JP3992101B2

JP3992101B2 - Individual wave prediction / warning system

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Publication number: JP3992101B2
Application number: JP2003138169A
Authority: JP
Inventors: 次清平山
Original assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Current assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004338580A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、個別波予測・警報システムに関するものであり、より詳細には、船舶又は海洋構造物が遭遇し得る危険な個別波を予測して海洋災害防止を図る個別波予測・警報システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航走船舶が遭遇する海洋波浪の高精度なリアルタイム計測は、船舶の安全運航、或いは、海洋構造物の稼働にとって有効且つ貴重な情報源であり、このような計測を可能にする波浪計測システムの実現は、長年の課題とされてきた。個別波を比較的高精度に計測する方法として、波浪ブイの挙動、或いは、人工衛星が発するマイクロ波を用いた直接的な波浪計測方法や、海上風分布の推定から数値計算より波浪情報を求める波浪計測方法が知られている。しかしながら、これら従来の計測方法には、空間的・時間的な分解能に限界があり、船舶航走中に遭遇し得る個別波を高精度に推定する個別波予測を従来の計測方法に従って実施することは、事実上、困難である。この他、遭遇波浪の推定に関しては、目視観測による手法が古くから実施されきたが、このような手法では、波長又は周期、或いは、波向等を高精度に測定し難く、加えて、目視観測では夜間の観測が困難である等の点で問題があることから、その有効性には限界があり、しかも、目視観察で個別波を客観的に予測することは、不可能である。
【０００３】
本発明者は、このような点を改良すべく、船舶レーダーを利用した波浪データ抽出技術を長年に亘って研究しており、この技術は、例えば、特開２００２−３１８１１５号公報に記載される如く、船舶レーダーのＰＰＩ画像の濃淡データをデジタル化し、時間的に連続した（例えば、３２（＝２⁵ ））画面を用いた３次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ(Fast Fourier Transformation) ）により波数−周波数スペクトルを求め、更に、波の分散関係を基にしてノイズ除去後に正しい波スペクトルを再生するとともに、波浪イメージの陰影比ＳＲ（Shadow Ratio) を算出する陰影比法として知られている。この陰影比法では、平均波周期の関数として用意したパラメータＡ、Ｂと、陰影比ＳＲとに基づき、有義波高Ｈ₁/₃が求められる（Ｈ₁/₃＝Ａ×ＳＲ^B）。なお、有義波高Ｈ₁/₃は、波高観測値全体の中から、波高値の大きい順に上から３分の１の個数についての波高の平均値を示す概念である。
【０００４】
同様な波高算出方法として、船舶レーダーより得られた情報に基づきシグナル雑音比ＳＮＲ（＝スペクトルピーク／バックグラウンド雑音）を演算し、シグナル雑音比及び較正用パラメーターより有義波高Ｈ₁/₃を推定するシグナル雑音比法が知られている。
【０００５】
本発明者は又、このような従来方法において必要とされた実測値基準の較正を不要にすべく、レーダー画像信号と船体運動情報とを組合せることにより、高精度且つ安定した有義波高Ｈ₁/₃の算出を可能にする波高算出方法を提案している（特願２００１−３８６３４５号）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３１８１１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
漁船等の船舶の航行安全性に影響する重要な要素として、平水中の航走・操縦状態又は曳網・揚網状態における復原性能の他、波浪中の操縦・復原性能が挙げられる。従来、波浪中の航行安全性に関し、殊に荒天状態の海域で予想される大振幅の横揺れ、転覆の可能性等について検討されてきたが、従来の波浪算出方法は、前述の如く、個別波(個別波高、個別波長、或いは、個別波周期で定義される)を明らかにするものではなく、波浪の有義波高及び平均周期を算出するものにすぎなかったことから、危険予測や、危険回避のための操船指針も又、波浪場の全般的傾向を目安としたものにすぎず、個別波の影響による危険性を考慮したものではなかった。例えば、危険な波浪場を判定して警報を発する警報装置が知られているが、この警報装置は、波浪場の全般的傾向より、現在の船舶の運動状態が危険なレベルにあるか否かといった観点から船舶航行の危険を判断するように構成されたものにすぎなかった。
【０００８】
しかしながら、荒天状態の波浪場を航走中の船舶や、海洋構造物は、現実には、有義波高の１．５倍に達する最大個別波高、或いは、その２倍以上に達する異常な個別波高に遭遇する危険があり、波浪場の有義波高及び平均周期のような波浪場の平均的指標に依存した危険判定による警報、或いは、操船又は操作の指針によっては、異常波高の個別波との遭遇による危険を回避し難く、このため、船舶又は海洋構造物が遭遇し得る危険な個別波に関し、警報や、操船又は操作指針をリアルタイムで乗員に示し、船舶又は海洋構造物の安全確保を支援する警報システム又は危険回避システムの開発が望まれる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とすることろは、船舶又は海洋構造物が遭遇し得る危険な個別波を予測し、船舶又は海洋構造物の安全確保を支援する個別波予測・警報システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、レーダー画像信号を用いて有義波高等を算出するための従来の算出方法においてパワースペクトル合成時に捨象されていた波浪の位相情報を使用し、船舶が遭遇し得る個別波を具体的に予測することが可能であることを見出し、かかる知見に基づき、本発明を達成したものである。即ち、本発明によれば、
船舶又は海洋構造物上のレーダーのレーダー画像信号を入力可能な入力手段と、個別波予測手段及び危険判定手段を備えた個別波予測・警報装置とを有し、
前記入力手段には、船舶又は海洋構造物の少なくとも位置及び方位を示す位置・方位情報が更に入力され、
前記個別波予測手段は、少なくとも前記レーダー画像の陰影情報より現時刻の波浪情報を得た後、波浪の位相修正により所定時間後の波浪情報を得るように構成され、
前記危険判定手段は、所定時間後の前記波浪情報及び前記位置・方位情報に基づき、所定時間後の船舶又は海洋構造物と個別波との遭遇を予測し、所定時間後に船舶又は海洋構造物が遭遇する個別波による船舶又は海洋構造物の挙動及び／又は荷重を推定し、船舶又は海洋構造物の安全又は危険を判断することを特徴とする個別波予測・警報システムを提供する。
【００１１】
レーダー画像の反射強度(又は濃淡)には、不規則波を特徴づける素成波の位相情報が含まれる。従って、レーダー画像の反射強度(又は濃淡)より現時刻の波浪情報を得た後、波浪の位相修正により所定時間後の波浪情報を得ることができる。好ましくは、個別波予測手段は、レーダー画像の陰影情報より現時刻の波浪の３次元フーリエスペクトルを求め、該３次元フーリエスペクトルの位相を修正し、所定時間後の３次元フーリエスペクトルを予測し、予測した３次元フーリエスペクトルにフーリエ逆変換を施し、個別波予測波面の情報を生成する。レーダー画像の反射強度(又は濃淡)より得た３次元フーリエスペクトルの位相を修正することにより、所定時間後の３次元フーリエスペクトルを予測することができ、これをフーリエ逆変換することより、所定時間後の個別波予測波面の情報が得られる。個別波予測波面の波高算出には、特願２００１−３８６３４５号において提案した方法、即ち、レーダー画像信号と船体運動情報とを組合せ、ＰＰＩ画像の解析結果と、船体運動（ヒーブ等、少なくとも１種の運動）によるスペクトルとを比較し、スペクトルの縦軸の絶対指標を定め（縦軸の絶対指標が定まるとスペクトルの全体容積、つまり波浪の全エネルギーが判明する）、実質的に直接的に（実測値基準の較正を行わずに）、有義波高の絶対値を算出する波高算出方法を好ましく適用することができる。
【００１２】
他方、現在の船舶の位置、方位（針路方向）又は速度、或いは、海洋構造物の位置又は方位は、レーダー画像情報との関係で明確に特定し得るので、危険判定手段は、所定時間後の船舶又は海洋構造物の位置及び方位、個別波の位置及び方位（波向き）、更には、個別波遭遇の位置及び方位を予測し、遭遇時の船体又は構造体の挙動又は荷重を解析することができる。個別波遭遇時の船体又は構造体の挙動又は荷重より、過度の傾倒、変形、衝撃、異常挙動又は過大な外力等の発生の可能性が明らかとなるので、危険判定手段は、このような挙動又は荷重を推定し、個別波遭遇時の船舶又は海洋構造物の安全又は危険を判断する。個別波予測・警報システムは、このような危険判定手段の判定結果に基づき、乗員に危険を警報し、或いは、系外の警報装置に警報発令を指示する。
【００１３】
殊に船舶の場合にあっては、危険な波が航路又は海域に存在する場合、波と船舶の遭遇時期は、波速及び船体速度により大きく相違するので、危険を有効に予測し且つ危険警報を発するには、個別波予測及び危険判定の終了時期と、波浪予測対象の時間帯との関係が重要である。仮に、波の予測に過剰な時間を要し、危険判定直後に船舶が危険な波と遭遇する結果となる場合、危険回避のための時間的余裕が得られず、逆に、危険判定終了時と予測対象時間帯との間に大きな時間差がある場合、船舶が実際に波に遭遇するまでの時間に生じ得る不確定な現象を考慮すると、有効な警報を発することは、事実上、困難である。海洋構造物の場合においても、波と海洋構造物の遭遇時期は、波速により大きく相違し、同様な考慮が必要である。これに対し、一般に船舶又は海洋構造物に搭載されるレーダーのレンジ（感知範囲）と、フーリエ変換及びフーリエ逆変換による迅速な演算処理時間は、適切な個別波予測及び危険判定の時間を設定する上で好ましく採用し得る。
【００１４】
好ましくは、上記個別波予測手段は、レーダー画像信号の入力開始時（時刻t₁）から危険判定を終了するまでの予測・判定時間（時間ΔT₁）と、予測・判定時間の終了時(t₂)を始期とする危険回避時間（ΔT₂）と、危険回避時間の終了時(t₃)を始期とする予測対象時間（ΔT₃) とを設定し、予測・判定時間（ΔT₁）を直前の予測・判定時間の終了時(t₂)に実質的に開始するように設定する。更に好ましくは、予測対象時間（ΔT₃) は、直前の予測対象時間（ΔT₃) と時間的に重複し、危険判定手段は、重複する時間帯における個別波予測波面及び危険判定結果に関し、後続側の予測対象時間に予測された個別波予測波面及び危険判定結果を優先的に警報発令の判断基準として使用する。
【００１５】
好適には、個別波予測・警報システムは、乗員に警報を発する警報発令手段を更に有する。浮体（船舶又は浮体式海洋構造物）の場合、上記入力部には、浮体の操作情報、例えば、操船装置の操船情報が入力され、危険判定手段は、予め設定された運動計算プログラムに従って個別波遭遇時の浮体の挙動を解析し、浮体挙動を示す物理量が所定の限界値を超えたとき、浮体の危険を判定し、警報発令手段に警報発令を指令する。更に好適には、個別波予測・警報システムは、浮体挙動に関する浮体固有の安全限界値を予め記憶する記憶部を更に有し、危険判定手段は、安全限界値と浮体挙動の物理量とを対比し、浮体の危険又は安全を判断する。異常な個別波と遭遇し、危険状態が発生し得ると予測された場合、船舶においては、操船により危険回避することができ、浮体式海洋構造物にあっては、早期の警報により、乗員に危険を警報し、不意の危険遭遇による混乱を回避することができ、或いは、適切な対策をとるための準備時間を乗員に与える。
浮体が船舶である場合、上記入力部には、船舶の位置、進行方向及び速度を示す情報が入力され、個別波予測手段は、船舶の船体運動のスペクトルと、現時刻の波浪情報とを対比して、波高絶対値を求める指標を定め、個別波の波高を求める。
【００１６】
着底式海洋構造物の場合には、位置及び方位は、必ずしも逐次入力する必要はなく、初期値入力によりデータを固定することが可能である。本発明の個別波予測・警報システムは、着底式海洋構造物においても、浮体式海洋構造物の場合と同様、不意の危険遭遇に伴う混乱の回避や、対策のための準備時間を確保する上で有効である。例えば、異常な個別波の早期警報は、波浪の影響により挙動し得る付帯設備や、波浪遭遇時の振動又は衝撃により海洋構造物から脱落し又は変位・変形する懸念がある部分等を確実に係留又は係止したり、或いは、波浪に対する強度又は耐久性が比較的弱い部分を過渡的に保護するなど、異常な個別波に対する対策をとるための時間を乗員に与える。
【００１７】
他の観点より、本発明は、上記構成の個別波予測・警報システムを含む船舶の安全航走支援システムであって、
上記危険判定手段が船舶の危険を判定したとき、危険を回避するための操船方法を判断し、危険回避に適した操船方法を表示する操船支援手段を備えたことを特徴とする安全航走支援システムを提供する。
【００１８】
このような安全航走支援システムを備えた船舶は、システムが提示する操船方法に従う操船により、危険な個別波を回避しながら航海上を安全航行することができる。
【００１９】
好ましくは、操船支援手段は、船舶の危険を生じさせる各種個別波の性質に適合した各種操船方法のパターンを予め記憶し、船舶が遭遇する個別波の危険性を軽減するのに適した操船指針を表示する。
【００２０】
【実施の形態】
以下、添付図面を参照して、個別波予測・警報システムに関する本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る個別波予測・警報システムの全体構成を示すブロック図であり、本実施形態においては、個別波予測・警報システムは、船舶に搭載される。
【００２１】
図１には、船舶に搭載されたレーダーユニット１及びレーダー指示器３が示されている。レーダーユニット１は、送信機、レーダーアンテナ及び受信機等から構成される。レーダーユニット１として、船舶に既に搭載された既設の舶用レーダー装置を個別波予測・警報システムの構成要素として兼用することができる。変形例として、波浪予測専用のレーダー装置をレーダーユニット１として船舶に搭載しても良い。また、舶用レーダー装置は、通常は、Ｘバンドレーダー装置であるが、波長が比較的短いミリ波レーダーをレーダーユニット１として船舶に搭載しても良い。
レーダーユニット１の受信機が出力するレーダー画像信号は、インターフェイスモジュール２を介してレーダー指示器３に入力される。レーダー指示器３は、ＰＰＩ(Plan Position Indicator)表示装置の画面にレーダー画像を表示する。一般に、レーダー画像信号は、ノイズ除去フィルター（図示せず）によりノイズ除去した後にＰＰＩ表示装置に表示されるが、このノイズは、通常は、海洋波面からの反射等に起因する。従って、ノイズ除去フィルターを通す前のレーダー画像信号によりＰＰＩ画面を表示することにより、海面情報、特に、波頂線を表示することが可能となる。
【００２２】
個別波予測・警報システムは、周辺機器として、上記レーダーユニット１及びインターフェイスモジュール２を使用したものであり、その主要構成要素は、ノイズ除去前のレーダー画像信号がインターフェイスモジュールから入力される個別波予測・警報装置１０からなる。個別波予測・警報装置１０は、レーダー画像信号の入力部１１、レーダー画像信号を演算処理する演算処理部１２、各種データ及びプログラムを記憶する記憶部１３、現時刻及び所定時間経過後の各波浪情報等を表示可能な表示部１４、更には、船舶が危険な波と遭遇する危険性を乗船員に警報する警報発信部１５を備える。船舶の操船装置４が、信号線を介して個別波予測・警報装置１０の入力部１１に接続され、船舶の位置、速度及び針路等を示すＧＰＳ（Global Positioning System ）信号、船速信号及び針路信号が個別波予測・警報装置１０に入力される。
【００２３】
図２は、個別波予測・警報装置１０が実行する個別波予測・危険判定のタイミング・シーケンスを示すタイムチャートである。
個別波予測・警報装置１０は、現時刻（予測開始時）t₁から所定時間ΔT₁内に波浪予測を実行する。予測すべき波浪情報の空間的範囲は、主として、予測開始時(t₁)においてＰＰＩ画面に表示された海面領域の範囲に設定される。予測すべき波浪情報は、その始期が時刻t₃ (現時刻t₁から所定時間ΔT₁＋ΔT₂を経過した時刻) に設定され、その終期が時刻t₃＋ΔT₃に設定される。従って、個別波予測・警報装置１０は、レーダー指示器３のＰＰＩ画面に表示された現時刻(t₁)の海面領域内で所定時間ΔT₃の時間帯（予測対象時間）に発生する波浪の情報を予測する。換言すれば、個別波予測・警報装置１０は、実際に波が発生する時刻よりも所定時間ΔT₂以上の時間、先廻りしてその波を予測する。なお、所望により、波の主たる進行方向を考慮し、ＰＰＩ画面の外側海域から船舶に接近する個別波を予測するようにしても良い。
【００２４】
時間ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃は、例えば、６０秒、１２０秒、１８０秒に夫々設定される。このような時間設定によれば、予測開始時(t₁)から６０秒後には、１８０〜３６０秒の時間帯（ΔT₃）の波浪情報が得られ、危険回避行動のための時間として、最短１２０秒、最長３００秒の時間が確保される。例えば、船舶のレーダーユニットが１．５マイルレンジ（２．７８ｋｍ）の規格のものである場合、平均的な波として周期８秒の波を想定すると、この波は、毎秒１２ｍの位相速度を有する。この波と船舶との間の距離が２．７８ｋｍであると仮定すると、船舶がこの波に遭遇する時期は、約３．８分後である。波浪予測及び危険判断に約１分の時間を費やすと想定すると、変針、減速等の危険回避行動のために約２．８分の時間を確保することができる。波の周期がこれより長く、波速が速い場合、或いは、高速航走中の船舶の場合、危険回避のための時間は減少し、逆に、波の周期がこれより短く、波速が遅い場合、或いは、低速航走中の船舶の場合には、危険回避のための時間は増大する。レーダーユニットのレンジ（感知範囲）拡大により、各時間帯を更に長期化することも可能であるが、反面、レンジ拡大により個々の波を見分ける分解能が低下するので、漁船等に搭載された標準的な舶用レーダーを用いる場合、上記のような時間設定を目安とすることが望ましい。
【００２５】
個別波予測・警報装置１０は、一連の波浪予測・危険判定プロセスを所定時間ΔT₁の時間間隔で反復実施する。即ち、個別波予測・警報装置１０は、図２に示す如く、現時刻(t₁)のＰＰＩ画面の海面領域の範囲内において所定時間ΔT₃の時間帯に発生する波浪の情報を予測するプロセスを時間ΔT₁間隔で間断なく繰返し実行する。各回の波浪予測結果は、時間的に部分重複する。例えば、時間ΔT₁、ΔT₂ _、ΔT₃を６０秒、１２０秒、１８０秒に夫々設定した場合、個別波予測・警報装置１０は、最初の予測開始時刻(t₁)から３分間の時間内に３回の波浪予測・危険判定ルーチンを実行し、各波浪予測・危険判定ルーチンにおいて、初回の開始時刻(t₁)から１８０〜３６０秒後、２４０〜４２０秒後、３００〜４８０秒後の波浪情報を夫々予測する。初回の波浪予測・危険判定ルーチンに比べ、２回目及び３回目の予測は、更新されたレーダー画像データに基づいて実行されるので、波浪情報の特定および危険・安全の判断には、最新の予測結果が優先的に使用される。例えば、初回の予測開始時(t₁)から２×ΔT₁（１２０秒）経過した時点では、２回目の予測結果（２４０〜４２０秒後の波浪情報）が確定するので、初回の予測結果（１８０〜３６０秒後の波浪情報）のうち、２４０秒以上３６０秒以下の時間帯（２分間）の波浪情報に関しては、２回目の予測結果が使用される。同様に、初回の予測開始時(t₁)から３×ΔT₁（１８０秒）経過した時期には、３回目の予測結果（３００〜４８０秒後の波浪情報）が確定するので、初回及び２回目の予測結果（２４０〜４２０秒後の波浪情報）のうち、３００秒以上４２０秒以下の時間帯（２分間）の波浪情報に関しては、３回目の予測結果が使用される。なお、各波浪予測・危険判定ルーチンにおいて、重複しない時間帯（例えば、初回の波浪予測・危険判定ルーチンにおける１８０秒以上２４０秒以下の時間帯）については、その時間帯の波浪情報がそのまま使用される。
【００２６】
図３及び図４は、個別波予測・警報装置１０が実行する波浪予測ルーチン及び危険判定ルーチンの概要を示すフローチャートである。
個別波予測・警報装置１０は、波浪予測ルーチンを実時刻(t₁)に開始し、インターフェイスモジュールを介してレーダーユニット１のレーダー画像信号を受信する。個別波予測・警報装置１０の入力部１１が受信するレーダー画像信号は、レーダー指示器３に入力すべき最新のレーダー画像信号と同一であるが、入力部１１は、このレーダー画像信号をノイズ除去せずに演算処理部１２に入力する。なお、入力部１１に入力される画像信号は、レーダー画像の濃淡を示す画像信号（ビデオ信号）である。
演算処理部１２は、レーダーアンテナ１回転分のレーダー画像（反射強度に対応する濃淡）をデジタル信号化し、記憶部１３は、デジタル処理後のレーダー画像ζ（ｘ，ｙ，ｔ）を記憶する。個別波予測・警報装置１０は、このようなデジタル処理及び画像記憶を連続的にＮ画面（例えば、３２( ２⁵)画面）、記憶部１３に蓄積する（ｓ（ステップ）１）。
【００２７】
各画面のレーダー画像ζ（ｘ，ｙ，ｔ）は、素成波の重ね合わせとして、次式（１）により表現することができる。
【数１】

【００２８】
ここに、各記号の意味は、以下のとおりである。
ζ ：ＰＰＩ画像の濃淡（ほぼ波面の凸凹に対応すると考えられる。）
ω_j：周波数(rad／sec)
ｔ：時刻(sec)
ｋ_j：波数(rad／m)
ｘ：ｘ座標(m)
ｙ：ｙ座標(m)
Θ_k：素成波の進行方向（rad）
ε_jk：素成波の位相（rad）
ｊ：離散化した周波数の番号を示す添字
ｋ：離散化した波進行方向の番号を示す添字
Ａ_jk：素成波の振幅(m)
【００２９】
演算処理部１２は、Ｎ画面分のレーダー画像ζ（ｘ，ｙ，ｔ）を３次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation)）し、現時刻(t₁)の波数−周波数スペクトル（３次元フーリエスペクトル）Ｆを求める（ｓ２）。波数−周波数スペクトルＦは、次式(2) により定義される。
【数２】

ここに、ｋ_x _、ｋ_yは、以下のとおりである。
ｋ_x：ｘ方向の波数＝ｋcosΘ
ｋ_y：ｙ方向の波数＝ｋsinΘ
【００３０】
演算処理部１２は、波数−周波数スペクトルＦからパワースペクトルを求め、波浪の平均波周期を求めるとともに、このレーダー画像データに基づいて陰影比ＳＲを算出した後、所定のパラメータを用いた関係式Ｈ₁/₃＝Ａ×ＳＲ^Bより有義波高Ｈ₁/₃を求める（ｓ２１）。有義波高Ｈ₁/₃や、平均周期、平均波長、波方向の値は、個別波予測・警報装置１０の有義波高表示部１６に表示され、フーリエ変換前のレーダー画像データは、現時刻の波浪イメージとして現波浪ＰＰＩ表示部１７に表示される。なお、波数−周波数スペクトルの振幅決定には、特願2001-386345 号において提案した手法、即ち、レーダー画像信号及び船体応答関数に基づく第１パワースペクトルと、船体運動情報に基づく第２パワースペクトルとを求め、各パワースペクトルの縦軸の相対的な比率より波高値（絶対値）を算出する方法等を使用することができる。
【００３１】
図５には、Ｎ画面分のレーダー画像ζの３次元高速フーリエ変換により求めた波浪スペクトルが例示されている。図５において、Ｘ軸及びＹ軸は、波の周波数及び方向を指示し、縦軸は、波のエネルギーを指示する。
【００３２】
図５に示す波浪スペクトルを合成した段階では、不規則波の各成分波（素成波）を特徴づける位相情報（上式(1):ε) は、捨象されてしまうので、記憶部１３は、各成分波の位相情報を記憶する（ｓ３）。
【００３３】
演算処理部１２は、３次元高速フーリエ変換及び位相情報記憶の工程（ｓ１〜ｓ３）の完了時に完了時刻(t₁＋ΔT₀（ΔT₀＝工程ｓ１〜ｓ３の所要時間）) を確認した後（ｓ４）、時刻t をt₂＋ΔT₂（t＝t₃）に設定変更し（ｓ５）、これ以降、予測対象の時間帯ΔT₃の波浪予測を実行する（ｓ６〜１０）。この波浪予測において、演算処理部１２は、スペクトルＦの位相修正（＋ω（ｔ−t₁））を行い（t＝t₃）、修正後のスペクトルＦにフーリエ逆変換を施し、時刻t₃の個別波の波面（予測波面）を再生する（ｓ６、ｓ７、ｓ８）。これ以降、時間ΔT₃の間、時刻t をt からΔt(単位時間)ずつ変化させ(t＋ΔT)、時間帯ΔT₃に予測される個別波予測波面を順次求める（ｓ９、１０、ｓ６）。このようにして求められた個別波予測波面は、所定時間後の予測波浪イメージとして予測波浪ＰＰＩ表示部１９（図１）に表示される。
【００３４】
次に、演算処理部１２は、ＧＰＳ信号、船速信号及び針路信号を読込み、現在の船舶の位置、速度及び針路に基づき、時間帯ΔT₃に予測される船舶位置、速度及び針路を求め（ｓ１１、ｓ１２）、船舶が時間帯ΔT₃に遭遇する波浪の時間変化を予測する（ｓ１３）。
【００３５】
記憶部１３には、前述の波浪予測ルーチンを実行する波浪予測プログラムが格納されるだけではなく、波浪中の船体運動を解析する船体運動計算プログラムが格納されており、演算処理部１２は、船舶が遭遇する個別波に対する船体の挙動を船体運動計算プログラムに従って解析する。
【００３６】
図６は、船体運動の構成要素を示す概略斜視図である。
実際の船体運動は、上下揺（ヒーブ）、前後揺（サージ）、左右揺（スウェイ）、船首揺（ヨー）、横揺（ロール）および縦揺（ピッチ）の６自由度の運動を合成したものであり、各方向の運動について、加速度、速度及び変位量を解析することができる。演算処理部１２は、時間帯ΔT₃に船舶が遭遇する予測波に関し、船体運動及び船体加速度や、船底露出等の如く船舶の安全性に密接に関連する物理量を船体運動計算プログラムにより推定する（ｓ１４、ｓ１５）。船体運動の計算手法は、「波浪中旋回時の非定常横揺れについて−Ｉ．（規則波中、数値シミュレーションによる検討）」（平成15年3月、平山次清他著、社団法人日本航海学会論文集、第108号、第231〜238頁) や、特願2001-386345 号明細書等に記載されているので、これらの文献を引用することにより、更なる詳細な説明は、省略する。
【００３７】
記憶部１３は、安全航走と危険状態とを判定すべく予め設定された船体固有の物理的限界値（安全限界値) を限界値テーブルとして記憶しており、船体運動計算プログラムの計算結果が限界値テーブル上の規定値を超える場合、船舶の危険状態を判定し、警報発信部１５に警報発令を指示する（ｓ１６、ｓ１７）。警報発信部１５は、乗船員に警報を発し、乗船員に危険回避の必要性を警告する。警報は、例えば、「３分後危険」等の警告表示を含む。なお、限界値テーブルは、各種船体運動の振幅、海水流入角に対する横揺れ角、船首上下加速度等に関する船体固有の限界値を予め定義したものであり、例えば、予測される各種船体運動の振幅が安全限界を超える場合、海水流入角を超える横揺れ角が発生すると予測される場合、０．５Ｇを超える船首上下加速度が予測される場合、或いは、船底露出（船底露出条件は理論計算により予め設定される）による衝撃現象が発生すると予測される場合などには、船体運動計算プログラムの計算結果は、限界値テーブル上の規定値を超える。
【００３８】
演算処理部１２は又、危険予測の結果に適合可能な安全航走パターンを選択し、変針や減速等の如く具体的な安全航走指針を表示するよう操船指針表示部１８に指令する（ｓ１８）。即ち、演算処理部１２は、前述の如く、個別波予測波面を予測するとともに、個別波と船舶との遭遇を予測しており、これは、船舶に危険が生じ得る時期、状況及び位置を予測することを意味する。従って、個別波予測・警報装置１０は、危険が生じる状況及び船***置との関係で有効に危険回避するための安全航走パターンを記憶部１３に予め記憶し、危険予測の結果に適応可能な安全航走パターンを選択することにより、変針や減速等の如く具体的な安全航走指針を表示部１８に出力し、表示部１８は、これを表示する。例えば、個別波予測・警報装置１０は、危険な波がどの方向からどの程度の波長で船舶に遭遇するかを予測できるので、この個別波が横波として船体に作用する場合には、波の方向に船体をたてるような操舵指針を表示部１８に表示し、また、追い波として船体に作用し、ブローチング現象が予測される場合には、船速を減速する指針を表示部１８に表示し、或いは、向かい波で船底衝撃や、過大な上下加速度が予測される場合には、直ちに船速を減速するような指針を表示部１８に表示する。表示部１８は、例えば、「右に３０度転針せよ」等の如く、危険な状態を避けるための具体的な操船指針を表示する。
【００３９】
個別波予測・警報装置１０は、実時刻が（ｔ₁＋ΔT₁）に達した時点で時刻ｔをリセットし、次回の波浪予測ルーチン（図３）に移行する（ｓ１９、ｓ２０）。個別波予測・警報装置１０は、比較的短時間に繰返し個別波予測（ｓ１〜ｓ１０）及び危険判定（ｓ１１〜ｓ２０）を実行し続ける。これは、危険状態の監視を実質的に継続的に行うことを意味するので、操船指針により転針又は減速等を行った後に更に危険が予測される場合、更なる警報及び操船判断が個別波予測・警報装置１０により示され、他方、転針又は減速等により危険が解消した場合、表示部１８の操船指針は取り消され、表示部１８は、通常航走時の表示に復帰する。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００４１】
例えば、当業者には明らかなとおり、本発明の上記構成は、海洋構造物、殊に浮体式の海洋構造物に好ましく適用し得る。この場合、海洋構造物は、操舵又は減速等の操船操作により危険回避することはできない。しかしながら、海洋構造物の乗員又は安全装置は、異常波遭遇による危険を早期に察知し、適切な安全措置を講ずることができる。
【００４２】
また、具体的な警報発令方法、操船指針又は安全指針の具体的表示方法、各種時間の具体的な設定等は、船舶又は海洋構造物の種類や、船舶又は海洋構造物に搭載したレーダーユニットの種類及び性能等に応じて適宜設計変更することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、船舶又は海洋構造物が遭遇し得る危険な個別波を予測し、船舶又は海洋構造物の安全確保を支援する個別波予測・警報システムを提供することができる。本発明の個別波予測・警報システムは、個々の波の出現又は性状を実海域で予測することができ、これは、従来の波浪予測システムが或る海域の平均的な状態（有義波高）を予測するにすぎず、個々の波の発生及び性状を予測するものではなかった点と対比すると、海洋災害防止等を図る上で極めて有益である。
【００４４】
本発明は又、このような個別波予測・警報システムを含む船舶の安全航走支援システムを提供し、安全航走支援システムは、危険な個別波と船舶との遭遇を予測し、危険回避のための適切な操船指針を具体的に乗船員に示し、船舶の安全航走を支援する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る個別波予測・警報システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】個別波予測・警報装置が実行する個別波予測・危険判定のタイミング・シーケンスを示すタイムチャートである。
【図３】個別波予測・警報装置が実行する波浪予測ルーチンの概要を示すフローチャートである。
【図４】個別波予測・警報装置が実行する危険判定ルーチンの概要を示すフローチャートである。
【図５】３次元高速フーリエ変換により求めた波浪スペクトルを例示する線図である。
【図６】船体運動の構成要素を示す概略斜視図である
【符号の説明】
１レーダーユニット
２インターフェイスモジュール
３レーダー指示器
４操船装置
１０個別波予測・警報装置
１１入力部
１２演算処理部
１３記憶部
１４表示部
１５警報発信部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an individual wave prediction / warning system, and more particularly to an individual wave prediction / warning system for predicting dangerous individual waves that can be encountered by ships or marine structures to prevent marine disasters. It is.
[0002]
[Prior art]
High-precision real-time measurement of ocean waves encountered by sailing vessels is an effective and valuable source of information for safe operation of vessels or the operation of offshore structures. Realization has been a challenge for many years. As a method for measuring individual waves with relatively high accuracy, wave information is obtained by numerical calculation based on the behavior of wave buoys, direct wave measurement using microwaves generated by artificial satellites, or estimation of surface wind distribution. Wave measurement methods are known. However, these conventional measurement methods have limitations in spatial and temporal resolution, and individual wave prediction that accurately estimates individual waves that can be encountered during ship navigation should be performed according to the conventional measurement method. Is practically difficult. In addition, for the estimation of encounter waves, visual observation methods have been implemented for a long time, but with such methods, it is difficult to measure the wavelength, period, wave direction, etc. with high accuracy. However, since there is a problem in that observation at night is difficult, the effectiveness is limited, and it is impossible to objectively predict individual waves by visual observation.
[0003]
The present inventor has been studying wave data extraction technology using ship radar for many years in order to improve such points, and this technology is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-318115. As described above, the grayscale data of the PPI image of the ship radar is digitized and continuous in time (for example, 32 (= 2^Five )) Obtain wave number-frequency spectrum by three-dimensional fast Fourier transformation (FFT) using the screen, and regenerate the correct wave spectrum after removing noise based on the wave dispersion relation, and also wave image It is known as a shadow ratio method for calculating the shadow ratio SR (Shadow Ratio). In this shadow ratio method, the significant wave height H is based on the parameters A and B prepared as a function of the average wave period and the shadow ratio SR.₁/_ThreeIs required (H₁/_Three= A x SR^B). In addition, significant wave height H₁/_ThreeIs a concept showing the average value of the wave heights for the number of one-third from the top in the descending order of the wave height values from among the entire wave height observation values.
[0004]
As a similar wave height calculation method, the signal-to-noise ratio SNR (= spectrum peak / background noise) is calculated based on the information obtained from the ship radar, and the significant wave height H is calculated from the signal-to-noise ratio and the calibration parameters.₁/_ThreeA signal-to-noise ratio method for estimating is known.
[0005]
The present inventor has also achieved a highly accurate and stable significant wave height H by combining the radar image signal and the hull motion information in order to eliminate the calibration of the actual measurement value required in such a conventional method.₁/_ThreeHas proposed a method for calculating the wave height (Japanese Patent Application No. 2001-386345).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-318115 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Important factors that affect the navigational safety of vessels such as fishing boats include the ability to restore and operate in waves, as well as the ability to restore and restore in the running and maneuvering state of the flat water or in the state of the seine and lifting nets. Conventionally, with regard to navigational safety in waves, especially the possibility of large-amplitude rolls and rollovers that can be expected in stormy seas has been studied. It does not clarify the wave (defined by individual wave height, individual wavelength, or individual wave period), but merely calculates the significant wave height and average period of waves. The maneuvering guidelines for avoidance were also only a guide to the general trend of the wave field, and did not consider the dangers of the effects of individual waves. For example, an alarm device that determines a dangerous wave field and issues an alarm is known. This alarm device determines whether or not the current movement state of the ship is at a dangerous level based on the general tendency of the wave field. It was only what was comprised so that the danger of ship navigation might be judged from such a viewpoint.
[0008]
However, ships and marine structures that are navigating stormy wave fields actually have a maximum individual wave height that reaches 1.5 times the significant wave height, or an abnormal individual wave height that reaches more than twice that. Depending on the mean indicator of the wave field, such as the significant wave height and average period of the wave field, depending on the risk judgment, or depending on the maneuvering or operational guidelines, It is difficult to avoid the danger caused by encounters, and therefore, warnings, maneuvering or operation guidelines are shown in real time to passengers regarding dangerous individual waves that ships or marine structures may encounter, and help to ensure the safety of ships or marine structures. It is desirable to develop an alarm system or a danger avoidance system.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances. The purpose of the present invention is to predict dangerous individual waves that a ship or offshore structure may encounter, and to ensure the safety of the ship or offshore structure. To provide an individual wave prediction / warning system that supports
[0010]
[Means and Actions for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventor has studied the phase of waves that have been discarded at the time of power spectrum synthesis in a conventional calculation method for calculating a significant wave height using a radar image signal. It has been found that it is possible to specifically predict individual waves that a ship can encounter using information, and the present invention has been achieved based on such knowledge. That is, according to the present invention,
An input unit capable of inputting a radar image signal of a radar on a ship or an offshore structure, and an individual wave prediction / warning device provided with an individual wave prediction unit and a danger determination unit,
Position / orientation information indicating at least the position and orientation of the ship or offshore structure is further input to the input means,
The individual wave prediction means is configured to obtain wave information after a predetermined time by correcting the phase of the wave after obtaining wave information at the current time from at least the shadow information of the radar image,
The danger judging means predicts an encounter between the ship or the marine structure and the individual wave after the predetermined time based on the wave information and the position / orientation information after the predetermined time, and the ship or the marine structure is detected after the predetermined time. Provided is an individual wave prediction / warning system that estimates the behavior and / or load of a ship or offshore structure due to an individual wave encountered and judges the safety or danger of the ship or offshore structure.
[0011]
The reflection intensity (or shading) of the radar image includes phase information of the fundamental wave that characterizes the irregular wave. Therefore, after obtaining wave information at the current time from the reflection intensity (or shading) of the radar image, wave information after a predetermined time can be obtained by correcting the wave phase. Preferably, the individual wave prediction means obtains the three-dimensional Fourier spectrum of the current wave from the shadow information of the radar image, corrects the phase of the three-dimensional Fourier spectrum, predicts the three-dimensional Fourier spectrum after a predetermined time, The inverse Fourier transform is performed on the predicted three-dimensional Fourier spectrum to generate individual wave prediction wavefront information. By correcting the phase of the three-dimensional Fourier spectrum obtained from the reflection intensity (or shading) of the radar image, the three-dimensional Fourier spectrum after a predetermined time can be predicted. Information on the predicted wave front of the individual wave later is obtained. For calculating the wave height of the individual wave prediction wavefront, the method proposed in Japanese Patent Application No. 2001-386345, that is, combining the radar image signal and the hull motion information, the analysis result of the PPI image and the hull motion (heave, etc.) are used. And the absolute index of the vertical axis of the spectrum is determined (when the absolute index of the vertical axis is determined, the total volume of the spectrum, that is, the total energy of the waves is found), and substantially directly ( The wave height calculation method for calculating the absolute value of the significant wave height can be preferably applied without calibrating the actual measurement value standard).
[0012]
On the other hand, the current ship position, heading (direction of heading) or speed, or the position or heading of the offshore structure can be clearly specified in relation to the radar image information. Predict the position and direction of a ship or offshore structure, the position and direction of an individual wave (wave direction), and the position and direction of an individual wave encounter, and analyze the behavior or load of the ship or structure at the time of the encounter Can do. Since the possibility of excessive tilting, deformation, impact, abnormal behavior, or excessive external force is clarified from the behavior or load of the hull or structure at the time of individual wave encounter, the risk judgment means shall Or, estimate the load and determine the safety or danger of the ship or offshore structure when an individual wave is encountered. The individual wave prediction / warning system warns the occupant of the danger based on the determination result of the risk determination means, or instructs the alarm device outside the system to issue the alarm.
[0013]
Especially in the case of ships, when dangerous waves are present in the channel or sea area, the encounter time of the waves and the ship greatly differs depending on the wave speed and hull speed, so that the danger can be effectively predicted and a warning can be given. In order to emit, the relationship between the end time of the individual wave prediction and the risk determination and the time zone of the wave prediction target is important. If it takes an excessive amount of time to predict a wave and the ship encounters a dangerous wave immediately after the danger judgment, there is no time for avoiding the danger. If there is a large time difference between the target time zone and the forecast time zone, it is virtually difficult to issue an effective warning considering the uncertain phenomenon that may occur in the time until the ship actually encounters the wave. is there. Even in the case of offshore structures, the time of encounter between waves and offshore structures varies greatly depending on the wave speed, and similar considerations are necessary. On the other hand, a radar range (sensing range) generally mounted on a ship or an offshore structure and a quick calculation processing time by Fourier transform and inverse Fourier transform set an appropriate individual wave prediction and risk determination time. It can preferably be employed above.
[0014]
Preferably, the individual wave prediction means is configured to start the radar image signal input (time t₁) To prediction / judgment time (time ΔT)₁) And the end of the prediction / judgment time (t₂) Danger avoidance time (ΔT₂) And the end of the danger avoidance time (t_Three) For the predicted time (ΔT_Three) And the prediction / judgment time (ΔT₁) At the end of the previous prediction / judgment time (t₂) To start substantially. More preferably, the prediction target time (ΔT_Three) Is the previous forecast target time (ΔT_ThreeThe risk judgment means give priority to the individual wave prediction wavefront and the risk judgment result predicted at the subsequent prediction target time for the individual wave prediction wavefront and the risk judgment result in the overlapping time zone. Used as a criterion for issuing warnings.
[0015]
Preferably, the individual wave prediction / warning system further includes warning issuing means for issuing a warning to an occupant. In the case of a floating body (a ship or a floating offshore structure), floating body operation information, for example, marine vessel maneuvering information, is input to the input unit, and the risk determination means performs an individual wave according to a preset motion calculation program. The behavior of the floating body at the time of encounter is analyzed, and when the physical quantity indicating the floating body behavior exceeds a predetermined limit value, the danger of the floating body is determined, and an alarm instruction is commanded to the alarm issuing means. More preferably, the individual wave prediction / warning system further includes a storage unit that preliminarily stores a safety limit value unique to the floating body related to the floating body behavior, and the risk determination unit compares the safety limit value with the physical quantity of the floating body behavior. Determine the danger or safety of floating bodies. When an abnormal individual wave is encountered and a dangerous situation is predicted to occur, it is possible to avoid danger by maneuvering the ship.In the case of floating offshore structures, early warnings Warning of danger can be avoided and confusion due to unexpected danger encounters can be avoided, or occupants are given time to prepare for taking appropriate measures.
When the floating body is a ship, information indicating the position, traveling direction, and speed of the ship is input to the input unit, and the individual wave prediction means compares the ship motion spectrum of the ship with the current wave information. Then, an index for obtaining the absolute value of the wave height is determined, and the wave height of the individual wave is obtained.
[0016]
In the case of a bottomed offshore structure, it is not always necessary to sequentially input the position and orientation, and the data can be fixed by inputting an initial value. The individual wave prediction / warning system of the present invention secures preparation time for countermeasures and avoidance of confusion due to unexpected danger encounters in a bottomed offshore structure as well as a floating offshore structure. Effective above. For example, early warnings of abnormal individual waves ensure mooring of incidental equipment that can behave due to the effects of waves, and parts that may be dropped or displaced / deformed from offshore structures due to vibrations or shocks when waves are encountered. Alternatively, the occupant is given time to take countermeasures against abnormal individual waves, such as locking or transiently protecting a portion having relatively weak strength or durability against waves.
[0017]
From another point of view, the present invention is a ship safe navigation support system including the individual wave prediction / warning system configured as described above,
Safe navigation support characterized by comprising a ship maneuvering support means for determining a ship maneuvering method for avoiding the danger and displaying a ship maneuvering method suitable for the danger avoidance when the danger judging means judges the danger of the ship. Provide a system.
[0018]
A ship equipped with such a safe navigation support system can safely navigate on the voyage while avoiding dangerous individual waves by maneuvering according to the maneuvering method presented by the system.
[0019]
Preferably, the marine vessel maneuvering support means stores in advance patterns of various marine maneuvering methods adapted to the characteristics of the various individual waves that cause the ship's danger, and the maneuvering guidelines suitable for reducing the risk of the individual waves encountered by the ship. Is displayed.
[0020]
Embodiment
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention relating to an individual wave prediction / warning system will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an individual wave prediction / warning system according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the individual wave prediction / warning system is mounted on a ship.
[0021]
FIG. 1 shows a radar unit 1 and a radar indicator 3 mounted on a ship. The radar unit 1 includes a transmitter, a radar antenna, a receiver, and the like. As the radar unit 1, an existing marine radar device already mounted on the ship can be used as a component of the individual wave prediction / warning system. As a modification, a radar device dedicated to wave prediction may be mounted on the ship as the radar unit 1. Further, the marine radar apparatus is usually an X-band radar apparatus, but a millimeter wave radar having a relatively short wavelength may be mounted on the ship as the radar unit 1.
A radar image signal output from the receiver of the radar unit 1 is input to the radar indicator 3 via the interface module 2. The radar indicator 3 displays a radar image on the screen of a PPI (Plan Position Indicator) display device. Generally, a radar image signal is displayed on a PPI display device after noise removal by a noise removal filter (not shown), but this noise is usually caused by reflection from the ocean wavefront or the like. Accordingly, by displaying the PPI screen with the radar image signal before passing through the noise removal filter, it becomes possible to display the sea surface information, particularly the wave crest line.
[0022]
The individual wave prediction / warning system uses the radar unit 1 and the interface module 2 as peripheral devices, and its main component is an individual wave prediction in which a radar image signal before noise removal is input from the interface module. -It consists of an alarm device 10. The individual wave prediction / warning apparatus 10 includes a radar image signal input unit 11, an arithmetic processing unit 12 that performs arithmetic processing on the radar image signal, a storage unit 13 that stores various data and programs, a current time, and a wave after a predetermined time has elapsed. A display unit 14 capable of displaying information and the like, and further, an alarm transmission unit 15 that warns a crew member of the danger of the ship encountering a dangerous wave. A marine vessel maneuvering device 4 is connected to the input unit 11 of the individual wave prediction / warning device 10 via a signal line, and a GPS (Global Positioning System) signal, a ship speed signal, and a course indicating the position, speed, course, and the like of the ship. A signal is input to the individual wave prediction / alarm device 10.
[0023]
FIG. 2 is a time chart showing a timing sequence of individual wave prediction / danger determination executed by the individual wave prediction / warning apparatus 10.
The individual wave prediction / warning device 10 has the current time (at the start of prediction) t₁From ΔT₁Perform wave prediction within. The spatial range of wave information to be predicted is mainly at the start of prediction (t₁) In the range of the sea surface area displayed on the PPI screen. The wave information to be predicted starts at time t_Three (Current time t₁From ΔT₁+ ΔT₂At the end of time t._Three+ ΔT_ThreeSet to Therefore, the individual wave prediction / warning apparatus 10 is configured to display the current time (t) displayed on the PPI screen of the radar indicator 3.₁) Predetermined time ΔT within the sea area_ThreeInformation on waves that occur in the time zone (prediction target time) is predicted. In other words, the individual wave prediction / alarm device 10 has a predetermined time ΔT from the time when waves actually occur.₂Predict the wave ahead for the above time. If desired, an individual wave approaching the ship from the outer sea area of the PPI screen may be predicted in consideration of the main traveling direction of the wave.
[0024]
Time ΔT₁, ΔT₂, ΔT_ThreeIs set to 60 seconds, 120 seconds, and 180 seconds, for example. According to such time setting, at the start of prediction (t₁) After 60 seconds, a time zone of 180 to 360 seconds (ΔT_Three) Is obtained, and a time of at least 120 seconds and a maximum of 300 seconds are secured as the time for the danger avoidance action. For example, if a ship's radar unit is of a 1.5 mile range (2.78 km) standard, assuming an average wave of 8 seconds period, this wave has a phase velocity of 12 meters per second. . Assuming the distance between this wave and the ship is 2.78 km, the time when the ship encounters this wave is about 3.8 minutes later. Assuming that about 1 minute is spent for wave prediction and risk judgment, about 2.8 minutes can be secured for risk avoidance actions such as changing the needle and decelerating. If the wave period is longer and the wave speed is faster, or if the ship is traveling at high speed, the time for avoiding the danger will decrease, and conversely, if the wave period is shorter and the wave speed is slower, Or, in the case of a ship traveling at a low speed, the time for avoiding danger increases. By extending the range (detection range) of the radar unit, it is possible to extend each time zone further, but on the other hand, the resolution to distinguish individual waves is reduced by expanding the range, so it is a standard installed on fishing boats, etc. When using a marine radar, it is desirable to set the time setting as a guide.
[0025]
The individual wave prediction / warning apparatus 10 performs a series of wave prediction / danger determination processes for a predetermined time ΔT.₁Repeatedly at time intervals of That is, as shown in FIG.₁) Predetermined time ΔT within the sea surface area of the PPI screen_ThreeThe process of predicting wave information that occurs during₁Execute repeatedly at intervals. Each wave prediction result partially overlaps in time. For example, time ΔT₁, ΔT₂ _,ΔT_ThreeIs set to 60 seconds, 120 seconds, and 180 seconds, respectively, the individual wave prediction / alarm device 10 sets the initial prediction start time (t₁) The wave prediction / risk judgment routine is executed three times within a period of 3 minutes, and the initial start time (t₁) From 180 to 360 seconds, 240 to 420 seconds, and 300 to 480 seconds. Compared to the first wave prediction / risk judgment routine, the second and third predictions are executed based on the updated radar image data. Therefore, the latest prediction is used for identifying wave information and determining the risk / safety. The result is used preferentially. For example, at the start of the first prediction (t₁To 2 × ΔT₁When (120 seconds) elapses, the second prediction result (wave information after 240 to 420 seconds) is fixed, and therefore, 240 seconds or more of the first prediction result (wave information after 180 to 360 seconds) 360 The second prediction result is used for wave information in a time zone of 2 seconds or less (2 minutes). Similarly, at the start of the first prediction (t₁) To 3 × ΔT₁(180 seconds) Since the third prediction result (wave information after 300 to 480 seconds) is finalized at the time that has passed, among the first and second prediction results (wave information after 240 to 420 seconds), The third prediction result is used for the wave information in the time zone (2 minutes) between 300 seconds and 420 seconds. In each wave prediction / danger determination routine, for the time zone that does not overlap (for example, the time zone between 180 seconds and 240 seconds in the first wave prediction / danger determination routine), the wave information of that time zone is used as it is. The
[0026]
3 and 4 are flowcharts showing an outline of a wave prediction routine and a danger determination routine executed by the individual wave prediction / warning apparatus 10.
The individual wave prediction / warning apparatus 10 executes the wave prediction routine in real time (t₁The radar image signal of the radar unit 1 is received via the interface module. The radar image signal received by the input unit 11 of the individual wave prediction / warning device 10 is the same as the latest radar image signal to be input to the radar indicator 3, but the input unit 11 removes noise from the radar image signal. Without being input to the arithmetic processing unit 12. Note that the image signal input to the input unit 11 is an image signal (video signal) indicating the density of the radar image.
The arithmetic processing unit 12 converts the radar image (shading corresponding to the reflection intensity) for one rotation of the radar antenna into a digital signal, and the storage unit 13 stores the radar image ζ (x, y, t) after the digital processing. The individual wave prediction / warning apparatus 10 continuously performs such digital processing and image storage on N screens (for example, 32 (2^Five) Screen) and stored in the storage unit 13 (s (step) 1).
[0027]
The radar image ζ (x, y, t) on each screen can be expressed by the following equation (1) as a superposition of elementary waves.
[Expression 1]

[0028]
Here, the meaning of each symbol is as follows.
ζ: PPI image shading (considered to roughly correspond to the irregularities of the wavefront)
ω_j: Frequency (rad / sec)
t: Time (sec)
k_j: Wave number (rad / m)
x: x coordinate (m)
y: y coordinate (m)
Θ_k: Direction of travel of the fundamental wave (rad)
ε_jk: Phase of raw wave (rad)
j: Subscript indicating the discretized frequency number
k: subscript indicating the number of wave traveling directions discretized
A_jk: Amplitude of formed wave (m)
[0029]
The arithmetic processing unit 12 performs a three-dimensional fast Fourier transformation (FFT) on the radar image ζ (x, y, t) for N screens, and displays the current time (t₁) Wave number-frequency spectrum (three-dimensional Fourier spectrum) F is obtained (s2). The wave number-frequency spectrum F is defined by the following equation (2).
[Expression 2]

Where k_x _,k_yIs as follows.
k_x: Wave number in the x direction = kcosΘ
k_y: Wave number in y direction = ksinΘ
[0030]
The arithmetic processing unit 12 obtains a power spectrum from the wave number-frequency spectrum F, obtains an average wave period of the waves, calculates a shadow ratio SR based on the radar image data, and then uses a predetermined parameter H₁/_Three= A x SR^BMore significant wave height H₁/_ThreeIs obtained (s21). Significant wave height H₁/_ThreeFurther, the average period, average wavelength, and wave direction values are displayed on the significant wave height display unit 16 of the individual wave prediction / alarm device 10, and the radar image data before Fourier transform is used as the current wave PPI as the current wave image. It is displayed on the display unit 17. The amplitude of the wave number-frequency spectrum is determined by the method proposed in Japanese Patent Application No. 2001-386345, that is, the first power spectrum based on the radar image signal and the hull response function, and the second power spectrum based on the hull motion information. And a method of calculating the peak value (absolute value) from the relative ratio of the vertical axis of each power spectrum can be used.
[0031]
FIG. 5 illustrates a wave spectrum obtained by three-dimensional fast Fourier transform of radar images ζ for N screens. In FIG. 5, the X axis and the Y axis indicate the frequency and direction of the wave, and the vertical axis indicates the wave energy.
[0032]
At the stage where the wave spectrum shown in FIG. 5 is synthesized, the phase information (the above equation (1): ε) characterizing each component wave (elementary wave) of the irregular wave is discarded. The phase information of each component wave is stored (s3).
[0033]
The arithmetic processing unit 12 performs a completion time (t) when the three-dimensional fast Fourier transform and the phase information storage steps (s1 to s3) are completed.₁+ ΔT₀(ΔT₀= Time required for the steps s1 to s3)) (s4), t₂+ ΔT₂(T = t_Three) (S5), and thereafter, the prediction target time zone ΔT_ThreeThe wave prediction is executed (s6 to 10). In this wave prediction, the arithmetic processing unit 12 corrects the phase of the spectrum F (+ ω (t−t₁)) (T = t_Three), The corrected spectrum F is subjected to inverse Fourier transform, and time t_ThreeAre reproduced (s6, s7, s8). After this time ΔT_ThreeTime t from t to Δt (unit time) (t + ΔT) and time zone ΔT_ThreeThe individual wave prediction wavefronts predicted in the following are sequentially obtained (s9, s6). The individual wave predicted wavefront thus obtained is displayed on the predicted wave PPI display unit 19 (FIG. 1) as a predicted wave image after a predetermined time.
[0034]
Next, the arithmetic processing unit 12 reads the GPS signal, the ship speed signal, and the course signal, and based on the current ship position, speed, and course, the time zone ΔT_ThreeThe ship position, speed, and course to be predicted are calculated (s11, s12), and the ship is in the time zone ΔT._ThreeThe time change of the waves encountered is predicted (s13).
[0035]
The storage unit 13 stores not only a wave prediction program for executing the above-described wave prediction routine, but also a hull motion calculation program for analyzing the hull motion in the waves. Analyzes the behavior of the ship against individual waves encountered by the ship according to the ship motion calculation program.
[0036]
FIG. 6 is a schematic perspective view showing components of ship motion.
The actual hull motion is a combination of six degrees of freedom: up / down (heave), back and forth (surge), left / right (sway), bow (yaw), roll (roll) and pitch (pitch). It is possible to analyze the acceleration, velocity, and displacement for each direction of motion. Arithmetic processing unit 12 is time zone ΔT_ThreeThe physical quantity closely related to the safety of the ship, such as ship motion and ship acceleration, ship bottom exposure, etc. is estimated by the ship motion calculation program (s14, s15). The calculation method of hull motion is “Unsteady rolling during turning in waves-I. (Examination by numerical simulation in regular waves)” (March 2003, written by Tsukiyoshi Hirayama et al., Japan Institute of Navigation) (Papers, No. 108, pp. 231 to 238) and Japanese Patent Application No. 2001-386345, etc., and further detailed explanation is omitted by citing these documents.
[0037]
The storage unit 13 stores, as a limit value table, physical limit values (safety limit values) unique to the hull that are set in advance to determine safe navigation and dangerous conditions. When the specified value on the limit value table is exceeded, the dangerous state of the ship is determined, and an alarm issuance is instructed to the alarm transmitter 15 (s16, s17). The warning transmission unit 15 issues a warning to the crew member and warns the necessity of danger avoidance to the crew member. The warning includes, for example, a warning display such as “danger after 3 minutes”. The limit value table is a table in which the limit values unique to the hull regarding the amplitude of various hull movements, the roll angle with respect to the seawater inflow angle, the bow vertical acceleration, etc. are defined in advance. When the safety limit is exceeded, the roll angle exceeding the seawater inflow angle is predicted to occur, the bow vertical acceleration exceeding 0.5 G is predicted, or the bottom exposure (the bottom exposure condition is set in advance by theoretical calculation) When it is predicted that an impact phenomenon will occur, the calculation result of the ship motion calculation program exceeds the specified value on the limit value table.
[0038]
The arithmetic processing unit 12 also selects a safe sailing pattern that can be adapted to the result of the risk prediction, and instructs the marine vessel maneuver display unit 18 to display a specific safe sailing guideline such as a course change or deceleration (s18). ). In other words, as described above, the arithmetic processing unit 12 predicts the individual wave prediction wavefront and also predicts the encounter between the individual wave and the ship, which predicts the timing, situation and position where the ship may be at risk. It means to do. Therefore, the individual wave prediction / warning apparatus 10 can store the safe cruising pattern for effectively avoiding the danger in relation to the situation where the danger occurs and the hull position in the storage unit 13 in advance, and can adapt to the result of the danger prediction. By selecting the safe traveling pattern, a specific safe traveling guideline such as a change of needle or deceleration is output to the display unit 18, and the display unit 18 displays this. For example, since the individual wave prediction / warning device 10 can predict from which direction and at what wavelength a dangerous wave encounters the ship, when this individual wave acts on the hull as a transverse wave, the direction of the wave A steering guideline for setting the hull on the display unit 18 is displayed on the display unit 18, and a guideline for decelerating the boat speed is displayed on the display unit 18 when it acts on the hull as a trailing wave and a broaching phenomenon is predicted. Alternatively, when a ship's bottom impact or excessive vertical acceleration is predicted by a heading wave, a pointer that immediately decelerates the ship speed is displayed on the display unit 18. The display unit 18 displays a specific ship maneuvering guideline for avoiding a dangerous state, for example, “turn to the right by 30 degrees”.
[0039]
The individual wave prediction / alarm device 10 has a real time (t₁+ ΔT₁) Is reached, the time t is reset, and the process proceeds to the next wave prediction routine (FIG. 3) (s19, s20). The individual wave prediction / warning apparatus 10 continues to execute individual wave prediction (s1 to s10) and risk determination (s11 to s20) in a relatively short time. This means that the dangerous state is monitored substantially continuously. Therefore, if further danger is predicted after turning the wheel or decelerating according to the ship maneuvering guideline, further warnings and ship maneuvering judgments will be generated. On the other hand, when the danger is eliminated by the turning of a needle or deceleration, etc., as indicated by the prediction / warning device 10, the maneuvering guideline on the display unit 18 is canceled, and the display unit 18 returns to the display at the time of normal traveling.
[0040]
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications or changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. Is possible.
[0041]
For example, as will be apparent to those skilled in the art, the above-described configuration of the present invention can be preferably applied to offshore structures, particularly floating offshore structures. In this case, the marine structure cannot be avoided by a ship maneuvering operation such as steering or deceleration. However, an occupant of a marine structure or a safety device can quickly detect a danger caused by an abnormal wave encounter and take appropriate safety measures.
[0042]
In addition, specific warning issuing methods, specific display methods for maneuvering guidelines or safety guidelines, specific settings for various times, etc., include the type of ship or marine structure and the radar unit installed in the ship or marine structure. The design can be changed as appropriate according to the type and performance.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the above configuration of the present invention, an individual wave prediction / warning system that predicts dangerous individual waves that can be encountered by a ship or offshore structure and supports safety of the ship or offshore structure is provided. can do. The individual wave prediction / warning system of the present invention can predict the appearance or characteristics of individual waves in the actual sea area, which means that the conventional wave prediction system has an average state (significant wave height) in a certain sea area. It is extremely useful in preventing marine disasters, etc., in contrast to the point that only predicts the occurrence and characteristics of individual waves.
[0044]
The present invention also provides a safe navigation support system for a ship including such an individual wave prediction / warning system. The safe navigation support system predicts an encounter between a dangerous individual wave and a ship, and prevents danger. Appropriate ship maneuvering guidelines are specifically shown to crew members to support safe navigation of ships.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an individual wave prediction / warning system according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing a timing sequence of individual wave prediction / danger determination executed by the individual wave prediction / alarm device.
FIG. 3 is a flowchart showing an outline of a wave prediction routine executed by an individual wave prediction / warning apparatus.
FIG. 4 is a flowchart showing an outline of a risk determination routine executed by the individual wave prediction / warning apparatus.
FIG. 5 is a diagram illustrating a wave spectrum obtained by a three-dimensional fast Fourier transform.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing components of ship motion.
[Explanation of symbols]
1 Radar unit
2 Interface module
3 Radar indicator
4 Maneuvering device
10 Individual wave prediction / warning device
11 Input section
12 Arithmetic processing part
13 Memory unit
14 Display section
15 Alarm transmitter

Claims

船舶又は海洋構造物上のレーダーのレーダー画像信号を入力可能な入力手段と、個別波予測手段及び危険判定手段とを備えた個別波予測・警報装置を有し、
前記入力手段には、船舶又は海洋構造物の少なくとも位置及び方位を示す位置・方位情報が更に入力され、
前記個別波予測手段は、少なくとも前記レーダー画像の陰影情報より現時刻の波浪情報を得た後、波浪の位相修正により所定時間後の波浪情報を得るように構成され、
前記危険判定手段は、所定時間後の前記波浪情報及び前記位置・方位情報に基づき、所定時間後の船舶又は海洋構造物と個別波との遭遇を予測し、所定時間後に船舶又は海洋構造物が遭遇する個別波による船舶又は海洋構造物の挙動及び／又は荷重を推定し、船舶又は海洋構造物の安全又は危険を判断することを特徴とする個別波予測・警報システム。An individual wave prediction / warning device having an input means capable of inputting a radar image signal of a radar on a ship or an offshore structure, an individual wave prediction means and a danger determination means;
Position / orientation information indicating at least the position and orientation of the ship or offshore structure is further input to the input means,
The individual wave prediction means is configured to obtain wave information after a predetermined time by correcting the phase of the wave after obtaining wave information at the current time from at least the shadow information of the radar image,
The danger judging means predicts an encounter between the ship or the marine structure and the individual wave after the predetermined time based on the wave information and the position / orientation information after the predetermined time, and the ship or the marine structure is detected after the predetermined time. An individual wave prediction / warning system characterized by estimating the behavior and / or load of a ship or offshore structure due to an individual wave encountered and judging the safety or danger of the ship or offshore structure.

前記個別波予測手段は、前記レーダー画像の陰影情報より現時刻の波浪の３次元フーリエスペクトルを求め、該３次元フーリエスペクトルの位相を修正して、所定時間後の３次元フーリエスペクトルを予測し、予測した３次元フーリエスペクトルにフーリエ逆変換を施し、個別波予測波面の情報を生成することを特徴とする請求項１に記載の個別波予測・警報システム。The individual wave prediction means obtains a three-dimensional Fourier spectrum of the current wave from the shadow information of the radar image, corrects the phase of the three-dimensional Fourier spectrum, predicts a three-dimensional Fourier spectrum after a predetermined time, The individual wave prediction / warning system according to claim 1, wherein the predicted three-dimensional Fourier spectrum is subjected to inverse Fourier transform to generate individual wave prediction wavefront information.

前記個別波予測手段は、前記レーダー画像信号の入力開始時（時刻t₁）から前記危険判定を終了するまでの予測・判定時間（時間ΔT₁）と、予測・判定時間の終了時(t₂)を始期とする危険回避時間（ΔT₂）と、危険回避時間の終了時(t₃)を始期とする予測対象時間（ΔT₃) とを設定し、前記予測・判定時間（ΔT₁）を直前の予測・判定時間の終了時(t₂)に実質的に開始するように設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の個別波予測・警報システム。The individual wave prediction means includes a prediction / determination time (time ΔT ₁ ) from the start of input of the radar image signal (time t ₁ ) to the end of the danger determination, and the end of prediction / determination time (t ₂ ) Is set as the danger avoidance time (ΔT ₂ ) starting from the beginning, and the prediction target time (ΔT ₃ ) starting from the end of the danger avoidance time (t ₃ ) is set as the prediction / determination time (ΔT ₁ ). The individual wave prediction / warning system according to claim 1, wherein the individual wave prediction / warning system is set so as to start substantially at the end of the immediately preceding prediction / determination time (t ₂ ).

前記予測対象時間（ΔT₃) は、直前の予測対象時間（ΔT₃) と時間的に重複し、前記危険判定手段は、重複する時間帯における個別波予測波面及び危険判定結果に関し、後続側の予測対象時間に予測された個別波予測波面及び危険判定結果を優先的に警報発令の判断基準として用いることを特徴とする請求項３に記載の個別波予測・警報システム。The prediction target time (ΔT ₃ ) overlaps in time with the immediately preceding prediction target time (ΔT ₃ ), and the risk determination means relates to the individual wave prediction wavefront and the risk determination result in the overlapped time zone on the subsequent side. The individual wave prediction / warning system according to claim 3, wherein the individual wave prediction wavefront and the risk judgment result predicted at the prediction target time are preferentially used as a judgment criterion for issuing a warning.

前記船舶又は海洋構造物は、浮体として定義され、前記個別波予測・警報手段は、乗員に警報を発する警報発令手段を更に有し、
前記危険判定手段は、浮体運動計算プログラムに従って個別波遭遇時の浮体の挙動を解析し、浮体挙動を示す物理量が所定の限界値を超えたとき、浮体の危険を判定し、警報発令手段に警報発令を指令することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の個別波予測・警報システム。The ship or offshore structure is defined as a floating body, and the individual wave prediction / warning means further includes a warning issuing means for issuing a warning to an occupant,
The danger judging means analyzes the behavior of the floating body when the individual wave encounters according to the floating body motion calculation program, and when the physical quantity indicating the floating body behavior exceeds a predetermined limit value, judges the danger of the floating body and alerts the warning issuing means. The individual wave prediction / warning system according to any one of claims 1 to 4, wherein a command is issued.

浮体挙動に関する浮体固有の安全限界値を予め記憶する記憶部を更に有し、前記危険判定手段は、該安全限界値と前記浮体挙動の物理量とを対比し、浮体の危険又は安全を判断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の個別波予測・警報システム。A storage unit that preliminarily stores a floating body-specific safety limit value related to the floating body behavior, and the risk determination unit compares the safety limit value with a physical quantity of the floating body behavior to determine the risk or safety of the floating body. The individual wave prediction / warning system according to any one of claims 1 to 5.

前記浮体が船舶であり、前記入力部には、船舶の位置、方向及び速度を示す情報が入力されることを特徴とする請求項５又は６に記載の個別波予測・警報システム。The individual wave prediction / alarm system according to claim 5 or 6, wherein the floating body is a ship, and information indicating the position, direction, and speed of the ship is input to the input unit.

前記個別波予測手段は、船舶の船体運動のスペクトルと、現時刻の波浪情報とを対比して、波高絶対値を求める指標を定め、個別波の波高を求めることを特徴とする請求項７に記載の個別波予測・警報システム。8. The individual wave prediction means determines an index for obtaining a wave height absolute value by comparing a ship hull motion spectrum with current wave information, and obtains the wave height of the individual wave. The individual wave prediction / warning system described.

請求項１乃至８のいずれか１項に記載の個別波予測・警報システムを含む船舶の安全航走支援システムであって、
前記危険判定手段が船舶の危険を判定したとき、危険を回避するための操船方法を判断し、危険回避に適した操船方法を表示する操船支援手段を備えたことを特徴とする安全航走支援システム。A ship safe navigation support system including the individual wave prediction / warning system according to any one of claims 1 to 8,
Safe navigation support characterized by comprising a ship maneuvering support means for judging a ship maneuvering method for avoiding the danger and displaying a ship maneuvering method suitable for the danger avoidance when the danger judging means judges the danger of the ship. system.

前記操船支援手段は、船舶の危険を生じさせる各種個別波の性質に適合した各種操船方法のパターンを予め記憶し、船舶が遭遇する個別波の危険性を軽減するのに適した操船指針を表示することを特徴とする請求項９に記載の安全航走支援システム。The ship maneuvering support means stores in advance patterns of various ship maneuvering methods adapted to the characteristics of various individual waves that cause a ship's danger, and displays a maneuvering guideline suitable for reducing the risk of individual waves encountered by the ship. The safe cruise support system according to claim 9, wherein: