以下に、本発明に係る落雷シミュレーシ� ��ン装置の各実施形態について、図面を参照� ��て説明する。

〔第1の実施形態〕
 図1は、本発明の第1の実施形態に係る落雷� �ミュレーション装置の概略構成を示したブ� �ック図である。
 図1に示すように、本実施形態に係る落雷シ ミュレーション装置10は、コンピュータシス� ��ム(計算機システム)であり、CPU(中央演算処� ��装置)1、RAM(Random AccessMemory)などの主記憶装� ��2、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard DiskDrive)など� �補助記憶装置3、キーボードやマウスなどの� ��力装置4、及びモニタやプリンタなどの出力 装置5などを備えて構成されている。
 補助記憶装置3には、各種プログラムが格納 されており、CPU1が補助記憶装置3からRAMなど� ��主記憶装置2にプログラムを読み出し、実行 することにより種々の処理を実現させる。

 図2は、落雷シミュレーション装置10が備� ��る機能を展開して示した機能ブロック図で� ��る。図2に示されるように、落雷シミュレー ション装置10は、記憶装置(記憶部)11、設定部 12(設定部)、下向きリーダ進展部13、上向きリ ーダ進展部14、及び落雷地点認定部15を備え� �いる。

 記憶装置11には、落雷シミュレーション� �行う際に必要となる各種データが格納され� �いる。例えば、その一つとして落雷データ� �あげられる。落雷データは、自然界におい� �発生した落雷の統計データに基づいて作成� �れたものであり、例えば、どのような大き� �の雷が、どの程度の頻度で発生し、どの方� �に進展させやすいかを示したデータである� �具体的には、図3に示すような雷電流波高値( kA)、発生頻度(%)、及び累計(%)が対応付けられ た雷電流波高値の頻度分布や、図4に示すよ� �な下向きリーダの進展垂直角の頻度分布が� �雷データの一部として記憶装置11に格納され ている。

 設定部12は、図5に示すように、3次元で表さ れるシミュレーション空間に、シミュレーシ ョン対象となる風車並びにその風車の周辺地 形に関する三次元座標を設定するとともに、 これらのシミュレーション空間に少なくとも 1つの落雷候補点P0-P8及び1つの基準点を設定� �る。さらに、設定部12は、落雷開始位置並び に雷電流波高値を設定する。本実施形態では 、基準点として落雷候補点P0を設定したが、� ��準点と落雷候補点とは必ずしも一致してい� ��くてもよい。
 上記風車並びに風車の周辺地形に関する三� ��元座標及び落雷候補点P0-P8については、例� �ば、シミュレーションを行うにあたり、図2� ��入力装置4からユーザによって入力される三 次元データを元に設定されるものであっても よいし、また、記憶装置11に予め記憶されて� ��る場合には、これらの記憶装置11から読み� �して設定することとしてもよい。

 また、落雷開始位置及び雷電流波高値につ� ��ては、図2の入力装置4からユーザによって� �力されたこれらのデータを設定してもよい� �、記憶装置11に格納されている落雷データを 元にモンテカルロ法等を用いて統計的に設定 することとしてもよい。例えば、モンテカル ロ法とは、乱数を用いたシミュレーションを 何度も行うことにより近似解を求める計算手 法である。設定部12は、例えば、図3に示した 雷電流波高値の頻度分布を元に、モンテカル ロ法を用いて雷電流波高値を設定する。この ように、記憶装置11に格納されている自然界� ��おいて実際に発生した落雷の統計データを� ��に、モンテカルロ法等の統計的手法を用い� ��ことで落雷開始位置および雷電流波高値を� ��定することで、自然界における傾向を反映� ��せることが可能となり、より現実に即した� ��れらの初期データを与えることができる。� ��れにより、シミュレーション精度の更なる� ��上を図ることができる。
 なお、落雷開始位置及び雷電流波高値のい� ��れか一方を記憶装置11に格納されている落� �データから設定し、他方を入力装置4から入� ��されたデータに基づいて設定することとし� ��もよい。

 下向きリーダ進展部13は、設定部12によって 設定された落雷開始位置から下向きリーダを 進展させる。下向きリーダ進展部13は、記憶� ��置11に格納されている落雷データ、例えば� �図4に示した下向きリーダの進展垂直角の頻� ��分布に基づいて発生確率に重み付けをし、� ��ンテカルロ法等の確率統計論を用いて下向� ��リーダを進展させる。
 具体的には、下向きリーダ進展部13は、以� �の(1)式に基づいて下向きリーダのステップ� �Lsを求めるとともに、下向きリーダの進展垂 直角φ及び進展水平角θを図4に示される下向� ��リーダの進展垂直角の頻度分布に基づき乱� ��によって決定する。

 Ls=a×I ^b ×Kl   (1)

 上記(1)式において、a、bは任意に設定され� �定数であり、Klは任意に設定される補正係数 、Iは設定部12によって設定された雷電流波高 値である。下向きリーダ進展部13は、図6に示 すように、進展させた下向きリーダの先端と シミュレーション対象である風車に設定され ている基準点P0との距離が第1閾値Rs以下とな� ��まで、下向きリーダの進展を繰り返し行う� ��
 第1閾値Rsは、任意に設定されるものであり� ��例えば、入力装置4からユーザが入力するこ とも可能であるし、また、規定値として予め 記憶装置11に格納されていてもよい。また、� ��1閾値Rsは、以下に示す(2)に基づいて決定さ� ��てもよい。

 Rs=c×I ^d ×Ks   (2)

 上記(2)式において、c、dは任意に設定さ� �る定数であり、Ksは任意に設定される補正係 数、Iは設定部12によって設定された雷電流波 高値である。

 上向きリーダ進展部14は、下向きリーダの� �端とシミュレーション対象に設定されてい� �基準点P0との距離が第1閾値Rs以内となった場 合に、設定部12によって設定された各落雷候� ��点P0-P8から上向きリーダを進展させる(図7参 照)。
 上向きリーダ進展部14は、以下の(3)式に基� �いて各落雷候補点から進展させる上向きリ� �ダを決定する。

 Lup=e×I ^g ×Kup(i)   (3)

 上記(3)式において、e、gは任意に設定さ� �る定数であり、Iは設定部12によって設定さ� �た雷電流波高値であり、Kup(i)は、i番目の落� ��候補点Piの補正係数である。つまり、補正� �数Kupは、落雷候補点毎にそれぞれ設定され� �いる値であり、かつ、各落雷候補点が設定� �れている部位の着雷傾向が反映されている� �例えば、落雷候補点が絶縁物上に設定され� �いた場合には、補正係数Kup(i)が相対的に低� �設定され、落雷候補点が金属上に設定され� �いた場合には、補正係数Kup(i)が相対的に高� �設定される。また、落雷候補点が金属上に� �定されているが絶縁体によって覆われてい� �場合には、相対的に低く設定される。

 このように、各落雷候補点の着雷傾向を� ��正係数Kupに反映させることにより、シミュ� ��ーションの精度を高めることが可能となる� ��上向きリーダの進展垂直角φ及び進展水平� �θについては、例えば、落雷候補点毎に角度 範囲(例えば、±5deg)を決めておき、この範囲� ��でランダムに決定することとすればよい。� ��た、上述した下向きリーダと同様に、落雷� ��補点毎に、上向きリーダの進展垂直角の頻� ��分布をシミュレーション等により予め設定� ��ておき、この頻度分布に基づき乱数によっ� ��決定することとしてもよい。

 上向きリーダ進展部14は、図8に示すように� ��下向きリーダの先端といずれかの落雷候補� ��から進展させた上向きリーダの先端との距� ��が第2閾値Rth以下となるまで、上向きリーダ の進展を繰り返し行う。
 第2閾値Rthは、任意に決定される値であり、 例えば、以下の(4)に示すように、各落雷候補 点に対してそれぞれ設定されていてもよい。

 Rth=Ls+Lup(i)   (4)

 ここで、Lsは下向きリーダの最後のステ� �プ長、Lup(i)は、各落雷候補点から進展され� �上向きリーダの最新のステップ長である。

 落雷地点認定部15は、上向きリーダ進展� �14によって進展された上向きリーダの先端と 下向きリーダの先端との距離が第2閾値Rth以� �となった場合に、その上向きリーダに対応� �る落雷候補点を落雷地点として認定し、認� �結果を出力する。

 落雷地点認定部15から出力された落雷地� �は、例えば、落雷シミュレーション装置10が 備えるディスプレイ等の出力装置5(図2参照)� �表示されるとともに、シミュレーション結� �として、補助記憶装置3或いは外部記憶装置( 図示略)に記憶される。このとき、シミュレ� �ション結果として得られた落雷地点は、そ� �シミュレーション結果が得られたときの条� �、例えば、設定部12によって設定された落雷 候補点の座標データ、雷電流波高値I、落雷� �始地点の座標値、各下向きリーダ及び上向� �リーダのそれぞれの座標値等、今回のシミ� �レーションにおいて設定された初期条件デ� �タ並びに今回のシミュレーションの処理過� �によって得られた各種データと対応付けら� �て記憶される。

 次に、上述した落雷シミュレーション装置1 0が備える各部において実行される処理内容� �ついて図9を参照して説明する。なお、図2に 示した各部により実現される後述の各種処理 は、図1に示したCPU1が補助記憶装置3に記憶さ れている落雷シミュレーションプログラムを 主記憶装置2に読み出して実行することによ� �実現されるものである。
 また、本実施形態では、上述のように、風� ��をシミュレーション対象とした場合を例示� ��て説明する。

 まず、設定部12によって、初期条件の設� �が行われる(図9のステップSA1)。具体的には� �3次元で表されるシミュレーション空間に、� ��ミュレーション対象となる風車並びに、そ� ��風車の周辺地形に関する三次元座標が設定� ��れるとともに、これらのシミュレーション� ��間に落雷候補点P0-P8が設定される。更に、� �雷開始位置、雷電流波高値、及び基準点が� �定される。

 初期条件が設定されると、下向きリーダ� ��展部13によって、落雷開始位置から下向き� �ーダが進展される(ステップSA2)。下向きリー ダが1回進展される毎に、進展された下向き� �ーダの先端と基準点との距離L1が第1閾値Rs以 下であるか否かが判定され(ステップSA3)、第1 閾値Rsよりも大きければステップSA2に戻り、� ��向きリーダの進展が再度行われる。一方、� ��テップSA3において、進展された下向きリー� ��の先端と基準点との距離L1が第1閾値Rs以下� �あった場合には、下向きリーダの進展が停� �され、上向きリーダ進展部14による上向きリ ーダの進展が開始される(ステップSA4)。これ� ��より、各落雷候補点P0-P8から上向きリーダ� �それぞれ進展される。

 上向きリーダが各落雷候補点P0-P8におい� �1回進展される毎に、進展された各上向きリ� ��ダの先端と下向きリーダの先端との距離L2� �第2閾値Rth以下であるか否かがそれぞれ判定� ��れ(ステップSA5)、全ての落雷候補点におい� �、上記距離が第2閾値Rthよりも大きければス� ��ップSA4に戻り、上向きリーダの進展が各落� ��候補点P0-P8において再度行われる。一方、� �テップSA5において、いずれかの上向きリー� �の先端と下向きリーダの先端との距離L2が第 2閾値Rth以下であった場合には、上向きリー� �の進展が停止されるとともに、落雷地点認� �部15により、第2閾値Rthとなった上向きリー� �に対応する落雷候補点が落雷地点として認� �され、認定結果が出力される(ステップSA6)。 この結果、シミュレーション結果がディスプ レイ等の出力装置5(図1参照)に表示されると� �もに、シミュレーション結果として、補助� �憶装置3或いは外部記憶装置に記憶される。� ��10に、本実施形態に係るシミュレーション� �果を集計して表したシミュレーション集計� �果の一例を示す。

 以上説明してきたように、本実施形態に係� ��シミュレーション装置、方法及びプログラ� ��によれば、記憶装置11に格納されている自� �界において収集された生データに基づいて� �成された落雷データを元に落雷シミュレー� �ョンを行うので、現実に即した精度の高い� �ミュレーション結果を得ることが可能とな� �。
 また、落雷候補点毎に補正係数を設定する� ��とにより、上向きリーダの進展に際し、各� ��雷候補点が設定されている部位の落雷傾向� ��反映させることが可能となる。これにより� ��各落雷候補点の落雷傾向をシミュレーショ� ��結果に反映させることが可能となる。

 このような本実施形態に係る落雷シミュレ� ��ション装置の用途としては、例えば、複数� ��落雷候補点のうち、その一部に避雷針を設� ��した場合を想定し、この条件下において上� ��の落雷シミュレーションを行い、避雷針を� ��定した落雷候補点への落雷頻度(落雷補足率 )を確認することで、避雷針の設置位置が最� �であるか否かを検証することが一例として� �げられる。
 また、上記シミュレーション結果をタグチ� ��ソッド等の公知の最適化手法の入力パラメ� ��タとして用いて最適化処理を行うことによ� ��、シミュレーション空間、或いは、シミュ� ��ーション対象における避雷針等の最適配置� ��置を得ることとも可能である。

 なお、本実施形態においては、シミュレー� ��ョン対象である風車上にのみ落雷候補点を� ��定したが、これに代えて、シミュレーショ� ��空間に周辺の地形、周辺に構造物が配置さ� ��ている場合には、これらの構造物や地面に� ��しても落雷候補点を設定してもよい。この� ��うに、シミュレーション対象となる風車だ� ��ではなく、その周辺も考慮することにより� ��周辺に落雷が発生する確率についても求め� ��ことが可能となる。
 特に、複数の風車が一定の領域に建造され� ��いるウィンドファーム等では、各風車に対� ��て避雷針を設定するのに代えて、ウィンド� ��ァーム内に避雷鉄塔を建設する場合も考え� ��れる。このような場合には、ウィンドファ� ��ム内に設置されている複数の風車や避雷鉄� ��に落雷候補点を設定することにより、ウィ� ��ドファーム一帯における落雷の状況を把握� ��ることが可能となる。

〔第2の実施形態〕
 次に、本発明の第2の実施形態について、説 明する。
 例えば、季節、地形等のさまざまな要因に� ��り、落雷傾向は異なる。したがって、落雷� ��向に影響を及ぼす影響因子を落雷データに� ��応付けて記憶装置11に記憶しておき、シミ� �レーション実行時においては、シミュレー� �ョンを行いたい条件(例えば、季節は夏、場� ��はX市等)に該当する影響因子に対応付けら� �ている落雷データを記憶装置11から読み出し 、これらの落雷データを用いて上記シミュレ ーションを行う。影響因子としては、例えば 、季節、極性比率、雷放電継続時間、多重雷 発生確率、雷雲高度、雷雲襲来方向、大地落 雷密度、年間雷雨日数等が挙げられる。

 具体的には、図3に示したような雷電流波 高値の頻度分布や図4に示したような下向き� �ーダの進展垂直角の頻度分布を、季節、地� �等の影響因子毎に作成し、これらを記憶装� �11に格納する。シミュレーション開始時にお いて、入力装置4(図2参照)等からシミュレー� �ョンの条件、例えば、「夏」、「X市」等の� ��響因子を特定する情報が入力された場合に� ��、設定部12、下向きリーダ進展部13、上向き リーダ進展部14は、指定された影響因子で特� ��される落雷データを記憶装置11から読み出� �、読み出した落雷データを用いて上述と同� �の設定処理や下向きリーダの進展、上向き� �ーダの進展を行う。

 このように、シミュレーションの条件に� ��づいて落雷傾向に影響を与える影響因子を� ��定し、この影響因子に該当する落雷データ� ��みを用いて落雷シミュレーションを行うこ� ��により、シミュレーションの精度を更に向� ��させることが可能となる。

〔第3の実施形態〕
 次に、本発明の第3の実施形態に係る落雷シ ミュレーション装置について説明する。
 本実施形態においては、上向きリーダを進� ��させる場合に用いる上記補正係数Kup(i)を最� ��化計算手法を用いて最適化する。
 具体的には、上述した第1の実施形態に係る 落雷シミュレーションを所定回数、繰り返し て行い、各落雷候補点の落雷補足率を求める 。そして、この落雷補足率を最適化計算の初 期値として与え、落雷確率を文献値に合わせ 込むような補正係数を落雷候補点毎に求める 。このように、補正係数を最適化することに より、落雷シミュレーションの精度を更に高 めることが可能となる。

 また、上記最適化計算を行う際に、落雷� ��向に影響を与える要因である地形及び周辺� ��境、例えば、地形(例えば、陸上、海上等)� �風条件、標高、周囲の地形の起伏、風車の� �状・配置、独立避雷鉄塔の形状及び配置、� �囲の構造物の形状及び配置、風車翼表面状� �(塩分汚損状態、水滴付着、氷結等)、土壌の 抵抗率、各種設備の設置抵抗等をパラメータ として与えるとよい。

 以上、本発明の実施形態について図面を� ��照して詳述してきたが、具体的な構成はこ� ��実施形態に限られるものではなく、本発明� ��要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含ま� ��る。