JP6717304B2 - 予測装置、予測システム、予測方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、斜面の安定解析に関する。

斜面の安定解析に基づき、斜面崩壊の危険性を予測する技術が知られている。例えば、特許文献１は、リアルタイムな測定データに基づいて安全率を算出し、安全率が所定値（１．０）に達する時間を予測して警報を発するシステムを開示している。

特開２００６−１９５６５０号公報

特許文献１に記載された技術は、リアルタイムな測定データに基づいて安全率を算出するものである。

本発明の目的の一つは、斜面の安全性を雨量の予測値を用いることによって予測できるようにすることにある。

本発明の一態様に係る予測装置は、監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出する第１の算出手段と、前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出する第２の算出手段とを備える。

本発明の一態様に係る予測システムは、前記予測装置と、前記算出された予測値をユーザに報知する出力装置とを備える。

本発明の一態様に係る予測方法は、監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出し、前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出する。

本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータに、監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出するステップと、前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出するステップとを実行させる。

本発明によれば、斜面の安全性を雨量の予測値を用いて予測することが可能である。

図１は、予測装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、予測システムの構成の一例を示すブロック図である。 図３は、予測装置が実行する処理の概略を示すフローチャートである。 図４は、予測装置によって算出される数値を例示する模式図である。 図５は、出力装置が表示する情報の一例を示す図である。 図６は、出力装置が表示する情報の一例を示す図である。 図７は、予測装置を実現するコンピュータのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る予測装置１０の構成を示すブロック図である。予測装置１０は、監視対象の斜面の安全性を示す指標を雨量の予測値によって算出することを可能にする情報処理装置である。予測装置１０は、第１算出部１１と、第２算出部１２とを少なくとも備える。

第１算出部１１は、監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を算出する。第１算出部１１は、これらの計測値（実測値）を用いて関係式を算出する。本実施形態において、斜面の水分状態を表す計測値は、斜面を構成する土壌の水分量を表す数値である。水分量は、体積含水率と重量含水率のいずれであってもよい。これらの実測値は、いずれも、所定の時間間隔（例えば１時間毎）で得られる。

ここで、ある時点ｔにおける水分量をｍ_t、雨量をｐ_tとした場合、ｍ_tは、例えばタンクモデルに基づき、以下の（１）式により算出することができる。ここにおいて、ｃ_iは、土種（土壌の種類）に応じて異なる０以上１未満の係数である。また、ｆ（ｐ_t，ｐ_t-1，ｐ_t-2，…，ｐ_t-k）は、ｐ_t，ｐ_t-1，ｐ_t-2，…，ｐ_t-kを変数とする所定の多変数関数である。なお、ｎ及びｋは、適当に定められる。

ここで、水分量への影響が小さい過去のデータを無視してよいとすると、ｍ_tは、以下の（２）式によって表すことができる。ここにおいて、Ｆは、透水係数に相当し、土種に応じて異なる。また、ｃは、土壌の保水性を示す係数である。Ｆ及びｃは、土壌での試験によって求められてもよいし、所定のデータベースを利用して求められてもよい。

（１）式及び（２）式は、水分量の予測式として用いることができる。すなわち、第１算出部１１は、予測の実施時点より後の所定の時点をｔとした場合に、当該時点の雨量の予測値と当該時点より前の水分量の実測値とに基づいて当該時点の水分量を算出（すなわち予測）することが可能である。

なお、水分量ｍ_tとしては、タンクモデル以外のモデルが用いられてもよい。例えば、水分量ｍ_tは、１次関数のほか、２次関数や実験的又は経験的に算出された他の関数を想定したモデルも適用可能である。

第２算出部１２は、第１算出部１１により算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出する。ここにおいて、実測値が存在しない時点とは、具体的には、特定の時点（例えば予測を実施するタイミング）よりも後、すなわち当該時点からみた未来のことをいう。

なお、雨量の予測値は、外部の機関又は事業者から提供されてもよい。例えば、日本国においては、気象庁が１ｋｍ四方のメッシュ単位で降水量の予測値を発表している（降水短時間予報）。

本実施形態において、安全性の指標は、安全率である。なお、安全率の定義式（安定解析式）は、複数の種類があり、特定の種類に限定されない。以下の説明においては、第２算出部１２は、フェレニウス法（簡易分割法、スウェーデン法ともいう。）又は修正フェレニウス法に基づく予測値を算出するものとする。

フェレニウス法による安全率Ｆｓは、例えば、以下の（３）式で表すことができる。ここにおいて、ｃ、Ｗ、ｕ、φは、それぞれ、土塊の粘着力、重量、間隙水圧、内部摩擦角を表す変数である。また、αは、斜面の傾斜角を表す。また、ｌは、斜面を垂直方向に分割した分割片（スライス）のすべり面の長さを表す。説明の便宜上、傾斜角α及びすべり面長ｌは、ここでは定数とする。

また、修正フェレニウス法による安全率Ｆｓは、例えば、以下の（４）式で表すことができる。ここにおいて、ｂは、スライスの幅を表す。スライス幅ｂは、ここでは定数とする。

ここで、粘着力ｃ、重量Ｗ、間隙水圧ｕ及び内部摩擦角φは、いずれも、土中の水分量に応じて変化する。したがって、これらの変数は、いずれも水分量の関数として表すことができる。例えば、（３）式は、粘着力ｃ、重量Ｗ、間隙水圧ｕ及び内部摩擦角φを、それぞれ水分量ｍの関数ｃ（ｍ）、Ｗ（ｍ）、ｕ（ｍ）及びφ（ｍ）に置換すると、以下の（５）式で表される。このような置換は、（４）式においても同様に可能である。

なお、関数ｃ（ｍ）、Ｗ（ｍ）、ｕ（ｍ）及びφ（ｍ）は、土壌毎に異なり得る。関数ｃ（ｍ）、Ｗ（ｍ）、ｕ（ｍ）及びφ（ｍ）は、これらの変数と水分量の実測値に基づいてあらかじめ求められてもよいし、シミュレーション等によって推定されてもよい。

ここで、（５）式のｍを（１）式又は（２）式のｍ_tに置換すると、以下の（６）式が得られる。そうすると、安全率Ｆｓは、過去の水分量の計測値と過去の雨量の予測値とによって算出することが理論上可能である。また、水分量ｍ_tが予測可能であれば、安全率Ｆｓも同様に予測可能であるといえる。

上述したように、未来のある時点における土中の水分量は、当該時点より前の水分量と当該時点における雨量の予測値が得られれば予測可能である。したがって、このとき第２算出部１２が新たに必要とする値は、安全率が算出される時点（すなわち未来）における雨量の予測値のみである。

第２算出部１２は、算出した安全率の予測値を出力する。ここでいう出力は、予測装置１０の外部に予測値を送信することであってもよいし、予測装置１０の内部にある他の構成要素に予測値を供給することであってもよい。第２算出部１２は、記憶媒体に予測値を記録してもよい。

以上のとおり、本実施形態によれば、所定の時点における雨量の予測値に基づいて安全率を予測することが可能である。したがって、本実施形態によれば、例えば、積乱雲の発達などにより局地的に強い雨が降ることが予測される場合に、その降雨が斜面に及ぼす影響を評価することが可能である。

降雨の影響は、斜面の状態（土質、土中の水分量など）によって異なる。よって、ある一定量の降雨が予測される場合であっても、その降雨によって安全率が所定の基準を下回るか否かは斜面の場所や状態に応じて異なる。予測装置１０は、特定の地点の斜面に応じた安全率の予測式と当該地点における雨量の予測値とを用いることによって、安全率を場所毎に予測することが可能である。

例えば、上述した気象庁の降水短時間予報（ナウキャスト）を用いた場合、発表時から１〜６時間後の雨量の予測値を得ることができる。一方、土砂災害に対する避難には、一般に、健常者で１時間、（移動に時間を要する）高齢者や身体障害者などでは最長で４時間程度を確保する必要があるとされている。本実施形態によれば、このような一般的な予測値を利用して、避難に十分な時間を確保した安全率の予測が可能である。

なお、予測装置１０は、予測した安全率が所定の閾値（例えば「１．０」）を下回るタイミングだけでなく、安全率が所定の閾値を下回った後に当該閾値以上の値に復帰するタイミングを予測することも可能である。したがって、本実施形態によれば、ある場所における降雨後に、その場所が安全な状態に戻ったとみなせるタイミングを予測することが可能である。

［第２実施形態］
図２は、本発明の別の実施形態に係る予測システム２０の全体構成を示すブロック図である。予測システム２０は、斜面の安全性を予測するためのコンピュータシステムである。予測システム２０は、予測装置１００と、出力装置２００とを備える。なお、予測システム２０を構成するこれらの装置は、図２においては１つずつ図示されているが、実際の数は限定されない。

予測装置１００は、第１実施形態の予測装置１０と共通する機能を有する。しかし、予測装置１００は、後述するように、予測装置１０と異なる機能も有する。予測装置１００は、例えば、サーバ装置やパーソナルコンピュータによって構成される。

出力装置２００は、予測装置１００による予測結果を出力する装置である。ここでいう出力は、ユーザに対する情報の報知を目的としたものであり、例えば、情報を可視化（すなわち表示）することをいうが、音声出力などの他の形態の出力を含み得る。出力装置２００としては、例えば、液晶ディスプレイなどの表示装置、スマートフォンなどの移動通信端末、パーソナルコンピュータを用いることができる。また、出力装置２００は、予測装置１００とネットワークを介して接続されてもよいが、予測装置１００の一部として構成されてもよい。

予測装置１００は、具体的には、取得部１１０と、算出部１２０と、出力処理部１３０とを備える。また、算出部１２０は、より詳細には、第１算出部１２１、第２算出部１２２、第３算出部１２３及び第４算出部１２４を含んで構成される。

取得部１１０は、各種データを取得する。本実施形態において、取得部１１０が取得するデータには、所定の地点において計測された水分量の実測値と、当該地点の雨量の実測値及び予測値とが少なくとも含まれる。これらの値は、所定の時間間隔毎（例えば、３０分毎、１時間毎）に得られる。

第１算出部１２１は、土中の水分量と雨量の関係式を算出する。第１算出部１２１は、第１実施形態の第１算出部１１と同様の処理を実行する。また、第２算出部１２２は、第１算出部１２１により算出された関係式を用いて安全率の予測式を算出し、雨量の予測値に基づいて安全率を予測する。第２算出部１２２は、第１実施形態の第２算出部１２と同様の処理を実行する。

第３算出部１２３は、第１算出部１２１により算出された関係式を用いて算出される水分量の予測値を実測値と比較し、差分を算出する。以下においては、第３算出部１２３により算出される水分量の差分を「Δｍ」と表記する。第３算出部１２３は、ある時点（例えば、実測値が得られている最新の時点）における水分量の予測値を（１）式又は（２）式に基づいて算出することができる。Δｍは、特定の時点における水分量の差分を表してもよいし、複数の時点における水分量の差分の平均値であってもよい。

第４算出部１２４は、第２算出部１２２により算出された安全率の予測値と第３算出部１２３により算出された差分Δｍとに基づいて、安全率の予測値に対して想定される誤差を算出する。以下においては、第４算出部１２４により算出される安全率の誤差を「ΔＦｓ」と表記する。ΔＦｓは、例えば、以下の（７）式によって算出される。

ここにおいて、Ｆｓ（ｍ）は、安全率の予測式に最新の時点における水分量ｍを代入して得られる安全率の値を表す。また、Ｆｓ（ｍ＋Δｍ）は、安全率の予測式に最新の時点における水分量ｍと差分Δｍを加算した値を代入して得られる安全率の値を表す。また、∂Ｆｓ／∂ｍは、当該時点の水分量ｍに対する安全率Ｆｓ（ｍ）の変化率を表す。

出力処理部１３０は、第２算出部１２２により算出された安全率の予測値と第４算出部１２４により算出された安全率の誤差とに基づいて所定の処理を実行する。出力処理部１３０が実行する処理のことを、以下においては「出力処理」という。

出力処理は、例えば、安全率の予測値及び誤差を出力装置２００に送信する処理である。また、出力処理は、安全率の予測値及び誤差を所定の表示態様で表示するためのデータを生成し、当該データを出力装置２００に送信する処理であってもよい。例えば、出力処理部１３０は、ＪＰＥＧなどの所定のフォーマットの画像データを生成してもよいし、出力装置２００を宛先とする電子メールを生成してもよい。

図３は、予測装置１００が実行する処理の概略を示すフローチャートである。なお、予測装置１００は、この処理の実行時において、必要なデータを全て取得済みであるとする。

まず、第１算出部１２１は、土中の水分量ｍと雨量ｐの実測値を用いて、これらの関係式を算出する（ステップＳ１）。次いで、第３算出部１２３は、ステップＳ１において算出された関係式に基づいて、水分量ｍの予測値と実測値との差分Δｍを算出する（ステップＳ２）。

また、第２算出部１２２は、ステップＳ１において算出された関係式と雨量ｐの予測値とに基づいて、安全率の予測値Ｆｓを算出する（ステップＳ３）。そして、第４算出部１２４は、ステップＳ３において算出された予測値ＦｓとステップＳ２において算出された差分Δｍとに基づいて、安全率の誤差ΔＦｓを算出する（ステップＳ４）。安全率の予測値Ｆｓ及び誤差ΔＦｓが算出されたら、出力処理部１３０は、出力処理を実行する（ステップＳ５）。

図４は、本実施形態において算出される数値を例示する模式図である。同図において、縦軸は安全率Ｆｓを示し、横軸は時刻ｔを示す。また予測装置１００は、時刻ｔ１において予測を実行するものとする。したがって、この例においては、時刻ｔ１より前が過去であり、時刻ｔ１より後が未来である。

図４において、時刻ｔ１以前の実線は、安全率の実測値を示す。一方、時刻ｔ１以前の一点鎖線は、安全率の予測値を示す。このように、安全率の予測値は、雨量の予測値が実際の雨量と異なり得るため、実測値と必ずしも一致しない。安全率の誤差ΔＦｓは、差分Δｍが大きいほど大きくなる。したがって、安全率の誤差ΔＦｓは、雨量ｐの予測値の精度が低いほど大きくなり、雨量ｐの予測値の精度が高いほど小さくなる。なお、安全率の誤差ΔＦｓは、特定の時点（図４においては時刻ｔ１）の差分Δｍに基づいて算出されるため、ここでは時刻ｔ１〜Ｔにおいて一定である。

図５は、出力装置２００が表示する情報の一例を示す図である。出力装置２００は、例えば、時刻ｔ１以降の複数の時刻における雨量、水分量、安全率、４時間後の安全率及び安全率の誤差（いずれも予測値）をリスト表示する。なお、出力装置２００は、安全率などの数値を図４のようなグラフによって表示してもよいし、地図上に表示してもよい。

以上のとおり、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に所定の時点における雨量の予測値に基づいて安全率を予測するほか、安全率を予測値と誤差によって表現することが可能である。この誤差は、安全率の予測値の精度に応じて変化する。したがって、ユーザは、斜面崩壊による災害発生のおそれに対し、誤差を考慮してその後の行動を選択することが可能になる。

［変形例］
本発明は、上述した実施形態に限定されない。本発明は、上述した実施形態に対して、いわゆる当業者が理解し得る多様な変更を適用することが可能である。例えば、本発明は、以下の変形例に示す形態によっても実施することができる。また、本発明は、複数の変形例を組み合わせたり、実施形態の一部の構成を他の実施形態の構成と置換したりして実施されてもよい。

（１）変形例１
予測装置１００は、安全率を複数の地点について予測してもよい。この場合、予測装置１００は、水分量と雨量の関係式を複数の地点についてそれぞれ算出し、これらの地点の安全率の予測値をそれぞれ算出する。なお、雨量の予測値も、複数の地点毎に異なり得る。また、予測装置１００は、同様に、水分量の差分及び安全率の誤差についても複数の地点に算出してもよい。

図６は、出力装置２００による情報の表示例を示す図である。この例において、出力装置２００は、地図上の各地点を所定の大きさの格子（メッシュ）で表現し、各メッシュの色によって安全率を可視化している。出力装置２００は、それぞれのメッシュについて、例えば、安全率の予測値（又は予測値と誤差の和）が１．０〜１．２の範囲内であれば「危険」、１．０未満であれば「非常に危険」であることをユーザに通知する。

なお、出力装置２００は、安全率の予測値以外の情報（雨量の予測値、安全率の誤差など）をメッシュ内に数値で表示してもよいし、複数の情報を複数の地図に別個に表示してもよい。

（２）変形例２
本発明の実施形態における安定解析式は、特定の方法の式に限定されない。安定解析式としては、フェレニウス法や修正フェレニウス法のほかにも、ビショップ法、ヤンブ法なども適用可能である。これらの安定解析式も、必要な変数を水分量の関数として記述することが可能である。

（３）変形例３
本発明の実施形態において、斜面の安全性を示す指標は、安全率に限定されない。また、斜面の水分状態を表す数値は、水分量に限定されない。例えば、水分量は、土壌中の振動波形の減衰率と相関を有する。したがって、水分量と減衰率の相関関係を求めることができれば、安定解析式を減衰率の関数として記述することも可能になる。

（４）変形例４
本発明の実施形態において、斜面の構成要素は、土壌のみに限定されない。例えば、斜面は、コンクリート、モルタル、樹木根系などを含み得る。

（５）変形例５
予測装置１０、１００の一部又は全部は、コンピュータが所定のプログラムを実行することによって実現されてもよい。

図７は、予測装置１０、１００を実現するコンピュータ３００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。コンピュータ３００は、プロセッサ３１０と、メモリ３２０と、ストレージ３３０と、インタフェース３４０とを備える。

プロセッサ３１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。メモリ３２０は、主記憶装置に相当する。ストレージ３３０は、補助記憶装置に相当する。ストレージ３３０は、例えば、ハードディスクやフラッシュメモリによって構成される。また、ストレージ３３０は、光ディスクやフレキシブルディスクなどの着脱可能な記録媒体のリーダ・ライタを含んで構成されてもよい。インタフェース３４０は、外部装置（出力装置２００など）とデータを送受信する。

プロセッサ３１０は、ストレージ３３０に記憶されたプログラムを実行することにより、予測装置１０の第１算出部１１及び第２算出部１２として機能することができる。あるいは、プロセッサ３１０は、ストレージ３３０に記憶されたプログラムを実行することにより、予測装置１００の取得部１１０、算出部１２０及び出力処理部１３０として機能することができる。

（７）変形例７
本発明の実施形態は、予測装置や予測システムのほか、斜面の安全性を示す指標を予測する予測方法が考えられる。また、本発明の実施形態は、コンピュータを予測装置として機能させるためのプログラムや、当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体（光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリなど）といった形態も考えられる。かかるプログラムは、ある装置にネットワークを介してダウンロードされ、当該装置を斜面評価装置として機能させるものであってもよい。

この出願は、２０１５年７月２３日に出願された日本出願特願２０１５−１４５４２４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０、１００ 予測装置
１１ 第１算出部
１２ 第２算出部
２０ 予測システム
１１０ 取得部
１２０ 算出部
１２１ 第１算出部
１２２ 第２算出部
１２３ 第３算出部
１２４ 第４算出部
１３０ 出力処理部
２００ 出力装置

Claims (8)

1. 監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出する第１の算出手段と、
   前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出する第２の算出手段と
   を備える予測装置。
2. 前記第１の算出手段により算出された関係式を用いて算出される前記水分状態の予測値の実測値との差分を算出する第３の算出手段と、
   前記第２の算出手段により算出された前記指標の予測値と、前記第３の算出手段により算出された差分とに基づいて、前記指標の誤差を算出する第４の算出手段と
   を備える請求項１に記載の予測装置。
3. 前記第２の算出手段により算出された予測値を用いて処理を実行する実行手段を備える請求項１又は請求項２に記載の予測装置。
4. 前記第１の算出手段は、複数の地点について前記関係式をそれぞれ算出し、
   前記第２の算出手段は、前記複数の地点について前記予測値をそれぞれ算出し、
   前記実行手段は、前記算出された前記複数の地点の予測値に応じた情報を表示手段に表示させる
   請求項３に記載の予測装置。
5. 前記第３の算出手段は、前記複数の地点について前記差分をそれぞれ算出し、
   前記第４の算出手段は、前記複数の地点について前記誤差をそれぞれ算出し、
   前記実行手段は、前記予測値と、前記第４の算出手段により算出された誤差とに応じた情報を前記表示手段に表示させる
   請求項４に記載の予測装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の予測装置と、
   前記算出された予測値をユーザに報知する出力装置と
   を備える予測システム。
7. 監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出し、
   前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出する
   予測方法。
8. コンピュータに、
   監視対象の斜面の水分状態と当該斜面における雨量との関係式を各々の実測値に基づいて算出するステップと、
   前記算出された関係式と、実測値が存在しない所定の時点の前記斜面における雨量の予測値とを用いて、当該時点における当該斜面の安全性を示す指標の予測値を算出するステップと
   を実行させるためのプログラム。

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