TW201713925A - 預測裝置、預測系統、預測方法及電腦程式產品 - Google Patents

預測裝置、預測系統、預測方法及電腦程式產品 Download PDF

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TW201713925A TW105122660A TW105122660A TW201713925A TW 201713925 A TW201713925 A TW 201713925A TW 105122660 A TW105122660 A TW 105122660A TW 105122660 A TW105122660 A TW 105122660A TW 201713925 A TW201713925 A TW 201713925A
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for

Abstract

本發明之課題係使用雨量之預測值預測斜面之安全性。本發明之解決手段係預測裝置10具有：第一算出部11，其依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及第二算出部12，其使用前述算出之關係式及實測值不存在之預定時點的前述斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。

Description

預測裝置、預測系統、預測方法及電腦程式產品
本發明係關於斜面之安定解析。
已知依據斜面之安定解析，預測斜面崩塌之危險性的技術。例如，專利文獻1揭示依據即時之測量資料算出安全率，接著預測安全率到達預定值(1.0)之時間並發出警報的系統。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2006－195650號公報
[發明所欲解決的問題] 專利文獻1記載之技術依據即時之測量資料算出安全率。
本發明之一目的在於可藉由使用雨量之預測值預測斜面之安全性。 [解決問題的手段]
本發明之一態樣的預測裝置具有：第一算出手段，其依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及第二算出手段，其使用前述算出之關係式及實測值不存在之預定時點的前述斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。
本發明之一態樣的預測系統具有：前述預測裝置；及輸出裝置，其對使用者通知前述算出之預測值。
本發明之一態樣的預測方法包含以下步驟：依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及使用前述算出之關係式及實測值不存在之預定時點的前述斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。
本發明之一態樣的電腦程式產品係使電腦實行以下步驟：依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及使用前述算出之關係式及實測值不存在之預定時點的前述斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。 [發明的功效]
依據本發明，可使用雨量之預測值預測斜面之安全性。
[第一實施形態] 圖1係顯示本發明一實施形態之預測裝置10之結構的方塊圖。預測裝置10係可由雨量之預測值算出表示監視對象之斜面的安全性的指標的資訊處理裝置。預測裝置10至少具有第一算出部11及第二算出部12。
第一算出部11算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式。第一算出部11使用該等測量值(實測值)算出關係式。在本實施形態中，表示斜面之水分狀態的測量值係表示構成斜面之土壤水分量的數值。水分量可為體積含水率及重量含水率中之任一者。該等實測值均按預定時間間隔(例如每1小時)取得。
在此，某時點t之水分量為mt ，雨量為pt 時，mt 可依據例如水桶模式(tank model)，由以下之(1)式算出。在此，ci 係因土種(土壤之種類)而異之小於1的係數。此外，f(pt , pt-1 , pt-2 ,…, pt -k )係以pt , pt-1 , pt-2 ,…, pt -k 為變數之預定多變數函數。另外，n及k可適當地決定。
[數1](1)
在此，若可忽視過去資料之影響，mt 可由以下之(2)式表示。在此，F相當於透水係數，且因土種而異。此外，c係表示土壤保水性之係數。F及c可藉由利用土壤之測試求得，亦可利用預定之資料庫求得。
[數2](2)
(1)式及(2)式可作為水分量之預測式使用。即，第一算出部11在預測之實施時點後的預定時點為t時，可依據該時點之雨量預測值與該時點前之水分量實測值，算出(即預測)該時點之水分量。
此外，水分量mt 亦可使用水桶模式以外之模式。例如，除了1次函數以外，水分量mt 亦可使用假設2次函數或實驗地或經驗地算出之其他函數的模式。
第二算出部12使用第一算出部11所算出之關係式及實測值不存在之預定時點的斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。在此，實測值不存在之時點係指，具體而言，特定時點(例如實施預測之時點)後，即由該時點來看之未來時點。
此外，雨量之預測值亦可由外部之機關或事業者提供。例如，在日本，氣象局按1km四方網格單位發布降雨量之預測值(降雨短時間預報)。
在本實施形態中，安全性之指標係安全率。此外，安全率之定義式(安定解析式)有許多種，且不限於特定之種類。在以下之說明中，第二算出部12依據Fellenius法(亦稱為簡易分割法、Sweden法)或修正Fellenius法算出預測值。
Fellenius法算出之安全率Fs，例如，可用以下之式(3)表示。在此，c、W、u、j係分別表示土塊之黏著力、重量、間隙水壓、內部摩擦角的變數。此外，a表示斜面之傾斜角。另外，l表示沿垂直方向分割斜面之分割片(切片)的滑動面長度。為方便說明，傾斜角a及滑動面長l在此為常數。
[數3](3)
此外，修正Fellenius法算出之安全率Fs，例如，可用以下之式(4)表示。在此，b表示切片之寬度。切片寬度b在此為常數。
[數4](4)
在此，黏著力c、重量W、間隙水壓u及內部摩擦角j均按照土中之水分量變化。因此，該等變數均可以水分量之函數表示。例如，將黏著力c、重量W、間隙水壓u及內部摩擦角j分別置換成水分量m之函數c(m)、W(m)、u(m)及j(m)時，(3)式可藉以下之(5)式表示。在(4)式中亦可同樣地進行如此之置換。
[數5](5)
此外，每土壤之函數c(m)、W(m)、u(m)及j(m)可不同。函數c(m)、W(m)、u(m)及j(m)可依據該等變數與水分量之實測值預先求得，亦可藉由模擬等推定。
在此，將(5)式之m置換為(1)式或(2)式之mt 時，可獲得以下之(6)式。如此，安全率Fs理論上可能藉由過去之水分量測量值及過去之雨量預測值算出。此外，若可預測水分量mt ，可說是安全率Fs亦可同樣地預測。
[數6](6)
如上所述，若可取得該時點前之水分量及該時點之雨量預測值，則可預測未來某時點之土中水分量。因此，此時第二算出部12新需要之值只是算出安全率之時點(即未來)的雨量預測值。
第二算出部12輸出算出之安全率的預測值。在此所謂輸出可為發送預測值至預測裝置10之外部，亦可為供給預測值至在預測裝置10之內部的其他構成元件。第二算出部12亦可記錄預測值於記錄媒體中。
如上所述，依據本實施形態，可依據預定時點之雨量預測值預測安全率。因此，依據本實施形態，例如，藉由積雨雲發展等預測局部地區強降雨時，可評估該降雨對斜面產生之影響。
降雨之影響係因斜面之狀態(土質、土中之水分量等)而異。因此，預測某一定量之降雨時，安全率是否因該降雨而低於預定之基準亦按照斜面之地點或狀態而不同。預測裝置10藉由使用按照特定地點之斜面的安全率預測式及該地點之雨量預測值，可預測每一地點之安全率。
例如，使用上述氣象局之降雨短時間預報(即時預報)時，可獲得由發表時開始1至6小時後之雨量預測值。另一方面，對土石災害而言，一般而言，必須確保健康者有1小時、(移動需要時間之)高齡者或身體殘障者等有最長大約4小時的避難時間。依據本實施形態，利用如此之一般預測值，可預測確保有充分避難時間的安全率。
此外，預測裝置10不僅可預測所預測之安全率低於預定臨界值(例如「1.0」)的時點，亦可預測安全率低於預定臨界值後返回該臨界值以上之值的時點。因此，依據本實施形態，可預測在某地點降雨後，該地點可視為回復安全狀態之時點。
[第二實施形態] 圖2係顯示本發明另一實施形態之預測系統20的全體結構的方塊圖。預測系統20係用以預測斜面之安全性的電腦系統。預測系統20具有預測裝置100及輸出裝置200。此外，構成預測系統20之該等裝置雖然在圖2中逐一圖示，但實際之數目未限定。
預測裝置100具有與第一實施形態之預測裝置10共通之功能。但是，如後所述地，預測裝置100亦具有與預測裝置10不同之功能。例如，預測裝置100由伺服器裝置或個人電腦構成。
輸出裝置200係輸出預測裝置100之預測結果的裝置。在此所謂之輸出雖然係以對使用者通知資訊為目的，例如，使資訊可視化(即顯示)之輸出，但可包含聲音輸出等之其他形態的輸出。輸出裝置200，例如，可使用液晶顯示器等之顯示裝置、智慧型手機等之行動通信終端、個人電腦。此外，輸出裝置200雖然可透過網路與預測裝置100連接，但亦可構成預測裝置100之一部分。
具體而言，預測裝置100具有取得部110、算出部120及輸出處理部130。此外，更詳而言之，算出部120包含第一算出部121、第二算出部122、第三算出部123及第四算出部124。
取得部110取得各種資料。在本實施形態中，取得部110取得之資料中至少包含在預定地點測量之水分量的實測值、及該地點之雨量的實測值及預測值。該等值係按每預定時間間隔(例如，每30分、每1小時)取得。
第一算出部121算出土中之水分量與雨量之關係式。第一算出部121實行與第一實施形態之第一算出部11同樣的處理。此外，第二算出部122使用第一算出部121所算出之關係式來算出安全率之預測式，並依據雨量之預測值預測安全率。第二算出部122實行與第一實施形態之第二算出部12同樣的處理。
第三算出部123使用第一算出部121所算出之關係式來比較算出之水分量的預測值與實測值，並算出差。以下，第三算出部123所算出之水分量的差記載為「Dm」。第三算出部123可依據(1)式或(2)式算出某時點(例如，取得實測值之最新時點)之水分量的預測值。Dm可表示特定時點之水分量的差，亦可為多數時點之水分量差的平均值。
第四算出部124依據第二算出部122所算出之安全率的預測值及第三算出部123所算出之差Dm，算出相對於安全率之預測值假設之誤差。以下，第四算出部124所算出之安全率的誤差記載為「DFs」。例如，DFs由以下之(7)式算出。
[數7](7)
在此，Fs(m)表示將最新時點之水分量m代入安全率之預測式所得之安全率的值。此外，Fs(m+Dm)表示將最新時點之水分量m與差Dm加起來的值代入安全率之預測式所得之安全率的值。另外，¶Fs/¶m表示安全率Fs(m)對該時點之水分量m的變化率。
輸出處理部130依據第二算出部122所算出之安全率的預測值及第四算出部124所算出之安全率的誤差來實行預定之處理。輸出處理部130實行之處理在以下稱為「輸出處理」。
例如，輸出處理係將安全率之預測值及誤差發送至輸出裝置200的處理。此外，輸出處理亦可為生成以預定顯示態樣顯示安全率之預測值及誤差所需的資料，接著將該資料發送至輸出裝置200的處理。例如，輸出處理部130可生成JPEG等之預定格式的影像資料，亦可生成以輸出裝置200為收件人之電子郵件。
圖3係顯示預測裝置100實行之概略處理的流程圖。此外，預測裝置100在實行該處理時，已完全取得必要之資料。
首先，第一算出部121使用土中之水分量m與雨量p之實測值，算出該等關係式(步驟S1)。接著，第三算出部123依據步驟S1中算出之關係式，算出水分量m之預測值與實測值的差Dm(步驟S2)。
此外，第二算出部122依據步驟S1中算出之關係式及雨量p之預測值，算出安全率之預測值Fs(步驟S3)。接著，第四算出部124依據步驟S3中算出之預測值Fs及步驟S2中算出之差Dm，算出安全率之誤差DFs(步驟S4)。算出安全率之預測值Fs及誤差DFs後，輸出處理部130實行輸出處理(步驟S5)。
圖4係例示在本實施形態中算出之數值的示意圖。同圖中，縱軸表示安全率Fs，且橫軸表示時刻t。此外，預測裝置100在時刻t1實行預測。因此，在該例中，時刻t1前係過去，時刻t1後係未來。
在圖4中，時刻t1以前之實線表示安全率之實測值。另一方面，時刻t1以前之虛線表示安全率之預測值。如此，由於雨量之預測值可與實際之雨量不同，安全率之預測值不一定與實測值一致。差Dm越大，安全率之誤差DFs越大。因此，雨量p之預測值的精度越低，安全率之誤差DFs越大，而雨量p之預測值的精度越高，安全率之誤差DFs越小。此外，由於依據特定時點(圖4中之時刻t1)之差Dm算出，安全率之誤差DFs在時刻t1至T時為一定。
圖5係顯示輸出裝置200顯示之一資訊例的圖。輸出裝置200，例如，列表顯示時刻t1以後之多數時刻的雨量、水分量、安全率、4小時後之安全率及安全率之誤差(均為預測值)。此外，輸出裝置200可藉由如圖4之圖顯示安全率等之數值，亦可顯示在地圖上。
如上所述，依據本實施形態，除了可與第一實施形態同樣地依據預定時點之雨量預測值預測安全率以外，亦可藉由預測值及誤差呈現安全率。該誤差按照安全率之預測值的精度變化。因此，使用者可對於因斜面崩塌而發生災害的可能性，考慮誤差來選擇後來之行動。
[變形例] 本發明不限於上述實施形態。對於上述實施形態，本發明可使用所屬技術領域中具有通常知識者可了解之各種變更。例如，本發明可藉由以下變形例所示之形態實施。此外，本發明可組合多數變形例，亦可將構成實施形態之一部分結構置換為其他實施形態之結構來實施。
(1)變形例1 預測裝置100可對多數地點預測安全率。在此情形中，預測裝置100對多數地點分別算出水分量與雨量之關係式，接著分別算出該等地點之安全率的預測值。此外，雨量之預測值亦可多數地點各不相同。另外，預測裝置100同樣地亦可對多數地點算出水分量之差及安全率之誤差。
圖6係顯示輸出裝置200之資訊顯示例的圖。在該例中，輸出裝置200按預定大小之格子(網格)呈現地圖上之各地點，並藉由各網格之顏色使安全率可視化。輸出裝置200針對各個網格通知使用者，例如，若安全率之預測值(或預測值與誤差之和)在1.0至1.2範圍內則為「危險」，而若小於1.0則為「非常危險」。
此外，輸出裝置200可用數值在網格內顯示安全率之預測值以外的資訊(雨量之預測值、安全率之誤差等)，亦可在多數地圖上個別地顯示多數資訊。
(2)變形例2 本發明實施形態之安定解析式不限於特定方法之式。除了Fellenius法或修正Fellenius法以外，安定解析式亦可使用Bishop法、Janbu法等。該等安定解析式亦可將必要之變數記述為水分量之函數。
(3)變形例3 在本發明之實施形態中，表示斜面的安全性之指標不限於安全率。此外，表示斜面之水分狀態的數值不限於水分量。例如，水分量與土壤中之振動波形的衰減率相關。因此，若可求得水分量與衰減率之相關關係，亦可將安定解析式記述為衰減率之函數。
(4)變形例4 本發明之實施形態中，斜面之構成要素不限於土壤。例如，斜面可包含混凝土、灰泥、樹木根系等。
(5)變形例5 預測裝置10、100之一部分或全部亦可藉由電腦執行預定之程式來實現。
圖7係顯示實現預測裝置10、100之電腦300的一硬體結構例的方塊圖。電腦300具有處理器310、記憶體320、儲存器330及介面340。
處理器310係，例如，CPU(中央處理單元)。記憶體320相當於主記憶裝置。儲存器330相當於輔助記憶裝置。儲存器330可由硬碟或快閃記憶體構成。此外，儲存器330亦可包含光碟及磁片等之可拆裝記錄媒體的讀寫器。介面340對外部裝置(輸出裝置200等)發送接收資料。
處理器310可具有藉由執行記憶於儲存器330中之程式，實現預測裝置10之第一算出部11及第二算出部12的功能。或者，處理器310可具有藉由執行記憶於儲存器330中之程式，實現預測裝置100之取得部110、算出部120及輸出處理部130的功能。
(6)變形例6 本發明之實施形態，除了預測裝置或預測系統以外，亦可考慮預測表示斜面的安全性之指標的預測方法。此外，本發明之實施形態，亦可考慮使電腦具有預測裝置之功能的程式、及記錄了該程式之電腦可讀取記錄媒體(光碟、磁碟、半導體記憶體等)等的形態。該程式可透過網路下載至某裝置中，並具有使該裝置作為斜面評估裝置之功能。
該申請案主張以2015年7月23申請之日本申請案特願2015-145424為基礎的優先權，且其全部揭示加入此說明書中。
10‧‧‧預測裝置
11‧‧‧第一算出部
12‧‧‧第二算出部
20‧‧‧預測系統
100‧‧‧預測裝置
110‧‧‧取得部
120‧‧‧算出部
121‧‧‧第一算出部
122‧‧‧第二算出部
123‧‧‧第三算出部
124‧‧‧第四算出部
130‧‧‧輸出處理部
200‧‧‧輸出裝置
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
S4‧‧‧步驟
S5‧‧‧步驟
300‧‧‧電腦
310‧‧‧處理器
320‧‧‧記憶體
330‧‧‧儲存器
340‧‧‧介面
Fs‧‧‧安全率之預測值
DFs‧‧‧安全率之誤差
Dm‧‧‧差
t‧‧‧時刻
t1‧‧‧時刻
t2‧‧‧時刻
T‧‧‧時刻
圖1係顯示預測裝置之一結構例的方塊圖。 圖2係顯示預測系統之一結構例的方塊圖。 圖3係顯示預測裝置實行之概略處理的流程圖。 圖4係例示由預測裝置算出之數值的示意圖。 圖5係顯示輸出裝置顯示之一資訊例的圖。 圖6係顯示輸出裝置顯示之一資訊例的圖。 圖7係顯示實現預測裝置之一電腦硬體結構例的方塊圖。
10‧‧‧預測裝置
11‧‧‧第一算出部
12‧‧‧第二算出部

Claims (8)

  1. 一種預測裝置，其具有： 第一算出手段，其依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及 第二算出手段，其使用該算出之關係式及實測值不存在之預定時點的該斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。
  2. 如申請專利範圍第1項之預測裝置，其中更具有： 第三算出手段，其算出使用該第一算出手段所算出之關係式算出之該水分狀態的預測值與實測值的差；及 第四算出手段，其依據該第二算出手段所算出之該指標的預測值及該第三算出手段所算出之差，算出該指標之誤差。
  3. 如申請專利範圍第1項之預測裝置，其中更具有實行手段，其使用該第二算出手段所算出之預測值來實行處理。
  4. 如申請專利範圍第3項之預測裝置，其中： 該第一算出手段對多數地點分別算出該關係式， 該第二算出手段對該多數地點分別算出該預測值， 該實行手段使對應該算出之該多數地點的預測值的資訊顯示在顯示手段上。
  5. 如申請專利範圍第4項之預測裝置，其中： 該第三算出手段對該多數地點分別算出該差， 該第四算出手段對該多數地點分別算出該誤差， 該實行手段使對應該預測值及該第四算出手段所算出之誤差的資訊顯示在該顯示手段上。
  6. 一種預測系統，其具有： 如申請專利範圍第1至5項中任一項之預測裝置；及 輸出裝置，其對使用者通知該算出之預測值。
  7. 一種預測方法，其包含以下步驟： 依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及 使用該算出之關係式及實測值不存在之預定時點的該斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。
  8. 一種電腦程式產品，其用以使電腦實行以下步驟： 依據各個實測值算出監視對象之斜面的水分狀態與該斜面之雨量的關係式；及 使用該算出之關係式及實測值不存在之預定時點的該斜面之雨量的預測值，算出表示該時點之該斜面的安全性的指標的預測值。
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