JP4337625B2 - 河川監視システム - Google Patents

Description

本発明は、河川監視システムに関するものである。

河川の監視においては、河川沿いに観測点をいくつか設けて、これら観測点の観測データや画像を河川監視センタに配信して集中監視を行う河川監視システムが知られている。観測データとして代表的なものは水位計である。河川監視センタでは河川管理者が複数の観測点からの観測データと画像を切り替えて表示装置上に表示している。

河川監視システムの中には、水位計毎に警戒水位と危険水位をあらかじめ設けておき、観測データが警戒水位または危険水位に達したことを判定して監視センタに通知するものもある。さらに、警戒水位または危険水位に達すると、観測データを蓄積し、後日に再び警戒水位または危険水位に達したときに、観測データと前記蓄積された観測データを表示装置上に並べて表示する防災管理システムが知られている（例えば特許文献１）。

しかしながら、従来の河川監視システムでは各観測点が警戒水位または危険水位に達するまで監視センタに通報されなかった。特に、大雨などにより水位が急上昇する場合は警戒水位に達してから危険水位に達するまでの期間が短く、関係部門や周辺住民への通知の迅速性が求められる。河川沿いの複数観測点のデータを、河川監視センタの表示装置に一括または切り替え表示して、該河川の上流から下流までの水位の変化を河川管理者に通知させるものもあるが、河川全体の水位の変化や下流地域の水位の上昇予測は監視員の経験に委ねている。また、過去に警戒水位または危険水位に達したことのない観測点では過去の警戒または危険水位時の観測データの蓄積がなく、河川管理者に観測データと蓄積データを並べて表示することができないこともある。更に、河川は改修工事により水位の状態も変化するので過去の蓄積データが参考にならないこともある。

特開２００３−５８９６９号

河川上流の観測点の観測データを用いて、監視対象の観測点で警戒または危険水位に達する前に通報する河川監視システムを提供する。

河川の水位を監視する河川監視システムにおいて、河川沿いの監視対象観測点に設置した第１の水位計と、監視対象観測点よりも河川上流に設置した第２の水位計と、第２の水位計の水位変化パターンと第１の水位計の水位変化パターンを照合して、第２の水位計設置場所から第１の水位計設置場所までの水位変化の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段を設けた河川監視システムとする。

本発明によれば、河川の上流から対象となる観測点までの水位の伝搬時間の分を先行して水位予測することで、より早いタイミングで水位上昇などの情報を入手する安全な河川監視システムを提供することができる。又、実河川における上流の水位変化と下流の水位を関連付けて自動更新するので、過去の警戒または危険水位時の観測データを必要とせず、手間がかからず最適な予測が可能となる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。なお本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の河川監視システムを模式的に示した図である。河川監視システムは、上流観測点水位計１０１と、上流水位変化計測手段１０２と、上流特徴検出手段１０３と、上流水位保持手段１０４と、上流水位状態保持手段１０５と、水位計１０６と、水位変化計測手段１０７と、特徴検出手段１０８と、伝搬時間計測手段１０９と、関連水位データベース１１０と、更新制御手段１１１を有している。図中の矢印は、電気的信号の流れを示しており、有線，無線方式が考えられる。河川の監視対象観測点の水位を水位計106で計測し、監視対象観測点の上流の観測点の水位を上流観測点水位計１０１で計測し、上流観測点の水は監視対象の観測点まで流れていくものとする。

上流観測点水位計１０１の計測による水位データは、上流水位変化計測手段１０２によって一定時間毎に差分計算することで、水位が上昇，下降あるいは水位変化の少ない定常状態であることを判定する。判定結果は、観測点の水位状態として上流水位状態保持手段１０５に記憶する。上流特徴検出手段１０３は、水位状態の変化、たとえば上昇から定常、あるいは下降から定常、あるいは定常から上昇、あるいは定常から下降へ遷移した時刻を出力する。一方、監視対象観測点の水位計１０６の計測による水位データは、水位変化計測手段１０７で一定時間毎に差分計算することで、水位の上昇，定常，下降を計測し、この状態の変化をとらえて特徴検出手段１０８で状態の変化した時刻を出力する。上流特徴検出手段１０３と特徴検出手段１０８で同様の水位の状態遷移が認められた場合は、伝搬時間計測手段１０９にて各々の出力時刻の差を計算して水位の伝搬時間として出力する。上流特徴検出手段１０３と特徴検出手段１０８で特徴を検出できない場合に、伝搬時間計測手段１０９は、以前に計測した水位の伝搬時間を保持する。伝搬時間の信号は、図１では（Ｃ）と表記している。上流水位保持手段１０４は、伝搬時間だけ過去に遡った上流水位計のデータを図１の（Ａ）として出力する。上流水位状態保持手段１０５は、伝搬時間だけ過去に遡った上流の水位状態、すなわち、上昇あるいは下降あるいは定常状態であるかを図１の（Ｂ）として出力する。関連水位データベース１１０は、上流観測点水位計１０１の設置場所の水位データと、伝搬時間経過後の監視対象観測点の水位計１０６の水位データを対応付けて保持する。すなわち、上流の水位変化に伴って変化する対象監視観測点の水位データがデータベース化している。そこで、上流観測点水位計１０１による最新の水位データで関連水位データベース１１０の水位データを参照すると、該当欄の水位データを、監視対象観測点の水位計１０６の伝搬時間後の予測水位とみなせる。また、更新制御手段１１１は、制御信号（Ｄ）をもって関連水位データベース１１０に対してデータ更新動作と予測水位出力動作の二つを切り替えることができる。データ更新動作と予測水位出力動作については後述する。

図２は、上流水位保持手段１０４の一例を示す図であって、水位記録欄２０１とポインタ２０２を有する。水位記録欄２０１は、上流観測点水位計１０１のデータを時系列で保持する。ポインタ２０２は、水位記録欄２０１の記録場所を制御し、時系列の水位データが一定期間保持される。伝搬時間計測手段１０９の出力する伝搬時間に従い、最新時刻から伝搬時間だけ過去にさかのぼった上流水位データを、関連水位データベース１１０に対して出力する。また、更新制御手段１１１は、制御信号（Ｄ）を介して上流水位保持手段１０４の動作を切り替えることが可能である。関連水位データベース１１０が予測水位出力動作のときは、ポインタ２０２は最新の上流水位データを出力するようにする。これは上流観測点水位計１０１の出力水位と同一である。なお、上流のデータ更新動作と予測水位出力動作は制御信号（Ｄ）で切り替えられる。

図３は、上流水位状態保持手段１０５の一例を示す図であって、水位状態記録欄３０１とポインタ３０２を有する。水位状態記録欄３０１は、上流水位変化計測手段１０２の上流水位状態、すなわち上昇状態であるか，定常状態であるか，下降状態であるかを時系列で保持する。ポインタ３０２は、水位状態記録欄３０１の記録場所を制御し、時系列の水位状態データが一定期間保持される。伝搬時間計測手段１０９の出力する伝搬時間に従い、最新時刻から伝搬時間だけ過去にさかのぼった上流水位状態データを、関連水位データベース１１０に対して出力する。また、更新制御手段１１１は、制御信号（Ｄ）を介して上流水位状態保持手段１０５の動作を切り替えることが可能である。関連水位データベース１１０が予測水位出力動作のときは、ポインタ３０２は最新の上流水位状態データを出力するようにする。これは上流水位変化計測手段１０２の出力と同一である。なお、上流のデータ更新動作と予測水位出力動作は制御信号（Ｄ）で切り替えられる。

図４は、関連水位データベース１１０の一例を示す図であって、上流水位ポインタ401と、アクセス領域選択手段４０２と、水位記録メモリ４０３と、入出力ポート４０４を有する。入出力ポート４０４は、更新制御手段１１１の出力信号で制御される。水位記録メモリ４０３は、３つの欄で構成され、第１の欄である上流水位欄４０５は上流観測点水位計１０１の取りうる水位値を区分して目盛り付けしている。第２の欄である上昇時水位記録欄４０６と第３の欄である下降時水位記録欄４０７は、それぞれ上昇時水位記録欄406の目盛りに対応する記憶領域を有するランダムアクセス可能なメモリである。上流水位ポインタ４０１は、上流水位保持手段１０４の水位値の該当する区分を上昇時水位記録欄
４０６から選んで、上昇時水位記録欄４０６または下降時水位記録欄４０７の該当メモリをアクセス可能とする。アクセス領域選択手段４０２は、上流水位状態保持手段１０５の出力に応じて水位記録メモリ４０３のアクセス可能な領域を上昇時水位記録欄４０６と下降時水位記録欄４０７から選択する。上流水位状態保持手段１０５の出力が水位上昇中を示していれば、上昇時水位記録欄４０６がアクセス可能となり、水位下降中を示していれば、下降時水位記録欄４０７がアクセス可能となる。すなわち水位記録メモリ４０３の上流の水位と水位状態に対応する領域がアクセス可能状態になる。

関連水位データベース１１０には、データ更新動作と予測水位出力動作がある。更新制御手段１１１の制御信号（Ｄ）の作用で入出力ポート４０４が入力状態のときは、関連水位データベース１１０がデータ更新状態となる。このときは上流水位保持手段１０４の伝搬時間だけ遡った上流水位データと、上流水位状態保持手段１０５の保持する伝搬時間だけ遡った水位状態に応じて、水位記録メモリ４０３のアクセス場所が決まり、入出力ポート４０４は入力状態になって、水位計１０６の水位データで更新される。すなわち、上流観測点から、監視対象観測点までの水位の伝搬時間を計測した上で、伝搬時間だけ過去に遡る上流観測点の水位と水位状態に対応するデータベース領域を、最新の監視対象観測点の水位データで更新する。更新は最新のデータで書き換えることも可能であるが、最新データに最も加重の大きい加重平均演算で更新すると微小な変動雑音を相殺できる。加重の式はたとえば時間を独立変数とする指数関数を用いることができる。更に簡略化して、更新前のデータと最新データで加重平均をとることもできる。加重の式の一例は後記する。

一方、更新制御手段１１１の制御信号（Ｄ）の作用で、入出力ポート４０４が出力状態のときは、関連水位データベース１１０は監視対象観測点における予測水位の出力動作となる。このときは上流水位保持手段１０４の最新の上流水位データと、上流水位状態保持手段１０５の最新の水位状態に応じて、水位記録メモリ４０３のアクセス場所が決まり、入出力ポート４０４は出力状態になって、前記アクセス場所の水位データが予測水位として出力される。すなわち、上流観測点水位計１０１の水位データを過去の水位データに照らして、水位と水位状態が類似のものを検索して、水位記録メモリ４０３内の対応する水位データを出力すると、これが伝搬時間後の前記観測点の予測水位とみなせる。

また、上流がこれまでにない増水に見舞われた場合は、上流観測点水位計１０１は、これまでにない高い水位を示し、従って水位記録メモリ４０３の上位水位欄の上限を超えることもあり得る。この場合に対応する関連水位データベースの例が、図６に示す関連水位データベースである。図６は、図４の関連水位データベースに、係数保持手段６０１と水位補正手段６０２を設けた構成である。係数保持手段６０１は、上流水位保持手段１０４の出力する水位データを、上流水位欄４０５の上限値で除した値を係数として保持する。この係数が１.０ を超える場合は、上記観測点水位計１０１が、これまでにない高い水位を示したとみなして、上流水位ポインタ４０１は上流水位欄４０５の上限を示す。一方、水位補正手段６０２は、入出力ポート４０４が出力するデータに前記係数を乗じて予測水位とする。この操作により、前記上流がこれまでにない増水に見舞われた場合でも予測水位を出力することができる。

図５は、水位記録メモリ４０３のデータ更新の際の最新データと過去データの、加重平均の際の加重の一例である。加重の式として（数１）を用いると最新データほど加重が重くなる。調整パラメータＡと平均処理に用いる過去データの範囲τを調整することで重みを調整できる。

本発明は防災と河川管理を目的とした河川監視システムへの適用を想定している。従来は監視点の水位計などのセンサ情報を用いて、該監視点の警戒状態あるいは危険状態を判定していた。しかし、本発明の河川監視装置では上流観測点のセンサ情報を用いて警戒状態あるいは危険状態を判定するので、より早いタイミングで情報を入手することができる。

他の河川監視装置では、実河川に河川モデルをフィッティングしてシミュレーションによる水位予測を行うものがあるが、実河川は改修や土砂によって常に変化するものであり、変化する実河川に河川モデルをフィッティングする手間がかかる。一方、本発明の河川監視装置は実河川における上流の水位変化と下流の水位を関連付けて自動更新するので、過去の警戒または危険水位時の観測データを必要とせず、手間がかからず最適な予測が可能である。

本発明の一実施例である河川監視システムの模式図である。 本発明の上流水位保持手段の一例を示す模式図である。 本発明の上流水位状態保持手段の一例を示す模式図である。 本発明の関連水位データベースの一例を示す模式図である。 本発明の関連水位データベースの他の例を示す模式図である。 本発明の加重平均を示すグラフである。

符号の説明

１０１…上流観測点水位計、１０２…上流水位変化計測手段、１０３…上流特徴検出手段、１０４…上流水位保持手段、１０５…上流水位状態保持手段、１０６…水位計、107…水位変化計測手段、１０８…特徴検出手段、１０９…伝搬時間計測手段、１１０…関連水位データベース、１１１…更新制御手段、２０１…水位記録欄、２０２，３０２…ポインタ、３０１…水位状態記録欄、４０１…上流水位ポインタ、４０２…アクセス領域選択手段、４０３…水位記録メモリ、４０４…入出力ポート、４０５…上流水位欄、４０６…上昇時水位記録欄、４０７…下降時水位記録欄。

Claims (3)

1. 河川の水位を監視する河川監視システムにおいて、河川沿いの監視対象観測点に設置した水位を測定する第１の水位計と、該第１の水位計で測定された水位データから水位の上昇，下降，定常への状態遷移を判定し、該状態遷移の特徴と状態の変化した時刻を検出する第１の特徴検出手段と、前記監視対象観測点よりも河川上流に設置した水位を測定する第２の水位計と、該第２の水位計で測定された水位データから水位の上昇，下降，定常への状態遷移を判定し、該状態遷移の特徴と状態の変化した時刻を検出する第２の特徴検出手段と、前記第２の特徴検出手段が検出した状態遷移の特徴と同様の状態遷移の特徴を前記第１の特徴検出手段が検出した場合は、前記第１の特徴検出手段と第２の特徴検出手段の検出した時刻の差を水位変化の伝搬時間として記録する伝搬時間計測手段と、前記第１の水位計で測定された時系列水位データと前記伝搬時間計測手段で記録される伝搬時間遡った前記第２の水位計で測定された時系列水位データを対応づけて記録する関連水位データベースと、を備え、前記第２の水位計で測定された水位データに水位と特徴が近似する水位データを該関連水位データベースに記録された第２の水位計の時系列水位データから検索し、検索された水位データの伝搬時間経過後の対応づけられる前記第１の水位計で測定された時系列水位データの水位を監視対象観測点の予測水位とする河川監視システム。
2. 前記関連水位データベースに記録された第２の水位計で測定された時系列水位データを越える水位データが第２の水位計で測定された場合は、該測定された水位データを前記第２の水位計で測定された時系列水位データの最大値で除した値を補正係数として係数保持手段に記録し、前記第２の水位計で測定された時系列水位データの最大値に対応づけられた第１の水位計で測定された時系列水位データに前記補正係数を乗じて監視対象観測点の予測水位とする請求項１に記載の河川監視システム。
3. 前記関連水位データベースに記録された第１の水位計で測定された時系列水位データを更新する際は、過去の水位データと新たな水位データとの間で加重付き平均演算を行う請求項１又は２に記載の河川監視システム。

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