JP2019139731A

JP2019139731A - 航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法

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Publication number: JP2019139731A
Application number: JP2018125553A
Authority: JP
Inventors: ゼリョンジョン; Jaeyong Jeong; ジョンビンイム; Jeongbin Yim; ドゥクジンバク; Deukjin Park
Original assignee: MOKPO NATIONAL MARITIME UNIVERSITY INDUSTRY ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION; Industry Academic Cooperation Foundation of Mokpo National Maritime University
Current assignee: MOKPO NATIONAL MARITIME UNIVERSITY INDUSTRY ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION; Industry Academic Cooperation Foundation of Mokpo National Maritime University
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: US20190251849A1; JP6679665B2; CN110164184A; KR101902730B1

Abstract

【課題】海洋事故予防のために航海士の衝突危機に対する心理的特性を用いて船舶の衝突を回避できるように支援する方法を提供する。【解決手段】相対船舶の情報および本船の情報を用いて二隻の船舶間の相対距離(ＲＤ)と相対方位(ＲＢ)を計算する第１段階と、航海士の衝突危機(ＣＲ)知覚を用いて衝突危機水準(ＣＬ)を推定し、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする第２段階と、船舶領域の距離(ＤＳＤ)とモデルリングされた衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を用いた衝突危機水準(ＣＬ)を計算する第３段階と、二隻の船舶間に衝突危険があると判断するための衝突危機水準(ＣＬ)に該当する心理的な側面の基準値を決定する第４段階と、相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))と心理的な側面の基準値とを比較して衝突危機水準であることを知らせる衝突危機(ＣＲ)警報を発する第５段階とからなる。【選択図】図１１

Description

本発明は、海洋事故予防のために航海士の衝突危機に対する心理的特性を用いて船舶の衝突を回避できるように支援する航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法に関する。

現在、船舶では、ＡＲＰＡ／Ｒａｄａｒ(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＲａｄａｒＰｌｏｔｔｉｎｇＡｉｄｓ／Ｒａｄａｒ)、ＥＣＤＩＳ(ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｈａｒｔＤｉｓｐｌａｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ)、ＡＩＳ(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ)などの様々な電子航海装備を用いて船舶の衝突を探知している。

船舶間の衝突危険性評価では、船舶領域(ＳｈｉｐＤｏｍａｉｎ)理論に基づいて、船舶間の最近接距離(ＤｉｓｔａｎｃｅａｔＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔｏｆＡｐｐｒｏａｃｈ；ＤＣＰＡ)および最近接時間(ＴｉｍｅｔｏｔｈｅＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔｏｆＡｐｐｒｏａｃｈ；ＴＣＰＡ)を用いる。

しかし、船舶領域理論、ＤＣＰＡおよびＴＣＰＡを用いた船舶衝突回避方法には未だ解決できていない色々な問題がある。

また衝突予防のための様々な航法装備を使用しているにもかかわらず衝突事故が頻繁に発生しているが、かかる事故発生の理由は、船舶を操縦する航海士(ＯＯＷ：ＯｆｆｉｃｅｒｏｎｔｈｅＷａｔｃｈ)の心理的特性(特に、船舶の衝突状況時に感じる衝突危機感)が考慮されていないためである。

一般的に危険な状況が発生したか或いは発生すると予想される場合に人間は危機を自覚するが、危機自覚の程度は人様々である。

船舶が互いに衝突する状況が発生すると、航海士は衝突危機(ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＲｉｓｋ：ＣＲ)を自覚すると知られている。

船舶が互いに衝突する遭遇状況が発生する場合、船舶を操縦する航海士は国際海上衝突予防規則(ＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎｏｎｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒＰｒｅｖｅｎｔｉｎｇＣｏｌｌｉｓｉｏｎｓａｔＳｅａ：ＣＯＬＲＥＧ)に基づいて衝突を回避するための一連の動作を取らなければならない。

世界的に海洋事故の７０％以上が海技士の人的ミスによると報告されており、国際海事機関(ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭａｒｉｔｉｍｅＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ：ＩＭＯ)でも人的ミスの深刻性を認知して人的ミス予防のための様々な活動を展開している。

船舶間の衝突状況が発生した場合、航海士が知覚する衝突危機(ＣＲ)は人的ミス予防に重要である。これは、衝突危機(ＣＲ)を分析すると、様々な衝突状況に対して海技士個人または特定航海士グループが知覚する特徴を導出して人的ミスによる海洋事故の予防方案を模索できるためである。

しかし、従来の海技士の人的ミスに関する研究は大部分人的ミスの原因と分類に関し、実際航海中の船舶に適用できる研究はなかった。これは、実際航海中の船舶と海技士を対象とする実験は非常に危険であり、高価の実験費用がかかるためである。このため、航海士が知覚した衝突危機(ＣＲ)を実際船舶の衝突回避または衝突予防に適用した研究がない。

上記問題を解決するために、本発明は、特に船舶の衝突状況時に海技士が感じる衝突危機感と船舶領域理論を用いて船舶の衝突を回避できるように支援する航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法は、海技士の衝突危機に対する心理的特性を用いて船舶衝突を回避できるように支援する方法であって、相対船舶の情報および本船の情報を用いて二隻の船舶間の相対距離(ＲＤ)と相対方位(ＲＢ)を計算する第１段階と、航海士の衝突危機(ＣＲ)知覚を用いて相対距離(ＲＤ)と相対方位(ＲＢ)に対する衝突危機水準(ＣＬ)を推定し、推定結果を３次元座標データに変換する衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする第２段階と、船舶領域の距離(ＤＳＤ)とモデルリングされた衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を用いた衝突危機水準(ＣＬ)を計算する第３段階と、二隻の船舶間に衝突危険があると判断するための基準距離に該当する空間的な側面の基準値および二隻の船舶間に衝突危険があると判断するための衝突危機水準(ＣＬ)に該当する心理的な側面の基準値を決定する第４段階と、相対距離(ＲＤ)と空間的な側面の基準値とを比較して衝突可能距離であることを知らせる船舶領域(ＳＤ)警報を発するか、或いは相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))と心理的な側面の基準値とを比較して衝突危機水準であることを知らせる衝突危機(ＣＲ)警報を発する第５段階とからなる。

好ましくは、第４段階において、相対方位(ＲＢ)に対する船舶領域の距離(ＤＳＤ)を空間的な側面の基準値とし、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)で推定した衝突危機水準(ＣＬ)のうち、相対方位(ＲＢ)に対する船舶領域の距離(ＤＳＤ)に該当する衝突危機水準(ＣＬ(ＤＳＤ))を心理的な側面の基準値とすることができる。

好ましくは、第５段階において、相対距離(ＲＤ)と空間的な側面の基準値とを比較して、相対距離(ＲＤ)が空間的な側面の基準値より大きいと、船舶領域(ＳＤ)の警報を発する。

好ましくは、相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))と心理的な側面の基準値とを比較して、心理的な側面の基準値が相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))より大きいと、衝突危機(ＣＲ)の警報を発する。

好ましくは、第２段階において、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の入力変数は相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)を含み、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の出力変数は連続した相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)に対して推定した衝突危機(ＣＲ)の衝突危機水準(ＣＬ)を含む。

より好ましくは、出力変数はさらに、衝突危機水準(ＣＬ)を３次元複合地図に表示するための座標値を含む。

より好ましくは、第２段階において、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)は極大値(ＧＥＶ)分布の確率密度関数(ｐｄｆ)を用いて入力変数に対する衝突危機水準(ＣＬ)を推定できる。

本発明によれば、船舶領域理由と海技士の心理的な衝突危機水準(ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＬｅｖｅｌ：ＣＬ)を複合的に用いるので、既存の船舶領域理論のみを適用した方法と比較して、衝突回避動作の不履行確率を減少でき、衝突回避または衝突予防の可能性が高くなる。

空間的および心理的な船舶衝突領域を用いた複数の警報機能により、航海士の衝突回避動作実行に対する信頼度が上昇する。

船舶間の相対方位および相対距離によって衝突警報が必要十分かつ相互的に発生するので、海技士の注意力集中と衝突回避動作が相互作用して高度の衝突予防が可能である。

航海士の心理的な衝突危機感を衝突回避方式に適用するので、人的ミスを積極的に予防できる。

衝突回避動作に必要な最小距離が認知でき、平均的な航海士が認知する相対方位と相対距離に対する衝突の危険性を把握することができる。

物理的な空間確保と共に心理的な空間確保が可能であり、次世代航法システム開発に適用可能である。

陸上の海上交通センター(ＶｅｓｓｅｌＴｒａｆｆｉｃＳｙｓｔｅｍ：ＶＴＳ)の管制官に適用して管制官の注意力欠乏による事故予防にも寄与することができる。特に、多数の船舶を同時に管理するＶＴＳに適用する場合、自動的に船舶間の衝突危機を管制官に通報できるので、積極的なセンター支援が可能である。

本発明の一実施形態による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法において、ＣＲＥＭの入出力構造を示すダイヤグラムである。本発明の一実施形態による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法において、ＣＲＥＭに使用されるＧＥＶ分布のｐｄｆ例を示すグラフである。｛Ｘｄａｔａ_ｎ, Ｙｄａｔａ_ｎ｝で示されるＳＤ領域を示すグラフである。サンプリングされた５つの船舶衝突遭遇状況(Ｓ１〜Ｓ５)に対するＥＳ（０≦ＥＳ≦１，０００）データを示すグラフである。５つの船舶衝突遭遇状況(Ｓ１〜Ｓ５)に対して測定したＰＣＲデータを示すグラフである。連続した相対方位ＲＢｕ(ｕ=1,2,3,…,Ｕ)に対して推定した結果を示すグラフである。ＥＳデータとＰＣＲデータをＣＲＥＭに適用して可視化したＣＲ領域を示すグラフである。ＳＤ領域と推定されたＣＲ領域とを比較するためにＳＤ領域とＣＲ領域を重ねて示したグラフである。ＤＳＤの相対距離とＣＬ(ＤＳＤ)の計算結果を示すグラフである。本発明による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法において、ＤＳＤとＣＬ(ＤＳＤ)を用いて衝突危険を知らせるための警報(Ｗａｒｎｉｎｇ)を設定する方法を説明するグラフである。本発明による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避手順を示すダイヤグラムである。

本発明の他の目的、特徴および利点は、本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

以下、本発明は、図面に示された実施例を参考に説明されるが、これは一つの実施例として説明されるものであり、これによって本発明の技術的思想とその核心構成および作用が制限されるものではない。

以下、図面を参照しながら、本発明による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法について詳細に説明する。

本発明では船舶が互いに衝突する遭遇状況において当直の海技士が感じる衝突危機(ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＲｉｓｋ：ＣＲ)を用いる。

衝突危機(ＣＲ)を推定するために衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を用いるが、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)は、一般化された極大値(ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＥｘｔｒｅｍｅｌｙＶａｌｕｅ：ＧＥＶ)分布の確率密度関数(ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎ：ｐｄｆ)の形状自体を用いて構成される。

またＣＲＥＭを用いて船舶間の相対方位および相対距離に対する衝突危機水準(ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＬｅｖｅｌ：ＣＬ)を推定する。

次に、２次元直交座標と極座標および３次元等高線地図 (ｃｏｎｔｏｕｒｍａｐ)を混合した３次元複合地図に、推定された衝突危機水準(ＣＬ)に対する衝突危機領域(ＣＲｄｏｍａｉｎ)を表示する。

衝突危機領域(ＣＲｄｏｍａｉｎ)を船舶領域(ＳｈｉｐＤｏｍａｉｎ：ＳＤ)と比較して、これらの領域の差を算出する。算出された値を衝突危機判断のための基準値として設定する。基準値の設定については後述する。

本発明において、衝突の可能性は、二隻の船舶が互いに接近している場合、航海士が感じる衝突危機水準(ＣＬ)と船舶領域(ＳＤ)の距離を用いて判断する。

ここで、船舶が互いに衝突する遭遇状況に近接した時に発生する海技士の衝突危機(ＣＲ)を衝突危機水準(ＣＬ)と推定し、３次元複合地図に表示された船舶領域(ＳＤ)および衝突危機水準(ＣＬ)を通じて衝突の可能性を空間的に表す。

このように本発明では物理的な要素(距離、速度、方位など)だけではなく、人間の認知的知覚要素を空間化した因子を衝突回避のために使用する。

船舶の衝突回避のための概念の一つである船舶領域(ＳＤ)理論は、船舶が衝突を回避するために必要な十分な空間的な領域を確保するための物理的な概念である。

船舶領域(ＳＤ)理論のために、レーダー、ＡＲＰＡ(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＲａｄａｒＰｌｏｔｔｉｎｇＡｉｄｓ)、ＥＣＤＩＳ(ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｈａｒｔＤｉｓｐｌａｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ)などの衝突回避を支援する電子航海装備を使用する。

本発明では、船舶間の最近接距離(ＤｉｓｔａｎｃｅａｔＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔｏｆＡｐｐｒｏａｃｈ：ＤＣＰＡ)および最近接時間(ＴｉｍｅｔｏｔｈｅＣｌｏｓｅｓｔＰｏｉｎｔｏｆＡｐｐｒｏａｃｈ：ＴＣＰＡ)などの空間的な領域を算出するための船舶領域(ＳＤ)理論に、さらに航海士が知覚した衝突危機(ＣＲ)から算出される衝突に対する状況認識(ＳｉｔｕａｔｉｏｎＡｗａｒｅｎｅｓｓ：ＳＡ)を適用する。すなわち、本発明では船舶領域(ＳＤ)理論および衝突危機(ＣＲ)と状況認識(ＳＡ)の関係を通じて船舶の衝突回避を支援する。

海技士が知覚する衝突危機(ＣＲ)を予測することが重要であり、衝突危機(ＣＲ)を予測するために衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を使用する。

航海士が知覚する衝突危機(ＣＲ)は、航海士に質問調査したり海技士に特定装置を付着して危険状況時の心臓拍動数や血圧などを測定したりして収集できる。

収集された衝突危機(ＣＲ)データは特定状況をサンプリングした離散的なデータ形態であるので、連続した入力に対して所望のデータ形態で出力できる衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を用いる。

本発明では連続した入力に対して離散的な衝突危機(ＣＲ)データを用いて連続した衝突危機水準(ＣＬ)を推定することができ、この推定結果を３次元座標データに変換するための衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする。

図１は、本発明の一実施形態による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法において、ＣＲＥＭの入出力構造を示すダイヤグラムである。

図１に示したように、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の入力変数は、船舶間に発生する相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)であり、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の出力変数は、連続した相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)に対して推定した衝突危機(ＣＲ)の衝突危機水準(ＣＬ)と衝突危機水準(ＣＬ)の可視化のためのＸ、Ｙ座標値である。

特に、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)は、予め推定された極大値(ＧＥＶ)分布のパラメータを用いて入力変数に対する衝突危機水準(ＣＬ)を推定する。この時、推定された結果は相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)に対して一定程度の誤差(或いはノイズ)を有することができる。

以下、衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする手順についてより具体的に説明する。

本発明においては、サンプリングした衝突危機(ＣＲ)データの特徴のため、最大値(ＧＥＶ)分布の確率密度関数(ｐｄｆ)を用いる。

最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆは、数式１のように与えられた標準正規(ｓｔａｎｄａｒｄｎｏｒｍａｌ)データχに対して、形状パラメータ(ｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒ)γ、位置パラメータ(ｌｏｃａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ)μ、スケールパラメータ(ｓｃａｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒ)σなどで定義でき、数式１の最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆは、数式２のようにＧＥＶｐ（０≦ｐ≦１）で簡単に表すことができる。

図２は、数式２を用いて計算した最大値(ＧＥＶ)関数のｐｄｆの例を示すグラフであり、χ＝-３．０〜３．０、γ＝−０．７、μ＝０．０、σ＝１．０などを数式２に適用した場合のＧＥＶｐである。

図２において、ボックスは最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆ（ＧＥＶｐ）の左側限界から最大確率を示す右側限界までを示したものであり、最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆを衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)に適用する方法を説明するためのものである。図２において、ｘ軸は標準正規データχであり、ｙ軸は最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆの確率密度値である。

図２のボックス内に表示されたＡ、Ｂ、Ｃの意味は以下の通りである。Ａは、χ＝−３．０からＧＥＶｐが最大になるχまでの標準正規データであり、ＢはＧＥＶｐの勾配であり、Ｃはχに対するＧＥＶｐ値である。本発明では最大値(ＧＥＶ)分布のｐｄｆにおいて、上述した３つの特性Ａ、Ｂ、Ｃを用いて衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする。

衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)のモデルリングは、以下の４つの段階からなる。

まず、i(i＝１,２,３,…,I)の各々の相対方位(ＲＢ)に対するｊ(j=１，２，３,…,J)の相対距離(ＲＤ)で測定した衝突危機をＣＲ_i,jで表すと、ＣＲ_i,jはＩ−ｂｙ−Ｊの次元を有するマトリックス形態になる。衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の式を簡単に展開するために、ＣＲ_i,jにおいて任意のｉに対する衝突危機(ＣＲ)をＤ_jと定義する。

第１段階(曲線近似)
数列の長さｊ(j＝１，２，３,…,J)を有する相対距離(ＲＤ)Ｒ_ｒｊで測定したサンプルデータＤ_ｊに最適近似するｂ次の多項係数ａ（Ｒ_ｒｊ）は数式３の通りであり、数式４のようにａ（Ｒ_ｒｊ）を用いて数列の長さｎ(ｎ＝１，２，３,…,Ｎ)を有するＤ_ｎを推定することができる。

第２段階(最大値(ＧＥＶ)分布に対するｐｄｆのパラメータ推定)
Ｄ_ｎに最適した最大値(ＧＥＶ)分布に対するｐｄｆのパラメータセット{γ、μ、σ}を表１の探索範囲で推定する。表１は数列の長さｗ(ｗ＝１，２，３,…,Ｗ)を有する標準正規データχ_ｗと{γ、μ、σ}の探索範囲(左側限界値は下付き文字ＬＴ、右側限界値は下付き文字ＲＴで表示する)を表す。

表１に表されたχ_ｗと{γ、μ、σ}を数式２に適用すると、数列の長さｗを有する最大値(ＧＥＶ)分布に対するｐｄｆのＰ_ｗを得ることができる。ここで、モデルに適用する最大値(ＧＥＶ)分布に対するｐｄｆは、図２に示したように、Ｎ個の数列の長さを有するＤ_ｎに最適近似できるＰ_ｗの一部を推定することであるので、Ｗ≧Ｎの条件が必要である。表１の探索範囲は、このような条件を予め考慮して決定したものであり、μ＝0.0と固定してγとμを探索する。

まず、数列の長さをｗ＝Ｗと固定した標準正規データχ_ｗに対して{γ_ｑ、μ、σ_ｖ}を表１の範囲で変化させたときの最大値(ＧＥＶ)分布に対するｐｄｆ、Ｐ_ｑ,ｖ,ｗを数式５を用いて計算する。

また、数式４のＲＤ_ｎにおいて、ＭａｘＤ_ｑ、ｖの時のＬ_ｑ、ｖの長さに該当する最小相対距離ＭｉｎＲＤ_ｑ、ｖを数式９から求める。

即ち、数式３〜数式１１を用いて相対距離Ｒ_ｒｊで測定したサンプルデータＤ_ｊに対するＧＥＶ分布ｐｄｆのパラメータを推定する。

第３段階(推定したパラメータ補間)
上述した第２段階で推定した結果は、離散的な相対方位θ_i(i＝１，２，３,…,Ｉ)に対するものであるので、連続した相対方位ＲＢ_ｕ（ｕ＝１，２，３,…,Ｕ）に対するモデルパラメータが必要である。

本発明では以下のような補間を用いて連続したパラメータを推定する。

補間はＭａｔｌａｂコード‘Ｏｕｔｐｕｔｓ＝ｉｎｔｅｒｐ１(Ｖａｒ１、Ｖａｒ２、Ｖａｒ３、‘ｐｃｈｉｐ’)’用いることをできる。

‘ｉｎｔｅｒｐ１’は１次元補間を意味し、Ｖａｒ１、Ｖａｒ２およびＶａｒ３は入力変数である。‘ｐｃｈｉｐ’はＰｉｅｃｅｗｉｓｅＣｕｂｉｃＨｅｒｍｉｔ(ＰＣＨ)補間を意味し、本発明においては、与えられたデータの特性を最大限維持するためにＰＨＣ補間を適用する。

表２は連続したモデルパラメータを得るためのＰＨＣ補間に適用されたＭａｔｌａｂコードを表す。

第４段階(連続した方位に対する計算)
表２の補間結果を用いて相対方位ＲＢ_ｕを推定すると、以下の通りである。

ここで、ｒａｄＲＢ_ｕ＝（９０−ＲＢｕ/１８０）π(ｒａｄｉａｎ)でｘ−ｙ直交座標系において方位９０°(即ち、ｘ＝０、ｙ＝+Ｙ)を基準方位０°としており、π＝３．１４である。

以下、上述した衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)のモデルリングに適用されたＳＤ(ＳｈｉｐＤｏｍａｉｎ)データ、ＥＳ(ＥｍｏｔｉｏｎａｌＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ)データおよびＰＣＲ(ＰｅｒｃｅｉｖｅｄＣＲ)データについて説明する。

ＳＤデータは船舶の遭遇状況により衝突回避に必要な余裕空間を定義するためのものであって、理論的な概念をコンピューターで計算した距離データである。ＥＳデータは制限された水域において船舶航海士の船舶操縦の難しさを測定するためのものであって、船舶操縦シミュレーションを用いて船舶の衝突遭遇状況に対して測定したデータである。ＰＣＲデータは海技士が衝突状況に対して知覚する危機感を測定するためのものである。

ＳＤデータはＳＤスケールを測定後、連続した方位に対する距離に変換したものであり、半径Ｃｒを有するの円の中心に仮想船舶(Ｐｈａｎｔｏｍｓｈｉｐ)を配置し、実際の船舶(Ｒｅａｌｓｈｉｐ)を円の中心からｘ軸、ｙ軸に一定距離オフセットさせた形態である。

ＳＤデータの計算手順は以下の通りである。

まず、極座標を直交座標に変換させるＭａｔｌａｂコード‘｛Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ｝＝ｐｏｌ２ｃａｒｔ(θｒａｄ_ｎ、Ｃｒ)’を用いてｎ個の直交座標データセット｛Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ｝を計算する。ここで、θｒａｄ_ｎは方位θ_ｎ（０≦θ_ｎ≦３６０）について数式２２を用いて３６０°方位表示法で計算したラジアン(ｒａｄｉａｎ)単位の方位である。

ここで、θ_ｎ（ｎ＝１，２，３,…,Ｎ）は０°から３６０°までをＮ個に区分した方位であり、π＝３．１４である。

ＳＤデータセット｛Ｘｄａｔａ_ｎ、Ｙｄａｔａ_ｎ｝は以下のように計算できる。

ここで、Ｘ_offsetはｘ軸のオフセット値(２８７．０６ｍ)であり、Ｙ_offsetはｙ軸のオフセット値(８６４．２７ｍ)である。

図３は｛Ｘｄａｔａ_ｎ、Ｙｄａｔａ_ｎ｝で示されたＳＤ領域を示したものである。ｘ軸、ｙ軸は１８５２ｍの単位で表示した距離であり、座標の中心(Ｏ)から最大距離(ｍａｘＲ)となる１８．４°方向にオフセットされた円までの空間がＳＤ領域になる。図３においては、本船の船首方位を０°として時計方向に３６０°まで表す３６０°方位表示法を適用し、国際海里(ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｎａｕｔｉｃａｌｍｉｌｅ、ＮＭ)の１．０ＮＭに該当する１，８５２ｍを距離の単位として適用したものである。本発明においては、０°から１８０°まで太い線で表示したＳＤの右側半円をＣＲ領域との比較分析に適用する。

ＥＳ(ＥｍｏｔｉｏｎａｌＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ)データは、船舶が衝突する遭遇状況において航海士が知覚する危険の程度を船舶操縦シミュレーションを用いて測定したデータである。

図４はサンプリングされた５つの船舶衝突遭遇状況(Ｓ１〜Ｓ５)に対するＥＳ(０≦ＥＳ≦１，０００)データを示す。

図４において、Ｓ１〜Ｓ５は二隻の船舶が互いに相対方位０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°から遭遇して衝突する状況を示している。図４のデータは一定間隔に区分された相対距離に対するＥＳ値を算出したものであり、ＥＳ値の変化が大きい相対距離は間隔を狭めてサンプリングしている。

図４に示したように、相対距離０ｍから１．７５（×１８５２）ｍまでは他の遭遇状況に比べてＳ４に対するＥＳ値が大きく、その後はＳ５のＥＳ値が大きい。また５つの遭遇状況において、最大ＥＳ値に到達する相対距離が各々異なる。図４に示したように、ＥＳデータは３つの特徴Ａ、Ｂ、Ｃから代表できる。即ち、Ａは最大ＥＳ値が示す最小相対距離、Ｂは相対距離によるＥＳ値の増減の変化様態、Ｃは相対距離に対するＥＳ値である。

ＰＣＲデータは実際の艦艇で測定したＣＲＰＩを参照して得たデータである。図５は、５つの船舶衝突遭遇状況(Ｓ１〜Ｓ５)に対して測定したＰＣＲデータを示す。図５においてＳ１〜Ｓ５は二隻の船舶が互いに相対方位０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°から遭遇して衝突する状況を示している。図４のＥＳデータと同様に、ＰＣＲデータも３つの特徴Ａ、Ｂ、Ｃから代表できる。

図７の左側グラフはＥＳデータをＣＲＥＭに適用して示した領域であり、右側グラフはＰＣＲデータをＣＲＥＭに適用して示した領域である。

従って、ＥＳデータとＰＣＲデータの両方とも、相対方位１３５°付近から発生する船舶遭遇状況が他の遭遇状況に比べて同じ程度の衝突危機水準がもっと早く見られる。

反面、図７の右側グラフに示されたＰＣＲデータの場合、相対距離の減少に従って衝突危機水準が均等に増加している。従って、ＥＳデータの場合、相対方位１３５°付近を除いて、相対距離がある程度減少した後からは衝突危機水準が急激に増加し、ＰＣＲデータの場合、相対距離に対してほぼ一定のサイズで衝突危機水準が見られる。

図８は、ＳＤ領域と推定されたＣＲ領域とを比較するためにＳＤ領域とＣＲ領域を重ねて示したグラフである。

図７では座標の中心を３(×１８５２)ｍとしたが、図８では座標の中心を０ｍとしている。図８は座標中心を０ｍとしてＳＤ領域とＣＲ領域を重ねて示している。図８に示されたＳＤ領域は、ＣＲ領域と視覚的に容易に比較するために、ＳＤの半径を２倍増加させている。

上述したＳＤ領域とＥＳおよびＰＣＲデータを用いたＣＲ領域との比較結果を要約すると、ＳＤ領域とＥＳデータに対するＣＲ領域の場合、ＳＤは相対方位３０°付近でもっと広い空間が割り当てられるが、ＣＲ領域の場合は、相対方位１３５°付近でもっと広い衝突危機水準の空間が見られる。ＳＤ領域とＰＣＲデータに対するＣＲ領域の場合にも、ＣＲ領域が相対方位１３５°付近に衝突危機水準の分布形態が偏重している。ＥＳデータに対するＣＲ領域とＰＣＲデータに対するＣＲ領域は両方とも、相対方位１３５°付近で同じサイズの衝突危機水準がより遠い距離で見られる。従って、ＳＤでは相対方位３０°付近にもっと広い空間が割り当てられ、ＥＳとＰＣＲに対するＣＲ領域の場合は、相対方位１３５°付近にもっと広く衝突危機水準が分布される。

以上のようにモデルリングされたＣＲＥＭを用いてＥＳデータとＰＣＲデータに対するＣＲ領域を３次元座標に表示すると、ＳＤとは逆の現象が見られる。即ち、ＳＤは相対方位３０°付近に広い空間が形成され、ＣＲ領域の場合は相対方位１３５°付近にもっと広い知覚空間が形成される。これは、実際船舶衝突回避のためのＳＤの地理学的空間と航海士が知覚するＣＲの心理的空間とが互いに異なることを意味し、船舶を操縦する海技士の心理的空間と実際の船舶衝突回避のための地理学的空間を一緒に考慮しなければならないことを意味する。

以下、衝突危機判断のための基準値の設定とこの基準値を用いた衝突危険判断の例について説明する。本発明では空間的な側面の基準値と心理的な側面の基準値を含む２種類の基準値を使用する。

空間的な側面の基準値を設定するためには、船舶間に衝突の危険があると判断するための基準距離が必要であるが、本発明では相対方位に対するＳＤの距離を基準距離(ＤＳＤ)とする。また船舶間の相対距離(ＲＤ)とその基準値を比較してＲＤ＞ＤＳＤの場合、衝突の危険があると判断する。

心理間的な側面の基準値を設定するためには、衝突の危険があると判断するための衝突危機水準(ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＬｅｖｅｌ：ＣＬ)の基準が必要であるが、本発明では上述したＣＲＥＭで推定したＣＬのうち、相対方位(ＲＢ)に対する基準距離(ＤＳＤ)に該当するＣＬを衝突危機水準の基準(ＣＬ(ＤＳＤ))とする。また心理的な側面の基準値を相対距離(ＲＤ)に対するＣＬ、即ちＣＬ(ＲＤ)に比べて、ＣＬ(ＤＳＤ)＞ＣＬ(ＲＤ)の場合、衝突水準が基準値を超えたと判断する。

以下、基準値を用いた衝突危険に対する判断結果に基づいて警報を設定する方法について説明する。

図１０は本発明による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法において、ＤＳＤとＣＬ(ＤＳＤ)を用いて衝突危険を知らせるための警報を設定する方法を説明するグラフである。

図１０に示されているように、本発明では３つの状況(ケース１、ケース１、ケース３)に対して警報を設定する例を説明する。

ケース１：本船と相対船舶が相対方位４０°から衝突遭遇状況になった場合である。両船舶間の相対距離が減少してＤＳＤを通過する瞬間、ＳＤＷ１(ケース１の状況に対するＳＤの警報を意味)が発し、相対距離が減少し続けてＣＬ(ＤＳＤ)の衝突危機水準を通過する瞬間、ＣＲＷ１(ケース１の状況に対するＣＲの警報を意味)を発する。従って、航海士は２つの警報を聞くことができる。まず、海技士はＳＤＷ１により両船舶間の相対距離が衝突回避動作を行わなければならない程度に近づいたことを認知して衝突回避のための船舶操縦を実施できる。もし航海士が衝突回避動作を行わなかった場合、２回目の警報(ＣＲＷ１)が発されて衝突に直面したことを再度認識できる。

ＤＳＤだけではなくＣＬ(ＤＳＤ)まで適用すると、たとえＤＳＤだけでは衝突回避動作に失敗しても、ＣＲＷ１により衝突回避動作を行う機会が海技士に再度与えられるだけではなく、航海士の注意喚起水準を向上させることができる。これにより衝突事故を予防できる。

ケース２：本船と相対船舶が相対方位約８５°から衝突遭遇状況になった場合である。両船舶間の相対距離が減少してＤＳＤとＣＬ(ＤＳＤ)を通過する瞬間、ＳＤＷ２とＣＲＷ２が同時に発される。衝突回避に必要な空間的な距離だけではなく、危険水準であることを海技士に同時に知らせることができるので、衝突回避動作が必要な状況であることを認識させ、航海士の注意力も同時に向上させることができる。

ケース３：本船と相対船舶とが相対方位約１４０°から衝突遭遇状況になった場合である。特徴的には警報がケース１とは逆に発される。両船舶間の相対距離が減少してＣＬ(ＤＳＤ)を通過する瞬間、ＣＲＷ３が発されて衝突の危険性があることを知らせる。相対距離が減少し続けてＤＳＤを通過する瞬間、ＳＤＷ３が発されて衝突回避動作が必要な時期であることを知らせる。これにより、衝突回避動作を行う前にＣＲＷ３により海技士の注意力を向上させて、ＳＤＷ３が発された時の衝突回避動作の不履行を防止することができる。

図１１は本発明による航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避手順を示すダイヤグラムであり、本発明による方法では、船舶自動識別装置(ＡｕｔｏｍａｔｉｃＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ：ＡＩＳ)を使用する。

図１１に示されているように、船舶に設けられたＡＩＳを用いて相対船舶の情報(ＡＩＳデータ)を受信する(ステップ１)。

次は、相対船舶の情報(ＡＩＳデータ)および本船の情報を用いて二隻の船舶間の相対距離(ＲＤ)と相対方位(ＲＢ)を計算する(ステップ２)。

ＳＤの距離(ＤＳＤ)およびモデルリングされたＣＲＥＭを用いた衝突危機水準(ＣＬ)を計算する(ステップ３)。

ＲＤとＤＳＤを比較して、ＲＤがＤＳＤより大きいと、衝突可能距離であることを知らせるＳＤ警報を発し(ステップ４，５)、これらに対する適切な衝突回避動作を行う(ステップ６)。

ＲＤがＤＳＤより大きくないと、上述したステップ１〜ステップ３を繰り返す。

さらにＣＬ(ＤＳＤ)とＣＬ(ＲＤ)を比較して、ＣＬ(ＤＳＤ)がＣＬ(ＲＤ)より大きいと、衝突危機水準が基準値を超えたことを知らせるＣＲ警報を発し(ステップ４，５)、最大の注意力を集中して状況認識の程度を増加させる(ステップ６)。

ＣＬ(ＤＳＤ)がＣＬ(ＲＤ)より大きくないと、上述したステップ１〜ステップ３を繰り返す。

以上、本発明は、限定された実施形態と図面により説明されたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有した者であればこのような記載から多様な修正および変形が可能である。

従って、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められねばならない。

Claims

海技士の衝突危機に対する心理的特性を用いて船舶衝突を回避できるように支援する方法であって、
相対船舶の情報および本船の情報を用いて二隻の船舶間の相対距離(ＲＤ)と相対方位(ＲＢ)を計算する第１段階と、
航海士の衝突危機(ＣＲ)知覚を用いて前記相対距離(ＲＤ)と前記相対方位(ＲＢ)に対する衝突危機水準(ＣＬ)を推定し、推定結果を３次元座標データに変換する衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)をモデルリングする第２段階と、
船舶領域の距離(ＤＳＤ)と前記モデルリングされた衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)を用いた前記衝突危機水準(ＣＬ)を計算する第３段階と、
二隻の船舶間に衝突危険があると判断するための基準距離に該当する空間的な側面の基準値および二隻の船舶間に衝突危険があると判断するための衝突危機水準(ＣＬ)に該当する心理的な側面の基準値を決定する第４段階と、
前記相対距離(ＲＤ)と前記空間的な側面の基準値とを比較して衝突可能距離であることを知らせる船舶領域(ＳＤ)警報を発するか、或いは前記相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))と前記心理的な側面の基準値とを比較して衝突危機水準であることを知らせる衝突危機(ＣＲ)警報を発する第５段階と、からなることを特徴とする航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第４段階は、前記相対方位(ＲＢ)に対する船舶領域の距離(ＤＳＤ)を前記空間的な側面の基準値とすることを特徴とする請求項１に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第４段階は、前記衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)で推定した衝突危機水準(ＣＬ)のうち、前記相対方位(ＲＢ)に対する船舶領域の距離(ＤＳＤ)に該当する衝突危機水準(ＣＬ(ＤＳＤ))を前記心理的な側面の基準値とすることを特徴とする請求項１に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第５段階は、前記相対距離(ＲＤ)と前記空間的な側面の基準値とを比較して、前記相対距離(ＲＤ)が前記空間的な側面の基準値より大きいと、前記船舶領域(ＳＤ)の警報を発することを特徴とする請求項１に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第５段階は、前記相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))と前記心理的な側面の基準値とを比較して、前記心理的な側面の基準値が前記相対距離(ＲＤ)に対する衝突危機水準(ＣＬ(ＲＤ))より大きいと、前記衝突危機(ＣＲ)の警報を発することを特徴とする請求項１に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第２段階において、前記衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の入力変数は前記相対方位(ＲＢ)と前記相対距離(ＲＤ)を含み、前記衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の出力変数は連続した相対方位(ＲＢ)と相対距離(ＲＤ)に対して推定した衝突危機(ＣＲ)の前記衝突危機水準(ＣＬ)を含むことを特徴とする請求項１に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第２段階において、前記衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)の前記出力変数はさらに、前記衝突危機水準(ＣＬ)を３次元複合地図に表示するための座標値を含むことを特徴とする請求項６に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。
前記第２段階において、前記衝突危機予測モデル(ＣＲＥＭ)は極大値(ＧＥＶ)分布の確率密度関数(ｐｄｆ)を用いて前記入力変数に対する前記衝突危機水準(ＣＬ)を推定することを特徴とする請求項６に記載の航海士の心理的特性を用いた船舶の衝突回避方法。