カルマンフィルタを導入した排水路系の流況予測

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要約

排水施設の集中管理化に向けて、排水システム内の流れの状態を迅速に把握できるモデルである。本手法は、カルマンフィルタ※を導入することにより、観測値を入力することで、排水路系の流況が予測でき、精度が向上する。

  • 担当:農業工学研究所・水工部・河海工水理研究室
  • 代表連絡先:029-838-7568 Mail Address
  • 区分:研究
  • 分類:参考

背景

地盤標高の低い農地では、排水不良、洪水・高潮により農地の湛水や排水施設が破損する危険性が高い。このため、排水シミュレーションによる広域排水計画が立てられ、各地で排水施設が整備されてきた。しかし、近年、農地の宅地化により、降雨の流出特性が変化したため、周辺の宅地を含めた農地の排水管理の見直しが必要性とされている。
しかしながら、従来の排水シミュレーションでは、実測値と解析結果の比較により最適なパラメータを採用していたが、時々刻々と変化する実現象の解析では再現性が低下する場合があった。ここでは、流れの有限要素解析にカルマンフィルタを導入することにより、排水路系の流況を迅速にかつ高い再現性で予測する技術を開発することを目的とする。

成果の内容・特徴

  • 本モデルでは、流れの支配方程式を離散化して得られた計算値に対し、観測値との比較により誤差を分配し、観測値に含まれる外乱と計算で生じる誤差を除去することで計算結果の改善を図った(図1)。
  • 本モデルの再現性の検証のため、水路内を伝播する正弦波の動き(図2)を解析した。通常のモデルによる解析結果は、理論値に追従させることができなかった(図3a)。これは、境界条件に含まれる外乱や計算の過程で生じる誤差によるものと考えられる。
  • カルマンフィルタを導入したモデルでは、検証した3地点でいずれも計算開始後すぐに理論値と一致する値が得られ、その後も安定して計算を行うことができた(図3b)。
  • 方程式系を展開した結果、本モデルで計算が安定化するのは、カルマンフィルタの導入で支配方程式に人工粘性項が付加されるためであることが分かった。

成果の活用面・留意点

本モデルを適用して流況を推定するには、代表的な地点での水位、流速の観測値が必要である。

*カルマンフィルタ:1960年代に開発された状態推定手法の一つで、現在では、GPS(Global Positioning System)衛星からの信号の雑音除去などに用いられている。

具体的データ

図1 波況予測の流れ
図3 本システムの実行例とその動作原理

その他

  • 研究課題名:フィルタリング手法を導入した排水管理のための流況予測技術の開発
  • 関連する中期計画大課題名:湿地・干潟の土砂堆積制御工法及び河口排水管理技術の開発
  • 予算区分:交付金研究
  • 研究期間:2001～2003年度
  • 研究担当者:桐 博英、木強治、丹治 肇、中矢哲郎
  • 発表論文等:1) H. Kiri, K. Takaki, H. Tanji and T. Nakaya, Application of Kalman filter to finite element model of shallow flow analysis, Shallow Flows, Balkema Publishers, 2004.
                      2) 桐 博英・髙木強治・丹治 肇・中矢哲郎、カルマンフィルタによる洪水時の流況推定モデル、平成14年度農業土木学会応用水理部会講演集、19-22、2002.