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JP2018173342A - Rainfall sensor, rainfall estimation device, rainfall estimation method, and rainfall estimation system - Google Patents

Rainfall sensor, rainfall estimation device, rainfall estimation method, and rainfall estimation system Download PDF

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JP2018173342A
JP2018173342A JP2017071680A JP2017071680A JP2018173342A JP 2018173342 A JP2018173342 A JP 2018173342A JP 2017071680 A JP2017071680 A JP 2017071680A JP 2017071680 A JP2017071680 A JP 2017071680A JP 2018173342 A JP2018173342 A JP 2018173342A
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rainfall
data
acceleration
sensor
feature data
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嘉星 叶
Zhou Qi Yun
嘉星 叶
村川 正宏
Masahiro Murakawa
正宏 村川
優一 倉島
Yuichi Kurashima
優一 倉島
小林 健
Takeshi Kobayashi
健 小林
樋口 哲也
Tetsuya Higuchi
哲也 樋口
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

【課題】新規で有用な雨量センサ、雨量推定装置、雨量推定方法および雨量推定システムを提供する。【解決手段】雨滴の衝撃により振動する被振動体20と、被振動体に設けられた加速度センサ30と、加速度センサからの加速度データを送信する送信インタフェース33とを有する雨量センサ10によって加速度データを送信し、雨量推定装置は、その加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、特徴データから雨量を推定する手段と、を有し、加速度データから雨量を推定する。【選択図】図2A novel and useful rainfall sensor, rainfall estimation device, rainfall estimation method, and rainfall estimation system are provided. Acceleration data is obtained by a rain sensor having a vibrating body that vibrates due to the impact of raindrops, an acceleration sensor provided on the vibrating body, and a transmission interface for transmitting acceleration data from the acceleration sensor. The rain amount estimation device transmits the acceleration data to the frequency domain data for each time period, performs a Fourier transform, extracts the feature data composed of correlation values between the frequency domain data, and the rain sensor. Means for estimating the rainfall from the feature data using the regression equation obtained by learning, and estimates the rainfall from the acceleration data. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、雨量を推定する技術に関し、特に、雨滴の衝撃を検出する雨量センサ、その雨量センサを用いた雨量推定装置、雨量推定方法、および雨量推定システムに関する。   The present invention relates to a technique for estimating rainfall, and more particularly to a rainfall sensor that detects the impact of raindrops, a rainfall estimation device that uses the rainfall sensor, a rainfall estimation method, and a rainfall estimation system.

近年、地球温暖化の影響により、夏季の気温が上昇し、局地的な豪雨が増加している。豪雨による急激な河川の増水や土砂崩れの被害を最小限に抑制するためには、緻密な雨量の観測網が必要である。   In recent years, due to the effects of global warming, summer temperatures have risen and local heavy rain has increased. In order to minimize the sudden increase in rivers and landslides caused by heavy rain, a dense rainfall observation network is required.

雨量計として転倒升型雨量計が広く使用されている。この雨量計は、所定の大きさの開口を有する漏斗状の雨水供給部を有し、雨水は一対の転倒枡の一方に導かれ、所定量の雨水がたまると転倒枡が転倒し排水する。転倒動作をリードスイッチで検出して転倒回数を測定することにより降水量を測定する(例えば、特許文献1参照。)。   A tipping-type rain gauge is widely used as a rain gauge. This rain gauge has a funnel-shaped rainwater supply section having an opening of a predetermined size, and the rainwater is guided to one of a pair of tipping overfalls, and when the amount of rainwater accumulates, the overturning taps fall down and drain. Precipitation is measured by detecting the overturning action with a reed switch and measuring the number of falls (see, for example, Patent Document 1).

特開2003−84077号公報JP 2003-84077 A

しかしながら、特許文献1の転倒升型雨量計では、開口部から落ち葉や昆虫等の異物が混入し易く、雨水供給部が塞がり易い。また、異物を除去するためにユーザが除去しなければならず、メンテナンスが必要である。雨量計を山間部や谷筋や斜面に設置する場合は、ユーザが雨量計にアクセスすることが容易でない場合が多い。また、転倒枡が可動部材を有するため、耐久性が劣るおそれがある。また、機械部品が多く複雑なため、製造コストを低減することが困難である。   However, in the overturning rain gauge of Patent Document 1, foreign matters such as fallen leaves and insects are likely to be mixed from the opening, and the rainwater supply unit is likely to be blocked. Moreover, in order to remove a foreign material, a user must remove and maintenance is required. When installing a rain gauge in a mountainous area, a valley line, or a slope, it is often difficult for a user to access the rain gauge. Moreover, since the overturning rod has a movable member, there exists a possibility that durability may be inferior. In addition, it is difficult to reduce the manufacturing cost because there are many mechanical parts and complicated.

本発明は上記の欠点を克服するために行われたもので、新規で有用な雨量センサ、雨量推定装置、雨量推定方法および雨量推定システムを提供する。   The present invention has been made to overcome the above drawbacks, and provides a new and useful rainfall sensor, rainfall estimation device, rainfall estimation method, and rainfall estimation system.

本発明の一態様によれば、雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信する手段と、上記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、上記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、上記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、上記特徴データから雨量を推定する手段と、を備える雨量推定装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, means for receiving acceleration data of vibration generated in a vibrating body due to raindrop impact from a rain sensor, means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period, Means for extracting feature data comprising correlation values between data in the frequency domain, and means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor. An estimation device is provided.

上記態様によれば、雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データをフーリエ変換して周波数領域のデータの相関値を求めそれを特徴データとしている。これによって、加速度データの特徴を高精度に抽出することが可能である。これにより、加速度データの識別精度が向上するので、雨量推定の精度が向上する。また、雨量推定は雨滴の衝撃による加速度データを用いるので短時間で行うことが可能である。これにより、非常に短い時間に大量の雨が降る場合でも迅速に雨量を推定可能である。   According to the above aspect, the acceleration value of vibration generated in the vibrating body due to the impact of raindrops is Fourier-transformed to obtain the correlation value of the frequency domain data, which is used as feature data. This makes it possible to extract the characteristics of acceleration data with high accuracy. Thereby, since the identification accuracy of acceleration data is improved, the accuracy of rainfall estimation is improved. Moreover, since the rain amount estimation uses acceleration data by raindrop impact, it can be performed in a short time. Thereby, even when a large amount of rain falls in a very short time, it is possible to estimate the rainfall quickly.

本発明の他の態様によれば、雨滴の衝撃により振動する被振動体と、上記被振動体に設けられた加速度センサと、上記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、を備える雨量センサが提供される。   According to another aspect of the present invention, the amount of rain comprising a vibrating body that vibrates due to the impact of raindrops, an acceleration sensor provided on the vibrating body, and a transmission unit that transmits acceleration data from the acceleration sensor. A sensor is provided.

上記態様によれば、雨量センサは、雨滴の衝撃により振動する被振動体の振動の加速度を検出するので、直接雨量を測定するための構造を必要としないため、コンパクトで、低コストで、メンテナンス性が良好である。   According to the above aspect, since the rain sensor detects the acceleration of the vibration of the vibrating body that vibrates due to the impact of raindrops, it does not require a structure for directly measuring the rainfall, so it is compact, low cost, and maintenance Good properties.

本発明のその他の態様によれば、雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信するステップと、上記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換するステップと、上記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出するステップと、上記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて上記特徴データから雨量を推定するステップと、を含む雨量推定方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of receiving acceleration data of vibration generated in the vibrating body by the impact of raindrops from a rain sensor, and a step of Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period; Extracting feature data comprising correlation values between data in the frequency domain, and estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor. A rainfall estimation method is provided.

上記態様によれば、雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データをフーリエ変換して周波数領域のデータの相関値を求めそれを特徴データとしている。これによって、加速度データの特徴を高精度に抽出することが可能である。これにより、加速度データの識別精度が向上するので、雨量推定の精度が向上する。   According to the above aspect, the acceleration value of vibration generated in the vibrating body due to the impact of raindrops is Fourier-transformed to obtain the correlation value of the frequency domain data, which is used as feature data. This makes it possible to extract the characteristics of acceleration data with high accuracy. Thereby, since the identification accuracy of acceleration data is improved, the accuracy of rainfall estimation is improved.

本発明のその他の態様によれば、雨量センサと、雨量推定装置と、を備える雨量推定システムであって、上記雨量センサは、雨滴の衝撃により振動する被振動体と、上記被振動体に設けられた加速度センサと、上記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、を有し、上記雨量推定装置は、上記雨量センサから上記加速度データを受信する手段と、上記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、上記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、上記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、上記特徴データから雨量を推定する手段と、を有する、前記雨量推定システムが提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a rainfall estimation system comprising a rainfall sensor and a rainfall estimation device, wherein the rain sensor is provided on the vibrating body that vibrates due to the impact of raindrops and the vibrating body. And a transmission unit for transmitting acceleration data from the acceleration sensor, wherein the rainfall estimation device receives the acceleration data from the rainfall sensor, and the acceleration data for each time period. Using the regression equation obtained by machine learning for the rain sensor, the means for performing Fourier transform on the frequency domain data, the means for extracting the feature data consisting of correlation values between the frequency domain data, Means for estimating rainfall from data is provided.

上記態様によれば、雨量センサは低コストで設置し易くメンテナンス性も良好なため、降雨による地滑りが発生しやすい地域に多くの雨量センサを高密度に設置が可能である。さらに、雨量推定装置による雨量推定は短時間で精度良く行うことが可能である。非常に短い時間に大量の雨が降る場合でも迅速に雨量を推定可能である。   According to the above aspect, since the rain sensor is easy to install at low cost and has good maintainability, it is possible to install many rain sensors at high density in an area where landslides are likely to occur due to rainfall. Furthermore, the rainfall estimation by the rainfall estimation device can be accurately performed in a short time. Even if a large amount of rain falls in a very short time, the rainfall can be estimated quickly.

本明細書、特許請求の範囲、要約および図面において、用語「雨量」は単位時間に降るあるいは降った雨の量または降水量を表し、例えば、1秒当たりの雨量、1分当たりの雨量、1時間当たりの雨量である。   In the present description, claims, abstract and drawings, the term “rainfall” refers to the amount of rain or precipitation that falls or falls per unit time, for example, rainfall per second, rainfall per minute, It is rainfall per hour.

本発明の一実施形態に係る雨量推定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the rainfall estimation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the rainfall sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量センサの例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the example of the rainfall sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量センサの他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the rainfall sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量センサのその他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the rainfall sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the rainfall estimation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量推定装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the rainfall estimation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 特徴データ抽出部における周波数領域のデータの配列を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | sequence of the data of the frequency domain in a feature data extraction part. 特徴データ抽出部における相関値を求めるためのマスクパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the mask pattern for calculating | requiring the correlation value in a feature data extraction part. 本発明の一実施形態に係る雨量推定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the rainfall estimation method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量推定方法で使用する回帰式を求める方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the method of calculating | requiring the regression equation used with the rainfall estimation method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量推定方法で使用する回帰式を求める他の方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other method of calculating | requiring the regression type used with the rainfall estimation method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る雨量推定システムの実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the rainfall estimation system which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the element which is common between drawings, and the repetition of detailed description of the element is abbreviate | omitted.

[雨量推定システム]
図1は、本発明の一実施形態に係る雨量推定システムの構成を示すブロック図である。
[Rainfall estimation system]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a rainfall estimation system according to an embodiment of the present invention.

図1を参照するに、本発明の一実施形態に係る雨量推定システム100は、複数の雨量センサ10〜12と、雨量推定装置50とを有している。雨量センサ10〜12は、降雨時に雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを雨量推定装置50に送信する。雨量センサ10〜12は、例えば、住宅地、商業地域等のみならず、山間部や谷筋、火山灰の堆積地等の降雨によって災害が発生し易い地域に設置される。雨量推定装置50は、雨量センサ10〜12から加速度データを受信して雨量を推定する。雨量推定装置50は、推定した雨量情報をインターネットや地域の通信網を利用して消防署等の防災システムや家庭に送信できる。後述するが、雨量センサ10〜12は安価で設置し易くメンテナンス性も良好なため、降雨による地滑りが発生しやすい地域に多くの雨量センサを高密度に設置が可能である。さらに、雨量推定装置50による雨量推定は短時間で行うことが可能である。したがって、非常に短い時間に大量の雨が降る場合でも迅速に雨量を推定可能であり、雨量推定システム100は、推定した雨量を迅速に報知可能である。   Referring to FIG. 1, a rainfall estimation system 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of rainfall sensors 10 to 12 and a rainfall estimation device 50. The rain sensors 10 to 12 transmit acceleration data of vibration generated in the vibrating body due to the impact of raindrops to the rain estimation device 50 during rain. The rainfall sensors 10 to 12 are installed not only in residential areas and commercial areas, but also in areas where disasters are likely to occur due to rainfall, such as mountainous areas, valleys, and volcanic ash deposits. The rainfall estimation device 50 receives acceleration data from the rainfall sensors 10 to 12 and estimates the rainfall. The rainfall estimation device 50 can transmit the estimated rainfall information to a disaster prevention system such as a fire department or a home using the Internet or a local communication network. As will be described later, since the rain sensors 10 to 12 are inexpensive and easy to install and have good maintainability, it is possible to install a large number of rain sensors in an area where landslides are likely to occur due to rainfall. Furthermore, the rainfall estimation by the rainfall estimation device 50 can be performed in a short time. Therefore, even when a large amount of rain falls in a very short time, the rainfall can be estimated quickly, and the rainfall estimation system 100 can promptly notify the estimated rainfall.

[雨量センサ」
図2は、本発明の一実施形態に係る雨量センサの構成を示すブロック図である。
[Rainfall sensor]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a rainfall sensor according to an embodiment of the present invention.

図2を参照するに、本発明の一実施形態に係る雨量センサ10は、雨滴の衝撃を受けて振動する被振動体20と、その被振動体20に設けられた、被振動体20の振動の加速度を加速度データとして検出する加速度センサ30と、加速度センサ30からの加速度データが供給されるCPU31と、CPU31から加速度データおよび雨量センサの識別情報等が供給される送信インタフェース33と、送信インタフェース33と接続されたアンテナ34と、CPU31に接続されたメモリ32と、これらの電子部品に電力を供給するバッテリ35とを有している。   Referring to FIG. 2, a rain sensor 10 according to an embodiment of the present invention includes a vibrating body 20 that vibrates in response to a raindrop impact, and vibrations of the vibrating body 20 provided in the vibrating body 20. , The CPU 31 to which acceleration data from the acceleration sensor 30 is supplied, the transmission interface 33 to which the acceleration data and the rain sensor identification information are supplied, and the transmission interface 33. And a memory 32 connected to the CPU 31 and a battery 35 for supplying power to these electronic components.

被振動体20は、降雨時に雨滴を受け、その衝突の際の衝撃により振動する。雨滴が来る方向は、空からまっすぐに落ちてくる場合は、被振動体20はそれと垂直の平板状の面を有していれば雨滴を受けることができる。ただし、風が強い場合は、雨は、空から斜め方向あるいは横方向に降ってくる場合もあるので、このような降雨時にも雨滴の衝撃を受けるために、凸状体であることが好ましく、半球状(真球を二等分して得られる形状、さらに球面の一部を有する形状およびドーム状の形状も含む。)、擬球体状であることが好ましい。凸状体には多面体の一部を切出した形状も含む。被振動体20は、金属またはプラスチック製であることが、雨滴の衝撃を振動に適度に変換できる点で好ましい。被振動体20は、雨滴の衝撃によって振動可能な程度に薄い方が好ましい。   The to-be-vibrated body 20 receives raindrops when it rains, and vibrates due to an impact at the time of the collision. When the raindrops come straight from the sky, the vibrating body 20 can receive the raindrops if it has a flat plate-like surface perpendicular thereto. However, when the wind is strong, rain may fall obliquely or laterally from the sky, so in order to receive the impact of raindrops even during such rain, it is preferably a convex body, It is preferably a hemispherical shape (including a shape obtained by bisecting a true sphere, a shape having a part of a spherical surface, and a dome shape) and a pseudospherical shape. The convex body includes a shape obtained by cutting out a part of a polyhedron. The vibrating body 20 is preferably made of metal or plastic in that it can appropriately convert the impact of raindrops into vibration. The vibrating body 20 is preferably thin enough to vibrate by the impact of raindrops.

加速度センサ30は、被振動体20に設けられており、被振動体20の振動の加速度を検出する。加速度センサ30は、例えば3次元センサであり、3軸方向の加速度を検出できる。加速度センサ30は、例えばMEMSセンサであり、大きさは、例えば、縦5ミリメートル×横5ミリメートル×厚さ1.5ミリメートルである。加速度センサ30は、検出した加速度をアナログデータとしてもデジタルデータとしても出力可能である。ここでは、デジタル化された加速度データが出力されるとする。アナログデータが出力される場合にはA/D変換器を接続してデジタルデータに変換して出力すればよい。加速度データは、例えば、数10kHzの頻度で出力される。加速度センサの感度は、例えば、1ビット当たり数mgから数10mg(gは重力加速度を表す)であり、16ビットで出力可能である。   The acceleration sensor 30 is provided on the vibrating body 20 and detects the acceleration of vibration of the vibrating body 20. The acceleration sensor 30 is, for example, a three-dimensional sensor, and can detect acceleration in three axis directions. The acceleration sensor 30 is, for example, a MEMS sensor, and the size is, for example, 5 millimeters long × 5 millimeters wide × 1.5 millimeters thick. The acceleration sensor 30 can output the detected acceleration as analog data or digital data. Here, it is assumed that digitized acceleration data is output. When analog data is output, an A / D converter may be connected to convert it into digital data and output. The acceleration data is output with a frequency of several tens of kHz, for example. The sensitivity of the acceleration sensor is, for example, from several mg to several tens of mg per bit (g represents gravitational acceleration), and can be output in 16 bits.

CPU(central processing unit、プロセッサ)31は、公知のMPU(マイクロプロセッサ)を適宜選択でき、加速度センサ30、メモリ32、送信インタフェース33とそれぞれ接続される。CPU31は加速度センサ30と、例えばシリアル・インタフェース、I2C、SPIによって接続される。CPU31は、加速度センサ30から加速度データを受け取って、メモリに記憶あるいは送信インタフェースに送る。その際、加速度データだけではなく、雨量センサの識別情報を含む補助情報を付加してもよい。 A CPU (central processing unit) 31 can appropriately select a known MPU (microprocessor), and is connected to the acceleration sensor 30, the memory 32, and the transmission interface 33, respectively. The CPU 31 is connected to the acceleration sensor 30 by, for example, a serial interface, I 2 C, or SPI. The CPU 31 receives acceleration data from the acceleration sensor 30 and stores it in a memory or sends it to a transmission interface. At that time, not only acceleration data but also auxiliary information including identification information of the rainfall sensor may be added.

メモリ32は、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(リードオンリーメモリ)であり、独立したチップでもよく、CPU31に含まれるメモリでもよい。メモリ32は、加速度データを一時保存するために用いてもよく、他の用途に用いてもよい。   The memory 32 is a random access memory (RAM) or a read only memory (ROM), and may be an independent chip or a memory included in the CPU 31. The memory 32 may be used for temporarily storing acceleration data or may be used for other purposes.

送信インタフェース33は、アンテナを介して、加速度データおよび補助情報等を雨量推定装置50に送信する。送信インタフェース33は、特に限定されないが、例えば、920MHzの送信周波数で、0.01W以下、あるいは0.02W以下の送信出力の無線チップあるいは無線モジュールを使用できる。なお、雨量センサ10の設置環境等に応じて有線送信でもよい。また、送信インタフェース33は、有線通信用でもよい。アンテナ34は、特に限定されないが、無線周波数が920MHzの場合は、ロッドアンテナ、ワイヤアンテナを使用できる。   The transmission interface 33 transmits acceleration data, auxiliary information, and the like to the rainfall estimation device 50 via the antenna. The transmission interface 33 is not particularly limited. For example, a wireless chip or a wireless module having a transmission output of 920 MHz and a transmission output of 0.01 W or less or 0.02 W or less can be used. Note that wired transmission may be performed according to the installation environment of the rainfall sensor 10 or the like. The transmission interface 33 may be used for wired communication. The antenna 34 is not particularly limited, but when the radio frequency is 920 MHz, a rod antenna or a wire antenna can be used.

バッテリ35は、雨量センサ10の各電子部品に電力を供給する。バッテリ35を使用することで、雨量センサ10を、電力線を敷設することが困難なあるいは高コストな険しい谷沿いや山あいに設置することが可能になる。バッテリ35は、太陽光発電パネル(不図示)と接続して電力の供給もよい。もちろん、電力線に接続可能であればバッテリ35に電力を供給してもよく、その場合はバッテリ35を省略してもよい。   The battery 35 supplies power to each electronic component of the rainfall sensor 10. By using the battery 35, the rain sensor 10 can be installed along a steep valley or mountain where it is difficult or expensive to install a power line. The battery 35 may be connected to a photovoltaic power generation panel (not shown) to supply power. Of course, as long as it can be connected to the power line, the battery 35 may be supplied with power, and in that case, the battery 35 may be omitted.

雨量センサ10は、雨水の体積を直接計測しないので、従来必要であった雨水を溜める枡のような容器や、体積を測定する機構を必要としない。これにより、複雑な機械部品必要がなく、コンパクトで、低コストでメンテナンス性が良好である。   Since the rain sensor 10 does not directly measure the volume of rainwater, it does not require a container such as a bag for storing rainwater and a mechanism for measuring the volume, which has been required in the past. This eliminates the need for complicated mechanical parts, is compact, low cost, and has good maintainability.

図3〜図5は、本発明の一実施形態に係る雨量センサの例を示す概略断面図である。   3-5 is a schematic sectional drawing which shows the example of the rainfall sensor which concerns on one Embodiment of this invention.

図3を参照するに、雨量センサ13は、概略、被振動体21と、被振動体21に設けられた加速度センサ30と、電子基板36と、バッテリ35と、被振動体21を支持する本体部38と、雨量センサ13を地面に固定するための支柱部39とを有する。なお、図3では図2に示すアンテナおよびメモリの図示が省略されている。   Referring to FIG. 3, the rain sensor 13 generally includes a body to be vibrated 21, an acceleration sensor 30 provided on the body to be vibrated 21, an electronic board 36, a battery 35, and a body that supports the body 21 to be vibrated. And a support column 39 for fixing the rainfall sensor 13 to the ground. In FIG. 3, the antenna and the memory shown in FIG. 2 are not shown.

被振動体21は、半球状あるいはドーム状の形状を有している。加速度センサ30は、被振動体21の内面に設けられ、振動伝達体37を介して固定されている。振動伝達体37は、例えば、金属板、ブラスチック板、接着層等であり、これらを組み合わせてもよい。   The vibrating body 21 has a hemispherical shape or a dome shape. The acceleration sensor 30 is provided on the inner surface of the vibrating body 21 and is fixed via a vibration transmitting body 37. The vibration transmitting body 37 is, for example, a metal plate, a plastic plate, an adhesive layer, or the like, and these may be combined.

加速度センサ30は、図3においては、被振動体21の天頂に配置されている。加速度センサ30を天頂に配置することで、被振動体21の振動を効率良く検出できる。なお、加速度センサは、天頂に配置してもよく、被振動体21の他の部分に配置してもよい。   The acceleration sensor 30 is disposed at the zenith of the vibrating body 21 in FIG. By arranging the acceleration sensor 30 at the zenith, the vibration of the vibrating body 21 can be detected efficiently. The acceleration sensor may be disposed at the zenith or may be disposed at another part of the vibrating body 21.

加速度センサ30は、電子基板36上にCPU31、送信インタフェース33、メモリ32と信号通信可能に設けられている。電子基板36は、これらの電子部品を接続可能なものであれば、特に限定されないが、軽量であることが好ましい。これにより、被振動体21の振動への影響を低減できる。   The acceleration sensor 30 is provided on the electronic board 36 so as to be capable of signal communication with the CPU 31, the transmission interface 33, and the memory 32. The electronic substrate 36 is not particularly limited as long as these electronic components can be connected, but is preferably lightweight. Thereby, the influence on the vibration of the to-be-vibrated body 21 can be reduced.

電子基板36にはケーブル40を介してバッテリ35が接続されており、電力が供給される。バッテリ35は、CPUや加速度センサの仕様に合わせて供給する電圧(例えば3.5ボルト)および電流が決定される。この回路全体での消費電力が少ない程好ましい。   A battery 35 is connected to the electronic board 36 via a cable 40 to supply power. The voltage (for example, 3.5 volts) and current to be supplied to the battery 35 are determined in accordance with the specifications of the CPU and acceleration sensor. The smaller the power consumption of the entire circuit, the better.

本体部38は、円盤状の平板であり、機械強度および防水性が十分であれば特に限定されない。支柱部39は、埋め込み易い形状であれば特に限定されない。   The main body 38 is a disk-shaped flat plate and is not particularly limited as long as the mechanical strength and waterproofness are sufficient. The support column 39 is not particularly limited as long as it is a shape that can be easily embedded.

雨量センサ13は、被振動体20が半球状の形状を有しているので、上からの降雨のみならず、斜めや横からの降雨を的確に受けることができるので、雨量推定の精度が向上する。また、被振動体20が半球状の形状を有しているので、縦(鉛直)方向のみならず、それと直交する面内、つまり横方向の振動も生じ易い。加速度センサ30は、縦方向および2つの横方向の振動の加速度を測定することで、より的確な雨量の推定が可能になる。さらに、加速度センサ30が被振動体の内面に設けられているので、降雨による水濡れを防止できる。   Since the vibration sensor 20 has a hemispherical shape, the rainfall sensor 13 can accurately receive not only rainfall from above but also rainfall from oblique and lateral directions, so that the accuracy of rainfall estimation is improved. To do. Further, since the vibrating body 20 has a hemispherical shape, vibrations not only in the vertical (vertical) direction but also in a plane perpendicular to the vertical direction, that is, in the horizontal direction are likely to occur. The acceleration sensor 30 can estimate the rain amount more accurately by measuring the acceleration of the vibration in the vertical direction and the two horizontal directions. Furthermore, since the acceleration sensor 30 is provided on the inner surface of the vibrating body, water wetting due to rain can be prevented.

図4を参照するに、雨量センサ14は、概略、被振動体22と、被振動体22に設けられた加速度センサ30と、電子基板36と、バッテリ35と、被振動体22を支持する本体部38と、雨量センサ14を地面に固定するための支柱部39とを有し、図3に示す雨量センサ13とほぼ同様の構成を有している。   Referring to FIG. 4, the rain sensor 14 generally includes a body to be vibrated 22, an acceleration sensor 30 provided on the body to be vibrated 22, an electronic board 36, a battery 35, and a body that supports the body to be vibrated 22. Part 38 and a column part 39 for fixing the rainfall sensor 14 to the ground, and has substantially the same configuration as the rainfall sensor 13 shown in FIG.

雨量センサ14は、被振動体22が擬球体状の形状を有している。これにより、図3に示す雨量センサ13の効果を有するとともに、山岳地帯や傾斜の谷の斜面に設置した場合に起こる、下からの雨滴も受けることができるので、より正確に雨量を推定可能である。   In the rainfall sensor 14, the vibrating body 22 has a pseudo-spherical shape. This has the effect of the rainfall sensor 13 shown in FIG. 3 and can also receive raindrops from below that occur when installed on a mountainous area or an inclined valley slope, so that it is possible to estimate the rainfall more accurately. is there.

図5を参照するに、雨量センサ15は、概略、平板状の被振動体23と、被振動体23の下面に設けられた加速度センサ30と、電子基板36と、バッテリ35と、被振動体23を支持する支持部材41および本体部38と、雨量センサ15を地面に固定するための支柱部39とを有し、図3に示す雨量センサ13とほぼ同様の構成を有している。   Referring to FIG. 5, the rain sensor 15 includes a roughly flat plate-like vibrating body 23, an acceleration sensor 30 provided on the lower surface of the vibrating body 23, an electronic board 36, a battery 35, and a vibrating body. 23, a support member 41 and a main body 38 for supporting the head 23, and a support column 39 for fixing the rainfall sensor 15 to the ground, and has substantially the same configuration as the rainfall sensor 13 shown in FIG. 3.

支持部材41は、被振動体23を両側で支持してもよく、被振動体23の周縁に沿って支持する枠状でもよく、特に限定されない。枠状の支持部材41を採用することで、電子基板やバッテリに雨水が浸入することを防止でき、別途防水用のカバーを設けなくてもよい。支持部材41は、本体部38と同様の材料を選択できる。   The support member 41 may support the vibrating body 23 on both sides, may have a frame shape that supports the vibrating body 23 along the periphery thereof, and is not particularly limited. By adopting the frame-shaped support member 41, rainwater can be prevented from entering the electronic board or the battery, and a separate waterproof cover need not be provided. For the support member 41, the same material as that of the main body portion 38 can be selected.

雨量センサ15は、被振動体23が平板状の形状を有している。これにより、上からの雨滴を確実に受けることができる。また、被振動体23が太陽光発電パネルでもよい。太陽光発電パネルにより発電した電力の一部をバッテリ35に充電することで、雨量センサ15の機能を長期間維持可能になる。   In the rain sensor 15, the vibrating body 23 has a flat plate shape. Thereby, it is possible to reliably receive raindrops from above. Moreover, the to-be-vibrated body 23 may be a photovoltaic power generation panel. By charging a part of the electric power generated by the solar power generation panel to the battery 35, the function of the rainfall sensor 15 can be maintained for a long time.

本実施形態に係る雨量センサ10〜15は、上述したように、雨滴の衝撃による被振動体の振動の加速度を加速度センサ30によって検出し、測定を行う。従来必要であった雨水を溜める枡のような容器や、体積を測定する機構を必要としないので、複雑な機械部品必要がなく、コンパクトで、低コストで、メンテナンス性が良好である。さらに、被振動体20の形状が凸状、半球状、擬球体状の形状にすることで、上からの降雨のみならず、斜めや横からの降雨を的確に受けることができ雨量推定の精度が向上する。また、これらの形状により、落ち葉や砂状物質が溜まり難いため、その影響を抑制できる。これらの理由から、ユーザが雨量計にアクセスすることが容易でない場合も一旦設置すればメンテナンスの手間が省ける。   As described above, the rain sensors 10 to 15 according to the present embodiment detect and measure the acceleration of the vibration of the vibrating body due to the impact of raindrops using the acceleration sensor 30. Since it does not require a container such as a bag for storing rainwater and a mechanism for measuring the volume, which are necessary in the past, there is no need for complicated mechanical parts, and it is compact, low-cost, and easy to maintain. Furthermore, by making the shape of the vibrating body 20 convex, hemispherical, or pseudo-spherical, it is possible to receive not only rain from above, but also rain from oblique and lateral directions, and the accuracy of rainfall estimation. Will improve. Moreover, since it is hard to accumulate fallen leaves and a sandy substance by these shapes, the influence can be suppressed. For these reasons, even if it is not easy for the user to access the rain gauge, once it is installed, maintenance work can be saved.

[雨量推定装置]
図6は、本発明の一実施形態に係る雨量推定装置の構成を示すブロック図である。
[Rainfall estimation device]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a rainfall estimation device according to an embodiment of the present invention.

図6を参照するに、本発明の一実施形態に係る雨量推定装置50は、雨量センサから無線送信される加速度データおよび識別情報等をアンテナ51を介して受信する受信インタフェース52と、CPU53と、メモリ54と、ユーザインタフェース55と、ディスプレイ56と、推定雨量情報をサーバやインターネットを介して外部に送信し、天候等の情報を受信する送受信インタフェース58と、これらを信号通信可能に接続するバス59とを有している。   Referring to FIG. 6, a rainfall estimation device 50 according to an embodiment of the present invention includes a reception interface 52 that receives acceleration data, identification information, and the like wirelessly transmitted from a rainfall sensor via an antenna 51, a CPU 53, A memory 54, a user interface 55, a display 56, a transmission / reception interface 58 that transmits estimated rainfall information to the outside via a server or the Internet, and receives information such as weather, and a bus 59 that connects these signals so as to enable signal communication. And have.

受信インタフェース52は、アンテナ51から供給される無線信号から加速度データおよび識別情報等を取出してCPU53に送信する。受信インタフェース52は、例えば、920MHzの周波数の電波を受信可能な受信チップあるいは受信モジュールである。   The reception interface 52 extracts acceleration data, identification information, and the like from the radio signal supplied from the antenna 51 and transmits the data to the CPU 53. The reception interface 52 is, for example, a reception chip or a reception module that can receive a radio wave having a frequency of 920 MHz.

CPU(central processing unit、プロセッサ)53は、公知のMPU(マイクロプロセッサ)を適宜選択できる。CPU53は、雨量推定装置50の制御を行うとともに、次に説明する雨量推定のための各処理を行う機能部を有する。また、CPU53は、雨量センサに対して雨量を推定するための回帰式を求める機能部を有してもよい。   A CPU (central processing unit, processor) 53 can appropriately select a known MPU (microprocessor). The CPU 53 has a functional unit that controls the rainfall estimation device 50 and performs each process for rainfall estimation described below. Further, the CPU 53 may include a function unit that obtains a regression equation for estimating the rainfall with respect to the rainfall sensor.

メモリ54は、RAM(ランダムアクセスメモリ)および/またはROM(リードオンリーメモリ)であり、独立したチップでもよく、CPU53に含まれるメモリでもよい。メモリ54は、加速度データを一時保存するために用いてもよく、雨量推定のため各種データを記憶する。   The memory 54 is a RAM (Random Access Memory) and / or a ROM (Read Only Memory), and may be an independent chip or a memory included in the CPU 53. The memory 54 may be used for temporarily storing acceleration data, and stores various data for estimating the rainfall.

ユーザインタフェース55は、ユーザの操作用のデバイスのためのインタフェースで、入力用のキーボード(不図示)や操作用のマウス(不図示)等が接続される。   The user interface 55 is an interface for a user operation device, and is connected to an input keyboard (not shown), an operation mouse (not shown), and the like.

ディスプレイ56は、特に限定されず、公知のディスプレイを用いることができ、雨量推定装置50により求められた推定雨量や、雨量センサ10〜15の設置場所と推定雨量を示す地域毎の推定雨量や、積算された推定雨量等を表示したり、雨量推定装置50の操作のための情報を表示可能である。   The display 56 is not particularly limited, and a known display can be used. The estimated rainfall obtained by the rainfall estimation device 50, the estimated rainfall for each area indicating the installation location and the estimated rainfall of the rainfall sensors 10 to 15, The accumulated estimated rainfall or the like can be displayed, or information for operating the rainfall estimation device 50 can be displayed.

送受信インタフェース58は、推定雨量を格納するサーバとの通信や、インターネットあるいはその他の通信回線を介して外部に推定雨量情報を提供し、外部から天候のデータ等を受信することが可能である。   The transmission / reception interface 58 can provide estimated rainfall information to the outside via communication with a server storing the estimated rainfall, the Internet or other communication lines, and can receive weather data and the like from the outside.

次に、雨量推定装置50のCPU53によって実現される雨量推定のための機能部を説明する。   Next, the function part for the rainfall estimation implement | achieved by CPU53 of the rainfall estimation apparatus 50 is demonstrated.

図7は、本発明の一実施形態に係る雨量推定装置の機能構成を示すブロック図である。   FIG. 7 is a block diagram showing a functional configuration of a rainfall estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.

図7を参照するに、CPU53の各機能構成部60〜65は、CPU53内のメモリあるいは独立したメモリ(以下、「メモリ54」と総称する。)に格納されたプログラムおよびデータにより実現される機能である。CPU53は、フーリエ変換部60、特徴データ抽出部61および雨量推定部62を有する。さらにCPU53は、フィルタ処理部63、降雨判定部64および回帰分析部65を有してもよい。また、メモリ54には、雨量センサからの一時記憶された加速度データ66、雨量推定用の回帰式のデータ68、非降雨時の機械学習により得られた特徴データ69等が格納されている。   Referring to FIG. 7, each function component 60 to 65 of CPU 53 is a function realized by a program and data stored in a memory in CPU 53 or an independent memory (hereinafter collectively referred to as “memory 54”). It is. The CPU 53 includes a Fourier transform unit 60, a feature data extraction unit 61, and a rainfall amount estimation unit 62. Further, the CPU 53 may include a filter processing unit 63, a rainfall determination unit 64, and a regression analysis unit 65. The memory 54 stores acceleration data 66 temporarily stored from the rainfall sensor, regression data 68 for rainfall estimation, feature data 69 obtained by machine learning during non-rainfall, and the like.

フーリエ変換部60は、受信インタフェース52あるいはメモリ66からの加速度データを所定の時間期間で切出しを行い、切出された加速度データを周波数領域にフーリエ変換する(いわゆる、短時間フーリエ変換)。切り出される加速度データはデジタル化されている(例えば、サンプリング周波数100Hz)。加速度データがアナログ信号の場合はA/D変換される。切出しは窓関数を使用してもよい。窓関数としては、矩形窓、ガウス窓、ハン窓、ハミング窓等、公知の窓関数を使用できる。例えば、矩形窓では、例えば窓幅1.28秒で互いに重ならないように設定される。これにより、窓関数に応じた時間期間毎の加速度データが得られる。フーリエ変換部60は、切出された時間期間毎の加速度データを周波数領域にフーリエ変換する。これにより、時間期間毎、つまり、離散的な時間毎の、周波数領域のデータFk tが得られる。周波数領域のデータFk tは、複素フーリエ変換を用いた場合、以下の数式1で表される。 The Fourier transform unit 60 cuts out acceleration data from the reception interface 52 or the memory 66 in a predetermined time period, and Fourier-transforms the cut out acceleration data into a frequency domain (so-called short-time Fourier transform). The extracted acceleration data is digitized (for example, sampling frequency 100 Hz). When the acceleration data is an analog signal, A / D conversion is performed. Cutting may use a window function. As the window function, known window functions such as a rectangular window, a Gaussian window, a Hann window, and a Hamming window can be used. For example, rectangular windows are set so as not to overlap each other with a window width of 1.28 seconds, for example. Thus, acceleration data for each time period corresponding to the window function is obtained. The Fourier transform unit 60 Fourier transforms the extracted acceleration data for each time period into the frequency domain. Thus, every time period, i.e., for each discrete time, data F k t in the frequency domain is obtained. Data F k t of the frequency domain, when using the complex Fourier transform is expressed by Equation 1 below.

Figure 2018173342
ここで、Aは振幅、θは位相を表す。添え字のkは周波数軸上のインデックスであり、k=1〜nの自然数をとり、tは、上述した時間期間毎に付される時間軸上のインデックスであり、t=t、t+1、・・・、t+mをとり、mは自然数である。
Figure 2018173342
Here, A represents amplitude and θ represents phase. The subscript k is an index on the frequency axis, takes a natural number of k = 1 to n, t is an index on the time axis given for each time period described above, and t = t, t + 1,. .., t + m, where m is a natural number.

特徴データ抽出部61は、上記数式1で得られたデータFk t(k=1〜n、t=t、t+1、・・・、t+m)間の相関値からなる特徴データXi,k tを抽出する。 The feature data extraction unit 61 includes feature data X i, k t composed of correlation values between the data F k t (k = 1 to n, t = t, t + 1,..., T + m) obtained by Equation 1 above. To extract.

図8は、特徴データ抽出部における周波数領域のデータFk tの配列を示す図である。図8によれば、複素データFk tを時間期間tに対して周波数軸に沿ってk=1〜nに亘って配列し、それらを時間軸に沿ってt=t、t+1、・・・、t+mに亘って配列する。そして、そのうち一つの複素データFk tに注目し、その注目した一つの複素データFk tと、その複素データFk tに基づいて所定のマスクにより選択される少なくとも一つの複素データFk’ t’とから相関値が算出される。相関値は数式2で表される。ここでは、1次の相関値を求める例を示す。 Figure 8 is a diagram showing an arrangement of the data F k t in the frequency domain in the feature data extraction unit. According to FIG. 8, arranged over the k = 1 to n along the frequency axis complex data F k t for the time period t, them along the time axis t = t, t + 1, ··· , T + m. Then, of which focuses on one of the complex data F k t, and one complex data F k t that the target, the complex data F k t least one complex data F k is selected by the given mask based on ' A correlation value is calculated from t ′ . The correlation value is expressed by Equation 2. Here, an example of obtaining a first-order correlation value is shown.

Figure 2018173342
ここで、(k、t)におけるデータFk tに対する(k’、t’)におけるデータFk’ t’はマスクmaskiによって指定される。
Figure 2018173342
Here, the data F k ′ t ′ in (k ′, t ′) with respect to the data F k t in (k, t) is specified by the mask mask i .

図9は、特徴データ抽出部61における相関値を求めるためのマスクパターンの例を示す図である。図9を参照するに、黒枠で囲まれた3×3の中心がFk tに対応し、周波数軸に対して、k−1、k、k+1、時間軸に対して、t−1、t、t+1が考慮される。ここではマスクは1次だけとして、図9に示す(1)〜(5)を考慮する。(1)は、Fk tとその複素共役との積、つまり大きさの要素を求めるマスクを表し、(2)および(3)はそれぞれ時間領域内、周波数領域内の相関値(それぞれ、Fk tとFk t+1との相関値、Fk tとFk+1 tとの相関値)を求めるマスクを表し、(4)および(5)は、時間領域と周波数領域との領域間の相関値(それぞれ、Fk tとFk+1 t+1との相関値、Fk tとFk-1 t+1との相関値)を求めるマスクを表す。これらのマスクの適用により式(2)の左辺の相関値Xi,k tが算出される。ここでは、i=1〜5の5つの相関値が、一つの組(k、t)に対して算出される。なお、相関値Xi,k tは、1次だけではなく、2次以上の高次の相関も考慮した相関値を算出してもよいことは言うまでもない。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a mask pattern for obtaining a correlation value in the feature data extraction unit 61. Referring to FIG. 9, corresponding to the center of the 3 × 3 is F k t surrounded by a black frame, with respect to the frequency axis, k-1, k, k + 1, with respect to the time axis, t-1, t , T + 1 are taken into account. Here, assuming that the mask is only the first order, (1) to (5) shown in FIG. 9 are considered. (1), F k t and product of the complex conjugate, i.e. represents the mask for obtaining the element size, (2) and (3) each time domain, the correlation values in the frequency domain (respectively, F k t and correlation between F k t + 1, represents a mask for obtaining a correlation value) between F k t and F k + 1 t, (4 ) and (5) at a region between time and frequency domains Represents a mask for obtaining a correlation value (correlation value between F k t and F k + 1 t + 1 , correlation value between F k t and F k−1 t + 1 , respectively). Correlation value of the left side of formula (2) by application of these masks X i, k t is calculated. Here, five correlation values of i = 1 to 5 are calculated for one set (k, t). Incidentally, the correlation value X i, k t is not only primary, may of course be to calculate the correlation values correlation also taken into account in the second or higher order.

このようにして、特徴データ抽出部61は、データFk t(k=1〜n、t=t、t+1、・・・、t+m)の相関値Xi,k tを算出して、特徴データを抽出する。この相関値Xi,k tが特徴データXi,k tであり、これを要素とした特徴量ベクトルが得られる。 In this way, the feature data extraction unit 61 calculates the correlation value X i, k t of the data F k t (k = 1 to n, t = t, t + 1,..., T + m), and the feature data To extract. The correlation values X i, k t characteristic data X i, a k t, which feature vector and an element can be obtained.

周波数軸に沿った相関値Xi,k tの数を圧縮するために、フィルタ処理を行ってよく、CPU53は、図7に示すようにフィルタ処理部63を有してもよい。フィルタ処理部63は、例えば、分布平滑化フィルタ処理、メル(Mel)フィルタ処理等を用いてもよい。フィルタ処理においては、相関値Xi,k t(k=1〜n、t=t、t+1、・・・、t+m)に重みwj kを乗算し、kに対して和をとる処理であり数式3のように表される。 Correlation value X i along frequency axis, in order to compress the number of k t, may perform the filtering process, CPU 53 may have a filter processing unit 63 as shown in FIG. The filter processing unit 63 may use, for example, distribution smoothing filter processing, mel filter processing, or the like. In the filter processing, the correlation value X i, k t (k = 1 to n, t = t, t + 1,..., T + m) is multiplied by the weight w j k, and the sum is obtained with respect to k. It is expressed as Equation 3.

Figure 2018173342
ここで、jはフィルタのバンクを表す。tにおける相関値の数は、周波数領域の要素数がマスク数とフィルタのバンク数とを乗算した数に低減(圧縮)される。これにより、相関値Xi,j t(Xはハット付き)を用いることで、回帰式の要素数が低減される。また、フィルタ処理を雨滴の衝撃による被振動体の固有振動数に関連して重みwj kを選択することで、より効果的に特徴データを算出できる。また、このような特徴データを要素とした特徴量ベクトルが得られる。
Figure 2018173342
Here, j represents a bank of filters. The number of correlation values at t is reduced (compressed) to the number obtained by multiplying the number of frequency domain elements by the number of masks and the number of filter banks. Thereby, the number of elements of the regression equation is reduced by using the correlation value X i, j t (X is with a hat). Further, the feature data can be calculated more effectively by selecting the weight w j k in relation to the natural frequency of the vibrating body due to the impact of raindrops in the filtering process. Further, a feature amount vector having such feature data as an element is obtained.

図7に戻り、雨量推定部62は、機械学習により得られた回帰式を用いて、特徴データXi,k tから雨量を推定する。回帰式は、それぞれの雨量センサに対応づけて機械学習によって得られたものである。雨量推定部62は、雨量センサに対応した雨量推定用の回帰式のデータ68をメモリ54から呼び出して雨量の推定を行う。なお、回帰式に用いられる特徴データ(特徴量ベクトル)は、回帰式を求めた際に決定されたものである。 Returning to Figure 7, rainfall estimation unit 62 uses the obtained regression equation by machine learning, to estimate the rainfall from the feature data X i, k t. The regression equation is obtained by machine learning in association with each rainfall sensor. The rain amount estimation unit 62 calls the rain rate estimation regression data 68 corresponding to the rain amount sensor from the memory 54 and estimates the rain amount. Note that the feature data (feature quantity vector) used in the regression equation is determined when the regression equation is obtained.

なお、後述する回帰式を求めるプロセスにおいて説明するが、特徴データの圧縮が行われ、圧縮された特徴データを要素とする圧縮特徴量ベクトルに基づいて回帰式が求められている場合は、特徴データ抽出部61は、圧縮特徴量ベクトルの各要素に対応する特徴データを抽出する。そして、雨量推定部62は、圧縮特徴量ベクトルに対応する回帰式を用いて、抽出された特徴データから雨量を推定する。これにより特徴データの数が大幅に低減されるので、計算コストを低減でき、効率良く雨量を推定できる。   In addition, although it demonstrates in the process which calculates | requires the regression equation mentioned later, when feature data is compressed and a regression equation is calculated | required based on the compression feature-value vector which makes the compressed feature data an element, feature data The extraction unit 61 extracts feature data corresponding to each element of the compressed feature vector. And the rain amount estimation part 62 estimates rain amount from the extracted feature data using the regression formula corresponding to a compression feature-value vector. As a result, the number of feature data is greatly reduced, so that the calculation cost can be reduced and the rainfall can be estimated efficiently.

降雨判定部64は、雨量センサ10〜15を設置する環境下の非降雨時の特徴データを用いて機械学習を行い、下記の環境特徴データに基づいて、実際の測定時に雨が降っているかどうかを判定する。具体的には、雨量センサ10〜15を設置する環境下の非降雨時において測定される加速度データを雨量推定装置50が受信し、フーリエ変換部60および特徴データ抽出部61により周波数領域のデータFk tの相関値からなる特徴データを抽出する。フーリエ変換部60および特徴データ抽出部61での処理は上述した処理と同様である。この特徴データに対して主成分分析を行い、n個の固有値と固有ベクトルが得られる。この固有ベクトルのうち、累積寄与率が所定の率(例えば0.99)となる次元までの固有ベクトルにより張られる空間を正常部分空間とする。この固有ベクトルの要素に対応する特徴データ(「環境特徴データ」と称する。)を予め取得しメモリに格納しておく。降雨判定部64は、環境特徴データが張る正常部分空間を算出し、実際の測定時に得られる特徴データ張る部分空間が正常部分空間から逸脱している程度、つまり逸脱度dを求め、その逸脱度dが閾値以下の場合は非降雨時であると判定する。逸脱度dは、実際の測定時に得られる特徴データが張る部分空間の正常部分空間への距離(いわゆるグラスマン距離)で表される。降雨判定部64は、雨量センサ10〜15の環境等を考慮して必要に応じて設けられる。 The rain determination unit 64 performs machine learning using the non-rainy feature data in the environment where the rainfall sensors 10 to 15 are installed, and whether or not it is raining at the time of actual measurement based on the following environmental feature data Determine. Specifically, the rainfall estimation device 50 receives acceleration data measured during non-rainfall in an environment where the rain sensors 10 to 15 are installed, and the Fourier transform unit 60 and the feature data extraction unit 61 perform frequency domain data F. Extract feature data consisting of k t correlation values. The processes in the Fourier transform unit 60 and the feature data extraction unit 61 are the same as those described above. A principal component analysis is performed on the feature data to obtain n eigenvalues and eigenvectors. Among these eigenvectors, a space spanned by eigenvectors up to a dimension where the cumulative contribution rate becomes a predetermined rate (for example, 0.99) is defined as a normal subspace. Feature data (referred to as “environment feature data”) corresponding to the elements of this eigenvector is acquired in advance and stored in the memory. The rain determining unit 64 calculates a normal subspace spanned by environmental feature data, obtains a degree of deviation of the partial space spanned by the feature data obtained during actual measurement from the normal subspace, that is, a deviation d, and the deviation degree When d is less than or equal to the threshold value, it is determined that it is not raining. The degree of deviation d is represented by the distance (so-called Glasman distance) to the normal partial space of the partial space spanned by the characteristic data obtained during actual measurement. The rain determination unit 64 is provided as necessary in consideration of the environment of the rainfall sensors 10 to 15 and the like.

回帰分析部65は、訓練データを用いて機械学習により、推定雨量と特徴データとの関係を表す回帰式を求める。   The regression analysis unit 65 obtains a regression equation that represents the relationship between the estimated rainfall and the feature data by machine learning using the training data.

訓練データは以下のようにして得る。降雨あるいは人工降雨を用いて、雨量センサ10〜15によって加速度データを取得するとともにその雨量を実測する。この加速度データを雨量推定装置50が受信し、フーリエ変換部60および特徴データ抽出部61により周波数領域のデータFk tの相関値からなる特徴データを抽出する。フーリエ変換部60および特徴データ抽出部61での処理は上述した処理と同様である。ここで例として、250個の特徴データが抽出され、つまり、250次元の特徴量ベクトルが形成されたものとする。訓練データは、この特徴データおよび実測した雨量のデータのセットである。 Training data is obtained as follows. Using rainfall or artificial rain, acceleration data is acquired by the rainfall sensors 10 to 15 and the rainfall is measured. The acceleration data received by the rainfall estimation device 50 extracts feature data comprising a correlation value of the data F k t in the frequency domain by the Fourier transform unit 60 and the feature data extraction unit 61. The processes in the Fourier transform unit 60 and the feature data extraction unit 61 are the same as those described above. Here, as an example, 250 feature data are extracted, that is, a 250-dimensional feature vector is formed. The training data is a set of this feature data and measured rainfall data.

回帰分析部65は、この訓練データを用いて、特徴データと実測した雨量との回帰分析を行い、特徴データから雨量を推定する回帰式を求める。回帰分析は重回帰分析であり、雨量と特徴データとの関係を線形あるいは非線形であると仮定できる。例えば、その関係が線形であること、すなわち線形関数y=f(x)を仮定すれば、線形の重回帰分析となる。ここでyは実際に測定した雨量であり、xは特徴データ(例えば、250個の特徴データ)を要素とする特徴量ベクトル(例えば、250次元の特徴量ベクトル)である。重回帰分析により250次元の各要素に対応する係数を有する回帰式が求まる。この算出には、2乗誤差を最小化する一般的な方法を用いることができる。また、この算出には、L−1正則化(LASSO(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator))やRIDGE(リッジ)正則化等の数値解法を用いることができ、これにより、測定誤差に影響を受け難い解を求めることができる。   The regression analysis unit 65 performs regression analysis of the feature data and the actually measured rainfall using this training data, and obtains a regression equation for estimating the rainfall from the feature data. The regression analysis is a multiple regression analysis, and it can be assumed that the relationship between rainfall and feature data is linear or nonlinear. For example, assuming that the relationship is linear, that is, a linear function y = f (x), linear multiple regression analysis is performed. Here, y is the actually measured rainfall, and x is a feature vector (for example, 250-dimensional feature vector) whose elements are feature data (for example, 250 feature data). A regression equation having coefficients corresponding to 250-dimensional elements is obtained by multiple regression analysis. For this calculation, a general method for minimizing the square error can be used. For this calculation, numerical solution methods such as L-1 regularization (LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)) and RIDGE (ridge) regularization can be used, which makes it less susceptible to measurement errors. You can find a solution.

雨量と特徴データとの関係を非線形であると仮定した場合は、例えば、サポートベクタ回帰やニューラルネットワーク等の公知の手法を用いて重回帰分析を行うことで回帰式が求まる。   When it is assumed that the relationship between the rainfall and the feature data is nonlinear, for example, a regression equation is obtained by performing multiple regression analysis using a known method such as support vector regression or neural network.

なお、回帰分析部65で用いる特徴データの数を圧縮(低減)することもできる。例えば、上述した重回帰分析の前処理として、訓練データのうちのある短い時間の実測した雨量とそれに対応する特徴データ(例えばn個の特徴データ)とを用いて主成分分析を行う。主成分分析の結果、n個の固有値と固有ベクトルが得られる。この固有値のうち、大きい順に所定の数、例えば5個の固有値(λ1、・・・、λ5とする。)を選択して新たな特徴ベクトルに決定する。数式4で表される、この所定数の新たな特徴データからなる圧縮特徴量ベクトルx’とする。 Note that the number of feature data used in the regression analysis unit 65 can be compressed (reduced). For example, as pre-processing of the above-described multiple regression analysis, principal component analysis is performed using rainfall data measured for a short time in the training data and feature data (for example, n feature data) corresponding thereto. As a result of the principal component analysis, n eigenvalues and eigenvectors are obtained. Among the eigenvalues, a predetermined number, for example, five eigenvalues (λ 1 ,..., Λ 5) are selected in descending order to determine a new feature vector. A compressed feature quantity vector x ′ composed of this predetermined number of new feature data expressed by Expression 4 is used.

Figure 2018173342
この圧縮特徴量ベクトルx’と、実測した雨量とを用いて回帰分析部65において重回帰分析を行って回帰式を求める。これにより、250次元の特徴量ベクトルに対してきわめて少ない5次元の特徴量ベクトルを用いることで重回帰分析の計算量を軽減することができる。さらに、重回帰分析で次元数が多い場合に生じ易い、学習が発散する「多重共線性」の問題を回避できる。
Figure 2018173342
The regression analysis unit 65 performs a multiple regression analysis using this compressed feature vector x ′ and the actually measured rainfall to obtain a regression equation. Thereby, the calculation amount of the multiple regression analysis can be reduced by using an extremely small 5-dimensional feature quantity vector with respect to the 250-dimensional feature quantity vector. Furthermore, it is possible to avoid the problem of “multi-collinearity”, which is likely to occur when multiple dimensions are used in multiple regression analysis and the learning diverges.

なお、上記の説明では、回帰分析部65は雨量推定装置50のCPU53の機能として実行されるが、雨量推定装置50とは別の装置、例えばコンピュータに、回帰分析部の機能を実装して上述した訓練データを回帰分析を行って回帰式を導出し、その回帰式の情報を雨量推定装置のメモリに格納してもよい。この装置は、図6に示す構成を有し(ただし、送受信インタフェース58はなくともよい。)、図7に示すCPU53の機能構成のうち、少なくとも回帰分析部65を有していればよい。   In the above description, the regression analysis unit 65 is executed as a function of the CPU 53 of the rainfall estimation device 50. However, the regression analysis unit 65 is mounted on a device different from the rainfall estimation device 50, for example, a computer. The training data may be subjected to regression analysis to derive a regression equation, and the regression equation information may be stored in the memory of the rainfall estimation device. This apparatus has the configuration shown in FIG. 6 (however, the transmission / reception interface 58 may not be provided), and it is sufficient that at least the regression analysis unit 65 is included in the functional configuration of the CPU 53 shown in FIG.

また、雨量センサ13〜15のタイプごと、例えば、被振動体20〜23の形状によって、同じ降雨状態でも異なる加速度データが得られるので、雨量センサ10〜15に対する回帰式を求める装置を用意してもよい。この装置は、図6に示す構成を有し(ただし、送受信インタフェース58はなくともよい。)、図7に示すCPU53の機能構成のうち、少なくとも、フーリエ変換部60、特徴データ抽出部61および回帰分析部65を有しいればよく、必要に応じて、フィルタ処理部63を有してもよい。上述した回帰分析部65の機能が実行されることにより、雨量センサ13〜15に対応する回帰式が求まる。   Moreover, since different acceleration data can be obtained even in the same rain condition depending on the type of the rain sensors 13 to 15, for example, depending on the shape of the vibrating bodies 20 to 23, an apparatus for obtaining a regression equation for the rain sensors 10 to 15 is prepared. Also good. This device has the configuration shown in FIG. 6 (however, the transmission / reception interface 58 may not be provided), and at least the Fourier transform unit 60, the feature data extraction unit 61, and the regression among the functional configurations of the CPU 53 shown in FIG. It suffices to have the analysis unit 65, and may have a filter processing unit 63 as necessary. By executing the function of the regression analysis unit 65 described above, regression equations corresponding to the rainfall sensors 13 to 15 are obtained.

なお、上述したように、フーリエ変換部60は、複素フーリエ変換を行い、上記の数式1で表される周波数領域のデータFk tは複素数であり、抽出された特徴データXi,k tは複素数である。複素数のデータFk tは、大きさ(振幅)と位相とを含んでおり、情報量が実数のデータよりも2倍多いため、より高信頼性の雨量の推定が可能になる。 As described above, the Fourier transform unit 60 performs complex Fourier transform, and the frequency domain data F k t represented by the above Equation 1 is a complex number, and the extracted feature data X i, k t is It is a complex number. Data F k t of the complex number, includes the size (the amplitude) and phase, the amount of information for two times greater than the actual number of data enables more reliable rainfall estimation.

一方、変形例として、フーリエ変換部60において実数フーリエ変換を用いてもよい。これにより、周波数領域のデータFk tは実数となるので、特徴データXi,k tが実数となる。これにより特徴データXi,k tの数、つまり特徴量ベクトルの次元を複素数の場合よりも低減できる。これにより、フーリエ変換部60、特徴データ抽出部61および雨量推定部62の計算量が低減できるため、そのための消費電力を低減できる。このような場合、雨量センサ10に雨量を推定する機能を実装可能である。図2に示す雨量センサ10のCPU31において、図7に示す雨量推定装置のCPU53のフーリエ変換部60、特徴データ抽出部61および雨量推定部62(必要に応じてフィルタ処理部63を含む。)の処理を実行させてもよい。この場合、図2に示すメモリ32は、図7に示すメモリ54に格納された雨量推定用の回帰式のデータ68および非降雨時の機械学習により得られた特徴データ69を格納してもよい。雨量センサ10は推定された雨量を例えば所定の時間毎に雨量推定装置50に送信できる。これにより、加速度データを送信する場合よりも送信する情報量を低減でき、雨量推定装置50は、より多くの雨量センサ10〜15との通信が可能になる。なお、フーリエ変換部60で複素フーリエ変換を使用した場合でも、周波数領域の複素データFk tの相関値を求める際に、複素データFk tの大きさのみ相関値として、実数の特徴データをXi,k tを求めてもよい。 On the other hand, as a modification, the Fourier transform unit 60 may use real Fourier transform. Thus, since the data F k t in the frequency domain a real number, characteristic data X i, k t is a real number. Thus the number of feature data X i, k t, i.e. the dimension of the feature vector can be reduced than in the case of complex numbers. Thereby, since the computational complexity of the Fourier-transform part 60, the feature data extraction part 61, and the rainfall estimation part 62 can be reduced, the power consumption for it can be reduced. In such a case, a function for estimating the rainfall can be implemented in the rain sensor 10. In the CPU 31 of the rainfall sensor 10 shown in FIG. 2, the Fourier transform unit 60, the feature data extraction unit 61, and the rainfall estimation unit 62 (including the filter processing unit 63 as necessary) of the CPU 53 of the rainfall estimation device shown in FIG. Processing may be executed. In this case, the memory 32 illustrated in FIG. 2 may store the rain rate estimation regression data 68 stored in the memory 54 illustrated in FIG. 7 and the feature data 69 obtained by machine learning during non-rainfall. . The rainfall sensor 10 can transmit the estimated rainfall to the rainfall estimation device 50 at predetermined time intervals, for example. Thereby, the amount of information to be transmitted can be reduced as compared with the case of transmitting acceleration data, and the rain amount estimating apparatus 50 can communicate with more rain amount sensors 10 to 15. Even when using a complex Fourier transform in Fourier transform unit 60, when determining the correlation value of the complex data F k t in the frequency domain, as a correlation value only the magnitude of the complex data F k t, the actual number of feature data X i, k t may be obtained.

本実施形態に係る雨量推定装置50によれば、雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データをフーリエ変換して周波数領域のデータの相関値を求めそれを特徴データとしている。これによって、加速度データの特徴を高精度に抽出することが可能であり、複素データの場合はさらに位相も考慮されるので、さらに高精度に抽出可能である。これにより、加速度データの識別精度が向上するので、雨量の推定の精度が向上する。さらに、回帰式を求める際にも同様の方法で特徴データを求めているので、さらに雨量の推定の精度が向上する。   According to the rain amount estimating apparatus 50 according to the present embodiment, the acceleration data of the vibration generated in the vibrating body due to the impact of raindrops is Fourier-transformed to obtain the correlation value of the frequency domain data, which is used as the feature data. Thereby, it is possible to extract the characteristics of the acceleration data with high accuracy, and in the case of complex data, the phase is also taken into consideration, so that it is possible to extract with higher accuracy. Thereby, since the identification accuracy of acceleration data is improved, the accuracy of estimating the rainfall is improved. Furthermore, since the characteristic data is obtained by the same method when obtaining the regression equation, the accuracy of estimating the rainfall is further improved.

また、本実施形態に係る雨量推定装置50によれば、雨量推定は雨滴の衝撃による加速度データを用いるので短時間で行うことが可能である。これにより、非常に短い時間に大量の雨が降る場合でも迅速に雨量を推定可能である。   In addition, according to the rain amount estimating apparatus 50 according to the present embodiment, the rain amount estimation can be performed in a short time since the acceleration data based on the impact of the raindrop is used. Thereby, even when a large amount of rain falls in a very short time, it is possible to estimate the rainfall quickly.

[雨量推定方法]
図10は、本発明の一実施形態に係る雨量推定方法のフローチャートである。以下、図10を参照しつつ、必要に応じて図2および図6を参照して、本発明の一実施形態に係る雨量推定方法を説明する。
[Rainfall estimation method]
FIG. 10 is a flowchart of a rainfall estimation method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the rain amount estimation method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10 and with reference to FIG. 2 and FIG. 6 as necessary.

最初に、雨量センサは、雨滴の衝撃による被振動体の振動の加速度を検出して加速度データとして送信する(S100)。具体的には、図2に示す雨量センサ10は、雨滴の衝撃を受けた被振動体20の振動の加速度を加速度センサ30が検出し、デジタル化された加速度データとしてCPU31の制御の下、送信インタフェース33からアンテナ34を介して無線送信され、あるいはケーブル等で有線送信される。   First, the rain sensor detects the acceleration of the vibration of the vibrating body due to the impact of raindrops and transmits it as acceleration data (S100). Specifically, in the rain sensor 10 shown in FIG. 2, the acceleration sensor 30 detects the acceleration of vibration of the vibrating body 20 that has received the impact of raindrops, and is transmitted as digitized acceleration data under the control of the CPU 31. Wireless transmission is performed from the interface 33 via the antenna 34, or wired transmission using a cable or the like.

次いで、雨量推定装置は、雨量センサからの加速度データを受信する(S110)。具体的には、図6に示す雨量推定装置50は、無線通信の場合はアンテナ51よりあるいは有線通信(不図示)により、雨量センサ10からの加速度データを受信インタフェース52が受信する。この際、雨量センサ10の識別情報を受信してもよい。受信した加速度データは、識別情報とともに、メモリ54に一時的に記憶され、あるいはCPU53に送られる。   Next, the rainfall estimation device receives acceleration data from the rainfall sensor (S110). Specifically, in the rain estimation device 50 shown in FIG. 6, in the case of wireless communication, the reception interface 52 receives acceleration data from the rain sensor 10 from the antenna 51 or by wired communication (not shown). At this time, the identification information of the rainfall sensor 10 may be received. The received acceleration data is temporarily stored in the memory 54 together with the identification information or sent to the CPU 53.

次いで、雨量推定装置は、加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する(S120)。具体的には、加速度データを所定の時間期間で切出しを行い、切出された加速度データを周波数領域にフーリエ変換して、上述した数式1で表される周波数領域のデータFk tを得る。切り出しは窓関数を使用してもよい。窓関数としては上述した公知の窓関数を使用できる。これにより、窓関数に応じた時間期間毎の加速度データが得られる。時間期間毎の加速度データを周波数領域にフーリエ変換して時間期間毎、つまり、離散的な時間毎の、周波数領域のデータFk tを得る。複素フーリエ変換を用いた場合、以下の数式1で表される複素データFk tを得る。 Next, the rainfall estimation device Fourier-transforms the acceleration data into frequency domain data for each time period (S120). Specifically, performs clipping acceleration data at a predetermined period of time, the acceleration data cut out by Fourier transform to the frequency domain to obtain data F k t in the frequency domain is expressed by Equation 1 described above. The window function may be used for extraction. As the window function, the known window functions described above can be used. Thus, acceleration data for each time period corresponding to the window function is obtained. Fourier transform to the time period for each of the acceleration data in each time period to the frequency domain, that is, obtained for each discrete time, the data F k t in the frequency domain. When using the complex Fourier transform, to obtain a complex data F k t expressed by Equation 1 below.

次いで、雨量推定装置は、周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する(S130)。具体的には、データFk t(k=1〜n、t=t、t+1、・・・、t+m)間の相関値からなる特徴データXi,k tを抽出する。具体的には、図8に示すように、複素データFk tを時間期間tに対して周波数軸に沿ってk=1〜nに亘って配列し、それらを時間軸に沿ってt=t、t+1、・・・、t+mに亘って配列する。そして、そのうち一つの複素データFk t(に注目し、該注目した一つの複素データFk tと、その複素データに基づいて所定のマスクにより選択された少なくとも一つの複素データFk’ t’とから算出されたものである。相関値Xi,k tは上述した数式2で求められる。この相関値Xi,k tが特徴データXi,k tであり、これを要素とした特徴量ベクトルが得られる。 Next, the rainfall estimation device extracts feature data composed of correlation values between frequency domain data (S130). Specifically, it extracts the data F k t (k = 1~n, t = t, t + 1, ···, t + m) , wherein data X i consisting of a correlation value between, k t. Specifically, as shown in FIG. 8, the complex data F k t are arranged over the k = 1 to n along the frequency axis with respect to time period t, them along the time axis t = t , T + 1,..., T + m. Then, of which focuses one of the complex data F k t (in a single complex data F k t that the target, at least one complex data F k is selected by the given mask based on the complex data 't' those calculated from the. correlation values X i, k t is calculated by equation 2 described above. wherein the correlation value X i, k t is the characteristic data X i, k t, that with this element A quantity vector is obtained.

なお、周波数軸に沿った相関値Xi,k tの数を圧縮するために、フィルタ処理を行ってよい。フィルタ処理は、例えば、分布平滑化フィルタ処理、メル(Mel)フィルタ処理等を用いてもよい。フィルタ処理においては、相関値Xi,k t(k=1〜n、t=t、t+1、・・・、t+m)に重みwj kを乗算し、kに対して和をとる処理であり上述した数式3のように表される。これにより得られた相関値Xi,j t(Xはハット付き)は特徴データであり、これを用いることで、回帰式の要素数が低減される。 Incidentally, the correlation value X i along the frequency axis, in order to compress the number of k t, may perform filtering. For example, distributed smoothing filter processing, Mel filter processing, or the like may be used as the filter processing. In the filter processing, the correlation value X i, k t (k = 1 to n, t = t, t + 1,..., T + m) is multiplied by the weight w j k, and the sum is obtained with respect to k. It is expressed as Equation 3 above. The correlation value X i, j t (X with a hat) obtained by this is feature data, and by using this, the number of elements of the regression equation is reduced.

次いで、雨量推定装置は、雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いた雨量を推定する(S140)。具体的には、それぞれの雨量センサに対応づけて機械学習によって得られた回帰式をメモリから呼び出して、特徴データXi,k t(あるいは、フィルタ処理された特徴データXi,j t(Xはハット付き))を代入して推定雨量を求める。以上により、降雨の雨量が推定できる。 Next, the rainfall estimation device estimates the rainfall using the regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor (S140). Specifically, a regression equation obtained by machine learning in association with each rainfall sensor is called from the memory, and feature data X i, k t (or filtered feature data X i, j t (X Substituting a hat))) to obtain the estimated rainfall. From the above, the rainfall amount can be estimated.

なお、雨量を推定するステップで用いられる回帰式は、実測した雨量とその際に取得した加速度データから特徴データを求め、機械学習により回帰分析を行って、特徴データから雨量を推定するための回帰式を求める。以下、具体的に説明する。   The regression equation used in the step of estimating rainfall is a regression for estimating feature data from feature data by obtaining feature data from measured rainfall and acceleration data acquired at that time, and performing regression analysis by machine learning. Find the formula. This will be specifically described below.

図11は、本発明の一実施形態に係る雨量推定方法で使用する回帰式を求める方法を示すフローチャートである。以下、図11を参照しつつ、必要に応じて図2および図6を参照して、回帰式を求める方法を説明する。   FIG. 11 is a flowchart illustrating a method for obtaining a regression equation used in the rainfall estimation method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for obtaining a regression equation will be described with reference to FIG. 11 and with reference to FIGS. 2 and 6 as necessary.

最初に、降雨あるいは人工降雨を用いて雨量推定に使用される雨量センサによって加速度データを取得するとともに雨量を実測する(S200)。具体的には、降雨時あるいは人工降雨を用いて、図2に示す雨量センサ10によって上述したS100と同様にして加速度データを取得する。これと同時に雨量を公知の手法により実測する。   First, acceleration data is acquired by a rainfall sensor used for rainfall estimation using rainfall or artificial rainfall, and rainfall is actually measured (S200). Specifically, acceleration data is acquired by using the rainfall sensor 10 shown in FIG. At the same time, the rainfall is measured by a known method.

次いで、時間期間毎の加速度データをフーリエ変換する(S210)。具体的には、加速度データを雨量センサから取得して、上述したステップ120と同様にして、加速度データを所定の時間期間で切出しを行い、切出された加速度データを周波数領域にフーリエ変換して周波数領域のデータFk tを得る。回帰式が用いられる雨量推定方法において複素数の特徴データを使用するのか実数の特徴データを使用するのかに合わせて、ステップ210のフーリエ変換を複素フーリエ変換にするのか実数フーリエ変換にするのかを決めてもよい。 Next, the acceleration data for each time period is Fourier transformed (S210). Specifically, acceleration data is acquired from a rainfall sensor, and the acceleration data is cut out in a predetermined time period in the same manner as in step 120 described above, and the extracted acceleration data is Fourier-transformed into the frequency domain. obtain data F k t in the frequency domain. Decide whether the Fourier transform of step 210 is a complex Fourier transform or a real Fourier transform according to whether the feature data of complex number is used or the feature data of real number is used in the rainfall estimation method using the regression equation. Also good.

次いで、周波数領域のデータ間の相関値を算出して特徴データを抽出する(S220)。具体的には、データFk tを上述したステップ130と同様にして特徴データXi,k tを得る。なお、周波数軸に沿った相関値Xi,k tの数を圧縮するために、フィルタ処理を行ってもよく、上述したフィルタ処理により、特徴データXi,j t(Xはハット付き)を得てもよい。 Next, a correlation value between frequency domain data is calculated to extract feature data (S220). Specifically, to obtain the feature data X i, k t data F k t as in step 130 described above. In addition, in order to compress the number of correlation values X i, k t along the frequency axis, a filtering process may be performed, and the characteristic data X i, j t (X is a hat) is obtained by the filtering process described above. May be obtained.

次いで、特徴データと実測した雨量とから機械学習により回帰式を求める(S230)。具体的には、特徴データXi,k t(あるいは特徴データXi,j t(Xはハット付き))と実測した雨量との回帰分析を行って、特徴データから雨量を推定する回帰式を求める。上述した回帰分析部と同様の処理により、特徴量ベクトルあるいは圧縮特徴量ベクトルにより雨量センサに対する回帰式を求めることができる。 Next, a regression equation is obtained by machine learning from the feature data and the actually measured rainfall (S230). Specifically, regression analysis of feature data X i, k t (or feature data X i, j t (X is with a hat)) and measured rainfall is performed, and a regression equation for estimating rainfall from the feature data is obtained. Ask. By the same process as the regression analysis unit described above, a regression equation for the rainfall sensor can be obtained from the feature vector or the compressed feature vector.

なお、図11のS230で用いる特徴データの数を圧縮(低減)して、新たな特徴データを決定し、その新たな特徴データ(新たな特徴量ベクトル)と実測した雨量とから機械学習により回帰式を求めることもできる。   The number of feature data used in S230 of FIG. 11 is compressed (reduced) to determine new feature data, and regression is performed by machine learning from the new feature data (new feature vector) and the measured rainfall. An expression can also be obtained.

図12は、本発明の一実施形態に係る雨量推定方法で使用する回帰式を求める他の方法を示すフローチャートである。以下、図12を参照しつつ回帰式を求める方法を説明する。   FIG. 12 is a flowchart showing another method for obtaining a regression equation used in the rainfall estimation method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for obtaining the regression equation will be described with reference to FIG.

所定時間毎、例えば、ある短い時間毎に実測した雨量とそれに対応する加速度データを取得する(S300)。得られた加速度データに対して、時間期間毎の加速度データのフーリエ変換(S310)、周波数領域のデータ間の相関値を算出して特徴データの抽出(S320)を、それぞれ、図11のS210、S220と同様に行い、特徴データ(例えばn個の特徴データ)を抽出する。   Rainfall measured at every predetermined time, for example, every short time, and acceleration data corresponding thereto are acquired (S300). The obtained acceleration data is subjected to Fourier transform (S310) of acceleration data for each time period, and a correlation value between frequency domain data is extracted to extract feature data (S320). Similar to S220, feature data (eg, n feature data) is extracted.

次いで、このn個の特徴データとS300で実測した雨量とを用いて主成分分析を行う。主成分分析の結果、n個の固有値と固有ベクトルが得られる。この固有値のうち、大きい順に所定数、例えば5個の固有値を選択して新たな特徴データに決定し上述した数式4で表される、この所定数の新たな特徴データからなる圧縮特徴量ベクトルx’とする(S330)。   Next, principal component analysis is performed using the n feature data and the rainfall measured in S300. As a result of the principal component analysis, n eigenvalues and eigenvectors are obtained. Among the eigenvalues, a predetermined number, e.g., 5 eigenvalues are selected in descending order and determined as new feature data, and the compressed feature vector x consisting of this predetermined number of new feature data is expressed by the above-described equation 4. '(S330).

次いで、S330で得られた圧縮特徴量ベクトルx’とS300で実測した雨量とを用いて、重回帰分析を行って回帰式を求める(S340)。これにより、250次元の特徴量ベクトルに対してきわめて少ない5次元の特徴量ベクトルを用いることで重回帰分析の計算量を軽減することができる。さらに、重回帰分析で次元数が多い場合に生じ易い、学習が発散する「多重共線性」の問題を回避できる。   Next, a regression equation is obtained by performing multiple regression analysis using the compressed feature vector x 'obtained in S330 and the rainfall measured in S300 (S340). Thereby, the calculation amount of the multiple regression analysis can be reduced by using an extremely small 5-dimensional feature quantity vector with respect to the 250-dimensional feature quantity vector. Furthermore, it is possible to avoid the problem of “multi-collinearity”, which is likely to occur when multiple dimensions are used in multiple regression analysis and the learning diverges.

本実施形態に係る雨量推定方法によれば、雨滴の衝撃によって雨量センサの被振動体に生じる振動の加速度データをフーリエ変換して周波数領域のデータの相関値を求めそれを特徴データとしている。これによって、加速度データの特徴を高精度に抽出することが可能である。これにより、加速度データの識別精度が向上するので、雨量推定の精度が向上する。   According to the rainfall estimation method according to the present embodiment, the acceleration data of vibration generated in the vibration sensor of the rainfall sensor due to the impact of raindrops is Fourier-transformed to obtain the correlation value of the frequency domain data, which is used as feature data. This makes it possible to extract the characteristics of acceleration data with high accuracy. Thereby, since the identification accuracy of acceleration data is improved, the accuracy of rainfall estimation is improved.

[実施例]
図3に示す、被振動体の形状が半球状の雨量センサを用いて、本発明の実施形態に係る雨量推定装置により人工降雨の推定雨量を得た。この際、図7に示すフーリエ変換部では複素フーリエ変換を用い、回帰式を求めるための回帰分析部では予め特徴データの圧縮を主成分分析により行い21個の特徴データを選択した。推定雨量を検証するため、降雨による加速度データを取得しながら、雨量を実測した。実測した雨量は、20mm、33mm、48mm、および66mmの4条件とした。各条件につき、5秒間の加速度データから4回の雨量推定を行った。なお、これらは、1時間当たりの雨量に換算したものである。
[Example]
The estimated rainfall of the artificial rainfall was obtained by the rainfall estimation device according to the embodiment of the present invention using the rainfall sensor having the hemispherical shape of the vibrating body shown in FIG. At this time, the Fourier transform unit shown in FIG. 7 uses complex Fourier transform, and the regression analysis unit for obtaining the regression equation compresses the feature data in advance by principal component analysis and selects 21 feature data. In order to verify the estimated rainfall, the rainfall was measured while acquiring acceleration data from rainfall. The actually measured rainfall was 4 conditions of 20 mm, 33 mm, 48 mm, and 66 mm. For each condition, the rainfall amount was estimated four times from the acceleration data for 5 seconds. In addition, these are converted into rainfall per hour.

図13は、本発明の一実施形態に係る雨量推定システムの実施例を示す図である。図13を参照するに、横軸は実測雨量、縦軸は推定雨量を示す。通常の強さの降雨である20mmから強い降雨である66mmは良好に推定できることが分かる。   FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a rainfall estimation system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, the horizontal axis represents measured rainfall, and the vertical axis represents estimated rainfall. It can be seen that the normal rainfall of 20 mm to the strong rainfall of 66 mm can be estimated well.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上述した実施形態においては、雨量センサは、温度、湿度等の様々なセンサと組み合わせてもよい。雨量センサは地面に固定してもよく、建築物の屋上や横壁に設置してもよい。また、回帰式を求める機械学習は雨量推定装置とは別のコンピュータによって行ってもよく、特に限定されない。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. Is possible. For example, in the above-described embodiment, the rainfall sensor may be combined with various sensors such as temperature and humidity. The rainfall sensor may be fixed to the ground, or may be installed on the rooftop or side wall of a building. Moreover, the machine learning for obtaining the regression equation may be performed by a computer different from the rainfall estimation device, and is not particularly limited.

また、上述した実施形態では雨量センサと雨量推定装置が直接接続される態様をしめしたが、雨量センサと雨量推定装置との間に中継機を設けてもよい。中継機を多数の雨量センサに近い場所に設置して、加速度データを受信してそれをインターネット等の通信回線により雨量推定装置に送信する。   In the above-described embodiment, the rain sensor and the rainfall estimation device are directly connected. However, a repeater may be provided between the rain sensor and the rainfall estimation device. A repeater is installed near a number of rainfall sensors, receives acceleration data, and transmits it to a rainfall estimation device via a communication line such as the Internet.

なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
(付記1) 雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信する手段と、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
を備える雨量推定装置。
(付記2) 雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信するインタフェースと、
CPUと、
機械学習により得られた回帰式を格納するメモリと、
を備え、前記CPUに、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換するステップと、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出するステップと、
前記雨量センサに対して前記メモリから供給された回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定するステップと、
を実行させる、雨量推定装置。
(付記3) 前記相関値は、前記時間期間毎の前記周波数領域のデータを時間軸に配列して、そのうち一つのデータに注目し、該注目した一つのデータと、そのデータに基づいて所定のマスクにより選択された少なくとも一つのデータとから算出されたものである、付記1または2記載の雨量推定装置。
(付記4) 前記相関値をフィルタ処理して圧縮された特徴データを生成する手段またはステップをさらに備える、付記1〜3のうちいずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記5) 前記回帰式は、実測した雨量と、その際の加速度データから前記フーリエ変換する手段および前記抽出する手段によって算出した特徴データとを用いて機械学習を行って決定される、付記1〜4のうち、いずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記6) 前記回帰式は、実測した雨量と、前記雨量センサからの所定時間毎の加速度データから前記フーリエ変換する手段および前記抽出する手段を用いて算出した特徴データとの主成分分析を行って固有値を取得し、該固有値の大きな順に所定数の該固有値を新たな特徴データに決定し、該所定数の新たな特徴データを特徴量ベクトルとして機械学習を行って決定される、付記1〜4のうち、いずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記7) 前記推定する手段または推定するステップは、前記回帰式を用いて、前記特徴ベクトルに対応する特徴データから雨量を推定する、付記6記載の雨量推定装置。
(付記8) 非降雨時に前記被振動体に生じる振動の加速度データに基づいて前記フーリエ変換する手段および抽出する手段、またはフーリエ変換するステップおよび抽出するステップによって他の特徴データを算出して、該他の特徴データを用いて機械学習を行って所定の累積寄与率になる他の特徴ベクトルの張る部分空間を算出し、前記特徴データを用いて該部分空間からの逸脱度を求め、該逸脱度が所定の閾値を超えた場合に降雨であると判定する手段をさらに備える、付記1〜7のうちいずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記9) 前記フーリエ変換は複素フーリエ変換であり、前記周波数領域のデータおよび特徴データが複素数であり、
前記雨量を推定する手段または推定するステップは、前記複素数の特徴データに対する回帰式により雨量が推定される、付記1〜8のうちいずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記10) 前記フーリエ変換は実数フーリエ変換であり、前記周波数領域のデータおよび特徴データが実数であり、
前記雨量を推定する手段または推定するステップは、前記実数の特徴データに対する回帰式により雨量が推定される、付記1〜8のうちいずれか一項記載の雨量推定装置。
(付記11) 雨滴の衝撃により振動する被振動体と、
前記被振動体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、
を備える雨量センサ。
(付記12) 雨滴の衝撃により振動する被振動体と、
前記被振動体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサからの加速度データを送信する送信インタフェースと、
を備える雨量センサ。
(付記13) 前記被振動体は凸状体である、付記11または12記載の雨量センサ。
(付記14) 前記被振動体は半球状または擬球体であり、付記11または12記載の雨量センサ。
(付記15) 前記加速度センサは前記被振動体の内面の天頂に設けられる、付記13または14記載の雨量センサ。
(付記16) 前記被振動体は板状体である、付記11または12記載の雨量センサ。
(付記17) 前記被振動体は薄板の金属あるいはプラスチックからなる、付記11〜16のうちいずれか一項記載の雨量センサ。
(付記18) 前記加速度センサは3軸MEMSセンサである、付記11〜17のうちいずれか一項記載の雨量センサ。
(付記19) 前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
をさらに備え、
前記送信部が、前記加速度データの代わりに、前記推定された雨量の情報を送信する、付記11記載の雨量センサ。
(付記20) CPUをさらに備え、
前記CPUに、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換するステップと、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出するステップと、
前記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定するステップと、
を実行させ、
前記送信インタフェースが、前記加速度データの代わりに、前記推定された雨量の情報を送信する、付記12記載の雨量センサ。
(付記21) 前記フーリエ変換は実数フーリエ変換であり、前記周波数領域のデータおよび特徴データが実数であり、
前記雨量を推定する手段または推定するステップは、前記実数の特徴データに対する回帰式により雨量が推定される、付記19または20記載の雨量センサ。
(付記22) 雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信するステップと、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換するステップと、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出するステップと、
前記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて前記特徴データから雨量を推定するステップと、
を含む雨量推定方法。
(付記23) 雨量センサが、雨滴の衝撃による被振動体の振動の加速度を検出して加速度データとして送信するステップをさらに含む、付記22記載の雨量推定方法。
(付記24) 前記相関値は、前記時間期間毎の周波数領域のデータを時間軸に配列して、そのうち一つのデータに注目し、該注目した一つのデータと、そのデータに基づいて所定のマスクにより選択された少なくとも一つのデータとから算出されたものである、付記22または23記載の雨量推定方法。
(付記25) 前記相関値をフィルタ処理して圧縮された特徴データを生成するステップをさらに含む、付記22〜24のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記26) 実測した雨量と、その際の加速度データから前記フーリエ変換するステップおよび前記抽出するステップと同様にして算出した特徴データとを用いて機械学習を行って前記回帰式を求めるステップをさらに含む、付記22〜25のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記27) 実測した雨量と、前記雨量センサからの所定時間毎の加速度データから前記フーリエ変換するステップおよび前記抽出するステップと同様にして算出した特徴データとの主成分分析を行って固有値を取得し、該固有値の大きな順に所定数の該固有値を新たな特徴データに決定し、該所定数の新たな特徴データを特徴量ベクトルとして機械学習を行って前記回帰式を求めるステップをさらに含む、付記22〜25のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記28) 前記推定するステップは、前記回帰式を用いて、前記特徴ベクトルに対応する特徴データから雨量を推定する、付記27記載の雨量推定方法。
(付記29) 非降雨時に前記被振動体に生じる振動の加速度データに基づいて前記フーリエ変換するステップおよび抽出するステップと同様にして他の特徴データを算出して、該他の特徴データを用いて機械学習を行って所定の累積寄与率になる他の特徴ベクトルの張る部分空間を算出し、前記特徴データを用いて該部分空間からの逸脱度を求め、該逸脱度が所定の閾値を超えた場合に降雨であると判定するステップを、前記推定するステップに先だってさらに含む、付記22〜27のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記30) 前記フーリエ変換は複素フーリエ変換であり、前記周波数領域のデータおよび特徴データが複素数であり、
前記雨量を推定するステップは、前記複素数の特徴データに対する回帰式により雨量が推定される、付記22〜29のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記31) 前記フーリエ変換は実数フーリエ変換であり、前記周波数領域のデータおよび特徴データが実数であり、
前記雨量を推定するステップは、前記実数の特徴データに対する回帰式により雨量が推定される、付記22〜29のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。
(付記32) 雨量センサと、
雨量推定装置と、
を備える雨量推定システムであって、
前記雨量センサは、
雨滴の衝撃により振動する被振動体と、
前記被振動体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、
を有し、
前記雨量推定装置は、
前記雨量センサから前記加速度データを受信する手段と、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
を有する、
前記雨量推定システム。
(付記33) 付記11〜21いずれか一項記載の雨量センサと、
付記1〜10のいずれか一項記載の雨量推定装置と、
を備える雨量推定システム。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Supplementary Note 1) Means for receiving acceleration data of vibration generated in a vibrating body due to a raindrop impact from a rain sensor;
Means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
A rainfall estimation device comprising:
(Supplementary Note 2) An interface for receiving acceleration data of vibration generated in a vibrating body due to raindrop impact from a rain sensor;
CPU,
A memory for storing regression equations obtained by machine learning;
The CPU includes:
Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Estimating the rainfall from the feature data using a regression equation supplied from the memory to the rainfall sensor;
A rainfall estimation device that executes
(Additional remark 3) The said correlation value arrange | positions the data of the said frequency domain for every said time period on a time axis, pays attention to one of the data, the predetermined data based on the one said focused data, and the data The rainfall estimation apparatus according to appendix 1 or 2, which is calculated from at least one data selected by a mask.
(Additional remark 4) The rain amount estimation apparatus as described in any one of Additional remarks 1-3 further provided with the means or step which produces | generates the feature data compressed by filtering the said correlation value.
(Supplementary Note 5) The regression equation is determined by performing machine learning using the actually measured rainfall and the feature data calculated by the Fourier transform unit and the extraction unit from the acceleration data at that time. The rainfall estimation apparatus as described in any one of -4.
(Supplementary Note 6) The regression equation performs principal component analysis of the actually measured rainfall and the feature data calculated by using the Fourier transform means and the extraction means from the acceleration data for each predetermined time from the rain sensor. To determine eigenvalues, determine a predetermined number of eigenvalues as new feature data in descending order of the eigenvalues, and perform machine learning using the predetermined number of new feature data as feature quantity vectors. 4. The rainfall estimation device according to claim 1.
(Supplementary note 7) The rainfall estimation device according to supplementary note 6, wherein the estimating means or the estimating step estimates the rainfall from the feature data corresponding to the feature vector using the regression equation.
(Additional remark 8) Based on the acceleration data of the vibration which arises in the said to-be-vibrated body at the time of non-raining, the said Fourier-transform means and the means for extraction, or other characteristic data are calculated by the step of Fourier-transform, and the step of extracting Machine learning using other feature data is performed to calculate a subspace spanned by another feature vector having a predetermined cumulative contribution rate, and a deviation degree from the subspace is obtained using the feature data, and the deviation degree The rain amount estimation apparatus according to any one of appendices 1 to 7, further comprising means for determining that it is raining when the value exceeds a predetermined threshold.
(Supplementary Note 9) The Fourier transform is a complex Fourier transform, and the frequency domain data and the feature data are complex numbers.
The rainfall estimation device according to any one of appendices 1 to 8, wherein the means for estimating the rainfall or the estimating step estimates the rainfall by a regression equation for the complex feature data.
(Supplementary Note 10) The Fourier transform is a real Fourier transform, the frequency domain data and the feature data are real numbers,
The rainfall estimation device according to any one of appendices 1 to 8, wherein the means for estimating the rainfall or the estimating step estimates the rainfall by a regression equation for the real feature data.
(Supplementary Note 11) A vibrating body that vibrates due to the impact of raindrops;
An acceleration sensor provided on the vibrating body;
A transmission unit for transmitting acceleration data from the acceleration sensor;
A rain sensor with.
(Additional remark 12) The to-be-vibrated body vibrated by the impact of raindrops,
An acceleration sensor provided on the vibrating body;
A transmission interface for transmitting acceleration data from the acceleration sensor;
A rain sensor with.
(Additional remark 13) The rain sensor of Additional remark 11 or 12 whose said to-be-vibrated body is a convex-shaped body.
(Additional remark 14) The said to-be-vibrated body is a hemisphere or a pseudosphere, The rain sensor of Additional remark 11 or 12.
(Additional remark 15) The said acceleration sensor is the rainfall sensor of Additional remark 13 or 14 provided in the top | zenith of the inner surface of the said to-be-vibrated body.
(Additional remark 16) The rain sensor of Additional remark 11 or 12 whose said to-be-vibrated body is a plate-shaped object.
(Supplementary note 17) The rain sensor according to any one of supplementary notes 11 to 16, wherein the vibrating body is made of a thin metal or plastic.
(Supplementary note 18) The rain sensor according to any one of supplementary notes 11 to 17, wherein the acceleration sensor is a three-axis MEMS sensor.
(Supplementary note 19) means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor;
Further comprising
The rainfall sensor according to appendix 11, wherein the transmission unit transmits information of the estimated rainfall instead of the acceleration data.
(Supplementary Note 20) A CPU is further provided.
In the CPU,
Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Using the regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor, estimating the rainfall from the feature data;
And execute
The rainfall sensor according to appendix 12, wherein the transmission interface transmits the information on the estimated rainfall instead of the acceleration data.
(Supplementary Note 21) The Fourier transform is a real Fourier transform, the frequency domain data and the feature data are real numbers,
The rain sensor according to appendix 19 or 20, wherein the means for estimating the rain amount or the step of estimating the rain amount is estimated by a regression equation for the real feature data.
(Additional remark 22) The step which receives the acceleration data of the vibration which arises in a to-be-vibrated body by the impact of a raindrop from a rain sensor,
Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Estimating the rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
Rainfall estimation method including.
(Additional remark 23) The rain amount estimation method of Additional remark 22 which further includes the step which a rain sensor detects the acceleration of the vibration of a to-be-vibrated body by the impact of a raindrop, and transmits as acceleration data.
(Supplementary Note 24) The correlation value is obtained by arranging frequency domain data for each time period on a time axis, paying attention to one of the data, and a predetermined mask based on the data and the data. 24. The rainfall estimation method according to appendix 22 or 23, which is calculated from at least one data selected by.
(Supplementary note 25) The rainfall estimation method according to any one of supplementary notes 22 to 24, further including a step of generating feature data compressed by filtering the correlation value.
(Additional remark 26) The step which calculates | requires the said regression equation by performing machine learning using the measured rainfall and the feature data calculated similarly to the step of performing the said Fourier transform from the acceleration data in that case, and the said step of extracting is further included The rain amount estimation method according to any one of Supplementary Notes 22 to 25.
(Supplementary Note 27) Eigenvalues are obtained by performing principal component analysis on the measured rainfall and feature data calculated in the same manner as the Fourier transform step and the extraction step from acceleration data every predetermined time from the rain sensor. And a step of determining a predetermined number of the eigenvalues in the descending order of the eigenvalues as new feature data, and performing machine learning using the predetermined number of new feature data as a feature quantity vector to obtain the regression equation. The rainfall estimation method according to any one of 22 to 25.
(Supplementary note 28) The rainfall estimation method according to supplementary note 27, wherein the estimating step estimates the rainfall from the feature data corresponding to the feature vector using the regression equation.
(Supplementary Note 29) Other feature data is calculated in the same manner as the Fourier transform step and the extraction step based on the acceleration data of vibration generated in the vibrating body during non-rainfall, and the other feature data is used. Machine learning is performed to calculate a subspace spanned by another feature vector having a predetermined cumulative contribution rate, and a deviation degree from the partial space is obtained using the feature data, and the deviation degree exceeds a predetermined threshold value The rain amount estimating method according to any one of appendices 22 to 27, further including a step of determining that it is raining in some cases prior to the estimating step.
(Supplementary Note 30) The Fourier transform is a complex Fourier transform, the frequency domain data and the feature data are complex numbers,
The rainfall estimation method according to any one of appendices 22 to 29, wherein the step of estimating the rainfall is estimated by a regression equation for the complex feature data.
(Supplementary Note 31) The Fourier transform is a real Fourier transform, the frequency domain data and the feature data are real numbers,
The rainfall estimation method according to any one of appendices 22 to 29, wherein the step of estimating the rainfall is estimated by a regression equation for the real feature data.
(Supplementary Note 32) Rain sensor,
A rainfall estimation device;
A rainfall estimation system comprising:
The rainfall sensor
A body to be vibrated by the impact of raindrops;
An acceleration sensor provided on the vibrating body;
A transmission unit for transmitting acceleration data from the acceleration sensor;
Have
The rainfall estimation device
Means for receiving the acceleration data from the rainfall sensor;
Means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
Having
The rainfall estimation system.
(Supplementary Note 33) The rainfall sensor according to any one of Supplementary Notes 11 to 21, and
The rainfall estimation device according to any one of appendices 1 to 10,
Rainfall estimation system with

10〜15 雨量センサ
20〜23 被振動体
30 加速度センサ
31,53 CPU
32,54 メモリ
33 送信インタフェース
34,51 アンテナ
50 雨量推定装置
52 受信インタフェース
60 フーリエ変換部
61 特徴データ抽出部
62 雨量推定部
63 フィルタ処理部
64 降雨判定部
65 回帰分析部
100 雨量推定システム

10-15 Rain sensor 20-23 Vibrated body 30 Acceleration sensor 31, 53 CPU
32, 54 Memory 33 Transmission interface 34, 51 Antenna 50 Rain amount estimation device 52 Reception interface 60 Fourier transform unit 61 Feature data extraction unit 62 Rain amount estimation unit 63 Filter processing unit 64 Rain judgment unit 65 Regression analysis unit 100 Rain amount estimation system

Claims (13)

雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信する手段と、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
を備える雨量推定装置。
Means for receiving acceleration data of vibration generated in the vibrating body due to raindrop impact from a rain sensor;
Means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
A rainfall estimation device comprising:
前記回帰式は、実測した雨量と、前記雨量センサからの所定時間毎の加速度データから前記フーリエ変換する手段および前記抽出する手段を用いて算出した特徴データとの主成分分析を行って固有値を取得し、該固有値の大きな順に所定数の該固有値を新たな特徴データに決定し、該所定数の新たな特徴データを特徴量ベクトルとして機械学習を行って決定される、請求項1記載の雨量推定装置。   The regression equation obtains an eigenvalue by performing principal component analysis of the measured rainfall and the feature data calculated using the Fourier transform means and the extraction means from acceleration data every predetermined time from the rain sensor. The rain amount estimation according to claim 1, wherein a predetermined number of the eigenvalues are determined as new feature data in descending order of the eigenvalues, and machine learning is performed using the predetermined number of new feature data as a feature amount vector. apparatus. 前記推定する手段は、前記回帰式を用いて、前記特徴量ベクトルに対応する特徴データから雨量を推定する、請求項2記載の雨量推定装置。   The rainfall estimation device according to claim 2, wherein the estimating means estimates the rainfall from the feature data corresponding to the feature vector using the regression equation. 雨滴の衝撃により振動する被振動体と、
前記被振動体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、
を備える雨量センサ。
A body to be vibrated by the impact of raindrops;
An acceleration sensor provided on the vibrating body;
A transmission unit for transmitting acceleration data from the acceleration sensor;
A rain sensor with.
前記被振動体は凸状体である、請求項4記載の雨量センサ。   The rain sensor according to claim 4, wherein the vibrating body is a convex body. 前記被振動体は半球状または擬球体であり、請求項4記載の雨量センサ。   The rain sensor according to claim 4, wherein the vibrating body is hemispherical or pseudospherical. 前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
をさらに備え、
前記送信部が、前記加速度データの代わりに、前記推定された雨量の情報を送信する、請求項4〜6のうちいずれか一項記載の雨量センサ。
Means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rainfall sensor;
Further comprising
The rainfall sensor according to any one of claims 4 to 6, wherein the transmission unit transmits the information on the estimated rainfall instead of the acceleration data.
雨量センサから雨滴の衝撃によって被振動体に生じる振動の加速度データを受信するステップと、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換するステップと、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出するステップと、
前記雨量センサに対して機械学習により得られた回帰式を用いて前記特徴データから雨量を推定するステップと、
を含む雨量推定方法。
Receiving acceleration data of vibration generated in the vibrating body due to raindrop impact from the rain sensor;
Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Estimating the rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
Rainfall estimation method including.
雨量センサが、雨滴の衝撃による被振動体の振動の加速度を検出して加速度データとして送信するステップをさらに含む、請求項8記載の雨量推定方法。   The rain amount estimating method according to claim 8, further comprising a step of the rain sensor detecting acceleration of vibration of the vibrating body due to a raindrop impact and transmitting the acceleration as acceleration data. 実測した雨量と、前記雨量センサからの所定時間毎の加速度データから前記フーリエ変換するステップおよび前記抽出するステップと同様にして算出した特徴データとの主成分分析を行って固有値を取得し、該固有値の大きな順に所定数の該固有値を新たな特徴データに決定し、該所定数の新たな特徴データを特徴量ベクトルとして機械学習を行って前記回帰式を求めるステップをさらに含む、請求項8または9記載の雨量推定方法。   The eigenvalue is obtained by performing principal component analysis of the actually measured rain amount and the feature data calculated in the same manner as the step of Fourier transform and the extraction step from the acceleration data every predetermined time from the rain sensor, and the eigenvalue 10. The method further comprises the step of determining a predetermined number of the eigenvalues in the descending order as new feature data, performing machine learning using the predetermined number of new feature data as a feature quantity vector, and obtaining the regression equation. The described rainfall estimation method. 前記推定するステップは、前記回帰式を用いて、前記特徴量ベクトルに対応する特徴データから雨量を推定する、請求項10記載の雨量推定方法。   The rainfall estimation method according to claim 10, wherein the estimating step estimates the rainfall from the feature data corresponding to the feature vector using the regression equation. 非降雨時に前記被振動体に生じる振動の加速度データに基づいて前記フーリエ変換するステップおよび抽出するステップと同様にして他の特徴データを算出して、該他の特徴データを用いて機械学習を行って所定の累積寄与率になる他の特徴ベクトルの張る部分空間を算出し、前記特徴データを用いて該部分空間からの逸脱度を求め、該逸脱度が所定の閾値を超えた場合に降雨であると判定するステップを、前記推定するステップに先だってさらに含む、請求項8〜11のうちいずれか一項記載の雨量推定方法。   Other feature data is calculated in the same manner as the Fourier transform step and the extraction step based on acceleration data of vibration generated in the vibrating body during non-rainfall, and machine learning is performed using the other feature data. Calculating a partial space spanned by another feature vector having a predetermined cumulative contribution rate, obtaining a deviation degree from the partial space using the feature data, and if the deviation degree exceeds a predetermined threshold, The rainfall estimation method according to any one of claims 8 to 11, further comprising a step of determining that there is a prior to the step of estimating. 雨量センサと、
雨量推定装置と、
を備える雨量推定システムであって、
前記雨量センサは、
雨滴の衝撃により振動する被振動体と、
前記被振動体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサからの加速度データを送信する送信部と、
を有し、
前記雨量推定装置は、
前記雨量センサから前記加速度データを受信する手段と、
前記加速度データを時間期間毎に周波数領域のデータにフーリエ変換する手段と、
前記周波数領域のデータ間の相関値からなる特徴データを抽出する手段と、
前記雨量センサに対する、機械学習により得られた回帰式を用いて、前記特徴データから雨量を推定する手段と、
を有する、
前記雨量推定システム。
A rain sensor,
A rainfall estimation device;
A rainfall estimation system comprising:
The rainfall sensor
A body to be vibrated by the impact of raindrops;
An acceleration sensor provided on the vibrating body;
A transmission unit for transmitting acceleration data from the acceleration sensor;
Have
The rainfall estimation device
Means for receiving the acceleration data from the rainfall sensor;
Means for Fourier transforming the acceleration data into frequency domain data for each time period;
Means for extracting feature data comprising correlation values between the frequency domain data;
Means for estimating rainfall from the feature data using a regression equation obtained by machine learning for the rain sensor;
Having
The rainfall estimation system.
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