JP5556686B2

JP5556686B2 - 計算装置

Info

Publication number: JP5556686B2
Application number: JP2011017899A
Authority: JP
Inventors: 裕人横内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: JP2012159344A

Description

本発明は、気象データに基づいて物体の移動を予測計算する計算装置に関する。

近年の計算機シミュレーション技術の発達により、風象データ、海象データ等の気象データを用いて、海上物体（例えば漂流船や漂流者）の移動軌跡を予測する偏流計算が行われている。この種の偏流計算では、予測精度や計算時間に影響する要素として、シミュレーション論理時刻の刻み幅が挙げられる。刻み幅の大きさによっては、シミュレーションの精度、実行時間が大きく変化する。従来の偏流計算では、論理時刻の刻み幅は固定となっており、移動開始時の気象データに基づいて、物体の偏流計算が行われていた（非特許文献１参照）。

"U.S. Coast Guard Addendum to the United States National Search and Rescue Supplement (NSS)", COMDTINST M16130.2D (2004), Page H-63

従来の偏流計算では、論理時刻の刻み幅が大きい場合に、シミュレーションの実行時間は短くなるが、高い予測精度で計算することができないという問題が生じる。これは、偏流計算を行うべき対象地形をメッシュに分け、気象データ（風速、潮流など）を、各メッシュ位置における大きさと向きからなるベクトルで表現していたため、気象データが大きい（例えば論理時刻の刻み幅当たりの物体の移動が複数のメッシュ間を跨る程、風速が大きくなる）領域では、物体の移動開始位置におけるメッシュの気象データを用いて物体の偏流による移動を計算すると、次の論理時刻の刻み幅での計算時に用いるメッシュの気象データとの間で、参照されないメッシュの気象データが生じてしまうことによる。また、物体の偏流による移動を精度よく計算実行するために、論理時刻の刻み幅を小さくすると、気象データが小さい領域では、移動開始時における気象データを用い同様の計算を何度も繰り返すこととなり、計算リソースに無駄が生じるとともに、計算に長時間を要していた。すなわち、論理時刻の刻み幅を固定した場合、物体の移動が気象データの変化率（速度、方向の変化）に対応できなくなり、計算精度が悪くなる、または計算時間が長くなるという問題があった。

本発明は係る課題を解決するためのものであり、偏流計算の計算処理能力をより最適化することを目的とする。

本発明による計算装置は、物体の偏流計算を実行する論理時刻における気象データを取得し、気象データに基づいて複数のメッシュに分割したエリアにおける物体の通過が予想されるメッシュのメッシュ数を試算する通過メッシュ数の試算部と、上記通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値以下の場合は論理時刻の刻み幅を可変とし、通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値より大きい場合は論理時刻の刻み幅を固定値とする決定を行う論理時刻の刻み幅の決定部と、上記論理時刻の刻み幅決定部によって決定された論理時刻の刻み幅が可変の場合は論理時刻の刻み幅を計算し、計算されたもしくは固定値の論理時刻の刻み幅を用いて移動後の物体の位置と論理時刻を計算するとともに、論理時刻が計算終了時刻を越えた場合に偏流計算を終了し、論理時刻が計算終了時刻を越えない場合は再度繰り返し計算を行う偏流計算部と、を備えたものである。

本発明による計算装置によれば、実際の計算を開始する前に、論理時刻の刻み幅を固定とするか可変とするかを試算することで、可変が選択された場合は計算時間を必要以上にかけることなく計算結果の精度を向上させることができるとともに、計算時間の上限値を超える場合は論理時刻の刻み幅を固定とすることで、時間制限がある場合には制限時間内に計算を完了することができる、という効果を奏する。

本発明に係る実施の形態１による計算装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態１による偏流計算の処理フローを示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態１による通過メッシュ数の試算フローを示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態１による物体の移動ベクトルと通過メッシュの考え方を表した図である。本発明に係る実施の形態１による論理時刻の刻み幅を求める際の物体とメッシュの位置を表した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による計算装置の構成を示す図である。図において、実施の形態１の計算装置は、偏流計算部１０１と、論理時刻の刻み幅の決定部１０２と、通過メッシュ数の試算部１０３から構成される。偏流計算部１０１は、気象データベース１０４から入力される気象データに基づいて、物体の偏流計算処理を行う。通過メッシュ数の試算部１０２は、気象データベース１０４から入力される気象データに基づいて、通過メッシュ数の試算を行う。論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、シミュレーション論理時刻の刻み幅を決定する。

気象データベース１０４を構成する気象データは、メモリ及びファイル上に展開されて、偏流計算装置上に保持される。気象データは、風象データ、海象データ等から構成され、偏流計算部１０１及び通過メッシュ数の試算部１０２において使用される。通過メッシュ数の試算部１０２は、計算した通過メッシュ数をメモリ上に展開して、偏流計算装置上に保持するとともに、計算した通過メッシュ数を論理時刻の刻み幅の決定部１０３に入力する。論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、通過メッシュ数の試算部１０２から入力された通過メッシュ数を用いて論理時刻の刻み幅を算出し、算出した論理時刻の刻み幅を偏流計算部１０１に入力する。

次に、計算装置の動作について説明する。図２は、偏流計算の処理フローを示すフローチャートである。
図において、論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、計算開始時点で論理時刻に０が入力される（ステップＳ１）。
次いで、通過メッシュ数の試算部１０２は、偏流計算を実行する時刻における気象データを取得し、それより通過メッシュ数の試算を行う（ステップＳ２）。

試算された通過メッシュ数は、論理時刻の刻み幅の決定部１０３に入力される。論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、入力された通過メッシュ数と予め設定された基準値とを比較する（ステップＳ３）。
この比較の結果、通過メッシュ数が基準値以下の場合は、論理時刻の刻み幅は可変とする（ステップＳ４）。
また、比較の結果、通過メッシュ数が予め設定されている基準値より大きい場合は、論理時刻の刻み幅を固定値とする（ステップＳ５）。
なお、論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、論理時刻の刻み幅の判断結果を、偏流計算部１０１に出力する。

続いて、偏流計算部１０１は、気象データを用いて偏流による移動ベクトルの計算を実行する（ステップＳ６）。
ここで、論理時刻の刻み幅の決定部１０３から入力される論理時刻の刻み幅の判断結果に従い、論理時刻の刻み幅が可変か否かの確認が行われる（ステップＳ７）。
この確認の結果、論理時刻の刻み幅が可変の場合は、移動ベクトルに基づいて論理時刻の刻み幅を計算し、論理時刻の刻み幅が固定値の場合はその固定値を用いる（ステップＳ８）。
次に、偏流計算部１０１は、計算した移動ベクトル及び計算したもしくは固定値の論理時刻の刻み幅を用いて、次の数１式に示す通り、移動後の物体の位置と論理時刻を計算する（ステップＳ９）。

さらに、ステップＳ９にて移動後の物体の位置と論理時刻が計算された後、計算された論理時刻が計算終了時刻を越えたか否かが判定される（ステップＳ１０）。
論理時刻が計算終了時刻を越えた場合は、そこで偏流計算を終了する。

また、論理時刻が計算終了時刻を越えない場合は、気象データが更新されたか否かが確認される（ステップＳ５０）。

ここで、気象データが更新された場合は、更新された気象データを取得してから、再度、通過メッシュ数の試算部１０２によるステップＳ２の処理に移行し、通過メッシュ数の試算処理を実行する。

また、気象データが更新されない場合は、気象データの取得を行ってから、再度、ステップＳ６に戻り、偏流計算部１０１にて、気象データを用いた偏流による移動ベクトルの計算の実行処理が行われる。

次に、通過メッシュ数の試算部１０２における通過メッシュ数の試算処理について詳細を説明する。図３は、通過メッシュ数の試算フローを示すフローチャートである。
図において、通過メッシュ数として、最初に０が入力される（ステップＳ１１）。
次に、物体が存在するメッシュの気象データを用い、物体が偏流する際の移動ベクトルを計算する（ステップＳ１２）。

ここで、移動ベクトルの絶対値よりメッシュの通過にかかる時間ｔ_１を計算する（ステップＳ１３）。
この通過メッシュ数の試算においては、メッシュの端から端までをメッシュに平行に直線的に通過する時間を、メッシュの通過にかかる時間ｔ_１として計算する。
移動ベクトルを(ｕ、ｖ)、メッシュの一辺の長さをＬとしたとき、メッシュの通過にかかる時間は、次の数２式のとおりとなる。

また、移動ベクトルの向きより、当該メッシュ通過後に物体が存在するメッシュを求める（ステップＳ１４）。

次に、論理時刻にｔ_１を加え、通過メッシュ数に今回通過するメッシュ数を加える（ステップＳ１５）。
ここで、加算後の論理時刻が計算終了時刻を越えた否かを判断し（ステップＳ１６）、超えた場合は、計算処理を終了する。

図４は、ステップＳ１４、１５における、物体の移動ベクトルの方向に基づく通過メッシュの求め方を説明する図であり、（ａ−１）は移動ベクトルの方向の区分け方を示し、（ａ−２）は移動ベクトルの方向の区分けと次に進むメッシュの位置との関係とを示す。

図４（ａ−１）に示すとおり、３６０度の全方位を８等分し８つの区分に分け、移動ベクトルの向きがどの区分に該当するかにより、次に進むメッシュの位置を判定する。
図４（ａ−２）において、例えば移動ベクトルの向きが区分１の間にある場合は、次にメッシュ９に進むこととし、区分２の間にある場合はメッシュ９又はメッシュ１１を通過し、メッシュ１０に進むこととする。
他も同様であり、区分２、４、６及び８のように斜めのメッシュに進む場合は、メッシュ１７に上下左右隣接するメッシュを通過してから斜めのメッシュに進むこととする。

すなわち、区分１、３、５及び７の場合は上下左右隣接するメッシュに進むこととし、今回通過するメッシュ数は１とする。
また、区分２、４、６及び８に移動ベクトルの向きが向いた場合には、今回通過するメッシュ数は２とする。

このように取り決めることで、例えば、移動ベクトルの方向を８等分した際の北方向の区分１にある場合は最終的に進むメッシュが９となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の北東方向の区分２にある場合は最終的に進むメッシュが１０となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の東方向の区分３にある場合は最終的に進むメッシュが１１となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の南東方向の区分４にある場合は最終的に進むメッシュが１２となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の南方向の区分５にある場合は最終的に進むメッシュが１３となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の南西方向の区分６にある場合は最終的に進むメッシュが１４となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の西方向の区分７にある場合は最終的に進むメッシュが１５となる。移動ベクトルの方向を８等分した際の北西方向の区分８にある場合は最終的に進むメッシュが１６となる。

次に、論理時刻の刻み幅の決定部１０３のステップＳ８の処理において、論理時刻の刻み幅を可変とした場合の、論理時刻の刻み幅の試算処理について詳細を説明する。論理時刻の刻み幅の決定部１０３は、気象データに基づいて物体が存在するメッシュにおける移動ベクトルを計算し、移動ベクトルとメッシュの形状データから論理時刻の刻み幅を求める。
図５は、論理時刻の刻み幅を可変とした場合の、物体とメッシュとの位置関係を示すものである。図５において、北端１８、東端１９、南端２０、西端２１で囲まれるメッシュにおいて、物体２２が、メッシュの西端２１における北端１８寄りに位置している場合を考える。この場合、物体が隣接する次のメッシュの端部（南端２０）に到達するまでの距離Ｍと物体２２の移動ベクトル２３の大きさＶを用いて、次の数３式から、論理時刻の刻み幅Δｔを求めることができる。物体が隣接する次のメッシュの端部に到達するまでの距離Ｍは、物体２２の現在位置を基点として、物体２２の移動ベクトル２３の延長線がメッシュの端部と交わる位置を、メッシュの形状データから幾何学的に求めることで算出する。

また、物体の移動ベクトルと位置を２次元座標で表し、図５で説明した論理時刻の刻み幅を求める関係式を、メッシュの形状データを用いたより簡便な論理式で表現してもよい。ここで、物体の移動ベクトルを（ｕ、ｖ）、物体の位置を（ｘ_０、ｙ_０）、メッシュの北端をＹ_Ｎ、南端をＹ_Ｓ、東端をＸ_Ｅ、西端をＸ_Ｗとしたとき、論理時刻の刻み幅は、次の数３式によって求められる。

以上説明した通り、実施の形態１による計算装置は、物体の偏流計算を実行する論理時刻における気象データを取得し、気象データに基づいて複数のメッシュに分割したエリアにおける物体の通過が予想されるメッシュのメッシュ数を試算する通過メッシュ数の試算部１０３と、上記通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値以下の場合は論理時刻の刻み幅を可変とし、通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値より大きい場合は論理時刻の刻み幅を固定値とする決定を行う論理時刻の刻み幅の決定部１０２と、上記論理時刻の刻み幅決定部によって決定された論理時刻の刻み幅が可変の場合は論理時刻の刻み幅を計算し、計算されたもしくは固定値の論理時刻の刻み幅を用いて移動後の物体の位置と論理時刻を計算するとともに、論理時刻が計算終了時刻を越えた場合に偏流計算を終了し、論理時刻が計算終了時刻を越えない場合は再度繰り返し計算を行う偏流計算部１０１と、を備えたことを特徴とする。

これによって、計算時間の上限を設けながら、条件を満足すれば計算精度を高めることが可能となる。

また、通過メッシュ数の試算部１０３は、気象データに基づいて物体が存在するメッシュにおける移動ベクトルを計算し、移動ベクトルとメッシュの大きさからメッシュの通過にかかる時間を求め、得られたメッシュの通過にかかる時間から通過メッシュ数を試算する。

これによって、通過メッシュ数の試算する際、計算負荷を抑えつつ通過メッシュ数の試算を行うことが可能となる。

なお、実施の形態１の計算装置は、海上における漂流者の捜索をする際に、風や海流による漂流者の偏流の予測計算に、利用することができる。

１０１偏流計算部、１０２論理時刻の刻み幅の決定部、１０３通過メッシュ数の試算部１０３、１０４気象データベース。

Claims

物体の偏流計算を実行する論理時刻における気象データを取得し、気象データに基づいて、複数のメッシュに分割したエリアにおける物体の通過が予想されるメッシュのメッシュ数を試算する通過メッシュ数の試算部と、
上記通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値以下の場合は論理時刻の刻み幅を可変とし、通過メッシュ数試算部によって試算された通過メッシュ数が予め設定された基準値より大きい場合は論理時刻の刻み幅を固定値とする決定を行う論理時刻の刻み幅の決定部と、
上記論理時刻の刻み幅決定部によって決定された論理時刻の刻み幅が可変の場合は論理時刻の刻み幅を計算し、計算されたもしくは固定値の論理時刻の刻み幅を用いて移動後の物体の位置と論理時刻を計算するとともに、論理時刻が計算終了時刻を越えた場合に偏流計算を終了し、論理時刻が計算終了時刻を越えない場合は再度繰り返し計算を行う偏流計算部と、
を備えた計算装置。
通過メッシュ数の試算部は、気象データに基づいて物体が存在するメッシュにおける移動ベクトルを計算し、移動ベクトルとメッシュの大きさからメッシュの通過にかかる時間を求め、得られたメッシュの通過にかかる時間から通過メッシュ数を試算することを特徴とした請求項１に記載の計算装置。
論理時刻の刻み幅の決定部は、気象データに基づいて物体が存在するメッシュにおける移動ベクトルを計算し、移動ベクトルとメッシュの形状データから論理時刻の刻み幅を求めることを特徴とした請求項１または請求項２に記載の計算装置。