JP2008108147A - 流体解析支援システム及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＦＤの計算結果を各種の地図情報に重ね合わせることにより、風のような流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システム等を提供することを目的とする。
【解決手段】 流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システム１は、スキャナ３と、流体が流れる空間の地図情報に基づいて少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データを生成する格子データ生成装置９と、生成された格子データに基づいて解析されるべき流体に対して数値計算によるシミュレーションを実行するシミュレーション装置１１と、生成された公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データとシミュレーション装置１１によって得られる数値解析結果とを関連付け、ユーザの判断における支援となり得る支援情報を生成する支援装置７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体解析支援システム及びプログラムに関し、特に流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システム、及び当該システムにおいて必要とされるプログラムに関する。

近年、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）の分野では、各種地理情報システム（ＧＩＳ：Geographic Information System）データ（建物形状データ、地形形状データ）をＣＦＤの入力条件として活用する技術が、提案されてきている。これはＣＦＤの前処理技術として、建物形状或いは地形形状をＧＩＳデータから取得することが主目的である。具体的には、公共座標により表された地形データ・ＧＩＳデータが変換され或いは取込まれ、任意座標により表される格子節点の格子生成が行われ、その格子節点を表す格子データに基づいて解析されるべき流体に対して数値計算によるシミュレーションが実行されて解析され、解析結果を表すデータが可視化されている。

ここで、公共座標とは、地球上の位置を一義的に特定できるものであり、経緯度・平面直角座標系のＸ、Ｙ座標などにより表される。地球上の位置を決めるための座標系で、測地座標系、測量座標系とも言われ、日本において使用されるのは日本測地系と呼ばれ、ベッセル楕円体を準拠楕円体としていたが近年世界測地系へ変更された。また、任意座標とは、上記シミュレーションに必要な格子節点上において無次元化した座標（０〜１など）により表される。

なお、上記では格子生成以降の処理に任意座標が用いられているが、具体的な技術としては、本願の発明者が含まれている非特許文献１及び非特許文献２にも記載され、特許文献１にも記載されている。

日本風工学会論文集第３１巻第２号（通号第１０７号）平成１８年４月 Ｐ６３〜Ｐ７４ 研究報告 一様流中に置かれた急峻な単純地形まわりの気流性状の評価 −３次元孤立峰モデルの場合− 内田孝紀 杉谷賢一郎 大屋裕二 九州大学応用力学研究所所報 第１２９号（１３１−１４１）２００５年９月 風況シミュレーションのための紙地図からの高解像度地形データの構築 内田孝紀 大屋裕二 荒屋亮 田辺正孝 川島泰史 特開２００３−２０３１９４号公報

しかしながら、従来のＣＦＤでは、計算スキーム、計算モデリング、計算結果の精度、可視化テクニックといった点が重要視されていた。言い換えると、従来のＣＦＤでは、計算結果は任意座標系における議論であり、対象物周辺の流れパターンがどのようなものであるかといった議論が中心であった。そのため、その他の地図情報（法規制、インフラ、環境情報など）は考慮されておらず、総合的・多角的な議論は行われていなかった。

その理由は以下のとおりである。まず、従来のＣＦＤでは、計算結果を見慣れた地図上に重ね合わせるという発想自体がほとんどなかっただけでなく、任意座標を基準にしてしまうため、可視化においても、計算結果と併せて地形図、法規制情報など全ての地図情報を統合して取り込み、重ね合わせて表現することが技術的に困難であった。また、重ね合わせることが困難なため、従前のＧＩＳソフトが有するような空間解析機能を用いて事業性を評価することも、著しく困難であった。すなわち、これらの作業には時間と労力をかけても重ね合わせの精度を確保できず、事業性の評価に対する信頼性の点でも不十分であった。

ゆえに、本発明は、ＣＦＤの計算結果を各種の地図情報に重ね合わせることにより、風のような流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システム等を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システムであって、流体が流れる空間の地図情報に基づいて少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データを生成する格子データ生成手段と、前記生成された格子データに基づいて解析されるべき流体に対して数値計算によるシミュレーションを実行する数値解析手段と、前記生成された公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データと前記数値解析手段によって得られる数値解析結果とを関連付け、ユーザの判断における支援となり得る支援情報を生成する支援情報生成手段とを備える。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の支援情報生成手段を装置としてその動作を実行させるプログラムである。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の格子データ生成手段により流体が流れる空間の地図情報に基づいて少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データを生成するステップを含む格子データ生成方法をコンピュータに実行させるプログラムである。

なお、上記発明では、流体解析支援システムとして捉えたが、例えば支援情報生成手段を例えば所謂地理情報システム（装置）というように、各構成を一つの装置発明と捉えてもよい。また、上記流体解析支援システムを方法発明として捉えなおしてもよい。さらに、上記プログラムを装置発明、方法発明、記録媒体発明に捉えなおしてもよい。

さらに、上記格子データ生成手段が生成する格子データは任意座標で表され、格子データと公共座標データを区別化できるようにしてもよいが、少なくとも格子節点上には公共座標データのみを保持させておけば（上記少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データが含まれる）、数値解析手段は数値計算の内部処理としてこの公共座標データを空間距離に変換し、任意座標を作成して数値計算を行える。そのため、数値解析手段が数値計算を行う際の格子データは、公共座標に基づく計算であっても、当初から任意座標に基づく計算或いは公共座標から変換された任意座標に基づく計算であってもよい。

本発明によれば、公共座標という基準を一貫して維持することにより、従来のＧＩＳデータを単にＣＦＤの入力条件として取り込むだけでなく、ＣＦＤの結果を各種の地図情報と重ね合わせることができる。特に、構造格子と非構造格子とを問わない任意形状の計算格子である格子節点を表す格子データに公共座標を反映させることができ、再び計算結果をＧＩＳデータに重ねて、見慣れた地図の上に一義的に投影することが可能になる。その結果、全ての計算結果がＧＩＳの地図上に重ねて表示され、ユーザにとっては、例えば、「法規制、インフラ、環境情報との重ね合わせ分析」による判断に有用な支援情報が得られる。また、その重ね合わせは、プログラムによって自動化されており、その作業負担（時間、コスト）が大幅に軽減される。さらに、重ね合わせにおける位置精度は高く、重ね合わせにおけるズレも生じず、判断に必要とされる客観的な支援情報がユーザに提供される。

図１は本発明の実施の形態にかかる流体解析支援システムの概略を示した図である。図２は図１のデータ生成解析装置の実際の写真を示した図である。図２（Ａ）は図１のデータ生成解析装置がデュアル構造で示された図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の内部構造を示した図であってデュアル構造の一方を示した図であり、図（Ｃ）は図２（Ａ）を異なる方向から示した図であり、図２（Ｄ）は図２（Ｃ）に対して反対方向から示した図である。なお、上記デュアル構造によりコンパクトにしているだけでなく向かい合わせでデータ交換も可能にしている。

図１を参照して、流体解析支援システム１は、スキャナ３と、データ生成解析装置５と、支援装置７とを備える。スキャナ３は、紙地図或いは計画図面を読み取り可能な大型のスキャナである。データ生成解析装置５は、格子データ生成装置９と、数値計算による解析のためのシミュレーション装置１１とを備える。格子データ生成装置９は、入力部１３と、ＣＰＵ１５と、メモリ１７と、変換部１９と、出力部２１とを備える。ＣＰＵ１５は格子生成部として機能し、メモリ１７は格子データ記憶部として機能し、変換部１９は公共座標へ変換する機能を果たし、出力部２１は公共座標を表す公共座標データを出力する。シミュレーション装置１１は、ＣＰＵ２３と、メモリ２５と、抽出部２７と、出力部２９とを備える。ＣＰＵ２３は流体計算部として機能して温度、圧力、風速などの種々のデータを計算し、メモリ２５は流体データ記憶部として機能し、抽出部２７は風速データの取り出しの機能を果たし、出力部２９は風速データを数値計算結果として出力する。支援装置７は、具体的には例えば地理情報システム（ＧＩＳ）であり、公共座標データの入力を受け付ける公共座標入力部３１と、入力された公共座標データを記憶する公共座標記憶部３３と、数値計算結果としての風速データの入力を受け付ける風速データ入力部３５と、入力された風速データを記憶する風速データ記憶部３７と、記憶された公共座標データと記憶された風速データとを結合する空間情報結合部３９と、公共座標を基準にして空間情報等を重ね合わせる重ね合わせ部４０と、重ね合わせた結果を支援情報としてユーザに対して出力する出力部４１とを備える。

図３は図１に示した流体解析支援システムの処理の概要を説明するためのフロー図である。

ステップＳ１において、例えば図１のスキャナ３が用いられて、地形データ・ＧＩＳデータの変換・取込が行われる。ここで、地形データの形式は、紙図面でもよく、ＤＥＭデータなどでもよく、特に形式は問わないが、公共座標によって表されているデータが用いられる。

ステップＳ２において、図１の格子データ生成装置による格子生成が行われる。ここでの格子生成では、任意座標で表された格子データと公共座標で表された公共座標データが生成される。

図４は図１のスキャナが用いられて格子生成によって３次元データが構築されることを説明する図である。

図４を用いて上記のステップＳ１、Ｓ２の処理を具体的に説明すると、まず、公共座標で表された紙地図や計画図面の入手が行われ、スキャナ３によりスキャニングが行われる。次に、読み取られた情報に対して高さを付与して３次元化する。この３次元化には、図１の格子データ生成装置が、ユーザによりＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インターフェース）によって入力される設定に合わせて自動的に例えば５ｍ未満の詳細な地形メッシュの出力も可能にしている。

図５は公共座標データについてさらに説明するための図である。

図３のステップＳ２において生成される公共座標データは、格子節点上の公共座標を表すデータであり、その対象となる格子は図５（Ａ）に示した構造格子であっても図５（Ｂ）に示した非構造格子であってもよく、その他の格子であってもよい。図５（Ｂ）の格子節点については、例えば、丸で特定されるものは、経度：１３０．１１６８１１１ 緯度：３１．４１４９１６６７ 高度：３５ｍのように座標データで表される。

図３に戻って、ステップＳ３では、図１のシミュレーション装置１１によって数値計算による解析が行われる。この処理は、従来から行われている手法でよい。すなわち、特に公共座標を意識する必要はなく、任意座標で計算が行われればよく、任意座標で表された格子データが用いられてシミュレーションが実行されればよい。図１を用いて説明すると、具体的には、ＣＰＵ２３が流体計算部として数値計算を実行し、その計算結果である流体データがメモリ２５に記憶され、抽出部２７が風速データを抽出して出力部２９から出力される。

ステップＳ４では、支援装置７の一例としての地理情報システムが、公共座標データとシミュレーションによる計算結果とから格子節点上の風速分布などという支援情報を生成してユーザに対して出力する。これにより、ＣＦＤに公共座標を反映させて、地図上への重ね合わせが可能になる。図１では、空間情報結合部３９により結合された空間情報について重ね合わせ部４０が地図上への重ね合わせを行っており、その出力はユーザにとって総合的な判定を支援する情報として得られる。具体的には、全ての計算結果がＧＩＳの地図上に重ねて表示され、ユーザにとっては、例えば、「法規制、インフラ、環境情報との重ね合わせ分析」による判断に有用な支援情報が得られる。また、その重ね合わせは、プログラムによって自動化されており、その作業負担（時間、コスト）が大幅に軽減される。さらに、重ね合わせにおける位置精度は高く、重ね合わせにおけるズレも生じず、判断に必要とされる客観的な支援情報がユーザに提供される。

なお、ステップＳ５は、従来から行われている処理であり、任意座標による格子データと数値計算結果とにより格子節点上の風速分布などを可視化するステップであり、この処理は流体挙動の確認を行う段階で終了する処理である。

なお、上記では、図１に示したようにスキャナ３を用いて地形データ・ＧＩＳデータを取り込む前処理としたが、流体解析支援システムとしては必ずしもスキャナが必要ではなく、格子生成に必要なデータが読み込める状況であればよい。

図６は図７から図１５を用いてさらに具体的に処理を説明するためのフロー図である。

ステップＳＴ１では地図データの読み込みのために投影法の設定が行われ、ステップＳＴ２では地図データの読み込みが行われる。具体的には、市街地を例にすると、投影法の設定が行われ、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すような地図データの読み込みが行われる。他の例としては、図８（Ａ）に示すように地図の種類によって投影法がプリセットされている場合もあり、その場合にも図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すような地図（地形）データの読み込みが行われる。

なお、ステップＳＴ１の投影法の設定としては平面直角座標系、ＵＴＭなどが挙げられ、さらに測地系（ＷＧＳ８４、ＴＯＫＹＯなど）の設定も可能としている。また、ステップＳＴ２の地図データの読み込みについては、標高、建物形状、その他構造物形状（樹木など）を表す空間データ（５０ｍメッシュ標高データ或いは住宅地図など）が地図データとして読み込まれる。

次に、図６に戻って、ステップＳＴ３では格子生成パラーメータ設定が行われ、ステップＳＴ４では格子生成が行われる。ここで、パラーメータの設定はユーザがＧＵＩ（図１では入力部がこの機能を兼ねる）を用いて設定する。具体的には、市街地を例にすると、図９（Ａ）に示す画面により設定が行われ、図９（Ｂ）に示すように格子生成の範囲が確認されて、図９（Ｃ）に示すように格子が生成される。他の例としては、図１０（Ａ）に示すように水平方向の格子領域の設定が行われ、図１０（Ｂ）に示すように高さ方向の格子領域の設定が行われ、図１０（Ｃ）に示すように水平方向の集中度の設定が行われ、図１０（Ｄ）に示すように高さ方向の集中度の設定が行われ、図１１（Ａ）に示すように水平方向で回転角の指定が行われ、図１１（Ｂ）に示すような格子が生成される。ここで、回転角を指定しても後述のステップＳＴ７において重ね合わせを正確に行えることは、公共座標を用いることによる特徴の一つである。

なお、ステップＳＴ３の設定では、格子数、格子間隔（集中度）、回転角（方位）、格子範囲等が上記したように設定でき、ステップＳＴ４では指定条件に応じた格子生成を行うが、格子上が物体であるか或いは気体であるかの判定も行われる。

図６に戻って、ステップＳＴ５では格子データ（任意座標・公共座標）が出力される。具体的には、市街地を例にすると、図１２（Ａ）に示されるような格子データの出力処理画面による処理が行われ、他の例の地形データでは、図１２（Ｂ）に示されるような格子データの出力処理画面による処理が行われる。その結果、例えば図１３に示されるような公共座標データについてのファイルが得られる。丸で囲んだ部分には経度情報が示される。ステップＳＴ６ではシミュレーションによる数値計算が行われ、例えば図１４に示されるような計算結果を表すデータについてのファイルが得られる。ここでは風速ｘ成分、風速ｙ成分、風速ｚ成分のうち丸で囲まれた部分には風速ｘ成分の情報が示されている。ステップＳＴ７では、図１の空間情報結合部３９により計算結果と公共座標ファイルとの結びつけが行われる。図１３と図１４で説明すると、同一格子点の座標と計算結果とがペアとなり、同じ順序で並べられているのでその結びつけが行われる。

以上のような公共座標と計算結果情報との結びつけによるペアに対し、図１５に示す変換プログラム画面により変換パラーメータ設定等が行われて地図上の図形（点）とその属性情報の加工が行われる。そして、ＧＩＳデータの表示が図１５（Ｂ）に示すように行われ、各メッシュには図１５（Ｃ）のように属性情報が記録される。そして、図１６に示すような公共座標（経緯度）を有した情報であることから各種の地図情報との重ね合わせが可能になり、「シェーディング」、「コンター」、「３Ｄ」といった表示による可視化によるユーザに対する支援情報が提供される。

これらの処理が図１の重ね合わせ部４０により行われる。そして、公共座標が用いられているので、投影法が異なっても計算結果を地図上に重ねて表示でき、距離或いは座標の計測が正確に行え、他の地図情報（法規制など）或いは他の計算結果と正確に重ね合わせができる。また空間的な統計処理・解析が容易に行える。さらにＧＰＳなどで取得した現地調査データを重ねることもできる。そして、ユーザに対して、公共座標を用いたこのような重ね合わせが行われた支援情報が提供されることになる。よって、ユーザは、事業性評価、環境影響評価などの計画立案の支援情報を受け取ることができ、視覚的な合意形成を容易化させることができる。このような支援が必要な分野としては、風力開発の適地選定、ビル風の予測、汚染物質等のガス拡散（リスク管理）、環境調和型の地域計画（ヒートアイランド対策）、農地計画、森林計画などが挙げられる。特に、風車建設や環境アセスメント事業におけるＣＦＤ技術の適用では，風(流体)の挙動と他の様々なファクターとを統合し、総合的な視点で事業性を評価することが重要となる。さらには，地域住民など事業関係者に対して事業全体の評価結果をわかりやすく視覚的に提示していくことが、事業の効果的な合意形成に不可欠であり、公共座標を用いたＣＦＤとＧＩＳを連携することで、これらの課題の解決が可能となる。

なお、公共座標を用いたＣＦＤとＧＩＳとの連携についてさらに説明する。公共座標を用いたＣＦＤからＧＩＳへ計算結果を取り込ませることによるメリットは、「詳細な地図の上に解析結果を表示すること」、「他の空間要素と重ね合わせて総合的な解析が可能であること」、「ＧＩＳの可視化手法（鳥瞰図など）を適用して可視化できること」、「情報の共有と合意形成が可能であること」である。一方、ＧＩＳから公共座標を用いたＣＦＤへ地形データ（ＤＥＭ）を取り込ませることによるメリットは、「例えば国土地理院発行の５０ｍメッシュデータでは把握し難いような微細な地形或いは海外の地形に対応した風況解析を行える」、「ＧＩＳで用いられている地形データの活用（第１：紙地図から詳細３次元データの構築サービス（高精度・最新地形・比較的安価）、第２：近年発達・普及している新しい地形データの活用（レーザプロファイラ技術・無償データ））が可能であること」である。

また、上記実施の形態では、図３に示したように、公共座標データと格子データ（任意座標）を区別する形で示したが、必ずしも区別する必要はない。例えば、格子を作る際に、格子節点上には公共座標の情報のみを保持させておけば足りる。これにより数値計算の内部処理として、この公共座標データを空間距離に変換し、任意座標を作成することも可能であり、この場合には、公共座標を表す公共座標データが格子データの一部を形成することになる。したがって、本明細書上、格子データという表現には、任意座標により表されるもののほか、公共座標により表されるものが含まれる。

本発明の実施の形態にかかる流体解析支援システムの概略を示した図である。 図１のデータ生成解析装置の実際の写真を示した図である。 図１に示した流体解析支援システムの処理の概要を説明するためのフロー図である。 図１のスキャナが用いられて格子生成によって３次元データが構築されることを説明する図である。 公共座標データについてさらに説明するための図である。 図７から図１５を用いてさらに具体的に処理を説明するためのフロー図である。 市街地を例にした投影法の設定と地図データの読み込みの状態を示した図である。 地形データを他の例とした地図の種類によって投影法がプリセットされている場合と地図（地形）データの読み込みの状態を示した図である。 市街地を例にしたパラーメータの設定画面と格子生成範囲の確認と格子が生成される状態を示した図である。 地形データを他の例として、水平方向の格子領域の設定、高さ方向の格子領域の設定、水平方向の集中度の設定、高さ方向の集中度の設定が行われる状態を示した図である。 図１０の設定に加えて、水平方向で回転角の指定により格子が生成される状態を示した図である。 市街地を例にした格子データの出力処理画面による処理と、地形データを他の例にした格子データの出力処理画面による処理を示した図である。 公共座標データについてのファイルの一例を示した図である。 シミュレーションによる計算結果を表すデータについてのファイルの一例を示した図である。 変換プログラム画面により変換パラーメータ設定等が行われて地図上の図形（点）とその属性情報の加工が行われる状態を示した図ある。 公共座標（経緯度）を有した情報による可視化されたユーザに対する支援情報の例を示した図である。

符号の説明

１ 流体解析支援システム

Claims (3)

1. 流体を解析してユーザに対して支援情報を提供する流体解析支援システムであって、
   流体が流れる空間の地図情報に基づいて少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データを生成する格子データ生成手段と、
   前記生成された格子データに基づいて解析されるべき流体に対して数値計算によるシミュレーションを実行する数値解析手段と、
   前記生成された公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データと前記数値解析手段によって得られる数値解析結果とを関連付け、ユーザの判断における支援となり得る支援情報を生成する支援情報生成手段とを備えた、流体解析支援システム。
2. 請求項１記載の支援情報生成手段を装置としてその動作を実行させるプログラム。
3. 請求項１記載の格子データ生成手段により流体が流れる空間の地図情報に基づいて少なくとも公共座標を表す公共座標データに関連付けられた格子節点を表す格子データを生成するステップを含む格子データ生成方法をコンピュータに実行させるプログラム。