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 Patent Document 1, a prediction model using a neural network may be used.
The flow rate prediction device disclosed in Patent Document 1 includes a weighting ratio determining means for determining a weighting ratio that expresses the degree of influence of rainfall data at a certain location on the downstream flow rate for each of the rainfall data at a plurality of locations, and a weighting ratio. A model construction means for constructing a flow rate prediction model using the basin average rainfall data calculated from the corresponding rainfall data and the basin average rainfall data based on the determined weighting ratio are input to the constructed flow rate prediction model. It has a prediction means for generating predicted flow rate data related to the predicted flow rate.
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, Patent Document 2 discloses that the flow rate of a river or the like at a predetermined time in the future is predicted by a flow rate prediction device using the following prediction model by a neural network. The prediction model is constructed based on the training data for constructing the prediction model by processing the forecast rainfall data, the actual rainfall data, the actual flow rate data, and the like. In the data for building the prediction model, the data in which the average rainfall, the flow rate or the change in the flow rate is below a certain value is deleted, and the data in which the average rainfall, the flow rate or the change in the flow rate is above a certain value is multiplied by a plurality of times. This addresses the bias in data regarding rainfall or flow.
In the flow rate prediction device of Patent Document 2, the average rainfall is a point average value obtained by adding up the rainfall at a plurality of points and dividing by the number of points.

特開2007-205001号公報JP-A-2007-205001 特開2007-226450号公報JP-A-2007-226450

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 Patent Document 1, as described above, the prediction accuracy when the flow rate is large may not be desirable.
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 Patent Document 2, data in which the average rainfall, the flow rate, or the change in the flow rate is a certain value or more is simply a plurality of times, that is, duplicated. That is, since the learning data with new information is not added, the amount of information of the learning data as a whole does not change.
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.

本発明の実施形態における流量予測装置のブロック図である。It is a block diagram of the flow rate prediction apparatus in embodiment of this invention. 上記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。It is explanatory drawing about input / output of the prediction model learning part of the flow rate prediction apparatus in the said embodiment. 上記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。It is explanatory drawing about input / output of the flow rate prediction part of the flow rate prediction apparatus in the said embodiment. 上記実施形態における流量予測方法の、(a)は流量の学習時のフローチャートであり、(b)は流量の予測時のフローチャートである。Of the flow rate prediction method in the above embodiment, (a) is a flowchart at the time of learning the flow rate, and (b) is a flowchart at the time of predicting the flow rate. 上記実施形態の第1変形例における流量予測装置のブロック図である。It is a block diagram of the flow rate prediction apparatus in the 1st modification of the said embodiment. 上記第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。It is explanatory drawing of the seasonal term data generation part of the flow rate prediction apparatus in the said 1st modification. 上記実施形態の第2変形例における流量予測装置のブロック図である。It is a block diagram of the flow rate prediction apparatus in the 2nd modification of the said embodiment. 上記第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。It is explanatory drawing of the machine learning device and the feature extraction model in the said 2nd modification.

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 rate prediction device 1 in the present embodiment predicts the future flow rate of a specific river.

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 rate prediction device 1 is an information processing device such as a personal computer. The flow rate prediction device 1 includes a meteorological observation data storage unit 11, a weather prediction data storage unit 12, a flow rate storage unit 13, a data processing unit 14, a learning unit 15, a prediction model parameter storage unit 16, and a prediction unit 17. The learning unit 15 includes a predictive model learning unit 20. The prediction unit 17 includes a flow rate prediction unit 30.
Among the components of the flow rate prediction device 1, the data processing unit 14, the prediction model learning unit 20, and the flow rate prediction unit 30 may be, for example, software or a program executed by the CPU in the information processing device. Further, the meteorological observation data storage unit 11, the meteorological prediction data storage unit 12, the flow rate storage unit 13, and the prediction model parameter storage unit 16 are realized by storage devices such as semiconductor memories and magnetic disks provided inside and outside the information processing device. It may have been done.

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 rate prediction device 1 includes meteorological observation data 2, meteorological prediction data 3, and flow rate data 4.
The meteorological observation data 2 is meteorological data actually observed at an observatory or the like. Meteorological observation data 2 includes at least rainfall. The meteorological observation data 2 may include the temperature, the amount of solar radiation, the amount of snowfall, the amount of snowfall, and the like in addition to the amount of rainfall. In this embodiment, the amount of rainfall is particularly determined by the observatory data 2o observed at the observatories provided in each area and the area included as an observation target observed by radar observation or the like based on the latitude and longitude on the map. It has mesh data of 2 m divided in a mesh pattern. The meteorological observation data 2 related to the river to be predicted by the flow rate prediction device 1 from the past to the present is stored in the meteorological observation data storage unit 11.
The weather forecast data 3 is future predicted weather data at the time of forecasting the weather, which is provided by, for example, a weather forecast service. The meteorological prediction data 3 also includes at least the amount of rainfall, like the meteorological observation data 2. The weather prediction data 3 may include the temperature, the amount of solar radiation, the amount of snowfall, the amount of snowfall, and the like in addition to the amount of rainfall. In the present embodiment, particularly, the amount of rainfall includes mesh data 3 m as in the meteorological observation data 2. The weather prediction data 3 related to the river to be predicted by the flow rate prediction device 1 from the past to the present is stored in the weather prediction data storage unit 12.
The flow rate data 4 is the flow rate data actually observed at an observation station or the like. The flow rate data 4 of the river to be predicted by the flow rate prediction device 1 from the past to the present is stored in the flow rate storage unit 13.

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 rate prediction unit 30 predicts the future flow rate of the river based on the data stored in the meteorological observation data storage unit 11, the weather prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13. In order to make this prediction effectively, in particular, the prediction model learning unit 20 is equipped with a machine learning device as will be described later, and machine learning data including meteorological observation data 2, meteorological prediction data 3, and flow rate data 4. Machine learning is performed by inputting to the learner to generate prediction model parameters for predicting the future flow rate of the river.
That is, the flow rate prediction device 1 is roughly classified into two operations of learning the flow rate of the river and predicting the flow rate. In order to simplify the explanation, first, each component of the flow rate prediction device 1 at the time of learning the flow rate will be described, and then the behavior of each component at the time of predicting the flow rate will be described.

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 meteorological observation data 2 used as an input to the machine learner at the time of learning the flow rate is the meteorological observation data before the first past time (meteorological observation at the past time) stored in the meteorological observation data storage unit 11. Data) 2A. Further, the weather prediction data 3 used as an input to the machine learner at the time of learning the flow rate is the weather prediction data (meteorology at the past time) stored in the weather prediction data storage unit 12 after the first past time. Prediction data) 3A. Further, the flow rate data 4 used as an input to the machine learning device at the time of learning the flow rate is the flow rate data (flow rate data at the past time) 4A before the first past time.
As the weather forecast data 3A after the first past time, it is desirable to use the latest weather forecast data 3 that is before the first past time and as close to the first past time as possible.
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 rate data 4A before the first past time, and correct value, that is, flow rate data 4C after the first past time. Is the learning data of the machine learner.

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 data storage unit 11, the meteorological prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13, the data processing unit 14 includes meteorological observation data 2A before the first past time, and meteorological prediction data 3A after the first past time. The flow rate data 4A before the first past time and the flow rate data 4C after the first past time are acquired and converted into the input / output format of the machine learner.
The data processing unit 14 transmits each of the converted data to the learning unit 15.

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 learning unit 15 receives each data from the data processing unit 14.
The learning unit 15 trains the machine learner by the prediction model learning unit 20 to generate a learned prediction model.
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 model learning unit 20 includes a plurality of weak learners 21, and the predictive model learning unit 20 ensemble learns the plurality of weak learners 21 to generate a plurality of predictive models 31.

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 weak learner 21 as a whole is improved by learning and combining the plurality of weak learners 21 one by one in order. More specifically, when the weak learner 21 is trained, the predicted value (in the present embodiment, the predicted flow rate 5A after the first past time) is determined by the weak learner 21 that has already been learned before that. For data having a large error from the correct answer value (flow data 4C after the first past time in the present embodiment), learning is performed so that the error is preferentially reduced. For example, in the weak learner 21 that has already been learned, if the error between the predicted value 5A and the correct answer value 4C in the first data is small and the error in the second data is large, the weak learner 21 to be learned next is the second. Prioritize and emphasize the data of 2. The data may be prioritized by, for example, weighting each data, and for the data considered to have the error eliminated in the already learned weak learner 21, the next weak learner 21 It may be ignored in learning.

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 model learning unit 20 first trains the first weak learner 21A using the learning data received from the data processing unit 14. The predicted value 5A and the correct answer value 4C, which are the outputs of the first weak learner 21A, are compared by, for example, a comparator 23, and the result is reflected in the parameters provided inside the first weak learner 21A. The first weak learner 21A is learned by a method such as making the learner 21A. When it is determined that the learning of the first weak learner 21A is completed, if there is data with a large error between the predicted value 5A and the correct answer value 4C during the learning of the first weak learner 21A, this is prioritized. Then, the second weak learner 21B is trained.
The second weak learner 21B is also learned by reflecting the comparison result of the predicted value 5A and the correct answer value 4C inside the second weak learner 21B, similarly to the first weak learner 21A. When it is determined that the learning of the second weak learner 21B is completed, if there is data with a large error between the predicted value 5A and the correct answer value 4C during the learning of the second weak learner 21B, this is prioritized. Then, the third weak learner 21C is further trained. The above process is repeated until the learning of all the weak learners 21 is completed.

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 weak learners 21 under different conditions by the above-mentioned learning, when the same input is given to each of the plurality of weak learners 21, the plurality of weak learners 21 Make different predictions. In the present embodiment, the flow rate prediction device 1 inputs the weather observation data 2, the weather prediction data 3, and the flow rate data 4 to predict the flow rate 6, and therefore, the difference in this condition is, for example, the difference in the flow rate. That is, the case where the flow rate is large and the case where the flow rate is small are included. For example, one weak learner 21 performs learning focusing on the case where the flow rate is small, and another weak learner 21 performs learning focusing on the case where the flow rate is large.
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 weak learner 21A, the error between the predicted value 5A and the correct answer value 4C When becomes large, in another weak learner 21 which is subsequently learned, learning can be performed with an emphasis on the case where the flow rate is large.

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 model learning unit 20 trains a plurality of weak learners 21. When the learning is completed, the prediction model learning unit 20 stores the parameters adjusted by the learning of each weak learner 21 in the prediction model parameter storage unit 16 as the prediction model parameters. The prediction model parameters stored in the prediction model parameter storage unit 16 are acquired by the prediction unit 17, which will be described later, and a plurality of prediction models 31 that predict the flow rate corresponding to each weak learner 21 are realized.
That is, the prediction model learning unit 20 generates a learned prediction model 31 in which appropriate learning parameters have been learned, which is used as a program module that is a part of artificial intelligence software.

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 meteorological observation data 2, the meteorological prediction data 3, and the flow rate data 4 based on the present are input to the prediction model 31 for which the learning has been completed in order to predict the future flow rate of the river. .. That is, the input of the prediction model 31 is before the present, that is, current and past meteorological observation data (current meteorological observation data) 2B, and after the present, that is, future meteorological prediction data (current meteorological prediction data) 3B. , And the current flow data (current flow data) 4B.
The data processing unit 14 obtains the meteorological observation data 2B before the present, the future meteorological prediction data 3B, and the flow rate data 4B before the present from the meteorological observation data storage unit 11, the meteorological prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13. Acquire and convert each into the input format of the flow rate prediction unit 30.
The data processing unit 14 transmits each of the converted data to the prediction unit 17.

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 prediction unit 17 receives each data from the data processing unit 14.
The prediction unit 17 predicts the future flow rate 6 of the river by the flow rate prediction unit 30 in which a plurality of prediction models 31 are built therein.
Each of the plurality of prediction models 31 is constructed corresponding to each of the plurality of weak learners 21 learned in the prediction model learning unit 20. For example, each of the first prediction model 31A, the first prediction model 31B, and the first prediction model 31C corresponds to the first weak learner 21A, the second weak learner 21B, and the third weak learner 21C, respectively. ing. The flow rate prediction unit 30 acquires the prediction model parameters corresponding to each weak learner 21 stored in the prediction model parameter storage unit 16, and builds a prediction model 31 corresponding to each weak learner 21 based on each of these. do.
The flow rate prediction unit 30 inputs each data received from the data processing unit 14 into each of the plurality of prediction models 31.
As described above, the plurality of weak learners 21 are learned under different conditions. That is, the prediction model 31 corresponding to each of the plurality of weak learners 21 outputs different values even if the same data is input to each of them.

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 rate prediction unit 30 includes a coupler 32. The flow rate prediction unit 30 inputs the provisional future predicted flow rate 5B, which is the output of the plurality of prediction models 31, into the coupler 32. The coupler 32 calculates and predicts the future flow rate 6 based on these plurality of provisional future predicted flow rates 5B. The coupler 32 predicts the future flow rate 6 by, for example, calculating the sum, average, and weighting sum of a plurality of provisional future predicted flow rates 5B. When the coupler 32 calculates the weight sum, the weight depends on the performance of each weak learner 21, for example, the weight of the weak learner 21 having a low error rate, that is, a good regression accuracy is determined to be large. Will be done.

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 rate prediction device 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 3 and FIG. FIG. 4A is a flowchart at the time of learning the flow rate, and FIG. 4B is a flowchart at the time of predicting the flow rate.
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 rate prediction device 1 at the time of learning the flow rate will be described.
From the meteorological observation data storage unit 11, the meteorological prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13, the data processing unit 14 includes meteorological observation data 2A before the first past time, and meteorological prediction data 3A after the first past time. The flow rate data 4A before the first past time and the flow rate data 4C after the first past time are acquired, and each is converted into the input / output format of the weak learner 21.
The data processing unit 14 transmits each of the converted data to the learning unit 15.
The learning unit 15 receives each data from the data processing unit 14.
The learning unit 15 trains the weak learner 21 by the prediction model learning unit 20 to generate the learned prediction model 31 (step S1). In the present embodiment, the prediction model learning unit 20 uses the weather observation data 2A before the first past time, the weather prediction data 3A after the first past time, the flow rate data 4A before the first past time, and the correct answer value. A plurality of weak learners 21 are ensemble-learned so as to predict the predicted flow rate 5A after the first past time, using the flow rate data 4C after the first past time as training data.
As described above, the prediction model learning unit 20 trains a plurality of weak learners 21. In the present embodiment, since boosting is applied as a learning method for ensemble learning, a plurality of weak learning devices are used until it is determined that the learning of all the weak learning devices 21 is completed by the determination process shown in step S3. The vessels 21 are learned one by one in order. When the learning is completed, the prediction model learning unit 20 stores the parameters adjusted by the learning of each weak learner 21 in the prediction model parameter storage unit 16 as the prediction model parameters (step S5).

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 data processing unit 14 obtains the meteorological observation data 2B before the present, the future meteorological prediction data 3B, and the flow rate data 4B before the present from the meteorological observation data storage unit 11, the meteorological prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13. Acquire and convert each into the input format of the flow rate prediction unit 30.
The data processing unit 14 transmits each of the converted data to the prediction unit 17.
The prediction unit 17 receives each data from the data processing unit 14.
The flow rate prediction unit 30 acquires the prediction model parameters corresponding to each weak learner 21 stored in the prediction model parameter storage unit 16, and builds a prediction model 31 corresponding to each weak learner 21 based on each of these. (Step S11).
The flow rate prediction unit 30 inputs each data received from the data processing unit 14 into each of the plurality of prediction models 31. On the other hand, each of the plurality of prediction models 31 outputs a provisional future predicted flow rate of 5B (step S13).
The flow rate prediction unit 30 acquires a plurality of provisional future predicted flow rates 5B output by the plurality of prediction models 31 and inputs them to the coupler 32. The coupler 32 calculates and predicts the future flow rate 6 based on the plurality of provisional future predicted flow rates 5B (step S15).

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 rate prediction device 1 and the flow rate prediction method will be described.

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 rate prediction device 1 that predicts the flow rate 6 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 2A, and meteorological prediction data. Prediction model learning unit 20 that generates a plurality of prediction models 31 by ensemble learning a plurality of weak learners 21 so as to predict a flow rate 5A after the past time using 3A and flow data 4A and 4C as training data. And, each of the plurality of prediction models 31 is input with the current meteorological observation data 2B, the meteorological prediction data 3B, and the flow rate data 4B related to the river to output the provisional future predicted flow rate 5B. It is provided with a flow rate prediction unit 30 that predicts the future flow rate 6 of the river based on the provisional future prediction flow rate 5B of the above.
Further, this flow rate prediction method is a flow rate prediction method for predicting the flow rate 6 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 2A, meteorological prediction data 3A, Using the flow data 4A and 4C as training data, a plurality of weak learners 21 are ensemble-learned so as to predict the flow rate 5A after the past time, a plurality of prediction models 31 are generated, and the plurality of prediction models 31 are generated. Each of them inputs the current meteorological observation data 2B, the meteorological prediction data 3B, and the flow rate data 4B related to the river to output the provisional future prediction flow rate 5B, and a plurality of the provisional future predictions. The future flow rate 6 of the river is predicted based on the flow rate 5B.
According to the above configuration, a plurality of weak learners 21 are ensemble-learned to generate a plurality of prediction models 31, thereby predicting the future flow rate 6 of the river. That is, a plurality of weak learners 21 are trained to generate a plurality of prediction models 31 under different conditions including a difference in the flow rate, and a future flow rate 6 is predicted based on the plurality of results predicted by each of them. For this reason, even for data that is expected to have a large flow rate but may not be available in large numbers, such as in the case of a typhoon or torrential rain, a weak learner that emphasizes this and makes predictions. 21 exists. Therefore, it is possible to predict the flow rate with high accuracy even when the flow rate of the river is large.
Further, since the preparation before the introduction is completed by learning each weak learner 21, the introduction is easy.

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 weak learner 21, the data processing unit 14 only converts the data input format and output format, and changes the data content itself such as data deletion and duplication. Not. Therefore, it is difficult for human arbitrariness to intervene in the learning of the weak learner 21, and the loss of information from the data is suppressed.
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 model learning unit 20 ensemble learns each of the plurality of weak learners 21 by boosting.
For example, in the case of a typhoon or torrential rain, the predicted value is 5A when the flow rate is large in a weak learner 21 for data that is expected to have a large flow rate but may not be obtained in large numbers. The error between the correct answer value and the correct answer value of 4C becomes large, and there is a possibility that sufficient learning is not performed.
Even in such a case, according to the above configuration, in any other weak learner 21 that is learned after the weak learner 21, sufficient learning is performed by the weak learner 21. Learning is done with an emphasis on data that increases the flow rate that did not exist.
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 rate data 4A before the past time of the river, and the river as the correct answer value. This is the flow rate data 4C after the past time of And input the current and previous flow data 4B of the river.
According to the above configuration, the flow rate prediction device 1 and the flow rate prediction method can be appropriately realized.

[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 rate prediction device 1 and the flow rate prediction method shown as the above-described embodiment will be described. FIG. 5 is a block diagram of the flow rate prediction device in the first modification. FIG. 6 is an explanatory diagram of a seasonal data generation unit of the flow rate prediction device in the first modification. The flow rate prediction device 40 and the flow rate prediction method in the first modification are different in that the learning data further includes seasonal data having different values depending on the season.

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 rate prediction device 40 includes a seasonal data generation unit 43. When the date and time are input, the seasonal data generation unit 43 generates information on the season corresponding to the date and time as seasonal data. More specifically, the seasonal term data generation unit 43 includes a continuous function that outputs different values throughout the year according to the date and time, and when the date and time are input, the output of this continuous function is used as seasonal term data. Output.
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 sin function 65 and the cos function 66 can be applied. These functions 65 and 66 are periodic functions that are continuous and whose values are repeated with a period of one year. Furthermore, since at least one of the values of the sin function 65 and the cos function 66 has different values for different dates and times within a year, when these functions 65 and 66 are used together, the date and time are input. The corresponding seasonal data is uniquely determined.
The seasonal data generation unit 43 transmits the output to which the above functions 65 and 66 are applied to the input date and time to the data processing unit 44.

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 time data 7 corresponding to the first past time is input, the seasonal data generation unit 43 outputs the seasonal data corresponding to the first past time and processes the data. It is transmitted to the unit 14.
The data processing unit 44 includes the seasons corresponding to the first past time received from the seasonal data generation unit 43 in addition to the data acquired from the meteorological observation data storage unit 11, the weather prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13. The term data is converted as necessary and transmitted to the learning unit 45.
The learning unit 45 receives each data from the data processing unit 44.
The learning unit 45 trains the weak learner 51 by the prediction model learning unit 50 to generate the learned prediction model 61. In this modification, the prediction model learning unit 50 corresponds to the meteorological observation data before the first past time, the meteorological prediction data after the first past time, the flow rate data before the first past time, and the first past time. The seasonal term data and the correct answer value, that is, the flow rate data after the first past time are used as training data, and a plurality of weak learners 51 are ensemble-learned so as to predict the predicted flow rate after the first past time.
When the learning is completed, the prediction model learning unit 50 stores the parameters adjusted by the learning of each weak learner 51 in the prediction model parameter storage unit 46 as the prediction model parameters.

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 time data 7 corresponding to the present is input, the seasonal data generation unit 43 outputs the seasonal data corresponding to the present and transmits it to the data processing unit 14.
The data processing unit 44 adds the data acquired and converted from the meteorological observation data storage unit 11, the weather prediction data storage unit 12, and the flow rate storage unit 13, and the seasonal term corresponding to the present received from the seasonal term data generation section 43. The data is transmitted to the prediction unit 47.
The prediction unit 47 receives each data from the data processing unit 44.
The flow rate prediction unit 60 acquires the prediction model parameters corresponding to each weak learner 51 stored in the prediction model parameter storage unit 46, and builds a prediction model 61 corresponding to each weak learner 51 based on each of these. do.
The flow rate prediction unit 60 inputs each data received from the data processing unit 44 into each of the plurality of prediction models 61. On the other hand, each of the plurality of prediction models 61 outputs a provisional future prediction flow rate.
The flow rate prediction unit 60 acquires a plurality of provisional future predicted flow rates output by the plurality of prediction models 61 and inputs them to the coupler. The coupler calculates and predicts the future flow rate 6 based on these plurality of provisional future predicted flow rates.

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 rate prediction device 40 of the present modification, the training data further includes seasonal term data having different values depending on the season, and the flow rate prediction unit 60 indicates the seasonal term corresponding to the present in each of the plurality of prediction models 61. The data is further input as learning data to output a provisional future predicted flow rate, and the future flow rate 6 of the river is predicted based on a plurality of provisional future predicted flow rates.
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 weak learner 51 can be trained in consideration of such seasonal factors such as snowmelt, and therefore, the future flow rate 6 is predicted in consideration of the seasonal factors. be able to.

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 continuous functions 65 and 66, and the periodic functions 65 and 66 whose values are repeated with a cycle of one year.
According to the above configuration, the flow rate prediction device 40 can be appropriately realized.

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 rate prediction device 1 and the flow rate prediction method shown as the above-described embodiment will be described. FIG. 7 is a block diagram of the flow rate prediction device in the second modification. FIG. 8 is an explanatory diagram of the machine learning device and the feature extraction model in the second modification. This second modification is a further modification of the first modification. The flow rate prediction device 70 and the flow rate prediction method in the second modification are provided with a mesh feature amount learning unit that inputs mesh data and causes a machine learner to perform deep learning using the features of the mesh data as feature amounts. The learning device is different in that the mesh data features are input as training data instead of the mesh data.

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 data processing unit 44 acquired and received from the meteorological observation data storage unit 11, the weather prediction data storage unit 12, the flow rate storage unit 13, and the seasonal data generation unit 43, as in the second modification. Each data is converted and transmitted to the learning unit 75.
The learning unit 75 includes a mesh feature amount learning unit 80, a mesh feature amount parameter storage unit 82, and a mesh feature amount extraction unit 83. The mesh feature amount learning unit 80 and the mesh feature amount extraction unit 83 may be, for example, software or a program executed by the CPU in the information processing apparatus. Further, the mesh feature amount parameter storage unit 82 may be realized by a storage device such as a semiconductor memory or a magnetic disk provided inside or outside the information processing device.

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 amount learning unit 80 receives the meteorological observation data before the first past time and the meteorological prediction data before the first past time from the data processing unit 44.
The mesh feature amount learning unit 80 includes a machine learning device 81. The machine learning device 81 performs convolutional deep learning, and is particularly realized by a convolutional autoencoder. The machine learning device 81 generates trained models 84 and 91, which will be described later, in which appropriate learning parameters have been learned, which are used as a program module that is a part of artificial intelligence software.
In this modification, the output of the feature extraction model 84 is used as an input for learning the weak learner 86 in the prediction model learning unit 85. Therefore, the learning of the machine learning device 81 is performed prior to the learning of the weak learning device 86.
As described above, the meteorological observation data 2 and the meteorological prediction data 3 include mesh data. The mesh feature amount learning unit 80 inputs the mesh data included in each of the meteorological observation data before the first past time and the meteorological prediction data before the first past time into the machine learning device 81 as input mesh data 81a.

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 machine learning device 81 includes a convolution processing unit 81b, a fully connected unit 81c, and a deconvolution processing unit 81d.
The convolution processing unit 81b executes convolution processing, pooling processing, and the like on the input mesh data 81a to generate a feature map to be input to the fully connected unit 81c. The value of the feature map is stored in each input node of the fully connected portion 81c.
In the fully connected portion 81c, the weighted sum is calculated from the input node to the output node via the intermediate node based on the coupling load set between the nodes.
The value of each output node of the fully connected unit 81c is input to the deconvolution processing unit 81d. In the deconvolution processing unit 81d, processing symmetrical to that of the convolution processing unit 81b is executed. That is, the input mesh data 81a is compressed to a low dimension by the convolution processing unit 81b up to the fully connected portion 81c, but the deconvolution processing unit 81d operates so as to be restored from the compressed state to the low dimension. do. As a result, the output mesh data 81e having the same resolution as the input mesh data 81a is generated.
In the machine learning device 81, machine learning is performed so that the output mesh data 81e becomes mesh data that reproduces the input mesh data 81a.

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 machine learning device 81 is a convolution autoencoder, and the input mesh data 81a is compressed to a low dimension in the convolution processing unit 81b, input to the fully connected unit 81c, compressed to the maximum, and then deconvolved. The processing unit 81d restores the reproduction mesh data 81e. That is, the fully connected portion 81c is a portion in which the features of the input mesh data 81a are in the most compressed state, and the value of the output node of the fully connected portion 81c abstractly condenses the features of the input mesh data 81a. It can be treated as a feature amount, that is, a mesh data feature amount 81f.

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 input mesh data 81a is obtained by inputting each of the input mesh data 81a to the feature extraction models 84 and 91, which are the machine learning devices 81 for which learning has been completed, and extracting the value of the output node of the fully connected portion 81c. It is converted into the mesh data feature amount 81f. The prediction model learning unit 85 makes each weak learner 86 ensemble learn using the mesh data feature amount 81f converted from each mesh data instead of each mesh data.
Therefore, in this modification, the portion from the convolution processing portion 81b to the fully connected portion 81c surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 8 corresponds to the feature extraction models 84 and 91 which are trained models. Therefore, the value of each parameter corresponding to this portion, that is, the value of the weight of each filter used in the convolution processing unit 81b, the value of each coupling load of the fully connected portion 81c, and the like are used as the mesh feature amount parameters. It is transmitted to and stored in the parameter storage unit 82.

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 parameter storage unit 82 stores each parameter of the machine learning device 81 whose learning has been completed by the mesh feature amount learning unit 80 as a mesh feature amount parameter.

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 feature extraction unit 83 acquires the mesh feature parameter of the machine learning device 81 stored in the mesh feature parameter storage unit 82, and constructs the feature extraction model 84 corresponding to the machine learning device 81.
The mesh feature amount extraction unit 83 inputs each mesh data included in the meteorological observation data before the first past time and the meteorological prediction data before the first past time into the feature extraction model 84 as input mesh data 81a, and inputs each. The mesh data feature amount 81f corresponding to the mesh data 81a is generated.
The mesh feature amount extraction unit 83 transmits each mesh data feature amount 81f to the prediction model learning unit 85.

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 model learning unit 85 trains the weak learner 86 to generate a trained prediction model 93. In this modification, the prediction model learning unit 85 is replaced with the meteorological observation data before the first past time in which the mesh data is replaced with the corresponding mesh data feature amount 81f, and the mesh data feature amount 81f in which the mesh data is replaced. Meteorological prediction data after the first past time, flow rate data before the first past time, seasonal term data corresponding to the first past time, and correct answer value, that is, flow rate data after the first past time are used as training data. Ensemble learning of a plurality of weak learners 86 so as to predict the predicted flow rate after the first past time.
When the learning is completed, the prediction model learning unit 85 stores the parameters adjusted by the learning of each weak learner 86 in the prediction model parameter storage unit 46 as the prediction model parameters.

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 data processing unit 44 acquired and received from the meteorological observation data storage unit 11, the weather prediction data storage unit 12, the flow rate storage unit 13, and the seasonal data generation unit 43, as in the first modification. Each data is transmitted to the prediction unit 77.
The prediction unit 77 receives each data from the data processing unit 44.
The prediction unit 77 includes a mesh feature extraction unit 90 having a feature extraction model 91. The mesh feature extraction unit 90 and the feature extraction model 91 have the same configuration as the mesh feature extraction unit 83 and the feature extraction model 84 provided in the learning unit 75.
The mesh feature extraction unit 90 inputs each mesh data included in the current and previous weather observation data and future weather prediction data received by the prediction unit 77 into the feature extraction model 91 as input mesh data 81a, and inputs each. The mesh data feature amount 81f corresponding to the mesh data 81a is generated.
The mesh feature amount extraction unit 90 transmits each mesh data feature amount 81f to the flow rate prediction unit 92.

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 rate prediction unit 92 acquires the prediction model parameters corresponding to each weak learner 86 stored in the prediction model parameter storage unit 46, and builds a prediction model 93 corresponding to each weak learner 86 based on each of these. do.
The flow rate prediction unit 60 inputs each data received from the data processing unit 44 into each of the plurality of prediction models 93. Here, in the meteorological observation data before the present and the meteorological prediction data in the future, the mesh data included therein is replaced with the corresponding mesh data feature amount 81f and then input to each prediction model 93. In contrast, each of the plurality of prediction models 93 outputs a tentative future prediction flow rate.
The flow rate prediction unit 92 acquires a plurality of provisional future predicted flow rates output by the plurality of prediction models 93 and inputs them to the coupler. The coupler calculates and predicts the future flow rate 6 based on these plurality of provisional future predicted flow rates.

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 rate prediction device 70 of this modification, each of the meteorological observation data 2 and the meteorological prediction data 3 includes mesh data 81a in which the areas included as observation and prediction targets are divided into a mesh pattern by latitude and longitude on the map. The mesh feature amount learning unit 80, which inputs the mesh data 81a and causes the machine learner 81 to perform deep learning using the features of the mesh data 81a as the feature amount 81f, and the feature extraction models 84, 91, which are the machine learners 81 for which the learning has been completed. On the other hand, the prediction model learning unit 85 includes mesh feature extraction units 83 and 90 that input mesh data 81a and extract the feature amount 81f of the mesh data 81a, and the prediction model learning unit 85 replaces each of the mesh data 81a. Using the feature amount 81f obtained by inputting each of the mesh data 81a into the mesh feature amount extraction unit 83, a plurality of weak learners 86 are ensemble-learned, and the flow rate prediction unit 92 substitutes for each of the mesh data 81a. The future flow rate 6 of the river is predicted by using the feature amount 81f obtained by inputting each of the mesh data 81a into the mesh feature amount extraction unit 92.
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 meteorological observation data 2 and meteorological prediction data 3, the number of input dimensions becomes enormous. In such a case, if the mesh data is directly input to the weak learner 86 and the weak learner 86 is subjected to ensemble learning, the learning efficiency may not be good and highly accurate prediction may not be possible.
According to the above configuration, instead of the mesh data included in the meteorological observation data 2 and the meteorological prediction data 3, the features of these mesh data are reflected and the mesh data features are compressed to reduce the amount of data. The weak learner 86 is trained using the quantity 81f. As a result, the weak learner 86 can be trained more efficiently, and highly accurate prediction with higher generalization performance becomes possible.

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 machine learning device 81 and the feature extraction models 84 and 91 are realized by a convolutional autoencoder.
According to the above configuration, the flow rate prediction device 70 can be appropriately realized.

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 Flow forecaster 2 Meteorological observation data 2A Meteorological observation data before the first past time (meteorological observation data at the past time)
2B Meteorological observation data before the present (current meteorological observation data)
2m, 3m mesh data 3 Meteorological prediction data 3A Meteorological prediction data after the first past time (weather prediction data at the past time)
3B Future weather forecast data (current weather forecast data)
4 Flow rate data 4A Flow rate data before the first past time (flow rate data at the past time)
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 flow rate 6 Future flow rate 7 Date and time data 16,46 Predictive model parameter storage unit 20, 50, 85 Predictive model learning unit 21, 51, 86 Weak learner 30, 60, 92 Flow rate prediction unit 31, 61, 93 Predictive model 43 Seasonal data generation unit 65, 66 Function 80 Mesh feature amount learning unit 81 Machine learner 81a Input mesh data (mesh data)
81e Output mesh data 81f Mesh data Feature (feature)
82 Mesh feature parameter storage unit 83, 90 Mesh feature extraction unit 84, 91 Feature extraction model

Claims (9)

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。
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.
前記予測モデル学習部は、ブースティングにより前記複数の弱学習器の各々をアンサンブル学習する、請求項1に記載の流量予測装置。 The flow rate prediction device according to claim 1, wherein the prediction model learning unit ensemble learns each of the plurality of weak learners by boosting. 前記予測モデル学習部は、バギングにより前記複数の弱学習器の各々をアンサンブル学習する、請求項1に記載の流量予測装置。 The flow rate prediction device according to claim 1, wherein the prediction model learning unit ensemble learns each of the plurality of weak learners by bagging. 前記学習データは、前記河川に関係する、前記過去時刻以前の気象観測データ、前記河川に関係する前記過去時刻より後の気象予測データ、前記河川の前記過去時刻以前の流量データ、及び正解値としての前記河川の前記過去時刻より後の流量データであり、
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、
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.
前記季節項データは、連続関数であり、かつ1年を周期として値が繰り返される周期関数の出力値である、請求項5に記載の流量予測装置。 The flow rate predictor according to claim 5, wherein the seasonal data is a continuous function and is an output value of a periodic function whose value is repeated with a cycle of one year. 前記気象観測データ及び前記気象予測データの各々は、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を含み、
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.
前記機械学習器及び前記特徴抽出モデルは、畳み込みオートエンコーダにより実現されている、請求項7に記載の流量予測装置。 The flow rate prediction device according to claim 7, wherein the machine learning device and the feature extraction model are realized by a convolutional autoencoder. 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。
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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