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JP7374010B2 - Wind speed distribution estimation device and wind speed distribution estimation method - Google Patents
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JP7374010B2 - Wind speed distribution estimation device and wind speed distribution estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、風速分布推定装置及び風速分布推定方法に関する。 The present invention relates to a wind speed distribution estimation device and a wind speed distribution estimation method.

従来より、例えば高層建築物の周辺におけるビル風等の風環境を評価することが行われている。風環境は、例えば風洞実験や数値流体解析により、風速分布として評価されることがある。
風洞実験においては、評価の対象となる建物を再現した模型に風を当て、模型の周りの風速等を模型に設けられたセンサで測定することにより、建物周辺の風環境、風速分布が評価される。特許文献1には、風洞実験時に使用される風速測定装置が開示されている。
数値流体解析においては、コンピュータ上に評価の対象となる建物をモデリングし、これに対して、離散化・モデル化された流体運動に関する方程式を適用することによって、風速の近似解が計算される。特許文献2には、流体解析の結果を基にした風環境予測方法が開示されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, wind environments such as building wind around high-rise buildings, for example, have been evaluated. The wind environment may be evaluated as a wind speed distribution, for example, by wind tunnel experiments or computational fluid analysis.
In wind tunnel experiments, the wind environment and wind speed distribution around the building are evaluated by applying wind to a model that reproduces the building to be evaluated and measuring the wind speed etc. around the model using sensors installed in the model. Ru. Patent Document 1 discloses a wind speed measuring device used during wind tunnel experiments.
In computational fluid analysis, a building to be evaluated is modeled on a computer, and an approximate solution for wind speed is calculated by applying discretized and modeled equations related to fluid motion. Patent Document 2 discloses a wind environment prediction method based on the results of fluid analysis.

一般に、建物の周りに形成される風速分布は、当該建物の形状や風向以外に、当該建物の周辺の建物群にも影響される。このため、風速分布を評価する領域を広くすればするほど、風速分布を正確に評価することができる。
しかし、風洞実験においては、評価対象領域が広大になると、相応の大きさの風洞装置や、多くの建物の模型が必要となる。
また、数値流体解析においては、一般に市街地を対象とした解析では大規模な3次元計算となるため、計算時間が相応にかかる。したがって、評価対象領域が広大になると、非常に多くの計算時間を要する。
このように、風洞実験や数値流体解析においては、広い領域の風速分布を、コストや計算時間等の観点で容易に、かつ正確に、評価することが難しい。
Generally, the wind speed distribution formed around a building is affected not only by the shape of the building and the wind direction, but also by the group of buildings around the building. Therefore, the wider the area for evaluating the wind speed distribution, the more accurately the wind speed distribution can be evaluated.
However, in wind tunnel experiments, when the area to be evaluated becomes vast, a correspondingly large wind tunnel device and many building models are required.
In addition, in computational fluid analysis, analysis targeting an urban area generally involves large-scale three-dimensional calculations, which requires a considerable amount of calculation time. Therefore, when the area to be evaluated becomes large, a large amount of calculation time is required.
As described above, in wind tunnel experiments and computational fluid analysis, it is difficult to easily and accurately evaluate the wind speed distribution over a wide area in terms of cost, calculation time, and the like.

上記のような風洞実験や数値流体解析に加え、特に近年、ニューラルネットワークにより風速分布を評価する試みが行われている。
例えば特許文献3には、ニューラルネットワークによる風速分布の評価に関する、建物周辺の風速分布推定装置が開示されている。
特許文献3の風速分布推定装置は、推定する高さ情報を表わす高さ画像と、建物の断面形状情報を表わす形状画像と、風向き情報を表わす風向き画像とを入力する入力手段と、建物周辺の風速分布を表す画像である風速分布画像を作成する風速分布画像作成手段とを備えている。風速分布画像作成手段は、高さ画像と形状画像と風向き画像とを入力画像とし、風速分布画像を出力画像とする畳み込みニューラルネットワークから構成されている。
ニューラルネットワークを用いた場合には、汎用的なコンピュータで評価装置を実現可能であり、風洞実験のような大掛かりな装置は不要である。また、一般に数値流体解析より計算時間が高速である。このため、風洞実験や数値流体解析と比べると、コストや計算時間の観点においては、広い領域の風速分布を、より容易に評価することができる可能性がある。
In addition to the above-mentioned wind tunnel experiments and computational fluid analysis, particularly in recent years, attempts have been made to evaluate wind speed distribution using neural networks.
For example, Patent Document 3 discloses a wind speed distribution estimation device around a building that involves evaluation of wind speed distribution using a neural network.
The wind speed distribution estimation device of Patent Document 3 includes an input means for inputting a height image representing height information to be estimated, a shape image representing cross-sectional shape information of a building, and a wind direction image representing wind direction information, and wind speed distribution image creation means for creating a wind speed distribution image that is an image representing the wind speed distribution. The wind speed distribution image creation means is composed of a convolutional neural network that uses a height image, a shape image, and a wind direction image as input images, and uses a wind speed distribution image as an output image.
When a neural network is used, an evaluation device can be realized using a general-purpose computer, and large-scale equipment such as wind tunnel experiments is not required. In addition, calculation time is generally faster than computational fluid analysis. Therefore, compared to wind tunnel experiments and computational fluid analysis, it may be possible to evaluate the wind speed distribution over a wide area more easily in terms of cost and calculation time.

しかし、ニューラルネットワークにより広い領域の風速分布を評価しようとした場合においては、機械学習器を学習させるための学習データ、すなわち、広い領域における風速分布を計測した実験データ(例えば、計測データ、数値流体解析による詳細な解析結果)を、十分に用意するのが難しい。実験データの数が少ない場合であっても、評価の対象となる領域が狭小であれば、例えば実験データを当該領域の大きさに合わせて任意の場所で切り出すことによって、学習データを増やすことができる。しかし、評価対象領域が広くなると、切り出すことで生成される学習データの数も低減する。
したがって、ニューラルネットワークを用いた場合には、広い領域の風速分布を評価するに際し、学習データを十分に用意できないために機械学習器を十分に学習させることができず、評価精度が低減する可能性がある。
However, when trying to evaluate the wind speed distribution in a wide area using a neural network, the learning data for training the machine learning device, that is, the experimental data that measured the wind speed distribution in a wide area (for example, measurement data, computational fluid It is difficult to prepare sufficient detailed analysis results. Even if the amount of experimental data is small, if the area to be evaluated is small, it is possible to increase the training data by, for example, cutting out the experimental data at an arbitrary location to match the size of the area. can. However, when the evaluation target area becomes wider, the number of training data generated by cutting out also decreases.
Therefore, when using a neural network, when evaluating wind speed distribution over a wide area, there is a possibility that the machine learning machine will not be able to learn sufficiently because there is not enough training data, and the evaluation accuracy will decrease. There is.

広い評価対象領域を複数の狭小の個別領域に分割し、その各々に対して風速分布を評価して、評価結果を結合することにより、広い領域の風速分布を評価することも、理論的には可能である。
この場合においては、各個別領域における風速分布は、それぞれ独立して評価される。単純に境界線によって評価対象領域を分割すると、境界線を挟んだ2つの地点の各々は異なる評価対象領域に属するため、境界線を挟んだ地点間で風速分布の評価値の差が大きくなる可能性がある。したがって、評価結果を結合する際に、境界線において個別領域間で風速分布が連続しない。
特に、各個別領域の風速分布を評価するに際し、境界線すなわち個別領域の外縁よりも外側の建物に関する情報は、評価時には与えられないために、考慮されない。したがってこれらの建物の影響は、評価に反映されない。このため、個別領域の外縁近傍においては、風速分布の推定精度が低減しがちである。
このような理由に因り、単純に境界線によって評価対象領域を分割した場合には、境界線近傍における評価精度が低減する。
Theoretically, it is also possible to evaluate the wind speed distribution in a wide area by dividing a wide evaluation target area into multiple narrow individual areas, evaluating the wind speed distribution for each area, and combining the evaluation results. It is possible.
In this case, the wind speed distribution in each individual region is evaluated independently. If the evaluation target area is simply divided by the boundary line, each of the two points across the boundary line belongs to a different evaluation target area, so the difference in the evaluation value of the wind speed distribution between the points across the boundary line may become large. There is sex. Therefore, when combining the evaluation results, the wind speed distribution is not continuous between individual areas at the boundary line.
In particular, when evaluating the wind speed distribution of each individual area, information regarding buildings outside the boundary line, ie, the outer edge of the individual area, is not given at the time of evaluation and is therefore not taken into account. Therefore, the impact of these buildings is not reflected in the evaluation. For this reason, the accuracy of estimating the wind speed distribution tends to decrease near the outer edge of the individual region.
For these reasons, when the evaluation target area is simply divided by boundary lines, the evaluation accuracy in the vicinity of the boundary lines decreases.

特開2014-48120号公報JP2014-48120A 特開2018-165884号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-165884 特開2018-4568号公報JP 2018-4568 Publication

本発明が解決しようとする課題は、広い領域における風速分布を、容易に、かつ精度よく推定可能な、風速分布推定装置及び風速分布推定方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a wind speed distribution estimation device and a wind speed distribution estimation method that can easily and accurately estimate the wind speed distribution in a wide area.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定装置であって、前記風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割する、全体領域分割部と、複数の前記個別領域内の前記風速分布を推定する、風速分布推定部と、前記個別領域の各々に対し、前記重複部に含まれる地点である重複地点ごとに、個別に重みが設定されている、重み設定部と、前記重複地点の、前記重みと前記風速分布の推定結果を基に、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出する、推定結果調整部と、前記調整された推定結果を基に、複数の前記個別領域内の前記風速分布の前記推定結果を結合して、前記全体領域の前記風速分布の推定結果を生成する、推定結果結合部と、を備えている、風速分布推定装置を提供する。
また、本発明は、建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定方法であって、前記風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割し、複数の前記個別領域内の前記風速分布を推定し、前記個別領域の各々に対し、前記重複部に含まれる地点である重複地点ごとに、個別に設定された重みと、前記風速分布の推定結果を基に、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出し、前記調整された推定結果を基に、複数の前記個別領域内の前記風速分布の前記推定結果を結合して、前記全体領域の前記風速分布の推定結果を生成する、風速分布推定方法を提供する。
上記のような構成によれば、風速分布の推定対象となる全体領域が複数の個別領域へと分割され、これら複数の個別領域の各々に対して風速分布が推定され、複数の推定結果が結合されて、全体領域の風速分布の推定結果が生成される。
すなわち、広い領域を小さい個別領域へと分割し、この各々に対して風速分布を推定するため、比較的容易に、広い領域の風速分布を推定可能である。
ここで、全体領域は、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割される。すなわち、全体領域を個別領域へと分割するに際し、単純に一つの境界線で区画せず、隣接する個別領域が互いに共通の重複部を有するように分割する。この状態において、個別領域の推定結果を全体領域の推定結果として結合する際に、個別領域の各々に対して重複地点ごとに適切に設定された重みを基に、各個別領域の推定結果が調整される。このため、個別領域間の不連続性が緩和される。
更に、重複部は、互いに隣接する複数の個別領域に、異なる方向から含まれている。このため、各個別領域において外縁近傍に位置する重複部の推定精度が、外縁より外側に位置する建物の情報の欠落により低減しているとしても、これらの建物は、当該重複部を挟んで隣接する他の個別領域内に位置しているため、上記の欠落した情報は、この隣接する個別領域における、風速分布の推定に反映されている。したがって、個別領域の推定結果を全体領域の推定結果として結合する際に、重複部の周囲に位置する全ての建物に関する情報が、重複部の推定結果に反映されて調整される。これにより、単純に評価対象領域を、重複部を設けずに境界線で分割した場合に比べると、個別領域の外縁近傍の推定精度の低下を抑制可能である。
上記のような理由に因り、広い領域のほぼ全域において、風速分布の推定精度を高めることができる。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, the present invention is a wind speed distribution estimating device for estimating the wind speed distribution around a building, which divides the entire area to be estimated for the wind speed distribution into a plurality of individual areas so as to have overlapping parts that overlap with each other. a wind speed distribution estimator that estimates the wind speed distribution in the plurality of individual areas; and a wind speed distribution estimation unit that estimates the wind speed distribution in the plurality of individual areas; a weight setting unit in which weights are individually set; and an estimation method that calculates an estimation result in which the wind speed of the overlapped point is adjusted based on the estimation result of the weight and the wind speed distribution of the overlapped point. a result adjustment unit; and an estimation result that combines the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions based on the adjusted estimation result to generate an estimation result of the wind speed distribution in the entire region. A wind speed distribution estimation device is provided, comprising: a coupling portion;
The present invention also provides a wind speed distribution estimation method for estimating a wind speed distribution around a building, in which the entire area to be estimated for the wind speed distribution is divided into a plurality of individual areas so as to have overlapping parts that overlap with each other. The wind speed distribution in a plurality of individual regions is estimated, and for each of the individual regions, individually set weights and the wind speed are calculated for each overlapping point that is a point included in the overlapping part. Based on the distribution estimation results, calculate an estimation result in which the wind speed at the overlapped point is adjusted, and based on the adjusted estimation result, combine the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions. The present invention provides a wind speed distribution estimation method that generates an estimation result of the wind speed distribution in the entire area.
According to the above configuration, the entire area for which the wind speed distribution is estimated is divided into multiple individual areas, the wind speed distribution is estimated for each of these multiple individual areas, and the multiple estimation results are combined. Then, an estimation result of the wind speed distribution in the entire area is generated.
That is, since a wide area is divided into small individual areas and the wind speed distribution is estimated for each of these areas, it is possible to estimate the wind speed distribution over a wide area relatively easily.
Here, the entire area is divided into a plurality of individual areas so as to have overlapping parts that overlap with each other. That is, when dividing the entire area into individual areas, the area is not simply divided by one boundary line, but is divided so that adjacent individual areas have a common overlapping portion. In this state, when combining the estimation results of the individual regions as the estimation results of the entire region, the estimation results of each individual region are adjusted based on the weights set appropriately for each overlapping point for each individual region. be done. Therefore, discontinuity between individual areas is alleviated.
Furthermore, the overlapping portion is included in a plurality of adjacent individual regions from different directions. Therefore, even if the estimation accuracy of overlapping parts located near the outer edge of each individual area is reduced due to lack of information on buildings located outside the outer edge, these buildings are adjacent to each other across the overlapping part. The missing information is reflected in the estimation of the wind speed distribution in this adjacent individual area. Therefore, when combining the estimation results of the individual areas as the estimation results of the entire area, information regarding all the buildings located around the overlapping area is reflected and adjusted in the estimation result of the overlapping area. This makes it possible to suppress a decrease in estimation accuracy near the outer edge of the individual area, compared to a case where the evaluation target area is simply divided by a boundary line without providing an overlapping part.
Due to the above reasons, the accuracy of estimating the wind speed distribution can be improved over almost the entire wide area.

本発明の一態様においては、前記推定結果調整部は、前記重複地点の各々に対し、当該重複地点に設定された前記重みの総和を計算し、当該重複地点に設定された前記重みの各々に対して当該重みを前記重みの総和により除算した後に当該重複地点における前記推定結果を乗算した乗算値を計算し、当該乗算値の総和を計算することで、前記重複地点の前記調整された推定結果を算出する。
上記のような構成によれば、上記のような風速分布推定装置を適切に実現可能である。
In one aspect of the present invention, the estimation result adjustment unit calculates, for each of the overlapping points, the sum of the weights set to the overlapping points, and calculates the sum of the weights set to the overlapping points, and Then, by dividing the weight by the sum of the weights and then multiplying by the estimation result at the overlap point, and calculating the sum of the multiplication values, the adjusted estimation result at the overlap point is calculated. Calculate.
According to the above configuration, it is possible to appropriately realize the above wind speed distribution estimation device.

本発明によれば、広い領域における風速分布を、容易に、かつ精度よく推定可能な、風速分布推定装置及び風速分布推定方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wind speed distribution estimation device and a wind speed distribution estimation method that can easily and accurately estimate the wind speed distribution in a wide area.

本発明の実施形態における風速分布推定装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a wind speed distribution estimation device in an embodiment of the present invention. 上記風速分布推定装置における機械学習器の模式的な説明図である。It is a typical explanatory diagram of the machine learning machine in the above-mentioned wind speed distribution estimation device. 上記機械学習器の入力となる建物情報データの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of building information data that is input to the machine learning device. 上記風速分布推定装置における全体領域分割部の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the entire area dividing section in the wind speed distribution estimation device. 上記機械学習器の学習が終了した学習モデルの模式的な説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a learning model that has been trained by the machine learning device. 上記風速分布推定装置における重み設定部において設定される重みの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of weights set in a weight setting section in the wind speed distribution estimating device. 上記風速分布推定装置を用いた風速分布推定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the wind speed distribution estimation method using the above-mentioned wind speed distribution estimation device. 上記風速分布推定装置における風速推定結果である。It is a wind speed estimation result by the said wind speed distribution estimation device.

本発明は、複数の建物群を含む市街地を対象とする、風速情報と風向情報を含む市街地風環境の推定装置、およびその推定方法である。具体的には、市街地を形成する分割エリアごとに、風速情報と風向情報を含む詳細な風速分布を取得し、各分割エリアを一部重複させることで、市街地における詳細な風速分布を推定する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態における風速分布推定装置のブロック図である。
本実施形態における風速分布推定装置1は、上記のように、任意の建物において、建物周辺の風速分布を推定する装置である。風速分布推定装置1は、例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。風速分布推定装置1は、学習部20、風速分布推定部21、及び学習モデルパラメータ記憶部22を備えている。風速分布推定装置1は、更に、全体領域分割部50、重み設定部51、推定結果調整部52、及び推定結果結合部53を備えている。
これら風速分布推定装置1の構成要素のうち、学習部20、風速分布推定部21、全体領域分割部50、推定結果調整部52、及び推定結果結合部53は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、学習モデルパラメータ記憶部22と重み設定部51は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。学習部20は、例えばGPU(Graphics Processing Unit)によって処理される。
The present invention is an estimation device for an urban wind environment including wind speed information and wind direction information, and an estimation method thereof, which targets an urban area including a plurality of building groups. Specifically, detailed wind speed distribution including wind speed information and wind direction information is obtained for each divided area that forms the urban area, and by partially overlapping each divided area, the detailed wind speed distribution in the urban area is estimated.
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a wind speed distribution estimation device in this embodiment.
As described above, the wind speed distribution estimation device 1 in this embodiment is a device that estimates the wind speed distribution around a building in an arbitrary building. The wind speed distribution estimation device 1 is, for example, an information processing device such as a personal computer. The wind speed distribution estimation device 1 includes a learning section 20, a wind speed distribution estimation section 21, and a learning model parameter storage section 22. The wind speed distribution estimating device 1 further includes a whole area dividing section 50, a weight setting section 51, an estimation result adjusting section 52, and an estimation result combining section 53.
Among these components of the wind speed distribution estimating device 1, the learning section 20, the wind speed distribution estimating section 21, the whole area dividing section 50, the estimation result adjusting section 52, and the estimation result combining section 53 are, for example, a CPU in the information processing device. It may be software or a program executed by. Further, the learning model parameter storage unit 22 and the weight setting unit 51 may be realized by a storage device such as a semiconductor memory or a magnetic disk provided inside or outside the information processing device. The learning unit 20 is processed by, for example, a GPU (Graphics Processing Unit).

後に説明するように、風速分布推定部21は、建物の形状情報を含む建物情報データ31と風向データ32が入力されると、これに対応する風速分布を推定する。この推定を効果的に行うために、風速分布推定部21は、特に本実施形態においては、学習部20に設けられた機械学習器24を機械学習することにより生成された学習モデル25を備えている。より詳細には、学習部20は、学習データ2を機械学習器24に入力して機械学習を行い、風速分布の推定に関する学習モデルパラメータを生成する。
すなわち、風速分布推定装置1は大別して、風速分布の学習と、風速分布の推定の、2通りの動作を行う。説明を簡単にするために、以下ではまず、風速分布の学習時における、風速分布推定装置1の各構成要素の説明をした後に、風速分布の推定時での各構成要素の挙動について説明する。
なお、風速分布推定装置1は、後に説明するように、例えば一辺が250m以上の、広い領域の風速分布を推定する。このような広い領域の風速分布を精度よく推定するために、風速分布推定装置1は、風速分布の推定時には、広い領域(全体領域)を複数のより小さい個別領域に分割し、各個別領域において風速分布を推定して、これらの推定結果を結合する。すなわち、風速分布の推定時には、風速分布推定装置1には広い全体領域が入力されるが、実際に風速分布を推定する学習モデル25には、分割された個別領域が入力される。したがって、機械学習器24には、後に個別領域として説明される、例えば一辺が250mより小さい領域に相当する情報が、学習データ2として入力される。
As will be described later, when the wind speed distribution estimating unit 21 receives building information data 31 including building shape information and wind direction data 32, it estimates a wind speed distribution corresponding to the building information data 31 and wind direction data 32. In order to effectively perform this estimation, the wind speed distribution estimating unit 21 is equipped with a learning model 25 generated by machine learning using a machine learning device 24 provided in the learning unit 20, especially in this embodiment. There is. More specifically, the learning unit 20 inputs the learning data 2 into the machine learning device 24 to perform machine learning, and generates learning model parameters related to estimation of wind speed distribution.
That is, the wind speed distribution estimating device 1 performs two types of operations: learning the wind speed distribution and estimating the wind speed distribution. In order to simplify the explanation, each component of the wind speed distribution estimating device 1 will be described below at the time of learning the wind speed distribution, and then the behavior of each component at the time of estimating the wind speed distribution will be described.
Note that the wind speed distribution estimating device 1 estimates the wind speed distribution in a wide area, for example, one side is 250 m or more, as will be explained later. In order to accurately estimate the wind speed distribution in such a wide area, the wind speed distribution estimation device 1 divides the wide area (the entire area) into a plurality of smaller individual areas when estimating the wind speed distribution, and in each individual area, Estimate the wind speed distribution and combine these estimation results. That is, when estimating the wind speed distribution, a wide overall area is input to the wind speed distribution estimating device 1, but divided individual areas are input to the learning model 25 that actually estimates the wind speed distribution. Therefore, information corresponding to, for example, an area smaller than 250 m on a side, which will be explained later as an individual area, is input to the machine learning device 24 as learning data 2.

風速分布の学習時には、上記のように、例えば一辺が250mより小さい領域に相当する情報である学習データ2を基に、学習部20が機械学習器24を機械学習させる。この機械学習器24が深層学習されることにより、学習モデル25が生成される。図2は、機械学習器24の模式的な説明図である。学習データ2は、建物情報データ3、風向データ4、及び教師データとしての風速分布データ5を備えている。
建物情報データ3は、建物の外形に関する情報を有するデータであり、建物形状画像6と建物高さ画像7を備えている。図3(a)と図3(b)は、それぞれ、建物形状画像6と建物高さ画像7の説明図である。
建物形状画像6は、任意の地域を俯瞰した状態における、建物の形状を表現する画像である。より詳細には、建物形状画像6においては、建物に相当する部分である建物部分6a内の画素と、建物に相当しない部分である非建物部分6b内の画素とが、異なる画素値を有するように設定されている。本実施形態においては、建物形状画像6は1チャンネルの画像であり、建物部分6aと非建物部分6bは、それぞれ黒と例えば白等の画素値の最大値に相当する色、例えば画素値(輝度値)が8ビットで表現される場合においては0と255で表現されている。
以降、この建物形状画像6をはじめとした本実施形態における各画像において、横に延在する軸線方向をX方向、水平面内でX方向に直交して縦に延在する軸線方向をY方向、及び水平面に直交する軸線方向をZ方向と呼称する。
When learning the wind speed distribution, as described above, the learning unit 20 causes the machine learning device 24 to perform machine learning based on the learning data 2, which is information corresponding to an area having a side smaller than 250 m, for example. The machine learning device 24 performs deep learning to generate a learning model 25. FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the machine learning device 24. The learning data 2 includes building information data 3, wind direction data 4, and wind speed distribution data 5 as teacher data.
The building information data 3 is data having information regarding the external shape of a building, and includes a building shape image 6 and a building height image 7. FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams of a building shape image 6 and a building height image 7, respectively.
The building shape image 6 is an image expressing the shape of a building in a bird's-eye view of a given area. More specifically, in the building shape image 6, pixels in a building portion 6a that corresponds to a building and pixels in a non-building portion 6b that does not correspond to a building have different pixel values. is set to . In this embodiment, the building shape image 6 is a one-channel image, and the building portion 6a and the non-building portion 6b are respectively black and a color corresponding to the maximum pixel value such as white, for example, a pixel value (luminance When the value) is expressed in 8 bits, it is expressed as 0 and 255.
Hereinafter, in each image in this embodiment including this building shape image 6, the axial direction extending horizontally is the X direction, and the axial direction extending vertically perpendicular to the X direction in the horizontal plane is the Y direction. The axial direction perpendicular to the horizontal plane is called the Z direction.

建物高さ画像7は、建物形状画像6内に表現されたものと同一の地域を俯瞰した状態における、建物の高さを表現する画像である。より詳細には、建物高さ画像7においては、例えば道路や地表等の建物に相当しない部分である非建物部分7bを高さが0mの基準面としたときに、建物に相当する建物部分7a内の画素が、当該画素が含まれる建物の高さに相当する画素値を有するように設定されている。本実施形態においては、建物高さ画像7は1チャンネルの画像であり、非建物部分7bは黒、例えば0で表現されている。また、建物部分7aは中間色、例えば1以上の画素値で表現されている。特に本実施形態においては、建物部分7a内の画素は、画素値が、当該画素が含まれる建物の高さと同じ値となるように設定されている。例えば画素値が8ビットで表現される場合においては、高さが10mの建物に相当する建物部分7a内の画素は画素値が10となり、高さが35mの建物に相当する建物部分7a内の画素は画素値が35となっている。高さが255mの建物に相当する建物部分7a内の画素は、画素値が最大値すなわち255となっている。
建物高さ画像7は、上記のように建物形状画像6内に表現されたものと同一の地域を表現する画像であるため、建物形状画像6と同じ解像度を備えている。
風速分布推定装置1において風速分布を推定する対象として、例えば画素値が8ビットで表現される場合において、255mを超える高層建築物が多いことが想定される場合には、例えば0から最も高い建物の高さの値の範囲を、画素値の範囲すなわち0から255の範囲へと変換し、これを建物高さ画像7の画素値として用いてもよい。
The building height image 7 is an image representing the height of a building in a bird's-eye view of the same area as that represented in the building shape image 6. More specifically, in the building height image 7, when a non-building portion 7b, which is a portion not corresponding to a building such as a road or the ground surface, is set as a reference plane with a height of 0 m, a building portion 7a corresponding to a building is set as a reference plane with a height of 0 m. A pixel within is set to have a pixel value corresponding to the height of the building in which the pixel is included. In this embodiment, the building height image 7 is a one-channel image, and the non-building portion 7b is expressed in black, for example, 0. Furthermore, the building portion 7a is expressed in a neutral color, for example, with a pixel value of 1 or more. In particular, in this embodiment, the pixel value of the pixel within the building portion 7a is set to be the same value as the height of the building in which the pixel is included. For example, when a pixel value is expressed in 8 bits, a pixel in the building part 7a corresponding to a building with a height of 10 m has a pixel value of 10, and a pixel in the building part 7a corresponding to a building with a height of 35 m has a pixel value of 10. The pixel value is 35. The pixels in the building portion 7a corresponding to a building with a height of 255 m have the maximum pixel value, that is, 255.
Since the building height image 7 is an image representing the same area as that expressed in the building shape image 6 as described above, it has the same resolution as the building shape image 6.
As a target for estimating the wind speed distribution in the wind speed distribution estimation device 1, for example, when pixel values are expressed in 8 bits and it is assumed that there are many high-rise buildings exceeding 255 m, for example, from 0 to the tallest building. The height value range may be converted into a pixel value range, that is, a range from 0 to 255, and this may be used as the pixel value of the building height image 7.

風向データ4は、風向に関する情報を有するデータである。より詳細には、風向データ4は、既に説明した建物情報データ3内に表現された地域内の建物あるいは建物群に対して、地域外から吹き込む風の風向を表現するデータである。風向は、建物情報データ3における地域内の地点に依らず、地域内の全ての地点において一意に定められている。
風向データ4は、上記のように風向を表現するものであり、なおかつ全ての地点において値が一意であるため、1つのベクトルと見做すことができる。風向データ4は、このベクトルを建物情報データ3におけるX方向及びY方向の各々に成分分解した際の、X方向における成分値を1チャンネルの画像として表現した風向X成分画像8と、Y方向における成分値を1チャンネルの画像として表現した風向Y成分画像9を備えている。例えば、風向X成分画像8は、ベクトルが成分分解されたX方向上での成分値に対応する画素値に、全画素の画素値が設定された画像とすることができる。また、風向Y成分画像9は、ベクトルが成分分解されたY方向上での成分値に対応する画素値に、全画素の画素値が設定された画像とすることができる。
The wind direction data 4 is data having information regarding the wind direction. More specifically, the wind direction data 4 is data representing the direction of wind blowing from outside the area into a building or a group of buildings in the area expressed in the building information data 3 described above. The wind direction is uniquely determined at all points within the region, regardless of the location within the region in the building information data 3.
The wind direction data 4 expresses the wind direction as described above, and since the value is unique at all points, it can be regarded as one vector. The wind direction data 4 consists of a wind direction A wind direction Y component image 9 is provided in which component values are expressed as a one-channel image. For example, the wind direction X component image 8 can be an image in which the pixel values of all pixels are set to the pixel values corresponding to the component values in the X direction obtained by decomposing the vector into components. Further, the wind direction Y component image 9 can be an image in which the pixel values of all pixels are set to the pixel values corresponding to the component values in the Y direction obtained by decomposing the vector into components.

風向を、例えばある2次元の座標系において、原点を上流としたときの下流への風の吹く方向すなわちベクトルと考えた場合には、これを成分分解して得られた各軸線方向における成分値は、ベクトルの方向によっては負の値を取り得る。このため、風向X成分画像8及び風向Y成分画像9において風向を表現するに際し、上記のように負の値を取り得る、成分分解して得られた成分値を、0から画素値の最大値までの正の値の範囲に、例えば画素値が8ビットで表現される場合においては、0から255の値の画素値の範囲に変換する必要がある。本実施形態においては、成分値が0の場合には画素値を画素値の取り得る値の範囲の中心値、例えば128とし、正の値の場合には画素値を129から255までの範囲内の値とし、及び負の値の場合には画素値を0から127までの範囲内の値としている。
例えば、建物情報データ3におけるX方向及びY方向により形成される座標系において、西からの風の場合には、原点を上流とするとX軸上の正の方向への風向となるため、X方向上での成分値が正の値となりY方向上での成分値が0となる。したがって、風向X成分画像8は、全ての画素の画素値が画素値の最大値、例えば255に設定された、例えば白一色の画像となり得る。また、風向Y成分画像9は、全ての画素の画素値が画素値の取り得る値の範囲の中心値、例えば128に設定された、特定の中間色一色の画像となり得る。逆に、東からの風の場合には、原点を上流とするとX軸上の負の方向への風向となるため、X方向上での成分値が負の値となりY方向上での成分値が0となる。したがって、風向X成分画像8は全ての画素の画素値が画素値の最小値、例えば0に設定された、黒一色の画像となり、風向Y成分画像9は全ての画素の画素値が例えば128に設定された、特定の中間色一色の画像となり得る。
For example, in a two-dimensional coordinate system, if we consider the wind direction as the direction in which the wind blows downstream when the origin is upstream, that is, the vector, then the component values in each axis direction obtained by decomposing this into components. can take a negative value depending on the direction of the vector. Therefore, when expressing the wind direction in the wind direction For example, if a pixel value is expressed in 8 bits, it is necessary to convert it into a pixel value range of 0 to 255. In this embodiment, when the component value is 0, the pixel value is set to the center value of the range of possible values of the pixel value, for example 128, and when the component value is a positive value, the pixel value is set within the range from 129 to 255. In the case of a negative value, the pixel value is set to a value within the range from 0 to 127.
For example, in the coordinate system formed by the X direction and Y direction in the building information data 3, if the wind is from the west, if the origin is set upstream, the wind direction will be in the positive direction on the X axis. The component value on the top becomes a positive value, and the component value on the Y direction becomes 0. Therefore, the wind direction X component image 8 can be, for example, a solid white image in which the pixel values of all pixels are set to the maximum pixel value, for example 255. Further, the wind direction Y component image 9 can be a specific neutral color image in which the pixel values of all pixels are set to the center value of the range of possible pixel values, for example, 128. Conversely, in the case of wind from the east, if the origin is upstream, the wind direction will be in the negative direction on the X axis, so the component value in the X direction will be a negative value, and the component value in the Y direction will be becomes 0. Therefore, the wind direction The image may be a specific neutral color image.

風速分布データ5は、建物情報データ3内に表現された地域における、風速の分布に関する情報、すなわち建物の周囲の各地点における風速に関するデータである。風速分布データ5は、建物情報データ3と風向データ4に対応して得られるデータであり、建物の形状や高さに関する情報と、建物情報データ3内に表現された地域に吹き込む風に関する情報が与えられた際に、これらを基に一意に決定される。
特に本実施形態においては、風速分布データ5は各地点における風向に関する情報をも含む。このために、風速分布データ5が風向に関する情報を保持し得るように、風速分布データ5は、それぞれが1チャンネルの画像である、風速分布X成分画像10、風速分布Y成分画像11、及び風速分布Z成分画像12を備えている。風速分布X成分画像10は、各画素の画素値が、建物情報データ3内に表現された地域内の当該画素に対応する地点における風向及び風速を表現するベクトルを、建物情報データ3におけるX方向とY方向、及びZ方向の各々に成分分解した際の、X方向における成分値に相当する値に設定された画像である。風速分布Y成分画像11及び風速分布Z成分画像12は、同様に、各画素の画素値が、Y方向及びZ方向の各々における成分値に相当する値に設定された画像である。各画素に対応する地点が建物の場合には、当該画素の画素値は無風に相当する値に設定されている。
The wind speed distribution data 5 is information regarding the distribution of wind speed in the area expressed in the building information data 3, that is, data regarding the wind speed at each point around the building. The wind speed distribution data 5 is data obtained corresponding to the building information data 3 and the wind direction data 4, and includes information regarding the shape and height of the building and information regarding the wind blowing into the area expressed in the building information data 3. When given, it is uniquely determined based on these.
Particularly in this embodiment, the wind speed distribution data 5 also includes information regarding the wind direction at each point. For this purpose, the wind speed distribution data 5 includes a wind speed distribution X component image 10, a wind speed distribution Y component image 11, and a wind speed distribution A distribution Z component image 12 is provided. The wind speed distribution This is an image set to a value corresponding to the component value in the X direction when the components are decomposed into each of the Y direction and the Z direction. Similarly, the wind speed distribution Y component image 11 and the wind speed distribution Z component image 12 are images in which the pixel value of each pixel is set to a value corresponding to the component value in each of the Y direction and the Z direction. When the point corresponding to each pixel is a building, the pixel value of the pixel is set to a value corresponding to no wind.

上記のように、風速分布データ5は風向に関する情報を含むため、風向データ4の場合と同様に、風速の各軸線方向における成分値は必ずしも正の値とはならず、風向によっては、すなわち正の値となり得る方向とは反対側の方向に風が吹く場合には、成分値は負の値となる。画像においてこのような正負の値を表現し得るように、本実施形態においては、想定し得る最大風速の正値を画素値の最大値、例えば画素値が8ビットで表現される場合においては255に対応させ、無風すなわち風速ゼロの場合を画素値の取り得る値の範囲の中心値、例えば128に対応させ、更に、最大風速の負値を画素値の最小値より1大きい値、例えば1に対応させている。建物形状画像6の建物部分6aに相当する画素は、画素値の最小値、例えば0に設定される。このうえで、最大風速の負値から最大風速の正値までの範囲内の風速を画素値の取り得る値の範囲の最小値より1大きい値から最大値までの値に対応付けし、この対応関係に基づいて、各画素の画素値が、当該画素において情報として保持するべき風速に対応する値となるように設定されている。
学習データ2の各画像は、本実施形態においては実際には、学習部20に入力される際に、各画素の値を画素値の最大値、例えば255により除算して、0から1までの値の範囲へと基準化されて用いられる。
As mentioned above, since the wind speed distribution data 5 includes information regarding the wind direction, similarly to the case of the wind direction data 4, the component values of the wind speed in each axis direction are not necessarily positive values, and depending on the wind direction, If the wind blows in the direction opposite to the direction in which the value of , the component value will be a negative value. In order to express such positive and negative values in the image, in this embodiment, the maximum positive value of the maximum wind speed that can be assumed is set to the maximum value of the pixel value, for example, 255 when the pixel value is expressed in 8 bits. , the case of no wind, that is, wind speed of zero, is made to correspond to the center value of the range of values that the pixel value can take, for example, 128, and the negative value of the maximum wind speed is made to correspond to a value that is 1 larger than the minimum value of the pixel value, for example, 1. We are making it compatible. The pixels corresponding to the building portion 6a of the building shape image 6 are set to the minimum pixel value, for example 0. Then, the wind speed within the range from the negative value of the maximum wind speed to the positive value of the maximum wind speed is associated with the value from the minimum value of the range of possible values of the pixel value by 1 to the maximum value, and this correspondence Based on the relationship, the pixel value of each pixel is set to a value corresponding to the wind speed that should be held as information at that pixel.
In this embodiment, each image of the learning data 2 is actually input from 0 to 1 by dividing the value of each pixel by the maximum value of the pixel value, for example, 255. It is used scaled to a range of values.

機械学習器24を機械学習する際に、建物情報データ3と風向データ4は機械学習器24への入力として使用される。この際の機械学習器24の出力である学習時推定結果15は、建物情報データ3と風向データ4に対応する風速分布データ5と比較され、この比較結果を基に機械学習器24が機械学習される。このように、風速分布データ5は機械学習における正解値すなわち教師データとして使用され、機械学習器24は風速分布データ5に近い学習時推定結果15を出力するように学習される。
既に説明したように、建物情報データ3、風向データ4、及び教師データとしての風速分布データ5の各々は、画像である。したがって、風速分布データ5と比較される学習時推定結果15も当然画像である。このため、本実施形態においては、機械学習器24は、画像を入出力とした場合の処理と相性の良い全層畳み込みネットワーク(Fully Convolutional Network、以下FCNと記載する)により実現されている。FCNは、以下に説明するように、全結合層を備えず、畳み込み層において処理、生成された特徴マップを直接、転置畳み込み層への入力とするものである。
When the machine learning device 24 performs machine learning, the building information data 3 and the wind direction data 4 are used as input to the machine learning device 24. The learning estimation result 15, which is the output of the machine learning device 24 at this time, is compared with the wind speed distribution data 5 corresponding to the building information data 3 and the wind direction data 4, and the machine learning device 24 performs machine learning based on this comparison result. be done. In this way, the wind speed distribution data 5 is used as the correct value in machine learning, that is, as teacher data, and the machine learning device 24 is trained to output the learning estimation result 15 that is close to the wind speed distribution data 5.
As already explained, each of the building information data 3, the wind direction data 4, and the wind speed distribution data 5 as teacher data is an image. Therefore, the learning estimation result 15 to be compared with the wind speed distribution data 5 is also an image. Therefore, in this embodiment, the machine learning device 24 is realized by a fully convolutional network (hereinafter referred to as FCN) that is compatible with processing when images are used as input and output. As explained below, the FCN does not include a fully connected layer, and the feature map processed and generated in the convolutional layer is directly input to the transposed convolutional layer.

図2に示されるように、機械学習器24は、畳み込み処理部27と転置畳み込み処理部28を備えている。畳み込み処理部27は、直列に接続された、複数の畳み込み層27a、27b、27cを備えている。転置畳み込み処理部28は、同様に直列に接続された、複数の転置畳み込み層28c、28b、28aを備えている。模式的に示された図2においては、畳み込み層と転置畳み込み層の数はそれぞれ3となるように図示されているが、これら畳み込み層と転置畳み込み層の数は3に限られない。
学習部20は、建物情報データ3と風向データ4を初段の畳み込み層27aへ入力する。既に説明したように、本実施形態においては、建物情報データ3の建物形状画像6と建物高さ画像7、及び風向データ4の風向X成分画像8と風向Y成分画像9の各々は、1チャンネルの画像として実現されている。したがって、建物形状画像6、建物高さ画像7、風向X成分画像8、及び風向Y成分画像9は、これら4枚の1チャンネルの画像が1枚の4チャンネルの画像として結合された学習時入力データ14として、機械学習器24へ入力される。
As shown in FIG. 2, the machine learning device 24 includes a convolution processing section 27 and a transposed convolution processing section 28. The convolution processing unit 27 includes a plurality of convolution layers 27a, 27b, and 27c connected in series. The transposed convolution processing section 28 includes a plurality of transposed convolution layers 28c, 28b, and 28a, which are similarly connected in series. In the schematic diagram of FIG. 2, the number of convolutional layers and transposed convolutional layers are each three, but the number of these convolutional layers and transposed convolutional layers is not limited to three.
The learning unit 20 inputs the building information data 3 and the wind direction data 4 to the first stage convolution layer 27a. As already explained, in this embodiment, each of the building shape image 6 and building height image 7 of the building information data 3 and the wind direction X component image 8 and the wind direction Y component image 9 of the wind direction data 4 is one channel. It is realized as an image. Therefore, the building shape image 6, the building height image 7, the wind direction The data is input to the machine learning device 24 as data 14.

畳み込み層27aは、所定の数のフィルタを備えている。機械学習器24は、各フィルタに対し、これを学習時入力データ14上に位置付け、フィルタ内の学習時入力データ14の各画素の画素値に対して、フィルタ内に画素位置に対応して設定された重みを付けて和を計算することで、畳み込みフィルタ処理を実行する。これにより、畳み込み層27aにおける1つの画素の画素値が演算される。機械学習器24は、フィルタを学習時入力データ14上で所定の解像度刻みで移動させつつ、このような畳み込みフィルタ処理を実行することで複数の画素値を演算し、これを並べて、フィルタに対応した1枚の画像を生成する。
機械学習器24は、この処理を、全てのフィルタに対して実行し、フィルタの数に応じた特徴マップを生成する。
特徴マップに対しては、必要に応じて、バッチ正規化処理やプーリング処理、活性化関数が実行される。
畳み込み層27aにおいて生成された特徴マップは、次段の畳み込み層27bの入力画像となる。
The convolution layer 27a includes a predetermined number of filters. The machine learning device 24 positions each filter on the learning input data 14, and sets the pixel value of each pixel of the learning input data 14 in the filter corresponding to the pixel position in the filter. Convolution filtering is performed by calculating the sum with the given weights. Thereby, the pixel value of one pixel in the convolutional layer 27a is calculated. The machine learning device 24 calculates a plurality of pixel values by executing such convolution filter processing while moving the filter on the learning input data 14 at predetermined resolution increments, and arranges the pixel values to correspond to the filter. generate a single image.
The machine learning device 24 executes this process for all filters and generates feature maps according to the number of filters.
Batch normalization processing, pooling processing, and activation functions are performed on the feature map as necessary.
The feature map generated in the convolutional layer 27a becomes an input image for the next convolutional layer 27b.

畳み込み層27bにおいては、畳み込み層27aにおいて生成された特徴マップに対して、畳み込み層27aと同様に、畳み込みフィルタ処理が実行される。畳み込み層27bは、所定の数のフィルタを備えており、これらを用いて畳み込みフィルタ処理を実行し、更に必要に応じてバッチ正規化処理やプーリング処理を実行することで、フィルタの数に応じた所定の数の特徴マップを生成する。
畳み込み層27cにおいては、畳み込み層27bにおいて生成された特徴マップに対して、畳み込みフィルタ処理が実行される。畳み込み層27cは、所定の数のフィルタを備えており、これらを用いて畳み込みフィルタ処理を実行し、更に必要に応じてバッチ正規化処理やプーリング処理を実行することで、フィルタの数に応じた所定の数の特徴マップを生成する。
各畳み込み層27a、27b、27cにおけるフィルタの重みは、機械学習により調整される。
畳み込み層27cにおいて生成された特徴マップは、転置畳み込み処理部28の転置畳み込み層28cへの入力となる。
In the convolution layer 27b, convolution filter processing is performed on the feature map generated in the convolution layer 27a, similarly to the convolution layer 27a. The convolution layer 27b includes a predetermined number of filters, and performs convolution filter processing using these filters, and further performs batch normalization processing and pooling processing as necessary. Generate a predetermined number of feature maps.
In the convolution layer 27c, convolution filter processing is performed on the feature map generated in the convolution layer 27b. The convolution layer 27c is equipped with a predetermined number of filters, and performs convolution filter processing using these filters, and further performs batch normalization processing and pooling processing as necessary. Generate a predetermined number of feature maps.
The weights of the filters in each convolutional layer 27a, 27b, 27c are adjusted by machine learning.
The feature map generated in the convolution layer 27c becomes an input to the transposed convolution layer 28c of the transposed convolution processing unit 28.

転置畳み込み処理部28は、畳み込み処理部27と対称的な構造となっている。すなわち、学習時入力データ14は畳み込み処理部27により低次元に圧縮されたが、転置畳み込み処理部28においては、低次元に圧縮された状態から拡大し、復元されるように動作する。より詳細には、畳み込み層27cに対応する転置畳み込み処理を実行する転置畳み込み層28c、畳み込み層27bに対応する転置畳み込み処理を実行する転置畳み込み層28b、及び畳み込み層27aに対応する転置畳み込み処理を実行する転置畳み込み層28aを順に経ることで、出力データが生成される。
転置畳み込み処理部28すなわち機械学習器24の出力データは、本実施形態においては、入力された学習時入力データ14内の建物情報データ3と風向データ4に対応する、建物情報データ3内に表現された地域における風速、風向の学習時推定結果15である。学習時推定結果15は、風速分布データ5と同様に、建物情報データ3内に表現された地域内の各地点における、X方向、Y方向、及びZ方向の各々に対応して成分分解された風速、風向情報が格納された、3枚の1チャンネルの画像であり、これが1枚の3チャンネルの画像として出力される。
The transposed convolution processing unit 28 has a structure symmetrical to that of the convolution processing unit 27. That is, although the learning input data 14 was compressed to a low dimension by the convolution processing section 27, the transposition and convolution processing section 28 operates to expand and restore the data compressed to a low dimension. More specifically, a transposed convolution layer 28c executes a transposed convolution process corresponding to the convolution layer 27c, a transposed convolution layer 28b executes a transposed convolution process corresponding to the convolution layer 27b, and a transposed convolution process corresponding to the convolution layer 27a. Output data is generated by sequentially passing through the transposed convolution layer 28a to be executed.
In this embodiment, the output data of the transposed convolution processing unit 28, that is, the machine learning device 24, is expressed in the building information data 3 corresponding to the building information data 3 and wind direction data 4 in the input learning input data 14. This is the learning estimation result 15 of the wind speed and direction in the area where the wind speed and direction were determined. Similar to the wind speed distribution data 5, the learning estimation result 15 is decomposed into components corresponding to each of the X direction, Y direction, and Z direction at each point within the area expressed in the building information data 3. These are three 1-channel images in which wind speed and wind direction information is stored, and these are output as one 3-channel image.

機械学習器24では、学習時推定結果15における推定結果が、入力された学習時入力データ14に対応する風速分布データ5すなわち教師データに近い値となるように、機械学習が行われる。このために、学習部20は、学習時入力データ14に対応する風速分布データ5と、当該学習時入力データ14を入力した際の出力である学習時推定結果15を画素単位で比較して、例えば各画素間の画素値の差分の2乗誤差をコスト関数として計算する。
その上で、このコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法等により、各フィルタの重みの値等を調整することで、機械学習器24が機械学習される。
結果として、機械学習器24は、学習時入力データ14が入力されたときに、これに含まれる建物情報データ3と風向データ4に対応する風速分布データ5に近い学習時推定結果15を出力するように学習される。
In the machine learning device 24, machine learning is performed so that the estimation result in the learning estimation result 15 becomes a value close to the wind speed distribution data 5 corresponding to the input learning input data 14, that is, the teacher data. For this purpose, the learning unit 20 compares the wind speed distribution data 5 corresponding to the learning input data 14 and the learning estimation result 15, which is the output when the learning input data 14 is input, pixel by pixel. For example, the squared error of the difference in pixel values between each pixel is calculated as a cost function.
Then, the machine learning device 24 performs machine learning by adjusting the weight values of each filter using an error back propagation method or the like so as to reduce this cost function.
As a result, when the learning input data 14 is input, the machine learning device 24 outputs a learning estimation result 15 that is close to the wind speed distribution data 5 corresponding to the building information data 3 and wind direction data 4 included therein. It is learned as follows.

学習部20は、学習が終了すると、調整が終了した各フィルタの重みの値等のパラメータを、学習モデルパラメータとして、学習モデルパラメータ記憶部22に記憶する。学習モデルパラメータ記憶部22に記憶された学習モデルパラメータは、後に説明する風速分布推定部21において取得され、風速分布を推定する学習モデル25が構築される。
すなわち、学習部20は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの学習モデル25を生成するものである。
When the learning is completed, the learning unit 20 stores parameters such as weight values of each filter whose adjustment has been completed in the learning model parameter storage unit 22 as learning model parameters. The learning model parameters stored in the learning model parameter storage section 22 are acquired by the wind speed distribution estimating section 21, which will be described later, and a learning model 25 for estimating the wind speed distribution is constructed.
That is, the learning unit 20 generates a trained learning model 25 in which appropriate learning parameters have been learned, which is used as a program module that is part of artificial intelligence software.

次に、風速分布の推定時での各構成要素の挙動について説明する。
既に説明したように、風速分布推定装置1は、風速分布の推定時には、広い領域(全体領域)を複数の個別領域に分割し、各個別領域において風速分布を推定して、これらの推定結果を結合する。したがって、風速分布の推定時における風速分布推定装置1への入力データである推定時入力データ30は、例えば一辺が250m以上の、広い全体領域に相当する情報である。推定時入力データ30は、実際に風速分布の推定対象となる地域及び風向が情報として格納された、建物情報データ31と風向データ32である。建物情報データ31は、建物形状画像33と建物高さ画像34を備えており、これらの各々は、全体領域に対応するため画像がより大きい点を除けば、学習時に学習データ2として使用された建物形状画像6及び建物高さ画像7と同様に構成されている。風向データ32は、風向X成分画像35と風向Y成分画像36を備えており、これらの各々は、全体領域に対応するため画像がより大きい点を除けば、学習時に学習データ2として使用された風向X成分画像8及び風向Y成分画像9と同様に構成されている。建物形状画像33、建物高さ画像34、風向X成分画像35、及び風向Y成分画像36は、それぞれが1チャンネルの画像であり、推定時入力データ30は、これら4枚の1チャンネルの画像が1枚の4チャンネルの画像として結合された画像データである。
推定時入力データ30の各画像は、本実施形態においては実際には、学習時と同様に、風速分布推定部21に入力される際に、各画素の値を画素値の最大値、例えば255により除算して、0から1までの値の範囲へと基準化されて用いられる。
Next, the behavior of each component when estimating the wind speed distribution will be explained.
As already explained, when estimating the wind speed distribution, the wind speed distribution estimation device 1 divides a wide area (the entire area) into a plurality of individual areas, estimates the wind speed distribution in each individual area, and uses these estimation results. Join. Therefore, the estimation input data 30, which is input data to the wind speed distribution estimating device 1 at the time of estimating the wind speed distribution, is information corresponding to a wide entire area, for example, 250 m or more on a side. The input data 30 at the time of estimation is building information data 31 and wind direction data 32 in which the area and wind direction where the wind speed distribution is actually estimated are stored as information. The building information data 31 includes a building shape image 33 and a building height image 34, each of which was used as learning data 2 during learning, except that the image is larger because it corresponds to the entire area. It is configured similarly to the building shape image 6 and the building height image 7. The wind direction data 32 includes a wind direction X component image 35 and a wind direction Y component image 36, each of which was used as learning data 2 during learning, except that the image is larger because it corresponds to the entire area. It is configured similarly to the wind direction X component image 8 and the wind direction Y component image 9. The building shape image 33, the building height image 34, the wind direction This is image data that has been combined as a single 4-channel image.
In this embodiment, when each image of the estimation input data 30 is input to the wind speed distribution estimating unit 21, the value of each pixel is set to the maximum value of the pixel value, for example, 255. It is scaled to a range of values from 0 to 1 by dividing by .

全体領域分割部50は、風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割する。より正確には、全体領域分割部50は、全体領域に相当する画像である推定時入力データ30を、個別領域に相当する画像である個別入力データへと、個別領域が互いに重複するように分割する。
図4は、全体領域分割部50の説明図である。説明を簡単にするために、全体領域GRに相当する推定時入力データ30は、解像度が横方向Xと縦方向Yの双方において20画素であり、これから、解像度が横方向Xと縦方向Yの双方において8画素の、個別領域LRに相当する個別入力データを切り出して分割する場合を説明する。実際には、推定時入力データ30と個別入力データの双方は、上記よりも大きな解像度を備えている。
以下の説明においては、全体領域GRと記載したときにはこれに対応する推定時入力データ30をともに示し、個別領域LRと記載したときにはこれに対応する個別入力データをともに示すものとする。また、全体領域GRまたは個別領域LRを画像としてみたときの、これら画像内の画素の位置を、当該画像の左上の画素を原点(0、0)としたときの座標値、すなわち(横方向Xにおける画素の座標値、縦方向Yにおける画素の座標値)として示す。
The whole region dividing unit 50 divides the whole region, which is the target of wind speed distribution estimation, into a plurality of individual regions so as to have overlapping parts that overlap with each other. More precisely, the whole region dividing unit 50 divides the estimation input data 30, which is an image corresponding to the whole region, into individual input data, which is an image corresponding to individual regions, such that the individual regions overlap each other. do.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the entire area dividing section 50. To simplify the explanation, the estimation input data 30 corresponding to the entire area GR has a resolution of 20 pixels in both the horizontal direction X and the vertical direction Y, and from this, the resolution in the horizontal direction A case will be described in which individual input data corresponding to the individual region LR of 8 pixels in both is cut out and divided. In reality, both the estimation input data 30 and the individual input data have a resolution greater than that described above.
In the following description, when the entire region GR is written, the estimation input data 30 corresponding thereto is also indicated, and when the individual region LR is written, the corresponding individual input data is also indicated. In addition, when the entire region GR or individual region LR is viewed as an image, the position of the pixel in these images is determined by the coordinate value when the upper left pixel of the image is set as the origin (0, 0), that is, (horizontal direction pixel coordinate value in the vertical direction Y).

全体領域分割部50は、まず、図4(a)に示されるように、個別領域LRの左上の原点(0、0)に位置する画素を、全体領域GRの原点(0、0)と一致させたときの個別領域LR1を、個別入力データとして、全体領域GRすなわち推定時入力データ30から切り出して分割する。
次に、全体領域分割部50は、図4(b)に示されるように、個別領域LR1から一定の、横方向Xのストライド(移動量、本実施形態においては4画素)だけ、個別領域LRを横方向Xに移動させる。これにより、個別領域LRの原点を、全体領域GRの(4、0)に位置せしめて、この状態における個別領域LR2を、全体領域GRから切り出して分割する。
横方向Xのストライドの大きさは、個別領域LRの横方向Xの解像度よりも小さく設定されている。より詳細には、横方向Xのストライドの大きさは、個別領域LRの横方向Xの解像度の半分以下とするのが望ましい。これにより、個別領域LR1と個別領域LR2は、互いに重複する重複部OR(OR1)を有するように、全体領域GRから分割されている。
全体領域分割部50は更に、図4(c)に示されるように、個別領域LR2から横方向Xのストライドだけ、個別領域LRを横方向Xに移動させ、この状態における個別領域LR3を、全体領域GRから切り出して分割する。個別領域LR2と個別領域LR3は、互いに重複する重複部OR2を有するように、全体領域GRから分割されている。
同様に、全体領域分割部50は、図4(d)に示されるように、個別領域LR3から横方向Xのストライドだけ、個別領域LRを横方向Xに移動させ、この状態における個別領域LR4を、全体領域GRから切り出して分割する。
First, as shown in FIG. 4(a), the whole region dividing unit 50 matches the pixel located at the origin (0, 0) of the upper left of the individual region LR with the origin (0, 0) of the whole region GR. The individual region LR1 obtained when the calculation is performed is cut out and divided from the entire region GR, that is, the input data 30 at the time of estimation, as individual input data.
Next, as shown in FIG. 4B, the entire area dividing unit 50 divides the individual area LR by a certain stride (amount of movement, 4 pixels in this embodiment) in the horizontal direction from the individual area LR1. is moved in the horizontal direction X. As a result, the origin of the individual region LR is located at (4,0) of the entire region GR, and the individual region LR2 in this state is cut out and divided from the entire region GR.
The stride size in the lateral direction X is set smaller than the resolution in the lateral direction X of the individual region LR. More specifically, it is desirable that the stride size in the lateral direction X be less than half the resolution in the lateral direction X of the individual region LR. Thereby, the individual region LR1 and the individual region LR2 are divided from the entire region GR so as to have an overlapping portion OR (OR1) that overlaps with each other.
Further, as shown in FIG. 4(c), the overall area dividing unit 50 moves the individual area LR in the lateral direction X by a stride in the lateral direction X from the individual area LR2, and divides the individual area LR3 in this state into the entire Cut out and divide from region GR. The individual region LR2 and the individual region LR3 are divided from the entire region GR so as to have an overlapping portion OR2 that overlaps with each other.
Similarly, as shown in FIG. 4(d), the entire area dividing unit 50 moves the individual area LR in the horizontal direction X by a stride in the horizontal direction X from the individual area LR3, and divides the individual area LR4 in this state. , the entire region GR is cut out and divided.

図4(d)に示されるように、全体領域GRの最上段において、個別領域LRの移動と分割が終了すると、全体領域分割部50は、個別領域LRを縦方向Yに移動させる。すなわち、全体領域分割部50は、図4(e)に示されるように、図4(a)に示される個別領域LR1から一定の、縦方向Yのストライド(本実施形態においては4画素)だけ、個別領域LRを縦方向Yに移動させる。これにより、個別領域LRの原点を、全体領域GRの(0、4)に位置せしめて、この状態における個別領域LR5を、全体領域GRから切り出して分割する。
縦方向Yのストライドの大きさは、個別領域LRの縦方向Yの解像度よりも小さく設定されている。より詳細には、縦方向Yのストライドの大きさは、個別領域LRの縦方向Yの解像度の半分以下とするのが望ましい。これにより、個別領域LR1と個別領域LR5は、互いに重複する重複部OR3を有するように、全体領域GRから分割されている。
次に、全体領域分割部50は、図4(f)に示されるように、個別領域LR5から横方向Xのストライドだけ、個別領域LRを横方向Xに移動させる。これにより、個別領域LRの原点を、全体領域GRの(4、4)に位置せしめて、この状態における個別領域LR6を、全体領域GRから切り出して分割する。
個別領域LR5と個別領域LR6は、互いに重複する重複部OR4を有するように、全体領域GRから分割されている。また、上下に隣り合う個別領域LR2と個別領域LR6は、互いに重複する重複部OR5を有するように、全体領域GRから分割されている。
同様に、全体領域分割部50は、図4(g)に示されるように、個別領域LR6から横方向Xのストライドだけ、個別領域LRを横方向Xに移動させ、この状態における個別領域LR7を、全体領域GRから切り出して分割する。
As shown in FIG. 4D, when the movement and division of the individual region LR at the top of the entire region GR is completed, the entire region dividing unit 50 moves the individual region LR in the vertical direction Y. That is, as shown in FIG. 4(e), the entire area dividing unit 50 divides the individual area LR1 shown in FIG. 4(a) by a certain stride in the vertical direction Y (4 pixels in this embodiment). , moves the individual region LR in the vertical direction Y. Thereby, the origin of the individual region LR is located at (0, 4) of the whole region GR, and the individual region LR5 in this state is cut out and divided from the whole region GR.
The size of the stride in the vertical direction Y is set smaller than the resolution of the individual region LR in the vertical direction Y. More specifically, it is desirable that the stride size in the vertical direction Y be less than half the resolution of the individual region LR in the vertical direction Y. Thereby, the individual region LR1 and the individual region LR5 are divided from the entire region GR so as to have an overlapping portion OR3 that overlaps with each other.
Next, the entire area dividing unit 50 moves the individual area LR in the lateral direction X by a stride in the lateral direction X from the individual area LR5, as shown in FIG. 4(f). As a result, the origin of the individual region LR is located at (4, 4) of the entire region GR, and the individual region LR6 in this state is cut out and divided from the entire region GR.
The individual region LR5 and the individual region LR6 are divided from the entire region GR so as to have an overlapping portion OR4 that overlaps with each other. Further, the vertically adjacent individual regions LR2 and LR6 are divided from the entire region GR so as to have an overlapping portion OR5 that overlaps with each other.
Similarly, as shown in FIG. 4(g), the entire area dividing unit 50 moves the individual area LR in the horizontal direction X by a stride in the horizontal direction X from the individual area LR6, and divides the individual area LR7 in this state. , the entire region GR is cut out and divided.

このように、全体領域GR上で個別領域LRを横方向X及び縦方向Yに移動させつつ切り出すことで、全体領域分割部50は全体領域GRすなわち推定時入力データ30から、個別領域LRすなわち個別入力データを分割する。図4の例においては、全体領域GRから16個の個別領域LRが分割される。図4(h)には、最後に分割される個別領域LR16が示されている。 In this way, by cutting out the individual regions LR while moving them in the horizontal direction Split the input data. In the example of FIG. 4, the entire area GR is divided into 16 individual areas LR. FIG. 4(h) shows the individual region LR16 that is divided last.

次に、風速分布推定部21は、学習モデルパラメータ記憶部22から学習モデルパラメータを取得し、学習モデル25を構築する。図5は、学習モデル25の模式的な説明図である。風速分布推定部21は、この学習モデル25を、例えばCPU上でプログラムとして実行することで、風速分布を推定する。
風速分布推定部21は、学習モデル25に、上記のように生成した個別領域LR1~LR16の各々に対応する個別入力データを順次入力し、各個別領域LRに相当する風速分布を推定する。
Next, the wind speed distribution estimation unit 21 acquires learning model parameters from the learning model parameter storage unit 22 and constructs a learning model 25. FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of the learning model 25. The wind speed distribution estimation unit 21 estimates the wind speed distribution by executing the learning model 25 as a program on a CPU, for example.
The wind speed distribution estimation unit 21 sequentially inputs the individual input data corresponding to each of the individual regions LR1 to LR16 generated as described above to the learning model 25, and estimates the wind speed distribution corresponding to each individual region LR.

より詳細には、風速分布推定部21が学習モデル25に個別入力データを入力すると、学習モデル25は、畳み込み層27a、27b、27cと、及び転置畳み込み層28c、28b、28aを順に辿りながら、畳み込み処理及び転置畳み込み処理を実行する。最終的に転置畳み込み層28aから、推定時入力データ30に対応する個別画像が出力される。
個別画像は、学習時推定結果15と同様に、建物情報データ31内に表現された地域内の各地点における、X方向、Y方向、及びZ方向の各々に対応して成分分解された風速、風向情報が格納された、3枚の1チャンネルの画像であり、これが1枚の3チャンネルの画像として出力される。
風速分布推定部21は、各個別入力データに対応する個別画像の各々に対し、個別画像からX方向、Y方向、及びZ方向の各々に対応する1チャンネルの画像、すなわち各方向に対応して成分分解された風速、風向情報であるX成分個別画像、Y成分個別画像、及びZ成分個別画像を抽出する。
More specifically, when the wind speed distribution estimation unit 21 inputs individual input data to the learning model 25, the learning model 25 sequentially traces the convolutional layers 27a, 27b, 27c and the transposed convolutional layers 28c, 28b, 28a. Executes convolution processing and transposed convolution processing. Finally, an individual image corresponding to the estimation input data 30 is output from the transposed convolution layer 28a.
Similar to the learning estimation results 15, the individual images include wind speeds decomposed into components corresponding to each of the X direction, Y direction, and Z direction at each point in the area expressed in the building information data 31; These are three 1-channel images in which wind direction information is stored, and these are output as one 3-channel image.
The wind speed distribution estimating unit 21 calculates one-channel images corresponding to each of the X direction, Y direction, and Z direction from the individual images, that is, one channel image corresponding to each direction, for each individual image corresponding to each individual input data. An X component individual image, a Y component individual image, and a Z component individual image, which are component-decomposed wind speed and wind direction information, are extracted.

風速分布推定部21は、X成分個別画像、Y成分個別画像、及びZ成分個別画像の各々の情報を合成して、個別推定結果画像(個別領域内の風速分布の推定結果)を生成する。個別推定結果画像は、X成分個別画像、Y成分個別画像、及びZ成分個別画像と同等の解像度を備えた画像である。風速分布推定部21は、X成分個別画像、Y成分個別画像、及びZ成分個別画像の互いに対応する画素の各々に対し、これら画像の各々から画素値、すなわち当該画素に対応する地点における風向風速のX成分値、Y成分値、及びZ成分値の各々に対応する値を取得し、これらの各々をベクトルとして、X方向、Y方向、及びZ方向の3つの軸線方向により形成される3次元座標系上で合成する。風速分布推定部21は、合成により生成されたベクトルの大きさを基に風速を、及び向きを基に風向を計算する。風速分布推定部21は、全画素に関して風速及び風向情報を計算し、これらをまとめて一つの画像すなわち個別推定結果画像を生成する。
このようにして、風速分布推定部21は、個別領域LRすなわち個別入力データの各々に対し、当該個別領域LRに含まれる複数の地点(例えば図4各図における一つの画素)の各々における風速を推定して、個別領域LR内の風速分布を個別推定結果画像として推定する。
図4を用いた例においては、16個の個別領域LR1~LR16の各々に対応する、16個の個別推定結果画像が出力される。
The wind speed distribution estimating unit 21 synthesizes the information of each of the X component individual image, the Y component individual image, and the Z component individual image to generate an individual estimation result image (an estimation result of the wind speed distribution in the individual region). The individual estimation result image is an image having the same resolution as the X component individual image, the Y component individual image, and the Z component individual image. The wind speed distribution estimating unit 21 calculates a pixel value from each of these images for each corresponding pixel of the X component individual image, Y component individual image, and Z component individual image, that is, the wind direction and wind speed at the point corresponding to the pixel. Obtain the values corresponding to each of the X component value, Y component value, and Z component value of Synthesize on the coordinate system. The wind speed distribution estimation unit 21 calculates the wind speed based on the magnitude of the vector generated by the synthesis, and the wind direction based on the direction. The wind speed distribution estimating unit 21 calculates wind speed and wind direction information for all pixels, and generates one image, that is, an individual estimation result image by combining them.
In this way, the wind speed distribution estimating unit 21 calculates the wind speed at each of a plurality of points (for example, one pixel in each figure in FIG. 4) included in the individual region LR, that is, for each individual input data. Then, the wind speed distribution within the individual region LR is estimated as an individual estimation result image.
In the example using FIG. 4, 16 individual estimation result images corresponding to each of 16 individual regions LR1 to LR16 are output.

上記のように出力された、個別領域LR内の風速分布の推定結果である個別推定結果画像に対しては、次に説明する重み設定部51に設定されている重みが、推定結果調整部52において適用される。
図6は、個別領域LRに対して設けられる重みを、3次元曲面を有する重み関数Wで表示した一例である。重み関数Wは、横方向Xまたは縦方向Yから視たときに、正規分布の確率密度関数の形状となるように設定されている。確率密度関数は、その中央値が、個別領域LRの横方向X及び縦方向Yの各々における中心に位置するように設定されている。また、確率密度関数の定義域は、標準偏差の-2倍から2倍までの間として設けられており、この定義域が、個別領域LRの横方向X及び縦方向Yの領域と一致するように、確率密度関数は設けられている。これにより、正規分布として実現される確率密度関数の95%程度が、個別領域LRに対応付けて設けられる。
For the individual estimation result image, which is the estimation result of the wind speed distribution in the individual region LR, output as described above, the weight set in the weight setting section 51, which will be described next, is applicable.
FIG. 6 is an example in which the weights provided to the individual regions LR are expressed by a weighting function W having a three-dimensional curved surface. The weighting function W is set to have the shape of a probability density function of normal distribution when viewed from the horizontal direction X or the vertical direction Y. The probability density function is set so that its median value is located at the center of each of the horizontal direction X and vertical direction Y of the individual region LR. In addition, the domain of the probability density function is set between -2 times the standard deviation and twice the standard deviation, and this domain is set to match the area in the horizontal direction X and vertical direction Y of the individual region LR. , a probability density function is provided. As a result, approximately 95% of the probability density function realized as a normal distribution is provided in association with the individual region LR.

重みが、上記のような重み関数Wに基づいて、個別領域LRに対応されて設定された結果、個別領域LRの中心に近く位置する地点ほど重みの値が大きくなり、外縁に近く位置する地点ほど重みの値が小さくなる。例えば、個別領域LRの横方向X及び縦方向Yの双方において中心に位置する地点PAにおいては、値VAとして示されるように、1の重みが対応付けられている。また、個別領域LRの横方向X及び縦方向Yの双方において外縁に位置する地点PBにおいては、値VBとして示されるように、0に近い例えば0.1の重みが対応付けられている。更に、地点PAと地点PBの中間に位置する地点PCにおいては、これらの間の、例えば0.6等の値が対応付けられている。 As a result of the weight being set corresponding to the individual region LR based on the weighting function W as described above, the value of the weight becomes larger for a point located closer to the center of the individual region LR, and for a point located closer to the outer edge of the individual region LR. The smaller the weight value becomes. For example, a point PA located at the center of the individual region LR in both the horizontal direction X and the vertical direction Y is associated with a weight of 1, as indicated by the value VA. Further, a point PB located at the outer edge of the individual region LR in both the horizontal direction X and the vertical direction Y is associated with a weight close to 0, for example, 0.1, as shown as a value VB. Further, at a point PC located between points PA and PB, a value between them, such as 0.6, is associated.

個別領域LR1~LR16の各々においては、個別に上記のような重み関数Wが設定されている。本実施形態においては、個別領域LR1~LR16の各々に対し、同一の重み関数Wが設定されている。このため、全体領域GR上に位置する同一の地点であっても、それが重複部ORに含まれた重複地点である場合には、当該重複地点に対応する重みが、当該重複地点が属する個別領域LR1~LR16によって異なる。
例えば、図4に示される地点P1は、個別領域LR1のみに属する。したがって、地点P1は重複地点ではない。また、地点P1は、個別領域LR1の、横方向X及び縦方向Yの双方において外縁に位置しているため、個別領域LR1における地点P1の重みは、例えば0.1と、小さい値となる。
A weighting function W as described above is individually set in each of the individual regions LR1 to LR16. In this embodiment, the same weighting function W is set for each of the individual regions LR1 to LR16. Therefore, even if the same point is located on the entire area GR, if it is a duplicate point included in the overlap area OR, the weight corresponding to the duplicate point is It differs depending on the regions LR1 to LR16.
For example, point P1 shown in FIG. 4 belongs only to individual region LR1. Therefore, point P1 is not an overlapping point. Further, since the point P1 is located at the outer edge of the individual region LR1 in both the horizontal direction X and the vertical direction Y, the weight of the point P1 in the individual region LR1 is a small value, for example, 0.1.

また、図4に示される地点P2は、2つの個別領域LR1、LR2に属する、重複地点である。
この地点P2は、個別領域LR1において、縦方向Yにおいては外縁に位置しているものの、横方向Xにおいては中心に位置しているため、0.1よりは大きいが1よりは小さい、例えば0.3等の重みの値を取り得る。
また、地点P2は、横方向X及び縦方向Yの双方において個別領域LR2の外縁に位置しているため、個別領域LR2における地点P2の重みは、例えば0.1と、小さい値となる。
Moreover, point P2 shown in FIG. 4 is an overlapping point belonging to two individual regions LR1 and LR2.
Although this point P2 is located at the outer edge in the vertical direction Y in the individual region LR1, it is located at the center in the horizontal direction X, so it is larger than 0.1 but smaller than 1, for example, 0. It can take a weight value such as .3.
Moreover, since the point P2 is located at the outer edge of the individual region LR2 in both the horizontal direction X and the vertical direction Y, the weight of the point P2 in the individual region LR2 is a small value, for example, 0.1.

更に、図4に示される地点P3は、4つの個別領域LR1、LR2、LR5、LR6に属する、重複地点である。
この地点P3は、個別領域LR1の横方向X及び縦方向Yの双方において外縁に位置しているため、個別領域LR1における地点P3の重みは、例えば0.1と、小さい値となる。
また、地点P3は、個別領域LR2において、縦方向Yにおいては外縁に位置しているものの、横方向Xにおいては中心に位置しているため、0.1よりは大きいが1よりは小さい、例えば0.3等の重みの値を取り得る。個別領域LR5においても、同様な理由で、地点P3の重みは、例えば0.3等の値となる。
更に、地点P3は、個別領域LR6においては横方向X及び縦方向Yの双方においてその中心に位置しているため、個別領域LR6における地点P3の重みは、例えば1と、大きな値となる。
このように、各重複地点においては、これが属する個別領域LRによって、それぞれ異なる値が重みとして設定されている。
Furthermore, point P3 shown in FIG. 4 is an overlapping point belonging to four individual regions LR1, LR2, LR5, and LR6.
Since this point P3 is located at the outer edge of the individual region LR1 in both the horizontal direction X and the vertical direction Y, the weight of the point P3 in the individual region LR1 is a small value, for example, 0.1.
In addition, point P3 is located at the outer edge in the vertical direction Y in the individual region LR2, but is located at the center in the horizontal direction X, so it is larger than 0.1 but smaller than 1, e.g. It can take a weight value such as 0.3. Also in the individual region LR5, the weight of the point P3 is, for example, 0.3 for the same reason.
Furthermore, since the point P3 is located at the center of the individual region LR6 in both the horizontal direction X and the vertical direction Y, the weight of the point P3 in the individual region LR6 is a large value, for example 1.
In this way, different values are set as weights at each overlapping point depending on the individual region LR to which it belongs.

上記のように、重み設定部51においては、重複部ORに含まれる地点である重複地点の各々に対し、個別領域LRごとに、個別に重みが設定されている。
また、重み設定部51においては、複数の個別領域LRの各々において、正規分布の確率密度関数の中央値を当該個別領域LRの中心に位置付けたときに、当該個別領域LR内の地点に対応する位置における確率密度関数の値が、当該地点における重みとして設定されている。
As described above, in the weight setting unit 51, a weight is individually set for each individual region LR for each of the overlapping points that are included in the overlapping portion OR.
Furthermore, in each of the plurality of individual regions LR, the weight setting unit 51 determines that when the median value of the probability density function of the normal distribution is located at the center of the individual region LR, The value of the probability density function at a position is set as the weight at that point.

推定結果調整部52は、各個別領域LRの各々において重み設定部51に設定された、各重複地点の重みを基に、重複地点を含む各地点の推定結果を調整する。
より詳細には、推定結果調整部52は、重複地点を含む各地点の各々に対し、まず、個別領域LRの各々において当該地点に設定された重みの総和SLを計算する。次に、推定結果調整部52は、個別領域LRの各々において、当該地点に設定された重みを重みの総和SLで除算した除算値と、当該地点における風速の推定結果、すなわち個別推定結果画像における対応する画素の画素値とを乗算した乗算値である、個別領域調整値LVを計算する。最後に、推定結果調整部52は、個別領域LRの各々における個別領域調整値LVの総和を計算し、これを当該地点の、風速が調整された推定結果として算出する。
The estimation result adjusting unit 52 adjusts the estimation result of each point including the overlapping point based on the weight of each overlapping point set in the weight setting unit 51 in each individual region LR.
More specifically, for each point including overlapping points, the estimation result adjustment unit 52 first calculates the sum SL of the weights set for the point in each individual region LR. Next, in each of the individual regions LR, the estimation result adjustment unit 52 calculates the division value obtained by dividing the weight set at the point by the total weight SL and the estimation result of the wind speed at the point, that is, the individual estimation result image. An individual region adjustment value LV, which is a multiplication value obtained by multiplying the pixel value of the corresponding pixel, is calculated. Finally, the estimation result adjustment unit 52 calculates the sum of the individual region adjustment values LV in each of the individual regions LR, and calculates this as the estimation result at the point where the wind speed has been adjusted.

例えば、図4に示される地点P1は、重複地点ではなく、個別領域LR1のみに属する。この個別領域LR1における地点P1の重みを例えば0.1とすると、推定結果調整部52は、まず、重みの総和SLとして0.1を計算する。次に、推定結果調整部52は、個別領域LR1における地点P1の重み0.1を重みの総和SLで除算した除算値と、地点P1における風速の推定結果V1、すなわち個別領域LR1に対応する個別推定結果画像における地点P1の風速推定結果V1とを乗算して、個別領域調整値LVを計算する。この場合においては、除算値は0.1/0.1=1となるため、個別領域調整値LVはV1となる。最後に、推定結果調整部52は、個別領域LRの各々における個別領域調整値LVの総和としてV1の値を計算し、これを地点P1の、風速が調整された推定結果として算出する。
すなわち、重複地点ではない地点Pにおいては、当該地点Pを含む個別領域LRに対応する個別推定結果画像において、当該地点Pに対して算出された風速が、そのまま、風速が調整された推定結果として算出される。
For example, point P1 shown in FIG. 4 is not an overlapping point and belongs only to individual region LR1. If the weight of the point P1 in this individual region LR1 is, for example, 0.1, the estimation result adjustment unit 52 first calculates 0.1 as the total weight SL. Next, the estimation result adjustment unit 52 calculates the division value obtained by dividing the weight 0.1 of the point P1 in the individual region LR1 by the total weight SL, and the estimated result V1 of the wind speed at the point P1, that is, the individual region corresponding to the individual region LR1. The individual region adjustment value LV is calculated by multiplying by the wind speed estimation result V1 at the point P1 in the estimation result image. In this case, the division value is 0.1/0.1=1, so the individual area adjustment value LV is V1. Finally, the estimation result adjustment unit 52 calculates the value of V1 as the sum of the individual region adjustment values LV in each of the individual regions LR, and calculates this as the estimation result for the point P1 with the wind speed adjusted.
In other words, at a point P that is not an overlapping point, the wind speed calculated for the point P in the individual estimation result image corresponding to the individual area LR including the point P is unchanged as the estimated result with the wind speed adjusted. Calculated.

また、図4に示される地点P2は、重複地点であり、2つの個別領域LR1、LR2に属する。個別領域LR1における地点P2の重みを例えば0.3とし、個別領域LR2における地点P2の重みを例えば0.1とすると、推定結果調整部52は、まず、重みの総和SLとして0.3+0.1=0.4を計算する。次に、推定結果調整部52は、個別領域LR1に対応する個別推定結果画像における、地点P2の風速の推定結果V21を用いて、個別領域LR1における個別領域調整値LV21を、LV21=V21×(0.1/0.4)と計算する。また、推定結果調整部52は、個別領域LR2に対応する個別推定結果画像における、地点P2の風速の推定結果V22を用いて、個別領域LR2における個別領域調整値LV22を、LV22=V22×(0.3/0.4)と計算する。最後に、推定結果調整部52は、個別領域LR1、LR2の各々における個別領域調整値LV21、LV22の総和として値V2=LV21+LV22を計算し、これを地点P2の、風速が調整された推定結果として算出する。 Further, point P2 shown in FIG. 4 is an overlapping point and belongs to two individual regions LR1 and LR2. If the weight of the point P2 in the individual region LR1 is, for example, 0.3, and the weight of the point P2 in the individual region LR2 is, for example, 0.1, the estimation result adjustment unit 52 first sets the total weight SL to 0.3+0.1. Calculate =0.4. Next, the estimation result adjustment unit 52 uses the estimation result V21 of the wind speed at the point P2 in the individual estimation result image corresponding to the individual region LR1 to set the individual region adjustment value LV21 in the individual region LR1 to LV21=V21×( 0.1/0.4). Further, the estimation result adjustment unit 52 uses the estimation result V22 of the wind speed at the point P2 in the individual estimation result image corresponding to the individual region LR2 to calculate the individual region adjustment value LV22 in the individual region LR2, LV22=V22×(0 .3/0.4). Finally, the estimation result adjustment unit 52 calculates the value V2=LV21+LV22 as the sum of the individual region adjustment values LV21 and LV22 in each of the individual regions LR1 and LR2, and uses this as the estimated result of the adjusted wind speed at the point P2. calculate.

更に、図4に示される地点P3は、重複地点であり、4つの個別領域LR1、LR2、LR5、LR6に属する。個別領域LR1、LR2、LR5、LR6の各々における地点P3の重みを例えば0.1、0.3、0.3、1とすると、推定結果調整部52は、まず、重みの総和SLとして0.1+0.3+0.3+1=1.7を計算する。次に、推定結果調整部52は、個別領域LR1、LR2、LR5、LR6の各々に対応する個別推定結果画像における、地点P3の風速の推定結果V31、V32、V35、V36を用いて、個別領域LR1、LR2、LR5、LR6の各々における個別領域調整値LV31、LV32、LV35、LV36を、それぞれ、LV31=V31×(0.1/1.7)、LV32=V32×(0.3/1.7)、LV35=V35×(0.3/1.7)、LV36=V36×(1/1.7)と計算する。最後に、推定結果調整部52は、個別領域LR1、LR2、LR5、LR6の各々における個別領域調整値LV31、LV32、LV35、LV36の総和として値V3=LV31+LV32+LV35+LV36を計算し、これを地点P3の、風速が調整された推定結果として算出する。 Furthermore, point P3 shown in FIG. 4 is an overlapping point and belongs to four individual regions LR1, LR2, LR5, and LR6. If the weights of the point P3 in each of the individual regions LR1, LR2, LR5, and LR6 are, for example, 0.1, 0.3, 0.3, and 1, the estimation result adjustment unit 52 first sets the total weight SL to 0.1, 0.3, 0.3, and 1. Calculate 1+0.3+0.3+1=1.7. Next, the estimation result adjustment unit 52 uses the estimation results V31, V32, V35, and V36 of the wind speed at the point P3 in the individual estimation result images corresponding to each of the individual regions LR1, LR2, LR5, and LR6 to The individual region adjustment values LV31, LV32, LV35, and LV36 in each of LR1, LR2, LR5, and LR6 are determined as follows: LV31=V31×(0.1/1.7), LV32=V32×(0.3/1. 7), LV35=V35×(0.3/1.7), LV36=V36×(1/1.7). Finally, the estimation result adjustment unit 52 calculates the value V3=LV31+LV32+LV35+LV36 as the sum of the individual region adjustment values LV31, LV32, LV35, and LV36 in each of the individual regions LR1, LR2, LR5, and LR6, and calculates the value V3=LV31+LV32+LV35+LV36 at the point P3. Calculated as an estimated result with wind speed adjusted.

地点P2、P3により例示したように、複数の個別領域LRに含まれる重複地点については、各個別領域LRに対応する個別推定結果画像における当該地点Pの風速の推定結果が、重みを付けられて平均化される。この際に用いられる重みは、図6を用いて説明したように、各個別領域LRの中央付近が大きく、外縁付近が小さくなるような関数Wにより実装されている。これにより、風速分布の推定精度が低減する要因となる、個別領域LRの外縁付近の影響が小さくなる。
また、地点Pごとに重複回数、すなわち地点Pが属する個別領域LRの数が異なっている。このため、平均化する際に用いる重みを、重みの総和SLにより各個別領域LRの重みを除算することにより基準化された値としている。
このようにして、推定結果調整部52は、重複地点P2、P3を含む地点P1、P2、P3の各々に対し、個別領域LRの各々における当該地点P1、P2、P3の重みと風速の推定結果LV1、LV21、LV22、LV31、LV32、LV35、LV36を基に、当該地点P1、P2、P3の風速の調整された推定結果V1、V2、V3を算出する。
As exemplified by points P2 and P3, for overlapping points included in a plurality of individual regions LR, the wind speed estimation result at the point P in the individual estimation result image corresponding to each individual region LR is weighted. averaged. As explained using FIG. 6, the weight used at this time is implemented by a function W such that the weight is large near the center of each individual region LR and small near the outer edge. This reduces the influence near the outer edge of the individual region LR, which causes a reduction in the estimation accuracy of the wind speed distribution.
Further, the number of times of overlap, that is, the number of individual regions LR to which the point P belongs differs for each point P. Therefore, the weight used for averaging is a value standardized by dividing the weight of each individual region LR by the total weight SL.
In this way, the estimation result adjustment unit 52 provides the estimation results of the weight and wind speed of the points P1, P2, P3 in each of the individual regions LR for each of the points P1, P2, P3 including the overlapping points P2, P3. Based on LV1, LV21, LV22, LV31, LV32, LV35, and LV36, adjusted estimation results V1, V2, and V3 of the wind speeds at the points P1, P2, and P3 are calculated.

推定結果結合部53は、推定結果調整部52において調整された推定結果を基に、複数の個別領域LR内の風速分布の推定結果を結合して、全体領域GRの風速分布の推定結果を生成する。
より詳細には、推定結果結合部53は、全体領域GRに対応する、推定時入力データ30と同一の解像度(例えば図4の例示によると横方向Xと縦方向Yにともに20画素)の、推定結果結合画像(全体領域GRの風速分布の推定結果)54を生成する。推定結果結合画像54においては、各画素に、当該画素に対応する地点Pに関して推定結果調整部52によって計算された、風速の調整された推定結果V1、V2、V3が格納されている。
推定結果結合部53は、推定結果結合画像54を外部へ出力する。
The estimation result combination unit 53 combines the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions LR based on the estimation results adjusted by the estimation result adjustment unit 52, and generates the estimation result of the wind speed distribution in the entire region GR. do.
More specifically, the estimation result combining unit 53 has the same resolution as the estimation input data 30 (for example, 20 pixels in both the horizontal direction X and the vertical direction Y according to the example shown in FIG. 4), which corresponds to the entire region GR. An estimation result combined image (estimated result of wind speed distribution in the entire region GR) 54 is generated. In the combined estimation result image 54, each pixel stores the adjusted estimation results V1, V2, and V3 of the wind speed calculated by the estimation result adjustment unit 52 regarding the point P corresponding to the pixel.
The estimation result combination unit 53 outputs the estimation result combination image 54 to the outside.

次に、図1~図6、及び図7を用いて、上記の風速分布推定装置1を用いた風速分布推定方法を説明する。図7(a)は風速分布の学習時のフローチャートであり、図7(b)は風速分布の推定時のフローチャートである。
まず、風速分布の学習時における、風速分布推定装置1の各構成要素の動作を説明する。
学習部20は、建物情報データ3と風向データ4を学習時入力データ14として機械学習器24の畳み込み処理部27へ入力して、学習時推定結果15を出力する。
学習部20は、入力された学習時入力データ14に対応する風速分布データ5を取得し、風速分布データ5すなわち教師データと学習時推定結果15を画素単位で比較して、例えば各画素間の画素値の差分の2乗誤差をコスト関数として計算する。
その上で、このコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法等により、各フィルタの重みの値等を調整することで、機械学習器24が機械学習される(ステップS1)。
学習部20は、学習が終了すると、調整が終了した各フィルタの重みの値等のパラメータを、学習モデルパラメータとして、学習モデルパラメータ記憶部22に記憶する(ステップS3)。
Next, a wind speed distribution estimation method using the above-mentioned wind speed distribution estimation device 1 will be explained using FIGS. 1 to 6 and FIG. 7. FIG. 7(a) is a flowchart when learning the wind speed distribution, and FIG. 7(b) is a flowchart when estimating the wind speed distribution.
First, the operation of each component of the wind speed distribution estimation device 1 during wind speed distribution learning will be described.
The learning unit 20 inputs the building information data 3 and the wind direction data 4 as learning input data 14 to the convolution processing unit 27 of the machine learning device 24, and outputs a learning estimation result 15.
The learning unit 20 acquires the wind speed distribution data 5 corresponding to the input learning input data 14, compares the wind speed distribution data 5, that is, the teacher data, and the learning estimation result 15 pixel by pixel, and calculates, for example, the difference between each pixel. Calculate the squared error of the pixel value difference as a cost function.
Then, the machine learning device 24 performs machine learning by adjusting the weight values of each filter by using an error back propagation method or the like so as to reduce this cost function (step S1).
When the learning is completed, the learning unit 20 stores parameters such as weight values of each filter whose adjustment has been completed in the learning model parameter storage unit 22 as learning model parameters (step S3).

次に、風速分布の推定時での各構成要素の挙動について説明する。
前提として、風速分布推定装置1では、推定対象とする全体領域GRが風速分布推定部21で推定可能な領域より大きい場合は、複数の個別領域LRに分割し、各個別領域において風速分布を推定する。よって、推定したい領域(全体領域GR)が個別領域LRと同等または個別領域より小さい場合は、複数に分割する必要はない。
全体領域分割部50は、風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域LRへと分割し、個別入力データを生成する(ステップS11)。
風速分布推定部21は、学習モデルパラメータ記憶部22から学習モデルパラメータを取得し、学習モデル25を構築する(ステップS13)。
風速分布推定部21は、学習モデル25に、個別領域LRの各々に対応する個別入力データを順次入力し、各個別領域LRに相当する風速分布を推定して、個別推定結果画像を生成する(ステップS15)。
推定結果調整部52は、重複地点を含む各地点の各々に対し、まず、個別領域LRの各々において当該地点に設定された重みの総和SLを計算する。次に、推定結果調整部52は、個別領域LRの各々において、当該地点に設定された重みを重みの総和SLで除算した除算値と、当該地点における風速の推定結果、すなわち個別推定結果画像における対応する画素の画素値とを乗算した乗算値である、個別領域調整値LVを計算する。最後に、推定結果調整部52は、個別領域LRの各々における個別領域調整値LVの総和を計算し、これを当該地点の、風速が調整された推定結果として算出する。
推定結果結合部53は、推定結果調整部52において調整された推定結果を基に、複数の個別領域LR内の風速分布の推定結果を結合して、全体領域GRの風速分布の推定結果である、推定結果結合画像54を生成する(ステップS17)。
Next, the behavior of each component when estimating the wind speed distribution will be explained.
As a premise, in the wind speed distribution estimation device 1, if the entire region GR to be estimated is larger than the region that can be estimated by the wind speed distribution estimation unit 21, it is divided into a plurality of individual regions LR, and the wind speed distribution is estimated in each individual region. do. Therefore, if the region to be estimated (the entire region GR) is equal to or smaller than the individual region LR, there is no need to divide it into multiple regions.
The entire region dividing unit 50 divides the entire region for which wind speed distribution is estimated into a plurality of individual regions LR so as to have overlapping portions, and generates individual input data (step S11).
The wind speed distribution estimation unit 21 acquires the learning model parameters from the learning model parameter storage unit 22 and constructs the learning model 25 (step S13).
The wind speed distribution estimation unit 21 sequentially inputs individual input data corresponding to each of the individual regions LR to the learning model 25, estimates the wind speed distribution corresponding to each individual region LR, and generates an individual estimation result image ( Step S15).
For each point including overlapping points, the estimation result adjustment unit 52 first calculates the sum SL of the weights set for the point in each individual region LR. Next, in each of the individual regions LR, the estimation result adjustment unit 52 calculates the division value obtained by dividing the weight set at the point by the total weight SL and the estimation result of the wind speed at the point, that is, the individual estimation result image. An individual region adjustment value LV, which is a multiplication value obtained by multiplying the pixel value of the corresponding pixel, is calculated. Finally, the estimation result adjustment unit 52 calculates the sum of the individual region adjustment values LV in each of the individual regions LR, and calculates this as the estimation result at the point where the wind speed has been adjusted.
The estimation result combination unit 53 combines the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions LR based on the estimation results adjusted by the estimation result adjustment unit 52 to obtain the estimation result of the wind speed distribution in the entire region GR. , generates the estimation result combined image 54 (step S17).

次に、上記の風速分布推定装置1及び風速分布推定方法の効果について説明する。 Next, the effects of the above-described wind speed distribution estimation device 1 and wind speed distribution estimation method will be explained.

本実施形態の風速分布推定装置1は、建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定装置1であって、風速分布の推定対象となる全体領域GRを、互いに重複する重複部ORを有するように、複数の個別領域LRへと分割する、全体領域分割部50と、複数の個別領域LR内の風速分布を推定する、風速分布推定部21と、個別領域LRの各々に対し、重複部ORに含まれる地点Pである重複地点ごとに、個別に重みが設定されている、重み設定部51と、重複地点の、重みと風速分布の推定結果を基に、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出する、推定結果調整部52と、調整された推定結果を基に、複数の個別領域LR内の風速分布の推定結果を結合して、全体領域の風速分布の推定結果54を生成する、推定結果結合部53と、を備えている。
また、本実施形態の風速分布推定方法は、建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定方法であって、風速分布の推定対象となる全体領域GRを、互いに重複する重複部ORを有するように、複数の個別領域LRへと分割し、複数の個別領域LR内の風速分布を推定し、個別領域LRの各々に対し、重複部ORに含まれる地点Pである重複地点ごとに、個別に設定された重みと、風速分布の推定結果を基に、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出し、調整された推定結果を基に、複数の個別領域LR内の風速分布の推定結果を結合して、全体領域GRの風速分布の推定結果54を生成する。
上記のような構成によれば、風速分布の推定対象となる全体領域GRが複数の個別領域LRへと分割され、これら複数の個別領域LRの各々に対して風速分布が推定され、複数の推定結果が結合されて、全体領域GRの風速分布の推定結果54が生成される。
すなわち、広い領域GRを小さい個別領域LRへと分割し、この各々に対して風速分布を推定するため、比較的容易に、広い領域の風速分布を推定可能である。
ここで、全体領域GRは、互いに重複する重複部ORを有するように、複数の個別領域LRへと分割される。すなわち、全体領域GRを個別領域LRへと分割するに際し、単純に一つの境界線で区画せず、隣接する個別領域LRが互いに共通の重複部ORを有するように分割する。この状態において、個別領域LRの推定結果を全体領域GRの推定結果として結合する際に、個別領域LRの各々に対して重複地点ごとに適切に設定された重みを基に、各個別領域LRの推定結果が調整される。このため、個別領域LR間の不連続性が緩和される。
更に、重複部ORは、互いに隣接する複数の個別領域LRに、異なる方向から含まれている。このため、各個別領域LRにおいて外縁近傍に位置する重複部ORの推定精度が、外縁より外側に位置する建物の情報の欠落により低減しているとしても、これらの建物は、当該重複部ORを挟んで隣接する他の個別領域LR内に位置しているため、上記の欠落した情報は、この隣接する個別領域LRにおける、風速分布の推定に反映されている。したがって、個別領域LRの推定結果を全体領域GRの推定結果として結合する際に、重複部ORの周囲に位置する全ての建物に関する情報が、重複部ORの推定結果に反映されて調整される。これにより、単純に評価対象領域を、重複部ORを設けずに境界線で分割した場合に比べると、個別領域LRの外縁近傍の推定精度の低下を抑制可能である。
上記のような理由に因り、広い領域のほぼ全域において、風速分布の推定精度を高めることができる。
The wind speed distribution estimating device 1 of the present embodiment is a wind speed distribution estimating device 1 that estimates the wind speed distribution around a building, and is configured so that the entire region GR, which is the estimation target of the wind speed distribution, has an overlapping portion OR that overlaps with each other. , the entire region dividing section 50 divides into a plurality of individual regions LR, the wind speed distribution estimating section 21 estimates the wind speed distribution within the plurality of individual regions LR, and the overlapping region OR is performed for each of the individual regions LR. The wind speed at the overlapping point is adjusted based on the weight setting unit 51, which has an individual weight set for each overlapping point that is the point P included in the overlapping point, and the estimation results of the weight and wind speed distribution of the overlapping point. Based on the adjusted estimation results, the estimation result adjusting unit 52 calculates the estimation results based on the adjusted estimation results, and combines the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions LR to obtain the estimation result 54 of the wind speed distribution of the entire region. and an estimation result combination unit 53 that generates the estimation result.
Further, the wind speed distribution estimation method of the present embodiment is a wind speed distribution estimation method for estimating the wind speed distribution around a building, and the entire region GR, which is the estimation target of the wind speed distribution, is Then, it is divided into a plurality of individual regions LR, the wind speed distribution within the plurality of individual regions LR is estimated, and for each individual region LR, each overlapping point, which is a point P included in the overlapping portion OR, is individually calculated. Based on the set weights and the estimation results of the wind speed distribution, calculate the estimation results in which the wind speeds at the overlapped points are adjusted, and estimate the wind speed distributions in multiple individual regions LR based on the adjusted estimation results. The results are combined to generate an estimation result 54 of the wind speed distribution in the entire region GR.
According to the above configuration, the entire region GR, which is the target for estimating the wind speed distribution, is divided into a plurality of individual regions LR, and the wind speed distribution is estimated for each of the plurality of individual regions LR. The results are combined to generate an estimation result 54 of the wind speed distribution in the entire region GR.
That is, since the wide region GR is divided into small individual regions LR and the wind speed distribution is estimated for each of these, the wind speed distribution of the wide region can be estimated relatively easily.
Here, the entire region GR is divided into a plurality of individual regions LR so as to have overlapping portions OR that overlap with each other. That is, when dividing the entire region GR into individual regions LR, the division is not simply done by one boundary line, but is divided so that adjacent individual regions LR have a common overlapping portion OR. In this state, when combining the estimation results of the individual regions LR as the estimation results of the whole region GR, each individual region LR is The estimation results are adjusted. Therefore, discontinuity between individual regions LR is alleviated.
Furthermore, the overlapping portion OR is included in a plurality of mutually adjacent individual regions LR from different directions. Therefore, even if the estimation accuracy of the overlapping part OR located near the outer edge of each individual region LR is reduced due to the lack of information on buildings located outside the outer edge, these buildings will not be able to estimate the overlapping part OR. Since it is located within another individual region LR that is adjacent to it on both sides, the missing information described above is reflected in the estimation of the wind speed distribution in this adjacent individual region LR. Therefore, when combining the estimation results of the individual regions LR as the estimation results of the entire region GR, information regarding all the buildings located around the overlapping region OR is reflected and adjusted in the estimation results of the overlapping region OR. This makes it possible to suppress a decrease in estimation accuracy near the outer edge of the individual region LR, compared to a case where the evaluation target region is simply divided by a boundary line without providing an overlapping portion OR.
Due to the above reasons, the accuracy of estimating the wind speed distribution can be improved over almost the entire wide area.

また、推定結果調整部は、重複地点の各々に対し、当該重複地点に設定された重みの総和を計算し、当該重複地点に設定された重みの各々に対して当該重みを重みの総和により除算した後に当該重複地点における推定結果を乗算した乗算値を計算し、乗算値の総和を計算することで、重複地点の調整された推定結果を算出する。
上記のような構成によれば、上記のような風速分布推定装置1を適切に実現可能である。
Furthermore, the estimation result adjustment unit calculates the sum of weights set for each of the overlapping points, and divides the weight by the sum of the weights for each of the weights set for the overlapping points. After that, a multiplication value is calculated by multiplying the estimation result at the overlapped point, and the sum of the multiplication values is calculated, thereby calculating an adjusted estimation result for the overlapped point.
According to the above configuration, the above wind speed distribution estimation device 1 can be appropriately realized.

また、重み設定部51では、正規分布の確率密度関数の中央値を個別領域LRの各々の中心に位置付けたときに、当該個別領域内の地点Pに対応する位置における確率密度関数の値が、当該地点Pにおける重みとして設定されている。
既に説明したように、複数の個別領域LRに含まれる重複地点については、各個別領域LRに対応する個別推定結果画像における当該地点Pの風速の推定結果が、重みを付けられて平均化される。この際に用いられる重みは、各個別領域LRの中央付近が大きく、外縁付近が小さくなるような関数により実装されると、風速分布の推定精度が低減する個別領域LRの外縁付近の影響が小さくなる。
したがって、上記のような構成によれば、上記のような風速分布推定装置1を適切に実現可能である。
In addition, in the weight setting unit 51, when the median value of the probability density function of the normal distribution is located at the center of each individual region LR, the value of the probability density function at the position corresponding to the point P in the individual region is It is set as the weight at the point P.
As already explained, for overlapping points included in a plurality of individual regions LR, the wind speed estimation results at the point P in the individual estimation result images corresponding to each individual region LR are weighted and averaged. . If the weights used at this time are implemented using a function that is large near the center of each individual region LR and small near the outer edge, the influence near the outer edge of the individual region LR, which reduces the estimation accuracy of the wind speed distribution, will be small. Become.
Therefore, according to the above configuration, the above wind speed distribution estimation device 1 can be appropriately realized.

図8は、3次元の建物情報と、上記実施形態における風速分布推定装置1によって出力された、推定結果結合画像54を重ねた一例である。この図8に示されるように、上記実施形態の構成によれば、広い領域のほぼ全域において値に連続性のある風速分布を出力することができる。 FIG. 8 is an example in which three-dimensional building information and the combined estimation result image 54 output by the wind speed distribution estimation device 1 in the above embodiment are superimposed. As shown in FIG. 8, according to the configuration of the embodiment described above, it is possible to output a wind speed distribution with continuous values over almost the entire wide area.

なお、本発明の風速分布推定装置及び風速分布推定方法は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。 Note that the wind speed distribution estimation device and wind speed distribution estimation method of the present invention are not limited to the above-described embodiments described with reference to the drawings, and various other modifications can be considered within the technical scope thereof.

例えば、上記実施形態においては、機械学習器24及び学習モデル25としてFCNを用いたが、推定精度が損なわれないのであれば、他の構造のニューラルネットワークを使用してもかまわない。
また、FCNの構造は、図2及び図5を用いて説明した上記の構造に限られず、他の構造を備えていてもよい。例えば、上記実施形態においては、畳み込み処理部27及び転置畳み込み処理部28はともに3層構造とした模式的な例を用いて説明したが、各々の層数は3以外であってもよいし、畳み込み処理部27の層数と転置畳み込み処理部28の層数が異なっていてもよい。
更には、上記実施形態においては、風速分布推定部21は、全層畳み込みネットワークに基づいた学習モデル25により個別領域LRの風速分布を推定した。しかし、風速分布推定部21は、風洞実験や数値流体解析によって、個別領域LRの風速分布を推定しても構わない。
For example, in the above embodiment, an FCN is used as the machine learning device 24 and the learning model 25, but a neural network with another structure may be used as long as the estimation accuracy is not impaired.
Furthermore, the structure of the FCN is not limited to the above structure described using FIGS. 2 and 5, and may have other structures. For example, in the above embodiment, the convolution processing section 27 and the transposed convolution processing section 28 are both explained using a typical example of a three-layer structure, but the number of layers of each may be other than three, The number of layers in the convolution processing section 27 and the number of layers in the transposed and convolution processing section 28 may be different.
Furthermore, in the embodiment described above, the wind speed distribution estimation unit 21 estimated the wind speed distribution in the individual region LR using the learning model 25 based on a full-layer convolutional network. However, the wind speed distribution estimation unit 21 may estimate the wind speed distribution in the individual region LR by wind tunnel experiment or computational fluid analysis.

また、上記実施形態においては、学習データ2としては、個別入力データと同等の、小さい領域に相当する解像度の画像が用いられた。この学習データ2自体も、何らかのより広い領域のデータを、全体領域分割部50と同様の要領で切り出して分割することで、生成されていてもよい。
また、上記実施形態においては、横方向X及び縦方向Yのストライドは、個別領域LRの横方向X及び縦方向Yの解像度の半分以下とするのが望ましいと説明した。実際には、ストライドを小さくすればするほど、各地点の重複回数、すなわち地点Pが属する個別領域LRの数が増加し、重みを付けられて平均化される対象が増加するため、個別領域LR間の不連続性が、より緩和される。ただし、ストライドを小さくすることにより風速分布推定装置1における処理内容も増加するため、実際にはストライドの大きさは、処理速度と精度の双方を考慮して決定するのが望ましい。
Further, in the embodiment described above, as the learning data 2, an image having a resolution corresponding to a small area, which is equivalent to the individual input data, is used. The learning data 2 itself may also be generated by cutting out and dividing data of some wider area in the same manner as the entire area dividing section 50.
Further, in the above embodiment, it has been explained that the stride in the horizontal direction X and the vertical direction Y is desirably half or less of the resolution in the horizontal direction X and vertical direction Y of the individual region LR. In reality, the smaller the stride, the more the number of overlaps at each point, that is, the number of individual regions LR to which point P belongs, increases, and the number of objects to be weighted and averaged increases. The discontinuities between the two are more relaxed. However, since reducing the stride also increases the amount of processing performed by the wind speed distribution estimating device 1, it is actually desirable to determine the size of the stride in consideration of both processing speed and accuracy.

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。 In addition to this, it is possible to select the configurations mentioned in the above embodiments or to change them to other configurations as appropriate, without departing from the gist of the present invention.

1 風速分布推定装置 51 重み設定部
2 学習データ 52 推定結果調整部
5 風速分布データ 53 推定結果結合部
21 風速分布推定部 54 推定結果結合画像(全体領域の風速分布の推定結果)
24 機械学習器 GR 全体領域
25 学習モデル OR 重複部
30 推定時入力データ LR 個別領域
50 全体領域分割部 W 重み関数(重み)
1 Wind speed distribution estimation device 51 Weight setting unit 2 Learning data 52 Estimation result adjustment unit 5 Wind speed distribution data 53 Estimation result combination unit 21 Wind speed distribution estimation unit 54 Estimation result combined image (estimation result of wind speed distribution in the entire area)
24 Machine learning device GR Whole region 25 Learning model OR Overlapping part 30 Input data during estimation LR Individual region 50 Whole region dividing part W Weight function (weight)

Claims (2)

建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定装置であって、
前記風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割する、全体領域分割部と、
複数の前記個別領域内の前記風速分布を推定する、風速分布推定部と、
前記個別領域の各々に対し、前記重複部に含まれる地点である重複地点ごとに、個別に重みが設定されている、重み設定部と、
前記重複地点の、前記重みと前記風速分布の推定結果を基に、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出する、推定結果調整部と、
前記調整された推定結果を基に、複数の前記個別領域内の前記風速分布の前記推定結果を結合して、前記全体領域の前記風速分布の推定結果を生成する、推定結果結合部と、
を備え
前記推定結果調整部は、前記重複地点の各々に対し、当該重複地点に設定された前記重みの総和を計算し、当該重複地点に設定された前記重みの各々に対して当該重みを前記重みの総和により除算した後に当該重複地点における前記推定結果を乗算した乗算値を計算し、当該乗算値の総和を計算することで、前記重複地点の前記調整された推定結果を算出する、風速分布推定装置。
A wind speed distribution estimation device that estimates wind speed distribution around a building,
an entire area dividing unit that divides the entire area to be estimated for the wind speed distribution into a plurality of individual areas so as to have overlapping parts that overlap with each other;
a wind speed distribution estimation unit that estimates the wind speed distribution within the plurality of individual regions;
a weight setting unit in which a weight is individually set for each overlapping point that is a point included in the overlapping portion for each of the individual regions;
an estimation result adjustment unit that calculates an estimation result in which the wind speed of the overlapped point is adjusted based on the estimation result of the weight and the wind speed distribution of the overlapped point;
an estimation result combining unit that combines the estimation results of the wind speed distribution in the plurality of individual regions based on the adjusted estimation results to generate an estimation result of the wind speed distribution of the entire region;
Equipped with
The estimation result adjustment unit calculates, for each of the overlapping points, the sum of the weights set to the overlapping points, and adjusts the weight to the weight for each of the weights set to the overlapping points. A wind speed distribution estimating device that calculates the adjusted estimation result of the overlap point by calculating a multiplication value obtained by dividing by the sum and then multiplying the estimation result at the overlap point, and calculating the sum of the multiplication values. .
建物周辺の風速分布を推定する、風速分布推定方法であって、
前記風速分布の推定対象となる全体領域を、互いに重複する重複部を有するように、複数の個別領域へと分割し、
複数の前記個別領域内の前記風速分布を推定し、
前記個別領域の各々に対し、前記重複部に含まれる地点である重複地点ごとに、個別に設定された重みと、前記風速分布の推定結果を基に、前記重複地点の各々に対し、当該重複地点に設定された前記重みの総和を計算し、当該重複地点に設定された前記重みの各々に対して当該重みを前記重みの総和により除算した後に当該重複地点における前記推定結果を乗算した乗算値を計算し、当該乗算値の総和を計算することで、当該重複地点の風速が調整された推定結果を算出し、
前記調整された推定結果を基に、複数の前記個別領域内の前記風速分布の前記推定結果を結合して、前記全体領域の前記風速分布の推定結果を生成する、風速分布推定方法。
A wind speed distribution estimation method for estimating wind speed distribution around a building, the method comprising:
dividing the entire area to be estimated for the wind speed distribution into a plurality of individual areas so as to have overlapping parts that overlap with each other;
estimating the wind speed distribution within the plurality of individual regions;
For each of the individual regions, based on the individually set weight for each overlapping point that is a point included in the overlapping part and the estimation result of the wind speed distribution, for each of the overlapping points, A multiplication value obtained by calculating the sum of the weights set at the point, dividing each of the weights set at the overlap point by the sum of the weights, and then multiplying the result by the estimation result at the overlap point. By calculating the sum of the multiplied values, an estimated result with the wind speed at the overlapped point adjusted is calculated.
A wind speed distribution estimation method, wherein the estimation results of the wind speed distribution in a plurality of individual regions are combined based on the adjusted estimation results to generate an estimation result of the wind speed distribution in the entire region.
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