JP5146226B2 - 有義波高算出装置、プログラム、及び有義波高算出方法 - Google Patents

Description

本発明は所定の各波の波高値を含む波高データに基づき、有義波高や１／１０有義波高などを算出する有義波高算出装置、該装置としてコンピュータを機能させるプログラム、及び該装置に適した有義波高算出方法に関する。

従来、１回の観測で測定される波の上下動すなわち変位のデータセットにおいては、測定期間が通常は５１２〜１２００秒程度であり、サンプル数はサンプリング間隔にもよるが１０２４〜４８００個である。かかる変位データセット中には異常データが存在する場合がある。かかる異常データを抽出し、補正する方法としては、スパイクカット法及び微分法が知られている。

図７はスパイクカット法により異常データを補正する様子を示す。図中のグラフにおいては変位データセットの一例が示されている。グラフの横軸は時間、縦軸は変位であり、各変位データ（サンプリングデータ）は黒丸「●」で示されている。スパイクカット法によれば、同図に示すように、たとえば、最小値０００Ｈから００ＦＨまでの変位の範囲７１、又はＦＦ０Ｈから最大値ＦＦＦＨまでの範囲７２にサンプリングデータＢが存在し、その１サンプリング前のサンプリングデータＡが範囲７１又は７２に存在しない場合、サンプリングデータＢは異常データであるとみなされ、サンプリングデータＢの変位量はサンプリングデータＡの変位量によって置き換えられることにより補正される。範囲７２に存在するサンプリングデータＤについては、その１サンプリング前のサンプリングデータＣも範囲７２に存在するので、正常データとみなされる。

図８は微分法により異常データを補正する様子を示す。同図（ａ）のグラフにおいては変位データセットの一例が示されている。グラフの横軸は時間、縦軸は変位であり、各変位データ（サンプリングデータ）は黒丸「●」で示されている。微分法によれば、同図（ａ）の変位データセットが１回微分される。そして微分値が所定の閾値以上であるサンプリングデータは、異常データであるとみなされ、その変位量が、１サンプリング前のサンプリングデータの変位量に置き換えられる。同図（ａ）の場合、１回微分した結果が同図（ｂ）のようになり、時間ｔ４及びｔ３の１次微分値が閾値以上であるため、時間ｔ４におけるサンプリングデータＥは異常データであるとみなされ、その変位量は、時間ｔ３におけるサンプリングデータＦの変位量で置き換えることにより補正される。

従来、有義波高や有義波周期の算出に際しては、このようにして異常データの補正がなされた変位データセットに基づき、ゼロアップクロス法等により各波が定義され、各波の波高及び波周期が取得される。そして、得られた波高及び波周期のデータに基づき、有義波高及び有義波周期が算出される。

なお、ブイによる波高の測定に際し、測定値に対するブイの動揺の影響を電気的に抑制するようにした技術が知られている（たとえば特許文献１参照）。この技術によれば、測定値に対するブイの動揺の影響は減少する。しかし、急激な動揺や電気的なノイズなどによって発生する異常データへの対策としては、上記スパイクカットなどの方法が用いられる。

特開２００７−１７１１４６号公報

しかしながら、スパイクカット法によれば、変位データの補正を行うことができる場合が、変位量の変化のパターンが図７で示したようなパターンとなる場合に限定される。

また、微分法によれば、変位データセットを１次微分した結果を記憶するために、変位データセットと同じ容量のデータ領域が必要である。すなわち、容量が大きなメモリが必要となる。また、サンプリング数分の減算処理が必要であり、その分の計算時間が必要である。この減算処理は、各時間ｔｎ（ｎ＝０、１、２・・・）について、時間ｔｎにおける変位量から時間ｔ（ｎ−１）における変位量を減算し、一次微分値とするものである。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、有義波高の算出に際し、異常データの影響を簡便に排除する技術を提供することにある。

この目的を達成するため、第１の発明に係る有義波高算出装置は、所定の各波の波高値を含む波高データに基づき、該波高値についての所定の有義波高値を算出する有義波高算出手段と、前記波高データ中の波高値のうち、前記有義波高算出手段により算出された有義波高値に対して所定の値を乗じた値よりも大きい波高値を、異常な波高値として検出する異常波高値検出手段と、前記異常波高値検出手段による異常波高値の検出がなされた場合には、該異常波高値を使用することなく、前記有義波高算出手段による有義波高値の算出をやり直す制御手段とを具備することを特徴とする。

第２の発明に係る有義波高算出装置は、第１発明において、所定の地点における波面の変位を所定期間、所定間隔でサンプリングすることにより得られた変位データに基づいて前記波高データを取得する波高データ取得手段と、前記変位データのうち、前記異常波検出手段により検出された異常波高値に係る波に対応する変位データ部分に含まれる異常な変位量の補正を行う異常変位量補正手段と、前記異常変位量補正手段による補正がなされた変位データ部分の波の波高値を取得し、該波高値によって前記波高データ中の該異常波高値を置き換えることにより、該異常波高値を補正する異常波高値補正手段とを備え、前記制御手段は、前記異常波高値補正手段による異常波高値の補正がなされた波高データ使用することにより、前記異常波高値を使用しない有義波高値算出のやり直しを行うことを特徴とする。

第３の発明に係る有義波高算出装置は、第２発明において、前記異常変位量補正手段は、微分法により、前記異常変位量の補正を行うことを特徴とする。

第４の発明に係る有義波高算出装置は、第１〜第３発明において、前記異常波高検出手段による検出の対象となる波高値は、前記波高データ中の前記有義波高算出手段による有義波高値の算出に使用された波高値のうちの最大の波高値のみであることを特徴とする。

第５の発明に係る有義波高算出装置は、第１〜第４発明において、前記制御手段は、前記有義波高算出手段による有義波高値算出のやり直しを、前記異常波高値検出手段による異常波高値の検出がなされなくなるまで繰り返して行い、最終的に得られた有義波高値を、算出結果として出力することを特徴とする。

第６の発明に係る有義波高算出装置は、第１〜第５発明において、前記波高データは各波の波周期の値を含み、前記有義波高算出装置はさらに、最終的に得られた有義波高値の算出に係る各波高値に対応する波周期の値に基づき、該波周期についての所定の有義波周期値を算出する手段を有することを特徴とする。

第７の発明に係るプログラムは、第１〜第６のいずれかの発明に係る有義波高算出装置における各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする。

第８の発明に係る有義波高算出方法は、所定の各波の波高値を含む波高データに基づき、該波高値についての所定の有義波高値を算出する有義波高算出工程と、前記波高データ中の波高値のうち、前記有義波高算出工程により算出された有義波高値に対して所定の値を乗じた値よりも大きい波高値を、異常な波高値として検出する異常波高値検出工程と、前記異常波高値検出工程による異常波高値の検出がなされた場合には、該異常波高値を使用することなく、前記有義波高算出工程による有義波高値の算出をやり直す制御工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、有義波高の算出に際し、異常な波高値の影響を簡便に排除することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る有義波高波周期算出装置を示すブロック図である。この装置は、所定の地点における水位の変動として観測される波の変位を、所定期間、所定間隔でサンプリングすることにより得られた変位データセットに基づき、有義波高及び有義波周期を算出するものである。図中の１は、変位データセットの入力を受け入れる入力部、２は入力部１が受け入れた変位データセットに基づいて有義波高及び有義波周期を算出する処理部、３は処理部２が算出した有義波高及び有義波周期を出力する出力部である。入力部１は変位データセットをシリアルデータとして受信するためのシリアルポート等により構成される。処理部２はＣＰＵやメモリ、メモリに内蔵されたプログラム等により構成される。出力部３は処理部２の算出結果が出力される外部記憶装置、表示装置、プリンタ等により構成される。

図２は変位データセットが示す波形の一例を示す。横軸は時間、縦軸は変位、Ｈ１〜Ｈ４は各波の波高、Ｔ１〜Ｔ４は各波の周期である。各波はゼロアップクロス法により定義されている。図中の２１はゼロアップクロス点を示す矢印である。

図３は処理部２における有義波高及び有義波周期を算出する処理を示すフローチャートである。処理を開始すると、処理部２はまず、ステップ３１において、データ数が２０４８の変位データセットＨｅｎｉに基づき、ゼロアップクロス法により各波を抽出する。すなわち、変位データセットにおける変位量の平均値を求め、これを基準（ゼロ）として、図２に示されるような各波のゼロアップクロス点を求める。

次に、ステップ３２において、抽出した各波の波高及び波周期を求める。波高はその波を定義するゼロアップクロス点間における最大の変位量及び最小の変位量の差として得られる。波周期は該ゼロアップクロス点間の時間の差として得られる。また、抽出した波の数Ｈａｓｕを求める。

次に、ステップ３３において、得られた各波の波高及び波周期を波高が大きい方から順に並び替えて、図４に示すような配列Ｗａｖｅに格納し、波高波周期データを構成する。すなわち、波高波周期データＷａｖｅは１〜Ｈａｓｕ番目までの各レコードにより構成され、各レコードは波高Ｈ及び波周期Ｔのフィールドを有する。有義波高及び有義波周期の算出に用いられた各レコードのうちの波高が最大のレコード（初期状態においては１番目のレコード）における波高及び波周期を、以下、「最大波高」及び「最大波周期」という。

次に、ステップ３４において、波数Ｈａｓｕを３で除した値をＨａｓｕ３に格納し（Ｈａｓｕ３＝Ｈａｓｕ／３）、ポインタＣｏに１を格納する（Ｃｏ＝１）。ポインタＣｏはＷａｖｅ中の最大波高に係るレコードを示すのに用いられる。また、最大波高と有義波高との比率についての閾値ｋをセットする。閾値ｋは、最大波高が異常か否かを判定するための閾値である。つまり、該比率が閾値ｋを超える場合には、該最大波高は異常であるとみなされる。閾値ｋとしては、たとえば２．５が該当する。海の波は、ランダムな性質が強く、波を観測して得られた変位データについては統計的な扱いを必要とするが、最大波高と有義波高の間には決まった関係があり、最大波高は有義波高の１．４倍〜２倍程度である。したがって、最大波高が有義波高の２．５倍以上の場合、その最大波高は異常であるとみなすことができる。

次に、ステップ３５において、波高波周期データＷａｖｅ中のレコードのうちの波高が大きい方から数えてＣｏ番目からＨａｓｕ３番目までのデータについての波高及び波周期の平均を求め、それぞれ暫定的な有義波高Ｈ１／３及び有義波周期Ｔ１／３とする。

次に、ステップ３６において、波高波周期データＷａｖｅ中のＣｏ番目のレコードにおける波高、すなわち最大波高と、求められた有義波高Ｈ１／３との比が、閾値ｋを上回る（Ｗａｖｅ（Ｈ，Ｃｏ）＞ｋ＊Ｈ１／３）かどうかを判定する。上回ると判定した場合には、ステップ３７へ進む。すなわちＣｏ番目のレコードにおける最大波高Ｗａｖｅ（Ｈ，Ｃｏ）を異常であるとみなし、該Ｃｏ番目のレコードを再度のステップ３５における計算の対象から除外するために、Ｃｏをインクリメントし、Ｈａｓｕ３をデクリメントして、ステップ３５へ戻る。ステップ３５へ戻ると、インクリメント後のＣｏ番目のレコードにおける波高及び波周期を新たな最大波高及び最大波周期として有義波高Ｈ１／３及び有義波周期Ｔ１／３が算出され、該最大波高が異常であるかどうかが判定されることになる。

ステップ３６において「Ｗａｖｅ（Ｈ，Ｃｏ）＞ｋ＊Ｈ１／３」が成立しないと判定した場合には、最終的に得られた暫定有義波高Ｈ１／３及び暫定有義波周期Ｔ１／３を、それぞれ正式な有義波高及び有義波周期として出力部３において出力し、図３の処理を終了する。

本実施形態によれば、通常の有義波高及び有義波周期の計算シーケンス（ステップ３１〜３５）において使用される波高波周期データＷａｖｅのみを用いて、異常波高に係るレコードを排除しながら、有義波高及び有義波周期を計算することができる。つまり、特別な異常波高検出用のデータセットを追加作成する必要なく、簡便に異常波高に係るレコードを除外し、有義波の波高及び波周期の計算精度を向上させることができる。したがって異常波高検出用のデータセットのためのメモリエリアを必要とすることはなく、かつ異常波高検出用データセットを用いた計算ルーチンが不要であり、計算ルーチンのデバックの必要もない。また、メモリ容量の小さいＣＰＵで計算することができる。また、計算時間を短縮することもできる。

図５は本発明の別の実施形態に係る有義波高波周期計算装置における有義波高及び有義波周期を算出する処理を示すフローチャートである。この装置の構成図としては図１がそのまま適用される。図５の処理は、図３の処理におけるステップ３７をステップ５１に置き換えたものに相当する。したがって、図５中のステップ３１〜３６、及び３８の処理内容は、図３中のステップ３１〜３６、及び３８の場合と同様である。ただし、波高波周期データＷａｖｅ中の各レコードに対応する変位データセットＨｅｎｉ中のデータにアクセスすることができるように、双方のデータは対応付けられている。たとえば、ステップ３１〜３３の処理に際し、波高波周期データＷａｖｅ中の各レコードに対し、対応する変位データセットＨｅｎｉ中のデータを指示するポインタがセットされる。

図３の処理においては、最大波高が異常であると判定した場合には該最大波高に係るレコードを除外して再度有義波高Ｈ１／３及び有義波周期Ｔ１／３を算出し（ステップ３５）、新たな最大波高が異常かどうかを判定する（ステップ３６）ようにしているが、図５の処理においては、最大波高が異常であると判定した場合には、該最大波高に係るレコードを除外することなく、該レコードの波高を補正するようにしている。この補正は、該最大波高に係るレコードに対応する変位データセットＨｅｎｉ部分についてのみ微分法を適用して異常な変位を補正し、補正後の該変位データセットＨｅｎｉ部分に基づいて波高を求め、求められた波高により該最大波高を書き換えることにより行われる。

図６はこの変位データセットＨｅｎｉ部分についてのみ微分法を適用して変位データを補正する様子を示す。同図（ａ）は図２と同様の変位データセットが示す波形の一例を示す。この変位データセットにおいては、波高Ｈ３、波周期Ｔ３の波が最大波高に係るものであり、この最大波高が異常であると判定された場合、図８により示した微分法の原理により、図６（ｂ）に示すように、該波における異常な変位が補正される。補正後の変位データに基づき、該波についての新たな波高Ｈｎが求められ、波高波周期データ中の対応するレコードにおける波高がＨｎに書き換えられる。

すなわち、図５の処理を開始すると、処理部２は、図３のステップ１〜３６と同様の処理を行い、ステップ３６において「Ｗａｖｅ（Ｈ，Ｃｏ）＞ｋ＊Ｈ１／３」が成立すると判定した場合には、ステップ５１において、最大波高に対応する波の変位データセットＨｅｎｉ部分における異常変位を微分法により補正する（図８）。そして、補正後の該変位データセットＨｅｎｉ部分に基づいて該最大波高を補正する。つまり、該波の新たな波高Ｈｎを該変位データセットＨｅｎｉ部分に基づいて求め、波高波周期データＷａｖｅにおける該波のレコードの波高を、波高Ｈｎに書き換える。さらに、波高波周期データＷａｖｅ中の各レコードを、波高の高い順に並び代える。並び代え後の１番目のレコードが、新たな最大波高を有するものとなる。この後、ステップ３５に戻り、再度、有義波高及び有義波周期の算出を行う。ステップ３６において「Ｗａｖｅ（Ｈ，Ｃｏ）＞ｋ＊Ｈ１／３」が成立しないと判定した場合には、図３の処理の場合と同様に、ステップ３５において最終的に得られた暫定有義波高Ｈ１／３及び暫定有義波周期Ｔ１／３が、それぞれ正式な有義波高及び有義波周期として、ステップ３８において出力される。

本実施形態によれば、従来のように変位データセットの全体について微分値を求め、異常変位の補正を行ってから、有義波高及び有義波周期を算出する場合に比べ、微分法による異常変位の補正は、異常であると判定された最大波高に対応する変位データセット部分のみを対象として行うだけで足りるので、使用するメモリ容量及び計算時間を減少させることができる。つまり、図６の例において、従来法によれば、周期がＴ１〜Ｔ４の４つの波の変位について微分値を求める必要があるが、本実施形態によれば、周期がＴ３の１つの波の変位についてのみ微分値を求めるだけでよい。

なお、本発明は上述実施形態に限定されることなく、適宜変形して実施することができる。たとえば、上述においては、ステップ３５における有義波高及び有義波周期の算出に使用されたレコードにおける最大の波高についてのみ、ステップ３６における異常か否かの判定を行うようにしているが、この代わりに、最大波高に限らず、他の波高についても、有義波高をｋ倍した値よりも大きいものがあれば（ステップ３６）、その波高に係るレコードを、再度の有義波高及び有義波周期の算出において除外し（ステップ３７）、又は補正しかつ並び替えてから（ステップ５１）、再度の有義波高及び有義波周期の算出（ステップ３５）を行うようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る有義波高波周期算出装置を示すブロック図である。 図１の装置における変位データセットが示す波形の一例を示す。 図１の装置の処理部における有義波高及び有義波周期を算出する処理を示すフローチャートである。 図１の装置における波高波周期データＷａｖｅを示す図である。 本発明の別の実施形態に係る有義波高波周期計算装置における有義波高及び有義波周期を算出する処理を示すフローチャートである。 図１の装置における変位データセットＨｅｎｉの一部についてのみ微分法を適用して変位データを補正する様子を示す図である。 スパイクカット法により変位データセット中の異常データを補正する様子を示す図である。 微分法により変位データセット中の異常データを補正する様子を示す図である。

符号の説明

１：入力部、２：処理部、３：出力部、２１：矢印、７１，７２：変位の範囲、Ａ〜Ｆ：変位データ。

Claims (8)

1. 所定の各波の波高値を含む波高データに基づき、該波高値についての所定の有義波高値を算出する有義波高算出手段と、
   前記波高データ中の波高値のうち、前記有義波高算出手段により算出された有義波高値に対して所定の値を乗じた値よりも大きい波高値を、異常な波高値として検出する異常波高値検出手段と、
   前記異常波高値検出手段による異常波高値の検出がなされた場合には、該異常波高値を使用することなく、前記有義波高算出手段による有義波高値の算出をやり直す制御手段とを具備することを特徴とする有義波高算出装置。
2. 所定の地点における波面の変位を所定期間、所定間隔でサンプリングすることにより得られた変位データに基づいて前記波高データを取得する波高データ取得手段と、
   前記変位データのうち、前記異常波検出手段により検出された異常波高値に係る波に対応する変位データ部分に含まれる異常な変位量の補正を行う異常変位量補正手段と、
   前記異常変位量補正手段による補正がなされた変位データ部分の波の波高値を取得し、該波高値によって前記波高データ中の該異常波高値を置き換えることにより、該異常波高値を補正する異常波高値補正手段とを備え、
   前記制御手段は、前記異常波高値補正手段による異常波高値の補正がなされた波高データ使用することにより、前記異常波高値を使用しない有義波高値算出のやり直しを行うことを特徴とする請求項１に記載の有義波高算出装置。
3. 前記異常変位量補正手段は、微分法により、前記異常変位量の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の有義波高算出装置。
4. 前記異常波高検出手段による検出の対象となる波高値は、前記波高データ中の前記有義波高算出手段による有義波高値の算出に使用された波高値のうちの最大の波高値のみであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の有義波高算出装置。
5. 前記制御手段は、前記有義波高算出手段による有義波高値算出のやり直しを、前記異常波高値検出手段による異常波高値の検出がなされなくなるまで繰り返して行い、最終的に得られた有義波高値を、算出結果として出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有義波高算出装置。
6. 前記波高データは各波の波周期の値を含み、
   前記有義波高算出装置はさらに、最終的に得られた有義波高値の算出に係る各波高値に対応する波周期の値に基づき、該波周期についての所定の有義波周期値を算出する手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の有義波高算出装置。
7. 請求項１〜６のいずれかの有義波高算出装置における各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
8. 所定の各波の波高値を含む波高データに基づき、該波高値についての所定の有義波高値を算出する有義波高算出工程と、
   前記波高データ中の波高値のうち、前記有義波高算出工程により算出された有義波高値に対して所定の値を乗じた値よりも大きい波高値を、異常な波高値として検出する異常波高値検出工程と、
   前記異常波高値検出工程による異常波高値の検出がなされた場合には、該異常波高値を使用することなく、前記有義波高算出工程による有義波高値の算出をやり直す制御工程とを具備することを特徴とする有義波高算出方法。

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