JP4879863B2

JP4879863B2 - 粉塵の大気中拡散シミュレーション装置、方法及びプログラム

Info

Publication number: JP4879863B2
Application number: JP2007275610A
Authority: JP
Inventors: 義博山田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-10-23
Also published as: JP2009103580A

Description

本発明は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置、方法及びプログラムに関し、特に、煙突を有する工場や石炭貯蔵場の大気中への粉塵の拡散を精度良く、安価に求めるものに関する。

工場や石炭貯蔵場から拡散する粉塵は、その周辺地域の洗濯物や自動車等を汚す等のトラブルを生じさせるため、粉塵の拡散を監視し、その量を最小限度に抑えることは必要不可欠である。そこで、従来は、周辺地域への粉塵の拡散状況を監視する場合、粉塵拡散量測定装置を多数設置し、その計測値によって監視を行っていた。

また、特許文献１には、数値シミュレーションを利用することにより、粉塵拡散量測定点の数を減らし、粉塵の拡散を監視する装置が開示されている。図１２に示すように、Pasquill安定度段階分類表（表１を参照）を用いて、風速、日射量等から、安定度段階分類Ａ〜Ｇを求める。そして、安定度段階分類Ａ〜Ｇと粉塵の発生源からの距離を用いて、Pasquill-Gifford線図（図１３、図１４を参照）から、拡散幅の垂直成分σｚ及び拡散幅の水平成分σｙを求める。その後、求めた拡散幅と測定した粉塵拡散量、風向等の測定から数値解析により粉塵の拡散分布を求めている。

さらに、特許文献２には、画像間相関解析による噴煙の監視方法が開示されている。特許文献３には、音波による煙の監視方法が開示されている。特許文献４には、バルーンを用いた写真計測方法が開示されている。

特開平２−６４４３７号公報特開２００２−９０４７１号公報特開昭５８−１３５９５６号公報特開平８−１６６４００号公報

しかしながら、多数の粉塵拡散量測定装置により拡散状況を監視する従来の方法は、監視精度を向上させるためには比較的高価な測定装置の数を増加させなければならず、経済性が悪いという問題点がある。また、計測点以外の拡散状況は、計測点のデータから補間するしかなかった。

また、特許文献１に開示されているシミュレーションによる方法では、気象条件の観測値から求めるPasquill安定度段階分類として７段階しかなく、また、実態に合わないこともあり、数値シミュレーションの解析精度が悪いという問題があった。例えば、晴天の正午過ぎの凪の時間帯では、日射量が多く、Pasquill安定度分類のカテゴリーはＡ，Ｂとなり、Pasquill-Gifford線図を見ると、拡散幅の水平成分σｙは大きな値を示す。ところが、実現象を観察すると、煙は上昇するだけで、拡散幅の水平成分σｙは小さいという不一致が生じている。

さらに、特許文献２に開示されている画像間相関解析による噴煙の監視方法では、拡散係数が求まらず、粉塵拡散シミュレーションを行えなかった。特許文献３に開示されている音波による煙の監視方法、及び、特許文献４に開示されているバルーンを用いた写真計測方法でも、拡散係数が求まらず、粉塵拡散シミュレーションを行えず、コストが高くなってしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、粉塵の大気中の拡散幅と拡散係数を精度良く、低コストで求められるようにし、粉塵の大気中への拡散のシミュレーション精度を向上させることを目的とする。

本発明の粉塵の大気中拡散シミュレーション装置は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置であって、定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する手段と、前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成する手段と、前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求める手段と、前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求める手段と、前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の粉塵の大気中拡散シミュレーション方法は、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法であって、定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録するステップと、前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成するステップと、前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求めるステップと、前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求めるステップと、前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションするステップとを有することを特徴とする。
本発明のプログラムは、粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーションを行うためのプログラムであって、定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する手段と、前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成する手段と、前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求める手段と、前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求める手段と、前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段としてコンピュータを機能させる。

本発明によれば、粉塵の大気中の拡散幅と拡散係数を精度良く、低コストで求めらることができ、粉塵の大気中への拡散シミュレーションの精度を向上させることができる。これにより、粉塵拡散の抑制対策のアクションを早く実行でき、周辺地域に拡散する粉塵の量を抑制する等の環境改善を促進させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置の機能構成を示す。大気中拡散シミュレーション装置１００には、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像（連続画像）を記録するためのカメラ２００が接続する。なお、図１ではカメラ２００は１台しか図示していないが、複数台あってもよい。また、図２に、本実施形態における粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法のフローチャートを示す。

記録部１０１は、定置した１台以上のカメラ２００を用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する（図２のステップＳ１０１）。ここでは、煙突からの煙を撮影した画像を所定の時間間隔（例えば一定時間間隔）で連続的に記録する。

パワー画像生成部１０２は、記録部１０１で記録された時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成する（図２のステップＳ１０２）。

拡散幅演算部１０３は、パワー画像生成部１０２で生成されたパワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲からパワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラ２００と煙の配置関係から観測点（所定の地点）での拡散幅を求める（図２のステップＳ１０３）。

拡散幅・拡散係数演算部１０４は、拡散幅演算部１０３で求められた観測点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点（任意の地点）での拡散幅と拡散係数を求める（図２のステップＳ１０４）。

シミュレーション部１０５は、拡散幅・拡散係数演算部１０４で求められたシミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速、発塵強度、発塵強度測定地点の位置情報を用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする（図２のステップＳ１０５）。

以下、上記各ステップの詳細を説明する。図３に示すように、煙突からの煙の画像は時間と共に変化するので、定置した１台以上のカメラ２００を用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する。なお、図３は、カメラ２００で撮影された時系列画像（写真）を図示化したものである。

図４に示すように、時系列画像１の同一画素座標（ｘ，ｙ）での時間方向の輝度ｐ（ｘ，ｙ，ｉ）を（１）式を用いてフーリエ変換して、該画素座標（ｘ，ｙ）でのパワーＥ_p（ｘ，ｙ）を求める。２Ｎは積分画像数である。ｉは連続画像の番号で、０から２Ｎ−１とする。なお、図４において、２は連続画像の同一画素座標の時間方向の輝度の時系列を表わす。

画素座標（ｘ，ｙ）でのパワーＥ_p（ｘ，ｙ）を画面表示したものをパワー画像と定義する。図５は、パワー画像上の拡散幅σｉの観測方法を説明するための図である。なお、図５は、画面表示されている画像を図示化にしたものである。また、図６は、風向が分かっているときのカメラ２００、煙突、観測点ｍの配置関係を示す平面図である。画素座標（ｘ，ｙ）でのパワーＥ_p（ｘ，ｙ）は、煙と煙以外では大きく異なり、ここでは、画素座標（ｘ，ｙ）でのパワーＥ_p（ｘ，ｙ）の最大値の１／１０以上の範囲を煙の存在範囲とする。

上記のようにして求めた煙の幅を測定し、パワー画像上の拡散幅σｉとする。風向が分かっている場合、図６に示すように、風向、煙突から観測点ｍまでの実距離Ｘ´、カメラ２００から煙突までの実距離ａから、カメラ２００から観測点ｍまでの実距離ｂを算出することができる。図５において、基準長さ（例えば既知の煙突の高さ）Ｌを用いて、パワー画像上での基準長さＬｉとパワー画像上での拡散幅σｉとから縮尺を考慮して、観測点ｍでの拡散幅σｚ´を（２）式で求める。そして、（３）式でシミュレーションを実施する地点での拡散幅σｚに変換する。また、（４）式で拡散係数Ｋを求める。なお、ｕは煙突に向かって吹く風の風速である。

このようにして求めたシミュレーションを実施する地点での拡散幅σｚ、拡散係数Ｋ、風向、風速ｕ、測定した発塵強度（粉塵拡散量）、発塵強度観測点の位置情報を用いて数値解析により粉塵の拡散分布をシミュレーションして求める。

以上のように、気象条件の観測値と煙突からの煙の時系列画像から直接拡散係数の関係を求めることができる。これにより、気象条件の観測値と拡散幅の関係が７段階の大気安定度カテゴリー以上に細かくかつ定量的に求められ、粉塵の大気中への拡散シミュレーション精度を向上させることが可能になる。

（実施例）
本発明の実施例を説明する。まず、定置した１台以上のカメラ２００を用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する。そして、時系列画像の同一画素座標（ｘ，ｙ）での時間方向の輝度ｐ（ｘ，ｙ，ｉ）を（１）式を用いてフーリエ変換して、該画素座標（ｘ，ｙ）でのパワーＥ_p（ｘ，ｙ）を求め、図７に示すように、パワー画像を求める。なお、図７は、画面表示されている画像を図示化にしたものである。ここで、時間刻みは１秒、積分画像数２Ｎ＝２５６枚とした。

風速ｕが図８に示すように、風向が図９に示すように変化する場合、拡散幅観測方向を煙の風下方向に１方向決めると、所定の地点は、図６のｍ点となる。基準長さＬ＝３０ｍ、カメラ２００から煙突までの実距離ａ＝１００ｍ（図６を参照）等を予め調べておけば、図６を参照して、煙突から観測点ｍまでの実距離Ｘ´、カメラ２００から観測点ｍまでの実距離ｂは一意的に求めることができる。

図５において、基準長さＬを用いて、写真から縮尺を考慮して（２）式で観測点ｍでの拡散幅σｚ´を求める。そして、（３）式でＸ＝１００[ｍ]等での拡散幅σｚに変換する。また、（４）式で拡散係数Ｋを求める。

図１０に、本発明を適用した手法により求めた粉塵発生源（煙突）から１００ｍｍ地点での拡散幅の時系列を示し、従来のPasquill-Gifford線図での拡散幅のオーダーと比較した。両方を比較すると値は同じオーダーである。しかし、従来法は離散的に変化するのに対して、本発明を適用した手法では、時系列に連続して変化していることがわかる。この結果からも、気象条件の観測値と拡散幅の関係が７段階の大気安定度カテゴリー以上に細かくかつ定量的に求められ、粉塵の大気中への拡散シミュレーション精度を向上させることができることがわかる。

図１１には、本発明の大気中拡散シミュレーション装置として機能しうるコンピュータのハードウェア構成例を示す。コンピュータは、装置全体を制御する中央処理装置であるＣＰＵ５１、各種入力条件や解析結果等を表示する表示部５２、解析結果等を保存するハードディスク等の記憶部５３を有する。また、制御プログラム、各種アプリケーションプログラム、データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリ）５４を有する。また、上記制御プログラムに基づいてＣＰＵ５１が各部を制御しながら処理を行うときに用いる作業領域であるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５５、及びキーボード、マウス等の入力部５６等から構成されている。

なお、本発明の目的は、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給することによっても達成される。この場合、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行する。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、プログラムコード自体及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。

本実施形態における粉塵の大気中拡散シミュレーション装置の機能構成を示す図である。本実施形態における粉塵の大気中拡散シミュレーション方法のフローチャートである。煙突からの煙の時系列画像を示す図である。時系列画像の概念を示す図である。パワー画像上の拡散幅σｉの観測方法を説明するための図である。風向が分かっているときのカメラ、煙突、観測点の配置関係を示す平面図である。パワー画像の例を示す図である。煙突に向かって吹く風の風速ｕの時系列を示す特性図である。風向の変化を示す図である。本発明と従来法との比較を説明するための図であり、垂直拡散幅の時系列を示す特性図である。本発明の大気中拡散シミュレーション装置として機能しうるコンピュータのハードウェア構成例を示す図である。 Pasquill-Gifford線図を用いた手法による大気中拡散シミュレーションを説明するための図である。 Pasquill-Gifford線図における拡散幅の水平成分の特性図である。 Pasquill-Gifford線図における拡散幅の垂直成分の特性図である。

符号の説明

１００大気中拡散シミュレーション装置
１０１記録部
１０２パワー画像生成部
１０３拡散幅演算部
１０４拡散幅・拡散係数演算部
１０５シミュレーション部
２００カメラ

Claims

粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション装置であって、
定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する手段と、
前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成する手段と、
前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求める手段と、
前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求める手段と、
前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段とを備えたことを特徴とする粉塵の大気中拡散シミュレーション装置。
粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーション方法であって、
定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録するステップと、
前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成するステップと、
前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求めるステップと、
前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求めるステップと、
前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションするステップとを有することを特徴とする粉塵の大気中拡散シミュレーション方法。
粉塵の大気中への拡散を求めるための粉塵の大気中拡散シミュレーションを行うためのプログラムであって、
定置した１台以上のカメラを用いて、観測対象地域に存在する煙突からの煙の時系列画像を記録する手段と、
前記時系列画像の同一画素座標毎の時間方向の輝度をフーリエ変換してパワー画像を生成する手段と、
前記パワー画像から煙の存在範囲を求め、該煙の存在範囲から前記パワー画像上の拡散幅を求め、風向とカメラと煙の配置関係から所定の地点での拡散幅を求める手段と、
前記所定の地点での拡散幅からシミュレーションを実施する地点での拡散幅と拡散係数を求める手段と、
前記シミュレーションを実施する地点での拡散幅、拡散係数、風向、風速を少なくとも用いて数値解析により粉塵の拡散をシミュレーションする手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。