(57)【要約】【課題】  洪水等のシミュレーションにおいて、流体解析に際しての立体形状を流体解析に使用する計算格子に規制されることなく再現できるようにする。【解決手段】  流体としての水の挙動を、設定した解析範囲で、計算格子を用いて演算によりシミュレーションする場合に、地形データベースＤＢ１から取得した解析範囲における地表面の複数点の高さ情報を含む地形データと、構造物データベースＤＢ２から取得した構造物データとを、ＶＯＳモデルにより立体再現が図れるようにして、精度の高い流体解析を行えるようにする。【選択図】      図1 
2005115701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地形データベースから得られた電子データとしての地形データと、構造物データベースから得られた電子データとしての構造物データとを、流体解析における計算格子に斜行した線分を斜行させた状態で表現することができる立体モデルの解析プログラムに読込み可能に設定することを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【請求項２】
請求項１記載の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法において、
前記地形データは、航空測量、深浅測量、地形図の少なくとも一つから構成される地表面の高さ情報を含む地形データベースにより得られることを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法において、
前記構造物データは、前記構造物の高さ情報を有するＣＡＤデータ、地図、都市計画図、港湾計画図等から作成したデジタルデータを使用することを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法において、
前記立体モデルとは、ＶＯＳモデルであることを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法において、
前記地形データと、前記構造物データとの少なくとも一方は、前記立体モデルの解析プログラムに自動読込みされることを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法において、
前記地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法は、洪水、津波、高潮波浪伝播等の水の流体としての挙動の解析に適用されることを特徴とする地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、洪水、高潮、津波、あるいは海域の波浪伝播等の流体としての水の挙動に影響を与える地形、構造物の流体解析における立体再現性を高精度にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、洪水、高潮、津波等の被害状況を予め想定して事前に対策を行うべく、河川や湖沼、あるいは海等における流体としての水の挙動を数値解析し、シミュレーションしている。シミュレーションする対象範囲を細かな多数の計算格子に区画し、その計算格子毎に水の挙動に影響を及ぼす流速、水深等の情報を入力し、流体としての水の流体解析を行う。解析結果に基づいた水の挙動は、流体解析を行うコンピュータのモニター画面等に表示して可視化する。
【０００３】
シミュレーションに際しては、シミュレーション対象範囲における地表面の起伏や、地表面に設けられた建物等の構造物の立体形状を再現した状態で、上記洪水時等における水の挙動をシミュレーションする。
【０００４】
シミュレーションにより得られた結果から、洪水被害を最小限に抑えるためには、堤防や、洪水時に水路となる地形部分や構造物部分等を、どのように設計あるいは施工すれば良いか等、種々対策を検討することとなる。
【０００５】
かかるシミュレーションにおける流体解析に際しては、上記のように、実際の地域等を想定した地表面の起伏や建物等の構造物の状況を、流体解析の解析領域内に再現することが求められるが、かかる地表面や構造物等の状況を解析プログラムの解析範囲内に再現するために必要な実際の地形データ等は、これまでは、解析プログラムを実行するコンピュータに人手を介して入力していた。
【０００６】
例えば、図２４（ａ）に示す等高線図あるいは等深線図から、地形データを作成していた。すなわち、例えば、等高線図にデジタイザ１０等の読み取り装置を用いて、図２４（ｂ）に示すように、標高等を読み取っていた。このようにして読み取った標高を、図２４（ｃ）に示すような電子データにして、解析プログラムの解析範囲に設定した計算格子の座標に合わせた位置の高さを内挿していた。あるいは、等高線図や等深線図に計算格子を重ねて、その地点のデータを読み取る等の方法もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のように個々の地形データを解析プログラム上の解析領域に設定した計算格子毎に入力するのは容易なことではない。計算格子の数は求められるシミュレーションの精度にもよるが、計算格子数が何百万という場合も決して珍しくない。かかる計算格子毎に、人手でデータ入力するのでは、入力データの量が膨大で、多大の時間を費やすこととなる。
【０００８】
流体解析の解析精度を高めようとすれば、計算格子の間隔を狭く設定する必要があり、その分、計算格子の数は飛躍的に増大して、入力作業は益々増大する。併せて、コンピュータ等を使用する場合の記憶容量の著しい容量増大も必要となる。
【０００９】
また、シミュレーションの有用性の一つとし、地表の起伏、構造物の形状等々種々の条件を変更することでどのような事態が想定されるか種々のケースを事前に机上で検討し得ることが挙げられるが、かかる場合には、ケーススタディ毎に条件変更を行うため、地形データ、構造物データの入力変更が必要となる。
【００１０】
しかし、上記の如く場合によっては何百万ともなる計算格子に初期条件を入力するだけでも膨大な時間を費やすのに、ケーススタディ毎に再入力、入力変更を行うとなると、さらに莫大な時間を必要とし、洪水被害等のシミュレーションにおける条件変更は容易には行えなかった。さらに、行えたとしてもその結果を確認するまでに時間がかかっていた。
【００１１】
一方、地形データ等の入力データに基づく形状表現は、解析範囲に設定されている計算格子毎に行われるため、図２５に示すような形状表現となる。すなわち、計算格子毎に、地形データの高さに合わせた平坦上面を有する柱状の立体が形成され、全体としてかかる立体の集合として表現されていた。
【００１２】
地表面の起伏等は、図２５に例示される計算格子毎に立ち上げられた柱状立体の集合体の平坦上面を繋いだものとして再現されることとなり、地表面の滑らかな起伏が計算格子毎の高さの差を反映した階段状の凹凸として表現されることとなる。
【００１３】
図２５に示す場合には、Ｘ、Ｙ座標の（Ｘ、Ｙ）＝（ｉ、ｊ）、（ｉ＋１、ｊ）、（ｉ、ｊ＋１）、（ｉ＋１、ｊ＋１）の４点の座標位置について例示したもので、各々の座標位置での高さを示すＺ座標Ｚij、Ｚi+1、j、Ｚi、j+1、Ｚi+1、j+1に見合った高さを有する平坦上面の柱状の立体１１、１２、１３、１４が、各々の座標位置に相当する計算格子毎に構成されている。
【００１４】
このようにして表現される地表面には、シミュレーション対象範囲とする地域の状況に合わせて、建物等の構造物がどのように地表面に存在しているか、再現されていなければならない。再現するに際しては、解析範囲内に設定した計算格子上に構造物を配置することとなるが、従来、かかる構造物の形状は計算格子の格子線に沿った形でしか表現できなかった。
【００１５】
例えば、実際の構造物の存在位置は、平面的にみた場合に図２６（ａ）に示すようであったとすると、従来方法では、計算格子の格子線に沿った線でしかその存在位置を示すことができないため、図２６（ｂ）に示すような、実際の構造物Ａの形状とは異なり、かなりデフォルメされた形の構造物ａとしか表現することができなかった。すなわち、計算格子に斜行する線分は、あくまで計算格子に平行な、すなわち垂直、水平の二方向に分解された形でデフォルメされていた。
【００１６】
かかるデフォルメの問題は、単に形状の再現性が悪いという問題に留まらず、その存在位置が実際とは異なるという大きな問題に繋がる。図２６（ａ）、（ｂ）を見比べれば分かるように、構造物Ａが実際には存在しない部分に相当する計算格子位置に構造物の一部が存在しているかのような表示ともなる。あるいは、実際には構造物の一部が存在している筈の計算格子上には存在しないと表現される場合もある。
【００１７】
例えば、洪水状況のシミュレーションでは、実際には建物が無い筈の箇所に上記デフォルメの影響で建物が存在するとされた場合には、氾濫した水はシミュレーション上ではその場所で止められることとなるが、実際に洪水が発生した場合には水が通り抜けることとなり、実際とシミュレーションとが大きく異なってしまうため、十全な洪水対策の立案に大きな障害となる。
【００１８】
このように、従来手法では、地形データ、構造物データに基づいて、流体解析の解析プログラムの解析範囲内に、シミュレーション対象範囲の状況を立体的に再現する際の再現性が悪く、十分なシミュレーション精度の向上が期待できなかった。
【００１９】
本発明の目的は、水の挙動をシミュレーションする解析手段に必要とされる地形データ等の入力を簡単に行えるようにすることにある。
【００２０】
他の本発明の目的は、水の挙動を数値解析する際の解析範囲に再現される地形や構造物の形状表現を、計算格子の格子線の方向性に規制されないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法は、地形データベースから得られた電子データとしての地形データと、構造物データベースから得られた電子データとしての構造物データとを、流体解析における計算格子に斜行した線分を斜行させた状態で表現する立体モデルの解析プラグラムに読込み可能に設定することを特徴とする。
【００２２】
かかる構成において、前記地形データは、航空測量、深浅測量、地形図の少なくとも一つから構成される地表面の高さ情報を含む地形データベースにより得られることを特徴とする。前記構造物データは、前記構造物の高さ情報を有するＣＡＤデータ、地図、都市計画図、港湾計画図等から作成したデジタルデータを使用することを特徴とする。以上の構成において、前記地形データと、前記構造物データとの少なくとも一方は、前記立体モデルの解析プログラムに自動読込みされることを特徴とする。
【００２３】
以上いずれかの構成において、前記立体モデルとは、ＶＯＳモデルであることを特徴とする。以上いずれかの構成において、前記地形と構造物の電子データを用いた数値解析条件の設定方法は、洪水、津波、高潮波浪伝播等の水の流体としての挙動の解析に適用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、洪水等の流体としての水の挙動解析に際しての解析領域における地表等の立体形状を、流体解析に使用する計算格子の方向性に規制されない状態で再現することができる。
【００２５】
また、データの読込みを自動とすることで、膨大な数値データとしての地形データベース、構造物データベースを容易に利用することができ、かかるデータベースを利用しない場合の従来構成とは異なり、格段に精度の高い流体解析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１には、本発明を用いて、水流体シミュレーションを行う場合の手順を示すフローを示した。以下の説明では、都市域における周辺河川の洪水における氾濫状況をシミュレートする場合を例に挙げて本発明の適用方法を説明する。
【００２８】
先ず、シミュレーションにより洪水被害の対策を策定する必要があるシミュレーション対象範囲を先ず設定する。かかるシミュレーション対象範囲に対して、コンピュータの演算機能を用いて、予めコンピュータに組み込んだ流体解析プログラムを実行させ、解析プログラムの解析範囲にシミュレーション対象範囲の地形、ビル等の建物、陸橋その他の地上面の構造物状況を具体的に再現し、再現した状態で周辺河川の水位を漸次上げる等の条件で洪水を仮想的に起こさせ、この氾濫状況等がどのようになるかを数値計算し、その結果をコンピュータに接続したモニター画面上に表示する等してシミュレートする。
【００２９】
流体解析の手法として、既に知られている流体直接解析法を適用する。自由表面を有する水等の流体を基礎方程式により直接解析する手法として既に知られているが、その内特に、ＭＡＲＳ法を適用した。
【００３０】
良く知られているＶＯＦ法は、計算格子内の流体体積率をドナー・アクセプタ法を用いて、隣接格子間への輸送を正確に計算することができるが、界面勾配を考慮していないため、界面の初期形状を正確に保存することができない。
【００３１】
そこで、界面の初期形状の保存が比較的に良好であるＭＡＲＳ法を採用して流体解析を行った。因みに、ＭＡＲＳ法（Multi interface Advection and Reconstruction Solver）とは、自由表面を含む多相流の直接解析法のことである。
【００３２】
また、かかる流体解析手法を適用するにあたり、流体解析の解析領域に再現するシミュレーション対象範囲の立体状況は、再現しようとする立体形状が計算格子の方向性に規制されない、すなわち、計算格子に斜行する線分を斜行した状態で表現する立体モデルを初めて採用した。かかる立体モデルとしては、例えば、ＶＯＳ（Volume of solid）モデルを用いた。かかる立体モデルを採用することでシミュレーションの精度向上を図ることができる。
【００３３】
先ず、図１に示すように、ステップＳ１００で、設定したシミュレーション対象範囲に合わせて、流体解析の対象とする解析範囲の入力を行う。入力した解析範囲内で、データベース等からシミュレーション対象範囲の都市域の状況を表示するのに必要なデータを取得することとなる。
【００３４】
かかるデータの取得に際しては、都市域の状況を、図１に示すように、地表面の状況を示す地形立体情報と、その地表面に建てられたビル等の構造物の状況を示す構造物立体情報とにそれぞれ分けて取得する。
【００３５】
すなわち、地形データ読込みステップとしてのステップＳ１１で、地表面のデータから構成される地形データベースＤＢ１から、入力設定した解析範囲内で地形データの読み込みを行う。使用する地形データベースＤＢ１としては、航空測量等によって計測したＤＳＭ（Digital Surface Model：表層データ）データ、あるいはＤＥＭ（Digital Elevation Model:標高データ）データを有するものを利用すればよい。かかるデータベースは、既に商用として航空測量会社等から市販されており、必要に応じて、購入あるいはオンラインでデータベースにアクセスして入手することができる。
【００３６】
かかる地形データは、航空機よりレーザー波を地上に照射して、その反射波を解析するレーザースキャナによって得られるもので、地上のＧＰＳ基準局と航空機に搭載したＧＰＳ／ＩＭＵ（ジャイロ）とにより航空機の位置を正確に把握することができるため、地形の標高を、約２ｍ間隔で、水平精度±３０ｃｍ、鉛直精度±１５ｃｍ程度で示す高精度のデータである。ＤＳＭあるいはＤＥＭを用いることで、高精度のシミュレーションを行うことができる。
【００３７】
尚、かかる地形データのうち、表層データであるＤＳＭは、地表面からの反射データは勿論のこと、建物の形状や樹木等からの反射波のデータも含んだデータである。そのため、前述の如く、地形立体情報と構造物立体情報とを別々に作成することにより精度の高い解析を行うに際しては、地表面以外の建物等の反射データは不要である。そこで、ステップＳ１１でＤＳＭを地形データとして読み込んだ場合には、地表面のデータ以外の反射データを除去して使用すればよい。
【００３８】
一方、ＤＥＭは、ＤＳＭのデータから地表面以外のデータを除去した地形だけの標高データである。そこで、可能ならば、ＤＥＭを使用することが便利である。
【００３９】
ＤＥＭデータは、例えば、図２に示すように、ＸＹ座標で表示される測地点の標高、すなわちＺ軸上の位置を示した高さ情報として与えられている。図２に示す場合は、（Ｘ、Ｙ）＝（ｉ、ｊ）、（ｉ＋１、ｊ）、（ｉ、ｊ＋１）、（ｉ＋１、ｊ＋１）の４点の座標位置について例示した。
【００４０】
このようにして地表面以外の構造物等のデータを含まない標高データとしての地形データは、前述のＭＡＲＳ法による流体解析の解析領域内に計算格子の方向性に規制されることなく立体形状をより忠実に再現させるために採用したＶＯＳモデルで処理可能なように、ステップＳ１２の地形情報変換ステップでＶＯＳモデルでの読み取り可能な３次元データに変換する。
【００４１】
ステップＳ１１で読み込まれた地形データを、ステップＳ１２では変換プログラムを用いて処理し、地形情報作成ステップとしてのステップＳ１３で、ＶＯＳモデルにより処理可能なデータとしての立体地形情報を作成する。すなわち、ステップＳ１２では、変換プログラムにより測地点の標高データからなる地形データが、図３に例示するような立体モデル２０となるようにデータ変換がなされる。
【００４２】
図３に網かけで例示する立体モデル２０は、図２に示すＤＥＭのデータをステップＳ１２の変換プログラムで３次元モデルとして表示できるようにデータ変換したものである。かかるデータ変換に際しては、図２に示す標高データＺij、Ｚi+1、j、Ｚi、j+1、Ｚi+1、j+1に対して、任意の高さで設定した平面を基準平面Ｓ１として、基準平面Ｓ１から各測地点を示す座標位置（ｉ、ｊ）、（ｉ＋１、ｊ）、（ｉ、ｊ＋１）、（ｉ＋１、ｊ＋１）から鉛直上方に、各測地点毎に対応した標高データＺij、Ｚi+1、j、Ｚi、j+1、Ｚi+1、j+1に見合った高さ位置に各標高表示点２１、２２、２３、２４を設定しておき、このようにして設定された各標高表示点２１、２２、２３、２４のうち隣接する標高表示点を結んで形成される面Ｓ２を上面とする柱体２０ａを表示することができるようにデータ変換を行う。このような柱体２０ａの集合体の上面が、地表面を表示することとなる。
【００４３】
立体モデル２０は、ある高さの基準平面Ｓ１を底部として地形データから構築した面情報を有する面Ｓ２を上面とした、基準平面Ｓ１における隣接する各測地点を繋いで囲まれる底面を上方に引き伸ばしたような立体形状として表現されており、隣接する立体モデルとの連続性も、図３で破線表示するように、滑らかに保つことができる。すなわち、地形の起伏を滑らかに表現することができる。
【００４４】
ステップＳ１２で使用する変換プログラムは、地形データベースを解析計算プログラムに入力可能な立体モデルに変換するプログラムである。すなわち、地形データベースから得られた地形データを、図４に示すように、解析プログラムに入力可能に、ＶＯＳモデルに変換するプログラムである。
【００４５】
図４では、図２に示す地表面等の点データを、ＣＡＤで利用可能なデータとしてＡｕｔｏＣＡＤ  Ｒ１２のdxf形式を用いて変換した場合を例として示す。ここで、POINTとは点データを表す書式であり、TIHYOUとは地表面を表していることを示すために便宜上付けた画層の名前を示している。さらに、xi、・・・には、実際の数値データが入ることとなる。
【００４６】
ＶＯＳモデルの解析プラグラムとして、例えば、解析ソフトのＳＴＲＥＡＭを用いる場合には、上記変換データに対して図５に示すようなデータ設定を行えば、図４に示す変換データが解析プログラムＳＴＲＥＡＭに読み込まれて、図６に示すような、計算格子に斜行するような線分を有する立体を、その線分を斜行した状態で示す立体に表現することができる。図６に示す場合には、４点のみを例示しているが、例えば、さらにその周囲の隣接点で同じ要領の設定を行うことで、図３に示すように表現することができる。因みに、上記解析ソフトのＳＴＲＥＡＭは、株式会社ソフトウェアクレイドルによって販売されている。
【００４７】
図５に示すデータ設定では、図２において、例えば、点xi、yjを中心に近接する４点を抽出し、４点とその底部となるある高さZbを与えて点をあわせた８点で４角柱を構成するものとして設定した場合を示す。すなわち、４角柱として記述する場合である。
【００４８】
かかる設定に際しては、各点は等間隔にあるようなデータでなくとも構わないが、全ての点間に面を張ったときに、入り組まないように、また欠損部がないように点の選択を行う。また、図５では、４点を選択した場合を示したが、隣接する３点を選択して、３角柱として記述しても構わない。
【００４９】
このようにして、図５に示すようにデータ設定を行うことにより、図４に示すように変換された地形データに基づき、図６に示すように、計算格子座標系に対して、斜行する地形データ座標系であっても、斜行する線分を斜行した状態で表現させた立体でも再現が可能となる。
【００５０】
本発明では、地形データベースから得られた地形データをＶＯＳモデルの解析プログラムに読込み可能に変換することで、計算格子座標系と一致しないデータ座標系のモデルを利用することができる。航空測量で得られるようなデータの座標系は、解析で利用する座標系と一致していない場合が殆どであるので、本発明の有用性は極めて大きく、その意義は大きい。
【００５１】
データの変換方法、設定方法は、図４、５に限定されるものではなく、使用する立体モデル、解析プログラムに合わせて適宜読込み可能なフォーマットやデータ書式を利用して作成されていればよく、特段その作成方法を特定しなくても構わない。
【００５２】
かかる図３に示す立体モデル２０で表示される面Ｓ２は、図２５に示す立体表示を用いて示される階段状の面を有していないため、より現実の地表面の滑らかさに近い表示とすることができ、シミュレーションの解析精度を向上させることができる。
【００５３】
このように一連のステップＳ１１、Ｓ１２を通して、ステップＳ１３で、地形データベースＤＢ１から取得した地形データが、流体解析で洪水のシミュレーションをする際のシミュレーション対象範囲の地表状況を高精度に再現する地形立体情報（地形情報）に作成される。
【００５４】
また、シミュレーション対象範囲として、説明では都市域を設定しているため、ビル等の構造物が多数設けられている。かかる構造物も、解析範囲には、地表状況の再現と共に再現する必要がある。かかる構造物の立体再現に際しても、本発明を適用することにより、構造物立体情報を地形立体情報と同様のステップで作成することとなる。但し、使用する構造物データは、ＤＳＭ等から得られるデータを使用するのではなく、極力ＣＡＤデータ等を使用することで、構造物の立体形状の再現精度を高くするようにしている。
【００５５】
構造物データとしてＤＳＭデータの利用も基本的には可能であるが、しかし、取得データは、航空機からのレーザープロファイラーで取得されているため、地上の構造物の隅各部を始めとする輪郭部分はどうしても不明瞭になる。また、上空からは陰になる部分の構造物の地表面側に近い輪郭データは取得することができない。このため、ＤＳＭのデータを利用することは構造物の立体表示の再現精度が低くなり、その分、シミュレーションの精度も劣ることとなり、本発明では、構造物の高さデータ以外では使用しない場合が基本的な方法ではあるが、他のデータが入手できない場合には、構造物の形状を再現するために利用しても構わない。
【００５６】
構造物データの取得源は、都市計画図や設計図書等を参考にしてデジタルデータを作成してデータベースとして蓄積することにより構成される構造物データベースＤＢ２を用いる。近年、ビル等の構造物の設計には殆どの場合にＣＡＤが用いられており、都市計画図等も電子データ化されている。これらのデータを集積して、構造物データベースＤＢ２を構築しておけばよい。
【００５７】
勿論、例えば、古い家屋等ではかかるＣＡＤデータがない場合も当然に存在するので、ＣＡＤデータ等の電子情報がない場合には、都市計画図をデジタイザ等で読み込んだり、測量等でデータを取得したりして、建物の輪郭を抽出するようにすればよい。図７に、構造物データベースＤＢ２から読み込まれた構造物データとしてのＣＡＤデータによる構造物の輪郭データを示す。構造物データは、設計、施工段階で使用したＣＡＤデータ等を優先的に使用するため、地表面に現れないような地下街を解析対象に含める場合にはこの部分の立体モデルの構築も可能となる。
【００５８】
構造物データ読込みステップとしてのステップＳ２１で読み込まれた構造物データは、構造物情報変換ステップとしてのステップＳ２２で変換プログラムにより、前述の流体解析の解析領域内に計算格子の方向性に規制されることなく、立体形状をより忠実に再現させるために採用したＶＯＳモデルで処理可能な３次元データに変換される。
【００５９】
すなわち、ステップＳ２２で使用する変換プログラムは、構造物データベースを解析計算プログラムに入力可能な立体モデルに変換するプログラムである。すなわち、構造物データベースから得られた構造物データを、図８に示すように、解析プログラムに入力可能に、ＶＯＳモデルに変換するプログラムである。
【００６０】
図８は、図９（ａ）に示す構造物を、ＣＡＤデータの形式として、最も一般的なＡｕｔｏＣＡＤ  Ｒ１２のdxf形式で示したものである。因みに、図９（ａ）に示す構造物は、図７の３５で示されるビルである。図８のx1…には実際にはデータが与えられている。
【００６１】
図８に示す変換データは、図９（ａ）に示すように、構造物３５の底盤部分Piの座標を(xi，yi，zdi)、その上側の座標を(xi，yi，zui)として、解析プログラムで読込み可能な形式に変換したものである。POLYLINEはポリラインを表す書式であり、Bill35は建物を表していることを示すために便宜上付けた画層の名前であり、VERTEXは頂点情報を記述していることを示している。
【００６２】
ＶＯＳモデルの解析プラグラムとして、例えば、解析ソフトのＳＴＲＥＡＭを用いる場合には、上記図８に示す変換データに対して、図１０（ａ）に示すようなデータ設定を行えば、変換データがＳＴＲＥＡＭの解析プログラムに読み込まれて、図９（ｂ）に示す四角柱として立体表現される。
【００６３】
実際の構造物３５は、側面に凸構造部３５ａを有する構造であり、かかる凸構造部３５ａをさらにＶＯＳモデルで表現できるようにする。すなわち、図１０（ｂ）のようにデータ設定をしておくことで、図８に示すように変換された構造物データは、図９（ｂ）の凸構造部３５ａに表現される。
【００６４】
あるいは、当初から図１１に示すようなデータ設定を行っておけば、１２点のデータからなる形状としてかかるデータ設定で図８に示す変換データが読み込まれ、図９（ａ）に示す構造物３５として立体表現される。
【００６５】
このようにして、図１０（ａ）、（ｂ）あるいは図１１に示すようにデータ設定を行うことにより、図８に示すように変換された地形データに基づき、計算格子座標系に対して、斜行する構造物データ座標系であっても、斜行する線分を斜行した状態で表現させた立体再現が可能となる。
【００６６】
本発明では、構造物データベースから得られた構造物データをＶＯＳモデルの解析プログラムに読込み可能に変換することで、計算格子座標系と一致しないデータ座標系のモデルを利用することができる。データの座標系は、解析で利用する座標系と一致していない場合が殆どであるので、本発明の有用性は極めて大きく、その意義は大きい。
【００６７】
データの変換方法、設定方法は、図８、１０（ａ）、（ｂ）に限定されるものではなく、使用する立体モデル、解析プログラムに合わせて適宜読込み可能なフォーマットやデータ書式を利用して作成されていればよく、特段その作成方法を特定しなくても構わない。
【００６８】
３次元データへの変換に際しては、図８、図１０、図１１に示した変換、設定方法により、図７に示す構造物の輪郭を上方に引き伸ばすようにして行う。つまり、構造物の底面は、構造物の設置地表面の地形データ、すなわち標高データを基準として設定し、その底面から、ＣＡＤデータあるいはＤＳＭデータから得られる構造物毎の高さに見合った高さまで上方に引き伸ばすことにより構造物の３次元立体表示が行われる。
【００６９】
図１２は、図７に示す構造物の輪郭データに基づき、構造物毎の輪郭を構造物の底面を構造物の設置面を基準として設定した状態で、ＤＳＭデータから得られた高さ情報に基づき上方に引き伸ばして形成した構造物の立体表現を示す。図７、図１２の対応が分かりやすいように、図７に示す構造物の幾つかのものについて符合を付し、図１２と対応している。すなわち、図７に示す構造物３１、３２、３３、３４、３５は、図１２では、それぞれ高層、中層、低層のビルに構成されている。
【００７０】
尚、本シミュレーションでは、洪水の氾濫状況を可視化して検討するためのもので、ビル等の構造物の水に浸かることのない高さ以上の構造物状況は、シミュレーションする場合の流体解析に影響を及ぼさない。そこで、図１３に示すように、図１２に示す立体形状の表示において、構造物の高さを流体解析に影響を及ぼさないと考えられる十分な高さで、高さを一律にした状態の立体形状として表現しても構わない。
【００７１】
このように一連のステップＳ２１、Ｓ２２を通して、ステップＳ２３で、構造物データベースＤＢ２から取得した構造物データが、流体解析で洪水のシミュレーションする場合におけるシミュレーション対象範囲の地表面上の構造物状況を高精度に再現する構造物立体情報（構造物情報）に作成される。
【００７２】
このようにして別々に読み込まれた地形データ、構造物データは最終的に、ステップＳ１３、Ｓ２３でＶＯＳモデルで処理可能な地形立体情報、構造物立体情報に作成され、かかる地形立体情報、構造物立体情報は、図１に示すように、地形構造物情報読込み統合ステップとしてのステップＳ２００で、ＶＯＳモデルを用いたＭＡＲＳ法の解析プログラムに読み込まれ、解析範囲で地形立体情報と構造物立体情報とを重ね合わせた状態で両者が統合される。
【００７３】
すなわち、解析範囲設定ステップとしてのステップＳ１００で設定した解析範囲における地形立体情報と構造物立体情報とを統合することにより、解析範囲の地形上にシミュレーション対象範囲の状況が立体的に再現されることとなる。かかる状況は解析データを可視化するコンピュータに接続したモニター画面や印刷物などで表示される。
【００７４】
図１４は、地形立体情報に基づく地表面上に、構造物立体情報に基づく構造物を立体的に再現した状態を示している。尚、図１４に示す場合には、図１３に示すように構造物の高さを所要高さまでしか表示しない方法の構造物の立体表現を用いている。
【００７５】
尚、ＶＯＳモデルを使用することにより、ステップＳ１１、Ｓ２１で取得した地形データと構造物データとから、図２６（ｂ）に示すような形状のデフォルメをすることなく、図２６（ｃ）に示すように、シミュレーション対象範囲の立体状況を高精度に再現し得ることを前述したが、これは、地形データと構造物データとをステップＳ２００で読み込み、そのまま解析領域内に配置する際に、その際生ずる地形表面や構造物表面と解析領域との関係を、図１５（ａ）に示すように、計算格子内部に存在する固体の体積の占有率（ＶＯＳ）と計算格子境界面上の面積率を用いることで明確に区別できるためである。
【００７６】
解析に際して、地形データ、構造物データに基づき都市モデルを解析範囲上に構築するにあたり、ステップＳ２００で、次のようにＶＯＳモデルを使用してデータ処理を行う。すなわち、地形データ、構造物データの各々のデータから、該当する計算格子のＶＯＳ（固体占有率）を算出する。算出に際して、０＜ＶＯＳ＜１となる計算格子では、データから得られる立体の表面形状等から、図１５（ａ）に示すように、立体の各面における面積率Ａｘ、Ｂｘ、Ｃｘを解析して、固体部分の形状を決定する。
【００７７】
因みに、図１５（ａ）に示す説明図は、図１５（ｂ）の計算格子に斜めに輪郭線（外縁）がかかった状況を示す図の丸で囲んだ部分を拡大して示すものである。図１５（ｂ）では、破線で計算格子を示し、細線で構造物表面の輪郭線（外縁）を示し、太線で格子線に沿ってデフォルメされた輪郭線を示す。
【００７８】
かかるＶＯＳモデルを用いて都市モデルを流体解析の解析範囲に再現することで、例えば、計算格子を斜めに横切るような面を高精度に再現することができる。従来の方法ではモデルの形状が計算格子に大きく影響を受けて、図１６（ａ）に示すように、流れが計算格子に沿った方向へ、すなわち鉛直方向あるいは横方向に生ずることとなる。しかしながら、ＶＯＳモデルを採用することで、図１６（ｂ）に示すように、計算格子を斜めに横切る面に沿った流れが生ずるように解析することができ、極めて精度の高い解析が行えることとなった。
【００７９】
すなわち、図１６（ｂ）に示すように、構造物の表面の情報を有してモデルの構築を行っているため、従来の方法よりも、高精度の解析ができる。従来の方法を用いて、このような形状に関する流れの再現性を向上させるには、格子間隔を小さくすることが必要で、計算格子を極めて細かく多数設定する必要があり、且つそれに合わせたデータ入力が膨大なものとなり、理論的には可能であるものの、現実的に簡単に実施することはできず不可能に近い。
【００８０】
このように、本発明により、大量のデータを自動的にＶＯＳモデルに変換することができるため、地形情報や構造物情報を解析プログラム上で構築するに際して、従来の人手に頼った入力方法では実質的に不可能に近いと考えられる再現性の高い形状構築を可能とするデータ入力が容易に行える。併せて、解析精度の大幅な向上が可能となった。
【００８１】
また、ＶＯＳモデルを用いて流体解析処理することで、航空測量による地形データベースや構造物データベースを、解析モデルの構築に容易に利用することができるようになった。さらに、計算格子の間隔等に関係なく、地形や構造物の形状を詳細に再現でき、また計算領域と計算格子を一切変更することなく、地形及び構造物データを入れ替えるだけで、精度の低下を招くことなく、様々なケースを簡単に解析することが可能となった。計算格子の変更などの作業時に、データの再読み取り等も不要となった。
【００８２】
以上の方法を用いた結果、例えば、図１４に例示するような都市モデルを数値解析プログラム上に構築することができる。複雑な地形と構造物の状況が詳細に再現されている。
【００８３】
このようにして解析範囲に、シミュレーション対象範囲とする都市域を詳細な都市モデルとして再現した状態で、ステップＳ３００に示すようにＭＡＲＳ法の解析プログラムを用いて、かかる都市域の周辺域に存在する河川の増水に基づく氾濫による洪水が、この都市域でどのような状況を呈するかシミュレーションすることとなる。
【００８４】
ステップＳ３００でＭＡＲＳ法の解析プログラムによる数値解析では、次のようにして数値計算を行う。すなわち、解析範囲に設定した個々の計算格子における解析領域の外縁の境界に、それぞれの条件にあった流速を与える。例えば、風波や津波等の波浪の場合には、波の周期、波高や境界部分の水深等から得られた流速を各時間間隔毎に計算して入力する。洪水の場合には、計算条件として、与えたい各時刻毎の水位と現在の水位の差から、必要な流速を与える等の方法で処理すればよい。
【００８５】
図１７は、ＭＡＲＳ法を用いた数値解析に際して、計算格子上に、ステップＳ２００で地形立体情報、構造物立体情報を読み込み、統合した都市域の都市モデルの再現状況を示している。因みに、図１７に示す場合には、設定した格子点数は約１００万で、構造物は図１２に示す実際の高さに比例した高さ表示を行う立体表示を採用している。
【００８６】
各計算格子内の流速は、計算格子への流入、流出速度を、質量の保存に関する連続式とエネルギー保存式とから得られる連立方程式をコンピュータの演算処理により解法して算出する。特に、自由水面を有する計算格子では、ＶＯＦ値（流体体積率）の算出を行うと共に、エネルギーの保存式では摩擦等の損失も算出する。また、構造物の部分では、ＶＯＳ法を用いて計算格子内のＶＯＳ値（固体体積率）等を用いて、流れの有無を計算する。
【００８７】
計算結果は、図１に示すステップＳ４００で解析結果として、例えば、コンピュータに接続したモニター画面等で表示すればよい。すなわち、必要とする計算時刻における流速、圧力、流体体積率を出力すると共に、それらのデータから、流速、流れの向き、水深等の時間変化や、ある時点での立体的な分布を表示する。表示に際しては、流れの方向を矢印で、流速の大小を色の濃淡等で、同一画面上に表示する等して、氾濫現象の様々な特性を視覚的に確認することができる。
【００８８】
図１８に、このようにして解析したシミュレーションの結果の一例を示した。図１８では、解析対象とする都市域を上方から二次元として、すなわちＸＹ平面として見た様子を示している。実際は色の濃淡で、流速の大小が分かるよう表示されているシミュレーション画面を示したものである。
【００８９】
図１９には、従来方法でシミュレーションした場合を示すものである。図１８とは異なり、建物の外縁を示す形状が凸凹で、前記説明の図２６（ｂ）に示すように、構造物のデフォルメがなされており形状再現性が悪い。
【００９０】
数値解析の結果は、図１８、１９の矢印で示すように流れの方向が示されている。図１８では発生していないような流れが、図１９では発生している。図１８、１９では、建物の形状と共に、流れの様子も全く異なっていることがわかる。計算格子に沿ってデフォルメされた構造物の外壁面に当るため、形状再現性がよく構成された図１８の構造物に当る流れとは全く異質の流れとなるのである。
【００９１】
図２０は、図１７に示した解析範囲上に設定した都市モデルで、紙面右側から津波が押し寄せ氾濫した状況を、３次元的に上方から俯瞰した状況を示すシミュレーション画面を示す図である。
【００９２】
上記説明では、都市域の地表面上における周辺河川の洪水による影響をシミュレーションした場合を例示して説明したが、本発明の適用範囲は、かかる例示に限定されるものではない。例えば、図２１に示すように、都市域の地下街４０への浸水状況をシミュレーションする場合にも適用することができる。近年、局地的な集中豪雨や堤防の決壊による氾濫水害により、地下街へ浸水して死者が出る程の被害が発生しているが、このような被害状況を事前にシミュレーションすることでその対策を行える。図２１に示す場合には、地上部分の構造物は省いた状態で、地下街４０状況を上方から俯瞰した様子を示している。
【００９３】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、地上部分に河川の氾濫等により洪水となった場合に、地形データベースと構造物データベースとからそれぞれ得られたデータを、ＶＯＳモデルで立体表現できるようにデータ変換、データ設定することにより、高精度なシミュレーションを可能とする場合について説明したが、かかる手法は、港湾、海岸等における波浪変形計算をする場合にも十分に使用することができる。
【００９４】
現在使用されている波浪解析の手法としては、例えば、平面的な港湾域の波動を検討する手法として、速度ポテンシャルを水平方向に差分する方法や、水深方向の流速を積分して平面的な流れの変化として差分したものを解く方法が一般的である。
【００９５】
かかる手法では、波浪の入射境界部分からは、水平方向の流速のみを与えて、その流れの伝播を解法するのが一般的である。また、各地点の底面の形状は、計算格子の水深のみが与えられているだけであり、水深方向に流れや圧力等の物理量の離散化も行われていないため、各地点の流れや波浪の伝播は、水深から求められる伝播速度等の違いなどから計算に反映してはいるが、底面の勾配などは考慮されていない。
【００９６】
近年、防波堤の機能を向上させる目的で、エネルギー減衰を発生させるためにスリットや遊水室を持たせるような構造物が多種開発されているが、これらの機能は模型実験によって検証する場合が殆どであり、その効果を平面的な港湾の静穏度解析に取り込むためには、波浪の反射率や流れのエネルギー減衰率を入力して計算するものが殆どである。
【００９７】
一方、鉛直方向にも計算格子を離散化した３次元解析も、最近では多く用いられるようにはなっている。これらの手法では，本発明の従来技術で説明したような、ＶＯＦ法を用いる方法が一般的で、構造物の形状は流体域か非流体域かを入力する方法が一般的であり、図２２に示す場合とは異なり、従来手法では、構造物が格子に関して斜めな形状の場合には、階段状の形状となってしまう。
【００９８】
かかる場合には、構造物に入射した波浪が、格子の軸方向に２方向に分裂して反射してしまうように解析されてしまう。同様に、海底面についても斜面は階段状となる。さらに、これらの形状の解析プログラムへの入力は、これまでの場合には手入力であったり、プリプロセッサを用いてはいるが、海底形状の入力等では、測点の多さや形状の複雑さのために作業が煩雑となると共に、データの作成自体が不可能となってしまうのが現状である。
【００９９】
海水の挙動は、海底における岩礁、地溝等の種々の条件で、大きく異なる。かかる海底の地形状況は、超音波測深等を使用した深浅測量データベースを用いることで、前記実施の形態１で示した要領で、計算格子に規制されない立体表現とすることができる。勿論、使用する立体モデルとしては、ＶＯＳモデルを使用することができる。今日、各港湾の海底条件はデジタルデータベース化されており、本発明を用いることによって、かかる地形立体情報の作成が極めて容易になる。
【０１００】
また、港湾等の人工的な構造物がある場所では、かかる構造物に波がどのようにして衝突するかにより、波浪伝播の挙動は大きく変わる。これまでの波浪解析では、堤防や防波堤等の構造物は、前記実施の形態でも述べたように、流体解析に使用する解析格子に斜行する場合は、デフォルメされて、実際の状況を正確に再現することができなかった。港湾等のように防波堤等の構造物が集中している箇所では、かかるデフォルメの影響が大きく、外洋での波浪解析とは異なり、精度が著しく劣っていた。
【０１０１】
しかし、本発明を適用することで、図２２に示すように、計算格子に斜行する防波堤５１、埠頭５２等を、斜行した状態で表現することができ、波浪解析の精度を向上させることができる。
【０１０２】
すなわち、地上の地形と同様に海底地形を海図や水路図等のデータベースから入手した等深浅図を用い、防波堤などの構造物に関しては、ビル等の構造物と同じように解析プログラム内に入力することが、詳細にかつ容易に行うことができる。
【０１０３】
さらに、水深方向に離散化しているため計算精度の向上が図れるばかりでなく、近年、構造物前面での波浪の反射を低減するためや海水交換を向上させるために用いられている図２３に示すようなスリット状の構造物や遊水室を有するような構造物に関しても解析が可能である。
【０１０４】
因みに、図２３に示すスリットケーソンは、通常の波浪に対して、低反射機能を有し、消波ブロック式の防波堤と変わらない機能を有している。設計波に対する滑動限界重量が不透過式スリットケーソンに比べて小さくでき、各部材にも大きな衝撃波圧は発生せず大きな波浪に対応した耐波性能を有する。また、防波堤が透過部を有するために、不透過式スリットケーソンと比べて海水交換が期待でき、港内の水質環境に適した構造である。
【０１０５】
さらには、コスト的にも、不透過式スリットケーソンや消波ブロック式に比べて、建設費を縮減できる等のメリットもある。
【０１０６】
このように機能的にも建設コスト的にも優れたスリットケーソンは、今後、益々各地の港湾部等でその採用が期待されるが、その採用に際しては個々の構築環境に適した条件での設計が求められ、精度の高い流体解析が必要となる。不透過式スリットケーソンに比べて構造が複雑であるため、その分、これまでの流体解析の手法では正確な流体解析が難しかったが、本発明を適用することで、精度の高い解析を容易に行うことができるようになった。
【０１０７】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で必要に応じて変更してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、流体としての水の挙動を調べる必要のある分野、例えば、洪水、津波、高潮、波浪などのシミュレーション解析分野で有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施の形態における水流体シミュレーション方法の手順の一例を示すフロー図である。
【図２】ＤＥＭデータを例示する説明図である。
【図３】ＶＯＳモデルで使用する立体モデルを例示する説明図である。
【図４】地形データの変換例を示す説明図である。
【図５】データ設定例を示す説明図である。
【図６】ＶＯＳモデルを用いることにより、計算格子座標系とデータ座標系とが一致しない場合でも斜行部分を斜行の状態で示す立体表示が可能であることを示す説明図である。
【図７】ＣＡＤデータを用いて構造物の輪郭線を示す場合を例示する説明図である。
【図８】構造物データの変換例を示す説明図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）構造物の立体形状を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）はデータ設定例を示す説明図である。
【図１１】データ設定例を示す説明図である。
【図１２】ＶＯＳモデルで使用する構造物の立体モデルを例示する説明図である。
【図１３】ＶＯＳモデルで使用する構造物の立体モデルの変形例を例示する説明図である。
【図１４】地形立体情報と構造物立体情報とを統合して構成する都市モデルを例示する説明図である。
【図１５】（ａ）ＶＯＳモデルを解析する説明図であり、（ｂ）は（ａ）に示す構成の計算格子上に存在する状況を示す説明図である。
【図１６】（ａ）は従来法により再現した構造物での流れ状況を、（ｂ）はＶＯＳモデルにより再現した構造物での流れの状況をそれぞれ示す説明図である。
【図１７】流体解析を実行する解析範囲に計算格子上に再現した都市モデルの状況を示す説明図である。
【図１８】水流体シミュレーションにおけるシミュレーション画面の一部を示す説明図である。
【図１９】従来の水流体シミュレーションにおけるシミュレーション画面の一部を示す説明図である。
【図２０】本発明を適用した水流体シミュレーション方法における都市域での氾濫状況を３次元シミュレーション画面で示す説明図である。
【図２１】本発明を適用した水流体シミュレーション方法における地下街での浸水状況を３次元シミュレーション画面で示す説明図である。
【図２２】本発明を適用した港湾部における波浪解析のシミュレーション画面の一部を示す説明図である。
【図２３】両面スリットケーソン防波堤を例示する説明図である。
【図２４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来法による地形データの作成手順を示す説明図である。
【図２５】従来の地形表現方法を示す説明図である。
【図２６】（ａ）は計算格子上に仮想的に示す実際の構造物配置状況を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）に示す構造物の配置状況を従来の方法で示した説明図であり、（ｃ）はＶＯＳモデルで示した配置状況を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０      デジタイザ
１１      立体
１２      立体
１３      立体
１４      立体
２０      立体モデル
２０ａ    柱体
２１      標高表示点
２２      標高表示点
２３      標高表示点
２４      標高表示点
３１      構造物
３２      構造物
３３      構造物
３４      構造物
３５      構造物
３５ａ    凸構造部
４０      地下街
５１      防波堤
５２      埠頭
Ａ        構造物
ａ        構造物
ＤＢ１    地形データベース
ＤＢ２    構造物データベース
Ｓ１      基準平面
Ｓ２      面
【図１】
2005115701.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005115701.tif 000009
【図１０】
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【図１１】
2005115701.tif 000011
【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
2005115701.tif 000015
【図２４】
2005115701.tif 000016
【図２６】
2005115701.tif 000017
【図３】
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【図６】
2005115701.tif 000019
【図１４】
2005115701.tif 000020
【図１７】
2005115701.tif 000021
【図１８】
2005115701.tif 000022
【図１９】
2005115701.tif 000023
【図２０】
2005115701.tif 000024
【図２１】
2005115701.tif 000025
【図２２】
2005115701.tif 000026
【図２３】
2005115701.tif 000027
【図２５】
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