JP2015190914A

JP2015190914A - 送受信装置配置決定装置及び方法

Info

Publication number: JP2015190914A
Application number: JP2014069575A
Authority: JP
Inventors: 貴裕須賀; Takahiro Suga; 豊彦森; Toyohiko Mori; 洋和島; Hiroshi Wajima; 隆良田中; Takayoshi Tanaka; 雅人木田; Masato Kida; 浜松　正典; Masanori Hamamatsu; 正典浜松; 克敏日隈; Katsutoshi Hikuma; 信一中野; Shinichi Nakano; 浩一福本; Koichi Fukumoto
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP6220716B2

Abstract

【課題】現実的な計算時間内で現在の状況に即した最適な送受信装置の配置を決定することができる。
【解決手段】水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、探索領域で送受信装置数にてカバレッジ率以上となるように探知して複数の送信装置と複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、測定した実環境測定値に基づいて配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、カバレッジの計算結果に基づいて、最適化手法を用いて複数の送信装置と複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備え、配置計算部は、各送信装置のコストと、複数の送信装置の個数と、各受信装置のコストと、複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように複数の送信装置と複数の受信装置の配置を決定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば水中物体捜索支援装置のための送受信装置配置決定装置及び方法に関する。

従来、水中物体の探知確率を向上させるための送信装置及び受信装置の最適な配置方法について、広く検討されている。ここで、探知確率を向上させる為に送信装置、受信装置の最適な配置を計算することは音波伝搬などの計算から事前に時間をかけて計算することが多い。しかしながら、実際の現場において環境状況が変化し、事前の計算が役に立たないことが多く、計算時間の関係上再計算が不可能である。また、この配置は探知確率のみ考慮し、送受信装置のコストを考慮していないことが多い。

例えば特許文献１では、目的達成に適したセンサ配置を求めるとし、検出確率算出部と、目的達成度指標算出部と、配置制御部とから構成される。検出確率算出部はセンサを含む系の特性を示す物理モデルに基づいて、センサ受信器における信号強度を算出する伝搬模擬部と信号強度を入力し、予め定められた許容誤検出確率及び受信器特性モデルに基づいて観測ターゲットの検出確率を算出する検出模擬部を有する。ここで、配置制御部は目的達成度指標算出部で算出される目的達成度の大きいセンサを探索する。その方法として汎用の最適化手法、例えば最急降下法やモンテカルロ法などがある。

また、非特許文献１では、ＣＡＴＩＮＧ（Coverage Area based on Track Initiation and No Gap）というカバレッジの指標を定義し、２７個の形状に対して、最終的にＣＡＴＩＮＧ当りのコストを計算し、効率的な配置形状の順位付けを行っている。

さらに、非特許文献２では、送信装置と受信装置の装置数と配置を決定する方法を開示しており、順番に送信装置を配置するか決定していく。受信装置を優先として選択し、配置を最適化手法（Particle Swarm Optimization）を用いて決める。決められた配置によって、捜索領域に対する探索領域がどの程度広くなったか確認する。一定基準以上広くなっていればそれで決定とする。広くなっていなければ送信装置を同様に配置する。探索領域が一定基準以上広くなっていれば送信装置で決定とする。一定基準以上になっていなければ配置処理は終了する。

特開２００３−１４９３２６号公報特開２０１３−１３７２５４号公報

S. Ozols et al., "On the Design of Multistatic Sonobuoy Fields Area Search", Maritime Operation Division Defence Science and Technology Organisation, pp. 1-28, June 2011. Patric N. Ngatchou et al., "Multiobjective Multistatic Sonar Sensor Placement", 2006 IEEE Congress on Evolutionary Computation, pp. 2698-2704, 2006.

しかしながら、上述の特許文献１では、対象とする配置が一組の送信装置と受信装置であるのか、複数の送信装置と受信装置であるのか明確でない。使用する送受信装置数、種類、及び配置の組合せは膨大で、計算時間上困難と考えられ、またその解決策が明示されていない。

また、非特許文献１では、ブラインドゾーンを考慮していない実環境条件によって、論文想定のカバレッジと実際のカバレッジが大きく異なると考えられ、論文通りに送受信装置の配置を決定することはできない。形状による比較を目的としており、実際の配置方法を提示しているものではない。捜索領域が小さい場合は無駄なカバレッジが多くなる可能性があるという問題点があった。

さらに、非特許文献２では、楕円を前提とした理想的なカバレッジであり、実際のカバレッジと差異が大きい。送受信装置のコストを小さくすることも目的としているが、未カバー部分が小さくなっていった場合に送信装置が優先されるため、コストを小さくする目的から反しているという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、現実的な計算時間内で現在の状況に即した最適な送受信装置の配置を決定することができる送受信装置配置決定装置及び方法を提供することにある。

第１の発明に係る送受信装置の配置決定装置は、複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、
探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、上記測定した実環境測定値に基づいて上記配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて、所定の最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備え、
上記配置計算部は、上記各送信装置のコストと、上記複数の送信装置の個数と、上記各受信装置のコストと、上記複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定することを特徴とする。

上記送受信装置の配置決定装置において、上記配置計算部は、上記最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するときに、１個の送信装置又は１個の受信装置を配置したときのカバレッジ増加分が所定のしきい値よりも大きいときに１個の送信装置を配置することを決定する一方、上記カバレッジ増加分が上記しきい値以下であるときに１個の受信装置を配置することを決定することを特徴とする。

第２の発明に係る送受信装置の配置決定装置は、複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、
１個の送信装置と少なくとも１個の受信装置とを所定の形状で配置した少なくとも１つの基本形状を用いて上記探索領域に並置した配置でカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備えることを特徴とする。

上記送受信装置の配置決定装置において、上記配置計算部は、上記決定された上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置において送信装置と受信装置の少なくとも一方を削除することで所定のカバレッジ率以上となるように当該配置を決定することを特徴とする。

第３の発明に係る送受信装置の配置決定方法は、複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定方法であって、
配置計算部が、探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、上記測定した実環境測定値に基づいて上記配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて、所定の最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するステップを含み、
上記配置を決定するステップは、上記各送信装置のコストと、上記複数の送信装置の個数と、上記各受信装置のコストと、上記複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定することを特徴とする。

上記送受信装置の配置決定方法において、上記配置計算部が、上記最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するときに、１個の送信装置又は１個の受信装置を配置したときのカバレッジ増加分が所定のしきい値よりも大きいときに１個の送信装置を配置することを決定する一方、上記カバレッジ増加分が上記しきい値以下であるときに１個の受信装置を配置することを決定するステップをさらに含むことを特徴とする。

第４の発明に係る送受信装置の配置決定方法は、複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定方法であって、
配置計算部が、１個の送信装置と少なくとも１個の受信装置とを所定の形状で配置した少なくとも１つの基本形状を用いて上記探索領域に並置した配置でカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するステップを含むことを特徴とする。

上記送受信装置の配置決定方法において、上記配置計算部が、上記決定された上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置において送信装置と受信装置の少なくとも一方を削除することで所定のカバレッジ率以上となるように当該配置を決定するステップをさらに含むことを特徴とする。

従って、本発明に係る送受信装置配置決定装置及び方法によれば、現実的な計算時間内で現在の状況に即した最適な送受信装置の配置を決定することができる。特に、水底地形等、水中の状況が不均一であったとしても、探知確率向上とコスト低減を両立した配置、探知確率向上と、例えば船舶等から送受信装置を設置しやすい配置を得ることができ、状況に応じて両者を選択することが可能である。現場の環境状況を加味しながら、短時間で配置立案が可能である。

本発明の実施形態に係る、水中物体捜索支援装置のための送受信装置配置決定装置の構成を示すブロック図である。図１の船舶等に搭載される送受信装置配置装置１００の構成を示すブロック図である。図２の配置計算部１１０によって実行される、送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。図３の送受信装置の配置計算処理による捜索領域を示す平面図である。図４の水測予察で用いるソーナー方程式を説明するために音波伝搬のモデル図である。図５の受信装置ＲＸにおいて受信されるエコー信号レベルの時間経過のグラフである。同一位置配置（送信装置ＴＸと受信装置ＲＸを同じ位置にある場合）で敷設したときのカバレッジ（探知可能領域）を示す平面図である。同一位置配置で敷設した場合の残響信号レベルを示すグラフである。非特許文献２のグリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を改善したコスト優先の「改善グリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法」を用いて計算された送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。非特許文献２のグリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を用いて計算されたときの送受信装置の配置計算結果を示す平面図である。改善グリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を用いて計算されたときの送受信装置の配置計算結果を示す平面図である。本発明の実施形態に係る、基本形状を用いた送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。図１２の基本形状を用いた送受信装置の配置計算処理において用いる基本形状の複数の例を示す図である。図１３の基本形状から選択した基本形状の内部をカバーできる、カバレッジ確認のための形状の一例を示す平面図である。図１４の形状を用いて確認した、送受信装置の配置計算処理結果を示す平面図である。図１３（ｇ）の変形正方格子を５個×５個で敷設した１００％のカバレッジ率のときの送受信装置の配置計算処理結果を示す平面図である。図１６から不要な送受信装置列を削除する位置を示す平面図である。図１６から不要な送受信装置列を削除した配置結果を示す平面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

従来、捜索水域において水中物体捜索を実施するために音波を発信する送信装置と前記水中物体からの反射波に含まれるエコー信号を受信して前記水中物体の位置及び移動変化を特定する複数の受信装置とを備えたマルチスタティックソナーシステムにおいて、従来の方法は発音する毎に観測員がエコー信号を解析し、目標信号が得られるまで捜索水域内の探索領域を切り替えて発音を繰り返すものであった。この方法では、発音毎にエコー信号を解析するため、全捜索水域をカバーするまでの時間が長く、捜索に多大な時間を要する。一方、全捜索水域を一度にカバーするように全ての送信装置を同時に発信すると、受信装置においてエコー信号が同時着信することで錯綜して水中物体の特定が困難となる。本発明に係る実施形態によれば、送信装置毎に少しずつ異なる送信周波数を用いることにより信号錯綜を回避するとともに、同時発信もしくは短い時間間隔での連続発信により捜索水域全体をほぼ同時にカバーする方法を想定している。

図１は本発明の実施形態に係る、水中物体捜索支援装置のための送受信装置配置決定装置の構成を示すブロック図である。また、図２は図１の船舶等に配置される送受信装置配置装置１００の構成を示すブロック図である。さらに、図３は図２の配置計算部１１０によって実行される、送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。

図１の水中物体捜索支援装置は、例えば船舶等に配置される送受信装置配置装置１００と、水中の既知の位置にそれぞれ敷設された複数の送信装置ＴＸ及び複数の受信装置ＲＸとを備えて構成される。ここで、図２に示すように、送受信装置配置装置１００は、本実施形態に係る配置計算部１１０を含む探知装置１０３と、無線送信回路１０４と、無線受信回路１０５とを備えて構成される。配置計算部１１０は、公知の送信順序計算処理により各送信装置ＴＸの送信順序を計算して出力する。そして、探知装置１０３は、配置計算部１１０から出力された送信順序に従って、音波を送信することを指示する送信指示信号ＳＴＸを、無線送信回路１０４を用いて各送信装置ＴＸに対して無線送信する。

また、図１において、送受信装置配置装置１００からの送信指示信号ＳＴＸを受信した送信装置ＴＸは、水中に音波を送信する。さらに、各受信装置ＲＸは、送信装置ＴＸから送信された音波が水中物体２００で反射した反射波を受信し、受信した反射波の情報を探知情報信号ＳＲＸとして、送受信装置配置装置１００に向けて無線送信する。図２において、送受信装置配置装置１００の無線受信回路１０５は、全ての受信装置ＲＸからの探知情報信号ＳＲＸに対して周波数変換などの所定の処理を行い、探知装置１０３に出力する。そして、探知装置１０３は、受信された各探知情報信号ＳＲＸを用いて、図３の送受信装置の配置計算処理を実行して複数の送信装置ＴＸ及び複数の受信装置ＲＸを敷設し、その後、所定の探知処理を実行することで水中物体２００を探知する。

なお、上記送信指示信号ＳＴＸの送信順序については、例えば特許文献２に開示された送波スケジューリング装置を用いて送信順序を決定して送信指示信号ＳＴＸを送信するように構成してもよい。これにより、水中物体２００を探索する探索確率を従来技術に比較して向上できる。

図２において、配置計算部１１０は、図３の送受信装置の配置計算処理により、与えられた捜索領域、送受装置数において、捜索領域を全てカバーする、又コストを低減した最良な配置決定を行うことを特徴とする。

図３において、まずステップＳ１において、水中温度測定装置及び環境雑音測定装置を用いて環境測定処理を実行することで、対象となる捜索領域の環境測定を行う。次いで、ステップＳ２では、水測予察処理により、環境測定値を用いて、１送信装置対１受信装置におけるカバレッジ（探知可能領域）を計算し、全ての送受信装置配置可能な領域について計算する。そして、送受信装置の位置は分割されたメッシュ単位である計算結果は後の配置計算に用いるため、配置計算部１１０の内部メモリ１１０ｍに記憶しておく。ステップＳ３では、最適化手法による計算か否かが判断され、ＹＥＳであれば、ステップＳ４で最適化手法（近似解法も含む）による計算処理により立案して立案の配置結果を表示部１１１に表示する。一方、ＮＯであれば、ステップＳ５で基本形状による配置処理により立案して立案の配置結果を表示部１１１に表示する。さらに、ステップＳ６では、再立案か否かが判断され、立案結果に満足しなければ、ステップＳ３に戻り再度基本形状又は最適化手法による配置計算を行う。一方、立案結果に満足する場合は当該処理を終了する。

次いで、本実施形態における問題設定について以下に説明する。

図４は図３の送受信装置の配置計算処理による捜索領域を示す平面図である。また、図５は図４の水測予察で用いるソーナー方程式を説明するために音波伝搬のモデル図である。さらに、図６は図５の受信装置ＲＸにおいて受信されるエコー信号レベルの時間経過のグラフである。

問題設定は事前情報及び環境測定により下記のように決定しているものとする。図４に示すように、大きさＸ×Ｙの水域を設定し、Ｍ×Ｎのメッシュ（１メッシュはＭ／Ｘ×Ｎ／Ｙの正方形又は長方形である。）に分割したエリアを捜索エリアとする。また、捜索エリアを南北２つのエリアに分割し、それぞれ深度が異なる環境とする。ここで、送信装置ＴＸ及び受信装置ＲＸをメッシュ上に深度Ｄｂで１つずつ配置し、各メッシュに目標物体（例えば水中物体２００などの検索対象物体をいい、以下同様である。）ＴＧがいた場合の探知有無について、ソーナー方程式を用いて算出する。ここで、目標物体ＴＧは深度Ｄｓに位置しており、ターゲットストレングスＴＳは等方性とし、周囲雑音はＡＮ、送信装置ＴＸからの音波のパルス長（時間長）をＴｐとする。

次いで、水測予察（ソーナー方程式による探知判定）について以下に説明する。

探知判定に使用するソーナー方程式を用いた余剰信号レベルＳＥは公知の通り、次式で表される。なお、残響が周囲雑音より小さくなった場合は、周囲雑音が支配的な（残響も周囲雑音に埋もれる）環境とする。

（１）残響が支配的な場合（ＲＬ＞ＮＬ）
ＳＥ＝ＳＬ−ＴＬ１−ＴＬ２＋ＴＳ−ＲＬ−ＤＴ（１）

（２）周囲雑音が支配的な場合（ＲＬ≦ＮＬ）
ＳＥ＝ＳＬ−ＴＬ１−ＴＬ２＋ＴＳ−ＮＬ＋ＤＩ−ＤＴ（２）

ここで、各パラメータは以下の通りである。
ＳＥ：余剰信号レベル
ＳＬ：送信装置ＴＸの送信レベル
ＴＬ１：送信装置ＴＸ−目標物体ＴＧ間の伝播損失（球面拡散）
ＴＬ２：目標物体ＴＧ−受信装置ＲＸ間の伝播損失（球面拡散）
ＴＳ：ターゲットストレングス
ＲＬ：残響レベル
ＮＬ：周囲雑音レベル
ＤＩ：受信指向性利得
ＤＴ：検出しきい値

ここで、残響レベルは、直接波、水面反射及び水底反射から得られるものとし、目標物体ＴＧからのエコー信号と受信装置ＲＸの到着時間が重畳するものを扱う。また、体積残響は考慮しないものとする。また、受信装置ＲＸで取得できた残響及び目標のエコー信号は、パルス長（ＴｐＳｅｃ）の間、継続して取得する。

また、メッシュ毎の残響レベルＲＬを公知の通り、以下の式で算出する。

ＲＬ＝ＳＬ−ＲＴＬ１−ＲＴＬ２＋Ｓｓ＋１０ｌｏｇ_１０Ａ（３）

ここで、各パラメータは以下の通りである。
ＳＬ：送信装置ＴＸの送信レベル
ＲＴＬ１：送信装置ＴＸ−反射面の伝播損失（球面拡散）
ＲＴＬ２：反射面−受信装置ＲＸ間の伝播損失（球面拡散）
Ｓｓ：所定の単位面積あたりの反射面の散乱強度
Ａ：残響面積

ここで、残響レベルは、メッシュの中心位置を基準として算出する。残響面積Ａは、到着する瞬間の値を用いるため、散乱強度の反射面積とする。

（１）水面残響レベルＳＲＬ
上記式（３）を基に、水面残響レベルＳＲＬを公知の通り、以下の式で算出する。ただし、算出結果が負となった場合は、水面残響レベルＳＲＬを０とする。

ＳＲＬ＝ＳＬ−ＳＴＬ１−ＳＴＬ２＋ＳＴＳ＋１０ｌｏｇ_１０Ａ（４）

ここで、各パラメータは以下の通りである。
ＳＬ：送信装置ＴＸ源の送信レベル
ＳＴＬ１：送信装置ＴＸ−水面の伝播損失（球面拡散）
ＳＴＬ２：水面−受信装置ＲＸ間の伝播損失（球面拡散）
ＳＴＳ：所定の単位面積あたりの水面の散乱強度
Ａ：残響面積

また、単位面積あたりの水面の散乱強度ＳＴＳは、次式の「チャップマンとハリスの経験式」より算出する。

ＳＴＳ＝３．３βｌｏｇ_１０θ／３０−４２．４ｌｏｇ_１０β＋２．６（５）
β＝１５８（ｖｆ^１／３）^{−０．５８} （６）

ここで、各パラメータは以下の通りである。
θ：グレージング角
ｖ：風速
ｆ：周波数

（２）水底残響レベルＢＲＬ
上記式（３）を基に、水底残響レベルＢＲＬを公知の通り、以下の式で算出する。ただし、算出結果が負となった場合は、水底残響レベルＢＲＬを０とする。

ＢＲＬ＝ＳＬ−ＢＴＬ１−ＢＴＬ２＋ＢＴＳ＋１０ｌｏｇ_１０Ａ（７）

ここで、各パラメータは以下の通りである。
ＳＬ：送信装置ＴＸの送信レベル
ＴＸＬ１：送信装置ＴＸ−水底の伝播損失（球面拡散）
ＴＸＬ２：水底−受信装置ＲＸ間の伝播損失（球面拡散）
ＴＸＳ：所定の単位面積あたりの水底の散乱強度
Ａ：残響面積

なお、ＢＴＳは、ランベールの法則を用いて次式で算出する。

ＢＴＳ＝１０ｌｏｇ_１０（１／π）＋１０ｌｏｇ_１０ｓｉｎ^２θ （８）

ここで、
θ：グレージング角
である。

次いで、本実施形態に係る配置計算部１１０により計算されたシミュレーション結果について以下に説明する。

深度が深いエリアに送信装置もしくは受信装置を配置したときの探知有無を以下に示す。
（１）同一位置配置（送信装置ＴＸと受信装置ＲＸが同じ位置にある）
図７は同一位置配置で敷設したときのカバレッジを示す平面図である。また、図８は同一位置配置で深水域に敷設した場合の残響信号レベルを示すグラフである。図７において、送信装置ＴＸと受信装置ＲＸが図中中央部（太い正方形）において同じ位置にあり、メッシュ内部をグレーで塗りつぶした部分がカバレッジである。以下の図面において、メッシュ内部をグレーで塗りつぶした部分がカバレッジであることは同様である。

図７から明らかなように、装置近傍と遠方のみ探知が得られた。装置の近傍のカバレッジは、残響が届く前に目標からエコーが得られているからであり、装置の遠方のカバレッジは、残響が受信装置に届くまでに減衰してしまい、目標のエコーが上回るエリアとなったからである。その中間の探知無しの範囲は、残響が影響している。ここで、探知例で示したように送信装置ＴＸと受信装置ＲＸの位置によるカバレッジ（メッシュ群）をデータとして全ての場合について配置計算部１１０内の内部メモリ１１０ｍに格納しておく。

次いで、最適化手法を用いた配置計算について以下に説明する。ここでは、一例として、カバレッジ率が１００％を満たし、送受信装置コストを最小にすることを目的とした送受信装置配置問題（送受信装置種類、位置）を設定する。ここで、送信装置数をＮ_ＴＸとし、送信装置１個あたりコストをＣ_ＴＸとし、受信装置数をＮ_ＲＸとし、受信装置１個あたりコストをＣ_ＲＸとすると、送受信装置コスト関数Ｃｏｓｔは次式で表される。

Ｃｏｓｔ＝Ｃ_ＴＸＮ_ＴＸ＋Ｃ_ＲＸＮ_ＲＸ（９）

ここで、
Ｎ_ＴＸ≦Ｎ_{ＴＸｍａｘ}
Ｎ_ＲＸ≦Ｎ_{ＲＸｍａｘ}
Ｃ_ＴＸ＞Ｃ_ＲＸ
である。

なお、Ｎ_{ＴＸｍａｘ}は送信装置数Ｎ_ＴＸの最大値であり、Ｎ_{ＲＸｍａｘ}は送信装置数Ｎ_ＲＸの最大値である。

各送受信装置ＴＸ，ＲＸは捜索エリア内の各メッシュ中心に配置するものとする。ソーナー方程式における余剰信号レベルＳＥ＞０であれば探知可能であり、カバレッジ対象となる。カバレッジ率Ｃｏｖは次式で表される。

Ｃｏｖ＝（ＳＥ＞０を満たす範囲の面積）／（捜索領域全面積）（％）（１０）

そして、目的関数であるカバレッジ率Ｃｏｖの計算には水測予察時に計算したカバレッジのデータを用いて計算する。

図９は非特許文献２の図５に開示されたグリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を改善したコスト優先の「改善グリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法」を用いて計算された送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。改善した変更部分を太線で図示する（ステップＳ２３，Ｓ２４）。

図９のステップＳ１１では、公知の方法を用いて送受信装置配置の最適化処理を行う。非特許文献２ではＰＳＯ（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｗａｒｍＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法という手法を用いているが、本実施形態ではＡＣＯ（ＡｎｔＣｏｌｏｎｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法を用いている。この最適化処理に関して、他の最適化手法を用いても問題はない。次いで、ステップＳ１２で１個の送信装置ＴＸ又は１個の受信装置ＲＸを配置したときのカバレッジ増加分をΔＣｏｖとし、ステップＳ１３で処理するセンサタイプにより分岐する。ステップＳ１３でセンサタイプが受信装置ＲＸであれば、ステップＳ１４で、ΔＣｏｖ＞ΔＣｏｖ_ＲＸ（受信装置ＲＸのカバレッジ増加分しきい値）又はＮ_ＴＸ≧Ｎ_{ＴＸｍａｘ}であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１７に進む。ステップＳ１５では、当該位置において受信装置ＲＸを採用し、受信装置数Ｎ_ＲＸを１だけインクリメントし、センサタイプを受信装置ＲＸとし、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１７では、配置計算部１１０の内部メモリ１１０ｍのメモリキャッシュΔＣｏｖＣａｃｈｅにカバレッジ増加分ΔＣｏｖを挿入し、ステップＳ１８でセンサタイプを送信装置ＴＸとしてステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、もしＮ_ＲＸ≧Ｎ_{ＲＸｍａｘ}であれば、次に配置検討するセンサタイプを受信装置ＴＸとする一方、もしＮ_ＴＸ≧Ｎ_{ＴＸｍａｘ}であれば、次に配置検討するセンサタイプを送信装置ＲＸとし、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３でセンサタイプが送信装置ＴＸであれば、ステップＳ２０で、ΔＣｏｖ＞ΔＣｏｖ_ＴＸ（送信装置ＴＸのカバレッジ増加分しきい値）又はＮ_ＲＸ≧Ｎ_{ＲＸｍａｘ}であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ２１に進む一方、ＮＯのときはステップＳ２３に進む。ステップＳ２１では、当該位置において送信装置ＴＸを採用し、送信装置数Ｎ_ＴＸを１だけインクリメントし、センサタイプを受信装置ＲＸとし、ステップＳ１９に進む。ステップＳ２３では、ΔＣｏｖ＞ΔＣｏｖｔｈ（カバレッジ増加分しきい値）であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ２１に進む一方、ＮＯのときはステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、当該位置において受信装置ＲＸを採用し、受信装置数Ｎ_ＲＸを１だけインクリメントし、ステップＳ２２に進む。

図９の送受信装置の配置計算処理において、カバレッジ増加分しきい値ΔＣｏｖｔｈ＝ΔＣｏｖＣａｓｈならグリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法のオリジナルとなる。また、カバレッジ増加分のしきい値ΔＣｏｖｔｈの値を大きくすれば装置コスト優先の処理になる。ここで、水測予察時のデータを用いて目的関数の計算を行って当該目的関数の値が最小となるように配置計算処理を行っていることが重要である。なお、図９の配置計算処理において、例えば全体のカバレッジ率が所定のしきい値（例えば１００％）以上になれば当該処理を終了してもよい。

図１０は非特許文献２のグリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を用いて計算されたときの送受信装置の配置計算結果を示す平面図である。また、図１１は改善グリーディー（Ｇｒｅｅｄｙ）法を用いて計算されたときの送受信装置の配置計算結果を示す平面図である。図１０及び図１１において、○印が送信装置ＴＸの配置位置であり、△印は受信装置ＲＸの配置位置である。従来例に係る図１０において、送信装置ＴＸが１８個、受信装置ＲＸが３個であるに対して、本実施形態に係る図１１では、送信装置ＴＸが１０個、受信装置ＲＸが５９個として、コスト優先で送受信装置の配置を決定していることがわかる。

次いで、本実施形態に係る基本形状による配置方法について以下に説明する。

図１２は本発明の実施形態に係る、基本形状を用いた送受信装置の配置計算処理を示すフローチャートである。また、図１３は図１２の基本形状を用いた送受信装置の配置計算処理において用いる基本形状の複数の例を示す図である。

図１２において、まず、ステップＳ３１で基本形状を指定し、ステップＳ３２で基本形状のカバレッジを確認し、ステップＳ３３で基本形状により捜索領域をカバーする。さらに、ステップＳ３４で不要な送受信装置を削除する。以下、実例を用いて当該配置計算処理について説明する。

ここで、基本形状とは配置を行う１つの単位とし、１つ或いは複数の送信装置ＴＸ、１つ或いは複数の受信装置からなる。その一例を図１３に示す。図１３において、●は送信装置ＴＸであり、○は受信装置ＲＸである。図１３において、各基本形状を以下のように定義する。

図１３（ａ）：ライン
図１３（ｂ）：三角格子
図１３（ｃ）：正方格子
図１３（ｄ）：正六角格子
図１３（ｅ）：正八角格子
図１３（ｆ）：変形三角格子
図１３（ｇ）：変形正方格子
図１３（ｈ）：変形正六角格子
図１３（ｉ）：変形正八角格子

ここでは、ブラインドゾーンをカバーするために受信装置ＲＸを追加したものである。

まず、基本形状の指定（Ｓ３１）では、送受信装置の配置を行う上で、ここで、１つの基本形状を選択する。ここで、複数の基本形状を選択してもよい。今回の例では図１３（ｇ）の変形正方格子を選択したものとする。

次いで、基本形状のカバレッジを確認する（Ｓ３２）図１４は図１３の基本形状から選択した基本形状の内部をカバーできる、カバレッジ確認のための形状の一例を示す平面図である。当該処理では、選択した基本形状の内部をカバーできる最大のパラメータ（辺の長さ等）を決定する。図１４では、辺の長さαを調整し、中心の変形正方格子（太線）内がカバーされているとき（カバレッジ１００％）の最小の辺の長さαを探す。中心の変形正方格子を８個の変形正方格子が取り囲んでいるが、周りは送信装置ＴＸと受信装置ＲＸの一対のみにするなど省略は可能である。

ここで、カバレッジの計算は図３のステップＳ２の水測予察処理にて、１個の送信装置ＴＸ対１個の受信装置ＲＸのカバレッジが計算されているデータが存在するので、全ての対に対してメッシュを重ね合わせ、中心の変形正方格子のメッシュが全てカバーできているかを確認する。

図１５は図１４の形状を用いて確認した、送受信装置の配置計算処理結果を示す平面図である。中心の変形正方格子内はカバーされており、このときの１辺の長さαは２３メッシュであった。

次いで、基本形状による捜索領域のカバー処理（Ｓ３３）では、オペレータが求めた１辺の長さαを有する変形正方格子を何個敷き詰めるかを指定する。指定後、画面上で実際に捜索領域１００％になっているか確認し、必要ならば個数を変更し、１００％の配置を求める。本例では１辺は２３メッシュであったので、図１３（ｇ）の変形正方格子を５個×５個で敷き詰めれば１００％カバレッジになると予測が着く。この場合の結果を以下に示す。

図１６は、図１３（ｇ）の変形正方格子を５個×５個で敷設した１００％カバレッジのときの送受信装置の配置計算処理結果を示す平面図である。

さらに、不要な送受信装置の削除処理（Ｓ３４）について以下に説明する。図１６をみるとわかるように基本図形の面積を基準にして配置すると、実際の捜索領域よりも大きな領域をカバーしていることになり、送受信装置が無駄である場合がある。左右列、上下列の順にカバレッジ１００％を確保しながら、削除していく。但し、列に送信装置が含まれている場合である場合はコスト上有利であるため、優先して削除する。列単位で不要な送受信装置を削除していった配置結果は以下のようになる。

図１７は図１６から不要な送受信装置列を削除する位置を示す平面図である。図１７から明らかなように、点線部分の４列分を削除したことになる。ここで、送信装置ＴＸが２５個、受信装置ＲＸが４１個である。

最後に削除できる可能性が高い捜索領域外の送受信装置、ブラインドゾーンのために配置されていない受信装置ＲＸに対して、削除を試みる。該当送受信装置を１つ１つ削除して、その都度カバレッジ１００％が継続するか確認し、継続すれば削除する。

図１８は図１６から不要な送受信装置列を削除した配置結果を示す平面図である。ここで、送信装置ＴＸが２５個、受信装置ＲＸが２８個である。

以上説明したように、本実施形態に係る最適化手法を用いた配置では送信装置ＴＸが１０個、受信装置ＲＸが５９個の計６９個の配置結果であった。これに対して、非特許文献２記載の配置では送信装置ＴＸが１８個、受信装置ＲＸが４３本の計６１本の配置結果であった。また、基本形状を用いた配置では送信装置ＴＸが２５個、受信装置ＲＸが２８個の計５３個の配置結果であった。

本実施形態に係る最適化手法を用いた結果では全体の送受信装置数は多いが、送信装置ＴＸは圧倒的に少ない。一般的に送信装置ＴＸのコストが受信装置ＲＸよりも大幅に高いことから、コスト重視の場合に良好な解である。基本形状を用いた配置では全体の装置数が少なく、配置がわかりやすく敷設しやすい。よって、捜索エリアや環境状況によって配置方法を使い分けることによって、全体として良好な配置を得、搭乗員の負担軽減を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、カバレッジ１００％を目標として、基本形状を元とした配置とカバレッジ１００％と送受信装置コスト低減を目標とした最適化手法を用いた近似解法による配置の両方を計算する。ソーナー方程式、及び実環境測定値を元にした探知計算結果を事前にテーブルにすることにより、現場での計算量を減らし高速化を行うことができる。これにより、水底地形等、水中の状況が不均一であったとしても、探知確率向上とコスト低減を両立した配置と、探知確率向上と、例えば船舶等から送受信装置を設置しやすい配置を得ることができ、状況に応じて両者を選択することが可能である。現場の環境状況を加味しながら、短時間で配置立案が可能である。

以上詳述したように本発明によれば、現実的な計算時間内で現在の状況に即した最適な送受信装置の配置を決定することができる。特に、水底地形等、水中の状況が不均一であったとしても、探知確率向上とコスト低減を両立した配置、探知確率向上と、例えば船舶等から送受信装置を設置しやすい配置を得ることができ、状況に応じて両者を選択することが可能である。現場の環境状況を加味しながら、短時間で配置立案が可能である。

ＴＸ…送信装置、
ＲＸ…受信装置、
ＴＧ…目標物体、
１００…送受信装置配置装置、
１０３…探知装置、
１０４…無線送信回路、
１０５…無線受信回路、
１１０…配置計算部、
１１０ｍ…内部メモリ、
１１１…表示部、
２００…水中物体。

Claims

複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、
探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、上記測定した実環境測定値に基づいて上記配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて、所定の最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備え、
上記配置計算部は、上記各送信装置のコストと、上記複数の送信装置の個数と、上記各受信装置のコストと、上記複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定することを特徴とする送受信装置の配置決定装置。
上記配置計算部は、上記最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するときに、１個の送信装置又は１個の受信装置を配置したときのカバレッジ増加分が所定のしきい値よりも大きいときに１個の送信装置を配置することを決定する一方、上記カバレッジ増加分が上記しきい値以下であるときに１個の受信装置を配置することを決定することを特徴とする請求項１記載の送受信装置の配置決定装置。
複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、
１個の送信装置と少なくとも１個の受信装置とを所定の形状で配置した少なくとも１つの基本形状を用いて上記探索領域に並置した配置でカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備えることを特徴とする送受信装置の配置決定装置。
上記配置計算部は、上記決定された上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置において送信装置と受信装置の少なくとも一方を削除することで所定のカバレッジ率以上となるように当該配置を決定することを特徴とする請求項３記載の送受信装置の配置決定装置。
複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定方法であって、
配置計算部が、探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、上記測定した実環境測定値に基づいて上記配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて、所定の最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するステップを含み、
上記配置を決定するステップは、上記各送信装置のコストと、上記複数の送信装置の個数と、上記各受信装置のコストと、上記複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定することを特徴とする送受信装置の配置決定方法。
上記配置計算部が、上記最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するときに、１個の送信装置又は１個の受信装置を配置したときのカバレッジ増加分が所定のしきい値よりも大きいときに１個の送信装置を配置することを決定する一方、上記カバレッジ増加分が上記しきい値以下であるときに１個の受信装置を配置することを決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の送受信装置の配置決定方法。
複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定方法であって、
配置計算部が、１個の送信装置と少なくとも１個の受信装置とを所定の形状で配置した少なくとも１つの基本形状を用いて上記探索領域に並置した配置でカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定するステップを含むことを特徴とする送受信装置の配置決定方法。
上記配置計算部が、上記決定された上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置において送信装置と受信装置の少なくとも一方を削除することで所定のカバレッジ率以上となるように当該配置を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の送受信装置の配置決定方法。