JP2021179674A - 操船計算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】好適または最適な排他的領域（バンパー）設定値を決定でき、その結果として避航支援や自動操船の精度等を高めることができる技術を提供する。【解決手段】操船計算装置１は、船舶の自動避航装置２の機能を実現するための自動避航プログラム３の設定情報を計算する。操船計算装置１は、船舶の周囲に設定される排他的領域についてのパラメータ値として、少なくとも形状およびサイズを異ならせた複数の排他的領域値１０３を生成し、条件１０２およびパラメータ値を変えながら、自動避航プログラム（コピー１３）を用いたシミュレーション計算を繰り返し実行し、シミュレーション計算の結果に基づいて、パラメータ値に応じた評価値１０５を計算し、評価値に基づいて、排他的領域の最適値１０６を決定し、排他的領域の最適値１０６を自動避航プログラム３に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、避航支援や自動操船のための操船計算等の技術に関する。

海上の操船のための安全基準やパラメータの１つとして、船の周囲に設定される排他的領域（バンパーと記載する場合がある）がある。この排他的領域は、自船と他船との衝突のリスクを計算する際に参照される。この排他的領域を含むモデルは、安全で効率的な操船を実現するために必要な要素である。

避航支援に係わる先行技術例として、特開２０２０−２７３４３号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、「避航支援装置」として、海域の輻輳状況に応じた現実的な避航操船を可能にする旨が記載されている。特許文献１には、危険度算出部は、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、自船または他船の一方である基準船舶の周囲に設定される楕円状のバンパー領域を用いて算出する旨、閉塞度算出部は、自船が有する避航操船の選択肢が他船との関係でどの程度閉塞されるかを表す閉塞度を算出する旨、バンパーサイズ設定部は、閉塞度算出部で算出された閉塞度に応じて、危険度算出部で用いるバンパー領域のサイズを可変設定する旨が記載されている。

例えば特許文献１に示されるように、避航支援装置の避航操船プログラムは、選好度と衝突危険度から、避航操船空間の効用値を決定する。避航操船空間は、針路の変針角と速力の変速率とを組み合わせた空間であり、効用値は、この空間の位置毎に算出される。例えば、効用値は、針路や速力の変更に伴う操船者の主観的な選好度から、針路や速力の変更に応じた他船に対する客観的な衝突危険度を減算したものである。

特開２０２０−２７３４３号公報

従来、排他的領域（バンパー）は、例えば、船舶の周囲に楕円状に定められ、そのサイズは、自船および他船の全長および速力等に基づいて定められる。特に、特許文献１の例では、例えば遠洋、近海、湾内といった海域の輻輳状況を考慮して、現実的な避航操船を可能にする旨、具体的には、閉塞度に応じてバンパーのサイズを変更する旨が記載されている。

従来の避航支援装置では、避航操船プログラムの避航動作の核となるバンパーのパラメータ設定値については、人間が操船感覚等に基づいて適宜に調整することで決定されていた。そのように決定されたあるバンパー設定値の場合では、船型や輻輳度等の様々な条件に合致した好適または最適なバンパー形状やサイズではない可能性がある。すなわち、従来技術では、好適または最適なバンパー設定値についての検討が不十分であった。また、従来技術では、好適または最適なバンパー設定値について、定量的な検証等はされていなかった。そのため、避航支援や自動操船の精度等に関して、改善余地がある。

本発明の目的は、避航支援や自動操船のための操船計算等の技術に関して、好適または最適なバンパー設定値を決定でき、その結果として避航支援や自動操船の精度等を高めることができる技術を提供することである。

本発明のうち代表的な実施の形態は、以下に示す構成を有する。一実施の形態の操船計算装置は、船舶の避航支援機能を実現するための自動避航プログラムの設定情報を計算する操船計算装置であって、船舶の周囲に設定される排他的領域についてのパラメータ値として、少なくとも形状およびサイズを異ならせた複数の排他的領域値を生成し、前記パラメータ値を変えながら、前記自動避航プログラムを用いたシミュレーション計算を繰り返し実行し、前記シミュレーション計算の結果に基づいて、前記パラメータ値に応じた評価値を計算し、前記評価値に基づいて、前記排他的領域の最適値を決定し、前記排他的領域の最適値を前記自動避航プログラムに設定する。

本発明のうち代表的な実施の形態によれば、避航支援や自動操船のための操船計算等の技術に関して、好適なバンパーを設定でき、避航支援や自動操船の精度等を高めることができる。

本発明の実施の形態１の操船計算装置を含む、システム全体の構成を示す図である。 実施の形態１で、海域での自船と他船の状況の例を示す図である。 実施の形態１で、避航操船空間および選好度の例を示す図である。 実施の形態１で、衝突危険度およびリスク関数に係わる説明図である。 実施の形態１で、排他的領域の基本構成について示す図である。 実施の形態１で、避航操船空間および衝突危険度の例を示す図である。 実施の形態１で、避航操船空間および効用値の例を示す図である。 実施の形態１で、システム利用サイクルを示す図である。 実施の形態１で、操船計算装置の主な処理のフローを示す図である。 実施の形態１で、排他的領域の形状の例について示す図である。 実施の形態１で、排他的領域のサイズの例について示す図である。 実施の形態１で、排他的領域の偏位の例について示す図である。 実施の形態１の変形例で、排他的領域が複数の部分から構成される例を示す図である。 実施の形態１で、輻輳度を用いる場合の海域の状況の例を示す図である。 実施の形態１で、評価処理に係わる採点手法の例を示す図である。 実施の形態１で、排他的領域の最適値の決定の例を示す図である。 本発明の実施の形態２の操船計算装置を含む、システム全体の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、全図面において同一部には原則として同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１〜図１６を用いて、本発明の実施の形態１の操船計算装置について説明する。本発明者は、課題の解決手段として、以下のような新たな方式を考えた。図１等に示す実施の形態１の操船計算装置１は、自動避航プログラム３における排他的領域（バンパー）の設定値について、コンピュータでのシミュレーションによって、好適または最適な値を決定する。このシミュレーションとは、船舶の物理的な操船運動をシミュレーションする操船シミュレーションと、操船者に代わって操船を行う自動避航プログラムを接続したシミュレーションとを含む。説明上、これらのシミュレーションをまとめて、操船シミュレーションと記載する場合がある。この操船計算装置１は、任意のバンパー初期値１０１を基に生成したパラメータ値としての各バンパー値１０３について、操船シミュレーションとそれに伴う評価を繰り返す。操船シミュレーションは、自動避航プログラム３のコピー１３において、あるバンパー値１０３および条件１０２等の設定に基づいて、後述の効用値等の計算を行わせるものである。評価は、バンパー値１０３が条件１０２に応じて好適かどうかに関する定量的評価である。条件１０２は、海域でのシナリオ（シミュレーションシナリオに相当する）等がある。操船計算装置１は、操船シミュレーションおよび評価の繰り返しから、バンパー設定値の最適解（最適値１０６）を見出す。その最適値１０６としてのバンパー設定値１１１が、実運用の自動避航プログラム３に設定される。また、検証等に基づいて、条件１０２等の追加や変更がある場合には、さらなるシミュレーションに応じて、バンパー設定値１１１を更新できる。

また、この操船シミュレーションでは、機械学習を含むＡＩ（人工知能）の利用も可能である。例えば、海域の状況に関する画像を用いた深層学習等も、この操船シミュレーションに適用可能である。より具体的には、バンパーの形状、大きさと言った形状の特徴を入力パラメータとし、操船シミュレーションによって得られた評価値を出力値として、この一部を学習データとして深層学習のような教師付き学習を使って学習させ、残りをテストデータとして検証することで、入力パラメータと出力値の関係、入力から出力を推定する際の精度の値を得ることが出来る。これによりデータに対して最適な機械学習方法を選択し、この機械学習の学習結果を用いて最適解の探索を行うことも出来る。更にこれを発展させることで、航路上の輻輳度や自船の操船性能に応じて、最適なバンパー形状を選ぶような、より多様な入力パラメータと出力の関係についても、統一的に扱うことが出来る可能性を有している。

［システム］
図１は、実施の形態１の操船計算装置１を含む、システム全体の構成を示す。このシステムは、操船計算装置１、自動避航装置２、船舶情報取得装置４、電子海図５、表示装置６、および自動操縦装置７を有する。このシステムは、大別して２つの構成部分を有し、一方は、自動避航プログラムであるプログラム３を含む自動避航装置２であり、他方は、実施の形態１の操船計算装置１である。自動避航装置２等は、実際の船舶に搭載されるか、陸上からの遠隔通信で船舶に連携されることで、避航支援や自動操船を行う装置またはシステムである。なお、自動避航装置２の具体例は、特許文献１にも記載がある。操船計算装置１は、自動避航装置２のプログラム３に適用するためのバンパー設定値１１１等の情報を、コンピュータ上のシミュレーションによって決定する機能を有する装置またはシステムである。操船計算装置１は、言い換えるとシミュレーション装置である。操船計算装置１と自動避航装置２は、所定の通信インタフェースで通信接続される。ユーザＵ１は、バンパーの形状、大きさ等を決定する役割を担う人であり、操船計算装置１を操作してシミュレーション等を実行させる。ユーザＵ２は、自動避航装置２を利用する操船者や監督者等である。

操船計算装置１は、ＰＣやサーバ等の任意のコンピュータシステムで実装できる。操船計算装置１は、図示しないが、プロセッサ、メモリ、補助記憶装置、通信インタフェース装置、入出力インタフェース装置、入力デバイス、および表示装置等の出力デバイス等を備え、それらがバス等を介して相互に接続されている。プロセッサは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される。操船計算装置１は、プロセッサによるソフトウェアプログラム処理等によって実現される機能ブロックとして、シミュレーション計算部１１、および評価部１２を有する。

予め、自動避航装置２のプログラム３のコピー１３が、操船計算装置１のシミュレーション計算部１１にシミュレーション用のプログラムとして設定される。シミュレーション計算部１１は、そのコピー１３のプログラムを用いて、操船シミュレーションを実行する。シミュレーション計算部１１は、排他的領域（バンパー）の初期値１０１と、条件１０２とを入力として、各バンパー値１０３での操船シミュレーションの計算を繰り返し実行する。初期値１０１は、任意の基準バンパー値である。条件１０２は、海域のシナリオ等である。バンパー値１０３は、少なくとも形状およびサイズの定義を含む。

評価部１２は、シミュレーション計算部１１による各シミュレーションの結果について、評価処理を行う。評価部１２は、各シミュレーションでのバンパー値１０４毎に、評価値１０５を計算する。操船計算装置１は、評価部１２による評価値１０５に基づいて、各バンパー値１０４のうち、バンパーの最適値１０６を決定する。操船計算装置１は、決定したバンパーの最適値１０６を含む情報を、自動避航装置２のプログラム３に設定する。この設定は、操船計算装置１から通信で自動避航装置２に対し自動的な設定更新として実行してもよいし、ユーザＵ１が確認しながら自動避航装置２に設定操作を行ってもよい。

自動避航装置２は、バンパー設定値１１１に基づいて、プログラム３による避航支援処理（言い換えると自動避航処理）を行う。自動避航装置２は、ＰＣやサーバ等の任意のコンピュータシステムで実装できる。自動避航装置２は、図示しないが、プロセッサ、メモリ、補助記憶装置、通信インタフェース装置、入出力インタフェース装置、入力デバイス、および出力デバイス等を備え、それらがバス等を介して相互に接続されている。自動避航装置２は、プログラム３による避航支援処理では、バンパー設定値１１１に基づいて、他船との衝突危険度１１２を計算する。また、自動避航装置２は、選好度１１３を計算する。そして、自動避航装置２は、選好度１１３と衝突危険度１１２とを用いて、効用値１１４を計算する。効用値１１４は、針路等を表す。

自動避航装置２は、得た効用値１１４を含む情報を、表示装置６の表示画面に表示する。また、自動避航装置２は、得た効用値１１４に基づいて、自動操縦装置７に、最適な針路等に対応付けられた操船指示を与える。操船指示は、例えば変針角や変速率の情報を含む。自動操縦装置７は、その操船指示に従って、自船の自動操縦を行う。

自動避航装置２は、船舶情報取得装置４から、自船情報および他船の情報を取得する。船舶情報取得装置４は、各種機構を用いて、自船情報と他船情報とを取得する。他船とは、自船周辺の所定の範囲内に存在する単数または複数の他船である。自船情報や他船情報は、針路、速力および位置の情報を含む。船舶情報取得装置４の各種機構は、代表的には、ＡＩＳ（Automatic Identification System）、レーダ、カメラ、方位センサ、速度センサおよびＧＰＳ（Global Positioning System）等がある。これら自船情報、他船情報に関する各種センサの情報収集、情報処理をコンピュータが行い、周囲の他船の位置、進路、速力の情報と言った自動避航装置２が必要な情報を得る。

ＡＩＳは、船舶間や、船舶と陸上との間で、船舶の位置、針路、速力、および目的地等の船舶情報を、無線通信で交換することで、他船や自船の情報を取得するシステムである。レーダやカメラは、自船の周辺に存在する各他船の相対的な針路、速力および位置を検出する。方位センサは、ジャイロコンパス等であり、自船の針路を検出する。速度センサは、電磁式ログやドップラーログ等であり、自船の速力を検出する。ＧＰＳは、自船の位置（緯度および経度等）を検出する。

また、自動避航装置２は、電子海図５の情報を参照し、その情報に基づいて、航路を設定し、その航路に基づいて、自動操縦装置６を制御する。

なお、自動避航装置２のプログラム３については、技術内容詳細を限定するものではなく、各種の技術を適用できる。実施の形態１では、プログラム３は、バンパー設定値を用いて針路等の避航支援情報（例えば効用値１１４）を生成するコンピュータプログラムであればよい。

操船計算装置１や自動避航装置２の各機能は、主にソフトウェアプログラム処理によって実現されるが、これに限定されず、例えば一部が専用のハードウェアや回路等で実現されてもよい。また、プログラムを含む必要な各種のデータや情報は、操船計算装置１や自動避航装置２の内部のメモリ等に格納されることには限定されない。それらが、外部の装置（例えばデータベースサーバ、カードやディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体）に格納されて、通信等を通じて利用する形態としてもよい。なお、図１のシステム構成例では、操船計算装置１と自動避航装置２とが別体であるが、これに限らず、操船計算装置１と自動避航装置２とが一体である形態等も可能である。

［自動避航装置］
図１の自動避航装置２の構成例として、概略的な処理や動作の一例は以下の通りである。自動避航装置２は、所定の制御サイクル毎に所定の処理を繰り返し実行する。自動避航装置２は、船舶情報取得装置４から、自船情報と、所定の範囲内に存在する他船情報とを取得する。次に、自動避航装置２は、選好度１１３（Ｐｂ）を計算する。また、自動避航装置２は、バンパー設定値１１１を用いて、衝突危険度１１２（Ｒｋ）を計算する。次に、自動避航装置２は、選好度１１３（Ｐｂ）と衝突危険度１１２（Ｒｋ）とを用いて、効用値１１４（Ｕｔ）を計算する。その後、自動避航装置２は、効用値（Ｕｔ）に基づいた変針角および変速率（対応する速力）を最適な避航操船方法として操船指示を決定する。

自動避航装置２は、避航操船空間の位置毎に、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度１１２を、バンパー設定値１１１を用いて計算する。避航操船空間とは、現状からの変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間であり、避航操船を行う際に採り得る選択肢を表す。また、自動避航装置２は、避航操船空間の位置毎に、その各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度１１３を計算する。そして、自動避航装置２は、避航操船空間の位置毎に、選好度１１３から衝突危険度１１２を減算することで、効用値１１４を計算する。

自動避航装置２は、予め操船者等のユーザＵ２によって設定された、電子海図５上の予定航路を記憶する。予定航路は、出発地点と目標地点とを複数のウエイポイント（代表的には変針点）を介して結んだ経路である。電子海図５は、不揮発性記憶装置等に記憶されている。

自動避航装置２は、例えば、効用値１１４が最大となる変針角および変速率を認識し、その変針角および変速率を含む操船指示を、自動操縦装置７に与える。自動操縦装置７は、その操船指示の変針角に向けて変針するように舵を自動制御するオートパイロットや、その変速率に向けて変速するようにエンジン出力を自動制御する装置等を含む。自動操縦装置７は、自動避航装置２からの針路と速力の情報を受けて、操船指示に応じて、適宜、避航操船を行いながら、次のウエイポイントに向けて自律航行を行う。

表示装置６の表示画面では、例えば、結果の効用値１１７を表す３次元グラフ、言い換えると避航操船空間の位置毎の効用値（後述の図７）を表示する。

［状況］
図２は、避航支援およびシミュレーションに係わる、海域での自船と他船との衝突に係わる状況の一例を示す。本例では、自船ＯＳは、北に向けて所定の速力で進行しており、他船ＴＳは、西に向けて所定の速力で進行している。自船ＯＳおよび他船ＴＳがそのまま進行を続けると、所定の時間（最近接時間と呼ぶ）後に衝突する可能性がある。この場合、他船ＴＳを右側に見る自船ＯＳに衝突回避義務が生じる。このような場合に、自船ＯＳは、自動避航装置２を用いて、少ないロスで衝突を回避するための避航操船方法（前述の効用値１１４）を探索する。

［選好度］
図３は、図１の自動避航装置２における選好度１１３の計算処理結果の一例を示す。図３で、横軸（図示の左右方向）は、変針角［deg］であり、原針路を０degとして左変針６０degから右変針６０degまでの範囲を示す。変針角を記号Ｘｉでも表す。縦軸（図示の奥行方向）は、変速率［％］であり、船の運航スケジュールから求められる計画速力を１００％として０％から１００％までの範囲を示す。変速率を記号Ｘｊでも表す。避航操船空間は、この横軸（Ｘｉ）および縦軸（Ｘｊ）で示される空間であり、避航操船の選択肢を表す空間である。

一方、高さ軸は、図１の選好度１１３に対応する選好度であり、０から１までの値範囲を有する。この選好度は、１に近づくほど好ましさが増し、０に近づくほど好ましさが減ることを表す。通常、操船者は、他船や陸域等の障害物が存在しない場合、次のウエイポイントに向かう原針路と船の運航スケジュールを守るための計画速力を維持することを好み、針路や速力をできるだけ変化させないことを好む。これは、言い換えると経済性が高い操船である。選好度を記号Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）でも表す。この選好度Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）は、このような操船者の主観を反映して、式１によって定められる。式１の各項は、式２および式３に示される指数関数によって定められる。自動避航装置２は、変針角（Ｘｉ）と変速率（Ｘｊ）との組み合わせ（対応する図３の避航操船空間での位置）毎に、式１の選好度Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）を計算する。

式１： Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）＝Ｐｂ（Ｘｉ，０）×Ｐｂ（０，Ｘｊ）
式２： Ｐｂ（Ｘｉ，１）＝ｅｘｐ（−Ａｃ×|ΔＣｏ|）
式３： Ｐｂ（０，Ｘｊ）＝ｅｘｐ（−Ａｖ×|ΔＶ|）
式２の項Ｐｂ（Ｘｉ，０）を変針選好度ともいう。式３の項Ｐｂ（０，Ｘｊ）を変速選好度ともいう。変針選好度Ｐｂ（Ｘｉ，１）は、変針角を０degから量ΔＣｏで変化させた場合の選好度を表す。一方、変速選好度Ｐｂ（Ｘ０，ｊ）は、変針角を０degとした場合で、変速率を１００％から量ΔＶで変化させた場合の選好度を表す。式２および式３における係数Ａｃおよび係数Ａｖは、予め設定される。係数Ａｃは、右変針時と左変針時で異なる値に設定されてもよい。

［衝突危険度］
図４は、図１の自動避航装置２における衝突危険度１１２の計算処理内容の一例の説明図である。図５は、排他的領域（バンパー）の基本構成についての説明図である。図６は、図１の自動避航装置２における衝突危険度１１２の計算処理結果の一例を示す。

例えば図２のような状況の場合において、自動避航装置２は、図６のような衝突危険度１１２を生成する。図６で、横軸および縦軸は、図３と同様の避航操船空間を示す。高さ軸は、図１の衝突危険度１１２に対応する衝突危険度（Ｒｋ）であり、０から１までの値範囲を有する。この衝突危険度は、１に近づくほど危険が増し、０に近づくほど危険が減ることを表す。自動避航装置２は、図６の避航操船空間の位置毎に、図４のような方式を用いて、衝突危険度（Ｒｋ）を計算する。

図４には、それぞれ黒領域で示す自船ＯＳと他船ＴＳとの相対関係が示されている。自船ＯＳは、絶対軸上の座標（Ｘｏs，Ｙｏs）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｏsで進行する。一方、他船ＴＳは、絶対軸上の座標（Ｘｔs，Ｙｔs）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｔsで進行する。ここで、自船ＯＳまたは他船ＴＳの一方は基準船舶であり、他方は対象船舶である。基準船舶の位置は、相対軸上の原点に定められ、基準船舶の針路は、相対軸上のＹ軸に定められ、それに直交する軸は、相対軸上のＸ軸に定められる。本例では、基準船舶が他船ＴＳ、対象船舶が自船ＯＳであるが、相対関係であるため、基準船舶が自船ＯＳ、対象船舶が他船ＴＳであってもよい。

このような相対軸上で、対象船舶である自船ＯＳは、速力Ｖｏsのベクトルと速力Ｖｔsの逆ベクトルとの合成ベクトルで得られる相対針路４０３へ相対速力Ｖｒで進行する。なお、自船ＯＳの位置、針路、および速力は、図１の船舶情報取得装置４からの自船情報に基づき定められる。また、他船ＴＳの位置、針路、および速力は、船舶情報取得装置４からの他船情報に基づき、他船ＴＳがその針路および速力をそのまま維持するものとして定められる。

図４で、基準船舶である他船ＴＳの周囲には、楕円状の排他的領域（バンパー）４００が設定されている。

［排他的領域（バンパー）］
図５には、基準船舶５００（自船または他船、例えば自船）の周囲に設定される排他的領域４００の例を示す。図５では、説明便宜上のＸ軸とＹ軸とから成るＸ−Ｙ面において、原点（０，０）の位置５０１に、基準船舶５００が配置されており、基準船舶５００の進行の方向が例えばＹ軸（例えば北）である。基準船舶５００の外形に対応する形状（本例では五角形）を斜線領域で示す。基準船舶５００の外形よりも外側には、楕円形状で示す排他的領域４００を有する。本例の排他的領域４００は、初期設定値に基づいた基準サイズおよび基準形状を持つバンパー（Ｅ０とする）の場合を示す。このバンパーＥ０は、基準サイズとして、Ｘ軸での径（短径）Ａ、およびＹ軸での径（長径）Ｂを有する。この基準サイズは、自船の全長（例えば全長５０３）および速力、他船の全長および速力といった、計算対象となる２隻の船舶の対の情報に基づいて定められる。船舶の全長のみならず、横幅等を用いてもよい。

また、排他的領域４００の中心の位置５０２は、基準船舶５００の位置５０１に合わせた位置としてもよいが、図示のように、基準船舶５００の位置５０１に対してシフト（言い換えるとオフセット、偏位）した位置としてもよい。本例では、バンパーＥ０の中心の位置５０２は、基準船舶５００の位置５０１から、Ｘ軸で距離Ｃ、Ｙ軸で距離Ｄの分だけシフトした位置に設定されている。この偏位は、船舶の自船の進行方向の右から横切る他船舶の回避義務は自船になると言った交通ルール等が反映されている。バンパーの設定は、形状やサイズだけでなく、このような偏位（言い換えるとシフト位置）の設定も含む。なお、バンパー４００の中心の位置は、基準船舶５００の重心、進行方向中心点、ブリッジ位置、等に設定してもよい。

［衝突危険度−リスク関数］
図５のようなバンパー４００を用いて、図４のように、リスク関数４０１，４０２が定義される。リスク関数４０１，４０２は、基準船舶である他船ＴＳの位置（Ｘｔs，Ｙｔs）からバンパー４００の外周（各相対軸での方向）に向けて最大値から最小値に順次推移するような関数である。具体的には、リスク関数４０１は、相対軸のＹ軸用であり、他船ＴＳの位置となる原点座標では最大値（例えば１．０）となり、バンパー４００の外周が位置する最大座標および最小座標では最小値（例えば０）となる。同様に、リスク関数４０２は、相対軸のＸ軸用であり、原点座標では最大値（例えば１．０）となり、バンパー４００の外周が位置する最大座標および最小座標では最小値（例えば０）となる。本例では、リスク関数４０１，４０２は線形で構成されている。

図１の自動避航装置２は、図４のようなバンパー４００およびリスク関数４０１，４０２に基づいて、対象船舶である自船ＯＳが将来的に通過するバンパー４００内の位置に応じたリスク関数４０１，４０２の値を算出することで、衝突危険度１１２を計算する。具体的には、自動避航装置２は、自船ＯＳが相対針路４０３上を進行した場合の、他船ＴＳの位置(Ｘts,Ｙts)を原点とし、他船ＴＳの船首方向をＸ軸、船測方向をＹ軸とする総体軸を置き、この相対軸のＹ軸との交点座標４０４をみて、交点座標４０４に対応するリスク関数４０１の値を、Ｙ軸衝突危険度Ｒｙとして計算する。同様に、自動避航装置２は、相対軸のＸ軸との交点座標４０５をみて、交点座標４０５に対応するリスク関数４０２の値を、Ｘ軸衝突危険度Ｒｘとして計算する。

そして、自動避航装置２は、下記の式４に示すように、Ｙ軸衝突危険度ＲｙかＸ軸衝突危険度Ｒｘの大きい方の値に、所定の重み付けを行うことで、衝突危険度１１２を計算する。衝突危険度１１２を、記号Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）でも表す。ここで、Ｘｉ，Ｘｊは、前述の変針角（Ｘｉ）と変速率（Ｘｊ）で、前述のＲｘ，Ｒｙを計算した時点から、針路あるいは速度を変更すると仮定すると、自船ＯＳの相対針路が変化するため、Ｒｘ，Ｒｙは、それぞれＸｉ，Ｘｊの関数になる。式４で、演算であるｍａｘ（Ｒｘ，Ｒｙ）は、Ｙ軸衝突危険度ＲｙかＸ軸衝突危険度Ｒｘの大きい方の値をとることを示す。“Ｔｃ”は最近接時間であり、“Ｗｔ”は予め設定された一定時間である。式４では、最近接時間Ｔｃが短いほど、衝突危険度Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）が高まるような重み付けがなされている。

式４： Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）＝ｍａｘ（Ｒｘ，Ｒｙ）×（１−Ｔｃ／Ｗｔ）
また、実際には、自船に対して所定の範囲内に他船が複数隻（ｑ隻とする。ｑは２以上の整数）が存在する場合がある。それらの複数隻の他船のうち、衝突に関して最も影響が大きい他船を少なくとも考慮する必要がある。これに伴い、図６の避航操船空間の位置毎に、対象となる他船（すなわち最も影響が大きい他船）も異なり得る。

そこで、実際には、式４の衝突危険度Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）の代わりに、下記の式５に示す衝突危険度Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）が用いられる。式５の衝突危険度Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）は、避航操船空間の位置毎に、単数または複数の他船のうち最も影響が大きい他船に対する衝突危険度Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）によって定められる。演算であるｍａｘは、各他船を表すｋ＝１からｑまでの各衝突危険度Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）のうち、最大の値をとることを示す。

式５： Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）＝ｍａｘ｛Ｒ（Ｘｉ，Ｘｊ）｝
［効用値］
図７は、図１の自動避航装置２における効用値１１４の計算処理結果の一例を示す。横軸および縦軸は、図３の場合と同様の避航操船空間を示す。高さ軸は、効用値１１４に対応する効用値であり、０から１までの値範囲を有する。この効用値は、１に近づくほど効果が増し、０に近づくほど効果が減ることを表す。効用値１１４を記号Ｕｔ（Ｘｉ，Ｘｊ）でも表す。自動避航装置２は、図７の避航操船空間の位置毎に、下記の式６に示されるように、式１の選好度Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）から式５の衝突危険度Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）を減算することで、効用値Ｕｔ（Ｘｉ，Ｘｊ）を計算する。この際、衝突危険度Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）は、詳細には、所定の係数αで重み付けされる。

式６： Ｕｔ（Ｘｉ，Ｘｊ）＝Ｐｂ（Ｘｉ，Ｘｊ）−α×Ｒｋ（Ｘｉ，Ｘｊ）
このような演算に伴い、図７の効用値Ｕｔは、図３の選好度Ｐｂから図６の衝突危険度Ｒ（特にＲｋ）を減算することで得られる。最適な針路等の避航操船方法は、効用値Ｕｔ（Ｘｉ，Ｘｊ）が最大となる方法である。図７の例では、効用値Ｕｔの最大値７０１（対応する位置）は、変針角が１８degで、変速率が１００％である。すなわち、最適な避航操船方法は、速力を維持して、変針角１８degの右変針を行う方法となる。自動避航装置２は、この効用値Ｕｔが最大となる避航操船空間の位置（最大値７０１）に対応する変針角および変速率を、最適な避航操船方法として、自動操縦装置７へ操船指示を与える。

なお、自動避航装置２は、図３の選好度、図６の衝突危険度、図７の効用値といった各情報を、表示装置６の表示画面において、避航操船空間を含む３次元グラフのような態様で表示してもよい。また、操船計算装置１でも、同様に、シミュレーションでの効用値等の情報を、表示画面に表示してもよい。

［操船計算装置］
以上、前提となる自動避航装置２の特にプログラム３の概要に関して説明した。次に、そのプログラム３を用いて操船シミュレーションを行う操船計算装置１について説明する。

［システム利用サイクル］
図８は、本システムの利用に関する概略的なサイクルを示す。（１）図１のユーザＵ１は、操船計算装置１において事前の操船シミュレーションを、バンパーのパラメータを変更しながら繰り返し実行させる。これにより、操船計算装置１は、その時点でのバンパーの最適値１０６を決定する。

（２）ユーザＵ１は、上記（１）で決定したバンパーの最適値１０６を、実際の自動避航装置２のプログラム３にバンパー設定値１１１として設定する。実際の船舶の航行の際に、自動避航装置２のプログラム３による自動避航を適用する。自動避航装置２は、その自動避航・避航支援の際のモニタとともに、本船情報、他船情報に関するデータを履歴として記録する。操船計算装置１は、自動避航装置２からその履歴のデータを収集・記録する。ユーザＵ１および操船計算装置１は、自動避航がうまくいかずユーザＵ２である操船者が操船権を取って独自に避航動作を行った場合などの失敗事例のデータもあれば収集する。

（３） ユーザＵ１は、上記（２）の履歴のデータを用いて、自動避航・避航支援機能に係わる検証を行う。検証は、例えばそのバンパー設定値での自動避航装置２の動作結果が適切であったかどうか等の検証である。ユーザＵ１は、検証結果に基づいて、（１）の操船シミュレーションへのフィードバックを行う。これは、例えばシナリオやバンパーの初期値の見直し、評価の妥当性の確認が挙げられる。

上記のように、ＰＤＣＡ的なサイクルで、シミュレーション等が繰り返される。これにより、実際の航行の経験を活かして、バンパー設定値をより好適または最適な値へ更新してゆくことができる。すなわち、その結果、避航支援機能をより高めることができる。

［操船計算装置−処理フロー］
図９は、操船計算装置１での主な処理のフローを示す。図９のフローは、ステップＳ１〜Ｓ７を有する。ステップＳ１では、ユーザＵ１の操作に基づいて、操船計算装置１は、操船シミュレーションに使用するための各種のデータを収集し、分析処理等を行う。収集するデータの例は、海上交通流データがある。海上交通流データは、実海域での船舶の航行のデータである。この海上交通流データは、例えばＡＩＳデータやレーダ観測データ等に基づいて得られる。操船計算装置１は、この海上交通流データから、整理や分析処理によって、船種、船型、航跡等を含むデータを得る。

ステップＳ２では、ユーザＵ１の操作に基づいて、操船計算装置１は、操船シミュレーションのための評価用シナリオ（シミュレーションシナリオ）を作成し、作成した評価用シナリオを、図１の条件１０２の１つ（言い換えるとプログラム設定情報の１つ）として、プログラム３のコピー１３に設定する。シナリオの例は、海域の種類（例えば遠洋、近海、湾内等）、船種、海上の自船および他船（単数または複数）の輻輳や衝突に係わる状況、言い換えると進行方向や速力等の相対関係、また、実際に過去に海難やニアミスが報告されている海域や状況、また、前述（図８）の自動避航装置２の実際の操船から回収されたデータに基づいたデータ、等を総合したシナリオが挙げられる。

ステップＳ３では、ユーザＵ１の操作に基づいて、あるいはシステムによって自動的に、操船計算装置１は、排他的領域のパラメータ値として、形状やサイズや偏位等を様々に異ならせた複数の排他的領域値１０３を生成し、各回のシミュレーション毎に対応する排他的領域値１０３を、コピー１３に設定する。

ステップＳ４では、操船計算装置１は、プログラム３のコピー１３において、ステップＳ２のシナリオを含む条件１０２と、ステップＳ３の排他的領域値１０３との組み合わせを様々に変えながら、操船シミュレーション計算を繰り返し実行し、各回のシミュレーションの結果をメモリに保存する。

ステップＳ５では、操船計算装置１は、操船シミュレーション計算結果における、排他的領域値１０４毎に、評価値１０５を計算し、メモリに記憶する。

また、バンパーの最適値の探索に関しては、以下のような処理としてもよい。操船計算装置１は、評価結果の高い排他的領域値１０４の近傍に、別の複数のパラメータ候補を自動生成し、再び、ステップＳ４に戻り、操船シミュレーションを繰り返す、と言った再帰的な処理を行うことにより、最適値の探索を行う。言い換えると、操船計算装置１は、複数用意したバンパーパラメータ値について、避航操船プログラムを用いたシミュレーション計算を繰り返し実行し、シミュレーション結果の結果に基づいて、パラメータ値に応じた評価値を計算し、評価値に基づいて、パラメータ値から最適値を決定する。さらに、操船計算装置１は、そのパラメータ値の周辺に新しい複数のパラメータ値を設定し、シミュレーション、評価、および最適値の決定を繰り返すことで、パラメータ値の最適解空間の探索を行う。

ステップＳ６では、操船計算装置１は、操船シミュレーションを終了するかどうかを確認し、終了する場合にはステップＳ７へ進み、継続する場合にはステップＳ３およびステップＳ２へ戻る。この終了は、例えば、ユーザＵ１が終了指示操作を行うことでもよいし、予め設定されたシミュレーション終了条件（例えばパラメータ値のすべての組み合わせを試行した場合等）を満たすことでもよい。ステップＳ３に戻った場合、それまでとは異なるバンパーパラメータ値が設定されて、ステップＳ４でシミュレーションが同様に行われる。

ステップＳ７では、操船計算装置１は、それまでにメモリに保持された、各回の操船シミュレーション結果における排他的領域値１０４毎の各評価値１０５に基づいて、排他的領域の最適値１０６を決定する。すなわち、評価値１０５が最も高い排他的領域値１０４が選択される。操船計算装置１は、決定した排他的領域の最適値１０６を、自動避航装置２のプログラム３に排他的領域設定値１１１として設定する。言い換えると、プログラム３における排他的領域設定値１１１が更新される。

なお、ステップＳ２とステップＳ３の処理が同時並列で行われてもよいし、順次に行われてもよい。また、ステップＳ２のシナリオと、ステップＳ３のバンパーのパラメータ値とが所定の関係を持つ場合、操船計算装置１は、その関係を情報として管理・保持する。例えば、シナリオＡ，Ｂ，Ｃがあり、シナリオＡではパラメータ値Ｐ１，Ｐ２が適用され、シナリオＢではパラメータ値Ｐ３，Ｐ４が適用され、シナリオＣではパラメータ値Ｐ１〜Ｐ４が適用される、といったように、組み合わせの関係が規定されてもよい。

なお、図９の例では、各回のループ内で評価処理（ステップＳ５）を行っているが、これに限らず、複数回のシミュレーションの結果を得た後、まとめて評価処理を行う形態としてもよい。なお、コピー１３は、プログラム３と全く同じということには限られず、操船計算装置１での処理用のプログラム部分が追加された構成等でもよい。

なお、図９の破線枠で示す部分３０１は、機械学習を含むＡＩを利用できる範囲を示す。例えば、操船計算装置１は、船舶情報取得装置４（図１）のレーダやカメラ、ＡＩＳ等の複数のセンサー情報を用いて、確度の高い周囲の他船の情報の推定を行うことが出来る。また、操船計算装置１が収集したデータを、新たなシナリオの自動作成にも利用することが出来る。更に、評価シナリオを用いて、複数の排他的領域値を操船シミュレーター（操船計算装置１）で評価した結果について、シナリオと排他的領域値を入力値、評価値を出力値として、操船シミュレーターの結果を利用して、入力と出力の関係を機械学習し、シナリオ、バンパー形状に対する評価をモデル化して保存する。これにより、ある程度、操船シミュレーターの結果が蓄積されれば、過去のデータに基づいて、操船シミュレーターを介さずに、バンパー形状の評価値を予測することも可能になる。また、操船計算装置１の運用が進み、事例のデータ蓄積が進んだ場合には、様々なケースに対して毎回操船シミュレーターを回して最適解を見つけたとして、適用しなかった他のシナリオの場合に最適か判断がつかないが、実効性の観点から全てのシナリオに当たるわけにはいかない場合、が生じることも十分に考えられる。こうした場合には、操船シミュレーターのシナリオを入力値とし、それに対する排他的領域のパラメータ値を出力値とする学習データを、機械学習でモデル化する。これにより、こうした入力と出力の組がデータとして十分に蓄積されれば、任意のシナリオに対して、最適な排他的領域の形状やサイズが、出力される学習モデルを構築できる。よって、操船計算装置１の広がりによるデータ収集、シナリオの拡大、それに基づく操船シミュレーションによる最適値の決定を蓄積することの利点を、大きく利用できるようになる。

［排他的領域（バンパー）のパラメータ値］
図１０〜図１２は、図５で示した基本概念の排他的領域（バンパー）に基づいて、図１の操船シミュレーション用のパラメータである排他的領域値１０３の生成について示す。操船計算装置１は、バンパーを構成する各要素について可変値とすることで、様々な排他的領域値１０３を生成する。

バンパー（排他的領域値１０３や排他的領域設定値１１１）を構成する要素は、形状、サイズ、および偏位等が挙げられる。形状については、図５では楕円状のみであったが、図１０のように、各種の形状が挙げられる。図１０で、（Ａ）の排他的領域１００１は、第１種類として楕円の場合を示す。なお、楕円は径あるいは焦点位置等で定義できる。（Ｂ）の排他的領域１００２は、第２種類として矩形の場合を示す。（Ｃ）の排他的領域１００３は、第３種類として船舶外形１１００を外側に等倍率で拡大延長した形状（船舶外形延長図形）の場合を示す。本例では、船舶外形１１００および排他的領域１００３は、単純化された五角形としているが、実際の詳細な船舶外形（例えば曲線を含む形状）を用いてもよい。この形状は、コンピュータ・グラフィクス（ＣＧ）等のデータで定義されてもよく、例えば線または領域を構成する点毎に位置座標を持つ。バンパーの形状については、上記例に限らず、多角形、ポリゴン、数式等で表現できる任意の形状でよく、それらのうちシミュレーション性能を考慮して選択した形状を用いればよい。基準船舶形状について１種類のみ示したが、これに限らず、船種や船型に応じて各種の形状が存在する。図１０の（Ｄ）は、バンパーの形状がポリゴンで構成される例を示す。図形１００４は、予め登録されたポリゴンで構成され、Ｘ，Ｙ方向の大きさを可変でき、回転角θで回転できる。

サイズについては、図５では楕円の一定の径（Ａ，Ｂ）であったが、図１１のように、各サイズが挙げられる。図１１では、バンパー形状を楕円とする場合における、可変サイズの例を示す。各種の形状毎に同様に各サイズが生成される。船舶形状１１００は、対象となる船舶の概略的な形状を表す図形である。バンパー１１０１は、第１サイズとした場合である。ここでは、サイズのパラメータとして、楕円を構成するＹ軸の径Ｂのみを示すが、Ｘ軸の径Ａについても同様である。径Ｂに関するパラメータ値の例としてサイズ値ｂ１〜ｂ４を示す。

排他的領域１１０１は、第１サイズの場合であり、サイズ値ｂ１を有する。サイズ値ｂ１は、船舶外形１１００に対する最小包含楕円（言い換えると外接楕円）とした場合を示す。このサイズ値ｂ１は、概略的には船長１１００ａに対応させた値である。排他的領域１１０２は、第２サイズの場合であり、サイズ値ｂ２を有する。サイズ値ｂ２は、サイズ値ｂ１に対し２倍とした場合を示す。同様に、排他的領域１１０２のサイズ値ｂ３、排他的領域１１０４のサイズ値ｂ４は、３倍、４倍の場合を示す。これに限らず、より細かい幅で複数のサイズ値を生成してもよい。パラメータ値の数や細かさは、シミュレーション計算性能を考慮して決めればよい。シミュレーション計算部１１は、このように、例えば所定の範囲（最小値から最大値までの範囲）内で、複数のサイズ値を生成する。

バンパーのサイズの可変については、図１１の例のように線形としてもよいし、非線形としてもよいし、予め規定した関数を用いてもよい。

偏位については、図５では一定の偏位の量（Ｃ，Ｄ）であったが、図１２のように、各種の偏位が挙げられる。図１２では、形状が楕円である場合における、偏位の４つの例を示す。偏位は、前述のように、船舶の位置に対する排他的領域のシフト位置である。（Ａ）で、排他的領域１２００は、偏位前の領域であり、図示のＸ−Ｙ面において、基準船舶の位置１２０１に合わせた原点に位置する。排他的領域１２１１は、第１偏位の場合を示す。位置１２０２ａは、偏位後の排他的領域１２１１の中心の位置である。ベクトル１２０３ａは、偏位（方向と距離）を表し、Ｘ軸での偏位量ｃ１と、Ｙ軸での偏位量ｄ１とを有する。排他的領域１２１１の偏位のパラメータ値は、ベクトル１２０３ａあるいは偏位量（ｃ１，ｄ１）等で表せる。また、排他的領域１２１２は、第２偏位の場合を示し、第１偏位と同じ方向で異なる距離（例えば２倍）とした場合である。この偏位は、ベクトル１２０３ｂあるいは偏位量（ｃ２，ｄ２）等で表せる。（Ａ）での偏位は、例えば自船が右へ変針する場合を想定したものである。

同様に、図１２の（Ｂ）では、（Ａ）に対し異なる方向での偏位の例として第３偏位、第４偏位の場合を示す。（Ｂ）での偏位は、例えば自船が左へ変針する場合を想定したものである。排他的領域１２１３は、第３偏位の場合を示し、ベクトル１２０３ｃ等で表せる。排他的領域１２１４は、第４偏位の場合を示し、第２偏位と同じ方向で異なる距離（例えば２倍）とした場合であり、ベクトル１２０３ｄ等で表せる。

シミュレーション計算部１１は、このように、例えば所定の範囲（最小値から最大値までの範囲）内で、複数の偏位のパラメータ値を生成する。最小値は０であり、すなわち偏位無しである。

［バンパー値の生成・設定処理例］
図９のステップＳ３のバンパー値１０３の生成・設定処理の例として、以下としてもよい。ステップＳ３−１で、シミュレーション計算部１１は、まず、バンパー形状の種類を設定する。バンパー形状の種類は、例えば、楕円、矩形、五角形等がある。次に、ステップＳ３−２で、シミュレーション計算部１１は、上記設定された種類のバンパー形状に基づいて、設定された範囲内で、その形状における各サイズ値を生成する。

ステップＳ３の際、ユーザＵ１が操船計算装置１の表示画面でデフォルトのバンパー形状の種類から使用する種類を選択し、初期値１０１としてもよい。また、ユーザＵ１が、予め、操船計算装置１を操作して、基準バンパーの形状、サイズ、および偏位等を設定しておいてもよい。そして、操船計算装置１が、自動的に、基準バンパーを初期値１０１として、サイズ等を可変することで、各バンパー値１０３を生成してもよい。

［排他的領域（バンパー）の決定に影響する要素］
排他的領域は、例えば自船の周囲に安全航過距離を確保する目的で設定されている。バンパーの形状やサイズ等の決定に影響する要素としては、以下が挙げられる。括弧［］内は単位を示す。

・船種、船型
・自船および他船の船長：ＬｏＡ（Length of All）［ｍ］
・自船の速力：True Speed［Kt］
・相対距離［mile］
・閉塞度（避航操船空間閉塞度）：BC［％］
・可航領域
・旋回半径
なお、特許文献１には、閉塞度について記載がある。閉塞度は、避航操船空間における輻輳の度合いに対応している。可航領域は、電子海図上の地形、地理的制約に対応する。

衝突予防法をはじめとする海事法令に従った操船を実現するために、バンパーには前述の偏位を設定する場合がある。この偏位を決定するための要素についても、上記と同様に様々な要素がある。

操船計算装置１は、上記のような要素を考慮して作成されたシナリオ等の条件１０２に基づいて、上記のような要素を考慮して生成された各バンパー値１０３についての操船シミュレーションを行い、これによってバンパーの最適値１０６を決定する。

［排他的領域の変形例］
変形例として、排他的領域は、以下のように、複数の部分から構成されてもよい。図１３は、ある排他的領域（楕円状の場合）が、複数の種類の領域から構成される例を示す。図１３の（Ａ）は、ある排他的領域が、下位概念として２種類の部分から構成される例を示す。第１部分をソフトバンパー、第２部分をハードバンパーと呼ぶ場合がある。ある１つの排他的領域１３００は、ソフトバンパーであるバンパー１３０１と、ハードバンパーであるバンパー１３０２とのセットで構成されている。バンパー１３０１のサイズ（例えば径ｂ１３０１）に対し、バンパー１３０２のサイズ（例えば径ｂ１３０２）の方が小さい。第１部分であるソフトバンパーは、十分な可航距離を確保する領域である。十分な可航距離とは、操船者からみて不安を感じるかもしれないが他船の侵入が許容できる領域である。第２部分であるハードバンパーは、限界航過距離を確保する領域である。限界航過距離とは、自船の安全上、決して他船を侵入させたくない領域である。

図１３の（Ｂ）では、別の構成例を示す。ある１つの排他的領域１３１０は、安全領域である第１バンパー１３１１と、注意領域である第２バンパー１３１２と、危険領域である第３バンパー１３１３との、３種類の部分のセットで構成されている。安全領域は余裕をもって十分に広く確保された領域であり、注意領域は領域境界線を越えるような他船の侵入があった場合に注意すべき領域であり、危険領域は他船の侵入があった場合に危険な領域である。

操船計算装置１は、あるバンパー設定値１１１に関して、上記のような複数の種類の部分のセットで構成される場合でも、同様に、それぞれの部分毎に、シミュレーションによって最適値を決定する。

［閉塞度を用いる場合］
操船計算装置１は、上記閉塞度を用いて、バンパーのサイズ等を可変に生成してもよい。具体例は以下の通りである。図１４は、海域での状況の例を示す。図１４の（Ａ）は、閉塞度が高い状況の例として、湾内で複数の他船が存在する場合を示し、（Ｂ）は、閉塞度が低い状況の例として、遠洋で単体の他船が存在する場合を示す。（Ａ）では、自船ＯＳに対し、他船として他船ＴＳ１，ＴＳ２，ＴＳ３，ＴＳ４が存在する。自船ＯＳが前方（例えば北）に進行中、例えば他船ＴＳ１が右から左へ横切ろうとする状況である。自船ＯＳと他船ＴＳ１の状態として、時点ｔ＝ｔ１，ｔ２，ｔ３での３つの状態を示す。自船ＯＳは例えば右に変針することで他船ＴＳ１との衝突を回避する。自船ＯＳや他船ＴＳ１のバンパー１４０１は、この閉塞度の状況に対応させたサイズを持つ例を示す。距離１４１０は、時点ｔ３での最近接距離を示す。

（Ｂ）では、自船ＯＳに対し、他船として他船ＴＳ１が存在し、（Ａ）と同様に、自船ＯＳが前方に進行中、他船ＴＳ１が右から左へ横切ろうとする状況である。自船ＯＳは例えば右に変針することで他船ＴＳ１との衝突を回避する。自船ＯＳや他船ＴＳ１のバンパー１４０２は、この閉塞度の状況に対応させたサイズを持つ例を示す。距離１４２０は、時点ｔ３での最近接距離を示す。

（Ａ）のバンパー１４０１は、高い閉塞度に伴い、基準サイズのバンパーと比較して小さいサイズが設定されている。一方、（Ｂ）のバンパー１４０２は、低い閉塞度に伴い、基準サイズのバンパーと比較して大きいサイズが設定されている。（Ａ）のようにバンパー１４０１のサイズが小さい場合、図４のようなリスク関数の幅が狭まることから、衝突危険度が高くなる変針角の範囲も図６の例に比べて狭まる。その結果、効用値を決める選好度および衝突危険度のうち、選好度の影響が相対的に高まる。効用値が最大となる変針角は、図７の例に対し、０deg側にシフトする。（Ｂ）のようにバンパー１４０２のサイズが大きい場合、リスク関数の幅が広がることから、衝突危険度が高くなる変針角の範囲も図６の例に比べて広がる。その結果、効用値を決める選好度および衝突危険度のうち、衝突危険度の影響が相対的に高まる。効用値が最大となる変針角は、図７の例に対し、０degから離れる側にシフトする。

シナリオの一要素として例えば上記輻輳度が含まれる。操船計算装置１は、その輻輳度を含むシナリオに応じて、好適なバンパーのサイズを、操船シミュレーションによって決定する。

［バンパー設定方式］
操船計算装置１でのバンパー設定および操船シミュレーションの際に、計算対象となる各船に対するバンパー値１０３の適用の方式として、以下の方式が挙げられる。いずれの方式も可能である。

（１）計算対象となる自船と他船との対において、一方の基準船舶（例えば自船）のみにバンパーを設定する方式。

（２）計算対象となる自船と他船との対において、両方の各船舶に各バンパーを設定する方式。

また、各船舶に各バンパーが設定される場合、各船舶に同じバンパーが設定される場合と、各船舶に応じた異なるバンパーが設定される場合とのいずれの方式も適用可能である。

また、操船計算装置１でのバンパー設定および操船シミュレーションの際に、計算対象となる各船に関して、効用値等を計算する方式として、以下の方式が挙げられる。いずれの方式も可能である。

（１）計算対象となる自船と他船との対において、一方の基準船舶（例えば自船）のみについて、効用値等を計算する方式。この場合、他方の船舶（例えば他船）については、設定されたシナリオでの所定のレーン等に沿って航行するものとされる。すなわち、他方の船舶については、衝突回避や最適針路選択等のインテリジェンスを持たないと仮定される。

（２）計算対象となる自船と他船との対において、両方の各船舶について、それぞれ効用値等を計算する方式。この場合、各船舶がインテリジェンスを持ち、状況に応じて針路を変える等、相互作用を生じる。

［評価］
次に、図１の操船計算装置１の評価部１２による評価処理（図９のステップＳ５）の例について説明する。評価部１２は、シミュレーション計算部１１によるシミュレーション計算結果に伴うバンパー値１０４毎に、評価値１０５としてスコアを計算する。評価部１２は、評価処理のためのプログラム（操船評価プログラム）等で構成される。各バンパー値１０４は、前述のように、形状、サイズ、および偏位等を規定する各パラメータ値で構成されている。また、各バンパー値１０４は、各回のシミュレーションで適用されるシナリオ等の条件との関係を持つ。また、各回のシミュレーション結果では、バンパー値１０４毎に、前述の効用値１１４等が計算されている。評価部１２は、バンパー値１０４毎の効用値１１４等を参照して、スコアを計算する。

なお、評価部１２の評価処理のためのプログラムを、シミュレーション計算部１１のプログラム（コピー１３）内に入れ込んでおく形態としてもよい。その場合、シミュレーション計算に伴ってスコアが計算および記録される。

評価部１２の評価処理の内容詳細については限定しない。以下では、評価処理の一例を示す。以下の評価処理は、Auto Grading Systemによる、安全性と経済性とを加味した評価方式の場合である。Auto Grading Systemは、一例として、以下のような採点項目および採点手法を持つ。

採点項目の例として、「他船・障害物の航過」、「速力」、「航行禁止区域」がある。各採点項目における採点手法および基準は以下の通りである。「他船・障害物の航過」採点項目についての採点手法は、他船等の障害物との「距離」と、自船からみた「相対方位変化率」とに基づいて、「衝突危険領域」を数値化し、減点のスコアリングを行うというものである。「速力」採点項目についての採点手法は、航路内他、予め設定した速力からの逸脱時間を数値化し、減点のスコアリングを行うというものである。「航行禁止区域」採点項目についての採点手法は、航行禁止区域に、進入していた時間を数値化し、減点のスコアリングを行うというものである。

図１５は、上記「他船・障害物の航過」採点項目に関する採点手法についての説明図である。図１５のグラフは、海域での衝突に係わる状況として、図２や図１４の例のように、自船に対し他船が横切る状況に対応する。図１５のグラフは、横軸が上記「距離」Dist［NM］であり、縦軸が上記「相対方位変化率」（Bow Crossing Bearing change rate）［deg/min］である。一点鎖線で示す領域１５０１は危険領域であり、破線で示す領域１５０２は注意領域であり、それら以外の領域は安全領域である。実線で示す領域１５０３は、危険領域および注意領域を包含する領域（「衝突危険領域」）であり、他船が危険領域または注意領域に侵入した場合に減点するという領域である。

上記採点方式について補足すると、船舶同士の衝突は、自船に対し他船の方位変化が無いまま近づいた場合に発生する。そのような考え方に基づいて、距離が一定以上保たれ、かつ方位変化が大きいことを、「安全な避航」と定義する。この方式では、「安全な避航」である場合（グラフでの安全領域）には、評価値を高くし、「安全な避航」から離れる場合（グラフでの領域１５０３）には、評価値を低くする。図１５のようなグラフは、実際の操船者のヒアリング結果（言い換えると感覚や経験）の集計に基づいている。プログラム３および評価処理は、このようなグラフのデータが反映される。これにより、バンパーを含むモデルを用いたコンピュータによる自動的な避航支援は、操船者の感覚等に照らしても問題無いものとなる。

［最適値の決定］
図１６は、図１の操船計算装置１の評価部１２によるバンパーの最適値１０６の決定処理（図９のステップＳ７）の例を示す。図１６のグラフの横軸は、バンパー値におけるサイズのパラメータ値（例えばｓ１，ｓ２，……）であり、下側に対応するバンパーのイメージを示す。縦軸は、サイズに応じたスコアであり、ここでは０から１００までの値範囲を示す。スコアは、例えば図示のような曲線となる。例えばバンパー最適点１６０１として示すように、サイズが値ｓ６の場合に、スコアが最大値（例えば１００）となる。本例ではサイズの場合を示したが、同様に、形状や偏位との組み合わせでの排他的領域値１０４について、評価が可能である。

操船計算装置１は、図１６の例のような、シミュレーションおよび評価で得た、排他的領域値１０４、評価値１０５、および最適値１０６における、バンパーの形状、サイズ、および偏位等を含む情報を、操船計算装置１の表示画面に表示する。ユーザＵ１は、表示画面で、それらの情報を確認できる。最適値１０６の情報を表示する際には、図５のような形式の表示としてもよい。

［自動避航プログラム設定］
上記シミュレーションで得たバンパーの最適値１０６をプログラム３に設定する際には、バンパーの最適値１０６のみならず、シナリオ等の条件１０２とのセットで設定されてもよい。例えば、状況Ａではバンパー値Ａ、状況Ｂではバンパー値Ｂ、といったように、複数のバンパーの最適値１０６がプログラム３にバンパー設定値１１１として設定されてもよい。その場合、自動避航装置２は、プログラム３に従った避航支援の際に、状況に応じて異なるバンパーの最適値１０６を適用する。

［効果等］
上記のように、実施の形態１の操船計算装置１によれば、好適または最適なバンパー設定値（図１の最適値１０６）が決定できるので、その結果として自動避航装置２による避航支援や自動操船の精度等を高めることができる。プログラム３を含む自動避航装置２によって、より安全かつ経済的な避航操船が可能となる。

（実施の形態２）
図１７を用いて、本発明の実施の形態２の操船計算装置について説明する。バンパーを用いた避航操船の計算の方式（プログラム等）は、実施の形態１および特許文献１のような例に限定されない。実施の形態２では、実施の形態１および特許文献１の例とは異なる方式に適用する場合を示す。実施の形態２では、その方式として、バンパーを用いて、先に、衝突危険領域（衝突のリスクがあるエリア）を計算し、次に、次の目的地（言い換えると、与えられる次のウエイポイント）に至る、経路探索を行って、中間的なウエイポイントに向かう針路とそこに至る速力を計算する。中間的なウエイポイントとは、言い換えると、中間的な目的地、目標値、暫定的なウエイポイントであり、あくまでも危険回避するために置かれる中間的な目標である。この方式は、直線的に目的地に向かうと衝突のリスクがある場合に、一時的に、このような衝突回避のための暫定的なウエイポイントを１つないし複数置いて、そこに向かうという方式である。

図１７は、実施の形態２の操船計算装置１を含む、システム全体の構成を示す。図１７の構成は、図１の構成に対し、方式の違いに対応して、自動避航装置２の自動避航プログラム３の内容が異なり、それに対応して、操船計算装置１でのシミュレーションの内容が異なる。この自動避航プログラム３は、内容として、バンパー設定値１１１を用いた衝突危険領域１１２ｂの計算、最適経路探索１１３ｂの計算、および次の暫定ウエイポイントへの針路１１４ｂの計算を含む。最適経路探索１１３ｂは、衝突危険領域１１２ｂを回避した最適経路の探索である。最適経路とは、言い換えると、避航のための暫定ウエイポイントから構成される経路である。衝突危険領域１１２ｂと最適経路探索１１３ｂの計算は繰り返し行われる。

以下、実施の形態２で、自動避航プログラム３におけるバンパー設定値１１１を用いた計算の方式について説明する。前述（図３〜図７）の好ましさモデルは、衝突危険度１１２、選好度１１３、および効用値１１４を都度で逐次計算することで、針路および速力を決めるプログラムである。それに対し、実施の形態２では、自動避航装置２のプログラム３は、同様のロジックを利用して、以下のステップＳ２０１〜Ｓ２０３の処理を行う。

ステップＳ２０１で、自動避航装置２は、バンパー設定値１１１を用いて、衝突危険領域１１２ｂを判定する。ステップＳ２０２で、自動避航装置２は、衝突危険領域１１２ｂを回避した最適航路（それを構成する暫定ウエイポイント）を探索する。ステップＳ２０３で、自動避航装置２は、次の暫定ウエイポイントへの針路および速力を出力する。

より具体的には以下のような処理例が挙げられる。自動避航装置２は、ファストタイムシミュレーションを利用して、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３の逐次計算の繰り返しを行うことで、最適航路（言い換えると暫定ウエイポイントの列）を得ることが可能である。ステップＳ２０１で、自動避航装置２は、与えられたバンパー設定値１１１をパラメータ値として、最も影響の大きい他船の位置及び針路速力ならびに自船の位置及び針路速力を利用して前述の衝突危険度（Ｒｘ，Ｒｙ）を計算するロジックを利用して、衝突危険領域１１２ｂを判定する。

ステップＳ２０２で、自動避航装置２は、ステップＳ２０１で得た衝突危険領域１１２ｂを避けてなるべく次のウエイポイントに向かうような次の暫定ウエイポイントを設定する。この設定での次の暫定ウエイポイントは、例えば、効用が最も高い針路に、現在の速力で一定時間（例えば１分）進んだ位置、といったものである。自動避航装置２は、ファストタイムシミュレーションで、ある時間後の状況を計算し、そこまでシミュレーション上で船を進める。他船もそれぞれ針路速力を変えず進む。自動避航装置２は、これを暫定ウエイポイントとして記録する。自動避航装置２は、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の計算を繰り返し、次のウエイポイントにたどり着くまで計算を進める。記録された暫定ウエイポイントの列が、これから進む航路（次の暫定ウエイポイントへの針路１１４ｂ）になる。

上記のように、実施の形態２の操船計算装置１によれば、自動避航プログラム３の方式に応じて、実施の形態１と同様に、好適または最適なバンパー設定値が決定できる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１…操船計算装置、２…避航支援装置、３…プログラム、４…船舶情報取得装置、５…電子海図、６…表示装置、７…自動操縦装置、１１…シミュレーション計算部、１２…評価部、１０１…排他的領域（バンパー）の初期値、１０２…条件、１０３…排他的領域値、１０４…排他的領域値、１０５…評価値、１０６…排他的領域の最適値、１１１…排他的領域設定値、１１２…衝突危険度、１１３…選好度、１１４…効用値。

Claims (9)

1. 船舶の避航支援機能を実現するための自動避航プログラムの設定情報を計算する操船計算装置であって、
   船舶の周囲に設定される排他的領域についてのパラメータ値として、少なくとも形状およびサイズを異ならせた複数の排他的領域値を生成し、
   前記パラメータ値を変えながら、前記自動避航プログラムを用いたシミュレーション計算を繰り返し実行し、
   前記シミュレーション計算の結果に基づいて、前記パラメータ値に応じた評価値を計算し、
   前記評価値に基づいて、前記排他的領域の最適値を決定し、
   前記排他的領域の最適値を前記自動避航プログラムに設定する、
   操船計算装置。
2. 請求項１記載の操船計算装置において、
   前記シミュレーション計算の条件の１つとして、海域での自船および他船の衝突に係わる状況を含むシナリオを作成し、
   前記シナリオに応じた前記シミュレーション計算を実行する、
   操船計算装置。
3. 請求項１記載の操船計算装置において、
   自船と他船との距離と、相対方位変化率とに基づいて、衝突危険領域を数値化し、前記衝突危険領域に基づいて、前記評価値を計算する、
   操船計算装置。
4. 請求項１記載の操船計算装置において、
   前記排他的領域についての前記パラメータ値の生成の際には、前記船舶の位置に対して前記排他的領域の偏位した位置についての複数の値を生成する、
   操船計算装置。
5. 請求項１記載の操船計算装置において、
   前記自動避航プログラムは、前記排他的領域の設定値を用いて、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を計算する、
   操船計算装置。
6. 請求項５記載の操船計算装置において、
   前記避航操船プログラムは、
   現状からの変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間を避航操船空間として、前記避航操船空間の位置毎に、単数または複数の他船のうち最も影響が大きい他船に対する前記衝突危険度を計算し、
   前記避航操船空間の位置毎に、操船者の主観的な好みを表す選好度を計算し、
   前記避航操船空間の位置毎に、前記選好度から前記衝突危険度を減算することで、効用値を計算する、
   操船計算装置。
7. 請求項１記載の操船計算装置において、
   前記自動避航プログラムは、
   前記排他的領域の設定値を用いて、他船の排他的領域と他船の針路および速力、ならびに自船の針路および速力に基づいて、衝突危険領域を判定し、
   ファストタイムシミュレーションに基づいて、前記衝突危険領域を回避する最適経路を探索し、
   前記最適経路に対応した針路および速力を出力する、
   操船計算装置。
8. 請求項１記載の操船計算装置において、
   前記排他的領域の最適値を含む情報を、表示画面に表示する、
   操船計算装置。
9. 請求項２記載の操船計算装置において、
   前記シナリオを含む条件を入力とし、前記排他的領域の最適値を出力とするデータを、機械学習を用いて学習し、
   前記学習に基づいて、前記シナリオを含む条件に対応する入力から、前記排他的領域の最適値を出力する、
   操船計算装置。

Images