JP2006219114A - 液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＲＴ内の液動情報とＡＲＴコントロール部の情報とを比較し、さらに、必要に応じて乗員が双方の情報を目視することを可能とし、誤操作の防止を図る。
【解決手段】ＡＲＴ制御を自動的に成し得る構成に、液動情報をＡＲＴ制御に組み込んだＡＲＴコントロール部を構築する。 タンク内の液動を検知する液動検知部と、検知部から出力される液動情報を解読する情報処理部と、その情報を開示する表示器と、必要に応じて警報を出す手段と、その情報をＡＲＴコントロ−ル部へ送信する手段と、これらの情報を乗員が目視可能な液動監視装置を追加する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、Ｕ字管型の受動型減揺水槽（以下、ＡＲＴとも言う）に係わり、ＡＲＴ内の液動状況と、動揺計等により得られる船の動揺状況をコンピュータで対比させ、更に乗員の目視による監視手段を施し、ＡＲＴの誤操作を防止する液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置に関する。

液体が高い方から低い方へ流れる自然の法則を利用した船舶の横揺れを軽減するＡＲＴは、船の横揺周期とＡＲＴ固有周期（タンクの幾何学的形状と水位によって定まる液体移動周期）が等しいとき、船の横揺れに伴ってＡＲＴ内の液体は共振を行い、横揺れに対し約９０度の位相遅れを生じ高い減揺効果が得られる。 しかし、高効率が得られる周期範囲は狭く、計画したＡＲＴ固有周期から船の横揺周期が±約１秒以上外れると効果は極減し、場合によってはＡＲＴに遊動水が発生し、逆に横揺角を増長するなどの欠点を有することが知られている。 このため、船の周期や液体の周期などを基に、液体の制動や液体通路内の断面積を可変するダンパ等を用いた手段及び、その制御方法などを課題とした多くの発明がなされている。

特公昭４９−００２７４９号公報 特開昭６１−０３６０８９号公報 特許第１７０３２１７号公報 特開平０４−１７６７９０号公報 特開平０６−０４０３８１号公報 特許第３０４８８６５号公報 特許第３３７７７８２号公報 特開２００１−２９５９９８号公報

ＡＲＴを制御するには、横揺周期を正確に把握することが必須の条件である。そして、制御の基準となる周期としては、次のものがある。
（ａ）船体横揺周期を使用するもの。
（ｂ）液体の周期や流速、液面位置を使用するもの。
（ｃ）前記の（ａ）と（ｂ）を使用するもの。
例としての先行技術文献は、特公昭４９−００２７４９号公報（以下、特許文献１という）、特開昭６１−０３６０８９号公報（以下、特許文献２という）、特許第１７０３２１７号公報（以下、特許文献３という）、特開平０４−１７６７９０号公報（以下、特許文献４という）、特開平０６−０４０３８１号公報（以下、特許文献５という）等がある
特許文献１は、液体の周期と液面位置を使用するもので、「水槽内部に液体の動揺周期を検出する装置と、液面を検出する装置と、動揺周期をあらかじめ設定された値と比較する装置などからなる」手段が記載されている。（特許請求範囲）
特許文献２は、船体の固有周期と液体周期を使用するもので、「舷側タンクの水の高さから船体の揺れ方向などを検出する検出器が設置され、この検出器の検出出力が制御装置に加えられるようになっている」旨の構成手段が記載されている。（２頁、右下欄、下から第１２行〜第１５行及び第１図）
特許文献３は、液体流速と船体傾斜角のそれぞれが０の時を基準とし制御しようとするもので、「ウォ−タダクト内に設置された流速検出器によって検出され、その流速検出信号は、制御バルブの開閉時間を制御する開閉制御装置に加えられる。 また、船体の傾斜角度は船体に取り付けられた傾斜検出器によって検出され、その検出信号は開閉制御装置に加えられる」（２頁、右下欄下から第６行） 特許文献４は、船体横揺周期を使用するもで、「船体の傾斜を検知する傾斜計と重心位置の近傍に船体のローリング時の傾斜を検出する傾斜センサーと、液流ダクト内部に流速センサーが取り付けてある。（図４の説明）
特許文献５は、船体横揺周期と液体周期を使用するもので、「船体の傾斜を検出する傾斜計とダクト内に設けた流速計と該両者の検出情報より両者の位相差を検出する演算回路と、該結果に基づいて弁の開閉を行う制御回路とから構成されている。」（段落「０００９」）
尚、特許文献２及至５は、同一出願人による関連技術の改良発明によるもので技術的思想は類似していると思料する。

また、船の平均横揺周期を把握してＡＲＴを制御するものには、特許第３０４８８６５号公報（以下、特許文献６という）、特許第３３７７７８２号公報（以下、特許文献７いう）等が実用化されている。
特許文献６は、船の平均横揺周期を基に最適な液体の位相遅れを得る制御グループを設定し制御する方法である。
特許文献７は、特許文献６の改良で、船速、舵角指令、風向風速などの情報を加味し、ＡＲＴの宿命的な欠点を解消する総合的な制御方法である。 尚、特許文献６、７の発明者は本願発明者と同一人物である。

また、本願発明とは異なる技術分野であるが、超音波式の液面計に関するものには、特開２００１−２９５９９８号公報（以下、特許文献８という）等がある。
特許文献８は、超音波センサー、超音波導波管、演算装置などからなる「超音波式液面計付き耐圧ガスボンベ」である。（請求項１） この文献は、本願発明の液動センサー部と同じような構成をしているが、単に液面を計測しているに過ぎず、液体周期などを検知する手段などは開示していない。

ＡＲＴの自動制御は、液体の制動を目的とする空気ダクトの閉鎖装置（以下、バルブともいう）や液体周期を可変するダンパ（以下、単にダンパという）の開閉から、例えば、非作動（ＣＡＳＥ−１ａ、１ｂ）と、作動（ＣＡＳＥ−２）と、作動（ＣＡＳＥ−３）の制御グループが設定できる。 そして、その時の船の平均周期に適した制御グループが選択される。（特許文献６の段落「００１４」） 当然のことであるがバルブやダンパの開閉状況はリミットスイッチなどを介してコントロール部で検知・把握している。

本願発明のきっかけは、図６に示すような損傷事故の発生である。 その事故は、ダンパ軸がその駆動装置より下側（タンク内）で切断されたが、駆動装置部の開閉装置とリミットスイッチには損傷なく指令通り動作していたので、ＡＲＴコントロール部では制御的には正常であると判断していた。 しかし乍、実際にはダンパの開閉が伴わないため、逆に横揺れを増長させ荷崩れ事故を誘起させた。

船舶及びその関連機器は、想定される外力に対し十分な強度対策を施しており前記のような不具合が生じること自体を想定しておらず、先行技術文献の何れにも液動状況を表示する手段と、その液動からタンク内の不具合を監視する具体的な開示はない。

このような状況から、大傾斜による荷崩れなどが生じた時、液体がその動揺に対し追従していたか否か、あるいはバルブやダンパは正常に動作していたのか否か、また、前述のダンパ軸の破損などを把握する手段もなく、現場に従事する乗員としてはＡＲＴを使用することが不安である、旨の苦情が出るようになってきた。

本願発明は、上記のような事情に鑑み、液動を検知する手段を施し、液動状況と船の横揺状況などの情報をＡＲＴコントロール部で対比させると共に、その状況を液晶表示装置などで目視できるように表示させ、乗員も必要に応じて目視確認することで誤操作防止を可能とする液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置の提供を目的とする。 尚、本願発明は、特許文献６、７の改良発明であり、その発明者は本願発明者と同一人物である。

このような目的を達成するためのＡＲＴの基本的な構成自体は、図５に示すように、「船体の両舷に設定した一対のウイングタンク」と、「液体通路およびダンパ」と、「液体の制動を目的とするバルブを介した空気ダクト」と、図示していないが注排水管、空気抜き管など水槽として必要な艤装を施す。
ＡＲＴの各機器は遠隔制御を可能とし、動揺計、さらに液動監視装置とを具備した液体の移動または停止、或いは減揺水槽固有周期の可変操作を自動的に成し得る減揺水槽を構成する。 そして、前記の構成に、タンク内の液動を検知する液動検知部と、検知部から出力される液動情報を解読する情報処理部と、その情報を開示する表示器と、必要に応じて警報を出す手段と、その情報をＡＲＴコントロ−ル部へ送信する手段からなる液動監視装置を追加する。

本願発明によれば、実行している制御グループ（ダンパ開閉の開閉の状態）によって得られる液体固有周期と、実際の液動周期、そして船体周期などを表示器などにて目視で確認できるため、
（１）実行している制御グループに合致したＡＲＴの液動が正常かを容易に把握できる。
（２）実行している制御グループが、船体周期に合致しているか否かをＡＲＴの液動状況から容易に把握できる。
（３）液動状況から、ＡＲＴコントロール部で制御しているバルブやダンパの開閉異常状況の不具合の有無などを監視することが可能となる。
（４）検出した平均液面の状況から、ＡＲＴ内の水漏れを把握できる。
（５）前述の状況から、場合によってはブザーや音声などで警報を発し、乗員による手動操作にての応急操作が可能となる。
これらから、目に見えないタンク内の損傷や不具合の発生を液動状況から把握する監視体制の強化によって、自動制御による誤操作の防止が可能となり、安全航海の担保と、乗員のＡＲＴに関する不安を解消することが可能となる。

以下、本願発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は、本願発明の液動監視装置に係わる実施形態を示したシステムブロック図である。
図５は、本願発明に係わる減揺装置の概略構成を示した図である。
本願発明に於けるＡＲＴ本体は、図５に示すように、
船体の両舷に設定した一対の少なくとも２つのウイングタンク（３ａ，３ｂ）と、これらウイングタンクの底部に液体を左右方向へ移動させる液体通路（２）で連結すると共に、前記のウイングタンク上部に液体の制動を目的としたバルブ（５）等の手段を介して連通させる空気ダクト（４）と、液体通路内に減揺水槽の固有周期の可変を目的としたダンパ（６）等の手段を設け、図示していないが、船の横揺角を検知し、その値を以て横揺れの単周期や平均横揺周期を演算し、更に制御信号等を出力するＡＲＴコントロール部と、バルブやダンパを駆動させる開閉機器装置部と、ＡＲＴ操作盤とを具備した、液体の移動または停止、或いは減揺水槽固有周期の可変操作を自動的に成し得る減揺水槽を構成する。

そして、図１に示すように前記の構成に、液動センサー（８ａ）（８ｂ）と、液体導入管（９ａ）（９ｂ）と、信号増幅部（アンプ）（１３）とを追加する。液動センサー（８ａ）（８ｂ）、液体導入管（９ａ）（９ｂ）及び信号増幅部（アンプ）（１３）は、タンク内の液動を検知する液動検知部（１１）を構成する。さらに、検知部から出力される液動情報を解読する情報処理部（１２）と、その情報を開示する表示器（１８）と、必要に応じて警報を出す手段（１６）と、その情報をＡＲＴコントロ−ル部へ送信する手段（１７）からなる液動監視装置（１０）を追加する。

そして、ＡＲＴコントロ−ル部の情報と液動監視装置の情報とを比較させる。 更に、必要に応じて乗員による液動状況を監視装置で目視して人為的に判断を加え、自動制御による誤操作の防止を図る。

尚、本願発明は、その時々の船の平均横揺周期に対し、液動が正常であるか否かを把握する手段と、また、液動情報を表示器などで乗員が目視できる監視手段を提供するものであるから、ＡＲＴの減揺を得る構成と、各機器の制御方法は本願発明に於て直接関係ないものである。 従って、ＡＲＴ本来の自動制御手段や制御方法は、特許文献６及び７を利用するものとして詳細な説明は省略する。

ＡＲＴコントロ−ル部は、演算解読回路と制御回路と制御実行回路と情報処理回路など構成し、動揺計などにより船の動揺状況を時系列的に計測した情報や液動監視装置からの情報をコンピュ−タ−処理で動揺角や周期値などを求める。

液動監視装置（１０）は、液動検知部（１１）から出力される液動情報を受信、解読する情報処理部（１２）と、解読された情報を表示する表示部（１８）などからなり、その情報はＡＲＴコントロ−ル部（２１）へ送信され、ＡＲＴの情報処理回路で把握し、制御回路で確認すると共に、その情報はＩＣメモリ−にて保存する。 尚、ＡＲＴコントロ−ル部に表示手段があれば、これを流用しても差し支えない。

液動検知部（１１）は、液動センサー（８ａ）（８ｂ）と、検知する液体の上下動を容易にする液体導入管（９ａ）（９ｂ）からなる。
図７は、液体導入管（９ａ）（９ｂ）の形状と設置の位置関係を示すタンクの横断面図を示す。図８は、図７のＡ−Ａ縦断面を示す。図９は、液体導入管（９ａ）（９ｂ）の下端部形状とビルジハット（水溜箱）（２３ａ）（２３ｂ）の概要を示す図である。
液体導入管（９ａ）（９ｂ）はその下端部を開放とし、タンク底板より下方になるように施されたビルジハット（水溜箱）（２３ａ）（２３ｂ）内に適当な隙間を有して挿入する。 また、液体導入管（９ａ）（９ｂ）内部は大気圧と同圧になるよう液体導入管（９ａ）（９ｂ）の上部付近に枝状の空気抜き管（図示せず）を設け大気へ開放する。 そして、液動センサー（８ａ）（８ｂ）は液体導入管（９ａ）（９ｂ）の枝状の空気抜き管より頂部付近に設ける。

本願実施例では、液動検知部は、左右舷に各１組を施し、左舷器を第１検知部、右舷器を第２検知部とする。
液動の検知部（１１）は、１組の液動検知部を施せばある程度の目的を達成することができるが、精度を上げるには左右舷に少なくとも各１組を施す方が好ましく、その設置数を束縛するものではない。

本願発明が対象とする船舶の大きさは、総トン数約５００〜１５，０００トンクラスであり、ＡＲＴ内の移動液量は約１０〜１００トン位で、その流速は約２〜５ｍ／秒位となり、しかも一揺れの１／２毎に反転する。 このような液動状態では、検出体が移動するフロート式の液面計は対応できないとの液面計メーカーの助言により、液動センサーは、超音波あるいは電波を発信し、液面からの反射波を受信するまでの所要時間を検知、演算するタイプのものを前提とする。
このタイプのものは、発信から受信までの所用時間を１動作として、そのときの液面位置を算出するため、ある一定間隔の周期で測定動作が行われる。 例えば、あるメーカーの測定周期間隔は１秒が標準であるという。 当然のことながら、測定周期の間隔は短ければ短い程、精度の高い情報が得られる。

本願発明が対象とする船舶は前述のとおりで、その横揺周期は約６〜３０秒位である。 仮に、約６秒の横揺れ時に、測定周期の間隔が１秒とすると次の測定までの情報が空白となり、空白時に液動がピーク状態となる可能性も否定できず正確な情報は得られないと思わなければならない。 そこで、本願実施例では、第１液動センサーの発信時と第２液動センサーの発信時のタイミングを時間的にずらして交互に測定する。

第１液動センサーの発信時と第２液動センサーの発信時の時間的なずれは、メーカーが提供できる測定周期間隔の１／２秒とする。 例えば、測定周期の間隔が１秒とすると、第１液動センサーの発信から０．５秒遅れて第２液動センサーの発信がなされる。 また、仮に測定周期の間隔が０．６秒の場合は第１液動センサーの発信から０．３秒遅れて第２液動センサーの発信がなされる。

ＡＲＴの作動原理は、液体の移動が船の横揺れに対し約９０度の位相遅れを生じたときに高い減揺効果が得られるものであるから、間近の横揺周期の状況を把握すれば良く、長時間の横揺れ平均値は実用に合わない。 従って、ＡＲＴ制御に用いる周期は、２回から５回位の単周期を平均するものとし、常に新しい値を算入し古い値を除去する移動平均方式を採用する。 当然のことながら液動についても、前述の船の平均周期と同じ条件で算出するものとする。 尚、周期や角度の算出手段は、一般的に使用されているＦＦＴ（高速フーリエ解析）によるものとするが、目的を達成し得る計算手法があれば、その計算手法を束縛するものではない。

船体の動揺状況は、動揺計から得られる情報をそのままリアルタイムで表示可能であるが、液動状況は使用する測定器の測定周期間隔という空白域を有するため、そのままではリアルタイムで表示できない。
そこで、左右舷に設けた液体導入管内の液面の上下位置は、相対的に±逆ではあるがその絶対値はほぼ同じであることに着目し、船体水平時の液面高さを基準として、図２に示すような方法にてサインカーブ波形に変換させ、その値に基づく液動を次のような手段にて表示をする。

具体的に説明をする。 図２は、左舷器の第１検知部の測定状態を示したもので、測定開始時の液面を０として、１秒後の値Ｐ１、その１秒後の値Ｐ２を時系列的に計測しサインカーブ波形に変換させたものである。
図３は、右舷器の第２検知部の測定状態を示したもので、左舷器の第１検知部の測定開始時のより０．５秒遅れて測定させ、１秒後の値Ｓ１、その１秒後の値Ｓ２を時系列的に計測しサインカーブ波形に変換させたものである。
図４は、第１検出部と第２検知部の絶対値を双方の空白域へ挿入してサインカーブ波形に変換させたものである。
このような手法を取り入れることで、お互いの計測空白域を補い液動状況をリアルタイムに表示することが可能である。

液動監視装置は液動検知部、信号増幅部、演算処理部、表示部、通信処理部から構成され、その用途目的によってさらに下記のグレードに分かれる。
（１）簡易型表示の場合は、液動検知部、信号増幅部、表示部などからなる。
表示部は、図１０に示すように、LED表示で、液面レベルはLEDによるバー表示、傾斜角は７セグメントLEDによる数値表示と、警報出力機能(ブザー)を有する。
（２）標準型の場合は、液動検知部、信号増幅部、表示部、通信処理部などからなる。 表示機能は簡易型と同等で、演算処理はARTの制御部を利用するタイプである。
（３）高機能型の場合は、液動検知部、信号増幅部、演算処理部、表示部、通信処理部などからなる。 表示部は、図１１に示すように、グラフィックパネルを搭載し、液面の変化およびART(船)の傾斜状況などをCGにより、リアルタイムで表示する。 また、必要に応じてデーターロガー機能も備える。
尚、表示器は、費用対効果の点から選択すればよく束縛するものではない。

また、何らかの理由により船体が定常傾斜をしている場合は、船体中心からの液体導入管の左右設置の距離が解っているので、動揺計より得られるヒール角と、液動による情報を比較解析することで容易に補正計算は可能である。

液動角がその時の船体横揺角と同等か、それ以上ある場合と、その時に明確な液動周期が得られている場合は、予め設定した横揺角より小さくてもＡＲＴを作動させる信号を出力する。

また、左右液面高さの平均値と予め設定した数値とを監視することで、何らかの要因による水漏れを検知することが可能である。

その他の船体短周期、移動平均周期、船体傾斜角、船体平均傾斜角、液体短周期、液体平均周期、左右単体の液体上下高さ、平均液面高さなど数値的な表示可能とする。

ＡＲＴ本来の自動制御手段や制御方法は、既に実用化された特許文献６及び７を利用するもので、これに、本願発明の液動情報を加味して使用する。
船体動揺と液動状況を監視することで、誤操作の防止が可能となり、その誤操作が生じる要因をいち早く把握することができるという、従来技術にない優れた作用効果を有しており、産業上の利用可能性は高い。

本願発明の液動監視装置に係わるの実施形態を示したシステムブロック図である。 左舷器の第一液動センサーより得られる液面値を時系列にプロットしてサイン曲線に表した左舷の状態の図である。 液動センサーより得られる液面値を時系列にプロットしてサイン曲線に表した右舷の状態の図である。 図２と図３を合成した図である。 本願発明に係わる減揺装置の概略構成を示した図である。 図５に於けるダンパ軸切断損傷例を示す拡大図である。 液体導入管の形状と設置の位置関係を示すタンクの横断面図である。 図７の縦断面を示す図である。 液体導入管の下端部形状とビルジハット（水溜箱）の概要を示す図である。 液動状況の一部を表示させる図である。 液動状況の一部を表示させる図である。

符号の説明

１・・・ＡＲＴ本体（Ｕ字管型減揺水槽本体）、 ２・・・液体通路
３ａ，３ｂ・・・ウィングタンク、 ４・・・空気ダクト
５・・・空気ダクト付き閉鎖装置（バルブ）、
６・・・周期可変用ダンパ（ダンパ）、 ７・・・ダンパ開閉装置
８ａ，８ｂ・・・液動センサー（レベルセンサー）
９ａ，９ｂ・・・液体導入管、 １０・・・液動監視装置
１１・・・液動検知部、 １２・・・情報処理部
１３・・・信号増幅部（アンプ）、 １４・・・Ａ／Ｄ変換
１５・・・演算解読・情報処理回回路、 １６・・・警報回路
１７・・・情報外部出力回路、 １８・・・液動情報表示部
１９・・・ＡＲＴ操作盤 ２０・・・開閉機器装置部
２１・・・ＡＲＴコントロール部
２２・・・ＡＲＴ制御情報表示部
２３ａ，２３ｂ・・・ビルジハット（水溜箱）、 ｗ・・・液体

Claims (4)

1. 船体の両舷に設定した一対の少なくとも２つのウイングタンク（２ａ，３ｂ）と、これらウイングタンクの底部に液体を左右方向へ移動させる液体通路（２）で連結すると共に、前記のウイングタンク上部に液体の制動を目的としたバルブ（５）等の手段を介して連通させる空気ダクト（４）と、液体通路内に減揺水槽の固有周期の可変を目的としたダンパ（６）等の手段を設け、更に、船の横揺角を検知し、その値を以て横揺れの単周期や平均横揺周期を演算し、更に制御信号等を出力するＡＲＴコントロール部（２１）と、バルブやダンパを駆動させる開閉機器装置部（２０）と、ＡＲＴ操作盤（１９）とを具備した、液体（ｗ）の移動または停止、或いは減揺水槽の固有周期可変操作を自動的に成し得る減揺水槽において、
   前記ウイングタンク内の液動を検知する液動検知部（１１）と、
   前記液動検知部から出力される液動情報を解読する情報処理部（１２）と、その情報を開示する表示器（１８）と、必要に応じて警報を出す警報回路（１６）と、その情報をＡＲＴコントロ−ル部などへ送信する情報外部出力回路（１７）とを含む液動監視装置（１０）と、を備えることを特徴とする液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置。
2. 液動検知部（１１）は、液動センサー（８ａ）（８ｂ）と、検知する液体の上下動を容易にするために略垂直に設けられた液体導入管（９ａ）（９ｂ）とを含み、
   前記液体導入管（９ａ）（９ｂ）はその下端部を開放とし、当該下端部は前記ウイングタンクの底板より下方になるように施されたビルジハット（水溜箱）（２３ａ）（２３ｂ）内に挿入され、前記液動センサー（８ａ）（８ｂ）は前記液体導入管（９ａ）（９ｂ）の頂部付近に設けられることを特徴とする請求項１記載の液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置。
3. 前記液動検知部を一対の前記ウイングタンクそれぞれに設け、それらを第１検知部と第２検知部とし、
   前記第１検知部と前記第２検知部の測定周期間隔をＴとしたとき、前記第１検知部の測定タイミングと前記第２検知部の測定タイミングは前記測定周期間隔の半分Ｔ／２だけずれていて、
   前記情報処理部（１２）は、前記第１検知部による測定値Ｐ１、Ｐ２、・・・の間に前記第２検知部による測定値Ｓ１，Ｓ２、・・・を挿入し、これら測定値Ｓ１，Ｐ１，Ｓ２，Ｐ２，・・・をサインカーブ波形に変換することにより前記液動情報を解読する、ことを特徴とする請求項１記載の液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置。
4. 少なくとも船体の定常傾斜を測定する動揺計を備え、
   前記情報処理部（１２）は、前記動揺計より得られたヒール角と前記液動検知部（１１）の取り付け位置に基づき前記液動情報を補正することを特徴とする請求項１記載の液動監視装置付き船舶の動揺軽減装置。
   

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