土木学会第68回年次学術講演会(平成25年9月)

CS4‑008

CommonMP を用いた実時間流出予測システムの試作

はじめに

京都大学大学院工学研究科

学生員

⃝湯浅大樹

京都大学大学院工学研究科

正員

立川康人

京都大学大学院工学研究科

正員

萬京都大学名誉教授

正員

椎葉充晴

和明

豪雨災害の被害を防止・軽減するため

は「流域要素」を有効降雨を分離した貯留関数法としには、降雨・流出を実時間において適確に予測することて、そこに「入力要素」、「出力要素」をつないだ流出が必要である。水工シミュレーションを高度化するためモデルを構築した。に、流域全体の流出シミュレーションモデルの共通プラ

3.211)

ットフォーム CommonMP

構造定義/プロジェクトファイルの作成

実時間が開発され、誰もが利用でで 自 動 的 に 予 測 計 算 を 行 う 際 に CUI 環 境 で 実 行 す れきるようになっている。本研究では、この CommonMP

ば 、CommonMP 以 外 の 様々な 計 算 機 プ ロ グ ラ ム を 組とそのアドインツールである水文水質データ取得ツー

み合わせて実時間流出予測システムを構築することがル を 用 い て 、新 た な 実 時 間 流 出 予 測 シ ス テ ム を 開 発できる。CommonMP では、水工シミュレーション計算する。

を行う際の要素構成や、パラメータ、初期値、計算期

2

流出モデルとフィルタリング手法

流出モデルと2)を用い、拡張カして有効降雨を分離した貯留関数法
ルマンフィルタ2)

間 な ど を 、構 造 定 義 ファイ ル と よ ば れ る XML 形 式 のファイルで管理する。そのため、実時間でシステムを運用する際には、計算を実行するごとに構造定義ファを用いて、観測データを得るごとにイルを更新すればよい。

状態量を修正する。実時間流出予測システムのアルゴ

3.3

リズムは以下のようになる。

観測 流 量・予 測 雨量 の 取 得「 入 力 要素 」に 設

定する雨量強度や、フィルタリング計算の際に必要と

1) 現在時刻を tk とする。

なる観測流量は、CommonMP のアドインツールであ2) 現在 時 刻 ま で の観測 降雨と 流量を 用いて tk におる「水文水質データベース取得ツール」を用いて、実ける状態量の最適推定値とその推定誤差分散を推時間で取得することにした。このツールを用いると、定する。(カルマンフィルタを適用)指定した観測所の観測データを 10 分毎に自動的に取3) 予 測 降 雨 を 与 え 、得 ら れ た 状 態 量 の 最 適 推 定 値得することができる。実時間でシステムを運用する際と そ の 推 定 誤 差 分 散 を 初 期 値 と し て 、将 来 時 刻には、予測計算を実施する機会ごとに、計算に必要なtk+i (i = 1, 2, · · · , M ; tk < tk+1 < · · · < tk+M ) の状

入力データのみ切り出すことにした。

態量 x(tk+i ) の最適推定値とその推定誤差分散を3.4求める。

フィルタリングおよび構造定義/プロジェクトファ

イルの更新

4) 流量の最適推定値とその推定誤差分散を求める。

オブジェクト指向スクリプト言語 Ruby

により、観測データファイルの情報の読み取りや、書

5) 現在時刻が tk+1 となったら、tk = tk+1 として 1)

き換えなどの一連の処理を実行することができる。こに戻る。の Ruby を用 い て 、「デ ー タ の 必 要 部 分 を 切 り 出 す 」、

3

実時間流出予測システムの構築
流出モデルの構築「構造定義/プロジェクトファイルなどを計算機会ごとCommonMP はコンピュータに更新する」、「フィルタリングを行う」など、一連の画面上の簡単な操作で流出モデルを構築することがで実時間処理を行うスクリプトファイルを用意した。流きる。流域での貯留・流出現象を再現する「流域要素」、出予測システムの全体図を図 1 に示す。

3.1

降雨強度などの「流域要素」の入力データを設定する
システム試行結果と考察対象となる河川は、三「入力要素」、流出量などの「流域要素」の出力データ4を設定する「出力要素」を相互に接続して、対象流域重県から京都府へ流れる淀川水系の支流である木津の流出モデルをプロジェクトとして構築する。ここで川上流の依那古上流域とし、パラメータは同対象流域

キーワード

実時間流出予測, CommonMP, 水文水質データ取得ツール, 河川流量予測, カルマンフィルタ

連絡先〒 615-8540 京都市西京区京都大学桂 C クラスター C1 棟‑15‑土木学会第68回年次学術講演会(平成25年9月)

CS4‑008

図13)を用いた高棹らシステム全容図2

時間毎の計算結果の論文を参考にして、流域面積 A =2149.4km 、貯留係数 K = 11.1 、貯留係数 p = 0.6 、 飽
和雨量 Rsa = 0mm、遅滞時間 TL = 1h 、基底流量 Qb= 0.85m3 s−1 、タイムステップ ∆t = 60s 、観測誤差分
散 R = 1m6 s−2 、シ ス テ ム ノ イ ズ w = 5mm2 h−2 と した。また、初期貯留高 s0 = 12.5mm、初期貯留高誤差分
散 P0 =1mm2 、観測誤差の定係数 G = 1 とした。

4.1

流出モデルに注目した考察

図 2 は毎時 6 時間

先までの予測結果を 1 時間ごとに示したものである。

図3

1 時 か ら 10 時 ま で の 洪 水 前 半 で 予 測 値 が 観 測 値 を 上時間毎の計算結果（フィルタリングなし）回 り、後 半 で 予 測 値 が 観 測 値 を 下 回 る 結 果 で あった 。
これは今回のシステム試行では、Rsa =0 として有効降解決するためには、R の値に、その時刻での流量に応雨を考慮していないためだと考えられる。有効降雨モじて修正を加えていく必要がある。

デルでは、累積の雨量が飽和雨量 Rsa に達していない

5

6:00 付近では、有効降雨として流出量が制限され、流の構築と実時間での観測データの取得を行い、Ruby で量 の 増 加 が 緩 や か で あ る が 、11:00 以 降 で は Rsa に 既

カルマンフィルタや入出力データの実時間ファイル処に達し、降雨が直接流出に寄与するために流量が急増理を行う実時間流出予測システムを試作した。この実しており、この現象の説明がつく。今後、土壌の乾湿時間システムは、パーソナルコンピュータとインターを組み込んだ実時間予測システム、あるいは連続時間ネットにつながる環境があれば容易に稼働させることの運用により適した流出モデルを導入することを考えができる。過去の実際の洪水データをもとに予測シスる必要がある。

テムを試行し、その実用性を確認した。今後は、予測4.2フィルタリングに注目した考察

おわりに本研究では、CommonMP で流出モデル精度の向上に着目し、流出モデルの構造やノイズの与フィルタリングを行わなかった場合の予測結果を、図 3 に示す。フィル

え方を改善していく予定である。

タリングした結果と比較して、予測値と観測値に大き参考文献な差が ある ことは明らかであり、この結果より、フィルタリングは正常に機能していることを確認できた

1) 国 土 交 通 省 国 土 技 術 政 策 総 合 研 究 所 : CommonMP,
http://framework.nilim.go.jp/ (2013.04.05 確認)が、11:00 以降はフィルタリングの効果が小さくなって

2) 椎葉充晴, 立川康人, 市川温 : 水文学, 水工計画学, 京都大いる。これは 11:00 以降では 10:00 以前と比べ事前推定

学学術出版会, 2013.

誤差分散 Pk|k−1 の値が、予め設定していた R=1m6 s−23) 高棹琢馬、椎葉充晴, 立川康人, 小南佳明: 貯留関数パラ
メータの不確定さを考慮した実時間流出予測手法, 水工よりもかなり小さくなっており、観測値による修正の学論文集, 第 40 巻, pp. 319–320, 1996.

度合いが小さくなったためと考えられる。この問題を‑16‑