JP2004338580A - 個別波予測・警報システム - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】個別波予測・警報システムを構成する個別波予測・警報装置は、レーダーのレーダー画像信号および操船装置の操船情報等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る。個別波予測・警報装置は、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る。個別波予測・警報装置は更に、個別波予測手段が予測した波浪と、所定時間後の船舶等の位置及び方向とに基づき、個別波との遭遇を危険判定手段により予測する。危険判定手段は、所定時間後に遭遇する個別波に対する船体挙動等を推定し、船舶等の安全又は危険を判断する。
【選択図】 図１
【解決手段】個別波予測・警報システムを構成する個別波予測・警報装置は、レーダーのレーダー画像信号および操船装置の操船情報等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る。個別波予測・警報装置は、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る。個別波予測・警報装置は更に、個別波予測手段が予測した波浪と、所定時間後の船舶等の位置及び方向とに基づき、個別波との遭遇を危険判定手段により予測する。危険判定手段は、所定時間後に遭遇する個別波に対する船体挙動等を推定し、船舶等の安全又は危険を判断する。
【選択図】 図１
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×ＳＲＢ）。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。）
ωｊ：周波数（ｒａｄ／ｓｅｃ）
ｔ ：時刻（ｓｅｃ）
ｋｊ：波数（ｒａｄ／ｍ）
ｘ ：ｘ座標（ｍ）
ｙ ：ｙ座標（ｍ）
Θｋ：素成波の進行方向（ｒａｄ）
εｊｋ：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
Ａｊｋ：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、ｋｘ 、ｋｙは、以下のとおりである。
ｋｘ：ｘ方向の波数＝ｋｃｏｓΘ
ｋｙ：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×ＳＲＢ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体位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
【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×ＳＲＢ）。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】
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。）
ωｊ：周波数（ｒａｄ／ｓｅｃ）
ｔ ：時刻（ｓｅｃ）
ｋｊ：波数（ｒａｄ／ｍ）
ｘ ：ｘ座標（ｍ）
ｙ ：ｙ座標（ｍ）
Θｋ：素成波の進行方向（ｒａｄ）
εｊｋ：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
Ａｊｋ：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】
ｋｘ：ｘ方向の波数＝ｋｃｏｓΘ
ｋｙ：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×ＳＲＢ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体位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
Claims (10)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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