低コスト低信頼な水位計導入促進ための異常検知システム

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June 23, 2020

 低コスト低信頼な水位計導入促進ための異常検知システム

防災テックチャレンジ2020

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hassaku

June 23, 2020
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Transcript

  1. 防災テックチャレンジ 2020 【12 ⾃由提案】
 
 低コスト低信頼な水位計導入促進ための
 異常検知システムの提案
 
 hassaku


  2. 近年の河川氾濫の危険性増大や各自治体の人手不足を背景に
 低コストなIoT水位計の需要が高まっている
 将来:低コスト水位計が普及
 現状:不十分かつ高コストな監視体制 
 背景


  3. しかしながら、低コストが故の低信頼性が課題になり、
 将来の低コスト水位計の普及を妨げることが想定される
 背景


  4. 各水位計のデータ
 \ 異常発見! /
 そこで、低コスト水位計の普及促進に貢献することを目標として
 異常がありそうな水位計を特定するための技術を試作した
 提案内容


  5. 基本原理
 時間
 時間×地点数
 地点数
 ※事前確率、ハイパーパラメータの表示は省略 
 水位(観測)
 流入出量
 河川流量
 川幅等係数


    位置関係等係数
 雨量
 河川、水位、雨量の関係性をモデル化したグラフィカルモデル
 異常検知のための基本的な仕組みとして
 水位に関係しそうなデータを機械学習によりモデル化する手法を用いた
 水位と雨量のデータから、各要素の関係性 を学習し、水位の正常・異常の区別をつけら れるようにすることが目標

  6. 技術検証のために東京都が公開している実際のデータを利用
 水位データの計測間隔は10分毎 
 検証内容


  7. 妙正寺川沿いに設置された4箇所の水位計及び付近1箇所の雨量データを利用
 水位4地点(三角印) 
 雨量1地点(星印)
 4/1~5/31
 4/1~5/31
 検証内容
 


  8. 同じ川沿いの水位計同士は、相関関係をもちつつ、
 雨量・川幅・位置関係等に応じた変化を示す
 水位@鷺盛橋
 水位@妙正寺二上
 水位@上高田上
 水位@落合上
 雨量@中野
 雨量観測所
 上高田上
 落合上


    ←上流
 5/16
 5/27
 検証内容
 
 鷺盛橋
 妙正寺二上
 点線:実際の水位
 実線:水位計の数値 

  9. 仮に1地点(鷺盛橋)の水位計が故障したとして
 誤った水位データを記録する状況を想定(検証用に実データを加工)
 水位@鷺盛橋
 水位@妙正寺二上
 水位@上高田上
 水位@落合上
 雨量@中野
 雨量観測所
 鷺盛橋
 妙正寺二上


    上高田上
 落合上
 ←上流
 点線:実際の水位
 実線:水位計の数値 
 5/16
 5/29
 5/27
 検証内容
 
 雨が降った時の実際の水位(点線)と
 水位計の数値(実線)が合っていない!

  10. 時間
 時間×地点数
 地点数
 ※事前確率、ハイパーパラメータの表示は省略 
 水位(観測)
 流入出量
 河川流量
 川幅等係数
 位置関係等係数


    雨量
 河川、水位、雨量の関係性をモデル化したグラフィカルモデル
 MCMC法によるパラメータ推定
 河川流量
 川幅等係数
 流入出量
 位置関係等係数
 水位データの生成過程を、シンプルな階層ベイズモデルにて記述し、
 MCMC法により各種パラメータを推定
 検証内容
 

  11. パラメータ推定したモデルを用いると、
 観測するであろう水位を予測することが可能
 水位@鷺盛橋
 水位@妙正寺二上
 水位@上高田上
 水位@落合上
 雨量@中野
 雨量観測所
 鷺盛橋
 妙正寺二上


    上高田上
 落合上
 ←上流
 点線:実際の水位
 青線:水位計の数値 
 赤線:予測水位
 5/16
 5/29
 実際には水位が上昇しているのに、 
 故障によって、正しく計測出来ていない 
 検証内容
 雨が降った時の実際の水位(点線)と
 予測水位(赤線)がほぼ合っている

  12. 結果、予測した水位と実際の計測水位を比較するなどして
 異常のありそうな水位計を特定することが可能となる
 水位@鷺盛橋
 水位@妙正寺二上
 水位@上高田上
 水位@落合上
 雨量@中野
 雨量観測所
 鷺盛橋
 妙正寺二上


    上高田上
 落合上
 ←上流
 棒線:予測水位と計測水位の差 
 5/16
 5/29
 検証内容
 
 異常の可能性が一目瞭然

  13. まとめ
 • 低コスト水位計で懸念される低信頼性を担保するために、機械学習モデルによる 異常判別のための仕組みを提案
 • 実際の低コスト水位計や異常データに本手法を適用し、実用性を検証することが今 後の課題
 • また、更に大規模な河川ネットワークをモデル化し、水位計がない河川でも水位を ある程度推定出来るようにしたりして、年々増加する河川氾濫の防災に貢献してい

    きたい