JP3455167B2 - 大型浮体による波浪情報計測方法と装置 - Google Patents
大型浮体による波浪情報計測方法と装置Info
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- JP3455167B2 JP3455167B2 JP2000195632A JP2000195632A JP3455167B2 JP 3455167 B2 JP3455167 B2 JP 3455167B2 JP 2000195632 A JP2000195632 A JP 2000195632A JP 2000195632 A JP2000195632 A JP 2000195632A JP 3455167 B2 JP3455167 B2 JP 3455167B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願に係る発明は、浮体の上
下動揺特性が波面の上下動と一致しないような大型の浮
体を用いた波浪情報の計測方法および装置に関する。本
件明細書において「波浪情報」とは、波高、波向、波周
期等の情報を指す。
下動揺特性が波面の上下動と一致しないような大型の浮
体を用いた波浪情報の計測方法および装置に関する。本
件明細書において「波浪情報」とは、波高、波向、波周
期等の情報を指す。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来の波
浪情報計測装置としては、海底設置型波高計（例えば特
開昭５２−１１９７３号公報）と波浪観測ブイ（例えば
特開平１０−１８５５６４号公報）が広く知られてい
る。
浪情報計測装置としては、海底設置型波高計（例えば特
開昭５２−１１９７３号公報）と波浪観測ブイ（例えば
特開平１０−１８５５６４号公報）が広く知られてい
る。
【０００３】ａ）海底設置型波高計では、海底に固定さ
れた装置から上向きに超音波を発信し海表面からの反射
を受信して波高計測するもの、もしくは、水圧計を海底
に固定し圧力変動から波高を計測するものがあるが、水
深の浅い沿海域に限定され、大水深海域や外洋には向か
ない。
れた装置から上向きに超音波を発信し海表面からの反射
を受信して波高計測するもの、もしくは、水圧計を海底
に固定し圧力変動から波高を計測するものがあるが、水
深の浅い沿海域に限定され、大水深海域や外洋には向か
ない。
【０００４】ｂ）波浪観測ブイでは、海表面に浮かべた
小型ブイを係留し、その上下動の加速度を計測し、これ
を積分して波高を求める。
小型ブイを係留し、その上下動の加速度を計測し、これ
を積分して波高を求める。
【０００５】この方式では、表面ブイは波（海表面）の
上下動に追従していることが必須である。ブイが海表面
と同一の動きをするためには浮体は自ずと小型でなけれ
ばならず、係留ラインも軽くして上下動を拘束しないよ
うにする必要がある。 しかし、大水深海域での計測と
なれば、浮体を定置させるための係留ラインの重量や潮
流力が大きくなり、風力や潮流力等の外力が大きくな
る。これに対処するため表層浮体の排水量が大きくなる
と、係留ラインの影響も大きく現れ、浮体と海面の動き
に振幅や位相にずれが生じ、浮体の上下動が波高と一致
しなくなる。
上下動に追従していることが必須である。ブイが海表面
と同一の動きをするためには浮体は自ずと小型でなけれ
ばならず、係留ラインも軽くして上下動を拘束しないよ
うにする必要がある。 しかし、大水深海域での計測と
なれば、浮体を定置させるための係留ラインの重量や潮
流力が大きくなり、風力や潮流力等の外力が大きくな
る。これに対処するため表層浮体の排水量が大きくなる
と、係留ラインの影響も大きく現れ、浮体と海面の動き
に振幅や位相にずれが生じ、浮体の上下動が波高と一致
しなくなる。
【０００６】したがって、水深の浅い沿海域で海面の動
きと同じ動きをする小型の浮体を設置して、海洋波の波
高や波周期等の情報を得る上記方式では、大水深海域や
外洋の波浪情報を精度良く推定することは困難である。
きと同じ動きをする小型の浮体を設置して、海洋波の波
高や波周期等の情報を得る上記方式では、大水深海域や
外洋の波浪情報を精度良く推定することは困難である。
【０００７】本願発明の目的は、波浪を起振力として動
揺が生じることに着目し、上下動揺特性が波面の上下動
と一致しない、大型の浮体を用い、理論計算または実験
的に求めた浮体の動揺特性を用いて、計測した動揺から
逆に大水深海域や外洋における波浪情報を精度良く推定
する波浪情報計測方法とその装置を提供することにあ
る。
揺が生じることに着目し、上下動揺特性が波面の上下動
と一致しない、大型の浮体を用い、理論計算または実験
的に求めた浮体の動揺特性を用いて、計測した動揺から
逆に大水深海域や外洋における波浪情報を精度良く推定
する波浪情報計測方法とその装置を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本願発明の特徴は、浮体の波浪動揺特性（応答振
幅特性および応答位相特性）をシュミュレーションや水
槽実験等で求めて、これから海面上下動に変換する式を
解析し、これを用いて計測された浮体の動揺情報を波浪
情報に変換するところにある。
めに、本願発明の特徴は、浮体の波浪動揺特性（応答振
幅特性および応答位相特性）をシュミュレーションや水
槽実験等で求めて、これから海面上下動に変換する式を
解析し、これを用いて計測された浮体の動揺情報を波浪
情報に変換するところにある。
【０００９】
【００１０】
【００１１】その具体的な大型浮体による波浪情報計測
方法としては、第一に、上下動揺応答特性が波面の上下
動と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法で
あって、シュミレーションや水槽実験等により予め浮体
の上下動の応答特性を推定してその応答振幅特性曲線と
応答位相特性曲線を求めておく一方、実際の浮体の上下
方向加速度を計測し、この加速度データに基づき浮体の
実際の上下運動変位データを積分演算して求め、この変
位データを周波数分析し、この周波数分析の結果に前記
応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情
報を求めるようにしたことを特徴とする。
方法としては、第一に、上下動揺応答特性が波面の上下
動と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法で
あって、シュミレーションや水槽実験等により予め浮体
の上下動の応答特性を推定してその応答振幅特性曲線と
応答位相特性曲線を求めておく一方、実際の浮体の上下
方向加速度を計測し、この加速度データに基づき浮体の
実際の上下運動変位データを積分演算して求め、この変
位データを周波数分析し、この周波数分析の結果に前記
応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情
報を求めるようにしたことを特徴とする。
【００１２】これによれば、予めシュミレーション等に
よって推定した規則波中の浮体の動揺の応答振幅特性曲
線および応答位相特性曲線を利用して不規則波の有義波
高、最大波高、波周期などを精度良く求めることができ
る。
よって推定した規則波中の浮体の動揺の応答振幅特性曲
線および応答位相特性曲線を利用して不規則波の有義波
高、最大波高、波周期などを精度良く求めることができ
る。
【００１３】第二に、上下動揺応答特性が波面の上下動
と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法であ
って、シュミレーションや水槽実験等により予め浮体の
上下動（ヒーブ）、左右揺れ（スエイ）、前後揺れ（サ
ージ）、横揺れ（ロール）、縦揺れ（ピッチ）および船
首揺れ（ヨウ）運動のうち少なくとも３つの動揺の応答
特性を推定してその応答振幅特性曲線と応答位相特性曲
線を求めておく一方、実際の浮体の動揺加速度および動
揺角速度を計測し、これらの加速度データおよび角速度
データに基づき浮体の少なくとも当該３方向の運動変位
データを積分演算して求め、この運動変位データを周波
数分析し、この周波数分析の結果に前記応答振幅特性曲
線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を求めるよう
にしたことを特徴とする。
と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法であ
って、シュミレーションや水槽実験等により予め浮体の
上下動（ヒーブ）、左右揺れ（スエイ）、前後揺れ（サ
ージ）、横揺れ（ロール）、縦揺れ（ピッチ）および船
首揺れ（ヨウ）運動のうち少なくとも３つの動揺の応答
特性を推定してその応答振幅特性曲線と応答位相特性曲
線を求めておく一方、実際の浮体の動揺加速度および動
揺角速度を計測し、これらの加速度データおよび角速度
データに基づき浮体の少なくとも当該３方向の運動変位
データを積分演算して求め、この運動変位データを周波
数分析し、この周波数分析の結果に前記応答振幅特性曲
線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を求めるよう
にしたことを特徴とする。
【００１４】これによれば、二次元波スペクトルを求め
ることも可能となり、波高や波周期の他に波向きなどに
関するより詳細な波浪情報を精度良く求めることができ
る。
ることも可能となり、波高や波周期の他に波向きなどに
関するより詳細な波浪情報を精度良く求めることができ
る。
【００１５】
【００１６】
【００１７】具体的な大型浮体による波浪情報計測装置
としては、第一に、浮体の上下動揺特性が波面の上下動
と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置で
あって、実際の浮体に設けた上下加速度センサと、この
加速度センサより計測した加速度データに基づき実際の
浮体の上下運動変位データを演算・解析する演算解析手
段と、この演算解析手段により得られた上下運動変位デ
ータに基づき周波数分析を行う周波数分析手段と、前記
シュミレーションや水槽実験等により予め求めておいた
浮体の上下動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線
を用いて、前記周波数分析手段の結果に前記応答振幅特
性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推定す
る波浪情報推定手段とを備えてなるものである。
としては、第一に、浮体の上下動揺特性が波面の上下動
と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置で
あって、実際の浮体に設けた上下加速度センサと、この
加速度センサより計測した加速度データに基づき実際の
浮体の上下運動変位データを演算・解析する演算解析手
段と、この演算解析手段により得られた上下運動変位デ
ータに基づき周波数分析を行う周波数分析手段と、前記
シュミレーションや水槽実験等により予め求めておいた
浮体の上下動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線
を用いて、前記周波数分析手段の結果に前記応答振幅特
性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推定す
る波浪情報推定手段とを備えてなるものである。
【００１８】これによれば、予めシュミレーション等に
よって推定した規則波中の浮体の動揺の応答振幅特性曲
線および応答位相特性曲線を利用して不規則波の有義波
高、最大波高、波周期などを精度良く求めることができ
る。
よって推定した規則波中の浮体の動揺の応答振幅特性曲
線および応答位相特性曲線を利用して不規則波の有義波
高、最大波高、波周期などを精度良く求めることができ
る。
【００１９】第二に、浮体の上下動揺特性が波面の上下
動と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置
であって、上下動、左右揺れ、前後揺れ、横揺れ、縦揺
れおよび船首揺れ運動のうち少なくとも３つの実際の浮
体の動揺を測るべく該浮体に設けた上下加速度センサや
角速度センサ等の動揺センサと、この動揺センサより計
測した加速度データや角速度データに基づき実際の浮体
の少なくとも３つの当該運動変位データを演算・解析す
る演算解析手段と、この演算解析手段により得られた運
動変位データに基づき周波数分析を行う周波数分析手段
と、前記シュミレーションや水槽実験等により予め求め
ておいた浮体の動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性
曲線を用いて、前記周波数分析手段の結果に前記応答振
幅特性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推
定する波浪情報推定手段とを備えてなるものである。
動と一致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置
であって、上下動、左右揺れ、前後揺れ、横揺れ、縦揺
れおよび船首揺れ運動のうち少なくとも３つの実際の浮
体の動揺を測るべく該浮体に設けた上下加速度センサや
角速度センサ等の動揺センサと、この動揺センサより計
測した加速度データや角速度データに基づき実際の浮体
の少なくとも３つの当該運動変位データを演算・解析す
る演算解析手段と、この演算解析手段により得られた運
動変位データに基づき周波数分析を行う周波数分析手段
と、前記シュミレーションや水槽実験等により予め求め
ておいた浮体の動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性
曲線を用いて、前記周波数分析手段の結果に前記応答振
幅特性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推
定する波浪情報推定手段とを備えてなるものである。
【００２０】浮体の６つの運動変位のうち少なくとも３
つの運動変位を求めることにより、二次元波スペクトル
を求めことが可能となり、波高や波周期などに加えて波
向（波向分布）などの波浪情報をも精度良く得ることが
できる。
つの運動変位を求めることにより、二次元波スペクトル
を求めことが可能となり、波高や波周期などに加えて波
向（波向分布）などの波浪情報をも精度良く得ることが
できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。
て図面を参照しながら説明する。
【００２２】図１は、本願が用いる浮遊型海洋構造物
（以下「浮体」という）１の正面図である。浮体１は大
型、すなわち、その上下動揺特性が波面（海面）ＷＬの
上下動と一致しない、大型の浮体である。浮体１は平面
的には円形で、断面的にみれば台形状をなしている。浮
体１の底面には係留ライン２が接続されていて浮体はあ
る喫水をもって海面ＷＬ上に浮遊している。浮体１には
櫓状の構造物３が立設されており、上部には風速・風向
センサ４、ＧＰＳアンテナ５等が設置されている。また
浮体１内にはデータ保存、処理、通信用ユニット（コン
ピュータ等）６が搭載されると共に、波浪情報計測のた
めの加速度センサ、角速度センサ７等が設置されてい
る。
（以下「浮体」という）１の正面図である。浮体１は大
型、すなわち、その上下動揺特性が波面（海面）ＷＬの
上下動と一致しない、大型の浮体である。浮体１は平面
的には円形で、断面的にみれば台形状をなしている。浮
体１の底面には係留ライン２が接続されていて浮体はあ
る喫水をもって海面ＷＬ上に浮遊している。浮体１には
櫓状の構造物３が立設されており、上部には風速・風向
センサ４、ＧＰＳアンテナ５等が設置されている。また
浮体１内にはデータ保存、処理、通信用ユニット（コン
ピュータ等）６が搭載されると共に、波浪情報計測のた
めの加速度センサ、角速度センサ７等が設置されてい
る。
【００２３】大型浮体を用いるメリットは、浅い海域か
ら大水深海域まで水深の制約を受けないで、また、暴風
時の波浪情報を全周波数帯域かつ高精度で計測できるこ
と、更には、浮体上に加速度計や風速、風向計などの各
種のセンサを搭載し、計算、記録用のコンピュータを搭
載することを可能とする点などにある。
ら大水深海域まで水深の制約を受けないで、また、暴風
時の波浪情報を全周波数帯域かつ高精度で計測できるこ
と、更には、浮体上に加速度計や風速、風向計などの各
種のセンサを搭載し、計算、記録用のコンピュータを搭
載することを可能とする点などにある。
【００２４】かかる浮体の運動には、図２に示すように
ヒーブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺れ）、サージ
（前後揺れ）の３軸、に加え、この各軸回りのピッチ
（縦揺れ）、ヨウ（船首揺れ）およびロール（横揺れ）
の６つがある。 Ａ． 規則波中の波浪情報の推定 まず、本願の基本的な思想を説明するため、規則波中に
おける波浪情報計測を例にとって説明する。図３は、こ
のような本願発明に係る波浪情報計測装置の機能ブロッ
ク図、図４は、この装置を用いた波浪情報計測方法のフ
ローチャート、そして図５〜９はその説明図である。 （１） 浮体の上下動（ヒーブ）の動揺応答特性曲線の
推定（ステップ１，２）まず、予めシュミレーションや
水槽実験で浮体の動揺応答特性を推定する。シュミュレ
ーションや水槽実験等によって浮体の波浪動揺特性を求
める手法は、海洋構造物の設計において確立された手法
であるので、ここでは簡単に述べる。
ヒーブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺れ）、サージ
（前後揺れ）の３軸、に加え、この各軸回りのピッチ
（縦揺れ）、ヨウ（船首揺れ）およびロール（横揺れ）
の６つがある。 Ａ． 規則波中の波浪情報の推定 まず、本願の基本的な思想を説明するため、規則波中に
おける波浪情報計測を例にとって説明する。図３は、こ
のような本願発明に係る波浪情報計測装置の機能ブロッ
ク図、図４は、この装置を用いた波浪情報計測方法のフ
ローチャート、そして図５〜９はその説明図である。 （１） 浮体の上下動（ヒーブ）の動揺応答特性曲線の
推定（ステップ１，２）まず、予めシュミレーションや
水槽実験で浮体の動揺応答特性を推定する。シュミュレ
ーションや水槽実験等によって浮体の波浪動揺特性を求
める手法は、海洋構造物の設計において確立された手法
であるので、ここでは簡単に述べる。
【００２５】図５の正弦規則波９中に浮体１を浮かべ、
このときの浮体１の上下動の変位（上下揺れ振幅）Ｚａ
を下記運動方程式により求める。
このときの浮体１の上下動の変位（上下揺れ振幅）Ｚａ
を下記運動方程式により求める。
【００２６】
【数１】
【００２７】ここに、ａ，ｂ、ｃは係数であり、浮体の
形状等に依存し、ｂの減衰係数は粘性力の影響を含んで
いる。これらの係数はシュミレーションで求めるが、水
槽での模型実験によりチューニングする。右辺のＦｗ
（ｔ）は波強制力である。この運動方程式を解くと浮体
の上下動変位Ｚａが求まる。そして様々な規則波につい
て波周期ＴｗとＺａとの関係を求めれば、図６のような
規則波に対応した浮体の上下動に関する動揺応答（振
幅）特性曲線１０を求めることができる。この動揺応答
（振幅）特性曲線は後述する計測装置の解析装置８に入
力される。
形状等に依存し、ｂの減衰係数は粘性力の影響を含んで
いる。これらの係数はシュミレーションで求めるが、水
槽での模型実験によりチューニングする。右辺のＦｗ
（ｔ）は波強制力である。この運動方程式を解くと浮体
の上下動変位Ｚａが求まる。そして様々な規則波につい
て波周期ＴｗとＺａとの関係を求めれば、図６のような
規則波に対応した浮体の上下動に関する動揺応答（振
幅）特性曲線１０を求めることができる。この動揺応答
（振幅）特性曲線は後述する計測装置の解析装置８に入
力される。
【００２８】図６(a)は、動揺応答（振幅）特性曲線１
０を示す。縦軸には無次元振幅Ｚａ／ｈａ、横軸には波
周期Ｔｗをとって示す。ｈａは波振幅であり、波高Ｈｗ
との関係はＨｗ＝２ｈａである。なお、本明細書でいう
動揺応答特性曲線とは特にことわりのない限り応答振幅
特性曲線を意味する。
０を示す。縦軸には無次元振幅Ｚａ／ｈａ、横軸には波
周期Ｔｗをとって示す。ｈａは波振幅であり、波高Ｈｗ
との関係はＨｗ＝２ｈａである。なお、本明細書でいう
動揺応答特性曲線とは特にことわりのない限り応答振幅
特性曲線を意味する。
【００２９】このような動揺応答（振幅）特性曲線１０
を求めることにより、全波周期域にわたって補間手法は
不要となり、精度が高められる。
を求めることにより、全波周期域にわたって補間手法は
不要となり、精度が高められる。
【００３０】図６(b)は、動揺応答（位相）特性曲線１
０ａを示す。縦軸には位相遅れεZ（＝ｔｌ／Ｔ×２π
、ｔｌは遅れ時間）、横軸には波周期Ｔｗをとって示
す。位相遅れは、波の運動に対して浮体の運動が遅れる
ことにより生じる。例えば、波の山頂部が浮体に当たっ
た後に、ある時間的な遅れをもって最も大きい浮体の動
揺が現れるときの位相遅れである。かかる位相遅れεZ
の影響は、後述する数式３に現れている。
０ａを示す。縦軸には位相遅れεZ（＝ｔｌ／Ｔ×２π
、ｔｌは遅れ時間）、横軸には波周期Ｔｗをとって示
す。位相遅れは、波の運動に対して浮体の運動が遅れる
ことにより生じる。例えば、波の山頂部が浮体に当たっ
た後に、ある時間的な遅れをもって最も大きい浮体の動
揺が現れるときの位相遅れである。かかる位相遅れεZ
の影響は、後述する数式３に現れている。
【００３１】なお、ヒーブ以外にピッチ、ロールなどを
求めて、より詳細な波浪情報を求める方法は後述する。
求めて、より詳細な波浪情報を求める方法は後述する。
【００３２】上記動揺応答特性曲線１０から明らかなよ
うに、小さな波周期（さざなみ程度）では大型浮体は波
振幅ｈａに追従せず、大きな波周期（大きなうねりを持
った波）では波振幅ｈａと浮体上下運動は一致するよう
になる、つまり、波に完全に追従して浮体が動揺するよ
うになる。図に示す例で、例えば波周期Ｔｗが２０秒位
ではＺａ／ｈａが１．０となり浮体が波と同じ運動する
ことを示している。 （２）海面に浮遊した実際の浮体の上下加速度等を計測
（ステップ３，４）実際の浮体１において、上下加速度
センサ７ａにより浮体の上下方向の加速度を計測する。
このとき、浮体の傾斜の影響を除去して上下方向の加速
度成分を抽出するするため、角速度センサ７ｂにより浮
体の角速度を計測することが好ましい。
うに、小さな波周期（さざなみ程度）では大型浮体は波
振幅ｈａに追従せず、大きな波周期（大きなうねりを持
った波）では波振幅ｈａと浮体上下運動は一致するよう
になる、つまり、波に完全に追従して浮体が動揺するよ
うになる。図に示す例で、例えば波周期Ｔｗが２０秒位
ではＺａ／ｈａが１．０となり浮体が波と同じ運動する
ことを示している。 （２）海面に浮遊した実際の浮体の上下加速度等を計測
（ステップ３，４）実際の浮体１において、上下加速度
センサ７ａにより浮体の上下方向の加速度を計測する。
このとき、浮体の傾斜の影響を除去して上下方向の加速
度成分を抽出するするため、角速度センサ７ｂにより浮
体の角速度を計測することが好ましい。
【００３３】これらの計測データは記録装置１１に記録
される（ステップ５）。
される（ステップ５）。
【００３４】図７は上下加速度センサ７ａにより計測さ
れた実際の浮体の加速度データの一つを示す。
れた実際の浮体の加速度データの一つを示す。
【００３５】図７は、縦軸に上下加速度、横軸に計測時
間ｔをとって示してある。これより浮体の実際の上下方
向の変位を積分・解析手段１２により２回積分して求め
る（ステップ６）。図８はその結果である。
間ｔをとって示してある。これより浮体の実際の上下方
向の変位を積分・解析手段１２により２回積分して求め
る（ステップ６）。図８はその結果である。
【００３６】浮体の上下方向の加速度が−Ｚａ・ω2ｓ
ｉｎωｔで表されるとき、変位曲線はＺａ・ｓｉｎωｔ
で表される。
ｉｎωｔで表されるとき、変位曲線はＺａ・ｓｉｎωｔ
で表される。
【００３７】図８より、例えば波周期Ｔｗ＝１０秒、運
動振幅Ｚａ＝０．８が求まれば、これから、予めシュミ
ュレーション等により求めて解析装置８に入力しておい
た上記動揺応答特性曲線１０を用いて、図９示すように
Ｔｗ＝１０秒における無次元波振幅Ｚａ／ｈａ＝０．９
が求められる。
動振幅Ｚａ＝０．８が求まれば、これから、予めシュミ
ュレーション等により求めて解析装置８に入力しておい
た上記動揺応答特性曲線１０を用いて、図９示すように
Ｔｗ＝１０秒における無次元波振幅Ｚａ／ｈａ＝０．９
が求められる。
【００３８】そうすると、求めるべき波振幅ｈａ＝０．
９／Ｚａ＝０．９／０．８＝１．１（ｍ）と求められる
（ステップ７）。かかる計算は波高等計算手段１３によ
り行われる。
９／Ｚａ＝０．９／０．８＝１．１（ｍ）と求められる
（ステップ７）。かかる計算は波高等計算手段１３によ
り行われる。
【００３９】このようにして算出された波浪情報である
波高や波周期等の波浪情報は浮体に設置されているメモ
リ・伝送手段１４たるコンピュータに記憶されると同時
に陸上監視装置へ伝送されるようになっている（ステッ
プ８）。Ｂ． 不規則波中の波浪情報の推定図１０は機
能ブロック図、図１１はそのフローチャート、図１２〜
２０はその説明図である。
波高や波周期等の波浪情報は浮体に設置されているメモ
リ・伝送手段１４たるコンピュータに記憶されると同時
に陸上監視装置へ伝送されるようになっている（ステッ
プ８）。Ｂ． 不規則波中の波浪情報の推定図１０は機
能ブロック図、図１１はそのフローチャート、図１２〜
２０はその説明図である。
【００４０】上記波浪情報計測法は、浮体が正弦規則波
中に浮遊している場合のものであるが、実際の海面は、
このような規則波は少なく、殆どが不規則波である。
中に浮遊している場合のものであるが、実際の海面は、
このような規則波は少なく、殆どが不規則波である。
【００４１】そこで、不規則波に対応する波浪情報計測
の一般的手法が重要となるが、それを以下に説明する。
の一般的手法が重要となるが、それを以下に説明する。
【００４２】まず、後述するように波向情報をも得る目
的で、予め浮体の６軸方向の運動のうち少なくとも３つ
の動揺応答特性曲線を上述したと同じ手法（シュミュレ
ーションや水槽実験）で求め（ステップ１，２）、これ
を解析装置１５に入力しておく。
的で、予め浮体の６軸方向の運動のうち少なくとも３つ
の動揺応答特性曲線を上述したと同じ手法（シュミュレ
ーションや水槽実験）で求め（ステップ１，２）、これ
を解析装置１５に入力しておく。
【００４３】他方、後述するように波向情報をも得る目
的で、３軸方向加速度センサ１６ａや角速度センサ１６
ｂなどを実際の浮体に搭載しておき、その浮体を、波浪
情報を得たい海域に図１の如く係留して浮遊させる。そ
して、これらセンサによって実際の浮体の、少なくとも
３つの運動加速度ないし角速度を計測する（ステップ
３）。
的で、３軸方向加速度センサ１６ａや角速度センサ１６
ｂなどを実際の浮体に搭載しておき、その浮体を、波浪
情報を得たい海域に図１の如く係留して浮遊させる。そ
して、これらセンサによって実際の浮体の、少なくとも
３つの運動加速度ないし角速度を計測する（ステップ
３）。
【００４４】つまり、この場合、図２に示すようにヒー
ブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺れ）サージ（前後揺
れ）の３軸方向の運動に加え、この各軸回りの運動であ
るヨウ、ロール（横揺れ）、ピッチ（縦揺れ）の６つ運
動のうち少なくとも３つの加速度又は角速度を計測す
る。この場合、ヒーブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺
れ）およびサージ（前後揺れ）は３軸方向加速度センサ
１７ａにより、また、ヨウ（船首揺れ）、ロール（横揺
れ）およびピッチ（縦揺れ）を計測する場合はいずれも
角速度センサ１７ｂにより計測する（ステップ３）。
ブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺れ）サージ（前後揺
れ）の３軸方向の運動に加え、この各軸回りの運動であ
るヨウ、ロール（横揺れ）、ピッチ（縦揺れ）の６つ運
動のうち少なくとも３つの加速度又は角速度を計測す
る。この場合、ヒーブ（上下揺れ）、スウェイ（左右揺
れ）およびサージ（前後揺れ）は３軸方向加速度センサ
１７ａにより、また、ヨウ（船首揺れ）、ロール（横揺
れ）およびピッチ（縦揺れ）を計測する場合はいずれも
角速度センサ１７ｂにより計測する（ステップ３）。
【００４５】なお、これら加速度データから必要に応じ
角速度データを用いて浮体の傾斜の影響を除去した例え
ば上下方向の加速度成分を抽出したものをデータ記録装
置１７たるコンピュータに記録しておく（ステップ４、
５）。但し、以下の説明は簡単なため上下方向加速度デ
ータについて主に述べるが、同様な操作や情報処理を、
計測した他の加速度や角速度（例えばロールφ、ピッチ
θ）に対しても行う。
角速度データを用いて浮体の傾斜の影響を除去した例え
ば上下方向の加速度成分を抽出したものをデータ記録装
置１７たるコンピュータに記録しておく（ステップ４、
５）。但し、以下の説明は簡単なため上下方向加速度デ
ータについて主に述べるが、同様な操作や情報処理を、
計測した他の加速度や角速度（例えばロールφ、ピッチ
θ）に対しても行う。
【００４６】図１２は実際の浮体の上下方向の加速度を
計測した結果を計測時間ｔとの関係で示したものであ
る。計測した他の運動についての加速度や角速度データ
についても同様な結果を得る。
計測した結果を計測時間ｔとの関係で示したものであ
る。計測した他の運動についての加速度や角速度データ
についても同様な結果を得る。
【００４７】そして、この上下方向加速度等についての
計測データに関して積分・解析手段１８によってこれを
２回積分して上下等の運動変位データ（３つの運動方向
の変位）を求める。図１３は求められた例えば上下方向
の運動変位を横軸に計測時間ｔをもって示した変位の時
系列である。
計測データに関して積分・解析手段１８によってこれを
２回積分して上下等の運動変位データ（３つの運動方向
の変位）を求める。図１３は求められた例えば上下方向
の運動変位を横軸に計測時間ｔをもって示した変位の時
系列である。
【００４８】次に、周波数分析手段１９によってこれを
周波数分析をする（ステップ６）。この分析によって、
図１３の変位の時系列は図１４に示すＺｃ１（ｔ）〜Ｚ
ｃｉ（ｔ）…（無限）の規則波の組み合わされたもので
あることを求める。これをフーリエ級数として表現すれ
ば、下記数式２のように表される。
周波数分析をする（ステップ６）。この分析によって、
図１３の変位の時系列は図１４に示すＺｃ１（ｔ）〜Ｚ
ｃｉ（ｔ）…（無限）の規則波の組み合わされたもので
あることを求める。これをフーリエ級数として表現すれ
ば、下記数式２のように表される。
【００４９】
【数２】
【００５０】今、例えば図１４の変位の時系列(c)につ
いて、上述した手法（図８，９参照）と同様な手法によ
り、予め求められて解析装置１５に入力されている浮体
の動揺応答（振幅）特性曲線１０を用いて、例えば図１
５のように、変位Ｚａｉ、波周期Ｔｗｉのときのγｉを
求める。γｉ＝Ｚａｉ／ｈａ、即ち、ｈａ＝Ｚａｉ／γ
ｉを求める。位相遅れεzi についても同様にして、図
６(b)の応答位相特性曲線１０ａより を求める。
いて、上述した手法（図８，９参照）と同様な手法によ
り、予め求められて解析装置１５に入力されている浮体
の動揺応答（振幅）特性曲線１０を用いて、例えば図１
５のように、変位Ｚａｉ、波周期Ｔｗｉのときのγｉを
求める。γｉ＝Ｚａｉ／ｈａ、即ち、ｈａ＝Ｚａｉ／γ
ｉを求める。位相遅れεzi についても同様にして、図
６(b)の応答位相特性曲線１０ａより を求める。
【００５１】これらを上記数式２に代入すると、下記数
式３のように波振幅ｈｃ（ｔ）がフーリエ級数として表
される。
式３のように波振幅ｈｃ（ｔ）がフーリエ級数として表
される。
【００５２】
【数３】
【００５３】図１６は上記フーリエ級数として表された
波振幅ｈｃ（ｔ）から展開して求めた波高ｈｃ（ｔ）の
時系列である。
波振幅ｈｃ（ｔ）から展開して求めた波高ｈｃ（ｔ）の
時系列である。
【００５４】これを基に、有義波高、最大波高、平均波
周期などの波浪情報が得られる（ステップ７）。以上は
動揺応答特性曲線を利用して波浪情報推定手段２０によ
って実行される。
周期などの波浪情報が得られる（ステップ７）。以上は
動揺応答特性曲線を利用して波浪情報推定手段２０によ
って実行される。
【００５５】そして、これをフーリエ変換することによ
り図１７のような一次元波スペクトルが得られる。ここ
に、ω＝２π／Ｔｗである。
り図１７のような一次元波スペクトルが得られる。ここ
に、ω＝２π／Ｔｗである。
【００５６】ところで、上記の一次元波スペクトルで
は、波の向き（波向分布）の情報は含まれていない。
は、波の向き（波向分布）の情報は含まれていない。
【００５７】そこで、上下方向の運動の場合と同様にし
て、例えば、ロールφ（ｔ）、ピッチθ（ｔ）について
も上記と同じ手法で求めておく。そして、少なくとも３
つの運動を計測することにより、公知の二次元波スペク
トルを求める手段２１によって、図１８のような二次元
波スペクトルを得る（ステップ８）。
て、例えば、ロールφ（ｔ）、ピッチθ（ｔ）について
も上記と同じ手法で求めておく。そして、少なくとも３
つの運動を計測することにより、公知の二次元波スペク
トルを求める手段２１によって、図１８のような二次元
波スペクトルを得る（ステップ８）。
【００５８】この二次元波スペクトルをχ面に積分投影
したものが図１９である。これより波の主方向は、スペ
クトルの高さ、即ち、エネルギ密度が最も高い（ピー
ク）となる位置が９０°であることから、平面的に画い
た図２０に示すように風と同方向に波の向きが約９０度
と推定しうる（ステップ９）。また、二次元波スペクト
ルのエネルギ密度で波の強さも推定できる。
したものが図１９である。これより波の主方向は、スペ
クトルの高さ、即ち、エネルギ密度が最も高い（ピー
ク）となる位置が９０°であることから、平面的に画い
た図２０に示すように風と同方向に波の向きが約９０度
と推定しうる（ステップ９）。また、二次元波スペクト
ルのエネルギ密度で波の強さも推定できる。
【００５９】一般に波向きは海面上の風の向きに一致し
ていることが経験則上知られていることから、実際の浮
体に風速・風向計を備えておけば、波向データないし波
向分布の精度の検証が可能となり、これによって波浪情
報の信頼性を確保できる。
ていることが経験則上知られていることから、実際の浮
体に風速・風向計を備えておけば、波向データないし波
向分布の精度の検証が可能となり、これによって波浪情
報の信頼性を確保できる。
【００６０】以上のようにして求めた波浪情報は、メモ
リ・伝送手段２２にメモリされ、陸上監視設備に伝速さ
れる（ステップ１０）。
リ・伝送手段２２にメモリされ、陸上監視設備に伝速さ
れる（ステップ１０）。
【００６１】
【発明の効果】この出願発明は、以上説明したような形
態で実施され、次のような効果を奏する。 （１） 本願のような上下動揺特性が波面の上下動と一
致しない大型の浮体を使用しての波浪情報計測方法によ
れば、 ａ）浅い海域から大深度海域まで海の深度に全く制約を
受けず、特に従来設置が難しかった大水深海域にも設置
可能であることから、このような海域での波浪情報を精
度良く得ることができる。
態で実施され、次のような効果を奏する。 （１） 本願のような上下動揺特性が波面の上下動と一
致しない大型の浮体を使用しての波浪情報計測方法によ
れば、 ａ）浅い海域から大深度海域まで海の深度に全く制約を
受けず、特に従来設置が難しかった大水深海域にも設置
可能であることから、このような海域での波浪情報を精
度良く得ることができる。
【００６２】ｂ）外洋のすべての海象・気象が計測可能
となるから、広域海域における海象計測のための本格的
な海象観測ブイの設置への道を開くものである。
となるから、広域海域における海象計測のための本格的
な海象観測ブイの設置への道を開くものである。
【００６３】ｃ）従来の計測方法では精度が十分でなか
った暴風時の波浪情報を全周波数帯域かつ高精度で計測
できる。 （２） 本願装置によれば、実用上差し支えない精度を
もった（誤差１０％程度）波浪データ（最大波高、有義
波高、波周期）を得ることができる。 （３）本願装置は設置場所に制約がなく、ブイを新設し
なくても、既存の係留浮体（航路標識ブイ、浮き魚礁
等）にも搭載可能である。
った暴風時の波浪情報を全周波数帯域かつ高精度で計測
できる。 （２） 本願装置によれば、実用上差し支えない精度を
もった（誤差１０％程度）波浪データ（最大波高、有義
波高、波周期）を得ることができる。 （３）本願装置は設置場所に制約がなく、ブイを新設し
なくても、既存の係留浮体（航路標識ブイ、浮き魚礁
等）にも搭載可能である。
【００６４】既存の海洋構造物を利用した波浪観測や、
市販の波浪観測ブイでは設置困難な深海域においても波
浪観測ができる汎用型波浪情報計測装置を提供できる。
市販の波浪観測ブイでは設置困難な深海域においても波
浪観測ができる汎用型波浪情報計測装置を提供できる。
【図１】本願発明が適用される大型浮体の概略正面図で
ある。
ある。
【図２】浮体の６つの運動を示す図である。
【図３】規則波に対する波浪情報計測装置の機能ブロッ
ク図である。
ク図である。
【図４】同フローチャートである。
【図５】規則波中の浮体の動揺応答特性を求めるための
シュミュレーション図である。
シュミュレーション図である。
【図６】(a)は同シュミュレーションにより求められた
動揺応答（振幅）特性曲線図である。(b)は動揺応答
（位相遅れ）特性曲線図である。
動揺応答（振幅）特性曲線図である。(b)は動揺応答
（位相遅れ）特性曲線図である。
【図７】実際の大型浮体において計測された上下加速度
（縦軸）を、横軸に計測時間をとって表した図である。
（縦軸）を、横軸に計測時間をとって表した図である。
【図８】２回積分で求められた上下変位（縦軸）を、横
軸に計測時間をとって表した図である。
軸に計測時間をとって表した図である。
【図９】シュミュレーションにより求めた動揺応答特性
曲線を利用して上下変位と波高の比を求める要領図であ
る。
曲線を利用して上下変位と波高の比を求める要領図であ
る。
【図１０】不規則波に対する波浪情報計測装置の機能ブ
ロック図である。
ロック図である。
【図１１】同フローチャートである。
【図１２】実際の大型浮体において計測された加速度の
時系列である。
時系列である。
【図１３】２回積分により求められた変位の時系列であ
る。
る。
【図１４】(a)(b)(c)は図１３の時系列を周波数分析し
たときの各時系列である。
たときの各時系列である。
【図１５】各時系列に基づき波高に対する変位の比を、
動揺応答特性曲線から求める要領図である。
動揺応答特性曲線から求める要領図である。
【図１６】上記で求めた波高の時系列である。
【図１７】フーリエ変換により求められた一次元波スペ
クトルの図である。
クトルの図である。
【図１８】二次元波スペクトルの図である。
【図１９】波向を求めるための波向分布である。
【図２０】波浪の主方向と風向との関係図である。
１…大型浮体
２…係留ライン
３…櫓状構造物
４…風速・風向センサ
５…ＧＰＳアンテナ
６…データ保存・処理・通信用ユニット
７…動揺センサユニット（７ａ…加速度センサ、７ｂ…
角速度センサ） ８…解析装置 ９…積分・解析手段 １０…動揺応答（振幅）特性曲線 １０ａ…応答位相特性曲線 １１…データ記録装置 １２…積分・解析手段 １３…波高等計算手段 １４…メモリ・伝送手段 １５…解析装置 １６…３軸方向センサ・角速度センサ １８…積分・解析手段 １９…周波数分析手段 ２０…波浪情報推定手段 ２１…二次元スペクトルを求める手段 ２２…メモリ・伝送手段
角速度センサ） ８…解析装置 ９…積分・解析手段 １０…動揺応答（振幅）特性曲線 １０ａ…応答位相特性曲線 １１…データ記録装置 １２…積分・解析手段 １３…波高等計算手段 １４…メモリ・伝送手段 １５…解析装置 １６…３軸方向センサ・角速度センサ １８…積分・解析手段 １９…周波数分析手段 ２０…波浪情報推定手段 ２１…二次元スペクトルを求める手段 ２２…メモリ・伝送手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平10−148524（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−161413（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−217113（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−272977（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−2169（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 21/00
G01C 13/00
B63B 35/00
Claims (4)
- 【請求項１】 上下動揺応答特性が波面の上下動と一致
しない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法であって、 シュミレーションや水槽実験等により予め浮体の上下動
の応答特性を推定してその応答振幅特性曲線と応答位相
特性曲線を求めておく一方、実際の浮体の上下方向加速
度を計測し、この加速度データに基づき浮体の実際の上
下運動変位データを積分演算して求め、この変位データ
を周波数分析し、この周波数分析の結果に前記応答振幅
特性曲線と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を求め
るようにしたことを特徴とする大型浮体による波浪情報
計測方法。 - 【請求項２】上下動揺応答特性が波面の上下動と一致し
ない大型の浮体を用いた波浪情報計測方法であって、 シュミレーションや水槽実験等により予め浮体の上下動
（ヒーブ）、左右揺れ（スエイ）、前後揺れ（サー
ジ）、横揺れ（ロール）、縦揺れ（ピッチ）および船首
揺れ（ヨウ）運動のうち少なくとも３つの動揺の応答特
性を推定してその応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線
を求めておく一方、実際の浮体の動揺加速度および動揺
角速度を計測し、これらの加速度データおよび角速度デ
ータに基づき浮体の少なくとも当該３方向の運動変位デ
ータを積分演算して求め、この運動変位データを周波数
分析し、この周波数分析の結果に前記応答振幅特性曲線
と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を求めるように
したことを特徴とする大型浮体による波浪情報計測方
法。 - 【請求項３】 浮体の上下動揺特性が波面の上下動と一
致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置であっ
て、 実際の浮体に設けた上下加速度センサと、この加速度セ
ンサより計測した加速度データに基づき実際の浮体の上
下運動変位データを演算・解析する演算解析手段と、こ
の演算解析手段により得られた上下運動変位データに基
づき周波数分析を行う周波数分析手段と、前記シュミレ
ーションや水槽実験等により予め求めておいた浮体の上
下動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線を用い
て、前記周波数分析手段の結果に前記応答振幅特性曲線
と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推定する波浪
情報推定手段とを備えてなる大型浮体による波浪情報計
測装置。 - 【請求項４】 浮体の上下動揺特性が波面の上下動と一
致しない大型の浮体を用いた波浪情報の計測装置であっ
て、 上下動、左右揺れ、前後揺れ、横揺れ、縦揺れおよび船
首揺れ運動のうち少なくとも３つの実際の浮体の動揺を
測るべく該浮体に設けた上下加速度センサや角速度セン
サ等の動揺センサと、この動揺センサより計測した加速
度データや角速度データに基づき実際の浮体の少なくと
も３つの当該運動変位データを演算・解析する演算解析
手段と、この演算解析手段により得られた運動変位デー
タに基づき周波数分析を行う周波数分析手段と、前記シ
ュミレーションや水槽実験等により予め求めておいた浮
体の動揺の応答振幅特性曲線と応答位相特性曲線を用い
て、前記周波数分析手段の結果に前記応答振幅特性曲線
と応答位相特性曲線を適用して波浪情報を推定する波浪
情報推定手段とを備えてなる大型浮体による波浪情報計
測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000195632A JP3455167B2 (ja) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | 大型浮体による波浪情報計測方法と装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000195632A JP3455167B2 (ja) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | 大型浮体による波浪情報計測方法と装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002013923A JP2002013923A (ja) | 2002-01-18 |
| JP3455167B2 true JP3455167B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=18694269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000195632A Expired - Fee Related JP3455167B2 (ja) | 2000-06-29 | 2000-06-29 | 大型浮体による波浪情報計測方法と装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3455167B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| CN110954072A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-03 | 深圳大学 | 一种水深探测方法、装置及存储介质 |
| KR20220052105A (ko) * | 2020-10-20 | 2022-04-27 | 화진기업(주) | 파고계 |
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| JP4899176B2 (ja) * | 2005-09-20 | 2012-03-21 | ユニバーサル造船株式会社 | 波浪特性測定方法及びその装置 |
| JP4892972B2 (ja) * | 2005-11-24 | 2012-03-07 | 株式会社Ｊｖｃケンウッド | 波高測定装置 |
| JP4672605B2 (ja) * | 2006-06-08 | 2011-04-20 | 株式会社ゼニライトブイ | スパーブイによる海象計測方法 |
| JP4974666B2 (ja) * | 2006-12-21 | 2012-07-11 | 日立造船株式会社 | 津波・波浪観測用ブイ |
| JP2009014697A (ja) * | 2007-07-06 | 2009-01-22 | Port & Airport Research Institute | ブイ式波高計の波向き計算手法 |
| JP5072566B2 (ja) * | 2007-12-13 | 2012-11-14 | 日立造船株式会社 | 津波・波浪観測用ブイ |
| JP5296736B2 (ja) * | 2010-03-31 | 2013-09-25 | 三井造船株式会社 | 入射波の波高及び波向き推定方法、自動航路又は／及び船位維持制御方法、自動航路又は／及び船位維持制御システム及び船舶と洋上構造物 |
| JP5777049B2 (ja) * | 2011-03-02 | 2015-09-09 | 国立大学法人 東京大学 | 超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システム |
| KR101969717B1 (ko) * | 2012-09-28 | 2019-04-18 | 한국전력공사 | 동체 탑재형 파랑 측정장치 |
| CN106052795B (zh) * | 2016-07-28 | 2019-06-11 | 中国石油天然气集团公司 | 一种获取潮位的方法及装置 |
| KR102239830B1 (ko) * | 2017-12-28 | 2021-04-13 | 대우조선해양 주식회사 | 해양 환경 데이터 업데이트 장치 및 방법 |
| JP6551718B1 (ja) * | 2019-02-15 | 2019-07-31 | 株式会社救命 | 横波周期予測システム、方法及びプログラム |
| JP7128724B2 (ja) * | 2018-11-14 | 2022-08-31 | 五洋建設株式会社 | 波高算出方法 |
| CN110532685B (zh) * | 2019-08-29 | 2023-02-07 | 山东交通学院 | 浮式结构物摇荡运动响应预报方法 |
| JP6951615B2 (ja) * | 2019-10-31 | 2021-10-20 | 株式会社ブルーオーシャン研究所 | 海況情報測定ブイ及び海況情報測定装置 |
| CN112082887B (zh) * | 2020-08-04 | 2022-07-26 | 浙江工业大学 | 基于浮式结构波频和慢漂组合的立管运动响应模拟装置 |
| CN114152319B (zh) * | 2022-02-08 | 2022-05-10 | 天津市特种设备监督检验技术研究院(天津市特种设备事故应急调查处理中心) | 一种汽车罐车侧装式液位计现场检测方法及检测装置 |
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-
2000
- 2000-06-29 JP JP2000195632A patent/JP3455167B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| CN110954072A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-03 | 深圳大学 | 一种水深探测方法、装置及存储介质 |
| CN110954072B (zh) * | 2019-12-20 | 2021-12-21 | 深圳大学 | 一种水深探测方法、装置及存储介质 |
| KR20220052105A (ko) * | 2020-10-20 | 2022-04-27 | 화진기업(주) | 파고계 |
| KR102458352B1 (ko) * | 2020-10-20 | 2022-10-24 | 화진기업(주) | 파고계 |
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