(57)【要約】【課題】移動体の前部形状にさらなる改良の余地があるか否かを定量的に評価することができる移動体の前部形状評価装置とその前部形状評価プログラムを提供する。【解決手段】前部形状評価装置４は、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能を評価する。評価指標値演算部５は、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとに基づいて、評価指標値ηを演算する。前部形状評価部６は、列車先頭部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値ηに基づいて、評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を評価する。前部形状評価部６は、例えば、評価指標値ηが１に近い値であるときには評価対象の列車先頭部形状にこれ以上の改良の余地はないと評価する。【選択図】図２
2018070022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象移動体の前部形状による微気圧波の低減性能を評価する移動体の前部形状評価装置であって、
移動体の前部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値に基づいて、前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する前部形状評価部を備えること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算部を備え、
前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項３】
請求項２に記載の移動体の前部形状評価装置において、
前記評価指標値演算部は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を前記評価指標値として演算すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項４】
請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、
圧縮波の圧力上昇量を圧縮波の圧力勾配最大値で除算した値を特性時間と定義したときに、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間と、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間、この評価対象移動体の前部長さ及び速度とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算部を備え、
前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項５】
請求項４に記載の移動体の前部形状評価装置において、
前記評価指標値演算部は、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間から、前記前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間を減算した特性時間を、この評価対象移動体の前部長さを速度で除した値で除算した値を前記評価指標値として演算すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項６】
請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算部を備え、
前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項７】
請求項６に記載の移動体の前部形状評価装置において、
前記評価指標値演算部は、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を効率と定義し、
前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を臨界効率と定義したときに、
前記効率から前記臨界効率を減算した値を、１から前記臨界効率を減算した値で除算した値を前記評価指標値として演算すること、
を特徴とする移動体の前部形状評価装置。
【請求項８】
評価対象移動体の前部形状による微気圧波の低減性能を評価するための移動体の前部形状評価プログラムであって、
移動体の前部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値に基づいて、前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する前部形状評価手順をコンピュータに実行させること、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算手順を含み、
前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
前記評価指標値演算手順は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を前記評価指標値として演算する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項１１】
請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
圧縮波の圧力上昇量を圧縮波の圧力勾配最大値で除算した値を特性時間と定義したときに、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間と、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間、この評価対象移動体の前部長さ及び速度とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算手順を含み、
前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
前記評価指標値演算手順は、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間から、前記前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間を減算した特性時間を、この評価対象移動体の前部長さを速度で除した値で除算した値を前記評価指標値として演算する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項１３】
請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値とに基づいて、前記評価指標値を演算する評価指標値演算手順を含み、
前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、
前記評価指標値演算手順は、
前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を効率と定義し、
前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比を臨界効率と定義したときに、
前記効率から前記臨界効率を減算した値を、１から前記臨界効率を減算した値で除算した値を前記評価指標値として演算する手順を含むこと、
を特徴とする移動体の前部形状評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、評価対象移動体の前部形状による微気圧波の低減性能を評価する移動体の前部形状評価装置とその前部形状評価プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
列車が高速でトンネル内に突入するとトンネル内に圧縮波が生じる。この圧縮波は音速でトンネル内を伝搬し、出口で開口端反射する。この反射の際にトンネル外に放射されるパルス状の圧力波のことをトンネル微気圧波あるいは単に微気圧波と呼ぶ。微気圧波は、発破音や家屋の振動・ガタツキに騒音などの原因となるため対策を講じる必要がある。微気圧波は、トンネル出口に到着した圧縮波の圧力勾配（圧縮波の時間変化率）の最大値にほぼ比例するため、圧縮波の形成時間を長くして圧力勾配をなだらかにする対策が有効となる。実際の新幹線（登録商標）では列車先頭部の延伸・最適化や緩衝工の設置・延伸などの対策が行われている。
【０００３】
このうち列車先頭部形状の最適化に際しては、非線形計画法や遺伝的アルゴリズムなどの最適化アルゴリズムを使用し、ある長さにおいて発見された形状が所望の性能を得られなければ、さらに先頭部を少し延伸し、再度最適形状を探索するということを繰り返し、必要な性能を持つ形状と長さを決定してきた。従来の鉄道先頭車両用車体は、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積増加領域を備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の鉄道先頭車両用車体では、数値流体力学（Computational Fluid Dynamics(CFD))と最適化設計手法（例えば、遺伝的アルゴリズムなど）とを組み合わせて、数値的に微気圧波が低減可能な最適な先頭形状（最適断面積分布）を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-066887号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の鉄道先頭車両用車体では、どのようなアルゴリズムを使用しても、得られる最適化形状は、与えられた探索範囲の中での最適値であり、探索範囲の変更や拡大によって、さらに性能の高い形状が見つかる場合もある。先頭部の延伸か探索範囲の変更かを判断するためには、「最適化の程度」がわかればよいが、この「最適化の程度」を評価する方法はこれまでなかった。これまでは、(1) 車両断面積が小さいほど、先頭部が長いほど低減効果が大きい。(2) 先頭部の長さが同じであれば、先頭が鈍い形状のほうが、先端が鋭い形状よりも低減効果が高い。(3) 先頭部の断面積変化率が一定で小さいことが微気圧波低減に有利であるなどの定性的な知見により経験的な判断が行われてきた。
【０００６】
この発明の課題は、移動体の前部形状にさらなる改良の余地があるか否かを定量的に評価することができる移動体の前部形状評価装置とその前部形状評価プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図２に示すように、評価対象移動体の前部形状による微気圧波の低減性能を評価する移動体の前部形状評価装置であって、移動体の前部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値（η；ｅ）に基づいて、前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する前部形状評価部（６）を備えることを特徴とする移動体の前部形状評価装置（４）である。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max）と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max,opt）とに基づいて、前記評価指標値（η）を演算する評価指標値演算部（５）を備え、前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の移動体の前部形状評価装置において、前記評価指標値演算部は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max）を前記評価指標値として演算することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、圧縮波の圧力上昇量（ΔｐH）を圧縮波の圧力勾配最大値で除算した値を特性時間と定義したときに、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間（Δｔ0）と、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間（Δｔ）、この評価対象移動体の前部長さ（ｌn）及び速度（Ｕ）とに基づいて、前記評価指標値（ｅ）を演算する評価指標値演算部（５）を備え、前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項４に記載の移動体の前部形状評価装置において、前記評価指標値演算部は、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間から、前記前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間を減算した特性時間（Δｔ−Δｔ0）を、この評価対象移動体の前部長さを速度で除した値（ｌn /Ｕ）で除算した値（Ｕ（Δｔ−Δｔ0）/ｌn）を前記評価指標値として演算することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１に記載の移動体の前部形状評価装置において、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max）と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max,opt）と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max,0）とに基づいて、前記評価指標値（ｅ）を演算する評価指標値演算部（５）を備え、前記前部形状評価部は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項６に記載の移動体の前部形状評価装置において、前記評価指標値演算部は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max）を効率（η）と定義し、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比 ((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max,0）を臨界効率（ηcri）と定義したときに、前記効率から前記臨界効率を減算した値を、１から前記臨界効率を減算した値で除算した値((η−ηcri）/（１−ηcri))を前記評価指標値として演算することを特徴とする移動体の前部形状評価装置である。
【００１４】
請求項８の発明は、図２及び図３に示すように、評価対象移動体の前部形状による微気圧波の低減性能を評価するための移動体の前部形状評価プログラムであって、移動体の前部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値（η；ｅ）に基づいて、前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する前部形状評価手順（Ｓ１２０）をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max）と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max,opt）とに基づいて、前記評価指標値（η）を演算する評価指標値演算手順（Ｓ１１０）を含み、前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むことを特徴としている移動体の前部形状評価プログラムである。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、前記評価指標値演算手順は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max）を前記評価指標値として演算する手順を含むことを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、圧縮波の圧力上昇量（ΔｐH）を圧縮波の圧力勾配最大値で除算した値を特性時間と定義したときに、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間（Δｔ0）と、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間（Δｔ）、この評価対象移動体の前部長さ（ｌn）及び速度（Ｕ）とに基づいて、前記評価指標値（ｅ）を演算する評価指標値演算手順（Ｓ１１０）を含み、前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むことを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、前記評価指標値演算手順は、前記評価対象移動体による圧縮波の特性時間から、前記前部長さがゼロの移動体による圧縮波の特性時間を減算した特性時間（Δｔ−Δｔ0）を、この評価対象移動体の前部長さを速度で除した値（ｌn /Ｕ）で除算した値（Ｕ（Δｔ−Δｔ0）/ｌn）を前記評価指標値として演算する手順を含むことを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【００１９】
請求項１３の発明は、請求項８に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max）と、音響理論によって明らかにした最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値（(∂ｐ/∂ｔ)max,opt）と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値((∂ｐ/∂ｔ)max,0）とに基づいて、前記評価指標値（ｅ）を演算する評価指標値演算手順（Ｓ１１０）を含み、前記前部形状評価手順は、前記評価指標値に基づいて前記評価対象移動体の前部形状の改良の余地の有無を評価する手順を含むことを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【００２０】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の移動体の前部形状評価プログラムにおいて、前記評価指標値演算手順は、前記評価対象移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max）を効率（η）と定義し、前記最適移動体による圧縮波の圧力勾配最大値と、前部長さがゼロの移動体による圧縮波の圧力勾配最大値との比((∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)max,0）を臨界効率（ηcri）と定義したときに、前記効率から前記臨界効率を減算した値を、１から前記臨界効率を減算した値で除算した値((η−ηcri）/（１−ηcri))を前記評価指標値として演算する手順を含むことを特徴とする移動体の前部形状評価プログラムである。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によると、移動体の前部形状にさらなる改良の余地があるか否かを定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１実施形態に係る移動体の前部形状評価装置が適用される移動体を模式的に示す概念図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る移動体の前部形状評価装置の構成図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る移動体の前部形状評価装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】移動体の前部形状が異なる場合の圧力勾配波形を一例として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１に示す列車１は、軌道２に沿って移動する移動体である。列車１は、例えば、300km/h以上の高速で新幹線を走行する鉄道車両を編成した新幹線列車などである。列車１は、この列車１の先頭車両の前部を構成する列車先頭部１ａと、この列車１の交尾車両の後部を構成する列車後尾部１ｂとを備えている。列車１は、長い流線形の列車先頭部１ａ及び列車後尾部１ｂを備えており、空気抵抗及び微気圧波の低減を図るために列車先頭部１ａ及び列車後尾部１ｂが所定の形状に形成されている。
【００２４】
軌道２は、列車１が走行する通路（移動経路）である。軌道２は、図１に示すように、二本の本線で構成された複線であり、上り本線となる線路２ａと、下り本線となる線路２ｂとを備えている。トンネル３は、列車１が通過する構造物である。トンネル３は、例えば、山腹などの地中を貫通して列車１を通過させる。トンネル３は、列車１が突入及び退出する出入口となるトンネル坑口（構造物出入口）３ａ，３ｂなどを備えている。
【００２５】
図２に示す前部形状評価装置４は、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能を評価する装置である。前部形状評価装置４は、例えば、非線形計画法若しくは遺伝的アルゴリズムなどの最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって列車先頭部形状を決定したときに、決定後の列車先頭部形状にさらなる改良の余地があるか否かを評価する。ここで、微気圧波とは、図１に示す列車１がトンネル坑口３ａからトンネル３内に突入したときに、反対側のトンネル坑口３ｂから外部に放射されるパルス状の圧力波である。圧縮波とは、列車１がトンネル３内に突入したときに、このトンネル３内で発生して反対側のトンネル坑口３ｂに向かって伝搬しこの反対側のトンネル坑口３ｂに到達する圧力波である。微気圧波は、トンネル微気圧波とも呼ばれ、破裂音を発生させたりトンネル坑口３ｂの周囲の家屋の建具をがたつかせたりなどの環境問題を引き起こすことがある。列車先頭部形状とは、列車１の中心線を含む垂直な平面でこの列車１を切断したときの列車先頭部１ａの断面形状でありこの列車１の前部形状である。評価対象の列車先頭部形状とは、最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって決定された列車先頭部形状であり、前部形状評価装置４によってさらなる改良の余地があるか否かが評価される列車先頭部形状である。前部形状評価装置４は、例えば、パーソナルコンピュータなどによって構成されており、前部形状評価プログラムに従って所定の処理を実行する。前部形状評価装置４は、図２に示すように、評価指標値演算部５と、前部形状評価部６と、評価条件設定部７と、情報記憶部８と、表示部９と、制御部１０などを備えている。
【００２６】
評価指標値演算部５は、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとに基づいて、評価指標値ηを演算する手段である。ここで、最適な列車先頭部形状とは、流体力学的に理想化した極限状態における列車先頭部形状であり、音響理論によってこれ以上最適な形状が存在しないとされる理論的に最適であると考えられる列車先頭部形状である。評価指標値ηとは、列車先頭部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる値である。評価指標値演算部５は、演算後の評価指標値ηを評価指標値信号（評価指標値情報）として制御部１０に出力する。
【００２７】
音響理論によると、列車１のトンネル３への突入による圧縮波の波形は、単位応答と列車先頭部１ａの断面積変化率との畳み込み積分で計算される。単位応答は、列車先頭部１ａの長さがゼロの列車による圧縮波の無次元圧力勾配波形である。この単位応答を三角波で近似した簡単な考察から、最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optは、以下の数１に示す程度となる。
【００２８】
【数１】
2018070022.tif 000003
【００２９】
【数２】
2018070022.tif 000004
【００３０】
ここで、数１及び数２に示すＵ：列車速度、Ｍ：列車マッハ数（＝Ｕ/ｃ)、Ｒ：ブロックゲージ比（＝Ａt/Ａ0)、Ａt：列車の最大断面積、Ａ0：トンネル断面積、ｌn：先頭部長さ、ρ：空気密度、ｃ：音速、ｒ0：トンネル半径、Ｗmax：単位応答の最大値である。評価指標値（列車先頭部の効率）ηは、これらの数１及び数２を用いることによって、以下の数３に示すように定義される。
【００３１】
【数３】
2018070022.tif 000005
【００３２】
評価指標値演算部５は、数３に示すように、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとの比(∂ｐ/∂ｔ)max,opt/(∂ｐ/∂ｔ)maxを評価指標値ηとして演算する。ここで、評価指標値ηは、０＜(∂ｐ/∂ｔ)max,opt＜(∂ｐ/∂ｔ)maxを満たすので０＜η＜１となる。評価指標値ηが１に近い場合はそれ以上の性能向上が難しいことを示す。
【００３３】
前部形状評価部６は、列車先頭部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値ηに基づいて、評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を評価する手段である。前部形状評価部６は、最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって列車先頭部形状を決定したときに、決定後の列車先頭部形状にさらなる改良の余地があるか否かを評価指標値ηに基づいて判定する。前部形状評価部６は、評価指標値ηに基づいて評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を評価する。前部形状評価部６は、列車先頭部形状の最適化の程度を評価指標値ηによって評価するとともに、列車先頭部形状の最適化の余地を評価指標値ηによって評価する。前部形状評価部６は、例えば、数３に示す評価指標値ηが１に近い値であるか否かを判定する。前部形状評価部６は、評価指標値ηが１に近い値であるときには評価対象の列車先頭部形状にこれ以上の改良の余地はないと評価する。一方、前部形状評価部６は、評価指標値ηが１から遠い値（０に近い値）であるときには評価対象の列車先頭部形状にまだ改良の余地があると評価する。前部形状評価部６は、評価対象の列車先頭部形状に改良の余地があるか否かの評価結果を前部形状評価信号（前部形状評価情報）として制御部１０に出力する。
【００３４】
評価条件設定部７は、評価対象の列車先頭部形状の評価に必要な条件を設定する手段である。評価条件設定部７は、最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optの演算に必要な列車速度Ｕ、列車マッハ数Ｍ、ブロックゲージ比Ｒ、列車の最大断面積Ａt、トンネル断面積Ａ0、先頭部長さｌn、空気密度ρ、音速ｃ、トンネル半径ｒ0、単位応答の最大値Ｗmaxなどに関する情報を評価条件情報として設定する。また、評価条件設定部７は、最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって決定された評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxなどに関する情報を評価条件情報として設定する。評価条件設定部７は、例えば、使用者の手動操作によって評価条件情報を入力する入力装置又は補助入力装置などである。評価条件設定部７は、設定後の評価条件を評価条件信号（評価条件情報）として制御部１０に出力する。
【００３５】
情報記憶部８は、列車先頭部形状の評価に必要な種々の情報を記憶する手段である。情報記憶部８は、例えば、評価指標値情報、前部形状評価情報、評価条件情報及び前部形状評価プログラムなどを記憶するメモリなどである。情報記憶部８は、図２に示すように、評価指標値情報記憶部８ａと、前部形状評価情報記憶部８ｂと、評価条件情報記憶部８ｃと、前部形状評価プログラム記憶部８ｄなどを備えている。
【００３６】
評価指標値情報記憶部８ａは、評価指標値ηを評価指標値情報として記憶する部分である。評価指標値情報記憶部８ａは、評価指標値演算部５が出力する評価指標値情報を評価対象の列車先頭部形状毎に記憶する。前部形状評価情報記憶部８ｂは、評価対象の列車先頭部形状の評価結果を前部形状評価情報として記憶する部分である。前部形状評価情報記憶部８ｂは、前部形状評価部６が出力する前部形状評価情報を評価対象の列車先頭部形状毎に記憶する。評価条件情報記憶部８ｃは、評価対象の列車先頭部形状の評価に必要な条件を評価条件情報として記憶する部分である、評価条件情報記憶部８ｃは、評価条件設定部７が出力する評価条件情報を評価対象の列車先頭部形状毎に記憶する。前部形状評価プログラム記憶部８ｄは、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能を評価する前部形状評価プログラムを記憶する部分である。前部形状評価プログラム記憶部８ｄは、情報記録媒体から読み取った前部形状評価プログラム、又は電気通信回線を通じて取り込まれた前部形状評価プログラムなどを記憶する。
【００３７】
表示部９は、種々の情報を表示する手段である。表示部９は、評価対象の列車先頭部形状に改良の余地があるか否かの評価結果などを画面上に表示する表示装置である。表示部９は、例えば、評価対象の列車先頭部形状にどの程度の改良の余地があるかを容易に認識可能なように、この評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能を百分率などで表示する。
【００３８】
制御部１０は、前部形状評価装置４に関する種々の動作を制御する中央処理部（CPU）である。制御部１０は、前部形状評価プログラム記憶部８ｄから前部形状評価プログラムを読み出してこの前部形状評価プログラムに従って所定の評価処理を実行する。制御部１０は、例えば、評価条件設定部７が出力する評価条件情報を評価条件情報記憶部８ｃに出力したり、評価条件情報の記憶を評価条件情報記憶部８ｃに指令したり、評価条件情報記憶部８ｃから評価条件情報を読み出して評価指標値演算部５に出力したり、評価指標値演算部５に評価指標値ηの演算を指令したり、評価指標値演算部５が出力する評価指標値情報を評価指標値情報記憶部８ａに出力したり、評価指標値情報の記憶を評価指標値情報記憶部８ａに指令したり、評価指標値情報記憶部８ａから評価指標値情報を読み出してこの評価指標値情報を前部形状評価部６に出力したり、評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無の評価を前部形状評価部６に指令したり、前部形状評価部６が出力する前部形状評価情報を前部形状評価情報記憶部８ｂに出力したり、前部形状評価情報の記憶を前部形状評価情報記憶部８ｂに指令したり、前部形状評価情報記憶部８ｂから前部形状評価情報を読み出して表示部９に出力したり、前部形状評価情報の表示を表示部９に指令したりする。制御部１０には、評価指標値演算部５、前部形状評価部６、評価条件設定部７、情報記憶部８及び表示部９などが相互に通信可能なように接続されている。
【００３９】
次に、この発明の第１実施形態に係る移動体の前部形状評価装置の動作を説明する。
以下では、図２に示す制御部１０の動作を中心に説明する。
ステップ（以下、Ｓという）１００において、前部形状評価プログラム記憶部８ｄから前部形状評価プログラムを制御部１０が読み込む。図１に示す前部形状評価装置４の電源がONすると前部形状評価プログラム記憶部８ｄから前部形状評価プログラムを制御部１０が読み出して、この前部形状評価プログラムに従って一連の前部形状評価処理を制御部１０が実行する。
【００４０】
Ｓ１１０において、評価指標値ηの演算を評価指標値演算部５に制御部１０が指令する。情報記憶部８の評価条件情報記憶部８ｃから評価条件情報を制御部１０が読み出して、この評価条件情報を評価指標値演算部５に制御部１０が出力するとともに、評価指標値ηの演算を評価指標値演算部５に制御部１０が指令する。その結果、数１に示す最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optを評価指標値演算部５が演算するとともに、数３に示す評価指標値ηを評価指標値演算部５が演算する。演算後の評価指標値ηを評価指標値情報として評価指標値演算部５が制御部１０に出力すると、情報記憶部８の評価指標値情報記憶部８ａにこの評価指標値情報を制御部１０が出力し、評価指標値情報記憶部８ａが評価指標値情報を記憶する。
【００４１】
Ｓ１２０において、評価対象の列車先頭部形状の評価を前部形状評価部６に制御部１０が指令する。評価指標値情報記憶部８ａから評価指標値情報を制御部１０が読み出して、この評価指標値情報を前部形状評価部６に制御部１０が出力するとともに、評価対象の列車先頭部形状の評価を前部形状評価部６に制御部１０が指令する。その結果、評価指標値演算部５が演算した評価指標値ηに基づいて、評価対象の列車先頭部形状に最適化の余地がまだあるか否かについて前部形状評価部６が評価する。例えば、評価指標値ηが１に近いときには、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能が高いと前部形状評価部６が判定し、この評価対象の列車先頭部形状に改良の余地が低いと前部形状評価部６が判定する。一方、評価指標値ηが１から遠いときには、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能が低いと前部形状評価部６が判定し、この評価対象の列車先頭部形状に改良の余地が高いと前部形状評価部６が判定する。評価結果を前部形状評価情報として前部形状評価部６が制御部１０に出力すると、情報記憶部８の前部形状評価情報記憶部８ｂにこの前部形状評価情報を制御部１０が出力し、前部形状評価情報記憶部８ｂが前部形状評価情報を記憶する。
【００４２】
Ｓ１３０において、前部形状評価部６の評価結果の表示を表示部９に制御部１０が指令する。前部形状評価情報記憶部８ｂから前部形状評価情報を制御部１０が読み出して、この前部形状評価情報を表示部９に制御部１０が出力するとともに、評価対象の列車先頭部形状の評価結果の表示を表示部９に制御部１０が指令する。その結果、例えば、評価対象の列車先頭部形状にどの程度改良の余地があるかを容易に認識可能な文字、図形又は記号などを表示画面上に表示部９が表示する。
【００４３】
この発明の第１実施形態に係る移動体の前部形状評価装置とその前部形状評価プログラムには、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、列車先頭部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる評価指標値ηに基づいて、評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を前部形状評価部６が評価する。このため、列車先頭部形状にさらなる改良の余地があるか否かを定量的に評価することができる。例えば、列車先頭部１ａの設計に際して、設計後の列車先頭部１ａによる微気圧波の低減性能の最適化の程度を評価することができる。その結果、列車先頭部１ａのさらなる最適化の余地を定量的に示すことができるとともに、列車先頭部１ａの延伸の是非を理論的に判断することができる。
【００４４】
(2) この第１実施形態では、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとに基づいて、評価指標値ηを評価指標値演算部５が演算する。また、この第１実施形態では、この評価指標値ηに基づいて評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を前部形状評価部６が評価する。このため、例えば、音響理論によって明らかにした流体力学的に理想化した極限状態における列車先頭部１ａの微気圧波の低減性能を明らかにしつつ、この理想化した最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optと、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxとに基づいて、評価指標値ηを簡単に演算することができる。
【００４５】
(3) この第１実施形態では、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとの比を評価指標値ηとして評価指標値演算部５が演算する。このため、例えば、評価指標値ηを用いることによって、評価対象の列車先頭部形状の改良の余地を定量的に評価することができる。例えば、評価指標値ηが１に近い場合には、これ以上の列車先頭部形状の改良が困難であるため、微気圧波の低減性能をさらに向上させるためには評価対象の列車先頭部１ａを延長する必要があると判断することができる。一方、評価指標値ηが１から離れている場合には、まだ先頭部形状に改良の余地があるため、微気圧波の低減性能を向上させるためにはさらに最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどを繰り返す必要があると判断することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
以下では、図１〜図３に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２実施形態は、第１実施形態とは異なり、特性時間Δｔ，Δｔ0に基づいて評価指標値ｅを演算し、この評価指標値ｅに基づいて列車先頭部形状を評価する実施形態である。評価指標値演算部５は、圧縮波の圧力上昇量ΔｐHを圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxで除算した値を特性時間Δｔ，Δｔ0，Δｔoptと定義したときに、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0と、評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔ、評価対象の列車の先頭部長さｌn及び列車速度Ｕとに基づいて、評価指標値ｅを演算する。ここで、先頭部長さｌnがゼロの列車とは、列車先頭部１ａの端面（妻板）が平面であって側面（側板）と直角になっている車体構造が切妻形状の列車であり、先頭部形状が矩形の列車である。評価指標値ｅとは、数３に示す評価指標値ηと同様に、列車先頭部形状に改良の余地があるか否かを評価するときに指標となる値である。評価指標値演算部５は、演算後の評価指標値ｅを評価指標値信号（評価指標値情報）として制御部１０に出力する。
【００４７】
列車先頭部１ａは、圧縮波の圧力上昇に要する時間を延伸することができる。圧縮波の特性時間Δｔは、以下の数４によって定義される。
【００４８】
【数４】
2018070022.tif 000006
【００４９】
ここで、数４に示すΔｐHは、数２であり、理論的に得られる圧縮波の圧力上昇量である。最適な列車による圧縮波の特性時間Δｔoptは、圧縮波の特性時間Δｔの最大値Δｔmaxをとり、以下の数５となる。
【００５０】
【数５】
2018070022.tif 000007
【００５１】
ここで、数５に示すＷmaxは、単位応答の最大値であり、単位応答は先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の無次元圧力勾配波形である。前部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,0は、以下の数６となる。
【００５２】
【数６】
2018070022.tif 000008
【００５３】
前部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0は、以下の数７となる。
【００５４】
【数７】
2018070022.tif 000009
【００５５】
従って、最適な列車による圧縮波の特性時間Δｔoptは、以下の数８となる。
【００５６】
【数８】
2018070022.tif 000010
【００５７】
最適な列車による圧縮波の特性時間Δｔoptは、数８に示すように、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0から先頭部長さｌnに応じて延伸されることを意味し、この延伸時間は最適な列車の先頭部の場合に最大となる。評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔにおいて、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0から延伸された特性時間を最大延伸時間で除した値を列車先頭部１ａの評価指標値（正味効率）ｅとする。このとき、評価指標値ｅは、以下の数９によって定義される。
【００５８】
【数９】
2018070022.tif 000011
【００５９】
数９に示す評価指標値ｅは、列車先頭部１ａによって延伸された特性時間にだけ着目したものであるため、数３に示す評価指標値ηを総効率と呼んだときに、この総効率ηよりも列車先頭部１ａの効率をよりミクロに見ることができる。評価指標値ｅはｅ＜１を満たすが列車先頭部１ａが極端に短い場合には負の大きな数になるなどの変化の幅が大きい。新幹線車両程度の列車先頭部の場合には、総効率を表す評価指標値ηよりも正味効率を表す評価指標値ｅのほうが、列車先頭部の微気圧波の低減性能の評価に適するときもある。なお、評価指標値ｅと評価指標値ηとの間には、以下の数１０に示す関係があり、評価指標値ηが同じ２つの列車先頭部の場合には評価指標値ｅは長い列車先頭部のほうが高くなる。
【００６０】
【数１０】
2018070022.tif 000012
【００６１】
評価指標値演算部５は、数９に示すように、評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔから、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0を減算した特性時間Δｔ−Δｔ0を、この評価対象の列車の先頭部長さｌnを列車速度Ｕで除した値ｌn/Ｕで除算した値Ｕ(Δｔ−Δｔ0)/ｌnを評価指標値ｅとして演算する。前部形状評価部６は、評価指標値ｅに基づいて評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を評価する。
【００６２】
評価条件設定部７は、評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔの演算に必要な圧縮波の圧力上昇量ΔｐH及び圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxなどに関する情報を評価条件情報として設定する。また、評価条件設定部７は、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0の演算に必要な単位応答の最大値Ｗmax、トンネル半径ｒ0及び列車速度Ｕなどに関する情報を評価条件情報として設定する。さらに、評価条件設定部７は、評価対象の列車の先頭部長さｌn及び列車速度Ｕなどに関する情報を評価条件情報として設定する。
【００６３】
次に、この発明の第２実施形態に係る移動体の前部形状評価装置の動作を説明する。
図３に示すＳ１１０において、評価指標値ｅの演算を評価指標値演算部５に制御部１０が指令する。その結果、数４に示す評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔと、数７に示す先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0とを評価指標値演算部５が演算するとともに、数９に示す評価指標値ｅを評価指標値演算部５が演算する。
【００６４】
Ｓ１２０において、評価対象の列車先頭部形状の評価を前部形状評価部６に制御部１０が指令する。その結果、評価指標値演算部５が演算した評価指標値ｅに基づいて、評価対象の列車先頭部形状に最適化の余地がまだあるか否かについて前部形状評価部６が評価する。例えば、評価指標値ｅが１に近いときには、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能が高いと前部形状評価部６が判定し、この評価対象の列車先頭部形状に改良の余地が低いと前部形状評価部６が判定する。一方、評価指標値ｅが１から遠いときには、評価対象の列車先頭部形状による微気圧波の低減性能が低いと前部形状評価部６が判定し、この評価対象の列車先頭部形状に改良の余地が高いと前部形状評価部６が判定する。
【００６５】
この発明の第２実施形態に係る移動体の前部形状評価装置とその前部形状評価プログラムには、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
(1) この第２実施形態では、圧縮波の圧力上昇量ΔｐHを圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxで除算した値を特性時間Δｔと定義したときに、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0と、評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔ、先頭部長さｌn及び列車速度Ｕとに基づいて、評価指標値ｅを評価指標値演算部５が演算する。また、この第２実施形態では、評価指標値に基づいて評価対象の列車先頭部形状の改良の余地の有無を前部形状評価部６が評価する。このため、列車先頭部１ａによって延伸された特性時間にだけ着目して評価対象の列車先頭部形状の微気圧波の低減性能を評価することができる。その結果、第１実施形態に比べて列車先頭部１ａの微気圧波の低減性能をより一層ミクロに見ることができる。
【００６６】
(2) この第２実施形態では、評価対象の列車による圧縮波の特性時間Δｔから、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の特性時間Δｔ0を減算した特性時間Δｔ−Δｔ0を、この評価対象の列車の先頭部長さｌnを列車速度Ｕで除した値ｌn/Ｕで除算した値Ｕ(Δｔ−Δｔ0)/ ｌnを評価指標値演算部５が評価指標値ｅとして演算する。このため、例えば、新幹線車両のような先頭部の微気圧波の低減性能を評価する場合には、微気圧波の低減性能をより一層細かく評価することができる。
【００６７】
（第３実施形態）
この第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、数３に示す効率ηと臨界効率ηcriとに基づいて評価指標値ｅを演算し、この評価指標値ｅに基づいて列車先頭部形状を評価する実施形態である。評価指標値演算部５は、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optと、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,0とに基づいて評価指標値ｅを演算する。
【００６８】
列車先頭部１ａは、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値 (∂ｐ/∂ｔ)max,0よりも圧力勾配最大値を低減する必要がある。列車先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,0を元にした効率を臨界効率ηcriとしたときに、この臨界効率ηcriは、以下の数１１によって定義される。
【００６９】
【数１１】
2018070022.tif 000013
【００７０】
ある条件下での効率ηは、臨界効率ηcriからの増分δη＝η−ηcriとすると以下の数１２となる。
【００７１】
【数１２】
2018070022.tif 000014
【００７２】
効率ηの最大増分１−ηcriに対する実際の増分の比ｅとすると、効率ηは以下の数１３のように表記される。
【００７３】
【数１３】
2018070022.tif 000015
【００７４】
ここで、臨界効率ηcriからの増分δηに着目した効率を評価指標値（正味効率）ｅとする。このとき、評価指標値ｅは、以下の数１４となる。
【００７５】
【数１４】
2018070022.tif 000016
【００７６】
評価指標値演算部５は、数３に示すように、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxと、音響理論によって明らかにした最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optとの比を効率ηとして定義する。また、評価指標値演算部５は、数１１に示すように、最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optと、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,0との比を臨界効率ηcriとして定義する。評価指標値演算部５は、効率ηから臨界効率ηcriを減算した値を、１から臨界効率ηcriを減算した値で除算した値を評価指標値ｅとして演算する。
【００７７】
評価条件設定部７は、最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,optの演算に必要な列車速度Ｕ、列車マッハ数Ｍ、ブロックゲージ比Ｒ、列車の最大断面積Ａt、トンネル断面積Ａ0、先頭部長さｌn、空気密度ρ、音速ｃ、トンネル半径ｒ0、単位応答の最大値Ｗmaxなどに関する情報を評価条件情報として設定する。また、評価条件設定部７は、最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって決定された評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxなどに関する情報を評価条件情報として設定する。さらに、評価条件設定部７は、先頭部長さｌnがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)max,0の演算に必要な圧縮波の圧力上昇量ΔｐHなどに関する情報を評価条件情報として設定する。この第３実施形態には、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果がある。
【実施例】
【００７８】
次に、この発明の実施例を説明する。
図２に示す前部形状評価装置４による列車先頭部形状を評価するために模型試験を実施した。模型試験には、公益財団法人鉄道総合技術研究所内のトンネル微気圧の模型試験装置を使用した。このトンネル微気圧の模型試験装置は、実際のトンネル３を模擬したトンネル模型内に、実際の列車１を模擬した列車模型を通過させたときに発生する現象を測定する装置である。このトンネル微気圧の模型試験装置は、一対の回転体の間で列車模型を加速しながら発射させる発射装置と、この発射装置から発射された列車模型をガイドするガイドワイヤ（ピアノ線）と、トンネル模型を通過した列車模型を制動させる制動装置と、トンネル模型を通過する列車模型の速度を検出する速度センサと、トンネル模型内で発生する圧縮波の圧力勾配波形を検出する圧力変換器などを備えている。
【００７９】
模型試験では、列車模型がトンネル模型内を通過するときにこのトンネル模型内で発生する圧縮波の圧力勾配波形を計測することによって圧縮勾配最大値を演算し、数３に示す評価指標値ηを演算した。列車模型は、先頭部形状が回転楕円、回転放物及び円錐の３種類である。
【００８０】
図４は、３種類の異なる先頭部形状の場合に発生する圧力勾配波形の計測例を示すグラフである。図４に示す縦軸は、圧力勾配(∂ｐ/∂ｔ)であり、横軸は時間ｔである。図４に示すように、３種類の先頭部形状のうち圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxが最も小さい先頭部形状は回転放物である。このため、先頭部形状が回転放物の場合が微気圧波の低減に最も適した形状であることが確認された。しかし、先頭部形状が回転放物の場合に、数３によって評価指標値ηを計算すると、評価指標値ηは0.7程度であり、先頭部形状が回転放物である場合であっても先頭部形状を変更することによって微気圧波の低減性能を向上させる余地が大きいことが確認された。
【００８１】
(他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、移動体として列車１を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、広い空間から狭い空間に突入する種々の移動体であって、高速で走行する磁気浮上式鉄道、自動車、航空機又は飛翔体などの移動体についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、列車１が新幹線列車である場合を例に挙げて説明したが、在来線を走行する在来線列車、又は新幹線と在来線とを相互に走行可能な新在直通運転用の列車などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、軌道２が複線である場合を例に挙げて説明したが、軌道２が単線又は複々線である場合についてもこの発明を適用することができる。
【００８２】
(2) この実施形態では、構造物としてトンネル３を例に挙げて説明したが、トンネル微気圧波を低減するためにトンネル坑口３ａ，３ｂを覆うトンネル緩衝工、軌道２上に架け渡した跨線橋、軌道２上に駅本屋を配置した橋上駅などの構造物についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値(∂ｐ/∂ｔ)maxを、最適化アルゴリズムを用いた実験やCFDなどによって予め求めておき評価条件情報として評価条件設定部７によって設定する場合を例に挙げて説明したが、このような設定方法に限定するものではない。例えば、前部形状評価プログラムに最適化アルゴリズムを組み込み、前部形状評価プログラムによって評価対象の列車先頭部形状を設計するとともに、この前部形状評価プログラムによってこの評価対象の列車先頭部形状を評価することもできる。この場合には、評価対象の列車先頭部形状に改良の余地があると判断されたときには、前部形状評価プログラムによって最適化アルゴリズムを再実行して、評価対象の列車先頭部形状を再設計することもできる。
【００８３】
(3) この第１実施形態〜第３実施形態では、評価指標値η，ｅが１に近いか否かを前部形状評価部６が判断して先頭部形状を評価する場合を例に挙げて説明したが、評価手法を限定するものではない。例えば、評価指標値η，ｅが所定値を超えるか否かを前部形状評価部６が判断し、評価指標値η，ｅが所定値を超える場合には先頭部形状に改良の余地がなく、評価指標値η，ｅが所定値以下である場合には先頭部形状に改良の余地があると評価することもできる。同様に、評価指標値ｗが所定範囲内であるか否かを前部形状評価部６が判断し、評価指標値ｗが所定範囲内である場合には先頭部形状に改良の余地がなく、評価指標値ｗが所定範囲外である場合には先頭部形状に改良の余地があると評価することもできる。
【符号の説明】
【００８４】
１  列車（移動体）
１ａ  列車先頭部（前部）
１ｂ  列車後尾部（後部）
２  軌道
３  トンネル
３ａ，３ｂ  トンネル坑口
４  前部形状評価装置
５  評価指標値演算部
６  前部形状評価部
７  評価条件設定部
８  情報記憶部
８ａ  評価指標値情報記憶部
８ｂ  前部形状評価情報記憶部
８ｃ  評価条件情報記憶部
８ｄ  前部形状評価プログラム記憶部
９  表示部
１０  制御部
η  評価指標値（効率）
ηcri  臨界効率
ｅ  評価指標値（正味効率）
ｗ  評価指標値
ΔｐH  圧力上昇量
(∂ｐ/∂ｔ)max  評価対象の列車による圧縮波の圧力勾配最大値
(∂ｐ/∂ｔ)max,opt  最適な列車による圧縮波の圧力勾配最大値
(∂ｐ/∂ｔ)max,0  先頭部長さがゼロの列車による圧縮波の圧力勾配最大値
Δｔ，Δｔ0  特性時間
Ｕ  列車速度
ｌn  先頭部長さ
ｒ0  トンネル半径
Ｗmax  単位応答の最大値
【図１】
2018070022.tif 000017
【図２】
2018070022.tif 000018
【図３】
2018070022.tif 000019
【図４】
2018070022.tif 000020