JP2020134241A - 水上移動物体の監視方法及び監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】水上の障害物が多い水域や水中の濁度が高い水域でも水上移動物体の監視を正確に行う手段を提供する。【解決手段】スキャニングソナー１２は、鉛直軸周りに回転しながら音響ビームを送波し、その音響ビームの反射波を受波する。スキャニングソナー１２は、送波する音響ビームが水面２に向かうように水中に設置される。スキャニングソナー１２は、音響ビームの送波の方向、音響ビームを送波してからその反射波を受波するまでの時間、受波した反射波の強度を示すエコーデータを継続的に画像処理装置１３に出力する。画像処理装置１３はエコーデータに基づきエコー画像を生成し、エコー画像から物体を認識し、認識した物体のうち時間の経過に伴い位置が変化する物体を水上移動物体として認識する。【選択図】図１

Description

本発明は、水上移動物体の監視方法及び監視システムに関する。

港湾工事において行われるブロックの据え付け等の吊り作業は、作業船と潜水士によって行われる。この際に一般航行船舶が工事水域に侵入すると、航跡波等により吊り荷が動揺して潜水士が吊り荷に接触するという危険性がある。そのため、工事水域に侵入する一般航行船舶を、レーダを設置して監視することが行われている。

特許文献１には、水中又水上に設置した水中レーダ、集音マイク等を用いて水域を監視するシステムが記載されている。

特開２００５−１８１１９９号公報

港湾工事において、夜間や視界不良等を考慮し、水上に設置したレーダを用いて一般船舶等の水上移動物体（漂流物を含む）を監視する場合、レーダより高い位置にある灯台や作業船のクレーン、スパッド等が障害物となり、対象とする水上移動体を捕捉できない場合がある。また、水中にレーダや光学カメラを設置して監視する構成は、水中の濁度が高い水域には適していない。

上記の背景に鑑み、本発明は、水上の障害物が多い水域や水中の濁度が高い水域でも水上移動物体の監視を可能とする手段を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明は、水平方向よりも鉛直方向に大きく広がる扇形状の音響ビームを送波する送波部と当該音響ビームの反射波を受波する受波部とを有する送受波部と、鉛直軸周りに前記送受波部を回転させる回転部と、を備えるスキャニングソナーを、水中に設置する工程と、前記送受波部が回転している状態で、前記送波部が水面に向けて音響ビームを送波し、前記受波部が当該音響ビームの反射波を受波する工程と、前記送受波部が送受波した音響ビーム及び当該音響ビームの反射波に関するデータに基づき、継続的にエコー画像を生成する工程と、前記エコー画像から、前記送波部から送波される音響ビームの到達範囲内に存在する水上移動物体を認識する工程とを備える水上移動物体の監視方法を第１の態様として提供する。

第１の態様の水上移動物体の監視方法によれば、水上の障害物が多い水域や水中の濁度が高い水域でも水上移動物体の監視を行うことができる。

第１の態様の水上移動物体の監視方法において、前記認識する工程において認識された水上移動物体の位置に基づき、通知の要否を判定する工程と、通知が必要と判定された場合に通知のための所定の処理を行う工程とを備える、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様の水上移動物体の監視方法によれば、監視者等は水上移動物体の危険領域への接近を知ることができる。

また、本発明は、水平方向よりも鉛直方向に大きく広がる扇形状の音響ビームを送波する送波部と当該音響ビームの反射波を受波する受波部とを有する送受波部と、鉛直軸周りに前記送受波部を回転させる回転部とを備え、前記送波部が送波する音響ビームが水面に向かうように水中に設置されるスキャニングソナーと、前記送受波部が送受波した音響ビーム及び当該音響ビームの反射波に関するデータに基づき、継続的にエコー画像を生成する画像生成手段と、前記エコー画像から、前記送波部から送波される音響ビームの到達範囲内に存在する水上移動物体を認識する画像認識手段とを備える水上移動物体の監視システムを第３の態様として提供する。

第３の態様の水上移動物体の監視システムによれば、水上の障害物が多い水域や水中の濁度が高い水域でも水上移動物体の監視を行うことができる。

第３の態様の水上移動物体の監視システムにおいて、前記画像認識手段により認識された水上移動物体の位置に基づき、通知の要否を判定する判定手段と、前記判定手段により通知が必要と判定された場合に通知のための所定の処理を行う通知手段とを備える、という構成が第４の態様として採用されてもよい。

第４の態様の水上移動物体の監視システムによれば、水上の障害物が多い水域や水中の濁度が高い水域でも、監視者等は水上移動物体の危険領域への接近を知ることができる。

一実施形態に係る監視システムの全体構成を示した図。 一実施形態に係るスキャニングソナーと画像処理装置の構成を示したブロック図。 一実施形態に係る監視システムにおける監視範囲を示した図。 一実施形態に係る監視方法のフローを示した図。 一実施形態に係る画像処理装置が表示する画像を例示した図。

［実施形態］
以下に本発明の一実施形態に係る水上移動物体の監視システム１及び監視システム１を用いて行われる水上移動物体の監視方法を説明する。

図１は、監視システム１の全体構成を模式的に示した図である。監視システム１は、水面２上に浮かぶ作業船９の下方の水底３上に設置されているスキャニングソナー１２と、作業船９に設置されている画像処理装置１３と、作業船９とスキャニングソナー１２を接続するケーブル１４と、スキャニングソナー１２を水底３上で所定の姿勢で保持する設置用架台１５を備える。

ケーブル１４は、通信ケーブルと電源ケーブルを含む複合ケーブルである。ケーブル１４に含まれる通信ケーブルは、スキャニングソナー１２と、作業船９に設置されている画像処理装置１３を接続し、スキャニングソナー１２と画像処理装置１３との間で送受信されるデータの通信経路を形成する。ケーブル１４に含まれる電源ケーブルは、スキャニングソナー１２と、作業船９に設置されている電力供給源（図示略）を接続し、電力供給源からスキャニングソナー１２への電力の供給経路を形成する。

図２は、スキャニングソナー１２と画像処理装置１３の構成を示したブロック図である。

スキャニングソナー１２は、送受波部１２０と、回転部１２３と、データ出力部１２４とを備える。送受波部１２０は、送波部１２１と受波部１２２とを備える。送波部１２１は、水中に、水平方向より鉛直方向に大きく広がる扇形状の音響ビームＢを一定周期で継続的に送波する。受波部１２２は、送波部１２１から送波された後、物体に当たり反射してスキャニングソナー１２に向かう音響ビームＢの反射波を継続的に受波する。

回転部１２３は、音響ビームＢを一定周期で継続的に送波している送波部１２１と、それらの音響ビームＢの反射波を継続的に受波している受波部１２２とを鉛直軸の周りに回転させる。スキャニングソナー１２は、回転軸が一定となる姿勢を保つように、設置用架台１５により保持されている。

図３は、スキャニングソナー１２から送波される音響ビームＢが到達する範囲である監視範囲Ａを示した図である。回転部１２３により鉛直軸周りに回転される送波部１２１から継続的に送波される扇形状の音響ビームＢは、図３に示される３Ｄ形状の監視範囲Ａに到達する。なお、本願において音響ビームＢの到達は、送波部１２１から送波された音響ビームＢが物体に当たり反射して受波部１２２に受波される場合の物体への到達を意味する。

監視範囲Ａが水面２と接する範囲は、水面２内のスキャニングソナー１２の直上の点を中心とする半径Ｄ₁の円形から半径Ｄ₀の円形を除いたドーナツ形状となる。半径Ｄ₁は、音響ビームＢの最大到達距離である。半径Ｄ₀は、音響ビームＢの仰角の最大値と水深（スキャニングソナー１２から水面２までの鉛直距離）により定まる距離である。半径Ｄ₀の円形の内側の範囲は、監視システム１により水面２上にある物体を監視できない死角範囲となる。すなわち、監視システム１が水面２上にある物体を監視できる範囲は、監視範囲Ａが水面２と接するドーナツ形状の範囲となる。

図３に示されるように、スキャニングソナー１２は、音響ビームＢが鉛直方向に扇形状に広がって水面２に到達するように設置されている。そのため、死角範囲が必要最小限になり、監視範囲Ａが広く確保される。

図３に示される監視範囲Ａは、回転部１２３が送受波部１２０を鉛直軸周りに３６０度、回転させる場合に形成される監視範囲Ａである。回転部１２３は、送受波部１２０を鉛直軸周りに３６０度、回転させる代わりに、送受波部１２０を３６０度未満の所定の角度の範囲内で往復移動するように回転させることもできる。

図２を参照し、スキャニングソナー１２の構成の説明を続ける。送波部１２１は、各々が特定の周波数（例えば、超音波域）で音響ビームを発する複数の振動子を有している。送波部１２１が有する複数の振動子は、それらが同時に発する音響ビームが全体として水平方向よりも鉛直方向に大きく広がる扇形状の水面２に向かう音響ビームＢとなるように、配列されている。

受波部１２２は、送波部１２１で送波した信号が、水面２上の海上移動物や波などの凹凸にぶつかって戻ってくる反射波を受信する。データ出力部１２４は、送受波部１２０が送受波した音響ビームＢと当該音響ビームＢの反射波に関するデータであるエコーデータを生成する。エコーデータは、具体的には、送波部１２１から送波された音響ビームＢの方向と、その音響ビームＢが送波されてからその反射波が受波部１２２により受波されるまでの時間と、その反射波の強度とを示すデータである。データ出力部１２４は、継続的に生成するエコーデータを順次、画像処理装置１３に出力する。

続いて、画像処理装置１３の構成を説明する。本実施形態において、画像処理装置１３はディスプレイを備えるコンピュータが本実施形態に係るプログラムに従うデータ処理を実行することにより実現される。なお、画像処理装置１３の実現に用いられるコンピュータが備えるディスプレイは、コンピュータ本体に内蔵されてもよいし、コンピュータ本体に通信ケーブルで接続される外付の装置であってもよい。

画像処理装置１３は、画像生成部１３１と、画像認識部１３２と、判定部１３３と、表示部１３４を備える。

画像生成部１３１は、スキャニングソナー１２のデータ出力部１２４から出力されるエコーデータを、ケーブル１４を介して受信する。画像生成部１３１は、エコーデータに基づいて、監視範囲Ａ内の水面２上に存在する物体の形状（範囲）と位置とを表すエコー画像を継続的に生成する。表示部１３４は、画像生成部１３１により生成されたエコー画像を表示する。

画像認識部１３２は、画像生成部１３１により継続的に生成されるエコー画像から、監視範囲Ａ内に存在する物体を認識する処理を行う。具体的には、エコー画像に含まれる物体の画像が経時変化すれば、その物体を水上移動物体と認識する。なお、画像認識部１３２がエコー画像に含まれる物体を認識する処理は、既知の画像認識の手法によるため、その説明を省略する。

判定部１３３は、画像認識部１３２により認識された水上移動物体の位置に基づき、監視者に対する通知の要否を判定する。例えば、判定部１３３は、認識された水上移動物体と作業船９との距離が所定値以下である場合、監視者に対する通知が必要と判定し、それ以外の場合は通知が不要と判定する。なお、判定部１３３が通知の要否の判定に用いる基準としては、画像認識部１３２により認識された水上移動物体の作業船９に対する位置に基づく限り、様々な基準が採用されてよい。例えば、判定部１３３が、水上移動物体の作業船９に対する位置に加え、水上移動物体が作業船９に近づく速度に基づき、通知の要否を判定してもよい。

表示部１３４は、判定部１３３が監視者に対する通知が必要と判定した場合、監視者に水上移動物体への注意を促す表示（通知のための所定の処理の一例）を行う。例えば、表示部１３４は、継続的に内容を更新しながら表示しているエコー画像中の、水上移動物体が認識された位置に、警告マークを重畳させて表示する。なお、表示部１３４は監視者に対する通知手段の一例であって、画像処理装置１３の実現に用いられるコンピュータがスピーカ等の音出力装置を備える場合、画像処理装置１３が表示部１３４に加えて、又は代えて、発音部を通知手段として備えてもよい。この場合、判定部１３３により通知が必要と判定された場合、発音部が警告音や警告メッセージを示す音声を発音することにより、監視者に対する通知を行う。

図４は、監視システム１を用いて行う水上移動物体の監視方法のフローを示した図である。まず、監視者は、作業船９が作業位置に到着したことを確認する（ステップＳ３０１）。続いて、監視者は、作業船９からスキャニングソナー１２を水中へ吊り下げ、水底３まで降下させる。潜水士が水底３まで潜り、スキャニングソナー１２を設置用架台１５に取り付け、水底３上に設置する（ステップＳ３０２）。

監視者は、画像処理装置１３を操作し、エコー画像の生成の開始を指示する。この指示に応じて、画像処理装置１３からスキャニングソナー１２に運転開始を指示する制御信号が送信される。この制御信号に応じて、スキャニングソナー１２は運転を開始する（ステップＳ３０３）。具体的には、回転部１２３は送受波部１２０を回転軸周りに回転し、送波部１２１は音響ビームＢを継続的に送波し、受波部１２２はその音響ビームＢの反射波を受波し、データ出力部１２４はエコーデータを継続的に生成し画像処理装置１３に出力する。

画像処理装置１３は、スキャニングソナー１２から出力されるエコーデータに基づきエコー画像を生成して表示する（ステップＳ３０４）。

続いて、画像処理装置１３は、生成したエコー画像から監視範囲Ａ内に存在する水上移動物体を認識する（ステップＳ３０５）。水上移動物体を認識した場合、画像処理装置１３は、その水上移動物体を監視者に通知する必要があるか否かを判定し、通知する必要があると判定した場合、水上移動物体を監視者に通知する（ステップＳ３０６）。具体的には、画像処理装置１３は、表示しているエコー画像内の水上移動物体の位置に警告マークを重畳表示する。その結果、監視者は、作業船９の近辺に水上移動物体があることに気付くことができる。

図５は、画像処理装置１３が表示する画像を例示した図である。図５の画像は、回転部１２３による送受波部１２０の回転の範囲が約１８０度である場合に、画像処理装置１３により表示される画像の例である。なお、本実施形態において送波部１２１は、鉛直方向３０度、水平方向０．６度の指向角で音響ビームを送波している。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）より所定時間が経過した後の画像である。図５（Ａ）及び（Ｂ）に示される物体Ｆは、エコー画像から認識される物体のうち、位置が変化しない物体である。物体Ｆには、岸壁、橋脚等が含まれる。これらの静止している物体Ｆは、点Ｏに位置する作業船９にぶつかってくる危険性はない。従って、画像処理装置１３は、物体Ｆに関しては、警告マークを付さない。

一方、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示される物体Ｓは、エコー画像から認識される物体のうち、位置が変化している物体、すなわち水上移動物体である。物体Ｓには、航行中の一般船舶等が含まれる。この場合、物体Ｓは作業船９が位置する点Ｏから所定距離内にあり、作業船９にぶつかってくる危険性がある。従って、画像処理装置１３は、物体Ｓに警告マークＭを重畳表示する。

上述した監視システム１及び監視システム１を用いた監視方法によれば、水上に障害物が多くても、また、水中の濁度が高くても、監視者は作業船９の近辺に水上移動物体があることを知ることができる。

［変形例］
上述の実施形態は様々に変形され得る。以下に、それらの変形の例を示す。なお、以下に示す２以上の変形例が適宜組み合わされてもよい。

（１）上述の実施形態においては、スキャニングソナー１２は、設置用架台１５に取り付けて水底３上に設置するものとしたが、水中から水面方向へ音響ビームＢを送波できる構成であれば、これに限定されない。例えば、スキャニングソナー１２が作業船９からロープ等により水中に吊り下げられてもよい。この場合、水流によってスキャニングソナー１２が揺動するので、スキャニングソナー１２にジャイロセンサ等を設けることにより揺れ量を取得し、揺れ量に基づき送波部１２１による音響ビームＢの送波方向及び受波部１２２による音響ビームＢの反射波の受波方向を補正する構成が採用されてもよい。

（２）上述の実施形態においては、画像処理装置１３は、画像認識部１３２と判定部１３３を備えるものとした。画像処理装置１３は、画像認識部１３２と判定部１３３を備えなくてもよい。この場合、監視者が、表示部１３４に継続的に更新される画像を見て、水上移動物体が存在しているか否かを判定してもよい。

（３）上述の実施形態においては、画像処理装置１３がスキャニングソナー１２から受信するエコーデータと、エコーデータに基づき画像処理装置１３が生成するエコー画像は記録されない。これに代えて、画像処理装置１３がデータ記録部を備え、監視開始から終了までにスキャニングソナー１２から受信したエコーデータや、エコーデータに基づき生成したエコー画像を、データ記録部が監視記録として記録してもよい。

１…監視システム、２…水面、３…水底、９…作業船、１２…スキャニングソナー、１３…画像処理装置、１４…ケーブル、１５…設置用架台、１２０…送受波部、１２１…送波部、１２２…受波部、１２３…回転部、１２４…データ出力部、１３１…画像生成部、１３２…画像認識部、１３３…判定部、１３４…表示部。

Claims (4)

1. 水平方向よりも鉛直方向に大きく広がる扇形状の音響ビームを送波する送波部と当該音響ビームの反射波を受波する受波部とを有する送受波部と、鉛直軸周りに前記送受波部を回転させる回転部と、を備えるスキャニングソナーを、水中に設置する工程と、
   前記送受波部が回転している状態で、前記送波部が水面に向けて音響ビームを送波し、前記受波部が当該音響ビームの反射波を受波する工程と、
   前記送受波部が送受波した音響ビーム及び当該音響ビームの反射波に関するデータに基づき、継続的にエコー画像を生成する工程と、
   前記エコー画像から、前記送波部から送波される音響ビームの到達範囲内に存在する水上移動物体を認識する工程と
   を備える水上移動物体の監視方法。
2. 前記認識する工程において認識された水上移動物体の位置に基づき、通知の要否を判定する工程と、
   通知が必要と判定された場合に通知のための所定の処理を行う工程と
   を備える請求項１に記載の水上移動物体の監視方法。
3. 水平方向よりも鉛直方向に大きく広がる扇形状の音響ビームを送波する送波部と当該音響ビームの反射波を受波する受波部とを有する送受波部と、鉛直軸周りに前記送受波部を回転させる回転部とを備え、前記送波部が送波する音響ビームが水面に向かうように水中に設置されるスキャニングソナーと、
   前記送受波部が送受波した音響ビーム及び当該音響ビームの反射波に関するデータに基づき、継続的にエコー画像を生成する画像生成手段と、
   前記エコー画像から、前記送波部から送波される音響ビームの到達範囲内に存在する水上移動物体を認識する画像認識手段と
   を備える水上移動物体の監視システム。
4. 前記画像認識手段により認識された水上移動物体の位置に基づき、通知の要否を判定する判定手段と、
   前記判定手段により通知が必要と判定された場合に通知のための所定の処理を行う通知手段と
   を備える請求項３に記載の水上移動物体の監視システム。