【Pythonで物理シミュレーション】洗濯物が乾く時間を予測する！動的シミュレーター開発記

こんにちは、Tech Samuraiです！
前回の記事「【Pythonで環境シミュレーション】絶対湿度からエアコンの除湿能力まで計算するツールを作った話」では、部屋の湿度を計算するツールを開発しました。今回は、そのプロジェクトをさらに進化させます。

以前作成した計算ロジックを**「計算エンジン」**として再利用し、「この環境で、この洗濯物はあとどれくらいで乾くのか？」という未来を予測する、動的な「洗濯物乾燥シミュレーター」を開発しました。

この記事では、静的な「計算ツール」から、時間の経過と共に状態が変化する「動的シミュレーター」へと、どのようにプログラムを発展させていったのか、その設計思想と実装の裏側を詳しく探検します。

1. 基本構想：計算ツールを「部品」として再利用する

今回のプロジェクトの核心は、前回作成した湿度計算のロジックを、再利用可能な「部品（計算エンジン）」として独立させたことです。

humidity_calculator.py: 前回のスクリプトをリファクタリングし、絶対湿度の計算やエアコン・除湿機の能力計算といった、静的な計算ロジックを関数群としてまとめました。
main.py: シミュレーターの本体です。ユーザーからの入力を受け付け、humidity_calculatorを道具として使いながら、時間の経過と共に変化する部屋の状態を逐次計算し、未来（洗濯物が乾く時間）を予測する役割を担います。

この「ロジックの分離」により、プログラム全体の見通しが良くなり、将来的な機能拡張も容易になります。

2. `config.toml`：シミュレーションの「設計図」

シミュレーションの前提となる物理係数やデフォルト値を、コードから分離するため**設定ファイル方式**を採用しました。今回はINIファイルより高機能な**TOML (Tom’s Obvious, Minimal Language)** を選択しました。

TOMLは、数値、文字列、リスト、そして[circulation_factors]のような階層構造を直感的に記述でき、複雑な設定をINIファイルよりも綺麗に管理できるのが魅力です。

# config.toml の一部
# --- シミュレーション係数 ---
# この値を変えるだけで、全体の乾きやすさをチューニングできる
base_evaporation_factor = 0.001

# --- 室内サーキュレーション（送風）係数 ---
[circulation_factors]
circulation_none = 1.0     # なし
circulation_low = 1.8      # 弱
circulation_medium = 2.5   # 中
circulation_high = 4.0     # 強

こちらでINIとTOMLの比較を詳しく解説しています

3. シミュレーターの心臓部：「1分ごと」のループ処理

このシミュレーターの心臓部は、**「1分ごと」**に部屋の状態を更新し続けるループ処理です。このループの中で、乾燥に関わる様々な物理現象をステップごとに計算しています。

ステップ①：蒸発（洗濯物が乾く）
乾燥の速さは、洗濯物表面の飽和絶対湿度と、部屋の空気の現在の絶対湿度との差によって決まります。この差が大きいほど、水分は洗濯物から空気中へ移動しやすくなります。この基本蒸発量に、送風や布の種類といった係数を掛け合わせ、より現実の状況に近づけます。
ステップ②：室内湿度の変化
ステップ①で蒸発した水分は、部屋の空気中に放出されます。これにより、部屋全体の水分総量が増加し、室内の絶対湿度（と相対湿度）が上昇します。この「部屋干しをすると部屋がジメジメする」現象をシミュレートしています。
ステップ③：除湿
ユーザーが有効にした除湿方法（エアコンなど）の能力に基づき、1分あたりに除去できる水分量を計算し、ステップ②で増えた部屋の水分総量から差し引きます。
ステップ④：換気
設定された換気量に基づき、1分あたりに入れ替わる空気の割合を計算します。この割合に応じて、部屋の温湿度を外気の温湿度に近づけます。これにより「湿度の高い日に換気すると、逆に乾きにくくなる」といった現象も再現できます。
ステップ⑤：終了判定
洗濯物の水分量が、設定された「乾燥完了」の閾値を下回るまで、①〜④のループを繰り返します。

4. GUIの設計と工夫：フリーズしないアプリを作る

シミュレーションのような重い計算処理をメインの処理で実行すると、計算中にGUIが固まってしまいます（フリーズ）。これを避けるため、以下の設計を行いました。

バックグラウンド処理 (QThread): シミュレーションのループ処理は、QThread`という別のスレッドで実行します。これにより、計算中もGUIが固まることなく、プログレスバーの更新などがスムーズに行えます。
シグナルとスロット: バックグラウンドのスレッドは「進捗(%)」や「完了(結果)」といった合図（シグナル）をGUIに送ります。GUI側はそれを受け取ってプログレスバーを動かしたり、結果を表示したりします。この仕組みにより、処理の分離と安全な連携を実現しています。