JP2008224556A - 津波・波浪観測設備 - Google Patents

Abstract

【課題】海底に係留された係留ブイの係留索が伸長限にあっても、波の入射波高を正確に計測することができる。
【解決手段】海底に固定された第１係留索１３を介して所定海域に係留された第１係留ブイ１４と、第１係留ブイ１４に第２係留索１５を介して係留された第２係留ブイ１６とを具備し、第２係留ブイ１６に当該第２係留ブイ１６の変位を検出可能な海面変位検出部４２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、一端が海底に固定された係留索により所定海域に係留された係留ブイを使用して、波浪や津波の観測を行う津波・波浪観測設備に関する。

たとえば、図１１（ａ）に示すように、海底に設置されたアンカー２や沈錘３に連結された係留索４により、観測用ブイ１が所定海域に係留されるものが、たとえば特許文献１，２などに開示されている。
特開平８−１１０２２６号公報 特開２００２−１３９２３号公報

図１１（ｃ）に示すように、海面に浮かぶ浮体Ｍの動揺は、前後方向の直線動揺（surge：入射波の進行方向に沿うｘ軸方向の揺れ）、上下方向の直線動揺（heave:鉛直方向に沿うｚ軸方向の揺れ）、左右方向の旋回動揺（pitch:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するｙ軸周りの旋回揺れ）、左右方向の直線動揺（sway:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するｙ軸方向の揺れ）、前後方向の旋回動揺（roll:入射波の進行方向に沿うｘ軸周りの旋回揺れ）、周方向の旋回動揺（yaw:鉛直方向のｚ軸周りの旋回揺れ）からなる複雑な連成運動と見ることができる。

波の計測では、図１１（ｂ）に示すように、観測用ブイ１で計測された上下方向の直線動揺［以下、直線動揺(heave)という］の計測値ηを、左右方向の旋回動揺［以下、旋回動揺(pitch)という］と前後方向の旋回動揺［以下、旋回動揺（roll）という］の計測値により補正して入射波高Ｈを求めている。

図１１（ａ）に示すように、係留索４が弛んでいる場合には、観測用ブイ１は自由に浮かぶ状態で、入射波により観測用ブイ１が直線動揺(heave)する場合にも、旋回動揺(pitch,roll）する場合にも、大きな影響が無く、波や津波の計測に問題がない。

しかし、図１１（ｂ）に示すように、波漂流力（潮流や風、波浪および浮体の動特性などを要因として生じる力）により観測用ブイ１が押し流されて係留索４の伸長限となると、係留索４により観測用ブイ１が引っ張られてその動揺が抑制される。すなわち、係留索４の張力Ｆの鉛直方向の成分Ｆｖが、観測用ブイ１の直線動揺(heave)に作用するとともに、張力Ｆの水平方向の成分Ｆｈが観測用ブイ１の旋回動揺（roll,pitch）に作用する。これにより、正確な入射波高Ｈを計測できないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、海底に係留された係留索が伸長限にあっても、係留ブイにより入射波高を正確に計測することができる津波・波浪観測設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、係留ブイにより津波および／または波浪を計測するとともに当該係留ブイから計測されたデータを地上基地局に送信する津波・波浪観測設備であって、前記係留ブイを、海底に固定された第１係留索を介して所定海域に係留された第１係留ブイと、当該第１係留ブイに第２係留索を介して係留された第２係留ブイとで構成し、第２係留ブイに当該第２係留ブイの変位を検出可能な海面変位検出部を設けたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、第１係留ブイに、当該第１係留ブイが潮流に対して一定方向を向く方向制御部材を設けるとともに、第２係留索の基端部を周方向に沿って旋回移動自在に支持する索体支持装置を設けたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、第２係留索の長さを、所定海域の有義波長の１／４倍以上で１／２倍以下としたものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成において、海面変位検出部に、第２係留ブイの高度測位値を検出するＧＰＳ受信機を設けるとともに、第２係留ブイの重心位置に、第２係留ブイのロール角とピッチ角とを検出する傾斜検出手段を設け、第１係留ブイに、海面変位検出部のデータと傾斜検出手段のデータとを受信するとともに、地上基地局にデータを送信する観測装置を設け、地上基地局または前記観測装置あるいは第２係留ブイに、ＧＰＳ受信機により計測された高度測位値、またはこれら高度測位値により求められた第２係留ブイの変位量を、傾斜検出手段により検出されたロール角およびピッチ角と、前記重心位置に対するＧＰＳ受信機の座標位置とに基づいて補正し、入射波高を求める演算部を設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、第２係留ブイは第２係留索を介して第１係留ブイに係留され、第２係留索の張力が大きくなる伸長限では、第２係留索の傾斜角は入射波高と第２係留索の長さによって変動するが、第２係留索の最大傾斜角が小さいため、伸長限の第１係留索の張力の鉛直方向の成分に比較して、第２係留索の張力の鉛直方向の成分が極めて小さくなり、第２係留ブイの直線動揺(heave)への影響をほとんど無くすことができる。これにより、第２係留ブイに設けられた海面変位検出部で入射波高を正確に計測することができる。

請求項２記載の発明によれば、方向制御部材により潮流の進行方向に一定方向を向く対潮流姿勢の第１係留ブイに対して、波漂流力により第２係留ブイが異なる方向に流されて第１係留ブイの周りを旋回するようなことがあっても、索体支持装置により第２係留索の基端部が第１係留ブイの周囲を旋回移動自在に支持されるので、第２係留索が第１係留ブイに巻き付いたり、絡まることがない。これにより、第２係留ブイの海面変位検出部により入射波高を正確に計測することができる。

請求項３記載の発明によれば、第２係留索の長さを有義波長の１／４以上とすることにより、第２係留ブイが第１係留ブイに接触するのを防止することができ、第２係留索の長さを有義波の波長の１／２以下とすることにより、第２係留索のコストを削減することができる。

請求項４記載の発明によれば、演算部により、ＧＰＳ受信機により計測される高度測位値、または高度測位値から得られた第２係留ブイの変位量を、重心位置に設置された傾斜検出手段により検出されたロール角［旋回動揺(roll)角］およびピッチ角［旋回動揺(pitch)角］と、前記重心位置に対するＧＰＳ受信機の座標位置とに基づいて補正し、入射波高を求めるので、旋回動揺(roll,pitch)により傾斜する第２係留ブイに設置されたＧＰＳ受信機により、入射波高を高精度で計測することができる。

以下、本発明に係る津波・波浪観測設備の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１および図３に示すように、この津波・波浪観測設備は、海底のアンカー１１および／または沈錘１２に連結された第１係留索１３により、所定の海域に係留された第１係留ブイ１４と、この第１係留ブイ１４に第２係留索１５を介して係留された第２係留ブイ１６と、この第２係留ブイ１６に設けられて入射波高を計測する海面変位検出部４２と、海面変位検出部４２で計測された計測データを受信する地上基地局５１とを具備している。

また図示していないが、第１係留ブイ１４に、風向、風速、気温、気圧などの気象観測データを取得する計測器を具備し、これら気象観測データも、前記計測データと共に地上基地局５１に送信している。

第１係留ブイ１４は、縦向きに浮遊する円柱状の第１ブイ本体２１に、その底部軸心から転倒防止用のバラストを有する尾筒２２が垂下され、尾筒２２の下端部に設けられた係留環２３に第１係留索１３の他端が連結されている。また第１ブイ本体２１には観測室２５が設けられ、この観測室２５に、海面変位検出部４２で計測された計測データを受信する受信機２４ａと、計測データを地上基地局５１に送信する送信機２４ｂが設けられている。そして、観測室２５の上部に送信機２４ｂから計測データを地上基地局５１に送信するためのアンテナ２６が設けられている。さらに尾筒２２の上部に、左右一対の方向制御用フイン（方向制御部材）２７が対称位置に取り付けられており、これら方向制御用フイン２７により、第１係留ブイ１４を方向制御用フイン２７が潮流の進行方向に沿う対潮流姿勢に保持することができ、メンテナンス用の巡視船などを容易に接舷できるように構成されている。

第１係留ブイ１４には、第２係留索１５の基端部を周方向に移動自在に支持する索体支持装置３１が設けられている。この索体支持装置３１は、図７に示すように、第１ブイ本体２１の喫水線Ｗ．Ｌの上方位置で外周面に沿って設けられたガイド部材である上下一対の環状ガイド３２と、環状ガイド３２間に移動自在に案内される可動部材である転動体３３とで構成されている。前記環状ガイド３２は、第１ブイ本体２１に上下方向に一定間隔をあけて取り付けられ、対抗面にガイド溝３２ａが周方向に沿ってそれぞれ形成されている。前記転動体３３は、上下のガイド溝３２ａにそれぞれ嵌合されて転動自在な球体状に形成され、第２係留索１５の基端部が転動体３３の一端部にジョイント部材３４を介して回転自在に連結されている。

第２係留ブイ１６は、縦向きに浮遊する円柱状の第２ブイ本体４１からなり、第２係留索１５の先端部が第２ブイ本体４１の喫水線Ｗ．Ｌの上方の外周面で所定部位に連結されている。この第２ブイ本体４１内には、海面の変位を検出するための海面変位検出部４２が設けられ、海面変位検出部４２により計測されたデータをアンテナ付き送信機４２ａを介して観測装置２４に送信するように構成されている。

図４に示すように、海面変位検出部４２には、ＧＰＳ受信機４２ｂと送信機４２ａが設けられ、ＧＰＳ受信機４２ｂによりＧＰＳ用の人工衛星から受信した電波から得られる計測データを、送信機４２ａから観測装置２４の受信機２４ａにそれぞれ送信し、さらに観測装置２４の送信機２４ｂからアンテナ２６を介して地上基地局５１に送信している。そして地上基地局５１では、受信機５１ａで受信した計測データを演算部５１ｂで処理して第２係留ブイ１６の入射波高を求め、出力装置５１ｄに出力する。

つぎに、第２係留索１５の長さについて図６を参照して説明する。高い波や低い波が混在する場合に、波の特性の表し方として、有義波高、有義波周期、有義波長がある。これらは、ある地点で連続する波を観測した時に、波高の高いほうから順に全体の１／３の個数の波を選び、これらの波の波高、周期、波長を平均したものである。上記第２係留索１５の長さＬの適正範囲は、有義波長λ×１／４以上で、有義波長λ×１／２以下に設定されている。これは第２係留索１５の長さＬが有義波長λ×１／２を越えると、第２係留ブイ１６の上下方向の移動量は小さくなって測位精度は向上するが、第２係留索１５が長くなり過ぎて、コストが大きくなるためである。また第２係留索１５の長さＬが有義波長λ×１／４未満となると、第２係留ブイ１６が第１係留ブイ１４に接触するおそれがあり、接触により海面変位検出部４２による計測が不正確になりやすいからである。

上記構成において、図３に示すように、第１係留索１３および第２係留索１５が弛んだ状態の場合、第１係留ブイ１４と第２係留ブイ１６の直線動揺(heave)は、第１係留ブイ１４と第２係留ブイ１６の喫水線Ｗ．Ｌの上下の表面積差や体積差、重心位置、海象作用などにより、互いに位相差や振幅差が生じることもあるが、入射波に追従するものと考えられる。したがって、第２係留ブイ１６は入射波に追従して直線動揺(heave,surge,sway)および旋回動揺(pitch,roll,yaw)する。

ところで、第２係留ブイ１６の海面変位検出部４２では、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測データとして高度測位値を計測しており、第２係留ブイ１６に旋回動揺(pitch,roll)がない場合には、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測された計測データから求められた変位量と、実際の入射波高とが等しくなる。しかし、第２係留ブイ１６に旋回動揺(pitch,roll)がある場合には、第２係留ブイ１６が重心Ｇ位置を中心として旋回動揺(pitch,roll)された分、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測された計測データから求められた第２係留ブイ１６の変位量が、実際の入射波高より大きくなる。

これを補正するために、海面変位検出部４２には、図５に示すように、第２係留ブイ１６の重心Ｇ位置に、傾斜検出手段である二軸傾斜検出器（たとえば二軸傾斜ジャイロセンサ）５２を配置している。そしてこの二軸傾斜検出器５２により第２係留ブイ１６のｘ軸周りの旋回動揺（roll）角とｙ軸周りの旋回動揺(pitch)角とを検出し、これら検出データをＧＰＳ受信機４２ｂの計測データと共に送信機４２ａから観測装置２４を介して地上基地局５１に送信する。そして、地上基地局５１の演算部５１ｂでは、検出データの旋回動揺（roll）角および旋回動揺(pitch)角と、第２係留ブイ１６の重心Ｇ位置に対するＧＰＳ受信機４２ｂの位置座標から傾斜補正量を演算し、この傾斜補正量によりＧＰＳ受信機４２ｂの高度測位値を補正し入射波高を演算する。もちろん、ＧＰＳ受信機４２ｂの高度測位値から第２係留ブイ１６の変位量を演算し、この変位量を傾斜補正してもよい。

ここで、第２係留ブイ１６の重心Ｇ位置からＧＰＳ受信機４２ｂまでのｘ軸方向の距離：ｘ_ａ、第２係留ブイ１６の重心Ｇ位置からＧＰＳ受信機４２ｂまでのｙ軸方向の距離：ｙ_ａ、第２係留ブイ１６の重心Ｇ位置からＧＰＳ受信機４２ｂまでのｚ軸方向の距離：ｚ_ａとし、この時の旋回動揺（roll）角＝θ_ｘ、旋回動揺(pitch)角＝θ_ｙとすると、傾斜補正量：ζを求める式は、
［式１］

ζ＝ｚ_ａ(1-cosθ_ｘ・cosθ_ｙ)−ｘ_ａ・cosθ_ｘ・sinθ_ｙ＋ｙ_ａ・sinθ_ｘ・cosθ_ｙ…（１）式
で表される。

入射波高：Ｈは、高度測位値：Ｈａとすると、
［式２］

Ｈ＝Ｈａ＋ζ…（２）式
となる。

また、図１に示すように、波漂流力により、第１係留ブイ１４が移動限まで流されて第１係留索１３が伸長限にあり、さらに第２係留索１５も伸長限にある場合、第１係留ブイ１４は、第１係留索１３の張力Ｆの鉛直方向の成分Ｆｖにより直線動揺(heave)が抑制されるが、第２係留ブイ１６は、第２係留索１５の張力Ｆ２の鉛直方向の成分Ｆ２ｖが小さいため、直線動揺(heave)がほとんど影響を受けることがない。

また第２係留索１５の張力Ｆ２のうち、水平方向の成分Ｆ２ｈが比較的大きいことから、第２係留ブイ１６の旋回動揺（roll,pitch）に影響を与えるおそれがあるが、地上基地局５１の演算部５１ｂで、二軸傾斜検出器５２により検出した第２係留ブイ１６の旋回動揺（roll）角および旋回動揺(pitch)角と、ＧＰＳ受信機４２ｂの重心Ｇ位置に対する座標位置とにより、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測された高度測位値、または高度測位値から求められた第２係留ブイ１６の変位量を補正するので、入射波高を精度良く求めることができる。

また図２に示すように、波漂流力により第１係留ブイ１４が流され、潮流により方向制御用フイン２７を介して第１係留ブイ１４が対潮流姿勢に保持されている時に、波漂流力の変動により第２係留ブイ１６が異なる方向に流されて第２係留ブイ１６が第１係留ブイ１４の周囲を旋回するようなことがあっても、第２係留索１５の基端部が索体支持装置３１を介して第１ブイ本体２１の周囲を旋回移動することで、第２係留索１５が第１係留ブイ１４に巻き付いたり、絡まるのが未然に防止される。

上記実施の形態によれば、第２係留ブイ１６は第２係留索１５を介して第１係留ブイ１４に係留されるので、第２係留索１５の張力が大きくなる伸長限では、第２係留索１５の傾斜角が、入射波高と第２係留索１５の長さＬにより決まる。ここで図６に示すように、たとえば第２係留索１５の長さＬが有義波長λ×１／２の場合、第２係留索１５の最大の傾斜角θは、sinθ＝有義波高Ｈ／第２係留索１５の長さＬ（有義波長λ×１／２）となる。したがって、第２係留索１５の張力Ｆ２の鉛直方向の成分Ｆ２ｖによる第２係留ブイ１６の直線動揺(heave)への影響をほとんど無視できる程度に小さくすることができ、第２係留ブイ１６に設けた海面変位検出部４２により入射波高を正確に計測することができる。

また方向制御フイン２７により対潮流姿勢となる第１係留ブイ１４に対して、図２に示すように、波漂流力が変化して第２係留ブイ１６が第１係留ブイ１４の周りを旋回移動するようなことがあっても、索体支持装置３１により第２係留索１５の基端部が第１ブイ本体２１の周りを移動するので、第２係留索１５が第１係留ブイ１４に巻き付いたり、絡まることがない。

さらに第２係留索１５の長さＬを、有義波長λ×１／４以上とすることにより、第２係留ブイ１６が第１係留ブイ１４に接触するのを防止することができ、また有義波長λ×１／２以下とすることにより、第２係留索１５のコストを削減することができる。

さらにまた、地上基地局５１の演算部５１ｂで、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測される高度測位値、または高度測位値から求められた二次係留ブイ１６の変位量を、重心Ｇ位置に設置された二軸傾斜検出器５２のロール角［旋回動揺(roll)角］およびピッチ角［旋回動揺(pitch)角］の検出値と、重心Ｇ位置に対するＧＰＳ受信機４２ｂの座標位置とに基づいて補正し、入射波高を求めるので、旋回動揺(roll,pitch)により傾斜する第２係留ブイ１６のＧＰＳ受信機４２ｂから入射波高を高精度で計測することができる。

なお、索体支持装置３１の第１変形例として、図８に示すように、可動部材を、ガイド溝３２ａに嵌合されて転動自在な輪体形の転動体３５で構成してもよく、この場合には、第２係留索１５の基端部が転動体３５の回転軸心部にジョイント部材３４を介して回転自在に連結される。

また索体支持装置３１の第２変形例は、図９に示すように、転動体３３を案内支持するガイド部材を、上下複数本のロッド状のガイドレール３６により構成したもので、ガイドレール３６は支持部材３６ａを介して第１ブイ本体２１に取り付けられている。

さらに上記索体支持装置３１の第３変形例は、図１０に示すように、上下一対の環状ガイド（ガイド部材）３７の間に、旋回リング体（可動部材）３９を周方向に旋回自在に配置し、上下の環状ガイド３７の対抗面に複数のガイド用のベアリング球３８をそれぞれ介在させて旋回リング体３９を案内するように構成したもので、旋回リング体３９の一部に第２係留索１５の基端部が連結されている。また旋回リング体３９の上面と下面に、ベアリング球３８が転動自在に嵌合されるガイド溝が周方向に沿って形成されている。

上記索体支持装置３１の変形例１〜３によれば、先の索体支持装置３１と同様の作用効果を奏することができる。
また、ＧＰＳ受信機４２ｂにより計測される高度測位値、または高度測位値から求められた二次係留ブイ１６の変位量を、傾斜補正量により補正する演算部４２ｂを地上基地局５１に設置したが、第１係留ブイ１４の観測装置２４や第２係留ブイ１６に設けることもできる。

本発明に係る津波・波浪観測設備の実施の形態で、第２係留索の伸長限の第１係留ブイと第２係留ブイを示す側面図である。 第１係留ブイと第２係留ブイの漂流動作を示す平面図である。 係留ブイの構成を示す側面図である。 海面変位検出部と観測装置と地上基地局を示す構成図である。 第２係留ブイの傾斜補正を説明する概略斜視図である。 有義波長と第２係留索の長さを説明する説明図である。 索体支持装置を示し、（ａ）は全体側面図、（ｂ）は部分縦断面図である。 索体支持装置の第１変形例を示す部分縦断面図である。 索体支持装置の第２変形例を示し、（ａ）は全体側面図、（ｂ）は部分縦断面図である。 索体支持装置の第３変形例を示し、（ａ）は全体側面図、（ｂ）は部分縦断面図である。 従来の浮体または観測用ブイの動揺を説明する説明図で、（ａ）は通常状態の観測用ブイを示し、（ｂ）は潮流により係留索が伸長限にある観測用ブイを示し、（ｃ）は浮体の動揺を示す。

符号の説明

１３ 第１係留索
１４ 第１係留ブイ
１５ 第２係留索
１６ 第２係留ブイ
２１ 第１ブイ本体
２２ 尾筒
２４ 観測装置
２５ 観測室
２６ アンテナ
２７ 方向制御用フイン
３１ 索体支持装置
３２ 環状ガイド
３３ 転動体
３４ ジョイント部材
４１ 第２ブイ本体
４２ 海面変位検出部
４２ａ 送信機
４２ｂ ＧＰＳ受信機
５１ 地上基地局
５１ｂ 演算部
５２ 二軸傾斜検出器

Claims (4)

1. 係留ブイにより津波および／または波浪を計測するとともに当該係留ブイから計測されたデータを地上基地局に送信する津波・波浪観測設備であって、
   前記係留ブイを、海底に固定された第１係留索を介して所定海域に係留された第１係留ブイと、当該第１係留ブイに第２係留索を介して係留された第２係留ブイとで構成し、
   第２係留ブイに当該第２係留ブイの変位を検出可能な海面変位検出部を設けた
   津波・波浪観測設備。
2. 第１係留ブイに、当該第１係留ブイが潮流に対して一定方向を向く方向制御部材を設けるとともに、第２係留索の基端部を周方向に沿って旋回移動自在に支持する索体支持装置を設けた
   請求項１記載の津波・波浪観測設備。
3. 第２係留索の長さを、所定海域の有義波長の１／４倍以上で１／２倍以下とした
   請求項１または２に記載の津波・波浪観測設備。
4. 海面変位検出部に、第２係留ブイの高度測位値を検出するＧＰＳ受信機を設けるとともに、第２係留ブイの重心位置に、第２係留ブイのロール角とピッチ角とを検出する傾斜検出手段を設け、
   第１係留ブイに、海面変位検出部のデータと傾斜検出手段のデータとを受信するとともに、地上基地局にデータを送信する観測装置を設け、
   地上基地局または前記観測装置あるいは第２係留ブイに、ＧＰＳ受信機により計測された高度測位値、またはこれら高度測位値により求められた第２係留ブイの変位量を、傾斜検出手段により検出されたロール角およびピッチ角と、前記重心位置に対するＧＰＳ受信機の座標位置とに基づいて補正し、入射波高を求める演算部を設けた
   請求項１乃至３のいずれかに記載の津波・波浪観測設備。

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