JP6755429B1 - 拡散源位置推定装置および拡散源位置推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる拡散源位置推定装置を提供する。【解決手段】拡散源位置推定装置１００は、所定のエリアにおいて大気中に拡散した拡散物質の拡散源の位置を推定する拡散源位置推定装置であって、所定エリアに配置された複数の観測装置から拡散物質の濃度情報を取得するデータ取得部３３と、取得したデータを処理する処理部１０と、を備え、処理部１０は、所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し、仮想空間内において、仮想空間内に観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散する複数の仮想拡散源と、を配置し、統計的手法により、仮想拡散物質が仮想観測点に与える影響度の大きさを示す拡散源推定指標を仮想拡散源ごとに求め、拡散源推定指標が最大化されるまで、仮想拡散源の配置位置を再配置して拡散源推定指標を算出する処理を繰返し、拡散源推定指標が最大化された位置を拡散源として推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、拡散源位置推定装置および拡散源位置推定方法に関する。

工場や化学プラント等に敷設された配管の亀裂等の事故により、人体等に有害な物質（拡散物質）が大気中に放出されたとき、その敷地内の何れのところで配管に亀裂等（拡散源）が生じたのかを速やかに推定し、必要な処置を施して被害の拡大を防がなければならない。

特許文献１では、複数の仮想拡散源を設定し、実観測点（測定装置）における実測濃度（濃度情報）と実観測点に対応する仮想観測点上における仮想拡散源からの影響関数値との残差ノルムが最小となる仮想拡散源を拡散源の位置として推定することが開示されている。

特許第５４３３５５９号公報

特許文献１は、いわゆる最小残差法を用いて拡散源の位置を推定しようとするものである。この方法は、その定式化から、拡散源位置からの影響関数と実観測点（測定装置）における実測濃度（濃度情報）の所定エリア内全域での分布傾向が異なっていても、所定エリア内で相対的に大きくなる箇所のみがおおよそ一致した場合に残差が小さくなりやすい。従って、この場合に、拡散源位置として推定されやすく、拡散源位置として適切でない場合があるという課題がある。

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる拡散源位置推定装置および拡散源位置推定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の拡散源位置推定装置は、所定のエリアにおいて大気中に拡散した拡散物質の拡散源の位置を推定する拡散源位置推定装置であって、所定エリアに配置された複数の観測装置から拡散物質の濃度情報を取得する情報取得部（例えば、データ取得部３３）と、取得した情報を処理する情報処理部（例えば、処理部１０）と、を備え、情報処理部は、所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し、仮想空間内において、仮想空間内に観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散させる複数の仮想拡散源と、を配置し、統計的手法により、仮想拡散物質の現況再現性の高さを示す拡散源推定指標を仮想拡散源ごとに求め、拡散源推定指標が最大化されるまで、仮想拡散源の配置位置を再配置して拡散源推定指標を算出する処理を繰返し、拡散源推定指標が最大化された位置を拡散源として推定することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる。

実施形態に係る拡散源位置推定装置の構成を示す図である。 第１の推定モードにおける実際の所定のエリアに対応する仮想空間の例を示す図である。 仮想空間における拡散源候補の設定の例を示す図である。 拡散源位置推定装置の第１の推定モードの処理（その１）を示すフローチャートである。 拡散源位置推定装置の第１の推定モードの処理（その２）を示すフローチャートである。 第２の推定モードにおける拡散源候補の設定の例を示す図である。 第２の推定モードにおける拡散源候補の再設定の例を示す図である。 第２の推定モードにおける拡散源位置と推定した例を示す図である。 拡散源位置推定装置の第２の推定モードの処理を示すフローチャートである。 複雑気流場における拡散物質の到達範囲の例を示す図である。 所定エリア内の仮想拡散源の位置を示す図である。 実観測点、筑波山山頂、拡散実験における実際の拡散源の位置を示す配置構成図である。 比較例の仮想放出地点の設定（その１）を示す配置図である。 比較例の仮想放出地点の設定（その２）を示す配置図である。 比較例の仮想放出地点の設定（その３）を示す配置図である。 比較例の仮想放出地点の設定（その４）を示す配置図である。 比較例の仮想放出地点の設定（その５）を示す配置図である。 実施形態に係る拡散源位置の推定に至るまでに設定された仮想拡散源の位置を示す配置図である。 図１８の四角太線部分の領域を拡大し、かつ拡散源候補の推移を示した説明図である。

最初に、本発明の特徴を説明する。
拡散源位置の実運用上での推定対象となる工場や化学プラント等は障害物や地形等の影響により分岐、合流、及び渦等が存在する気流場環境となる場合が一般的であり、そのような気流場環境の下では所定エリア内全域での拡散物質の分布傾向（拡散物質の到達範囲の形状や到達範囲内での拡散物質の濃淡）は拡散源位置に強く依存する。このため、所定エリア内全域での拡散物質の分布傾向は拡散源位置を推定する上での重要な情報となる。拡散物質の分布傾向の例を図１０に示す。

図１０は、複雑気流場における拡散物質の到達範囲の例を示す図である。分岐、合流、及び渦などが存在する気流場の下では拡散源位置が少し変わることで拡散物質の分布傾向が大きく異なる。図１０（ａ）の場合、拡散源の風下において、障害物の片側に拡散物質が到達しており、図１０（ｂ）の場合、拡散源の風下において、障害物の両側に拡散物質が到達している。拡散源の位置は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が若干風上に位置し、かつ、拡散源の位置は、図１０（ｂ）の場合は障害物の軸線の延長線上に位置している。

本発明では、実観測点（測定装置）における実測濃度（濃度情報）とそれぞれの実観測点に対応する仮想観測点における仮想拡散源からの影響関数値との比較から、拡散物質の到達範囲の形状、および到達範囲内での拡散物質の相対的な濃淡の一致度を定量化し考慮することとしている。このため、本発明では、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる。

本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る拡散源位置推定装置１００の構成を示す図である。拡散源位置推定装置１００は、処理部（情報処理部）１０、記憶部２０、入力部３１、出力部３２、データ取得部３３を含んで構成されている。処理部１０は、データ取得部（情報取得部）３３を介して観測情報を入手する観測情報入手部１１、所定のエリアに仮想拡散源を設定する仮想拡散源設定部１２、仮想格子設定部１３、影響関数算出部１４、拡散源推定指標算出部１５、拡散源位置推定部１６を含んでいる。

記憶部２０には、観測点における情報２１（濃度情報及び位置情報）、仮想拡散源の位置情報２２、仮想観測点に与える影響関数２３、仮想拡散源ごとの第１の拡散源推定指標２４（指標Ｐ^ｍ）、仮想拡散源ごとの第２の拡散源推定指標２５（指標Ｖ^ｍ）、指標Ｐ^ｍおよび指標Ｖ^ｍに基づく拡散源推定指標２６（指標Ｚ^ｍ）等が記憶されている。

観測情報入手部１１は、データ取得部３３を介して、各観測装置の測定データを、有線または無線のネットワークを通じて入手し、入手した測定データを記憶部２０の観測点における情報２１に記憶する。

仮想拡散源設定部１２は、仮想空間の所定のエリア内の任意位置に、仮想拡散源を複数設定し、設定した位置を記憶部２０の仮想拡散源の位置情報２２に記憶する。

仮想格子設定部１３は、後記する第２の推定モードにおいて、後記する第１の推定モードで特定された、「拡散源候補」を中心とする、格子点が配される矩形格子を構築し、それぞれの格子点に「仮想拡散源」を設定し、これを記憶部２０の仮想拡散源の位置情報２２に記憶する。

影響関数算出部１４は、影響関数値を算出し、これを記憶部２０の仮想観測点に与える影響関数値２３に記憶する。影響関数値は、仮想拡散源の位置情報および仮想空間内における観測点の位置情報（観測装置の位置情報）と、仮想拡散源から拡散物質が仮想拡散を開始してからの経過時間とから算出される。詳細な影響関数値の算出方法は後記する。

拡散源推定指標算出部１５は、それぞれの仮想観測点に与える影響関数値２３と、それぞれの仮想観測点における濃度情報と、を用いて、統計的手法により仮想拡散源ごとに、仮想拡散物質の到達範囲の一致度を示す指標Ｐ^ｍと仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度を示す指標Ｖ^ｍと、を算出し、これを記憶部２０の第１の拡散源推定指標２４、第２の拡散源推定指標２５に記憶する。そして、拡散源推定指標算出部１５は、第１の拡散源推定指標２４から第２の拡散源推定指標２５を該当計算ステップで評価対象となる仮想拡散源における値同士で正規化した上で減算して指標Ｚ^ｍを算出し、これを記憶部２０の拡散源推定指標２６に記憶する。

拡散源位置推定部１６は、拡散源推定指標２６が最大となる仮想拡散源を特定する。

以上の構成において、処理部１０は、所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し、仮想空間内において、仮想空間内に観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散する複数の仮想拡散源と、を配置する。配置後、統計的手法により、仮想拡散物質が仮想観測点に与える影響度の大きさを示す拡散源推定指標（指標Ｚ^ｍ）を仮想拡散源ごとに求め、拡散源推定指標が最大化されるまで、仮想拡散源の配置位置を再配置して拡散源推定指標を算出する処理を繰返し、拡散源推定指標が最大化された位置を拡散源として推定する。

すなわち、本実施形態では、仮想空間内に、実在する観測装置と、拡散物質を仮想的に拡散する仮想拡散源と、を配置する。配置後、統計的手法に基づいて仮想拡散源と観測地点における濃度情報とに基づいて拡散源候補を求め、仮想拡散源を再配置して再度拡散源候補を求めて拡散源候補の値が大きくなっていく方向が拡散源の存在する方向と仮定する。そして、拡散源候補の値が更新されなくなるまでこの処理を繰返し、更新されなくなった際の拡散源候補の位置を拡散源（拡散源位置）として推定する。これにより、拡散物質の拡散源位置を精度よく推定することができる。

以下、具体例を用いて説明する。
拡散源位置推定装置１００は、第１の推定モードと第２の推定モードとを有する。
＜第１の推定モード＞
第１の推定モードは、所定のエリア内において拡散源位置がどの辺りにあるかを絞り込むモードである。

図２は、第１の推定モードにおける実際の所定のエリアに対応する仮想空間の例を示す図である。適宜図１を参照して説明する。実空間の所定のエリア内において、ある地点から大気中に拡散される拡散物質が放出されているとする。しかし、最初は所定のエリア内のどこから拡散物質が放出されているか、つまり拡散源位置がわからない状況である。

（Ｓ１）所定のエリア内の任意の位置に、実際の観測情報（大気中の拡散物質の濃度情報）を測定するための観測装置を設置する。観測装置の設置数は、最低２個以上とする。
図２の例では、５個の観測装置（観測装置１〜観測装置５）が所定のエリア内に設置されている。観測情報入手部１１が、各観測装置の測定データを、有線または無線のネットワークを通じて、入手する。

（Ｓ２）実際の所定のエリアに対応する仮想空間を構築する。その際、図２に示すように、所定のエリア内の特定位置を原点（０，０）として設定し、実際の所定のエリア内に設置する。各観測装置の位置情報（原点からのＸ軸、Ｙ軸の位置情報）を仮想空間内に設定する。すなわち、処理部１０は、所定エリアを模擬した仮想空間を構築する。仮想空間は、周囲枠の横軸と縦軸が交わる１点を原点として、横軸方向をＸ軸、縦軸をＹ軸方向、として示す座標軸情報を有する。

（Ｓ３）仮想拡散源設定部１２は、仮想空間の所定のエリア内の任意位置に、仮想拡散源を複数設定する。図２に示す例では、所定のエリア内に４個の仮想拡散源（仮想拡散源１〜４）が設定されている。すなわち、処理部１０は、仮想空間内に、観測装置に相当する仮想観測点と、任意の位置に拡散物質に相当する仮想拡散物質を拡散させる複数の仮想拡散源を配置する。

影響関数算出部１４は、それぞれの仮想拡散源における影響関数値を算出する。影響関数値は、前記したように、仮想拡散源の位置情報および仮想観測点の位置情報と、仮想拡散源から前記拡散物質が仮想拡散を開始してからの経過時間から算出される。図２において、例えば仮想拡散源１に対して、観測装置１〜５上における影響関数値がそれぞれ算出される。

すなわち、処理部１０は、大気拡散計算モデルを用いて、仮想拡散源から拡散した仮想拡散物質に関して、仮想観測点における濃度情報を求めるものである。影響関数値を求めるためには、その計算条件として地形情報および気象情報に加えて、拡散源情報（位置および排出量）が必要となる。ただし、拡散源情報については分かっていないので、拡散源情報（位置および排出量）については仮の値を用いる。なお、前記大気拡散計算モデルには、プルーム・パフモデルや、セル内粒子法、ラグランジュ型粒子モデルなどが知られている。

なお、仮想拡散物質が拡散開始してから仮想空間内で仮想拡散物質の濃度（影響関数）が時間変化している段階においては、仮想拡散物が拡散開始してからの経過時間を考慮した非定常モデルを使用し、仮想空間内で気象条件や仮想拡散物質の放出量などが変化しない状況で仮想拡散物質の濃度（影響関数）が時間変化しないようになるまで拡散開始してから十分に時間が経過したとみなせる段階においては、経過時間を必要としない定常モデルを使用する。

（Ｓ４）（Ｓ１）で得られた計測した各観測装置の濃度情報と、前記（Ｓ３）で得られた影響関数値を用いて、それぞれの仮想拡散源において拡散源推定指標算出部１５は、拡散源推定指標を算出する。拡散源推定指標は、以下の２つの量（指標Ｐ^ｍ、指標Ｖ^ｍ）を求めて、それらの値を主成分分析という統計学の計算手法を用いることで求める。指標Ｐ^ｍ、指標Ｖ^ｍを以下に示す。

観測装置の濃度情報≠０、かつ、前記濃度情報の位置に対応した影響関数値≠０となる観測点数と、観測装置の濃度情報＝０、かつ、前記濃度情報の位置に対応した影響関数の値＝０となる観測点数との和を全観測点数で除した値：指標Ｐ^ｍ
さらに、現在のステップ（第１の推定モード）で設定された仮想拡散源における指標Ｐ^ｍの集合全体での平均０、分散１となるように正規化したＰ^ｍ*を求める。ここで、指標Ｐ^ｍおよび指標Ｐ^ｍ*は、拡散物質および仮想拡散物質の到達範囲の一致度を示す指標である。

観測装置の濃度情報≠０、かつ、濃度情報の位置に対応した影響関数の値≠０となる影響関数値を対応する濃度情報で除した値を必要に応じて常用対数などで変換した値の集合の分散：指標Ｖ^ｍ
さらに、現在のステップ（第１の推定モード）で設定された仮想拡散源における指標Ｖ^ｍの集合全体での平均０、分散１となるように正規化したＶ^ｍ＊を求める。ここで、指標Ｖ^ｍおよび指標Ｖ^ｍ＊は、拡散物質および仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度を示す指標である。

そして、拡散源推定指標算出部１５は、次式で指標Ｚ^ｍを求める。
Ｚ^ｍ＝Ｐ^ｍ*−Ｖ^ｍ*
図２に示す例では、仮想拡散源１〜４のそれぞれにおいて、前記拡散源推定指標を算出する。その中で、拡散源推定指標の値が最大となるものを特定し、次ステップの拡散源位置候補である「拡散源候補」として設定する。

図３は、仮想空間における拡散源候補の設定の例を示す図である。図３の例では、仮想拡散源１の拡散源推定指標が最大の値を示したとする。

（Ｓ５）拡散源位置推定部１６は、それ以外の仮想拡散源（図３に示す仮想拡散源２〜４）は、拡散源位置候補から除外する。
以上説明した第１の推定モードの処理について、図４を参照してさらに説明する。

図４は、拡散源位置推定装置の第１の推定モードの処理（その１）を示すフローチャートである。処理部１０は、観測情報を入手し（Ｓ１１）、所定エリアを模擬した仮想空間を構築し（Ｓ１２）、仮想拡散源を設定する（Ｓ１３）。そして、処理部１０は、仮想拡散源ごとに影響関数値を算出し（Ｓ１４）、仮想拡散源ごとに拡散源推定指標である指標Ｚ^ｍを算出する（Ｓ１５）。

処理部１０は、算出した拡散源推定指標の内、最大のものを「拡散源候補」として設定し（Ｓ１６）、「拡散源候補」以外の仮想拡散源を「拡散源位置」の候補から除外する（Ｓ１７）し、第１の推定モードの処理を終了する。

図５は、拡散源位置推定装置の第１の推定モードの処理（その２）を示すフローチャートである。図５は、第１の推定モードの処理の変形例である。図５に示すように、処理部１０は、観測情報を入手後（Ｓ１１）、観測濃度が最大となる観測点の位置を「拡散源候補」として設定してもよい（Ｓ１６Ａ）。これにより、処理時間の短縮を図ることができる。

＜第２の推定モード＞
第２の推定モードは、第１の推定モードでの「拡散源候補」に基づいて、さらに所定エリア内の拡散源位置を推定するモードである。

図６は、第２の推定モードにおける拡散源候補の設定の例を示す図である。
（Ｓ１Ａ）仮想格子設定部１３は、第１の推定モードで特定された、「拡散源候補」を中心とする、格子点が配される矩形格子を構築し、それぞれの前記格子点に「仮想拡散源」を設定する。次に、影響関数算出部１４は、それぞれの仮想拡散源における影響関数値を算出する。そして、拡散源推定指標算出部１５は、それぞれの前記仮想拡散源において拡散源推定指標を算出する。

（Ｓ２Ａ）拡散源位置推定部１６は、算出された第２の仮想発生源全てにおける拡散源推定指標および拡散源候補の拡散源推定指標を比較して、拡散源推定指標が最大となる仮想拡散源の位置を特定する。図６に示す例においては、右上の仮想拡散源３における拡散源推定指標が最大（最大仮想拡散源）であったとする。

ここで、図６においては拡散源候補と最大仮想拡散源が一致しない場合の例であるが、この場合は、拡散源候補と最大仮想拡散源が一致するまで、最大仮想拡散源を拡散源候補に置き換えて、拡散源候補が中心となるように仮想格子および仮想拡散源を再設定し、再設定した拡散源候補および仮想拡散源を評価対象として拡散源推定指標を求めるステップを繰り返し、拡散源候補と最大仮想拡散源が一致した位置を「拡散源位置」として推定することになる。図６においては、前記の関係となり、右上の仮想拡散源３における拡散源推定指標が最大となったため、仮想拡散源３が中心となるように仮想格子を再設定する（図７参照）。

図７は、第２の推定モードにおける拡散源候補の再設定の例を示す図である。
（Ｓ３Ａ）仮想拡散源設定部１２は、前記（Ｓ２Ａ）で拡散源推定指標が最大となった「仮想拡散源（＝最大仮想拡散源）」を、「拡散源候補」に置換する。それ以外の仮想拡散源および再設定前の拡散源候補は、拡散源位置候補から除外する。以後の拡散源推定指標の算出において、前記拡散源位置候補から除外された仮想拡散源および置換前の拡散源候補は、拡散源推定指標の計算対象外とする。

この（Ｓ１Ａ）〜（Ｓ３Ａ）の流れを繰返す。以下のループ脱出条件が成立するまで、「最大仮想拡散源」を「拡散源候補」に置換して、この流れを繰返す。
（ループ脱出条件）：「拡散源候補」と「最大仮想拡散源」が一致する。
図７においては、図６と同様に、右上の仮想拡散源３における拡散源推定指標が最大（最大仮想拡散源）であったとする。

図８は、第２の推定モードにおける拡散源位置と推定した例を示す図である。
（Ｓ４Ａ）図８において、置換された拡散源候補における拡散源推定指標が最大となったとき、つまり、ループ脱出条件が成立したとき、拡散源位置推定部１６は、この位置が拡散物質の「拡散源位置」であると推定し、第２の推定モードの処理を終了する。
以上説明した第２の推定モードの処理について、図９を参照してさらに説明する。

図９は、拡散源位置推定装置の第２の推定モードの処理を示すフローチャートである。処理部１０は、観測情報を入手し（Ｓ２１）、拡散源候補を中心に格子点が配される矩形格子を構築し（Ｓ２２）、矩形格子のそれぞれの格子点に仮想拡散源を再配置する（Ｓ２３）。

処理部１０は、全ての仮想拡散源ごとに影響関数値を算出し（Ｓ２４）、拡散源候補および全ての仮想拡散源における拡散源推定指標を算出し（Ｓ２５）、仮想拡散源のうち、算出された拡散源推定指標が最大のものを「最大仮想拡散源」として推定する（Ｓ２６）。

処理部１０は、「拡散源候補」と「最大仮想拡散源」が一致するか否かを判定し（Ｓ２７）、一致しない場合（Ｓ２７，Ｎｏ）、「最大仮想拡散源」を「拡散源候補」に置換し（Ｓ２９）、Ｓ２２に戻る。一方、「拡散源候補」と「最大仮想拡散源」が一致する場合（Ｓ２７，Ｙｅｓ）、「拡散源候補」の位置を「拡散源位置」と推定し（Ｓ２８）、第２の推定モードを終了する。

以上、拡散源位置推定装置１００について説明したが、計算例について次に示す。
（計算例）
図１１は、所定エリア内の仮想拡散源の位置を示す図である。図１１には、仮想拡散源を４つ配置し、その周辺に観測点１〜１５を配置している。各観測点での
計測した各観測点の濃度情報と、影響関数値を用いて、それぞれの仮想拡散源において拡散源推定指標算出部１５は、拡散源推定指標を算出する。表１には、各観測点（ガス濃度センサ）の配置座標一覧と観測値を示す。表２には、各観測点の位置座標一覧を示す。

そして、各仮想拡散源における各観測点上における影響関数の値を求め、求めた影響関数値の一覧を表３に示す。

次に、各仮想拡散源番号ｍ（ここでは１〜４）について、３つの量（指標Ｐ^ｍ，Ｖ^ｍ，Ｚ^ｍ）を求めて、それらの値を主成分分析という統計学の計算手法を用いることで拡散源推定指標を求める手順について示す。

指標Ｐ^ｍは、前記したように、観測装置の濃度情報≠０、かつ、前記濃度情報の位置に対応した影響関数値≠０となる観測点数と、観測装置の濃度情報＝０、かつ、前記濃度情報の位置に対応した影響関数の値＝０となる観測点数との和を、全観測点数で除した値である。ここで、指標Ｐ^ｍは、拡散物質および仮想拡散物質の到達範囲の一致度を示す指標である。

指標Ｖ^ｍは、前記したように、ある仮想拡散源において、観測装置の濃度情報≠０、かつ、濃度情報の位置に対応した影響関数の値≠０となる影響関数値を対応する濃度情報で除した値を常用対数で変換した値の集合の分散である。ここで、指標Ｖ^ｍは、拡散物質および仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度を示す指標である。

（指標Ｐ^ｍ，Ｖ^ｍの算出）
ここでは、仮想拡散源１（仮想拡散源番号ｍ＝１）についてＰ^１，Ｖ^１を求める例を示す。表１から観測値を、表３から仮想拡散源１の影響関数の値を抜き出したものを表４に示す。

Ｐ^１については、単純に表４の値を比較して、数え上げて全観測点数で除することで、求めることができる。観測値＝０かつ、影響関数の値＝０を満たす観測点は、観測点１，５，１０，および１３の４点であり、観測値≠０かつ、影響関数の値≠０を満たす観測点数は、観測点３，４，７，８，９，１１，１２，および１４の８点となる。
従って、Ｐ^１＝（４＋８）/１５＝１２/１５となる。

Ｖ^１については、まず、観測値≠０かつ、影響関数の値≠０となるのは、Ｐ^１を導出した際に見たように、観測点３，４，７，８，９，１１，１２，および１４の８点である。これらの観測点における影響関数の値／観測値を常用対数変換した値の集合を調べ、その分散（統計学の指標）がＶ^１になる。集合は以下となる。
(0.380,-0.332,0.020,-0.568,-0.418,-0.368,1.959,0.247)

集合の分散Ｖは、式（１）で示される。

ここで、ｎは要素数、μは集合の平均値である。

従って、Ｖ^１＝0.585となる。
なお、ｎ＝８であり、μ＝0.115である。
以上より、仮想拡散源１についてＰ^１，Ｖ^１が求められた。

以下、他の仮想拡散源についても同様に求めると
現在のステップで評価対象の仮想拡散源である仮想拡散源１〜４までのＰ^ｍの集合である（Ｐ^１，Ｐ^２，Ｐ^３，Ｐ^４）は、
（12/15，13/15，13/15，14/15）
である。
現在のステップで評価対象の仮想拡散源である仮想拡散源１〜４までのＶ^ｍの集合である（Ｖ^１，Ｖ^２，Ｖ^３，Ｖ^４）は、
（0.585，0.780，1.489，0.692）
である。

次に、集合を分散１、平均０の集合となるように正規化し、（Ｐ^１*，Ｐ^２*，Ｐ^３*，Ｐ^４*）、（Ｖ^１*，Ｖ^２*，Ｖ^３*，Ｖ^４*）を、式（２）、式（３）より求める。

以上より、具体的な数値を当てはめると、
現在のステップで評価対象の仮想拡散源である仮想拡散源１〜４までの指標Ｐ^ｍ*の集合である（Ｐ^１*，Ｐ^２*，Ｐ^３*，Ｐ^４*）は、
（-1.414，0.0000，0.0000，1.414）
である。
現在のステップで評価対象の仮想拡散源である仮想拡散源１〜４までの指標Ｖ^ｍ＊の集合である（Ｖ^１＊，Ｖ^２＊，Ｖ^３＊，Ｖ^４＊）は、
（-0.850，-0.300，1.699，-0.549）
である。

（指標Ｚ^ｍの算出）
指標Ｚ^ｍを、式（４）より求める。

式（４）において、指標Ｐ^ｍ＊がより大きいほど、拡散物質および仮想拡散物質の到達範囲の一致度が高いことを示し、指標Ｖ^ｍ＊がより小さいほど、拡散物質と仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度が高いことを示す。従って、指標Ｐ^ｍ＊が大きく、かつ、指標Ｖ^ｍ＊が小さいほど、拡散源推定指標である指標Ｚ^ｍは大きくなり、指標Ｚ^ｍが大きいほど、対応する仮想拡散源が拡散源位置に近いことを示す。

式（４）に具体的な数値を当てはめると、
現在のステップで評価対象の仮想拡散源である仮想拡散源１〜４までの指標Ｚ^ｍの集合である（Ｚ^１，Ｚ^２，Ｚ^３，Ｚ^４）は、
（-0.565，0.300，-1.699，1.964）
である。
指標Ｚ^ｍの集合の中で拡散源推定指標が最大となるものを、次ステップ（例えば、第２の推定モード）の格子設定の中心格子（拡散源候補）として定める。前記の拡散源推定指標の中で最大となるものはＺ^４であるので、仮想拡散源４が拡散源候補として定められる。

（六フッ化硫黄の拡散実験を用いた検証）
次に、非特許文献１に示す日本原子力研究所によって１９８５年１１月６日15:00-16:30に実施された筑波山周辺域での六フッ化硫黄の拡散実験（筑波山東麓で気流分岐発生）における観測値を使用した、実施形態に係る拡散源位置推定装置１００による拡散源位置を示す計算例を、比較例とともに説明する。比較例の推定方式は、特許文献１に示す最小残差法を用いて拡散源の位置を推定する方式である。なお、本実施形態の手法および比較例の手法は、ともに、影響関数値の算出に、「かくさんすけっと」（登録商標）詳細数値計算機能（(株)日立パワーソリューションズ）を用いた。

［非特許文献１］角田道夫，林隆，安達隆史 共著，“大気拡散実験データVol.3 TSUKUBA84，TSUKUBA85”日本原子力研究所，(1988年）

図１２は、実観測点（〇および●）、筑波山山頂（▲）、拡散実験における実際の拡散源の位置（◇）を示す配置構成図である。拡散実験の所定エリアは、筑波山山頂を中心点に東西方向および南北方向それぞれが１５０００ｍの領域である。便宜的に東西方向をＸ座標（正の方向を東とする）として、南北方向をＹ座標（正の方向を北とする）として設定した。本拡散実験においては、所定エリア内に実観測点は４１点存在し、４１点ある実観測点のうち実測濃度が最大となる実測点を●で、それ以外の実観測点を〇で示した。

図１３は、比較例の仮想放出地点の設定（その１）を示す配置図である。図１４は、比較例の仮想放出地点の設定（その２）を示す配置図である。図１５は、比較例の仮想放出地点の設定（その３）を示す配置図である。図１６は、比較例の仮想拡散源の設定（その４）を示す配置図である。図１７は、比較例の仮想放出地点の設定（その５）を示す配置図である。図１３から図１７を参照して、仮想放出地点の絞り込みについて説明する。なお、図１３から図１７において仮想放出地点は×で示す。また、特許文献１の「仮想放出地点」は、「仮想拡散源」に対応する。

図１３に示すように、実際の拡散源の位置は不明であるので、実観測点を網羅するように、筑波山山頂を中心に南北・東西それぞれ４５００ｍ間隔で１段目（その１）の仮想格子を設定し、格子点上に９点の仮想放出地点を設定した。それぞれの仮想放出地点において、実観測点上での影響関数値を求める。実測濃度（濃度情報）と実観測点に対応する仮想観測点上における仮想拡散源からの影響関数値との残差ノルムが最小となる仮想放出地点を中心に、南北・東西それぞれが１段目の半分の大きさ（２２５０ｍ）となるように仮想放出地点を設定し（図１４参照、その２）、この施行を５段目の仮想格子の設定まで繰り返し、５段目の仮想格子上において設定される仮想放出地点（図１７参照、その５）のうち残差ノルムが最小となる仮想放出地点を放出地点として推定した。

比較例における実施例では２段目（その２）の試行で実際の拡散源の近傍の仮想放出地点で残差が最小となったものの、３段目（その３）の施行以降で残差が最小となる仮想放出地点の位置は実際の拡散源から離れていき、最終的には実測濃度が最大となる実観測点の近傍の仮想放出地点で残差が最小となり、この位置が放出地点として推定された。

その結果、筑波山東麓盆地の北側にある山脈の山頂付近を発生源位置と推定した。その推定位置は、実際の発生源（拡散源位置）から２４１６ｍ離れた位置であった。

この理由として、拡散源位置からの影響関数値と実観測点（測定装置）における実測濃度（濃度情報）の所定エリア内全域での分布傾向が異なっていても、所定エリア内で相対的に大きくなる箇所のみがおおよそ一致した場合に残差が小さくなりやすいという先行技術の定式化に起因する課題点によるものと考えられる。

次に実施形態に係る拡散源位置推定装置１００による拡散源位置を示す計算例である。
図１８は、実施形態に係る拡散源位置の推定に至るまでに設定された仮想拡散源の位置を示す配置図である。図１９は、図１８の四角太線部分の領域（Ｘ，Ｙ座標が６０００ｍから１２０００ｍの領域）を拡大し、かつ拡散源候補の推移を示した説明図である。図１８および図１９において仮想拡散源は×で示されている。

本実施形態において、図５に従い、実測濃度が最大となる実観測点の位置を拡散源候補として、図９に従い、東西・南北方向がそれぞれ４００ｍの矩形格子を用いて計算を実施したところ、実際の拡散源の位置の近傍を拡散源位置として推定した。

その結果、筑波山東麓の盆地内を発生源位置と推定できた。実際の発生源から２１７ｍ離れた位置を発生源位置として推定できた。このように、比較例の推定方式と比較して、本実施形態の拡散源位置推定装置１００によれば、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる。

図５に従うと、本願において最初に定義される拡散源候補は、比較例の実施例において放出地点として推定された位置の近傍であり、結果的に、比較例の２段目（その２）から５段目（その５）における残差ノルムが最小となる仮想拡散源の推移と本願の図９における各計算ステップにおける拡散源候補の推移は真逆の経路をとることで、本願においては実際の拡散源の位置の近傍を拡散源位置として推定したことになり、本実施例においては比較例における課題が解決されているものと考えられる。

以上説明した拡散源位置推定装置１００は、次の特徴を有する。
所定のエリアにおいて大気中に拡散した拡散物質の拡散源の位置を推定する拡散源位置推定装置１００であって、所定エリアに配置された複数の観測装置から拡散物質の濃度情報を取得するデータ取得部３３と、処理部１０と、を備える。

処理部１０は、所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し（Ｓ１２）、仮想空間内において、仮想空間内に観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散させる複数の仮想拡散源と、を配置し（Ｓ１３）、統計的手法により、仮想拡散物質の現況再現性の高さを示す拡散源推定指標（指標Ｚ^ｍ）を仮想拡散源ごとに求め（Ｓ１５）、拡散源推定指標が最大化されるまで、仮想拡散源の配置位置を再配置して拡散源推定指標を算出する処理を繰返し（Ｓ２２〜Ｓ２７）、拡散源推定指標が最大化された位置を拡散源として推定する（Ｓ２８）。これにより、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる。

処理部１０は、第１の推定モードにおいて、所定の方法により仮想拡散源の中の一つを拡散源候補として設定し（Ｓ１６）、第２の推定モードにおいて、拡散源候補を中心とする矩形格子を構築し（Ｓ２２）、それぞれの矩形格子の格子点に仮想拡散源を再配置し（Ｓ２３）、拡散源候補における拡散源推定指標を再算出するとともに（Ｓ２５）、再配置された仮想拡散源ごとに拡散源推定指標を算出して最大のものを最大仮想拡散源として推定し（Ｓ２６）、最大仮想拡散源と拡散源候補が一致するまで、最大仮想拡散源を拡散源候補に置換して仮想拡散源の再配置処理から繰り返すことにより（Ｓ２７）拡散源推定指標が最大化される位置を推定する（Ｓ２８）。

データ取得部３３は、濃度情報を取得し、処理部１０は、少なくとも仮想観測点における濃度情報及び位置情報（Ｓ１１）と、仮想拡散源の位置情報と、を使用し、大気拡散計算モデルにより、それぞれの仮想拡散源がそれぞれの仮想観測点に与える影響関数値を算出し（Ｓ１４）、それぞれの影響関数値と、それぞれの仮想観測点における濃度情報と、を用いて、統計的手法により仮想拡散源ごとに、仮想拡散物質の到達範囲の一致度を示す第１の拡散源推定指標（指標Ｐ^ｍ）と仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度を示す第２の拡散源推定指標（指標Ｖ^ｍ）と、を算出し、第１の拡散源推定指標から第２の拡散源推定指標を減算して拡散源推定指標（指標Ｚ^ｍ）を算出する（Ｓ１５）。

拡散源位置推定装置１００は、第１の推定モードにおいて、最も大きい濃度情報を示す仮想観測点を最初の拡散源候補として設定すること、又は、仮想拡散源ごとに拡散源推定指標を算出し、その中で最も大きい値を示す仮想拡散源を拡散源候補として設定する。

仮想空間内における仮想観測点と仮想拡散源の位置情報は、仮想空間内の周囲枠の横軸と縦軸が交わる１点を原点として、横軸方向をＸ軸、縦軸をＹ軸方向、として示す座標軸情報である（図２参照）。

本実施形態の拡散源位置推定装置１００によれば、仮想拡散源からの影響関数と実観測点（測定装置）における実測濃度（濃度情報）の拡散物質の到達範囲の形状、および到達範囲内での拡散物質の相対的な濃淡の一致度を定量化し考慮することで、拡散物質の拡散源の位置を精度よく推定することができる。

１０ 処理部（情報処理部）
１１ 観測情報入手部
１２ 仮想拡散源設定部
１３ 仮想格子設定部
１４ 影響関数算出部
１５ 拡散源推定指標算出部
１６ 拡散源位置推定部
２０ 記憶部
２１ 観測点における情報（濃度情報及び位置情報）
２２ 仮想拡散源の位置情報
２３ 仮想観測点に与える影響関数
２４ 第１の拡散源推定指標（指標Ｐ^ｍ）
２５ 第２の拡散源推定指標（指標Ｖ^ｍ）
２６ 拡散源推定指標（指標Ｚ^ｍ）
３１ 入力部
３２ 出力部
３３ データ取得部（情報取得部）
１００ 拡散源位置推定装置（推定装置）

Claims (6)

1. 所定のエリアにおいて大気中に拡散した拡散物質の拡散源の位置を推定する拡散源位置推定装置であって、
   前記所定エリアに配置された複数の観測装置から前記拡散物質の濃度情報を取得する情報取得部と、取得した情報を処理する情報処理部と、を備え、
   前記情報処理部は、
   前記所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し、
   前記仮想空間内において、前記仮想空間内に前記観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散させる複数の仮想拡散源と、を配置し、
   統計的手法により、前記仮想拡散物質の現況再現性の高さを示す拡散源推定指標を前記仮想拡散源ごとに求め、
   前記拡散源推定指標が最大化されるまで、前記仮想拡散源の配置位置を再配置して前記拡散源推定指標を算出する処理を繰返し、前記拡散源推定指標が最大化された位置を前記拡散源として推定する
   ことを特徴とする拡散源位置推定装置。
2. 前記情報処理部は、
   第１の推定モードにおいて、所定の方法により前記仮想拡散源の中の一つを拡散源候補として設定し、
   第２の推定モードにおいて、前記拡散源候補を中心とする矩形格子を構築し、それぞれの前記矩形格子の格子点に前記仮想拡散源を再配置し、前記拡散源候補における前記拡散源推定指標を再算出するとともに、再配置された前記仮想拡散源ごとに前記拡散源推定指標を算出して最大のものを最大仮想拡散源として推定し、前記最大仮想拡散源と前記拡散源候補が一致するまで、前記最大仮想拡散源を前記拡散源候補に置換して前記仮想拡散源の再配置処理から繰り返すことにより前記拡散源推定指標が最大化される位置を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の拡散源位置推定装置。
3. 前記情報処理部は、
   少なくとも前記仮想観測点における濃度情報及び位置情報と、前記仮想拡散源の位置情報と、を使用し、大気拡散計算モデルにより、それぞれの前記仮想拡散源がそれぞれの前記仮想観測点に与える影響関数を算出し、
   それぞれの前記影響関数と、それぞれの前記仮想観測点における前記濃度情報と、を用いて、統計的手法により前記仮想拡散源ごとに、前記仮想拡散物質の到達範囲の一致度を示す第１の拡散源推定指標と前記仮想拡散物質の相対的な濃淡の一致度を示す第２の拡散源推定指標と、を算出し、前記第１の拡散源推定指標から前記第２の拡散源推定指標を減算して前記拡散源推定指標を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の拡散源位置推定装置。
4. 前記拡散源位置推定装置は、前記第１の推定モードにおいて、最も大きい前記濃度情報を示す前記仮想観測点を最初の前記拡散源候補として設定すること、又は、前記仮想拡散源ごとに前記拡散源推定指標を算出し、その中で最も大きい値を示す前記仮想拡散源を拡散源候補として設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の拡散源位置推定装置。
5. 前記仮想空間内における前記仮想観測点と前記仮想拡散源の位置情報は、前記仮想空間内の周囲枠の横軸と縦軸が交わる１点を原点として、横軸方向をＸ軸、縦軸をＹ軸方向、として示す座標軸情報である
   ことを特徴とする請求項１に記載の拡散源位置推定装置。
6. 所定のエリアにおいて大気中に拡散した拡散物質の拡散源の位置を推定する拡散源位置推定方法であって、
   推定装置は、
   前記所定エリアに配置された複数の観測装置から前記拡散物質の濃度情報を取得し、
   前記所定のエリアを模擬した仮想空間を構築し、
   前記仮想空間内において、前記仮想空間内に前記観測装置に対応する仮想観測点と仮想拡散物質を拡散させる複数の仮想拡散源と、を配置し、
   統計的手法により、前記仮想拡散源の現況再現性の高さを示す拡散源推定指標を前記仮想拡散源ごとに求め、
   前記拡散源推定指標が最大化されるまで、前記仮想拡散源の配置位置を再配置して前記拡散源推定指標を算出する処理を繰返し、前記拡散源推定指標が最大化された位置を前記拡散源として推定する
   ことを特徴とする拡散源位置推定方法。

Images