JP4326663B2 - 船舶の海上位置保持装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶を定点保持する船舶の海上位置保持装置（DPS：Dynamic Positioning System）及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記海上位置保持装置は、例えば水深が比較的深い海洋上における資源探査等において、係留することなく、風や波あるいは潮流の影響を排除して回転式のスラスタ等の推進手段の推力によって船舶を定点保持するためのものである。このような海上位置保持装置を装備した船舶は、通常、大出力のスラスタを多数装備し、各スラスタが発生する推力の総合推力によって船舶を定点保持する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記スラスタは、応答性能を確保するために電動機によって駆動されている。上述した海上位置保持装置を装備した船舶は、このような電動機駆動の大出力のスラスタを多数装備しているので、動力供給源として必然的に大容量の発電機を必要とする。スラスタの起動時には、通常駆動時に比べて大きな電力を消費する。上記発電機は、このスラスタ起動時に十分な電力をスラスタに供給することが求められる。
【０００４】
しかし、このような大容量の発電機を船舶に備えることは、コスト的にも、また設置スペース的にも好ましくない。また、この種の船舶では、発電機の設置に比較的大きなスペースを必要とするために、船舶を小型化できなかったという問題点もある。したがって、この発電機の容量を低減して、海上位置保持装置に必要とされるコストの低減が強く要望されていた。また、発電機の場合、容量の低減は小型化と同義であり、容量を低減することによって船舶内の設置スペースの削減を図ることが可能である。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）海上位置保持装置を装備した船舶の動力削減を図る。
（２）海上位置保持装置を装備した船舶のコスト低減を図る。
（３）海上位置保持装置を装備した船舶における動力源の設置スペースの削減を図る。
（４）海上位置保持装置を装備した船舶の小型化を図る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、船舶の海上位置保持装置に係わる第１の手段として、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する海上位置保持装置において、風検出部と、船体から水中に突出して設けられる抵抗板と、該抵抗板の向きを設定する角度設定部と、風検出部の風検出信号に基づいて、風向に対して抵抗板を直交させる直交指示信号を角度調節部に出力する補助動力制御部とを具備する手段を採用する。
【０００７】
また、船舶の海上位置保持装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、補助動力制御部は、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ直交指示信号を角度調節部に出力するという手段を採用する。
【０００８】
船舶の海上位置保持装置に係わる第３の手段として、上記第２の手段において、補助動力制御部は、推進手段が作動すると、抵抗板が推進手段の負荷とならない向きとさせる解除指示信号を角度調節部に出力するという手段を採用する。
【０００９】
一方、本発明では、船舶の海上位置保持方法に係わる第１の手段として、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する方法において、船体から水中に突出する抵抗板を設け、該抵抗板の向きを洋上の風向きと直交するように設定するという手段を採用する。
【００１０】
船舶の海上位置保持方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ抵抗板の向きを洋上の風向と直交する向きとするという手段を採用する。
【００１１】
船舶の海上位置保持方法に係わる第３の手段として、上記第２の手段において、推進手段が作動すると、抵抗板の向きを推進手段の負荷とならない向きとするという手段を採用する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる船舶の海上位置保持装置及び方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係わる海上位置保持装置のシステム構成図である。この図において、符号１は船体、２は風向計（風検出部）、３は補助動力制御部、４は角度設定部、５は抵抗板、６はＧＰＳアンテナ、７は本体制御装置、８Ａ，８Ｂはスラスタである。これら各構成要素のうち、風向計２、補助動力制御部３、角度設定部４、抵抗板５、ＧＰＳアンテナ６、本体制御装置７及びスラスタ８Ａ，８Ｂは、本実施形態の海上位置保持装置を構成するものである。また、風向計２、補助動力制御部３、角度設定部４及び抵抗板５は、本実施形態の特徴部分を構成するものである。
【００１４】
風向計２は、洋上の風の発生とその風向を検出し、風検出信号ａとして補助動力制御部３及び本体制御装置７に出力するものである。補助動力制御部３は、上記風検出信号ａ及び本体制御装置７から入力されるスラスタ作動信号ｂに基づいて直交指示信号ｃ及び解除指示信号ｄを生成し、該直交指示信号ｃあるいは解除指示信号ｄを角度設定部４に出力することにより当該角度設定部４を制御するものである。
【００１５】
角度設定部４は、直交指示信号ｃ及び解除指示信号ｄに基づいて抵抗板５の水平面内における角度（向き）を設定するものである。この角度設定部４は、例えばサーボ機能を備えたモータであり、回転軸の回転によって当該回転軸に取り付けられた抵抗板５の角度を設定するものである。抵抗板５は、船体１の船底部から垂直状態で水中に突出するように設けられた平板であり、上記角度設定部４を介して船体１に支持されている。すなわち、この抵抗板５は、その平面が船底部の船体外板に垂直する状態で船体１に支持されたものであり、当該平面の船体外板に平行な面内における角度は、上記角度設定部４によって設定されるようになっている。
【００１６】
ＧＰＳアンテナ６は、周知のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星が発信する電波を受信するためのものであり、そのＧＰＳ受信信号ｅを本体制御装置７に出力するものである。本体制御装置７は、本海上位置保持装置を統括的に制御すると共に、上記ＧＰＳ受信信号ｅに基づいて所定のタイムインターバルで船体１の洋上位置（緯度及び経度）を算出し、その計算結果に基づいてスラスタ８Ａ，８Ｂを作動させることによって船体１の洋上位置を定点維持させるものである。なお、この本体制御装置７は、スラスタ８Ａ，８Ｂを作動の有無をスラスタ作動信号ｂとして補助動力制御部３に出力するように構成されている。
【００１７】
スラスタ８Ａ，８Ｂは、電動機によって駆動される周知の回転式の推進手段であり、回転によって設定された方向に推力を発生することにより船体１を定点維持させるものである。なお、図１では、船首近傍の船底部及び船尾近傍の船底部にそれぞれスラスタ８Ａとスラスタ８Ｂとを設けた状態を示しているが、推進手段の個数や設置場所は、これに限定されるものではない。
【００１８】
次に、このように構成された本海上位置保持装置の動作について、図２に示すフローチャートに沿って詳説する。なお、このフローチャートは、補助動力制御部３の処理手順を示すものである。
【００１９】
まず、船体１が係留することなく所望位置Ａに停止している状態では、風や潮流あるいは波浪等の影響によって、船体１の位置は所望位置Ａから徐々に移動する。本体制御装置７は、この移動をＧＰＳアンテナ６のＧＰＳ受信信号ｅから算出した洋上位置Ｂに基づいて検知し、スラスタ８Ａ，８Ｂを作動させることにより船体１を上記所望位置Ａに復帰させて定点保持させる。このような動作は、従来の海上位置保持装置においても同様であるが、本実施形態の海上位置保持装置では、上記特徴部分の以下のような動作によって、スラスタ８Ａ，８Ｂの作動タイミングを従来よりも遅らせることが可能であり、またスラスタ８Ａ，８Ｂの起動時における出力を従来よりも抑えることができる。
【００２０】
すなわち、補助動力制御部３は、所定のタイムインターバルで風検出信号ａを取り込み、該風検出信号ａに基づいて洋上に風が吹き始めたことを検知すると（ステップＳ1）、風検出信号ａに基づいて風向きさらに検知し、直交指示信号ｃを角度設定部４に出力する（ステップＳ2）。この直交指示信号ｃは、抵抗板５を風向きに対して直交させることを角度設定部４に指示するものである。このような直交指示信号ｃが入力されると、角度設定部４は、抵抗板５を風向きに対して直交させるべく、抵抗板５を所定角度だけ回転させる。
【００２１】
ここで、補助動力制御部３は、風検出信号ａに基づいて風の吹き始めを検知して直交指示信号ｃを角度設定部４に出力するので、抵抗板５は、風の影響によって船体１が所望位置Ａから移動する前段階で風向きに対して直交する状態に角度設定されることになる。これに対して、本体制御装置７によってスラスタ８Ａ，８Ｂが作動されるタイミングは、所望位置Ａと洋上位置Ｂとの間に予め決められた一定の差異が生じた時点であり、すなわち風の影響によって当該差異だけ船体１が所望位置Ａから移動した時点である。したがって、抵抗板５は、風の影響によって船体１が所望位置Ａから移動する前段階、つまりスラスタ８Ａ，８Ｂが作動する前に風向きに対して直交する状態に角度設定される。
【００２２】
例えば、図３に示すように船体１に風による外力Ｆ1が作用する。これに対して、抵抗板５は、この風の向きつまり外力Ｆ1の向きに対して直交するように角度設定されるので、抵抗板５の形状に応じた水（例えば海水）の抗力Ｆ2が外力Ｆ1とは逆向きに発生する。すなわち、この抗力Ｆ2は外力Ｆ1に対向する力であり、当該抗力Ｆ2によって外力Ｆ1が減じられるため、船体１は、当該抗力Ｆ2が生じない場合に比較して所定の単位時間に移動する量が小さくなり、容易に移動し難くなる。
【００２３】
したがって、本実施形態では、このような抵抗板５の作用によって、従来に比較してスラスタ８Ａ，８Ｂの作動タイミングを送らせる、あるいはスラスタ８Ａ，８Ｂの起動時における出力を抑えることが可能であり、これによってスラスタ８Ａ，８Ｂの作動に必要な動力（すなわち電力）を削減することが可能である。また、このようにして動力を削減することによりスラスタ８Ａ，８Ｂの動力源である発電機の容量を小さくすることが可能であり、よって船舶のコスト低減、発電機の設置スペースの削減、また船舶の小型化を図ることが可能となる。
【００２４】
一方、補助動力制御部３は、直交指示信号ｃを角度設定部４に出力した後、スラスタ８Ａ，８Ｂが作動したことを示すスラスタ作動信号ｂが入力されると（ステップＳ3）、解除指示信号ｄを角度設定部４に出力する（ステップＳ4）。この解除指示信号ｄは、抵抗板５を風向きに対して平行にさせることを角度設定部４に指示するものである。
【００２５】
このような解除指示信号ｄが入力されると、角度設定部４は、抵抗板５を風向きに対して平行にさせるべく、抵抗板５を９０度だけ回転させる。この結果、抵抗板５に作用する水の抗力がスラスタ８Ａ，８Ｂの負荷となることを防止することができる。なお、抵抗板５によってスラスタ８Ａ，８Ｂの負荷が増大すると、その分だけスラスタ８Ａ，８Ｂの消費電力が増大するので、発電機の容量を小さくすることができない。
【００２６】
〔抵抗板の形状の設定方法〕
上記抵抗板５に作用する抗力Ｆ2は、抵抗板５の平面の形状に応じた値となる。以下では、この抵抗板５の形状の設定方法の一例について説明する。
【００２７】
まず、図４に示すように船体１及び抵抗板５の各部寸法を定義する。すなわち、Ｂは船幅、Ｌbpは有効船長、Ｄは船底から甲板までの高さ、ｄは喫水の深さ、ａは抵抗板５の高さ、ｂは抵抗板５の横幅である。周知のように風を受けた船舶に作用する力は様々な形で整理されているが、ここでは、ＯＣＩＭＦ（Oil Companies Marine Forum）によって整理されたものを適用する。
【００２８】
また、このような船体１について、図５に示すｘ-ｙ-ｚ直交座標系を用いるものとする。すなわち、船体１の長手方向がＸ軸方向に該当し、また船幅方向がＹ軸方向に該当し、船体１の高さ方向がＺ軸に該当するように各座標軸を設定する。このようなｘ-ｙ-ｚ直交座標系内に位置する船体１に対して、船首から右舷側に角度θの方向を風の向き（風向）とする。
【００２９】
ＯＣＩＭＦでは、風（Wing）によって船舶に作用するＸ軸方向の力ＦXW及びＹ軸方向の力ＦYWは下式（１），（２）によって表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ここで、ＣXWはＸ軸方向の風圧力抵抗係数、ＣYWはＹ軸方向の風圧力抵抗係数、ρWは空気の密度、ＶWは風速、ＡTはＸ軸方向の投影面積、ＡLはＹ軸方向の投影面積である。ＯＣＩＭＦによれば、各方向の上記風圧力抵抗係数ＣXW，ＣYWは、図６のように与えられる。
【００３２】
また、ＯＣＩＭＦによれば、潮流（Current）によって船舶に作用するＸ軸方向の力ＦXC及びＹ軸方向の力ＦYCは下式（３），（４）によって与えられる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、ＣXCはＸ軸方向の潮流力抵抗係数、ＣYCはＹ軸方向の潮流力抵抗係数、ρCは海水の密度、ＶCは潮流速度、（ｄ・Ｌbp）は投影面積の代表値である。ＯＣＩＭＦによれば、各方向の上記潮流力抵抗係数ＣXC，ＣYCは、図７のように与えられる。この潮流による力ＦXC，ＦYCは、風によって水上を流される船体１が水から受ける抗力（横流れ抵抗力）に該当するものである。
【００３５】
上記風によって船舶に作用する各力ＦXW，ＦYWを風向θの方向に合成した力ＦW1（風外力）は式（５）によって与えられる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
同様にして、風によって水上を流される船舶が水から受ける横流れ抵抗力ＦXC，ＦYCを風向θの方向に合成すると、式（６）となる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
該風外力ＦWと横流れ抵抗力ＦCとは釣り合い、下式（７）が成立する。
【００４０】
【数５】
【００４１】
したがって、上式（５）〜（７）に基づいて船体１の横流れ速度ＶC（上記潮流速度）を求めると、下式（８）のように表される。
【００４２】
【数６】
【００４３】
一方、抵抗板５の抵抗力Ｆは、上記船体１の横流れ速度ＶCを用いて下式（９）のように表される。ここで、ＣDは、抵抗板５の抵抗係数である。
【００４４】
【数７】
【００４５】
このような抵抗板５を備えた船体１では、上記抵抗板５の抵抗力Ｆと横流れ抵抗力ＦCとの和が風外力ＦWとなるので、上述した式（７）は、下式（１０）のように修正される。
【００４６】
【数８】
【００４７】
この結果、当該式（１０）に基づいく横流れ速度ＶC’は、下式（１１）のように表される。
【００４８】
【数９】
【００４９】
したがって、抵抗板５の存在に起因する横流れ速度ＶC’の減速効果（ＶC’/ＶC）は、下式（１２）のように表される。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
以上の理論的考察から、一例として風速５０ｍ／ｓ、Ｌbp＝２００（ｍ）、Ｂ＝２０（ｍ）、Ｄ＝２０（ｍ）、ｄ＝１０（ｍ）、ａ／ｂ＝１０及びＣD＝１．２２の条件の下で、抵抗板５が存在する場合の横流れ速度ＶC’及びその減速効果（ＶC’/ＶC）を風向θをパラメータとして算出すると、図８のようになる。この条件下で、例えば減速効果（ＶC’/ＶC）を３０％程度とすると、抵抗板５の最適寸法は、ａ＝４（ｍ）、ｂ＝４０（ｍ）となる。また、横流れ速度ＶC’は最大で０．１（ｍ／ｓ）、抵抗板５にかかる力は最大で０．１（ｔ）となる。この力は、一般船の舵にかかる力よりもかなり小さい値であり、十分に実現可能な値である。
【００５２】
例えば、抵抗板５がない状態において横流れ速度ＶC＝０．４（ｍ／ｓ）で３分間漂流すると、船体１は７２（ｍ）移動するが、抵抗板５を設けた状態で横流れ速度ＶC’＝０．１（ｍ／ｓ）で３分間漂流すると船体１は１８（ｍ）、つまり抵抗板５がない状態に対して１／４の距離しか移動しないことになる。そして、風がない状態で船体１を１０秒間で元の位置に戻すことを考えると、抵抗板５がない場合は、７２／１０＝７．２（ｍ／ｓ）の移動速度が必要となり、抵抗板５を備える場合には１８／１０＝１．８（ｍ／ｓ）の移動速度でよい。
【００５３】
ここで、船体１はスラスタ８Ａ，８Ｂの作動によって元の位置つまり所望位置Ａに戻され、この際、抵抗板５は、解除指示信号ｄに基づく角度設定部４の作動によって風向に対して平行状態に設定される。したがって、船体１を所望位置Ａに戻す際の水の抗力は、抵抗板５を設けた場合と設けない場合とでほぼ同等である。風がない状態で船体１を所望位置Ａに戻す際に当該船体１に作用する抗力は、周知のように移動速度の２乗に比例するので、抵抗板５がない場合には例えば４４０（ｔ）、これに対して抵抗板５が存在する場合には２７（ｔ）つまり抵抗板５がない場合に対して約１／１６となる。
【００５４】
スラスタ８Ａ，８Ｂの仕事率は、上記抗力に移動速度を乗じて計算されるので、抵抗板５がない場合は例えば３１０００（ｋＷ）（≒４４０×７．２×９．８）、これに対して抵抗板５が存在する場合には４８０（ｋＷ）（≒２７×１．８×９．８）となり、約２桁の差が生じる。スラスタ８Ａ，８Ｂにおける仕事率と消費電力との関係は周知のようにほぼ比例関係にあるので、９８．５（％）＝｛（３１０００−４８０）／３１０００×１００｝、つまり最大で９８．５（％）の電力を節約することができる。
また、上述したように、平均で３０（％）の減速効果（ＶC’/ＶC）を得ようとする場合には、６５．７（％）（＝１／０．７3×１００）の電力を節約することが可能である。
【００５５】
なお、上記実施形態では、スラスタ８Ａ，８Ｂが作動すると、抵抗板５を風向に対して平行な向きとなるように回転させたが、抵抗板５を船体１内に収納する収納装置を別途備え、当該収納装置を上記スラスタ作動信号ｂに基づいて作動させるようにしても良い。このような収納装置を設けることにより、抵抗板５が船体１から全く突出しない状態を実現することができるので、抵抗板５がスラスタ８Ａ，８Ｂに対して全く負荷とならないばかりか、船体１の通常航行時に抵抗板５が航行負荷となることをも防止することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる船舶の海上位置保持装置及び方法によれば、以下のような効果を奏する。
【００５７】
（１）請求項１及び４の発明によれば、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持するにあたり、船体から水中に突出する抵抗板を設け、該抵抗板の向きを洋上の風向きと直交するように設定するので、当該抵抗板に作用する水の抗力によって、船体が風による外力によって容易に流されないようにすることができる。すなわち、船体が一定時間ある強さの風を受けても、抵抗板に作用する水の抗力によって船体の移動量が抑えられる。この種の船舶では、船体が所定距離移動すると、推進手段を作動させて船体を所望位置に復帰させるが、抵抗板に作用によって船体が移動し難くなるので、推進手段を作動させるタイミングを従来よりも遅らせるあるいは推進手段の推力を低めに設定することが可能であり、よって推進手段の動力を削減することが可能である。さらに、この動力の削減の実現によって、動力源の容量を小さくすることが可能であり、よってこの種の船舶のコスト低減、動力源の設置スペースの削減、また船舶の小型化を実現することが可能である。
【００５８】
（２）請求項２及び５の発明によれば、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ抵抗板の向きを洋上の風向と直交する向きとするので、当該抵抗板に作用する水の抗力によって、風が吹き始めてから推進手段が作動するまでの間だけ船体が風による外力によって容易に流されないようにすることができる。したがって、推進手段を作動させるタイミングを従来よりも遅らせるあるいは推進手段の推力を低めに設定することが可能であり、よって推進手段の作動時における推進手段の動力を低減させることが可能である。
【００５９】
（３）請求項３及び６の発明によれば、推進手段が作動すると、抵抗板の向きを推進手段の負荷とならない向きとするので、推進手段の定常作動に必要とされる動力が抵抗板の存在によって上昇することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係わる海上位置保持装置のシステム構成図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係わる海上位置保持装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】 本発明の一実施形態における抵抗板の作用を説明するための説明図である。
【図４】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための船体形状図である。
【図５】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための座標系である。
【図６】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−風圧力抵抗係数のグラフである。
【図７】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−横流れ抵抗係数のグラフである。
【図８】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−減速効果のグラフである。
【符号の説明】
１……船体
２……風向計
３……補助動力制御部
４……角度設定部
５……抵抗板
６……ＧＰＳアンテナ
７……本体制御装置
８Ａ，８Ｂ……スラスタ
ａ……風検出信号
ｂ……スラスタ作動信号
ｃ……直交指示信号
ｄ……解除指示信号
ｅ……ＧＰＳ受信信号
Ｆ1……外力
Ｆ2……抗力
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶を定点保持する船舶の海上位置保持装置（DPS：Dynamic Positioning System）及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記海上位置保持装置は、例えば水深が比較的深い海洋上における資源探査等において、係留することなく、風や波あるいは潮流の影響を排除して回転式のスラスタ等の推進手段の推力によって船舶を定点保持するためのものである。このような海上位置保持装置を装備した船舶は、通常、大出力のスラスタを多数装備し、各スラスタが発生する推力の総合推力によって船舶を定点保持する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記スラスタは、応答性能を確保するために電動機によって駆動されている。上述した海上位置保持装置を装備した船舶は、このような電動機駆動の大出力のスラスタを多数装備しているので、動力供給源として必然的に大容量の発電機を必要とする。スラスタの起動時には、通常駆動時に比べて大きな電力を消費する。上記発電機は、このスラスタ起動時に十分な電力をスラスタに供給することが求められる。
【０００４】
しかし、このような大容量の発電機を船舶に備えることは、コスト的にも、また設置スペース的にも好ましくない。また、この種の船舶では、発電機の設置に比較的大きなスペースを必要とするために、船舶を小型化できなかったという問題点もある。したがって、この発電機の容量を低減して、海上位置保持装置に必要とされるコストの低減が強く要望されていた。また、発電機の場合、容量の低減は小型化と同義であり、容量を低減することによって船舶内の設置スペースの削減を図ることが可能である。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）海上位置保持装置を装備した船舶の動力削減を図る。
（２）海上位置保持装置を装備した船舶のコスト低減を図る。
（３）海上位置保持装置を装備した船舶における動力源の設置スペースの削減を図る。
（４）海上位置保持装置を装備した船舶の小型化を図る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、船舶の海上位置保持装置に係わる第１の手段として、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する海上位置保持装置において、風検出部と、船体から水中に突出して設けられる抵抗板と、該抵抗板の向きを設定する角度設定部と、風検出部の風検出信号に基づいて、風向に対して抵抗板を直交させる直交指示信号を角度調節部に出力する補助動力制御部とを具備する手段を採用する。
【０００７】
また、船舶の海上位置保持装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、補助動力制御部は、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ直交指示信号を角度調節部に出力するという手段を採用する。
【０００８】
船舶の海上位置保持装置に係わる第３の手段として、上記第２の手段において、補助動力制御部は、推進手段が作動すると、抵抗板が推進手段の負荷とならない向きとさせる解除指示信号を角度調節部に出力するという手段を採用する。
【０００９】
一方、本発明では、船舶の海上位置保持方法に係わる第１の手段として、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する方法において、船体から水中に突出する抵抗板を設け、該抵抗板の向きを洋上の風向きと直交するように設定するという手段を採用する。
【００１０】
船舶の海上位置保持方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ抵抗板の向きを洋上の風向と直交する向きとするという手段を採用する。
【００１１】
船舶の海上位置保持方法に係わる第３の手段として、上記第２の手段において、推進手段が作動すると、抵抗板の向きを推進手段の負荷とならない向きとするという手段を採用する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる船舶の海上位置保持装置及び方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係わる海上位置保持装置のシステム構成図である。この図において、符号１は船体、２は風向計（風検出部）、３は補助動力制御部、４は角度設定部、５は抵抗板、６はＧＰＳアンテナ、７は本体制御装置、８Ａ，８Ｂはスラスタである。これら各構成要素のうち、風向計２、補助動力制御部３、角度設定部４、抵抗板５、ＧＰＳアンテナ６、本体制御装置７及びスラスタ８Ａ，８Ｂは、本実施形態の海上位置保持装置を構成するものである。また、風向計２、補助動力制御部３、角度設定部４及び抵抗板５は、本実施形態の特徴部分を構成するものである。
【００１４】
風向計２は、洋上の風の発生とその風向を検出し、風検出信号ａとして補助動力制御部３及び本体制御装置７に出力するものである。補助動力制御部３は、上記風検出信号ａ及び本体制御装置７から入力されるスラスタ作動信号ｂに基づいて直交指示信号ｃ及び解除指示信号ｄを生成し、該直交指示信号ｃあるいは解除指示信号ｄを角度設定部４に出力することにより当該角度設定部４を制御するものである。
【００１５】
角度設定部４は、直交指示信号ｃ及び解除指示信号ｄに基づいて抵抗板５の水平面内における角度（向き）を設定するものである。この角度設定部４は、例えばサーボ機能を備えたモータであり、回転軸の回転によって当該回転軸に取り付けられた抵抗板５の角度を設定するものである。抵抗板５は、船体１の船底部から垂直状態で水中に突出するように設けられた平板であり、上記角度設定部４を介して船体１に支持されている。すなわち、この抵抗板５は、その平面が船底部の船体外板に垂直する状態で船体１に支持されたものであり、当該平面の船体外板に平行な面内における角度は、上記角度設定部４によって設定されるようになっている。
【００１６】
ＧＰＳアンテナ６は、周知のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星が発信する電波を受信するためのものであり、そのＧＰＳ受信信号ｅを本体制御装置７に出力するものである。本体制御装置７は、本海上位置保持装置を統括的に制御すると共に、上記ＧＰＳ受信信号ｅに基づいて所定のタイムインターバルで船体１の洋上位置（緯度及び経度）を算出し、その計算結果に基づいてスラスタ８Ａ，８Ｂを作動させることによって船体１の洋上位置を定点維持させるものである。なお、この本体制御装置７は、スラスタ８Ａ，８Ｂを作動の有無をスラスタ作動信号ｂとして補助動力制御部３に出力するように構成されている。
【００１７】
スラスタ８Ａ，８Ｂは、電動機によって駆動される周知の回転式の推進手段であり、回転によって設定された方向に推力を発生することにより船体１を定点維持させるものである。なお、図１では、船首近傍の船底部及び船尾近傍の船底部にそれぞれスラスタ８Ａとスラスタ８Ｂとを設けた状態を示しているが、推進手段の個数や設置場所は、これに限定されるものではない。
【００１８】
次に、このように構成された本海上位置保持装置の動作について、図２に示すフローチャートに沿って詳説する。なお、このフローチャートは、補助動力制御部３の処理手順を示すものである。
【００１９】
まず、船体１が係留することなく所望位置Ａに停止している状態では、風や潮流あるいは波浪等の影響によって、船体１の位置は所望位置Ａから徐々に移動する。本体制御装置７は、この移動をＧＰＳアンテナ６のＧＰＳ受信信号ｅから算出した洋上位置Ｂに基づいて検知し、スラスタ８Ａ，８Ｂを作動させることにより船体１を上記所望位置Ａに復帰させて定点保持させる。このような動作は、従来の海上位置保持装置においても同様であるが、本実施形態の海上位置保持装置では、上記特徴部分の以下のような動作によって、スラスタ８Ａ，８Ｂの作動タイミングを従来よりも遅らせることが可能であり、またスラスタ８Ａ，８Ｂの起動時における出力を従来よりも抑えることができる。
【００２０】
すなわち、補助動力制御部３は、所定のタイムインターバルで風検出信号ａを取り込み、該風検出信号ａに基づいて洋上に風が吹き始めたことを検知すると（ステップＳ1）、風検出信号ａに基づいて風向きさらに検知し、直交指示信号ｃを角度設定部４に出力する（ステップＳ2）。この直交指示信号ｃは、抵抗板５を風向きに対して直交させることを角度設定部４に指示するものである。このような直交指示信号ｃが入力されると、角度設定部４は、抵抗板５を風向きに対して直交させるべく、抵抗板５を所定角度だけ回転させる。
【００２１】
ここで、補助動力制御部３は、風検出信号ａに基づいて風の吹き始めを検知して直交指示信号ｃを角度設定部４に出力するので、抵抗板５は、風の影響によって船体１が所望位置Ａから移動する前段階で風向きに対して直交する状態に角度設定されることになる。これに対して、本体制御装置７によってスラスタ８Ａ，８Ｂが作動されるタイミングは、所望位置Ａと洋上位置Ｂとの間に予め決められた一定の差異が生じた時点であり、すなわち風の影響によって当該差異だけ船体１が所望位置Ａから移動した時点である。したがって、抵抗板５は、風の影響によって船体１が所望位置Ａから移動する前段階、つまりスラスタ８Ａ，８Ｂが作動する前に風向きに対して直交する状態に角度設定される。
【００２２】
例えば、図３に示すように船体１に風による外力Ｆ1が作用する。これに対して、抵抗板５は、この風の向きつまり外力Ｆ1の向きに対して直交するように角度設定されるので、抵抗板５の形状に応じた水（例えば海水）の抗力Ｆ2が外力Ｆ1とは逆向きに発生する。すなわち、この抗力Ｆ2は外力Ｆ1に対向する力であり、当該抗力Ｆ2によって外力Ｆ1が減じられるため、船体１は、当該抗力Ｆ2が生じない場合に比較して所定の単位時間に移動する量が小さくなり、容易に移動し難くなる。
【００２３】
したがって、本実施形態では、このような抵抗板５の作用によって、従来に比較してスラスタ８Ａ，８Ｂの作動タイミングを送らせる、あるいはスラスタ８Ａ，８Ｂの起動時における出力を抑えることが可能であり、これによってスラスタ８Ａ，８Ｂの作動に必要な動力（すなわち電力）を削減することが可能である。また、このようにして動力を削減することによりスラスタ８Ａ，８Ｂの動力源である発電機の容量を小さくすることが可能であり、よって船舶のコスト低減、発電機の設置スペースの削減、また船舶の小型化を図ることが可能となる。
【００２４】
一方、補助動力制御部３は、直交指示信号ｃを角度設定部４に出力した後、スラスタ８Ａ，８Ｂが作動したことを示すスラスタ作動信号ｂが入力されると（ステップＳ3）、解除指示信号ｄを角度設定部４に出力する（ステップＳ4）。この解除指示信号ｄは、抵抗板５を風向きに対して平行にさせることを角度設定部４に指示するものである。
【００２５】
このような解除指示信号ｄが入力されると、角度設定部４は、抵抗板５を風向きに対して平行にさせるべく、抵抗板５を９０度だけ回転させる。この結果、抵抗板５に作用する水の抗力がスラスタ８Ａ，８Ｂの負荷となることを防止することができる。なお、抵抗板５によってスラスタ８Ａ，８Ｂの負荷が増大すると、その分だけスラスタ８Ａ，８Ｂの消費電力が増大するので、発電機の容量を小さくすることができない。
【００２６】
〔抵抗板の形状の設定方法〕
上記抵抗板５に作用する抗力Ｆ2は、抵抗板５の平面の形状に応じた値となる。以下では、この抵抗板５の形状の設定方法の一例について説明する。
【００２７】
まず、図４に示すように船体１及び抵抗板５の各部寸法を定義する。すなわち、Ｂは船幅、Ｌbpは有効船長、Ｄは船底から甲板までの高さ、ｄは喫水の深さ、ａは抵抗板５の高さ、ｂは抵抗板５の横幅である。周知のように風を受けた船舶に作用する力は様々な形で整理されているが、ここでは、ＯＣＩＭＦ（Oil Companies Marine Forum）によって整理されたものを適用する。
【００２８】
また、このような船体１について、図５に示すｘ-ｙ-ｚ直交座標系を用いるものとする。すなわち、船体１の長手方向がＸ軸方向に該当し、また船幅方向がＹ軸方向に該当し、船体１の高さ方向がＺ軸に該当するように各座標軸を設定する。このようなｘ-ｙ-ｚ直交座標系内に位置する船体１に対して、船首から右舷側に角度θの方向を風の向き（風向）とする。
【００２９】
ＯＣＩＭＦでは、風（Wing）によって船舶に作用するＸ軸方向の力ＦXW及びＹ軸方向の力ＦYWは下式（１），（２）によって表される。
【００３０】
【数１】
ここで、ＣXWはＸ軸方向の風圧力抵抗係数、ＣYWはＹ軸方向の風圧力抵抗係数、ρWは空気の密度、ＶWは風速、ＡTはＸ軸方向の投影面積、ＡLはＹ軸方向の投影面積である。ＯＣＩＭＦによれば、各方向の上記風圧力抵抗係数ＣXW，ＣYWは、図６のように与えられる。
【００３２】
また、ＯＣＩＭＦによれば、潮流（Current）によって船舶に作用するＸ軸方向の力ＦXC及びＹ軸方向の力ＦYCは下式（３），（４）によって与えられる。
【００３３】
【数２】
ここで、ＣXCはＸ軸方向の潮流力抵抗係数、ＣYCはＹ軸方向の潮流力抵抗係数、ρCは海水の密度、ＶCは潮流速度、（ｄ・Ｌbp）は投影面積の代表値である。ＯＣＩＭＦによれば、各方向の上記潮流力抵抗係数ＣXC，ＣYCは、図７のように与えられる。この潮流による力ＦXC，ＦYCは、風によって水上を流される船体１が水から受ける抗力（横流れ抵抗力）に該当するものである。
【００３５】
上記風によって船舶に作用する各力ＦXW，ＦYWを風向θの方向に合成した力ＦW1（風外力）は式（５）によって与えられる。
【００３６】
【数３】
同様にして、風によって水上を流される船舶が水から受ける横流れ抵抗力ＦXC，ＦYCを風向θの方向に合成すると、式（６）となる。
【００３８】
【数４】
該風外力ＦWと横流れ抵抗力ＦCとは釣り合い、下式（７）が成立する。
【００４０】
【数５】
したがって、上式（５）〜（７）に基づいて船体１の横流れ速度ＶC（上記潮流速度）を求めると、下式（８）のように表される。
【００４２】
【数６】
一方、抵抗板５の抵抗力Ｆは、上記船体１の横流れ速度ＶCを用いて下式（９）のように表される。ここで、ＣDは、抵抗板５の抵抗係数である。
【００４４】
【数７】
このような抵抗板５を備えた船体１では、上記抵抗板５の抵抗力Ｆと横流れ抵抗力ＦCとの和が風外力ＦWとなるので、上述した式（７）は、下式（１０）のように修正される。
【００４６】
【数８】
この結果、当該式（１０）に基づいく横流れ速度ＶC’は、下式（１１）のように表される。
【００４８】
【数９】
したがって、抵抗板５の存在に起因する横流れ速度ＶC’の減速効果（ＶC’/ＶC）は、下式（１２）のように表される。
【００５０】
【数１０】
以上の理論的考察から、一例として風速５０ｍ／ｓ、Ｌbp＝２００（ｍ）、Ｂ＝２０（ｍ）、Ｄ＝２０（ｍ）、ｄ＝１０（ｍ）、ａ／ｂ＝１０及びＣD＝１．２２の条件の下で、抵抗板５が存在する場合の横流れ速度ＶC’及びその減速効果（ＶC’/ＶC）を風向θをパラメータとして算出すると、図８のようになる。この条件下で、例えば減速効果（ＶC’/ＶC）を３０％程度とすると、抵抗板５の最適寸法は、ａ＝４（ｍ）、ｂ＝４０（ｍ）となる。また、横流れ速度ＶC’は最大で０．１（ｍ／ｓ）、抵抗板５にかかる力は最大で０．１（ｔ）となる。この力は、一般船の舵にかかる力よりもかなり小さい値であり、十分に実現可能な値である。
【００５２】
例えば、抵抗板５がない状態において横流れ速度ＶC＝０．４（ｍ／ｓ）で３分間漂流すると、船体１は７２（ｍ）移動するが、抵抗板５を設けた状態で横流れ速度ＶC’＝０．１（ｍ／ｓ）で３分間漂流すると船体１は１８（ｍ）、つまり抵抗板５がない状態に対して１／４の距離しか移動しないことになる。そして、風がない状態で船体１を１０秒間で元の位置に戻すことを考えると、抵抗板５がない場合は、７２／１０＝７．２（ｍ／ｓ）の移動速度が必要となり、抵抗板５を備える場合には１８／１０＝１．８（ｍ／ｓ）の移動速度でよい。
【００５３】
ここで、船体１はスラスタ８Ａ，８Ｂの作動によって元の位置つまり所望位置Ａに戻され、この際、抵抗板５は、解除指示信号ｄに基づく角度設定部４の作動によって風向に対して平行状態に設定される。したがって、船体１を所望位置Ａに戻す際の水の抗力は、抵抗板５を設けた場合と設けない場合とでほぼ同等である。風がない状態で船体１を所望位置Ａに戻す際に当該船体１に作用する抗力は、周知のように移動速度の２乗に比例するので、抵抗板５がない場合には例えば４４０（ｔ）、これに対して抵抗板５が存在する場合には２７（ｔ）つまり抵抗板５がない場合に対して約１／１６となる。
【００５４】
スラスタ８Ａ，８Ｂの仕事率は、上記抗力に移動速度を乗じて計算されるので、抵抗板５がない場合は例えば３１０００（ｋＷ）（≒４４０×７．２×９．８）、これに対して抵抗板５が存在する場合には４８０（ｋＷ）（≒２７×１．８×９．８）となり、約２桁の差が生じる。スラスタ８Ａ，８Ｂにおける仕事率と消費電力との関係は周知のようにほぼ比例関係にあるので、９８．５（％）＝｛（３１０００−４８０）／３１０００×１００｝、つまり最大で９８．５（％）の電力を節約することができる。
また、上述したように、平均で３０（％）の減速効果（ＶC’/ＶC）を得ようとする場合には、６５．７（％）（＝１／０．７3×１００）の電力を節約することが可能である。
【００５５】
なお、上記実施形態では、スラスタ８Ａ，８Ｂが作動すると、抵抗板５を風向に対して平行な向きとなるように回転させたが、抵抗板５を船体１内に収納する収納装置を別途備え、当該収納装置を上記スラスタ作動信号ｂに基づいて作動させるようにしても良い。このような収納装置を設けることにより、抵抗板５が船体１から全く突出しない状態を実現することができるので、抵抗板５がスラスタ８Ａ，８Ｂに対して全く負荷とならないばかりか、船体１の通常航行時に抵抗板５が航行負荷となることをも防止することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる船舶の海上位置保持装置及び方法によれば、以下のような効果を奏する。
【００５７】
（１）請求項１及び４の発明によれば、推進手段の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持するにあたり、船体から水中に突出する抵抗板を設け、該抵抗板の向きを洋上の風向きと直交するように設定するので、当該抵抗板に作用する水の抗力によって、船体が風による外力によって容易に流されないようにすることができる。すなわち、船体が一定時間ある強さの風を受けても、抵抗板に作用する水の抗力によって船体の移動量が抑えられる。この種の船舶では、船体が所定距離移動すると、推進手段を作動させて船体を所望位置に復帰させるが、抵抗板に作用によって船体が移動し難くなるので、推進手段を作動させるタイミングを従来よりも遅らせるあるいは推進手段の推力を低めに設定することが可能であり、よって推進手段の動力を削減することが可能である。さらに、この動力の削減の実現によって、動力源の容量を小さくすることが可能であり、よってこの種の船舶のコスト低減、動力源の設置スペースの削減、また船舶の小型化を実現することが可能である。
【００５８】
（２）請求項２及び５の発明によれば、推進手段が停止している状態において風を検知すると、推進手段が作動するまでの間のみ抵抗板の向きを洋上の風向と直交する向きとするので、当該抵抗板に作用する水の抗力によって、風が吹き始めてから推進手段が作動するまでの間だけ船体が風による外力によって容易に流されないようにすることができる。したがって、推進手段を作動させるタイミングを従来よりも遅らせるあるいは推進手段の推力を低めに設定することが可能であり、よって推進手段の作動時における推進手段の動力を低減させることが可能である。
【００５９】
（３）請求項３及び６の発明によれば、推進手段が作動すると、抵抗板の向きを推進手段の負荷とならない向きとするので、推進手段の定常作動に必要とされる動力が抵抗板の存在によって上昇することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係わる海上位置保持装置のシステム構成図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係わる海上位置保持装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】 本発明の一実施形態における抵抗板の作用を説明するための説明図である。
【図４】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための船体形状図である。
【図５】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための座標系である。
【図６】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−風圧力抵抗係数のグラフである。
【図７】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−横流れ抵抗係数のグラフである。
【図８】 本発明の一実施形態における抵抗板の形状の設定方法を説明するための風向−減速効果のグラフである。
【符号の説明】
１……船体
２……風向計
３……補助動力制御部
４……角度設定部
５……抵抗板
６……ＧＰＳアンテナ
７……本体制御装置
８Ａ，８Ｂ……スラスタ
ａ……風検出信号
ｂ……スラスタ作動信号
ｃ……直交指示信号
ｄ……解除指示信号
ｅ……ＧＰＳ受信信号
Ｆ1……外力
Ｆ2……抗力
Claims (6)
- 推進手段（８Ａ，８Ｂ）の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する海上位置保持装置であって、
風検出部（２）と、
船体（１）から水中に突出して設けられる抵抗板（５）と、
該抵抗板（５）の向きを設定する角度設定部（４）と、
前記風検出部（２）の風検出信号に基づいて、風向に対して抵抗板（５）を直交させる直交指示信号を角度調節部（４）に出力する補助動力制御部（３）と、
を具備することを特徴とする船舶の海上位置保持装置。 - 補助動力制御部（３）は、推進手段（８Ａ，８Ｂ）が停止している状態において風を検知すると、推進手段（８Ａ，８Ｂ）が作動するまでの間のみ直交指示信号を角度調節部（４）に出力することを特徴とする請求項１記載の船舶の海上位置保持装置。
- 補助動力制御部（３）は、推進手段（８Ａ，８Ｂ）が作動すると、抵抗板（５）が推進手段（８Ａ，８Ｂ）の負荷とならない向きとさせる解除指示信号を角度調節部（４）に出力することを特徴とする請求項２記載の船舶の海上位置保持装置。
- 推進手段（８Ａ，８Ｂ）の推力によって洋上における船舶の位置を定点保持する方法であって、
船体（１）から水中に突出する抵抗板（５）を設け、該抵抗板（５）の向きを洋上の風向きと直交するように設定することを特徴とする船舶の海上位置保持方法。 - 推進手段（８Ａ，８Ｂ）が停止している状態において風を検知すると、推進手段（８Ａ，８Ｂ）が作動するまでの間のみ抵抗板（５）の向きを洋上の風向と直交する向きとすることを特徴とする請求項４記載の船舶の海上位置保持方法。
- 推進手段が作動すると、抵抗板（５）の向きを推進手段（８Ａ，８Ｂ）の負荷とならない向きとすることを特徴とする請求項５記載の船舶の海上位置保持方法。
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