JP2017166977A - 情報処理装置、情報処理方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】好適な波高予測を可能とする情報処理装置、情報処理方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】目標地点の周囲に空間的に分散させて配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受ける手段と、前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測する予測手段とを備える。【選択図】図２

Description

本発明に係るいくつかの態様は、例えば海洋での波浪の高さを予測するための情報処理装置、情報処理方法及びプログラムに関する。

近年、例えば地下資源の調査や発掘、海洋上での発電など、海洋開発が進みつつある。海洋開発における課題の一つとして、波浪による浮体動揺が海上作業に及ぼす効率低下や、安全性への影響が考えられる。例えば船上で貨物をクレーンで運搬する作業では、貨物を船上へ下ろす際に高波により船体が大きく動揺すると、貨物操作を十分に制御できなくなり、貨物の落下等を引き起こす危険性がある。こうした課題を回避する手段として、浮体の動揺予測が期待されているが、このためにはまず、浮体に影響を及ぼす時々刻々の個別波を予測する必要がある。

波浪の波高を計測するためには、従来よりブイが広く使用されている。例えば特許文献１には、経度、緯度及び高さを求めるＫＧＰＳ計測手段をブイが備えることにより、ブイの波高を求めることが記載されている。

特開２００４−１９１２６８号公報

しかしながら、特許文献１記載の手法では、波高を計測することは開示されているものの、個別波高を予測することまでは考慮されていない。特に、海洋上の波浪は、目標物に向かって様々な方向から、異なる速度で到来する。海洋上に大きな波が観測されない場合であっても、複数の波が偶発的に重なりあうことで、目標物の地点に大きな波高を生じさせる場合もある。

本発明のいくつかの態様は前述の課題に鑑みてなされたものであり、好適な波高予測を可能とする情報処理装置、情報処理方法、及びプログラムを提供することを目的の１つとする。

本発明の１の態様に係る情報処理装置は、目標地点の周囲に空間的に分散させて配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受ける手段と、前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測する予測手段とを備える。

本発明の１の態様に係る情報処理方法は、目標地点の周囲に配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受けるステップと、前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測するステップとを情報処理装置が行う。

本発明の１の態様に係るプログラムは、目標地点の周囲に配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受ける処理と、前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測する処理とを情報処理装置に実行させる。

なお、本発明において、「部」や「手段」、「装置」、「システム」とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能をソフトウェアによって実現する場合も含む。また、１つの「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能が２つ以上の物理的手段や装置により実現されても、２つ以上の「部」や「手段」、「装置」、「システム」の機能が１つの物理的手段や装置により実現されても良い。

実施形態に係る観測システムの概観を説明するための図である。 実施形態に係る情報処理装置の機能構成を示すブロック図である。 図２に示す情報処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。 波高の予測結果の具体例である。 図２に示す情報処理装置を実装可能なハードウェア構成の具体例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。

図１乃至図５は、実施形態を説明するための図である。以下、これらの図を参照しながら、以下の流れに沿って実施形態を説明する。まず「１」及び「２」で実施形態に係る情報処理装置、及び観測システムの概要を説明する。続いて「３」「４」「５」で、当該情報処理装置の機能構成、並びに波高の予測方法及び予測結果の具体例を説明する。「６」では当該情報処理装置の処理の流れを説明し、「７」では情報処理装置を実現可能なハードウェア構成の具体例を説明する。最後に「８」以降で、実施形態に係る効果やその他の実施形態などを説明する。

（１． 概要）
近年、例えばメタン・ハイドレート等の海底資源や海洋再生可能エネルギーの開発等が進んでおり、これに伴い、船上（浮体上）での様々な作業が行われている。浮体が波浪（以下、単に波ともいう。）により動揺すると、船上での作業や安全性に大きな影響を与える。

従来より、統計的な手法を用いて、例えば２〜３時間といった比較的長めの時間幅に対して、その時間帯に最大どの程度の高さの波が到来するかを予測する手法は知られている。この場合には、例えば高波が到来する可能性のある時間帯に作業を停止する等の手法を取れば、作業の安全性を確保することができる。しかしながら、例えば作業に大きな影響を及ぼしうる波が到来する可能性があったとしても、そのような波が当該時間帯に１〜数回程度しか現れないにも関わらず、その為に２〜３時間の時間帯全体で作業を止めてしまうと、作業効率が大きく低下する。

よって、このような影響を回避又は低減する手段として、個別時刻における浮体動揺予測が期待されるが、これにはまず、浮体に影響を与える時々刻々の個別波の波高を予測する必要がある。更にこの予測のためには、周囲の波高を計測する必要がある。

波高を計測及び予測する手法としては、例えば、浮体などの海洋構造物に設置されたＸ−ｂａｎｄレーダ等を用いて遠隔的に波の高さを計測した上で、当該計測値から波高を予測することも考えられる。しかしながらＸ−ｂａｎｄレーダでの計測では、波浪場の有義波高、有義周期、波向等の統計的特性を観測することは可能だが、あくまでも遠隔的な計測であるため、別の波の影に入る等すれば計測が困難になる等の理由から、個別波高に対する観測精度は低い。波浪観測を高精度で実施するためには、ブイ等による現場での直接観測が望ましいが、観測システムの係留設置は容易ではないため、例えば数ヶ月以内などの短期的オペレーションでの利用には経済的な問題などから実施が難しい。このため、１つの海域に複数台ブイ等の観測器を設置することも行われてこなかった。

しかしながら、海洋では、うねりや風波等、様々なスペクトルを持つ波が複数の方向から襲来するため、その予測には、空間的に分散した複数点での観測が必要となる。そこで以下に説明する実施形態では、波高の変位を計測するための計測器を備えたドローン等の複数の可動物を、波高を予測する目標物の周囲の、それぞれ空間的に異なる所定位置まで移動させる。それらの可動物を所定位置で海上に着水及び浮遊させることにより、可動物が備える計測器により波高の変位を測定する。目標物（浮体）上での作業終了など、波高の予測が不要になれば、ドローンなどの可動物を再度移動させて回収すれば良い。この手法は、固定ブイなどの設置工事をせずとも容易に複数の観測地点で波高（以下、波高の変位も含めて波高と呼ぶ）を計測できることから、経済性に優れており、また環境に与える影響を低減することが可能である。

本願実施形態では、このようにして複数の観測点で計測された波高データから、目標物のある目標地点（ターゲット地点）における個別波高を予測する。海洋波は、位相速度が周波数に依存する特徴（波の分散性）を持つ。また海洋波のスペクトルは、周波数、角度共に広がりを持ち、時間によっても変化するため、地質等の特性が固定値として定まる地震予測よりも、予測アルゴリズムは複雑となる。特に本実施形態では、海岸線に到達する波浪のような、方向分布を持たない又は方向分散性の小さい一次元的な波ではなく、方向分散性を持つ波の波高を予測する。

これにより、目標物での個別波高を予測できるようになるため、例えば３０秒後に波高が高くなると予想される場合には、その時刻の前後例えば３０秒〜１分程度の短時間だけ作業を止めるようにすれば、安全性を確保しつつ、作業の効率性に与える影響を低減させることができる。

なお、本実施形態では、複数のドローンにより計測器を所定位置に配置する場合を中心に説明するがこれに限られるものではない。例えば、小型船で複数の観測地点を移動し、各地点に、ブイ等を浮遊させることも考えられる。しかしながらドローン等を用いて観測器を配置すれば、複数台を同時に配置及び回収するための時間的コストを低減することが可能である。

（２． 観測器の配置例）
図１を参照しながら、本実施形態における観測システム１の具体例を説明する。図１において、例えば船などの浮体である、目標物Ｔの略中心における個別波高を予測するものとする。ユーザは、まず、それぞれ波高を計測するための計測器、及び位置を特定するためのＧＰＳ等の位置測定装置を備えたドローンｄ₁乃至ｄ_n（以下、総称してドローンｄともいう。）を目標物Ｔの周囲に飛行させ、ドローンｄがそれぞれ空間的に異なる位置に配置されるように、適当な位置でドローンｄを着水させる。なお、以下の説明において、目標物Ｔの中心（以下、目標地点ともいう。）の極座標を（０，０）とし、ドローンｄ_mの極座標を（Ｒ_m，θ_m）とする。

なお、図１の例では、目標物Ｔの右側の周囲にほぼ１８０度に渡ってドローンｄが配置されているが、これに限られるものではない。図１の例では、波ｗ₁及びｗ₂が（以下、総称して波ｗという。）目標物Ｔの右側から到来しているため、ドローンｄの右側に配置しているが、例えば目標物Ｔの全方位から波が到来する場合には、目標物Ｔの周囲３６０度に渡ってドローンｄを配置してもよい。また、目標物Ｔへ到来する波ｗの方向がある特定方向に偏っている場合には、ドローンｄを配置する角度を９０度や４５度等に狭めることも考えられる。

ドローンｄの配置数は任意であるが、５つ程度以上あると、好適に波高を予測することが可能である。更に、図１の例では、各々のドローンｄは目標物Ｔを中心とする同一半径の略円周上に配置されているが、必ずしも同一半径の円周上に配置する必要はない。しかしながら、好適に予想するためには、目標物Ｔに波ｗが到達するよりも十分前に当該波ｗを計測する必要がある。予測時間窓は目標物Ｔから観測地点（ドローンｄの位置）までの距離に依存する。よって、例えば３０秒の予測時間窓が必要であり、波ｗの平均周期が１０秒であれば、約１ｋｍ以上、観測地点を目標物Ｔから離す必要がある。

（３． 波高を予測する情報処理装置１００の機能構成）
以下、図２を参照しながら、本実施形態に係る情報処理装置１００の機能構成を説明する。なお、情報処理装置１００は、例えば目標物Ｔ上に設置され、ドローンｄで計測された波高の計測データ１２１に基づいて、目標物Ｔの個別波高を予測する。このとき情報処理装置１００は、ドローンｄが波高を計測した計測地点から空間的に離れた目標物Ｔの地点の、計測時間帯の所定時間後（例えば３０秒後）、即ち時間的に離散した時刻の個別波高を予測することが可能である。

入力部１１１は、ドローンｄで計測された計測データ１２１の入力を受ける。例えば入力部１１１は、ドローンｄと逐次無線通信することにより、ドローンｄから逐次、当該ドローンｄの観測地点における波高の時間推移に相当する計測データ１２１の入力を受ける。入力を受けた計測データ１２１は、データベース（ＤＢ）１２０に格納される。

予測部１１３は、ドローンｄにより観測された波高の時間推移に係る計測データ１２１を用いて、目標地点の波高を予測する。波高の予測方法の具体例については、「４． 波高の予測方法」において詳細に説明する。

出力部１１５は、予測した、目標地点における個別波高を出力する。出力部１１５による出力方法は種々考えられるが、例えば、予想される波高をディスプレイに表示してもよいし、或いは所定の閾値以上の波高到来が予想される場合に、音声警告等の形でその旨を報知することも考えられる。

データベース（ＤＢ）１２０は、計測データ１２１を管理する。計測データ１２１には、各々のドローンｄの位置情報（座標情報）や、計測時刻、当該時刻における波高等の情報を含むことができる。

（４． 波高の予測方法）
以下、目標地点における個別波高を予測するための予測方法について、説明する。
波源を表す半径ｌの円における未知外乱を仮定すると、周波数領域（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ）における速度ポテンシャル（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）は、以下のように表現される。

ここで、Φは速度ポテンシャル（ｍ²／ｓ）であり、ωは波周波数（ｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ｒａｄ／ｓ）、Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｘ’，ｙ’，ｚ’，ω）はグリーン関数（Ｗａｖｅ Ｇｒｅｅｎ’ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。ここで、ｌが無限大であるとすると、自由波の成分のみが残る。グラフの加法定理（Ｇｒａｆ’ｓ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｅｍ）を適用すると式（１）は以下のように変形できる。

ここで、

であり、

は第二種ハンケル関数（ｔｈｅ Ｈａｎｋｅｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄ ｋｉｎｄ）である。積分を矩形積分（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｉｎｔｅｇｒａｌ）により離散化（ｄｉｓｃｒｅｔｉｚｅ）すると、以下の式を得ることができる。

（４）式において、

である。もしＭ個の観測地点（Ｒ_n，θ_n）（ｎ＝１，２，・・・Ｍ）の各々における波高の計測データ１２１があるとすると、原点における波高は以下のように表現される。

（５）式の両辺に対して逆フーリエ変換（ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）をかけると、時間領域における波高を以下の式により得ることができる。

（６）式において、ζ（Ｒ_m，θ_m，ｔ）は、観測地点（Ｒ_m，θ_m）における波高の時間推移、即ち計測データ１２１に相当する。また、［ｈ_nm］はインパルス応答であり、

として表現される。本実施形態における最終目標は個別波（ｉｎｄｉｖｉｓｕａｌ ｗａｖｅ）を予測することであるため、（６）式を更に変形する必要がある。ｔ’秒後の予測が必要であれば、（６）式は以下のように変形される。

予測部１１３は、当該（８）式に、観測地点１〜Ｍでの計測データ１２１を適用することにより、（０，０）におけるｔ’秒後の個別波高、即ち目標地点でのｔ’秒後の個別波高を予測することが可能である。

（５． 予測される目標地点の個別波形の具体例）
図３は、目標地点から半径１０００ｍの半円周上（ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ １００ｍ ｓｅｍｉｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｈａｐｅ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｐｏｉｎｔ）に観測点を２０個設けた場合の、３０秒後、即ち上記（８）式でｔ’＝３０ｓとして予測した個別波高（ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｄａｔａ）と、観測された波高（ｔｒｕｅ ｄａｔａ）とを示している。観測開始時点においては、予測に用いる計測データ１２１が充分でないため予測精度が高くないが、時間の経過に応じて、予測精度が高くなっている。

なお、予測精度は観測地点の数に依存する。一般に、５点以上の観測点における計測データ１２１があれば、実用的なレベルで波高を予測することが可能である。

（６． 処理の流れ）
以下、図４を参照しながら、情報処理装置１００の処理の流れを説明する。図４は、本実施形態に係る情報処理装置１００の処理の流れを示すフローチャートである。

なお、後述の各処理ステップは、処理内容に矛盾を生じない範囲で、任意に順番を変更して若しくは並列に実行することができ、また、各処理ステップ間に他のステップを追加しても良い。更に、便宜上１つのステップとして記載されているステップは複数のステップに分けて実行することもでき、便宜上複数に分けて記載されているステップを１ステップとして実行することもできる。

入力部１１１は、波高の計測器を備えたドローンｄから、各時点における波高の計測値である計測データ１２１を受信し、ＤＢ１２０に格納する（Ｓ４０１）。予測部１１３は当該、各座標地点における波高の時間推移に関する計測データ１２１を読込み（Ｓ４０３）、当該計測データ１２１を用いて目標地点の波高を予測する（Ｓ４０５）。当該予測手法の具体例は、上述したのでここでは説明を省略する。

出力部１１５は、予測部１１３で予測した目標地点の波高を出力する（Ｓ４０７）。当該出力方法は、波高を数値として表示装置や音声として出力することも考えられるし、図３に示したような予想される波高のグラフとして出力することも考えられる。或いは、所定の閾値以上の波高が予測された場合に、警告のための音声や各種信号の出力を行うことも考えられる。

（７． ハードウェア構成の具体例）
以下、図５を参照しながら、情報処理装置１００のハードウェア構成の具体例を説明する。図５に示すように、情報処理装置１００は、制御部５０１と、通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）部５０５と、記憶部５０７と、表示部５１１と、入力部５１３とを含み、各部はバスライン５１５を介して接続される。

制御部５０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ。図示せず）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ。図示せず）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５０３等を含む。制御部５０１は、記憶部５０７に記憶される制御プログラム５０９を実行することにより、一般的なコンピュータに加え、上述した情報処理を実行可能に構成される。例えば、図２を参照しながら説明した入力部１１１、予測部１１３、及び出力部１１５は、ＲＡＭ５０３に一時記憶された上で、ＣＰＵ上で動作する制御プログラム５０９として実現可能である。

また、ＲＡＭ５０３は、制御プログラム５０９に含まれるコードの他、計測データ１２１の一部又は全部を一時的に保持する。更にＲＡＭ５０３は、ＣＰＵが各種処理を実行する際のワークエリアとしても使用される。

通信Ｉ／Ｆ部５０５は、例えばドローンｄとの間で、無線等によりデータ通信を行うためのデバイスである。ドローンｄで計測された計測データ１２１の受信は、例えば通信Ｉ／Ｆ部５０５が逐次行うことができる。

記憶部５０７は、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やフラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体である。記憶部５０７は、一般的なコンピュータとしての機能を実現するためのオペレーティングシステム（ＯＳ）やアプリケーション、及び計測データ１２１等の各種データを記憶する。また記憶部５０７は、制御プログラム５０９を記憶する。前述のとおり、図２に示した入力部１１１、予測部１１３、及び出力部１１５は、制御プログラム５０９により実現することができる。

表示部５１１は、例えば波高などをユーザに提示するためのディスプレイ装置である。表示部５１１の具体例としては、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等が挙げられる。入力部５１３は、操作入力を受け付けるためのデバイスである。入力部５１３の具体例としては、キーボードやマウス、タッチパネル等を挙げることができる。

なお、情報処理装置１００は、表示部５１１及び入力部５１３を必ずしも備える必要はない。また表示部５１１及び入力部５１３は、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やディスプレイポート等の各種インタフェースを介して外部から情報処理装置１００へ接続されても良い。また、スピーカーなどの音声出力部を備えても良い。

（８． 本実施形態に係る効果）
以上説明したように、本実施形態に係る情報処理装置１００は、目標地点の周囲で波高を計測したデータを用いて、当該目標地点の個別波高を予測する。これにより、例えば高波等が到来することを、到来予測時刻の３０秒前等の一定時間前に把握することが可能となる。例えば海洋上で作業を行っている場合には、当該高波到来予測時刻の前後３０秒〜１分程度、海洋上での作業を停止などすれば、安全性を確保することができる。また、必要な時刻周辺の３０秒〜１分などの短い時間帯だけ作業を停止する、などの手法を取ることができるため、作業の効率性を高めることが可能となる。

（９． 付記）
なお、上述の実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしてもよい。また、本発明の構成は上述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。特に、上記（１）〜（４）式はあくまでも一例であり、他の数式を適用することも考えられる。

１ ：観測システム
１００ ：情報処理装置
１１１ ：入力部
１１３ ：予測部
１１５ ：出力部
１２０ ：データベース（ＤＢ）
１２１ ：計測データ
５０１ ：制御部
５０３ ：ＲＡＭ
５０５ ：通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）部
５０７ ：記憶部
５０９ ：制御プログラム
５１１ ：表示部
５１３ ：入力部
５１５ ：バスライン

Claims (6)

1. 目標地点の周囲に空間的に分散させて配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受ける手段と、
   前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測する予測手段と
   を備える情報処理装置。
2. 前記予測手段は、前記目標地点における所定時刻の波高変位を、前記所定時刻の一定時間前までに計測された、前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて予測する、
   請求項１記載の情報処理装置。
3. 前記複数の観測装置は、それぞれ飛行可能な飛行物として実装され、前記飛行物が海洋に着水した後に波高変位を観測する、
   請求項１又は請求項２記載の情報処理装置。
4. 前記予測手段は、前記複数の観測地点における波高の変位とインパルス応答との積を時間的に積分することにより、前記目標地点における波高変位を予測する、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の情報処理装置。
5. 目標地点の周囲に配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受けるステップと、
   前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測するステップと
   を情報処理装置が行う情報処理方法。
6. 目標地点の周囲に配置された複数の観測装置により計測された、複数の観測地点における波高変位の時間経過の入力を受ける処理と、
   前記複数の観測地点における波高変位の時間経過を用いて、前記目標地点における波高変位を予測する処理と
   を情報処理装置に実行させるためのプログラム。