JPWO2020090104A1 - Water level prediction device and water level prediction method - Google Patents

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Abstract

水位予測装置(1)において、仮想ポンプ井モデル(20)を用いて、ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習し、ポンプの動作に応じた河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習して、これらのパラメータに基づいて河川の水位を予測する。In the water level predictor (1), the virtual pump well model (20) is used to learn the pump operation parameters related to the pump operation, and the water level change showing the relationship between the river water level and the water level increase amount according to the pump operation. The parameters are learned and the water level of the river is predicted based on these parameters.

Description

本発明は、水位予測装置および水位予測方法に関する。 The present invention relates to a water level prediction device and a water level prediction method.

例えば、河川の水位を予測する従来の技術として、特許文献1に記載された水位予測方法が提案されている。この方法では、貯留関数法を用いて流域から河川への水の流出量を予測することで、河川の水位を予測している。 For example, as a conventional technique for predicting the water level of a river, the water level prediction method described in Patent Document 1 has been proposed. In this method, the water level of a river is predicted by predicting the amount of water flowing out from the basin to the river using the storage function method.

特開2015−94122号公報JP 2015-94122

河川の水位が変化する過程には、河川流域に降った雨水の貯留量が飽和して河川へ連続的に流出して河川の水位が変化する場合の他に、ポンプによって水が河川へ離散的に流出されることで河川の水位が変化する場合もある。例えば、河川の水位よりも低く、雨水が河川に流出しにくい流域では、雨水による浸水被害を防ぐために、雨水を下水道に集めてポンプで河川に放流させている。しかしながら、貯留関数法では、ポンプによる河川への離散的な水の流出過程を十分にモデル化できないため、特許文献1に記載された水位予測方法では、ポンプによって水が放流される河川の水位を精度よく予測できないという課題があった。 In the process of changing the water level of a river, in addition to the case where the amount of rainwater that has fallen in the river basin is saturated and continuously flows out to the river and the water level of the river changes, the water is dispersed to the river by a pump. The water level of the river may change due to the outflow to the river. For example, in a basin where the water level is lower than the river level and it is difficult for rainwater to flow into the river, rainwater is collected in the sewer and discharged to the river by a pump in order to prevent inundation damage caused by rainwater. However, since the storage function method cannot sufficiently model the discrete water outflow process to the river by the pump, the water level prediction method described in Patent Document 1 determines the water level of the river where the water is discharged by the pump. There was a problem that it could not be predicted accurately.

本発明は上記課題を解決するものであり、ポンプによる水の放流がある河川の水位を精度よく予測できる水位予測装置および水位予測方法を得ることを目的とする。 The present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to obtain a water level prediction device and a water level prediction method capable of accurately predicting the water level of a river in which water is discharged by a pump.

本発明に係る水位予測装置は、河川の流域に降った雨水が貯留され、貯留高に応じてポンプが動作して河川へ水を流出させる仮想のポンプ井を想定した仮想ポンプ井モデル、流域の過去の雨量データおよび仮想ポンプ井モデルでのポンプの動作履歴データを用いて、ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習する第1の学習部と、ポンプ動作パラメータを用いて、ポンプの動作に応じた河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習する第2の学習部と、ポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータに基づいて、河川の水位を予測する水位予測部とを備える。 The water level predictor according to the present invention is a virtual pump well model, which assumes a virtual pump well in which rainwater that has fallen in a river basin is stored and a pump operates according to the stored height to cause water to flow out to the river. The first learning unit that learns the pump operation parameters related to the pump operation using the past rainfall data and the pump operation history data in the virtual pump well model, and the pump operation parameters are used to respond to the pump operation. It includes a second learning unit that learns a water level change parameter that indicates the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level, and a water level prediction unit that predicts the water level of the river based on the pump operation parameter and the water level change parameter.

本発明によれば、河川の流域に降った雨水が貯留され、貯留高に応じてポンプが動作して河川へ水を流出させる仮想のポンプ井を想定して、ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習し、ポンプの動作に応じた河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習して、これらのパラメータに基づいて河川の水位を予測する。これにより、ポンプの動作に応じた河川の水位変化を正確にモデル化できるので、ポンプによる水の放流がある河川の水位を精度よく予測できる。 According to the present invention, assuming a virtual pump well in which rainwater that has fallen in a river basin is stored and the pump operates according to the stored height to discharge water to the river, the pump operation parameters related to the pump operation are set. It learns and learns the water level change parameters that indicate the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level according to the operation of the pump, and predicts the water level of the river based on these parameters. As a result, the change in the water level of the river according to the operation of the pump can be accurately modeled, so that the water level of the river in which the water is discharged by the pump can be predicted accurately.

実施の形態1に係る水位予測装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the water level prediction apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 図2Aは、貯留高が閾値以下である仮想ポンプ井モデルの概要を示す図である。図2Bは、貯留高が閾値を超えた仮想ポンプ井モデルの概要を示す図である。FIG. 2A is a diagram showing an outline of a virtual pump well model in which the storage height is below the threshold value. FIG. 2B is a diagram showing an outline of a virtual pump well model in which the storage height exceeds the threshold value. 実施の形態1に係る水位予測方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the water level prediction method which concerns on Embodiment 1. 実施の形態1における仮想ポンプ井モデルの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline of the virtual pump well model in Embodiment 1. FIG. 図5Aは、図4の仮想ポンプ井モデルで動作したポンプ台数が1台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。図5Bは、図4の仮想ポンプ井モデルで動作したポンプ台数が2台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。図5Cは、図4の仮想ポンプ井モデルで動作したポンプ台数が3台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model of FIG. 4 is one. FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model of FIG. 4 is two. FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model of FIG. 4 is three. 水位予測部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the water level prediction part. 図6の水位予測部の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation of the water level prediction part of FIG. 図8Aは、実施の形態1に係る水位予測装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図8Bは、実施の形態1に係る水位予測装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。FIG. 8A is a block diagram showing a hardware configuration that realizes the function of the water level prediction device according to the first embodiment. FIG. 8B is a block diagram showing a hardware configuration for executing software that realizes the function of the water level prediction device according to the first embodiment.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る水位予測装置1の構成を示すブロック図である。水位予測装置1は、河川データベース2に登録された水位の予測対象の河川に関する各種データと仮想ポンプ井モデルとを用いて、当該河川の水位を予測する。仮想ポンプ井モデルとは、河川の水位がポンプの動作によって突発的に上昇する現象を河川の水位予測に反映させるためのモデルであり、河川の流域に降った雨水が貯留される貯留タンクであり、貯留高に応じてポンプが動作して河川へ水を流出させる仮想のポンプ井を想定したものである。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a water level prediction device 1 according to a first embodiment. The water level prediction device 1 predicts the water level of the river by using various data related to the river whose water level is to be predicted registered in the river database 2 and a virtual pump well model. The virtual pump well model is a model for reflecting the phenomenon that the water level of the river suddenly rises due to the operation of the pump in the water level prediction of the river, and is a storage tank that stores the rainwater that has fallen in the river basin. , It is assumed that the pump operates according to the storage height and drains water to the river.

河川データベース2に登録された河川に関する各種データには、例えば、河川の流域における過去の雨量データ、ポンプの動作履歴データ、河川の流域における現在の雨量データおよび河川の観測水位が含まれる。ポンプの動作履歴データには、例えば、仮想ポンプ井モデルでのポンプ動作の有無と、過去に動作したポンプによる貯留水の流出量が含まれる。 Various data related to the river registered in the river database 2 include, for example, past rainfall data in the river basin, pump operation history data, current rainfall data in the river basin, and observed water level of the river. The operation history data of the pump includes, for example, the presence / absence of pump operation in the virtual pump well model and the outflow amount of stored water by the pump operated in the past.

図2Aは、貯留高Sが閾値Th以下である仮想ポンプ井モデル20の概要を示す図である。図2Bは、貯留高Sが閾値Thを超えた仮想ポンプ井モデル20の概要を示す図である。図2Aおよび図2Bに示す仮想ポンプ井モデル20で想定されるポンプ井には、河川の流域に降った有効雨量Rの雨水が貯留される。有効雨量Rは、河川の流域に降った雨量のうち、河川へ直接流出する雨量である。 FIG. 2A is a diagram showing an outline of the virtual pump well model 20 in which the storage height S is equal to or less than the threshold value Th. FIG. 2B is a diagram showing an outline of the virtual pump well model 20 in which the storage height S exceeds the threshold value Th. In the pump well assumed by the virtual pump well model 20 shown in FIGS. 2A and 2B, rainwater having an effective rainfall R that has fallen in the river basin is stored. The effective rainfall R is the amount of rainfall that directly flows into the river among the rainfall that has fallen in the river basin.

図2Aに示すように、仮想ポンプ井モデル20のポンプ井の貯留高Sが閾値Th以下であればポンプは動作せず、ポンプ井に貯留された水は、ポンプによって河川に流出されない。一方、図2Bに示すように、ポンプ井の貯留高Sが閾値Thを超えた場合に、ポンプが動作してポンプ井から流出量qの水が河川へ流出する。 As shown in FIG. 2A, if the storage height S of the pump well of the virtual pump well model 20 is equal to or less than the threshold Th, the pump does not operate and the water stored in the pump well is not discharged to the river by the pump. On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the storage height S of the pump well exceeds the threshold value Th, the pump operates and water having an outflow amount q flows out from the pump well to the river.

水位予測装置1は、図1に示すように、第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12を備える。第1の学習部10は、仮想ポンプ井モデル20、河川データベース2から読み出した流域の過去の雨量データおよびポンプの動作履歴データとを用いて、ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習する。 As shown in FIG. 1, the water level prediction device 1 includes a first learning unit 10, a second learning unit 11, and a water level prediction unit 12. The first learning unit 10 learns pump operation parameters related to pump operation by using the virtual pump well model 20, the past rainfall data of the basin read from the river database 2, and the operation history data of the pump.

例えば、第1の学習部10は、流域の過去の雨量データから、仮想ポンプ井モデル20のポンプ井の貯留高Sを特定し、ポンプ動作の履歴データに含まれる流出量qを用いて、ポンプが動作する貯留高Sの閾値Thを求める。閾値Thは、流域に雨が降ってポンプ井の貯留高Sが増加する状況において、ポンプが動作するタイミングを示す値である。 For example, the first learning unit 10 identifies the storage height S of the pump well of the virtual pump well model 20 from the past rainfall data of the basin, and uses the outflow amount q included in the history data of the pump operation to pump the pump. The threshold value Th of the storage height S in which is operated is obtained. The threshold value Th is a value indicating the timing at which the pump operates in a situation where it rains in the basin and the storage height S of the pump well increases.

第2の学習部11は、第1の学習部10によって学習された閾値Thを用いて、河川の水位と水位増加量との関係を学習する。水位増加量は、ポンプによってポンプ井から河川へ流出された水による河川の水位の増加量である。第2の学習部11は、閾値Thによってポンプが動作するタイミングを特定し、ポンプが動作したタイミングから河川の水位が増加していく状況を示す河川の水位と水位増加量との関係が学習される。 The second learning unit 11 learns the relationship between the water level of the river and the amount of water level increase using the threshold value Th learned by the first learning unit 10. The amount of increase in water level is the amount of increase in the water level of the river due to the water flowing from the pump well to the river by the pump. The second learning unit 11 identifies the timing at which the pump operates by the threshold Th, and learns the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level, which indicates a situation in which the water level of the river increases from the timing at which the pump operates. To.

水位予測部12は、第1の学習部10によって学習された閾値Thおよび第2の学習部11によって学習された河川の水位と水位増加量との関係に基づいて、河川の水位を予測する。例えば、水位予測部12は、閾値Thと、河川の水位と水位増加量との関係を示すパラメータの値とを水位予測モデルに設定し、この水位予測モデルに従って河川の水位を予測する。 The water level prediction unit 12 predicts the water level of the river based on the threshold Th learned by the first learning unit 10 and the relationship between the water level of the river learned by the second learning unit 11 and the amount of increase in the water level. For example, the water level prediction unit 12 sets a threshold value Th and a value of a parameter indicating the relationship between the river water level and the amount of water level increase in the water level prediction model, and predicts the river water level according to this water level prediction model.

次に動作について説明する。
図3は、実施の形態1に係る水位予測方法を示すフローチャートであり、河川の水位が予測されるまでの水位予測装置1による一連の処理を示している。
第1の学習部10が、仮想ポンプ井モデル20でポンプが動作する貯留高の閾値Thを含むポンプ動作パラメータを学習する(ステップST1)。
Next, the operation will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing the water level prediction method according to the first embodiment, and shows a series of processes by the water level prediction device 1 until the water level of the river is predicted.
The first learning unit 10 learns the pump operation parameters including the threshold Th of the storage height at which the pump operates in the virtual pump well model 20 (step ST1).

例えば、第1の学習部10は、河川の流域に雨が降ってポンプが動作したときの流域の雨量データおよびポンプの動作履歴データと、河川の流域に雨が降ってもポンプが動作しなかったときの流域の雨量データおよびポンプの動作履歴データとを用いて、仮想ポンプ井モデル20を構築する。第1の学習部10は、仮想ポンプ井モデル20を用いて動作したポンプによる貯留水の流出量を予測し、予測した流出量で貯留水が流出するポンプ井の貯留高を求め、求めた貯留高のうち、評価が最も高い貯留高を閾値Thとして学習する。 For example, in the first learning unit 10, the rain amount data and the operation history data of the basin when it rains in the river basin and the pump operates, and the pump does not operate even if it rains in the river basin. A virtual pump well model 20 is constructed by using the rainfall data of the basin and the operation history data of the pump at that time. The first learning unit 10 predicts the outflow amount of the stored water by the pump operated by using the virtual pump well model 20, obtains the stored amount of the pump well in which the stored water flows out with the predicted outflow amount, and obtains the stored amount. Among the highs, the storage amount with the highest evaluation is learned as the threshold Th.

貯留高の評価には、ポンプの誤動作確率を評価値として用いてもよい。ポンプの誤動作確率は、仮想ポンプ井モデル20を用いてポンプの動作予測を誤った回数を、全ての予測回数で割った値としてもよい。第1の学習部10は、仮想ポンプ井モデル20を用いて、ポンプの誤動作確率が最小となるように閾値Thを学習する。貯留高の評価値には、仮想ポンプ井モデル20で予測したポンプの流出量と、過去に動作したポンプによる貯留水の流出量との差分を用いてもよい。第1の学習部10は、仮想ポンプ井モデル20を用いて当該差分が最小となるように閾値Thを学習する。 The pump malfunction probability may be used as an evaluation value for the evaluation of the storage amount. The pump malfunction probability may be a value obtained by dividing the number of times the pump operation prediction is erroneous by the total number of predictions using the virtual pump well model 20. The first learning unit 10 uses the virtual pump well model 20 to learn the threshold value Th so that the probability of malfunction of the pump is minimized. As the evaluation value of the stored amount, the difference between the outflow amount of the pump predicted by the virtual pump well model 20 and the outflow amount of the stored water by the pump operated in the past may be used. The first learning unit 10 uses the virtual pump well model 20 to learn the threshold value Th so that the difference is minimized.

図4は、実施の形態1における仮想ポンプ井モデル20の概要を示す図である。図4に示すように、仮想ポンプ井モデル20には、ポンプ井の貯留高Sについて、閾値Th1,Th2,Th3が設定されており、閾値Th1,Th2,Th3の各々に対応する台数のポンプが動作する。例えば、貯留高Sが閾値Th1を超えると、1台のポンプが動作して流出量T1で貯留水を河川へ流出する。貯留高Sが閾値Th2を超えると、2台のポンプが動作して流出量T2で貯留水を河川へ流出する。貯留高Sが閾値Th3を超えた場合には、3台のポンプが動作して流出量T3で貯留水を河川へ流出する。 FIG. 4 is a diagram showing an outline of the virtual pump well model 20 according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, in the virtual pump well model 20, thresholds Th1, Th2, Th3 are set for the storage height S of the pump wells, and the number of pumps corresponding to each of the thresholds Th1, Th2, Th3 is set. Operate. For example, when the storage height S exceeds the threshold value Th1, one pump operates to discharge the stored water to the river with the outflow amount T1. When the storage height S exceeds the threshold Th2, the two pumps operate to discharge the stored water to the river with the outflow amount T2. When the storage height S exceeds the threshold value Th3, three pumps operate to discharge the stored water to the river with the outflow amount T3.

下記式(1)は、仮想ポンプ井モデル20の貯留高Sと流出量Qとの関係を示す関係式であり、下記式(2)は、仮想ポンプ井モデル20の貯留高Sの時間変化を示す関係式である。下記式(1)および下記式(2)において、Sはポンプ井の貯留高である。Qは、ポンプによらず、ポンプ井から河川へ連続的に流出する貯留水の流出量である。Rは有効雨量であり、KおよびPは貯留高Sと流出量Qとの関係を示すパラメータである。T1、T2およびT3は、動作したポンプ台数ごとの貯留水の河川への流出量である。
S=KQ ・・・(1)
dS/dt=R−Q−T1−T2−T3 ・・・(2)
The following equation (1) is a relational expression showing the relationship between the storage height S of the virtual pump well model 20 and the outflow amount Q, and the following formula (2) shows the time change of the storage height S of the virtual pump well model 20. It is a relational expression shown. In the following formula (1) and the following formula (2), S is the storage height of the pump well. Q is the amount of stored water that continuously flows out from the pump well to the river regardless of the pump. R is the effective rainfall, and K and P are parameters indicating the relationship between the storage amount S and the runoff amount Q. T1, T2 and T3 are the outflow amounts of the stored water to the river for each number of operating pumps.
S = KQ P ... (1)
dS / dt = RQ-T1-T2-T3 ... (2)

上記式(2)において、貯留高Sが閾値Th1以下である場合、動作するポンプが0台であるので、T1、T2およびT3は、いずれも“0”となる。貯留高Sが閾値Th1を超え閾値Th2以下であれば、1台のポンプが動作するので、T2およびT3が“0”となる。貯留高Sが閾値Th2を超え閾値Th3以下であれば、動作するポンプが2台であるので、T3が“0”となる。 In the above formula (2), when the storage height S is equal to or less than the threshold value Th1, since there are no operating pumps, T1, T2, and T3 are all "0". If the storage height S exceeds the threshold Th1 and is equal to or less than the threshold Th2, one pump operates, so T2 and T3 become “0”. If the storage height S exceeds the threshold Th2 and is equal to or less than the threshold Th3, T3 becomes “0” because there are two operating pumps.

第1の学習部10は、過去の流域の雨量データおよび過去に動作したポンプによる貯留水の流出量を用い、例えば上記式(1)および上記式(2)に従って、有効雨量R、流出量Q、流出量T1、T2およびT3およびパラメータKおよびPを学習する。第1の学習部10によって学習された流出量T1、T2およびT3のそれぞれに対応する閾値ThとパラメータKおよびPとを含んだポンプ動作パラメータは、第2の学習部11および水位予測部12に出力される。 The first learning unit 10 uses the rainfall data of the past basin and the outflow amount of the stored water by the pump operated in the past, and according to the above equations (1) and (2), for example, the effective rainfall R and the outflow amount Q. , The outflow amounts T1, T2 and T3 and the parameters K and P are learned. The pump operation parameters including the threshold values Th and the parameters K and P corresponding to the outflow amounts T1, T2, and T3 learned by the first learning unit 10 are transmitted to the second learning unit 11 and the water level prediction unit 12. It is output.

第2の学習部11は、ポンプの動作に応じた河川の水位と水位増加量との関係を含んだ水位変化パラメータを学習する(ステップST2)。ポンプによる貯留水の河川への流出量は、動作したポンプの台数ごとに離散的な値をとることを利用して、第2の学習部11は、動作したポンプの台数ごとに河川の水位と水位増加量との関係を回帰学習する。 The second learning unit 11 learns the water level change parameter including the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level according to the operation of the pump (step ST2). Utilizing the fact that the amount of stored water discharged by the pumps to the river takes a discrete value for each number of operating pumps, the second learning unit 11 sets the water level of the river for each number of operating pumps. Regression learning of the relationship with the amount of water level increase.

図5Aは、仮想ポンプ井モデル20で動作したポンプ台数が1台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。図5Bは、仮想ポンプ井モデル20で動作したポンプ台数が2台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。図5Cは、仮想ポンプ井モデル20で動作したポンプ台数が3台であるときの河川の水位と水位増加量との関係を示す図である。 FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model 20 is one. FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model 20 is two. FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level when the number of pumps operated by the virtual pump well model 20 is three.

第2の学習部11は、河川データベース2から読み出した河川の観測水位と、ポンプによる貯留水の流出量に応じた河川の水位増加量との関係を、動作したポンプの台数ごとに回帰学習する。回帰学習では、図5A、図5Bおよび図5Cに示すように、1次回帰(例えば、最小二乗法)を用いて水位と水位増加量との関係を特定し、特定した関係における傾きおよび切片を水位変化パラメータとして学習する。このようにして、1台のポンプが動作したときの水位変化パラメータ、2台のポンプが動作したときの水位変化パラメータおよび3台のポンプが動作したときの水位変化パラメータが学習される。 The second learning unit 11 retraces and learns the relationship between the observed water level of the river read from the river database 2 and the amount of increase in the water level of the river according to the outflow of stored water by the pumps for each number of operating pumps. .. In regression learning, as shown in FIGS. 5A, 5B and 5C, linear regression (eg, least squares method) is used to identify the relationship between the water level and the amount of water level increase, and the slope and intercept in the specified relationship are determined. Learn as a water level change parameter. In this way, the water level change parameter when one pump operates, the water level change parameter when two pumps operate, and the water level change parameter when three pumps operate are learned.

これまでの説明では、仮想ポンプ井モデル20のポンプ井の貯留高について3つの閾値を設定して1台から3台までのポンプが動作する場合を示したが、これに限定されるものではない。仮想ポンプ井モデル20では、ポンプ井の貯留高についての複数の閾値の各々に対応する台数のポンプが動作すればよいので、閾値の数が2つ以上であり、閾値に対応して動作するポンプの台数も2台以上であればよい。 In the explanation so far, the case where three threshold values are set for the storage amount of the pump well of the virtual pump well model 20 and one to three pumps operate is shown, but the present invention is not limited to this. .. In the virtual pump well model 20, since it is sufficient that the number of pumps corresponding to each of the plurality of thresholds for the storage height of the pump well operates, the number of thresholds is two or more, and the pumps that operate corresponding to the thresholds. The number of units may be two or more.

水位予測部12が、第1の学習部10によって学習されたポンプ動作パラメータおよび第2の学習部11によって学習された水位変化パラメータに基づいて、河川の水位を予測する(ステップST3)。例えば、河川流域の降雨でポンプ井の貯留高Sが上昇している状況において、ポンプが動作していない場合、水位予測部12は、現在の雨量データからポンプが1台動作したときの河川の水位を予測する。ポンプが1台動作すると、水位予測部12は、現在の雨量データから、ポンプが2台動作したときの河川の水位を予測する。さらに、ポンプが2台動作した場合、水位予測部12は、現在の雨量データから、ポンプが3台動作したときの河川の水位を予測する。なお、水位予測部12によって予測された水位は、図示しないディスプレイに表示される。 The water level prediction unit 12 predicts the water level of the river based on the pump operation parameters learned by the first learning unit 10 and the water level change parameters learned by the second learning unit 11 (step ST3). For example, in a situation where the storage height S of the pump well is rising due to rainfall in the river basin, if the pump is not operating, the water level prediction unit 12 will use the current rainfall data to determine the river when one pump is operating. Predict the water level. When one pump operates, the water level prediction unit 12 predicts the water level of the river when two pumps operate from the current rainfall data. Further, when two pumps are operated, the water level prediction unit 12 predicts the water level of the river when three pumps are operated from the current rainfall data. The water level predicted by the water level prediction unit 12 is displayed on a display (not shown).

例えば、水位予測部12は、上記式(1)および上記式(2)を用いて数値差分を計算することで、雨量データから、ポンプ井からの流出量と貯留量とポンプの動作タイミングを予測する。ここで、ポンプの動作の有無を表す変数UをU=g(R|w)と表現する。変数Uは、ポンプの動作の有無を0または1で表す変数である。gは、学習パラメータwと雨量Rから変数Uを予測する関数である。学習パラメータwは、例えば、w={K,P,Thn,Tn}(nはポンプの動作台数)である。 For example, the water level prediction unit 12 predicts the outflow amount and the storage amount from the pump well and the operation timing of the pump from the rainfall data by calculating the numerical difference using the above equations (1) and (2). To do. Here, the variable U indicating the presence or absence of pump operation is expressed as U = g (R | w). The variable U is a variable representing the presence or absence of pump operation by 0 or 1. g is a function that predicts the variable U from the learning parameter w and the rainfall R. The learning parameter w is, for example, w = {K, P, Thn, Tn} (n is the number of operating pumps).

第1の学習部10は、下記式(3)に示す評価関数の値が最小化されるように学習パラメータwを算出する。下記式(3)において、Rは実際の雨量の実績値であり、Uはポンプ動作の有無についての観測値(ポンプの動作履歴データ)である。iはデータ番号であり、Nは学習データ数を表す。下記式(3)は、関数gによるポンプの動作の予測値とポンプ動作の観測値との差を表しており、この差が小さくなるように学習パラメータwが学習される。ここでは、ポンプ動作の予測誤差に注目して学習パラメータwを学習する場合を示したが、ポンプ井の流出量に着目して予測流出量と観測流出量との誤差に注目して最急降下法などで学習パラメータwを学習してもよい。

Figure 2020090104
The first learning unit 10 calculates the learning parameter w so that the value of the evaluation function shown in the following equation (3) is minimized. In formula (3), R i is the actual value of the actual rainfall, U i is the observed value of the presence or absence of the pump operation (operation history data of the pump). i is a data number and N is the number of training data. The following equation (3) represents the difference between the predicted value of the pump operation by the function g and the observed value of the pump operation, and the learning parameter w is learned so that this difference becomes small. Here, the case where the learning parameter w is learned by focusing on the prediction error of the pump operation is shown, but the steepest descent method is focused on the error between the predicted outflow amount and the observed outflow amount by focusing on the outflow amount of the pump well. The learning parameter w may be learned by such means.

Figure 2020090104

また、ポンプ井の水位hrを観測できる場合には、第1の学習部10が、ポンプ井の水位の観測データを用いてポンプが動作する閾値を学習し、水位予測部12が、ポンプ井の水位の観測データを用いてポンプの動作を予測してもよい。ポンプの動作を予測する関数をhとし、学習パラメータw2を、w2={ai,b,th}とする。aiおよびbは、雨量riと水位hrとの関係を示すパラメータであり、thは、ポンプが動作するポンプ井の水位の閾値である。雨量RをR={r1,r2,r3,・・・,rk}とする。kは、時刻番号であり、riは、各時刻での雨量である。下記式(4)は、雨量とポンプ井の水位とポンプ動作との関係をモデル化したものであり、水位予測部12は、下記式(4)を用いてポンプの動作を予測する。

Figure 2020090104
When the water level hr of the pump well can be observed, the first learning unit 10 learns the threshold value at which the pump operates using the observation data of the water level of the pump well, and the water level prediction unit 12 of the pump well Pump operation may be predicted using water level observation data. Let h be the function that predicts the operation of the pump, and let w2 = {ai, b, th} as the learning parameter w2. ai and b are parameters indicating the relationship between the rainfall ri and the water level hr, and th is the threshold value of the water level of the pump well in which the pump operates. Let the rainfall R be R = {r1, r2, r3, ..., Rk}. k is a time number, and ri is the amount of rainfall at each time. The following equation (4) is a model of the relationship between the rainfall, the water level of the pump well, and the pump operation, and the water level prediction unit 12 predicts the operation of the pump using the following equation (4).

Figure 2020090104

第1の学習部10は、上記式(3)の関数gの学習と同様に、関数hによるポンプが動作する水位の予測値とポンプが動作した水位の観測値との差が最小化されるように、学習パラメータw2を学習する。水位予測部12は、第1の学習部10によって学習された学習パラメータw2を用いた上記式(4)に従って、ポンプ井の水位hrと雨量Rとから、ポンプの動作を予測する。 In the first learning unit 10, the difference between the predicted value of the water level at which the pump operates and the observed value of the water level at which the pump operates is minimized by the function h, similarly to the learning of the function g of the above equation (3). As described above, the learning parameter w2 is learned. The water level prediction unit 12 predicts the operation of the pump from the water level hr and the rainfall R of the pump well according to the above equation (4) using the learning parameter w2 learned by the first learning unit 10.

図6は、水位予測部12の構成を示すブロック図である。図7は、水位予測部12の動作を示すフローチャートであり、図3のステップST3の処理の詳細を示している。図6に示すように、水位予測部12は、設定部120、予測部121、尤度評価部122および修正部123を備える。 FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the water level prediction unit 12. FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the water level prediction unit 12, and shows the details of the process of step ST3 of FIG. As shown in FIG. 6, the water level prediction unit 12 includes a setting unit 120, a prediction unit 121, a likelihood evaluation unit 122, and a correction unit 123.

設定部120は、第1の学習部10によって学習されたポンプ動作パラメータおよび第2の学習部11によって学習された水位変化パラメータを、初期値として水位予測モデルに設定する(ステップST1a)。水位予測モデルは、ポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータを用いて、河川の水位を予測するための予測モデルである。例えば、水位予測モデルは、第1の学習部10によって学習された関数gまたはhを用いて、ポンプの動作を予測し、ポンプ動作の予測結果と、第2の学習部11によって学習された水位ごとの水位増加量の回帰予測の結果から、水位を予測するものである。 The setting unit 120 sets the pump operation parameter learned by the first learning unit 10 and the water level change parameter learned by the second learning unit 11 in the water level prediction model as initial values (step ST1a). The water level prediction model is a prediction model for predicting the water level of a river by using a pump operation parameter and a water level change parameter. For example, the water level prediction model predicts the pump operation using the function g or h learned by the first learning unit 10, and predicts the pump operation and the water level learned by the second learning unit 11. The water level is predicted from the result of regression prediction of the amount of increase in water level for each.

予測部121が、初期値が設定された水位予測モデルを用いて、河川の水位を予測する(ステップST2a)。例えば、水位予測モデルには、設定部120によってポンプ台数ごとの初期値が設定されるので、予測部121は、河川の水位を初期値ごとに予測する。 The prediction unit 121 predicts the water level of the river by using the water level prediction model in which the initial value is set (step ST2a). For example, in the water level prediction model, the setting unit 120 sets an initial value for each number of pumps, so that the prediction unit 121 predicts the water level of the river for each initial value.

尤度評価部122は、水位予測モデルを用いた水位の予測の尤度を算出する(ステップST3a)。例えば、尤度評価部122は、初期値ごとの水位の予測値と河川データベース2から読み出した河川の観測水位とを用いて水位予測の尤度を、初期値ごとに算出し、算出した尤度に応じて初期値の修正の要否を評価する。上記尤度として、水位の予測値と観測水位との差分を用いてもよい。例えば、この差分が一定の閾値よりも大きい場合に、初期値の修正が必要とされる。 The likelihood evaluation unit 122 calculates the likelihood of predicting the water level using the water level prediction model (step ST3a). For example, the likelihood evaluation unit 122 calculates the likelihood of water level prediction for each initial value using the predicted value of the water level for each initial value and the observed water level of the river read from the river database 2, and the calculated likelihood. Evaluate the necessity of correcting the initial value according to. As the likelihood, the difference between the predicted water level and the observed water level may be used. For example, if this difference is greater than a certain threshold, the initial value needs to be modified.

修正部123は、尤度評価部122によって修正が必要と評価された初期値を修正する(ステップST4a)。例えば、修正部123は、修正が必要な初期値(ポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータ)が、状態ベクトルとして設定された状態推定モデルを用いて、初期値を修正してもよい。また、修正部123は、状態推定モデルの一つである粒子フィルタにおけるリサンプル処理を用いて初期値を修正してもよい。この場合、粒子フィルタには、修正が必要な初期値が粒子として設定される。例えば、複数の初期値のうち、尤度の小さい初期値の粒子を減少させ、尤度の大きい初期値の粒子を重複させて複製することで、予測誤差が小さい粒子の数が増加し初期値が修正される。また、状態推定モデルとしては、粒子フィルタ以外に、カルマンフィルタまたは拡張カルマンフィルタがある。予測部121が、状態推定モデルを用いて初期値の異なる複数の予測を行い、修正部123は、尤度が最大となる初期値を推定する。このように推定された初期値を用いて、水位が予測される。 The correction unit 123 corrects the initial value evaluated as needing correction by the likelihood evaluation unit 122 (step ST4a). For example, the correction unit 123 may correct the initial values (pump operation parameter and water level change parameter) that need to be corrected by using a state estimation model in which the state vector is set. Further, the correction unit 123 may correct the initial value by using the resampling process in the particle filter which is one of the state estimation models. In this case, the particle filter is set with an initial value that needs to be corrected as a particle. For example, among a plurality of initial values, by reducing the particles with the initial value having a small likelihood and duplicating the particles with the initial value having a high likelihood, the number of particles with a small prediction error increases and the initial value Is fixed. In addition to the particle filter, the state estimation model includes a Kalman filter or an extended Kalman filter. The prediction unit 121 makes a plurality of predictions having different initial values using the state estimation model, and the correction unit 123 estimates the initial value having the maximum likelihood. The water level is predicted using the initial values estimated in this way.

続いて、設定部120は、修正部123によって修正された初期値を、水位予測モデルに設定する(ステップST5a)。この後、予測部121は、修正後の初期値が設定された水位予測モデルを用いて河川の水位を予測する(ステップST6a)。このように水位の予測値と観測水位とを用いて尤度を算出し、算出した尤度に応じて初期値の修正要否を評価するので、リアルタイムに得られた観測水位に適合した河川の水位予測を行うことが可能となる。 Subsequently, the setting unit 120 sets the initial value corrected by the correction unit 123 in the water level prediction model (step ST5a). After that, the prediction unit 121 predicts the water level of the river using the water level prediction model in which the corrected initial value is set (step ST6a). In this way, the likelihood is calculated using the predicted water level and the observed water level, and the necessity of correcting the initial value is evaluated according to the calculated likelihood. Therefore, the river that matches the observed water level obtained in real time is evaluated. It is possible to predict the water level.

なお、図6では初期値の修正を1回行う場合を示したが、尤度が許容条件を満たすまで初期値の修正を繰り返し行ってもよい。例えば、水位の予測値と観測水位との差分が尤度である場合、全ての初期値のそれぞれに対応する尤度が一定の閾値以下になるまで、初期値の修正を繰り返す。これにより、リアルタイムに得られた観測水位に適合した河川の水位予測を行うことが可能となる。 Although FIG. 6 shows a case where the initial value is corrected once, the initial value may be repeatedly corrected until the likelihood satisfies the allowable condition. For example, when the difference between the predicted water level and the observed water level is the likelihood, the correction of the initial value is repeated until the likelihood corresponding to each of the initial values becomes equal to or less than a certain threshold value. This makes it possible to predict the water level of a river that matches the observed water level obtained in real time.

次に、水位予測装置1のハードウェア構成について説明する。
水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の機能は、処理回路によって実現される。すなわち、水位予測装置1は、図3に示したフローチャートのステップST1からステップST3までの処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)であってもよい。
Next, the hardware configuration of the water level prediction device 1 will be described.
The functions of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 are realized by the processing circuit. That is, the water level prediction device 1 includes a processing circuit for executing the processes from step ST1 to step ST3 in the flowchart shown in FIG. The processing circuit may be dedicated hardware, or may be a CPU (Central Processing Unit) that executes a program stored in the memory.

図8Aは、実施の形態1に係る水位予測装置1の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。また、図8Bは、実施の形態1に係る水位予測装置1の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図8Aおよび図8Bにおいて、データベースインタフェース100は、水位予測装置1と河川データベース2との間のデータのやり取りを中継するインタフェースである。河川の流域の過去の雨量データおよびポンプの動作履歴データは、データベースインタフェース100を介して水位予測装置1へ出力される。 FIG. 8A is a block diagram showing a hardware configuration that realizes the function of the water level prediction device 1 according to the first embodiment. Further, FIG. 8B is a block diagram showing a hardware configuration for executing software that realizes the function of the water level prediction device 1 according to the first embodiment. In FIGS. 8A and 8B, the database interface 100 is an interface that relays the exchange of data between the water level prediction device 1 and the river database 2. The past rainfall data of the river basin and the operation history data of the pump are output to the water level prediction device 1 via the database interface 100.

ディスプレイインタフェース101は、水位予測装置1から図示しないディスプレイへの予測水位情報の送信を中継するインタフェースである。水位予測部12によって予測された河川の予測水位は、ディスプレイインタフェース101を介して上記ディスプレイに表示される。 The display interface 101 is an interface that relays the transmission of the predicted water level information from the water level predicting device 1 to a display (not shown). The predicted water level of the river predicted by the water level prediction unit 12 is displayed on the display via the display interface 101.

処理回路が図8Aに示す専用のハードウェアの処理回路102である場合、処理回路102は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものが該当する。
水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の機能を別々の処理回路で実現してもよく、これらの機能をまとめて1つの処理回路で実現してもよい。
When the processing circuit is the processing circuit 102 of the dedicated hardware shown in FIG. 8A, the processing circuit 102 may be, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, or an ASIC (Application Special Integrated Circuit). ), FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
The functions of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 may be realized by separate processing circuits, and these functions are collectively realized by one processing circuit. You may.

処理回路が図8Bに示すプロセッサ103である場合、水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ104に記憶される。 When the processing circuit is the processor 103 shown in FIG. 8B, the functions of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 are software, firmware, or a combination of software and firmware. Realized by. The software or firmware is described as a program and stored in the memory 104.

プロセッサ103は、メモリ104に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の機能を実現する。すなわち、水位予測装置1は、プロセッサ103によって実行されるときに、図3に示したフローチャートにおけるステップST1からステップST3までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ104を備える。これらのプログラムは、水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の手順または方法をコンピュータに実行させる。メモリ104は、コンピュータを、水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。 The processor 103 realizes the functions of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 by reading and executing the program stored in the memory 104. That is, the water level prediction device 1 includes a memory 104 for storing a program in which the processes from steps ST1 to ST3 in the flowchart shown in FIG. 3 are executed as a result when executed by the processor 103. These programs cause the computer to execute the procedure or method of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1. The memory 104 may be a computer-readable storage medium in which a program for causing the computer to function as the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 is stored.

メモリ104は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically−EPROM)といった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVDなどが該当する。 The memory 104 is, for example, a non-volatile semiconductor such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electrolytically Magnetic Disc), or an EPROM (Electrically-EPROM). , Flexible discs, optical discs, compact discs, mini discs, DVDs, etc.

水位予測装置1における第1の学習部10、第2の学習部11および水位予測部12の機能について一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、第1の学習部10および第2の学習部11は、専用のハードウェアである処理回路102で機能を実現し、水位予測部12は、プロセッサ103がメモリ104に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって機能を実現する。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって上記機能を実現することができる。 The functions of the first learning unit 10, the second learning unit 11, and the water level prediction unit 12 in the water level prediction device 1 may be partially realized by dedicated hardware and partly realized by software or firmware. For example, the first learning unit 10 and the second learning unit 11 realize the functions by the processing circuit 102, which is dedicated hardware, and the water level prediction unit 12 reads the program stored in the memory 104 by the processor 103. The function is realized by executing. In this way, the processing circuit can realize the above-mentioned functions by hardware, software, firmware or a combination thereof.

以上のように、実施の形態1に係る水位予測装置1において、仮想ポンプ井モデル20を用いて、ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習し、ポンプの動作に応じた河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習して、これらのパラメータに基づいて河川の水位を予測する。これにより、ポンプの動作に応じた河川の水位変化を正確にモデル化できるので、ポンプによる貯留水の流入がある河川の水位を精度よく予測できる。 As described above, in the water level prediction device 1 according to the first embodiment, the pump operation parameters related to the pump operation are learned by using the virtual pump well model 20, and the river water level and the water level increase amount according to the pump operation. The water level change parameters that indicate the relationship with are learned, and the water level of the river is predicted based on these parameters. As a result, the change in the river water level according to the operation of the pump can be accurately modeled, so that the water level of the river in which the stored water is inflowed by the pump can be accurately predicted.

実施の形態1に係る水位予測装置1において、仮想ポンプ井モデル20では、ポンプ井の貯留高についての複数の閾値のそれぞれに対応する台数のポンプが動作する。第1の学習部10は、ポンプの動作台数を含んだポンプ動作パラメータを学習する。第2の学習部11は、水位変化パラメータを、ポンプ動作パラメータに含まれるポンプの動作台数ごとに学習する。水位予測部12は、ポンプの動作台数ごとのポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータを初期値として設定した水位予測モデルを用いて河川の水位を予測し、河川の水位の予測値と河川の水位の観測値とに基づいて、水位予測モデルを用いた予測の尤度を算出し、算出した尤度に応じて初期値を修正する。このように水位の予測値と観測水位とを用いて尤度を算出し、算出した尤度に応じて初期値の修正要否を評価するので、リアルタイムに得られた観測水位に適合した河川の水位予測を行うことができる。 In the water level prediction device 1 according to the first embodiment, in the virtual pump well model 20, a number of pumps corresponding to each of a plurality of threshold values for the storage height of the pump wells operate. The first learning unit 10 learns pump operation parameters including the number of operating pumps. The second learning unit 11 learns the water level change parameter for each operating number of pumps included in the pump operating parameter. The water level prediction unit 12 predicts the water level of the river by using the water level prediction model in which the pump operation parameter and the water level change parameter for each operating number of pumps are set as initial values, and observes the predicted value of the river water level and the water level of the river. The likelihood of prediction using the water level prediction model is calculated based on the value, and the initial value is corrected according to the calculated likelihood. In this way, the likelihood is calculated using the predicted water level and the observed water level, and the necessity of correcting the initial value is evaluated according to the calculated likelihood. Therefore, the river that matches the observed water level obtained in real time is evaluated. Water level can be predicted.

実施の形態1に係る水位予測装置1において、第1の学習部10が、ポンプの誤動作確率が最小となる閾値Thを学習する。これにより、仮想ポンプ井モデル20でポンプが動作する閾値Thを学習することができる。 In the water level prediction device 1 according to the first embodiment, the first learning unit 10 learns the threshold value Th that minimizes the malfunction probability of the pump. This makes it possible to learn the threshold value Th at which the pump operates in the virtual pump well model 20.

実施の形態1に係る水位予測装置1において、水位予測部12が、ポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータが状態ベクトルとして設定された状態推定モデルを用いて、初期値を修正する。例えば、水位予測部12は、ポンプ動作パラメータおよび水位変化パラメータが粒子として設定された粒子フィルタを用いて初期値を修正する。これにより、水位予測モデルに設定する初期値の修正が可能となる。 In the water level prediction device 1 according to the first embodiment, the water level prediction unit 12 corrects the initial value by using the state estimation model in which the pump operation parameter and the water level change parameter are set as the state vector. For example, the water level prediction unit 12 corrects the initial values by using a particle filter in which the pump operation parameter and the water level change parameter are set as particles. This makes it possible to modify the initial value set in the water level prediction model.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of the present invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment.

本発明に係る水位予測装置は、ポンプによる水の放流がある河川の水位を精度よく予測することができるので、例えば、河川の水位を監視する監視装置に利用可能である。 Since the water level predicting device according to the present invention can accurately predict the water level of a river in which water is discharged by a pump, it can be used, for example, as a monitoring device for monitoring the water level of a river.

1 水位予測装置、2 河川データベース、10 第1の学習部、11 第2の学習部、12 水位予測部、20 仮想ポンプ井モデル、100 データベースインタフェース、101 ディスプレイインタフェース、102 処理回路、103 プロセッサ、104 メモリ、120 設定部、121 予測部、122 尤度評価部、123 修正部。 1 Water level predictor, 2 River database, 10 1st learning unit, 11 2nd learning unit, 12 Water level prediction unit, 20 Virtual pump well model, 100 Database interface, 101 Display interface, 102 processing circuit, 103 processor, 104 Memory, 120 setting unit, 121 prediction unit, 122 likelihood evaluation unit, 123 correction unit.

Claims (8)

河川の流域に降った雨水が貯留され、貯留高に応じてポンプが動作して前記河川へ水を流出させる仮想のポンプ井を想定した仮想ポンプ井モデル、前記流域の過去の雨量データおよび前記仮想ポンプ井モデルでの前記ポンプの動作履歴データを用いて、前記ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習する第1の学習部と、
前記ポンプ動作パラメータを用いて、前記ポンプの動作に応じた前記河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習する第2の学習部と、
前記ポンプ動作パラメータおよび前記水位変化パラメータに基づいて、前記河川の水位を予測する水位予測部と、
を備えたことを特徴とする水位予測装置。
A virtual pump well model that assumes a virtual pump well in which rainwater that has fallen in a river basin is stored and the pump operates according to the storage height to discharge water to the river, past rainfall data in the basin, and the virtual A first learning unit that learns pump operation parameters related to the operation of the pump using the operation history data of the pump in the pump well model, and
A second learning unit that learns a water level change parameter indicating the relationship between the water level of the river and the amount of increase in the water level according to the operation of the pump by using the pump operation parameter.
A water level prediction unit that predicts the water level of the river based on the pump operation parameter and the water level change parameter.
A water level predictor characterized by being equipped with.
前記仮想ポンプ井モデルでは、前記ポンプ井の貯留高についての複数の閾値のそれぞれに対応する台数の前記ポンプが動作し、
前記第1の学習部は、前記ポンプの動作台数を含んだ前記ポンプ動作パラメータを学習し、
前記第2の学習部は、前記水位変化パラメータを、前記ポンプ動作パラメータに含まれる前記ポンプの動作台数ごとに学習し、
前記水位予測部は、前記ポンプの動作台数ごとの前記ポンプ動作パラメータおよび前記水位変化パラメータを初期値として設定した水位予測モデルを用いて、前記河川の水位を予測し、前記河川の水位の予測値と前記河川の水位の観測値とに基づいて、前記水位予測モデルを用いた予測の尤度を算出し、算出した尤度に応じて前記初期値を修正すること
を特徴とする請求項1記載の水位予測装置。
In the virtual pump well model, the number of the pumps corresponding to each of the plurality of thresholds for the storage height of the pump well operates.
The first learning unit learns the pump operation parameters including the number of operating pumps, and receives the pump operation parameters.
The second learning unit learns the water level change parameter for each operating number of the pump included in the pump operating parameter.
The water level prediction unit predicts the water level of the river by using the water level prediction model in which the pump operation parameter and the water level change parameter for each operating number of the pump are set as initial values, and the predicted value of the water level of the river. The first aspect of claim 1, wherein the likelihood of prediction using the water level prediction model is calculated based on the observed value of the water level of the river, and the initial value is corrected according to the calculated likelihood. Water level predictor.
前記第1の学習部は、前記ポンプの誤動作確率が最小となる閾値を学習すること
を特徴とする請求項1または請求項2記載の水位予測装置。
The water level prediction device according to claim 1 or 2, wherein the first learning unit learns a threshold value at which the probability of malfunction of the pump is minimized.
前記水位予測部は、前記ポンプ動作パラメータおよび前記水位変化パラメータが、状態ベクトルとして設定された状態推定モデルを用いて、前記初期値を修正すること
を特徴とする請求項2記載の水位予測装置。
The water level prediction device according to claim 2, wherein the water level prediction unit corrects the initial values by using a state estimation model in which the pump operation parameters and the water level change parameters are set as state vectors.
前記水位予測部は、前記ポンプ動作パラメータおよび前記水位変化パラメータが、粒子として設定された粒子フィルタを用いて、前記初期値を修正すること
を特徴とする請求項2記載の水位予測装置。
The water level prediction device according to claim 2, wherein the water level prediction unit corrects the initial values by using a particle filter in which the pump operation parameter and the water level change parameter are set as particles.
前記第1の学習部は、前記ポンプ井の水位の観測データを用いて前記ポンプが動作する閾値を学習すること
を特徴とする請求項1記載の水位予測装置。
The water level prediction device according to claim 1, wherein the first learning unit learns a threshold value at which the pump operates using observation data of the water level of the pump well.
前記水位予測部は、前記ポンプ井の水位の観測データを用いて前記ポンプの動作を予測すること
を特徴とする請求項1記載の水位予測装置。
The water level prediction device according to claim 1, wherein the water level prediction unit predicts the operation of the pump using the observation data of the water level of the pump well.
第1の学習部が、河川の流域に降った雨水が貯留され、貯留高に応じてポンプが動作して前記河川へ水を流出させる仮想のポンプ井を想定した仮想ポンプ井モデル、前記流域の過去の雨量データおよび前記仮想ポンプ井モデルでの前記ポンプの動作履歴データを用いて、前記ポンプの動作に関するポンプ動作パラメータを学習するステップと、
第2の学習部が、前記ポンプ動作パラメータを用いて、前記ポンプの動作に応じた前記河川の水位と水位増加量との関係を示す水位変化パラメータを学習するステップと、
水位予測部が、前記ポンプ動作パラメータおよび前記水位変化パラメータに基づいて、前記河川の水位を予測するステップと、
を備えたことを特徴とする水位予測方法。
The first learning unit is a virtual pump well model assuming a virtual pump well in which rainwater that has fallen in a river basin is stored and a pump operates according to the storage height to cause water to flow out to the river. A step of learning pump operation parameters related to the operation of the pump by using the past rainfall data and the operation history data of the pump in the virtual pump well model, and
The second learning unit uses the pump operation parameter to learn a water level change parameter indicating the relationship between the water level of the river and the water level increase amount according to the operation of the pump.
A step in which the water level prediction unit predicts the water level of the river based on the pump operation parameter and the water level change parameter.
A water level prediction method characterized by being equipped with.
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