JP2023051248A - 船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システム - Google Patents
船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、プログラム、及びシステムを提供すること。【解決手段】船舶の航海データから実船モニタリング解析のための実船データを取得するステップＳ１と、船舶のプロペラ単独性能と外力応答を取得するステップＳ２と、取得した実船データに基づいて船舶のプロペラ単独性能と外力応答を用いて船舶の平水中性能への外乱修正を行うステップＳ３と、外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行うステップＳ４と、外乱修正ができない実船データがある場合に実船データとプロペラ単独性能とに基づいてチューニングを行うステップＳ５と、外乱修正ができた外乱修正データ、及びチューニングを行ったチューニング外乱修正データの少なくとも一方を外乱修正済データとして出力するステップＳ６を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、船舶の性能を実船モニタリング解析により評価する、船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システムに関する。
船舶の運航状況及び周辺環境に関するデータを計測し、取得したデータを解析し、解析結果に基づいて船舶の性能を取得する実船モニタリングが行われている。
実船モニタリングによる平水中性能の評価においては、風速又は風速と波高について閾値を設定することにより、波、風の影響が小さいと見做せる状況での計測データを抽出し、外乱修正を実施せずに抽出したデータに対するカーブフィッティングにより性能を推定することが行われてきた。また、外乱修正により波、風の影響を除去する際、使用するプロペラ単独性能データの精度が不十分な場合に、適切なプロペラ作動点が得られないという問題があった。
また、特許文献１には、船舶航行時の周囲の海気象データを取得する通信装置と、平水の影響下での船の平水中性能、波浪の影響下での船の波浪中性能、及び風の影響下での船の風中性能のそれぞれの個船性能を記憶する個船性能データベースと、通信装置で取得した海気象データ、個船性能データベースに記憶した、平水中性能、波浪中性能、及び風中性能に基づいて、航海での燃料消費量である燃費が最小となる状態を推定する最適状態推定手段とを備える運航支援装置が開示されている。
また、特許文献２には、評価対象の船舶の性能評価を依頼するための船舶条件及び評価情報条件を入力する条件入力手段と、船舶条件及び評価情報条件に基づいて実海域での船舶の評価を行う評価手段と、評価手段を用いた評価結果を、依頼を行った依頼者に提供する評価結果提供手段とを備えた船舶性能評価・提供システムが開示されている。
また、特許文献３には、船舶の過去の運航実績データに基づいて作成され、船舶の航行状態量を目的変数とし、航行状態量に影響を与える複数の関連要素を説明変数とする１つまたは複数の回帰分析モデルを用いて、各々の関連要素の想定値を含む運航条件における船舶の航行状態量を推定するデータ推定部と、船舶の１つまたは複数の物理モデルを用いて、運航条件における船舶の航行状態量を推定する理論推定部と、データ推定部の推定結果と理論推定部の推定結果とに基づいて、運航条件における船舶の航行状態量の推定値を算出する推定統合部を備える船舶性能推定装置が開示されている。
また、特許文献４には、船舶において継続的に計測される或る物理量を示す一連の計測データを或る系列の計測データとして取得する計測データ取得手段と、或る系列の信頼度を、或る系列の信頼度を評価するための基準に従い評価し、当該評価の結果を示す信頼度データを、或る系列の計測データの各々に対応付けるデータ系列評価手段とを備えるデータ処理装置が開示されている。
実船モニタリングによる平水中性能の評価においては、風速又は風速と波高について閾値を設定することにより、波、風の影響が小さいと見做せる状況での計測データを抽出し、外乱修正を実施せずに抽出したデータに対するカーブフィッティングにより性能を推定することが行われてきた。また、外乱修正により波、風の影響を除去する際、使用するプロペラ単独性能データの精度が不十分な場合に、適切なプロペラ作動点が得られないという問題があった。
また、特許文献１には、船舶航行時の周囲の海気象データを取得する通信装置と、平水の影響下での船の平水中性能、波浪の影響下での船の波浪中性能、及び風の影響下での船の風中性能のそれぞれの個船性能を記憶する個船性能データベースと、通信装置で取得した海気象データ、個船性能データベースに記憶した、平水中性能、波浪中性能、及び風中性能に基づいて、航海での燃料消費量である燃費が最小となる状態を推定する最適状態推定手段とを備える運航支援装置が開示されている。
また、特許文献２には、評価対象の船舶の性能評価を依頼するための船舶条件及び評価情報条件を入力する条件入力手段と、船舶条件及び評価情報条件に基づいて実海域での船舶の評価を行う評価手段と、評価手段を用いた評価結果を、依頼を行った依頼者に提供する評価結果提供手段とを備えた船舶性能評価・提供システムが開示されている。
また、特許文献３には、船舶の過去の運航実績データに基づいて作成され、船舶の航行状態量を目的変数とし、航行状態量に影響を与える複数の関連要素を説明変数とする１つまたは複数の回帰分析モデルを用いて、各々の関連要素の想定値を含む運航条件における船舶の航行状態量を推定するデータ推定部と、船舶の１つまたは複数の物理モデルを用いて、運航条件における船舶の航行状態量を推定する理論推定部と、データ推定部の推定結果と理論推定部の推定結果とに基づいて、運航条件における船舶の航行状態量の推定値を算出する推定統合部を備える船舶性能推定装置が開示されている。
また、特許文献４には、船舶において継続的に計測される或る物理量を示す一連の計測データを或る系列の計測データとして取得する計測データ取得手段と、或る系列の信頼度を、或る系列の信頼度を評価するための基準に従い評価し、当該評価の結果を示す信頼度データを、或る系列の計測データの各々に対応付けるデータ系列評価手段とを備えるデータ処理装置が開示されている。
外乱修正を実施せずに抽出したデータに対するカーブフィッティングにより性能を推定する手法は、簡便であるが閾値を適切に設定する必要があり、実際は恣意性が入り容易ではない。
また、特許文献１～４は、外乱修正できないデータがある場合に、その外乱修正できないデータをどのように修正するかを開示するものではない。
そこで本発明は、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システムを提供することを目的とする。
また、特許文献１～４は、外乱修正できないデータがある場合に、その外乱修正できないデータをどのように修正するかを開示するものではない。
そこで本発明は、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システムを提供することを目的とする。
請求項１記載に対応した船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法においては、船舶の性能を実船モニタリング解析により評価する方法であって、船舶の航海データから実船モニタリング解析のための実船データを取得する実船データ取得ステップと、船舶のプロペラ単独性能と外力応答を取得する関連性能取得ステップと、取得した実船データに基づいて船舶のプロペラ単独性能と外力応答を用いて船舶の平水中性能への外乱修正を行う外乱修正ステップと、外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行う外乱修正判別ステップと、外乱修正ができない実船データがある場合に実船データとプロペラ単独性能とに基づいてチューニングを行うチューニングステップと、外乱修正ができた外乱修正データ、及びチューニングを行ったチューニング外乱修正データの少なくとも一方を外乱修正済データとして出力する外乱修正済データ出力ステップを備えることを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正できるため、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。
請求項１に記載の本発明によれば、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正できるため、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。
請求項２記載の本発明は、船舶の性能の事前推定データを取得する事前推定性能取得ステップと、取得した事前推定データと外乱修正済データ出力ステップで出力される外乱修正済データとを用いてデータ同化を行うデータ同化ステップをさらに備えることを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、外乱修正済データを用いてデータ同化により、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
請求項２に記載の本発明によれば、外乱修正済データを用いてデータ同化により、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
請求項３記載の本発明は、外乱修正判別ステップにおける外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別は、実船データに基づいてトルク係数を算出し、プロペラ単独性能と比較することにより行うことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、算出したトルク係数とプロペラ単独性能との比較により、外乱修正の可否を簡便に判別することができる。
請求項３に記載の本発明によれば、算出したトルク係数とプロペラ単独性能との比較により、外乱修正の可否を簡便に判別することができる。
請求項４記載の本発明は、実船データに基づいて算出したトルク係数ＫＱmeasと、プロペラ単独性能としてのトルク係数ＫＱとのグラフ上の交点に基づいて外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行うことを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、外乱修正の可否を、トルク係数を用いて有意なプロペラ作動点が求められるか否かによって判別することができる。
請求項４に記載の本発明によれば、外乱修正の可否を、トルク係数を用いて有意なプロペラ作動点が求められるか否かによって判別することができる。
請求項５記載の本発明は、チューニングステップは、実船データに対してチューニングパラメータを設定するチューニングパラメータ設定ステップと、設定されたチューニングパラメータを用いた外乱修正を行うチューニング外乱修正ステップと、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功したかを判別する外乱修正成功判別ステップと、所定数が成功した場合に残差を計算する残差計算ステップと、設定されたチューニングパラメータに対して計算を終了したかを判別する計算終了判別ステップと、外乱修正成功判別ステップ又は計算終了判別ステップで否定された場合にチューニングパラメータを更新するチューニングパラメータ更新ステップを含むことを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、チューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項５に記載の本発明によれば、チューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項６記載の本発明は、外乱修正ができない場合に、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを用いてトルク係数を算出して外乱修正を行い、最適なチューニングパラメータを探索することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、トルク係数の式で用いられるパラメータごとのチューニングパラメータにより、外乱修正に最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項６に記載の本発明によれば、トルク係数の式で用いられるパラメータごとのチューニングパラメータにより、外乱修正に最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項７記載の本発明は、チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たり式（１）を用いて算出することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、チューニングパラメータを用いてトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
ＫＱmeas :トルク係数
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径
請求項７に記載の本発明によれば、チューニングパラメータを用いてトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径
請求項８記載の本発明は、チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たり、パラメータごとのチューニングパラメータを１つに設定する場合は、式（１）から式（３）のいずれか一つを用い、２つに設定する場合は、式（４）から式（６）のいずれか一つを用い、３つに設定する場合は、式（７）を用いて算出する、又は式（１）から式（７）を組み合わせて算出することを特徴とする。
ＫＱmeas :トルク係数
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ、ＣＫＱ、ＣＤＰ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径
請求項８に記載の本発明によれば、チューニングパラメータを設定する数に応じトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ、ＣＫＱ、ＣＤＰ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径
請求項８に記載の本発明によれば、チューニングパラメータを設定する数に応じトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
請求項９記載の本発明は、最適なチューニングパラメータの探索は、有効伴流係数の残差が最小となるチューニングパラメータを選出することにより行うことを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、トルク係数を算出するための最適なチューニングパラメータを適切に求めることができる。
請求項９に記載の本発明によれば、トルク係数を算出するための最適なチューニングパラメータを適切に求めることができる。
請求項１０記載の本発明は、有効伴流係数の残差の算出は、式（８）に基づいて行うことを特徴とする。
Ｒ ：残差
１－ｗｓ ：有効伴流係数
（１－ｗｓ）i est :簡易推定による１－ｗｓ
（１－ｗｓ）i inter :中間出力としての１－ｗｓ
Ｎ ：データ数
請求項１０に記載の本発明によれば、有効伴流係数の残差を正確に求めることができる。
１－ｗｓ ：有効伴流係数
（１－ｗｓ）i est :簡易推定による１－ｗｓ
（１－ｗｓ）i inter :中間出力としての１－ｗｓ
Ｎ ：データ数
請求項１０に記載の本発明によれば、有効伴流係数の残差を正確に求めることができる。
請求項１１記載の本発明は、データ同化ステップで用いられる外乱修正済データは、主機出力及び主機回転数の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、船舶の性能評価において一般的な主機出力や主機回転数を外乱修正済データとしてデータ同化に用いることができる。
請求項１１に記載の本発明によれば、船舶の性能評価において一般的な主機出力や主機回転数を外乱修正済データとしてデータ同化に用いることができる。
請求項１２記載の本発明は、データ同化ステップで用いられる事前推定データは、船舶の模型試験、数値流体力学（ＣＦＤ）、簡易性能推定、及び試運転データのいずれか一つを含むことを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、船舶の模型試験、数値流体力学計算、簡易性能推定、又は試運転によって得られた事前推定データの精度を、データ同化により向上させることができる。
請求項１２に記載の本発明によれば、船舶の模型試験、数値流体力学計算、簡易性能推定、又は試運転によって得られた事前推定データの精度を、データ同化により向上させることができる。
請求項１３記載に対応した船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムにおいては、船舶の性能を実船モニタリング解析により評価するプログラムであって、コンピュータに、船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法における、実船データ取得ステップと、関連性能取得ステップと、外乱修正ステップと、外乱修正判別ステップと、チューニングステップと、外乱修正済データ出力ステップを実行させることを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、チューニングによる外乱修正等をコンピュータが実行することで適切に行い、精度の高い実船モニタリング解析による船舶の性能評価を迅速かつ正確に行うことができる。
請求項１３に記載の本発明によれば、チューニングによる外乱修正等をコンピュータが実行することで適切に行い、精度の高い実船モニタリング解析による船舶の性能評価を迅速かつ正確に行うことができる。
請求項１４記載の本発明は、コンピュータに、データ同化ステップをさらに実行させることを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、外乱修正済データを用いてデータ同化をコンピュータに実行させて、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
請求項１４に記載の本発明によれば、外乱修正済データを用いてデータ同化をコンピュータに実行させて、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
請求項１５記載の本発明は、コンピュータに、請求項５に記載のチューニングパラメータ設定ステップと、チューニング外乱修正ステップと、外乱修正成功判別ステップと、残差計算ステップと、計算終了判別ステップと、チューニングパラメータ更新ステップを実行させることを特徴とする。
請求項１５に記載の本発明によれば、チューニングステップをコンピュータが実行することで、迅速かつ正確にチューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項１５に記載の本発明によれば、チューニングステップをコンピュータが実行することで、迅速かつ正確にチューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
請求項１６記載に対応した実船モニタリング解析による性能評価システムは、船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムを実行するシステムであって、コンピュータと、実船モニタリング解析用の実船データを取得するためのデータ取得手段と、少なくとも外乱修正済データを出力する出力手段とを備えることを特徴とする。
請求項１６に記載の本発明によれば、最適なチューニングパラメータの探索、チューニングによる外乱修正、外乱修正済データの出力、及びデータ同化等を行えるシステムを提供することができる。
請求項１６に記載の本発明によれば、最適なチューニングパラメータの探索、チューニングによる外乱修正、外乱修正済データの出力、及びデータ同化等を行えるシステムを提供することができる。
請求項１７記載の本発明は、出力手段が、データ同化の結果を出力することを特徴とする。
請求項１７に記載の本発明によれば、システムの利用者は、外乱修正済データと事前推定データのデータ同化の結果を簡便に得ることができる。
請求項１７に記載の本発明によれば、システムの利用者は、外乱修正済データと事前推定データのデータ同化の結果を簡便に得ることができる。
請求項１８記載の本発明は、データ取得手段及び出力手段の少なくとも一方を情報通信網に接続して構成し、実船データの取得、外乱修正済データの出力、及びデータ同化の結果の出力の少なくとも一つを、情報通信網を介して行うことを特徴とする。
請求項１８に記載の本発明によれば、遠隔地との情報のやり取りを情報通信網を介してスムーズに行えるため、システムの利便性を向上させることができる。
請求項１８に記載の本発明によれば、遠隔地との情報のやり取りを情報通信網を介してスムーズに行えるため、システムの利便性を向上させることができる。
本発明の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法によれば、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正できるため、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。
また、船舶の性能の事前推定データを取得する事前推定性能取得ステップと、取得した事前推定データと外乱修正済データ出力ステップで出力される外乱修正済データとを用いてデータ同化を行うデータ同化ステップをさらに備える場合には、外乱修正済データを用いてデータ同化により、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
また、外乱修正判別ステップにおける外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別は、実船データに基づいてトルク係数を算出し、プロペラ単独性能と比較することにより行う場合には、算出したトルク係数とプロペラ単独性能との比較により、外乱修正の可否を簡便に判別することができる。
また、実船データに基づいて算出したトルク係数ＫＱmeasと、プロペラ単独性能としてのトルク係数ＫＱとのグラフ上の交点に基づいて外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行う場合には、外乱修正の可否を、トルク係数を用いて有意なプロペラ作動点が求められるか否かによって判別することができる。
また、チューニングステップは、実船データに対してチューニングパラメータを設定するチューニングパラメータ設定ステップと、設定されたチューニングパラメータを用いた外乱修正を行うチューニング外乱修正ステップと、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功したかを判別する外乱修正成功判別ステップと、所定数が成功した場合に残差を計算する残差計算ステップと、設定されたチューニングパラメータに対して計算を終了したかを判別する計算終了判別ステップと、外乱修正成功判別ステップ又は計算終了判別ステップで否定された場合にチューニングパラメータを更新するチューニングパラメータ更新ステップを含む場合には、チューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、外乱修正ができない場合に、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを用いてトルク係数を算出して外乱修正を行い、最適なチューニングパラメータを探索する場合には、トルク係数の式で用いられるパラメータごとのチューニングパラメータにより、外乱修正に最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たり式（１）を用いて算出する場合には、チューニングパラメータを用いてトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
また、チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たり、パラメータごとのチューニングパラメータを１つに設定する場合は、式（１）から式（３）のいずれか一つを用い、２つに設定する場合は、式（４）から式（６）のいずれか一つを用い、３つに設定する場合は、式（７）を用いて算出する、又は式（１）から式（７）を組み合わせて算出する場合には、チューニングパラメータを設定する数に応じトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
また、最適なチューニングパラメータの探索は、有効伴流係数の残差が最小となるチューニングパラメータを選出することにより行う場合には、トルク係数を算出するための最適なチューニングパラメータを適切に求めることができる。
また、有効伴流係数の残差の算出は、式（８）に基づいて行う場合には、有効伴流係数の残差を正確に求めることができる。
また、データ同化ステップで用いられる外乱修正済データは、主機出力及び主機回転数の少なくとも一方を含む場合には、船舶の性能評価において一般的な主機出力や主機回転数を外乱修正済データとしてデータ同化に用いることができる。
また、データ同化ステップで用いられる事前推定データは、船舶の模型試験、数値流体力学（ＣＦＤ）、簡易性能推定、及び試運転データのいずれか一つを含む場合には、船舶の模型試験、数値流体力学計算、簡易性能推定、又は試運転によって得られた事前推定データの精度を、データ同化により向上させることができる。
また、本発明の船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムによれば、チューニングによる外乱修正等をコンピュータが実行することで適切に行い、精度の高い実船モニタリング解析による船舶の性能評価を迅速かつ正確に行うことができる。
また、コンピュータに、データ同化ステップをさらに実行させる場合には、外乱修正済データを用いてデータ同化をコンピュータに実行させて、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
また、コンピュータに、チューニングパラメータ設定ステップと、チューニング外乱修正ステップと、外乱修正成功判別ステップと、残差計算ステップと、計算終了判別ステップと、チューニングパラメータ更新ステップを実行させる場合には、チューニングステップをコンピュータが実行することで、迅速かつ正確にチューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、本発明の実船モニタリング解析による性能評価システムによれば、最適なチューニングパラメータの探索、チューニングによる外乱修正、外乱修正済データの出力、及びデータ同化等を行えるシステムを提供することができる。
また、出力手段が、データ同化の結果を出力する場合には、システムの利用者は、外乱修正済データと事前推定データのデータ同化の結果を簡便に得ることができる。
また、データ取得手段及び出力手段の少なくとも一方を情報通信網に接続して構成し、実船データの取得、外乱修正済データの出力、及びデータ同化の結果の出力の少なくとも一つを、情報通信網を介して行う場合には、遠隔地との情報のやり取りを情報通信網を介してスムーズに行えるため、システムの利便性を向上させることができる。
本発明の実施形態における船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システムについて説明する。
図１は船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法のフロー図、図２は実船モニタリング解析による性能評価システムの構成図、図３は前処理コンピュータと解析コンピュータの役割分担を示すフロー図である。
性能評価システムは、前処理コンピュータ１０Ａ及び解析コンピュータ１０Ｂを有するコンピュータ１０と、実船モニタリング解析用の実船データや関連性能等を取得するためのデータ取得手段２０と、出力手段３０と、プロペラ単独性能導出手段４０と、外力応答導出手段５０と、事前推定性能導出手段６０を備えている。コンピュータ１０及び各手段は、インターネット等の情報通信網７０に接続されており、各船舶Ａ～Ｚ、及び利用者Ｘ、Ｙは、情報通信網７０を介してコンピュータ１０や各手段とデータの送受信を行うことができる。
例えば、利用者Ｘ、Ｙが船社や舶用メーカー等、実船モニタリング解析において、高精度なプロペラ単独性能データを利用できない立場にあっても、船舶Ａ～Ｚで得られた航海データや実船データを基に、合理的な範囲で外乱修正が情報通信網７０を介して実行可能となり、船舶Ａ～Ｚの平水中性能の評価が実施できる。
解析コンピュータ１０Ｂには性能評価プログラムがインストールされており、性能評価プログラムは、船舶の性能を実船モニタリング解析により評価する性能評価方法の各ステップを実行する。
図１は船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法のフロー図、図２は実船モニタリング解析による性能評価システムの構成図、図３は前処理コンピュータと解析コンピュータの役割分担を示すフロー図である。
性能評価システムは、前処理コンピュータ１０Ａ及び解析コンピュータ１０Ｂを有するコンピュータ１０と、実船モニタリング解析用の実船データや関連性能等を取得するためのデータ取得手段２０と、出力手段３０と、プロペラ単独性能導出手段４０と、外力応答導出手段５０と、事前推定性能導出手段６０を備えている。コンピュータ１０及び各手段は、インターネット等の情報通信網７０に接続されており、各船舶Ａ～Ｚ、及び利用者Ｘ、Ｙは、情報通信網７０を介してコンピュータ１０や各手段とデータの送受信を行うことができる。
例えば、利用者Ｘ、Ｙが船社や舶用メーカー等、実船モニタリング解析において、高精度なプロペラ単独性能データを利用できない立場にあっても、船舶Ａ～Ｚで得られた航海データや実船データを基に、合理的な範囲で外乱修正が情報通信網７０を介して実行可能となり、船舶Ａ～Ｚの平水中性能の評価が実施できる。
解析コンピュータ１０Ｂには性能評価プログラムがインストールされており、性能評価プログラムは、船舶の性能を実船モニタリング解析により評価する性能評価方法の各ステップを実行する。
性能評価システムを用いた性能評価方法においては、まず、取得した船舶の航海データに基づいて前処理コンピュータ１０Ａが実船モニタリング解析のための実船データを導出する。そして、実船データをデータ取得手段２０を介して取得する（Ｓ１：実船データ取得ステップ）。取得した実船データは解析コンピュータ１０Ｂへ送信される。船舶の航海データは、運航性能や遭遇した気象海象等であり、各種センサーＡ～Ｚ等を使用して運航中の船舶Ａ～Ｚから収集する。実船データは、主機回転数や主機出力等である。
また、プロペラ単独性能導出手段４０及び外力応答導出手段５０を用いて、船舶のプロペラ単独性能と外力応答を導出したものを関連性能として、データ取得手段２０を介して取得する（Ｓ２：関連性能取得ステップ）。取得したプロペラ単独性能及び外力応答は解析コンピュータ１０Ｂに読み込まれる。水槽試験等を利用したプロペラ単独性能導出手段４０により導出されるプロペラ単独性能は、前進係数Ｊに対する推力係数ＫＴ、トルク係数ＫＱ、プロペラ単独効率ＥｔａＯの応答を示したものである。外力応答は、波や風の影響により船体の抵抗がどの程度変化するかを示したものであり、外力応答導出手段５０を用いて得ることができる。外力応答導出手段５０は、例えば数値計算や水槽試験等に基づいて外力応答を導出する。
また、プロペラ単独性能導出手段４０及び外力応答導出手段５０を用いて、船舶のプロペラ単独性能と外力応答を導出したものを関連性能として、データ取得手段２０を介して取得する（Ｓ２：関連性能取得ステップ）。取得したプロペラ単独性能及び外力応答は解析コンピュータ１０Ｂに読み込まれる。水槽試験等を利用したプロペラ単独性能導出手段４０により導出されるプロペラ単独性能は、前進係数Ｊに対する推力係数ＫＴ、トルク係数ＫＱ、プロペラ単独効率ＥｔａＯの応答を示したものである。外力応答は、波や風の影響により船体の抵抗がどの程度変化するかを示したものであり、外力応答導出手段５０を用いて得ることができる。外力応答導出手段５０は、例えば数値計算や水槽試験等に基づいて外力応答を導出する。
次に、解析コンピュータ１０Ｂは、受信した実船データに基づいて、船舶のプロペラ単独性能と外力応答を用いて、船舶の平水中性能への外乱修正を行う（Ｓ３：外乱修正ステップ）。
ここで、図４は平水中への外乱修正のイメージ図であり、図４（ａ）は主機回転数と主機出力の修正値の算出式を示し、図４（ｂ）は主機回転数の外乱修正のイメージを示し、図４（ｃ）は主機出力の外乱修正のイメージを示している。
評価海象における性能評価のため、実船データの主機回転数及び主機出力について、平水中性能への外乱修正を行う。なお、評価海象は、波や風のない平水中とすることが最も多いが、波や風のある海象とすることもできる。
図４（ａ）に示すように、主機回転数の修正値Ｎcorrは、計測値をＮmeas、修正量をΔＮとすると、Ｎcorr＝Ｎmeas－ΔＮで求めることができ、主機出力の修正値Ｐcorrは、計測値をＰmeas、修正量をΔＰとすると、Ｐcorr＝Ｐmeas－ΔＰで求めることができる。
そして、修正値の算出結果を表した図４（ｂ）、（ｃ）より、外乱修正後における任意の船速での主機回転数及び主機出力を把握することができる。
ここで、図４は平水中への外乱修正のイメージ図であり、図４（ａ）は主機回転数と主機出力の修正値の算出式を示し、図４（ｂ）は主機回転数の外乱修正のイメージを示し、図４（ｃ）は主機出力の外乱修正のイメージを示している。
評価海象における性能評価のため、実船データの主機回転数及び主機出力について、平水中性能への外乱修正を行う。なお、評価海象は、波や風のない平水中とすることが最も多いが、波や風のある海象とすることもできる。
図４（ａ）に示すように、主機回転数の修正値Ｎcorrは、計測値をＮmeas、修正量をΔＮとすると、Ｎcorr＝Ｎmeas－ΔＮで求めることができ、主機出力の修正値Ｐcorrは、計測値をＰmeas、修正量をΔＰとすると、Ｐcorr＝Ｐmeas－ΔＰで求めることができる。
そして、修正値の算出結果を表した図４（ｂ）、（ｃ）より、外乱修正後における任意の船速での主機回転数及び主機出力を把握することができる。
図１に示すように、解析コンピュータ１０Ｂは、外乱修正ステップＳ３の後、外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行う（Ｓ４：外乱修正判別ステップ）。
ここで、図５、図６は外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別にプロペラ作動点を利用する例を示す図である。
外乱修正判別ステップＳ４における判別は、実船データに基づいてトルク係数を算出し、プロペラ単独性能と比較すること等により行うことができる。これにより、外乱修正の可否を簡便に判別できる。トルク係数は下式（９）で算出される。
ＫＱmeasはトルク係数、Ｐmeasは馬力（計測値）、ηMは主機伝達効率、ηRはプロペラ効率比、ρsは海水密度、Ｎmeasは回転数（計測値）、Ｄpはプロペラ直径である。主機伝達効率ηM、プロペラ効率比ηR、及びプロペラ直径Ｄpは、船舶に固有の値である。
図５の例では、前進係数Ｊ、推力係数ＫＴ、トルク係数ＫＱ、及びプロペラ単独効率ＥｔａＯは、全て正の値となっており、Ｊ－１０ＫＱの曲線と１０ＫＱmeasとの交点を有意なプロペラ作動点として求められる。そして、トルク係数１０ＫＱmeasに対応する前進係数Ｊを求めることで、外乱修正を行うことができる。なお、前進係数Jに基づいて、プロペラのスラストや前進速度、またトルク係数ＫＱ以外にもスラスト係数を知ることが可能となる。
一方、図６の例では、図６（ａ）においてはトルク係数ＫＱmeasが大きすぎてプロペラ作動点が存在せず、図６（ｂ）においてはトルク係数ＫＱmeasが小さすぎて推力係数ＫＴ及びプロペラ単独効率ＥｔａＯの値が負になってしまう。このようにトルク係数ＫＱmeasが過大又は過小な場合は、有意なプロペラ作動点が見つからず、このままでは外乱修正を行えない。トルク係数ＫＱmeasが過大又は過小となる原因としては、計測値の精度不足、船体固有値の精度不足、又はプロペラ単独性能の精度不足が考えられるが、船社、メーカー、気象予報会社など、高精度なデータを保有する造船所以外の立場においては、一般的に起こり得るものである。
このように、実船データに基づいて算出したトルク係数ＫＱmeasと、プロペラ単独性能としてのトルク係数ＫＱとのグラフ上の交点に基づいて外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行うことで、外乱修正の可否を、トルク係数を用いて有意なプロペラ作動点が求められるか否かによって判別することができる。
ここで、図５、図６は外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別にプロペラ作動点を利用する例を示す図である。
外乱修正判別ステップＳ４における判別は、実船データに基づいてトルク係数を算出し、プロペラ単独性能と比較すること等により行うことができる。これにより、外乱修正の可否を簡便に判別できる。トルク係数は下式（９）で算出される。
図５の例では、前進係数Ｊ、推力係数ＫＴ、トルク係数ＫＱ、及びプロペラ単独効率ＥｔａＯは、全て正の値となっており、Ｊ－１０ＫＱの曲線と１０ＫＱmeasとの交点を有意なプロペラ作動点として求められる。そして、トルク係数１０ＫＱmeasに対応する前進係数Ｊを求めることで、外乱修正を行うことができる。なお、前進係数Jに基づいて、プロペラのスラストや前進速度、またトルク係数ＫＱ以外にもスラスト係数を知ることが可能となる。
一方、図６の例では、図６（ａ）においてはトルク係数ＫＱmeasが大きすぎてプロペラ作動点が存在せず、図６（ｂ）においてはトルク係数ＫＱmeasが小さすぎて推力係数ＫＴ及びプロペラ単独効率ＥｔａＯの値が負になってしまう。このようにトルク係数ＫＱmeasが過大又は過小な場合は、有意なプロペラ作動点が見つからず、このままでは外乱修正を行えない。トルク係数ＫＱmeasが過大又は過小となる原因としては、計測値の精度不足、船体固有値の精度不足、又はプロペラ単独性能の精度不足が考えられるが、船社、メーカー、気象予報会社など、高精度なデータを保有する造船所以外の立場においては、一般的に起こり得るものである。
このように、実船データに基づいて算出したトルク係数ＫＱmeasと、プロペラ単独性能としてのトルク係数ＫＱとのグラフ上の交点に基づいて外乱修正ができない実船データがあるか否かの判別を行うことで、外乱修正の可否を、トルク係数を用いて有意なプロペラ作動点が求められるか否かによって判別することができる。
図１に示すように、解析コンピュータ１０Ｂが、外乱修正判別ステップＳ４において、外乱修正ができない実船データはない（ｎｏ）と判別した場合は、出力手段３０が、外乱修正ができた外乱修正データを外乱修正済データとして出力する（Ｓ６：外乱修正済データ出力ステップ）。
一方、解析コンピュータ１０Ｂは、外乱修正判別ステップＳ４において、外乱修正ができない実船データがある（ｙｅｓ）と判別した場合は、実船データとプロペラ単独性能とに基づいてチューニングを行う（Ｓ５：チューニングステップ）。出力手段３０は、チューニングを行ったチューニング外乱修正データを、外乱修正済データ出力ステップＳ６において外乱修正済データとして出力する。
チューニングステップＳ５においては、トルク係数算出時にチューニングパラメータを導入する。チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たっては、例えば下式（１）を用いる。式（１）を用いることで、チューニングパラメータを用いてトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。これにより、中高速ディーゼル機関や電気推進等で使用されるギアによる回転数の変換も、ギア比の情報が無くてもチューニング可能となり、その値も求まる。
ＫＱmeasはトルク係数、Ｐmeasは馬力（計測値）、ηMは主機伝達効率、ηRはプロペラ効率比、ρsは海水密度、Ｃγはチューニングパラメータ、Ｎmeasは回転数（計測値）、Ｄpはプロペラ直径である。
一方、解析コンピュータ１０Ｂは、外乱修正判別ステップＳ４において、外乱修正ができない実船データがある（ｙｅｓ）と判別した場合は、実船データとプロペラ単独性能とに基づいてチューニングを行う（Ｓ５：チューニングステップ）。出力手段３０は、チューニングを行ったチューニング外乱修正データを、外乱修正済データ出力ステップＳ６において外乱修正済データとして出力する。
チューニングステップＳ５においては、トルク係数算出時にチューニングパラメータを導入する。チューニングパラメータを用いてトルク係数を算出するに当たっては、例えば下式（１）を用いる。式（１）を用いることで、チューニングパラメータを用いてトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。これにより、中高速ディーゼル機関や電気推進等で使用されるギアによる回転数の変換も、ギア比の情報が無くてもチューニング可能となり、その値も求まる。
ここで、チューニングステップＳ５について図７を用いて説明する。図７は解析コンピュータ１０Ｂによるチューニングパラメータ探索のフロー図である。
まず、実船データに対してチューニングパラメータを設定する（Ｓ１１：チューニングパラメータ設定ステップ）。
チューニングパラメータ設定ステップＳ１１においては、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを設定する。パラメータごとのチューニングパラメータを１つに設定する場合は、式（１）、下式（２）又は下式（３）を用いる。チューニングパラメータを２つに設定する場合は、下式（４）から下式（６）のいずれか一つを用いる。チューニングパラメータを３つに設定する場合は、下式（７）を用いて算出するか、式（１）から式（７）を組み合わせて算出する。これにより、チューニングパラメータを設定する数に応じトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
ＫＱmeasはトルク係数、Ｐmeasは馬力（計測値）、ηMは主機伝達効率、ηRはプロペラ効率比、ρsは海水密度、Ｃγは回転数に関係し分母で３乗に関係するチューニングパラメータ、ＣＫＱは分母もしくは分子の１乗に関係するチューニングパラメータ、ＣＤＰはプロペラ直径に関係し、分母で５乗に関係するチューニングパラメータ、Ｎmeasは回転数（計測値）、Ｄpはプロペラ直径である。
チューニングパラメータは、未知パラメータに対して設定する。よって、チューニングパラメータの数を幾つに設定するかは、未知パラメータの数に拠る。例えば、未知パラメータが主機回転数とプロペラ直径に関係する場合は、チューニングパラメータの数は、ＣγとＣＤＰの２つに設定する。
まず、実船データに対してチューニングパラメータを設定する（Ｓ１１：チューニングパラメータ設定ステップ）。
チューニングパラメータ設定ステップＳ１１においては、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを設定する。パラメータごとのチューニングパラメータを１つに設定する場合は、式（１）、下式（２）又は下式（３）を用いる。チューニングパラメータを２つに設定する場合は、下式（４）から下式（６）のいずれか一つを用いる。チューニングパラメータを３つに設定する場合は、下式（７）を用いて算出するか、式（１）から式（７）を組み合わせて算出する。これにより、チューニングパラメータを設定する数に応じトルク係数を適切に算出して外乱修正を行うことができる。
チューニングパラメータは、未知パラメータに対して設定する。よって、チューニングパラメータの数を幾つに設定するかは、未知パラメータの数に拠る。例えば、未知パラメータが主機回転数とプロペラ直径に関係する場合は、チューニングパラメータの数は、ＣγとＣＤＰの２つに設定する。
次に、設定されたチューニングパラメータを用いた外乱修正を行う（Ｓ１２：チューニング外乱修正ステップ）。チューニングパラメータは複数準備しておき、全てのパラメータを使って外乱修正を行う。チューニング外乱修正ステップＳ１２における外乱修正は、トルク係数算出時にチューニングパラメータを導入する以外は、上述の外乱修正ステップＳ３と同様に行う。
次に、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功したかを判別する（Ｓ１３：外乱修正成功判別ステップ）。所定数は、設定したチューニングパラメータが適切か否かを信頼性よく判断できるための十分な数を考慮して定める。
外乱修正成功判別ステップＳ１３において、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功していない（ｎｏ）と判別した場合は、チューニングパラメータを更新し（チューニングパラメータ更新ステップＳ１６）、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１に戻り、更新したチューニングパラメータを実船データに対して設定する。外乱修正が成功していないと判別した場合に行われるチューニングパラメータ更新ステップＳ１６では、チューニングパラメータの種類（Ｃγ、ＣＫＱ、ＣＤＰ）は変えずに設定値だけが変更される。
次に、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功したかを判別する（Ｓ１３：外乱修正成功判別ステップ）。所定数は、設定したチューニングパラメータが適切か否かを信頼性よく判断できるための十分な数を考慮して定める。
外乱修正成功判別ステップＳ１３において、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功していない（ｎｏ）と判別した場合は、チューニングパラメータを更新し（チューニングパラメータ更新ステップＳ１６）、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１に戻り、更新したチューニングパラメータを実船データに対して設定する。外乱修正が成功していないと判別した場合に行われるチューニングパラメータ更新ステップＳ１６では、チューニングパラメータの種類（Ｃγ、ＣＫＱ、ＣＤＰ）は変えずに設定値だけが変更される。
一方、外乱修正成功判別ステップＳ１３において、所定数の実船データにおいて外乱修正が成功した（ｙｅｓ）と判別した場合は、残差を計算する（Ｓ１４：残差計算ステップ）。
例えば有効伴流係数の残差を計算する場合は、下式（８）に基づいて算出する。これにより、有効伴流係数の残差を正確に求めることができる。
Ｒは残差、１－ｗｓは有効伴流係数、（１－ｗｓ）i
estは簡易推定による１－ｗｓ、（１－ｗｓ）i
interは中間出力としての１－ｗｓ、Ｎはデータ数である。
例えば有効伴流係数の残差を計算する場合は、下式（８）に基づいて算出する。これにより、有効伴流係数の残差を正確に求めることができる。
残差計算ステップＳ１４の後、設定された全てのチューニングパラメータに対して計算を終了したか否かを判別する（Ｓ１５：計算終了判別ステップ）。
計算終了判別ステップＳ１５において、設定された全てのチューニングパラメータに対して計算を終了していない（ｎｏ）と判別した場合は、チューニングパラメータ更新ステップＳ１６に移行してチューニングパラメータを更新した後、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１に戻り、更新したチューニングパラメータを実船データに対して設定する。計算が終了していないと判別した場合に行われるチューニングパラメータ更新ステップＳ１６では、チューニングパラメータの種類が変更される。なお、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１においてチューニングパラメータを１つに設定した場合は、チューニングパラメータの種類が１つだけなので、計算終了判別ステップＳ１５において計算が終了していないと判別される場合はない。
一方、計算終了判別ステップＳ１５において、設定された全てのチューニングパラメータに対して計算を終了した（ｙｅｓ）と判別した場合は、最適なチューニングパラメータを選出する（Ｓ１７：最適チューニングパラメータ選出ステップ）。
最適チューニングパラメータ選出ステップＳ１７においては、例えば有効伴流係数の残差が最小となるチューニングパラメータを選出する。これにより、トルク係数を算出するための最適なチューニングパラメータを適切に求めることができる。
このように、チューニングステップＳ５が、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１、チューニング外乱修正ステップＳ１２、外乱修正成功判別ステップＳ１３、残差計算ステップＳ１４、計算終了判別ステップＳ１５、及びチューニングパラメータ更新ステップＳ１６を含むことで、チューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを用いてトルク係数を算出して外乱修正を行い、最適なチューニングパラメータを探索することで、トルク係数の式で用いられるパラメータごとのチューニングパラメータにより、外乱修正に最適なチューニングパラメータを得ることができる。
計算終了判別ステップＳ１５において、設定された全てのチューニングパラメータに対して計算を終了していない（ｎｏ）と判別した場合は、チューニングパラメータ更新ステップＳ１６に移行してチューニングパラメータを更新した後、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１に戻り、更新したチューニングパラメータを実船データに対して設定する。計算が終了していないと判別した場合に行われるチューニングパラメータ更新ステップＳ１６では、チューニングパラメータの種類が変更される。なお、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１においてチューニングパラメータを１つに設定した場合は、チューニングパラメータの種類が１つだけなので、計算終了判別ステップＳ１５において計算が終了していないと判別される場合はない。
一方、計算終了判別ステップＳ１５において、設定された全てのチューニングパラメータに対して計算を終了した（ｙｅｓ）と判別した場合は、最適なチューニングパラメータを選出する（Ｓ１７：最適チューニングパラメータ選出ステップ）。
最適チューニングパラメータ選出ステップＳ１７においては、例えば有効伴流係数の残差が最小となるチューニングパラメータを選出する。これにより、トルク係数を算出するための最適なチューニングパラメータを適切に求めることができる。
このように、チューニングステップＳ５が、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１、チューニング外乱修正ステップＳ１２、外乱修正成功判別ステップＳ１３、残差計算ステップＳ１４、計算終了判別ステップＳ１５、及びチューニングパラメータ更新ステップＳ１６を含むことで、チューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、トルク係数の式を構成するパラメータごとのチューニングパラメータを用いてトルク係数を算出して外乱修正を行い、最適なチューニングパラメータを探索することで、トルク係数の式で用いられるパラメータごとのチューニングパラメータにより、外乱修正に最適なチューニングパラメータを得ることができる。
図８は選出した最適なチューニングパラメータを適用してプロペラ作動点を求めた例を示す図である。
図８（ａ）に示すようにトルク係数ＫＱmeasが過小で有意なプロペラ作動点が得られない場合は、図８（ｂ）に示すように残差計算を行い残差が最小となるチューニングパラメータを評価し、トルク係数算出時に最適なチューニングパラメータを導入することで、図８（ｃ）に示すように適切なトルク係数ＫＱmeasによって有意なプロペラ作動点を得ることができる。
このように、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正することで、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。
図８（ａ）に示すようにトルク係数ＫＱmeasが過小で有意なプロペラ作動点が得られない場合は、図８（ｂ）に示すように残差計算を行い残差が最小となるチューニングパラメータを評価し、トルク係数算出時に最適なチューニングパラメータを導入することで、図８（ｃ）に示すように適切なトルク係数ＫＱmeasによって有意なプロペラ作動点を得ることができる。
このように、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正することで、外乱修正を適切に行い実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。
図１に示すように、外乱修正済データ出力ステップＳ６の後は、データ同化ステップＳ８を行う。
データ同化ステップＳ８を実行する前には、事前推定性能導出手段６０により導出した船舶の性能の事前推定データを取得する（Ｓ７：事前推定性能取得ステップ）。取得した事前推定データは解析コンピュータ１０Ｂに読み込まれる。事前推定データは、船舶の模型試験（水槽試験）、数値流体力学（ＣＦＤ）計算、簡易性能推定、又は試運転等を行い、事前推定性能導出手段６０を用いて予め取得した予測性能データである。
データ同化ステップＳ８で用いられる事前推定データが、船舶の模型試験、数値流体力学（ＣＦＤ）、簡易性能推定、及び試運転データのいずれか一つを含むことで、船舶の模型試験、数値流体力学計算、簡易性能推定、又は試運転によって得られた事前推定データの精度を、データ同化により向上させることができる。
データ同化ステップＳ８を実行する前には、事前推定性能導出手段６０により導出した船舶の性能の事前推定データを取得する（Ｓ７：事前推定性能取得ステップ）。取得した事前推定データは解析コンピュータ１０Ｂに読み込まれる。事前推定データは、船舶の模型試験（水槽試験）、数値流体力学（ＣＦＤ）計算、簡易性能推定、又は試運転等を行い、事前推定性能導出手段６０を用いて予め取得した予測性能データである。
データ同化ステップＳ８で用いられる事前推定データが、船舶の模型試験、数値流体力学（ＣＦＤ）、簡易性能推定、及び試運転データのいずれか一つを含むことで、船舶の模型試験、数値流体力学計算、簡易性能推定、又は試運転によって得られた事前推定データの精度を、データ同化により向上させることができる。
解析コンピュータ１０Ｂは、データ同化ステップＳ８において、事前推定性能取得ステップＳ７で取得した事前推定データと、外乱修正済データ出力ステップＳ６で出力された外乱修正済データを用いて、データ同化を行う。これにより、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上させることができる。
また、データ同化ステップＳ８で用いられる外乱修正済データが、主機出力及び主機回転数の少なくとも一方を含む場合には、船舶の性能評価において一般的な主機出力や主機回転数を外乱修正済データとしてデータ同化に用いることができる。
ここで、図９はデータ同化のイメージ図であり、図９（ａ）は主機回転数のデータ同化を示し、図９（ｂ）は主機出力のデータ同化を示している。
外乱修正済データを用い、予測値に対して計測値（外乱修正結果）を適用してデータ同化を行い修正値を得ることで、予測値の精度が向上し事前推定データを高精度化することができる。
データ同化ステップＳ８の後、出力手段３０は、データ同化の結果を出力する（Ｓ９：結果出力ステップ）。これにより、システムの利用者Ｘ、Ｙは、外乱修正済データと事前推定データのデータ同化の結果としての高精度性能データを簡便に得ることができる。
また、データ取得手段２０と出力手段３０は情報通信網７０に接続して構成されているため、実船データの取得、外乱修正済データの出力、及びデータ同化の結果の出力の少なくとも一つを、情報通信網７０を介して行うことができる。これにより、遠隔地との情報のやり取りを情報通信網７０を介してスムーズに行えるため、システムの利便性を向上させることができる。
また、データ同化ステップＳ８で用いられる外乱修正済データが、主機出力及び主機回転数の少なくとも一方を含む場合には、船舶の性能評価において一般的な主機出力や主機回転数を外乱修正済データとしてデータ同化に用いることができる。
ここで、図９はデータ同化のイメージ図であり、図９（ａ）は主機回転数のデータ同化を示し、図９（ｂ）は主機出力のデータ同化を示している。
外乱修正済データを用い、予測値に対して計測値（外乱修正結果）を適用してデータ同化を行い修正値を得ることで、予測値の精度が向上し事前推定データを高精度化することができる。
データ同化ステップＳ８の後、出力手段３０は、データ同化の結果を出力する（Ｓ９：結果出力ステップ）。これにより、システムの利用者Ｘ、Ｙは、外乱修正済データと事前推定データのデータ同化の結果としての高精度性能データを簡便に得ることができる。
また、データ取得手段２０と出力手段３０は情報通信網７０に接続して構成されているため、実船データの取得、外乱修正済データの出力、及びデータ同化の結果の出力の少なくとも一つを、情報通信網７０を介して行うことができる。これにより、遠隔地との情報のやり取りを情報通信網７０を介してスムーズに行えるため、システムの利便性を向上させることができる。
以上説明したように、船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法によれば、実船データやプロペラ単独性能の精度不足等により平水中性能への外乱修正ができない場合は、チューニングを行って外乱修正できるため、実船モニタリング解析による船舶の性能評価精度を高めることができる。また、データ同化により事前推定データの精度を向上させることができる。
また、船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムを用い、解析コンピュータ１０Ｂに、実船データ取得ステップＳ１と、関連性能取得ステップＳ２と、外乱修正ステップＳ３と、外乱修正判別ステップＳ４と、チューニングステップＳ５と、外乱修正済データ出力ステップＳ６を実行させることで、チューニングによる外乱修正等を解析コンピュータ１０Ｂが適切に行い、精度の高い実船モニタリング解析による船舶の性能評価を迅速かつ正確に行うことができる。
また、解析コンピュータ１０Ｂに、データ同化ステップＳ８をさらに実行させることで、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上することができる。
また、解析コンピュータ１０Ｂに、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１と、チューニング外乱修正ステップＳ１２と、外乱修正成功判別ステップＳ１３と、残差計算ステップＳ１４と、計算終了判別ステップＳ１５と、チューニングパラメータ更新ステップＳ１６を実行させることで、迅速かつ正確にチューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、実船モニタリング解析による性能評価システムが、解析コンピュータ１０Ｂ、データ取得手段２０、及び出力手段３０を備え、性能評価プログラムを実行することで、最適なチューニングパラメータの探索、チューニングによる外乱修正、外乱修正済データの出力、及びデータ同化等を行えるシステムを提供することができる。
なお、上記の実施形態では、前処理コンピュータ１０Ａと解析コンピュータ１０Ｂを別々のコンピュータとして説明をしたが、同一のコンピュータとすることも可能である。
また、船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムを用い、解析コンピュータ１０Ｂに、実船データ取得ステップＳ１と、関連性能取得ステップＳ２と、外乱修正ステップＳ３と、外乱修正判別ステップＳ４と、チューニングステップＳ５と、外乱修正済データ出力ステップＳ６を実行させることで、チューニングによる外乱修正等を解析コンピュータ１０Ｂが適切に行い、精度の高い実船モニタリング解析による船舶の性能評価を迅速かつ正確に行うことができる。
また、解析コンピュータ１０Ｂに、データ同化ステップＳ８をさらに実行させることで、水槽試験や数値計算等により予め求めた事前推定データの精度を向上することができる。
また、解析コンピュータ１０Ｂに、チューニングパラメータ設定ステップＳ１１と、チューニング外乱修正ステップＳ１２と、外乱修正成功判別ステップＳ１３と、残差計算ステップＳ１４と、計算終了判別ステップＳ１５と、チューニングパラメータ更新ステップＳ１６を実行させることで、迅速かつ正確にチューニング外乱修正データを求めるための最適なチューニングパラメータを得ることができる。
また、実船モニタリング解析による性能評価システムが、解析コンピュータ１０Ｂ、データ取得手段２０、及び出力手段３０を備え、性能評価プログラムを実行することで、最適なチューニングパラメータの探索、チューニングによる外乱修正、外乱修正済データの出力、及びデータ同化等を行えるシステムを提供することができる。
なお、上記の実施形態では、前処理コンピュータ１０Ａと解析コンピュータ１０Ｂを別々のコンピュータとして説明をしたが、同一のコンピュータとすることも可能である。
本発明を適用することで、船社や舶用メーカー、気象予測会社など、高精度なデータを保有していない事業者においても実用的精度で外乱修正を行うことができるため、実船モニタリング解析のハードルが下がり、実船モニタリング解析の一層の普及に寄与する。また、本発明は、実船性能だけでなく、プロペラや塗料性能の評価、ウェザールーティングの検証にも役立てることができる。
１０ コンピュータ
２０ データ取得手段
３０ 出力手段
７０ 情報通信網
Ｓ１ 実船データ取得ステップ
Ｓ２ 関連性能取得ステップ
Ｓ３ 外乱修正ステップ
Ｓ４ 外乱修正判別ステップ
Ｓ５ チューニングステップ
Ｓ６ 外乱修正済データ出力ステップ
Ｓ７ 事前推定性能取得ステップ
Ｓ８ データ同化ステップ
Ｓ１１ チューニングパラメータ設定ステップ
Ｓ１２ チューニング外乱修正ステップ
Ｓ１３ 外乱修正成功判別ステップ
Ｓ１４ 残差計算ステップ
Ｓ１５ 計算終了判別ステップ
Ｓ１６ チューニングパラメータ更新ステップ
２０ データ取得手段
３０ 出力手段
７０ 情報通信網
Ｓ１ 実船データ取得ステップ
Ｓ２ 関連性能取得ステップ
Ｓ３ 外乱修正ステップ
Ｓ４ 外乱修正判別ステップ
Ｓ５ チューニングステップ
Ｓ６ 外乱修正済データ出力ステップ
Ｓ７ 事前推定性能取得ステップ
Ｓ８ データ同化ステップ
Ｓ１１ チューニングパラメータ設定ステップ
Ｓ１２ チューニング外乱修正ステップ
Ｓ１３ 外乱修正成功判別ステップ
Ｓ１４ 残差計算ステップ
Ｓ１５ 計算終了判別ステップ
Ｓ１６ チューニングパラメータ更新ステップ
Claims (18)
- 船舶の性能を実船モニタリング解析により評価する方法であって、
船舶の航海データから前記実船モニタリング解析のための実船データを取得する実船データ取得ステップと、
前記船舶のプロペラ単独性能と外力応答を取得する関連性能取得ステップと、
取得した前記実船データに基づいて前記船舶の前記プロペラ単独性能と前記外力応答を用いて前記船舶の平水中性能への前記外乱修正を行う外乱修正ステップと、
前記外乱修正ができない前記実船データがあるか否かの判別を行う外乱修正判別ステップと、
前記外乱修正ができない前記実船データがある場合に前記実船データと前記プロペラ単独性能とに基づいてチューニングを行うチューニングステップと、
前記外乱修正ができた外乱修正データ、及び前記チューニングを行ったチューニング外乱修正データの少なくとも一方を外乱修正済データとして出力する外乱修正済データ出力ステップを備えることを特徴とする船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。 - 前記船舶の性能の事前推定データを取得する事前推定性能取得ステップと、取得した前記事前推定データと前記外乱修正済データ出力ステップで出力される前記外乱修正済データとを用いてデータ同化を行うデータ同化ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記外乱修正判別ステップにおける前記外乱修正ができない前記実船データがあるか否かの前記判別は、前記実船データに基づいてトルク係数を算出し、前記プロペラ単独性能と比較することにより行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記実船データに基づいて算出したトルク係数ＫＱmeasと、前記プロペラ単独性能としてのトルク係数ＫＱとのグラフ上の交点に基づいて前記外乱修正ができない前記実船データがあるか否かの前記判別を行うことを特徴とする請求項３に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記チューニングステップは、前記実船データに対してチューニングパラメータを設定するチューニングパラメータ設定ステップと、設定された前記チューニングパラメータを用いた前記外乱修正を行うチューニング外乱修正ステップと、所定数の前記実船データにおいて前記外乱修正が成功したかを判別する外乱修正成功判別ステップと、前記所定数が成功した場合に残差を計算する残差計算ステップと、設定された前記チューニングパラメータに対して計算を終了したかを判別する計算終了判別ステップと、前記外乱修正成功判別ステップ又は前記計算終了判別ステップで否定された場合に前記チューニングパラメータを更新するチューニングパラメータ更新ステップを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記外乱修正ができない場合に、前記トルク係数の式を構成するパラメータごとの前記チューニングパラメータを用いて前記トルク係数を算出して前記外乱修正を行い、最適な前記チューニングパラメータを探索することを特徴とする請求項３又は請求項４を選択する請求項５に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記チューニングパラメータを用いて前記トルク係数を算出するに当たり式（１）を用いて算出することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径 - 前記チューニングパラメータを用いて前記トルク係数を算出するに当たり、前記パラメータごとの前記チューニングパラメータを１つに設定する場合は、式（１）から式（３）のいずれか一つを用い、２つに設定する場合は、式（４）から式（６）のいずれか一つを用い、３つに設定する場合は、式（７）を用いて算出する、又は式（１）から式（７）を組み合わせて算出することを特徴とする請求項６に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
Ｐmeas ：馬力（計測値）
ηM ：主機伝達効率
ηR :プロペラ効率比
ρs :海水密度
Ｃγ、ＣＫＱ、ＣＤＰ ：チューニングパラメータ
Ｎmeas ：回転数（計測値）
Ｄp ：プロペラ直径 - 最適な前記チューニングパラメータの探索は、有効伴流係数の残差が最小となる前記チューニングパラメータを選出することにより行うことを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記有効伴流係数の残差の算出は、式（８）に基づいて行うことを特徴とする請求項９に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
１－ｗｓ ：有効伴流係数
（１－ｗｓ）i est :簡易推定による１－ｗｓ
（１－ｗｓ）i inter :中間出力としての１－ｗｓ
Ｎ ：データ数 - 前記データ同化ステップで用いられる前記外乱修正済データは、主機出力及び主機回転数の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 前記データ同化ステップで用いられる前記事前推定データは、前記船舶の模型試験、数値流体力学（ＣＦＤ）、簡易性能推定、及び試運転データのいずれか一つを含むことを特徴とする請求項２又は請求項１１に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法。
- 船舶の性能を実船モニタリング解析により評価するプログラムであって、
コンピュータに、
請求項１に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法における、
前記実船データ取得ステップと、前記関連性能取得ステップと、前記外乱修正ステップと、前記外乱修正判別ステップと、前記チューニングステップと、前記外乱修正済データ出力ステップを実行させることを特徴とする船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラム。 - 前記コンピュータに、請求項２に記載の前記データ同化ステップをさらに実行させることを特徴とする請求項１３に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラム。
- 前記コンピュータに、請求項５に記載の前記チューニングパラメータ設定ステップと、前記チューニング外乱修正ステップと、前記外乱
修正成功判別ステップと、前記残差計算ステップと、前記計算終了判別ステップと、前記チューニングパラメータ更新ステップを実行させることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラム。 - 請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の船舶の実船モニタリング解析による性能評価プログラムを実行するシステムであって、
前記コンピュータと、前記実船モニタリング解析用の前記実船データを取得するためのデータ取得手段と、少なくとも前記外乱修正済データを出力する出力手段とを備えることを特徴とする実船モニタリング解析による性能評価システム。 - 前記出力手段が、前記データ同化の結果を出力することを特徴とする請求項１４を選択する請求項１６に記載の実船モニタリング解析による性能評価システム。
- 前記データ取得手段及び前記出力手段の少なくとも一方を情報通信網に接続して構成し、前記実船データの取得、前記外乱修正済データの出力、及び前記データ同化の結果の出力の少なくとも一つを、前記情報通信網を介して行うことを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の実船モニタリング解析による性能評価システム。
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| JP2021161814A JP2023051248A (ja) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システム |
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|---|---|---|---|
| JP2021161814A JP2023051248A (ja) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 船舶の実船モニタリング解析による性能評価方法、性能評価プログラム、及び性能評価システム |
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-
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