JP6046308B1 - 船速計および船速取得方法 - Google Patents

Abstract

対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速の計測を可能とする船速計である。代表的な実施の形態によれば、船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する。

Description

本発明は、船舶の対水速度を計測する技術に関し、特に、複数の深度での船速を計測する船速計および船速取得方法に適用して有効な技術に関するものである。

音響式（ドップラー式）船速計や電磁式船速計において船舶の対水速度（船速）を計測する際に、その精度を向上させる技術として、例えば、特開２０１３−１６７５６０号公報（特許文献１）には、海底へ向けて音波を発射する送波部と、送波部から発射された音波の反射波であって、異なる水深に位置している複数の反射物によって反射された複数の反射波を検出する受波部と、音波と反射波との周波数差に基づいて船舶の対水速度を算出する演算処理部とを有する船速計が記載されている。ここで、演算処理部は、音波と複数の反射波のそれぞれとの周波数差に基づいて異なる複数の水深における流速を求めることによって水深方向における流速の変化率を求め、該変化率が所定の閾値以下となる水深における流速を船舶の対水速度として算出する。

特開２０１３−１６７５６０号公報

特許文献１に記載された従来技術によれば、船底下の複数点における流速を求めることによって現実の境界層の厚みを把握し、境界層よりも深い領域での流速に基づいて対水船速を求めることで、様々な要因によって境界層の厚みが変化した場合であっても、常に正確な対水船速を得ることができる。一方で、船体周りの流場は、境界層の影響以外にも速度勾配を生じさせる要因があり、その影響は現実の船ではかなりの深さにまで及び、船体の大きさや形状等にも影響されるが、数１０センチや数メートルというオーダーではなく、１００メートル程度の深さまで対水船速が十分に発達しない場合があることがシミュレーション技術の進展等により分かってきている。

これに対し、例えば、一般的な音響式船速計では、十分な精度を維持しつつ計測できるのは水深５０メートル程度までであり、それより深い領域ではＳＮ比が低下して十分な精度を得ることができない。このため、対水船速が十分に発達する１００メートル程度の深さでは対水船速を計測できないことになる。水深１５０メートル程度まで計測可能な多層潮流計や超音波式多層流向流速計（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）などでも、１００メートル程度の深さでは十分な精度を得ることは困難である。

そこで本発明の目的は、対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速を得る船速計および船速取得方法を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態による船速計は、船舶の対水船速を計測する船速計であって、船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態１である船速計の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における船速取得処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１における水深毎船速理論曲線を推定する手法の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における水深毎船速理論曲線を推定する手法の他の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２における実測データに基づく対水船速分布と水深毎船速理論曲線の乖離の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２における潮流推定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１である船速計の構成例について概要を示した図である。本実施の形態の船速計は、上述したように、一般的な音響式船速計や多層潮流計、ＡＤＣＰなどでは、対水船速が十分発達する水深１００メートル程度において十分な精度で対水船速を計測することができないという課題に鑑み、例えば、特許文献１に記載された技術と同様の技術により船底下の複数の深さにおける流速（対水船速）を計測が可能な所定の深さまで計測し、得られた水深毎の流速の分布に基づいて、より深い領域、すなわち境界層よりも深く流速が十分に発達する領域での対水船速を推定するものである。

本実施の形態では、音響式（ドップラー式）船速計を例として記載するが、同様の手法を他の方式の船速計や潮流計等に適用することも理論的には可能である。なお、「水深」とは正しくは海面等の船体１が浮かぶ水面や流体表面からの深さを示すが、以下の説明では、船体１の底面からの深さを便宜上「水深」と記載する場合がある。

本実施の形態の船速計は、例えば、船体１に設置されたセンサ２および船速計処理部３から構成される。センサ２は、例えば、船体１の船底部もしくはその近傍に設置され、海底方向に向けて所定の周波数でパルス状の音波を発信し、その反射波を受信するとともに、発信から受信までの時間差および受信した反射波の周波数などの情報を出力するトランスデューサ等によって構成される。

なお、図１の例ではセンサ２が１つ設置され、所定の海底方向に音波を発信し、測定された当該方向の流速成分に基づいて船体１の船首から船尾方向の流速（対水船速）を得る構成を示しているが、このような構成に限られない。例えば、船首から船尾方向以外の他の任意の方向の流速を算出する構成としてもよい。また、それぞれ異なる方向（以下では「測定方向」と記載する場合がある）に音波を発信する複数のセンサ２を有する構成とし、各センサ２の測定方向の流速成分（もしくはこれらの合成）として任意の方向の流速（対水船速）を得る構成としてもよい。

船速計処理部３は、センサ２の動作を制御するとともに、センサ２からの出力結果を取得して船速Ｖの計算等の処理を行う機能を有する。船速計処理部３は、後述する各機能を実現するよう設計された集積回路や記憶装置、入出力装置等からなる専用のハードウェアとして実装してもよいし、ＰＣ（Personal Computer）等の汎用の情報処理装置およびその上で稼働するソフトウェアとして実装することも可能である。

船速計処理部３は、例えば、制御部３１、計測部３２、船速計算部３３、インタフェース部３４などの各部、および測定データ３５、理論曲線データ３６、設定情報３７、船速データ３８などの各データストアを有する。制御部３１は、船速計処理部３の各部の動作を、予め設定された設定情報３７の内容等に基づいて自動で、もしくは後述するインタフェース部３４を介したユーザからの指示等に基づいて手動で制御する機能を有する。計測部３２は、センサ２により計測を行い、その結果を取得する機能を有する。具体的には、上述したように、センサ２から発信した送信波と受信した反射波の時間差および反射波の周波数のデータを取得する。取得したデータは、例えば、測定データ３５として時系列に記録しておく。

船速計算部３３は、測定データ３５の内容から、設定情報３７の内容等に基づいて、後述する手法により真の船速Ｖ、すなわち流速が十分に発達する深さでの流速（対水船速）を算出し、算出結果を船速データ３８として記録する機能を有する。インタフェース部３４は、船速計処理部３に対する入出力のインタフェースを提供する機能を有する。例えば、船速計算部３３によって計算された船速データ３８の内容を図示しないディスプレイ等に表示して出力する。また、船速データ３８や測定データ３５などの蓄積データや、後述する理論曲線データ３６などについて、図示しない外部記録媒体やネットワークを介して入出力を行う。また、図示しないボタンやダイヤル等からなる操作パネルやリモコン、タッチパネル等を介してユーザからの操作指示やデータの入力を受け付ける。

上述したように、特許文献１に記載された従来技術は、船底下の複数の深さにおける流速を求める多層型の構成を有し、水深毎の各層の流速分布に基づいて現実の境界層の厚みを把握し、境界層よりも深い領域での流速から対水船速を求めるものである。一方で、シミュレーション技術の進歩により、例えば、全長が２００メートルや３００メートルを超えるような巨大な船体１においては、１００メートル程度の深さまで対水船速が十分に発達しない場合があることが分かってきている。この場合、特許文献１に記載されたような従来技術では、音響式船速計の性能上、水深５０メートル程度より深い領域では十分な計測精度が得られない場合があり、正確な船速を得ることができない場合が生じ得る。

そこで、本実施の形態では、特許文献１に記載された従来技術と同様に、船底下の複数の深さにおける流速を求める多層型の構成を有するとともに、水深毎の各層の対水船速として、センサ２および計測部３２によって計測した実測データに基づいて算出した対水船速を用いる深さを、十分な精度での計測が可能な所定の範囲（図１では「計測範囲４」）に制限する。計測範囲４の深さは、センサ２の性能等により異なり得るが、例えば５０メートル程度以下である。そして、計測範囲４より深い領域については、後述するように、計測範囲４における対水船速の分布に対して予め推定した理論曲線（図１では「水深毎船速理論曲線５」の点線）を適合させてこれを外挿する。

これにより、例えば、計測範囲４の深さまでは実測データに基づいて算出した対水船速を用いるとともに、それより深い領域では、実測データに基づいてではなく、水深毎船速理論曲線５に基づいて水深毎の各層の対水船速を算出することができ、流速が十分に発達する水深１００メートル程度の領域での真の船速についても高精度で推定することができる。

図２は、本実施の形態における船速取得処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。まず、事前準備として、船速計を設置する船体１に対して適用可能な水深毎船速理論曲線５を推定しておく（Ｓ０１）。当該処理は、本実施の形態の船速計の運用を開始する前に少なくとも行われている必要があるが、その後も随時もしくは定期的に当該処理を行って水深毎船速理論曲線５を更新しておくようにしてもよい。水深毎船速理論曲線５を算出する手法については特に限定されないが、例えば、実際の船における実測データに基づいて推定する手法や、コンピュータシステムによるシミュレーションにより推定する手法などをとることができる。

図３は、水深毎船速理論曲線５を推定する手法の例について概要を示した図である。図３（ａ）は、実際の船の実測データから推定する例について示している。例えば、本実施の形態の船速計を設置した実際の船において、潮流等による計測への外乱が少ないとみなせる場合に、水深毎船速理論曲線５を推定するのに適した条件であると判断し、計測された測定データ３５（図中では「計測データ」）を図示するようにべき乗曲線等により近似することで水深毎船速理論曲線５（図中では「推定理論曲線」）を得ることができる。

また、実測データを得ることが困難である場合には、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）解析などのシミュレーションにより水深毎船速理論曲線５を推定することもできる。例えば、船体１の周囲の流れをＣＦＤによるシミュレーションにより求めて、そこから、本実施の形態で計測する水深毎の対水船速を取り出す。図３（ｂ）は、ＣＦＤにより水深毎の対水船速をシミュレーションした場合の例を示している。ここで得られた水深毎の対水船速について、図３（ａ）と同様にべき乗曲線等により近似することで水深毎船速理論曲線５を得ることができる。なお、水深毎船速理論曲線５は、船体１の形状や航行条件、喫水の深さなどのパターンや環境パラメータ毎に複数パターン算出しておいてもよい。

また、実際の船体１に対するセンサ２の設置形態に応じて、１つもしくは複数のセンサ２が音波を発信する方向などを考慮して、各測定方向における対水船速の成分や、各測定方向の成分の合成による三次元での対水船速などを図３（ｂ）に示す例と同様にシミュレーションにより求めるようにしてもよい。また、水深毎船速理論曲線５の推定の際には、所定のアルゴリズム等によって計算された理論曲線に対して、さらに経験則的な考慮に基づいて手動による補正を加えるようにしてもよい。

また、ＣＦＤ等によるシミュレーションも含む水深毎船速理論曲線５の算出処理は、船速計処理部３で行う必要はなく、他のシステムやソフトウェア等を利用して算出することができる。この場合、算出した水深毎船速理論曲線５のデータは、インタフェース部３４を介して船速計処理部３に取り込んで理論曲線データ３６として予め記録しておく。

図２に戻り、ステップＳ０１で水深毎船速理論曲線５が推定されて予め理論曲線データ３６に記録されている状態で、実際の船の航行における船速の取得が行われる。まず、計測範囲４における水深毎の各層の対水船速の計測および算出を行う（Ｓ０２）。例えば、計測する深さをｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_ｎのｎ層とし、各層について対水船速Ｖ_ｓ１、Ｖ_ｓ２、…、Ｖ_ｓｎをそれぞれ計算する。対水船速の計算については、上述したように、船速計処理部３の計測部３２においてセンサ２から発信した送信波と受信した反射波の時間差および反射波の周波数のデータを取得して測定データ３５として記録し、さらに船速計算部３３において測定データ３５に基づいて特許文献１に記載された技術と同様の手法により水深毎の対水船速を計算する。このとき、船体運動等による外乱の影響を低減するため、測定データ３５については、例えば１０秒〜数十秒程度の間の移動平均を用いるのが望ましい。

その後、船速計算部３３において、算出した計測範囲４における水深毎の対水船速の分布に対して理論曲線データ３６に記録されている水深毎船速理論曲線５を適合させる（Ｓ０３）。適合させる（フィッティングする）手法については特に限定されず、任意の手法やアルゴリズムを適宜利用することができる。例えば、理論曲線データ３６に記録されている複数のパターンや環境パラメータ毎の水深毎船速理論曲線５のうち、計測範囲４における実際の対水船速分布に最も近似するものを選択することができる。選択した曲線に対してさらに計測範囲４における実際の対水船速分布の値に応じて補正を加えるようにしてもよい。

その後、ステップＳ０２で実際に測定された対水船速分布と、ステップＳ０３でこれに適合させた水深毎船速理論曲線５との計測範囲４における乖離が所定の程度を超えるか否かを判定する（Ｓ０４）。乖離の程度の判断手法については特に限定されず、例えば、各層において実際に測定された対水船速と理論値との差分の累積が所定の閾値を超えるか否かによって判断したり、各層における差分のバラつきの程度によって判断したりすることができる。水深が浅い領域と深い領域で差分の評価の際の重み付けを変えるようにしてもよい。１回の測定での判断ではなく、所定の期間での乖離の傾向に基づいて判断するようにしてもよい。

ステップＳ０４で、乖離が所定の程度以上であると判定された場合は、ステップＳ０１と同様の手法により水深毎船速理論曲線５の推定を再度行う（Ｓ０５）。ここでの推定の際には、ステップＳ０２やその他の機会に実際に測定された複数の対水船速分布のデータも考慮に加えることで、水深毎船速理論曲線５の精度を向上させることができる。

図４は、水深毎船速理論曲線５を推定する手法の他の例について概要を示した図である。ここでは、実際の航行により得られた過去の複数の測定データ３５（図中では「計測データ＿１」〜「計測データ＿５」）について水深毎にその平均等の統計情報（図中では「計測データ＿平均」）を求め、これをべき乗曲線等により近似して水深毎船速理論曲線５（図中では「理論曲線（計測データ＿平均）」を得ることを示している。これにより、より精度の高い水深毎船速理論曲線５を得ることができる。このような処理により更新された水深毎船速理論曲線５に基づいて、ステップＳ０３以降の処理を繰り返す。

ステップＳ０４で、乖離が所定の程度未満であると判定された場合は、ステップＳ０３で適合させた水深毎船速理論曲線５に基づいて、計測範囲４より深い領域での任意の深度の対水船速を算出する（Ｓ０６）。対水船速の算出は、予め定められた複数の水深毎の各層について行ってもよいし、十分に流速が発達する深さとして予め設定情報３７等に定められた深さについて行い、得られた流速を真の対水船速として出力するようにしてもよい。インタフェース部３４を介してユーザから指定された任意の深さについて個別に対水船速を算出するようにしてもよい。

ステップＳ０２およびＳ０６で計測範囲４およびこれより深い領域において算出した水深毎の各層の対水船速の値は、予め設定情報３７等に定められた方法もしくはユーザから指定された方法その他所定の方法により、インタフェース部３４を介して出力する。

その後は、インタフェース部３４を介したユーザからの指示や、所定の条件（例えば、船の停止等）に起因する制御部３１からの指示等に基づいて、船速の取得処理の終了が要求されているか否かを判定し（Ｓ０７）、終了要求がされていない場合にはステップＳ０２以降の処理を繰り返して船速の取得処理を継続する。終了要求がされている場合には船速の取得処理を終了する。

以上に説明したように、本発明の実施の形態１である船速計によれば、水深毎の各層の対水船速として、センサ２等による実測データに基づいて算出した対水船速を用いる深さを計測範囲４に制限するとともに、計測範囲４より深い領域については、計測範囲４における実際の対水船速分布に対して予め推定した水深毎船速理論曲線５を適合させてこれを外挿する。これにより、計測範囲４より深い領域においても水深毎船速理論曲線５に基づいて水深毎の各層の対水船速を高精度で推定することができる。

（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、センサ２等による実測データに基づいて算出した対水船速の分布に対して水深毎船速理論曲線５を適合させているが、その際、実測データに基づく対水船速の分布と水深毎船速理論曲線５との乖離の程度が大きい場合は、水深毎船速理論曲線５が最適ではないと仮定して、図２のステップＳ０５に示すように、水深毎船速理論曲線５を再度推定するものとしている。

一方で、船体１の周囲に潮流による外乱がある場合にも、実測データに基づく対水船速と水深毎船速理論曲線５との間で乖離が生じ得る。図５は、実測データに基づく対水船速分布と水深毎船速理論曲線５の乖離の例について概要を示した図である。実施の形態１と同様の手法により得られた水深毎船速理論曲線５に対して、実測データに基づく対水船速の分布との間に差分があることを示している。本発明の実施の形態２である船速計は、この差分を船体１の周囲の潮流によるものとして、水深毎の潮流分布を推定する。

図６は、本実施の形態における潮流推定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。事前準備である水深毎船速理論曲線５の推定処理（Ｓ１１）、実際の船の航行における船速の計測処理（Ｓ１２）、および水深毎船速理論曲線５のフィッティング処理（Ｓ１３）については、実施の形態１の図２に示したフローチャートにおけるステップＳ０１〜ステップＳ０３と同様であるため再度の説明は省略する。

その後、ステップＳ１２で実際に測定された対水船速の分布と、ステップＳ１３でこれに適合させた水深毎船速理論曲線５との計測範囲４における差分を水深毎に算出し、得られた差分を水深毎の潮流分布とする（Ｓ１４）。その後は、インタフェース部３４を介したユーザからの指示や、所定の条件に起因する制御部３１からの指示等に基づいて、船速の取得処理の終了が要求されているか否かを判定し（Ｓ１５）、終了要求がされていない場合にはステップＳ１２以降の処理を繰り返す。終了要求がされている場合には潮流分布の推定処理を終了する。

なお、実測データに基づく対水船速と水深毎船速理論曲線５との間の乖離が、潮流によるものであるのか、水深毎船速理論曲線５が最適ではないことに起因するものであるのかについて、例えば、過去の所定の期間での乖離の傾向に基づいていずれであるのかを判断し、実施の形態１の図２に示す処理と本実施の形態の処理とを切り替えるようにしてもよい。本実施の形態のように、計測範囲４において実際に測定された対水船速の分布を潮流分布の推定に用いる場合、計測範囲４における真の対水船速については、実施の形態１と異なり、実測データに基づいてではなく水深毎船速理論曲線５に基づいて推定することができる。

以上に説明したように、本発明の実施の形態２である船速計によれば、計測範囲４において実際に測定された対水船速の分布と、これに適合させた水深毎船速理論曲線５との水深毎の差分を算出することにより、船体１の周囲の水深毎の潮流分布を推定することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、複数の深度での船速を計測する船速計および船速取得方法に利用可能である。

１…船体、２…センサ、３…船速計処理部、４…計測範囲、５…水深毎船速理論曲線、
３１…制御部、３２…計測部、３３…船速計算部、３４…インタフェース部、３５…測定データ、３６…理論曲線データ、３７…設定情報、３８…船速データ

Claims (10)

1. 船舶の対水船速を計測する船速計であって、
   船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する、船速計。
2. 請求項１に記載の船速計において、
   前記理論曲線は、対象の船舶について実際に測定した前記流速の水深毎の分布に基づいて算出されたものである、船速計。
3. 請求項１に記載の船速計において、
   前記理論曲線は、対象の船舶の周囲の流体の流れを所定のシミュレーションにより解析した結果により得られた前記計測範囲までの異なる複数の水深毎の流速の分布に基づいて算出されたものである、船速計。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の船速計において、
   前記理論曲線は、対象の船舶について当該船速計により実際に測定した複数の前記流速の水深毎の分布の統計情報に基づいて更新されたものである、船速計。
5. 請求項１に記載の船速計において、
   測定した前記流速の水深毎の値と、前記流速の水深毎の分布に対して適合させた前記理論曲線との差分に基づいて、前記計測範囲における水深毎の潮流の分布を算出する、船速計。
6. 船舶の対水船速を計測する船速取得方法であって、
   対象の船舶に係る水深毎の対水船速の理論曲線を算出する第１の工程と、
   対象の船舶について所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布を取得する第２の工程と、
   前記流速の水深毎の分布に対して前記理論曲線を適合させる第３の工程と、
   適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する第４の工程と、を有する、船速取得方法。
7. 請求項６に記載の船速取得方法において、
   前記第１の工程では、対象の船舶について実際に測定した前記流速の水深毎の分布に基づいて前記理論曲線を算出する、船速取得方法。
8. 請求項６に記載の船速取得方法において、
   前記第１の工程では、対象の船舶の周囲の流体の流れを所定のシミュレーションにより解析した結果により得られた前記計測範囲までの異なる複数の水深毎の流速の分布に基づいて前記理論曲線を算出する、船速取得方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の船速取得方法において、
   さらに、対象の船舶について当該船速取得方法により実際に測定した複数の前記流速の水深毎の分布の統計情報に基づいて前記理論曲線を更新する第５の工程を有する、船速取得方法。
10. 請求項６に記載の船速取得方法において、
    さらに、前記第２の工程で取得した前記流速の水深毎の値と、前記第３の工程で前記流速の水深毎の分布に対して適合させた前記理論曲線との差分に基づいて、前記計測範囲における水深毎の潮流の分布を算出する第６の工程を有する、船速取得方法。