JP4159890B2 - Method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage and method and apparatus for predicting tropical cyclone damage - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱帯性低気圧被害有無の判別方法および熱帯性低気圧被害予測方法および装置に関し、特に熱帯性低気圧の通過に伴う各地の設備(電力線、その支持物、家屋などの構造物等)あるいは農作物などの被害を、予め与えられた数時間後の熱帯性低気圧の風速、風向き、強風の継続時間、雨量等の状況データから、人間の判断によらず自動的に予測することができる熱帯性低気圧被害有無の判別方法および熱帯性低気圧被害予測方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
熱帯性低気圧は地球の赤道を中心とした範囲で発生し、その周辺地域に多大な被害を引き起こしている。従来は、気象情報を放送するテレビやラジオなどへの情報提供者などで予測された数時間後の熱帯性低気圧中心位置、中心気圧、方向、強風圏や暴風圏から、各地域の熱帯性低気圧による被害を過去の熱帯性低気圧の経験を参考に予測していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、人間が過去に経験した熱帯性低気圧と現在接近している熱帯性低気圧との特性から被害の予測は困難であった。また、従来の熱帯性低気圧による被害の予測は、予測者の経験に大きく依存しており、未経験者の予測は極めて困難である。また、人間の経験による被害の予測は、必ずしも正確でないという問題もあった。
【0004】
本発明は、前記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、人間の経験あるいは判断によることなく、より正確に、被害のあるなしの判別、および被害の大きさの予測をすることのできる熱帯性低気圧被害有無の判別方法および熱帯性低気圧被害予測方法および装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、熱帯性低気圧におけるある地域の被害の有無を判別する方法であって、既知の被害データと状況データから、被害の有無の特徴を抽出する第1のステップと、該抽出された特徴を用いて、未知の熱帯性低気圧に対する被害の有無の判別を行う第2のステップとからなり、前記第1、第2のステップを、パターン認識を用いて実行するようにした点に第1の特徴がある。
【0006】
この特徴によれば、熱帯性低気圧の被害の有無を精度良く判別できるようになる。
【0007】
また、本発明は、熱帯性低気圧の被害数または被害率を予測する方法であって、過去の被害があったのみのまたは被害のないものを含んだ既知の被害データと状況データから重回帰モデルを構築する第1のステップと、前記構築された重回帰モデルを用いて、未知の熱帯性低気圧に対する被害の予測を行う第2のステップとからなる点に第2の特徴がある。
【0008】
この特徴によれば、従来法より正確に被害の予測をできるようになる。つまり、既知のデータから被害の有無を示す特徴である係数と、実被害のある既知のデータから被害を予測する重回帰モデルの係数とを予め算出する。運用時は、今回襲来している熱帯性低気圧を未知の熱帯性低気圧として、予め導出している係数で被害の有無を判別し、被害ありに対して被害数または率を予め導出している係数などから予測する方法である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の熱帯性低気圧被害有無の判別方法および熱帯性低気圧被害予測方法が適用される熱帯性低気圧風速・被害予測システムの概略のシステム図である。ここでは、復旧対策などで被害予測が重要な電力系統を対象にしている。なお、本発明における「熱帯性低気圧」なる語は、台風、ハリケーン、サイクロンなどを含むものとする。
【0010】
気象情報の提供者である、例えば、ウェザーニューズ社の熱帯性低気圧の位置表示などを行う気象表示装置2と、電力系統の被害予測などのために風速予測の必要性のある電力会社および関連会社、例えば九州電力(株)の熱帯性低気圧風速・被害予測装置3とが、LAN4等の通信線により接続される。該熱帯性低気圧風速・被害予測装置3は、データの仲介を行う熱帯性低気圧処理装置3aと風速・被害予測を行う風速・被害予測装置3bから構成されている。
【0011】
熱帯性低気圧が発生すると、前記気象表示装置2から、熱帯性低気圧特性予測情報が提供される。この熱帯性低気圧特性予測情報は、発令時刻(実況情報)から、1,6,12,24,36,48,および72時間後の熱帯性低気圧中心位置(緯度、経度)、および中心気圧が提供される。風速・被害予測装置3bは、該熱帯性低気圧特性予測情報をLAN4を介して受信し、受信された熱帯性低気圧中心気圧と中心位置とから風速を予測後、本発明の熱帯性低気圧被害有無の判別方法および熱帯性低気圧被害予測方法に従って熱帯性低気圧被害の予測を行う。
【0012】
図2は、前記風速・被害予測装置3bの本発明に関わる機能を表すブロック図である。
【0013】
図において、通信装置11は前記LAN4に接続されており、現在の熱帯性低気圧情報あるいは種々のデータを取得する。状況データ入力部12は、後述する状況データを入力する。なお、該状況データは、通信装置11で他の装置から取得しても良い。記憶部13は、通信装置11で取得したデータ、および状況データ入力部12から入力されたデータ、予め導出された被害有無の判別に使用する係数、および予め導出された被害数または率の予測に使用する係数を記憶する。被害予測演算部14は、記憶部13に蓄積されたデータを基に、後述する方法により、被害のありなし、および被害ありの場合に被害の大きさを予測する。表示部15は、被害予測演算部14で得られた結果を表示する。
【0014】
図3は、本発明の熱帯性低気圧による被害ありなしの判別方法の一実施形態の原理を示すフローチャートである。
【0015】
図示されているように、ステップS1では、既知の被害データと状況データから、被害の有無の特徴を抽出する。次に、ステップS2で、該抽出された特徴を用いて、未知の熱帯性低気圧に対する被害の未知の有無を判別する。本実施形態では、前記ステップS1、S2の処理を、パターン認識を用いて実行する。ステップS1の特徴抽出は予め実行しておき、運用時はステップS2の被害の有無の判別のみを実施する。
【0016】
以下に、本実施形態を詳細に説明する。
【0017】
(1)被害データ(被害の種類)の一例として、電力線の支持物の折損、転倒、傾斜、流失、電力線の断混線、構造物および農作物の少なくとも一つを用いる。
【0018】
また、ある地域の被害予測に用いる変数(状況データ)を選定する。該変数としては、風速、強風継続時間、風向き、電力柱の木柱率、電力需要家密度、山間部率、平野比率、径間長、熱帯性低気圧襲来回数、土質、電力柱の安全率、電線サイズ率、電力線支持物の支線取り付け数、雨量などを挙げることができる。
【0019】
なお、前記風速としては、1ないし数カ所の観測点で観測されるであろう熱帯性低気圧通過に伴う平均風速の最大値、各点の最大値の平均値、または熱帯性低気圧通過に伴う各点の最大瞬間風速の平均、および同最大瞬間風速の少なくとも一つを用いるのが好適である。また、前記強風継続時間は、熱帯性低気圧通過に伴う一定風速以上の時間、一定風速以上の風速の積算値、および一定風速以上の風速の2乗の積算値の少なくとも一つを用いるのが好適である。
【0020】
(2)用語の説明と諸定義
本発明では、被害ありなし(例えば、電力線の支持物の折損、転倒等の被害のありなし)の判別方法として、パターン認識理論を用いるので、まず用語の説明を行う。
【0021】
パターン空間:被害発生原因の各情報項目(状況データ)を各軸として張られる多次元空間
パターン:一つの被害データを示す。パターン空間では、その被害の各情報項目の数値データの組で構成される列ベクトル
特徴空間:パターン空間の各軸の線形結合により張られる部分空間への射影によって得られる判別に適した特徴軸により張られる空間
次元数:空間を張る軸の数
特徴抽出:パターン空間から特徴空間を構成する軸を決定すること
クラス:判別すべき「被害あり」と「被害なし」をクラスと呼ぶ。クラスには、同一事故の被害データのパターンが属する。
【0022】
標本パターン:被害ありなしが既知である被害データのパターン
未知パターン:被害ありなしが未知である判別(識別)すべきパターン
基底ベクトル:ある空間を張る互いに直交した大きさ1のベクトル
ノルム:ユークリッド空間上の2点間のユークリッド距離
次に、パターン認識理論を説明する前準備として、数学的な諸定義を行う。
【0023】
n:パターン空間の次元数
l:特徴空間の次元数
m:クラス数
Ni:クラスiの標本パターン数
N=ΣNi:全標本パターンの数
本発明の被害ありなしの判別方法では、n次元ユークリッド空間Rn をパターン空間とし、その各点をパターンとみなす。したがって、パターンαは、n個の被害情報項目の数値データである実数値α1,α2,・・・,αnの組によって、次のように表されるものとする。
【0024】
α=[α1,α2,・・・,αn]T
ここで、αT はαの転置である。
【0025】
被害ありなしが既知、つまり属するクラスが既知である場合、クラスiに属するj(≦Ni)番目の標本パターンxijは、次のように表す。
xij=[xij1,xij2,・・・,xijn]T
標本パターンxij を正規化した標本パターンyijを次のように表す。
yij=[yij1,yij2,・・・,yijn]T
特徴空間における標本パターンの表現は、zijとして次のように表す。
zij=[zij1,zij2,・・・,zijn]T
(3)データの正規化
パターン認識による被害ありなしの判別は、被害情報項目で張られるユークリッド空間において定義される距離を基礎とする。従って、パターン空間を張る各軸の実数値の大きさ(全標本パターンの平均と分散)は、パターン認識の結果に影響する。そのため、各軸共に全標本パターンの平均と分散を等しくする必要がある。それを正規化という。
【0026】
正規化は、パターン空間を張る各軸において、全標本パターンを用いて行われ、各軸の平均と分散とを1に等しくすることである。n次元パターン空間のk(1≦k≦n)次元(軸)の全標本パターンの平均 ̄xk は次の(1)式のようになる。
【0027】
【数1】
また、分散σ2 xk は次の(2)式のようになる。
【0028】
【数2】
パターン空間のk次元(1≦k≦n)の正規化を示す。標本パターンのk次元の数値データxijk を正規化したyijk は、k次元の平均 ̄xk と標準偏差σxk により次の(3)式となる。
【0029】
【数3】
これ以降は、(4)式の正規化された標本パターンyij を用いて、パターン認識理論を説明する。
【0030】
yij=[yij1,yij2,・・・,yijn]T ・・・(4)
(4)フィッシャーの評価関数
多変量解析における判別分析は、代表的な識別志向の線形特別抽出法である。判別分析の評価関数は、クラス間の差異を考慮に入れたフィッシャー(Fisher)の評価関数J(d)である。評価関数J(d)は、次の(5)式となる。
【0031】
【数4】
ここに、dはパターンを射影するn次元列ベクトルである。Bはクラス間共分散行列の推定値、Wはクラス内共分散行列の推定値であり、それぞれ、次の(6)(7)式で定義される。
【0032】
【数5】
また、pi はクラスiの事前確率の推定値、μyi は正規化されたクラスiの標本パターン平均列ベクトルであり、次の(8)(9)式で示される。
【0033】
【数6】
前記(5)式の分子のdT Bdは、パターン空間からの射影ベクトルdで生成される一次元特徴空間(部分空間)上におけるクラス間分散の和であり、各クラスの平均値間の自乗距離の和を表している。また、分母のdT Wdは、dで生成される一次元特徴空間上におけるクラス内分散和である。したがって、(5)式のフィッシャーの評価関数を最大にすることは、各クラス間の分散を大きく、クラス内の分散を小さくすることである。つまり、クラス内の標本パターンはかたまるように、クラス間は離れるように射影することにより、判別が容易になる。
【0034】
(5)特徴抽出
フィッシャーの評価関数を最大にするベクトルdは、周知のように、行列W−1Bの最大固有値に対する固有ベクトルd1 である。行列Bのランクは(6)式より明らかにクラス数から1を減じたm−1である。したがって、行列W−1Bの固有値は、λ1≧λ2≧・・・≧λm-1≧λm=・・・=λn=0となる。したがって、0以外の固有値に対する固有ベクトルd1,d2,・・・,dm-1を各一次元特徴空間への射影ベクトルとして、m−1次元の特徴空間を構成する。特徴空間へのパターン空間からの射影行列Dは、固有ベクトルにより、次の(10)式と定義される。
【0035】
D=[d1,d2,・・・,dm-1] ・・・(10)
(10)式を用いた、パターン空間上のクラスiのj番目の標本パターン列ベクトルyij の特徴空間への射影値列ベクトルzij は次の(11)式のようになる。
【0036】
zij =DTyij ・・・(11)
つまり、m−1次元特徴空間上におけるクラスiのj番目の標本パターン列ベクトルzij は次の(12)式である。
【0037】
zij =[zij1,zij2,・・・,zij(m−1)]T ・・・(12)
先に示した諸定義における特徴空間の次元数は、下記の(13)式のようになる。
【0038】
l=(m−1) ・・・(13)
(6)判別分析
フィッシャーの評価関数により、クラス間分散和を最大に、クラス内分散和を最小にする判別に有効な(10)式の射影行列が与えられ、l次元特徴空間が構成された。事故判別は、この特徴空間での識別問題に帰着できる。
【0039】
特徴空間における各クラスの分布を正規分布と仮定すれば、クラスiの分布fi(z)は、次の(14)式の確率密度関数で表現することができる。
【0040】
【数7】
ここに、μzi,Σzi は、特徴空間へ射影されたクラスiの標本パターンzij
(1≦j≦Ni)を用いて計算され、次の(15)(16)式のようになる。
【0041】
【数8】
各クラスの分布が(14)式で特徴空間においてパラメトリックに与えられた場合、属するクラスが未知であるパターンが被害「あり」「なし」である各クラスのいずれから生起したかを識別するのが検討すべき課題である。
(7)未知パターンの被害ありなしの判別
属するクラスが未知のパターンは、事故情報項目を軸とするパターン空間上でn次元の列ベクトルxuとして与えられる。未知パターンxu を、標本パターンと同様に正規化したyu1,yu2,・・・,yunのn個の実数の組からなる未知パターンyuのk次元のyukは前記(1)(2)式により、次の(17)式となる。
【0042】
【数9】
未知パターンxu は正規化されyuとした後、(10)式のDを用いて、特徴空間に射影された未知パターンzuは、次の(18)式で与えられ、特徴空間での識別がなされる。
【0043】
zu =DTyu ・・・(18)
この識別において、未知パターンzuは、(15)(16)式により、次の(19)式のマハラノビス(Maharanois)の汎距離ri を最小にするクラスiから生起したと考えるのが自然であり、かつ合理的である。
【0044】
【数10】
この識別は、確率論的には、尤度関数を最大にするクラスを求めることに相当する。識別方法を再度記すと、次の(20)式のようになり、該(20)式の規範により定まるクラスi*に未知パターンを対応させることになる。
【0045】
【数11】
(8)判別結果
日本に襲来した9918号(1999年の第18番目に発生した台風番号)台風以外の19個の熱帯性低気圧に関し、九州電力(株)の85営業所のデータを用いて判別モデルを構築し、構築に使用していない9918号台風のやはり85営業所のデータを用いて、本発明の統計的パターン認識手法の判別精度を確かめたところ、図4(a)のようになった。図から明らかなように、本発明の統計的パターン認識手法では、構築用データで全て8割以上の成功率を示すと共に、評価用(9918号熱帯性低気圧)データにおいても8割以上の成功率となった。一方、判別分析手法では、図4(b)に示すように、構築用データでほぼ全て8割以上の成功率を示すと共に、評価用データにおいて、7割、8割台の成功率であった。
【0046】
このように、統計的パターン認識手法は、部分空間法に比べて、有効な判別結果となった。また、統計的パターン認識手法は演算面でも有利なため、被害ありなしの予測方法に統計的パターン認識手法を用いるのが好適であるしたがって、被害ありなしの判別には、統計的パターン認識手法を用いるのが良いことがわかった。
【0047】
なお、風速の閾値で被害のありなしを判別する従来法と比べると、本発明方法の改善効果は著しく大きいことが分かる。
【0048】
以上の本実施形態の処理を要約すると、図5のようになる。ステップS11では、被害予測に使用する変数の組(標本パターン)xij を次のように定義する。
xij=[xij1,xij2,・・・,xijn]T
ステップS12では、該標本パターンxij を正規化し、正規化された標本パターンyij を得る。
yij=[yij1,yij2,・・・,yijn]T
ステップS13では、フィッシャーの評価関数J(d)を用いて、J(d)を大きくするベクトルd、すなわち「被害あり」と「被害なし」のクラス間を離し、クラス内を纏めるベクトルdを選定する。
【0049】
ステップS14では、特徴抽出を行う。パターン空間から特徴空間への射影行列DをD=[d1,d2,・・・,dm−1]と定義する。ここに、dkは行列W−1Bの最大からk番目の固有値に対する固有ベクトルである。mはクラス数であり、本発明では「被害あり」と「被害なし」の2つであるため、m=2となる。
【0050】
ステップS15では、標本パターン列ベクトルyij の特徴空間への射影値列ベクトルzijをzij=DT yijで求める。特徴空間の次元数lは、l=(m−1)=1となる。
【0051】
ステップS16では、特徴空間への射影値列ベクトルzijを用いて、クラスの分布、すなわち「被害あり」「被害なし」の分布fi(z)を求める。
【0052】
以上の処理が、図3のステップS1に対応する。
【0053】
次に、ステップS17では、未知パターンが「被害あり」か「被害なし」かのいずれのクラスに属するかの判別を行う。まず、未知パターンを正規化し、射影行列D似て、特徴空間に射影する。射影された特徴空間において、未知パターンがどちらのクラス(「被害あり」と「被害なし」)に近いかを判別する。
【0054】
この処理は、図3のステップS2に対応する。
【0055】
次に、本発明の第2実施形態の原理を、図6のフローチャートを参照して説明する。
【0056】
図のステップS21では、既知の被害データと状況データから、重回帰モデルを構築する。ステップS22では、該構築された重回帰モデルを用いて、熱帯性低気圧に対する未知の被害を予測する。
【0057】
以下に、本実施形態を詳細に説明する。
【0058】
熱帯性低気圧による被害予測には、重回帰分析法を使用する。被害(目的変数:Y)は、それに影響を与える変数(X1,X2,・・・,Xm)と、その影響度合いを示す係数(a1,a2,・・・,am)にて説明できるため、予測式は次の(21)式で表せる。
【0059】
Y=a1・X1+a2・X2+a3・X3+・・・・+am・Xm ・・・(21)
該(21)式の係数(a1,a2,・・・,am)は、過去に被害のあったm個の熱帯性低気圧の各々の被害数(目的変数Y)と、各熱帯性低気圧における風速などの各既知の変数(X1,X2,・・・,Xm)を(21)式に代入して、係数(a1,a2,・・・,am)からなるm個以上の式を形成する。そして、これらの式を最小自乗法で解くことにより、前記係数(a1,a2,・・・,am)を求める。
【0060】
運用時に熱帯性低気圧が襲来した時の被害の予測は、前記のようにして求めた係数(a1,a2,・・・,am)を前記(21)式に入れる。そして、予測する時刻の風速、強風継続時間、電力線支持物支線数、山間部比率、電線サイズ比率などの変数(X1,X2,・・・,Xm)の値を前記(21)式に代入することで、目的変数Y、すなわち被害数を具体的に導出する。
【0061】
以上のように、前記実施形態では、被害のありなしの判別、および被害数の予測をすることができるようになる。
また、同様に、被害データ(被害の種類)として、家屋の倒壊率や損害金額の少なくとも一つを用いて、ある地域の被害予測状況を示す変数(状況データ)を選定することで被害予測を実施できる。この場合の該変数は、風速、強風継続時間、熱帯性低気圧襲来回数、鉄筋施工比率、人口密度、雨量などを挙げることができる。種々の設備や構造物の被害率や損害金額を被害データ(被害の種類)とし、状況を示す変数(状況変数)を風速、強風継続時間、雨量などとすることで被害予測を実施できる。
また、同様に、被害データ(被害の種類)として、特定の農産物の損害率や損害金額の少なくとも一つを用いて、ある地域の被害予測状況を示す変数(状況データ)を選定することで被害予測を実施できる。この場合の該変数は、風速、強風継続時間、熱帯性低気圧襲来回数、雨量などを挙げることができる。種々の農産物の被害率や損害金額を被害データ(被害の種類)とし、状況を示す変数(状況変数)を風速、強風継続時間、雨量などとすることで被害予測を実施できる。
【0062】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の状況データを用い、かつパターン認識を用いるようにしたので、従来の風速の閾値で被害のありなしを判別する方法に比べて、被害のありなしの予測を精度よく行うことができるようになる。
【0063】
また、本発明によれば、既知の被害データと状況データとから重回帰モデルを構築し、該モデルを用いて被害の予測を行うようにしたので、該被害の予測を従来より正確に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されるシステム例を示す図である。
【図2】 本発明の一実施形態の機能ブロック図である。
【図3】 本発明の第1実施形態の原理を説明するフローチャートである。
【図4】 第1実施形態の効果を説明する図である。
【図5】 第1実施形態の一具体例の概略を説明するフローチャートである。
【図6】 本発明の第2実施形態の原理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
2・・・気象表示装置、3・・・熱帯性低気圧風速・被害予測装置、3a・・・熱帯性低気圧処理装置、3b・・・風速・被害予測装置、4・・・LAN、11・・・通信装置、12・・・状況データ入力装置、13・・・記憶部、14・・・被害予測演算部、15・・・表示部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage and a method and apparatus for predicting tropical cyclone damage, and in particular, facilities in various locations (power lines, supports, structures such as houses, etc.) associated with the passage of tropical cyclones. Or, damage such as crops can be automatically predicted regardless of human judgment from state data such as tropical cyclone wind speed, wind direction, strong wind duration, and rainfall after several hours in advance. The present invention relates to a method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage and a method and apparatus for predicting tropical cyclone damage.
[0002]
[Prior art]
Tropical cyclones occur in the area centering on the equator of the earth, causing great damage to the surrounding area. Conventionally, the tropical nature of each region is estimated from the tropical cyclone center position, central atmospheric pressure, direction, strong winds and storms predicted several hours later by information providers such as TV and radio broadcasting weather information. The damage caused by the cyclone was predicted with reference to past experiences of tropical cyclones.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, it was difficult to predict damage from the characteristics of tropical cyclones experienced by humans in the past and the tropical cyclones that are currently approaching. Moreover, the prediction of the damage by the conventional tropical cyclone greatly depends on the experience of the predictor, and the prediction of the inexperienced person is extremely difficult. Another problem is that the prediction of damage caused by human experience is not always accurate.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and its purpose is more accurately determining whether there is damage and predicting the magnitude of damage without relying on human experience or judgment. It is an object of the present invention to provide a method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage and a method and apparatus for predicting tropical cyclone damage.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the present invention is a method for determining the presence or absence of damage in a certain region in a tropical cyclone, and extracts features of presence or absence of damage from known damage data and situation data. 1 and a second step of determining whether or not there is damage to an unknown tropical cyclone using the extracted features. The first and second steps are performed using pattern recognition. The first feature is that it is executed.
[0006]
According to this feature, it is possible to accurately determine whether or not the tropical cyclone is damaged.
[0007]
In addition, the present invention is a method for predicting the number or rate of damage of tropical cyclones, which is a multiple regression from known damage data and situation data including only damage that has occurred in the past or no damage. A second feature is that it includes a first step of constructing a model and a second step of predicting damage to an unknown tropical cyclone using the constructed multiple regression model.
[0008]
According to this feature, damage can be predicted more accurately than the conventional method. That is, a coefficient that is a feature indicating the presence / absence of damage from known data and a coefficient of a multiple regression model that predicts damage from known data having actual damage are calculated in advance. At the time of operation, the tropical cyclone that is attacking this time is set as an unknown tropical cyclone and the presence or absence of damage is determined using a coefficient that has been derived in advance, and the number or rate of damage is derived in advance for damage. This is a method of predicting from the coefficient.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic system diagram of a tropical cyclone wind speed / damage prediction system to which the tropical cyclone damage determination method and tropical cyclone damage prediction method of the present invention are applied. Here, power systems where damage prediction is important for recovery measures are targeted. The term “tropical cyclone” in the present invention includes typhoons, hurricanes, cyclones and the like.
[0010]
For example, a
[0011]
When a tropical cyclone occurs, the
[0012]
FIG. 2 is a block diagram showing functions related to the present invention of the wind speed /
[0013]
In the figure, a
[0014]
FIG. 3 is a flowchart showing the principle of an embodiment of the method for determining whether or not there is damage due to tropical cyclones according to the present invention.
[0015]
As shown in the figure, in step S1, characteristics of presence / absence of damage are extracted from known damage data and situation data. Next, in step S2, the presence or absence of damage to an unknown tropical cyclone is determined using the extracted features. In the present embodiment, the processes of steps S1 and S2 are executed using pattern recognition. The feature extraction in step S1 is executed in advance, and only the determination of the presence or absence of damage in step S2 is performed during operation.
[0016]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail.
[0017]
(1) As an example of damage data (damage type), use at least one of breakage, overturning, tilting, runoff, power line disconnection, structures and crops of power line supports.
[0018]
Also, select variables (situation data) used to predict damage in a certain area. The variables include wind speed, strong wind duration, wind direction, power pole column ratio, power consumer density, mountain area ratio, plain ratio, span length, number of tropical cyclones, soil quality, power pole safety factor , Electric wire size ratio, number of branch lines attached to power line support, rainfall, and the like.
[0019]
In addition, as the wind speed, the maximum value of the average wind speed accompanying the tropical cyclone that will be observed at one or several observation points, the average value of the maximum value of each point, or the tropical cyclone passing It is preferable to use an average of the maximum instantaneous wind speed at each point and at least one of the maximum instantaneous wind speeds. The strong wind duration may be at least one of a time equal to or higher than a certain wind speed associated with passing through a tropical cyclone, an integrated value of wind speed equal to or higher than a certain wind speed, and an integrated value of square of wind speed equal to or greater than a certain wind speed. Is preferred.
[0020]
(2) Explanation of terms and various definitions In the present invention, pattern recognition theory is used as a method for discriminating whether there is no damage (for example, whether there is damage such as breakage of the power line support or toppling). I do.
[0021]
Pattern space: Multi-dimensional space pattern that shows each information item (situation data) of the cause of damage as an axis. In the pattern space, a column vector feature space composed of a set of numerical data for each information item of the damage: a feature axis suitable for discrimination obtained by projection onto a subspace created by linear combination of each axis of the pattern space Number of spatial dimensions spanned: Number of axes spanning the space Feature extraction: Determining the axes that make up the feature space from the pattern space Class: “Damaged” and “Damaged” to be distinguished are called classes. The class contains damage data patterns for the same accident.
[0022]
Specimen pattern: Pattern of damage data that is known to have no damage Unknown pattern: Pattern base vector to be discriminated (identified) that is unknown to no damage: Vector norm of
[0023]
n: number of dimensions in pattern space l: number of dimensions in feature space m: number of classes Ni: number of sample patterns of class i N = ΣNi: number of all sample patterns In the non-damaged discrimination method of the present invention, an n-dimensional Euclidean space Let R n be a pattern space, and consider each point as a pattern. Therefore, the pattern α is expressed as follows by a set of real values α1, α2,..., Αn which are numerical data of n damage information items.
[0024]
α = [α1, α2,..., αn] T
Where α T is the transpose of α.
[0025]
When it is known that there is no damage, that is, the class to which it belongs is known, the j (≦ Ni) -th sample pattern x ij belonging to the class i is expressed as follows.
x ij = [x ij1 , x ij2 ,..., x ijn ] T
Representing a sample pattern y ij of the sample pattern x ij normalized as follows.
y ij = [y ij1 , y ij2 ,..., y ijn ] T
The expression of the sample pattern in the feature space is expressed as z ij as follows.
z ij = [z ij1 , z ij2 ,..., z ijn ] T
(3) The determination of whether there is no damage by recognition of the normalized pattern of data is based on the distance defined in the Euclidean space set by the damage information item. Therefore, the size of the real value (average and variance of all the sample patterns) of each axis spanning the pattern space affects the pattern recognition result. Therefore, it is necessary to make the average and variance of all sample patterns equal on each axis. This is called normalization.
[0026]
Normalization is performed using all sample patterns in each axis spanning the pattern space, and the average and variance of each axis are made equal to one. The average  ̄x k of all sample patterns of k (1 ≦ k ≦ n) dimensions (axis) in the n-dimensional pattern space is expressed by the following equation (1).
[0027]
[Expression 1]
Further, the variance σ 2 xk is expressed by the following equation (2).
[0028]
[Expression 2]
The k-dimensional (1 ≦ k ≦ n) normalization of the pattern space is shown. Y ijk a k-dimensional numerical data x ijk sample pattern was normalized by the mean of the k-dimensional ¯x k and the standard deviation sigma xk by the following equation (3).
[0029]
[Equation 3]
In the following, the pattern recognition theory will be described using the normalized sample pattern y ij in equation (4).
[0030]
y ij = [y ij1 , y ij2 ,..., y ijn ] T (4)
(4) Fisher's evaluation function Discriminant analysis in multivariate analysis is a typical identification-oriented linear special extraction method. The evaluation function of discriminant analysis is Fisher's evaluation function J (d) taking into account differences between classes. The evaluation function J (d) is expressed by the following equation (5).
[0031]
[Expression 4]
Here, d is an n-dimensional column vector for projecting the pattern. B is the estimated value of the interclass covariance matrix, and W is the estimated value of the intraclass covariance matrix, which are defined by the following equations (6) and (7), respectively.
[0032]
[Equation 5]
Further, p i is an estimated value of the prior probability of class i, μ yi is a normalized sample pattern average column vector of class i, and is expressed by the following equations (8) and (9).
[0033]
[Formula 6]
The d T Bd of the numerator in the equation (5) is the sum of the variances between classes on the one-dimensional feature space (subspace) generated by the projection vector d from the pattern space, and the square between the average values of the classes. It represents the sum of distances. The denominator d T Wd is the intra-class variance sum on the one-dimensional feature space generated by d. Therefore, maximizing the Fisher's evaluation function in equation (5) is to increase the variance between classes and to reduce the variance within the classes. That is, it is easy to discriminate by projecting the classes so that the sample patterns in the class are accumulated and separated from each other.
[0034]
(5) The vector d that maximizes the feature extraction Fisher's evaluation function is the eigenvector d 1 for the maximum eigenvalue of the matrix W −1 B, as is well known. The rank of the matrix B is m−1 obtained by subtracting 1 from the number of classes clearly from the equation (6). Therefore, the eigenvalues of the matrix W −1 B are λ1 ≧ λ2 ≧... ≧ λm−1 ≧ λm =. Therefore, an m-1 dimensional feature space is constructed by using eigenvectors d1, d2,..., Dm-1 for eigenvalues other than 0 as projection vectors onto each one-dimensional feature space. The projection matrix D from the pattern space to the feature space is defined as the following equation (10) by the eigenvector.
[0035]
D = [d1, d2,..., Dm-1] (10)
The projection value sequence vector z ij onto the feature space of the j-th sample pattern sequence vector y ij of class i on the pattern space using the formula (10) is expressed by the following formula (11).
[0036]
z ij = D T y ij (11)
That is, the j-th sample pattern string vector z ij of class i on the m−1-dimensional feature space is expressed by the following equation (12).
[0037]
z ij = [z ij1 , z ij2 ,..., z ij (m−1) ] T (12)
The number of dimensions of the feature space in the above definitions is as shown in the following equation (13).
[0038]
l = (m−1) (13)
(6) Discriminant analysis Fisher's evaluation function gives the projection matrix of equation (10), which is effective for discriminating to maximize the inter-class variance sum and minimize the intra-class variance sum, and the l-dimensional feature space is constructed. . Accident discrimination can result in an identification problem in this feature space.
[0039]
Assuming that the distribution of each class in the feature space is a normal distribution, the distribution f i (z) of the class i can be expressed by the probability density function of the following equation (14).
[0040]
[Expression 7]
Here, μ zi and Σ zi are sample patterns z ij of class i projected onto the feature space.
It is calculated using (1 ≦ j ≦ N i ), and the following equations (15) and (16) are obtained.
[0041]
[Equation 8]
When the distribution of each class is given parametrically in the feature space in equation (14), it is possible to identify from which of the classes where the pattern to which the class belongs is unknown is `` Yes '' or `` No '' This is an issue to be considered.
(7) Discrimination without damage of unknown pattern A pattern whose class belongs is unknown is given as an n-dimensional column vector x u on the pattern space with the accident information item as an axis. The unknown pattern x u, y u1, y u2 normalized similarly to the sample pattern, ···, y uk of k-dimensional unknown pattern y u of n real numbers set of y un are the (1) From the equation (2), the following equation (17) is obtained.
[0042]
[Equation 9]
After the unknown pattern x u which was normalized y u, (10) with a D of formula unknown pattern z u is which is projected in the feature space, given by the following equation (18), in feature space Identification is made.
[0043]
z u = D T y u (18)
In this identification, it is natural to think that the unknown pattern z u originated from the class i that minimizes the general distance r i of the following equation (19) according to the equations (15) and (16). Yes and reasonable.
[0044]
[Expression 10]
This identification is stochastically equivalent to finding a class that maximizes the likelihood function. When the identification method is described again, the following equation (20) is obtained, and the unknown pattern is made to correspond to the class i * determined by the norm of the equation (20).
[0045]
[Expression 11]
(8) Discrimination result No. 9918 (the 18th typhoon number that occurred in 1999) that hit Japan. Regarding 19 tropical cyclones other than typhoons, we used data from 85 sales offices of Kyushu Electric Power Co., Inc. A discrimination model was constructed and the discrimination accuracy of the statistical pattern recognition method of the present invention was confirmed using data from the 85 office of the No. 9918 typhoon that was not used for construction, as shown in FIG. 4 (a). became. As is clear from the figure, the statistical pattern recognition method of the present invention shows a success rate of 80% or more in the construction data and 80% or more in the evaluation (9918 tropical cyclone) data. Became a rate. On the other hand, in the discriminant analysis method, as shown in FIG. 4 (b), almost all of the construction data showed a success rate of 80% or more, and the evaluation data showed a success rate of 70% or 80%. .
[0046]
As described above, the statistical pattern recognition method is more effective than the subspace method. In addition, since the statistical pattern recognition method is advantageous in terms of computation, it is preferable to use the statistical pattern recognition method for the prediction method without damage. It turned out to be good to use.
[0047]
In addition, it can be seen that the improvement effect of the method of the present invention is remarkably large as compared with the conventional method in which the presence or absence of damage is determined by the wind speed threshold.
[0048]
The above-described processing of the present embodiment is summarized as shown in FIG. In step S11, a set of variables (sample pattern) x ij used for damage prediction is defined as follows.
x ij = [x ij1 , x ij2 ,..., x ijn ] T
In step S12, the sample pattern x ij is normalized to obtain a normalized sample pattern y ij .
y ij = [y ij1 , y ij2 ,..., y ijn ] T
In step S13, using Fisher's evaluation function J (d), a vector d that increases J (d), that is, a vector d that separates the “damaged” and “no damage” classes and summarizes the class is selected. To do.
[0049]
In step S14, feature extraction is performed. A projection matrix D from the pattern space to the feature space is defined as D = [d 1 , d 2 ,..., D m−1 ]. Here, d k is an eigenvector for the k-th eigenvalue from the maximum of the matrix W −1 B. m is the number of classes, and in the present invention, there are two, “damaged” and “no damage”, so m = 2.
[0050]
In step S15, a projection value sequence vector z ij to the feature space of the sample pattern sequence vector y ij is obtained by z ij = D T y ij . The dimension number l of the feature space is l = (m−1) = 1.
[0051]
In step S16, using the projection value sequence vector z ij to the feature space, a class distribution, that is, a distribution f i (z) of “damaged” and “no damage” is obtained.
[0052]
The above processing corresponds to step S1 in FIG.
[0053]
Next, in step S17, it is determined whether the unknown pattern belongs to the class “damaged” or “no damage”. First, the unknown pattern is normalized and projected onto the feature space in a manner similar to the projection matrix D. In the projected feature space, it is determined which class (“damaged” or “no damage”) the unknown pattern is close to.
[0054]
This process corresponds to step S2 in FIG.
[0055]
Next, the principle of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to the flowchart of FIG.
[0056]
In step S21 in the figure, a multiple regression model is constructed from known damage data and situation data. In step S22, unknown damage to the tropical cyclone is predicted using the constructed multiple regression model.
[0057]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail.
[0058]
Multiple regression analysis is used to predict damage caused by tropical cyclones. Damage (objective variable: Y) can be explained by variables (X1, X2,..., Xm) that affect the damage and coefficients (a1, a2,. The prediction formula can be expressed by the following formula (21).
[0059]
Y = a1, X1 + a2, X2 + a3, X3 +,... + Am, Xm (21)
The coefficients (a1, a2,..., Am) of the equation (21) are the number of damages (objective variable Y) of each of the m tropical cyclones that have been damaged in the past, and the tropical cyclones. Substituting each known variable (X1, X2,..., Xm) such as wind speed in Eq. (21) to form m or more formulas consisting of coefficients (a1, a2,..., Am) To do. Then, the coefficients (a1, a2,..., Am) are obtained by solving these equations by the method of least squares.
[0060]
For predicting damage when a tropical cyclone hits during operation, the coefficients (a1, a2,..., Am) obtained as described above are put into the equation (21). Then, the values of variables (X1, X2,..., Xm) such as the wind speed at the predicted time, the strong wind duration, the number of power line support branch lines, the mountain area ratio, and the wire size ratio are substituted into the equation (21). Thus, the objective variable Y, that is, the number of damages is specifically derived.
[0061]
As described above, in the embodiment, it is possible to determine whether there is damage or not and to predict the number of damages.
Similarly, the damage prediction (situation data) is selected by selecting a variable (situation data) that indicates the damage prediction status of a certain area, using at least one of the collapse rate of the house and the amount of damage as damage data (type of damage). Can be implemented. Examples of the variables in this case include wind speed, strong wind duration, number of times of tropical cyclone attack, rebar construction ratio, population density, and rainfall. Damage prediction can be carried out by using the damage rate (damage type) as the damage rate and damage amount of various facilities and structures, and the variables (situation variables) indicating the situation as wind speed, strong wind duration, and rainfall.
Similarly, the damage data (type of damage) can be determined by selecting a variable (situation data) that indicates the damage prediction status of a certain region using at least one of the damage rate and damage amount of a specific agricultural product. Can make predictions. Examples of the variables in this case include wind speed, strong wind duration, number of tropical cyclone intrusions, and rainfall. Damage can be predicted by using the damage rate and damage amount of various agricultural products as damage data (type of damage), and the variables indicating the situation (situation variables) as wind speed, strong wind duration, and rainfall.
[0062]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, since a plurality of situation data is used and pattern recognition is used, compared to the conventional method of determining whether there is damage by using a wind speed threshold value, It becomes possible to accurately predict whether there is damage.
[0063]
Further, according to the present invention, a multiple regression model is constructed from known damage data and situation data, and damage is predicted using the model, so that the damage can be predicted more accurately than before. Will be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a functional block diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating the principle of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the effect of the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart for explaining an outline of a specific example of the first embodiment;
FIG. 6 is a flowchart illustrating the principle of the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 ... Weather display device, 3 ... Tropical cyclone wind speed / damage prediction device, 3a ... Tropical cyclone processing device, 3b ... Wind velocity / damage prediction device, 4 ... LAN, 11 ... Communication device, 12 ... Status data input device, 13 ... Storage unit, 14 ... Damage prediction calculation unit, 15 ... Display unit.
Claims (13)
過去の熱帯性低気圧襲来時の被害データと状況データから、被害の有無の特徴を抽出する第1のステップと、
該抽出された特徴を用いて、未知の熱帯性低気圧に対する被害の有無の判別を行う第2のステップとからなり、
前記第1、第2のステップを、パターン認識を用いて実行することを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。A method of determining the presence or absence of damage in a certain area in a tropical cyclone,
A first step of extracting features of presence or absence of damage from damage data and situation data at the time of a tropical cyclone attack in the past;
A second step of determining whether or not there is damage to an unknown tropical cyclone using the extracted features;
A method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage, wherein the first and second steps are executed using pattern recognition.
前記被害データとして、構造物の倒壊、折損、転倒、傾斜、流失、電力線の支持物の折損、転倒、傾斜、流失、電力線の断混線、および農作物の少なくとも一つを対象として用い、その被害の有無を判別することを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。The method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage according to claim 1,
As the damage data, at least one of structure collapse, breakage, fall, tilt, runoff, breakage of power line support, fall, tilt, runoff, power line disconnection, and crops is used as a target, and the damage A method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage characterized by determining the presence or absence.
前記状況データとして、風速、強風継続時間、風向き、電力柱の木柱率、電力需要家密度、山間部率、平野比率、電力線支持物の径間長、熱帯性低気圧襲来回数、土質、電柱および構造物の安全率、電線サイズ率、電力線支持物の支線取り付け数または率、および雨量の少なくとも一つを含むことを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。The method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage according to claim 1,
As the above situation data, wind speed, strong wind duration, wind direction, power pole column rate, power consumer density, mountain area ratio, plain ratio, span length of power line support, number of tropical cyclone intrusions, soil quality, utility pole And a method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage, comprising at least one of a safety factor of the structure, a wire size ratio, the number or rate of branch lines attached to a power line support, and rainfall.
前記風速は、1ないし数カ所の観測点で観測されるであろう熱帯性低気圧通過に伴う平均風速の最大値、各点の最大値の平均値、熱帯性低気圧通過に伴う各点の最大瞬間風速の平均値、および同最大瞬間風速値の少なくとも一つを用いることを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。In the method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage according to claim 3,
The wind speed is the maximum average wind speed associated with passing tropical cyclones that would be observed at one or several observation points, the average of the maximum values of each point, and the maximum of each point associated with passing tropical cyclones. A method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage, comprising using at least one of an average value of instantaneous wind speeds and a maximum instantaneous wind speed value.
前記強風継続時間は、熱帯性低気圧通過に伴う一定風速以上の時間、一定風速以上の風速の積算値、および一定風速以上の風速の2乗の積算値の少なくとも一つであることを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。In the method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage according to claim 3,
The strong wind duration is at least one of a time equal to or greater than a certain wind speed associated with passing through a tropical cyclone, an integrated value of wind speed equal to or greater than a certain wind speed, and an accumulated value of square of wind speed equal to or greater than a certain wind speed. How to determine whether or not tropical cyclone damage.
前記パターン認識に、部分空間類別法または判別分析法を用いることを特徴とする熱帯性低気圧被害有無の判別方法。The method for determining the presence or absence of tropical cyclone damage according to claim 1,
A method for discriminating the presence or absence of tropical cyclone damage, wherein a partial space classification method or a discriminant analysis method is used for the pattern recognition.
過去の被害があったのみのまたは、被害のないものをも含んだ既知の被害データと状況データから重回帰モデルを構築する第1のステップと、
前記構築された重回帰モデルを用いて、未知の熱帯性低気圧に対する被害数または率の予測を行う第2のステップとからなることを特徴とする熱帯性低気圧被害予測方法。A method for predicting damage from tropical cyclones,
A first step of constructing a multiple regression model from known damage data and situation data including only damage that has been past or not damaged; and
A tropical cyclone damage prediction method comprising the second step of predicting the number or rate of damage to an unknown tropical cyclone using the constructed multiple regression model.
前記被害データとして、構造物の倒壊、折損、転倒、傾斜、流失、電力線の支持物の折損、転倒、傾斜、流失、電力線の断混線、および農作物の少なくとも一つを対象として用い、その被害数または被害率の予測をすることを特徴とする熱帯性低気圧被害予測方法。In the tropical cyclone damage prediction method according to claim 7,
Using the damage data as a target for at least one of structure collapse, breakage, fall, tilt, runoff, breakage of power line support, fall, tilt, runoff, power line disconnection, and crops, the number of damage Alternatively, a tropical cyclone damage prediction method characterized by predicting the damage rate.
前記状況データとして、風速、強風継続時間、風向き、電力柱の木柱率、電力需要家密度、山間部率、平野比率、電力線支持物の径間長、熱帯性低気圧襲来回数、土質、電柱および構造物の安全率、電線サイズ率、電力線支持物の支線取り付け数または率、および雨量の少なくとも一つを含むことを特徴とする熱帯性低気圧被害予測方法。In the tropical cyclone damage prediction method according to claim 7,
As the above situation data, wind speed, strong wind duration, wind direction, power pole column rate, power consumer density, mountain area ratio, plain ratio, span length of power line support, number of tropical cyclone intrusions, soil quality, utility pole And a tropical cyclone damage prediction method comprising: at least one of a safety factor of a structure, a wire size ratio, the number or rate of branch lines attached to a power line support, and rainfall.
前記風速は、1ないし数カ所の観測点で観測されるであろう熱帯性低気圧通過に伴う平均風速の最大値、各点の最大値の平均値、熱帯性低気圧通過に伴う各点の最大瞬間風速の平均値、および同最大瞬間風速の少なくとも一つを用いることを特徴とする熱帯性低気圧被害予測方法。In the tropical cyclone damage prediction method according to claim 9,
The wind speed is the maximum average wind speed associated with passing tropical cyclones that would be observed at one or several observation points, the average of the maximum values of each point, and the maximum of each point associated with passing tropical cyclones. A tropical cyclone damage prediction method using an average value of instantaneous wind speed and at least one of the maximum instantaneous wind speed.
前記強風継続時間は、熱帯性低気圧通過に伴う一定風速以上の時間、一定風速以上の風速の積算値、および一定風速以上の風速の2乗の積算値の少なくとも一つであることを特徴とする熱帯性低気圧被害予測方法。In the tropical cyclone damage prediction method according to claim 9,
The strong wind duration is at least one of a time equal to or greater than a certain wind speed associated with passing through a tropical cyclone, an integrated value of wind speed equal to or greater than a certain wind speed, and an accumulated value of square of wind speed equal to or greater than a certain wind speed. To predict tropical cyclone damage.
前記入力されたデータを記憶する手段と、
被害の有無と予測とに用いる係数を予め求める手段と、
前記予め求めた係数を記憶する手段と、
前記記憶されたデータと係数を基に被害の有無を判別する手段と、
被害なしと判別された場合は被害数または率を零とし、被害ありの場合は前記記憶されたデータと係数を基に被害数または率を予測する手段と、
求められた被害予測を表示する手段とを具備したことを特徴とする被害予測装置。A means to input tropical cyclone current data, forecast data, and status data;
Means for storing the input data;
Means for obtaining in advance the coefficient used for the presence or absence of damage and prediction;
Means for storing the previously determined coefficient;
Means for determining the presence or absence of damage based on the stored data and coefficients;
If it is determined that there is no damage, the number or rate of damage is zero, and if there is damage, means for predicting the number or rate of damage based on the stored data and coefficient,
A damage prediction apparatus comprising: means for displaying the calculated damage prediction.
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