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JP7657416B2 - Water level estimation program, water level estimation system, and water level estimation method - Google Patents
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Water level estimation program, water level estimation system, and water level estimation method Download PDF

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Description

本発明は水位状況推定プログラム、水位状況推定システムおよび水位状況推定方法に関する。 The present invention relates to a water level estimation program, a water level estimation system, and a water level estimation method.

公知の津波等の水位状態を精度よくリアルタイムに予測できる状態予測装置として、例えば特許文献1には、レーダの覆域を含む領域に2次元に設定された複数の点における津波の流量および水位から構成された状態ベクトルについて、津波の伝播を表す2次元の浅水方程式を用いて次時刻における状態ベクトルを予測する予測部と、カルマンフィルタを用い、カルマンゲインと、予測部によって予測された状態ベクトルと、覆域内の複数のレンジ方向と複数のビーム方向に跨がる複数のセルにおける海面の流速観測値から構成される観測ベクトルを用いて、予測部によって予測された状態ベクトルを覆域内で一括して平滑化する平滑部と、状態ベクトルの予測に用いられる初期値を、予測部に設定する設定部とを備える装置が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a state prediction device capable of accurately predicting the water level state of a known tsunami or the like in real time. The device includes a prediction unit that predicts a state vector at the next time using two-dimensional shallow water equations that represent the propagation of a tsunami for a state vector composed of the flow rate and water level of the tsunami at multiple points set two-dimensionally in an area including the radar coverage area, a smoothing unit that uses a Kalman filter to collectively smooth the state vector predicted by the prediction unit within the coverage area using a Kalman gain, the state vector predicted by the prediction unit, and an observation vector composed of sea surface flow velocity observation values in multiple cells spanning multiple range directions and multiple beam directions within the coverage area, and a setting unit that sets an initial value used to predict the state vector in the prediction unit.

しかしながら、津波発生時の水位状態の予測に限らず、特定の範囲における各地点の水位状態、すなわち水位状況を常に知っておくことは、防災、減災の観点からも重要であり、各地点の水位状態を実際に観測しなくても、広域の水位状況を推定する技術として、本発明の発明者らは、例えば非特許文献1に記載の水際線の移動を考慮したカルマンフィルタ有限要素法(FEM)に基づく浅水域の流況推定解析技術を使う河川や湾内の潮流予測技術を開発している。 However, not only is it important to predict the water level at the time of a tsunami, but it is also important from the perspective of disaster prevention and mitigation to always be aware of the water level conditions at each point in a specific area, i.e., the water level situation. As a technology for estimating the water level situation over a wide area without actually observing the water level situation at each point, the inventors of the present invention have developed a tidal current prediction technology for rivers and bays that uses a shallow water area flow condition estimation analysis technology based on a Kalman filter finite element method (FEM) that takes into account the movement of the waterfront, as described in Non-Patent Document 1.

特許第6641532号公報Patent No. 6641532

第32回計算力学講演会講演論文集(2019)32巻013Proceedings of the 32nd Computational Mechanics Conference (2019) Vol. 32, No. 013

広域の水位状況を把握する上では、各地点の実際の観測値を利用することが望ましいが、システム規模の観点から、できる限り少ない観測値を利用するだけでリアルタイムに実際の全観測値と限りなく一致する流況推定解析技術が望まれている。 When grasping the water level situation over a wide area, it is desirable to use actual observation values from each point, but from the perspective of system scale, there is a need for flow regime estimation analysis technology that can match all actual observation values in real time as closely as possible using as few observation values as possible.

上記解析技術開発に関し、本発明者らが検討していたところ、実際の湾に設置された水位計により取得されたデータに対して、従来の観測技術を使って得られる水位データ利用し流況推定解析を行ったところ、たとえ高い数値粘性の効果を含む数値解析法を用いたとしても、実測の水位とは異なるという課題を発見した。 While the inventors were investigating the development of the above analysis technology, they performed a flow regime estimation analysis using water level data obtained using conventional observation technology in addition to data acquired by a water level gauge installed in an actual bay. They discovered a problem in that the resulting water levels differed from the actually measured water levels, even when a numerical analysis method that included the effects of high numerical viscosity was used.

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、リアルタイムで広範囲の水位状況をより精度高く把握可能な水位状況推定プログラム、水位状況推定システムおよび水位状況推定方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a water level estimation program, a water level estimation system, and a water level estimation method that can grasp the water level conditions over a wide area in real time with greater accuracy.

本発明の本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行っていたところ、観測水位を用いた水際線移動を考慮した拡張カルマンフィルタFEMを用いた推定解析を行うことで、リアルタイムで広範囲の水位状況が把握できることを見いだし、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention conducted intensive research into the above-mentioned problem and discovered that it is possible to grasp the water level situation over a wide area in real time by performing estimation analysis using an extended Kalman filter (FEM) that takes into account the movement of the waterfront using observed water levels, which led to the completion of the present invention.

すなわち、上記課題を解決する本発明の一観点に係る水位状況推定プログラムは、コンピュータに、水域の流れの上流側に配置した観測地点の画像データを記録するステップと、該画像データに基づき水位データを記録するステップと、推定条件及び水位データに基づき拡張カルマンフィルタ有限要素法により水位状況推定データを作成するステップを実行するものである。
また、拡張カルマンフィルタ有限要素法は、システム方程式に式(1)を使い、時間ステップnにおける線形近似後の状態遷移行列[F ]と予測誤差共分散行列[P (+) ]に基づき、時間ステップnの次の時間ステップn+1における推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]を計算するステップと、推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1におけるカルマンゲイン行列[K n+1 ]を計算するステップと、推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]とカルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1における予測誤差共分散行列[P (+) n+1 ]を計算するステップを有し、
さらに、湿潤領域と乾いた領域とからなる水際境界の節点を含む要素において、隣接接点に微小水深を与えるステップを有し、
さらに、状態遷移行列[A]と時間ステップnにおける推定値ベクトル{φ^ (-) }に基づき、次の時間ステップn+1における推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }を計算し、推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }と水位データとカルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1における最適推定値ベクトル{φ^ (+) n+1 }を計算するステップを有することが好ましい。
In other words, a water level estimation program according to one aspect of the present invention that solves the above-mentioned problems executes on a computer the steps of recording image data of an observation point located upstream of the flow of a water body , recording water level data based on the image data, and creating water level estimation data using the extended Kalman filter finite element method based on the estimation conditions and the water level data.
The extended Kalman filter finite element method uses equation (1) for the system equation, and has the steps of: calculating an estimation error covariance matrix [P (- ) n+ 1 ] at the time step n+1 following time step n based on a state transition matrix [F n ] after linear approximation at time step n and a prediction error covariance matrix [P (+) n ]; calculating a Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P ( - ) n +1 ]; and calculating a prediction error covariance matrix [P (+) n+1 ] at the next time step n +1 based on the estimation error covariance matrix [P (-) n+1 ] and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ];
Further, the method includes a step of providing minute water depths to adjacent junctions in elements including nodes of waterfront boundaries consisting of wet and dry regions;
Furthermore, it is preferable to have a step of calculating an estimate vector {φ^ (- ) n +1 } at the next time step n+1 based on the state transition matrix [A] and the estimate vector {φ^ (-) n } at time step n, and calculating an optimal estimate vector {φ^ (+) n+1 } at the next time step n+1 based on the estimate vector {φ^ (-) n+1 }, water level data, and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ].

また、本観点において、水位データを記録するステップは、画像データに対し、2値化処理及びノイズを取り除く処理の少なくともいずれかを行うことが好ましい。 In addition, in this aspect, it is preferable that the step of recording the water level data includes performing at least one of a binarization process and a noise removal process on the image data.

また、本観点において、水位状況推定データは、湿潤領域と乾いた領域とからなる水際境界の節点を含む要素において微小水深を与えた拡張カルマンフィルタ有限要素法により作成されることが好ましい。 In addition, in this respect, it is preferable that the water level condition estimation data is generated by an extended Kalman filter finite element method in which minute water depths are given to elements including nodes of the waterfront boundary consisting of wet areas and dry areas .

また、本観点において、水位状況推定データは、水域推定データと、水深推定データを含むことが好ましい。 Furthermore, in this respect, it is preferable that the water level condition estimation data includes water area estimation data and water depth estimation data.

また、本観点において、画像データを記録するステップは、浸水や氾濫が起こる前の状態の画像データと推定時画像データを記録し、水位データを記録するステップは、推定時画像データに基づき水位データを記録することが好ましい。 In addition, in this aspect, it is preferable that the step of recording image data records image data of the state before the flooding or inundation occurred and image data at the time of estimation, and that the step of recording water level data records water level data based on the image data at the time of estimation.

また、本観点において、水位状況推定データを表示するステップを備えることが好ましい。 In addition, in this respect, it is preferable to have a step of displaying the water level situation estimation data.

また、本発明の他の一観点に係る水位状況推定システムは、水域の流れの上流側の異なる観測地点に設置される複数の検出部と、検出部からの出力に基づき画像データを記録する画像データ記録部と、画像データを基に水位データを記録する水位データ記録部と、推定条件及び水位データに基づき拡張カルマンフィルタ有限要素法により水位状況推定データを取得する水位状況推定データ取得部を備えるものである。
また、水位状況推定データ取得部では、拡張カルマンフィルタ有限要素法におけるシステム方程式に式(1)を使い、時間ステップnにおける線形近似後の状態遷移行列[F ]と予測誤差共分散行列[P (+) ]に基づき、時間ステップnの次の時間ステップn+1における推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]を計算し、推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1におけるカルマンゲイン行列[K n+1 ]を計算し、推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]とカルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1における予測誤差共分散行列[P (+) n+1 ]を計算し、
さらに、湿潤領域と乾いた領域とからなる水際境界の節点を含む要素において、隣接接点に微小水深を与え、
さらに、状態遷移行列[A]と時間ステップnにおける推定値ベクトル{φ^ (-) }に基づき、次の時間ステップn+1における推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }を計算し、推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }と水位データとカルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、次の時間ステップn+1における最適推定値ベクトル{φ^ (+) n+1 }を計算することが好ましい。
In addition, a water level estimation system according to another aspect of the present invention comprises a plurality of detection units installed at different observation points upstream of the flow of a water body , an image data recording unit that records image data based on output from the detection units, a water level data recording unit that records water level data based on the image data, and a water level estimation data acquisition unit that acquires water level estimation data using the extended Kalman filter finite element method based on the estimation conditions and the water level data.
In addition, the water level state estimation data acquisition unit uses equation (1) as the system equation in the extended Kalman filter finite element method, and calculates the estimation error covariance matrix [P (-) n+ 1 ] at the time step n+1 following time step n based on the state transition matrix [F n ] after linear approximation at time step n and the prediction error covariance matrix [P (+) n ], calculates the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P ( -) n + 1 ], and calculates the prediction error covariance matrix [P (+) n +1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P (-) n+1 ] and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ],
Furthermore, for elements that include nodes on the waterfront boundary consisting of wet and dry areas, a small water depth is given to the adjacent junctions,
Furthermore, it is preferable to calculate the estimate vector {φ^ (-) n +1 } at the next time step n+1 based on the state transition matrix [A] and the estimate vector {φ^ (-) n } at time step n, and to calculate the optimal estimate vector {φ^ (+) n+1 } at the next time step n+1 based on the estimate vector {φ^ (-) n+1 } , water level data, and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] .

また、本発明の他の一観点に係る水位状況推定プログラムは、水位状況推定方法をコンピュータに実行させるものである。
A water level estimation program according to another aspect of the present invention causes a computer to execute a water level estimation method .

以上、本発明によって、リアルタイムで広範囲の水位状況をより精度高く把握可能な水位状況推定プログラム、水位状況推定システムおよび水位状況推定方法を提供することができる。 As described above, the present invention provides a water level estimation program, a water level estimation system, and a water level estimation method that can grasp water level conditions over a wide area in real time with greater accuracy.

水位状況推定システムの機能ブロックに関する概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram of functional blocks of the water level estimation system. 水位状況推定システムのハードウェアを含んだ接続例である。This is an example of a connection including the hardware of a water level estimation system. 水位状況推定システムの他の一例に関するハードウェアを含んだ接続例である。13 is a connection example including hardware relating to another example of a water level situation estimation system. 水位状況推定手順を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a water level status estimation procedure. 水位データ記録手順を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a water level data recording procedure. 水位状況推定データ取得手順を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a procedure for acquiring water level estimation data. 水位データを取得するための画像データの一例である。1 is an example of image data for acquiring water level data. 水位データの取得結果の一例である。13 is an example of the water level data obtained. 水位状況推定データ(推定値)と観測値とを比較した一例である。This is an example of comparing water level estimation data (estimated values) with observed values. 水位状況推定データと観測値とを比較した一例である。This is an example of comparing estimated water level data with observed values. 実施例において流速および水位変動量の分布を示した一例である。1 is an example showing distribution of flow velocity and water level fluctuation amount in an embodiment. 画像解析から得た水位データを用いた水位状況の推定解析の条件の一例である。This is an example of a condition for estimating and analyzing water level conditions using water level data obtained from image analysis. 実施例において測定水位と推定水位の比較を示す一例である。13 is an example showing a comparison between a measured water level and an estimated water level in the embodiment. 実施例において測定水位と推定水位の比較を示す一例である。13 is an example showing a comparison between a measured water level and an estimated water level in the embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例において言及する具体的な例示にのみ限定されるわけではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms, and is not limited to the specific examples mentioned in the embodiments and examples shown below.

(水位状況推定システム)
図1に、本実施形態に係る水位状況推定システム(以下「本システム」という。)Sの機能ブロックに関する概略について示す。本図で示すように、本システムSは、検出部1と、検出部1からの出力に基づき画像データを記録する画像データ記録部2と、画像データを基に水位データを記録する水位データ記録部3と、拡張カルマンフィルタ有限要素法(FEM)により水位状況推定データを取得する水位状況推定データ取得部4と、拡張カルマンフィルタFEMの演算初期値となるメッシュデータおよび観測地点データ等の解析条件と流速および水位変動量等の推定変数を取得する推定条件取得部5と、水位状況推定データを表示する表示部6を備えるものである。さらに本システムSは、拡張カルマンフィルタFEMを実行する水位状況推定プログラムや上述各種データを記録する記録媒体7と、拡張カルマンフィルタFEMを実行する等の各種演算を行う揮発性記録媒体8を備えるものである。
(Water level estimation system)
Fig. 1 shows an outline of the functional blocks of the water level estimation system S according to this embodiment (hereinafter referred to as "this system"). As shown in this figure, this system S includes a detection unit 1, an image data recording unit 2 for recording image data based on the output from the detection unit 1, a water level data recording unit 3 for recording water level data based on the image data, a water level estimation data acquisition unit 4 for acquiring water level estimation data by the extended Kalman filter finite element method (FEM), an estimation condition acquisition unit 5 for acquiring analysis conditions such as mesh data and observation point data that are the initial values for the calculation of the extended Kalman filter FEM, and estimation variables such as flow velocity and water level fluctuation, and a display unit 6 for displaying the water level estimation data. Furthermore, this system S includes a recording medium 7 for recording a water level estimation program for executing the extended Kalman filter FEM and the various data described above, and a volatile recording medium 8 for performing various calculations such as executing the extended Kalman filter FEM.

本システムSによる効果は後で詳述するが、本システムは洪水や台風、津波等によって住宅街等の陸地において発生する浸水状況下の水位を観測地点以外の広域に対し推定することで浸水被害状況をオンタイムで把握すること、また、台風等で河川や湾内の水位が上昇した場合の水位を観測地点以外の広域に対し推定することでその河川周辺や湾岸地域における被害状況をオンタイムで把握することを可能とするものである。特に、検出部の出力によって得られる画像データに基づいて水位データを取得することができるものであるため、観測地点における水位状況に関する様々な情報を得やすく、これら情報を利用することで精度高く水位状況を推定することができるシステムとなっている。 The effects of this system S will be described in detail later, but this system makes it possible to grasp the flood damage situation in real time by estimating the water level in flooding conditions that occur on land such as residential areas due to floods, typhoons, tsunamis, etc. for a wide area other than the observation point, and to grasp the damage situation around the river or bay area in real time by estimating the water level for a wide area other than the observation point when the water level in a river or bay rises due to a typhoon, etc. In particular, because water level data can be obtained based on image data obtained by the output of the detection unit, it is easy to obtain various information on the water level situation at the observation point, and by using this information, the system can estimate the water level situation with high accuracy.

図2に本システムSのハードウェアを含めた接続例について示す。本システムSでは、限定されるわけではないが、大まかに二つの構成要素群に分けることができる。一つは実際に観測地点に設置される機械装置としての検出部であり、もう一つは検出部の出力に基づき各種データを処理する情報処理装置内に仮想的に設けられる画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4である。本システムSには、更に追加の構成要素群として、浸水状況推定データを様々な地点においてリアルタイムに被害状況を把握するための機械装置としての表示部6を備えても良い。 Figure 2 shows an example of connections including the hardware of this system S. This system S can be roughly divided into two groups of components, although this is not limited to these. One is a detection unit as a mechanical device that is actually installed at an observation point, and the other is an image data recording unit 2, a water level data recording unit 3, and a water level situation estimation data acquisition unit 4 that are virtually installed in an information processing device that processes various data based on the output of the detection unit. This system S may also be equipped with an additional group of components, a display unit 6 as a mechanical device that displays flood situation estimation data to grasp the damage situation at various points in real time.

図3は本実施形態に係る本システムSの一変形に係る本システムS’のハードウェアを含めた接続例である。本システムS’は、ネットワークNを通じて各要素が接続されている点が特徴的であり、特に情報処理装置と検出部とが異なる位置あるいは異なる地点であっても処理が可能となっている。 Figure 3 shows an example of connections including hardware of the system S' according to one variation of the system S according to the present embodiment. The system S' is characterized in that each element is connected via a network N, and in particular, processing is possible even if the information processing device and the detection unit are in different positions or at different locations.

検出部1は、情報処理装置を配置した地点とは異なる観測地点に複数設置されており、ネットワークNを通じて情報処理装置などの各要素に接続されている。 The detection units 1 are installed at multiple observation points different from the points where the information processing devices are installed, and are connected to each element such as the information processing devices via a network N.

情報処理装置内に仮想的に設けられる画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4は、1台の情報処理装置内に配置しても良いし、ネットワークNを介して複数の情報処理装置を接続しておき、それらのいずれかの内部に分散して配置しても良い。 The image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4, which are virtually provided within the information processing device, may be located within a single information processing device, or may be distributed within multiple information processing devices connected via a network N.

表示部6は、いわゆるスマートフォン等の携帯情報端末等のように情報処理装置内に設けることも可能であり、情報処理装置に直接又はネットワークNを介して間接的に複数設けたりすることができる。 The display unit 6 can be provided within an information processing device, such as a mobile information terminal such as a smartphone, and multiple display units can be provided directly on the information processing device or indirectly via a network N.

(検出部1)
本システムSにおける検出部1は、上記の通り、情報処理装置と検出部1とを同じ観測地点においても動作可能であるが、情報処理装置を配置した地点とは異なる観測地点に複数設置されることが好ましい。そして、この複数の観測地点それぞれにおいて少なくとも一つの検出部が設けられることで、その周囲の状況に応じた出力を行うことができる。検出部1の具体的な例は、いわゆるビデオカメラであって、そのカメラにより周囲の状況を電気信号、好ましくは画像データとして出力することができるものであることが好ましい。
(Detection Unit 1)
As described above, the detection unit 1 in the present system S can operate at the same observation point as the information processing device, but it is preferable to install a plurality of detection units at observation points different from the point where the information processing device is installed. By providing at least one detection unit at each of the plurality of observation points, it is possible to perform output according to the surrounding situation. A specific example of the detection unit 1 is a so-called video camera, and it is preferable that the camera can output the surrounding situation as an electrical signal, preferably image data.

また、この検出部1は、電気通信回線すなわちいわゆるネットワークNに接続され、直接又は他の装置を介して間接的に、この画像データを外部機器に出力できるようにしておくことが好ましい。このようにすることで、複数の検出部の同期を取ることが容易になる等、広範囲の情報を正確に取得することが可能となるといった利点がある。検出部1はビデオカメラ以外にも、いわゆるカメラ付きスマートフォン、カメラ付きタブレット端末、高速度カメラなど、上述の通り観測地点の状況を画像データとして取得し、直接又は間接的に外部機器に出力できるものであればどのようなものでも良い。 It is also preferable that the detection unit 1 is connected to an electric communication line, i.e., a so-called network N, so that the image data can be output to an external device directly or indirectly via another device. This has the advantage that it becomes easier to synchronize multiple detection units, and it becomes possible to accurately obtain a wide range of information. In addition to a video camera, the detection unit 1 can be anything that can obtain the situation at the observation point as image data as described above and output it directly or indirectly to an external device, such as a so-called smartphone with a camera, a tablet terminal with a camera, or a high-speed camera.

複数の異なる観測地点に設置される検出部1は、その数が多いほど広範囲の水位状況を精度高く推定可能となるが、好ましくは破堤や越波が想定される河岸や湾岸の線上、すなわち洪水の起点と想定されるところに沿って複数個設置されると後述する水位状況推定データが実際に観測されるデータに限りなく一致し推定精度が高まる。 The more detection units 1 installed at multiple different observation points, the more accurately it will be possible to estimate the water level conditions over a wider area. However, it is preferable to install multiple units along the lines of riverbanks or bays where levee breaches or overtopping are expected, i.e., along areas expected to be the origins of flooding. This will increase the accuracy of the estimation, as the water level condition estimation data described below will match the data actually observed.

本システムにおいて検出部1にビデオカメラを用いた場合、高速処理可能なカメラであることが好ましい。例えば、1秒間に200枚の画像を撮影できるカメラを使うと拡張カルマンフィルタFEMにおける時間増分量Δtを小さく設定することができ、水位や流速の推定精度向上の点で有利である。 When a video camera is used for the detection unit 1 in this system, it is preferable that the camera be capable of high-speed processing. For example, if a camera capable of taking 200 images per second is used, the time increment Δt in the extended Kalman filter FEM can be set small, which is advantageous in terms of improving the accuracy of estimating water level and flow velocity.

また、本システムにおいて、検出部1には、別途画像データを処理するための情報処理装置を付してもよい。検出部1により取得された画像データを記録し、更には、水位データを記録しておくことで、集中管理する情報処理装置の処理負担の軽減を図ることができる。 In addition, in this system, the detection unit 1 may be provided with an information processing device for processing image data separately. By recording the image data acquired by the detection unit 1 and further recording the water level data, it is possible to reduce the processing load on the centrally managed information processing device.

本システムにおいて、画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4は、情報処理装置いわゆるコンピュータ内に仮想的に設けられるものである。より具体的には、コンピュータのハードディスク等の記録媒体7に演算プログラム、推定プログラム、各種データが記録され、必要に応じてメモリ等の揮発性記録媒体8に読み込まれ、実行されることで仮想的な部として成立する。 In this system, the image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4 are virtually installed within an information processing device, i.e., a computer. More specifically, the calculation program, estimation program, and various data are recorded on a recording medium 7 such as a computer's hard disk, and are loaded into a volatile recording medium 8 such as a memory as needed, and executed to form virtual units.

本システムにおいて、画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4は、同じコンピュータの内部に設けられる構成としてもよいが、これらを電気通信回線、すなわちいわゆるネットワークNや、その他データの授受が可能となる状態で接続し別個に分散させて配置する構成としてもよい。そのため、図3の例では、一例として検出部1の近傍に画像データ記録部2を内部に設けたコンピュータを直接接続して設けた構成、画像データ記録部2と水位データ記録部3を内部に設けたコンピュータを直接接続して設けた構成、更には、ネットワークNを介して検出部(観測地点)から離れた地点(遠隔地)に他のコンピュータを配置して、その内部に画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4を設けた構成、をそれぞれ示し、必要に応じて各部が実行される例を示している。 In this system, the image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4 may be configured to be installed inside the same computer, but they may also be configured to be connected via an electric communication line, i.e., a so-called network N, or other means that allow data to be exchanged and arranged separately and distributed. Therefore, the example in Figure 3 shows an example of a configuration in which a computer with an image data recording unit 2 installed inside is directly connected near the detection unit 1, an example of a configuration in which a computer with an image data recording unit 2 and a water level data recording unit 3 installed inside are directly connected, and an example of a configuration in which another computer is installed at a location (remote location) away from the detection unit (observation point) via the network N and the image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4 are installed inside it, and each unit is executed as needed.

なお本システムにおけるコンピュータは、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば一般的なコンピュータの構成要素である中央演算装置(CPU)、ハードディスクやフラッシュメモリ等の不揮発性の記録媒体、メモリ等の揮発性の記録媒体、これらを接続するバス、キーボードやマウス等の入力装置、モニタ等の表示装置等を含むことが好ましいがこれに限定されない。 The computer in this system is not limited as long as it has the above functions, but it is preferable that it includes, for example, a central processing unit (CPU), which is a component of a typical computer, a non-volatile recording medium such as a hard disk or flash memory, a volatile recording medium such as memory, a bus connecting these, input devices such as a keyboard or mouse, and a display device such as a monitor, but is not limited to these.

上記コンピュータは、いわゆるノートパソコンやデスクトップパソコンであってもよいが、高速計算を行うのであれば、いわゆるワークステーションやスーパーコンピュータでもよく、また携帯性を鑑み、近年普及が進んでいる携帯情報端末、具体的にはいわゆるスマートフォンやタブレット端末であってもよい。一般的な携帯情報端末は、一つの端末カバーの中に上記CPUや表示装置等の部品を収納して一体化させたものとなっており、しかも表示装置上にセンサを配置しいわゆるタッチパネルとしておくことで、非常に取り扱いやすいものとなっており好ましい。また携帯情報端末の場合、当該携帯情報端末において本方法を実行するプログラムをいわゆるアプリとして記録、表示させておき、このアプリを起動することで容易に本方法を実行することができる。更には、後述する表示部6も兼ねることができる。 The computer may be a so-called notebook computer or desktop computer, but if high-speed calculations are required, it may be a so-called workstation or supercomputer, or, in consideration of portability, may be a mobile information terminal, which has become increasingly popular in recent years, specifically a so-called smartphone or tablet terminal. A typical mobile information terminal is an integrated device in which the above-mentioned CPU, display device, and other components are housed in a single terminal cover, and a sensor is placed on the display device to make it a so-called touch panel, which is very easy to use and is preferable. In the case of a mobile information terminal, a program for executing the present method is recorded and displayed as a so-called app on the mobile information terminal, and the present method can be easily executed by starting the app. It can also serve as the display unit 6 described below.

(水位状況推定プログラム)
上記の通り、画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4は、コンピュータのハードディスク等の記録媒体7にプログラムが格納され、メモリ等の揮発性記録媒体8に読み込まれ、実行されることで仮想的な部として成立する。すなわち、本システムでは、コンピュータ内に水位状況推定プログラム(以下「本プログラム」という。)が格納され、これが実行されることによりコンピュータ内に画像データ記録部2、水位データ記録部3、水位状況推定データ取得部4が仮想的に設けられ、各処理を行うことができるようになる。
(Water level estimation program)
As described above, the image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4 are established as virtual units by storing the program in a recording medium 7 such as a computer's hard disk, reading it into a volatile recording medium 8 such as a memory, and executing it. That is, in this system, a water level status estimation program (hereinafter referred to as "this program") is stored in a computer, and by executing this, the image data recording unit 2, water level data recording unit 3, and water level status estimation data acquisition unit 4 are virtually provided in the computer, making it possible to carry out each process.

本プログラムに着目して、図4を用いてより具体的に説明する。本プログラムは、コンピュータに、(S1)メッシュデータ、観測地点データ等の解析条件と流速および水位変動量等の少なくともいずれかの推定変数を含む推定条件の入力により拡張カルマンフィルタFEMの計算条件を取得するステップ、(S2)画像データを記録するステップ、(S3)画像データに基づき水位データを記録するステップ、(S4)推定条件と水位データに基づき拡張カルマンフィルタFEMにより水位状況推定データを作成するステップ、(S5)水位状況推定データを表示するステップ、を実行させるものである。なお、本プログラムの実行にあたり、上記のステップ(S1)は推定条件取得部5が行い、ステップ(S2)は画像データ記録部2が行い、ステップ(S3)は水位データ記録部記録部3が行い、ステップ(S4)は、水位状況推定データ取得部4が行うことになる。 Focusing on this program, we will explain it in more detail using Figure 4. This program causes a computer to execute the following steps: (S1) acquiring calculation conditions for the extended Kalman filter FEM by inputting analysis conditions such as mesh data and observation point data, and estimation conditions including at least one of estimation variables such as flow velocity and water level fluctuation; (S2) recording image data; (S3) recording water level data based on the image data; (S4) creating water level status estimation data using the extended Kalman filter FEM based on the estimation conditions and water level data; and (S5) displaying the water level status estimation data. Note that when this program is executed, the above step (S1) is performed by the estimation condition acquisition unit 5, step (S2) is performed by the image data recording unit 2, step (S3) is performed by the water level data recording unit recording unit 3, and step (S4) is performed by the water level status estimation data acquisition unit 4.

(水位状況推定方法)
ところで、本プログラムは、上記の記載から明らかなように、情報処理装置すなわちコンピュータにおいて実行されることにより、(S1)メッシュデータや観測地点データ等の解析条件と、流速や水位変動量等の推定変数を含む推定条件を取得するステップ、(S2)画像データを記録するステップ、(S3)画像データに基づき水位データを記録するステップ、(S4)推定条件及び水位データに基づき拡張カルマンフィルタFEMにより水位状況推定データを作成するステップ、(S5)水位状況推定データを表示するステップ、を有する水位状況推定方法(以下「本方法」ともいう。)を実現することができるのは言うまでもない。
(Water level estimation method)
As is clear from the above description, when this program is executed on an information processing device, i.e., a computer, it can realize a water level estimation method (hereinafter also referred to as "this method") having the steps of: (S1) acquiring analysis conditions such as mesh data and observation point data, and estimation conditions including estimation variables such as flow velocity and water level fluctuation; (S2) recording image data; (S3) recording water level data based on the image data; (S4) creating water level estimation data using an extended Kalman filter FEM based on the estimation conditions and the water level data; and (S5) displaying the water level estimation data.

次に、各記録部及び取得部の処理について、本方法のステップに対応させて具体的に説明していくこととする。 Next, we will explain in detail the processing of each recording unit and acquisition unit in accordance with the steps of this method.

(S1:推定条件取得)
まず、本方法では(S1)メッシュデータや観測地点データ等の解析条件と、流速や水位変動量等の推定変数を含む推定条件の入力により拡張カルマンフィルタFEMの計算条件を取得するステップを有し、これを実行することで推定条件取得部5が仮想的に設けられる。これらデータは記録媒体7に記録する。
(S1: Obtain estimation conditions)
First, this method includes a step (S1) of acquiring calculation conditions for the extended Kalman filter FEM by inputting analysis conditions such as mesh data and observation point data, and estimation conditions including estimation variables such as flow velocity and water level fluctuation, and by executing this step, an estimation condition acquisition unit 5 is virtually provided. These data are recorded in a recording medium 7.

推定条件の一つである解析条件に、メッシュデータ(総節点数、総要素数、x-y平面における各節点の座標値)、観測地点データ(観測地点の座標点および観測水位のデータ)の他、時間増分量Δt、タイムステップ数、重力加速度、基準水深(z方向のデータ)、数値計算を発散させないように設定するパラメータ(例えばランピングパラメータ)、推定変数の初期値、推定誤差共分散行列の初期値、システム誤差共分散行列、観測誤差共分散行列、解析対象領域の境界において与える流速や水位に関する境界条件等を例示することができ、これらの少なくともいずれか1つ、好ましくは複数を用いることが重要である。 Examples of analytical conditions, which are estimation conditions, include mesh data (total number of nodes, total number of elements, coordinate values of each node on the x-y plane), observation point data (coordinate points of observation points and observed water level data), as well as time increment Δt, number of time steps, gravitational acceleration, reference water depth (data in the z direction), parameters set to prevent numerical calculations from diverging (e.g., ramping parameters), initial values of estimation variables, initial values of the estimation error covariance matrix, system error covariance matrix, observation error covariance matrix, boundary conditions related to flow velocity and water level given at the boundaries of the analysis target area, etc. It is important to use at least one of these, and preferably multiple.

また、推定変数も、上記拡張カルマンフィルタFEMにおいて必要な推定条件の一つであって、例えば流速および水位変動量に関する情報を含むものである。なお、推定変数は観測変数と呼ぶ場合もある。 The estimated variables are also one of the estimation conditions required in the extended Kalman filter FEM, and include information on the flow velocity and water level fluctuation, for example. The estimated variables are sometimes called observed variables.

推定条件の入力には、例えば、キーボード、マウス、スキャナ等の入力デバイスを用いてコンピュータに記録することができる。また、例えば、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等の光学記録媒体、MO(Magneto-Optical disk)等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、または半導体メモリ等から情報を読み出しても良い。また、推定条件はUSBメモリ等の外付け記憶媒体から取得してもよく、これらのデバイスは、USB(Universal Serial Bus)やBluetooth(登録商標)等、情報処理装置へ推定条件を入力可能とするインタフェースを介して直接取得してもよく、ネットワークや通信回線を介して取得してもよい。 The estimated conditions can be inputted into a computer using an input device such as a keyboard, mouse, or scanner. Information can also be read out from optical recording media such as CDs (Compact Discs) and DVDs (Digital Versatile Discs), magneto-optical recording media such as MOs (Magneto-Optical disks), tape media, magnetic recording media, or semiconductor memories. The estimated conditions can also be acquired from external storage media such as USB memory, and these devices can be acquired directly through an interface that allows input of the estimated conditions to an information processing device, such as USB (Universal Serial Bus) or Bluetooth (registered trademark), or can be acquired via a network or communication line.

拡張カルマンフィルタFEMの初期値となる解析条件のうちメッシュデータは、具体的には水位状況の推定を行う地図上の一定領域(観測対象領域)に対し、地図上のx,yの位置を表す情報、またあるx,yの地点における基準面からの深さの情報zを含む。メッシュは、観測対象領域を有限要素メッシュにより分割設定することができる。メッシュの分割設定においては、検出部1が設置される観測地点と、観測対象とする河川や湾を含む領域に対して設定することが好ましい。なお、河川や湾を含む領域を単に水域という場合もある。 The mesh data, which is one of the analysis conditions that serves as the initial values for the extended Kalman filter FEM, specifically includes information that indicates the x, y position on the map for a certain area on the map (observation target area) where the water level situation is estimated, as well as information z on the depth from the reference plane at a certain x, y point. The mesh can be set by dividing the observation target area using a finite element mesh. When dividing the mesh, it is preferable to set it for the observation point where the detection unit 1 is installed and the area that includes the river or bay that is the observation target. Note that the area that includes the river or bay is sometimes simply called the water area.

拡張カルマンフィルタFEMの初期値となる解析条件のうち観測地点データは、検出部1が設置される観測地点に係る情報であり、具体的には実測の水位、実測のx,y方向の流速等の情報である。実測の水位、実測のx,y方向の流速はどちらか一方のデータでも拡張カルマンフィルタFEMの計算は可能であるが、従前の検討では、「両方(x,y方向の実測流速および実測水位)の観測値」を用いた場合は「実測水位のみの観測値」の使用時に比べ、高い精度に計算できるという知見を得ている。拡張カルマンフィルタFEMにおける流れ場の推定解析では、観測値の影響は下流側に伝わることが確認できているため、観測地点データは、観測対象領域において水域の上流側における水位情報を含むことが好ましい。 The observation point data, which is one of the analysis conditions that serves as the initial value for the extended Kalman filter FEM, is information related to the observation point where the detector 1 is installed, specifically information such as the actual water level and the actual flow velocity in the x and y directions. Although calculations using the extended Kalman filter FEM are possible using only the actual water level or the actual flow velocity in the x and y directions, previous studies have shown that calculations can be performed with higher accuracy when using "observation values of both (actual flow velocity in the x and y directions and actual water level)" compared to when using "observation values of only the actual water level". In the estimation analysis of the flow field using the extended Kalman filter FEM, it has been confirmed that the influence of the observation value is transmitted to the downstream side, so it is preferable that the observation point data include water level information on the upstream side of the water body in the observation area.

(S2:画像データ記録)
また、本方法では(S2)画像データを記録するステップを有する。本ステップを実行することで画像データ記録部2が仮想的に設けられる。
(S2: Image data recording)
This method also includes a step of recording image data (S2). By executing this step, an image data recording unit 2 is virtually provided.

本ステップでは、平穏時における画像データである平穏時画像データと、平穏時以外における画像データである推定時画像データを記録するものであることが好ましい。「平穏時画像データ」は、浸水や氾濫が起こる前の状態の情報を含むデータであり、浸水や氾濫の被害が発生していない時点の平穏な状況の水位の推定に使うことができる。また、「推定時画像データ」は、複数の検出部の少なくとも1つの観測地点における平穏時以外の情報を含むデータ、具体的には、浸水や氾濫が起きた直後からの観測地点における情報を含むデータであり、浸水や氾濫が起きた時点からの水位の推定に使うことで、被害状況をオンタイムに把握することができるようになる。 In this step, it is preferable to record calm time image data, which is image data during calm times, and estimated time image data, which is image data during times other than calm times. "Calm time image data" is data that includes information on the state before flooding or inundation occurs, and can be used to estimate water levels in calm conditions at a time when flooding or inundation damage has not occurred. Furthermore, "estimated time image data" is data that includes information other than calm times at at least one observation point of the multiple detection units, specifically, data that includes information at an observation point from immediately after flooding or inundation occurs, and by using this to estimate water levels from the time flooding or inundation occurs, it becomes possible to grasp the damage situation in real time.

(S3:水位データ記録)
また、本方法では、(S3)画像データに基づき水位データを記録するステップを有し、これを実行することで水位データ記録部3が仮想的に設けられる。
(S3: Water level data recording)
This method also includes a step (S3) of recording water level data based on image data, and by executing this step, a water level data recording unit 3 is virtually provided.

また、水位データを記録するステップは、画像データ記録ステップ(S2)で記録した画像データに対し、2値化処理(S31)及びノイズ処理(S32)の少なくともいずれかを行うことが好ましい。なお、水位データを記録するステップ(S3)において、(S31)2値化処理と(S32)ノイズ処理の両方を行う場合には、(S31)2値化処理を行った後に(S32)ノイズ処理を行うことが好ましい。 In addition, in the step of recording the water level data, it is preferable to perform at least one of binarization processing (S31) and noise processing (S32) on the image data recorded in the image data recording step (S2). Note that, in the step of recording the water level data (S3), if both binarization processing (S31) and noise processing (S32) are performed, it is preferable to perform noise processing (S32) after binarization processing (S31).

また、後述する水位状況推定データを作成するために用いる水位データを記録するための画像データは、推定時画像データを用いることで、リアルタイムに水位状況を把握することができる。またこの場合において、複数の検出部における画像データには、それぞれ、同期がとれた時刻情報を付与しておくことが望ましい。これにより、複数の検出部の少なくとも1つの観測地点において浸水や氾濫が起きたことが検出された時刻を水位状況推定基準時刻とすることが容易にできる。時刻情報を付与する方法としては、例えば同期されて点滅する光、もしくは正確な電波時計など、同期された信号をカメラ画角内の水面ではない部分に位置を固定して撮影する方法を例示することができる。これにより時刻情報を画像の一部として記録することができる。撮影画像内の信号位置が変わらなければ、各カメラにおいて同じ処理にて時刻を求めることができる。 In addition, the image data for recording the water level data used to create the water level estimation data described later can be used to grasp the water level situation in real time by using the image data at the time of estimation. In this case, it is desirable to add synchronized time information to the image data from the multiple detection units. This makes it easy to set the time when flooding or inundation is detected at at least one observation point of the multiple detection units as the water level estimation reference time. Examples of methods for adding time information include a method of shooting a synchronized signal, such as a synchronized blinking light or an accurate radio clock, at a fixed position in a part of the camera's field of view that is not the water surface. This makes it possible to record the time information as part of the image. If the signal position in the captured image does not change, the time can be obtained by the same process in each camera.

(S31:2値化処理)
ここで、2値化処理(S31)について説明する。2値化処理(S31)による水面位置の同定は、時間の連続する2つの画像データに対し差分を取る。具体的には、画角が固定された検出部により得られる水面が含まれた画像において、時間経過によって変化する各画素情報の差を取ることで、水面位置の抽出および背景を削除することができる。そして、抽出した2つの画像データの差分情報に対し明度閾値を定め、2値化を行う。なお、2値化のために、予め水面が含まれる画像又は差分情報をグレースケール化すると、明度閾値を定めるための変数が少なくなり好ましい。また、明度閾値は、例えばグレースケール化した差分情報を使う場合、背景の僅かな明度差に起因する画像ノイズと、水面変化に起因する僅かな明度差を区別するように定めることが好ましい。明度閾値を定める手段は、人為的に行っても良いし、機械学習により情報処理装置内で自動的に行っても良く、どのような手段を用いてもよい。そして、閾値以下を黒=0、それより大きい場合を白=1とすることで2値化が可能となる。なお、2値化は上述のようにグレースケール化後の明度を使うと計算機負荷低減の点で有利であるが、色情報を個別に利用してもよく、2値化に利用するパラメータは限定されない。
(S31: Binarization process)
Here, the binarization process (S31) will be described. Identification of the water surface position by the binarization process (S31) involves taking the difference between two consecutive image data. Specifically, in an image including the water surface obtained by a detection unit with a fixed angle of view, the difference between each pixel information that changes over time can be taken to extract the water surface position and remove the background. Then, a brightness threshold is determined for the difference information of the two extracted image data, and binarization is performed. Note that, for binarization, it is preferable to convert the image including the water surface or the difference information into a grayscale in advance, since this reduces the number of variables for determining the brightness threshold. In addition, when using grayscaled difference information, for example, the brightness threshold is preferably determined so as to distinguish between image noise caused by a slight brightness difference in the background and a slight brightness difference caused by changes in the water surface. The brightness threshold may be determined manually or automatically in an information processing device by machine learning, and any means may be used. Then, binarization is possible by setting values below the threshold as black = 0 and values above the threshold as white = 1. As described above, using the brightness after grayscaling for binarization is advantageous in terms of reducing the load on the computer, but color information may be used individually, and the parameters used for binarization are not limited.

(S32:ノイズ処理)
また、ノイズ処理(S32)は、2値化処理を行った後の画像データを使う場合、画像データのある1画素に注目し、その注目した画素に隣接する8画素中に1画素でも白い画素があれば注目画素を白にするプロセス(膨張プロセス)と、注目画素の隣接画素に1画素でも黒い画素があれば注目画素を黒にするプロセス(収縮プロセス)を繰り返すことが好ましい。また、このノイズ処理において、複数回収縮プロセスを行ってから同じ回数分だけ膨張プロセスを行う処理(クロージング処理)を行うことが好ましい。例えば収縮プロセスを2回行った後膨張プロセスを2回行う(収縮→収縮→膨張→膨張)処理が該当する。一方、複数回膨張プロセスを行ってから同じ回数分だけ収縮プロセスを行う処理(オープニング処理)を行うことも好ましい(例えば、膨張→膨張→収縮→収縮)。2値化処理を行った画像データに対し、オープニング処理を実施した後、クロージング処理を実施すると、白点のノイズを取り除くことができるといった利点がある。なお、ノイズ処理は色情報を使った場合にも同様に膨張プロセスと収縮プロセスを繰り返す処理によりノイズを取り除くことができる。
(S32: Noise processing)
In addition, in the noise processing (S32), when using image data after binarization processing, it is preferable to repeat a process (expansion process) of making the pixel of interest white if there is at least one white pixel among the eight pixels adjacent to the pixel of interest, and a process (contraction process) of making the pixel of interest black if there is at least one black pixel adjacent to the pixel of interest. In addition, in this noise processing, it is preferable to perform a process (closing process) of performing the contraction process multiple times and then the expansion process the same number of times. For example, a process of performing the contraction process twice and then the expansion process twice (contraction → contraction → expansion → expansion) corresponds to this. On the other hand, it is also preferable to perform a process (opening process) of performing the contraction process multiple times and then the contraction process the same number of times (for example, expansion → expansion → contraction → contraction). If an opening process is performed on image data that has been binarized and then a closing process is performed, there is an advantage that white dot noise can be removed. Note that, in the noise processing, noise can also be removed by repeating the expansion process and contraction process in the same way when color information is used.

(S33:水位取得)
ノイズ処理を終えた画像と、2値化前で水位が確認できる物体、例えば水位の目盛りが刻まれた水位板が写っている画像を比較することで、観測地点における水位データを得ることができる。水位が確認できる物体が写っている画像としては、平穏時画像データを用いても、推定時画像データを用いてもよいが、2値化やノイズ処理の影響を受けずに精度良い水位データを得るためには平穏時画像データを用いることが好ましい。このステップが(S33)水位取得ステップである。
(S33: Water level acquisition)
By comparing the image after noise processing with an image showing an object where the water level can be confirmed before binarization, such as a water level board with a water level scale engraved on it, water level data at the observation point can be obtained. Either calm time image data or estimated time image data can be used as the image showing the object where the water level can be confirmed, but it is preferable to use calm time image data in order to obtain accurate water level data without being affected by binarization or noise processing. This step is the water level acquisition step (S33).

(S4:水位状況推定データ取得)
また、本プログラムでは、(S4)メッシュデータ、観測地点データ等の解析条件と流速および水位変動量等の推定変数を含む推定条件、及び水位データに基づき拡張カルマンフィルタFEMにより水位状況推定データを取得するステップを有し、これを実行する水位状況推定データ取得部4が仮想的に設けられる。
(S4: Obtaining water level status estimation data)
In addition, this program has a step (S4) of acquiring water level condition estimation data using an extended Kalman filter FEM based on analysis conditions such as mesh data and observation point data, estimation conditions including estimation variables such as flow velocity and water level fluctuation, and water level data, and a water level condition estimation data acquisition unit 4 that executes this step is virtually provided.

特に、本方法では、水際線移動を考慮した拡張カルマンフィルタFEMを用いて水位状況を推定することで、広範囲の水域において精度高く水位状況推定データを取得できるといった利点がある。ここで「水際線移動」とは、あらかじめ、観測対象領域において全体領域のメッシュを作成し、その領域を水のあるwet area(湿潤領域)と水の無いdry area(乾いた領域)に分け、水際境界の節点を含む要素において微小水深を与えることであり、これにより水際線の移動を考慮した浅水流の解析が可能となる。 In particular, this method has the advantage that it can obtain highly accurate water level estimation data over a wide range of water areas by estimating water level conditions using an extended Kalman filter FEM that takes into account the movement of the water shoreline. Here, "movement of the water shoreline" refers to creating a mesh of the entire observation area in advance, dividing the area into a wet area with water and a dry area without water, and assigning minute water depths to elements that include nodes on the water shoreline boundary, which makes it possible to analyze shallow water flows that take into account the movement of the water shoreline.

また、本方法において「水位状況推定データ」は、水域推定データと、水深推定データを含むことが好ましい。水域推定データは平面的な拡がりを示すデータであり、より具体的には「平面座標x,yの情報」を含むデータであることが好ましい。一方、水深推定データは、あるx,yの点における水深を示すデータであり、そのx、yの点における「深さz方向の情報」を含むデータである。 In addition, in this method, the "water level condition estimation data" preferably includes water area estimation data and water depth estimation data. The water area estimation data is data that indicates a planar extent, and more specifically, it is preferable that the data includes "information on planar coordinates x, y." On the other hand, the water depth estimation data is data that indicates the water depth at a certain x, y point, and includes "information on the depth z direction" at that x, y point.

なお、水域推定データと水深推定データは、水位状況推定データを作成または取得するステップ(S4)において、(S41)カルマンゲイン行列計算のステップを経て、(S42)水域推定と(S43)水深推定を行い、水域推定データおよび水深推定データとして得ることができる。 In addition, in the step (S4) of creating or acquiring water level condition estimation data, the water area estimation data and water depth estimation data can be obtained by performing the steps of (S41) Kalman gain matrix calculation, (S42) water area estimation and (S43) water depth estimation.

(S41、S42:カルマンゲイン行列計算、水域推定)
ところで、拡張カルマンフィルタFEMの中のカルマンゲイン行列計算(S41)は、推定誤差共分散行列のトレースノルムを最小にするように行われることが好ましい。推定誤差共分散行列のトレースノルムを最小にするための計算および計算順序は、限定されるわけではないが、例えば、日本機械学会論文集2016年82巻835号p.15に開示される具体的な手順を使って行うことができる。
(S41, S42: Kalman gain matrix calculation, water area estimation)
Incidentally, the Kalman gain matrix calculation (S41) in the extended Kalman filter FEM is preferably performed so as to minimize the trace norm of the estimation error covariance matrix. The calculation and calculation order for minimizing the trace norm of the estimation error covariance matrix are not limited, but can be performed using, for example, the specific procedure disclosed in Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 82, No. 835, p. 15, 2016.

水域推定(S42)は、システム方程式を計算した後、下記式(4)に示すカルマンゲイン行列と下記式(2)に示す観測値を用いて補正することで出力できる。具体的に説明すると、水域推定を記述するシステム方程式は下記式(1)、観測値を記述する観測方程式は下記式(2)のように表すことができる。下記式(1)は、浅水長波方程式(移流項(非線形項)を含む運動方程式および連続式)を有限要素法に基づき空間方向に離散化し、また有限差分法により時間方向に離散化した式により表される。 Water area estimation (S42) can be output by calculating the system equation and then correcting it using the Kalman gain matrix shown in the following equation (4) and the observed value shown in the following equation (2). Specifically, the system equation describing the water area estimation can be expressed as the following equation (1), and the observation equation describing the observed value can be expressed as the following equation (2). The following equation (1) is expressed by an equation in which the shallow water long wave equation (motion equation and continuity equation including advection terms (nonlinear terms)) is discretized in the spatial direction based on the finite element method and discretized in the time direction using the finite difference method.

ここで、{φ}は流速や水位を表す状態ベクトル、nは時間ステップ、[A]は状態遷移行列(基準水深hおよび重力加速度gも行列[A]に含まれる。)、[Γ]は駆動行列、{q}はシステムノイズベクトルである。また、{z}は観測値ベクトル、[H]は観測行列、{r}は観測ノイズベクトルである。 Here, {φ} is the state vector representing the flow velocity and water level, n is the time step, [A] is the state transition matrix (the reference water depth h and gravitational acceleration g are also included in the matrix [A]), [Γ] is the driving matrix, and {q} is the system noise vector. Also, {z} is the observation value vector, [H] is the observation matrix, and {r} is the observation noise vector.

また、同化前の推定誤差共分散行列は下記式(3)、同化後の推定誤差共分散行列は下記式(4)、カルマンゲイン行列は下記式(5)、推定値の計算は下記式(6)、最適推定値の計算は下記式(7)でそれぞれ表される。 The estimation error covariance matrix before assimilation is expressed by the following formula (3), the estimation error covariance matrix after assimilation is expressed by the following formula (4), the Kalman gain matrix is expressed by the following formula (5), the calculation of the estimated value is expressed by the following formula (6), and the calculation of the optimal estimated value is expressed by the following formula (7).

ここで[P(-)]は同化前の誤差共分散行列、[F]は線形近似後の状態遷移行列、[Q]はシステム誤差共分散行列、[K]はカルマンゲイン行列、[R]は観測誤差共分散行列、[P(+)]は同化後の誤差共分散行列(予測誤差共分散行列)、[P(-)]は同化前の誤差共分散行列(推定誤差共分散行列)、Tは転置記号、{φ^(-)}は推定値ベクトル、{φ^(+)}は最適推定値ベクトルを示す。ここに^(ハット)は推定値を示す。水際線の処理は、式(6)の前で実施し、水際線を表す節点を含む要素(メッシュ)において、隣接節点に微小水深を与える。式(6)の右辺において、微小水深により修正されたnステップにおける推定値ベクトルを用いて式(6)の左辺(n+1ステップにおける推定値ベクトル)を算出することで、水際線の移動を考慮した水位状況の計算が可能となる。 Here, [P (-) ] is the error covariance matrix before assimilation, [F] is the state transition matrix after linear approximation, [Q] is the system error covariance matrix, [K 1 ] is the Kalman gain matrix, [R] is the observation error covariance matrix, [P (+) ] is the error covariance matrix after assimilation (prediction error covariance matrix), [P (-) ] is the error covariance matrix before assimilation (estimated error covariance matrix), T is the transpose symbol, {φ^ (-) } is the estimated value vector, and {φ^ (+) } is the optimal estimated value vector. Here, ^ (hat) indicates the estimated value. The waterfront processing is performed before formula (6), and in the element (mesh) that includes the node representing the waterfront, the micro water depth is given to the adjacent node. In the right side of formula (6), the estimated value vector in the nth step corrected by the micro water depth is used to calculate the left side of formula (6) (estimated value vector in n+1 step), making it possible to calculate the water level situation taking into account the movement of the waterfront.

そして、水際線移動を考慮した拡張カルマンフィルタFEMによる水位状況の推定解析の手順は、例えば次の1から9を実行することができる。 Then, the procedure for estimating and analyzing the water level situation using the extended Kalman filter FEM, taking into account the movement of the waterfront line, can be carried out, for example, as follows: 1 to 9.

(水位状況の解析手順)
1.解析メッシュ、水位状況の水位推定解析の時間刻みΔt、水位測定の時間間隔ΔT、基準水深、初期条件(流速、水位変動量)等の計算条件を入力する。水位状況の水位推定解析においてΔtとΔTは同値になっていることが好ましいが、ΔtとΔTが異なる場合は、時間刻みΔtごとに水位の測定値が与えられるように調整する。
2.水位の測定値{zn+1}を入力する。
3.ある時間ステップn+1における推定誤差共分散行列[P(-) n+1]の計算をする。(式(3))
4.ある時間ステップn+1におけるカルマンゲイン行列[K n+1]の計算をする。(式(4))
5.ある時間ステップn+1における予測誤差共分散行列[P(+) n+1]の計算をする。(式(5))
6.水際線の節点を含む要素(メッシュ)において、隣接節点に微小水深を与える。
7.ある時間ステップn+1における流速、水位変動量の推定値{φ^(-) n+1}の計算をする。(式(6))
8.ある時間ステップn+1における水位の測定値{zn+1}を用いて、流速、水位変動量の最適推定値{φ^(+) n+1}の計算をする。(式(7))
9.時間ステップを更新し(現時刻に時間刻みΔtを加え)、上記ステップ2に戻る。
(Water level analysis procedure)
1. Input the calculation conditions such as the analysis mesh, the time step Δt for the water level estimation analysis of the water level situation, the time interval ΔT for the water level measurement, the reference water depth, and the initial conditions (flow velocity, water level fluctuation). In the water level estimation analysis of the water level situation, it is preferable that Δt and ΔT have the same value, but if Δt and ΔT are different, adjust so that the measured water level value is given for every time step Δt.
2. Input the water level measurements {z n+1 }.
3. Calculate the estimation error covariance matrix [P (-) n+1 ] at a certain time step n+1 (Equation (3)).
4. Calculate the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] at a certain time step n+1 (Equation (4)).
5. Calculate the prediction error covariance matrix [P (+) n+1 ] at a certain time step n+1 (Equation (5)).
6. In elements (mesh) that contain nodes on the waterfront, minute water depths are assigned to adjacent nodes.
7. Calculate the estimated flow velocity and water level fluctuation amount {φ^ (-) n+1 } at a certain time step n+1 (Equation (6)).
8. Using the measured water level value {z n+1 } at a certain time step n+1, calculate the optimal estimated value {φ^ (+) n+1 } of the flow velocity and water level fluctuation. (Equation (7))
9. Update the time step (add a time step Δt to the current time) and go back to step 2 above.

水際線の移動を考慮しないカルマンフィルタFEMの具体的な計算順序は、例えば、日本機械学会論文集2016年82巻835号p.15に開示される具体的な手順を使って行うことができる。 The specific calculation sequence of the Kalman filter FEM that does not consider the movement of the waterfront can be performed using, for example, the specific procedure disclosed in Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 82, No. 835, p. 15, 2016.

(S43:水深推定)
一方、水深推定(S43)は、水域推定と同様の処理で実施でき、上記式(1)を計算した後、上記式(4)に示すカルマンゲイン行列と上記式(2)に示す観測値を用いて補正することで出力できる。
(S43: Water depth estimation)
On the other hand, water depth estimation (S43) can be performed using the same process as water area estimation, and after calculating the above equation (1), the result can be output by correcting it using the Kalman gain matrix shown in the above equation (4) and the observed value shown in the above equation (2).

(S5:水位状況推定データ表示)
また本方法では、(S5)水位状況推定データを表示するステップを有する。なおこれは、コンピュータが必然的に備えるモニタ、ディスプレイや、スマートフォンのディスプレイなどの表示部に水位状況推定データを表示させることをいう。
(S5: Display of estimated water level data)
This method also includes a step of (S5) displaying the water level status estimation data. This refers to displaying the water level status estimation data on a display unit such as a monitor or display that a computer necessarily has, or a display of a smartphone.

表示部6は、水位状況推定データ取得部4を有する情報処理装置から水位状況推定データを出力可能とするインタフェースを介して直接接続してもよく、ネットワークや通信回線を介して接続してもよい。 The display unit 6 may be directly connected via an interface that enables the output of water level status estimation data from an information processing device having the water level status estimation data acquisition unit 4, or may be connected via a network or communication line.

ここで、上記実施形態に係る水位状況推定方法について、実際のデータを用いて処理を行いその効果を確認した。以下具体的に説明する。 Here, the water level estimation method according to the above embodiment was processed using actual data to confirm its effectiveness. A detailed explanation is given below.

(評価実験1:水位データ記録部)
水路(長さ10m、幅0.4m)の一端にゲートを設置し、水塊を保持した。ゲートから0.25m、1m、2mの地点に水位を計測可能な検出部を設置した。検出部は水路に設置された水位板と高速度カメラ(1秒間に200枚の画像)により構成した。
(Evaluation experiment 1: Water level data recording section)
A gate was installed at one end of a waterway (10 m long, 0.4 m wide) to hold the water mass. A detector capable of measuring the water level was installed 0.25 m, 1 m, and 2 m from the gate. The detector consisted of a water level board installed in the waterway and a high-speed camera (taking 200 images per second).

水塊を水路に放水するためにゲートを瞬間的に開放した。開放したときの時刻をゼロ秒とし、全ての検出部を同時に計測し始めた。計測開始後は、画像データ記録部を有するコンピュータに画像データを記録した。記録した画像データから時間の連続する2枚の画像(図7に例示)を読み出し、2枚の画像とも水位板付近の同じ範囲の画像を切り出した。次いで、切り出した画像をそれぞれグレースケール化した、グレースケール化した2枚の画像とも、同じ明度閾値により2値化し、ノイズ処理後、水位板に刻まれた水位とノイズ処理により明確化された水面位置を比較し水位を取得した。 The gate was opened momentarily to release the water mass into the waterway. The time when the gate was opened was set to zero seconds, and measurements were started simultaneously for all detection parts. After measurements started, the image data was recorded in a computer with an image data recording unit. Two consecutive images (illustrated in Figure 7) were read out from the recorded image data, and images of the same range near the water level plate were cut out from both images. Next, the cut-out images were each grayscaled, and both grayscaled images were binarized using the same brightness threshold. After noise processing, the water level engraved on the water level plate was compared with the water surface position clarified by noise processing to obtain the water level.

図8は各地点における水位の時間変化を記録した結果である。瞬間的に開放され水面に大量の水しぶきを伴う状況であっても、ゲートから遠ざかるに従って、水位のピークが低くなることと、ピーク到達時間が遅くなっていることが確認できた。 Figure 8 shows the results of recording the change in water level over time at each point. Even in a situation where the gate was opened momentarily and a large amount of water splashed onto the water surface, it was confirmed that the peak water level became lower and the time it took to reach the peak became slower the further away from the gate.

(評価実験2-1:水位状況推定データ取得部)
水域における観測変数の設定、観測地点の数および位置を変え、カルマンフィルタ有限要素法による浅水域における流れ場の推定精度について検証を行った。
(Evaluation experiment 2-1: Water level estimation data acquisition section)
The accuracy of estimating flow fields in shallow water areas using the Kalman filter finite element method was verified by changing the settings of observation variables in the water area and the number and locations of observation points.

検証は検潮場より提供される水位情報を利用し、東京湾の水位状況推定を行った後、水位状況推定に利用しなかった検潮場より提供される水位情報と比較した。利用した水位データは、東京(2313)、千葉(3305)、横浜新港(3308)の3箇所(カッコ内数値はいずれも験潮場登録番号)。水位状況推定後に比較した水位データは、横須賀(3301)の験潮場のものを利用した。本検討では、メッシュデータは1種類のものを用いて、また観測地点データも1通りのものを採用した。 The verification used water level information provided by tide gauge stations to estimate the water level conditions in Tokyo Bay, and then compared this with water level information provided by tide gauge stations that were not used in the water level estimation. The water level data used was from three locations: Tokyo (2313), Chiba (3305), and Yokohama New Port (3308) (numbers in parentheses are all tide gauge station registration numbers). The water level data used for comparison after estimating the water level conditions was from the tide gauge station in Yokosuka (3301). In this study, one type of mesh data was used, and one set of observation point data was also adopted.

水深推定データの取得には、海図のデータを用いた。また、計算パラメータは表1の通りとした。 Depth estimation data was obtained using data from nautical charts. The calculation parameters were as shown in Table 1.

図9が流況推定解析すなわち水位状況推定を行った結果である。東京(2313)、千葉(3305)、横浜新港(3308)の3箇所の水位データを利用して推定した横須賀(3301)における水位状況推定データ(推定値)は、横須賀(3301)で観測された水位データ(観測値)によく一致することが確認できた。 Figure 9 shows the results of the flow estimation analysis, i.e., water level estimation. The estimated water level data (estimated value) in Yokosuka (3301), estimated using water level data from three locations, Tokyo (2313), Chiba (3305), and Yokohama New Port (3308), was confirmed to be in good agreement with the water level data (observed value) observed in Yokosuka (3301).

なお、上述3箇所の水位データを利用せず、従来の観測技術を使って得られた水位データを利用し高い数値粘性の効果を含む数値解析法により流況推定解析を行った結果が図10であり、推定した横須賀の水位データは一致しない結果となった。 Figure 10 shows the results of a flow estimation analysis using a numerical analysis method that includes the effect of high numerical viscosity, without using the water level data from the three locations mentioned above, but instead using water level data obtained using conventional observation techniques. The estimated water level data for Yokosuka did not match the results.

水位状況推定を行った結果、東京湾内の流速および水位変動量の分布も推定できた。(図11) As a result of estimating the water level conditions, we were also able to estimate the distribution of flow speed and water level fluctuations within Tokyo Bay. (Figure 11)

この実施例より、2次元平面のx、y方向流速および水位変動量を観測変数とした方が、水位変動量のみを観測変数にした場合に比べ精度の高い流れ場の推定結果が得られることがわかる。また、観測点の配置は、流れの上流側に配置することが、下流側に配置することに比べて、重要であることがわかる。 This example shows that using the x- and y-direction flow velocities on a two-dimensional plane and the water level fluctuation as observed variables produces more accurate flow field estimates than using only the water level fluctuation as an observed variable. It also shows that it is more important to place the observation point upstream of the flow than downstream.

(評価実験2-2:水位状況推定データ取得部)
画像解析から得た水位データを用いて、水際線の移動境界を考慮し、ダムブレイク問題に対して水位状況の推定解析を行った。(図12)
(Evaluation experiment 2-2: Water level estimation data acquisition section)
Using the water level data obtained from image analysis, we conducted an estimation analysis of the water level situation for the dam break problem, taking into account the moving boundary of the waterfront (Figure 12).

結果を図13および図14に示す。図13は(x=1.1m,y=0.2m)の結果であり、図14は(x=1.8m,y=0.2m)の結果である。この結果より、画像解析から得た水位データに近い水位の推定結果が得られることを確認できた。 The results are shown in Figures 13 and 14. Figure 13 shows the results for (x = 1.1 m, y = 0.2 m), and Figure 14 shows the results for (x = 1.8 m, y = 0.2 m). From these results, it was confirmed that the water level estimation results obtained were close to the water level data obtained from image analysis.

以上、本実施例により、本方法の有用性を確認することができた。 As a result of this example, the usefulness of this method was confirmed.

本発明は水位状況推定プログラム、水位状況推定システムおよび水位状況推定方法として産業上の利用可能性がある。高精度かつリアルタイムで氾濫域を推定することができ、本発明により開発した水位状況推定システムを整備しておくことにより、例えば、ゲリラ豪雨等における河川の氾濫や浸水災害において避難を適切に誘導できる。 The present invention has industrial applicability as a water level estimation program, a water level estimation system, and a water level estimation method. Flood areas can be estimated with high accuracy and in real time, and by preparing the water level estimation system developed according to the present invention, it is possible to appropriately guide evacuation in the event of river flooding or flooding disasters caused by sudden heavy rain, for example.

S、S’・・本システム
1・・・・・検出部
2・・・・・画像データ記録部
3・・・・・水位データ記録部
4・・・・・水位状況推定データ取得部
5・・・・・推定条件取得部
6・・・・・表示部


S, S'... System 1... Detection section 2... Image data recording section 3... Water level data recording section 4... Water level condition estimation data acquisition section 5... Estimation condition acquisition section 6... Display section


Claims (7)

水域の流れの上流側に配置した観測地点の画像データを記録するステップと、
前記画像データに基づき水位データを記録するステップと、
推定条件及び前記水位データに基づき拡張カルマンフィルタ有限要素法により水位状況推定データを作成するステップを有し、
前記拡張カルマンフィルタ有限要素法は、システム方程式に下記式(1)を使い、
時間ステップnにおける線形近似後の状態遷移行列[F ]と予測誤差共分散行列[P (+) ]に基づき、前記時間ステップnの次の時間ステップn+1における推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]を計算するステップと、
前記推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1におけるカルマンゲイン行列[K n+1 ]を計算するステップと、
前記推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]と前記カルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1における予測誤差共分散行列[P (+) n+1 ]を計算するステップを有し、
さらに、湿潤領域と乾いた領域とからなる水際境界の節点を含む要素において、隣接接点に微小水深を与えるステップを有し、
さらに、状態遷移行列[A]と前記時間ステップnにおける推定値ベクトル{φ^ (-) }に基づき、前記次の時間ステップn+1における推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }を計算し、前記推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }と前記水位データと前記カルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1における最適推定値ベクトル{φ^ (+) n+1 }を計算する
水位状況推定方法。
ここで、{φ}は状態ベクトル、nは時間ステップ、[A]は状態遷移行列、[Γ]は駆動行列、{q}はシステムノイズベクトルである。
recording image data from an observation point located upstream of a flow of a body of water ;
recording water level data based on the image data;
A step of creating water level state estimation data by an extended Kalman filter finite element method based on the estimation conditions and the water level data ,
The extended Kalman filter finite element method uses the following equation (1) as a system equation:
A step of calculating an estimated error covariance matrix [P (−) n+ 1 ] at the time step n+1 following the time step n based on the state transition matrix [F n ] after linear approximation at the time step n and the prediction error covariance matrix [P (+) n ];
calculating a Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimated error covariance matrix [P (−) n+1 ];
calculating a prediction error covariance matrix [P (+) n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P (−) n+1 ] and the Kalman gain matrix [K 1 n +1 ];
Further, the method includes a step of providing minute water depths to adjacent junctions in elements including nodes of waterfront boundaries consisting of wet and dry regions;
Furthermore, an estimate vector {φ^ (-) n +1 } at the next time step n+1 is calculated based on the state transition matrix [A] and the estimate vector {φ^ (-) n } at the time step n, and an optimal estimate vector {φ^ (+) n+1 } at the next time step n+1 is calculated based on the estimate vector {φ^ (-) n+1 } , the water level data, and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ].
Method for estimating water level conditions.
where {φ} is the state vector, n is the time step, [A] is the state transition matrix, [Γ] is the driving matrix, and {q} is the system noise vector.
前記水位データを記録するステップは、前記画像データに対し、2値化処理及びノイズを取り除く処理の少なくともいずれかを行う請求項1記載の水位状況推定方法。 2. The method for estimating water level conditions according to claim 1, wherein the step of recording the water level data includes performing at least one of a binarization process and a noise removal process on the image data. 前記水位状況推定データは、水域推定データと、水深推定データを含む請求項1記載の水位状況推定方法。 The water level estimation method according to claim 1, wherein the water level estimation data includes water area estimation data and water depth estimation data. 前記画像データを記録するステップは、浸水や氾濫が起こる前の状態の画像データと推定時画像データを記録し、
前記水位データを記録するステップは、前記推定時画像データに基づき前記水位データを記録する請求項記載の水位状況推定方法。
The step of recording the image data includes recording image data of a state before the inundation or flooding occurs and image data at the time of estimation,
2. The method for estimating water level conditions according to claim 1 , wherein the step of recording the water level data includes recording the water level data based on the image data at the time of estimation.
前記水位状況推定データを表示するステップを備える請求項1記載の水位状況推定方法。 The water level status estimation method according to claim 1, further comprising a step of displaying the water level status estimation data. 水域の流れの上流側の異なる観測地点に設置される複数の検出部と、
前記検出部からの出力に基づき画像データを記録する画像データ記録部と、
前記画像データを基に水位データを記録する水位データ記録部と、
推定条件及び前記水位データに基づき拡張カルマンフィルタ有限要素法により水位状況推定データを取得する水位状況推定データ取得部を備え
前記水位状況推定データ取得部では、前記拡張カルマンフィルタ有限要素法におけるシステム方程式に下記式(1)を使い、
時間ステップnにおける線形近似後の状態遷移行列[F ]と予測誤差共分散行列[P (+) ]に基づき、前記時間ステップnの次の時間ステップn+1における推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]を計算し、
前記推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1におけるカルマンゲイン行列[K n+1 ]を計算し、
前記推定誤差共分散行列[P (-) n+1 ]と前記カルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1における予測誤差共分散行列[P (+) n+1 ]を計算し、
さらに、湿潤領域と乾いた領域とからなる水際境界の節点を含む要素において、隣接接点に微小水深を与え、
さらに、状態遷移行列[A]と前記時間ステップnにおける推定値ベクトル{φ^ (-) }に基づき、前記次の時間ステップn+1における推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }を計算し、前記推定値ベクトル{φ^ (-) n+1 }と前記水位データと前記カルマンゲイン行列[K n+1 ]に基づき、前記次の時間ステップn+1における最適推定値ベクトル{φ^ (+) n+1 }を計算する
水位状況推定システム。
ここで、{φ}は状態ベクトル、nは時間ステップ、[A]は状態遷移行列、[Γ]は駆動行列、{q}はシステムノイズベクトルである。
A plurality of detection units are installed at different observation points on the upstream side of the flow of the water body ;
an image data recording unit that records image data based on an output from the detection unit;
a water level data recording unit that records water level data based on the image data;
a water level state estimation data acquisition unit that acquires water level state estimation data by an extended Kalman filter finite element method based on the estimation conditions and the water level data ;
In the water level state estimation data acquisition unit, the following equation (1) is used as a system equation in the extended Kalman filter finite element method,
Calculate an estimated error covariance matrix [P (−) n+ 1 ] at the time step n+1 following the time step n based on the state transition matrix [F n ] after linear approximation and the prediction error covariance matrix [P (+) n ] at the time step n;
Calculating a Kalman gain matrix [K 1 n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P (−) n+1 ];
calculating a prediction error covariance matrix [P (+) n+1 ] at the next time step n+1 based on the estimation error covariance matrix [P (−) n+ 1 ] and the Kalman gain matrix [K 1 n +1 ];
Furthermore, for elements that include nodes on the waterfront boundary consisting of wet and dry areas, a small water depth is given to the adjacent junctions,
Furthermore, an estimate vector {φ^ (-) n +1 } at the next time step n+1 is calculated based on the state transition matrix [A] and the estimate vector {φ^ (-) n } at the time step n, and an optimal estimate vector {φ^ (+) n+1 } at the next time step n+1 is calculated based on the estimate vector {φ^ (-) n+1 } , the water level data, and the Kalman gain matrix [K 1 n+1 ].
Water level estimation system.
where {φ} is the state vector, n is the time step, [A] is the state transition matrix, [Γ] is the driving matrix, and {q} is the system noise vector.
請求項1からのいずれか一項に記載の水位状況推定方法をコンピュータに実行させる水位状況推定プログラム。 A water level estimation program that causes a computer to execute the water level estimation method according to any one of claims 1 to 5 .
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倉橋貴彦,水際線の移動を考慮したカルマンフィルタFEMに基づく浅水域の流況推定解析,第32回計算力学講演会講演論文集(2019),Vol.32,日本,日本機械学会,2019年09月16日
辻倉 裕喜,非線形フィルタ理論に基づくデータ同化手法を応用した洪水予測手法に関する研究,博士論文,日本,京都大学,2017年03月23日,第1-40頁,http://hdl.handle.net/2433/225546,DOI: 10.14989/doctor.k20321

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