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

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
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 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
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 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 
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 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