JP7103237B2 - Flow rate prediction device and flow rate prediction method - Google Patents
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Description
本発明は、流量予測装置及び流量予測方法に関する。 The present invention relates to a flow rate prediction device and a flow rate prediction method.
従来より、河川の流量を気象情報に基づいて予測することが、広く行われている。河川の流量予測は熟練を要する難易度の高いものであるため、これを自動化し、容易に河川の流量を予測することが提案されている。 Conventionally, it has been widely practiced to predict the flow rate of a river based on meteorological information. Since river flow rate prediction requires skill and is highly difficult, it has been proposed to automate this and easily predict river flow rate.
河川の流量予測の自動化においては、例えば特許文献1に開示されているように、ニューラルネットワークによる予測モデルを用いる場合がある。
特許文献1に開示されている流量予測装置は、ある箇所の雨量データが下流の流量に対して及ぼす影響度合いを複数箇所の雨量データそれぞれについて表す加重比を決定する加重比決定手段と、加重比と対応する雨量データとから算出された流域平均雨量データを用いて流量予測モデルを構築するモデル構築手段と、構築された流量予測モデルに対し、決定された加重比による流域平均雨量データを入力して予測流量に係る予測流量データを生成する予測手段と、を有する。
荷重比は、雨量の増減が下流の流量の増減に大きく影響を及ぼす箇所の雨量データの加重比を大きくし、また、雨量の増減が下流の流量の増減に小さく影響を及ぼす箇所の雨量データの加重比を小さくすることにより、決定される。より詳細には、雨量と流量の相関度合いである相関係数と、予測誤差とを基に、荷重比や流量予測モデルが評価される。学習と予測が繰り返し行われることにより、流量予測モデルが学習される。
In the automation of river flow rate prediction, for example, as disclosed in
The flow rate prediction device disclosed in
The load ratio increases the weighted ratio of the rainfall data at the location where the increase / decrease in rainfall has a large effect on the increase / decrease in the downstream flow rate, and the load ratio of the rainfall data at the location where the increase / decrease in rainfall has a small effect on the increase / decrease in the downstream flow rate. It is determined by reducing the weight ratio. More specifically, the load ratio and the flow rate prediction model are evaluated based on the correlation coefficient, which is the degree of correlation between rainfall and flow rate, and the prediction error. The flow rate prediction model is learned by repeating learning and prediction.
上記のような、ニューラルネットワークによる予測モデルを構築するためには、気象観測データや気象予測データなどの学習データが必要となる。しかし、特に高い予測精度が求められる、例えば台風や集中豪雨等の場合のような、流量、及びこれに大きな影響を及ぼす雨量が大きいデータは、流量及び雨量が小さいデータに比べると、格段に少ない。このため、流量及び雨量が大きい場合の予測精度が向上しない場合がある。 In order to build a prediction model using a neural network as described above, learning data such as meteorological observation data and meteorological prediction data is required. However, data with a large flow rate and a large amount of rainfall that has a large effect on the flow rate, such as in the case of a typhoon or torrential rain, which requires particularly high prediction accuracy, is much smaller than data with a small flow rate and rainfall. .. Therefore, the prediction accuracy may not be improved when the flow rate and rainfall are large.
これに対し、特許文献2には、次のようなニューラルネットワークによる予測モデルを用いた流量予測装置によって、将来の所定時間における河川などの流量を予測することが開示されている。予測モデルは、予報雨量データ、実績雨量データまたは実績流量データなどを加工した予測モデル構築用の学習データに基づいて構築される。予測モデル構築用データにおいては、平均雨量、流量または流量変化分が一定値以下のデータが削除され、平均雨量、流量または流量変化分が一定値以上のデータが複数倍されている。これにより、雨量または流量に関するデータの偏りに対応している。
特許文献2の流量予測装置においては、平均雨量は、複数の地点における雨量を合算して地点数で除算することにより求められる、地点平均値である。
On the other hand,
In the flow rate prediction device of
特許文献1の流量予測装置においては、上記のように、流量が大きい場合の予測精度が望ましくない場合がある。
また、学習と予測が繰り返し行われるため、予測モデルの学習に多くの時間を要する。このため、流量予測装置の導入が容易ではない。
In the flow rate prediction device of
In addition, since learning and prediction are repeated, it takes a lot of time to learn the prediction model. Therefore, it is not easy to introduce the flow rate prediction device.
特許文献2の流量予測装置においては、平均雨量、流量または流量変化分が一定値以上のデータを単純に複数倍、すなわち複製しているに過ぎない。すなわち、新たな情報を備えた学習データが追加されているわけではないため、学習データ全体としての情報量に変わりはない。
また、平均雨量は地点平均値であるため、地理的な情報が高い精度で反映されない。
更に、データ中の流量または流量変化分を一定値と比較することにより、どのデータを削除、あるいは複数倍するかを決定しているが、この一定値の決定に人間の恣意性が介在し、結果として適切な値が設定されない場合がある。
以上により、依然として、流量が大きい場合の予測精度が望ましくない可能性がある。
In the flow rate prediction device of
Moreover, since the average rainfall is a point average value, geographical information is not reflected with high accuracy.
Furthermore, by comparing the flow rate or the amount of change in the flow rate in the data with a constant value, it is determined which data is to be deleted or multiplied by multiple values, but human arbitrariness intervenes in the determination of this constant value. As a result, an appropriate value may not be set.
From the above, there is still a possibility that the prediction accuracy when the flow rate is large is not desirable.
本発明が解決しようとする課題は、河川の流量が大きい場合においても精度の高い流量予測が可能で、かつ導入が容易な、流量予測装置及び流量予測方法を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a flow rate prediction device and a flow rate prediction method capable of highly accurate flow rate prediction even when the flow rate of a river is large and easy to introduce.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、特定の河川の流量を予測する流量予測装置であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、前記河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、前記過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成する予測モデル学習部と、前記複数の予測モデルの各々に、現在における、前記河川に関係する、前記気象観測データ、前記気象予測データ、及び前記流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に前記河川の将来の流量を予測する、流量予測部と、を備えている、流量予測装置を提供する。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention is a flow rate prediction device that predicts the flow rate of a specific river, and obtains meteorological observation data, meteorological prediction data, and flow rate data related to the river at a past time that is an arbitrary time in the past. As training data, the prediction model learning unit that generates a plurality of prediction models by ensemble learning a plurality of weak learners so as to predict the flow rate after the past time, and each of the plurality of prediction models are currently In, the meteorological observation data, the meteorological prediction data, and the flow rate data related to the river are input to output a provisional future predicted flow rate, and based on a plurality of the provisional future predicted flow rates. Provided is a flow rate prediction device including a flow rate prediction unit for predicting the future flow rate of the river.
また、本発明は、特定の河川の流量を予測する流量予測方法であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、前記河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、前記過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成し、前記複数の予測モデルの各々に、現在における、前記河川に関係する、前記気象観測データ、前記気象予測データ、及び前記流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に前記河川の将来の流量を予測する、流量予測方法を提供する。 Further, the present invention is a flow rate prediction method for predicting the flow rate of a specific river, and obtains meteorological observation data, meteorological prediction data, and flow rate data related to the river at a past time which is an arbitrary time in the past. As training data, a plurality of weak learners are ensemble-learned so as to predict the flow rate after the past time, a plurality of prediction models are generated, and each of the plurality of prediction models is used in the current river. The relevant meteorological observation data, the meteorological forecast data, and the flow rate data are input to output a provisional future predicted flow rate, and the future of the river is based on a plurality of the provisional future predicted flow rates. A flow rate prediction method for predicting a flow rate is provided.
本発明によれば、河川の流量が大きい場合においても精度の高い流量予測が可能で、かつ導入が容易な、流量予測装置及び流量予測方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a flow rate prediction device and a flow rate prediction method capable of highly accurate flow rate prediction even when the flow rate of a river is large and easy to introduce.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態における流量予測装置は、特定の河川の流量を予測する流量予測装置であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成する予測モデル学習部と、複数の予測モデルの各々に、現在における、河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の暫定的な将来の予測流量を基に河川の将来の流量を予測する、流量予測部と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The flow rate prediction device in the present embodiment is a flow rate prediction device that predicts the flow rate of a specific river, and is related to the river at a past time, which is an arbitrary time in the past, meteorological observation data, meteorological prediction data, and flow rate. Using the data as training data, the predictive model learning unit that generates multiple predictive models by ensemble learning a plurality of weak learners so as to predict the flow rate after the past time, and each of the plurality of predictive models are currently In, the meteorological observation data, meteorological forecast data, and flow rate data related to the river are input to output the provisional future predicted flow rate, and the future flow rate of the river based on multiple provisional future predicted flow rates. It is equipped with a flow rate prediction unit that predicts.
図1は、本実施形態における流量予測装置のブロック図である。図2は、本実施形態における流量予測装置の、予測モデル学習部の入出力に関する説明図である。図3は、本実施形態における流量予測装置の、流量予測部の入出力に関する説明図である。
本実施形態における流量予測装置1は、特定の河川を対象として、当該河川の将来の流量を予測する。
FIG. 1 is a block diagram of the flow rate prediction device according to the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram regarding input / output of the prediction model learning unit of the flow rate prediction device according to the present embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram regarding input / output of the flow rate prediction unit of the flow rate prediction device according to the present embodiment.
The flow
流量予測装置1は、例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。流量予測装置1は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、流量記憶部13、データ加工部14、学習部15、予測モデルパラメータ記憶部16、及び予測部17を備えている。学習部15は、予測モデル学習部20を備えている。予測部17は、流量予測部30を備えている。
これら流量予測装置1の構成要素のうち、データ加工部14、予測モデル学習部20、及び流量予測部30は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、流量記憶部13、及び予測モデルパラメータ記憶部16は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。
The flow
Among the components of the flow
流量予測装置1の入力データは、気象観測データ2、気象予測データ3、及び流量データ4を含む。
気象観測データ2は、観測所等において実際に観測された気象データである。気象観測データ2は、少なくとも降雨量を含む。気象観測データ2は、降雨量のほかにも、気温、日射量、降雪量、積雪量等を含み得る。本実施形態においては、特に降雨量は、各地域に設けられた観測所において観測された観測所データ2oと、レーダー観測等により観測された、観測対象として含まれる地域を地図上で緯度経度により網目状に区画したメッシュデータ2mを備えている。過去から現在に至るまでの、流量予測装置1の予測対象となる河川に関係する気象観測データ2は、気象観測データ記憶部11に記憶される。
気象予測データ3は、例えば気象予報サービスにより提供される、気象を予測する時点における将来の、予測された気象データである。気象予測データ3も、気象観測データ2と同様に、少なくとも降雨量を含む。気象予測データ3は、降雨量のほかにも、気温、日射量、降雪量、積雪量等を含み得る。本実施形態においては、特に降雨量は、気象観測データ2と同様に、メッシュデータ3mを備えている。過去から現在に至るまでの、流量予測装置1の予測対象となる河川に関係する気象予測データ3は、気象予測データ記憶部12に記憶される。
流量データ4は、観測所等において実際に観測された流量データである。過去から現在に至るまでの、流量予測装置1の予測対象となる河川の流量データ4は、流量記憶部13に記憶される。
The input data of the flow
The
The
The
気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13に記憶された各データを基に、流量予測部30は河川の将来の流量を予測する。この予測を効果的に行うために、特に予測モデル学習部20は後に説明するように機械学習器を備えており、気象観測データ2、気象予測データ3、及び流量データ4を含む学習データを機械学習器に入力して機械学習を行い、河川の将来の流量の予測に関する予測モデルパラメータを生成する。
すなわち、流量予測装置1は大別して、河川の流量の学習と、流量の予測の、2通りの動作を行う。説明を簡単にするために、以下ではまず、流量の学習時における、流量予測装置1の各構成要素の説明をした後に、流量の予測時での各構成要素の挙動について説明する。
The flow
That is, the flow
流量の学習時には、機械学習器には、過去の任意の時刻である第1過去時刻(過去時刻)を想定し、第1過去時刻を基点とした各データ、すなわち、第1過去時刻の時点での実際の気象を観測した状況(過去時刻における気象観測データ)や、第1過去時刻の時点での気象予測状況(過去時刻における気象予測データ)、及び第1過去時刻の時点での流量(過去時刻における流量データ)等の、第1過去時刻において実際に生じた、または予測された事象が入力される。これらの入力に対し、機械学習器は、第1過去時刻よりも例えば1時間または2時間後、あるいは数時間後等の、第1過去時刻に対して相対的に将来の時刻である第2過去時刻までの時間帯における流量を予測する。
第2過去時刻は、機械学習器を学習させている時点においては過去の時刻であるため、第1過去時刻より後から第2過去時刻までの時間帯における流量は、実際に観測されてデータとして存在する。この、第1過去時刻より後の実際に観測された流量データを、機械学習器の予測した第1過去時刻より後の流量と比較し、予測した流量が実際に観測された流量データに近い値となるように、機械学習器は学習される。
At the time of learning the flow rate, the machine learner assumes the first past time (past time) which is an arbitrary time in the past, and each data based on the first past time, that is, at the time of the first past time. Actual weather observation status (meteorological observation data at past time), weather prediction status at the time of the first past time (weather prediction data at the past time), and flow rate at the time of the first past time (past) The event that actually occurred or was predicted in the first past time, such as the flow rate data at the time), is input. For these inputs, the machine learner has a second past, which is a time relative to the first past time, for example, one hour, two hours, or several hours after the first past time. Predict the flow rate in the time zone up to the time.
Since the second past time is the past time at the time when the machine learner is trained, the flow rate in the time zone from the first past time to the second past time is actually observed and used as data. exist. This actually observed flow rate data after the first past time is compared with the flow rate after the first past time predicted by the machine learning device, and the predicted flow rate is close to the actually observed flow rate data. The machine learner is learned so that
すなわち、流量の学習時において、機械学習器への入力として使用される気象観測データ2は、気象観測データ記憶部11に記憶された、第1過去時刻以前の気象観測データ(過去時刻における気象観測データ)2Aである。また、流量の学習時において、機械学習器への入力として使用される気象予測データ3は、気象予測データ記憶部12に記憶された、第1過去時刻より後の気象予測データ(過去時刻における気象予測データ)3Aである。更に、流量の学習時において、機械学習器への入力として使用される流量データ4は、第1過去時刻以前の流量データ(過去時刻における流量データ)4Aである。
第1過去時刻より後の気象予測データ3Aとしては、第1過去時刻以前で、かつ可能な限り第1過去時刻に近い、最新の気象予測データ3を使用するのが望ましい。
上記の値が入力された機械学習器によって出力された結果、すなわち第1過去時刻より後の予測流量(過去時刻より後の流量)5Aは、正解値としての、第1過去時刻より後の河川の、実際の流量データ(過去時刻における流量データ)4Cと比較される。
これらの、第1過去時刻以前の気象観測データ2A、第1過去時刻より後の気象予測データ3A、第1過去時刻以前の流量データ4A、及び正解値すなわち第1過去時刻より後の流量データ4Cが、機械学習器の学習データである。
That is, the
As the weather forecast data 3A after the first past time, it is desirable to use the latest
The result output by the machine learner to which the above value is input, that is, the predicted flow rate after the first past time (flow rate after the past time) 5A is the correct answer value of the river after the first past time. Is compared with the actual flow rate data (flow rate data at the past time) 4C.
These meteorological observation data 2A before the first past time, weather prediction data 3A after the first past time, flow
データ加工部14は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から、第1過去時刻以前の気象観測データ2A、第1過去時刻より後の気象予測データ3A、第1過去時刻以前の流量データ4A、及び第1過去時刻より後の流量データ4Cを取得し、各々を機械学習器の入出力形式に変換する。
データ加工部14は、変換した各データを、学習部15に送信する。
From the meteorological observation
The
学習部15は、データ加工部14から各データを受信する。
学習部15は、予測モデル学習部20によって、機械学習器を学習させて、学習済みの予測モデルを生成する。
本実施形態においては、アンサンブル学習により機械学習器を学習させる。アンサンブル学習は、機械学習器として複数の弱い学習器である、すなわち真に正しい回帰と若干の相関のある程度の弱学習器を用いた学習方法である。アンサンブル学習は、予測精度が十分に高くない可能性がある1つの予測モデルを用いて予測するよりは、異なる条件で複数の弱学習器を学習させて複数の予測モデルを生成し、この各々の予測モデルに予測させた複数の結果を組み合わせることで予測の精度を向上させるという考えに基づいている。
すなわち、予測モデル学習部20は複数の弱学習器21を備えており、予測モデル学習部20はこれら複数の弱学習器21をアンサンブル学習して、複数の予測モデル31を生成する。
The
The
In the present embodiment, the machine learner is learned by ensemble learning. Ensemble learning is a learning method using a plurality of weak learners as machine learners, that is, weak learners with a certain degree of correlation with truly correct regression. Rather than predicting using one prediction model that may not be sufficiently accurate in prediction, ensemble learning trains multiple weak learners under different conditions to generate multiple prediction models, each of which is used. It is based on the idea of improving the accuracy of prediction by combining multiple predicted results in a prediction model.
That is, the predictive
本実施形態においては、アンサンブル学習の学習方式として、ブースティングを適用している。ブースティングにおいては、複数の弱学習器21を一つずつ順番に学習して組み合わせることにより、弱学習器21全体としての予測精度を向上させる。より詳細には、ある弱学習器21を学習させるに際し、それより前に既に学習された弱学習器21において、予測値(本実施形態においては第1過去時刻より後の予測流量5A)と、正解値(本実施形態においては第1過去時刻より後の流量データ4C)との誤差が大きいデータに関して、優先的に誤差が小さくなるように学習させる。例えば、既に学習された弱学習器21において、第1のデータにおける予測値5Aと正解値4Cとの誤差が小さく、第2のデータにおける誤差が大きい場合、次に学習する弱学習器21は第2のデータを優先し、重視する。データは、例えば各データに対して重み付けを行うことにより優先順位をつけられてもよいし、既に学習された弱学習器21において誤差が解消されたと考えられるデータについては次の弱学習器21の学習においては無視されてもよい。
In this embodiment, boosting is applied as a learning method for ensemble learning. In boosting, the prediction accuracy of the
上記のような考えに基づき、予測モデル学習部20は、データ加工部14から受信した学習データを用いて、まず第1の弱学習器21Aを学習させる。第1の弱学習器21Aの出力である予測値5Aと正解値4Cとが、例えば比較器23等により比較され、その結果を第1の弱学習器21Aの内部に設けられたパラメータ等に反映させる等の手法により、第1の弱学習器21Aは学習される。第1の弱学習器21Aの学習が完了したと判断した際に、第1の弱学習器21Aの学習の際に予測値5Aと正解値4Cとの誤差が大きいデータがあれば、これを優先させて次に第2の弱学習器21Bを学習させる。
第2の弱学習器21Bも、第1の弱学習器21Aと同様に、予測値5Aと正解値4Cの比較結果を第2の弱学習器21Bの内部に反映することにより学習される。第2の弱学習器21Bの学習が完了したと判断した際に、第2の弱学習器21Bの学習の際に予測値5Aと正解値4Cとの誤差が大きいデータがあれば、これを優先させて更に第3の弱学習器21Cを学習させる。以上の処理を、全ての弱学習器21の学習が終了するまで繰り返す。
Based on the above idea, the prediction
The second
上記のような学習により、複数の弱学習器21の各々を異なる条件で学習させた結果、複数の弱学習器21の各々に対して同じ入力が与えられた際に、複数の弱学習器21はそれぞれ異なる予測を行う。本実施形態においては、流量予測装置1は気象観測データ2、気象予測データ3、流量データ4を入力して流量6を予測するものであるため、この条件の差異としては、例えば、流量の差異、すなわち流量が大きい場合と小さい場合を含む。例えば、ある弱学習器21は流量が小さい場合を重視した学習が行われ、また他のある弱学習器21は流量が大きい場合を重視した学習が行われる。
ここで、特に高い予測精度が求められる、例えば台風や集中豪雨等のような異常時の、流量が大きくなることが想定される場合において、これに相当するデータは、平常時に相当する流量が小さいデータに比べると格段に少ない。したがって、流量が大きい場合に予測精度が高くなるような学習を行うことは、基本的には容易ではない。これに対し、特に本実施形態においては、アンサンブル学習の学習方式としてブースティングを適用しているため、例えば第1の弱学習器21Aにおいて流量が大きい場合に予測値5Aと正解値4Cとの誤差が大きくなると、続いて学習される他の弱学習器21において、流量が大きい場合を重視した学習が行われ得る。
As a result of learning each of the plurality of
Here, in the case where a particularly high prediction accuracy is required, for example, when it is assumed that the flow rate is large at the time of an abnormality such as a typhoon or a torrential rain, the data corresponding to this is that the flow rate corresponding to normal times is small. It is much less than the data. Therefore, it is basically not easy to perform learning such that the prediction accuracy becomes high when the flow rate is large. On the other hand, especially in the present embodiment, since boosting is applied as a learning method for ensemble learning, for example, when the flow rate is large in the first
予測モデル学習部20は、上記のように、複数の弱学習器21を学習させる。学習が終了すると、予測モデル学習部20は、各弱学習器21の学習により調整されたパラメータを、予測モデルパラメータとして、予測モデルパラメータ記憶部16に記憶する。予測モデルパラメータ記憶部16に記憶された予測モデルパラメータは、後に説明する予測部17において取得され、各弱学習器21に対応して、流量を予測する、複数の予測モデル31が実現される。
すなわち、予測モデル学習部20は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの予測モデル31を生成するものである。
As described above, the prediction
That is, the prediction
次に、流量の予測時での各構成要素の挙動について説明する。 Next, the behavior of each component at the time of predicting the flow rate will be described.
流量の予測時においては、学習が終了した予測モデル31に、河川の将来の流量を予測するために、現在を基点とした、気象観測データ2、気象予測データ3、及び流量データ4を入力する。すなわち、予測モデル31の入力は、現在以前の、すなわち現在及び過去の気象観測データ(現在における気象観測データ)2Bと、現在より後の、すなわち将来の気象予測データ(現在における気象予測データ)3B、及び現在以前の流量データ(現在における流量データ)4Bである。
データ加工部14は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から、現在以前の気象観測データ2B、将来の気象予測データ3B、及び現在以前の流量データ4Bを取得し、各々を流量予測部30の入力形式に変換する。
データ加工部14は、変換した各データを、予測部17に送信する。
At the time of predicting the flow rate, the
The
The
予測部17は、データ加工部14から各データを受信する。
予測部17は、内部に複数の予測モデル31が構築された流量予測部30によって、河川の将来の流量6を予測する。
複数の予測モデル31の各々は、予測モデル学習部20において学習された複数の弱学習器21の各々に対応して構築されている。例えば、第1予測モデル31A、第1予測モデル31B、第1予測モデル31Cの各々は、第1の弱学習器21A、第2の弱学習器21B、第3の弱学習器21Cにそれぞれ対応している。流量予測部30は、予測モデルパラメータ記憶部16に記憶された各弱学習器21に対応する予測モデルパラメータを取得し、この各々を基に、各弱学習器21に対応する予測モデル31を構築する。
流量予測部30は、データ加工部14から受信した各データを、複数の予測モデル31の各々に入力する。
複数の弱学習器21は、既に説明したように、それぞれ異なる条件で学習されている。すなわち、これら複数の弱学習器21の各々に対応する予測モデル31は、それぞれに同じデータが入力されたとしても、互いに異なる値を出力する。
The
The
Each of the plurality of
The flow
As described above, the plurality of
流量予測部30は、結合器32を備えている。流量予測部30は、複数の予測モデル31の出力である暫定的な将来の予測流量5Bを、結合器32に入力する。結合器32は、これら複数の暫定的な将来の予測流量5Bを基に、将来の流量6を計算、予測する。結合器32は、例えば複数の暫定的な将来の予測流量5Bの総和や平均、重み付け和を計算することにより、将来の流量6を予測する。結合器32が重み付け和を計算する場合においては、重みは各弱学習器21の性能に依存して、例えばエラー率の低い、すなわち回帰精度の良い弱学習器21の重みが大きくなるように決定される。
The flow
次に、図1~図3、及び図4を用いて、上記の流量予測装置1による流量予測方法を説明する。図4(a)は流量の学習時のフローチャートであり、図4(b)は流量の予測時のフローチャートである。
本流量予測方法は、特定の河川の流量を予測する流量予測方法であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成し、複数の予測モデルの各々に、現在における、河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に河川の将来の流量を予測する。
Next, the flow rate prediction method by the flow
This flow rate prediction method is a flow rate prediction method for predicting the flow rate of a specific river, and learns meteorological observation data, meteorological prediction data, and flow rate data related to the river at an arbitrary time in the past. As data, multiple weak learners are ensemble-learned to predict the flow rate after the past time, multiple prediction models are generated, and each of the multiple prediction models is the current weather related to the river. Observation data, meteorological forecast data, and flow rate data are input to output a provisional future predicted flow rate, and the future flow rate of the river is predicted based on the plurality of the provisional future predicted flow rates.
まず、流量の学習時における、流量予測装置1の各構成要素の動作を説明する。
データ加工部14は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から、第1過去時刻以前の気象観測データ2A、第1過去時刻より後の気象予測データ3A、第1過去時刻以前の流量データ4A、及び第1過去時刻より後の流量データ4Cを取得し、各々を弱学習器21の入出力形式に変換する。
データ加工部14は、変換した各データを、学習部15に送信する。
学習部15は、データ加工部14から各データを受信する。
学習部15は、予測モデル学習部20によって、弱学習器21を学習させて、学習済みの予測モデル31を生成する(ステップS1)。本実施形態においては、予測モデル学習部20は、第1過去時刻以前の気象観測データ2A、第1過去時刻より後の気象予測データ3A、第1過去時刻以前の流量データ4A、及び正解値としての第1過去時刻より後の流量データ4Cを学習データとして、第1過去時刻より後の予測流量5Aを予測するように、複数の弱学習器21をアンサンブル学習する。
予測モデル学習部20は、上記のように、複数の弱学習器21を学習させる。本実施形態においては、アンサンブル学習の学習方式としてブースティングを適用しているため、ステップS3として示した判定処理により全ての弱学習器21の学習が終了したと判定されるまで、複数の弱学習器21を一つずつ順番に学習する。学習が終了すると、予測モデル学習部20は、各弱学習器21の学習により調整されたパラメータを、予測モデルパラメータとして、予測モデルパラメータ記憶部16に記憶する(ステップS5)。
First, the operation of each component of the flow
From the meteorological observation
The
The
The
As described above, the prediction
次に、流量の予測時での各構成要素の挙動について説明する。
データ加工部14は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から、現在以前の気象観測データ2B、将来の気象予測データ3B、及び現在以前の流量データ4Bを取得し、各々を流量予測部30の入力形式に変換する。
データ加工部14は、変換した各データを、予測部17に送信する。
予測部17は、データ加工部14から各データを受信する。
流量予測部30は、予測モデルパラメータ記憶部16に記憶された各弱学習器21に対応する予測モデルパラメータを取得し、この各々を基に、各弱学習器21に対応する予測モデル31を構築する(ステップS11)。
流量予測部30は、データ加工部14から受信した各データを、複数の予測モデル31の各々に入力する。これに対し、複数の予測モデル31の各々は、暫定的な将来の予測流量5Bを出力する(ステップS13)。
流量予測部30は、複数の予測モデル31が出力した複数の暫定的な将来の予測流量5Bを取得し、結合器32に入力する。結合器32は、これら複数の暫定的な将来の予測流量5Bを基に、将来の流量6を計算、予測する(ステップS15)。
Next, the behavior of each component at the time of predicting the flow rate will be described.
The
The
The
The flow
The flow
The flow
次に、上記の流量予測装置1及び流量予測方法の効果について説明する。
Next, the effects of the flow
本実施形態における流量予測装置は、特定の河川の流量6を予測する流量予測装置1であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、河川に関係する、気象観測データ2A、気象予測データ3A、及び流量データ4A、4Cを学習データとして、過去時刻より後の流量5Aを予測するように複数の弱学習器21をアンサンブル学習して、複数の予測モデル31を生成する予測モデル学習部20と、複数の予測モデル31の各々に、現在における、河川に関係する、気象観測データ2B、気象予測データ3B、及び流量データ4Bを入力して暫定的な将来の予測流量5Bを出力させ、複数の暫定的な将来の予測流量5Bを基に河川の将来の流量6を予測する、流量予測部30と、を備えている。
また、本流量予測方法は、特定の河川の流量6を予測する流量予測方法であって、過去の任意の時刻である過去時刻における、河川に関係する、気象観測データ2A、気象予測データ3A、及び流量データ4A、4Cを学習データとして、過去時刻より後の流量5Aを予測するように複数の弱学習器21をアンサンブル学習して、複数の予測モデル31を生成し、複数の予測モデル31の各々に、現在における、河川に関係する、気象観測データ2B、気象予測データ3B、及び流量データ4Bを入力して暫定的な将来の予測流量5Bを出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量5Bを基に河川の将来の流量6を予測する。
上記のような構成によれば、複数の弱学習器21をアンサンブル学習して複数の予測モデル31を生成し、これにより河川の将来の流量6を予測する。すなわち、流量の差異を含む異なる条件で、複数の弱学習器21を学習させて複数の予測モデル31を生成し、この各々に予測させた複数の結果を基に将来の流量6を予測する。このため、例えば台風や集中豪雨等の場合のような、流量が大きくなることが想定されるが数が多く得られない可能性があるデータにおいても、これを重視して予測を行う弱学習器21が存在する。したがって、河川の流量が大きい場合においても精度の高い流量予測が可能である。
また、各弱学習器21を学習させることにより導入前の準備が完了するため、導入が容易である。
The flow rate prediction device in the present embodiment is a flow
Further, this flow rate prediction method is a flow rate prediction method for predicting the
According to the above configuration, a plurality of
Further, since the preparation before the introduction is completed by learning each
特に本実施形態においては、各弱学習器21の学習に際し、データ加工部14はデータの入力形式及び出力形式を変換するのみであり、データの削除や複製等の、データの内容そのものは変更していない。このため、弱学習器21の学習に人間の恣意性が介入しにくい上に、データから情報が損失することが抑制される。
これにより、流量予測の精度が高いという効果を、更に効率的に奏することができる。
In particular, in the present embodiment, when learning each
As a result, the effect of high accuracy of flow rate prediction can be achieved more efficiently.
また、予測モデル学習部20は、ブースティングにより複数の弱学習器21の各々をアンサンブル学習する。
例えば台風や集中豪雨等の場合のような、流量が大きくなることが想定されるが数が多く得られない可能性があるデータに対し、ある弱学習器21において流量が大きい場合に予測値5Aと正解値4Cとの誤差が大きくなり、十分な学習がなされない可能性がある。
このような場合であっても、上記のような構成によれば、当該弱学習器21の後に学習される他のいずれかの弱学習器21において、当該弱学習器21では十分な学習がなされなかった流量が大きくなるデータを重視した学習がなされる。
したがって、河川の流量が大きい場合においても精度の高い流量予測が可能である。
Further, the prediction
For example, in the case of a typhoon or torrential rain, the predicted value is 5A when the flow rate is large in a
Even in such a case, according to the above configuration, in any other
Therefore, it is possible to predict the flow rate with high accuracy even when the flow rate of the river is large.
また、学習データは、河川に関係する、過去時刻以前の気象観測データ2A、河川に関係する過去時刻より後の気象予測データ3A、河川の過去時刻以前の流量データ4A、及び正解値としての河川の過去時刻より後の流量データ4Cであり、流量予測部30は、複数の予測モデル31の各々に、河川に関係する現在以前の気象観測データ2B、河川に関係する将来の気象予測データ3B、及び河川の現在以前の流量データ4Bを入力する。
上記のような構成によれば、流量予測装置1及び流量予測方法を適切に実現することができる。
In addition, the learning data includes meteorological observation data 2A before the past time related to the river, meteorological prediction data 3A after the past time related to the river, flow
According to the above configuration, the flow
[実施形態の第1変形例]
次に、図5、図6を用いて、上記実施形態として示した流量予測装置1及び流量予測方法の第1変形例を説明する。図5は、本第1変形例における流量予測装置のブロック図である。図6は、本第1変形例における流量予測装置の、季節項データ生成部の説明図である。本第1変形例における流量予測装置40及び流量予測方法においては、学習データは、更に、季節によって異なる値となる季節項データを含む点が異なっている。
[First Modified Example of Embodiment]
Next, with reference to FIGS. 5 and 6, a first modification of the flow
流量予測装置40は、季節項データ生成部43を含む。季節項データ生成部43は、日時が入力されると、当該日時が該当する季節に関する情報を、季節項データとして生成する。より詳細には、季節項データ生成部43は、日時に対応して一年を通じて異なる値を出力する連続関数を備えており、日時が入力されると、この連続関数の出力を季節項データとして出力する。
年末である12月31日と年始である1月1日は、互いに前後した日にちであるため、季節的には略同一であるものと考えられる。したがって、上記の連続関数は、12月31日に対応する出力と1月1日に対応する出力の間も値が連続するように、すなわち1年を周期として値が繰り返される周期関数ともなっている。
このような関数としては、sin関数65とcos関数66が適用可能である。これらの関数65、66は、連続であり、また1年を周期として値が繰り返される周期関数である。更に、1年内の異なる日時に対して、sin関数65とcos関数66の値の少なくとも一方は異なった値となるため、これらの関数65、66を共に用いることにより、日時が入力された場合に対応する季節項データが一意に定まる。
季節項データ生成部43は、入力された日時に対し上記の関数65、66を適用した出力を、データ加工部44へ送信する。
The flow
Since December 31st, which is the end of the year, and January 1st, which is the beginning of the year, are dates before and after each other, it is considered that they are almost the same seasonally. Therefore, the above continuous function is also a periodic function in which the value is repeated so that the value is continuous between the output corresponding to December 31st and the output corresponding to January 1st, that is, the value is repeated with a cycle of one year. ..
As such a function, the
The seasonal
流量の学習時には、季節項データ生成部43は、第1過去時刻に対応する日時データ7が入力されると、これに対応する、第1過去時刻に対応する季節項データを出力し、データ加工部14へ送信する。
データ加工部44は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から取得した各データに加え、季節項データ生成部43から受信した第1過去時刻に対応する季節項データを必要に応じて変換し、学習部45に送信する。
学習部45は、データ加工部44から各データを受信する。
学習部45は、予測モデル学習部50によって、弱学習器51を学習させて、学習済みの予測モデル61を生成する。本変形例においては、予測モデル学習部50は、第1過去時刻以前の気象観測データ、第1過去時刻より後の気象予測データ、第1過去時刻以前の流量データ、第1過去時刻に対応する季節項データ、及び正解値すなわち第1過去時刻より後の流量データを学習データとして、第1過去時刻より後の予測流量を予測するように、複数の弱学習器51をアンサンブル学習する。
学習が終了すると、予測モデル学習部50は、各弱学習器51の学習により調整されたパラメータを、予測モデルパラメータとして、予測モデルパラメータ記憶部46に記憶する。
At the time of learning the flow rate, when the date and
The
The
The
When the learning is completed, the prediction
流量の予測時には、季節項データ生成部43は、現在に対応する日時データ7が入力されると、これに対応する、現在に対応する季節項データを出力し、データ加工部14へ送信する。
データ加工部44は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13から取得し変換した各データに加え、季節項データ生成部43から受信した現在に対応する季節項データを予測部47に送信する。
予測部47は、データ加工部44から各データを受信する。
流量予測部60は、予測モデルパラメータ記憶部46に記憶された各弱学習器51に対応する予測モデルパラメータを取得し、この各々を基に、各弱学習器51に対応する予測モデル61を構築する。
流量予測部60は、データ加工部44から受信した各データを、複数の予測モデル61の各々に入力する。これに対し、複数の予測モデル61の各々は、暫定的な将来の予測流量を出力する。
流量予測部60は、複数の予測モデル61が出力した複数の暫定的な将来の予測流量を取得し、結合器に入力する。結合器は、これら複数の暫定的な将来の予測流量を基に、将来の流量6を計算、予測する。
At the time of predicting the flow rate, when the date and
The
The
The flow
The flow
The flow
本変形例の流量予測装置40においては、学習データは、更に、季節によって異なる値となる季節項データを含み、流量予測部60は、複数の予測モデル61の各々に、現在に対応する季節項データを更に学習データとして入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の暫定的な将来の予測流量を基に河川の将来の流量6を予測する。
冬季の間の降雪はすぐには溶けず、4月、あるいは5月に気温が上昇すると融雪する。したがって、河川の流量は、融雪の影響を受け、特に4月、5月に大きくなる傾向がある。
上記のような構成によれば、このような融雪等の季節的な要因を考慮して弱学習器51を学習させることができるため、季節的な要因を考慮して将来の流量6を予測することができる。
In the flow
Snowfall during the winter months does not melt immediately, but melts when temperatures rise in April or May. Therefore, river flow is affected by snowmelt and tends to increase, especially in April and May.
According to the above configuration, the
また、季節項データは、連続関数65、66であり、かつ1年を周期として値が繰り返される周期関数65、66の出力値である。
上記のような構成によれば、流量予測装置40を適切に実現可能である。
Further, the seasonal term data is an output value of the
According to the above configuration, the flow
本第1変形例が、既に説明した実施形態と同様な他の効果を奏することは言うまでもない。 Needless to say, the first modification has other effects similar to those of the above-described embodiment.
[実施形態の第2変形例]
次に、図7、図8を用いて、上記実施形態として示した流量予測装置1及び流量予測方法の第2変形例を説明する。図7は、本第2変形例における流量予測装置のブロック図である。図8は、本第2変形例における機械学習器及び特徴抽出モデルの説明図である。本第2変形例は、上記第1変形例の、更なる変形例である。本第2変形例における流量予測装置70及び流量予測方法においては、メッシュデータを入力してメッシュデータの特徴を特徴量として機械学習器に深層学習させる、メッシュ特徴量学習部を備えており、弱学習器はメッシュデータの代わりにメッシュデータ特徴量を学習データとして入力される点が異なっている。
[Second variant of the embodiment]
Next, with reference to FIGS. 7 and 8, a second modification of the flow
流量の学習時には、第2変形例と同様に、データ加工部44は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、及び流量記憶部13、季節項データ生成部43から取得、受信した各データを変換し、学習部75に送信する。
学習部75は、メッシュ特徴量学習部80、メッシュ特徴量パラメータ記憶部82、及びメッシュ特徴量抽出部83を備えている。メッシュ特徴量学習部80及びメッシュ特徴量抽出部83は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、メッシュ特徴量パラメータ記憶部82は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。
At the time of learning the flow rate, the
The
メッシュ特徴量学習部80は、データ加工部44から第1過去時刻以前の気象観測データ及び第1過去時刻以前の気象予測データを受信する。
メッシュ特徴量学習部80は、機械学習器81を備えている。機械学習器81は、畳み込み深層学習を行うものであり、特に畳み込みオートエンコーダ(Convolutional Autoencoder)により実現されている。機械学習器81は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された、後に説明する学習済みモデル84、91を生成するものである。
本変形例においては、予測モデル学習部85における弱学習器86の学習には、入力として特徴抽出モデル84の出力が使用される。このため、機械学習器81の学習は、弱学習器86の学習に先立ち行われる。
既に説明したように、気象観測データ2及び気象予測データ3は、メッシュデータを備えている。メッシュ特徴量学習部80は、第1過去時刻以前の気象観測データ及び第1過去時刻以前の気象予測データの各々に含まれるメッシュデータを、入力メッシュデータ81aとして、機械学習器81に入力する。
The mesh feature
The mesh feature
In this modification, the output of the
As described above, the
機械学習器81は、畳み込み処理部81b、全結合部81c、及び逆畳み込み処理部81dを備えている。
畳み込み処理部81bは、入力メッシュデータ81aに対して畳み込み処理及びプーリング処理等を実行し、全結合部81cの入力となる特徴マップを生成する。特徴マップの値は、全結合部81cの各入力ノードへ格納される。
全結合部81cにおいては、入力ノードから中間ノードを経て出力ノードへと、ノード間に設定された結合荷重に基づいて重み付け和を演算する。
全結合部81cの各出力ノードの値は、逆畳み込み処理部81dへと入力される。逆畳み込み処理部81dにおいては、畳み込み処理部81bと対称的な処理が実行される。すなわち、入力メッシュデータ81aは畳み込み処理部81bにより全結合部81cに至るまでに低次元に圧縮されたが、逆畳み込み処理部81dにおいては、低次元に圧縮された状態から復元されるように動作する。これにより、入力メッシュデータ81aと同じ解像度を備える出力メッシュデータ81eが生成される。
機械学習器81においては、この出力メッシュデータ81eが、入力メッシュデータ81aを再現したメッシュデータとなるように、機械学習が行われる。
The
The
In the fully connected
The value of each output node of the fully connected
In the
上記のように、機械学習器81は畳み込みオートエンコーダであり、入力メッシュデータ81aは畳み込み処理部81bにおいて低次元に圧縮されて全結合部81cに入力されて最大限に圧縮された後に、逆畳み込み処理部81dにより再現メッシュデータ81eへと復元される。すなわち、全結合部81cは、入力メッシュデータ81aの備える特徴が最も圧縮された状態となる部分であり、全結合部81cの出力ノードの値は、入力メッシュデータ81aの特徴を抽象的に凝縮した特徴量、すなわちメッシュデータ特徴量81fとして扱うことができる。
As described above, the
本変形例は、概念的には、畳み込みオートエンコーダの上記のような特性を利用している。すなわち、学習が終了した機械学習器81である特徴抽出モデル84、91に対して入力メッシュデータ81aの各々を入力し、全結合部81cの出力ノードの値を取り出すことにより、入力メッシュデータ81aをメッシュデータ特徴量81fに変換する。予測モデル学習部85は、各メッシュデータの代わりに、これが変換されたメッシュデータ特徴量81fを用いて各弱学習器86をアンサンブル学習させる。
このため、本変形例においては、図8において二点鎖線で囲われた、畳み込み処理部81bから全結合部81cまでの部分が学習済みモデルである特徴抽出モデル84、91に相当する。したがって、この部分に相当する各パラメータの値、すなわち畳み込み処理部81bにおいて使用される各フィルタの重みの値、全結合部81cの各結合荷重の値等が、メッシュ特徴量パラメータとして、メッシュ特徴量パラメータ記憶部82に送信され、記憶される。
This modification conceptually utilizes the above-mentioned characteristics of the convolutional autoencoder. That is, the
Therefore, in this modification, the portion from the
メッシュ特徴量パラメータ記憶部82は、上記のように、メッシュ特徴量学習部80により学習が終了した機械学習器81の各パラメータを、メッシュ特徴量パラメータとして記憶する。
As described above, the mesh feature amount
メッシュ特徴量抽出部83は、メッシュ特徴量パラメータ記憶部82に記憶された、機械学習器81のメッシュ特徴量パラメータを取得し、機械学習器81に対応する特徴抽出モデル84を構築する。
メッシュ特徴量抽出部83は、第1過去時刻以前の気象観測データ及び第1過去時刻以前の気象予測データに含まれる各メッシュデータを、入力メッシュデータ81aとして特徴抽出モデル84に入力し、各入力メッシュデータ81aに対応するメッシュデータ特徴量81fを生成する。
メッシュ特徴量抽出部83は、各メッシュデータ特徴量81fを予測モデル学習部85に送信する。
The mesh
The mesh feature
The mesh feature
予測モデル学習部85は、弱学習器86を学習させて、学習済みの予測モデル93を生成する。本変形例においては、予測モデル学習部85は、メッシュデータが対応するメッシュデータ特徴量81fに置換された第1過去時刻以前の気象観測データ、メッシュデータが対応するメッシュデータ特徴量81fに置換された第1過去時刻より後の気象予測データ、第1過去時刻以前の流量データ、第1過去時刻に対応する季節項データ、及び正解値すなわち第1過去時刻より後の流量データを学習データとして、第1過去時刻より後の予測流量を予測するように、複数の弱学習器86をアンサンブル学習する。
学習が終了すると、予測モデル学習部85は、各弱学習器86の学習により調整されたパラメータを、予測モデルパラメータとして、予測モデルパラメータ記憶部46に記憶する。
The prediction
When the learning is completed, the prediction
流量の予測時には、第1変形例と同様に、データ加工部44は、気象観測データ記憶部11、気象予測データ記憶部12、流量記憶部13、及び季節項データ生成部43から取得、受信した各データを予測部77に送信する。
予測部77は、データ加工部44から各データを受信する。
予測部77は、特徴抽出モデル91を有するメッシュ特徴量抽出部90を備えている。メッシュ特徴量抽出部90及び特徴抽出モデル91は、学習部75に設けられたメッシュ特徴量抽出部83及び特徴抽出モデル84と同一の構成である。
メッシュ特徴量抽出部90は、予測部77により受信された現在以前の気象観測データ及び将来の気象予測データに含まれる各メッシュデータを、入力メッシュデータ81aとして特徴抽出モデル91に入力し、各入力メッシュデータ81aに対応するメッシュデータ特徴量81fを生成する。
メッシュ特徴量抽出部90は、各メッシュデータ特徴量81fを流量予測部92に送信する。
At the time of predicting the flow rate, the
The
The
The mesh
The mesh feature
流量予測部92は、予測モデルパラメータ記憶部46に記憶された各弱学習器86に対応する予測モデルパラメータを取得し、この各々を基に、各弱学習器86に対応する予測モデル93を構築する。
流量予測部60は、データ加工部44から受信した各データを、複数の予測モデル93の各々に入力する。ここで、現在以前の気象観測データ及び将来の気象予測データにおいては、これらに含まれるメッシュデータが対応するメッシュデータ特徴量81fに置換されたうえで、各予測モデル93に入力される。これに対し、複数の予測モデル93の各々は、暫定的な将来の予測流量を出力する。
流量予測部92は、複数の予測モデル93が出力した複数の暫定的な将来の予測流量を取得し、結合器に入力する。結合器は、これら複数の暫定的な将来の予測流量を基に、将来の流量6を計算、予測する。
The flow
The flow
The flow
本変形例の流量予測装置70においては、気象観測データ2及び気象予測データ3の各々は、観測、予測対象として含まれる地域を地図上で緯度経度により網目状に区画したメッシュデータ81aを含み、メッシュデータ81aを入力してメッシュデータ81aの特徴を特徴量81fとして機械学習器81に深層学習させる、メッシュ特徴量学習部80と、学習が終了した機械学習器81である特徴抽出モデル84、91に対し、メッシュデータ81aを入力してメッシュデータ81aの特徴量81fを抽出する、メッシュ特徴量抽出部83、90と、を備え、予測モデル学習部85は、メッシュデータ81aの各々の代わりに、メッシュデータ81aの各々をメッシュ特徴量抽出部83に入力して得られた特徴量81fを用いて、複数の弱学習器86をアンサンブル学習し、流量予測部92は、メッシュデータ81aの各々の代わりに、メッシュデータ81aの各々をメッシュ特徴量抽出部92に入力して得られた特徴量81fを用いて、河川の将来の流量6を予測する。
河川の流域が大きい場合においては、気象メッシュが大きくなることがある。また、気象観測データ2や気象予測データ3として多くの時系列における値を入力したい場合には、入力次元数が膨大となる。このような場合に、メッシュデータを直接弱学習器86へ入力して弱学習器86をアンサンブル学習させると、学習効率が良好とはならず、精度の高い予測ができない場合がある。
上記のような構成によれば、気象観測データ2及び気象予測データ3に含まれるメッシュデータの代わりに、これらのメッシュデータの特徴が反映され、かつ圧縮されてデータ量が低減されたメッシュデータ特徴量81fを用いて、弱学習器86が学習される。これにより、弱学習器86をより効率的に学習させることができるとともに、より汎化性能の高い高精度の予測が可能となる。
In the flow
When the river basin is large, the meteorological mesh may be large. Further, when it is desired to input values in many time series as
According to the above configuration, instead of the mesh data included in the
また、機械学習器81及び特徴抽出モデル84、91は、畳み込みオートエンコーダにより実現されている。
上記のような構成によれば、流量予測装置70を適切に実現可能である。
Further, the
According to the above configuration, the flow
本第2変形例が、既に説明した実施形態及び第1変形例と同様な他の効果を奏することは言うまでもない。 Needless to say, this second modification has other effects similar to those of the embodiment and the first modification already described.
なお、本発明の流量予測装置及び流量予測方法は、図面を参照して説明した上述の実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。 The flow rate prediction device and the flow rate prediction method of the present invention are not limited to the above-described embodiment and each modification described with reference to the drawings, and various other modifications can be considered within the technical scope thereof. Be done.
例えば、上記実施形態及び各変形例においては、予測モデル学習部は、ブースティングにより複数の弱学習器の各々をアンサンブル学習したが、これに限られない。すなわち、予測モデル学習部は、バギングにより複数の弱学習器の各々をアンサンブル学習するようにしてもよい。
バギングにおいては、各弱学習器に対して、全ての学習データから少量のデータを抽出して入力させ、学習させる。すなわち、バギングにおいては、ブースティングとは異なり、各弱学習器が並列に学習される。既に説明したように、例えば台風や集中豪雨等の場合のような、流量が大きくなることが想定されるデータは、流量が小さいデータに比べると格段に少ない。しかし、例えばこれらの少ない、流量が大きくなるデータを抽出し、流量が大きくなるデータに特化させて1つまたは複数の弱学習器を学習させることにより、流量が大きくなる場合における予測精度が高い予測モデルを生成可能である。
このように、ブースティングではなくバギングを採用した場合においても、少量データを抽出することによって、流量の大きい場合の予測精度を高めることができる。
For example, in the above embodiment and each modification, the predictive model learning unit ensemble learns each of the plurality of weak learners by boosting, but the present invention is not limited to this. That is, the predictive model learning unit may perform ensemble learning of each of the plurality of weak learners by bagging.
In bagging, each weak learner is made to learn by extracting a small amount of data from all the training data and inputting it. That is, in bagging, unlike boosting, each weak learner is learned in parallel. As already explained, the data in which the flow rate is expected to be large, such as in the case of a typhoon or torrential rain, is much smaller than the data in which the flow rate is small. However, for example, by extracting these small and large flow rate data and training one or more weak learners by specializing in the large flow rate data, the prediction accuracy is high when the flow rate is large. Predictive models can be generated.
As described above, even when bagging is adopted instead of boosting, the prediction accuracy when the flow rate is large can be improved by extracting a small amount of data.
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態及び各変形例で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。 In addition to this, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configurations given in the above-described embodiment and each modification can be selected or changed to other configurations as appropriate.
1、40、70 流量予測装置
2 気象観測データ
2A 第1過去時刻以前の気象観測データ(過去時刻における気象観測データ)
2B 現在以前の気象観測データ(現在における気象観測データ)
2m、3m メッシュデータ
3 気象予測データ
3A 第1過去時刻より後の気象予測データ(過去時刻における気象予測データ)
3B 将来の気象予測データ(現在における気象予測データ)
4 流量データ
4A 第1過去時刻以前の流量データ(過去時刻における流量データ)
4B 現在以前の流量データ(現在における流量データ)
4C 第1過去時刻より後の流量データ、正解値(過去時刻における流量データ)
5A 第1過去時刻より後の予測流量(過去時刻より後の流量)
5B 暫定的な将来の予測流量
6 将来の流量
7 日時データ
16、46 予測モデルパラメータ記憶部
20、50、85 予測モデル学習部
21、51、86 弱学習器
30、60、92 流量予測部
31、61、93 予測モデル
43 季節項データ生成部
65、66 関数
80 メッシュ特徴量学習部
81 機械学習器
81a 入力メッシュデータ(メッシュデータ)
81e 出力メッシュデータ
81f メッシュデータ特徴量(特徴量)
82 メッシュ特徴量パラメータ記憶部
83、90 メッシュ特徴量抽出部
84、91 特徴抽出モデル
1, 40, 70
2B Meteorological observation data before the present (current meteorological observation data)
2m,
3B Future weather forecast data (current weather forecast data)
4
4B Flow data before the present (current flow data)
4C Flow rate data after the first past time, correct answer value (flow rate data at the past time)
5A Predicted flow rate after the first past time (flow rate after the past time)
5B Temporary future predicted
81e
82 Mesh feature
Claims (9)
過去の任意の時刻である過去時刻における、前記河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、前記過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成する予測モデル学習部と、
前記複数の予測モデルの各々に、現在における、前記河川に関係する、前記気象観測データ、前記気象予測データ、及び前記流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に前記河川の将来の流量を予測する、流量予測部と、
を備えている、流量予測装置。 A flow rate predictor that predicts the flow rate of a specific river.
A plurality of weak learners so as to predict the flow rate after the past time by using the meteorological observation data, the weather prediction data, and the flow rate data related to the river at an arbitrary time in the past as learning data. Predictive model learning unit that generates multiple predictive models by learning the ensemble,
Each of the plurality of prediction models is input with the current meteorological observation data, the meteorological prediction data, and the flow rate data related to the river to output a provisional future predicted flow rate, and a plurality of the said ones. A flow rate prediction unit that predicts the future flow rate of the river based on the provisional future forecast flow rate,
A flow rate predictor.
前記流量予測部は、前記複数の予測モデルの各々に、前記河川に関係する現在以前の気象観測データ、前記河川に関係する将来の気象予測データ、及び前記河川の現在以前の流量データを入力する、請求項1から3のいずれか一項に記載の流量予測装置。 The learning data includes meteorological observation data before the past time related to the river, meteorological prediction data after the past time related to the river, flow rate data before the past time of the river, and correct answer values. It is the flow data after the past time of the river of
The flow rate prediction unit inputs into each of the plurality of prediction models the current and previous meteorological observation data related to the river, the future weather prediction data related to the river, and the current and previous flow rate data of the river. , The flow rate prediction device according to any one of claims 1 to 3.
前記流量予測部は、前記複数の予測モデルの各々に、現在に対応する前記季節項データを更に学習データとして入力して前記暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に前記河川の前記将来の流量を予測する、請求項1から4のいずれか一項に記載の流量予測装置。 The training data further includes seasonal data having different values depending on the season.
The flow rate prediction unit further inputs the seasonal data corresponding to the present to each of the plurality of prediction models as training data to output the provisional future predicted flow rate, and causes the plurality of the provisional future to be output. The flow rate prediction device according to any one of claims 1 to 4, which predicts the future flow rate of the river based on the predicted flow rate of the above.
当該メッシュデータを入力して当該メッシュデータの特徴を特徴量として機械学習器に深層学習させる、メッシュ特徴量学習部と、
学習が終了した前記機械学習器である特徴抽出モデルに対し、前記メッシュデータを入力して当該メッシュデータの前記特徴量を抽出する、メッシュ特徴量抽出部と、
を備え、
前記予測モデル学習部は、前記メッシュデータの各々の代わりに、前記メッシュデータの各々を前記メッシュ特徴量抽出部に入力して得られた前記特徴量を用いて、前記複数の弱学習器をアンサンブル学習し、
前記流量予測部は、前記メッシュデータの各々の代わりに、前記メッシュデータの各々を前記メッシュ特徴量抽出部に入力して得られた前記特徴量を用いて、河川の前記将来の流量を予測する、請求項1から6のいずれか一項に記載の流量予測装置。 Each of the meteorological observation data and the meteorological prediction data includes mesh data in which the areas included as observation and prediction targets are divided into a mesh pattern by latitude and longitude on a map.
A mesh feature learning unit that inputs the mesh data and causes the machine learner to perform deep learning using the features of the mesh data as features.
A mesh feature extraction unit that inputs the mesh data to the feature extraction model of the machine learning device for which learning has been completed and extracts the feature amount of the mesh data.
With
The prediction model learning unit ensembles the plurality of weak learners by using the feature amount obtained by inputting each of the mesh data into the mesh feature amount extraction unit instead of each of the mesh data. Learn and
The flow rate prediction unit predicts the future flow rate of the river by using the feature amount obtained by inputting each of the mesh data into the mesh feature amount extraction unit instead of each of the mesh data. , The flow rate prediction device according to any one of claims 1 to 6.
過去の任意の時刻である過去時刻における、前記河川に関係する、気象観測データ、気象予測データ、及び流量データを学習データとして、前記過去時刻より後の流量を予測するように複数の弱学習器をアンサンブル学習して、複数の予測モデルを生成し、
前記複数の予測モデルの各々に、現在における、前記河川に関係する、前記気象観測データ、前記気象予測データ、及び前記流量データを入力して暫定的な将来の予測流量を出力させ、複数の当該暫定的な将来の予測流量を基に前記河川の将来の流量を予測する、流量予測方法。
It is a flow rate prediction method that predicts the flow rate of a specific river.
A plurality of weak learners so as to predict the flow rate after the past time by using the meteorological observation data, the weather prediction data, and the flow rate data related to the river at the past time which is an arbitrary time in the past as learning data. Ensemble learning to generate multiple predictive models,
Each of the plurality of prediction models is input with the current meteorological observation data, the meteorological prediction data, and the flow rate data related to the river to output a provisional future predicted flow rate, and a plurality of the said ones. A flow rate prediction method for predicting the future flow rate of the river based on a provisional future predicted flow rate.
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