電力会社が新たに風力発電所を建設しようとする場合、通常はコンサルタントを雇い、計画地点で8～12か月にわたり風速の測定を行わせる。これらの測定値は過去のデータと相関させられ、その土地の発電能力の評価に用いられる。
今月下旬に開催される国際人工知能合同会議で、MITの研究者らは、既存の手法よりも風速予測の精度が高い新たな統計手法を発表する予定だ。その手法は、わずか3か月分のデータしか用いない場合でも有効である。これにより電力会社は時間と費用を節約できる可能性があり、特に測定局の維持に多額の費用がかかる洋上風力発電所の立地評価において有用と考えられる。
「業界関係者と話をしたところ、サイトの風力資源を推定するために、非常に、非常に単純な仕組みが使われていることがわかった」と、MITコンピュータ科学・人工知能研究所（CSAIL）の研究員で、新論文の筆頭著者であるKalyan Veeramachaneniは述べる。特に、Veeramachaneniによれば、業界の標準的な慣行では、風速データの相関を、基礎統計学でおなじみの「ベルカーブ」、すなわちいわゆるガウス分布を用いてモデル化しているという。
「ここでのデータは非ガウス的だ。それは誰もが知っている」とVeeramachaneniは述べる。「ベルカーブをあてはめることはできるが、それではデータを正確に表しているとは言えない」
通常、風力エネルギーのコンサルタントは、提案地点での風速測定値と、同じ期間に近隣の気象観測所で測定された値との相関を見いだす。その気象観測所には数十年分の記録がある。こうした相関に基づいて、コンサルタントは気象観測所の過去データを調整し、新たな地点の風速を近似的に求める。
相関モデルは、統計学でいう同時分布（joint distribution）にあたる。つまり、ある一地点での特定の測定値の確率だけでなく、その測定値が別の地点での特定の測定値と同時に生じる確率を表すものである。Veeramachaneniによれば、風力業界のコンサルタントは通常、この同時分布をガウス分布として特徴づけているという。
異なる曲線
Veeramachaneniが同僚と開発したこのモデルの最初の新規性は、CSAILの首席研究科学者Una-May O’Reilly、およびマドリードのUniversidad Rey Juan CarlosのAlfredo Cuesta-Infanteとともに、複数の気象観測所のデータを組み込めることである。一部の分析では、研究者らは15か所以上の他地点のデータを用いた。
しかし、その主な利点は、ガウス確率分布に限定されない点にある。さらに、異なる地点のデータを特徴づけるのに異なる種類の分布を用いることができ、それらを多様な方法で組み合わせることもできる。デジタル音楽ファイルが連続した音波の離散的なサンプルで構成されるのと同様に、データを数学関数ではなく標本の集合で記述する、いわゆるノンパラメトリック分布すら用いることができる。
モデルのもう一つの特徴は、データ集合間の非線形な相関を見いだせることである。標準的な 回帰分析、風力業界で一般的に使われる種類のもので、何らかの距離尺度に従ってデータ点の散らばりを最もよく近似する直線を特定する。しかし多くの場合、曲線のほうがより良い近似となる。研究者らのモデルは、その可能性を考慮に入れている。
検証
研究者らはまず、MIT Museumの屋上にある風速計から収集したデータに、この手法を適用した。同博物館は屋上に風力タービンを設置することを検討していた。モデルの精度に関する根拠を得た後、研究者らは、風力業界の大手コンサルタントから提供されたデータに適用した。
同社の特定の風力発電所について、過去データのうち3か月分のみを用いて、Veeramachaneniと同僚らは、既存モデルが8か月分のデータで行えた予測の3倍の精度で、今後2年間の風速を予測することができた。その後、研究者らは同時分布の代替的な算出方法を評価することでモデルを改良した。新論文で報告されている、Museum of Scienceのデータに関する追加分析によると、改良された手法により予測精度は2倍になりうるという。
ナンヤン理工大学（Nanyang Technological University）の電気工学助教授であるJustin Dauwelsは、MITの研究者らが異なる種類の確率分布を組み合わせるために用いた統計手法「コピュラ」の専門家である。Dauwelsは次のように述べる。「Veeramachaneniのチームは、現実世界の重要な応用に極めて適したモデルを提案した。非ガウス統計量を正確に記述することで、コピュラに基づくモデルは古典的なガウスモデルを凌駕し、はるかに少ない測定から試験地点における正確な周辺分布を提供する。この方法論は実用上の価値が高く、他の多くの現実の問題にも適用可能だと確信している。」
この記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムの見解を支持することを意味するものではありません。
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執筆者：Larry Hardestyは、MIT Newsの寄稿ライターである。
画像：2008年5月19日、デンマークのSamso島付近の海に立つ洋上風力発電所。REUTERS/Bob Strong。
