入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物
【課題】航路を指示航路に維持した自動航路維持制御又は／及び船体を指示位置に維持する船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる入射波の波高及び波向き推定方法を提供する。
【解決手段】航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定しＳ１０１、該相対水位の測定値から入射波の波高Ｓ１０３と波向きＳ１０５を推定する。
【解決手段】航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定しＳ１０１、該相対水位の測定値から入射波の波高Ｓ１０３と波向きＳ１０５を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えた船舶における、入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動位置保持システム（ＤＰＳ：Dynamic Positioning System）は、海洋における調査研究や開発作業に従事する船舶・海洋構造物を、錨で留める代わりに、推進用プロペラやスラスタをコンピュータで制御することにより、潮流、風，波等の外乱によって生じる外力及びモーメントに抗して、洋上の定点に船体位置を自動保持する装置であり、通常、目標位置と現在位置の偏差及び目標方位と現在方位の偏差をゼロにするようにスラスタ等のアクチュエータをフィードバック制御して、船体を定点に保持させようとしている。
【０００３】
この自動位置保持システムは、作業船、調査船、海洋構造物等で、石油を始めとする海底資源の採掘や海洋調査等、海洋開発のニーズが増すと共に、その対象水域はますます深くなる状況にあり、錨を使用できない海域で威力を発揮している。
【０００４】
特に、ライザー堀削船の場合は、ライザーの安全性の観点から許容される船体位置の偏差の最大量が厳しく規制され、船体位置の偏差が許容値を超える場合は、ライザー切り離しなどの非常措置を行う必要がある。そのため、ライザー堀削船を含めて自動位置保持を行う場合には、操業の安全性の確保や稼働率の向上、さらには、自動位置保持制御を行うオペレータの負担軽減のために、位置保持の精度を向上させることが求められている。この自動位置保持システムでは、船体位置の偏差を許容値以下に納めるために、船体位置の偏差の最大量を小さくすることが重要である。
【０００５】
また、海洋調査船などでは、広水域の情報を効率よく得るためには、特定の航路を外れることなく、一定の航行速度で航行することが重要となる。
【０００６】
船体に働く波力は、波周期で変動する波浪強制力（モーメントを含む）と定常的に船体に作用する波漂流力（モーメントを含む）に分けて考えることができる。波浪強制力は船体動揺を与えるが、船体を移動する力にはならないので自動位置保持制御では、２次的な要素として扱われる。一方、波漂流力は波の進行方向に船体を押し流す力であるため、波による変動波漂流力が大きく影響することが知られており、航路維持又は／及び船位維持制御の精度を向上させるためには、この変動波漂流力を考慮して自動航路又は／及び船位維持制御を行うことが重要である。
【０００７】
この変動波漂流力は、海が穏やかで波浪階級が低い低海象時には、力の程度が小さいため定常力として取り扱って実質上は問題ないが、波漂流力の大きさは波高の２乗に比例するため、海が荒れて波浪階級が高い高海象時には波漂流力の変動幅が著しく大きくなり、船体を急激に移動させるので、航路又は船体位置の偏差に大きな影響が生じる。この波漂流力を考慮すると、最近観測されている、台風の接近や大型低気圧の通過に遭遇する場合等の高海象時に、船体が急に押し流されて、船体位置の偏差量が急に大きくなる現象を合理的に説明できることが分かっている。
【０００８】
通常、海洋の不規則波はエネルギーが周波数の狭い範囲に集中しているので、個々の波の周期が略同一で振幅が緩やかに変動している状態となる。高海象時には、変動波漂流力の程度が大きくなり、この力を受けて船体が移動するので、航路又は船体位置の偏差への影響は大きい。そのため、航路又は船体位置の偏差が発生してから、この偏差を減ずるための推力を発生するフィードバック制御では、大きな偏差が生じるような場合では、航路又は／及び船位維持制御における精度を向上させるには限界がある。
【０００９】
この問題を解決して、高海象時の航路又は／及び船位維持精度を向上するためには、船体に作用する時々刻々の波漂流力を打ち消す力をプロペラやスラスタで発生する制御技術の開発が必要となる。そのためには、波漂流力の評価が課題となるが、実船では波漂流力そのものを物理量として計測することはできないため、何らかの手段で波漂流力を推定する必要がある。
【００１０】
これに関連して、長周期の波漂流力を推定するものとして、洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御方法であって、船体に作用する作用力及び作用モーメントに関して、波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定し、この推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードファワード制御して船位保持する制御を行う自動船位保持制御方法及び自動船位保持装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
また、洋上の船体の船体位置及び船首方位を保持するための自動船位保持制御方法において、船体の運動から船体に入射する波を推定して、この推定した波から波漂流力及び波漂流モーメントの少なくとも一方を算出して、この算出した波漂流力及び波漂流モーメントの少なくとも一方に対してフィードファワード制御を行う制御を含む船位保持制御を行う自動船位保持制御方法及び自動船位保持装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１２】
この制御方法では、ピッチ代表周期を基に、計測されたピッチと計測されたロールの計測応答比から、予め用意した波入射角推定用テーブルを用いて波入射角（波向き）を推定している。しかしながら、船体の形状等によっては、波向きの推定が難しい場合があるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２９７９７７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上述の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、航路を指示航路に維持した自動航路維持制御又は／及び船体を指示位置に維持する船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる入射波の波高及び波向き推定方法を提供することにある。
【００１５】
また、更なる目的は、自動航路又は／及び船位維持制御における船体の位置偏差と方位偏差が小さくすることができる自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するための入射波の波高及び波向き推定方法は、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定することを特徴とする方法である。
【００１７】
この方法によれば、相互に離間した３点以上の相対水位の計測値から、入射波の波向きと波高を推定するので、比較的簡単な方法で精度よく推定することができる。なお、ここでいう「船体」は、観測船等の航行を主とする船のみならず、切掘基地等の洋上構造物も含む。要するに自動航路又は／及び船位維持制御方法を行う浮上体であればよい。また、航行中は航路を維持し、停止中（停船中）は船位を維持する。この停止中の船位維持制御は、所謂、ＤＰＳ（Dynamic Positioning System）等の位置保持制御に対応する制御となる。
【００１８】
また、上記の入射波の波高及び波向き推定方法において、前記相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期（ピークｔｏピーク周期）、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から入射波の出会い波周期を推定し、前記相対水位の出会い波周期と該相対水位間の位相差から入射波の波向きを推定すると共に、前記相対水位の時系列から波高を推定又はスペクトラムから入射波の有義波高を推定するように構成すると、波向きと波高を精度よくかつ迅速に推定できる。
【００１９】
つまり、入射波の出会い波周期は、相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から半波又は一波毎に推定できる。また、相対水位の相互間の位相差は、時系列から直接推定することもできるが必ずしも時系列がきれいな正弦曲線や余弦曲線になるとは限らないので、相対水位の相互間のクロススペクトラムの位相を相対水位の相互間の位相差とすることで、より精度良く推定できる。波高は、相対水位のゼロクロス周期又はピーク間周期の間の振幅から推定する。また、有義波高は時系列の振幅から算出した波高を統計処理して得ることもできるが、相対水位のスペクトラムから入射波の有義波高を推定すると簡便に算出することができる。
【００２０】
そして、この出会い波周期と、相対水位の相互間の２つ以上の位相差から出会い波の波向き又は船速を考慮して入射波の波向きを推定する。この波向きと波高から変動波漂流力を算出することができるので、時々刻々の波によって発生する波漂流力に対する応答性を高めることができる。
【００２１】
上記の入射波の波高及び波向き推定方法において、前記相対水位の少なくとも２点の位置を船体の前後方向中心線に対して対称な位置とすると、波向きと位相差の関係が単純化するので、比較的簡単な計算で波向きを算出することができるようになる。
【００２２】
また、上記の目的を達成するための自動航路又は／及び船位維持制御方法は、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法において、上記の入射波の波高及び波向き推定方法を用いて、入射波の波高と波向きを推定し、この推定した入射波の波高と波向きから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定し、この推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方に対応した制御力及び制御モーメントの少なくとも一方を発生する制御を行うことを特徴とする方法である。
【００２３】
この方法によれば、入射波の波高と波向きを精度よく推定できるので、入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを精度よく推定して、船体の航路偏差又は船位偏差が大きくなる前に、船体が受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを打ち消す制御力及び制御モーメントを発生して、船体の航路偏差又は位置偏差が大きくなることを防止することができる。
【００２４】
また、上記の目的を達成するための自動航路又は／及び船位維持制御システムは、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御システムにおいて、少なくともピッチを含む船体の運動を計測する船体運動検出手段と、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定する入射波の波高及び波向き推定手段と、前記波高及び波向き推定手段で推定した波高と波向きとから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定する波漂流力推定手段と、前記波漂流力推定手段で推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方を発生させる補償制御力発生手段を備えて構成される。
【００２５】
この自動航路又は／及び船位維持制御システムによれば、波向き及び波高推定手段から、入射波の波高と波向きを精度よく推定でき、波漂流力推定手段で入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを精度よく推定して、船体の航路偏差又は／及び船位偏差が大きくなる前に、補償制御力発生手段により、船体が受けた波漂流力及び波漂流力モーメントに対応した制御力及び制御モーメントを発生して、船体の航路偏差又は船位偏差が大きくなることを防止することができる。
【００２６】
また、上記の目的を達成するための船舶と洋上構造物は、上記の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えて構成される。この構成によれば、自動航路又は／及び船位維持制御を行っている船舶又は洋上構造物が入射波によって受けた波漂流力及び波漂流モーメントを推定して、この力及びモーメントに対応した制御力及び制御モーメントの発生により、位置偏差が大きくなる前に、船舶又は洋上構造物が航路又は船位から外れるのを抑制して、航路偏差又は繊維偏差を小さくすることができる。
【００２７】
言い換えると、従来の制御方法では、定常力補償制御力によって波による力に対して対抗しているが、安定した制御を実現するためにはカルマンフィルターの時定数はある程度大きくとる必要があり、外力変動に対する応答性はさほど高くない。そのため、高海象時に大波を受けた場合は、急激に大きな波漂流力が船体に作用した時に、この定常補償制御力だけでは波漂流力の変動に対抗できずに、位置偏差が生じることとなる。
【００２８】
これに対して、本発明では、高海象時の最大航路偏差又は船位偏差を低減するために、波漂流力によって航路偏差又は船位偏差が生じることを予測し、それに対応する波漂流力補償力を制御力の一部として航路偏差又は船位偏差が大きくなる前に発生する。このような制御は位置に対するフィードフォワード制御と呼ばれるが、本発明では、波漂流力を打ち消す力を発揮することから、波漂流力補償制御という。この波漂流力補償制御を実現するためには、時々刻々の波漂流力の評価が必要であるが、実船では波漂流力を物理量として計測することは困難であるので、波浪及び波漂流力の推定方法が課題となる。
【００２９】
この船体に作用する変動波漂流力の推定には、船体の相対水位から波及び波漂流力を推定する手法を用い、波の推定には、３つ以上の互いに離間した相対水位の計測値を用いて、出会い波の周期と位相差から、出会い波の波向きを推定し、船速と波向きと、出会い波周期から入射波の波向きと波の周期を推定し、相対水位から波高を推定する。あるいは、直接、出会い波の周期と位相差と船速から、入射波の波向きと波の周期を推定し、相対水位から波高を推定する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の入射波の波高及び波向き推定方法によれば、自動航路又は／及び船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる。また、本発明の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物によれば、自動航路又は／及び船位維持制御において、船体又は洋上構造物の航路偏差又は船位偏差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る変動波漂流力推定制御の流れを示す図である。
【図２】本発明に係る自動航路又は／及び船位維持制御の流れを示す図である。
【図３】相対水位の計測位置の一例を示した図である。
【図４】相対水位の相互間の位相差と入射波の波向きの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム、及び、船舶と洋上構造物について説明する。
【００３３】
本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法は、図１に示すような制御の構成に基づいて行なわれる方法であり、また、自動航路又は／及び船位維持制御方法は、本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法を用いる方法である。また、本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御システム１は本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御方法を実施するシステムであり、図２に示すような制御の構成を持っている。更に、本発明に係る実施の形態の船舶と洋上構造物は本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えて構成される。
【００３４】
最初に、本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法とこれを用いる変動波漂流力の推定について説明する。本発明においては、この変動波漂流力の推定を、図１に示すような制御フローの構成図に基づいて行う。
【００３５】
この変動波漂流力の推定の制御は図１に示すような変動波漂流力推定制御手段Ｓ１００のような構成をした制御フローの構成に従って行なわれる。最初に、相対水位計測手段Ｓ１０１で、相対水位を計測する。この相対水位は、船体の３つ以上の相互に離間した場所で計測する。この場合に少なくとも２点を船体の前後方向中心線に対して対称な点とする。これにより、比較的簡単な計算で波向きを算出することができるようになる。
【００３６】
例えば、図３に示すように、相対水位の計測点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）を、両舷に２点ずつ、船体の前後方向中心線に対して対称な点（Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４）とし、船体中央から前後に船幅Ｂの半分（０．５Ｂ）の距離に配置した場合には、波向きθ（ｒａｄ）を正面の波をゼロ度として右舷側からの波を正とし、船速をゼロとした場合には、波長λ、波周期Ｔ、入射波の出会角θｓとから、相対水位１（Ｐ１）と相対水位２（Ｐ２）との位相差α１２（ｒａｄ）は、α１２＝−（４Ｂπ2／ｇＴ2）ｓｉｎ（θｓ）＝−２π（Ｂ／λ）ｓｉｎ（θｓ）となり、相対水位１（Ｐ１）と相対水位３（Ｐ３）との位相差α１３（ｒａｄ）は、α１３＝−（４Ｂπ2／ｇＴ2）ｃｏｓ（θｓ）＝−２π（Ｂ／λ）ｃｏｓ（θｓ）となる。
【００３７】
この関係に関して、船速Ｖｓ＝０で、特定の波長λ（波周期Ｔ）の場合の位相差αｉｊと波向き例θとの関係を図４に示す。実線Ａは相対水位１（Ｐ１）と相対水位２（Ｐ２）との位相差α１２を示し、実線Ｂは相対水位１（Ｐ１）と相対水位３（Ｐ３）との位相差α１３を示し、実線Ｃは相対水位１（Ｐ１）と相対水位４（Ｐ４）との位相差α１４を示す。なお、図４を見れば分かるように、少なくとも３点あれば、波向きθを決定できる。
【００３８】
先ず、相対水位計測手段Ｓ１０１で少なくとも３点以上の相対水位を計測し、時系列データ手段Ｓ１０２で時系列データを記憶する。次に、波高・周期推定手段Ｓ１０３で、出会い波周期Ｔｓを、相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期（ピークｔｏピークの周期）から半波又は一波毎に算出する。
【００３９】
また、相対水位計が船体運動の影響をキャンセルできるタイプの場合は、時々刻々の相対水位の大きさ、あるいは、ゼロクロス周期の間の振幅、ピーク間周期の間の振幅等から相対水位の振幅を算出し、これを入射波の波高とする。
【００４０】
一方、相対水位計が船体運動の影響をキャンセルできず、影響を受ける場合には、時々刻々の相対水位の大きさ、あるいは、ゼロクロス周期の間の振幅、ピーク間周期の間の振幅等から相対水位の振幅を算出する。次に、入射波に対する相対水位の応答関数から、次に述べるＳ１０５とＳ１０６で算出された入射波の波向きと波周期に合う応答関数を選出し、この応答関数の振幅の逆数を相対水位の振幅に掛け算することにより、時々刻々の波の高さ、あるいは、ゼロクロス周期の間の波高、ピーク間周期の間の波高を算出する。
【００４１】
一方、クロススペクトム算出Ｓ１０４で、時系列データ記憶手段Ｓ１０２で記憶された相対水位の時系列データをクロスさせて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施して、３点以上の相対水位の間でクロススペクトラム、つまり、少なくも２つ以上のクロススペクトラムを算出する。
【００４２】
次に、波向き推定手段Ｓ１０５で、３つ以上の相対水位から算出される２つ以上のクロスペクトラムの位相から、相対水位の相互の位相差αｉｊを算出する。出会い波周期Ｔｓにおける、相対水位の相互間の２つ以上の位相差αｉｊと出会い波の波向きθｓとの関係（予め設定されたデータ又は計算式）に基づいて、算出された入相対水位の相互の位相差αｉｊ射波から、出会い波の波向きθｓを算出し、船速Ｖｓを考慮して船体への入射波の波向きθを算出する。あるいは、船速Ｖｓをパラメータとして入れた相対水位の位相差αｉｊと出会い波の波周期Ｔｓと入射波の波向きθとの関係から、入射波の波向きθを算出する。
【００４３】
また、スペクトラム算出手段Ｓ１０６で相対水位のパワースペクトラムを算出する。次に、有義波高・波周期推定手段Ｓ１０７で、スペクラトラムから相対水位の有義波高を算出する。また、各パワースペクトラムのピーク周期等から平均波周期を算出する。
【００４４】
これらのスペクトラムから算出される有義波高や平均波周期などは、長期間の波に関するデータとなるので、航海日誌などの記録用として使用できる。
【００４５】
次に、波漂流力推定手段Ｓ１０８において、波高・波周期推定手段Ｓ１０３で算出した波高と波周期と、波向き推定手段Ｓ１０５で推定した波向きとから、波漂流力データベースＤ１に記憶された船速毎の「入射波の波向きと変動波漂流力（変動波漂流モーメントを含む）のデータ」（単位波高ベース）に基づいて、単位波高当たりの変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを算出し、更に、波高を乗じて掛変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを算出する。
【００４６】
より詳細には、船体に作用する波力及びモーメントは、波周期で変動する波浪強制力及び波浪強制モーメントと、定常的に船体に作用する波漂流力及び波漂流モーメントに分けて考えることができる。波浪強制力及び波浪強制モーメントは船体動揺を与えるが、船体を移動させる力とはならないため、自動航路又は／及び船位維持制御では、２次的な要素として扱われる。
【００４７】
一方、波漂流力は船体をある方向へ移動させる力となり、波漂流モーメントは針路を変更させるため、自動航路又は／及び船位維持制御では重要である。この波漂流力及び波漂流モーメントは、定常波漂流力及び定常波漂流モーメントと、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントに分けて考えることができる。従来の自動航路又は／及び船位維持制御では、主に、定常波漂流力及び定常波漂流モーメントのみが考慮されていた。この定常波漂流力及び定常波漂流モーメントは、非常に長い周期成分を持ち、また、大きさも小さい。
【００４８】
しかし、高海象時において突発的に生じる位置偏差を合理的に説明するためには、波による外力として変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを考慮することが必要と考えられるので、この実施の形態では、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを、規則波中の定常波漂流力を用いて、「Ｈｓｕらの方法」に従って近似的に算出して用いている。なお、「Ｈｓｕらの方法」でなく「Ｐｉｎｋｓｔｅｒの方法」を用いることも考えられる。
【００４９】
「Ｈｓｕらの方法」では、不規則波をゼロクロスの間の半波長ごとに周期及び波高の変化する規則波の連なりとみなし、その半波長の間にそれぞれの規則波に対応する定常波漂流力が作用するものと考え、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを時間に関するステップ関数として与える。変動波漂流力及び変動波漂流モーメントは、「波周期と波向きと規則波中の波漂流力係数と波漂流モーメント係数の関係」を予め設定して記憶しておくことで、容易に算出できる。
【００５０】
つまり、算出された波向きから「波周期と波向きと規則波中の波漂流力係数と波漂流モーメント係数の関係」を示すデータに基づいて、波漂流力係数と波漂流モーメント係数を算出し、これらに波高を掛け算して、波漂流力（サージ力、スェイ力）と波漂流モーメント（ヨウモーメント）を算出する。
【００５１】
これらの図１に示すような一連の制御により、相対水位から、入射波の波向きと波高を推定し、この推定された波向きと波高から変動波漂流力及び変動波モーメントを推定する。なお、波向きは一般的に変化が穏やかであるので、比較的長時間の時系列データをＦＦＴ変換して得られるクロススペクトラムやパワースペクトラムから得られるデータに基づいて算出することで推定精度を向上し、一方、変動波漂流力の大きさに関係する波高は、時系列データから直接推定して時間遅れを少なくしている。
【００５２】
次に、本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御方法及びそのシステムについて、図２を参照しながら説明する。図２に示すように、この自動航路又は／及び船位維持制御システム１は、風向・風速検出手段（風向・風速センサ）Ｃ１１、風圧力算出手段Ｃ１２、潮流検出手段（潮流センサ）Ｃ２１、潮流力算出手段Ｃ２２、船位検出手段（位置センサ）Ｃ３１、第２の制御力算出手段Ｃ３２、水位検出手段（水位センサ）Ｃ４１、波漂流力算出手段（第３の制御力算出手段）Ｃ４２、第４の制御力算出手段Ｃ５１、制御力発生手段Ｃ６１を備えて構成される。
【００５３】
自動航路又は船位維持制御を行う場合には、風向・風速検出手段Ｃ１１によって風速・風向を測定し、この風速・風向から、予め実験や計算等で得られて記憶されている「風速・風向と風圧力、風モーメントの関係」を示すデータに基づいて、風圧力算出手段Ｃ１２により風圧力及び風圧モーメントを算出する。
【００５４】
また、潮流検出手段Ｃ２１によって潮流の流向・流速を測定し、この潮流の流向・流速と予め実験や計算等で得られて記憶されている「潮流の流向・流速と潮流力、潮流モーメントの関係」を示すデータに基づいて、潮流力算出手段Ｃ２２により潮流力及び潮流モーメントを算出する。この潮流力及び潮流モーメントを風圧力及び風圧モーメントに加えて、外力に対するフィードフォワード制御用の第１の制御力及び制御モーメントとする。
【００５５】
なお、図２には特に図示していないが、必要に応じて、ライザーや係留索による力とモーメントを算出する。これらの力及びモーメントを、風圧力及び風圧モーメントと潮流力及び潮流モーメントの和に加え合わせて、外力及びモーメントである第１の制御力及び制御モーメントを算出する。
【００５６】
また、第２の制御力算出手段Ｃ３２による第２の制御力の算出は、例えば、ＧＰＳ等の船位を測定する位置情報検出手段（位置センサ）Ｃ３１によって、船体の観測位置及び航行中は航路の偏差又は停止中は船位の偏差を算出する。この航路の偏差又は船位の偏差を基に、この航路の偏差又は船位の偏差をゼロにするための第２の制御力及び制御モーメントを算出する。この第２の制御力及び制御モーメントの算出では、通常、積分制御（Ｉ制御）を用いたフィードバック制御やカルマンフィルターを使用するが、別の方法を用いてもよく、本発明ではどのような方法を用いるかは問わない。
【００５７】
また、図１に示したような制御により、水位センサＣ４１（図１の船体応答計測手段Ｓ１０１に対応）で相対水位を測定し、波漂流力算出手段Ｃ４２（図１のＳ１０２〜Ｓ１０８に対応）で、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントである第３の制御力及び制御モーメントを算出する。
【００５８】
次に、第４の制御力算出手段Ｃ５１において、風圧力算出手段Ｃ１２と潮流力算出手段Ｃ２２で算出された外力及びモーメントの第１の制御力及び制御モーメントと、第２の制御力算出手段Ｃ３２で算出された第２の制御力及び制御モーメントと、波漂流力算出手段Ｃ４２で、算出された波漂流力及び波漂流モーメントである第３の制御力および制御モーメントをそれぞれ加算して、第４の制御力及び制御モーメントを算出する。更に、この第４の制御力及び制御モーメントを発生するように、推力分配則を基に、推進器、スラスタ等の制御力発生装置に対する指令値を算出する。
【００５９】
制御力発生装置Ｃ６１は、第４の制御力算出手段Ｃ５１で算出された指令値に基づいて、推進器、スラスタ等において、それぞれの指令値に従った制御力と制御モーメントを発生する。この制御力と制御モーメントにより、船体の航路維持又は船位維持がなされる。
【００６０】
この自動航路又は／及び船位維持御方法、自動航路又は／及び船位維持御システム１では、フィードバック制御等に相当する第２の制御力及び制御モーメントに、フィードフォワード制御に相当する第１の制御力及び制御モーメントと、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの第３の制御力及び制御モーメントを加えて、第４の制御力及び制御モーメントを算出している。そのため、風圧力及び風圧モーメント等の波以外の外力を補償する外力補償制御力及び外力補償制御モーメントに加えて、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを補償する変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメントを発生させて、これらに関係するフィードフォワード制御を加味した航路維持制御又は船位維持制御を行う。
【００６１】
なお、この第２の制御力及び制御モーメントに関する制御では、自船の航路の偏差又は船位の偏差の大きさに基づいて、第２の制御力及び制御モーメントを算出するので、航路の偏差又は船位の偏差の変動が生じなければ、この第２の制御力及び制御モーメントは発生しないことになる。
【００６２】
これに対して、フィードフォワード制御で用いる外力補償制御力及び外力補償制御モーメントと変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメント、即ち、第１と第３の制御力及び制御モーメントは、安定した制御を実現するために、航路の偏差又は船位の偏差の有無やその大きさに関わらず、外乱に対抗した補償力と補償モーメントを発生する制御力及び制御モーメントである。
【００６３】
このフィードフォワード制御における、風圧や潮流やライザーや係留索による外力及びモーメントに対する補償力及び補償モーメントに関しては、風向風速計等の外力センサＣ１１、Ｃ２１で検出している相対風向、相対風速等のデータを基に、現在船体が受けている風圧力等の外力及びモーメントをリアルタイムで推定できるので、航路の偏差又は船位の偏差（方位の偏差を含む）が生じる前に、この外力及びモーメントに対抗する第１の制御力及び制御モーメントを発生することができる。
【００６４】
一方、変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメントに関しては、相対水位から推定した波高を用いるため、時々刻々、又は、入射波の波周期の半分以上の遅れ（具体的には、時系列データのゼロクロス間、又は、ピークｔｏピーク間の半波長分の位相の遅れ）を持って、発生させることになる。しかしながら、多少の時間遅れがあっても、航路の偏差又は船位の偏差が大きくなる前に、入射波によって船体に作用した力及びモーメントを打ち消す力及びモーメント、つまり、補償する力及びモーメントを発生させることができるので、船体の移動を減少させることができる。
【００６５】
また、本発明に係る実施の形態の船舶と洋上構造物は、上記の自動航路又は／及び船位維持制御システム１を備えて構成される。
【００６６】
従って、上記の入射波の波高及び波向き推定方法によれば、自動位航路又は船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる。また、上記の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物によれば、自動航路又は船位維持制御において、船体又は洋上構造物の、航路の偏差若しくは船位の偏差を小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の入射波の波高及び波向き推定方法は、上記のように、自動航路又は船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できるので、観測船、ライザー堀削船、洋上構造物の自動航路又は／及び船位維持制御方法及び自動航路又は／及び船位維持制御システムに利用することができる。
【００６８】
また、本発明の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物は、自動航路維持制御又は自動船位維持制御における船体の航路の偏差又は船位偏差を小さくすることができるので、自動航路又は／及び船位維持制御を必要とする観測船、ライザー堀削船、洋上構造物等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 自動航路又は／及び船位維持制御システム
Ｃ１１ 風向・風速検出手段（風向・風速センサ）
Ｃ１２ 風圧力算出手段
Ｃ２１ 位置センサ船位検出手段（位置センサ）
Ｃ２２ 第２の制御力算出手段
Ｃ３１ 運動検出手段（動揺センサ）
Ｃ３２ 波漂流力算出手段
Ｃ４１ 第４の制御力算出手段
Ｃ５１ 制御力発生手段
Ｄ１ 波漂流力データベース
Ｓ１００ 変動波漂流力推定制御手段
Ｓ１０１ 相対水位計測手段
Ｓ１０２ 時系列データ記憶手段
Ｓ１０３ 波高・波周期推定手段
Ｓ１０４ クロススペクトラム算出手段
Ｓ１０５ 波向き推定手段
Ｓ１０６ スペクトラム算出手段
Ｓ１０７ 有義波高・波周期推定手段
Ｓ１０８ 変動波漂流力推定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えた船舶における、入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動位置保持システム（ＤＰＳ：Dynamic Positioning System）は、海洋における調査研究や開発作業に従事する船舶・海洋構造物を、錨で留める代わりに、推進用プロペラやスラスタをコンピュータで制御することにより、潮流、風，波等の外乱によって生じる外力及びモーメントに抗して、洋上の定点に船体位置を自動保持する装置であり、通常、目標位置と現在位置の偏差及び目標方位と現在方位の偏差をゼロにするようにスラスタ等のアクチュエータをフィードバック制御して、船体を定点に保持させようとしている。
【０００３】
この自動位置保持システムは、作業船、調査船、海洋構造物等で、石油を始めとする海底資源の採掘や海洋調査等、海洋開発のニーズが増すと共に、その対象水域はますます深くなる状況にあり、錨を使用できない海域で威力を発揮している。
【０００４】
特に、ライザー堀削船の場合は、ライザーの安全性の観点から許容される船体位置の偏差の最大量が厳しく規制され、船体位置の偏差が許容値を超える場合は、ライザー切り離しなどの非常措置を行う必要がある。そのため、ライザー堀削船を含めて自動位置保持を行う場合には、操業の安全性の確保や稼働率の向上、さらには、自動位置保持制御を行うオペレータの負担軽減のために、位置保持の精度を向上させることが求められている。この自動位置保持システムでは、船体位置の偏差を許容値以下に納めるために、船体位置の偏差の最大量を小さくすることが重要である。
【０００５】
また、海洋調査船などでは、広水域の情報を効率よく得るためには、特定の航路を外れることなく、一定の航行速度で航行することが重要となる。
【０００６】
船体に働く波力は、波周期で変動する波浪強制力（モーメントを含む）と定常的に船体に作用する波漂流力（モーメントを含む）に分けて考えることができる。波浪強制力は船体動揺を与えるが、船体を移動する力にはならないので自動位置保持制御では、２次的な要素として扱われる。一方、波漂流力は波の進行方向に船体を押し流す力であるため、波による変動波漂流力が大きく影響することが知られており、航路維持又は／及び船位維持制御の精度を向上させるためには、この変動波漂流力を考慮して自動航路又は／及び船位維持制御を行うことが重要である。
【０００７】
この変動波漂流力は、海が穏やかで波浪階級が低い低海象時には、力の程度が小さいため定常力として取り扱って実質上は問題ないが、波漂流力の大きさは波高の２乗に比例するため、海が荒れて波浪階級が高い高海象時には波漂流力の変動幅が著しく大きくなり、船体を急激に移動させるので、航路又は船体位置の偏差に大きな影響が生じる。この波漂流力を考慮すると、最近観測されている、台風の接近や大型低気圧の通過に遭遇する場合等の高海象時に、船体が急に押し流されて、船体位置の偏差量が急に大きくなる現象を合理的に説明できることが分かっている。
【０００８】
通常、海洋の不規則波はエネルギーが周波数の狭い範囲に集中しているので、個々の波の周期が略同一で振幅が緩やかに変動している状態となる。高海象時には、変動波漂流力の程度が大きくなり、この力を受けて船体が移動するので、航路又は船体位置の偏差への影響は大きい。そのため、航路又は船体位置の偏差が発生してから、この偏差を減ずるための推力を発生するフィードバック制御では、大きな偏差が生じるような場合では、航路又は／及び船位維持制御における精度を向上させるには限界がある。
【０００９】
この問題を解決して、高海象時の航路又は／及び船位維持精度を向上するためには、船体に作用する時々刻々の波漂流力を打ち消す力をプロペラやスラスタで発生する制御技術の開発が必要となる。そのためには、波漂流力の評価が課題となるが、実船では波漂流力そのものを物理量として計測することはできないため、何らかの手段で波漂流力を推定する必要がある。
【００１０】
これに関連して、長周期の波漂流力を推定するものとして、洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御方法であって、船体に作用する作用力及び作用モーメントに関して、波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定し、この推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードファワード制御して船位保持する制御を行う自動船位保持制御方法及び自動船位保持装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
また、洋上の船体の船体位置及び船首方位を保持するための自動船位保持制御方法において、船体の運動から船体に入射する波を推定して、この推定した波から波漂流力及び波漂流モーメントの少なくとも一方を算出して、この算出した波漂流力及び波漂流モーメントの少なくとも一方に対してフィードファワード制御を行う制御を含む船位保持制御を行う自動船位保持制御方法及び自動船位保持装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１２】
この制御方法では、ピッチ代表周期を基に、計測されたピッチと計測されたロールの計測応答比から、予め用意した波入射角推定用テーブルを用いて波入射角（波向き）を推定している。しかしながら、船体の形状等によっては、波向きの推定が難しい場合があるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２９７９７７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上述の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、航路を指示航路に維持した自動航路維持制御又は／及び船体を指示位置に維持する船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる入射波の波高及び波向き推定方法を提供することにある。
【００１５】
また、更なる目的は、自動航路又は／及び船位維持制御における船体の位置偏差と方位偏差が小さくすることができる自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するための入射波の波高及び波向き推定方法は、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定することを特徴とする方法である。
【００１７】
この方法によれば、相互に離間した３点以上の相対水位の計測値から、入射波の波向きと波高を推定するので、比較的簡単な方法で精度よく推定することができる。なお、ここでいう「船体」は、観測船等の航行を主とする船のみならず、切掘基地等の洋上構造物も含む。要するに自動航路又は／及び船位維持制御方法を行う浮上体であればよい。また、航行中は航路を維持し、停止中（停船中）は船位を維持する。この停止中の船位維持制御は、所謂、ＤＰＳ（Dynamic Positioning System）等の位置保持制御に対応する制御となる。
【００１８】
また、上記の入射波の波高及び波向き推定方法において、前記相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期（ピークｔｏピーク周期）、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から入射波の出会い波周期を推定し、前記相対水位の出会い波周期と該相対水位間の位相差から入射波の波向きを推定すると共に、前記相対水位の時系列から波高を推定又はスペクトラムから入射波の有義波高を推定するように構成すると、波向きと波高を精度よくかつ迅速に推定できる。
【００１９】
つまり、入射波の出会い波周期は、相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から半波又は一波毎に推定できる。また、相対水位の相互間の位相差は、時系列から直接推定することもできるが必ずしも時系列がきれいな正弦曲線や余弦曲線になるとは限らないので、相対水位の相互間のクロススペクトラムの位相を相対水位の相互間の位相差とすることで、より精度良く推定できる。波高は、相対水位のゼロクロス周期又はピーク間周期の間の振幅から推定する。また、有義波高は時系列の振幅から算出した波高を統計処理して得ることもできるが、相対水位のスペクトラムから入射波の有義波高を推定すると簡便に算出することができる。
【００２０】
そして、この出会い波周期と、相対水位の相互間の２つ以上の位相差から出会い波の波向き又は船速を考慮して入射波の波向きを推定する。この波向きと波高から変動波漂流力を算出することができるので、時々刻々の波によって発生する波漂流力に対する応答性を高めることができる。
【００２１】
上記の入射波の波高及び波向き推定方法において、前記相対水位の少なくとも２点の位置を船体の前後方向中心線に対して対称な位置とすると、波向きと位相差の関係が単純化するので、比較的簡単な計算で波向きを算出することができるようになる。
【００２２】
また、上記の目的を達成するための自動航路又は／及び船位維持制御方法は、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法において、上記の入射波の波高及び波向き推定方法を用いて、入射波の波高と波向きを推定し、この推定した入射波の波高と波向きから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定し、この推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方に対応した制御力及び制御モーメントの少なくとも一方を発生する制御を行うことを特徴とする方法である。
【００２３】
この方法によれば、入射波の波高と波向きを精度よく推定できるので、入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを精度よく推定して、船体の航路偏差又は船位偏差が大きくなる前に、船体が受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを打ち消す制御力及び制御モーメントを発生して、船体の航路偏差又は位置偏差が大きくなることを防止することができる。
【００２４】
また、上記の目的を達成するための自動航路又は／及び船位維持制御システムは、航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御システムにおいて、少なくともピッチを含む船体の運動を計測する船体運動検出手段と、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定する入射波の波高及び波向き推定手段と、前記波高及び波向き推定手段で推定した波高と波向きとから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定する波漂流力推定手段と、前記波漂流力推定手段で推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方を発生させる補償制御力発生手段を備えて構成される。
【００２５】
この自動航路又は／及び船位維持制御システムによれば、波向き及び波高推定手段から、入射波の波高と波向きを精度よく推定でき、波漂流力推定手段で入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントを精度よく推定して、船体の航路偏差又は／及び船位偏差が大きくなる前に、補償制御力発生手段により、船体が受けた波漂流力及び波漂流力モーメントに対応した制御力及び制御モーメントを発生して、船体の航路偏差又は船位偏差が大きくなることを防止することができる。
【００２６】
また、上記の目的を達成するための船舶と洋上構造物は、上記の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えて構成される。この構成によれば、自動航路又は／及び船位維持制御を行っている船舶又は洋上構造物が入射波によって受けた波漂流力及び波漂流モーメントを推定して、この力及びモーメントに対応した制御力及び制御モーメントの発生により、位置偏差が大きくなる前に、船舶又は洋上構造物が航路又は船位から外れるのを抑制して、航路偏差又は繊維偏差を小さくすることができる。
【００２７】
言い換えると、従来の制御方法では、定常力補償制御力によって波による力に対して対抗しているが、安定した制御を実現するためにはカルマンフィルターの時定数はある程度大きくとる必要があり、外力変動に対する応答性はさほど高くない。そのため、高海象時に大波を受けた場合は、急激に大きな波漂流力が船体に作用した時に、この定常補償制御力だけでは波漂流力の変動に対抗できずに、位置偏差が生じることとなる。
【００２８】
これに対して、本発明では、高海象時の最大航路偏差又は船位偏差を低減するために、波漂流力によって航路偏差又は船位偏差が生じることを予測し、それに対応する波漂流力補償力を制御力の一部として航路偏差又は船位偏差が大きくなる前に発生する。このような制御は位置に対するフィードフォワード制御と呼ばれるが、本発明では、波漂流力を打ち消す力を発揮することから、波漂流力補償制御という。この波漂流力補償制御を実現するためには、時々刻々の波漂流力の評価が必要であるが、実船では波漂流力を物理量として計測することは困難であるので、波浪及び波漂流力の推定方法が課題となる。
【００２９】
この船体に作用する変動波漂流力の推定には、船体の相対水位から波及び波漂流力を推定する手法を用い、波の推定には、３つ以上の互いに離間した相対水位の計測値を用いて、出会い波の周期と位相差から、出会い波の波向きを推定し、船速と波向きと、出会い波周期から入射波の波向きと波の周期を推定し、相対水位から波高を推定する。あるいは、直接、出会い波の周期と位相差と船速から、入射波の波向きと波の周期を推定し、相対水位から波高を推定する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の入射波の波高及び波向き推定方法によれば、自動航路又は／及び船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる。また、本発明の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物によれば、自動航路又は／及び船位維持制御において、船体又は洋上構造物の航路偏差又は船位偏差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る変動波漂流力推定制御の流れを示す図である。
【図２】本発明に係る自動航路又は／及び船位維持制御の流れを示す図である。
【図３】相対水位の計測位置の一例を示した図である。
【図４】相対水位の相互間の位相差と入射波の波向きの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム、及び、船舶と洋上構造物について説明する。
【００３３】
本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法は、図１に示すような制御の構成に基づいて行なわれる方法であり、また、自動航路又は／及び船位維持制御方法は、本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法を用いる方法である。また、本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御システム１は本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御方法を実施するシステムであり、図２に示すような制御の構成を持っている。更に、本発明に係る実施の形態の船舶と洋上構造物は本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えて構成される。
【００３４】
最初に、本発明に係る実施の形態の入射波の波高及び波向き推定方法とこれを用いる変動波漂流力の推定について説明する。本発明においては、この変動波漂流力の推定を、図１に示すような制御フローの構成図に基づいて行う。
【００３５】
この変動波漂流力の推定の制御は図１に示すような変動波漂流力推定制御手段Ｓ１００のような構成をした制御フローの構成に従って行なわれる。最初に、相対水位計測手段Ｓ１０１で、相対水位を計測する。この相対水位は、船体の３つ以上の相互に離間した場所で計測する。この場合に少なくとも２点を船体の前後方向中心線に対して対称な点とする。これにより、比較的簡単な計算で波向きを算出することができるようになる。
【００３６】
例えば、図３に示すように、相対水位の計測点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）を、両舷に２点ずつ、船体の前後方向中心線に対して対称な点（Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４）とし、船体中央から前後に船幅Ｂの半分（０．５Ｂ）の距離に配置した場合には、波向きθ（ｒａｄ）を正面の波をゼロ度として右舷側からの波を正とし、船速をゼロとした場合には、波長λ、波周期Ｔ、入射波の出会角θｓとから、相対水位１（Ｐ１）と相対水位２（Ｐ２）との位相差α１２（ｒａｄ）は、α１２＝−（４Ｂπ2／ｇＴ2）ｓｉｎ（θｓ）＝−２π（Ｂ／λ）ｓｉｎ（θｓ）となり、相対水位１（Ｐ１）と相対水位３（Ｐ３）との位相差α１３（ｒａｄ）は、α１３＝−（４Ｂπ2／ｇＴ2）ｃｏｓ（θｓ）＝−２π（Ｂ／λ）ｃｏｓ（θｓ）となる。
【００３７】
この関係に関して、船速Ｖｓ＝０で、特定の波長λ（波周期Ｔ）の場合の位相差αｉｊと波向き例θとの関係を図４に示す。実線Ａは相対水位１（Ｐ１）と相対水位２（Ｐ２）との位相差α１２を示し、実線Ｂは相対水位１（Ｐ１）と相対水位３（Ｐ３）との位相差α１３を示し、実線Ｃは相対水位１（Ｐ１）と相対水位４（Ｐ４）との位相差α１４を示す。なお、図４を見れば分かるように、少なくとも３点あれば、波向きθを決定できる。
【００３８】
先ず、相対水位計測手段Ｓ１０１で少なくとも３点以上の相対水位を計測し、時系列データ手段Ｓ１０２で時系列データを記憶する。次に、波高・周期推定手段Ｓ１０３で、出会い波周期Ｔｓを、相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期（ピークｔｏピークの周期）から半波又は一波毎に算出する。
【００３９】
また、相対水位計が船体運動の影響をキャンセルできるタイプの場合は、時々刻々の相対水位の大きさ、あるいは、ゼロクロス周期の間の振幅、ピーク間周期の間の振幅等から相対水位の振幅を算出し、これを入射波の波高とする。
【００４０】
一方、相対水位計が船体運動の影響をキャンセルできず、影響を受ける場合には、時々刻々の相対水位の大きさ、あるいは、ゼロクロス周期の間の振幅、ピーク間周期の間の振幅等から相対水位の振幅を算出する。次に、入射波に対する相対水位の応答関数から、次に述べるＳ１０５とＳ１０６で算出された入射波の波向きと波周期に合う応答関数を選出し、この応答関数の振幅の逆数を相対水位の振幅に掛け算することにより、時々刻々の波の高さ、あるいは、ゼロクロス周期の間の波高、ピーク間周期の間の波高を算出する。
【００４１】
一方、クロススペクトム算出Ｓ１０４で、時系列データ記憶手段Ｓ１０２で記憶された相対水位の時系列データをクロスさせて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施して、３点以上の相対水位の間でクロススペクトラム、つまり、少なくも２つ以上のクロススペクトラムを算出する。
【００４２】
次に、波向き推定手段Ｓ１０５で、３つ以上の相対水位から算出される２つ以上のクロスペクトラムの位相から、相対水位の相互の位相差αｉｊを算出する。出会い波周期Ｔｓにおける、相対水位の相互間の２つ以上の位相差αｉｊと出会い波の波向きθｓとの関係（予め設定されたデータ又は計算式）に基づいて、算出された入相対水位の相互の位相差αｉｊ射波から、出会い波の波向きθｓを算出し、船速Ｖｓを考慮して船体への入射波の波向きθを算出する。あるいは、船速Ｖｓをパラメータとして入れた相対水位の位相差αｉｊと出会い波の波周期Ｔｓと入射波の波向きθとの関係から、入射波の波向きθを算出する。
【００４３】
また、スペクトラム算出手段Ｓ１０６で相対水位のパワースペクトラムを算出する。次に、有義波高・波周期推定手段Ｓ１０７で、スペクラトラムから相対水位の有義波高を算出する。また、各パワースペクトラムのピーク周期等から平均波周期を算出する。
【００４４】
これらのスペクトラムから算出される有義波高や平均波周期などは、長期間の波に関するデータとなるので、航海日誌などの記録用として使用できる。
【００４５】
次に、波漂流力推定手段Ｓ１０８において、波高・波周期推定手段Ｓ１０３で算出した波高と波周期と、波向き推定手段Ｓ１０５で推定した波向きとから、波漂流力データベースＤ１に記憶された船速毎の「入射波の波向きと変動波漂流力（変動波漂流モーメントを含む）のデータ」（単位波高ベース）に基づいて、単位波高当たりの変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを算出し、更に、波高を乗じて掛変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを算出する。
【００４６】
より詳細には、船体に作用する波力及びモーメントは、波周期で変動する波浪強制力及び波浪強制モーメントと、定常的に船体に作用する波漂流力及び波漂流モーメントに分けて考えることができる。波浪強制力及び波浪強制モーメントは船体動揺を与えるが、船体を移動させる力とはならないため、自動航路又は／及び船位維持制御では、２次的な要素として扱われる。
【００４７】
一方、波漂流力は船体をある方向へ移動させる力となり、波漂流モーメントは針路を変更させるため、自動航路又は／及び船位維持制御では重要である。この波漂流力及び波漂流モーメントは、定常波漂流力及び定常波漂流モーメントと、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントに分けて考えることができる。従来の自動航路又は／及び船位維持制御では、主に、定常波漂流力及び定常波漂流モーメントのみが考慮されていた。この定常波漂流力及び定常波漂流モーメントは、非常に長い周期成分を持ち、また、大きさも小さい。
【００４８】
しかし、高海象時において突発的に生じる位置偏差を合理的に説明するためには、波による外力として変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを考慮することが必要と考えられるので、この実施の形態では、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを、規則波中の定常波漂流力を用いて、「Ｈｓｕらの方法」に従って近似的に算出して用いている。なお、「Ｈｓｕらの方法」でなく「Ｐｉｎｋｓｔｅｒの方法」を用いることも考えられる。
【００４９】
「Ｈｓｕらの方法」では、不規則波をゼロクロスの間の半波長ごとに周期及び波高の変化する規則波の連なりとみなし、その半波長の間にそれぞれの規則波に対応する定常波漂流力が作用するものと考え、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを時間に関するステップ関数として与える。変動波漂流力及び変動波漂流モーメントは、「波周期と波向きと規則波中の波漂流力係数と波漂流モーメント係数の関係」を予め設定して記憶しておくことで、容易に算出できる。
【００５０】
つまり、算出された波向きから「波周期と波向きと規則波中の波漂流力係数と波漂流モーメント係数の関係」を示すデータに基づいて、波漂流力係数と波漂流モーメント係数を算出し、これらに波高を掛け算して、波漂流力（サージ力、スェイ力）と波漂流モーメント（ヨウモーメント）を算出する。
【００５１】
これらの図１に示すような一連の制御により、相対水位から、入射波の波向きと波高を推定し、この推定された波向きと波高から変動波漂流力及び変動波モーメントを推定する。なお、波向きは一般的に変化が穏やかであるので、比較的長時間の時系列データをＦＦＴ変換して得られるクロススペクトラムやパワースペクトラムから得られるデータに基づいて算出することで推定精度を向上し、一方、変動波漂流力の大きさに関係する波高は、時系列データから直接推定して時間遅れを少なくしている。
【００５２】
次に、本発明に係る実施の形態の自動航路又は／及び船位維持制御方法及びそのシステムについて、図２を参照しながら説明する。図２に示すように、この自動航路又は／及び船位維持制御システム１は、風向・風速検出手段（風向・風速センサ）Ｃ１１、風圧力算出手段Ｃ１２、潮流検出手段（潮流センサ）Ｃ２１、潮流力算出手段Ｃ２２、船位検出手段（位置センサ）Ｃ３１、第２の制御力算出手段Ｃ３２、水位検出手段（水位センサ）Ｃ４１、波漂流力算出手段（第３の制御力算出手段）Ｃ４２、第４の制御力算出手段Ｃ５１、制御力発生手段Ｃ６１を備えて構成される。
【００５３】
自動航路又は船位維持制御を行う場合には、風向・風速検出手段Ｃ１１によって風速・風向を測定し、この風速・風向から、予め実験や計算等で得られて記憶されている「風速・風向と風圧力、風モーメントの関係」を示すデータに基づいて、風圧力算出手段Ｃ１２により風圧力及び風圧モーメントを算出する。
【００５４】
また、潮流検出手段Ｃ２１によって潮流の流向・流速を測定し、この潮流の流向・流速と予め実験や計算等で得られて記憶されている「潮流の流向・流速と潮流力、潮流モーメントの関係」を示すデータに基づいて、潮流力算出手段Ｃ２２により潮流力及び潮流モーメントを算出する。この潮流力及び潮流モーメントを風圧力及び風圧モーメントに加えて、外力に対するフィードフォワード制御用の第１の制御力及び制御モーメントとする。
【００５５】
なお、図２には特に図示していないが、必要に応じて、ライザーや係留索による力とモーメントを算出する。これらの力及びモーメントを、風圧力及び風圧モーメントと潮流力及び潮流モーメントの和に加え合わせて、外力及びモーメントである第１の制御力及び制御モーメントを算出する。
【００５６】
また、第２の制御力算出手段Ｃ３２による第２の制御力の算出は、例えば、ＧＰＳ等の船位を測定する位置情報検出手段（位置センサ）Ｃ３１によって、船体の観測位置及び航行中は航路の偏差又は停止中は船位の偏差を算出する。この航路の偏差又は船位の偏差を基に、この航路の偏差又は船位の偏差をゼロにするための第２の制御力及び制御モーメントを算出する。この第２の制御力及び制御モーメントの算出では、通常、積分制御（Ｉ制御）を用いたフィードバック制御やカルマンフィルターを使用するが、別の方法を用いてもよく、本発明ではどのような方法を用いるかは問わない。
【００５７】
また、図１に示したような制御により、水位センサＣ４１（図１の船体応答計測手段Ｓ１０１に対応）で相対水位を測定し、波漂流力算出手段Ｃ４２（図１のＳ１０２〜Ｓ１０８に対応）で、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントである第３の制御力及び制御モーメントを算出する。
【００５８】
次に、第４の制御力算出手段Ｃ５１において、風圧力算出手段Ｃ１２と潮流力算出手段Ｃ２２で算出された外力及びモーメントの第１の制御力及び制御モーメントと、第２の制御力算出手段Ｃ３２で算出された第２の制御力及び制御モーメントと、波漂流力算出手段Ｃ４２で、算出された波漂流力及び波漂流モーメントである第３の制御力および制御モーメントをそれぞれ加算して、第４の制御力及び制御モーメントを算出する。更に、この第４の制御力及び制御モーメントを発生するように、推力分配則を基に、推進器、スラスタ等の制御力発生装置に対する指令値を算出する。
【００５９】
制御力発生装置Ｃ６１は、第４の制御力算出手段Ｃ５１で算出された指令値に基づいて、推進器、スラスタ等において、それぞれの指令値に従った制御力と制御モーメントを発生する。この制御力と制御モーメントにより、船体の航路維持又は船位維持がなされる。
【００６０】
この自動航路又は／及び船位維持御方法、自動航路又は／及び船位維持御システム１では、フィードバック制御等に相当する第２の制御力及び制御モーメントに、フィードフォワード制御に相当する第１の制御力及び制御モーメントと、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの第３の制御力及び制御モーメントを加えて、第４の制御力及び制御モーメントを算出している。そのため、風圧力及び風圧モーメント等の波以外の外力を補償する外力補償制御力及び外力補償制御モーメントに加えて、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを補償する変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメントを発生させて、これらに関係するフィードフォワード制御を加味した航路維持制御又は船位維持制御を行う。
【００６１】
なお、この第２の制御力及び制御モーメントに関する制御では、自船の航路の偏差又は船位の偏差の大きさに基づいて、第２の制御力及び制御モーメントを算出するので、航路の偏差又は船位の偏差の変動が生じなければ、この第２の制御力及び制御モーメントは発生しないことになる。
【００６２】
これに対して、フィードフォワード制御で用いる外力補償制御力及び外力補償制御モーメントと変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメント、即ち、第１と第３の制御力及び制御モーメントは、安定した制御を実現するために、航路の偏差又は船位の偏差の有無やその大きさに関わらず、外乱に対抗した補償力と補償モーメントを発生する制御力及び制御モーメントである。
【００６３】
このフィードフォワード制御における、風圧や潮流やライザーや係留索による外力及びモーメントに対する補償力及び補償モーメントに関しては、風向風速計等の外力センサＣ１１、Ｃ２１で検出している相対風向、相対風速等のデータを基に、現在船体が受けている風圧力等の外力及びモーメントをリアルタイムで推定できるので、航路の偏差又は船位の偏差（方位の偏差を含む）が生じる前に、この外力及びモーメントに対抗する第１の制御力及び制御モーメントを発生することができる。
【００６４】
一方、変動波漂流力補償制御力及び変動波漂流モーメント補償制御モーメントに関しては、相対水位から推定した波高を用いるため、時々刻々、又は、入射波の波周期の半分以上の遅れ（具体的には、時系列データのゼロクロス間、又は、ピークｔｏピーク間の半波長分の位相の遅れ）を持って、発生させることになる。しかしながら、多少の時間遅れがあっても、航路の偏差又は船位の偏差が大きくなる前に、入射波によって船体に作用した力及びモーメントを打ち消す力及びモーメント、つまり、補償する力及びモーメントを発生させることができるので、船体の移動を減少させることができる。
【００６５】
また、本発明に係る実施の形態の船舶と洋上構造物は、上記の自動航路又は／及び船位維持制御システム１を備えて構成される。
【００６６】
従って、上記の入射波の波高及び波向き推定方法によれば、自動位航路又は船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できる。また、上記の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物によれば、自動航路又は船位維持制御において、船体又は洋上構造物の、航路の偏差若しくは船位の偏差を小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の入射波の波高及び波向き推定方法は、上記のように、自動航路又は船位維持制御を行っている状態において、入射波の波高と波向きを精度良く推定できるので、観測船、ライザー堀削船、洋上構造物の自動航路又は／及び船位維持制御方法及び自動航路又は／及び船位維持制御システムに利用することができる。
【００６８】
また、本発明の自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物は、自動航路維持制御又は自動船位維持制御における船体の航路の偏差又は船位偏差を小さくすることができるので、自動航路又は／及び船位維持制御を必要とする観測船、ライザー堀削船、洋上構造物等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 自動航路又は／及び船位維持制御システム
Ｃ１１ 風向・風速検出手段（風向・風速センサ）
Ｃ１２ 風圧力算出手段
Ｃ２１ 位置センサ船位検出手段（位置センサ）
Ｃ２２ 第２の制御力算出手段
Ｃ３１ 運動検出手段（動揺センサ）
Ｃ３２ 波漂流力算出手段
Ｃ４１ 第４の制御力算出手段
Ｃ５１ 制御力発生手段
Ｄ１ 波漂流力データベース
Ｓ１００ 変動波漂流力推定制御手段
Ｓ１０１ 相対水位計測手段
Ｓ１０２ 時系列データ記憶手段
Ｓ１０３ 波高・波周期推定手段
Ｓ１０４ クロススペクトラム算出手段
Ｓ１０５ 波向き推定手段
Ｓ１０６ スペクトラム算出手段
Ｓ１０７ 有義波高・波周期推定手段
Ｓ１０８ 変動波漂流力推定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定することを特徴とする入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項２】
前記相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から入射波の出会い波周期を推定し、前記相対水位の出会い波周期と該相対水位間の位相差から入射波の波向きを推定すると共に、前記相対水位の時系列から波高を推定又はスペクトラムから入射波の有義波高を推定することを特徴とする請求項１記載の入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項３】
前記相対水位の少なくとも２点の位置を船体の前後方向中心線に対して対称な位置とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項４】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の入射波の波高及び波向き推定方法を用いて、入射波の波高と波向きを推定し、この推定した入射波の波高と波向きから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定し、この推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方に対応した制御力及び制御モーメントの少なくとも一方を発生する制御を行うことを特徴とする自動航路又は／及び船位維持制御方法。
【請求項５】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御システムにおいて、少なくともピッチを含む船体の運動を計測する船体運動検出手段と、
船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定する入射波の波高及び波向き推定手段と、
前記波高及び波向き推定手段で推定した波高と波向きとから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定する波漂流力推定手段と、
前記波漂流力推定手段で推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方を発生させる補償制御力発生手段を備えたことを特徴とする自動航路又は／及び船位維持制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えたことを特徴とする船舶及び洋上構造物。
【請求項１】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法で用いる入射波の波高及び波向き推定方法において、船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定することを特徴とする入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項２】
前記相対水位の時系列のゼロクロス周期又はピーク間周期、又は前記相対水位のスペクトラムのピーク周期から入射波の出会い波周期を推定し、前記相対水位の出会い波周期と該相対水位間の位相差から入射波の波向きを推定すると共に、前記相対水位の時系列から波高を推定又はスペクトラムから入射波の有義波高を推定することを特徴とする請求項１記載の入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項３】
前記相対水位の少なくとも２点の位置を船体の前後方向中心線に対して対称な位置とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の入射波の波高及び波向き推定方法。
【請求項４】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御方法において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の入射波の波高及び波向き推定方法を用いて、入射波の波高と波向きを推定し、この推定した入射波の波高と波向きから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定し、この推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方に対応した制御力及び制御モーメントの少なくとも一方を発生する制御を行うことを特徴とする自動航路又は／及び船位維持制御方法。
【請求項５】
航行中の航路維持又は／及び停船時の船位維持のための自動航路又は／及び船位維持制御システムにおいて、少なくともピッチを含む船体の運動を計測する船体運動検出手段と、
船体の相互に離間した３点以上の相対水位を測定し、該相対水位の測定値から入射波の波高と波向きを推定する入射波の波高及び波向き推定手段と、
前記波高及び波向き推定手段で推定した波高と波向きとから、この入射波から受けた波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を推定する波漂流力推定手段と、
前記波漂流力推定手段で推定された波漂流力及び波漂流力モーメントの少なくとも一方を補償するために、この推定された波漂流力に対応した制御力及びこの推定された波漂流力モーメントに対応した制御モーメントの少なくとも一方を発生させる補償制御力発生手段を備えたことを特徴とする自動航路又は／及び船位維持制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の自動航路又は／及び船位維持制御システムを備えたことを特徴とする船舶及び洋上構造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２１３１９１（Ｐ２０１１−２１３１９１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８１５９６（Ｐ２０１０−８１５９６）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
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