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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

hassaku
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

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


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  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


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  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


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  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


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  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


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  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


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  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


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  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

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  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!


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  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


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  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


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  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


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  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


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