JP6977605B2 - Sewer pipe culvert water level prediction device and sewer pipe culvert water level prediction method - Google Patents
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Description
本発明は、下水道管渠内水位予測装置及び下水道管渠内水位予測方法に関する。 The present invention relates to a sewer pipe in-ditch water level predicting device and a sewer pipe in-drain water level predicting method.
近年、集中豪雨等による水害への対策として、下水道管渠内水位を予測する技術の開発が進められている。 In recent years, as a countermeasure against flood damage caused by torrential rain, etc., the development of technology for predicting the water level in sewer pipes has been promoted.
従来技術の一例である特許文献1には、浸水状況及び浸水被害状況を予測し、強制排水の管理も制御することのできるリアル浸水マップシステムが開示されている。特許文献1に開示されたリアル浸水マップシステムは、少なくとも対象地域の過去及び現在の降雨データと、対象地域の地形データとを用いて下水道管渠内の水位を予測する。 Patent Document 1, which is an example of the prior art, discloses a real inundation map system capable of predicting an inundation situation and an inundation damage situation and controlling the management of forced drainage. The real inundation map system disclosed in Patent Document 1 predicts the water level in the sewer pipe using at least the past and present rainfall data of the target area and the topographical data of the target area.
また、従来技術の一例である非特許文献1には、ニューラルネットワークとファジー理論とを用いたダム流入量予測システムが開示されている。非特許文献1に開示されたダム流入量予測システムは、流入量の小さい定常時と流入量の大きい洪水時とをそれぞれ学習した2つのニューラルネットワークの出力値をファジー推論により融合して流出量を予測する。2つのニューラルネットワークの学習に用いる学習データは、定常時と洪水時とに分割されるが、分割の指標は、ダム流入量の大小に応じて事前に定めたダム流入量の値によって決定される。 Further, Non-Patent Document 1 which is an example of the prior art discloses a dam inflow prediction system using a neural network and fuzzy theory. The dam inflow prediction system disclosed in Non-Patent Document 1 fuses the output values of two neural networks learned in a steady state with a small inflow and a flood with a large inflow by fuzzy inference to obtain an outflow. Predict. The training data used for training the two neural networks is divided into steady time and flood time, and the index of division is determined by the value of the dam inflow amount determined in advance according to the magnitude of the dam inflow amount. ..
しかしながら、特許文献1に開示された技術によれば、対象地域の地形データをはじめとした様々なデータを要し、設定すべき情報量が膨大であるため、多大な時間及びコストを要する、という問題があった。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1, various data including topographical data of the target area are required, and the amount of information to be set is enormous, so that a large amount of time and cost are required. There was a problem.
また、非特許文献1に開示された技術では、事前に固定された値によって学習データを分割するため、分割された各範囲に学習データが少ない又は存在しない場合があり、このような場合には予測の信頼性が低い、という問題があった。 Further, in the technique disclosed in Non-Patent Document 1, since the training data is divided by a predetermined value, the training data may be small or absent in each divided range. In such a case, the training data may be small or absent. There was a problem that the reliability of the prediction was low.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、予測の信頼性を担保しつつ、短時間及び低コストで下水道管渠内水位の予測を行うことを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to predict the water level in a sewer pipe in a short time and at low cost while ensuring the reliability of the prediction.
上述の課題を解決して目的を達成する本発明は、対象地域における予測対象時刻の下水道管渠内の水位を予測する下水道管渠内水位予測装置であって、前記対象地域における下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを蓄積するデータ蓄積部と、前記データ蓄積部のデータを用いて、複数の線形回帰モデルの学習を行ってパラメータを決定するモデル学習部と、前記データ蓄積部のデータを用いて、前記下水道管渠内の水位を分割するしきい値を生成するしきい値生成部と、複数の前記線形回帰モデルの前記パラメータ及び前記しきい値を記憶する学習パラメータ記憶部と、前記データ蓄積部のデータ及び前記学習パラメータ記憶部に記憶された前記パラメータを用いて、下水道管渠内水位予測値を算出する水位予測値算出部とを備えた下水道管渠内水位予測装置である。 The present invention that solves the above-mentioned problems and achieves an object is a sewer pipe water level predicting device that predicts the water level in the sewer pipe at the predicted target time in the target area, and is in the sewer pipe in the target area. Data of the data storage unit, a data storage unit that stores water level data and mesh precipitation data, a model learning unit that learns a plurality of linear regression models using the data of the data storage unit, and determines parameters. A threshold generation unit that generates a threshold for dividing the water level in the sewer pipe, a learning parameter storage unit that stores the parameters of the plurality of linear regression models, and the thresholds. It is a sewer pipe water level prediction device provided with a water level prediction value calculation unit that calculates a water level prediction value in the sewer pipe using the data of the data storage unit and the parameter stored in the learning parameter storage unit. ..
上記構成の下水道管渠内水位予測装置において、前記しきい値生成部は、前記しきい値をクラスタリングにより生成することができる。 In the sewer pipe water level prediction device having the above configuration, the threshold value generation unit can generate the threshold value by clustering.
又は、上記構成の下水道管渠内水位予測装置において、前記しきい値生成部は、前記しきい値を近傍探索法により生成することもできる。 Alternatively, in the sewer pipe water level prediction device having the above configuration, the threshold value generation unit may generate the threshold value by a neighborhood search method.
上記構成の前記しきい値を前記近傍探索法により生成する下水道管渠内水位予測装置において、前記近傍探索法の目的関数には学習データ数が含まれることが好ましい。 In the sewer pipe water level prediction device that generates the threshold value of the above configuration by the neighborhood search method, it is preferable that the objective function of the neighborhood search method includes the number of training data.
又は、本発明は、対象地域における予測対象時刻の下水道管渠内の水位を予測する下水道管渠内水位予測方法であって、前記対象地域における下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを用いて、複数の線形回帰モデルの学習を行ってパラメータを決定すること、前記下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを用いて、前記下水道管渠内の水位を分割するしきい値を生成すること、複数の前記線形回帰モデルの前記パラメータ及び前記しきい値を記憶すること、前記下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データ並びに前記パラメータを用いて、下水道管渠内水位予測値を算出することを含む。 Alternatively, the present invention is a method for predicting the water level in the sewer pipe in the target area at the predicted target time, using the water level data in the sewer pipe and the mesh precipitation data in the target area. Then, by training a plurality of linear regression models to determine parameters, and using the sewerage pipe water level data and mesh precipitation data, a threshold for dividing the water level in the sewerage pipe is generated. That, the parameters and the thresholds of the plurality of linear regression models are stored, the water level data in the sewer pipe and the mesh precipitation data, and the parameters are used to calculate the predicted value of the water level in the sewer pipe. Including that.
本発明によれば、予測の信頼性を担保しつつ、短時間及び低コストで下水道管渠内水位の予測を行うことができる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to predict the water level in the sewer pipe in a short time and at low cost while ensuring the reliability of the prediction.
以下、添付図面を参照して、本発明の下水道管渠内水位予測装置及び下水道管渠内水位予測方法を実施するための形態について説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。 Hereinafter, a mode for implementing the sewer pipe in-ditch water level prediction device and the sewer pipe in-drain water level prediction method of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the description of the following embodiments.
<実施形態1>
図1は、本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置の構成を示すブロック図である。図1に示す下水道管渠内水位予測装置100は、データ蓄積部101と、モデル学習部102と、しきい値生成部103と、学習パラメータ記憶部104と、水位予測値算出部105とを備える。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a water level prediction device in a sewer pipe according to the present embodiment. The sewer pipe water
データ蓄積部101は、メッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データをリアルタイムに取得して蓄積する。メッシュ降水量データは、対象地点を含む一定範囲における、メッシュ降水量実況値及びメッシュ降水量予測値を含む。また、下水道管渠内水位データは、対象地点周辺の下水道管渠内水位を含む。ここで、現時点より過去のメッシュ降水量としては、メッシュ降水量実況値を用いればよく、現時点より先のメッシュ降水量としては、メッシュ降水量予測値を用いればよい。データ蓄積部101に蓄積されたメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データは、モデル学習部102、しきい値生成部103及び水位予測値算出部105に供給される。データ蓄積部101は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
The
モデル学習部102は、データ蓄積部101に蓄積されたメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データと、ユーザにより入力されるクラスタ数K及び初期しきい値δk initとを取得して、これらのデータを用いて複数の線形回帰モデルを構築し、学習を行ってパラメータを決定する。なお、モデル学習部102は、しきい値生成部103によって生成されるしきい値^δkによって分割される下水道管渠内水位の領域数(クラスタ数)と同数の線形回帰モデルを生成する。ここで、「^δk」は「δk」の上に「^(サーカムフレックス)」が配置された文字の代替表記である。分割された下水道管渠内水位の領域数(クラスタ数)は、しきい値生成部103によって生成されたしきい値の数に1を加算した数となる。モデル学習部102は、MPU(Micro-Processing Unit)及びCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサにより実現することができる。
しきい値生成部103は、データ蓄積部101に蓄積されたメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データと初期しきい値δk initとを取得し、クラスタリングによりこれらのデータを下水道管渠内水位について分割するしきい値^δkを生成する。しきい値生成部103によって生成された下水道管渠内水位のしきい値^δkにより、モデル学習部102が生成した複数の線形回帰モデルが各クラスタに割り当てられる。しきい値生成部103は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
学習パラメータ記憶部104は、モデル学習部102で決定された複数の線形回帰モデルのパラメータと、しきい値生成部103で生成されたクラスタのしきい値^δkとを記憶する。学習パラメータ記憶部104は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
The learning
水位予測値算出部105は、データ蓄積部101に蓄積されたメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データと、学習パラメータ記憶部104に記憶されたしきい値^δk及び複数の線形回帰モデルのパラメータとを取得し、予測対象時刻における下水道管渠内水位予測値を算出する。ここで、下水道管渠内水位予測値の算出時には、モデル学習部102が構築した複数の線形回帰モデルのうち、データ蓄積部101から取得した現在の下水道管渠内水位値があてはまる領域の線形回帰モデルを選択する。水位予測値算出部105は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
The water level prediction
なお、上述の下水道管渠内水位予測装置100が備える構成のうちプロセッサにより実現されるものは同一の1つのプロセッサにより実現されていてもよい。また、上述の下水道管渠内水位予測装置100が備える構成のうち記録媒体により実現されるものは同一の1つの記録媒体により実現されていてもよい。
It should be noted that among the configurations included in the above-mentioned sewer pipe water
<モデル学習部102の動作>
図2は、図1に示すモデル学習部102の動作を示すフローチャートである。まず、処理を開始すると、モデル学習部102は、データ蓄積部101からメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データを取得する(S101:データ取得ステップ)。
<Operation of
FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the
次に、モデル学習部102は、ユーザの入力に基づいて、クラスタ数Kと、K−1個の初期しきい値δk initとを設定する(S102:データ入力ステップ)。クラスタ数Kは、下水道管渠内水位データの分割数であり、図示しない入力装置を用いて、ユーザにより決定されて入力される値である。初期しきい値δk initは、予測を望む下水道管渠内水位に応じて、ユーザによって決定されて入力される設定値である。一例として、満管の50%〜80%の範囲における下水道管渠内水位の予測を望む場合には、クラスタ数K=3、2個の初期しきい値δ1 init=50%,δ2 init=80%がユーザにより入力される。モデル学習部102は、クラスタ数K=3と、初期しきい値δ1 init=50%,δ2 init=80%とを設定する。初期しきい値δk initはしきい値生成部103に供給され、しきい値生成部103は、後述のように、初期しきい値δk initからしきい値^δkを生成する。
Next, the
次に、モデル学習部102は、しきい値生成部103からしきい値^δkを取得する(S103:しきい値取得ステップ)。このS102〜S103をクラスタリングステップと称する。ここで、kは、1からK−1までの整数である。
Next, the
次に、モデル学習部102は、S103において取得したしきい値^δkを用いて、下水道管渠内水位に応じて学習データをクラスタに分割し、各クラスタにおける線形回帰モデルを学習させる(S104:線形回帰モデル学習ステップ)。
Next, the
次に、モデル学習部102は、S103において取得したしきい値^δkと、S104の学習により得た複数の線形回帰モデルのパラメータとを学習パラメータ記憶部104に出力し、処理を終了する(S105:学習結果出力ステップ)。
Next, the
<しきい値生成部103の動作>
しきい値生成部103は、モデル学習部102から初期しきい値δk initを取得して初期値とし、クラスタリング手法により、学習データの分布に基づいてしきい値^δkを生成する。ここで、クラスタリング手法としては、k−means法及び混合正規分布を例示することができる。
<Operation of
<水位予測値算出部105の動作>
図3は、図1に示す水位予測値算出部105の動作を示すフローチャートである。
<Operation of water level prediction
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the water level prediction
まず、処理を開始すると、水位予測値算出部105は、学習パラメータ記憶部104から、しきい値生成部103で生成されたしきい値^δkと、モデル学習部102で決定された複数の線形回帰モデルのパラメータとを取得する(S201:モデルパラメータ取得ステップ)。
First, when the process is started, the water level prediction
次に、水位予測値算出部105は、データ蓄積部101から、現在時刻における最新のメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データを取得する(S202:現在データ取得ステップ)。
Next, the water level prediction
次に、水位予測値算出部105は、S202で取得した現在時刻における下水道管渠内水位としきい値^δkとを比較することで、現在時刻における下水道管渠内水位の所属クラスタを選択する(S203:クラスタ選択ステップ)。
Next, the water level prediction
次に、水位予測値算出部105は、S203において決定されたクラスタの線形回帰モデルを用いて、現在時刻よりも先の時刻における下水道管渠内水位を予測する(S204:水位予測ステップ)。
Next, the water level prediction
次に、水位予測値算出部105は、S204において予測した下水道管渠内水位を下水道管渠内水位予測値として算出する(S205:下水道管渠内水位予測値出力ステップ)。ここで、現在時刻が予測終了時刻に到達していれば、処理を終了する。現在時刻が予測終了時刻に到達していなければ、S202に戻り、データ蓄積部101から更に先の時刻のメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データを取得し、予測終了時刻に到達するまでS202〜S205の処理を繰り返す。
Next, the water level prediction
なお、S205における下水道管渠内水位予測値の出力先としては、ユーザインターフェースであるディスプレイ及びプリンタを例示することができる。 As the output destination of the predicted water level in the sewer pipe in S205, a display and a printer, which are user interfaces, can be exemplified.
図4は、横軸を時刻とし、縦軸を管渠内水位とした管渠内水位の経時変化を示す図である。ここでは、図4に示すように、しきい値δ1,δ2により、管渠内水位が3つの領域に分割されており、第1クラスタには第1の線形回帰モデルが設定され、第2クラスタには第2の線形回帰モデルが設定され、第3クラスタには第3の線形回帰モデルが設定されている。図4において、現在時刻よりも過去の所定時刻における管渠内水位は黒丸により表されている。 FIG. 4 is a diagram showing the time course of the water level in the pipe, with the horizontal axis representing the time and the vertical axis representing the water level in the pipe. Here, as shown in FIG. 4, the water level in the conduit is divided into three regions by the threshold values δ 1 and δ 2 , and the first linear regression model is set in the first cluster, and the first linear regression model is set. A second linear regression model is set in the two clusters, and a third linear regression model is set in the third cluster. In FIG. 4, the water level in the pipe at a predetermined time earlier than the current time is represented by a black circle.
以上説明した本実施形態によれば、対象地域の地形データ等を用いることなく複数の線形回帰モデルを用いることで、一定範囲のメッシュ降水量データ及び下水道管渠内水位データによって水位予測を高精度に行うことができる。また、本実施形態によれば、クラスタリングによってデータを分割するしきい値を生成するため、学習データの分布及び数を考慮した学習が可能である。更には、線形回帰モデルを用いているため、高速な学習が可能である。 According to the present embodiment described above, by using a plurality of linear regression models without using the topographical data of the target area, etc., the water level prediction is highly accurate by the mesh precipitation data in a certain range and the water level data in the sewer pipe. Can be done. Further, according to the present embodiment, since the threshold value for dividing the data is generated by clustering, it is possible to perform learning in consideration of the distribution and number of learning data. Furthermore, since a linear regression model is used, high-speed learning is possible.
<実施形態2>
実施形態1ではクラスタリングによりしきい値を生成するしきい値生成部を備える下水道管渠内水位予測装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施形態では、局所探索法によりしきい値を生成するしきい値生成部を備える下水道管渠内水位予測装置について説明する。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, a sewer pipe water level prediction device including a threshold value generation unit that generates a threshold value by clustering has been described, but the present invention is not limited thereto. In this embodiment, a sewer pipe water level prediction device including a threshold value generation unit that generates a threshold value by a local search method will be described.
本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置は、図1に示す下水道管渠内水位予測装置とはしきい値生成部の構成及び動作が異なるのみであり、その他の構成は図1に示すものと同じであるため、実施形態1の説明を援用する。 The sewer pipe water level prediction device according to the present embodiment differs from the sewer pipe water level prediction device shown in FIG. 1 only in the configuration and operation of the threshold generation unit, and the other configurations are shown in FIG. Since it is the same as that of the above, the description of the first embodiment is incorporated.
まず、本実施形態の前提として、学習データの取得期間が短く、学習データの交差検証による予測値の信頼性が低い場合に大域的最適化を行うと、予測値の信頼性が著しく低下することがある。他方で、局所探索法による局所的最適化では、ドメイン知識を有するユーザが初期しきい値を決定するので、初期しきい値から大きく逸脱することを避けることができ、学習データの取得期間が短い場合にも予測値の信頼性を担保することができる。本実施形態におけるしきい値生成部は、学習データに対して交差検証を行い、得られた予測精度を目的関数として局所探索法を行うことで予測精度の高いしきい値を生成する。 First, as a premise of this embodiment, if the acquisition period of the training data is short and the reliability of the predicted value by cross-validation of the training data is low, if the global optimization is performed, the reliability of the predicted value is significantly lowered. There is. On the other hand, in the local optimization by the local search method, since the user having domain knowledge determines the initial threshold value, it is possible to avoid a large deviation from the initial threshold value, and the acquisition period of training data is short. In some cases, the reliability of the predicted value can be guaranteed. The threshold value generation unit in the present embodiment performs cross-validation on the training data and performs a local search method using the obtained prediction accuracy as an objective function to generate a threshold value with high prediction accuracy.
<しきい値生成部103Aの構成>
図5は、本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置が備えるしきい値生成部103Aの構成を示すブロック図である。図5に示すしきい値生成部103Aは、現在しきい値記憶部131と、終了判定部132と、近傍しきい値生成部133と、クラスタ分割部134と、交差検証部135と、しきい値更新部136とを備える。
<Configuration of
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the threshold
現在しきい値記憶部131は、現在しきい値を記憶する。現在しきい値記憶部131は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
The current
終了判定部132は、局所探索法のアルゴリズムに応じて与えられた終了条件によって終了判定を行う。終了判定部132は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
The
近傍しきい値生成部133は、局所探索法のアルゴリズムに従って、現在のしきい値δkの近傍しきい値 ̄δk nを生成する。ここで、「 ̄δk n」は「δk n」の上に「 ̄(オーバーライン)」が配置された文字の代替表記である。また、nは、1からNまでの整数であり、Nは正の整数の集合の元である。近傍しきい値生成部133は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
Near
クラスタ分割部134は、近傍しきい値 ̄δk nによって管渠内水位をK個のクラスタに分割する。クラスタ分割部134は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
交差検証部135は、学習データにおける交差検証を行い、得られた予測精度Fを評価値として算出する。交差検証部135は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
The
しきい値更新部136は、近傍しきい値 ̄δk nの評価値である予測精度Fをもとに、局所探索法のアルゴリズムに従って現在のしきい値δkを更新する。しきい値更新部136は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
<しきい値生成部103Aの動作>
図6は、本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置が備えるしきい値生成部103Aの動作を示すフローチャートである。まず、処理を開始すると、しきい値生成部103Aは、初期しきい値δk initを現在のしきい値δkとする(S301:初期しきい値決定ステップ)。
<Operation of
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the threshold
次に、終了判定部132は、終了条件を満たしているか否かを判定する(S302:終了判定ステップ)。ここで、終了条件は、局所探索法のアルゴリズムに応じて与えられる。終了条件を満たす場合(S302:終了)には、しきい値生成部103Aは、現在のしきい値δkをしきい値^δkとして出力し(S307:しきい値出力ステップ)、処理を終了する。
Next, the
終了条件を満たさない場合(S302:継続)には、近傍しきい値生成部133は、局所探索法のアルゴリズムに従って、現在のしきい値δkの近傍しきい値 ̄δk nを生成する(S303:近傍しきい値生成ステップ)。
If the end condition is not satisfied: in (S302 continuation) is near the threshold
次に、クラスタ分割部134は、近傍しきい値 ̄δk nによって管渠内水位をK個のクラスタに分割する(S304:クラスタ分割ステップ)。
Then, the
次に、交差検証部135は、学習データにおける交差検証を行い、得られた予測精度Fを評価値として算出する(S305:予測精度Fによる評価ステップ)。ここで、交差検証では、学習データを模擬学習データと模擬検証データとに分割し、模擬学習データを用いてモデル学習を行い、模擬検証データを用いて水位予測を行うことで予測精度Fを得て、汎化性能の評価が行われる。
Next, the
次に、しきい値更新部136は、近傍しきい値 ̄δk nの評価値である予測精度Fをもとに、局所探索法のアルゴリズムに従って現在のしきい値δkを更新する(S306:しきい値更新ステップ)。しきい値更新部136は、更新した現在のしきい値δkを現在しきい値記憶部131に記憶した後に、終了判定部132は、終了条件を満たしているか否かを判定し(S302:終了判定ステップ)、終了条件を満たす場合(S302:終了)には、しきい値生成部103Aは、現在のしきい値δkを出力し(S307:しきい値出力ステップ)、処理を終了する。
Next, the
なお、上述のしきい値生成部103Aが備える構成のうちプロセッサにより実現されるものは、同一の1つのプロセッサにより実現されていてもよいし、また、上述のしきい値生成部103Aが備える構成のうち記録媒体により実現されるものは、同一の1つの記録媒体により実現されていてもよい。
Of the configurations included in the above-mentioned threshold
以上説明した本実施形態によれば、予測精度を評価することが可能であるため、管渠内水位予測値の精度を実施形態1よりも更に高くすることができる。 According to the present embodiment described above, since the prediction accuracy can be evaluated, the accuracy of the water level prediction value in the pipe can be further improved as compared with the first embodiment.
<実施形態3>
実施形態1ではクラスタリングによりしきい値を生成するしきい値生成部を備える下水道管渠内水位予測装置について説明し、実施形態2では、局所探索法の目的関数を交差検証による予測精度とした単目的最適化の局所探索法によりしきい値を生成するしきい値生成部を備える下水道管渠内水位予測装置について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施形態では、交差検証による予測精度に加えて、分割された各クラスタが保有する学習データ数も目的関数に含めた多目的最適化の局所探索法によりしきい値を生成するしきい値生成部を備える下水道管渠内水位予測装置について説明する。
<Embodiment 3>
In the first embodiment, a water level prediction device in a sewer pipe including a threshold value generation unit that generates a threshold value by clustering will be described, and in the second embodiment, the objective function of the local search method is simply defined as the prediction accuracy by cross-validation. Although the water level prediction device in the sewer pipe including the threshold value generation unit that generates the threshold value by the local search method of objective optimization has been described, the present invention is not limited thereto. In this embodiment, in addition to the prediction accuracy by cross-validation, the threshold generation unit that generates a threshold by a local search method of multi-objective optimization that includes the number of training data held by each divided cluster in the objective function. The water level prediction device in the sewer pipe culvert equipped with the above will be described.
本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置は、図1に示す下水道管渠内水位予測装置とはしきい値生成部の構成及び動作のみが異なり、その他の構成は図1に示すものと同じであるため、実施形態1の説明を援用する。また、本実施形態に係る下水道管渠内水位予測装置が備えるしきい値生成部は、図5に示すしきい値生成部とは動作のみが異なる、構成は図5に示すものと同じであるため、実施形態2の説明を援用する。 The sewer pipe water level prediction device according to the present embodiment differs from the sewer pipe water level prediction device shown in FIG. 1 only in the configuration and operation of the threshold generation unit, and the other configurations are as shown in FIG. Since they are the same, the description of the first embodiment is incorporated. Further, the threshold value generation unit included in the water level prediction device in the sewer pipe according to the present embodiment differs only in the operation from the threshold value generation unit shown in FIG. 5, and the configuration is the same as that shown in FIG. Therefore, the description of the second embodiment is used.
<しきい値生成部103Aの動作>
図7は、実施形態3に係る下水道管渠内水位予測装置が備えるしきい値生成部の動作を示すフローチャートである。図7は、図6のS305をS305Aに変更したのみであり、その他のステップは図6と同じであるため、実施形態2の説明を援用する。
<Operation of
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the threshold value generation unit included in the water level prediction device in the sewer pipe according to the third embodiment. In FIG. 7, only S305 in FIG. 6 is changed to S305A, and the other steps are the same as in FIG. 6, so the description of the second embodiment is incorporated.
しきい値生成部103Aは、学習データにおける交差検証で得られた予測精度Fを算出し、近傍しきい値 ̄δk nによって分割された各クラスタが保有する学習データ数Mkと、予測精度Fとを用いて、下記の式(1)の評価関数により予測精度の評価を行う(S305A:予測精度F及び学習データ数Mkによる評価ステップ)。
上記の式(1)の多目的関数は、関数fを加重和関数として、下記の式(2)により評価値を算出することを一般的な解法として例示することができる。なお、w1及びωkは、重み定数である。 The multi-objective function of the above equation (1) can be exemplified by using the function f as a weighted sum function and calculating the evaluation value by the following equation (2) as a general solution. Note that w 1 and ω k are weight constants.
上記の式(2)では、学習データ数Mkに対する重みωkを適切に設定することで各クラスタの学習データ数に優先度を設定することができる。 In the above formula (2), it is possible to set the priority to the number of learning data for each cluster by appropriately setting the weight omega k on learning data number M k.
又は、上記の式(1)の多目的関数は、評価値を予測精度Fのみとして、ε制約法により、学習データ数Mkの最大化が下記の式(3)の制約条件に帰着することを解法として例示することができる。 Alternatively, in the multipurpose function of the above equation (1), the evaluation value is only the prediction accuracy F, and the maximization of the number of training data Mk is reduced to the constraint condition of the following equation (3) by the ε constraint method. It can be exemplified as a solution method.
上記の式(3)では、優先度の高いクラスタのεkを大きくすることで優先度の設定が可能になる。 In the above equation (3), the priority can be set by increasing the ε k of the cluster having a high priority.
これにより、学習データ数が少なくなる傾向にある範囲(例えば、高水位のデータ)のクラスタに対して学習データ数を担保することに加え、ドメイン知識を有するユーザが、優先的に予測したいデータが属するクラスタの優先度を高くするといった調整も可能である。すなわち、全体の予測精度Fを確保しつつ、各クラスタの予測精度の自由度を高めることができる。 As a result, in addition to guaranteeing the number of training data for the cluster in the range where the number of training data tends to decrease (for example, high water level data), the data that the user having domain knowledge wants to predict preferentially can be obtained. It is also possible to make adjustments such as increasing the priority of the cluster to which it belongs. That is, it is possible to increase the degree of freedom in the prediction accuracy of each cluster while ensuring the overall prediction accuracy F.
一例として、クラスタ数K=2として高水位範囲と低水位範囲とに分割する場合について説明する。ここで、低水位範囲の学習データ数は、高水位範囲の学習データ数よりも非常に多く、低水位範囲の学習データ数は高水位範囲の学習データ数より十分に大きく、100倍以上であるとする。 As an example, a case where the number of clusters is K = 2 and the water level is divided into a high water level range and a low water level range will be described. Here, the number of training data in the low water level range is much larger than the number of training data in the high water level range, and the number of training data in the low water level range is sufficiently larger than the number of training data in the high water level range, which is 100 times or more. And.
このとき、学習データ数の少ない高水位範囲のデータにフィッティングするよりも、学習データ数の多い低水位範囲のデータにフィッティングするほうが、全体の予測精度Fが高くなる。そのため、しきい値δ1は、低水位範囲の学習データ数が多くなるように、すなわちしきい値δ1が高くなるように設計される。 At this time, the overall prediction accuracy F is higher when fitting to the data in the low water level range where the number of training data is large than when fitting to the data in the high water level range where the number of training data is small. Therefore, the threshold value δ 1 is designed so that the number of training data in the low water level range is large, that is, the threshold value δ 1 is high.
しかしながら、集中豪雨等による水害への対策としては、高水位範囲の予測が特に重要である。そこで、高水位範囲のデータ数の重みω2を大きくすると、高水位範囲のデータ数が確保され、すなわちしきい値δ1が低くなるように設計されることになり、全体の予測精度Fを高く維持しつつ、高水位範囲のデータの予測精度も高くすることができる。 However, it is especially important to predict the high water level range as a countermeasure against flood damage caused by torrential rain. Therefore, if the weight ω 2 of the number of data in the high water level range is increased, the number of data in the high water level range is secured, that is, the threshold value δ 1 is designed to be low, and the overall prediction accuracy F is determined. While maintaining high, the prediction accuracy of data in the high water level range can be improved.
以上説明した本実施形態によれば、管渠内水位のしきい値を決定する局所探索法において、予測精度に加えて学習データ数を評価値に含めることで、全体としての予測精度を高めつつ、重要度の高いクラスタの学習データ数が少ない場合であっても当該クラスタの予測精度を高くすることができる。 According to the present embodiment described above, in the local search method for determining the threshold value of the water level in the conduit, the prediction accuracy as a whole is improved by including the number of training data in the evaluation value in addition to the prediction accuracy. Even when the number of training data of a cluster of high importance is small, the prediction accuracy of the cluster can be improved.
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、上述の構成に対して、構成要素の付加、削除又は転換を行った様々な変形例も含むものとする。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications in which components are added, deleted, or converted from the above-mentioned configuration.
100 下水道管渠内水位予測装置
101 データ蓄積部
102 モデル学習部
103,103A しきい値生成部
104 学習パラメータ記憶部
105 水位予測値算出部
131 現在しきい値記憶部
132 終了判定部
133 近傍しきい値生成部
134 クラスタ分割部
135 交差検証部
136 しきい値更新部
100 Sewer pipe water
Claims (5)
前記対象地域における下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを蓄積するデータ蓄積部と、
前記データ蓄積部のデータを用いて、複数の線形回帰モデルの学習を行ってパラメータを決定するモデル学習部と、
前記データ蓄積部のデータを用いて、前記下水道管渠内の水位を分割するしきい値を生成するしきい値生成部と、
複数の前記線形回帰モデルの前記パラメータ及び前記しきい値を記憶する学習パラメータ記憶部と、
前記データ蓄積部のデータ及び前記学習パラメータ記憶部に記憶された前記パラメータを用いて、下水道管渠内水位予測値を算出する水位予測値算出部とを備えた下水道管渠内水位予測装置。 It is a sewer pipe water level prediction device that predicts the water level in the sewer pipe at the prediction target time in the target area.
A data storage unit that stores water level data in sewer pipes and mesh precipitation data in the target area,
A model learning unit that learns a plurality of linear regression models and determines parameters using the data of the data storage unit, and a model learning unit.
A threshold generation unit that generates a threshold value for dividing the water level in the sewer pipe using the data of the data storage unit, and
A learning parameter storage unit that stores the parameters and thresholds of the plurality of linear regression models, and
A sewer pipe water level prediction device including a water level prediction value calculation unit for calculating a water level prediction value in a sewer pipe using the data of the data storage unit and the parameters stored in the learning parameter storage unit.
モデル学習部が、前記対象地域における下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを用いて、複数の線形回帰モデルの学習を行ってパラメータを決定すること、
しきい値生成部が、前記下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データを用いて、前記下水道管渠内の水位を分割するしきい値を生成すること、
学習パラメータ記憶部が、複数の前記線形回帰モデルの前記パラメータ及び前記しきい値を記憶すること、
水位予測値算出部が、前記下水道管渠内水位データ及びメッシュ降水量データ並びに前記パラメータを用いて、下水道管渠内水位予測値を算出することを含む下水道管渠内水位予測方法。 It is a method of predicting the water level in the sewer pipe in the sewer pipe at the prediction target time in the target area.
The model learning unit learns a plurality of linear regression models using the water level data in the sewer pipe and the mesh precipitation data in the target area to determine the parameters.
The threshold value generation unit uses the sewerage pipe water level data and the mesh precipitation data to generate a threshold value for dividing the water level in the sewerage pipe.
The learning parameter storage unit stores the parameters and the threshold values of the plurality of linear regression models.
A method for predicting a water level in a sewer pipe, which comprises calculating a water level predicted value in the sewer pipe using the water level data in the sewer pipe, mesh precipitation data, and the parameters.
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