CN100565496C - 空间模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种空间模拟程序，通过计算在多个计算格子中的变量的时间变化，而在计算机上再现用上述变量表现的现象的时间变化，上述变量是由上述计算格子表现的空间中的变量，空间模拟程序使计算机发挥以下功能：定义由上述多个计算格子构成的部分区域的步骤(201)；对部分区域设定外力条件的步骤(204)；检测出包含上述变量随时间变化的变量所在的计算格子的部分区域，以及包含为了计算时间变化而参照上述时间变化的变量的变量所在的计算格子的部分区域的步骤(205)；更新构成上述检测出的部分区域的计算格子中的变量的步骤(208)。能简单进行把宽广区域作为对象的空间模拟。

Description

空间模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及用计算机再现有趣现象的模拟，特别是涉及按每个时间(阶)段来更新计算格子中的变量的空间模拟程序以及装置。

背景技术

近年来，以掌握有趣现象为目的，人们关注用PC(PersonalComputer)等一般的计算机来简单实现空间模拟的系统。一般在空间模拟中，用多个计算格子表现现实的空间，另外用变量表现模拟对象的现象。进而，通过按某一时间宽度(时间段)更新变量来表现现象的时间变化。例如，作为该空间模拟的一例，已知有通过把水深、流速等作为变量更新来表现洪水现象的洪水模拟(例如，非专利文献1)。

该洪水模拟只要假设河流堤防溃决的情况，计算在流域中的浸水深度。首先，在模拟开始前确定作为模拟对象的区域(对象区域)。不是该对象区域的区域在该模拟中不能考虑。接着，在对象区域内确定计算格子的配置。在此，为了用现有的PC在实用化的时间内使处理结束，需要把计算格子的数抑制在10,000以下。因此，把计算格子设定为一边250m左右的矩形。最后，按每一时间段更新在配置于对象区域上的计算格子中的水深、流速等的变量。

[非专利文献1]“治水经济调查手册(草案)”建设省河流局出版，平成12年5月第26页～第36页

但是，在上述那样以往的空间模拟方法中，需要最初指定对象区域，另一方面，不可能对不是对象区域的区域进行模拟。例如，在把某一河流的下游流域作为对象区域进行洪水模拟的情况下，使用者无法对未作为对象区域的河流的上游·中游流域，其他河流流域进行模拟。因此，使用者需要在模拟的执行前推测因从这里开始执行的模拟而受影响的区域。另外，在上述非专利文献1的方法中如果扩大对象区域，则随之计算量增大。在实用上存在这样的问题，即，对象区域的面积的上限是500Km²，用一般的计算机来简单计算把更宽广的区域作为对象区域的空间模拟是困难的。

发明内容

鉴于上述问题的存在，本发明的目的在于：为了简单地进行把宽广区域作为对象的空间模拟，提供一种用于以少量的数据量就能高速地执行的空间模拟的程序以及装置。

一种空间模拟程序，通过计算在多个计算格子中的变量的时间变化，而在计算机上再现用在上述计算格子上表现的空间中的上述变量表现的现象的时间变化，上述空间模拟程序使计算机执行以下步骤：定义由上述多个计算格子构成的部分区域的步骤；对上述部分区域设定外力条件的步骤；检测出包含上述变量随时间变化的变量所在的计算格子的部分区域的步骤；检测出包含为了计算出时间变化而参照上述随时间变化的变量的变量所在的计算格子的部分区域的步骤；更新构成上述检测出的部分区域的计算格子中的变量的步骤。

因此，本发明在把宽广的区域作为对象的空间模拟中，能够以少量的数据量高速执行。进而，通过在变量的更新所需要的时刻取得该部分区域的空间数据，与在模拟空间执行前估计所需要空间数据一并取得相比，能够削减取得的空间数据。据此，例如当空间数据有偿的情况下，能够削减用于执行空间模拟的成本。

附图说明

图1是适用本发明的计算机系统的方框图。

图2是表示洪水模拟程序的处理一例的PAD图。

图3是表示洪水模拟的对象区域，和部分区域以及计算格子的关系的曲线图。

图4是表示利用数据表的内容的说明图。

图5是表示在图2的步骤205中进行的更新需要的部分区域的检测处理的子程序的PAD图。

图6是表示需要更新表的内容的说明图。

图7是用于进行部分区域的更新的判定的说明图，表示和成为对象的计算格子相邻的计算格子的关系。

图8是用于检测更新的部分区域的说明图，表示和成为对象的部分区域相邻的部分区域的关系。

图9是表示洪水模拟的结果的GUI一例的画面图像。

图10是表示设定利用数据表时的对话一例的画面图像。

图11是展示表示洪水模拟的进展状况的对话一例的画面图像。

图12是表示在利用数据表中追加记录时的对话一例的图。

图13是表示存储GIS服务器的信息的GIS服务器表一例的图。

图14是表示制成可以选择的空间数据1022的目录的一连串步骤的PAD图。

图15是表示步骤209的详细的PAD图。

图16是表示洪水模拟程序131的功能要素的方框图。

具体实施方式

下面，根据附图说明把本发明的空间模拟适用到洪水模拟时的一种实施方式。

图1是表示用于实现本发明的空间模拟的计算机系统构成的概略方框图。

空间模拟的使用者用与PC(Personal Computer)100连接的键盘111和鼠标112等的输入单元输入命令，用显示器113输出模拟的结果并确认。在PC100的内部，CPU(Central Processing Unit)140根据存储在存储器130上的作为空间模拟程序的洪水模拟程序131执行洪水模拟。

在洪水模拟程序131的执行中，在存储器130中制成、参照利用数据表132以及需要更新表133。CPU140在洪水模拟程序131的执行中，与需要相应，根据存储在外部存储装置(存储装置等)120中的空间数据文件(空间数据存储单元)121把空间数据展开在存储器130中，另外把洪水模拟的结果作为模拟结果文件122存储在外部存储装置120中。而且，空间数据例如用地理信息等构成，作为地理信息的一例，是由点、面、线、立体等特定空间的一部分的信息和在该特定的空间联系起来的值组成的数据，例如，是车站数据、河流数据。另外，空间数据表现作为空间模拟的对象的空间。例如，标高、地表面的粗度(表示水难以流动的物理量)等。

而且，代替外部存储装置120，从通过网络接口151与因特网152连接的GIS(Geographic Information System：地理信息系统)服务器153和Web服务器154取得空间数据，另外在这些服务器153和154中也可以存储模拟结果数据。

图2是表示在上述图1所示的计算机系统上执行的，洪水模拟程序131的处理概要的PAD图。CPU140执行图2所示的程序的各步骤。

首先，在图2的步骤201中在进行洪水模拟的空间上定义部分区域。所谓部分区域是用预先确定的形状分割现实空间的区域。进而，在该部分区域内配置多个计算格子。图3是模式化展示现实的空间和计算格子，以及部分区域的关系的图。用该图说明现实空间和计算格子的关系、计算格子和部分区域的关系、计算格子和变量的关系这3点。

最初，说明现实空间和计算格子的关系。首先，例如在现实的空间上设定把东作为x轴正方向，把北作为y轴正方向的地理信息坐标(x，y)。在此，关注地点的坐标(x，y)表示把某一地点作为原点时的从原点到关注地点的距离。原点坐标为(0，0)。接着在用地理信息坐标(x，y)表现的空间全部区域上配置计算格子。计算格子在图3中是用细线包围的矩形区域，例如，是图中311。在此，使用地理信息坐标(x，y)如以下那样定义计算格子坐标(i，j)。

i＝floor(x/dx)，j＝floor(y/dy)......(1)

而dx，dy分别是x，y轴方向的计算格子的大小。floor()是舍掉小数点以下部分而整数化自变量的函数。计算格子坐标的原点和地理信息坐标的原点相同，i轴以及j轴分别和x轴以及y轴平行。关注地点的坐标(i，j)是从原点到关注地点的格子数。

接着，说明计算格子和部分区域的关系。在图3中，部分区域是用粗线围成的矩形区域，例如，是图中320。一个部分区域在其内部在i轴方向上包含ci个(321)计算格子，在图中j轴方向包含cj个(322)计算格子。但是，ci、cj是2以上的整数。在此，用计算格子坐标(i，j)定义部分区域坐标(bi，bj)。

bi＝floor(i/ci)，bj＝floor(j/cj)......(2)

用该部分区域坐标(bi，bj)可以唯一指定部分区域。在本实施方式中，例如能够设定为dx＝dy＝50m，ci＝cj＝50。以下，根据该设定说明。

最后，说明计算格子和变量的关系。在一个计算格子中的变量存在一个或者多种。变量表现模拟对象的现象。在本实施方式中，在某一计算格子(i，j)中的变量存在水深h、x轴方向的流速u、y轴方向的流速v这3种，用这3种变量表现洪水现象。而且，虽然在本实施方式中说明全部变量存在于同一格子中的配置格子(collocted grid)的情况，但例如即使在如交错格子(staggered grid)那样使用让每个变量偏移1/2的格子坐标的情况下，以下的说明也同样成立。这从DDM(Domain Decomposition Methods：区域分割法)的理论中可知。详细内容记载在例如公知的文献“Domain DecompositionMethods-Algorithms and Theory”(Toselli，Andrea，Widlund，Olof，ISBN：3-540-20696-5，Springer，2005)中。

如以上那样设定计算格子和部分区域，分配变量。这样，如果导入由多个计算格子构成的部分区域这一概念，则产生以下的优点。(A)计算负荷降低。在以后说明的步骤503、步骤206、步骤209中，对部分区域进行重复处理。因而与对计算格子进行重复处理的情况相比，重复次数减少计算负荷也减低。(B)和以往技术的亲和性增大。通过新导入部分区域这一概念，不需要把计算格子的概念例如从记载在非专利文献1中的以往技术中的概念改变。据此，例如作为在以后说明的步骤208中处理的数值模型，可以大致不改变例如在作为以往技术的非专利文献1中记载的数值模型而加以利用。(C)和DDM的亲和性增大。本发明和以往技术DDM在为了得到某一区域上的模拟结果而把某一区域分割成部分区域这一点上相同。因此，可以对高效率的排列化等两者共同的课题适用DDM的研究成果。(d)和SIMD命令的亲和性。在多种CPU中，用称为SIMD(SingleInstruction/Multiple Data)命令的CPU命令可以用1次的命令发行处理多个数据。当考虑SIMD的特性把所处理的数据配置在存储器中的情况下，通过利用SIMD命令能够实现处理的大幅度的高速化。例如在SIMD计算单元的寄存器宽度是128bit的CPU中，当配置在计算格子中的变量的类型是32bit单精度浮动小数点的情况下，如果把4的倍数个的计算格子连续配置在存储器中，则利用SIMD命令产生的高速化效果高。在本实施方式中为了实现它，只要把部分区域的大小bi、bj的值设置成4的倍数即可。如果这样导入部分区域，因为把计算格子连续配置在存储器中，所以能够因利用SIMD命令而实现处理的高速化。

进而，为了实现计算的高速化还可以设定对象区域和其边界，或者在海域和陆地区域边界上设定边界条件。所谓对象区域如上所述是作为模拟对象的洪水现象发生的区域，不在该对象区域中的区域的洪水现象不作为对象。如果不特别设定对象区域，另外把全部区域作为对象区域，则可以如上述那样模拟可以用地理信息坐标(x，y)表现的空间全部区域。作为对象区域如果设定小的区域，则因为只模拟该小的区域，所以与未特别指定对象区域的情况，以及设定了更大的区域的情况相比，有能够削减计算量的可能性。

作为对象区域和其外侧的区域的边界最好设定边界条件。作为边界条件可以适用例如以下的2个条件之一。(1)考虑在边界上有深沟，即达到边界的水消失。(2)考虑在边界上有高墙，即达到边界的水滞留在边界附近。无论在哪种条件中水都不从边界流到外侧，所以在从边界到外侧始终不需要计算。能够把同样的边界条件设定在海域和陆地区域的边界。在本实施方式中，对象区域不特别设定，而在海域和陆地区域的边界上适用了边界条件(1)。

接着，在步骤202中制成利用数据表132。图4是表示在该步骤202中设定的利用数据表的内容一例的图。

在利用数据表132中，洪水模拟程序131取得的空间数据的存储场所在每部分区域中设定。而且，在本实施方式的洪水模拟中需要的空间数据的种类410是标高、地标面的粗度(表示水难以流动的物理量)等。部分区域ID420只要是能够识别部分区域的ID即可，例如如图4所示从前面出现的部分区域坐标(bi，bj)中生成。作为存储所利用的数据的场所430能够设定的内容如图中431那样，是Web服务器154，如图中432以及433那样是外部存储装置120的空间数据文件121等。

而且，对于存储场所430，也可以设置成用以部分区域ID为基础的有规则的文件名存储在某一目录属下等，能够从部分区域ID420中唯一计算出存储场所430的构造。这种情况下，最好是不制成利用数据表132，而制成具有和利用数据表同等功能的函数，即制成把将部分区域ID作为输入的空间数据的存储场所作为输出的函数。据此，能够削减制作利用数据表132的工作。例如，如图4所示，在部分区域ID420是(120，131)的情况下，对应的标高的数据的存储场所430是“C:￥elev￥120131.dat”。

另外，代替制成利用数据表132，可以从网络上的GIS服务器153等中取得空间数据。这种情况下，在该步骤202或者以后说明的步骤207中为了取得空间数据而向GIS服务器153发送记载有必要的空间数据的种类以及位置的数据请求。此时，因为位置可以用经度纬度等在地理信息中使用的坐标值来指定，所以，在该步骤202中，代替制成利用数据表132只要定义相互改变计算格子坐标和部分区域坐标和经度纬度等的坐标的方法即可。为了相互转换，可以把例如作为为了表现地理信息而使用的坐标的一种的UTM(Universal TransverseMercator)坐标作为上述的地理信息坐标(x，y)采用。UTM坐标(x，y)虽然把离开原点的距离作为坐标值，但可以和作为根据角度的坐标的经度纬度坐标相互转换。在UTM坐标、计算格子坐标、部分区域坐标的相互变换中，使用上述(1)以及(2)式，可以相互变换经度纬度坐标、地理信息坐标(x，y)、计算格子坐标(i，j)、部分区域坐标(bi，bj)。

进而，当能够使用多个网络上的GIS服务器153等的情况下，如果把该GIS服务器的信息预先存储在外部存储装置120等中则合适。图13是表示存储GIS服务器的信息的GIS服务器表一例的图。这种情况下，在该步骤202或者以后说明的步骤207中，把成为对象的部分区域的坐标变换为经度纬度坐标，向记载在GIS服务器表1300中的URL(Uniform Resource Locator)发出数据请求。而且，在GIS服务器表1300中，根据需要除了URL外可以追加用户ID、口令等。

在此，在图13的GIS服务器表1300中，除了GIS服务器的名称1301和URL1302外，只要预先记载数据的单价等的成本信息1303即可。当数据是有偿的情况下，可以根据成本信息1303等选择GIS服务器。

接着，在步骤203中，在步骤204以后重复处理。在以后说明的步骤211中，从模拟开始的经过时刻t(秒)在1次重复处理中只计算时间段dt(秒)。该时间段dt是作为进行洪水模拟的最小单位时间设定的值。在本实施方式中，例如能够设定为dt＝5秒。

另外，步骤203的脱离条件在进入步骤203之前设定。作为脱离条件例如在使用者用键盘111等输入了停止命令的情况适宜。当设定了这样的脱离条件的情况下，因为在任意的时刻通过使用者独自判断能够使模拟完成，所以使用者的使用方便性提高。或者，也可以设定进行洪水模拟的全时间长度T。这种情况下，能够把从模拟开始的经过时间t超过了全时间长度T的时刻，或者，步骤203的重复次数超过了预先设定的次数的时刻作为脱离条件。如果这样设定全时间长度，则程序能够自动判断模拟结束的条件，可以进行分批处理。另外，在以后说明的对话1100中可以推定直至模拟结束的剩余时间。

在步骤204中设定外力条件。外力对于使作为空间模拟的对象的现象产生的现象，还包含时间变化表现。如以后说明的那样，变量能够判别现象发生的状态，和未发生的状态之一。因此，外力可以把变量设置成现象发生的状态，并且，可以和其后的时间经过一同变化进行与之相应的变量的更新。这些外力在以后说明的步骤208中的数值模型中作为边界条件处理。

洪水模拟中的外力可以列举例如在上述非专利文献1中记载的从河流的堤防决口中水的流出、降雨等。水的流出使堤防决口点周围的水深和流速改变，降雨使降雨区域中的水深改变。另外，把外力条件变换为水深、流速等的变量的值的式子记载在上述非专利文献1中。洪水模拟程序131让使用者输入外力的种类和位置，把输入的外力的条件代入上述变换式子，计算外力输入的变量的种类、值，以及计算格子坐标(i，j)。例如，当假想从原点向东60.0km，向北75.0km的地点的高度1.0m的堤防决口这一外力时，在计算格子坐标(i，j)＝(12000，15000)中只要设定为水深h＝1.0m即可。

在接着的步骤205中，检测更新需要的部分区域，包含进一步正确更新需要的计算格子的部分区域。在此，所谓更新需要的部分区域是洪水现象在内部发生的部分区域，或者洪水现象从周围传播来的部分区域。另外，所谓更新不需要的部分区域是洪水现象在内部未发生，并且洪水现象未从周围传播来的部分区域。在该步骤205中，检测更新需要的部分区域，接着从步骤206到步骤208，只处理更新需要的部分区域。在该步骤205中的判别不正确的情况下因为有可能招致不可预期的结果，所以该判别非常重要。例如，如果把原本不需要更新的部分区域误判定为需要更新，则接着在从步骤206到步骤208中进行不需要的处理，计算负荷增大。另外，如果把原本需要更新的部分区域误判定为不需要更新，则得到的模拟结果包含不可预期的错误。相反，如果能够正确进行判定把更新需要的部分区域的数抑制在所需要的最低限度，则可以用比以往方法更少的计算负荷得到正确的模拟。该判定方法在以下说明。

图5是表示步骤205的详细的PAD图。在这些步骤中，在图5的步骤501至步骤502中检测出洪水现象的发生过程，在步骤503到步骤505中考虑洪水现象传播的过程检测需要更新的部分区域。因此，通过图5的一连串的步骤，考虑洪水现象发生，在周围传播的一连串的过程，可以检测更新需要的部分区域。

在步骤501以及步骤502中，参照在上述步骤204中设定的外力条件，把设定了外力条件的部分区域的ID追加到需要更新表133。图6是表示需要更新表133的内容一例的图。在需要更新表133中在列610上记载需要的部分区域数ID。希望不重复地记载。另外在列620中记载与该部分区域ID有关的空间数据的取得状况(已取得，未取得，不需要)。而且，在步骤501中，需要更新表133的空间数据的取得状况(列620)全部是“已取得”。接着在从步骤502到以后说明的步骤505中追加的部分区域ID全部是空间数据的取得状况为“未取得”。把该空间数据的取得状况存在“未取得”的部分区域ID的状态保持到以后说明的步骤207，通过在步骤207中的处理，空间数据的取得状况是“未取得”的部分区域全部变为“已取得”。在步骤502中在追加部分区域ID610时，确认需要更新表133，因同样的部分区域ID610重复而不追加到需要更新表133中。通过该步骤，跟踪洪水现象的发生过程，可以把洪水现象发生的部分区域追加到需要更新表中。

接着，在图5的步骤503中，对需要更新的区域重复步骤504以及步骤505。需要更新的部分区域参照需要更新表133的列610。

在此，用图7详细说明通过外力条件判别更新的必要性的方法。图7是表示判别需要更新，即变量有可能变换的计算格子，和不需要更新，即变量不变化的格子自明的计算格子的方法的图。

如以后说明的那样在步骤208中，在本实施方式的洪水模拟中，在每一时间段更新变量，例如水深以及流速。在此，变量需要能够判定洪水现象发生，或者未发生。以下，把表示洪水现象未发生的状态的变量的值称为0值，把表示发生了洪水的状态的变量的值称为非0值。例如，在洪水模拟中使用的变量，例如水深h、流速u、v分别是0值，或者是非0值的判别能够分别用以下的式子进行。各个变量在满足这些式子的情况下是非0值，在未满足的情况下是0值。

h≥h0+he......(3-1)

u≥u0+ue......(3-2)

v≥v0+ve......(3-3)

在此，h0、u0、v0是在数值计算中看作0和值的值，例如，可以设定为h0＝0，也可以设置成h0＝1×10-5m。另外，he、ue、ve是在数值计算中看作和0不同的值的最小的水深或者流速，例如能够设定为he＝10＝4m。当不把h0、u0、v0严格地设定为0的情况下，在使用计算机的数值计算中因为不能够回避伴随不可避免的误差的问题所以适宜。另外，这些式子虽然在该步骤504和以后说明的步骤209中的判别中使用，但在各个步骤中，在数值计算中作为看作0和值的值，在数值计算中作为和0不同的值设定的值也可以不同。例如，在该步骤504中可以设定成he＝10-4m，在步骤209中可以设定成he＝10-5m。如果这样设定，则可以防止某一部分区域频繁地切换需要更新的状态(在步骤504中检测出的状态)和不需要更新的状态(在步骤209中检测出的状态)，能够削减伴随切换的处理(以后说明的步骤207)。

在此，在图7中，为了求在某一计算格子311中的下一时间段的变量，需要参照与该计算格子311的4边连接的周围4个计算格子(312至315)中的现在的时间段的变量。此时，如果从计算格子311到315中的水深h、流速u、v全部是0值，则下一时间段的水深以及流速不从0值改变这一点从步骤208的数值模型中自明。这种情况下不需要值的更新。反之，在计算格子以及与该计算格子4边相邻的计算格子中，如果在某一计算格子中的水深或者流速是非0值，则在下一时间段中计算格子311的变量有可能变为非0值。这种情况下需要变量的更新。从以上说明可知，在下一时间段中需要更新的计算格子是参照在现在的时间段中的非0值的计算格子的计算格子。图8是表示检测需要更新的部分区域的方法的图。在图8中，为了求在属于相邻的部分区域320的计算格子311’的下一时间段的变量值而参照属于某一部分区域320-1的计算格子811。因此，如果计算格子811是非0值，则在下一时间段中计算格子311’有可能变为非0值。而且，计算格子311’以及811是在部分区域320和部分区域320-1的边界上的计算格子。同样，如果属于从部分区域320中参照的部分区域320-1的计算格子812之一是非0值，则在下一时间段中包含在部分区域320中的计算格子有可能变为非0值。

通过以上说明可知，当某一部分区域320-1需要更新的情况下，如果从与该部分区域相邻的部分区域320中参照的计算格子812之一是非0值，则相邻的部分区域320在下一时间段中需要更新。如果可以对部分区域320-1的4边进行同样的判断，则能够调查与部分区域320-1相邻的全部的部分区域数的更新的必要性。

从以上说明可知，如果在现在的时间段中调查更新需要的全部的部分区域的4边，则在下一时间段中能够全部检查更新需要的部分区域。

在图5的步骤504中，利用使用上述图8说明的判断方法，调查从相邻的部分区域参照的计算格子是否是非0值。而后，在计算格子是非0值的情况下把在步骤505中相邻的部分区域的ID追加在需要更新表133中。但是和上述步骤502一样，在部分区域ID的追加前确认需要更新表133，因同样的部分区域ID重复因而并不追加到表中。这样，通过从图5的步骤503到步骤505，可以在洪水现象扩大到周围的过程之前，把已经发生洪水现象的部分区域的周围的部分区域追加到需要更新表中。

以下，再次返回到图2的PAD图说明处理的概要。在步骤206中，对于需要更新的部分区域重复步骤207以及步骤208。对于需要更新的部分区域只要和步骤503一样参照需要更新表133即可，在步骤207中在记载于需要更新表133的列610上的部分区域中，并且只对列620的值是未取得的部分区域，从记载在利用数据表132的列430上的存储场所中取得空间数据，取得的空间数据在存储器130中展开。

在步骤208中，对于记载在需要更新表133的列610上的部分区域，解预先设定的数值模型，更新在需要更新的部分区域中的变量。首先，把在步骤204中设定的外力条件反映在相应的计算格子的变量中。接着，在本实施方式中利用2维不定流模型，把水深和流速更新为在下一时间段中的值。但是，在2维不定流模型的本实施方式中的安装中，在某一计算格子和与该计算格子的4边接触的4个计算格子全部中如果水深以及流速是0值，则在该计算格子的下一时间段中的流速以及水深是0值。对于上述数值模型的具体的计算式子，因为记载在上述非专利文献1中，所以在此省略详细的说明。

而且，当PC100例如与多线索(multi-thread)对应的情况下，或者具有多个CPU140或者多个CPU核心的情况下，通过并行进行处理谋求高速化。对于把对象区域分割为部分区域时的高效率的并行处理，在称为DDM(Domain Decomposition Methods：区域分割法)的领域里有许多研究(例如，参照上述公知文献)。

在步骤209中，检测出不需要更新的部分区域，从需要更新表133中删除。如上所述，所谓不需要更新的部分区域是洪水在内部未发生，并且洪水现象未从周围传播来的部分区域。在该步骤209中，检测不需要更新的区域，在从下一时间段中的步骤204到步骤208中只处理需要更新的部分区域。当在该步骤209中的判别不正确的情况下，因为有可能招致和步骤205一样无法预期的结果，所以该判别是非常重要的。以下说明该判定方法。

图15是表示步骤209的详细的PAD图。在图15的步骤1501中，对于需要更新的部分区域重复步骤1502、步骤1503，以及步骤1504。需要更新的部分区域和图5的步骤503一样，参照需要更新表133的列610。在步骤1502中，判别在部分区域内的全部计算格子中的水深h以及流速u、v是否全部是0值。而且，所谓各变量的0值是分别不满足从式(3-1)到(3-3)的数值。当该步骤1502的判别结果是真的情况下，接着在步骤1503中判别在与该部分区域相邻的部分区域内存在的，该部分区域参照的计算格子是否全部是0值。接着步骤1502当该步骤1503的判别结果也是真的情况下，在步骤1504中把需要更新表133的相应的部分区域ID的空间数据取得状况(列620)变更为“不需要”。在图15的最后的步骤1505中，从存储器130中删除需要更新表133的列620是“不需要”的部分区域的空间数据，该部分区域ID也从需要更新表133的列610中删除。

在步骤210中，在以后的GUI(Graphical User Interface)中把现在时刻的洪水模拟的过程中结果输出到显示器113。用户能够在这里掌握计算过程。在步骤211中在从模拟开始后的经过时间t加算时间段dt。根据需要把模拟的过程结果作为模拟结果文件122存储在外部存储装置120中。而且，在模拟结果122中能够存储在各计算格子中的变量的值。

通过以上说明的处理把对象区域分为多个部分区域，只对以需要更新的部分区域取得必要的空间数据，使用该空间数据和数值模型更新水深、流速等的变量。据此，能够以少的数据量高速执行宽的区域的空间模拟。

接着，参照图9说明在上述步骤210中进行的显示处理的GUI。图9是表示洪水模拟系统的GUI(画面)一例的图。在设置于显示器113的规定的显示区域上的窗口900中，有以3维显示地理信息的图像910，显示用于表现部分区域的边界的线(例如图中911)、车站912、河流913。另外，显示作为洪水模拟的结果的水深(浸水深度)914。水深914用以凡例920表示的每一水深的图样或者颜色表示。如果这样把作为模拟的过程结果的各计算格子的水深、流速等的值与地理信息重叠地可视化，则用户在视觉上容易掌握计算结果，是所希望的。进而，如果使用如图9所示那样俯瞰对象区域的3维的地理信息，则更容易掌握状况。

PC100的使用者在窗口900上操作光标，通过用鼠标112按下设定931、执行932、复位933、结束934的各键，能够让洪水模拟系统进行所希望的处理。

如果使用者操作鼠标112按下设定键931，则在显示器113的规定的显示位置上出现以后说明的图10的对话1000，通过对话实现上述图2的步骤202(使用数据表132的制成)。

另外，如果按下执行键932，则在显示器113的规定的显示位置上出现以后说明的图11所示的对话1100，通过对话实现上述图2的步骤203。如果按下复位键933，则可以把洪水模拟程序131设置成起动之后的状态。另外，如果按下结束键934，则能够结束洪水模拟程序131。

接着，图10是表示在操作了上述图9的设定键931时显示的对话1000一例的图。该对话1000是通过对话制成所使用的数据表132的对话。

该对话1000如上所述通过按下设定键931而出现，通过对话实现图2的PAD图的步骤202(使用数据表132的制成)。特别是在数据的存储场所复杂的情况下，通过配备该对话，方便性显著提高。在对话1000中，具备对象区域的地理信息1010以及每一部分区域ID的设定信息栏1020。如果使用者用鼠标112使鼠标指针1011移动，则在鼠标指针1011指示的部分区域320中可以选择的数据作为工具提示语(tool tip)(鼠标指针对准时显示的文字)1013显示。而后，如果使用者点击部分区域320，则显示取得相应的部分区域320的设定信息，即ID420、可以选择的数据1022，以及可以选择的空间数据(标高，粗度等)的定时1023。在图10中表示使用者从可以选择的空间数据1022的“A公司”的数据以及“B公司”的数据中选择“A公司”的数据的情况。

这样通过提示一个部分区域320的空间数据的选择表元素，使用者例如可以以在城市街区的中心部分的洪水模拟中以高精度使用高价格的“A公司”的空间数据，另外，在郊区的模拟中以低精度使用低价格的“B公司”的空间数据的方式，与用途一致地分开使用数据。进而，例如通过配备以后说明的对话1200，能够在这些选择表元素外加入“在需要的时刻改变选择(这次不选择)”这样的选择表元素。

当把可以选择的空间数据1022存储在与Web服务器154等与网络连接的服务器中的情况下，能够选择取得的定时1023。在图10中，使用者不选择“在模拟开始前下载”而选择“在需要的时刻自动下载”。采用本构成，只在需要时从Web服务器154等中下载空间数据，能够把使用者使用的空间数据抑制在需要的最低限度。具体地说，在图2的步骤205中把该部分区域追加到需要更新表133中，在步骤207中在进行了空间数据的取得处理时自动进行下载。在该部分区域的更新不需要中，不下载该部分区域的空间数据。因此，当使用有偿的数据的情况下，谋求降低购入空间数据的费用。相反通过选择“在模拟开始前下载”，例如在使用者在洪水模拟执行中进行的下载的处理(步骤207)中不会花费时间，能够高速执行洪水模拟。

而且，从外部的服务器下载的空间数据存储在空间数据文件121中。如果配备以后说明的对话1200，则使用者不比对全部的部分区域事前输入使用数据表132的设定信息1020。在适宜输入了设定信息1020后，如果使用者按下OK键1031，则输入的设定反映在使用数据表132中，如果按下删除键1032则废弃已输入的设定。

在此，在能够利用存储在与GIS服务器153等网络连接的服务器的空间数据的情况下，说明制成可以选择的空间数据1022的目录的一连串的步骤。该一连串的步骤如果使用者用鼠标112使鼠标指针1011移动，则能够对鼠标指针1011指示的部分区域320执行。

图14是表示制成可以选择的空间数据1022的目录的一连串的步骤的PAD图。在步骤1041中把空间数据的取得需要的部分区域内的全部计算格子坐标(i，j)变换为经度纬度。在步骤1402中，读入GIS服务器信息表1300，向GIS服务器发送上述经度纬度，在该步骤1403中对该空间数据的有无进行询问。而后，当GIS服务器保有成为对象的部分区域的空间数据的情况下，在步骤1404中从提供源取得该空间数据的URL。

在步骤1405中参照GIS服务器信息表1300的成本信息，根据成本信息分类在步骤1404中取得的URL。该步骤不是必须的，但例如如果按照价格的顺序分类则用户容易考虑成本进行选择。

而后，在步骤1406中，把分类后的GIS服务器的名称1301作为可以选择的数据1022如图10所示那样显示。在步骤1407中，把选择的数据的存储场所存储在使用数据表132的列430中。

通过以上的处理，确定成为对象的部分区域的空间数据的取得目标，在用定时1023指定的定时(步骤202或者步骤207)中，执行空间数据的下载。

图11是表示在洪水模拟执行中用于通知使用者进程的对话1100的一例的图。该对话1100在按下上述图9的执行键932时出现，向使用者通知在图2的PAD步骤203中的进程。

在对话1100中包含表示洪水模拟的进程状况的进程条1110，以及与程序的执行状况有关的信息栏1120。

在该信息栏1120中，包含直至洪水模拟结束的推断剩余时间1121、现在的计算速度1122、由现在的洪水引起的浸水模拟1123。在推断剩余时间1121中，例如如图所示通过包含“在10小时中已计算了1.2小时”这一信息，即在进行模拟的全部时间长度T(秒)以及从在现在时刻的模拟开始的经过时间t(秒)，能够更细致地显示洪水模拟的进程状况。在此，进行模拟的全部时间长度T参照在步骤203中处理的值T，从模拟开始的经过时间t参照在步骤211中处理的值t。另外，计算速度1122表示现实世界的1秒钟在模拟内进行了几个小时。例如，在图中，现实世界的1秒钟表示在模拟内进行了0.1小时。该数值通过在步骤211中取得现实世界的时刻，并取该时刻和在前一次的步骤211中的时刻的差，测量在1次重复处理中所花费的现实世界的时间，也可以通过用该值除以时间段dt来计算。在本发明中，因为根据更新的部分区域的数，模拟的计算速度变化，所以通过显示计算速度1122使用者能够容易推定模拟的进程状况。

使用者能够用进程条1110通过视觉掌握推定剩余时间1121。另外，如上所述，因为因更新的部分区域的数不同使得计算速度变化，所以如果显示把现在的计算速度1122和部分区域的数联系起来的浸水面积1123，则可以判断使用者是应该等待结束，还是应该中止处理而进行其他的操作。当中止的情况下，使用者按下中止键1131结束步骤203。

图12是表示用于通过对话选择在洪水模拟执行中使用的利用数据表132的对话一例的图。

该对话1200对于未设定使用数据表132的部分区域，在步骤207中在要取得空间数据时出现。在该对话1200中，显示传递未设定使用数据表132的主旨的信息1210；包含设定需要的部分区域1221的地理信息1220；对部分区域1221的设定信息栏1230。

图12在未设定使用数据表132的部分区域1221上表示浸水区域1222的前端到达的瞬间。在设定信息栏1230中显示部分区域1221的ID1231以及可以选择数据1232。在图中表示选择了“A公司”的数据的情况。使用者在结束设定后可以选择再次按下再开始键1241再开始步骤207，或者按下中止键1242结束步骤203，返回图9所示的窗口900。

而且，通过适用本发明可以期待以少量的数据量高速执行的数值模型是满足以下(a)、(b)条件的数值模型。

(a)存在不需要更新变量的计算格子

(b)计算格子的状态有在空间上连续分布的趋势。

满足上述的条件(a)、(b)的数值模型例如存在于模拟某一地域的洪水、火灾蔓延、交通流、传染病的流行等领域中。具体地说，是作为用于进行洪水模拟的数值模型的2维不定流模型以及水槽模型、用于进行火灾蔓延模拟的数值模型。作为这种数值模型已知有“使用立体都市数据的空间模拟方式和对其火灾蔓延预测的适用”(室启朗，依藤永一、岩存一昭合著，数理模型化和问题解决，信息处理学会出版，1997年11月发行Vol.1997 No.113)等。即使空间模拟是火灾蔓延模拟的情况下，在上述图2的步骤209中相应的判别条件也和上述的条件一样。即，是未发生火灾，并且火灾并未向周围蔓延的部分区域。但是，和未着火也未蔓延的部分区域一样，在完全烧尽的区域内未剩下能够燃烧的材料的部分区域也满足上述判别条件。

另外，在上述实施方式中说明了在PC100中进行空间模拟的程序，但代替PC也可以在用并列计算机进行空间模拟的程序中适用本发明。这种情况下，也和用PC执行的程序一样，因为能够大幅度削减在对象区域内实际进行计算的数据量，所以可以谋求计算速度的提高，从而能够以短时间实现更大规模的空间模拟。而且，在并列计算机中高效率的并行化是重要的课题。对于该课题，可以适用在上述的DDM的领域中的研究成果。

图16是表示洪水模拟程序131的功能要素的方框图。

洪水模拟程序131具备：存储地理信息(空间数据)的地理信息存储单元(空间数据文件121)；把存储上述地理信息的区域分割为包含多个计算格子的部分区域的部分区域设定单元161；在上述部分区域中，选择需要更新的部分区域的更新区域选择单元162；在上述选择的部分区域上设定外力条件，用该外力条件模拟包含在上述选择出的部分区域上的计算格子中的变量进行更新的更新单元163；把上述更新后的变量的值输出到显示器113(显示装置)的显示单元164。

而且，在本发明中，仅选择需要更新的部分区域的顺序包含：在某一计算格子中的变量是表示发生了作为空间模拟的对象的现象的值的情况下，把包含该计算格子的部分区域作为需要更新的部分区域选择的顺序。

另外，仅选择需要更新的部分区域的顺序包含：为了更新在某一计算格子中的变量，当参照表示作为空间模拟的对象的现象发生的值的变量的情况下，把包含该计算格子的部分区域作为需要更新的部分区域选择的顺序。

另外，仅选择上述需要更新的部分区域的顺序包含：当在构成某一部分区域的全部计算格子中的全部变量表示表示作为空间模拟的对象的现象发生的值的情况下，并且为了更新在这些计算格子中的变量而参照的全部计算格子的全部变量表示发生了作为空间模拟的对象的现象的值的情况下，不把该部分区域作为需要更新的部分区域选择的顺序。

这样在仅选择需要更新的部分区域的顺序中，用上述3点的方法能够削减与变量的更新有关的计算成本。

在仅选择上述更新需要的部分区域的顺序中，当某一计算格子中的变量是表示发生了作为空间模拟对象的现象的值的情况下，选择包含该计算格子的部分区域。据此，跟随现象的发生过程，能够增减更新的部分区域的数。

在仅选择上述需要更新的部分区域的顺序中，进一步在为了更新在某一计算格子中的变量而参照发生了成为空间模拟的对象的现象的值的变量的情况下，把包含该计算格子的部分区域作为需要更新的部分区域选择。据此，在发生了现象的区域扩大的过程之前，能够增加更新的部分区域的数。

在仅选择上述需要更新的部分区域的顺序中，进一步在构成某一部分区域的全部计算格子中的全部变量不是表示发生了作为空间模拟的对象的现象的值的情况下，并且在为了更新在这些计算格子中的变量而参照的全部计算格子的全部变量不是表示发生了作为空间模拟的对象的现象的值的情况下，不把该部分区域作为需要更新的部分区域进行选择。据此，跟随现象发生的区域缩小的过程，能够减少更新的部分区域的数量。

综上所述，如果采用本发明，则能用PC等来实现宽广区域的空间模拟，能够适用于对洪水、火灾蔓延、交通、传染病的流行等的空间模拟。

Claims (7)

1.一种空间模拟方法，通过利用由多个空间模拟用计算格子表现的空间的变量而在计算机上模拟由上述空间的变量所表现的现象，上述空间模拟方法包括以下步骤：

用上述空间模拟用计算格子定义多个部分区域，其中每个定义出的部分区域包括多个上述空间模拟用计算格子；

输入用于更新与上述空间模拟用计算格子相关的上述变量的外力条件，并当与设定了上述外力条件的第一部分区域中的上述空间模拟用计算格子的某一个有关的变量的值表示正在发生作为空间模拟对象的现象时，将该第一部分区域追加到部分区域的需要更新表中；

针对追加到上述部分区域的需要更新表中的上述第一部分区域，在判断所参照的与该第一部分区域相邻的第二部分区域中的某一个空间模拟用计算格子的变量的值表示正在发生作为空间模拟对象的现象时，将该第二部分区域追加到部分区域的需要更新表中；以及

通过对追加到上述部分区域的需要更新表中的第一部分区域和第二部分区域的空间模拟用计算格子应用计算模型来更新上述变量。

2.如权利要求1所述的空间模拟方法，其特征在于，包含以下步骤：

当包含在更新了上述变量的第一和第二部分区域中的全部空间模拟用计算格子中的全部变量的值不表示正在发生作为空间模拟对象的现象时，并且，当该空间模拟用计算格子参照的全部空间模拟用计算格子的全部变量的值不表示正在发生作为空间模拟对象的现象时，从部分区域的需要更新表中删除该部分区域。

3.如权利要求1或2所述的空间模拟方法，其特征在于，具有：

在每个上述部分区域中预先设定空间数据的取得目标的步骤；

在每个上述部分区域中预先设定空间数据的取得时刻的步骤；和

当到达上述取得时刻时，从上述设定的取得目标取得空间数据的步骤。

4.如权利要求3所述的空间模拟方法，其特征在于，

取得上述空间数据的步骤包含：

把经由网络连接的服务器作为取得目标，对该服务器请求与上述部分区域对应的空间数据的步骤；和

从上述服务器下载空间数据的步骤。

5.如权利要求1或2所述的空间模拟方法，其特征在于，

按每个时间段来更新对象区域的浸水深度，作为上述变量来更新上述空间模拟用计算格子中的浸水深度。

6.如权利要求1所述的空间模拟方法，其特征在于，包含：

把包含更新上述变量的空间模拟用计算格子的区域的地理信息作为3维图像显示在显示装置上的步骤；

在上述3维图像上显示与地理信息相关的上述部分区域的步骤；和

显示上述变量的时间变化的步骤。

7.一种空间模拟装置，通过利用由多个空间模拟用计算格子表现的空间的变量来模拟由上述空间的变量所表现的现象，其特征在于，上述空间模拟装置包括：

用于用上述空间模拟用计算格子定义多个部分区域以使每个定义出的部分区域包括多个上述空间模拟用计算格子的单元；

用于输入用于更新与上述空间模拟用计算格子相关的上述变量的外力条件、并在与设定了上述外力条件的第一部分区域中的上述空间模拟用计算格子的某一个有关的变量的值表示正在发生作为空间模拟对象的现象时将该第一部分区域追加到部分区域的需要更新表中的单元；

用于针对追加到上述部分区域的需要更新表中的上述第一部分区域、在判断所参照的与该第一部分区域相邻的第二部分区域中的某一个空间模拟用计算格子的变量的值表示正在发生作为空间模拟对象的现象时将该第二部分区域追加到部分区域的需要更新表中的单元；以及

用于通过对追加到上述部分区域的需要更新表中的第一部分区域和第二部分区域的空间模拟用计算格子应用计算模型来更新上述变量的单元。

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