JP6882243B2 - 避航支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、避航支援装置に関し、例えば、他船との衝突を回避するための最適な操船方法を計算によって求める技術に関する。

非特許文献１，２には、現時点における操船者の選好関係を、避航操船空間の効用値によって表す方式が示される。避航操船空間は、針路の変針角と速力の変速率とを組み合わせた空間であり、効用値は、この空間の各位置毎に算出される。効用値は、針路、速力の変更に伴う操船者の主観的な選好度から、針路、速力の変更に応じた他船に対する客観的な衝突危険度を減算したものである。

特許文献１には、操縦性指数Ｋ，Ｔを用いて船舶の操縦運動を推定する方法が示される。特許文献２には、最適な変針角等を求める避航操船シミュレーションと、その変針角等を反映した避航操船とを順次繰り返すような操船方法を想定し、現時点で得られる避航操船シミュレーションの変針角等を反映して当該操船方法に従った場合に、どの程度の危険が今後生じるかを現時点で予測する避航支援装置が示される。具体的には、当該避航支援装置は、現時点において、時間をΔｔずつ進めながら、その都度、避航操船シミュレーションと、その変針角等を反映して避航操船を行った前提での運動シミュレーションとを実行する。当該避航支援装置は、Δｔ毎に避航操船シュミレーションによって得られる他船との衝突危険度を画面に表示することで、操船者に現時点での変針角の妥当性を判断させる。

特開平４−１５４４９８号公報 特開平９−２２４９９号公報

長澤、他３名、"避航操船環境の困難度−II．−シミュレーションによる評価に向けて−"、日本航海学会論文集、８８号、１９９３年、ｐ．１３７−１４４ 長澤、他３名、"Assessment of High Speed Navigation in a Congested Area by the Traffic Simulation"、ＦＡＳＴ’９３、Ｖｏｌ．２（１９９３）、ｐ．１３４９−１３５７

例えば、非特許文献１，２に示されるような方式に基づく避航操船シミュレータが知られている。また、このような避航操船シミュレータを利用して、船舶の安全な避航や船舶の省人化等を図るための装置として、特許文献２に示されるような避航支援装置が知られている。避航操船シミュレータを用いると、現時点で他船との衝突を効率的に回避するための変針角等が得られる。しかし、現実的には、現時点で船舶を即座に当該変針角等に制御することは困難であり、船舶の操縦性能（例えば、船舶の大きさ等）に応じた応答性の遅延が生じ得る。このため、避航操船シミュレータに基づく理想的な操船方法と、船舶の操縦性能に応じた現実的な操船方法との間に乖離が発生する。

そこで、この乖離を考慮して、特許文献２に示されるように、現時点において、時間をΔｔずつ進めながら、避航操船シミュレーションおよび運動シミュレーションを繰り返し行うような方式が考えられる。当該方式を用いると、現時点での避航操船シミュレーションの結果をそのまま適用した際の今後生じ得る危険を、現時点で予測することが可能になる。しかし、当該方式では、現時点での最適解が得られる訳ではなく、現時点での最適解は、当該予測結果に基づく操船者の判断に委ねられる。近年、避航支援装置は、船舶の自律航行で必要とされる主要技術の一つを担うことが期待される。このため、避航支援装置は、現時点での最適解を操船者の判断を経ずに得ることが望まれる。

本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、船舶の操縦性能に応じた最適な避航操船方法を自動的に導出可能な避航支援装置を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及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、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態による避航支援装置は、選好度算出部と、危険度算出部と、効用値算出部と、操船指示部とを有する。選好度算出部は、変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間を避航操船空間として、避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する。危険度算出部は、自船の操縦性能を表す操縦性能パラメータを反映して現時点から所定時間後の自船の状況を仮定し、当該状況下で自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、避航操船空間の各位置毎に算出する。効用値算出部は、避航操船空間の各位置毎に、選好度から衝突危険度を減算することで効用値を算出する。操船指示部は、効用値算出部の算出結果に基づく避航操船を所定時間後の状況下で行った場合の航路に乗るように、自船の操船方法を指示する。

前記一実施の形態によれば、船舶の操縦性能に応じた最適な避航操船方法を自動的に導出可能になる。

本発明の実施の形態１による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。 図１における危険度算出部の処理内容の一例を示す説明図である。 図１の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。 本発明の実施の形態２による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。 図４における運動シミュレータの処理内容の一例を説明する図である。 図４における運動シミュレータの処理内容の一例を説明する図である。 図４における運動シミュレータの処理内容の一例を説明する図である。 図４における危険度算出部の処理内容の一例を示す説明図である。 図４の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。 自船と他船が衝突し得る状況の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置における危険度算出部の処理内容の一例を説明する図である。 図１２におけるバンパー領域を説明する補足図である。 本発明の比較例となる避航支援装置における危険度算出部の処理結果の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置において、効用値算出部の算出結果に基づき避航操船を行った場合の実際上の航路の一例を示す図である。

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、同一の部材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。

（実施の形態１）
《避航支援装置周りの概略》
図１は、本発明の実施の形態１による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。図１において、船舶情報取得部１１は、各種機構を用いて、自船の情報（針路、速力および位置（座標））と、自船周辺の所定の範囲内に存在する単数または複数の他船の情報（針路、速力および位置（座標））とを取得する。各種機構は、代表的には、ＡＩＳ（Automatic Identification System）３０、レーダ３１、カメラ３２、方位センサ３５、速度センサ３６およびＧＰＳ（Global Positioning System）３７等のいずれかまたはその組み合わせである。

ＡＩＳは、船舶間や船舶と陸上間で、船舶の位置、針路、速力、目的地などの船舶情報を無線通信で交換することで、他船や自船の情報を取得するシステムである。レーダ３１やカメラ３２は、自船の周辺に存在する各他船の相対的な針路、速力および位置を検出することで、他船の情報を取得する。方位センサ３５は、ジャイロコンパス等であり、自船の針路を検出する。速度センサ３６は、電磁式ログやドップラーログ等であり、自船の速力を検出する。ＧＰＳ３７は、自船の位置（座標）を検出する。

避航支援装置１０は、効用値算出部２０と、パラメータ保持部２１と、航路設定部２２と、操船指示部２３とを備える。効用値算出部２０は、選好度算出部２４と、危険度算出部２６ａとを備える。避航支援装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含むコンピュータシステムを用いたプログラム処理によって実現される。ただし、必ずしもこれに限定されず、例えば、避航支援装置１０の一部は、専用のハードウェアで実現されてもよい。

航路設定部２２は、予め操船者等によって設定された電子海図上の予定航路を記憶する。予定航路は、出発地点と目標地点とを複数のウエイポイント（ＷＰ）を介して結んだ経路であり、ウエイポイント（ＷＰ）は、代表的には変針点である。電子海図は、ハードディスク等の不揮発性記憶装置１４に記憶される。パラメータ保持部２１は、自船の操縦性能を表す操縦性能パラメータとして、自船の操縦性能に応じて定められる応答性の遅延時間Ｔｄを保持する。遅延時間Ｔｄは、自船の操縦性能が低いほど長く、高いほど短く定められる。

危険度算出部２６ａは、概略的には、操縦性能パラメータを反映して現時点から所定時間後の自船の状況を仮定し、当該状況下で自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、避航操船空間の各位置毎に算出する。より詳細には、危険度算出部２６ａは、他船および自船が現進航状態をパラメータ保持部２１に保持される遅延時間Ｔｄ維持した後の状況を仮定し、当該状況下で避航操船空間の各位置毎の衝突危険度を算出する。避航操船空間とは、変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間であり、避航操船を行う際に採り得る選択肢（言い換えれば手数）を表す。

選好度算出部２４は、避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する。効用値算出部２０は、避航操船空間の各位置毎に、選好度算出部２４による選好度から危険度算出部２６ａによる衝突危険度を減算することで効用値を算出する。操船指示部２３は、効用値算出部２０の算出結果（例えば、効用値が最大となる避航操船空間の位置）に基づく避航操船を前述した所定時間後の状況下で行った場合の航路に乗るように、自船の操船方法を自動操縦装置１５へ指示する。

自動操縦装置１５は、例えば、風波潮等の外力が働いた場合でも指示された座標に到達するように舵を自動制御するトラックコントロールシステム（ＴＣＳ）や、指示された変速率に向けて変速するようにエンジン出力を自動制御する装置等を含む。自動操縦装置１５は、船舶情報取得部１１からの自船情報（現在の針路、速力、位置（座標））と、航路設定部２２からの予定航路情報とを受け、操船指示部２３からの指示に応じて、適宜、避航操船を行いながら、目標地点に向けて自律航行を行う。結果表示装置１３は、ディスプレイ等であり、例えば、効用値算出部２０による効用値の算出結果を表す３次元グラフ（避航操船空間の各位置毎の効用値）を表示する。

《避航支援装置（比較例）の各部の詳細》
ここで、実施の形態１の避航支援装置の説明に先立ち、比較例となる避航支援装置について説明する。比較例となる避航支援装置は、図１の構成例において、パラメータ保持部２１が設けられず、これに伴い、比較例となる危険度算出部は、操縦性能パラメータを反映せずに衝突危険度を算出する。また、比較例となる避航支援装置では、図１の構成例における操船指示部の処理内容も若干異なっている。以下、比較例となる避航支援装置における主要部の詳細について説明する。

図１０は、自船と他船が衝突し得る状況の一例を示す図である。図１０の例では、自船ＯＳは、北に向けて所定の速力で進航しており、他船ＴＳは、西に向けて所定の速力で進航している。自船ＯＳおよび他船ＴＳは、そのまま進航を続けると、所定の時間（最近接時間（Ｔｃｐａ））後に衝突する可能性がある。この場合、他船ＴＳを右側に見る自船ＯＳに衝突回避義務が生じる。このような場合に、自船ＯＳは、衝突を効率的に回避するための避航操船方法を避航支援装置を用いて探索する。

図１１は、本発明の比較例となる避航支援装置における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。図１１において、横軸は、変針角［ｄｅｇ］であり、原針路を０［ｄｅｇ］として左変針“−６０［ｄｅｇ］”から右変針“６０［ｄｅｇ］”までの範囲を示している。縦軸は、変速率［％］であり、原速力を１００［％］として０［％］から１００［％］までの範囲を示している。前述した避航操船空間は、この横軸および縦軸で示される空間であり、避航操船の選択肢を表す空間である。

一方、高さ軸は、選好度であり、“１．０”に近づくほど好ましさが増し、“０”に近づくほど好ましさが減ることを表す。通常、操船者は、他船や陸域等の障害物が存在しない場合、主観的に原針路と原速力を維持することを好み、針路や速力をできるだけ変化させないことを好む。図１１に示される選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）は、このような操船者の主観を反映して、式（１）に示される演算式によって定められる。
Ｐｂ（ｉ，ｊ）＝Ｐｂ（ｉ，０）×Ｐｂ（０，ｊ） …（１）

式（１）によって算出される選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）は、図１１に示されるように、現進航状態を維持する避航操船空間上の位置（変針角“０［ｄｅｇ］”、変速率“１００［％］”の位置）にピーク値を有する。選好度算出部２４は、変針角（ｉ）と変速率（ｊ）との組み合わせ毎に、式（１）の選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）を算出する。

ここで、式（１）における各項は、式（２）の変針選好度Ｐｂ（ｉ，０）および式（３）の変速選好度Ｐｂ（０，ｊ）に示される指数関数によって定められる。変針選好度Ｐｂ（ｉ，０）は、変速率を１００［％］とした場合で、変針角を０［ｄｅｇ］から“ΔＣｏ”変化させた場合の選好度を表す。一方、変速選好度Ｐｂ（０，ｊ）は、変針角を０［ｄｅｇ］とした場合で、変速率を１００［％］から“ΔＶ”変化させた場合の選好度を表す。式（２）および式（３）における“ａ_ｃ”および“ａ_ｖ”は予め設定される係数であり、“ａ_ｃ”は、右変針時と左変針時で異なる値に設定されてもよい。
Ｐｂ_ｏｒｇ（ｉ，０）＝ｅｘｐ（−ａ_ｃ×ΔＣｏ） …（２）
Ｐｂ_ｏｒｇ（０，ｊ）＝ｅｘｐ（−ａ_ｖ×ΔＶ） …（３）

図１２は、本発明の比較例となる避航支援装置における危険度算出部の処理内容の一例を説明する図であり、図１３は、図１２におけるバンパー領域を説明する補足図である。図１４は、本発明の比較例となる避航支援装置における危険度算出部の処理結果の一例を示す図である。例えば、図１０に示したようなケースにおいて、比較例となる危険度算出部は、図１４に示されるような処理結果を生成する。図１４において、横軸および縦軸は、図１１の場合と同様の避航操船空間である。高さ軸は、衝突危険度であり、“１．０”に近づくほど危険が増し、“０”に近づくほど危険が減ることを表す。

比較例となる危険度算出部は、図１の危険度算出部２６ａのように現時点から所定時間後の自船の状況ではなく、現時点での自船の状況に基づいて、図１４の避航操船空間の各位置毎に、図１２に示されるような方式を用いて衝突危険度を算出する。図１２には、自船ＯＳと他船ＴＳの相対関係が示される。自船ＯＳは、絶対軸上の座標（Ｘｏ，Ｙｏ）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｏで進航する。一方、他船ＴＳは、絶対軸上の座標（Ｘｔ，Ｙｔ）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｔで進航する。

ここで、自船ＯＳおよび他船ＴＳの一方は基準船舶であり、他方は対象船舶である。基準船舶の位置は、相対軸上の原点に定められ、基準船舶の針路は、相対軸上のＹ軸に定められ、それに直交する軸は、相対軸上のＸ軸に定められる。この例では、基準船舶は他船ＴＳ、対象船舶は自船ＯＳであるが、相対関係であるため、対象船舶が他船ＴＳ、基準船舶が自船ＯＳであってもよい。

このような相対軸上で、対象船舶である自船ＯＳは、速力Ｖｏのベクトルと速力Ｖｔの逆ベクトルとの合成ベクトルで得られる相対針路４３へ相対速力Ｖｒで進行する。なお、自船ＯＳの座標、針路、速力は、図１の船舶情報取得部１１からの自船情報に、避航操船空間の位置に基づく変針角および変速率を反映させることで定められる。また、他船ＴＳの座標、針路、速力は、図１の船舶情報取得部１１からの他船情報に基づき、他船ＴＳが現進航状態（すなわち原針路および原速力）をそのまま維持するものとして定められる。

ここで、基準船舶である他船ＴＳの周囲には、楕円状のバンパー領域（排他的領域）４０が設定される。図１３には、短径Ａおよび長径Ｂを有するバンパー領域４０が示される。バンパー領域４０のサイズは、例えば、自船ＯＳの全長および速力、他船ＴＳの全長および速力といった２隻の船舶の情報に基づいて定められる。なお、他船ＴＳの位置は、バンパー領域４０の中心ではなく、船舶の交通ルール等を反映して中心から距離Ｃおよび距離Ｄだけ左下にシフトした位置に設定される。

このようなバンパー領域４０を用いて、図１２に示されるように、他船ＴＳの位置からバンパー領域４０の外周に向けて最大値から最小値に順次推移するようなリスク関数４１，４２が定義される。具体的には、リスク関数４１は、Ｙ軸（相対軸）用であり、他船ＴＳの位置となるＹ軸（相対軸）の原点座標で最大値“１．０”となり、バンパー領域４０の外周が位置するＹ軸（相対軸）の最大座標および最小座標で最小値（例えば“０”）となる。同様に、リスク関数４２は、Ｘ軸（相対軸）用であり、Ｘ軸（相対軸）の原点座標で最大値“１．０”となり、バンパー領域４０の外周が位置するＸ軸（相対軸）の最大座標および最小座標で最小値（例えば“０”）となる。

危険度算出部は、自船ＯＳ（対象船舶）が将来的に通過するバンパー領域４０内の位置に応じたリスク関数４１，４２の値を算出することで衝突危険度を算出する。具体的には、危険度算出部は、自船ＯＳが相対針路４３上を進航した場合のＹ軸（相対軸）との交点座標に対応するリスク関数４１の値をＹ軸衝突危険度Ｒｙとして算出し、Ｘ軸（相対軸）との交点座標に対応するリスク関数４２の値をＸ軸衝突危険度Ｒｘとして算出する。

そして、危険度算出部は、式（４）に示されるように、Ｙ軸衝突危険度ＲｙかＸ軸衝突危険度Ｒｘの大きい方の値に所定の重み付けを行うことで衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）を算出する。式（４）において、“Ｔｃｐａ”は最近接時間であり、“Ｗｔｃｐａ”は予め設定された一定時間である。式（４）では、最近接時間（Ｔｃｐａ）が短いほど、衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）が高まるような重み付けがなされている。
Ｒｋ（ｉ，ｊ）＝ｍａｘ（Ｒｘ，Ｒｙ）×（１−Ｔｃｐａ／Ｗｔｃｐａ） …（４）

また、実際には、所定の範囲内に他船ＴＳは１隻ではなく、ｑ隻（ｑは２以上の整数）存在する場合がある。これに伴い、図１４の避航操船空間の各位置毎に、対象となる他船ＴＳ（すなわち、最も影響が大きい他船ＴＳ）も異なり得る。そこで、実際には、式（４）の衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）の代わりに、式（５）の衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）が用いられる。式（５）の衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）は、避航操船空間の各位置毎に、単数または複数の他船ＴＳの中の最も影響が大きい他船ＴＳに対する衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）によって定められる。

図１５は、本発明の比較例となる避航支援装置における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。図１５において、横軸および縦軸は、図１１の場合と同様の避航操船空間である。高さ軸は、効用値であり、“１．０”に近づくほど効果が増し、“０”に近づくほど効果が減ることを表す。効用値算出部２０は、図１５の避航操船空間の各位置毎に、式（６）に示されるように、選好度算出部２４による選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）から、危険度算出部による式（５）の衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）を減算することで効用値ｕ（ｉ，ｊ）を算出する。すなわち、図１５の効用値ｕ（ｉ，ｊ）は、図１１の選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）から図１４の衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）を減算することで得られる。この際に、衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）は、詳細には、所定の係数αで重み付けされる。
ｕ（ｉ，ｊ）＝Ｐｂ（ｉ，ｊ）−α×Ｒ（ｉ，ｊ） …（６）

最適な避航操船方法は、例えば、効用値ｕ（ｉ，ｊ）が最大となる方法であり、図１５の例では、原速力を維持して、変針角１８［ｄｅｇ］の右変針を行う方法となる。比較例となる操船指示部は、この効用値算出部２０の算出結果に基づく避航操船を、図１の操船指示部２３のように所定時間後の状況下で行った場合ではなく、現時点で行った場合（すなわち、現時点で１８［ｄｅｇ］の右変針を行った場合）の航路に乗るように、自船の操船方法を指示する。

《避航支援装置（比較例）の問題点》
図１６は、本発明の比較例となる避航支援装置において、効用値算出部の算出結果に基づき避航操船を行った場合の実際上の航路の一例を示す図である。この例では、効用値算出部２０の算出結果に基づき、現時点（ｔ＝０）において他船ＴＳを回避するための最適な変針角θｒが得られている。比較例となる操船指示部は、この変針角θｒ上の目標回避航路７０に乗るように自船の操船方向を指示する。具体的には、操船指示部は、例えば、当該目標回避航路７０上の所定の座標を自動操縦装置１５へ指示する。

ここで、自船ＯＳｓの操縦性能が高い場合（例えば小型船舶の場合）、自船ＯＳｓを目標回避航路７０上に短時間で乗せることが可能である。その結果、所定の期間経過後（ｔ＝Ｔｍ時）に、自船ＯＳｓ［Ｔｍ］は、他船ＴＳ［Ｔｍ］を効率的に回避することができる。しかし、自船ＯＳｂの操縦性能が低い場合（例えば大型船舶の場合）、自船ＯＳｂを目標回避航路７０上に短時間で乗せることは困難になり得る。その結果、所定の期間経過後（ｔ＝Ｔｍ時）に、自船ＯＳｂ［Ｔｍ］と他船ＴＳ［Ｔｍ］の衝突を招くような状況が生じる恐れがある。このように、比較例となる避航支援装置では、船舶の操縦性能に応じた最適な避航操船方法を自動的に導出することは困難となり得る。

《避航支援装置（実施の形態１）の各部の詳細》
そこで、図１の危険度算出部２６ａは、前述したように、操縦性能パラメータ（パラメータ保持部２１の遅延時間Ｔｄ）を反映して現時点から所定時間（遅延時間Ｔｄ）後の自船の状況を仮定し、当該状況下で自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、避航操船空間の各位置毎に算出する。図２は、図１における危険度算出部の処理内容の一例を示す説明図である。

図２の例では、自船ＯＳは、現時点（ｔ＝０）において、座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｏ［０］，Ｙｏ［０］）に位置し、Ｙ軸方向に針路を向けているものとする。一方、他船ＴＳは、現時点（ｔ＝０）において、座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｔ［０］，Ｙｔ［０］）に位置し、Ｘ軸方向に針路を向けているものとする。ここで、危険度算出部２６ａは、まず、他船ＴＳおよび自船ＯＳが現進航状態（原針路および原速力）を遅延時間Ｔｄ維持した後の状況を仮定する。その結果、遅延時間Ｔｄ後の自船ＯＳ［Ｔｄ］の座標（Ｘ，Ｙ）は、（Ｘｏ［０］，Ｙｏ［Ｔｄ］）となり、他船ＴＳ［Ｔｄ］の座標（Ｘ，Ｙ）は、（Ｘｔ［Ｔｄ］，Ｙｔ［０］）となる。

そして、危険度算出部２６ａは、当該遅延時間Ｔｄ後の自船ＯＳ［Ｔｄ］および他船ＴＳ［Ｔｄ］の状況下で、自船ＯＳ［Ｔｄ］が他船ＴＳ［Ｔｄ］に対して避航操船を行った場合の避航操船空間の各位置毎の衝突危険度を算出する。具体的には、危険度算出部２６ａは、現時点ではなく当該遅延時間Ｔｄ後の自船ＯＳ［Ｔｄ］および他船ＴＳ［Ｔｄ］の座標、針路、速力を前提として図１２に示したような相対座標系を構築すると共に、自船ＯＳ［Ｔｄ］に対して避航操船空間上の各位置に基づく変針角および変速率を反映させることで衝突危険度を算出する。

効用値算出部２０は、選好度算出部２４の算出結果（図１１）と、当該危険度算出部２６ａによる遅延時間Ｔｄ後の衝突危険度とを用いて最適な変針角θｒ（および変速率）を算出する。操船指示部２３は、効用値算出部２０の算出結果に基づく避航操船を、前述した遅延時間Ｔｄ後の状況下で行った場合の航路（目標回避航路）５０に乗るように、現時点（ｔ＝０）における自船ＯＳの操船方法を指示する。具体的には、操船指示部２３は、例えば、効用値算出部２０からの遅延時間Ｔｄ後の座標、変針角および変速率を受けて目標回避航路５０や目標速力を設定し、当該目標回避航路５０上の所定の座標や目標速力を自動操縦装置１５へ指示する。

このようにして、目標回避航路５０は、図１６の場合と異なり、操縦性能パラメータ（遅延時間Ｔｄ）を反映して、現時点ではなく遅延時間Ｔｄ後の航路に定められる。そして、この遅延時間Ｔｄの中で、自船ＯＳの実際上の変針に伴う応答性の遅延などが補償される。このため、図２に示されるように、自船ＯＳの実際上の回避回路５１を目標回避航路５０に乗せることができ、その結果、将来的に自船ＯＳは他船ＴＳを効率的に回避することが可能になる。また、図２から分かるように、遅延時間Ｔｄは、自船ＯＳの操縦性能が低いほど（例えば、船舶が大型化するほど）長くなるように予め固定的に定められる。

《避航支援装置（実施の形態１）の動作》
図３は、図１の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。避航支援装置１０は、例えば、図３のフローを所定の制御サイクル毎に繰り返し実行する。図３において、避航支援装置１０は、船舶情報取得部１１から自船情報（針路、速力、位置（座標））と、所定の範囲内に存在する他船情報（針路、速力、位置（座標））とを取得する（ステップＳ１０１）。

次いで、避航支援装置１０は、ステップＳ１０１の情報と、パラメータ保持部２１の遅延時間Ｔｄとに基づき、他船ＴＳおよび自船ＯＳが現進航状態（原針路および原速力）を遅延時間Ｔｄ維持した後の状況を仮定し、当該状況下で避航操船空間の各位置毎の衝突危険度（式（５）のＲ（ｉ，ｊ））を危険度算出部２６ａを用いて算出する（ステップＳ１０２）。続いて、避航支援装置１０は、避航操船空間の各位置毎の選好度（図１１および式（１）のＰｂ（ｉ，ｊ））を選好度算出部２４を用いて算出する（ステップＳ１０３）。

次いで、避航支援装置１０は、ステップＳ１０２で算出された衝突危険度と、ステップＳ１０３で算出された選好度とに基づき、避航操船空間の各位置毎の効用値（式（６）のｕ（ｉ，ｊ））を効用値算出部２０を用いて算出する（ステップＳ１０４）。続いて、避航支援装置１０は、効用値算出部２０の効用値に基づく避航操船を遅延時間Ｔｄ後の状況下で行った場合の航路（目標回避航路）５０に乗るように、操船指示部２３を用いて自船ＯＳの操船方法を指示する（ステップＳ１０５）。

《実施の形態１の主要な効果》
以上、実施の形態１の避航支援装置を用いることで、代表的には、船舶の操縦性能に応じた最適な避航操船方法を自動的に導出することが可能になる。その結果、船舶の自律航行に寄与することが可能になる。さらに、実施の形態１の方式は、主に、遅延時間（Ｔｄ）を導入することで実現できるため、複雑な処理なども特に必要とされず、実装も容易となる。

なお、特許文献２の方式は、実施の形態１の方式のように、現時点での最適な避航操船方法を自動的に導出するために操縦性能パラメータを用いるのではなく、現時点で操縦性能パラメータを用いずに定めた避航操船方法を適用した場合のその後の実際上のリスクを検証するために操縦性能パラメータを用いる。すなわち、実施の形態１の方式は、最初に、現時点ではなく、船舶の操縦性能を加味した所定時間後の状況を仮定し、当該状況下で衝突危険度を算出することで現時点での最適な避航操船方法を自動的に導出すると共に、この所定時間後の状況を適切に仮定するために操縦性能パラメータを用いる。

（実施の形態２）
《避航支援装置周りの概略》
図４は、本発明の実施の形態２による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。図４に示す避航支援装置１０は、図１の構成例と比較して、パラメータ保持部２１の代わりに運動シミュレータ５５が設けられ、これに応じて危険度算出部２６ｂの処理内容が異なっている。運動シミュレータ５５は、図１とは異なるパラメータ保持部５７と、シミュレーション実行部５６とを備える。

パラメータ保持部５７は、自船の操縦性能を表す操縦性能パラメータとして、操縦性指数を保持する。操縦性指数として、代表的には、特許文献１等に示されるように、舵力を表す操縦性指数Ｋと、慣性力を表す操縦性指数Ｔとが挙げられる。シミュレーション実行部５６は、予め定めた所定時間（Ｔｘ）後に到達し得る変針角毎に、到達時の変針角毎の座標をパラメータ保持部５７で保持される操縦性指数を用いて算出する。なお、このような運動シミュレータ５５は、広く知られている操縦性モデル（所謂ＴＫモデル）を用いたシミュレータで実現できる。

危険度算出部２６ｂは、概略的には図１の場合と同様に、操縦性能パラメータを反映して現時点から所定時間（Ｔｘ）後の自船の状況を仮定し、当該状況下で自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、避航操船空間の各位置毎に算出する。より詳細には、危険度算出部２６ｂは、他船が現進航状態を所定時間（Ｔｘ）維持し、かつ自船が所定時間（Ｔｘ）後に運動シミュレータ５５に基づく変針角毎の座標に位置する状況を仮定し、当該状況下で避航操船空間の各位置毎の衝突危険度を算出する。操船指示部２３は、効用値算出部２０の算出結果に基づく避航操船を、対応する所定時間（Ｔｘ）後の状況下で行った場合の航路に乗るように、自船の操船方法を指示する。

《避航支援装置（実施の形態２）の各部の詳細》
図５、図６および図７は、図４における運動シミュレータの処理内容の一例を説明する図である。運動シミュレータ５５は、図５に示されるように、まず、現時点（ｔ＝０および座標（Ｘ，Ｙ）＝（０，０））で自船ＯＳの舵角δを操作し、当該舵角δを維持した状態で、所定時間Ｔｘ後に到達する変針角θと座標（Ｘ，Ｙ）を、舵角δを変えながら計算する。図５の例では、運動シミュレータ５５は、舵角δを５°ずつ変えながら計算を行う。

例えば、現時点から舵角δを５°に維持した場合、所定時間Ｔｘ後に、変針角θは１０°近辺に到達し、座標Ｘは“５０”近辺に、座標Ｙは“６００”近辺にそれぞれ到達する。また、現時点から舵角δを３０°に維持した場合、所定時間Ｔｘ後に、変針角θは６０°近辺に到達し、座標Ｘは“３００”近辺に、座標Ｙは“５００”近辺にそれぞれ到達する。

次いで、運動シミュレータ５５は、図６に示されるように、図５のようにして得られた舵角δと、所定時間Ｔｘ後の変針角θおよび座標（Ｘ，Ｙ）との対応関係をテーブルに纏める。続いて、運動シミュレータ５５は、図６の対応関係に基づき、図７に示されるように、変針角θを変数とする座標Ｘの関数式Ｘ（θ）と、変針角θを変数とする座標Ｙの関数式Ｙ（θ）とを求める。運動シミュレータ５５は、当該関数式Ｘ（θ），Ｙ（θ）に基づき、所定時間Ｔｘ後における任意の変針角θ毎の座標（Ｘ，Ｙ）を算出することが可能になる。

なお、図５〜図７では、右変針時の場合を例に説明を行ったが、同様にして左変針時の場合の関数式Ｘ（θ），Ｙ（θ）も求められる。また、所定時間Ｔｘは、例えば、図５において、６０°の変針角θ（すなわち、避航操船空間の最大の変針角θ）に到達する時間を勘案して予め定められる。

図８は、図４における危険度算出部の処理内容の一例を示す説明図である。図８の例では、自船ＯＳは、現時点（ｔ＝０）において、座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｏ［０］，Ｙｏ［０］）に位置し、Ｙ軸方向に針路を向けているものとする。一方、他船ＴＳは、現時点（ｔ＝０）において、座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｔ［０］，Ｙｔ［０］）に位置し、Ｘ軸方向に針路を向けているものとする。

ここで、危険度算出部２６ｂは、まず、他船ＴＳが現進航状態を所定時間Ｔｘ維持し、かつ自船ＯＳが所定時間Ｔｘ後に運動シミュレータ５５に基づく変針角θ毎の座標（Ｘ，Ｙ）に位置する状況を仮定する。その結果、所定時間Ｔｘ後の他船ＴＳ［Ｔｘ］の座標（Ｘ，Ｙ）は、（Ｘｔ［Ｔｘ］，Ｙｔ［０］）となる。一方、所定時間Ｔｘ後の自船ＯＳ［Ｔｘ］の座標（Ｘ，Ｙ）は、変針角θ毎に異なる。例えば、自船ＯＳ［Ｔｘ］の座標（Ｘ，Ｙ）は、変針角θが３０°の場合には（Ｘｏ３［Ｔｘ］，Ｙｏ３［Ｔｘ］）となり、変針角θが６０°の場合には（Ｘｏ６［Ｔｘ］，Ｙｏ６［Ｔｘ］）となる。

そして、危険度算出部２６ｂは、当該所定時間Ｔｘ後の自船ＯＳ［Ｔｘ］および他船ＴＳ［Ｔｘ］の状況下で、自船ＯＳ［Ｔｘ］が他船ＴＳ［Ｔｘ］に対して避航操船を行った場合の避航操船空間の各位置毎の衝突危険度を算出する。具体例として、例えば、避航操船空間における変針角θが３０°の位置の衝突危険度を算出する場合を想定する。この場合、危険度算出部２６ｂは、自船ＯＳ［Ｔｘ］が座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｏ３［Ｔｘ］，Ｙｏ３［Ｔｘ］）に位置した状態で３０°の変針角θに向けて進航し、他船ＴＳ［Ｔｘ］が座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｔ［Ｔｘ］，Ｙｔ［０］）に位置した状態でＸ軸方向に向けて進航するものとして、図１２に示したような相対座標系を構築する。

同様に、例えば、避航操船空間における変針角θが６０°の位置の衝突危険度を算出する場合を想定する。この場合、危険度算出部２６ｂは、自船ＯＳ［Ｔｘ］が座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｏ６［Ｔｘ］，Ｙｏ６［Ｔｘ］）に位置した状態で６０°の変針角θに向けて進航し、他船ＴＳ［Ｔｘ］が座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｔ［Ｔｘ］，Ｙｔ［０］）に位置した状態でＸ軸方向に向けて進航するものとして、図１２に示したような相対座標系を構築する。

危険度算出部２６ｂは、このようにして構築した相対座標系に基づいて避航操船空間の各位置毎の衝突危険度を算出する。効用値算出部２０は、選好度算出部２４の算出結果（図１１）と、当該危険度算出部２６ｂによる所定時間Ｔｘ後の衝突危険度とを用いて最適な変針角θｒ（および変速率）を算出する。図８の例では、最適な変針角θｒとして３０°が得られたものとする。

操船指示部２３は、効用値算出部２０の算出結果に基づく避航操船（すなわち３０°の右変針）を、対応する所定時間Ｔｘ後の状況（すなわち、自船ＯＳ［Ｔｘ］が座標（Ｘｏ３［Ｔｘ］，Ｙｏ３［Ｔｘ］）に位置する状況）下で行った場合の航路（目標回避航路）６０に乗るように、現時点（ｔ＝０）における自船の操船方法を指示する。具体的には、操船指示部２３は、例えば、効用値算出部２０からの所定時間Ｔｘ後の座標、変針角および変速率を受けて目標回避航路６０や目標速力を設定し、当該目標回避航路６０上の所定の座標や目標速力を自動操縦装置１５へ指示する。

このようにして、目標回避航路６０は、図１６の場合と異なり、操縦性能パラメータ（操縦性指数）に基づく運動シミュレーション結果を反映して、現時点ではなく所定時間Ｔｘ後の航路に定められる。そして、この所定時間Ｔｘの中で、自船ＯＳの実際上の変針に伴う応答性の遅延や位置（座標）ズレなどが補償される。このため、図８に示されるように、自船ＯＳの実際上の回避回路６１を目標回避航路６０に乗せることができ、その結果、将来的に自船ＯＳは他船ＴＳを効率的に回避することが可能になる。

《避航支援装置（実施の形態２）の動作》
図９は、図４の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。避航支援装置１０は、例えば、図９のフローを所定の制御サイクル毎に繰り返し実行する。図９において、避航支援装置１０は、船舶情報取得部１１から自船情報（針路、速力、位置（座標））と、所定の範囲内に存在する他船情報（針路、速力、位置（座標））とを取得する（ステップＳ２０１）。

次いで、避航支援装置１０は、ステップＳ２０１の自船情報に基づき、自船ＯＳが所定時間Ｔｘ後に到達し得る変針角θ毎に、到達時の変針角θ毎の座標（Ｘ，Ｙ）（例えば、図７のＸ（θ），Ｙ（θ））を操縦性指数に基づく運動シミュレータ５５を用いて算出する（ステップＳ２０２）。続いて、避航支援装置１０は、他船ＴＳが現進航状態を所定時間Ｔｘ維持し、かつ自船ＯＳが所定時間Ｔｘ後にステップＳ２０２に基づく変針角θ毎の座標に位置する状況を仮定し、当該状況下で避航操船空間の各位置毎の衝突危険度（式（５）のＲ（ｉ，ｊ））を危険度算出部２６ｂを用いて算出する（ステップＳ２０３）。

次いで、避航支援装置１０は、避航操船空間の各位置毎の選好度（図１１および式（１）のＰｂ（ｉ，ｊ））を選好度算出部２４を用いて算出する（ステップＳ２０４）。続いて、避航支援装置１０は、ステップＳ２０３で算出された衝突危険度と、ステップＳ２０４で算出された選好度とに基づき、避航操船空間の各位置毎の効用値（式（６）のｕ（ｉ，ｊ））を効用値算出部２０を用いて算出する（ステップＳ２０５）。次いで、避航支援装置１０は、効用値算出部２０の効用値に基づく避航操船を、対応する所定時間Ｔｘ後の状況下で行った場合の航路（目標回避航路）６０に乗るように、操船指示部２３を用いて自船の操船方法を指示する（ステップＳ２０６）。

《実施の形態２の主要な効果》
以上、実施の形態２の避航支援装置を用いることで、実施の形態１の場合と同様に、代表的には、船舶の操縦性能に応じた最適な避航操船方法を自動的に導出することが可能になる。その結果、船舶の自律航行に寄与することが可能になる。さらに、実施の形態１の方式と比較して、より妥当性が高い避航操船方法を導出することが可能になる。

具体的に説明すると、例えば、図２では、自船ＯＳが、現時点（ｔ＝０）から遅延時間Ｔｄ後に座標（Ｘｏ［０］，Ｙｏ［Ｔｄ］）を経由して目標回避航路５０上の所定の座標に向かう前提で最適な避航操船方法が導出される。ただし、自船ＯＳがこのような航路で目標回避航路５０上の所定の座標に到達するまでの時間と、実際上の回避航路５１に乗って目標回避航路５０上の所定の座標に到達するまでの時間との間には誤差が生じ得る。この時間的誤差によって、導出された避航操船方法の妥当性が低下する恐れがある。図８の方式を用いると、このような時間的誤差が生じないように避航操船方法を導出することが可能になる。

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、本発明は前記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。

例えば、選好度、衝突危険度、効用値を算出する各式は、必ずしも、前述した各式に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で、適宜、変更されてもよい。

１０ 避航支援装置
１１ 船舶情報取得部
１３ 結果表示装置
１４ 電子海図
１５ 自動操縦装置
２０ 効用値算出部
２１ パラメータ保持部
２２ 航路設定部
２３ 操船指示部
２４ 選好度算出部
２６ａ，２６ｂ 危険度算出部
３０ ＡＩＳ
３１ レーダ
３２ カメラ
３５ 方位センサ
３６ 速度センサ
３７ ＧＰＳ
４０ バンパー領域
４１，４２ リスク関数
４３ 相対針路
５０，６０，７０ 目標回避航路
５１，６１ 実際上の回避航路
５５ 運動シミュレータ
５６ シミュレーション実行部
５７ パラメータ保持部
ＯＳ 自船
ＴＳ 他船

Claims (2)

1. 変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間を避航操船空間として、前記避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する選好度算出部と、
   自船の操縦性能を表す操縦性能パラメータを反映して現時点から所定時間後の前記自船の状況を仮定し、当該状況下で前記自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、前記避航操船空間の各位置毎に算出する危険度算出部と、
   前記避航操船空間の各位置毎に、前記選好度から前記衝突危険度を減算することで効用値を算出する効用値算出部と、
   前記効用値算出部の算出結果に基づく避航操船を前記所定時間後の状況下で行った場合の航路に乗るように、前記自船の操船方法を指示する操船指示部と、
   を有し、
   前記操縦性能パラメータは、操縦性指数であり、
   さらに、前記所定時間後に到達し得る前記変針角毎に、到達時の前記変針角毎の座標を前記操縦性指数を用いて算出する運動シミュレータを有し、
   前記危険度算出部は、前記他船が現進航状態を前記所定時間維持し、かつ前記自船が前記所定時間後に前記運動シミュレータに基づく前記変針角毎の前記座標に位置する状況を仮定し、当該状況下で前記避航操船空間の各位置毎の前記衝突危険度を算出し、
   前記操船指示部は、前記効用値算出部の算出結果に基づく避航操船を、対応する前記所定時間後の状況下で行った場合の航路に乗るように、前記自船の前記操船方法を指示する、
   避航支援装置。
2. 請求項１記載の避航支援装置において、
   前記運動シミュレータは、前記自船の舵角を維持した状態で、前記所定時間後に到達する前記変針角と前記座標を前記舵角を変えながら計算することで、前記変針角毎の前記座標を算出する、
   避航支援装置。
   

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