JP2022163993A - 操船支援装置および操船支援プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】障害物を柔軟かつ定量的に回避するように船舶の推力指令値を決定することができる操船支援装置および操船支援プログラムを提供する。【解決手段】操船支援装置は、少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援装置であって、演算器および演算器で演算した結果を表示する表示器を備え、演算器は、船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得し、自船情報および障害物情報から船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出し、危険推力指令値範囲を表示器の表示画面に表示する。【選択図】図４

Description

本開示は、少なくとも１つの推進機を含む船舶の操船支援装置および操船支援プログラムに関する。

湾内は複数の船舶が密集し、逐次環境が変化するため、湾内の操船、特に、離着岸の操船は一般的に難しい。船舶において他の船舶や岸壁等の様々な障害物との衝突事故を防止するには、素早く正確な操船判断が必要となる。

下記特許文献１には、操船を支援する方法として、障害物との衝突危険性があると判定した場合に、予め設定された複数の避航指令パターンから１つを選択して表示装置に表示する態様が開示されている。より具体的には、特許文献１では、障害物（他船）が自船を中心とした角度範囲として定められる複数のエリアの何れに位置するかに応じて予め操船パターン（速度維持、右転、減速）が定められている。例えば、障害物が自船の右前方の第１エリアに位置する場合には、避航指令パターンとして右転を選択する。また、例えば、障害物が自船の右側方の第２エリアに位置する場合には、避航指令パターンとして減速を選択する。このように、従来の衝突回避のための操船支援装置においては、障害物との位置関係に基づいて障害物を回避するための最適な操作内容を提示する。

特開２０１６－０４９９０３号公報

しかしながら、上記のような態様では、提示された最適な操作内容以外の操船を行った場合に障害物との衝突危険性があるかどうかは分からない。例えば、操船者が、障害物を検出するセンサが認識しなかった他の障害物を、提示された操作内容に基づく航路上に見つけた場合、操船者は、提示された操作内容とは異なる操作内容で操船を行う必要がある。しかし、上記従来の態様では、どのように操作内容を変更すべきか（どのように針路変更すべきか）分からない。また、特許文献１の態様では、定性的な操作内容に基づく操船パターンが予め定められているだけであり、避航のための定量的な操作量（自船の推力の大きさおよび方向）については提示されない。このため、適切に避航するためには、操船者が船舶の性能（慣性力等）を把握しておく必要がある。

そこで、本開示は、障害物を柔軟かつ定量的に回避するように船舶の推力指令値を決定することができる操船支援装置および操船支援プログラムを提供することを目的とする。

本開示の一態様における操船支援装置は、少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援装置であって、演算器および前記演算器で演算した結果を表示する表示器を備え、前記演算器は、前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得し、前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を前記危険推力指令値範囲として算出し、前記危険推力指令値範囲を前記表示器の表示画面に表示する。

また、本開示の他の態様における操船支援プログラムは、少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援プログラムであって、コンピュータを、前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得する情報取得部、前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出する危険推力指令値範囲算出部、および前記危険推力指令値範囲を前記コンピュータの表示画面に表示する危険推力指令値範囲表示部として機能させる。

上記構成の操船支援装置および操船支援プログラムによれば、自船情報および障害物情報から船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向のうち、障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲が、危険推力指令値範囲として表示画面に表示される。したがって、操船者等のユーザは、表示画面に表示された危険推力指令値範囲を考慮しつつ船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向の組み合わせの中から自由に操作内容を決定することができる。このように、上記構成によれば、障害物を柔軟かつ定量的に回避するための操作内容を決定するための示唆を操船者に与えることができる。

また、本開示の他の態様における操船支援装置は、少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援装置であって、演算器および前記演算器で演算した結果を表示する表示器を備え、前記演算器は、前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得し、前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出し、前記船舶の推力の大きさおよび方向についての現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれるか否かを判定し、前記現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれる場合、前記現在の指令値を前記危険推力指令値範囲外の指令値になるように補正する。

また、本開示の他の態様における操船支援プログラムは、コンピュータを、前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得する情報取得部、前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出する危険推力指令値範囲算出部、前記船舶の推力の大きさおよび方向についての現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれるか否かを判定する判定部、および前記現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれる場合、前記現在の指令値を前記危険推力指令値範囲外の指令値になるように補正する指令値補正部として機能させる。

上記構成の操船支援装置および操船支援プログラムによれば、自船情報および障害物情報から船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向のうち、障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲が、危険推力指令値範囲として算出される。さらに、船舶の現在の指令値が危険推力指令値範囲に含まれる場合、現在の指令値が危険推力指令値範囲外の指令値になるように補正される。したがって、操船者の操作量にかかわらず、危険推力指令値範囲外となるような指令値で操船を行うことができる。しかも、操船者は、危険推力指令値範囲外では自由に操作量を決定することができる。したがって、障害物を柔軟かつ定量的に回避するように船舶の推力指令値を決定することができる。

本開示によれば、障害物を柔軟かつ定量的に回避するように船舶の推力指令値を決定することができる。

図１は、本開示の一実施の形態に係る操船支援装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態における危険推力指令値の抽出処理のイメージ図である。 図３は、船舶と障害物との位置関係の一例を示す図である。 図４は、ある操船パターンを説明するための図である。 図５は、本実施の形態において表示画面に危険推力指令値範囲の時間変化を表示する態様の一例を示す図である。 図６は、本実施の形態において表示画面に危険推力指令値範囲の時間変化を表示する態様の他の例を示す図である。 図７は、他の実施の形態における表示画面の一例を示す図である。 図８は、本開示の一実施の形態における変形例に係る操船支援装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本開示の一実施の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は、本開示の一実施の形態に係る操船支援装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す操船支援装置１は、入力器２、記憶器３、演算器４、および表示器５を備えている。各構成１～５は、バス６により相互にデータ伝達を行う。操船支援装置１は、船舶に設置されたコンピュータまたは制御装置として構成されてもよいし、船舶に設置されたコンピュータとは異なるコンピュータによって構成されてもよい。船舶に設置されたコンピュータとは異なるコンピュータは、例えばタブレット端末またはスマートフォン等の携帯端末であってもよいし、陸上の施設に設置されるコンピュータであってもよい。また、操船支援装置１を構成する一部の機能を船舶に設置されたコンピュータが発揮し、他の機能を船舶に設置されたコンピュータとは異なるコンピュータが発揮し、所定の通信器によって相互にデータの相互通信が行われるように構成されてもよい。

入力器２は、後述する自船情報、障害物情報、船舶の操作量等のデータが入力されるインターフェイスを構成する。例えば、入力器２は、通信インターフェイスとして構成されてもよいし、ユーザによる操作入力が可能な入力装置として構成されてもよい。記憶器３は、入力器２に入力されたデータを記憶する。さらに、記憶器３は、後述する船舶の船体モデルおよび操船支援プログラムを記憶する。記憶器３は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメインメモリと、ハードディスク、フラッシュメモリ等の書き込み可能なストレージとを含む。演算器４は、例えばＣＰＵにより構成される。演算器４は、記憶器３に記憶された各種データに基づいて船舶の危険推力指令値範囲を算出する演算処理を実行する。このために、演算器４（を含むコンピュータ）は、操船支援プログラムを実行することにより、情報取得部４１、危険推力指令値範囲算出部４２、危険推力指令値範囲表示部４３および動作シミュレーション部４４等の機能を発揮する。表示器５は、汎用の表示装置等で構成される。表示器５は、演算器４の演算結果等を表示画面に表示するように構成される。

情報取得部４１は、ＧＰＳ等の全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）を用いた対象船舶（以下、自船Ｓｍ）の位置情報や、方位計、ジャイロコンパス、風向風速計、対水速度計等の自船に設けられた各種センサによる測定情報等から求められた、自船Ｓｍの位置、針路および速度に関する自船情報を取得する。なお、情報取得部４１は、自船情報を外部から単に取得するだけでもよいし、例えば、情報取得部４１が、自船の単位時間ごとの位置情報等から、自船の針路および速度を演算により求めてもよい。

さらに、情報取得部４１は、自船Ｓｍの位置および／または姿勢（例えば針路等）に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報を取得する。所定範囲の境界は、自船Ｓｍの位置を中心とする所定半径の円または多角形として定義されてもよいし、針路方向に長い所定形状として定義されてもよい。障害物情報は、他船情報および固定物情報を含む。他船情報は、船舶自動識別装置（ＡＩＳ：Automatic Identification System）から得られる他の船舶の位置、針路および速度に関する情報である。固定物情報は、海図情報から得られる岸壁、岩礁等の固定物の位置に関する情報である。

情報取得部４１は、このような自船情報および障害物情報を取得し、記憶器３に記憶する。危険推力指令値範囲算出部４２は、これらの情報を用いて自船Ｓｍが出力可能な推力の大きさおよび方向についての危険推力指令値範囲ＤＺ（後述する図４参照）を算出する。危険推力指令値範囲ＤＺは、自船Ｓｍが出力可能な推力の大きさおよび方向について障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲である。まず、危険推力指令値範囲算出部４２は、自船情報および障害物情報から船舶の障害物に対する相対位置Ｐおよび相対速度Ｖを算出する。相対位置Ｐおよび相対速度Ｖはスカラーまたはベクトルの何れでもよい。ここで、船舶の障害物に対する所定の安全量ｈ＝ｈ（Ｐ）が相対位置Ｐおよび相対速度Ｖを用いて定義される。

例えば、安全量ｈは、自船Ｓｍの障害物に対する相対位置Ｐが近接するほど低下し、かつ、自船Ｓｍの障害物に対する相対速度Ｖが近接方向に増大するほど低下するような安全量関数として定義される。例えば、安全量関数を、自船Ｓｍと障害物とで結ぶ直線上の位置関係（スカラー）として示すと、以下のように定義される。
ｈ＝（ｄ－δ）－Ｔ・ｖ…（１）
ここで、ｄは船舶および障害物間の相対距離（スカラー）、δは保持距離（マージン）、Ｔは時定数、ｖは相対速度（スカラー）を示す。ｄが相対位置Ｐに相当し、ｖが相対速度Ｖに相当する。なお、この安全量関数は、ベクトルの相対位置Ｐおよび相対速度Ｖを用いてベクトルの関数としても表され得る。以上のように定義された安全量関数ｈ（Ｐ）が正であれば、障害物に接触する可能性が生じないと推定される。

このように安全量関数で示される安全量ｈの変化率は、安全量関数を時間微分することで得られる。時間微分の方法としては、例えばLie微分を用いることができる。ここで、相対速度Ｖの微分は、相対加速度を示す。加速度は、運動方程式より自船Ｓｍの推力Ｆを自船Ｓｍの質量で割ったものといえる。したがって、安全量ｈの変化率ｈ’は、相対位置Ｐおよび推力Ｆを変数とした関数として表現できる。すなわち、ｈ’＝ｈ’（Ｐ，Ｆ）である。なお、自船Ｓｍの推力Ｆの大きさおよび方向は、プロペラ等の推力発生器に対して与えられる推力指令値である操作量Ｕの大きさおよび方向と対応する。すなわち、操作量Ｕの大きさによりプロペラの回転数が決定されるため、その回転数とプロペラの諸元とから推力Ｆが定められる。このため、安全量ｈの変化率ｈ’を、相対位置Ｐおよび操作量Ｕを変数とした関数として表現できる。

このようにして得られる上記安全量の式ｈ（Ｐ）およびその変化率の式ｈ’（Ｐ，Ｕ）から、以下に示すような操作量Ｕに関する不等式制約条件が定義される。
ｈ’（Ｐ，Ｕ）≧－ａ（ｈ（Ｐ））…（２）
ここで、ａ（ｈ（Ｐ））は、ｈ（Ｐ）を変数とする関数である。この関数ａ（ｈ（Ｐ））は、入力と同じ符号の出力を返す。そのため、（２）式の右辺－ａ（ｈ（Ｐ））は、ｈ（Ｐ）が負の値であるときに正となる。なお、（２）式において、右辺の代わりに、ｈ（Ｐ）に正の定数ｋが乗算された式が不等式制約条件として用いられてもよい。

危険推力指令値範囲算出部４２は、船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について、安全量ｈの変化率がそのときの安全量ｈに応じて定められる基準値以上となるような、船舶の推力Ｆの大きさおよび方向についての操作量Ｕ（推力指令値）の範囲を算出する。例えば、安全量ｈが上記（１）式の安全量関数で示される場合、危険推力指令値範囲算出部４２は、船舶が出力可能な推力Ｆの大きさおよび方向に基づいて船舶の障害物方向の推力の大きさｆを算出し、そのｆを上記（２）式で示す不等式制約条件のＦに代入して上記（２）式を満足するか否かを判定する。上記式（１）の例では、相対位置Ｐには、現在の船舶および障害物の相対距離ｄが代入される。

危険推力指令値範囲算出部４２は、上記不等式制約条件を満足するか否かの判定を、船舶が出力可能な複数の推力の大きさおよび方向の組み合わせについて行う。例えば、出力可能な推力の大きさを所定の複数段階に区切るとともに、出力可能な推力の方向として所定の基準方向（例えば前方）を０°として、その基準方向からの角度（例えば時計回りの角度）を所定の複数段階に区切ることにより、船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向の組み合わせの中から複数の演算点が設定される。危険推力指令値範囲算出部４２は、複数の演算点のそれぞれについて上記判定を行う。危険推力指令値範囲算出部４２は、上記判定において不等式制約条件を満足しない推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせを危険推力指令値として抽出する。

図２は、本実施の形態における危険推力指令値の抽出処理のイメージ図である。図２のＵＺで示される外枠は、その中心を基準点Ｑｏ（推力Ｆ＝０）とし、自船Ｓｍが出力可能な推力（指令値）Ｆの大きさおよび方向の領域（出力可能範囲ＵＺ）を示している。出力可能範囲ＵＺ内の任意の点において、基準点Ｑｏと任意の点との距離が離れるほど推力Ｆが大きいことを示している。また、出力可能範囲ＵＺの上下左右が自船Ｓｍの前後左右に対応しており、基準点Ｑｏを基準とする任意の点の方向が推力Ｆの方向を示している。

図２においては、複数の演算点として、前方を０°として基準点Ｑｏ回りに４５°ごとに推力Ｆの方向が段階分けされ（８方向）、各方向において推力Ｆの大きさがそれぞれ１０段階に分けられた演算点Ｑｃ（８０個の演算点Ｑｃ）が設定されている。なお、演算点Ｑｃの設定態様はこれに限られず、演算点Ｑｃは、種々の態様で設定され得る。

図３は、船舶と障害物との位置関係の一例を示す図である。本例においては、自船Ｓｍの右前方から障害物である他船Ｓｏｂが自船Ｓｍの左前方へ近接しながら自船Ｓｍの前方を横切るような航路を取っている。自船Ｓｍは、少なくとも１つの推進機ＴＨを備えている。推進機ＴＨは、例えば推力を水平方向内の任意の方向に発生させることができるアジマススラスタ等により構成される。

図２には、図３のような自船Ｓｍおよび他船Ｓｏｂの位置関係において、危険推力指令値範囲算出部４２が複数の演算点Ｑｃについて上記判定を行った結果、上記不等式制約条件を満足しなかった演算点が×印で示されている。すなわち、危険推力指令値範囲算出部４２は、×印で示されている演算点を危険推力指令値として抽出する。

危険推力指令値範囲算出部４２は、抽出した危険推力指令値を含む範囲を危険推力指令値範囲ＤＺとして算出する。図２の例において、危険推力指令値範囲算出部４２は、各演算点Ｑｃの上記判定結果に基づいて、複数の演算点Ｑｃ間の補間演算を行い、危険推力指令値範囲ＤＺの境界線ＤＢを決定する。境界線ＤＢは、図２に示すように直線でもよいし、曲線でもよい。危険推力指令値範囲算出部４２は、境界線ＤＢを基準として危険推力指令値として抽出した演算点を含む側を危険推力指令値範囲ＤＺとして設定する。危険推力指令値範囲表示部４３は、算出した危険推力指令値範囲ＤＺを表示器５の表示画面に表示する。

なお、上記のような補間演算は必須ではない。例えば、危険推力指令値範囲ＤＺが、抽出された危険推力指令値の集合として定義されてもよい。また、例えば、危険推力指令値範囲ＤＺが、抽出された危険推力指令値間を結んだ線分で区画されてもよい。

なお、危険推力指令値範囲ＤＺの算出態様は、上記に限られない。すなわち、予め定められた演算点Ｑｃごとの判定結果を参照する態様には限られない。例えば、自船Ｓｍが出力可能な推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせを二次元的に表示する出力可能範囲を、操作量Ｕに関する不等式制約条件である上記（２）式の成立と非成立との間の境界線で区画して、不等式制約条件を満たさない側を危険推力指令値範囲ＤＺとしてもよい。

例えば、安全量の変化率ｈ’が操作量Ｕに関する一次関数の形になるように安全量関数が定義された場合、（２）式が規定する安全な操作量Ｕの領域は、直線で区画して表現可能となる。これに代えて、安全量関数の変化率ｈ’が操作量Ｕに関する一次関数の形にならないように定義することも可能である。その場合には、直線ではない式によって（２）式が規定する安全な操作量Ｕの領域は、直線ではない数式で表現される。

図４は、本実施の形態における表示画面の一例を示す図である。表示画面５０は、自船Ｓｍが出力可能な推力の大きさおよび方向の組み合わせを二次元的に表示する出力可能範囲表示領域５１を含む。出力可能範囲表示領域５１は、図２に示す出力可能範囲ＵＺに対応するものである。すなわち、出力可能範囲表示領域５１内の任意の点において、基準点Ｑｏと任意の点との距離が推力Ｆの大きさを示し、基準点Ｑｏを基準とする任意の点の方向が推力Ｆの方向を示している。危険推力指令値範囲表示部４３は、出力可能範囲表示領域５１上に危険推力指令値範囲ＤＺを二次元的に表示する。例えば、危険推力指令値範囲ＤＺは、出力可能範囲ＵＺの他の領域とは異なる表示態様（色を変える等）により、強調表示される。

なお、危険推力指令値範囲ＤＺは、必ずしも１つの連続的な領域として表示しなくてもよい。例えば、危険推力指令値範囲ＤＺが、抽出された危険推力指令値の集合として定義される場合、危険推力指令値範囲表示部４３は、複数の演算点Ｑｃを出力可能範囲表示領域５１上に表示し、かつ、複数の演算点Ｑｃのうちの危険推力指令値として抽出された演算点をその他の（危険推力指令値として抽出されなかった）演算点とは異なる表示態様で表示してもよい。また、操作量Ｕに関する不等式制約条件が複数ある場合、複数の条件式のそれぞれについて条件を満たさない範囲をそれぞれ危険推力指令値範囲ＤＺとして算出し、これらを組み合わせてもよい。この場合も、演算点Ｑｃごとに判定を行う態様だけでなく、条件式の成立と非成立との間の境界線を用いる態様が適用可能である。

出力可能範囲表示領域５１における危険推力指令値範囲ＤＺ内の推力指令値（大きさおよび方向）を選択することは、図３に示すような危険な推力による航路Ｃ_ＮＧを選択することを意味する。したがって、演算対象となっている障害物（図３における他船Ｓｏｂ）に接近および衝突する可能性が高くなる。言い換えると、危険推力指令値範囲ＤＺ内の推力指令値は、障害物に接触する可能性がある方向かつ障害物に基準時間以内に接触する可能性がある大きさを含んでいる。一方、表示画面５０において危険推力指令値範囲ＤＺ外の推力指令値を選択することは、図３に示すような危険を回避可能な推力による航路Ｃ_ＯＫを選択することを意味する。しかも、危険を回避可能な推力による航路Ｃ_ＯＫは、操船者が危険推力指令値範囲ＤＺ以外で任意に選択可能である。

さらに、危険推力指令値範囲表示部４３は、出力可能範囲表示領域５１上に、自船Ｓｍの現在の推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせを示す現在推力マーカＭを表示する。すなわち、現在の推力Ｆの指令値が、危険推力指令値範囲ＤＺ内か否か、および危険推力指令値範囲ＤＺ外である場合であっても危険推力指令値範囲ＤＺに近いかどうかが一見して分かるように表示される。

さらに、危険推力指令値範囲表示部４３は、表示画面５０に、危険推力指令値範囲ＤＺの時間経過に伴う変化を表示可能である。より具体的には、危険推力指令値範囲表示部４３は、入力器２に推力Ｆの大きさおよび方向についての所定の組み合わせ（設定入力値）が入力された場合に、その推力Ｆの大きさおよび方向を一定として自船Ｓｍを所定時間航行させた場合の危険推力指令値範囲ＤＺの基準時間ｔｂ経過ごとの変化を表示画面５０に表示する。

例えば、入力器２に入力される設定入力値は、自船Ｓｍの現在の推力Ｆの大きさおよび方向でもよいし、操船者等のユーザが任意に入力器２に入力した推力Ｆの大きさおよび方向でもよい。

動作シミュレーション部４４は、入力された設定入力値に基づいて、自船Ｓｍの挙動をモデル化した所定の船体モデルを用いて自船Ｓｍの動作シミュレーションを行う。

このために、記憶器３には、予め自船Ｓｍの挙動をモデル化した船体モデルが記憶されている。また、入力器２から自船Ｓｍに作用する外力等の情報が入力される。例えば、船体モデルは、自船Ｓｍに作用する風圧力、流体力および自船Ｓｍの推力Ｆの合力を、自船Ｓｍの前後方向（サージ方向）作用力Ｘ、左右方向（スウェイ方向）作用力Ｙおよび回頭角（ヨー角）作用力モーメントＮのそれぞれに分解し、分解した力のそれぞれについての運動方程式として定義される。

ここで、風圧力は、例えば、自船Ｓｍに設けられた風向風速計測計で計測された値からイーシャウッドの提案式または藤原の提案式等の公知の算出方法により算出される。また、流体力は、自船Ｓｍの対地船速、対水船速、潮流センサ計測値等からＭＭＧの提案式、Cross-flow dragモデル等の公知の算出方法により算出される。

また、自船Ｓｍの船体モデルを定義する運動方程式は、例えば以下のように表される。ここで、Ｍは船体質量、Ｊ_Ｚは船体慣性モーメント、ｕは前後方向速度、ｖは左右方向速度、ｒは回頭角速度、ｘ_Ｇは船体中心から見た前後方向重心位置、ｙ_Ｇは船体中心から見た左右方向重心位置をそれぞれ示す。

なお、自船Ｓｍがタグボート等の支援船のアシストを受けている場合、船体モデルとして、タグボートが自船Ｓｍに作用する力を外力として含むような船体モデルを適用してもよい。

動作シミュレーション部４４は、動作シミュレーションの結果、入力された設定入力値における所定の基準時間ｔｂ経過ごとの自船Ｓｍの位置、針路および速度を算出する。基準時間ｔｂは自船Ｓｍの大きさおよび最大船速の大きさまたはシミュレーション時の船速の大きさに従って設定され得る。例えば、自船Ｓｍが大きいほど基準時間ｔｂが長い時間に設定され、自船Ｓｍの船速が速いほど基準時間ｔｂが短い時間に設定される。

危険推力指令値範囲算出部４２は、算出された基準時間ｔｂ経過ごとの自船Ｓｍの位置、針路および速度を用いて、基準時間ｔｂ経過ごとの危険推力指令値範囲ＤＺを算出する。このときの障害物の針路および速度は、現在の針路および速度で固定とする。障害物が移動している場合（例えば障害物が他船Ｓｏｂである場合等）、障害物の位置は、現在の位置から現在の速度で基準時間ｔｂ経過後の位置を算出することにより、求められる。なお、上述の通り、船舶の操作指令は、一般的に前後方向、左右方向および回頭角の三次元であるため、回頭角については現在の操作指令で固定する等により不等式制約条件を二次元表現とすることで、危険推力指令値範囲ＤＺを二次元的な範囲として算出することができる。

危険推力指令値範囲表示部４３は、自船Ｓｍの推力Ｆの大きさおよび方向を一定として自船Ｓｍを所定時間航行させた場合の危険推力指令値範囲ＤＺの基準時間ｔｂ経過ごとの変化を表示画面５０に表示する。

図５は、本実施の形態において表示画面に危険推力指令値範囲の時間変化を表示する態様の一例を示す図である。図５の例においても、表示画面５０は、図４と同様の表示を行う出力可能範囲表示領域５１を含む。図５の例では、自船Ｓｍの現在の推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせ（現在推力マーカＭの位置）を設定入力値とし、基準時間ｔｂを３０秒として、３０秒経過ごとの危険推力指令値範囲ＤＺが表示画面５０（出力可能範囲表示領域５１）に順次表示される。

なお、経過時間の切り替え（例えば［現在］から［３０秒後］への表示切替）は、ユーザの操作に基づいて行われてもよいし、自動的に（数秒後に表示切替等）行われてもよい。また、危険推力指令値範囲ＤＺの算出を行っていない時間における危険推力指令値範囲ＤＺを、算出された複数のタイミングにおける危険推力指令値範囲ＤＺから補間演算により推定することにより、危険推力指令値範囲ＤＺの時間変化が連続的に（動画として）表示されてもよい。例えば、[現在]における危険推力指令値範囲ＤＺと［３０秒後］における危険推力指令値範囲ＤＺとから［現在］から［３０秒後］までの間の危険推力指令値範囲ＤＺ（の連続的な変化）が推定されてもよい。

あるいは、１つの表示画面５０上に複数の出力可能範囲表示領域５１が設けられ、各出力可能範囲表示領域５１に各時間における危険推力指令値範囲ＤＺが表示されてもよい。すなわち、例えば図５に示す４つのタイミングにおける危険推力指令値範囲ＤＺが１つの表示画面５０上に表示されてもよい。この場合、１つの表示画面５０に４つの出力可能範囲表示領域５１が設けられる。

図６は、本実施の形態において表示画面に危険推力指令値範囲の時間変化を表示する態様の他の例を示す図である。図６に示すように、１つの出力可能範囲表示領域５１に基準時間ｔｂ経過ごとの危険推力指令値範囲ＤＺが互いに異なる表示態様で表示されてもよい。図６では、［現在］における危険推力指令値範囲ＤＺ_０、［３０秒後］における危険推力指令値範囲ＤＺ_１、［６０秒後］における危険推力指令値範囲ＤＺ_２、および［９０秒後］における危険推力指令値範囲ＤＺ_３が、１つの出力可能範囲表示領域５１内に表示されている。

例えば複数の危険推力指令値範囲ＤＺ_０～ＤＺ_３が互いに異なる色で表示されてもよいし、互いに異なる色の濃さで表示されてもよい。なお、図６の例では複数の危険推力指令値範囲ＤＺ_０～ＤＺ_３において重複する領域は現在に近い方が優先して表示される。これに代えて、複数の危険推力指令値範囲ＤＺ_０～ＤＺ_３を透過表示にしてもよい。

上記構成の操船支援装置１によれば、自船情報および障害物情報から自船Ｓｍが出力可能な推力の大きさおよび方向のうち、障害物（他船Ｓｏｂ等）に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲が、危険推力指令値範囲ＤＺとして表示画面５０に表示される。より具体的には、自船Ｓｍの障害物（他船Ｓｏｂ等）に対する相対位置Ｐおよび相対速度Ｖに基づいて定められる安全量ｈの変化率に応じて、自船Ｓｍが出力可能な推力Ｆの大きさおよび方向のうち、障害物との関係で危険操作となり得る自船Ｓｍの推力指令値が、危険推力指令値範囲ＤＺとして表示画面５０に表示される。したがって、操船者等のユーザは、表示画面５０に表示された危険推力指令値範囲ＤＺを考慮しつつ自船Ｓｍが出力可能な推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせの中から自由に操作内容を決定することができる。すなわち、操船支援装置１による表示内容（判定結果）に操船者の判断を加えた操船（避航等）を行うことができる。

このため、例えば、クジラ等の海洋生物のように情報取得部４１が障害物情報として取得し難い回避対象が目視等により認識された場合であっても、操作内容を柔軟に決定することができる。また、操作パターンの選択ではなく、推力Ｆの大きさおよび方向について定量的に判断して決定することにより、例えば、障害物として認識されなかった上記回避対象を回避するために、一時的にあえて危険推力指令値範囲ＤＺ内の推力Ｆの大きさおよび方向での操船を行うことも選択肢として考慮することができる。このように、上記構成によれば、障害物を柔軟かつ定量的に回避するための操作内容を決定するための示唆を操船者に与えることができる。

さらに、自船Ｓｍの動作シミュレーションに基づいて求められる自船Ｓｍの予測位置等に伴う危険推力指令値範囲ＤＺの時間的変化を表示画面５０に表示させることもできる。このため、操船者が行う操作内容に対する危険予測を事前に行うことができ、操船者の操作内容の決定をより適切に行うための判断材料を提供することができる。これにより、操船者に操作内容を決定するための時間的な余裕を与えることができる。

また、危険推力指令値範囲ＤＺが、自船Ｓｍが出力可能な推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせを二次元的に表示する出力可能範囲表示領域５１上に二次元的に表示されるため、操作者が一見して容易に推力範囲ＤＺを把握することができる。

また、出力可能範囲表示領域５１上に現在推力マーカＭが表示されるため、自船Ｓｍの現在の操作内容と危険推力指令値範囲ＤＺとの位置関係を容易に把握することができ、操作内容の妥当性を容易に確認することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態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で種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、出力可能範囲表示領域５１が危険推力指令値範囲ＤＺとそれ以外の範囲（言わば安全推力範囲）とに区画される態様を例示したが、危険推力指令値範囲ＤＺと安全推力範囲との間に要注意範囲ＣＺが設けられてもよい。図７は、他の実施の形態における表示画面の一例を示す図である。

図７に示す例では、危険推力指令値範囲ＤＺの境界線ＤＢと基準点Ｑｏとの間に境界線ＤＢから所定距離離れた境界線ＣＢが引かれ、境界線ＤＢと境界線ＣＢとの間の範囲が要注意範囲ＣＺとして設定される。出力可能範囲表示領域５１における要注意範囲ＣＺ内の推力Ｆ（大きさおよび方向）を選択することは、図３に示すような危険な推力による航路Ｃ_ＮＧに近い航路を選択することを意味する。

したがって、演算対象となっている障害物（図３における他船Ｓｏｂ）に接近および衝突する可能性がやや高くなる。このように、算出された危険推力指令値範囲ＤＺに基づいて段階的な表示を行うことにより、その推力Ｆを採用する危険度（または安全度）を視覚的に判断することができる。なお、要注意範囲ＣＺは、危険推力指令値範囲ＤＺに近いほど危険度が高くなるような複数の範囲を含んでもよい。この場合複数の範囲は、互いに異なる表示態様で表示されてもよい。

また、自船Ｓｍの操作量Ｕが危険推力指令値範囲ＤＺ内である場合（現在推力マーカＭが危険推力指令値範囲ＤＺ内に位置する場合）に、表示器５が所定のアラーム（音または表示等）を出力してもよい。同様に、自船Ｓｍの推力Ｆの大きさおよび方向の組み合わせが要注意範囲ＣＺ内である場合に、表示器５が所定のアラームを出力してもよい。要注意範囲ＣＺ内である場合に出力されるアラームは、危険推力指令値範囲ＤＺ内である場合に出力されるアラームとは異なる態様であってもよい。

また、演算器４は、自船Ｓｍについての現在の推力指令値（操作量Ｕ）が危険推力指令値範囲ＤＺに含まれる場合に、現在の推力指令値を危険推力指令値範囲ＤＺ外の指令値になるように補正してもよい。図８は、本開示の一実施の形態における変形例に係る操船支援装置の概略構成を示すブロック図である。図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図８の例では、演算器４Ｂ（を含むコンピュータ）は、操船支援プログラムを実行することにより、上記実施の形態と同様の情報取得部４１、危険推力指令値範囲算出部４２、危険推力指令値範囲表示部４３に加えて、判定部４５および指令値補正部４６等の機能を発揮する。判定部４５は、現在の推力指令値（操作量Ｕ）の情報を取得し、自船Ｓｍについての現在の推力指令値（操作量Ｕ）が危険推力指令値範囲ＤＺに含まれるか否かを判定する。指令値補正部４６は、現在の推力指令値が危険推力指令値範囲ＤＺに含まれる場合、現在の推力指令値を危険推力指令値範囲ＤＺ外の指令値になるように補正する。

例えば、指令値補正部４６は、現在推力マーカＭが危険推力指令値範囲ＤＺ内に位置する場合、現在推力マーカＭの位置に近く、危険推力指令値範囲ＤＺ外にある推力指令値を算出し、それを現在の推力指令値（アクチュエータに対する指令値）として用いるようにしてもよい。このときの推力指令値の算出には、例えば、凸制約問題を解くことができる一般的なソルバを用い得る。あるいは、指令値補正部４６は、現在推力マーカＭが危険推力指令値範囲ＤＺ内に位置する場合、現在推力マーカＭの位置に近い演算点Ｑｃのうち、危険推力指令値範囲ＤＺ外の演算点Ｑｃの位置に対応する推力指令値を現在の推力指令値（アクチュエータに対する指令値）として用いるようにしてもよい。

本変形例によれば、自船Ｓｍの現在の指令値が危険推力指令値範囲ＤＺに含まれる場合、現在の推力指令値が危険推力指令値範囲ＤＺ外の指令値になるように補正される。したがって、操船者の操作量Ｕにかかわらず、危険推力指令値範囲ＤＺ外となるような推力指令値で操船を行うことができる。しかも、操船者は、危険推力指令値範囲ＤＺ外では自由に操作量を決定することができる。したがって、障害物を柔軟かつ定量的に回避するように自船Ｓｍの推力指令値を決定することができる。

なお、本変形例においても、危険推力指令値範囲ＤＺの表示画面５０への表示が行われてもよいが、表示画面５０への表示は必須ではない。また、本変形例においても演算器４Ｂが動作シミュレーション部４４として機能し、自船Ｓｍの動作シミュレーションを行って、危険推力指令値範囲ＤＺの基準時間ｔｂ経過ごとの変化を表示画面５０に表示してもよい。

また、表示画面５０は、タッチパネル等の操作入力画面として構成されてもよい。すなわち、表示器５は、入力器２として機能してもよい。この場合、例えば出力可能範囲表示領域５１内でタッチ操作した位置の推力Ｆの大きさおよび方向が、動作シミュレーションを行う際の設定入力値として設定されてもよい。あるいは、入力器２としても機能する表示器５が自船Ｓｍ内に設けられる場合、出力可能範囲表示領域５１内でタッチ操作した位置の推力Ｆの大きさおよび方向が、自船Ｓｍの操作指令値として入力されてもよい。すなわち、自船Ｓｍの推力操作を行うための入力器２上に表示器５が設けられてもよい。これにより、危険推力指令値範囲ＤＺが表示された表示画面５０上で実際の自船Ｓｍの推力操作が可能となる。なお、この場合、タッチ操作した位置に現在推力マーカＭが表示される。

また、表示器５が自船Ｓｍ内に設けられる場合、自船Ｓｍの推力操作を行うための入力器２の近傍に表示器５が設けられてもよい。例えば、自船Ｓｍの推力操作を行うために自船Ｓｍに設けられた入力器２がジョイスティックタイプの入力器で構成される場合、ジョイスティックの基部の周囲に表示画面５０が設けられてもよい。この場合、ジョイスティックの基部の中心位置が基準点Ｑｏの位置に設定される。この他、自船Ｓｍの推力操作を行うための入力器２は、ポインティングデバイス、レバー、ダイヤル、スロットル等であってもよい。この場合も、表示器５が入力器２上または入力器２の近傍に設けられ得る。

また、上述したように上記実施の形態における操船支援装置１は、対象船舶内に設けられる必要はない。言い換えると、対象船舶の情報（自船情報）と障害物情報とが取得できる限り、対象船舶は任意に設定（選択）可能である。すなわち、操船支援装置１のユーザは、対象船舶の操船者でなくてもよい。例えば、操船支援装置１のユーザは、陸上の管理者であってもよいし、自船Ｓｍに同船する水先案内人であってもよい。

１ 操船支援装置
４，４Ｂ 演算器
５ 表示器
４１ 情報取得部
４２ 危険推力指令値範囲算出部
４３ 危険推力指令値範囲表示部
４４ 動作シミュレーション部
５０ 表示画面
５１ 出力可能範囲表示領域
ＤＺ 危険推力指令値範囲
Ｍ 現在推力マーカ
Ｓｍ 自船（船舶）
Ｓｏｂ 他船（障害物）
ＴＨ 推進機

Claims (11)

1. 少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援装置であって、
   演算器および前記演算器で演算した結果を表示する表示器を備え、
   前記演算器は、
   前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得し、
   前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を前記危険推力指令値範囲として算出し、
   前記危険推力指令値範囲を前記表示器の表示画面に表示する、操船支援装置。
2. 前記演算器は、
   前記船舶の推力の大きさおよび方向の所定の組み合わせにおける所定の基準時間経過ごとの前記船舶の位置、針路および速度を、前記船舶の挙動をモデル化した所定の船体モデルを用いて前記船舶の動作シミュレーションを行うことにより、算出し、
   算出した前記基準時間経過ごとの前記船舶の位置、針路および速度を用いて、前記基準時間経過ごとの前記危険推力指令値範囲を算出し、
   前記船舶の推力の大きさおよび方向を一定として前記船舶を所定時間航行させた場合の前記危険推力指令値範囲の前記基準時間経過ごとの変化を前記表示画面に表示する、請求項１に記載の操船支援装置。
3. 前記表示画面は、前記船舶が出力可能な推力指令値の大きさおよび方向の組み合わせを二次元的に表示する出力可能範囲表示部を含み、
   前記演算器は、前記危険推力指令値範囲を、前記出力可能範囲表示部上に二次元的に表示する、請求項１または２に記載の操船支援装置。
4. 前記演算器は、前記出力可能範囲表示部上に、前記船舶の現在の推力指令値の大きさおよび方向の組み合わせを示す現在推力マーカを表示する、請求項３に記載の操船支援装置。
5. 前記演算器は、前記船舶の前記障害物に対する相対位置が所定の基準値に近づくほど低下し、かつ、前記船舶の前記障害物に対する相対速度が近接方向に増大するほど低下するような安全量を定める安全量関数を用い、前記安全量の変化率が前記安全量に応じて定められる基準値以上となるような、前記指令値の範囲を算出する、請求項１から４の何れかに記載の操船支援装置。
6. 前記演算器は、前記安全量関数と、当該安全量関数を時間微分することによって得られる前記相対位置および前記船舶の推力を変数として有する関数とから得られる前記船舶の推力に関する不等式制約条件を用いて、前記危険推力指令値範囲を決定する、請求項５に記載の操船支援装置。
7. 前記表示器は、前記船舶内において前記船舶の推力操作を行うための入力器上または前記入力器の近傍に設けられる、請求項１から６の何れかに記載の操船支援装置。
8. 少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援装置であって、
   演算器および前記演算器で演算した結果を表示する表示器を備え、
   前記演算器は、
   前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得し、
   前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出し、
   前記船舶の推力の大きさおよび方向についての現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれるか否かを判定し、
   前記現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれる場合、前記現在の指令値を前記危険推力指令値範囲外の指令値になるように補正する、操船支援装置。
9. 少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援プログラムであって、
   コンピュータを、
   前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得する情報取得部、
   前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出する危険推力指令値範囲算出部、および
   前記危険推力指令値範囲を前記コンピュータの表示画面に表示する危険推力指令値範囲表示部として機能させる、操船支援プログラム。
10. 前記コンピュータを、
    前記船舶の推力の大きさおよび方向の所定の組み合わせにおける所定の基準時間経過ごとの前記船舶の位置、針路および速度を、前記船舶の挙動をモデル化した所定の船体モデルを用いて前記船舶の動作シミュレーションを行うことにより、算出する動作シミュレーション部として機能させ、
    前記危険推力指令値範囲算出部は、算出した前記基準時間経過ごとの前記船舶の位置、針路および速度を用いて、前記基準時間経過ごとの前記危険推力指令値範囲を算出し、
    前記危険推力指令値範囲表示部は、前記船舶の推力の大きさおよび方向を一定として前記船舶を所定時間航行させた場合の前記危険推力指令値範囲の前記基準時間経過ごとの変化を前記表示画面に表示する、請求項９に記載の操船支援プログラム。
11. 少なくとも１つの推進機を含む船舶のための操船支援プログラムであって、
    コンピュータを、
    前記船舶の位置、針路および速度に関する自船情報と、前記船舶の位置および／または姿勢に基づいて定められる所定範囲における障害物の位置、針路および速度に関する障害物情報と、を取得する情報取得部、
    前記自船情報および前記障害物情報から前記船舶が出力可能な推力の大きさおよび方向について前記障害物に接触する可能性が生じると推定される指令値の範囲を危険推力指令値範囲として算出する危険推力指令値範囲算出部、
    前記船舶の推力の大きさおよび方向についての現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれるか否かを判定する判定部、および
    前記現在の指令値が前記危険推力指令値範囲に含まれる場合、前記現在の指令値を前記危険推力指令値範囲外の指令値になるように補正する指令値補正部として機能させる、操船支援プログラム。

Images