JP2023177805A - 操船システム及び操船方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶を着岸させる際に、操縦機器の誤操作が発生しても船舶の岸壁への衝突を阻止する技術を提案する。【解決手段】操船システム２０は、推進機３Ａ，３Ｂと係船機１０Ａ，１０Ｂとを含む船体に搭載された複数の推進デバイス９と、船体から着岸しようとする岸壁までの距離である接岸距離を検出する距離計２７と、推進デバイスへの推進指令を出力する操縦機器８０と、接岸距離及び推進指令を取得し、接岸距離が小さくなるのに伴って推進指令制限値が小さくなる所与の関係に基づいて接岸距離と対応する推進指令制限値を求め、操縦機器から出力される推進指令が推進指令制限値以上である場合は、推進指令を推進指令制限値とし、制限された推進指令に対応する推力を複数の推進デバイスに配分し、複数の推進デバイスの各々から配分された推力が出力されるように複数の推進デバイスを制御する制御装置と、を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、船舶の特に接岸時の操船方法及びそれを実現する操船システムに関する。

船舶が入港してからバースで着岸し係船されるまでの一連の工程には、操船者にとって精神的負荷の大きい操船、船内作業員にとって労働負荷の大きい作業が含まれている。このような理由から、負荷の軽減と安全性の向上のために上記一連の工程の自動化や省人化の要望がある。しかし、港湾内の気象海象の変動に対する臨機応変な対応や、船内作業員と港湾内作業員の絶妙な連携が必要とされることから、未だ操船者や船内及び港湾内作業員の経験に頼って作業の大部分が行われているのが現状である。

特許文献１は、着岸から係船までの操船を自動化する自動着岸係船機を開示する。この特許文献１の船舶は、船体の前後推力を出力する前後推力機関と、船体の両舷方向のいずれにも横推力を出力可能な船首側サイドスラスタ及び船尾側ポッド推進機と、係船索の巻取り及び繰り出しが可能な船首側係船機及び船尾側係船機と、岸壁までの距離を計測する距離計と、距離計の計測値に基づいて船首側サイドスラスタ、船尾側ポッド推進機、船首側係船機及び船尾側係船機を制御するコントローラとを備える。コントローラは、船舶の着岸・係船動作を着岸モード、係船モードの順に行う。コントローラは、着岸モードでは前後推力機関、船首側係船機及び船尾側係船機を停止させて、船首側サイドスラスタ及び船尾側ポッド推進機で船体を岸壁から１ｍの係船開始位置まで横移動させる。コントローラは、係船モードでは前後推力機関、船首側サイドスラスタ及び船尾側ポッド推進機を停止させて、船首側係船機及び船尾側係船機で係船索を引っ張ることにより船体を岸壁に係止させる。

特開２００５－２５５０５８号公報

船舶を着岸（又は、着桟）させる際に、操船者が操縦機器を誤操作することが想定され得る。誤操作によっても船体は移動する。船舶が岸壁へ十分に近づいた状態で、例えば、船舶に岸壁へ向かう推力を発生させるような誤操作が行われると、船舶が岸壁へ衝突するおそれがある。船舶の岸壁からの距離が小さくなるにつれて、誤操作により船舶が岸壁に衝突する可能性は高まる。

本開示は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、船舶を着岸させる際に、操縦機器の誤操作が発生しても船舶の岸壁への衝突を阻止する技術を提案することにある。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る操船システムは、
船体を接岸方向へ推し進める推力を出力する推進機と、係船索の巻取りによって前記船体を前記接岸方向へ推し進める推力を出力する係船機とを含む、前記船体に搭載された複数の推進デバイスと、
前記船体から着岸しようとする岸壁までの距離である接岸距離を検出する距離計と、
推進指令を出力する操縦機器と、
前記接岸距離及び前記推進指令を取得し、前記接岸距離が小さくなるのに伴って推進指令制限値が小さくなる所与の関係に基づいて前記接岸距離と対応する前記推進指令制限値を求め、前記操縦機器から出力される前記推進指令が前記推進指令制限値以上である場合は、前記推進指令を前記推進指令制限値とし、制限された前記推進指令に対応する推力を前記複数の推進デバイスに配分し、前記複数の推進デバイスの各々から配分された推力が出力されるように前記複数の推進デバイスを制御する制御装置と、を備えるものである。

本開示の一態様に係る操船方法は、
船体を接岸方向へ推し進める推力を出力する推進機と、係船索の巻取りによって前記船体を前記接岸方向へ推し進める推力を出力する係船機とを含む複数の推進デバイスを前記船体に搭載した船舶の操船方法であって、
前記船体から着岸しようとする岸壁までの距離である接岸距離を取得し、
前記船体に対する推進指令を取得し、
前記接岸距離が小さくなるのに伴って推進指令制限値が小さくなる所与の関係に基づいて前記接岸距離と対応する前記推進指令制限値を求め、前記推進指令制限値以下に制限された前記推進指令を求め、
制限された前記推進指令に対応する推力を前記複数の推進デバイスに配分し、
前記複数の推進デバイスの各々から配分された推力が出力されるように前記複数の推進デバイスを制御するものである。

本開示によれば、船舶を着岸させる際に、操縦機器の誤操作が発生しても船舶の岸壁への衝突を阻止する技術を提案できる。

図１は、本開示の一実施形態に係る操船システムが適用される船舶の概略構成を示す図である。 図２は、係船機の概略構成を示す図である。 図３は、操船システムの構成を示す図である。 図４は、操船コントローラの機能部を説明する図である。 図５は、推進制御部の処理を説明する図である。 図６は、着岸係船時の操船方法を説明する図である。 図７は、接岸距離ｄと推進指令制限値Ｕlimとの関係の一例を表す図表である。 図８は、接岸距離ｄと推進指令制限値Ｕlimとの関係の一例を表す図表である。 図９は、接岸速度Ｖappを説明する図である。 図１０は、接岸速度Ｖappと接近速度閾値Ｖsafeの差ΔＶと補正係数Ｋvとの関係の一例を表す図表である。 図１１は、接岸外乱力Ｆappを説明する図である。

次に、図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る操船システム２０が適用される船舶Ｓの概略構成を示す図である。

〔船舶Ｓの概略構成〕
図１に示すように、船舶Ｓを基準とし、当該船舶Ｓの船首と船尾を繋ぐ水平方向を「前後方向」とし、前後方向と直交する水平方向（左右方向）を「横方向」とする。船舶Ｓは、船体５と、船体５に対し前後方向の推力を出力する少なくとも１つの前後推進機２と、船体５に対し横方向の推力を出力する少なくとも１つの横推進機３とを備える。

本実施形態において、前後推進機２は主推進機である可変ピッチプロペラ及び舵の組み合わせを含む。可変ピッチプロペラ及び舵は、船体５の船尾側に設けられている。但し、前後推進機２は上記に限定されず、旋回式スラスタであったり、複数の可変ピッチプロペラ及び舵の組み合わせであったりしてもよい。

横推進機３は、好ましくは、少なくとも１つの船首側横推進機３Ｂと少なくとも１つの船尾側横推進機３Ａとを含む。本実施形態において、船首側横推進機３Ｂは船首側に設けられたサイドスラスタ（バウスラスタ）である。また、本実施形態において、船尾側に設けられた可変ピッチプロペラ及び舵の組み合わせは、舵の向きによって前後方向の推力と横方向の推力との双方を出力可能であることから、船尾側横推進機３Ａとしての機能も併せ備える。但し、船舶Ｓが備える横推進機３は上記に限定されず、船体５の船首側及び船尾側のそれぞれにサイドスラスタが配置されたり、船体５の船首側及び船尾側のうち少なくとも一方に旋回式スラスタが配置されたりしていてもよい。

更に、船舶Ｓは、甲板の船首側に設置された少なくとも１つの船首側係船機１０Ｂと、甲板の船尾側に設置された少なくとも1つの船尾側係船機１０Ａとを備える。本開示では、係船機１０、前後推進機２、及び、横推進機３を総じて「推進デバイス９」と称する。本来の係船機１０は船舶Ｓを係船するためのデバイスであるが、本開示の操船システム２０では係船機１０が船舶Ｓに推力を与える機能を有するため、係船機１０も推進デバイス９の一種と捉える。

本実施形態において船首側係船機１０Ｂにはヘッドライン係船機と、フォワードスプリングライン係船機とが含まれる。船首側係船機１０Ｂには、フォワードブレスト係船機が更に含まれていてもよい。また、本実施形態において船尾側係船機１０Ａには、スターンライン係船機とアフトスプリング係船機とが含まれる。船尾側係船機１０Ａには、アフトブレスト係船機が更に含まれていてもよい。船舶Ｓが所持すべき係船機１０（船首側係船機１０Ｂと船尾側係船機１０Ａとを区別しないときは、符号１０を用いる）は、艤装数などにより決められている。

船首側係船機１０Ｂ及び船尾側係船機１０Ａの各係船機１０は実質的に同一の構造を有する。図２に示すように、各係船機１０は、係船索Ｒと、係船索Ｒの巻取りと繰り出しとが可能なウインチＷとを備える。ウインチＷは、電動油圧式である。ウインチＷは、係船索Ｒが巻かれた巻取りドラム１１と、巻取りドラム１１を回転駆動するモータ１２と、モータ１２から巻取りドラム１１への動力伝達の接続と遮断とを切り替える油圧式のクラッチ１３と、モータ１２から巻取りドラム１１への動力伝達経路上に設けられた減速機１４と、常時制動力を与える油圧解除式のブレーキ１５とを備える。但し、ウインチＷの構造は上記に限定されず、ウインチＷは電動式であってもよい。

係船機１０には、回転位置センサ５１、張力計５２、索長計５３、及び、これらの検出値に基づいてウインチＷの動作を制御するウインチコントローラ５０が設けられている。回転位置センサ５１は、モータ１２又は巻取りドラム１１の回転位置及び回転数を検出する。索長計５３は、巻取りドラム１１から繰り出された係船索Ｒの長さを計測する。ウインチコントローラ５０は、回転位置センサ５１の検出信号及び／又は索長計５３の測定値に基づいて、モータ１２又は巻取りドラム１１の回転を計測し、係船索Ｒの巻取り長さや繰り出し長さを推定する。張力計５２は、係船索Ｒに作用する張力（負荷）を直接的又は間接的に検出するものであってよい。張力計５２は、例えば、ブレーキ１５に設けられたロードセルであって、当該ロードセルで検出された荷重に基づいて係船索Ｒの張力が推定されてよい。張力計５２は、例えば、モータ１２の出力トルクを検出するトルクセンサであって、当該トルクセンサで検出されたトルクに基づいて係船索Ｒの張力が推定されてよい。ウインチコントローラ５０は、張力計５２の検出値に基づいて、係船索Ｒに作用する張力が所定の上限値を超えない所定の値に維持されるように巻取りドラム１１の回転を制御することができる。

係船索Ｒを巻取りドラム１１へ巻き取る際には、クラッチ１３によってモータ１２から巻取りドラム１１への動力伝達経路が接続され、巻取りドラム１１が巻取り方向に回転駆動される。なお、推力が離岸方向に働いている状態では、ウインチＷの巻き込み力は係船索Ｒの弛みを抑える程度に小さな値とする。係船索Ｒを巻取りドラム１１から繰り出す際には、クラッチ１３が切断されてモータ１２から巻取りドラム１１への動力伝達経路が切断され、巻取りドラム１１は空転可能な状態となり繰り出し方向へ回転することができる。或いは、係船索Ｒを繰り出す際には、クラッチ１３によってモータ１２から巻取りドラム１１への動力伝達経路が接続され、巻取りドラム１１が繰り出し方向へ回転駆動されてもよい。

図１に戻って、係船索Ｒの先端は、岸壁３０に設けられた係船柱３５に係止される。巻取りドラム１１から引き出された係船索Ｒは、チョック（ムアリングホール）、フェアリーダー、デッキエンドローラ、スタンドローラなどの適宜の案内器３６によって、保護と案内がなされる。

〔操船システム２０の構成〕
図３は、操船システム２０の構成を示す図である。図３に示すように、船舶Ｓの操船システム２０は、操船コントローラ６と、操船コントローラ６と電気的に有線又は無線で接続された計器群７、ユーザーインターフェース８、及び推進コントローラ群９Ｃとを備える。

操船コントローラ６は、プロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどのメモリ、及び、Ｉ／Ｏ部を備える（いずれも図示略）。操船コントローラ６には、Ｉ／Ｏ部を介して計器群７、ユーザーインターフェース８、及び推進コントローラ群９Ｃが接続されている。操船コントローラ６には、Ｉ／Ｏ部を介してストレージ（図示略）が接続されていてもよい。

操船コントローラ６には、船陸間通信装置３１が接続されている。操船コントローラ６は、船陸間通信装置３１を使って、陸上基地に設けられた状態監視装置３３へ操船情報を伝達する。この操船情報には、港湾内の航行状況や機器稼働データなどが含まれる。

計器群７は、距離計２７、カメラ２８、及び各種の航海計器を含む。

距離計２７は、船首から岸壁３０までの船首側距離を測定する船首側距離計と、船尾から岸壁３０までの距離を測定する船尾側距離計とを含む。距離計２７は、例えば、レーザー式距離計などの公知の非接触距離計であってよい。操船コントローラ６は、距離計２７から取得した情報に基づいて、船体５から接岸しようとする岸壁３０までの接岸方向Ｄ２の距離（以下、「接岸距離ｄ」と称する）を求めることができる。ここで、接岸方向Ｄ２は、岸壁３０へ近づく方向である。また、接岸距離ｄは、船体５から岸壁３０までの最短の距離と規定されてよい。

カメラ２８は、船首側甲板に設けられて船首から岸壁３０を連続的又は断続的に撮像する船首側カメラと、船尾側甲板に設けられ船尾から岸壁３０を連続的又は断続的に撮像する船尾側カメラとを含む。船首側カメラの撮像野には、岸壁３０に加えて、船首側係船機１０Ｂ及び／又は船首側係船機１０Ｂから繰り出された係船索Ｒが含まれることが望ましい。また、船尾側カメラの撮像野には、船尾側係船機１０Ａ及び／又は船尾側係船機１０Ａから繰り出された係船索Ｒが含まれることが望ましい。このように広い視野を確保するために、カメラ２８としてアラウンドビューカメラシステムが採用されてもよい。

各種の航海計器として、船首方位角を検出するコンパス２１、速度計２２（対水速度計）、風向風速計２５（風向計及び風速計）、船位測定装置２６、潮流計２９、音響測深器、レーダー、クロノメーター、喫水計などが例示される。船位測定装置２６は、衛星を用いたＧＰＳや基準局からの電波や光を用いた電波式及び／又は光波式の位置測定装置である。操船コントローラ６は、各種の航海計器から取得した情報に基づいて、船体５の位置、針路、船首方位角、船速などを含む航行状況情報を求め得る。

操船コントローラ６は船陸間通信装置３１を使って、陸上基地に設けられた港湾情報提供装置３２から港湾情報を適時に取得する。港湾情報には、港湾内の気象・海象情報、港湾環境情報などが含まれる。気象・海象情報には、港湾内の風速、風向、潮流、潮位、天気、及び気候などが含まれる。港湾環境情報には、港湾内の輻輳具合やバース状況などが含まれる。操船コントローラ６は、船陸間通信装置３１を介して港湾情報提供装置３２から送られてきた情報も、計器群７からの情報とともに演算に利用する。

ユーザーインターフェース８には、操縦機器８０と、表示装置８３とが設けられている。ユーザーインターフェース８には、個別のプロペラや舵などの推進デバイス９用の設定器や指示計、方位表示や船速表示などの計器群７からの信号を表示する表示部、各種機能切替スイッチ、及び、表示灯などが更に設けられていてもよい。

本実施形態では、操縦機器８０としてジョイスティック８１と回頭ダイヤル８２とが設けられている。ジョイスティック８１は、操船者がジョイスティック８１を動かすことによって入力した、船体５の平行移動のための推力の方向と大きさの指令を受け付けて、それを操船コントローラ６へ出力する。回頭ダイヤル８２は、操船者が回頭ダイヤル８２を動かすことによって入力した、回頭移動のための回頭モーメントの方向と大きさの指令を受け付けて、それを操船コントローラ６へ入力する。但し、操縦機器８０は上記に限定されず、公知の操縦機器が採用されてよい。

表示装置８３としてタッチパネル式ディスプレイ、ヘッドマウント式ディスプレイなどの各種表示装置のうち少なくとも１種類の公知の表示装置が採用される。表示装置８３には、操船コントローラ６から出力された操船支援情報、カメラ２８で撮像された画像、機器の操作状況、航行状況情報、船体５の環境情報（海象・気象情報）などが含まれ得る。操船支援情報には、海図上の自船位置、推奨航路、避険線、残存距離、海域施設、及び目標位置や、船体５の移動速度ベクトルや、船首及び船尾の任意位置の速度と岸壁３０との残距離などのうち少なくとも１つが含まれる。

推進コントローラ群９Ｃは、推進デバイス９の動作を制御する。推進コントローラ群９Ｃは、具体的には、係船機１０のウインチＷを制御するウインチコントローラ５０、前後推進機２を制御する前後推進コントローラ９１、及び、横推進機３を制御する横推進コントローラ９２を含む。ウインチコントローラ５０、前後推進コントローラ９１、及び横推進コントローラ９２は、船舶Ｓに搭載されているウインチＷ、前後推進機２、及び横推進機３の基数に応じて設けられている。但し、図３ではウインチコントローラ５０、前後推進コントローラ９１、及び横推進コントローラ９２のうちそれぞれ１つが図示されて残りは省略されている。操船コントローラ６は、これらの推進コントローラ群９Ｃの各々に対して指令を出力し、推進コントローラ群９Ｃは指令に基づいて対応する推進デバイス９を動作させる。

図４に示すように、操船コントローラ６は、操船支援情報生成部６５、表示制御部６６、航路計画部６７、指令生成部６８、及び、推進制御部６９の各機能部を有する。操船支援情報生成部６５は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報に基づいて、操船支援情報を生成する。表示制御部６６は、生成された操船支援情報を表示装置８３へ表示させる。航路計画部６７は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報などに基づいて、出発地から目的地までの所定の評価指標を最適化する最適航路を探索し、その最適航路を計画航路として生成する。指令生成部６８は、自動操船時に操船者に代わって指令を生成する。推進制御部６９は、請求の範囲の制御装置に相当する。推進制御部６９は、推進コントローラ群９Ｃを介して推進デバイス９を制御する。

図５は、推進制御部６９の処理を説明する図である。図５に示すように、操船コントローラ６の推進制御部６９は、取得器６１と、制限器６４と、修正器６０と、推力配分演算器６２と、出力器６３とを有する。

取得器６１は、計器群７で検出又は測定された情報、ユーザーインターフェース８の操縦機器８０が受け付けた指令などを取得する。計器群７で検出又は測定された情報には、接岸距離ｄや接岸速度Ｖappが含まれる。取得器６１は、取得した情報や指令に対してＡ／Ｄ変換、スケーリング処理などを行う。取得器６１は、ジョイスティック８１が受け付けた推進指令（即ち、ジョイスティック８１の傾倒角度と傾倒方向）に基づいて、「指令ベクトル」を生成する。指令ベクトルの方向はジョイスティック８１の傾倒方向と対応し、指令ベクトルの大きさはジョイスティック８１の傾倒角度と対応する。ここで、推進指令が推力指令である場合には、指令ベクトルは、船体５に作用させる推力指令を向きと大きさで表したものと規定される。また、推進指令が速度指令である場合には、指令ベクトルは、船体５の速度指令を向きと大きさで表したものと規定される。

制限器６４は、接岸距離ｄに基づいて指令ベクトルに必要に応じて制限を掛ける。制限器６４の機能については、後ほど詳述する。なお、制限器６４は、操縦機器８０で受け付けた指令に基づく指令ベクトルだけではなく、指令生成部６８で生成された指令ベクトルについても制限を掛けてもよい。

修正器６０は、潮流計２９で検出された潮流、風向風速計２５で検出された風向及び風速、並びに／又は、港湾情報提供装置３２から取得した港湾内の潮流及び風向風速を含む外乱情報を取得し、外乱情報に基づいて船舶Ｓに作用する外乱力を推定し、指令ベクトルに外乱力に抗する力を加えることにより指令ベクトルを修正する。

推力配分演算器６２は、修正された指令ベクトルと推力ベクトルとが対応するように複数の推進デバイス９（係船機１０、前後推進機２、及び、横推進機３）の各々に推力を配分する演算を行う。ここで、係船機１０は係船索Ｒの巻取りによって船体５を接岸方向Ｄ２へ推し進める推力を出力する推進デバイス９と見做される。「推力ベクトル」は複数の推進デバイス９（係船機１０、前後推進機２、及び、横推進機３）から出力される推力の合成力を向きと大きさで表したものと規定される。推力配分演算器６２による推力配分演算方法については、後ほど詳述する。

出力器６３は、推力配分演算器６２が求めた各推進デバイス９（前後推進機２，横推進機３，係船機１０）に配分された推力を、スケーリングやＤ／Ａ変換や異常処理などを行ったうえで、対応する推進コントローラ群９Ｃ（ウインチコントローラ５０、前後推進コントローラ９１、及び横推進コントローラ９２）へ動作指令として出力する。これにより、ジョイスティック８１の傾倒角度と対応した大きさで傾倒方向へ向かう推力が船体５に与えられる。

〔操船方法〕
ここで上記構成の操船システム２０を用いた船舶Ｓの着岸・係船時の操船方法について、図６を用いて説明する。

＜アプローチ操船＞
操船コントローラ６は、船舶Ｓが港湾に進入するとアプローチ操船を開始する。アプローチ操船において、操船コントローラ６は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報を用いてアプローチ操船支援情報を生成し、それを表示装置８３の画面に表示させる。ここで、操船コントローラ６は、所定の着岸開始位置Ｐ２を目標位置とし、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報を用いて港湾口Ｐ１から着岸開始位置Ｐ２までの最適航路を計画航路として求める。表示装置８３の画面上には、アプローチ操船支援情報として複数のウエイポイントから成る計画航路と目標位置及び自船位置とがオーバーレイされた港湾の海図や、船首方位角及び船速などの航行情報がグラフィック表示される。着岸開始位置Ｐ２は、バースの岸壁３０から所定距離（例えば３０～５０ｍ程度）だけ離れた位置であり、着岸開始位置Ｐ２に到達した船舶Ｓの船体５は前後方向が岸壁３０の延伸方向（以下、「岸壁方向Ｄ１」称する）と略平行とであり、前後方向の速度は概ねゼロである。

操船者は表示装置８３に表示されたアプローチ操船支援情報に基づいてジョイスティック８１及び回頭ダイヤル８２を操作する。操船コントローラ６は、ジョイスティック８１の傾倒角度及び傾倒方向に基づいて指令ベクトルを求める。但し、船舶Ｓは自動でアプローチ操船されてもよい。この場合、操船コントローラ６は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報、及び、計画航路に基づいて、自ら指令ベクトルを生成してもよい。

操船コントローラ６は、指令ベクトルに外乱力に抗する力を加えて修正された指令ベクトルを求め、前後推進機２から出力される推力の合成によって修正された指令ベクトルと対応する推力ベクトルが得られるように、前後推進機２に推力を配分する。アプローチ操船では、横推進機３及び係船機１０に配分される推力はゼロである。操船コントローラ６は、配分された推力が出力されるような推力目標値を生成してそれを前後推進コントローラ９１へ出力し、前後推進コントローラ９１は推力目標値と対応する推力が出力されるように前後推進機２を制御する。その結果、船舶Ｓは指令ベクトルと対応する推力を得て計画航路に沿って航行する。

＜着岸操船＞
操船コントローラ６は、船舶Ｓが着岸開始位置Ｐ２に到達すると着岸操船を開始する。着岸操船において、操船コントローラ６は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報を用いて着岸操船支援情報を生成し、それを表示装置８３の画面に表示させる。着岸操船では、船舶Ｓを着岸開始位置Ｐ２から所定の係船開始位置Ｐ３へ移動させる。係船開始位置Ｐ３は、バースの岸壁３０から数～数十ｍ程度だけ離れた位置であり、係船開始位置Ｐ３に到達した船舶Ｓの船体５は前後方向が岸壁方向Ｄ１と略平行とであり、船首方向及び横方向の速度は概ねゼロである。表示装置８３の画面上には、着岸操船支援情報として目標位置や自船位置がオーバーレイされた港湾の海図や、船首方位角及び船速などの航行情報、接岸距離ｄ、カメラ２８で撮像された画像などが表示される。

操船者は表示装置８３に表示された着岸操船支援情報に基づいてジョイスティック８１及び回頭ダイヤル８２を操作する。操船コントローラ６は、ジョイスティック８１の傾倒角度及び傾倒方向に基づいて指令ベクトルを求める。但し、船舶Ｓは自動で着岸操船されてもよい。この場合、操船コントローラ６は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報に基づいて、自ら指令ベクトルを生成してもよい。

操船コントローラ６は、指令ベクトルに外乱力に抗する力を加えて修正された指令ベクトルを求め、前後推進機２及び横推進機３から出力される推力の合成によって修正された指令ベクトルと対応する推力ベクトルが得られるように、前後推進機２及び横推進機３に推力を配分する。着岸操船では、係船機１０に配分される推力はゼロである。操船コントローラ６は、前後推進コントローラ９１及び横推進コントローラ９２の各々に対して配分された推力が出力されるような推力目標値を生成してそれを出力し、前後推進コントローラ９１は与えられた推力目標値と対応する推力が出力されるように前後推進機２を制御し、横推進コントローラ９２は与えられた推力目標値と対応する推力が出力されるように横推進機３を制御する。その結果、船舶Ｓは指令ベクトルと対応する推力を得て係船開始位置Ｐ３まで主に横移動する。

＜係船操船＞
船舶Ｓが係船開始位置Ｐ３に到達すると、船尾側係船機１０Ａ及び船首側係船機１０Ｂから係船索Ｒが繰り出され、係船索Ｒの先端部が岸壁３０に設けられた係船柱３５に係止される。この間、操船コントローラ６は、自動方位保持機能で、船舶Ｓを係船開始位置Ｐ３に位置保持させる。操船コントローラ６の自動方位保持機能は、設定船首方位角とコンパス２１からの船首方位角との偏差に対してＰＩＤ演算などを行い、それを回頭ダイヤル８２の代わりに回頭モーメント指令として推力配分演算に与えることで、船首の方位が保持されるように前後推進機２及び横推進機３を稼働させる。

全ての係船索Ｒの先端部が岸壁３０に設けられた係船柱３５に係止されてから、操船コントローラ６は係船操船を開始する。操船コントローラ６は、計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報を用いて係船操船支援情報を生成し、それを表示装置８３の画面に表示させる。表示装置８３の画面上には、着岸操船支援情報として目標位置や自船位置がオーバーレイされた港湾の海図や、船首方位角及び船速などの航行情報、接岸距離ｄ、カメラ２８で撮像された画像などが表示される。

操船者は表示装置８３に表示された係船操船支援情報を視認して操縦機器８０のジョイスティック８１及び回頭ダイヤル８２を操作する。ジョイスティック８１及び回頭ダイヤル８２は、操船者の操作を受け付けて操船コントローラ６へ入力する。但し、係船操船は自動で行われてもよい。係船操船が自動で行われる場合は、操船コントローラ６が計器群７や港湾情報提供装置３２から取得した情報に基づいて指令ベクトルを生成し、操船者は操船コントローラ６が生成した指令ベクトルを操縦機器８０を用いて修正できる。

操船コントローラ６の取得器６１は、ジョイスティック８１などの操縦機器８０が受け付けた推進指令を取得して、指令ベクトルを生成する。なお、係船操船においては原則として船舶Ｓには横方向の推力が働き、船舶Ｓは接岸方向Ｄ２へ移動する。よって、推進指令Ｕcが推力指令である場合には、係船操船時の指令ベクトルは推進指令と対応する大きさの推力の接岸方向Ｄ２を向いたベクトルである。また、推進指令Ｕcが速度指令である場合には、係船操船時の指令ベクトルは推進指令Ｕcと対応する大きさの速度の接岸方向Ｄ２を向いたベクトルである。

係船操船では、操船コントローラ６の制限器６４によって推進指令Ｕcに制限が掛けられる。例えば、制限器６４は、接岸距離ｄが予め与えられた制限距離未満の場合に、推進指令Ｕcに制限を掛けるように構成されていてよい。制限距離は、岸壁３０から係船開始位置Ｐ３までの距離であってもよいし、それよりも短い距離であってもよい。

制限器６４には、接岸距離ｄと推進指令制限値Ｕlimとの関係を表す情報が予め与えられており、制限器６４はこの情報に基づいて推進指令制限値Ｕlimを求める。

図７は、推進指令Ｕcが推力指令である場合の、接岸距離ｄと推進指令制限値Ｕlimとの関係の一例を表す図表である。図７に例示される推進指令制限値Ｕlimは、接岸距離ｄが０から第１閾値ｄth1までは第１の値Ｕpで一定であり、接岸距離ｄが第１閾値ｄth1から第２閾値ｄth2までは接岸距離ｄの増加に伴って増加し、接岸距離ｄが第２閾値ｄth2以上では指令最大値Ｕmaxで一定である。第１の値Ｕpは、０よりも大きく、岸壁３０へ船体５を押し付ける推力に相当する。

図８は、推進指令Ｕcが船舶Ｓの横方向（即ち、接岸方向Ｄ２）の速度指令である場合の、接岸距離ｄと推進指令制限値Ｕlimとの関係の一例を表す図表である。図８に例示される推進指令制限値Ｕlimは、接岸距離ｄが０のときに第１の値Ｕpであり、接岸距離ｄが０より大きく閾値ｄthまでは接岸距離ｄの増加に伴って増加し、接岸距離ｄが閾値ｄth以上では指令最大値Ｕmaxで一定である。第１の値Ｕp、０よりも大きく、岸壁３０へ船体５を押し付ける速度に相当する。或いは、第１の値Ｕpは０であってもよい。

制限器６４は、推進指令Ｕcと求めた推進指令制限値Ｕlimとを比較し、推進指令Ｕcが推進指令制限値Ｕlim以下であれば、推進指令Ｕcに制限を掛けない（或いは、ゼロの制限を掛ける）。一方、制限器６４は、推進指令Ｕcが推進指令制限値Ｕlimよりも大きければ、推進指令Ｕcに制限を掛け、推進指令Ｕcを推進指令制限値Ｕlimで置き換える。つまり、推進指令Ｕcは、入力された指令の値に関わらず、推進指令制限値Ｕlim以下に制限される。

上記のように制限器６４で推進指令Ｕcに制限処理が成されることによって、例えば、操船者の誤操作により操縦機器８０の操作量が過剰であった場合でも、船舶Ｓが岸壁３０と衝突しないように推進指令Ｕcが制限を受ける。

上記のように制限器６４で処理された指令ベクトル（即ち、推進指令Ｕc）は、修正器６０によって、外乱力に抗する力を加えて修正される。

推力配分演算器６２は、修正された指令ベクトルを取得し、複数の推進デバイス９から出力される推力の合成によって修正された指令ベクトルと対応する推力ベクトルが得られるように、複数の推進デバイス９に推力を配分する。より詳細には、推力配分演算器６２は、ウインチコントローラ５０、前後推進コントローラ９１及び横推進コントローラ９２の各々に対して配分された推力が出力されるような推力目標値を生成する。出力器６３は、生成された推力目標値を推進コントローラ群９Ｃの各々へ出力する。

ウインチコントローラ５０は与えられた推力目標値と対応する推力が出力されるように、係船機１０の巻込み力又は巻込み速度を制御する。具体的には、ウインチコントローラ５０は、係船索Ｒを巻き取ったり繰り出したりして張力及び索長を調整することにより推力目標値が得られるように、ウインチＷの巻込み力又は巻込み速度を制御する。前後推進コントローラ９１は与えられた推力目標値と対応する推力が出力されるように前後推進機２を制御する。横推進コントローラ９２は与えられた推力目標値と対応する推力が出力されるように横推進機３を制御する。その結果、船舶Ｓは修正された指令ベクトルと対応する推力を得て接岸するまで主に横移動する。

係船操船における推力配分では、係船機１０への推力の配分が優先される。各係船機１０には係船索Ｒの張力の許容範囲が設定されている。係船操船が開始されて、係船機１０の巻上げ動作により係船索Ｒのたわみが解消されたのちは、張力計５２で測定される係船索Ｒの張力が許容範囲内に維持されるように、係船機１０へ推力が配分される。ここで、張力の許容範囲は、０より大きく且つ係船機１０Ａ，１０Ｂの最大巻込力より小さい所定の閾値以下である。係船機１０Ａ，１０Ｂの最大巻込力は、係船機１０Ａ，１０Ｂの各々に固有の既知の値である。係船機１０Ａ，１０Ｂの各々について、係船索Ｒの張力に関する閾値（許容範囲）が個別に設定されてよい。或いは、全ての係船機１０Ａ，１０Ｂについて、同一の係船索Ｒの張力に関する閾値（許容範囲）が設定されてもよい。

係船操船における推力配分では、先ず、各係船索Ｒの張力が許容範囲内に維持されるように各係船機１０に推力が配分される。そして、全ての係船機１０が出力する推力の合成ベクトル（係船機推力ベクトル）を求め、指令ベクトルから係船機推力ベクトルを差し引いた不足分が前後推進機２及び横推進機３から出力される推力で補われる。不足分が生じない場合には、前後推進機２及び横推進機３から出力される推力はゼロであってもよい。このように推力が配分されることによって、操船コントローラ６は、係船操船の少なくとも一部分において、船首側係船機１０Ｂ及び船尾側係船機１０Ａに係船索Ｒの巻取り動作を行わせると同時に、前後推進機２及び横推進機３のうち少なくとも一方に係船索Ｒの張力を軽減させるような推力を出力させるように、これらの推進デバイス９を制御する。

なお、係船操船において船舶Ｓに搭載された全ての係船機１０で推力を発生させる必要はない。例えば、１機の船尾側係船機１０Ａと１機の船首側係船機１０Ｂのみに推力を発生させ、余の係船機１０は係船索Ｒに弛みを生じさせず且つ発生する推力を阻害しないように係船索Ｒの張力が一定に保持されるように制御されてよい。

〔変形例１〕
上記の推進デバイス９の制限器６４は、接岸距離ｄに基づいて推進指令制限値Ｕlimを求めるが、接岸距離ｄに基づいて求めた推進指令制限値が船舶Ｓの接岸速度Ｖappで補正されてもよい。

図９は接岸速度Ｖappを説明する図である。図９に示すように、接岸速度Ｖapp、は、船舶Ｓの速度Ｖの接岸方向Ｄ２の成分である。接岸速度Ｖappは、速度計２２で検出される船舶Ｓの速度Ｖと、コンパス２１で検出される船舶Ｓの船首方位角と、予め記憶された船体モデル及び岸壁情報とを用いて求め得る。

推進制御部６９の制限器６４は、推進指令制限値Ｕlimを船体５の接岸方向Ｄ２の速度Ｖappが大きくなるのに伴って小さくなるように補正する。

例えば、推進指令制限値Ｕlimが補正係数Ｋvで補正される場合、補正後の推進指令制限値Ｕlimは、推進指令制限値Ｕlim×補正係数Ｋvで表される。補正係数Ｋvは１以下の値であり、接岸速度Ｖappと所定の接近速度閾値Ｖsafeの差ΔＶに反比例する。接近速度閾値Ｖsafe以下で移動する船体５が岸壁３０に接触する程度では船体５には損傷は生じず、接近速度閾値Ｖsafeを超えて移動する船体５が岸壁３０に衝突すると船体５に損傷が生じる可能性がある。図１０は、接岸速度Ｖappと接近速度閾値Ｖsafeの差ΔＶと補正係数Ｋvとの関係の一例を表す図表である。図１０に例示されるように、接岸速度Ｖappと接近速度閾値Ｖsafeの差ΔＶが大きくなれば、補正係数Ｋvの値が小さくなる。よって、接岸速度Ｖappで補正された推進指令制限値Ｕlimは、接岸速度Ｖappと接近速度閾値Ｖsafeの差ΔＶが大きくなるに従って小さくなる。制限器６４は、このように補正された推進指令制限値Ｕlimを用いて、推進指令Ｕcに制限を掛けることができる。

〔変形例２〕
上記の推進デバイス９の制限器６４は、接岸距離ｄに基づいて推進指令制限値Ｕlimを求めるが、接岸距離ｄに基づいて求めた推進指令制限値Ｕlimが船舶Ｓに作用する接岸方向Ｄ２の外乱力（以下、「接岸外乱力Ｆapp」と称する）で補正されてもよい。

図１１は接岸外乱力Ｆappを説明する図である。図１１に示すように、接岸外乱力Ｆappは、船舶Ｓに作用する外乱力Ｆの接岸方向Ｄ２の成分である。外乱力Ｆには、水が船体５に与える流体力、及び、風が船体５に与える風圧力のうち少なくとも一方を含んでいてよい。流体力は、例えば、潮流計２９で計測された潮流と予め記憶された船体モデルに基づいて算出し得る。或いは、流体力は、気象・海象情報に含まれる港湾内の潮流及び潮位と予め記憶された船体モデルに基づいて算出し得る。風圧力は、例えば、風向風速計２５で計測された風向及び風速と船体モデルに基づいて算出し得る。或いは、風圧力は、気象・海象情報に含まれる港湾内の風速、風向と予め記憶された船体モデルに基づいて算出し得る。接岸外乱力Ｆappは、流体力及び風圧力と、コンパス２１で検出される船舶Ｓの船首方位角と、予め記憶された船体モデル及び岸壁情報とを用いて求め得る。

推進制御部６９の制限器６４は、船体５のおかれた環境の風向、風速、及び潮流を含む外乱情報を取得し、外乱情報に基づいて船体５に作用する接岸方向Ｄ２の外乱力（接岸外乱力Ｆapp）を推定し、推進指令制限値を接岸外乱力Ｆappに応じて補正する。

例えば、推進指令制限値Ｕlimが補正値Ｋfで補正される場合、補正後の推進指令制限値Ｕlimは、[推進指令制限値Ｕlim－外乱補正値Ｋf]で表される。外乱補正値Ｋfは接岸外乱力Ｆappに比例する。正の数の外乱補正値Ｋfは船舶Ｓの接岸方向Ｄ２の移動を推進する外乱力を表し、負の数の外乱補正値Ｋfは船舶Ｓの接岸方向Ｄ２の移動を妨げる（即ち、離岸方向Ｄ３の移動を促進する）外乱力を表す。接岸外乱力Ｆappと外乱補正値Ｋfとの関係は予め規定されており、制限器６４は接岸外乱力Ｆappに基づいて外乱補正値Ｋfを求め、更には、外乱補正値Ｋfで補正された推進指令制限値Ｕlimを求めることができる。このように、接岸外乱力Ｆappで補正された推進指令制限値Ｕlimは、接岸外乱力Ｆappが船舶Ｓの離岸方向Ｄ３の移動を促進する場合（即ち、外乱補正値Ｋfが負の値の場合）、接岸外乱力Ｆappの絶対値が大きくなるのに伴って大きくなる。一方、接岸外乱力Ｆappで補正された推進指令制限値Ｕlimは、接岸外乱力Ｆappが船舶Ｓの接岸方向Ｄ２の移動を促進する場合（即ち、外乱補正値Ｋfが正の値の場合）、接岸外乱力Ｆappの絶対値が大きくなるのに伴って小さくなる。

〔総括〕
本開示の第１の項目に係る操船システム２０は、
船体５を接岸方向Ｄ２へ推し進める推力を出力する推進機２，３と、係船索Ｒの巻取りによって船体５を接岸方向Ｄ２へ推し進める推力を出力する係船機１０とを含む、船体５に搭載された複数の推進デバイス９と、
船体５から着岸しようとする岸壁３０までの距離である接岸距離ｄを検出する距離計２７と、
推進指令Ｕcを出力する操縦機器８０と、
接岸距離ｄ及び推進指令Ｕcを取得し、接岸距離ｄが小さくなるのに伴って推進指令制限値Ｕlimが小さくなる所与の関係に基づいて接岸距離ｄと対応する推進指令制限値Ｕlimを求め、操縦機器８０から出力される推進指令Ｕcが推進指令制限値Ｕlim以上である場合は、推進指令Ｕcを推進指令制限値Ｕlimとし、制限された推進指令Ｕcに対応する推力を複数の推進デバイス９に配分し、複数の推進デバイス９の各々から配分された推力が出力されるように複数の推進デバイス９を制御する制御装置６９と、を備えることを特徴としている。

上記操船システム２０では、操縦機器８０が出力し制御装置６９が取得した推進指令Ｕcの値に関わらず、推進指令Ｕcの値は推進指令制限値Ｕlim以下に制限される。推進指令制限値Ｕlimは船体５が岸壁３０へ近づくほど小さな値となるので、船体５が岸壁３０に近接した状態では操縦機器８０の誤操作が生じても推進指令Ｕcが十分に小さな値に制限されることから、船体５の岸壁３０への衝突が阻止される。

本開示の第２の項目に係る操船システム２０は、第１の項目に係る操船システム２０において、船体５の速度Ｖを検出する速度計２２を、更に備え、制御装置６９は、推進指令制限値Ｕlimを船体５の接岸方向Ｄ２の速度Ｖappが大きくなるのに伴って小さくなるように補正するものである。

上記操船システム２０では、推進指令制限値Ｕlimに船体５の接岸速度Ｖappが加味されるので、より確実に船体５の岸壁３０への衝突が阻止されるように推進指令Ｕcを制限できる。

本開示の第３の項目に係る操船システム２０は、第１又は２の項目に係る操船システム２０において、制御装置６９は、船体５のおかれた環境の外乱情報を取得し、外乱情報に基づいて船体５に作用する接岸方向Ｄ２の外乱力Ｆappを推定し、推進指令制限値Ｕlimを外乱力Ｆappに応じて補正するものである。外乱情報は、例えば、風向、風速、及び潮流を含んでいてよい。

上記操船システム２０では、推進指令制限値Ｕlimに船体５に作用する接岸外乱力Ｆappが加味されるので、より確実に船体５の岸壁３０への衝突が阻止されるように推進指令Ｕcを制限できる。

本開示の第４の項目に係る操船システム２０は、第１乃至３のいずれかの項目に係る操船システム２０において、係船索Ｒの張力を測定する張力計５２を更に備え、制御装置６９は、張力計５２で測定される係船索Ｒの張力が０より大きく且つ係船機１０の最大巻込力より小さい所定の閾値以下の範囲に維持されるように、推進指令に対応する推力を複数の推進デバイス９へ配分するものである。

上記操船システム２０では、船体５を接岸させるために係船機１０に係船索Ｒの巻取り動作をさせている間、係船索Ｒの張力の範囲が維持されることから、係船索Ｒに過負荷が掛かることが防止される。

本開示の第５の項目に係る操船方法は、船体５を接岸方向Ｄ２へ推し進める推力を出力する推進機２，３と、係船索Ｒの巻取りによって船体５を接岸方向Ｄ２へ推し進める推力を出力する係船機１０とを含む複数の推進デバイス９を船体５に搭載した船舶Ｓの操船方法であって、
船体５から着岸しようとする岸壁３０までの距離である接岸距離ｄを取得し、
船体５に対する推進指令Ｕcを取得し、
接岸距離ｄが小さくなるのに伴って推進指令制限値Ｕlimが小さくなる所与の関係に基づいて接岸距離ｄと対応する推進指令制限値Ｕlimを求め、推進指令制限値Ｕlim以下に制限された推進指令Ｕcを求め、
制限された推進指令Ｕcに対応する推力を複数の推進デバイス９に配分し、
複数の推進デバイス９の各々から配分された推力が出力されるように複数の推進デバイス９を制御することを特徴としている。

上記操船方法では、最初に取得した推進指令Ｕcの値に関わらず、推進指令Ｕcの値は推進指令制限値Ｕlim以下に制限される。推進指令制限値Ｕlimは船体５が岸壁３０へ近づくほど小さな値となるので、船体５が岸壁３０に近接した状態では操縦機器８０の誤操作が生じても推進指令Ｕcが十分に小さな値に制限されることから、船体５の岸壁３０への衝突が阻止される。

本明細書で開示する操船コントローラ６の機能は、開示された機能を実行するように構成又はプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、及び／又は、それらの組み合わせを含む回路、又は、処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路又は回路と見做される。本開示において、回路、ユニット、又は手段は、列挙された機能を実行するハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、或いは、列挙された機能を実行するようにプログラム又は構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、又はユニットは、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェア及び／又はプロセッサの構成に使用される。

以上の本開示の議論は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で１つの実施形態に纏められているが、複数の特徴のうち幾つかが組み合わされてもよい。また、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わされてもよい。

２ ：推進機
３ ：推進機
５ ：船体
９ ：推進デバイス
１０：係船機
２０：操船システム
２２：速度計
２７：距離計
３０：岸壁
５２：張力計
６９：推進制御部（制御装置）
８０：操縦機器
Ｄ２：接岸方向

Claims (5)

1. 船体を接岸方向へ推し進める推力を出力する推進機と、係船索の巻取りによって前記船体を前記接岸方向へ推し進める推力を出力する係船機とを含む、前記船体に搭載された複数の推進デバイスと、
   前記船体から着岸しようとする岸壁までの距離である接岸距離を検出する距離計と、
   推進指令を出力する操縦機器と、
   前記接岸距離及び前記推進指令を取得し、前記接岸距離が小さくなるのに伴って推進指令制限値が小さくなる所与の関係に基づいて前記接岸距離と対応する前記推進指令制限値を求め、前記操縦機器から出力される前記推進指令が前記推進指令制限値以上である場合は、前記推進指令を前記推進指令制限値とし、制限された前記推進指令に対応する推力を前記複数の推進デバイスに配分し、前記複数の推進デバイスの各々から配分された推力が出力されるように前記複数の推進デバイスを制御する制御装置と、を備える、
   操船システム。
2. 前記船体の速度を検出する速度計を、更に備え、
   前記制御装置は、前記推進指令制限値を前記船体の前記接岸方向の速度が大きくなるのに伴って小さくなるように補正する、
   請求項１に記載の操船システム。
3. 前記制御装置は、前記船体のおかれた環境の外乱情報を取得し、前記外乱情報に基づいて前記船体に作用する前記接岸方向の外乱力を推定し、前記推進指令制限値を前記外乱力に応じて補正する、
   請求項１又は２に記載の操船システム。
4. 前記係船索の張力を測定する張力計を更に備え、
   前記制御装置は、前記張力計で測定される前記係船索の張力が０より大きく且つ前記係船機の最大巻込力より小さい所定の閾値以下の範囲に維持されるように、前記推進指令に対応する推力を前記複数の推進デバイスに配分する、
   請求項１又は２に記載の操船システム。
5. 船体を接岸方向へ推し進める推力を出力する推進機と、係船索の巻取りによって前記船体を前記接岸方向へ推し進める推力を出力する係船機とを含む複数の推進デバイスを前記船体に搭載した船舶の操船方法であって、
   前記船体から着岸しようとする岸壁までの距離である接岸距離を取得し、
   前記船体に対する推進指令を取得し、
   前記接岸距離が小さくなるのに伴って推進指令制限値が小さくなる所与の関係に基づいて前記接岸距離と対応する前記推進指令制限値を求め、前記推進指令制限値以下に制限された前記推進指令を求め、
   制限された前記推進指令に対応する推力を前記複数の推進デバイスに配分し、
   前記複数の推進デバイスの各々から配分された推力が出力されるように前記複数の推進デバイスを制御する、
   操船方法。

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