[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP7599018B2 - Rainwater infiltration rate estimation device, rainwater infiltration rate estimation method, and program - Google Patents

Rainwater infiltration rate estimation device, rainwater infiltration rate estimation method, and program Download PDF

Info

Publication number
JP7599018B2
JP7599018B2 JP2023528931A JP2023528931A JP7599018B2 JP 7599018 B2 JP7599018 B2 JP 7599018B2 JP 2023528931 A JP2023528931 A JP 2023528931A JP 2023528931 A JP2023528931 A JP 2023528931A JP 7599018 B2 JP7599018 B2 JP 7599018B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
rainfall
area
infiltration rate
data
rainwater infiltration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023528931A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2022264422A1 (en
Inventor
明和 大西
倫太郎 江口
隆雄 田辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NJS Co Ltd
Original Assignee
NJS Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NJS Co Ltd filed Critical NJS Co Ltd
Publication of JPWO2022264422A1 publication Critical patent/JPWO2022264422A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7599018B2 publication Critical patent/JP7599018B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E03WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03FSEWERS; CESSPOOLS
    • E03F1/00Methods, systems, or installations for draining-off sewage or storm water
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06Energy or water supply

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Sewage (AREA)

Description

特許法第30条第2項適用 令和2年6月20日 刊行物「環境浄化技術 2020年7・8月号,第19巻,第4号,通巻156号,第44~48頁」における公開 Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act June 20, 2020 In the publication “Environmental Purification Technology July/August 2020 Issue, Volume 19, No. 4, Volume 156, Pages 44-48” public

特許法第30条第2項適用 令和2年7月27日 刊行物「第57回下水道研究発表会講演集,第652~654頁」における公開Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied July 27, 2020 Disclosure in the publication "Proceedings of the 57th Sewerage Research Presentation Conference, pages 652-654"

本発明は、下水道管路における雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムに適用することができる、雨天時浸入水率推定装置、雨天時浸入水率推定方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a rainwater infiltration rate estimation device, a rainwater infiltration rate estimation method, and a program that can be applied to a system for narrowing down the area where rainwater infiltration occurs in sewerage pipes.

雨水を排除するための雨水管と、汚水を下水(汚水)処理場へと流すための汚水管とが分離された分流式下水道において、雨天時に雨水が汚水管に浸入すると(雨天時浸入水)、下水道施設に流入する水量が増大し、汚水管路からの溢水や処理施設の負担増加等の問題が生じる。これらは、下水処理費用の増大、公共用水域の水質悪化、溢水による公衆衛生の悪化または浸水被害等の原因となることから対策が強く求められている。今後、汚水管の老朽化により、雨天時浸入水が増加することが予想される。効率的に雨天時浸入水を減らすためには、下水道を管理する事業体の対象地域全体から発生領域を絞り込んだ上で対策を実施する必要がある。その一方で発生領域を絞り込むための実地調査は費用が掛かりすぎるため、低コストかつ高精度な発生領域の絞り込み方法が必要となっている。In a separate sewer system where the storm drain pipes for draining rainwater and the sewage pipes for draining sewage to a sewage (sewage) treatment plant are separated, if rainwater infiltrates into the sewage pipes during rainy weather (rainy weather infiltration), the amount of water flowing into the sewerage facility increases, causing problems such as overflow from the sewage pipes and increased burden on the treatment facility. These problems are strongly required as they can cause an increase in sewage treatment costs, deterioration of the water quality of public water areas, deterioration of public health due to overflow, and flood damage. In the future, it is expected that the amount of rainy weather infiltration will increase due to the deterioration of the sewage pipes. In order to efficiently reduce rainy weather infiltration, it is necessary to implement measures after narrowing down the generation area from the entire target area of the business entity that manages the sewerage system. On the other hand, since field surveys to narrow down the generation area are too expensive, a low-cost and highly accurate method of narrowing down the generation area is required.

特許文献1においては、対象地域から下水道に流入する不明水の発生分布を推定する不明水発生分布推定装置において、パターンマッチング分析を行うことにより各地区における不明水発生分布を得る装置が記載されている。しかしながら、対象地域を複数の区域(メッシュ)に細分化し機械学習モデルを用いて雨天時の浸入水率を推定するための具体的な手法は従来提供されていない。 Patent Document 1 describes an unknown water occurrence distribution estimation device that estimates the occurrence distribution of unknown water flowing into a sewerage system from a target area, and obtains the unknown water occurrence distribution in each district by performing pattern matching analysis. However, no specific method has been provided so far for dividing a target area into multiple areas (meshes) and estimating the infiltration rate during rainy weather using a machine learning model.

特許第3857670号Patent No. 3857670

以上に鑑み、本発明は、複数の区域に分割される対象地域において複数の区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定装置、雨天時浸入水率推定方法、及びプログラムとして、機械学習を行った推定モデルを用いて推定をする装置、方法、及びプログラムを提供することを課題とする。In view of the above, the present invention aims to provide a rain-time water infiltration rate estimation device, a rain-time water infiltration rate estimation method, and a program that estimates a rain-time water infiltration rate, which corresponds to the ratio of the amount of water infiltration during rainfall to the amount of rainfall, defined for each of a plurality of areas in a target area divided into a plurality of areas, and that performs estimation using an estimation model that has been subjected to machine learning.

上記課題を解決するべく、本発明は、複数の区域に分割される対象地域において区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定装置であって、区域の各々に対して定義される変数であって、区域の各々における降水量の関数である流入対象雨量を含む変数のデータを取得する、変数データ取得部と、雨天時浸入水率推定部であって、変数データ取得部が取得した、区域の各々における変数のデータと、雨天時浸入水率と変数との過去のデータを教師データとして機械学習を行った、変数から雨天時浸入水率を推定する推定モデルとを用いて、区域の各々における雨天時浸入水率を推定する、雨天時浸入水率推定部とを備える、雨天時浸入水率推定装置を提供する。In order to solve the above problem, the present invention provides a rainwater infiltration rate estimation device that estimates a rainwater infiltration rate, which is defined for each of a target area divided into a plurality of areas and corresponds to the ratio of the amount of infiltration water during rainfall to the amount of rainfall, and the device includes a variable data acquisition unit that acquires data on variables defined for each of the areas, the variables including the inflow target rainfall, which is a function of the amount of precipitation in each of the areas, and a rainwater infiltration rate estimation unit that estimates the rainwater infiltration rate for each of the areas using the data on the variables for each of the areas acquired by the variable data acquisition unit and an estimation model that estimates the rainwater infiltration rate from the variables, the estimation model being trained by machine learning using past data on the rainwater infiltration rate and the variables as training data.

推定モデルは、雨天時浸入水率と変数との過去のデータを教師データとして2以上の降雨パターンの各々に対応して各々が別個に機械学習を行った2以上の別個のパターン別推定モデルのうち、対象降雨の降雨パターンに対応するパターン別推定モデルであってよい。The estimation model may be a pattern-specific estimation model corresponding to the rainfall pattern of the target rainfall, among two or more separate pattern-specific estimation models each of which has been machine-learned separately for two or more rainfall patterns using past data on rainfall infiltration rates and variables as training data.

機械学習の学習アルゴリズムは、ランダムフォレスト又はニューラルネットワークであってよい。 The machine learning learning algorithm may be a random forest or a neural network.

雨天時浸入水率推定装置は、変数データ取得部により取得された区域の各々における降水量の関数である流入対象雨量のデータと、雨天時浸入水率推定部による推定により得られた区域の各々における雨天時浸入水率の推定値とを用いて、区域の各々における雨天時浸入水量の推定値を算出する、雨天時浸入水量算出部を更に備えてよい。The rainwater infiltration rate estimation device may further include a rainwater infiltration amount calculation unit that calculates an estimated value of the amount of rainwater infiltration in each area using data on the inflow target rainfall, which is a function of the amount of precipitation in each area acquired by the variable data acquisition unit, and an estimated value of the rainwater infiltration rate in each area obtained by estimation by the rainwater infiltration rate estimation unit.

降水量の関数は、各々の区域において、降水量と、面積とを用いて算出される流入対象雨量であってよい。 The function of precipitation may be the inflow target rainfall calculated using the precipitation and area in each region.

また本発明は、上述のいずれかの雨天時浸入水率推定装置において、雨天時浸入水率推定部による推定により得られた区域の各々における雨天時浸入水率の推定値を日時と関連付けて時々刻々と記憶する、雨天時浸入水率記憶部と、雨天時に下水関連施設に流入する流入水の、基準時点よりも一定時間後の将来時点での流入量を推定する、下水関連施設流入量推定部であって、各々の区域から下水関連施設への流達時間に応じて各々の区域に対して決定される日時における、各々の区域の予測降水量又は実績降水量と、各々の区域の面積と、各々の区域に対する浸透率と、流達時間に応じて各々の区域に対して決定される日時における、各々の区域の雨天時浸入水率の推定値と、流達時間に応じて各々の区域に対して推定される日時における、晴天時流入量とを用いて後の時点での流入量を推定する、下水関連施設流入量推定部とを更に備えた、下水関連施設流入量推定装置を提供する。The present invention also provides a sewage-related facility inflow estimation device, which is any of the above-mentioned devices for estimating water infiltration rates during rainy weather, further comprising: a rainy weather infiltration rate storage unit that stores from moment to moment an estimated value of the rainy weather infiltration rate for each area obtained by estimation by the rainy weather infiltration rate estimation unit in association with date and time; and a sewage-related facility inflow estimation unit that estimates the inflow volume of inflow water flowing into a sewage-related facility during rainy weather at a future time point that is a certain time later than a reference time point, and which estimates the inflow volume at a later time point using the predicted precipitation or actual precipitation for each area at a date and time determined for each area in accordance with the flow arrival time from each area to the sewage-related facility, the area of each area, the infiltration rate for each area, the estimated value of the rainy weather infiltration rate for each area at a date and time determined for each area in accordance with the flow arrival time, and the sunny weather inflow volume at a date and time estimated for each area in accordance with the flow arrival time.

また本発明は、複数の区域に分割される対象地域において区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定装置が実行する推定方法であって、区域の各々に対して定義される変数であって、区域の各々における降水量の関数である流入対象雨量を含む変数のデータを取得する、変数データ取得工程と、雨天時浸入水率推定工程であって、変数データ取得工程で取得した、区域の各々における変数のデータと、雨天時浸入水率と変数との過去のデータを教師データとして機械学習を行った、変数から雨天時浸入水率を推定する推定モデルとを用いて、区域の各々における雨天時浸入水率を推定する、雨天時浸入水率推定工程とを備える、雨天時浸入水率推定方法を提供する。The present invention also provides an estimation method for estimating a water infiltration rate during rainfall, which is executed by a water infiltration rate estimation device for estimating a water infiltration rate during rainfall, which is defined for each of a target area divided into a plurality of areas and corresponds to the ratio of the amount of water infiltration during rainfall to the amount of rainfall, the method comprising: a variable data acquisition step for acquiring data on variables defined for each of the areas, the variables including the inflow target rainfall, which is a function of the amount of rainfall in each of the areas; and a water infiltration rate estimation step for estimating the water infiltration rate during rainfall for each of the areas using the data on the variables for each of the areas acquired in the variable data acquisition step and an estimation model for estimating the water infiltration rate during rainfall from the variables, which has been subjected to machine learning using past data on the water infiltration rate during rainfall and the variables as training data.

また本発明は、複数の区域に分割される対象地域において区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、区域の各々に対して定義される変数であって、区域の各々における降水量の関数である流入対象雨量を含む変数のデータを取得する、変数データ取得手順と、雨天時浸入水率推定手順であって、変数データ取得手順で取得した、区域の各々における変数のデータと、雨天時浸入水率と変数との過去のデータを教師データとして機械学習を行った、変数から雨天時浸入水率を推定する推定モデルとを用いて、区域の各々における雨天時浸入水率を推定する、雨天時浸入水率推定手順とを実行させるためのプログラムを提供する。The present invention also provides a program for causing a computer to execute a rain-time water infiltration rate estimation method for estimating a rain-time water infiltration rate, which corresponds to the ratio of rain-time water infiltration rate to rainfall, defined for each of a target area divided into a plurality of areas, the program including a variable data acquisition step for acquiring data on variables defined for each of the areas, the variables including inflow target rainfall, which is a function of precipitation in each of the areas, and a rain-time water infiltration rate estimation step for estimating the rain-time water infiltration rate for each of the areas using data on variables for each of the areas acquired in the variable data acquisition step and an estimation model for estimating the rain-time water infiltration rate from the variables, which has been subjected to machine learning using past data on the rain-time water infiltration rate and the variables as training data.

本発明によれば、機械学習モデルを活用して対象地域内の区域ごとに浸入水率を推定することにより雨天時浸入水の発生領域を実地調査なし若しくは最小限の実地調査で絞り込むことが可能となる。これにより、従来はコストがかかりすぎて困難であった、対象地域全体を対象とした対策優先区域の合理的な絞り込みを可能とする。このことで下水管(汚水管)の修理、交換等のメンテナンスを効率化することができる。
また一態様においては、区域ごとの浸入水率とリアルタイムの降水量および予測降水量をもとに下水処理場、雨水ポンプ場を含む下水処理施設の雨天時の流入量予測が可能となる。
流入量の急変を高精度に予測することで、先を見越した運転制御が可能となり運転員の作業負荷とエネルギー消費を軽減できる。また処理しきれない量の流入に対しても、事前に予測することで対応を検討する時間が得られ、浸水や設備の損傷など、発生する損害の軽減が可能となる。
According to the present invention, by utilizing a machine learning model to estimate the infiltration rate for each area in a target area, it is possible to narrow down the area where infiltration occurs during rainy weather without on-site investigation or with a minimum of on-site investigation. This makes it possible to rationally narrow down the priority areas for countermeasures from the entire target area, which was previously difficult due to the high cost. This makes it possible to efficiently carry out maintenance such as repairs and replacements of sewer pipes (sewage pipes).
In one embodiment, it is possible to predict the inflow of sewage treatment facilities, including sewage treatment plants and storm water pumping stations, during rainy weather based on the infiltration water rate for each area, real-time precipitation, and predicted precipitation.
By accurately predicting sudden changes in inflow volume, it becomes possible to control operations in advance, reducing the workload of operators and energy consumption. In addition, by predicting in advance the inflow volume that cannot be handled, time is gained to consider how to respond, making it possible to reduce damage caused by flooding or damage to facilities.

雨天時浸入水率推定装置の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a rainwater infiltration rate estimation device. 雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a system for narrowing down the area where water intrusion occurs during rainfall. 雨天時浸入水率推定装置によって実行される学習段階の動作フローを示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operation flow of a learning stage executed by the rainwater infiltration rate estimation device. 雨天時浸入水率推定の対象地域が複数の区域(メッシュ)に分割されることを示す概念図。A conceptual diagram showing that the area for estimating water infiltration rates during rainfall is divided into multiple areas (meshes). 複数の区域に分割された対象地域における、下水(汚水)処理場と下水道管路(汚水管)との配置を示す図。A diagram showing the layout of sewage (wastewater) treatment plants and sewerage pipelines (wastewater pipes) in a target area divided into multiple districts. 雨天時浸入水率推定装置によって実行される運用段階の動作フローを示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operational flow of the operation phase executed by the rainfall water infiltration rate estimation device. 学習アルゴリズムの一例として、ランダムフォレストの概念(学習段階)を説明する図。A diagram explaining the concept (learning stage) of random forest as an example of a learning algorithm. 学習アルゴリズムの一例として、ランダムフォレストの概念(運用段階)を説明する図。A diagram explaining the concept of random forest (operational stage) as an example of a learning algorithm. 学習アルゴリズムの一例として、ニューラルネットワークの概念を説明する図。FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a neural network as an example of a learning algorithm. 現在時刻より一定時間後の将来時点での下水関連施設流入量推定の概念を説明する図。FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of estimating the inflow volume to a sewage-related facility at a future point in time that is a certain time period after the current time. 雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの画面イメージ(降雨)。A screen image of the system for narrowing down the area where water infiltration occurs during rainfall (rainfall). 雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの画面イメージ(モデル作成・学習実行)。A screen image of the system for narrowing down the areas where water intrusion occurs during rain (model creation and learning execution). 雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの画面イメージ(学習結果)。A screen image of the system for narrowing down the areas where water intrusion occurs during rain (learning results). 雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの実施例における解析結果を示す図。13A and 13B are diagrams showing analysis results in an embodiment of a system for narrowing down the area where water intrusion during rain is occurring. 解析結果と実測値の浸入水率の比較結果を示すグラフ。Graph showing a comparison of the analysis results and the actual measured water infiltration rates. 解析結果と実測値の浸入水率の比較結果を示す表。A table showing a comparison of the analysis results and actual measured water infiltration rates. 分流式下水道を説明する概略図。Schematic diagram explaining a separate sewer system. 降雨と雨天時浸入水発生の時間差を説明する図(処理場への流入量、及び領域ごとの雨量)。A diagram explaining the time difference between rainfall and the occurrence of infiltration water during rainy weather (amount of inflow to the treatment plant and amount of rainfall per area).

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限られるわけではなく、請求の範囲の記載によって定められることに留意する。例えば以下の実施形態中で用いる式はあくまで例であり、それらの式を用いることは本発明の実施において必須ではない。例えば、雨天時浸入水率推定のために用いる機械学習モデルは、降雨パターンごとに別個に作成するのではなく1つのみのモデルを作成してどのような降雨パターンの降雨であるかにかかわらずその1つのモデルを用いて浸入水率の推定を行うこととしてもよい。機械学習モデルを生成するための機械学習アルゴリズムも、後述のランダムフォレスト、ニューラルネットワークに限らず任意のアルゴリズムであってよい。説明変数等の選択も任意である。各データのデータ形式も、CSV(Comma Separated Value)形式のファイル等、任意の形式であってよい。各々の機能部は、単独のハードウェアによって実現されてもよいし、2以上のハードウェアにより実現されてもよいし、後述のとおり複数の機能部が1つのハードウェアにより実現されてもよい。なお、本明細書中、「水」とは純水であってもよいし、汚水等の下水、或いは雨水等、任意の不純物等を任意に含む水であってもよい。また、水量については1トン=1m3として質量の単位(t)であらわしている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the scope of the present invention is not limited to the following embodiment, but is defined by the description of the claims. For example, the formulas used in the following embodiment are merely examples, and the use of these formulas is not essential in carrying out the present invention. For example, the machine learning model used to estimate the infiltration rate during rainy weather may be created by creating only one model rather than creating a model for each rainfall pattern, and estimating the infiltration rate using that one model regardless of the rainfall pattern. The machine learning algorithm for generating the machine learning model may be any algorithm, not limited to the random forest and neural network described below. The selection of explanatory variables, etc. is also arbitrary. The data format of each data may be any format, such as a CSV (Comma Separated Value) format file. Each functional unit may be realized by a single hardware unit, or may be realized by two or more hardware units, or multiple functional units may be realized by one hardware unit as described below. In this specification, "water" may be pure water, or may be water containing any impurities, such as sewage such as polluted water, rainwater, etc. The amount of water is expressed in mass units (t), with 1 ton = 1 m3 .

図17は、分流式下水道を説明する図である。分流式下水道においては、下水道管(汚水管)1000と雨水管1100とが分離されている。住宅、ビルディング等から排出された汚水は下水道管1000を通って下水(汚水)処理場1001へと集められ、下水処理場1001において下水処理された後、海や河川へと放出される。他方、雨水は、雨水管1100を通って海や河川などの公共用水域へ直接放流されるかまたは雨水ポンプ場1101へと集められ、雨水ポンプ場1101において砂やごみが取り除かれたうえで海や河川などの公共用水域へと放出される。ここで、下水道管1000に経年劣化等により不良箇所(ひび、破損、孔等)1002が生じていると、不良箇所1002を通って下水道管1000に地中に浸透した雨水が浸入することがあり、これにより下水処理場1001の処理負担が増大したり、公共用水域の水質悪化、溢水による公衆衛生の悪化または浸水被害等の問題が生じたりするがある。 Figure 17 is a diagram explaining a separate sewer system. In a separate sewer system, a sewer pipe (sewage pipe) 1000 and a storm water pipe 1100 are separated. Sewage discharged from houses, buildings, etc. is collected through the sewer pipe 1000 to a sewage (sewage) treatment plant 1001, where it is treated and then discharged into the sea or a river. On the other hand, rainwater is either discharged directly into a public water area such as the sea or a river through the storm water pipe 1100, or collected at a storm water pumping station 1101, where sand and garbage are removed and then discharged into a public water area such as the sea or a river. Here, if the sewer pipe 1000 has a defective portion (crack, break, hole, etc.) 1002 due to deterioration over time or the like, rainwater that has seeped into the ground may enter the sewer pipe 1000 through the defective portion 1002, which may increase the processing burden of the sewage treatment plant 1001, cause a deterioration in the water quality of public water areas, a deterioration in public health due to overflow, or cause problems such as flooding damage.

図18は、降雨と下水処理場における雨天時浸入水発生の時間差を説明する図である。図17のグラフ中、横軸は時刻を表し、縦軸は下水処理場1001への或る区域からの流入量(t)(晴天時流入量+雨天時浸入水)を示す。グラフ中、「雨量」は該当する時刻の領域ごと降水量の平均(流達時間は考慮していない)であり、「雨天時浸入水量」は、「流入量の実測値-晴天時流入量」の計算で算出する。「晴天時流入量」は、3か月分の流入量の平均とする(曜日別などを考慮)。晴天時流入量は、季節、気象条件、曜日等に応じて推定可能な量であり、以下の実施形態においては既知(推定値が既に得られている)の量として扱う。雨天時浸入水は、後述のとおり機械学習モデルを用いて推定される雨天時浸入水率を用いて算出可能な浸入水(の量)である。図18のグラフに示すとおり、降雨時の降水量がピークとなる時刻と、処理場への雨天時浸入水量がピークとなる時刻との間には時間差が生じるが、これは、下水処理場1001へと繋がる下水道管を通って雨天時浸入水が下水処理場1001に到達するまでにかかる時間(流達時間)と関連する。該当降雨の該当時刻における各領域の浸入水量Aを求め、これを機械学習の正解として学習を実施することができる。
A=(当該領域の雨量)/Σ全領域(領域ごとの雨量)×(雨天時浸入水量)
ただし、上式中、「領域ごとの雨量」においては流達時間を考慮する(図18も参照)。
FIG. 18 is a diagram for explaining the time difference between rainfall and the occurrence of rainwater infiltration in a sewage treatment plant. In the graph of FIG. 17, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the inflow (t) (inflow in fine weather + inflow in fine weather) from a certain area to the sewage treatment plant 1001. In the graph, "rainfall" is the average of the precipitation for each area at the corresponding time (run-off time is not taken into account), and "rainwater infiltration amount" is calculated by calculating "actual measured inflow amount - inflow amount in fine weather". "Inflow amount in fine weather" is the average of inflow amounts for three months (taking into account days of the week, etc.). The inflow amount in fine weather is an amount that can be estimated depending on the season, weather conditions, day of the week, etc., and is treated as a known amount (an estimated value has already been obtained) in the following embodiment. The inflow amount in rainwater is (the amount of) inflow water that can be calculated using the rainwater infiltration rate estimated using a machine learning model as described later. 18, there is a time difference between the time when the amount of precipitation during rainfall peaks and the time when the amount of rainwater infiltrating into the treatment plant peaks, which is related to the time (run-off time) it takes for the rainwater infiltrating through the sewer pipes leading to the sewage treatment plant 1001 to reach the sewage treatment plant 1001. The amount of infiltrating water A for each area at the relevant time of the relevant rainfall is calculated, and learning can be carried out using this as the correct answer for machine learning.
A = (rainfall in the area) / Σ total area (rainfall in each area) × (amount of water infiltrating during rain)
However, in the above formula, the arrival time is taken into consideration for the "rainfall per region" (see also FIG. 18).

対象地域の複数の区域(メッシュ)への分割
図4は、雨天時浸入水率推定の対象地域が複数の区域(メッシュ)に分割されることを示す概念図であり、図5は、複数の区域に分割された対象地域における、下水(汚水)処理場と下水道管路(汚水管)との配置を示す図である。以下においては1つ1つの区域が50m四方の正方形区域であるとする(図4は、説明のための概念図であり、区域の形状の正確性は考慮していない)が、区域の形状やサイズは任意に定めることができる。「対象地域」とは、雨天時浸入水率の推定を行う対象となる任意の地域であり、対象地域を複数の区域に分割することにより、複数の区域の集合体として対象地域をとらえることができる。図5の例においては、区域49,51のような、8×11=88個の矩形区域(一辺の長さが50mの正方形区域とする)の集合体として対象地域が与えられる。また、図4、図5では対象地域を矩形で示しているが、通常は48に示す処理場またはポンプ場に流入する地域全域が対象地域であり、不定形となる。
Division of the target area into multiple areas (meshes) FIG. 4 is a conceptual diagram showing that the target area for estimating the infiltration rate during rainy weather is divided into multiple areas (meshes), and FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of sewage (sewage) treatment plants and sewerage pipelines (sewage pipes) in the target area divided into multiple areas. In the following, each area is assumed to be a square area of 50 m on each side (FIG. 4 is a conceptual diagram for explanation, and the accuracy of the shape of the area is not taken into consideration), but the shape and size of the area can be determined arbitrarily. The "target area" is any area that is the subject of the estimation of the infiltration rate during rainy weather, and by dividing the target area into multiple areas, the target area can be captured as a collection of multiple areas. In the example of FIG. 5, the target area is given as a collection of 8×11=88 rectangular areas (square areas with a side length of 50 m), such as areas 49 and 51. Although the target area is shown as a rectangle in Figs. 4 and 5, the target area is usually the entire area flowing into the treatment plant or pump station shown in 48, and has an irregular shape.

雨天時浸入水率
各区域において個別に定義される「雨天時浸入水率」とは、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する量であり、或る区域における「雨天時浸入水率」とは、以下の(1)式

Figure 0007599018000001
で定義される「雨天時浸入水率」のことである(上記(1)式の雨天時浸入水率に100を乗じることにより百分率で表すこともある)。ただし、既に述べたとおり「t」は重さの単位のトンである(1トン=1000kg)。(1)式中、「雨天時浸入水量」とは、上記或る区域(当該区域)に降った雨水のうち、下水道管に流れ込む雨水の量(重さ。単位はトン)である。(1)式中の「降水量(t)」は、上記或る区域に降った雨水の量(重さ。単位はトン)である。なお、以下において「流入対象雨量」とは、当該区域における降水量(mm)や、当該区域の面積(m2)、そして後述のとおり当該区域の用途(建物、道路、河川・池、その他)に応じて所定のルールで算出される当該区域の浸透率(0以上、1以下の値)を用いて、個別の区域ごとに以下の(2)式
Figure 0007599018000002
で定義される(雨水の密度を、1000kg/m3と仮定した。雨水、或いは下水等の密度が異なる場合は、(2)式で得られた値に適宜密度を乗じる等して補正すればよい。他の式においても同様。)。なお、ここでは流入対象雨量をt(トン)の単位で示しているが、(2)式中、区域の降水量(mm)は現在の例においては1時間あたりの降水量(1時間降った雨水がどこにも流れ出すことなく、その場所にたまった場合の水の深さ)と同じであるから、流入対象雨量(t)も1時間あたりの流入対象雨量を意味することに留意する。同様に、(1)式の浸入水量(t)も、現在の例においては1時間あたりの浸入水量を意味する。後述の各式における(処理場の)流入対象雨量、浸入水量、下水関連施設への流入量等も同様に時間あたりの量を示すことに留意する。また区域の降水量とは、例えば一辺が50mの区域内における1時間あたりの降水量(mm)であるが、降雨データを後述のXRAINから取得する場合は、XRAINの降雨データが250m×250mの区域単位で与えられるため、50m×50mの区域25個において1つの降水量(mm)が対応することとなる(25個の区域に同じ値の降水量を割り当てるか、または隣接するXRAINの区域における降水量との差を考慮して傾斜した降水量を割り付ける)。The " rainwater infiltration rate " defined individually for each area is a quantity corresponding to the ratio of the amount of water infiltration during rain to the amount of rainfall. The "rainwater infiltration rate" in a certain area is expressed by the following formula (1):
Figure 0007599018000001
(The rainwater infiltration rate in equation (1) above may be multiplied by 100 to express it as a percentage.) However, as already mentioned, "t" is the unit of weight, ton (1 ton = 1000 kg). In equation (1), "rainwater infiltration amount" refers to the amount of rainwater (weight, unit is tons) that flows into the sewer pipes from the rainwater that falls in the certain area (the area in question). "Precipitation (t)" in equation (1) refers to the amount of rainwater that falls in the certain area (weight, unit is tons). In the following, "inflow target rainfall" refers to the amount of rainwater that flows into the sewer pipes (weight, unit is tons) calculated according to the amount of rainfall (mm) in the area, the area's area ( m2 ), and the infiltration rate (value between 0 and 1) of the area calculated according to a predetermined rule depending on the area's use (building, road, river/pond, etc.) as described later, using the following equation (2) for each individual area:
Figure 0007599018000002
(The density of rainwater is assumed to be 1000 kg/ m3 . If the density of rainwater or sewage is different, the value obtained by formula (2) can be corrected by multiplying it by the appropriate density. The same applies to other formulas.) Note that the inflow target rainfall is shown here in units of t (tons), but in formula (2), the precipitation (mm) of the area is the same as the precipitation per hour in the current example (the depth of water when rainwater that has fallen for one hour does not flow out and accumulates in that place), so the inflow target rainfall (t) also means the inflow target rainfall per hour. Similarly, the inflow water volume (t) in formula (1) also means the inflow water volume per hour in the current example. Note that the inflow target rainfall (at the treatment plant), the inflow water volume, the inflow volume to sewage-related facilities, etc. in each formula described later also indicate the amount per hour. Furthermore, the precipitation amount for an area is, for example, the amount of precipitation (mm) per hour in an area with one side measuring 50 m. When rainfall data is obtained from XRAIN, which will be described later, the rainfall data from XRAIN is given in area units of 250 m x 250 m, so one precipitation amount (mm) corresponds to 25 areas of 50 m x 50 m (the same precipitation amount is assigned to the 25 areas, or a graded precipitation amount is assigned taking into account the difference in precipitation in adjacent XRAIN areas).

後述のとおり、雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの運用段階において、雨天時浸入水率推定装置は、各区域に対して個別に定義される変数(流域特性)を入力とし、機械学習済みの推定モデルにより、出力としての浸入水率を各区域に対して個別に推定し、降水量の値を用いて(2)式に従い区域ごとに算出される流入対象雨量を当該区域における浸入水率の推定値に乗じる(上記(1)式参照)ことにより、浸入水量の推定値を区域ごとに算出する。As described below, during the operational stage of the system for narrowing down the areas where infiltration water occurs during rainfall, the infiltration water rate estimation device during rainfall takes variables (watershed characteristics) defined individually for each area as input, and estimates the infiltration water rate as output individually for each area using a machine learning estimation model, and calculates an estimated value of the infiltration water volume for each area by multiplying the inflow target rainfall calculated for each area according to equation (2) using the precipitation value by the estimated infiltration water rate for that area (see equation (1) above).

雨天時浸入水率推定装置の構成
図1は、雨天時浸入水率推定装置の構成を示すブロック図である。雨天時浸入水率推定装置1は、制御部2と、記憶部3と、入出力部4と、通信部5とを備える。後述する通信部を介して入力および表示を行う場合は、入出力部は不要としてもよい。
1 is a block diagram showing the configuration of a rainwater infiltration rate estimation device. The rainwater infiltration rate estimation device 1 comprises a control unit 2, a storage unit 3, an input/output unit 4, and a communication unit 5. When input and display are performed via the communication unit described later, the input/output unit may be unnecessary.

制御部2は、CPU(Central Processing Unit:中央処理装置)等のプロセッサ6と、RAM(Random Access Memory:ランダム アクセス メモリ)等の一時メモリ7とを備える。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された変数データ取得プログラムを実行することにより、制御部2(のプロセッサ6.以下においても同様)は変数データ取得部8として機能する。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された機械学習プログラムを実行することにより、制御部2は機械学習部9として機能する。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された雨天時浸入水率推定プログラムを実行することにより、制御部2は雨天時浸入水率推定部10として機能する。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された雨天時浸入水量算出プログラムを実行することにより、制御部2は雨天時浸入水量算出部11として機能する。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された下水関連施設流入量推定プログラムを実行することにより、制御部2は下水関連施設流入量推定部12として機能する。プロセッサ6が、記憶部3に記憶された各種制御、表示プログラム(オペレーティングシステムや、地理情報システム(GIS:Geographic Information System)用のアプリケーションソフトウェア、各種デバイスのドライバソフトウェア等を含む)を実行することにより、制御部2は各種制御、表示部13として機能する。記憶部3にはその他に任意のプログラムが記憶されていてよく、制御部2のプロセッサ6が任意のプログラムを実行することにより制御部2は任意の機能部として機能することができる。領域数が多い場合、計算を1時間当たりよりも短い時間単位で行う場合は計算量が増大し、計算に要する時間がかかりすぎる場合がある。その場合は、プログラムの一部を演算性能の高いGPU(Graphics Processing Unit)で行う仕様としてもよい。The control unit 2 includes a processor 6 such as a CPU (Central Processing Unit) and a temporary memory 7 such as a RAM (Random Access Memory). When the processor 6 executes a variable data acquisition program stored in the memory unit 3, the control unit 2 (the processor 6 of the control unit 2, which also applies below) functions as a variable data acquisition unit 8. When the processor 6 executes a machine learning program stored in the memory unit 3, the control unit 2 functions as a machine learning unit 9. When the processor 6 executes a rainwater infiltration rate estimation program stored in the memory unit 3, the control unit 2 functions as a rainwater infiltration rate estimation unit 10. When the processor 6 executes a rainwater infiltration amount calculation program stored in the memory unit 3, the control unit 2 functions as a rainwater infiltration amount calculation unit 11. When the processor 6 executes a sewage-related facility inflow amount estimation program stored in the memory unit 3, the control unit 2 functions as a sewage-related facility inflow amount estimation unit 12. The processor 6 executes various control and display programs (including an operating system, application software for a geographic information system (GIS), driver software for various devices, etc.) stored in the memory unit 3, causing the control unit 2 to function as various control and display units 13. Any other program may be stored in the memory unit 3, and the processor 6 of the control unit 2 executes any program, allowing the control unit 2 to function as any functional unit. When there are a large number of regions, the amount of calculation increases when calculations are performed in units of time shorter than one hour, and the calculations may take too long. In that case, a specification may be adopted in which part of the program is performed by a GPU (Graphics Processing Unit) with high computing performance.

変数データ取得部8は、外部サーバからのデータ取得、記憶部3に記憶された各種データ、データベースからのデータ取得、上記流入対象雨量の算出等の演算処理等を行うことにより変数データを取得する機能部である。変数データ取得部8は取得した変数データを変数データベース22のデータレコードとして記憶部3に記憶(記録)させる。記憶部3に記憶された変数データは(制御部2により読みだされて適宜一時メモリ7に記憶された上で。以下のデータ処理においても同様)、雨天時浸入水率推定部10による雨天時浸入水率推定処理等に用いられる。The variable data acquisition unit 8 is a functional unit that acquires variable data by acquiring data from an external server, various data stored in the memory unit 3, data from a database, and performing calculations such as calculating the target inflow rainfall. The variable data acquisition unit 8 stores (records) the acquired variable data in the memory unit 3 as a data record in the variable database 22. The variable data stored in the memory unit 3 (after being read out by the control unit 2 and appropriately stored in temporary memory 7; the same applies to the data processing described below) is used for rainwater infiltration rate estimation processing by the rainwater infiltration rate estimation unit 10, etc.

機械学習部9は、記憶部3に記憶された教師データ17(説明変数である1種類以上の変数の変数データ、及び、目的変数である(雨天時)浸入水率の浸入水率データとしての、それぞれ過去のデータ)を用いて、変数から浸入水率を推定(予測)する推定モデル(予測モデル)を機械学習(教師あり学習)アルゴリズムにより作成、更新する機能部である。ここにおいて、浸入水率の推定モデルとは、後述の雨天時浸入水率推定部10が変数データを入力データとして受け付けて浸入水率の推定値を出力データとして出力するために用いる、具体的な計算式、計算方法、パラメータ値(重み係数の値等)等であるとする。機械学習部9は、作成した浸入水率の推定モデルを表すデータ(プログラム等を含んでもよい)を学習済みモデル16として記憶部3に記憶させる。The machine learning unit 9 is a functional unit that uses the teacher data 17 (variable data of one or more types of variables that are explanatory variables, and past data as the infiltration rate data of the (rainy weather) infiltration rate that is the objective variable) stored in the memory unit 3 to create and update an estimation model (prediction model) that estimates (predicts) the infiltration rate from variables using a machine learning (supervised learning) algorithm. Here, the estimation model of the infiltration rate is a specific calculation formula, calculation method, parameter values (weighting coefficient values, etc.) used by the rainy weather infiltration rate estimation unit 10 described later to accept variable data as input data and output an estimated value of the infiltration rate as output data. The machine learning unit 9 stores data (which may include programs, etc.) representing the created estimation model of the infiltration rate in the memory unit 3 as the learned model 16.

雨天時浸入水率推定部10は、機械学習部9が生成した学習済みモデル16を用いて、変数データを入力データとして受け付けて浸入水率の推定値を出力データとして出力する機能部である。雨天時浸入水率推定部10は、対象地域を構成する複数の区域の各々1つずつについて、学習済みモデルを用いた計算により変数データから浸入水率の推定値を算出する。雨天時浸入水率推定部10は、算出した浸入水率の推定値のデータを、雨天時浸入水率データベース23のデータレコードとして記憶部3に記憶させる。雨天時浸入水率推定部10は、各区域における浸入水率の推定値の算出を、一例においては所定時間間隔で繰り返し行い、浸入水率の推定値を区域、日時(日付と時刻)と関連付けで、記憶部3(「雨天時浸入水率記憶部」と呼ぶことがある。)の雨天時浸入水率データベース23に時々刻々と繰り返し格納させる。The rainwater infiltration rate estimation unit 10 is a functional unit that uses the trained model 16 generated by the machine learning unit 9 to accept variable data as input data and output an estimated value of the infiltration rate as output data. The rainwater infiltration rate estimation unit 10 calculates an estimated value of the infiltration rate from the variable data by calculation using the trained model for each of the multiple areas that make up the target area. The rainwater infiltration rate estimation unit 10 stores the calculated estimated value of the infiltration rate in the memory unit 3 as a data record of the rainwater infiltration rate database 23. The rainwater infiltration rate estimation unit 10 repeatedly calculates the estimated value of the infiltration rate in each area at a predetermined time interval, for example, and repeatedly stores the estimated value of the infiltration rate in the rainwater infiltration rate database 23 of the memory unit 3 (sometimes referred to as the "rainwater infiltration rate storage unit") from time to time in association with the area and the date and time (date and time).

雨天時浸入水量算出部11は、上述の(1)式,(2)式に従い、各区域における浸入水量の推定値を算出する機能部である。雨天時浸入水量算出部11は、対象地域を構成する複数の区域の各々1つずつについて、当該区域における浸入水率の推定値に当該区域における流入対象雨量を乗じることにより、当該区域の浸入水量の推定値を算出する。雨天時浸入水量算出部11は、算出した浸入水量の推定値のデータを、施設流入量、雨天時浸入水量データベース21のデータレコードとして記憶部3に記憶させる。雨天時浸入水量算出部11は、各区域における浸入水量の推定値の算出を、一例においては所定時間間隔で繰り返し行い、浸入水量の推定値を区域、日時と関連付けで、記憶部3(「雨天時浸入水量記憶部」と呼ぶことがある。)の施設流入量、雨天時浸入水量データベース21に時々刻々と繰り返し格納させる。The rainwater infiltration calculation unit 11 is a functional unit that calculates an estimated value of the amount of infiltration water in each area according to the above-mentioned formulas (1) and (2). For each of the multiple areas that make up the target area, the rainwater infiltration calculation unit 11 calculates an estimated value of the amount of infiltration water in the area by multiplying the estimated value of the infiltration water rate in the area by the inflow target rainfall in the area. The rainwater infiltration calculation unit 11 stores the calculated estimated value of the amount of infiltration water in the memory unit 3 as a data record of the facility inflow amount and rainwater infiltration amount database 21. The rainwater infiltration calculation unit 11 repeatedly calculates the estimated value of the amount of infiltration water in each area at a predetermined time interval, for example, and repeatedly stores the estimated value of the amount of infiltration water in the memory unit 3 (sometimes referred to as the "rainwater infiltration storage unit") in association with the area and date and time from time to time in the facility inflow amount and rainwater infiltration amount database 21.

下水関連施設流入量推定部12は、各区域から下水道管(汚水管)を通って下水処理場等の下水関連施設に流入する浸入水の、ある時点(例えば、日時の基準時点からt分後)での流入量を推定する機能部である。下水関連施設流入量推定部12は、算出した流入量の推定値のデータを、施設流入量、雨天時浸入水量データベース21のデータレコードとして記憶部3に記憶させる。各々の区域から下水道管へと浸入した雨天時浸入水が、当該区域から下水関連施設に到達するまでには区域ごとに異なる流達時間を要するため、この流達時間も考慮した計算によって下水関連施設への流入量が推定される。流入量の具体的算出については後に詳しく説明する。The sewage-related facility inflow amount estimation unit 12 is a functional unit that estimates the amount of inflow water at a certain point in time (for example, t minutes after a reference time point of time) of inflow water flowing from each area through a sewer pipe (sewage pipe) into a sewage-related facility such as a sewage treatment plant. The sewage-related facility inflow amount estimation unit 12 stores the calculated estimated inflow amount data in the memory unit 3 as a data record of the facility inflow amount, rainwater inflow amount database 21. Since it takes different flow time for the rainwater that infiltrates into the sewer pipe from each area to reach the sewage-related facility from that area, the inflow amount into the sewage-related facility is estimated by a calculation that takes this flow time into account. The specific calculation of the inflow amount will be explained in detail later.

記憶部3は、ハードディスクドライブ、SSD(Solid State Drive)等を備えた記憶(記録)装置であり、上述のとおり制御部2をさまざまな機能部として機能させるためにプロセッサ6によって実行されるプログラムとして、機械学習関連プログラム14(変数データ取得プログラム、機械学習プログラム、雨天時浸入水率推定プログラムを含む)、各種プログラム15(雨天時浸入水量算出プログラム、下水関連施設流入量推定プログラム、各種制御、表示プログラム等を含む)を記憶する。また記憶部3は、上述のとおり機械学習部9により生成される学習済みモデル16として、一例においては後に詳しく説明するとおり2以上の降雨パターンの各々に対応して各々が別個に機械学習を行った2以上のパターン別推定モデルとしての、降雨パターン1用モデル、降雨パターン2用モデル、…降雨パターンM用モデルというM個のモデルを記憶する(Mは2以上の任意の整数)。記憶部3は更に、機械学習部9が浸入水率の推定モデルを生成、更新するために用いる教師データ17として、過去の変数データ(説明変数データ)と雨天時浸入水率データ(目的変数データ)とを記憶する。また記憶部3は、浸入水率の推定モデルの性能を評価するためのテストデータ18として、変数データと雨天時浸入水率データとを記憶する。記憶部3は、その他にも晴天時平均流入量データ等の各種データ19を記憶する。さらに記憶部3は、以下の各種データベースを記憶する。
(1)降雨情報データベース20
対象地域に含まれる各々の区域の各日時における降水量を、「区域の識別子」、「日時(時間帯でもよい。以下においても同様)」、「単位時間(例えば1時間だが、これに限らず、より短い時間を単位時間とすることもある)あたりの降水量(mm)(以下、単に「降水量」と呼ぶ)」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベース。
(2)施設流入量、雨天時浸入水量データベース21
雨天時浸入水量算出部11によって算出される、各々の区域の各日時における雨天時浸入水量を、「区域の識別子」、「日時」、「浸入水量」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するとともに、下水関連施設流入量推定部12によって算出される、各日時における下水関連施設への流入量を、「日時」、「流入量」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベース(少なくとも2つのテーブルを含む)。
(3)変数データベース22
変数データ取得部8によって取得される、各々の区域の各日時における変数を、「区域の識別子」、「日時」、「変数1」,「変数2」…「変数L」をデータ項目として含むレコードの形式で含むデータベース。なお、Lは説明変数としての変数の数であり1以上の任意の整数である。また、後述のとおり、変数のうち流入対象雨量のみが時々刻々と変化し、それ以外の変数が(短期的には)時間変化しないとみなせる場合は、第1の変数データベースとして、「区域の識別子」、「日時」、「流入対象雨量(変数L)」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベースを用意し、更に第2の変数データベースとして、「区域の識別子」、「変数1」,「変数2」,…「変数L-1」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベースを用意してもよい。
(4)雨天時浸入水率データベース23
雨天時浸入水率推定部10によって算出される、各々の区域の各日時における雨天時浸入水率を、「区域の識別子」、「日時」、「浸入水率」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベース。
(5)地理情報データベース24
変数データ取得部8により、外部サーバマシン(地理情報サーバ)31等から取得される(後述の図2を参照)各々の区域における地理情報を、「区域の識別子」、「地理情報1」,「地理情報2」,…「地理情報P」をデータ項目として含むレコードの形式で格納するデータベース。なお、Pは、或る区域に対して与えられる地理情報の数であり1以上の任意の整数である。
The storage unit 3 is a storage (recording) device equipped with a hard disk drive, SSD (Solid State Drive), etc., and stores machine learning related programs 14 (including a variable data acquisition program, a machine learning program, and a rainwater infiltration rate estimation program) and various programs 15 (including a rainwater infiltration amount calculation program, a sewage-related facility inflow amount estimation program, various control and display programs, etc.) as programs executed by the processor 6 to make the control unit 2 function as various functional units as described above. In addition, the storage unit 3 stores, as the trained models 16 generated by the machine learning unit 9 as described above, M models, namely a model for rainfall pattern 1, a model for rainfall pattern 2, ..., a model for rainfall pattern M (M is any integer equal to or greater than 2), as two or more pattern-specific estimation models each of which has been machine-learned separately corresponding to two or more rainfall patterns, as will be described in detail later. The memory unit 3 further stores past variable data (explanatory variable data) and rainy weather water infiltration rate data (objective variable data) as teacher data 17 used by the machine learning unit 9 to generate and update the infiltration water rate estimation model. The memory unit 3 also stores the variable data and rainy weather water infiltration rate data as test data 18 for evaluating the performance of the infiltration water rate estimation model. The memory unit 3 also stores various other data 19 such as sunny weather average inflow data. The memory unit 3 further stores the following various databases.
(1) Rainfall Information Database 20
A database that stores the amount of precipitation at each date and time for each area included in a target region in the form of records whose data items include "area identifier,""date and time (can also be time zone; similarly below)," and "amount of precipitation (mm) per unit time (for example, one hour, but is not limited to this and can also be a shorter unit time) (hereinafter referred to simply as "precipitation amount")."
(2) Database of facility inflow and rainwater infiltration volume 21
A database (including at least two tables) that stores the amount of water infiltration during rain for each area at each date and time calculated by the rainfall water infiltration amount calculation unit 11 in the form of a record including the data items of ``area identifier,'' ``date and time,'' and ``amount of water infiltration,'' and stores the amount of inflow into sewage-related facilities at each date and time calculated by the sewage-related facility inflow amount estimation unit 12 in the form of a record including the data items of ``date and time'' and ``inflow amount.''
(3) Variable Database 22
A database containing variables for each area at each date and time acquired by the variable data acquisition unit 8 in the form of a record containing "area identifier", "date and time", "variable 1", "variable 2", ... "variable L" as data items. L is the number of variables as explanatory variables and is an arbitrary integer of 1 or more. In addition, as described later, in the case where only the inflow target rainfall among the variables changes from moment to moment and the other variables can be considered not to change over time (in the short term), a database storing "area identifier", "date and time", and "inflow target rainfall (variable L)" in the form of a record containing the data items may be prepared as a first variable database, and a database storing "area identifier", "variable 1", "variable 2", ... "variable L-1" in the form of a record may be prepared as a second variable database.
(4) Rainfall Water Infiltration Rate Database 23
A database that stores the rainwater infiltration rate for each area at each date and time calculated by the rainwater infiltration rate estimation unit 10 in the form of records that include the data items ``area identifier,'' ``date and time,'' and ``infiltration rate.''
(5) Geographical Information Database 24
A database that stores geographic information for each area acquired by the variable data acquisition unit 8 from an external server machine (geographic information server) 31 or the like (see FIG. 2 described later) in the form of records including data items such as "area identifier,""geographic information 1,""geographic information 2," ... and "geographic information P." Note that P is the number of pieces of geographic information given to a certain area and is an arbitrary integer equal to or greater than 1.

入出力部4は、システム管理者が雨天時浸入水率推定装置1に命令やデータを入力するためのキーボード25、マウス26等の入力デバイス、及び、画像等の情報を表示するためのディスプレイ装置27(液晶ディスプレイ装置、有機エレクトロルミネッセンス(有機EL:organic electro-luminescence)ディスプレイ装置等)等の出力デバイスを含む。後述する通信部を介して入力および表示を行う場合は入出力部は不要としてもよい。通信部5は、雨天時浸入水率推定装置1と、外部のサーバマシン、クライアントマシン、各種装置等との間で通信を行うための通信インタフェース28、通信回路29を含む。The input/output unit 4 includes input devices such as a keyboard 25 and a mouse 26 for the system administrator to input commands and data into the rainwater infiltration rate estimation device 1, and output devices such as a display device 27 (a liquid crystal display device, an organic electroluminescence (organic EL) display device, etc.) for displaying information such as images. The input/output unit may not be necessary if input and display are performed via the communication unit described below. The communication unit 5 includes a communication interface 28 and a communication circuit 29 for communication between the rainwater infiltration rate estimation device 1 and external server machines, client machines, various devices, etc.

雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの構成
図2は、雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの構成を示すブロック図である。雨天時浸入水率推定装置1、外部サーバマシン(地理情報サーバ)31、下水関連施設32、降水量測定システム33、クライアントマシン34が、インターネット等の通信回線30を介して連携することにより雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムが構成される。
2 is a block diagram showing the configuration of the system for narrowing down the area where water infiltration occurs during rainy weather. The system for narrowing down the area where water infiltration occurs during rainy weather is configured by the rainy weather infiltration rate estimation device 1, an external server machine (geographic information server) 31, a sewage-related facility 32, a precipitation measurement system 33, and a client machine 34, which are linked together via a communication line 30 such as the Internet.

外部サーバマシン(地理情報サーバ)31は、一例においては雨天時浸入水率推定装置1の制御部2が地理情報システム(GIS)を利用するときに用いる地理情報を格納するサーバマシンであり、雨天時浸入水率推定装置1と同様に制御部、記憶部、入出力部、通信部を備える。外部サーバマシン31の記憶部には、地図データ35、土地用途データ36、地上雨量計位置データ37、その他の地理的データ38が記憶されており、雨天時浸入水率推定装置1からの要求に応じて、これらデータを雨天時浸入水率推定装置1へと送信する。地理情報サーバ31は独立した複数のサーバから構成されてもよく、例えば地図データ35を第1の地理情報サーバが格納し、土地用途データ36を第2の地理情報サーバが格納する等、各種データが複数サーバに分散して格納されていてもよい。The external server machine (geographic information server) 31 is, in one example, a server machine that stores geographic information used when the control unit 2 of the rainwater infiltration rate estimation device 1 uses a geographic information system (GIS), and has a control unit, memory unit, input/output unit, and communication unit, just like the rainwater infiltration rate estimation device 1. The memory unit of the external server machine 31 stores map data 35, land use data 36, ground rain gauge position data 37, and other geographic data 38, and transmits these data to the rainwater infiltration rate estimation device 1 in response to a request from the rainwater infiltration rate estimation device 1. The geographic information server 31 may be composed of multiple independent servers, and various data may be distributed and stored in multiple servers, for example, with the map data 35 stored in a first geographic information server and the land use data 36 stored in a second geographic information server.

下水関連施設32は、下水(汚水)処理場、ポンプ場等の施設であり、以下においては下水(汚水)処理場であるとする。下水処理場32においては流入流量が随時測定され、下水処理場32に設置されたコンピュータの記憶部には、流入流量の実測値と測定日時とを関連付けた流入流量実測データ39が記憶されている。下水処理場32に設置されたコンピュータは、雨天時浸入水率推定装置1からの要求に応じて、流入流量実測データ39を雨天時浸入水率推定装置1へと送信する。The sewage-related facility 32 is a facility such as a sewage (sewage) treatment plant, a pumping station, etc., and will be referred to as a sewage (sewage) treatment plant hereinafter. The inflow flow rate is measured at any time at the sewage treatment plant 32, and the memory unit of a computer installed at the sewage treatment plant 32 stores inflow flow rate actual measurement data 39 that associates the actual value of the inflow flow rate with the measurement date and time. The computer installed at the sewage treatment plant 32 transmits the inflow flow rate actual measurement data 39 to the precipitation-time water infiltration rate estimation device 1 in response to a request from the precipitation-time water infiltration rate estimation device 1.

降水量測定システム33は、場所・日時に応じて変化する降水量を測定するための、気象レーダ、雨量計等を含むシステムであり、一例においてはXRAIN(extended radar information network)によって構成される。降水量測定システム33に含まれるコンピュータの記憶部には、各日時における地点ごとの降水量の実測値、予測値を含む降雨情報データ及び予測降雨情報データ40が記憶されている。降水量測定システム33に含まれるコンピュータは、雨天時浸入水率推定装置1に、降雨情報データ及び予測降雨情報データ40を雨天時浸入水率推定装置1に送信する。The precipitation measurement system 33 is a system including a weather radar, a rain gauge, etc. for measuring the amount of precipitation that changes depending on the location and date and time, and in one example is configured using XRAIN (extended radar information network). The memory unit of the computer included in the precipitation measurement system 33 stores rainfall information data and forecast rainfall information data 40 including actual and forecast values of precipitation for each location at each date and time. The computer included in the precipitation measurement system 33 transmits the rainfall information data and forecast rainfall information data 40 to the rainfall infiltration rate estimation device 1.

クライアントマシン34は、コンピュータ、或いはスマートフォン等のデバイスであり、制御部41、記憶部42、入出力部(表示部)43、通信部44を備える。システム管理者、その他のユーザは、クライアントマシン34の入出力部(表示部)43から雨天時浸入水率推定装置1に対して命令を入力することにより、雨天時浸入水率推定装置1に上述の各機能を実行させたり、実行結果として得られる浸入水率、浸入水量の推定値、或いはそれら推定値の分布をマップ上に表示した画像、或いは下水関連施設への流入量の推定値を表示する画像等(時系列表示等も可能)をクライアントマシン34のディスプレイ装置に表示させたりすることができる。The client machine 34 is a device such as a computer or a smartphone, and includes a control unit 41, a memory unit 42, an input/output unit (display unit) 43, and a communication unit 44. A system administrator or other user can input commands to the rainwater infiltration rate estimation device 1 from the input/output unit (display unit) 43 of the client machine 34 to cause the rainwater infiltration rate estimation device 1 to execute each of the above-mentioned functions, and display on the display device of the client machine 34 the estimated values of the infiltration water rate and infiltration water volume obtained as a result of the execution, or an image showing the distribution of these estimated values on a map, or an image showing the estimated value of the inflow volume into a sewerage-related facility (time series display is also possible).

雨天時浸入水率推定装置、雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの動作
以下、図3~図10も参照しつつ、雨天時浸入水率推定装置、雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの動作を説明する。
Operation of the device for estimating a rate of infiltration of water during rain and the system for narrowing down an area where infiltration of water during rain will now be described with reference to Figures 3 to 10 as well.

1.学習段階の動作
図3は、雨天時浸入水率推定装置によって実行される学習段階の動作フローを示すフローチャートである。
1. Operation in the Learning Phase Fig. 3 is a flow chart showing the operation flow in the learning phase executed by the rainwater infiltration rate estimating device.

区域(メッシュ)情報の生成
まずステップS301において、地図読み込み、及び区域(メッシュ)情報生成が行われる。入出力部4を介して、或いは入出力部(表示部)43を介して雨天時浸入水率推定装置1が管理者等のユーザからの命令を受け付けたことに応答して雨天時浸入水率推定装置1のプロセッサ6が変数データ取得プログラムを実行することにより、変数データ取得部8は地理情報サーバ31に対して地図データ35、土地用途データ36、地上雨量計位置データ37、その他の地理的データ38を要求する。要求を受けた地理情報サーバ31は、地図データ35、土地用途データ36、地上雨量計位置データ37、その他の地理的データ38を雨天時浸入水率推定装置1に送信する。変数データ取得部8は、予め管理者等のユーザが入出力部4或いは入出力部(表示部)43を介して入力すること等により指定された、対象地域(地図データ35の示す地域において、どの地域を対象とするか)と、区域(メッシュ)のサイズ(対象地域をどの程度まで細かく分割するか)と、を示す情報に基づき、対象地域内のメッシュ情報を生成する。一例において、メッシュ情報は、メッシュの基準位置(中心点、或いは左上の端等)の座標とメッシュのサイズ(一辺の長さ、或いは縦と横それぞれの長さ等)とからなる情報であり、メッシュ情報のデータは記憶部3の地理情報データベース24内に格納される。なお、降雨情報として対象地域内に設置された雨量計からの情報を用いる場合、変数データ取得部8は解析単位の雨量計を選択して、その情報も地理情報データベース24に格納する。
Generation of Area (Mesh) Information First, in step S301, a map is read and area (mesh) information is generated. In response to the rainwater infiltration rate estimation device 1 receiving an instruction from a user such as an administrator via the input/output unit 4 or the input/output unit (display unit) 43, the processor 6 of the rainwater infiltration rate estimation device 1 executes a variable data acquisition program, and the variable data acquisition unit 8 requests the map data 35, land use data 36, ground rain gauge position data 37, and other geographical data 38 from the geographical information server 31. The geographical information server 31 that has received the request transmits the map data 35, land use data 36, ground rain gauge position data 37, and other geographical data 38 to the rainwater infiltration rate estimation device 1. The variable data acquisition unit 8 generates mesh information within the target area based on information indicating the target area (which area in the area indicated by the map data 35 is to be the target) and the size of the area (mesh) (how finely the target area is to be divided), which are designated in advance by a user such as an administrator through the input/output unit 4 or the input/output unit (display unit) 43. In one example, the mesh information is information consisting of the coordinates of the reference position of the mesh (the center point, the upper left corner, etc.) and the size of the mesh (the length of one side, or the length of each of the vertical and horizontal directions, etc.), and the data of the mesh information is stored in the geographic information database 24 of the storage unit 3. When information from a rain gauge installed within the target area is used as the rainfall information, the variable data acquisition unit 8 selects the rain gauge of the analysis unit and stores the information in the geographic information database 24.

流達時間設定
次にステップS302において、各区域における流達時間の設定が行われる。「流達時間」とは、各々の区域から下水管を流下して目的地(例:下水処理場)まで浸入水等が到達するまでにかかる時間として各々の区域に対して別個に定義される時間であり、1つの区域内での流達時間の平均値として、1つの区域に対して1つの「流達時間」が定められる。各々の区域における上記流達時間は、予め計算、測定調査等により決定されて(一例においては、下水道台帳の管渠諸元からマニング式を用いて流速を管渠毎に算出し、当該管渠から処理場までの流達時間を求め、各々の区域内の平均値を計算して各々の区域に割り当てる。)、各種データ19の一部として記憶部3に記憶される。
Flow time setting Next, in step S302, the flow time in each area is set. The "flow time" is the time required for infiltration water to flow down the sewer pipe from each area to reach the destination (e.g., sewage treatment plant), and is defined separately for each area. One "flow time" is defined for each area as the average value of the flow time in one area. The flow time in each area is determined in advance by calculation, measurement survey, etc. (in one example, the flow rate is calculated for each pipe using the Manning formula from the pipe specifications in the sewer ledger, the flow time from the pipe to the treatment plant is obtained, and the average value in each area is calculated and assigned to each area.) and is stored in the memory unit 3 as part of the various data 19.

末端流入量、各種変数を設定
ステップS303において、変数データ取得部8は、各々のメッシュについて、各種変数を設定する。区域ごとに設定される変数の1つには「土地利用(浸透率)情報」がある。土地利用(浸透率)情報とは、1つのメッシュ内の平均浸透率(雨水の土地への浸透のし易さ)を示す情報(0以上、1以下の値とする)であり、当該メッシュの土地のうち、どれだけの面積がどのような用途に利用されているかに応じて、用途ごとに与えられた浸透率の値の加重平均(「或る用途に利用される面積がメッシュの面積において占める割合(0以上1以下)と、当該用途における浸透率との積」を、全ての用途について加算することで得られる)を算出することにより設定される。
In step S303 of setting the terminal inflow and various variables , the variable data acquisition unit 8 sets various variables for each mesh. One of the variables set for each area is "land use (permeability) information." Land use (permeability) information is information (a value between 0 and 1) indicating the average permeability (how easily rainwater permeates into the land) within one mesh, and is set by calculating a weighted average of the permeability values given for each use (obtained by adding up for all uses the "product of the proportion (between 0 and 1) of the area of the mesh used for a certain use and the permeability for that use") according to how much area of the land in the mesh is used for what purpose.

一例においては、各用途の浸透率として、
建物… 0.0
道路… 0.1
河川・池… 1.0
その他… 0.8
の値が定義される。例えば或るメッシュの面積のうち、40%が建物によって占められており、20%が道路によって占められており、10%が河川又は池によって占められており、30%がその他の用途で用いられている場合、その区域の(平均)浸透率は、

Figure 0007599018000003
となる。変数データ取得部8は、このようなメッシュの浸透率を対象地域内の全てのメッシュについて計算し、各々のメッシュの土地利用(浸透率)情報として記憶部3の変数データベース22に格納させる。なお、各メッシュにおける、「当該メッシュの土地のうち、どれだけの面積がどのような用途に利用されているか」の情報、及び用途ごとの浸透率の値は、管理者等のユーザが入出力部4或いは入出力部(表示部)43を介して入力すること等により地理情報データベース24に予め格納されていることとしてもよいし、地図データ35に含まれる衛星写真を変数データ取得部8が分析することで「当該メッシュの土地のうち、どれだけの面積がどのような用途に利用されているか」を特定して、その情報を地理情報データベース24に格納する等してもよい。その他の例として、各区域の浸透率は、予め設定せずに学習させる方法によって決めてもよい。 In one example, the penetration rate for each application is as follows:
Building… 0.0
Road... 0.1
Rivers and ponds: 1.0
Others: 0.8
For example, if 40% of the area of a mesh is occupied by buildings, 20% by roads, 10% by rivers or ponds, and 30% is used for other purposes, the (average) infiltration rate of the area is
Figure 0007599018000003
The variable data acquisition unit 8 calculates the infiltration rate of such a mesh for all meshes in the target area, and stores the infiltration rate in the variable database 22 of the storage unit 3 as land use (infiltration rate) information for each mesh. Note that the information on "how much area of the land in the mesh is used for what purpose" and the infiltration rate value for each purpose for each mesh may be stored in advance in the geographic information database 24 by a user such as an administrator inputting the information through the input/output unit 4 or the input/output unit (display unit) 43, or the variable data acquisition unit 8 may analyze a satellite photo included in the map data 35 to identify "how much area of the land in the mesh is used for what purpose" and store the information in the geographic information database 24. As another example, the infiltration rate of each area may be determined by a method of learning without being set in advance.

また、変数データ取得部8は、機械学習の教師データにおける説明変数の値として用いられる流域特性の値を区域ごとに取得、設定して、教師データ17の変数データ(説明変数データ)として記憶部3に格納する。また変数データのうち、流入対象雨量(又は雨量)以外のデータ値は、少なくとも短い時間スケールでは変化しない定数とみなすことができ、運用時の説明変数データとしても用いることができるので、変数データ取得部8は、取得、設定した流域特性の値を示す変数データのうち、少なくとも流入対象雨量(又は雨量)以外のデータを、変数データベース22にも格納する。本実施形態における機械学習の説明変数のリストは以下の表1に示すとおりである。なお、説明変数中、「汚水管布設年度」等の汚水管に関するものについて、例えば区域51のように汚水管が存在しない区域に対しては、当該区域の流入先管路の情報を割り付ける(区域51の「汚水管布設年度」としては、汚水管52の布設年度を用いる)。

Figure 0007599018000004

(表1) In addition, the variable data acquisition unit 8 acquires and sets the values of the basin characteristics used as the values of the explanatory variables in the teacher data of the machine learning for each area, and stores them in the storage unit 3 as the variable data (explanatory variable data) of the teacher data 17. In addition, among the variable data, the data values other than the inflow target rainfall (or rainfall) can be regarded as constants that do not change at least on a short time scale, and can also be used as explanatory variable data during operation. Therefore, the variable data acquisition unit 8 also stores, among the variable data indicating the acquired and set values of the basin characteristics, at least the data other than the inflow target rainfall (or rainfall) in the variable database 22. A list of explanatory variables for machine learning in this embodiment is as shown in Table 1 below. Note that, among the explanatory variables, for those related to sewage pipes such as "sewage pipe installation year", for an area where no sewage pipe exists, such as area 51, information on the inflow pipe of the area is assigned (the installation year of the sewage pipe 52 is used as the "sewage pipe installation year" of area 51).
Figure 0007599018000004

(Table 1)

住居面積(密度)は、各区域の面積(本実施形態においては、各区域は一辺が50mの正方形であるため面積は2500m2とする)における住居面積の割合であり、例えば或る区域内で住居面積が1000m2であれば、住居面積(密度)の値は1000/2500=0.4となる。変数データ取得部8は、地理情報データベース24に格納されている地理情報(その他の地理的データ38として、地図データ内のどの領域が住居であるかを示す情報を含むとする。一例においては建物を住居とみなしてよい。)を用いて、各区域において住居面積を特定し、説明変数としての住居面積(密度)の値を算出する。 The residential area (density) is the ratio of residential area to the area of each district (in this embodiment, each district is a square with sides of 50 m, so the area is 2500 m2 ), and for example, if the residential area in a certain district is 1000 m2 , the residential area (density) value is 1000/2500 = 0.4. The variable data acquisition unit 8 uses the geographic information stored in the geographic information database 24 (other geographic data 38 includes information indicating which areas in the map data are residential. In one example, buildings may be considered as residential areas) to identify the residential area in each district and calculate the value of the residential area (density) as an explanatory variable.

土地利用(浸透率)は、既に説明したとおり変数データ取得部8によって各区域に対してステップS302で設定されている。変数データ取得部8は、各区域について設定された土地利用(浸透率)の値(0以上1以下)を、説明変数としての土地利用(浸透率)の値と決定する。As already explained, land use (permeability) is set for each area by the variable data acquisition unit 8 in step S302. The variable data acquisition unit 8 determines the land use (permeability) value (0 to 1) set for each area as the land use (permeability) value as an explanatory variable.

汚水管布設年度とは、各区域について、当該区域内(地下)に存在する汚水管の布設された年度であるが、当該区域内に汚水管が存在しない場合には、当該区域の流入先管路の布設された年度であるとしてもよい。一例においては、図5に示すとおり複数の区域(8×11=88の区域)に分割された対象地域において、区域49内(地下)には汚水管50が存在するため、区域49における説明変数としての汚水管布設年度の値は、汚水管50が布設された年度(西暦1980年度であれば、「1980」)となる。区域51内には汚水管が存在しないため、機械学習の対象としなくてよいが、区域51から最も近い流入先管路として汚水管52が存在するため、区域51における説明変数としての汚水管布設年度の値は、汚水管52が布設された年度(西暦2000年度であれば、「2000」)としてもよい。敷設年度の絶対値は重要ではなく、最初の管を敷設した年度を1としてもよいし、現在または将来の時点を0として何年前かを表してもよい。なお、各区域内にどの汚水管が存在するか、或いは各区域にどの汚水管が流入先管路として対応するか、及び、各汚水管の布設年度の値を示す情報は、一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとする(区域と汚水管の対応関係については、地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい)。The sewer pipe installation year is the year in which the sewer pipes existing in each area (underground) were installed, but if there are no sewer pipes in the area, it may be the year in which the inflow pipeline of the area was installed. In one example, in a target area divided into multiple areas (8 x 11 = 88 areas) as shown in Figure 5, a sewer pipe 50 exists in area 49 (underground), so the value of the sewer pipe installation year as an explanatory variable in area 49 is the year in which the sewer pipe 50 was installed (if it is 1980, it is "1980"). Since there are no sewer pipes in area 51, it does not need to be the subject of machine learning, but since there is a sewer pipe 52 as the closest inflow pipeline to area 51, the value of the sewer pipe installation year as an explanatory variable in area 51 may be the year in which the sewer pipe 52 was installed (if it is 2000, it is "2000"). The absolute value of the installation year is not important, and the year the first pipe was installed may be set to 1, or the current or future point in time may be set to 0 to indicate how many years ago it was. Information indicating which sewage pipes exist in each area, or which sewage pipes correspond to each area as inflow pipelines, and the value of the installation year of each sewage pipe, in one example, is stored in advance as part of the various data 19 using information such as the location on a map, pipe type, and installation year recorded in GIS data owned by the sewerage administrator (the correspondence between areas and sewage pipes may be determined by the variable data acquisition unit 8 using geographic information stored in the geographic information database 24).

汚水人孔数とは、各区域内に存在する、地下の汚水管と通じる汚水人孔(マンホール)の数である。各区域内にどれだけの数の汚水人孔が存在するかを示す情報は、一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとしてもよいし、或いは地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい。或る区域内に汚水人孔が3つ存在するのであれば、当該区域における説明変数としての汚水人孔数の値は「3」となる(区域内に汚水人孔が存在しない場合、汚水人孔数の値は「0」となる)。The number of sewage manholes is the number of sewage manholes (manholes) that exist in each area and that connect to underground sewage pipes. Information indicating how many sewage manholes exist in each area may be stored in advance as part of various data 19, for example, using information such as the location on the map, pipe type, and installation year recorded in the GIS data owned by the sewerage administrator, or may be determined by the variable data acquisition unit 8 using geographic information stored in the geographic information database 24. If there are three sewage manholes in a certain area, the value of the number of sewage manholes as an explanatory variable for that area will be "3" (if there is no sewage manhole in the area, the value of the number of sewage manholes will be "0").

汚水枡(おすいます)数とは、各区域内に存在する汚水枡の数であり、汚水枡と下水(汚水)道管とを繋ぐ汚水取付管が当該区域内にいくつ存在するかによって特定することができる。一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとしてもよいし、或いは地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい。或る区域内に汚水枡が5つ存在するのであれば、当該区域における説明変数としての汚水枡数の値は「5」となる(区域内に汚水枡が存在しない場合、汚水枡数の値は「0」となる)。The number of sewage manholes is the number of sewage manholes in each area, and can be determined by the number of sewage junction pipes that connect the sewage manholes to sewer (sewage) pipes in the area. In one example, information such as the location on the map, pipe type, and installation year recorded in GIS data owned by the sewerage administrator may be used and may be stored in advance as part of various data 19, or the variable data acquisition unit 8 may determine the number of sewage manholes using geographic information stored in the geographic information database 24. If there are five sewage manholes in a certain area, the value of the number of sewage manholes as an explanatory variable for that area will be "5" (if there are no sewage manholes in the area, the value of the number of sewage manholes will be "0").

汚水管延長とは、各区域(地下)内に存在する汚水管の全長(m)である。一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとしてもよいし、或いは地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい。或る区域内に汚水管が70m存在するのであれば、当該区域における説明変数としての汚水管延長の値は「70」となる(区域内に汚水管が存在しない場合、汚水管延長の値は「0」となる)。Sewer pipe length is the total length (m) of sewer pipes existing in each area (underground). In one example, information such as the location on the map, pipe type, and installation year recorded in GIS data owned by the sewerage administrator may be used and may be stored in advance as part of various data 19, or the variable data acquisition unit 8 may determine it using geographic information stored in the geographic information database 24. If there is a 70m long sewer pipe in a certain area, the value of the sewer pipe length as an explanatory variable for that area will be "70" (if there is no sewer pipe in the area, the value of the sewer pipe length will be "0").

陶管延長とは、各区域(地下)内に存在する陶管の全長(m)である。一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとしてもよいし、或いは地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい。或る区域内に陶管が30m存在するのであれば、当該区域における説明変数としての陶管延長の値は「30」となる(区域内に陶管が存在しない場合、陶管延長の値は「0」となる)。なお、説明変数の陶管延長の値として、各区域(地下)内に存在する陶管の全長(m)とヒューム管の全長(m)との合計値を用いてもよい。The length of the earthen pipe is the total length (m) of the earthen pipe in each area (underground). In one example, information such as the location on the map, the type of pipe, and the year of construction recorded in the GIS data owned by the sewerage manager may be used and may be stored in advance as part of the various data 19, or the variable data acquisition unit 8 may determine the length of the earthen pipe using geographic information stored in the geographic information database 24. If there are 30 m of earthen pipes in a certain area, the value of the earthen pipe extension as an explanatory variable in that area will be "30" (if there are no earthen pipes in the area, the value of the earthen pipe extension will be "0"). The value of the earthen pipe extension as an explanatory variable may be the sum of the total length (m) of the earthen pipes in each area (underground) and the total length (m) of the Hume pipes.

雨水管延長とは、各区域(地下)内に存在する雨水管の全長(m)である。一例においては下水道管理者の所有するGISデータに記録された地図上の位置、管種、敷設年度などの情報を使用し、予め各種データ19の一部として記憶されているとしてもよいし、或いは地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて変数データ取得部8が決定してもよい。或る区域内に雨水管が50m存在するのであれば、当該区域における説明変数としての雨水管延長の値は「50」となる(区域内に雨水管が存在しない場合、雨水管延長の値は「0」となる)。 Stormwater pipe length is the total length (m) of stormwater pipes existing in each area (underground). In one example, information such as the location on the map, pipe type, and installation year recorded in GIS data owned by the sewerage administrator may be used and may be stored in advance as part of various data 19, or the variable data acquisition unit 8 may determine it using geographic information stored in the geographic information database 24. If there is a 50m stormwater pipe in a certain area, the value of the stormwater pipe length as an explanatory variable for that area will be "50" (if there is no stormwater pipe in the area, the value of the stormwater pipe length will be "0").

晴天時流入量を算出
次に、ステップS304において、各種制御、表示部13は、晴天時(平均)流入量を算出する。「晴天時平均流入量」とは、季節、気象条件、曜日等に応じて推定可能な下水処理場の晴天時の平均流入量であり、下水関連施設流入量推定部12により推定値が算出されて各種データ19の一部として記憶部3に記憶されるとする。この例においては、晴天時平均流入量は晴天時の曜日ごとの3か月平均流入量であるとする(例えば月曜日の晴天時平均流入量は、3か月間にわたる月曜日の晴天時流入量実測値の平均値とし、他の曜日も同様に、同じ曜日の実測値の3か月平均値を算出する)。
Calculating the inflow volume on sunny days Next, in step S304, the various control and display units 13 calculate the inflow volume on sunny days (average). The "average inflow volume on sunny days" is the average inflow volume on sunny days to the sewage treatment plant that can be estimated according to the season, weather conditions, day of the week, etc., and the estimated value is calculated by the sewage-related facility inflow volume estimation unit 12 and stored in the memory unit 3 as part of the various data 19. In this example, the average inflow volume on sunny days is the three-month average inflow volume for each day of the week on sunny days (for example, the average inflow volume on sunny days on Mondays is the average value of the actual inflow volume measured on Mondays on sunny days over a three-month period, and the three-month average value of the actual measured value for the same day is calculated similarly for other days of the week).

(対象降雨パターンの)過去の降雨データの取得
ステップS305において、変数データ取得部8は、過去の降雨データを取得する。具体的には、降水量測定システム33の装置から、降雨データがリアルタイムで配信される。流入量の予測では、この配信データを用いる。なお、雨天時浸入水発生領域の絞り込みで使う過去データの入手は、降水量測定システム33に対する注文を受けて行われる。発注後にダウンロードするか外部記憶メディアを経由してデータを受け取る。変数データ取得部8は、降水量測定システム33のコンピュータから過去の降雨データを取得して降雨情報データベース20に格納する。降水量測定システム33のコンピュータは、対象地域内での各地点における過去のさまざまな日時での降水量の測定値、及び必要に応じて各地点における未来のさまざまな日時での降水量の予測値を示す降雨情報データ及び予測降雨情報データ40を雨天時浸入水率推定装置1に送信する。変数データ取得部8は、取得した降雨情報データ、予測降雨情報データを降雨情報データベース20に格納する。
In the step S305 of acquiring past rainfall data (for the target rainfall pattern) , the variable data acquiring unit 8 acquires past rainfall data. Specifically, the rainfall data is distributed in real time from the device of the precipitation measurement system 33. This distributed data is used for predicting the inflow amount. The acquisition of past data used for narrowing down the rainwater infiltration occurrence area is performed upon receiving an order from the precipitation measurement system 33. After placing an order, the data is downloaded or received via an external storage medium. The variable data acquiring unit 8 acquires past rainfall data from the computer of the precipitation measurement system 33 and stores it in the rainfall information database 20. The computer of the precipitation measurement system 33 transmits rainfall information data and forecast rainfall information data 40 indicating measured values of precipitation at various past dates and times at each point in the target area, and forecast values of precipitation at various future dates and times at each point as necessary, to the rainwater infiltration rate estimation device 1. The variable data acquiring unit 8 stores the acquired rainfall information data and forecast rainfall information data in the rainfall information database 20.

なお、本実施形態においては、降雨パターンに応じて別個に雨天時浸入水率の推定モデルを生成するため、降雨情報データベース20には、予め降雨パターンごとに分類した上で(データ項目に降雨パターンを示す識別子を含ませる等)、降雨情報データを格納してもよい。一例においては、
長時間降雨:降雨が、例えば5時間以上等、所定時間以上かつ所定降雨強度以上続いた場合、
局所集中降雨(前方集中):総降水量(降水量の時間積算値)のうち、例えば70%以上の雨が降雨時間の前半に降った場合、
局所集中降雨(後方集中):総降水量のうち、例えば70%以上の雨が降雨時間の後半に降った場合、
豪雨:例えば総降水量90mm以上、
強雨:例えば総降水量50mm以上90mm未満、
中雨:例えば総降水量10mm以上50mm未満、
弱雨:例えば総降水量5mm以上10mm未満、
小雨:例えば総降水量5mm未満、
その他:上記いずれのパターンにも該当しない場合、
のように降雨パターンを定義し(或る降雨が2以上の降雨パターンに該当する場合は、予め各々の降雨パターンに対して定めた優先順位の最も高い特定の降雨パターンのみに該当するとみなすことができ、または該当する全てのパターンと関連付けることもできる)、降雨パターンを識別する識別子と関連付けて、降雨情報データを降雨情報データベース20に格納することができる。降雨パターンの定義は任意であり(例えば豪雨、強雨、中雨において、最大瞬間降水量が10mm以上か10mm未満かに応じて2パターンに分けてもよい)、一例においては管理者等のユーザが入出力部4或いは入出力部(表示部)43を介してデータ入力することにより予め各種データ19の一部として記憶されている。ただし、降雨パターンごとにモデルを別個に生成することは必須ではない。
In this embodiment, since an estimation model of the rainwater infiltration rate is generated separately for each rainfall pattern, the rainfall information database 20 may store rainfall information data after classifying the data according to the rainfall pattern in advance (for example, by including an identifier indicating the rainfall pattern in the data item).
Long-term rainfall: When rainfall continues for a certain period of time, such as 5 hours or more, and for a certain rainfall intensity or more,
Localized concentrated rainfall (forward concentration): When, for example, 70% or more of the total precipitation (accumulated value of precipitation over time) falls in the first half of the rainfall period,
Localized concentrated rainfall (rear concentration): When, for example, 70% or more of the total precipitation falls in the latter half of the rainfall period,
Heavy rain: For example, total precipitation of 90 mm or more,
Heavy rain: For example, total precipitation between 50 mm and 90 mm.
Moderate rain: For example, total precipitation is between 10 mm and 50 mm.
Light rain: For example, total precipitation is between 5mm and 10mm.
Light rain: for example, total precipitation less than 5 mm,
Other: If it does not fall into any of the above patterns,
The rainfall patterns are defined as above (if a certain rainfall corresponds to two or more rainfall patterns, it can be considered to correspond only to a specific rainfall pattern with the highest priority predefined for each rainfall pattern, or it can be associated with all the corresponding patterns), and the rainfall information data can be stored in the rainfall information database 20 in association with an identifier for identifying the rainfall pattern. The rainfall patterns can be defined arbitrarily (for example, heavy rain, strong rain, and moderate rain can be divided into two patterns depending on whether the maximum instantaneous rainfall is 10 mm or more or less than 10 mm), and in one example, a user such as an administrator inputs data via the input/output unit 4 or the input/output unit (display unit) 43, and the data is stored in advance as part of the various data 19. However, it is not essential to generate a model for each rainfall pattern separately.

対象降雨の雨天時浸入水量の算出
ステップS306において、雨天時浸入水量算出部11は、教師データ17の一部としての雨天時浸入水量を算出する。雨天時浸入水量は、図18に示されるとおり、処理場への流入量(t)から晴天時流入量(t)を差し引くことで算出される。ここにおける雨天時浸入水量は、後述の(7)式中、「雨天時流入量-晴天時平均流入量」として用いられる。
In step S306 of calculating the amount of infiltration water during rain for the target rainfall , the infiltration water amount calculation unit 11 calculates the amount of infiltration water during rain as part of the teacher data 17. As shown in Fig. 18, the amount of infiltration water during rain is calculated by subtracting the inflow amount during sunny weather (t) from the inflow amount (t) to the treatment plant. The amount of infiltration water during rain here is used as "inflow amount during rain - average inflow amount during sunny weather" in formula (7) described later.

区域毎の流入対象雨量の算出
ステップS307において、変数データ取得部8は、上述の表1中、「流入対象雨量」を区域ごとに算出して、教師データ17の変数データ(説明変数データ)として記憶部3に格納する。上記表1の説明変数中、流入対象雨量とは、各区域において上記(2)式で定義される流入対象雨量(t)であり、ステップS307において変数データ取得部8によって算出されて、教師データ17の変数データ(説明変数データ)として記憶部3に格納される。他の説明変数とは異なり、流入対象雨量は日時に依存して短い時間スケールで変化する量であり、後述の目的変数としての浸入水率も日時に依存して短い時間スケールで変化する量である。
In step S307 of calculating the inflow target rainfall for each area , the variable data acquisition unit 8 calculates the "inflow target rainfall" in Table 1 for each area and stores it in the storage unit 3 as variable data (explanatory variable data) of the teacher data 17. Among the explanatory variables in Table 1, the inflow target rainfall is the inflow target rainfall (t) defined by the above formula (2) in each area, which is calculated by the variable data acquisition unit 8 in step S307 and stored in the storage unit 3 as variable data (explanatory variable data) of the teacher data 17. Unlike other explanatory variables, the inflow target rainfall is an amount that changes on a short time scale depending on the date and time, and the infiltration water rate as the objective variable described later is also an amount that changes on a short time scale depending on the date and time.

本実施形態における雨天時浸入水率の推定モデルとは、「或る区域における説明変数の値の組」を入力データとして受け付け、「当該区域における目的変数(浸入水率)の推定値」を出力データとして出力するための推定モデルである。In this embodiment, the estimation model for water infiltration rate during rainy weather is an estimation model that accepts "a set of explanatory variable values in a certain area" as input data and outputs "an estimated value of the objective variable (water infiltration rate) in that area" as output data.

変数データ取得部8は、対象地域に含まれる各々の区域について、各々の日時(時間帯)の降水量(mm)データを用いて、各々の区域における各々の日時(時間帯)での流入対象雨量(t)を算出する。一例において、図5に示す対象地域において2021年5月1日の19:00~22:00まで降雨があり、その日の21:00時点で区域51における降水量が1時間あたり2mmであった場合、区域51における2021年5月1日の21:00時点の流入対象雨量は、区域51の浸透率(説明変数中、「土地利用(浸透率)」)を0.36として、以下の(4)式

Figure 0007599018000005
より3.2(t)と算出される。この場合の説明変数としての「流入対象雨量」の値は3.2である。変数データ取得部8は、このようにして、降雨情報データベース20に格納された各区域、各日時の降水量データ、各区域の面積データ(地理情報データベース24に格納されているとする)、教師データ17として格納されている各区域の浸透率を用いて、各区域、各日時における流入対象雨量の値を算出して教師データ17の変数データとして格納する。 The variable data acquisition unit 8 calculates the inflow target rainfall (t) at each date and time (time zone) in each zone included in the target zone using the precipitation (mm) data at each date and time (time zone). In one example, in the target zone shown in FIG. 5, if rainfall occurs from 19:00 to 22:00 on May 1, 2021, and the precipitation in zone 51 is 2 mm per hour at 21:00 on that day, the inflow target rainfall in zone 51 at 21:00 on May 1, 2021 is calculated by the following formula (4) with the infiltration rate of zone 51 ("land use (infiltration rate)" among the explanatory variables) set to 0.36.
Figure 0007599018000005
The calculated value is 3.2 (t). In this case, the value of the "inflow target rainfall" as an explanatory variable is 3.2. In this way, the variable data acquisition unit 8 calculates the value of the inflow target rainfall for each area and each date and time using the precipitation data for each area and each date and time stored in the rainfall information database 20, the area data for each area (assumed to be stored in the geographic information database 24), and the infiltration rate for each area stored as the teacher data 17, and stores the calculated value as variable data of the teacher data 17.

なお、後述の実証結果が示すとおり、目的変数である浸入水率との関連度が特に高い特徴量は「雨量」(降水量)であるが、上記(2)式に示すとおり、流入対象雨量の算出において「降水量」以外の変数は、少なくとも短い時間スケールでは変化しない定数とみなすことができるので((2)式中、「区域の面積」は定数であり、また「浸透率」は区域によって変化するものの、後述の実証結果が示すとおり浸入水率との関連度は雨量に比べて非常に小さい。)、変数としての流入対象雨量の時間変化は実質的には降水量の時間変化によるものとみなすことができる。したがって、表1に挙げた説明変数のうち、目的変数である浸入水率と特に関連度(ランダムフォレストの例では、特徴量の重要度)が高い説明変数は流入対象雨量であると考えられる。ただし、「流入対象雨量」の代わりに「雨量」として、例えば1時間あたりの降水量(mm)(或いは降水量(mm)の所定時間平均値)を説明変数として用いてもよい。As the verification results described below show, the feature that is particularly highly related to the infiltration rate, which is the objective variable, is "rainfall" (precipitation). However, as shown in the above formula (2), in the calculation of the inflow target rainfall, variables other than "precipitation" can be considered as constants that do not change at least on a short time scale (in formula (2), "area of the area" is a constant, and although "infiltration rate" varies depending on the area, as the verification results described below show, its degree of correlation with the infiltration rate is very small compared to rainfall). Therefore, the time change of the inflow target rainfall as a variable can be considered to be substantially due to the time change of precipitation. Therefore, among the explanatory variables listed in Table 1, the explanatory variable that is particularly highly related to the infiltration rate, which is the objective variable, (in the example of random forest, the importance of the feature) is considered to be the inflow target rainfall. However, instead of "inflow target rainfall", for example, precipitation (mm) per hour (or the average value of precipitation (mm) for a specified time) may be used as the explanatory variable.

なお、機械学習において、特に降雨パターンごとに別個の推定モデルを生成する場合、教師データ17も降雨パターンごとに別個に記憶部3に記憶させる。上述のとおり、教師データ17において、変数データと雨天時浸入水率データとの組は、区域及び日時(時間帯)を示す情報と関連付けた形式で格納されるが、一例においては、更に降雨パターンを示す情報とも関連付けた形式で変数データと雨天時浸入水率データとの組が格納される。すなわち、教師データ17として格納されるデータは、
降雨パターン1用教師データ
降雨パターン2用教師データ

降雨パターンM用教師データ
のようにパターンごとに分類され(Mは2以上の任意の整数)、且つ、それぞれの降雨パターン用の教師データは、変数データと雨天時浸入水率データとの組として、区域及び日時(時間帯)を示す情報と関連付けた形式で格納される(降雨パターン、区域、日時(時間帯)を指定して、変数データと雨天時浸入水率データとの組を読み出すことが可能)。ただし、降雨パターンごとに別個にモデルを作成することは必須ではなく、1つのモデルのみを作成することとしてよい。
In machine learning, particularly when generating a separate estimation model for each rainfall pattern, the teacher data 17 is also stored separately for each rainfall pattern in the storage unit 3. As described above, in the teacher data 17, the sets of variable data and rainwater infiltration rate data are stored in a format associated with information indicating the area and date and time (time zone), but in one example, the sets of variable data and rainwater infiltration rate data are stored in a format further associated with information indicating the rainfall pattern. That is, the data stored as the teacher data 17 is
Teacher data for rainfall pattern 1 Teacher data for rainfall pattern 2 …
The training data for rainfall pattern M is classified by pattern (M is any integer equal to or greater than 2), and the training data for each rainfall pattern is stored as a set of variable data and rainwater infiltration rate data associated with information indicating the area and date and time (time zone) (it is possible to read out a set of variable data and rainwater infiltration rate data by specifying the rainfall pattern, area, and date and time (time zone)). However, it is not essential to create a separate model for each rainfall pattern, and it is sufficient to create only one model.

区域ごとの浸入水率の仮設定
ステップS308において、変数データ取得部8は、区域ごとの浸入水率を仮設定する。既に述べたとおり、本実施形態の推定モデルにおける目的変数は、雨天時浸入水率である。

Figure 0007599018000006

(表2)
上述の教師データ17における雨天時浸入水率の値は、ステップS306において変数データ取得部8により、以下の(5)~(8)式に従って算出される。In step S308 of provisionally setting the infiltration water rate for each area , the variable data acquisition unit 8 provisionally sets the infiltration water rate for each area. As described above, the objective variable in the estimation model of this embodiment is the rainwater infiltration rate.
Figure 0007599018000006

(Table 2)
The value of the rainwater infiltration rate in the above-mentioned teacher data 17 is calculated by the variable data acquisition unit 8 in step S306 according to the following equations (5) to (8).

Figure 0007599018000007
処理場の流入対象雨量(t)は雨天時浸入水率を推定する単位時間における量であり例えば1時間ごとの推定では1時間積算値である。ただし、(5)式中、kは区域の識別子であり、nは対象地域に含まれる区域の総数である。すなわち(5)式において、Σ記号内の式は各区域について計算される量である。また(5)式中、「流達時間前の降水量(mm)」とは、例えば着目している区域の流達時間が「a分」であった場合、算出すべき教師データの浸入水率に対応する日時(時間帯)よりも「a分」だけ過去の時点での、当該着目している区域の降水量(mm)である。
Figure 0007599018000007
The target rainfall (t) for the inflow treatment plant is the amount in a unit time for estimating the infiltration rate during rainy weather, for example, the accumulated value for one hour for an hourly estimate. However, in formula (5), k is the identifier of the area, and n is the total number of areas included in the target area. That is, in formula (5), the formula within the Σ symbol is the amount calculated for each area. Also, in formula (5), the "precipitation amount (mm) before the arrival time of the inflow" is the amount of precipitation (mm) in the area of interest at a time "a minutes" before the date and time (time period) corresponding to the infiltration rate of the teacher data to be calculated, for example, if the arrival time of the area of interest is "a minutes".

なお、(5)式中の「流達時間」とは、各々の区域から下水道を流下して目的地(下水処理場)まで浸入水等が到達するまでにかかる時間として各々の区域に対して別個に定義される時間であり、1つの区域内での流達時間の平均値として、1つの区域に対して1つの「流達時間」が定められる。各々の区域における上記流達時間は、予め計算、測定調査等により決定されて(一例においては、下水道台帳の管渠諸元からマニング式を用いて満管流速を管渠毎に算出し、当該管渠から処理場までの流達時間を求め、各々の区域内の平均値を計算して各々の区域に割り当てる。)、各種データ19の一部として記憶部3に記憶されているとする。 Note that the "flow arrival time" in formula (5) is the time it takes for infiltrated water, etc. to flow down the sewer from each area to reach its destination (sewage treatment plant), and is defined separately for each area, with one "flow arrival time" being defined for each area as the average value of the flow arrival times within one area. The flow arrival time for each area is determined in advance by calculation, measurement survey, etc. (in one example, the Manning formula is used to calculate the full pipe flow rate for each pipe from the pipe specifications in the sewerage register, the flow arrival time from the pipe to the treatment plant is determined, and the average value within each area is calculated and assigned to each area), and is stored in the memory unit 3 as part of the various data 19.

Figure 0007599018000008
(6)式のとおり、区域の浸透率は、対象区域内のすべての面積について用途を決定し、用途ごとの区域の面積に占める割合と浸透率の積を集計したものである。
Figure 0007599018000009
Figure 0007599018000010
ただし、(8)式中、「区域の流入対象雨量」は上記(7)式で算出でき「処理場の流入対象雨量」は、上記(5)式で算出できる。また(8)式中、「雨天時流入量」とは、算出すべき教師データの浸入水率に対応する日時(時間帯)における、下水処理場の流入量の実測値であり、雨天時浸入水率推定装置1の要求に応じて下水処理場32のコンピュータから雨天時浸入水率推定装置1へと送信される水位実測データ39に含まれている(各種データ19の一部として記憶部3に記憶される)。また(8)式中、「晴天時平均流入量」とは、季節、気象条件、曜日等に応じて推定可能な下水処理場の晴天時の平均流入量であり、事前に各種制御、表示部13により推定値が算出されて各種データ19の一部として記憶部3に記憶されているとする。変数データ取得部8は、このように教師データとしての浸入水率を算出して教師データ17として記憶部3に格納する。
Figure 0007599018000008
As shown in equation (6), the infiltration rate of an area is calculated by determining the uses for all areas within the target area, and then aggregating the product of the proportion of each use in the area and the infiltration rate.
Figure 0007599018000009
Figure 0007599018000010
However, in formula (8), the "inflow target rainfall of the area" can be calculated by the above formula (7), and the "inflow target rainfall of the treatment plant" can be calculated by the above formula (5). In formula (8), the "rainy weather inflow amount" is the actual measurement value of the inflow amount of the sewage treatment plant at the date and time (time period) corresponding to the infiltration rate of the teacher data to be calculated, and is included in the water level actual measurement data 39 transmitted from the computer of the sewage treatment plant 32 to the rainy weather infiltration rate estimation device 1 in response to a request from the rainy weather infiltration rate estimation device 1 (stored in the storage unit 3 as part of the various data 19). In formula (8), the "fine weather average inflow amount" is the average inflow amount of the sewage treatment plant on a fine day that can be estimated according to the season, weather conditions, day of the week, etc., and is assumed to be calculated in advance by the various control and display units 13 and stored in the storage unit 3 as part of the various data 19. The variable data acquisition unit 8 calculates the infiltration rate as teacher data in this way and stores it in the storage unit 3 as teacher data 17.

機械学習アルゴリズムの例
機械学習アルゴリズムとしては、公知の、或いは非公知のあらゆるアルゴリズムを用いてよいが、ここでは例としてランダムフォレスト(random forest)とニューラルネットワーク(neural network)について説明する。
Examples of Machine Learning Algorithms Any known or unknown algorithm may be used as the machine learning algorithm, but here, a random forest and a neural network will be described as examples.

図7は、学習アルゴリズムの一例として、ランダムフォレストの概念(学習段階)を説明する図であり、図8はランダムフォレストの概念(運用段階)を説明する図である。ランダムフォレストの概要を次に説明する。ランダムフォレストにより機械学習された最終的なモデルは、運用段階においては、決定木と呼ばれるモデルを複数用いて、各々の決定木による予測(推定)結果の多数決(分類)、平均(回帰)をとることにより最終的な出力を得る。ランダムフォレストの学習段階においては、多数の説明変数をブートストラップ法と呼ばれる手法のランダムな復元抽出によって複数のサブサンプルに分類し、各々のサブサンプルにおける大量の教師データを各々の決定木に与えることにより各々の決定木が別個に独立した学習を行って、複数のモデル(決定木)での学習がなされる。ランダムフォレストの機械学習アルゴリズムにより生成される最終的な機械学習モデルは、複数の決定木の集合体と解釈することができる。 Figure 7 is a diagram explaining the concept of random forest (learning stage) as an example of a learning algorithm, and Figure 8 is a diagram explaining the concept of random forest (operation stage). An overview of random forest will be explained below. In the operation stage, the final model machine-learned by random forest uses multiple models called decision trees, and the final output is obtained by taking the majority vote (classification) and average (regression) of the prediction (estimation) results of each decision tree. In the learning stage of random forest, a large number of explanatory variables are classified into multiple subsamples by random restoration extraction using a method called bootstrap method, and a large amount of teacher data in each subsample is given to each decision tree, so that each decision tree learns separately and independently, and learning is performed with multiple models (decision trees). The final machine learning model generated by the machine learning algorithm of random forest can be interpreted as a collection of multiple decision trees.

図9は、学習アルゴリズムの一例として、ニューラルネットワークの概念を説明する図である。ニューラルネットワークの概要を次に説明する。ニューラルネットワークにおいては、入力層と出力層との間に1以上の隠れ層(中間層)が存在し、入力層中のノード値が隠れ層中のノード値へと変換され、隠れ層中のノード値が出力層のノード値へと変換されることにより、入力データ(説明変数データ)から出力データ(目的変数データ)が得られる。或る層から次の層へのノード値の変換は、線形変換や、活性化関数を用いた非線形変換によって行われる。入力層と隠れ層との間にあるノード間の結合、そして隠れ層と出力層との間にあるノード間の結合は、1つ1つが別個に重みの値を有しており、説明変数と目的変数の教師データを与えて学習させることにより、それぞれの重みの値が更新されていく。学習時に各層の重さは、誤差逆伝播法によって重みを更新している。要求出力と実際の出力の差が小さくなるように計算して、各層に反映する。中間層の層数や、個々の中間層に属するノード数等のハイパーパラーメータを調整することによりモデルを任意に構築することができる。ランダムフォレストやニューラルネットワークは周知の機械学習アルゴリズムであるから、ここではこれ以上詳しく説明しない。 Figure 9 is a diagram explaining the concept of a neural network as an example of a learning algorithm. The overview of a neural network will be explained below. In a neural network, one or more hidden layers (intermediate layers) exist between the input layer and the output layer, and the node values in the input layer are converted to node values in the hidden layer, and the node values in the hidden layer are converted to node values in the output layer, thereby obtaining output data (objective variable data) from input data (explanatory variable data). The conversion of node values from one layer to the next layer is performed by linear conversion or nonlinear conversion using an activation function. The connections between the nodes in the input layer and the hidden layer, and the connections between the nodes in the hidden layer and the output layer each have a separate weight value, and the weight values are updated by providing teacher data of the explanatory variables and the objective variables and learning. During learning, the weights of each layer are updated by the backpropagation method. The difference between the required output and the actual output is calculated to be small, and reflected in each layer. The model can be constructed arbitrarily by adjusting hyperparameters such as the number of intermediate layers and the number of nodes belonging to each intermediate layer. Random forests and neural networks are well-known machine learning algorithms and will not be described in further detail here.

機械学習の実行
ステップS309において、機械学習部9は、これまでのステップで生成、記憶された教師データ17を用いて機械学習アルゴリズムにより雨天時浸入水率の推定モデルを生成する。機械学習部9は、教師データとして上述の表1の説明変数データと表2の目的変数データとを用いて機械学習を行うことにより、学習済みモデル16を生成し、記憶部3に記憶させる。降雨パターン別にモデルを生成する場合は、降雨パターン1に従う降雨に関する教師データのみを教師データとして用いて機械学習を行うことにより降雨パターン1用モデルを生成し、同様に、各降雨パターン用のモデルを、当該降雨パターンに従う降雨に関する教師データのみを教師データとして用いて機械学習を行うことにより生成し、記憶部3に記憶させる。
In step S309 of executing machine learning , the machine learning unit 9 generates an estimation model of the rainwater infiltration rate by a machine learning algorithm using the teacher data 17 generated and stored in the previous steps. The machine learning unit 9 generates a trained model 16 by performing machine learning using the explanatory variable data in Table 1 and the objective variable data in Table 2 as teacher data, and stores the trained model 16 in the storage unit 3. When generating a model for each rainfall pattern, a model for rainfall pattern 1 is generated by performing machine learning using only the teacher data related to rainfall according to rainfall pattern 1 as teacher data, and similarly, a model for each rainfall pattern is generated by performing machine learning using only the teacher data related to rainfall according to the rainfall pattern as teacher data, and stores the model in the storage unit 3.

2.運用時の動作
図6は、雨天時浸入水率推定装置によって実行される運用段階の動作フローを示すフローチャートである。雨天時浸入水率推定装置1の運用段階においては、降雨が発生し、その降雨により対象地域内の各区域にて雨天時浸入水が発生する際の、当該各区域における各日時での浸入水率が学習済みのモデルを用いて推定される。
2. Operation during operation Figure 6 is a flowchart showing the operation flow of the operation stage executed by the rainfall infiltration rate estimation device. In the operation stage of the rainfall infiltration rate estimation device 1, when rainfall occurs and rainfall infiltration occurs in each area in the target area due to the rainfall, the infiltration rate in each area at each date and time is estimated using the trained model.

各種変数の設定
まずステップS601において、変数データ取得部8は、説明変数の運用データとして、土地利用(浸透率)等のデータを変数データベース22から取得する。具体的に変数データ取得部8は、表1の説明変数のうち、流入対象雨量(又は雨量)以外の少なくとも短い時間スケールでは変化しない定数とみなすことができる説明変数のデータとして、各々の区域についてのそれら変数データを変数データベース22から取得する。なお、管種や設置年を変えるなど、検討用に意図的に変数を変える場合もある。
Setting Various Variables First, in step S601, the variable data acquisition unit 8 acquires data such as land use (permeability) as operation data of explanatory variables from the variable database 22. Specifically, the variable data acquisition unit 8 acquires variable data for each area from the variable database 22 as data on explanatory variables that can be regarded as constants that do not change at least on a short time scale other than the inflow target precipitation (or precipitation) among the explanatory variables in Table 1. Note that there are cases where variables are intentionally changed for the purpose of study, such as changing the pipe type or installation year.

降雨データの取得
ステップS602において、変数データ取得部8は、過去の降雨データを取得する。具体的には、降水量測定システム33の装置から、降雨データがリアルタイムで配信される。流入量の予測では、この配信データを用いる。なお、雨天時浸入水発生領域の絞り込みで使う過去データの入手は、降水量測定システム33に対する注文を受けて行われる。発注後にダウンロードするか外部記憶メディアを経由してデータを受け取る。変数データ取得部8は、降水量測定システム33のコンピュータから降雨情報データ及び予測降雨情報データ40を取得して降雨情報データベース20に格納する。なお、実降雨データの他に、仮想の降雨データを用いる場合もある。
In the rainfall data acquisition step S602, the variable data acquisition unit 8 acquires past rainfall data. Specifically, rainfall data is distributed in real time from the device of the precipitation measurement system 33. This distributed data is used to predict the inflow amount. The past data used to narrow down the rainwater infiltration occurrence area is obtained when an order is placed with the precipitation measurement system 33. After placing the order, the data is downloaded or received via an external storage medium. The variable data acquisition unit 8 acquires rainfall information data and predicted rainfall information data 40 from the computer of the precipitation measurement system 33 and stores them in the rainfall information database 20. In addition to actual rainfall data, virtual rainfall data may also be used.

区域毎の流入対象雨量の算出
引き続き、変数データ取得部8は、ステップS603において、区域ごとの流入対象雨量を算出する。教師データ作成時と同様に、変数データ取得部8は、上記(2)式に従い各々の区域について流入対象雨量を算出するが、(2)式中の「区域の降水量(mm)」としては、教師データの降水量ではなく、推定の対象とする日時の降水量の値を降雨情報データベース20から取得した上で用いる。
Calculation of inflow target rainfall for each area Next, in step S603, the variable data acquisition unit 8 calculates the inflow target rainfall for each area. As in the case of creating the teacher data, the variable data acquisition unit 8 calculates the inflow target rainfall for each area according to the above formula (2). However, as the "precipitation amount (mm) of the area" in formula (2), the precipitation amount at the date and time to be estimated is obtained from the rainfall information database 20 and used instead of the precipitation amount in the teacher data.

区域ごとの浸入水率の推定
各々の区域についての、ステップS601で取得した変数データの値、及びステップS603で算出した流入対象雨量の値(流入対象雨量ではなく雨量を用いる場合は、ステップS602で取得した雨量の値)を機械学習済みのモデルへの入力データとして用いることにより、モデル出力値として、各々の区域についての浸入水率の推定値を得ることができる。雨天時浸入水率推定部10は、ステップS604において、そのような入力データを用いて上述の機械学習モデルによる推定を行うことにより、各々の区域における対象とする日時の浸入水率の推定値を決定し、雨天時浸入水率データベース23に格納する。ランダムフォレストを用いる一例においては、最終的な機械学習済みモデルが3つの決定木から構成され、運用時のそれぞれの決定木の出力(浸入水率の推定値)が5%,10%,15%であれば、最終的な出力は3つの値から計算した数値がランダムフォレストから出力される。例えば平均値である10%が浸入水率の推定値として得られる。ニューラルネットワークを用いる一例においては、上記表1の9つの説明変数は入力層に属し(図9においては単純化のため4つのノードx1~x4のみを描いたが、9つの説明変数を用いる場合はx1~x9の9つのノードが入力層に存在し、各々の説明変数に対応する。)、上記表2の目的変数は出力層に属する(ノードy1に対応)。特に降雨パターン別の推定モデルを用いる場合、雨天時浸入水率推定部10は、ステップS602で取得された降雨情報データから予測対象の降雨の降雨パターンが降雨パターン1~降雨パターンMのうちのどれに該当するかを判定し、現在の降雨パターンが該当すると判定された降雨パターン用のモデルを、学習済みモデル16として記憶された降雨パターン1用モデル~降雨パターンM用モデルの中から選択して用いる。
Estimation of infiltration rate for each area By using the variable data value acquired in step S601 for each area and the value of the inflow target rainfall calculated in step S603 (if rainfall is used instead of the inflow target rainfall, the value of the rainfall acquired in step S602) as input data to the machine-learned model, an estimated value of the infiltration rate for each area can be obtained as a model output value. In step S604, the rainwater infiltration rate estimation unit 10 uses such input data to perform estimation using the above-mentioned machine-learning model to determine an estimated value of the infiltration rate for the target date and time in each area, and stores it in the rainwater infiltration rate database 23. In an example using random forest, if the final machine-learned model is composed of three decision trees, and the output (estimated value of infiltration rate) of each decision tree during operation is 5%, 10%, and 15%, the final output is a numerical value calculated from the three values and output from the random forest. For example, the average value of 10% is obtained as the estimated value of the infiltration rate. In one example using a neural network, the nine explanatory variables in Table 1 above belong to the input layer (for simplicity, only four nodes x1 to x4 are drawn in FIG. 9, but when nine explanatory variables are used, nine nodes x1 to x9 exist in the input layer and correspond to the respective explanatory variables), and the objective variable in Table 2 above belongs to the output layer (corresponding to node y1). In particular, when using an estimation model for each rainfall pattern, the rain-time infiltration rate estimation unit 10 determines which of rainfall patterns 1 to M the rainfall pattern of the rain to be predicted corresponds to from the rainfall information data acquired in step S602, and selects and uses the model for the rainfall pattern that is determined to correspond to the current rainfall pattern from the models for rainfall pattern 1 to rainfall pattern M stored as the trained models 16.

浸入水率の推定値の出力
モデル推定により得られた浸入水率の推定値は、ステップS605において、各種制御、表示部13により任意の形式で出力される。例えば図5のように区域に区切られたマップ画像上において各々の区域の浸入水率の推定値に対応する色(半透明とする等、表現は任意)を各々の区域に付けた上で当該マップ画像をディスプレイ装置27に表示するか、或いはそのようなマップ画像のデータをクライアントマシン34に送信してマップ画像をクライアントマシン34のディスプレイ装置に表示すれば、管理者等のユーザは浸入水率の高い区域を容易に認識することができる。
The estimated value of the infiltration water rate obtained by the output model estimation of the estimated value of the infiltration water rate is output in an arbitrary format by the various control and display units 13 in step S605. For example, on a map image divided into zones as shown in Fig. 5, a color (any expression, such as semi-transparent) corresponding to the estimated value of the infiltration water rate of each zone is assigned to each zone, and the map image is then displayed on the display device 27, or data of such a map image is transmitted to the client machine 34 and the map image is displayed on the display device of the client machine 34, so that a user such as an administrator can easily recognize zones with a high infiltration water rate.

或いは、浸入水率の推定値を直接出力するのではなく、浸入水率の推定値を用いて雨天時浸入水量算出部11により各々の区域の雨天時浸入水量の推定値を算出し、算出された浸入水量の推定値を、ステップS605において、各種制御、表示部13により任意の形式で出力してもよい。具体的に、雨天時浸入水量算出部11は、ステップS603で算出された各々の区域における流入対象雨量に、各々の区域についてステップS604で推定された浸入水率を乗じることにより((1)式を参照)、各々の区域における対象とする日時の浸入水量の推定値を算出する。各種制御、表示部13は、例えば図5のように区域に区切られたマップ画像上において各々の区域の浸入水量の推定値に対応する色(半透明とする等、表現は任意)を各々の区域に付けた上で当該マップ画像をディスプレイ装置27に表示するか、或いはそのようなマップ画像のデータをクライアントマシン34に送信してマップ画像をクライアントマシン34のディスプレイ装置に表示すれば、管理者等のユーザは浸入水量の高い区域を容易に認識し、雨天時浸入水の発生領域を絞り込むことができる。Alternatively, instead of directly outputting the estimated value of the infiltration water rate, the estimated value of the infiltration water rate may be used by the rainwater infiltration water rate calculation unit 11 to calculate an estimate of the infiltration water rate during rain for each area, and the calculated estimated value of the infiltration water rate may be output in any format by the various control and display units 13 in step S605. Specifically, the rainwater infiltration water rate calculation unit 11 calculates an estimate of the infiltration water rate for the target date and time in each area by multiplying the inflow target rainfall in each area calculated in step S603 by the infiltration water rate estimated for each area in step S604 (see formula (1)). The various control and display units 13, for example, on a map image divided into zones as shown in Figure 5, assign a color (any expression, such as semi-transparent) to each zone corresponding to the estimated amount of water infiltration for that zone and then display the map image on the display device 27, or send data of such a map image to the client machine 34 and display the map image on the display device of the client machine 34, allowing users such as administrators to easily recognize areas with high amounts of water infiltration and narrow down the areas where water infiltration occurs during rainy weather.

3.機械学習モデルの最適化
機械学習部9は、浸入水率の推定値と実測値とを比較して推定モデルを更新(一例においては、運用時の説明変数データと浸入水率の実測値とを新たな教師データ(トレーニングデータ)として用いて再度機械学習を行う)することにより、推定モデルの性能を向上させることができる。特に、下水道管路の上流域の区域(図5の例でいえば、下水処理場48から比較的遠い区域であり、例えば下水処理場48に通じている各々の汚水管を中間点で分断した場合に下水処理場48に遠い方の汚水管部分が通る区域を「上流域の区域」と呼ぶことができる。)における、変数データと浸入水率の実測値(実測方法の一例としては、ここでいう「中間点」に流量計を数か月間設置し、上流域全体の浸入水率を実測によって求めることができる。)とを機械学習部9がトレーニングデータとして記憶部3に蓄積しておき、蓄積されたトレーニングデータを機械学習部9が機械学習モデルに与えて再度モデルの機械学習をすることにより、効率よく機械学習モデルを最適化できると考えられる。
3. Optimization of the machine learning model The machine learning unit 9 compares the estimated value of the infiltration rate with the actual measured value and updates the estimation model (in one example, machine learning is performed again using explanatory variable data during operation and the actual measured value of the infiltration rate as new teacher data (training data)). This can improve the performance of the estimation model. In particular, the machine learning unit 9 accumulates the variable data and the actual measured value of the infiltration rate (as an example of the actual measurement method, a flow meter is installed at the "midpoint" here for several months and the infiltration rate of the entire upstream area can be obtained by actual measurement) in the memory unit 3 as training data in the upstream area of the sewerage pipeline (in the example of FIG. 5, it is an area relatively far from the sewage treatment plant 48, for example, when each sewage pipe leading to the sewage treatment plant 48 is divided at the midpoint, the area through which the sewage pipe part farther from the sewage treatment plant 48 passes can be called the "upstream area"). The machine learning unit 9 provides the accumulated training data to the machine learning model and performs machine learning of the model again, which is considered to be an efficient optimization of the machine learning model.

なお、トレーニングデータとして、機械学習部9は、変数データとともに、浸入水量の実測値を蓄積してもよい。浸入水量の実測値を蓄積しておけば、(1)式に従って浸入水率の実測値も算出できる。機械学習部9、変数データ取得部8等は、浸入水量の実測値を、上記(8)式と(1)式とから算出してもよいが、以下の(9)式、(10)式

Figure 0007599018000011
Figure 0007599018000012
により算出される区域の浸入水量を実測値として算出して用いてもよい。この場合、各区域の面積と対象地域の区域の面積の合計は、管理者等が予め測定しておくか、変数データ取得部8が地理情報データベース24に格納された地理情報を用いて算出し、記憶部3の地理情報データベース24に格納しておくとする。 As training data, the machine learning unit 9 may accumulate actual values of the amount of infiltration water together with the variable data. If the actual values of the amount of infiltration water are accumulated, the actual value of the infiltration water rate can also be calculated according to formula (1). The machine learning unit 9, the variable data acquisition unit 8, etc. may calculate the actual value of the amount of infiltration water from the above formulas (8) and (1), but it is also possible to calculate the actual value of the amount of infiltration water from the following formulas (9) and (10).
Figure 0007599018000011
Figure 0007599018000012
In this case, the total area of each zone and the area of the zone in the target area is measured in advance by the administrator or the like, or is calculated by the variable data acquisition unit 8 using the geographic information stored in the geographic information database 24, and is stored in the geographic information database 24 of the storage unit 3.

ここで、(9)式中、処理場の浸入水量は、以下の(11)式により、機械学習部9、変数データ取得部8等が算出してもよい。Here, in equation (9), the amount of infiltration water into the treatment plant may be calculated by the machine learning unit 9, the variable data acquisition unit 8, etc., using the following equation (11).

Figure 0007599018000013
ただし、(11)式中、kは区域の識別子であり、nは対象地域に含まれる区域の総数である。すなわち(11)式において、Σ記号内の式は各区域について計算される量である。また(11)式中、「流達時間前の降水量(mm)※1」とは、例えば着目している区域の流達時間が「a分」であった場合、推定すべき浸入水率に対応する日時(時間帯)よりも「a分」だけ過去の時点での、当該着目している区域の降水量(mm)である(図18中の、流達時間がそれぞれ0分、62分、120分の例を参照)。
Figure 0007599018000013
In equation (11), k is the identifier of the area, and n is the total number of areas included in the target region. That is, in equation (11), the formula within the Σ symbol is the amount calculated for each area. Also, in equation (11), "precipitation amount (mm) before the arrival time (mm) *1 " is the amount of precipitation (mm) in the area of interest at a time "a minutes" before the date and time (time period) corresponding to the infiltration water rate to be estimated, for example, if the arrival time of the area of interest is "a minutes" (see examples in Figure 18 where the arrival times are 0 minutes, 62 minutes, and 120 minutes, respectively).

なお、(11)式中の「流達時間」とは、各々の区域から下水処理場まで雨天時浸入水が到達するまでにかかる時間として各々の区域に対して別個に定義される時間であり、各区域内での流達時間の平均値として、1つの区域に対して1つの「流達時間」が定められる。各々の区域における上記流達時間は、予め測定調査等により決定されて(一例においては、下水道台帳の管渠諸元からマニング式を用いて満管流速を管渠毎に算出し、当該管渠から処理場までの流達時間を求め、各々の区域内の平均値を計算して各々の区域に割り当てる。)、各種データ19の一部として記憶部3に記憶されているとする。 Note that the "flow arrival time" in formula (11) is the time it takes for infiltration water during rain to reach the sewage treatment plant from each area, and is defined separately for each area, and one "flow arrival time" is defined for each area as the average value of the flow arrival times within each area. The flow arrival time for each area is determined in advance by measurement surveys, etc. (in one example, the full pipe flow rate is calculated for each pipe using the Manning formula from the pipe specifications in the sewerage register, the flow arrival time from the pipe to the treatment plant is obtained, and the average value within each area is calculated and assigned to each area), and is stored in the memory unit 3 as part of the various data 19.

4.下水関連施設における浸入水流入量の推定
次に、上述の推定モデルにより推定された浸入水率を用いて、下水処理場48等の下水関連施設に流入する浸入水の流入量をリアルタイムで予測する方法を説明する。前提として、降雨情報データベース20には、既に述べたとおり各々の時刻における各区域に対しする(1時間あたりの)降水量(mm)データが日時と関連付けて格納されているが、これに加えて、当該降雨における将来の降水量の予測値も、各々の時刻における各区域に対しての予測降水量(mm)として日時と関連付けて降雨情報データベース20に格納されているとする(変数データ取得部8が降水量測定システム33のコンピュータに、降水量測定システム33のコンピュータから予測降水量データを受信して、降雨情報データベース20に格納しているとする)。また、或る降雨が発生している最中に、図3~図6を用いてこれまでに説明したとおりの各区域における浸入水率の推定が時々刻々と行われ、各々の時刻における各区域に対する浸入水率の推定値が日時と関連付けて雨天時浸入水率データベース23に時々刻々と格納されているとする。さらに、計算開始時刻から予測対象の時刻との差分(例えば60分先予測)よりも流達時間が短くなる区域では、降雨量の計測値では予測できないので注区降雨データを使用する。降雨情報データベース20に格納された降雨量実測値および将来の降水量の予測値を用いて、将来の各々の時刻における各区域に対する浸入水率の推定が、同様に機械学習済みの推定モデルを用いて行われており、そのような将来の各々の時刻における各区域に対する浸入水率の推定値が、日時と関連付けて雨天時浸入水率データベース23に時々刻々と格納されているとする。また各々の時刻の各区域に対する晴天時流入量の推定値は、各種データ19の一部として日時と関連付けて既に記憶部3に記憶されているとするが、各区域に対する晴天時流入量は季節、気象条件、曜日等に応じて推定可能な量であり、既知(推定値が既に得られている)の量として扱うので、将来の各々の時刻における各区域に対する晴天時流入量(「晴天時流入量」は、雨天時浸入水がない状態での流入量である(晴天時も雨天に起因しない流入がありえるが、処理場流入量を元にしているのでこれを含む)。ここでは『各区域に対する~』とすることで対象を示している。)の推定値も、各種データ19の一部として既に記憶部3に記憶されているとする。
4. Estimation of infiltration water inflow volume at sewage-related facilities Next, a method for predicting in real time the infiltration water inflow volume into sewage-related facilities such as the sewage treatment plant 48 using the infiltration water rate estimated by the above-mentioned estimation model will be described. As a premise, as already mentioned, the rainfall information database 20 stores precipitation (mm per hour) data for each area at each time in association with date and time, and in addition, it is assumed that the predicted value of future precipitation in the rain is also stored in the rainfall information database 20 as predicted precipitation (mm) for each area at each time in association with date and time (it is assumed that the variable data acquisition unit 8 receives predicted precipitation data from the computer of the precipitation measurement system 33 and stores it in the rainfall information database 20). Also, during a certain rainfall, the infiltration rate in each area is estimated from time to time as described above using Figures 3 to 6, and the estimated value of the infiltration rate for each area at each time is stored in the rainwater infiltration rate database 23 in association with the date and time. Furthermore, in an area where the runoff time is shorter than the difference between the calculation start time and the time to be predicted (for example, a 60-minute prediction), the measured rainfall value cannot be used for prediction, so the rainfall data for the selected area is used. Using the actual rainfall value and the predicted future rainfall value stored in the rainfall information database 20, the infiltration rate for each area at each future time is estimated using a machine-learned estimation model, and the estimated value of the infiltration rate for each area at each future time is stored in the rainwater infiltration rate database 23 in association with the date and time. In addition, it is assumed that the estimated sunny weather inflow for each area at each time has already been stored in memory unit 3 in association with the date and time as part of the various data 19. However, since the sunny weather inflow for each area is an amount that can be estimated based on the season, weather conditions, day of the week, etc. and is treated as a known amount (an estimated value has already been obtained), it is assumed that the estimated sunny weather inflow for each area at each future time ("sunny weather inflow" is the inflow amount when there is no water infiltration during rain (inflow that is not caused by rain can occur on sunny days, but this is included as it is based on the treatment plant inflow amount). Here, the target is indicated by "for each area") has already been stored in memory unit 3 as part of the various data 19.

図10は、基準時間より一定時間後の将来時点の下水関連施設流入量推定の概念を説明する図である。下水処理場48等の下水関連施設に流入する流入量(流入対象雨量や浸入水量と同様に、現在の例においては1時間あたりの流入量(t)とする)は、各区域における雨量に浸入水率を乗じた量に依存するが、各区域から浸入する雨天時浸入水が下水関連施設に到達するまでには、区域ごとに異なる流達時間を要するため、特定の時刻における下水関連施設流入量に寄与するのは、当該特定の時刻ではなく、区域ごとに異なる流達時間だけ当該特定の時刻よりも前の時刻における、各区域での降水量となる(区域ごとに異なる時刻の降水量を計算に入れる必要がある)。なお、ここでいう「時刻」とは、「日」も特定した「時刻」、すなわち「日時」のことである。 Figure 10 is a diagram explaining the concept of estimating the amount of inflow to a sewage-related facility at a future time after a reference time. The amount of inflow (in the present example, the inflow amount per hour (t) is the same as the inflow target rainfall and infiltration water amount) flowing into a sewage-related facility such as a sewage treatment plant 48 depends on the amount of rainfall in each area multiplied by the infiltration water rate, but since it takes different amounts of time for the inflow water from each area to reach the sewage-related facility, what contributes to the amount of inflow to a sewage-related facility at a specific time is not the specific time, but the amount of precipitation in each area at a time before the specific time by the amount of inflow time that differs for each area (the amount of precipitation at different times for each area needs to be taken into account). Note that "time" here refers to a "time" that also specifies the "day", that is, "date and time".

具体的に、或る基準時点(T=0とする)からT分後の、下水処理場48等の下水関連施設に流入する浸入水の1時間あたりの流入量(t:トン)は、以下の(12)式で推定される。

Figure 0007599018000014
ただし、(12)式中、kは区域の識別子であり、nは対象地域に含まれる区域の総数である。すなわち(12)式において、Σ記号内の式は各区域について計算される量である。また(T(分)-流達時間(分))がマイナスの値となる場合、(12)式中の「予測降水量(mm)」としては実績降雨による降水量(mm)を用いる。また(12)式中の浸入水率は推定モデルによる推定値であるが、推定モデルを降雨パターン別に生成する場合には、流入量の推定の対象とする降雨の降雨パターンに対応するパターン別モデルを用いて浸入水率の推定値を決定すればよい。 Specifically, the hourly inflow amount (t: tons) of infiltration water flowing into a sewage-related facility such as a sewage treatment plant 48 T minutes after a certain reference point (T=0) is estimated by the following equation (12).
Figure 0007599018000014
In equation (12), k is the identifier of the area, and n is the total number of areas included in the target region. That is, in equation (12), the formula within the Σ symbol is the amount calculated for each area. Furthermore, when (T (min) - arrival time (min)) is a negative value, the precipitation amount (mm) from actual rainfall is used as the "forecasted precipitation amount (mm)" in equation (12). Furthermore, the infiltration water rate in equation (12) is an estimate based on an estimation model, but when an estimation model is generated by rainfall pattern, the estimated infiltration water rate can be determined using a pattern-specific model corresponding to the rainfall pattern of the rainfall to be estimated for the inflow amount.

下水関連施設流入量推定部12は、降雨情報データベース20、雨天時浸入水率データベース23、各種データ19等から適宜必要なデータを読み出し、(13)式に従って、下水関連施設の流入量を推定する。流入量の推定値は、各種制御、表示部13がディスプレイ装置27に表示してもよいし、流入量の推定値と下水関連施設を特定する識別子をクライアントマシン34や下水関連施設32のコンピュータに送って、クライアントマシン34の入出力部(表示部)43や下水関連施設32のコンピュータのディスプレイ装置に表示する等してもよい。このようにして、雨天時浸入水の下水関連施設への流入量を予測すれば、ポンプ場、下水処理場等の安定した効率的な運転に寄与することができる。分流式下水道の流入水は、原則として雨水の流入はなく雨天時でも晴天時と同様の流入となる予定である。しかし、自治体によっては雨天時に大量の雨水が流入し、ポンプ場や下水処理場の運転に支障をきたす場合がある。雨水排除施設、合流式下水道は雨水の排除能力を有するが、能力を超えた流入や流入量の大きな変動があると施設の運転に大きな負荷がかかる。雨天時浸入水発生領域の絞り込みシステムを応用して、雨天時にリアルタイムでポンプ場あるいは下水処理場に流入する流入量を予測することで、大量流入をタイミングよくとらえることが可能となる。また流入量予測のメリットとして、処理しきれない量の流入には、流入ゲートを閉じて対応することが原則であるが、タイミングが遅れると、施設内が浸水することで処理機能が喪失し、周辺地域の浸水につながるほか、処理機能回復に高額な費用と長期間の下水処理制限が生じる。しかし流入ゲートを閉じても周辺地域が浸水するため予防的にゲートを閉じることはできない。上述のとおり流入を正確に予測することで、処理場の安全を確保しつつ周辺地域の浸水を最小限にとどめることが可能となる。近い将来の流入量を予測することで、流入が減少傾向にあるときにポンプの運転を適切に制御することが可能となる。このことで運転員の作業負荷とエネルギー消費を軽減できる。The sewage-related facility inflow amount estimation unit 12 reads out the necessary data from the rainfall information database 20, the rainwater infiltration rate database 23, the various data 19, etc., and estimates the inflow amount to the sewage-related facility according to the formula (13). The estimated inflow amount may be displayed on the display device 27 by the various control and display units 13, or the estimated inflow amount and an identifier for identifying the sewage-related facility may be sent to the client machine 34 or the computer of the sewage-related facility 32 to be displayed on the input/output unit (display unit) 43 of the client machine 34 or the display device of the computer of the sewage-related facility 32. In this way, if the inflow amount of inflow water during rainy weather to the sewage-related facility is predicted, it can contribute to the stable and efficient operation of pumping stations, sewage treatment plants, etc. In principle, the inflow amount of the separate sewer system is not rainwater, and even in rainy weather, it is planned to be the same as in sunny weather. However, depending on the municipality, a large amount of rainwater may flow in during rainy weather, causing problems in the operation of the pumping station or sewage treatment plant. Although stormwater drainage facilities and combined sewers have the capacity to remove stormwater, when the inflow exceeds the capacity or when there is a large fluctuation in the inflow, it places a heavy burden on the operation of the facilities. By applying the system for narrowing down the area where inflow water occurs during rain, it is possible to predict the inflow amount flowing into a pumping station or sewage treatment plant in real time during rain, making it possible to catch large inflows in a timely manner. Another advantage of inflow prediction is that, in principle, the inflow gate is closed to deal with an inflow amount that cannot be treated, but if the timing is delayed, the facility will be flooded and the treatment function will be lost, leading to flooding of the surrounding area, as well as high costs and long-term restrictions on sewage treatment. However, even if the inflow gate is closed, the surrounding area will be flooded, so the gate cannot be closed preventively. As mentioned above, by accurately predicting the inflow, it is possible to minimize flooding of the surrounding area while ensuring the safety of the treatment plant. By predicting the inflow amount in the near future, it is possible to appropriately control the operation of the pump when the inflow is on a decreasing trend. This reduces the workload of the operators and energy consumption.

図11~図13に、雨天時浸入水の発生領域絞り込みシステムの画面イメージを示す。これら画面は、雨天時浸入水率推定装置1のディスプレイ装置27に表示してもよいし、画面表示データを雨天時浸入水率推定装置1からクライアントマシン34に送信した上で、クライアントマシン34の入出力部(表示部)43のディスプレイ装置に表示してもよい。11 to 13 show screen images of the system for narrowing down the occurrence area of water infiltration during rainy weather. These screens may be displayed on the display device 27 of the water infiltration rate estimation device during rainy weather 1, or the screen display data may be transmitted from the water infiltration rate estimation device during rainy weather 1 to the client machine 34 and then displayed on the display device of the input/output unit (display unit) 43 of the client machine 34.

雨天時浸入水率推定モデルの性能評価結果
以下、本発明の実施例として作成した雨天時浸入水率推定モデルの性能評価結果を説明する。2019年1月~11月の雨量情報、及び処理場流入量情報を用いて推定モデル(解析モデル)を構築した。今回の推定モデルの説明変数(各区域の入力項目)は、以下の表3に示すとおりである。ただし、各区域は一辺が250mmの正方形であるとして、XRAINレーダの雨量情報を用いてモデルを構築した。また目的変数は浸入水率とした。
Performance evaluation results of the rainwater infiltration rate estimation model created as an embodiment of the present invention are described below. An estimation model (analysis model) was constructed using rainfall information from January to November 2019 and treatment plant inflow information. The explanatory variables (input items for each area) of this estimation model are as shown in Table 3 below. However, each area was assumed to be a square with one side of 250 mm, and the model was constructed using rainfall information from XRAIN radar. The objective variable was the infiltration rate.

Figure 0007599018000015
(表3)
Figure 0007599018000015
(Table 3)

解析の手順は以下のとおりである。
(1)晴天時流入量の推定
晴天時の処理場流入量から対象エリア全域の晴天時流入量を求め、各メッシュに晴天時流入量を割り振る。その際、地図の画像解析によりメッシュ内の建物面積を取得して、汚水量原単位設定に利用する。
(2)雨量情報の入力
XRAINの雨量情報を各区域(メッシュ)に割り当てる。
(3)流域特性(変数)の入力
地表の浸透状況、汚水管、雨水管延長など様々な流域特性値を各メッシュに割り当てる。
(4)流達時間の入力
下水道台帳の管渠諸元からマニング式を用いて満管流速を管渠毎に算出し、当該管渠から処理場までの流達時間を求め、メッシュ内の平均値を計算して各メッシュに割り当てる。
(5)処理場流入量の入力
処理場流入量データ(1時間単位またはそれより細分化されたデータ)を取り込む。
(6)雨天時浸入水量、浸入水率の解析
各メッシュからの汚水+雨天時浸入水は、そのメッシュの流達時間経過後に処理場に流入する。各メッシュの降雨量変動と処理場の流入量変動の関係を機械学習で解析することで、各メッシュの浸入水率が求められる。
The analysis procedure is as follows.
(1) Estimation of inflow volume on sunny days The inflow volume on sunny days for the entire target area is calculated from the inflow volume to the treatment plant on sunny days, and the inflow volume on sunny days is allocated to each mesh. At that time, the building area within the mesh is obtained by image analysis of the map, and used to set the wastewater volume basic unit.
(2) Input of rainfall information: XRAIN rainfall information is assigned to each area (mesh).
(3) Input of watershed characteristics (variables) Various watershed characteristic values such as the infiltration condition at the ground surface, the length of sewage pipes and storm drains, etc. are assigned to each mesh.
(4) Input of flow arrival time The full pipe flow velocity is calculated for each pipe using the Manning's formula from the pipe specifications in the sewerage register, and the flow arrival time from the pipe to the treatment plant is obtained. The average value within the mesh is calculated and assigned to each mesh.
(5) Input of inflow volume to treatment plant Import the inflow volume data to the treatment plant (hourly or more detailed data).
(6) Analysis of infiltration volume and infiltration rate during rainy weather Wastewater and infiltration water during rainy weather from each mesh flows into the treatment plant after the flow time of that mesh has elapsed. The infiltration rate of each mesh can be calculated by analyzing the relationship between the fluctuation in rainfall in each mesh and the fluctuation in inflow to the treatment plant using machine learning.

本性能評価における検討フローは以下のとおりである。
1.既存情報の整理
・雨量(XRAIN)
・地理的特性、施設的特性、その他
・処理場流入量
2.モデル構築
・既存情報を用いて学習
3.浸入水率の解析
・構築モデルに流量調査期間の雨量データを入力し、浸入水率算出
4.検証
・実測値との比較
(流量調査計10か所)
The examination flow for this performance evaluation is as follows:
1. Organizing existing information - Rainfall (XRAIN)
・Geographical characteristics, facility characteristics, etc. ・Treatment plant inflow volume 2. Model construction ・Learn using existing information 3. Analysis of infiltration rate ・Input rainfall data from the flow survey period into the constructed model and calculate the infiltration rate 4. Verification ・Compare with actual measurements (flow survey meter at 10 locations)

解析モデル構築には、2019年1月~11月の雨量情報、及び処理場流入量情報を用い、実測値との比較を行うための検証用降雨は、流量調査期間中の2019年10月19日降雨(総雨量75mm、時間最大雨量12mm/h)を選定した。検証用降雨における最大浸入水率の解析結果を図14に示す。 To build the analytical model, rainfall information from January to November 2019 and treatment plant inflow information were used, and the verification rainfall for comparison with the actual measured values was the rainfall on October 19, 2019 during the flow survey period (total rainfall 75 mm, maximum hourly rainfall 12 mm/h). The analysis results of the maximum infiltration water rate during the verification rainfall are shown in Figure 14.

また、流域特性の各項目を浸入水率との関連度の大きい順に並べると、以下の表4のとおりとなる。

Figure 0007599018000016
(表4) In addition, if the items of the watershed characteristics are arranged in order of their degree of relevance to the infiltration water rate, the results are as shown in Table 4 below.
Figure 0007599018000016
(Table 4)

表4に示すとおり、浸入水率との関連度(ランダムフォレストにおける特徴量の重要度)が最も高い流域特性は「雨量」であり、その関連度は0.453641である。2番目に関連度が高い流域特性は「住居面積」であり、その関連度は0.166464である。3番目に関連度が高い流域特性は「浸透率」であり、その関連度は0.081008である。 As shown in Table 4, the watershed characteristic with the highest correlation with infiltration water rate (importance of features in random forest) is "rainfall", with a correlation of 0.453641. The watershed characteristic with the second highest correlation is "residential area", with a correlation of 0.166464. The watershed characteristic with the third highest correlation is "infiltration rate", with a correlation of 0.081008.

また、浸入水率の解析結果と流量調査結果から算出した実測値を比較した結果を図15,図16に示す。流量調査は、2019年9月から約2か月間、管内に流量計を計10ヶ所(A~J)設置して行われた。図15のグラフ中では、A~Jのそれぞれについて、左の棒グラフが実測値であり右の棒グラフが解析結果(推定モデルによる推定値)である。棒グラフの縦軸のスケールは、左側の「浸入水率(%)」に対応し、縦軸右側の目盛りは実測値と解析結果の棒グラフ間に示している総雨量に対応する。比較は、検証用降雨で降雨量が多い4時から7時までの3時間の平均浸入水率で行った。比較の結果、解析結果の浸入水率が、実測値の±10%以内が6ヶ所、±20%以内が2ヶ所となり概ね実測値と同じ結果が得られた。 Figures 15 and 16 show the results of comparing the analysis results of the infiltration rate with the actual values calculated from the flow rate survey results. The flow rate survey was conducted for approximately two months from September 2019, with flow meters installed in a total of 10 locations (A to J) in the pipe. In the graph in Figure 15, for each of A to J, the left bar graph is the actual measurement value and the right bar graph is the analysis result (estimated value using the estimation model). The scale of the vertical axis of the bar graph corresponds to the "infiltration rate (%)" on the left, and the scale on the right side of the vertical axis corresponds to the total rainfall shown between the actual measurement value and the analysis result bar graph. The comparison was performed using the average infiltration rate for three hours from 4:00 to 7:00, when the rainfall was heavy in the verification rainfall. As a result of the comparison, the infiltration rate of the analysis result was within ±10% of the actual measurement value in six locations and within ±20% in two locations, which was roughly the same as the actual measurement value.

本発明は、分流式下水道における雨天時浸入水の発生領域の絞り込み、下水管(汚水管)の修理、交換等のメンテナンスの効率化、合流式および雨水排除施設を含む下水関連施設への雨天時の流入量の予測に用いることができるが、これらに限らず広く利用することができる。 The present invention can be used to narrow down the areas where water infiltrates during rain in separate sewer systems, to improve the efficiency of maintenance such as repairing and replacing sewer pipes (sewage pipes), and to predict the amount of inflow during rain into sewerage-related facilities including combined sewer systems and storm water drainage facilities, but it can also be used in a wide range of applications without being limited to these.

1 雨天時浸入水率推定装置
2 制御部
3 記憶部
4 入出力部
5 通信部
6 プロセッサ
7 一時メモリ
8 変数データ取得部
9 機械学習部
10 雨天時浸入水率推定部
11 雨天時浸入水量算出部
12 下水関連施設流入量推定部
13 各種制御、表示プログラム
14 機械学習関連プログラム
15 各種プログラム
16 学習済みモデル
17 教師データ
18 テストデータ
19 各種データ
20 降雨情報データベース
21 施設流入量、雨天時浸入水量データベース
22 変数データベース
23 雨天時浸入水率データベース
24 地理情報データベース
25 キーボード
26 マウス
27 ディスプレイ装置
28 通信インタフェース
29 通信回路
30 通信回線(インターネット等、ネットワーク回線)
31 外部サーバマシン(地理情報サーバ)
32 下水関連施設(下水処理場、ポンプ場等)
33 降水量測定システム(気象レーダ、雨量計等)
34 クライアントマシン(パーソナルコンピュータ、スマートフォン等)
35 地図データ
36 土地用途データ
37 地上雨量計位置データ
38 その他の地理的データ
39 水位実測データ
40 降雨情報データ
41 制御部
42 記憶部
43 入出力部
44 通信部
45 メッシュ構造
46 メッシュ(区域)
47 メッシュ(区域)
48 下水(汚水)処理場
49 メッシュ(区域)
50 汚水管(流入先管路)
51 メッシュ(区域)
52 汚水管(流入先管路)
1000 下水道管(汚水管)
1001 下水(汚水)処理場
1002 不良箇所(ひび、破損、孔等)
1100 雨水管
1101 雨水ポンプ場
1200 建造物(民家)
1300 建造物(オフィスビルディング)
1400 雨雲
1 Rainfall water infiltration rate estimation device 2 Control unit 3 Memory unit 4 Input/output unit 5 Communication unit 6 Processor 7 Temporary memory 8 Variable data acquisition unit 9 Machine learning unit 10 Rainfall water infiltration rate estimation unit 11 Rainfall water infiltration amount calculation unit 12 Sewerage-related facility inflow amount estimation unit 13 Various control and display programs 14 Machine learning related programs 15 Various programs 16 Trained model 17 Teacher data 18 Test data 19 Various data 20 Rainfall information database 21 Facility inflow amount, rainfall water infiltration amount database 22 Variable database 23 Rainfall water infiltration rate database 24 Geographic information database 25 Keyboard 26 Mouse 27 Display device 28 Communication interface 29 Communication circuit 30 Communication line (Internet, network line, etc.)
31 External server machine (geographic information server)
32 Sewage-related facilities (sewage treatment plants, pumping stations, etc.)
33 Precipitation measurement systems (weather radar, rain gauges, etc.)
34 Client machines (personal computers, smartphones, etc.)
35 Map data 36 Land use data 37 Ground rain gauge position data 38 Other geographical data 39 Water level measurement data 40 Rainfall information data 41 Control unit 42 Memory unit 43 Input/output unit 44 Communication unit 45 Mesh structure 46 Mesh (area)
47 mesh (area)
48 Sewage (sewage) treatment plant 49 Mesh (area)
50 Sewage pipe (inlet pipe)
51 mesh (area)
52 Sewage pipe (inlet pipe)
1000 Sewer pipes (sewage pipes)
1001 Sewage (sewage) treatment plant 1002 Defective parts (cracks, breaks, holes, etc.)
1100 Storm water pipe 1101 Storm water pumping station 1200 Building (private house)
1300 Buildings (Office Buildings)
1400 Rain clouds

Claims (7)

複数の区域に分割される対象地域において区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定装置であって、
前記区域の各々に対して定義される変数であって、区域の各々における降水量の関数を含む変数のデータを取得する、変数データ取得部と、
雨天時浸入水率推定部であって、
前記変数データ取得部が取得した、前記区域の各々における前記変数のデータと、
前記雨天時浸入水率と前記変数との過去のデータを教師データとして機械学習を行った、変数から雨天時浸入水率を推定する推定モデルと
を用いて、前記区域の各々における雨天時浸入水率を推定する、雨天時浸入水率推定部と
を備え
前記推定モデルは、前記雨天時浸入水率と前記変数との過去のデータを教師データとして2以上の降雨パターンの各々に対応して各々が別個に機械学習を行った2以上の別個のパターン別推定モデルのうち、対象降雨の降雨パターンに対応するパターン別推定モデルであり、
前記降雨パターンは、局所集中降雨のパターンであり、前方集中パターン及び後方集中パターンを含む、雨天時浸入水率推定装置。
A rainwater infiltration rate estimation device that estimates a rainwater infiltration rate that corresponds to a ratio of rainwater infiltration volume to rainfall, the ratio being defined for each of a plurality of zones in a target area, comprising:
A variable data acquisition unit that acquires data of a variable defined for each of the areas, the variable including a function of precipitation in each of the areas;
A rainwater infiltration rate estimation unit,
data of the variables in each of the zones acquired by the variable data acquisition unit;
a rainwater infiltration rate estimation unit that estimates the rainwater infiltration rate in each of the areas using an estimation model that estimates the rainwater infiltration rate from the variables, the estimation model being obtained by performing machine learning using past data on the rainwater infiltration rate and the variables as teacher data ;
The estimation model is a pattern-specific estimation model corresponding to the rainfall pattern of the target rainfall, among two or more separate pattern-specific estimation models each of which is separately machine-learned corresponding to two or more rainfall patterns using past data of the rainfall infiltration rate and the variables as teacher data,
The rainfall pattern is a pattern of locally concentrated rainfall, and includes a front concentration pattern and a rear concentration pattern .
前記機械学習の学習アルゴリズムは、ランダムフォレスト又はニューラルネットワークである、請求項1に記載の雨天時浸入水率推定装置。 The rainwater infiltration rate estimation device according to claim 1, wherein the machine learning learning algorithm is a random forest or a neural network. 前記変数データ取得部により取得された前記区域の各々における前記降水量の関数である流入対象雨量のデータと、前記雨天時浸入水率推定部による推定により得られた該区域の各々における雨天時浸入水率の推定値とを用いて、該区域の各々における雨天時浸入水量の推定値を算出する、雨天時浸入水量算出部
を更に備える、請求項1又は2に記載の雨天時浸入水率推定装置。
The rainwater infiltration rate estimation device of claim 1 or 2, further comprising a rainwater infiltration volume calculation unit that calculates an estimated value of the rainwater infiltration volume in each of the areas using data on inflow target rainfall, which is a function of the precipitation in each of the areas acquired by the variable data acquisition unit, and an estimated value of the rainwater infiltration rate in each of the areas obtained by estimation by the rainwater infiltration rate estimation unit.
前記降水量の関数は、該各々の区域において、降水量と、面積とを用いて算出される流入対象雨量である、請求項1乃至のいずれか一項に記載の雨天時浸入水率推定装置。 The rainwater infiltration rate estimation device according to claim 1 , wherein the function of precipitation is an inflow target rainfall calculated using the precipitation and an area of each of the regions. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の雨天時浸入水率推定装置において、
前記雨天時浸入水率推定部による推定により得られた前記区域の各々における雨天時浸入水率の推定値を日時と関連付けて時々刻々と記憶する、雨天時浸入水率記憶部と、
雨天時に下水関連施設に流入する流入水の、基準時点よりも一定時間後の将来時点での流入量を推定する、下水関連施設流入量推定部であって、
各々の区域から前記下水関連施設への流達時間に応じて該各々の区域に対して決定される日時における、該各々の区域の予測降水量又は実績降水量と、
前記各々の区域の面積と、
前記各々の区域に対する浸透率と、
前記流達時間に応じて前記各々の区域に対して決定される前記日時における、該各々の区域の前記雨天時浸入水率の推定値と、
前記流達時間に応じて前記各々の区域に対して推定される前記日時における、晴天時流入量と
を用いて前記基準時点よりも一定時間後の将来時点での流入量を推定する、下水関連施設流入量推定部と
を更に備えた、下水関連施設流入量推定装置。
The rainwater infiltration rate estimation device according to any one of claims 1 to 4 ,
a rainwater infiltration rate storage unit that stores the estimated rainwater infiltration rate in each of the areas obtained by the rainwater infiltration rate estimation unit in association with date and time;
A sewage-related facility inflow amount estimation unit that estimates an inflow amount of inflow water flowing into a sewage-related facility during rainy weather at a future time point after a certain time from a reference time point,
A predicted precipitation amount or actual precipitation amount for each area at a date and time determined for each area according to the flow arrival time from each area to the sewerage-related facility;
the area of each of said regions; and
a permeability rate for each of said regions; and
An estimate of the rainwater infiltration rate of each of the areas at the date and time determined for each of the areas according to the runoff time;
and a sewage-related facility inflow estimation unit that estimates an inflow at a future point in time that is a certain time period after the reference point in time using the clear weather inflow at the date and time estimated for each of the areas according to the inflow arrival time.
複数の区域に分割される対象地域において該区域の各々に対して定義される、降雨量に対する雨天時浸入水量の割合に対応する雨天時浸入水率、を推定する雨天時浸入水率推定装置が実行する推定方法であって、
前記区域の各々に対して定義される変数であって、該区域の各々における降水量の関数を含む変数のデータを取得する、変数データ取得工程と、
雨天時浸入水率推定工程であって、
前記変数データ取得工程で取得した、前記区域の各々における前記変数のデータと、
前記雨天時浸入水率と前記変数との過去のデータを教師データとして機械学習を行った、変数から雨天時浸入水率を推定する推定モデルと
を用いて、前記区域の各々における雨天時浸入水率を推定する、雨天時浸入水率推定工程と
を備え
前記推定モデルは、前記雨天時浸入水率と前記変数との過去のデータを教師データとして2以上の降雨パターンの各々に対応して各々が別個に機械学習を行った2以上の別個のパターン別推定モデルのうち、対象降雨の降雨パターンに対応するパターン別推定モデルであり、
前記降雨パターンは、局所集中降雨のパターンであり、前方集中パターン及び後方集中パターンを含む、雨天時浸入水率推定方法。
A method for estimating a rainwater infiltration rate, which is defined for each of a plurality of areas in a target area divided into the plurality of areas and corresponds to a ratio of an amount of rainwater infiltration to an amount of rainfall, is performed by a rainwater infiltration rate estimation device,
a variable data acquisition step of acquiring data for variables defined for each of the zones, the variables including a function of precipitation in each of the zones;
A rainwater infiltration rate estimation process,
data of the variables in each of the areas acquired in the variable data acquisition step;
and a rainwater infiltration rate estimation process for estimating the rainwater infiltration rate in each of the areas using an estimation model that estimates the rainwater infiltration rate from the variables, the estimation model being obtained by performing machine learning using past data on the rainwater infiltration rate and the variables as teacher data ;
The estimation model is a pattern-specific estimation model corresponding to the rainfall pattern of the target rainfall, among two or more separate pattern-specific estimation models each of which is separately machine-learned corresponding to two or more rainfall patterns using past data of the rainfall infiltration rate and the variables as teacher data,
The rainfall pattern is a pattern of locally concentrated rainfall, and includes a front concentration pattern and a rear concentration pattern .
請求項6に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。 A program for causing a computer to execute the method according to claim 6 .
JP2023528931A 2021-06-18 2021-06-18 Rainwater infiltration rate estimation device, rainwater infiltration rate estimation method, and program Active JP7599018B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/023254 WO2022264422A1 (en) 2021-06-18 2021-06-18 Rainy weather water infiltration rate estimation device, rainy weather water infiltration rate estimation method, and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2022264422A1 JPWO2022264422A1 (en) 2022-12-22
JP7599018B2 true JP7599018B2 (en) 2024-12-12

Family

ID=84525996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023528931A Active JP7599018B2 (en) 2021-06-18 2021-06-18 Rainwater infiltration rate estimation device, rainwater infiltration rate estimation method, and program

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7599018B2 (en)
WO (1) WO2022264422A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024160916A1 (en) * 2023-01-31 2024-08-08 Stormharvester IPR Limited Water ingress detection in wastewater networks
CN116596166B (en) * 2023-07-17 2023-09-22 湖南清源华建环境科技有限公司 Intelligent drainage management system for urban flood

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000257140A (en) 1999-03-09 2000-09-19 Toshiba Corp Rain water inflow forecasting device and rain water inflow forecasting method
JP2003147844A (en) 2001-11-13 2003-05-21 Ebara Corp Method and device for controlling drain sterilizer
JP2004019384A (en) 2002-06-20 2004-01-22 Fuji Electric Holdings Co Ltd Rain water flow-out coefficient estimating method, rain water flow-in rate estimating method, and their estimating programs
JP2007146423A (en) 2005-11-25 2007-06-14 Toshiba Corp Rainwater storage facility operational system
JP2010054266A (en) 2008-08-27 2010-03-11 Kajima Corp System for predicting inundation
US10501925B1 (en) 2015-03-20 2019-12-10 Christopher Conway Lavenson Notifications for reducing overflows from combined sewer systems and sanitary sewer systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000257140A (en) 1999-03-09 2000-09-19 Toshiba Corp Rain water inflow forecasting device and rain water inflow forecasting method
JP2003147844A (en) 2001-11-13 2003-05-21 Ebara Corp Method and device for controlling drain sterilizer
JP2004019384A (en) 2002-06-20 2004-01-22 Fuji Electric Holdings Co Ltd Rain water flow-out coefficient estimating method, rain water flow-in rate estimating method, and their estimating programs
JP2007146423A (en) 2005-11-25 2007-06-14 Toshiba Corp Rainwater storage facility operational system
JP2010054266A (en) 2008-08-27 2010-03-11 Kajima Corp System for predicting inundation
US10501925B1 (en) 2015-03-20 2019-12-10 Christopher Conway Lavenson Notifications for reducing overflows from combined sewer systems and sanitary sewer systems

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022264422A1 (en) 2022-12-22
JPWO2022264422A1 (en) 2022-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Effects of urbanization on direct runoff characteristics in urban functional zones
Apreda et al. A climate vulnerability and impact assessment model for complex urban systems
Talebmorad et al. Hydro geo-sphere integrated hydrologic model in modeling of wide basins
US10664937B2 (en) Flood risk analysis and mapping
US20190316309A1 (en) Flood monitoring and management system
Luino et al. Application of a model to the evaluation of flood damage
JP2019194424A5 (en)
Vázquez et al. Assessment of the effects of DEM gridding on the predictions of basin runoff using MIKE SHE and a modelling resolution of 600 m
CN117688844B (en) Urban waterlogging real-time simulation method and system based on deep neural network
JP7599018B2 (en) Rainwater infiltration rate estimation device, rainwater infiltration rate estimation method, and program
Webber et al. Comparing cost‐effectiveness of surface water flood management interventions in a UK catchment
Hjelmstad et al. Propagation of radar rainfall uncertainties into urban pluvial flood modeling during the North American monsoon
Ketema et al. Prioritization of sub-watersheds for conservation measures based on soil loss rate in Tikur Wuha watershed, Ethiopia
CN118211481A (en) Hydrologic information prediction method and system based on regional drainage basin
Azizi et al. Urban pluvial flood risk assessment: challenges and opportunities for improvement using a community-based approach
Wang et al. Evaluation of urban flooding and potential exposure risk in central and southern Liaoning urban agglomeration, China
Manaouch et al. Integrating GIS-based FAHP and WaTEM/SEDEM for identifying potential RWH areas in semi-arid areas
Abushandi Flash flood simulation for Tabuk City catchment, Saudi Arabia
Xie et al. Improving the forecast precision of river stage spatial and temporal distribution using drain pipeline knowledge coupled with BP artificial neural networks: a case study of Panlong River, Kunming, China
Debbarma et al. Simulation of flood inundation extent by integration of HEC-HMS, GA-based rating curve and cost distance analysis
Salazar-Briones et al. Hydrological and hydraulic modeling of an intra-urban river in a transboundary basin using a regional frequency analysis
Hishinuma et al. Challenges of hydrological analysis for water resource development in semi-arid mountainous regions: case study in Iran
He et al. A semi-distributed groundwater recharge model for estimating water-table and water-balance variables
Yu et al. A precipitation-runoff swift simulation model dedicated to emergency response to flood prediction
Ozkaya Assessing the numerical weather prediction (NWP) model in estimating extreme rainfall events: A case study for severe floods in the southwest Mediterranean region, Turkey

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A801

Effective date: 20231218

A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20231218

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240617

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240820

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20241031

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20241202

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7599018

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150