水流入量との関係を示す線形関数をそれぞれ乗算する。そして、予測値算出モジュール122は、メッシュ1〜メッシュNについての上記乗算結果の総和をとって、フーリエ空間での総雨水流入量として予測データを算出する。フーリエ逆変換モジュール123は、予測データをフーリエ逆変換して時系列データを得て、対象処理場に流入する総雨水流入量を算出する。
The
測定量データベース30は、流入領域における、複数の降雨事象におけるメッシュ1〜メッシュNにおいて測定された過去の降雨量及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データを格納する。
The measured
図1に示す雨水流入量予測装置は、記憶装置20、入力装置40及び出力装置50を更に備える。記憶装置20は、データセット記憶領域201、データセット変換値記憶領域202、線形関数記憶領域203、降雨量データ記憶領域204、変換値記憶領域205、予測データ記憶領域206、及び予測流入量記憶領域207を有する。
The rainwater inflow prediction device shown in FIG. 1 further includes a
データセット記憶領域201は、メッシュ1〜メッシュNそれぞれについての降雨量、及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データである過去データを格納する。データセット変換値記憶領域202は、過去データのフーリエ変換された値を格納する。線形関数記憶領域203は、関数生成ユニット11によって生成された線形関数を格納する。降雨量データ記憶領域204は、降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含むメッシュ1〜メッシュNそれぞれについての降雨量入力データを格納する。変換値記憶領域205は、降雨量入力データをフーリエ変換した値を格納する。予測データ記憶領域206は、予測ユニット12によって算出される予測データを格納する。予測流入量記憶領域207は、予測ユニット12によって予測された雨水流入量を格納する。
The data
入力装置40はキーボード、マウス、ライトペン又はフレキシブルディスク装置等で構成される。入力装置40より雨水流入量予測実行者は、降雨量や雨水流入量などの入力データを指定できる。更に、入力装置40により、フーリエ変換の条件や、予測された雨水流入量などの出力データの形態等のパラメータを設定することも可能で、また、予測作業の実行や中止等の指示の入力も可能である。出力装置50としては、降雨量入力データや予測された雨水流入量等を表示するディスプレイやプリンタ等が使用可能である。
The
雨水流入量予測装置に入力される降雨量実測値のデータの例を図4(a)及び図4(b)に示す。図4(a)は、メッシュ1〜メッシュNに含まれる任意のメッシュAにおける降雨量実測値の例であり、図4(b)は、メッシュA以外の任意のメッシュBにおける降雨量実測値の例である。また、任意のメッシュの降雨量の予測値の例を図5に、対象処理場への雨水流入量のデータの例を図6にそれぞれ示す。図4〜図6の横軸はそれぞれの測定開始或いは予測開始からの時間である。図4〜図6に示すように、雨水流入量予測装置に入力される降雨量のデータ及び雨水流入量のデータは時系列データである。
4A and 4B show examples of actual rainfall data input to the rainwater inflow prediction device. FIG. 4A is an example of the rainfall actual measurement value in an arbitrary mesh A included in the
図1に示した流入量予測装置は、複数の降雨事象に基づいて対象処理場への雨水流入量の予測を行う。そのため、関数生成ユニット11は、異なる降雨事象をそれぞれ含む複数の変換対象時間についてそれぞれ降雨量と雨水流入量の時系列データを周波数域のデータに変換するフーリエ変換を行い、フーリエ変換の結果を用いて降雨事象毎に線形関数を生成する。異なる日時や、流入領域内の異なった場所での降雨の過去データを使用することにより、予測値の精度を高めることができる。
The inflow amount prediction apparatus shown in FIG. 1 predicts the amount of rainwater inflow to the target treatment plant based on a plurality of rainfall events. Therefore, the
関数生成ユニット11は、以下に示す式(1)の関係を満足する、メッシュ1〜メッシュNにおけるそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値を入力とし、対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値を出力とする伝達関数を算出する:
式(1)において、Γn(ωk)は周波数ωkにおけるメッシュ1〜メッシュNそれぞれのフーリエ空間における伝達関数である(n=1〜N)。ここで、周波数ωkは、フーリエ変換モジュール111が行う高速フーリエ変換(FFT)等の離散フーリエ変換のサンプリングの周波数であり、サンプリング回数はK回であるとする(k=1〜K、K:自然数)。また、Γn(ωk)は周波数ωkにおけるメッシュ1〜メッシュNそれぞれのフーリエ空間における伝達関数、Fn(ωk)はメッシュ1〜メッシュNにおけるそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値、G(ωk)は対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値である。
In Expression (1), Γ n (ω k ) is a transfer function in the Fourier space of each of
以下に、関数生成ユニット11が、メッシュ1〜メッシュNにおけるそれぞれの降雨量と対象処理場への総雨水流入量との関係を示す線形関数を生成する方法を、図7に示したフローチャートを参照して説明する。以下においては、過去のI個の降雨事象1〜降雨事象Iそれぞれにおいて測定された時系列データであるデータセットを用いて、線形関数を生成する場合を例示的に説明する(I:自然数)。「データセット」とは、各降雨事象におけるメッシュ1〜メッシュNの降雨量の時系列データ、及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データである。ここで、各降雨事象におけるデータセットがデータセット記憶領域201に格納されているとする。
Hereinafter, a method in which the
(イ)ステップS11において、フーリエ変換モジュール111が、降雨事象1〜降雨事象Iのデータセットをデータセット記憶領域201から読み出す。そして、フーリエ変換モジュール111は、読み出したデータセットに含まれる降雨量の時系列データ及び対象処理場への雨水流入量の時系列データをそれぞれフーリエ変換する。降雨量及び雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値は、データセット変換値記憶領域202に格納される。
(A) In step S11, the
(ロ)ステップS12において、関数算出モジュール112が、降雨事象1〜降雨事象Iのデータセットのフーリエ変換値をデータセット変換値記憶領域202から読み出す。そして、関数算出モジュール112は、データセットのフーリエ変換値を用いて、式(1)の関係を満足するメッシュ1〜メッシュNそれぞれの伝達関数を、例えば最小二乗法などを用いて算出する。最小二乗法を用いる場合には、以下の式(2)で示される周波数ωkに対する残差和S(ωk)を最小にする伝達関数Γn(ωk)を算出する(k=1〜K):
式(2)において、メッシュ1〜メッシュNそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値Fi n(ωk)、及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値Gi(ωk)の上付き添え字iは、i番目のデータセットであることを示す(i=1〜I)。関数算出モジュール112は、式(2)を用いて、周波数ωk毎に残差和S(ωk)を最小にする伝達関数Γn(ωk)を算出する。具体的には、式(2)を各周波数についての伝達関数Γvで微分して、以下の式(3)を得る(v=1〜N):
In Expression (2), the Fourier transform value F i n (ω k ) of the time series data of the rainfall amount of each of the
式(3)において、Fi 1、Fi 2、・・・、Fi Nは各周波数のメッシュ1〜メッシュNにおけるそれぞれの降雨量の時系列データのフーリエ変換値、Giは各周波数の対象処理場への総雨水流入量の時系列データのフーリエ変換値、Γ1、Γ2、・・・、ΓNは、メッシュ1〜メッシュNについて周波数毎に求まる伝達関数である(以下において同様。)。そして、関数算出モジュール112は、伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNを、以下の式(4)又は式(5)の連立方程式の解として算出する:
In Formula (3), F i 1 , F i 2 ,..., F i N are the Fourier transform values of the time series data of the respective rainfall amounts in
伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNは、時系列データのフーリエ変換におけるサンプリングの各周波数について、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれに算出される。算出された伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNは、各周波数におけるメッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量と対象処理場への総雨水流入量との関係を示す線形関数として線形関数記憶領域203に格納される。図8に、関数生成ユニット11によって生成される伝達関数の例を示す。
The transfer functions Γ 1 , Γ 2 ,..., Γ N are calculated for each of the
次に、図1に示した雨水流入量予測装置によって、対象処理場への雨水流入量を予測する方法を、図9に示したフローチャートを参照して説明する。 Next, a method for predicting the amount of rainwater inflow to the target treatment plant by the rainwater inflow amount prediction apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
(イ)図9のステップS100において、関数生成ユニット11が、対象処理場の流入領域に含まれるメッシュ1〜メッシュNにおいて過去に測定された降雨量のそれぞれの時系列データ、及び対象処理場への総雨水流入量の時系列データを含むI個のデータセットを測定量データベース30から読み出す。読み出されたデータセットは、データセット記憶領域201に格納される。
(A) In step S100 of FIG. 9, the
(ロ)ステップS110において、関数生成ユニット11が、図7に示したフローチャートを参照して説明した方法を用いて、周波数ωk毎にメッシュ1〜メッシュNについてそれぞれ算出される伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNを、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量と対象処理場への総雨水流入量との関係を示す線形関数として生成する。生成された線形関数は、線形関数記憶領域203に格納される。
(B) In step S110, the
(ハ)ステップS120において、予測ユニット12が、入力装置40を介して予測対象日のメッシュ1〜メッシュNにおける、予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む時系列の降雨量入力データを取得する。降雨量入力データは、例えば降雨量測定施設から電気通信回線などによって雨水流入量予測装置に転送される。取得された降雨量入力データは、降雨量データ記憶領域204に格納される。
(C) In step S120, the
(ニ)ステップS130において、予測ユニット12が、メッシュ1〜メッシュNについてそれぞれ生成された線形関数と降雨量入力データを用いて対象処理場への総雨水流入量を予測する。具体的には、ステップS131において、フーリエ変換モジュール121が、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量入力データを降雨量データ記憶領域204から読み出す。フーリエ変換モジュール121は、降雨量入力データをフーリエ変換し、フーリエ変換値を変換値記憶領域205に格納する。次いで、ステップS132において、予測値算出モジュール122が、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量入力データのフーリエ変換値及び線形関数を、変換値記憶領域205及び線形関数記憶領域203からそれぞれ読み出す。そして、予測値算出モジュール122は、メッシュ1〜メッシュNの降雨量入力データのフーリエ変換値F1、F2、・・・、FNにメッシュ1〜メッシュNの線形関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNをそれぞれ乗算した後、メッシュ1〜メッシュNについて乗算結果の和を取って予測データを算出する。例えば、対象処理場への総雨水流入量の周波数ωk成分G(ωk)が、以下の式(6)によって算出される:
式(6)で、Fn(ωk)はメッシュnの降雨量入力データの周波数ωk成分、Γn(ωk)はメッシュnの線形関数の周波数ωk成分である。算出された予測データは、予測データ記憶領域206に格納される。次いで、ステップS133において、フーリエ逆変換モジュール123が、予測データを予測データ記憶領域206から読み出す。フーリエ逆変換モジュール123は、予測データをフーリエ逆変換して、対象処理場に流入する雨水流入量を算出する。算出された雨水流入量は、予測流入量記憶領域207に格納される。
In Equation (6), F n (ω k ) is the frequency ω k component of the rainfall input data of mesh n, and Γ n (ω k ) is the frequency ω k component of the linear function of mesh n. The calculated prediction data is stored in the prediction
予測流入量記憶領域207に格納された対象処理場の雨水流入量は、出力装置50に転送される。流入量予測実行者は、例えば出力装置50に表示された雨水流入量の予測値に応じて対象処理場の稼働準備等を行うことができる。例えば、対象処理場に配置する人員を増やしたり、起動させるポンプの数を調整したりできる。また、対象処理場の処理量を増加させて、処理場に付随する貯水池を予め空けておくこともできる。
The rainwater inflow amount of the target treatment plant stored in the predicted inflow
上記に説明した方法では、最小二乗法を用いて伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNを算出する例を示したが、他の方法を用いて伝達関数Γ1、Γ2、・・・、ΓNを算出してもよいことは勿論である。 In the method described above, an example in which the transfer functions Γ 1 , Γ 2 ,..., Γ N are calculated using the least square method is shown, but the transfer functions Γ 1 , Γ 2 , Of course, Γ N may be calculated.
図1に示した雨水流入量予測装置では、降雨量と雨水流入量の関係を示す伝達関数を導入することによって、降雨量と雨水流入量間の因果関係を明確化しつつ、雨水処理場への雨水流入量を予測できる。一般的に、降雨が雨水処理場に流入する流入領域と雨水処理場との地理的な関係に応じて、流入領域における降雨量と雨水処理場への雨水流入量の関係は定まる。流入領域から雨水処理場までの距離や地形などに依存する雨水の雨水処理場への流入の遅れについても、伝達関数の周波数の広がりの中に組み込まれる形で考慮されている。 In the stormwater inflow prediction device shown in FIG. 1, by introducing a transfer function indicating the relationship between the rainfall and the stormwater inflow, the causal relationship between the rainfall and the stormwater inflow is clarified, and Rainwater inflow can be predicted. Generally, the relationship between the rainfall amount in the inflow region and the rainwater inflow amount to the storm water treatment plant is determined according to the geographical relationship between the inflow region where the rain flows into the storm water treatment plant and the storm water treatment plant. The delay of the inflow to the rainwater treatment plant, which depends on the distance from the inflow region to the rainwater treatment plant, topography, etc., is also considered in the form of being incorporated in the frequency spread of the transfer function.
更に、流入領域を複数のメッシュに分割し、各メッシュの降雨量と対象処理場への雨水流入量との間の伝達関数を用いるため、各メッシュの降雨量と対象処理場への雨水流入量との関係を明確に記述でき、流入領域における降雨分布が正確に反映され、高い精度で対象処理場への雨水流入量を予測できる。なお、流入領域を分割するメッシュのサイズが小さいほど、流入領域における降雨分布がより正確に反映されて、予測の精度は高くなる。 Furthermore, since the inflow region is divided into a plurality of meshes and the transfer function between the rainfall amount of each mesh and the rainwater inflow amount to the target treatment plant is used, the rainfall amount of each mesh and the rainwater inflow amount to the target treatment plant are used. The rainfall distribution in the inflow region is accurately reflected, and the amount of rainwater inflow to the target treatment plant can be predicted with high accuracy. Note that the smaller the size of the mesh that divides the inflow region, the more accurately the rainfall distribution in the inflow region is reflected, and the prediction accuracy is higher.
図9に示した一連の雨水流入量予測操作は、図9と等価なアルゴリズムのプログラムにより、図1に示した雨水流入量予測装置を制御して実行できる。このプログラムは、図1に示した雨水流入量予測装置を構成する記憶装置20に記憶させればよい。又、このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に保存し、この記録媒体を図1に示した記憶装置20に読み込ませることにより、本発明の一連の雨水流入量予測操作を実行することができる。ここで、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、例えばコンピュータの外部メモリ装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ等の電子データを記録することができるような媒体等を意味する。具体的には、フレキシブルディスク、CD−ROM、MOディスク等が「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」に含まれる。
The series of rainwater inflow prediction operations shown in FIG. 9 can be executed by controlling the rainwater inflow prediction device shown in FIG. 1 by an algorithm program equivalent to FIG. This program may be stored in the
以上に説明したように、図1に示した雨水流入量予測装置では、伝達関数を用いることによってシンプルな形で降雨量と雨水流入量の関係が表現される。その結果、降雨量のデータを用いて、対象処理場への雨水流入量を精度良く予測することが可能である。つまり、本発明の第1の実施の形態に係る雨水流入量予測装置によれば、降雨量と対象処理場への雨水流入量の因果関係が明確にモデル化され、対象処理場の流入領域における観測例のない集中豪雨などによる、過去の蓄積データから逸脱する降雨量のデータにも対応可能な、精度の高い雨水流入量予測装置が提供される。 As described above, in the rainwater inflow prediction apparatus shown in FIG. 1, the relationship between the rainfall and the rainwater inflow is expressed in a simple manner by using a transfer function. As a result, it is possible to accurately predict the amount of rainwater flowing into the target treatment plant using the rainfall data. That is, according to the rainwater inflow prediction device according to the first embodiment of the present invention, the causal relationship between the rainfall and the amount of rainwater inflow to the target treatment plant is clearly modeled, and the inflow region of the target treatment plant Provided is a highly accurate rainwater inflow prediction device that can cope with rainfall data that deviates from past accumulated data due to heavy rain that has not been observed.
更に、本発明の第1の実施の形態に係る雨水流入量予測装置によれば、複数のメッシュに分割された流入領域の降雨量のデータを用いて、雨水処理場への雨水流入量を効率よく、且つ高精度に予測できる。つまり、降雨量と雨水処理場への流入量との関係を、土地利用図などからメッシュそれぞれについて推定する必要がなく、経験と勘をともなった多大な検討が不要となる。なお、降雨量の時系列データと対象処理場への雨水流入量の時系列データとの関係は、流入領域の地形、流入領域から処理場までの配管の配置及び形状などの幾何学的な要素で決まるため、頻繁に線形関数を見直す必要がない。 Furthermore, according to the rainwater inflow prediction device according to the first embodiment of the present invention, the rainwater inflow to the rainwater treatment plant is efficiently calculated using the rainfall data of the inflow region divided into a plurality of meshes. It can be predicted well and with high accuracy. In other words, it is not necessary to estimate the relationship between the amount of rainfall and the amount of inflow to the storm water treatment plant for each mesh from the land use map, etc., and a great amount of study with experience and intuition is not necessary. The relationship between the time series data of rainfall and the time series data of rainwater inflow to the target treatment plant is based on geometric factors such as the topography of the inflow region and the arrangement and shape of piping from the inflow region to the treatment plant. Therefore, it is not necessary to review the linear function frequently.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る雨水流入量予測装置は、図10に示すように、関数生成ユニット11がフーリエ逆変換モジュール113を更に有し、予測ユニット12が積分モジュール124を有することが、図1と異なる点である。その他の構成については、図1に示す第1の実施の形態と同様である。
(Second Embodiment)
In the rainwater inflow prediction device according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 10, the
フーリエ逆変換モジュール113は、関数算出モジュール112によって算出される伝達関数をフーリエ逆変換して、流入領域をN個の領域に分割したメッシュ1〜メッシュNの降雨量と、対象処理場への総雨水流入量との関係を示すN個の線形関数を算出する。積分モジュール124は、降雨量の予測値及び実測値の少なくともいずれかを含むメッシュ1〜メッシュNの降雨量入力データと線形関数で畳み込み積分を行い、対象処理場への雨水流入量を算出する。
The inverse
以下に、図10に示した雨水流入量予測装置によって、対象処理場への雨水流入量を予測する方法を、図11に示したフローチャートを参照して説明する。 Hereinafter, a method of predicting the amount of rainwater inflow to the target treatment plant by the rainwater inflow amount prediction apparatus shown in FIG. 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
(イ)図11のステップS200において、関数生成ユニット11が、過去に測定された対象処理場の流入領域を分割したメッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量の時系列データ、及びメッシュ1〜メッシュNからの対象処理場への総雨水流入量の時系列データを含むI個のデータセットを測定量データベース30から読み出す。読み出されたデータセットは、データセット記憶領域201に格納される。
(A) In step S200 of FIG. 11, the
(ロ)ステップS210において、関数生成ユニット11が、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれ降雨量と対象処理場への総雨水流入量との関係を示す線形関数を生成する。具体的には、ステップS211において、第1の実施の形態で説明した方法と同様にして、周波数毎にメッシュ1〜メッシュNについて伝達関数Γvをそれぞれ算出する(v=1〜N)。そして、ステップS212において、フーリエ逆変換モジュール113が、メッシュ1〜メッシュNの伝達関数Γvを線形関数記憶領域203からそれぞれ読み出す。フーリエ逆変換モジュール113は、メッシュ1〜メッシュNについての伝達関数Γvをそれぞれフーリエ逆変換して、応答関数としてメッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量と総雨水流入量との関係を示す線形関数を生成する。図12に、関数生成ユニット11が線形関数として生成する応答関数の例を示す。生成された線形関数は、線形関数記憶領域203に格納される。
(B) In step S210, the
(ハ)ステップS220において、予測ユニット12が、入力装置40を介して予測対象日の対象処理場の流入領域を分割したメッシュ1〜メッシュNそれぞれの、予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データを取得する。降雨量入力データは、降雨量データ記憶領域204に格納される。
(C) In step S220, the
(ニ)ステップS230において、予測ユニット12が、メッシュ1〜メッシュNの降雨量入力データと線形関数とを用いて、対象処理場への雨水流入量を予測する。具体的には、積分モジュール124が、線形関数及び降雨量入力データを、線形関数記憶領域203及び降雨量データ記憶領域204からそれぞれ読み出す。積分モジュール124は、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量入力データfn(t)と応答関数γn(t)で、式(7)に示す畳み込み積分を行い、対象処理場に流入する総雨水流入量g(t)を算出する:
算出された総雨水流入量g(t)は、予測流入量記憶領域207に格納される。
The calculated total rainwater inflow amount g (t) is stored in the predicted inflow
図10に示した雨水流入量予測装置では、メッシュ1〜メッシュNのそれぞれの降雨量と対象処理場への総雨水流入量の関係を示す線形関数として応答関数が使用される。そのため、ある時刻における降雨がいつ処理場に流れ込むかを判断することが容易である。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
In the rainwater inflow prediction apparatus shown in FIG. 10, a response function is used as a linear function indicating the relationship between the rainfall amounts of
本発明の第2の実施の形態に係る雨水流入量予測装置によれば、降雨量と対象処理場への雨水流入量の因果関係が明確にモデル化され、集中豪雨などによる過去の蓄積データから逸脱する降雨量のデータにも対応可能な、精度の高い雨水流入量予測装置が提供される。更に、第2の実施の形態に係る雨水流入量予測装置によれば、複数のメッシュに分割された流入領域の降雨量のデータを用いて、降雨量と雨水処理場への流入量との関係をメッシュそれぞれについて推定する必要のない、雨水処理場への雨水流入量を効率よく、且つ高精度に予測できる雨水流入量予測装置が提供される。 According to the rainwater inflow prediction device according to the second embodiment of the present invention, the causal relationship between the rainfall and the amount of rainwater inflow to the target treatment plant is clearly modeled, and the past accumulated data such as torrential rain is used. Provided is a highly accurate rainwater inflow prediction device that can cope with deviating rainfall data. Furthermore, according to the rainwater inflow prediction device according to the second embodiment, the relationship between the amount of rainfall and the amount of inflow into the storm water treatment plant using the data of the amount of rainfall in the inflow region divided into a plurality of meshes. There is provided a rainwater inflow prediction device that can predict the rainwater inflow to the storm water treatment plant efficiently and with high accuracy, without having to estimate each of the meshes.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first and second embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた第1及び第2の実施の形態の説明においては、降雨量のデータと対象処理場への雨水流入量のデータとの間の伝達関数を決定する方法について説明したが、例えば降雨量のデータと河川の増水量のデータとの間の伝達関数などについても同様の方法で生成することが可能であり、河川の水位を調整する処理場への雨水流入量を予測するシステムを構築することができる。 In the description of the first and second embodiments already described, the method for determining the transfer function between the rainfall data and the rainwater inflow data to the target treatment plant has been described. It is possible to generate the transfer function between the data of the river and the data of the amount of increase in the river in the same way, and build a system that predicts the amount of rainwater flowing into the treatment plant that adjusts the water level of the river be able to.
また、過去の降雨量のデータと雨水流入量のデータとの間の伝達関数を決定する以外に、過去の予測降雨量と雨水流入量のデータ間の伝達関数を決定してもよい。予測降雨量は測定量に比べて正確さが低いが、例えば予測による降雨量が多めに算出される等、降雨量の予測方法に系統的な傾向がある場合には、その傾向を反映した伝達関数が得られることになる。そのため、結果的に予測流入量の精度が上がる可能性がある。 In addition to determining a transfer function between past rainfall data and rainwater inflow data, a transfer function between past predicted rainfall and rainwater inflow data may be determined. Predicted rainfall is less accurate than the measured amount, but if there is a systematic trend in the method of forecasting rainfall, for example, when the amount of rainfall predicted by the forecast is calculated to be large, transmission that reflects that trend A function will be obtained. As a result, the accuracy of the predicted inflow amount may increase.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
11…関数生成ユニット
111…フーリエ変換モジュール
112…関数算出モジュール
113…フーリエ逆変換モジュール
12…予測ユニット
121…フーリエ変換モジュール
122…予測値算出モジュール
123…フーリエ逆変換モジュール
124…積分モジュール
30…測定量データベース
201…データセット記憶領域
202…データセット変換値記憶領域
203…線形関数記憶領域
204…降雨量データ記憶領域
205…変換値記憶領域
206…予測データ記憶領域
207…予測流入量記憶領域
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記時系列データを用いて、過去に得られた降雨量と雨水流入量との前記複数の領域それぞれについての関係を示す線形関数を前記複数の領域についてそれぞれ生成する関数生成ユニットと、
前記線形関数を用いて、前記複数の領域の降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データから、雨水流入量を予測する予測ユニット
とを備えることを特徴とする雨水流入量予測装置。 A measured amount database for storing time series data of rainfall in each of a plurality of areas, and time series data of total rainwater inflow from the plurality of areas;
A function generation unit that generates a linear function for each of the plurality of regions, using the time series data, and indicating a relationship for each of the plurality of regions of rainfall and rainwater inflow obtained in the past;
A prediction unit that predicts rainwater inflow from rainfall input data that includes at least one of a predicted value of rainfall and current measured values of the plurality of regions using the linear function. Rainwater inflow prediction device.
前記関数生成ユニットが、前記測定量データベースから前記時系列データを読み出し、前記時系列データを用いて過去に得られた降雨量と雨水流入量との前記複数の領域それぞれについての関係を示す線形関数を前記複数の領域についてそれぞれ生成して、前記線形関数記憶領域に格納するステップと、
前記予測ユニットが、前記線形関数記憶領域から前記線形関数を読み出し、前記線形関数を用いて、前記複数の領域の降雨量の予測値及び現在の実測値の少なくともいずれかを含む降雨量入力データから雨水流入量を予測するステップ
とを含むことを特徴とする雨水流入量予測方法。 A function generation unit, a prediction unit, a measurement amount database that stores time series data of each rainfall amount and total rainwater inflow from the plurality of regions, and a rainwater inflow prediction device including a linear function storage region A method for predicting the amount of rainwater inflow using a method for predicting the amount of rainwater inflow,
The function generation unit reads the time series data from the measured quantity database, and a linear function indicating a relationship between each of the plurality of regions of rainfall and rainwater inflow obtained in the past using the time series data Respectively for the plurality of regions and storing in the linear function storage region;
The prediction unit reads the linear function from the linear function storage area, and using the linear function, from the rainfall input data including at least one of the predicted rainfall value and the current actual measurement value of the plurality of areas. A step of predicting the amount of rainwater inflow.
前記複数の領域のそれぞれの降雨量入力データをそれぞれフーリエ変換し、
フーリエ変換された前記降雨量入力データと前記伝達関数との乗算を前記複数の領域についてそれぞれ行い、該乗算の結果の和をとって予測データを算出し、
前記予測データをフーリエ逆変換して予測値を算出することを特徴とする請求項4又は5に記載の雨水流入量予測方法。 Predicting the stormwater inflow amount,
Fourier transform each of the rainfall input data of each of the plurality of areas,
The multiplication of the Fourier transform rainfall input data and the transfer function is performed for each of the plurality of regions, the prediction data is calculated by taking the sum of the multiplication results,
The rainwater inflow prediction method according to claim 4, wherein a prediction value is calculated by performing inverse Fourier transform on the prediction data.
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