JP5072566B2 - 津波・波浪観測用ブイ - Google Patents

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Description

本発明は、所定海域に停留され、波浪の観測や津波の予測などに使用される津波・波浪観測用ブイに関する。
たとえば、図14(a)に示すように、海底に設置されたアンカー2および/または沈錘3に連結された係留索4により、観測用ブイ1が所定海域に係留されるものが、たとえば特許文献1,2などに開示されている。
特開平8−110226号公報 特開2002−13923号公報
海面に浮かぶ浮体の動揺は、図14(c)に示すように、前後方向の直線動揺(surge:入射波の進行方向に沿うx軸方向の揺れ)、上下方向の直線動揺(heave:鉛直方向に沿うz軸方向の揺れ)、左右方向の旋回動揺(pitch:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するy軸周りの旋回揺れ)、左右方向の直線動揺(sway:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するy軸方向の揺れ)、前後方向の旋回動揺(roll:入射波の進行方向に沿うx軸周りの旋回揺れ)、周方向の旋回動揺(yaw:鉛直方向のz軸周りの旋回揺れ)からなる複雑な連成運動と見ることができる。
波の計測では、上下方向の直線動揺[以下、直線動揺(heave)という]と左右方向の旋回動揺[以下、旋回動揺(pitch)という]とを計測し、図14(b)に示すように、直線動揺(heave)の計測値ηを、旋回動揺(pitch)の計測値により補正して入射波高Hを求めている。
図14(a)に示すように、係留索4が緩んでいる場合には、観測用ブイ1は自由に浮かぶ状態で、入射波により観測用ブイ1が直線動揺(heave)する場合にも、旋回動揺(pitch)する場合にも、大きな影響が無く、波や津波の計測に問題がない。
しかし、図14(b)に示すように、潮流により観測用ブイ1が押し流されて係留索4の伸長限となると、係留索4により観測用ブイ1が引っ張られてその動揺が抑制される。すなわち、係留索4の張力Fの鉛直方向の分力Fvが、観測用ブイ1の直線動揺(heave)に作用するとともに、張力Fの水平方向の分力Fhが観測用ブイ1の旋回動揺(pitch)に作用する。これにより、正確な入射波高Hを計測できないという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、波高の計測誤差を少なくできる津波・波浪観測用ブイを提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、津波および/または波浪を観測する観測装置を搭載した津波・波浪観測用ブイであって、推進装置によりブイ本体を推進してブイ本体を所定海域に停留させるブイ停留装置を具備し、前記ブイ停留装置は、GPS受信機により検出されたブイ本体の位置と、目標位置との間の位置偏差に基づき、前記推進装置を制御してブイ本体を所定海域に停留させるように構成され、前記推進装置は、前記ブイ停留装置により推進方向と推力が制御される推力発生装置と、当該推力発生装置に駆動電力を供給する電源装置を具備し、電源装置は、太陽電池パネルを有する太陽光発電装置と、潮流により回転駆動される発電用水車を有する水力発電装置の少なくとも一方を有し、ブイ本体に昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイを設け、遊動ブイは、ブイ本体に水平方向に貫通された昇降ガイド穴に昇降自在および傾動自在に嵌合されたフレームバーと、当該フレームバーの両端部にそれぞれ取り付けられてブイ本体の両側に浮かぶ計測浮体とで構成され、前記計測浮体にそれぞれ当該計測浮体の変位を検出可能な海面変位検出部を設けたものである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の構成において、ブイ本体に、その底部中央から垂下された尾筒を設け、推力発生装置をスラスター装置により構成するとともに、当該スラスター装置を尾筒の下端部に配置し、発電用水車を、前記尾筒の中間部に尾筒の軸心周りに回転自在に配置したものである。
請求項1記載の発明によれば、ブイ停留装置により推進装置を制御してブイ本体を目的位置に向けて推進させ、所定海域に停留させるように構成したので、従来のように、移動限で係留索にブイ本体が引っ張られて動揺が抑制されることがなく、加えて、推進装置では、太陽電池パネルまたは/および発電用水車により得られる電力で推力発生装置を駆動するので、ブイ本体を目標位置に向けて推進させ所定海域に良好に停留させることができ、その上、ブイ本体に形成された昇降ガイド穴に、フレームバーを昇降および傾動自在に保持させるとともに、このフレームバーの両端に計測浮体をそれぞれ設け、計測浮体に海面変位検出部を設けたので、渦流などによるブイ本体の挙動に左右されることなく、計測浮体を波面の変動に良好に追従させて高精度で入射波高を検出することができる。
請求項2記載の発明によれば、尾筒の中間部に設けられた発電用水車により、潮流を利用して効率よく発電することができ、また尾筒の下端部に設けられたスラスター装置により、推進方向を自在に制御することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[実施の形態]
図1および図2に示すように、この津波・波浪観測用ブイは、ブイ本体12と、このブイ本体12から垂下された尾筒13とを有して所定海域に停留される停留ブイ11と、ブイ本体12に昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイ21と、停留ブイ11を推進可能な推進装置31と、推進装置31を制御して停留ブイ11を所定海域の中心位置に設定された目標位置x,y(図4)に向かって推進させ所定海域に停留させるブイ停留装置41と、遊動ブイ21に設けられた海面変位検出部24により波高を検出する観測装置17とを具備している。
(停留ブイ)
停留ブイ11は、円柱状のブイ本体12の底部中心から垂下された尾筒13と、ブイ本体12上に設置された観測室14と、観測室14上に立設されたタワー構造体15とを具備し、ブイ本体12または尾筒13に、潮流の流速と流れ方向を計測する潮流用の流向・流速計51(図3)が設けられている。またタワー構造体15には、洋上の風向きや風速を計測する風向・風速計52や、GPS衛星からの信号を受信して停留ブイ11の座標位置を検出するGPS受信アンテナ53、地上基地局との間で計測データや位置データ、操作信号を送受信するための送受信用アンテナ19が設けられている。また観測室14やタワー構造体15の外面に太陽電池パネル18が設けられている。
さらに観測室14には、遊動ブイ21に設けられた海面変位検出部24からの計測データを受信する送受信機付の観測装置17や、停留ブイ11を一定海域に停留させるブイ停留装置41、GPS衛星からの信号をGPS受信アンテナ53を介して受信し自己位置を検出するGPS受信機54、停留ブイ11の向きを計測する方位計55、停留ブイ11の傾斜角度を計測する傾斜計56が装備されている。
また尾筒13の中間部には、潮流により尾筒13の軸心周りに回転自在に設けられた複数のフィンが回転駆動されるプロペラ形の発電用水車36aと、蓄電装置(バッテリー)38と、停留ブイ11の重心を下方に下げるためのバラスト用錘39とが設けられている。また尾筒13の下端部に、ブイ停留装置41により制御される推進装置31が設けられている。前記バラスト用錘39は、停留ブイ11の重心Gを下方に下げることにより、推進装置31の推力による停留ブイ11の傾斜を抑制するためのものである。
(推進装置)
推進装置31は、推力発生装置であるスラスター装置32と、このスラスター装置32に駆動電力を供給する電源装置33を具備している。スラスター装置32は操舵部34と駆動部35とを有し、操舵部34には、操舵軸34bを介してスラスターダクト35aを鉛直軸心周りに旋回させる減速機付操舵用モータ34aが設けられ、駆動部35には、スラスターダクト35a内でスクリュー35cを回転駆動する推進用モータ35bが設けられている。
電源装置33は、水力発電部36と太陽光発電部37と蓄電装置38からなり、太陽光発電部37は太陽電池パネル18により構成されている。また水力発電部36は、発電用水車36aから得られた回転動力により、回転軸36bおよび増速用ギヤ装置36cを介して発電機36dを回転駆動し発電するように構成されている。そして発電機36dと太陽電池パネル18で得られた電力が蓄電装置38に蓄電される。
上記構成により、蓄電装置38から推進用モータ35bと操舵用モータ34aにそれぞれ電力が供給されてスクリュー35cが回転駆動されるとともに、スラスターダクト35aの方向が制御されて、停留ブイ11が所定方向に推進される。ここで、停留ブイ11に加えて、後述する2つの計測浮体22の造波抵抗、推進抵抗が増加するが、スラスター装置32の有効馬力を十分に確保して大きい推進力を得るように構成されている。
(ブイ停留装置)
ブイ停留装置41は、図3に示すように、減算器42、フィードバック計算部43、フィードフォワード計算部44、加算器45、指令推力制限部46、指令操作量演算部47、操舵用操作部48および推進用操作部49を具備している。
前記減算器42では、図4に示すように、平面直角座標系(x,y座標)において、予め設定された目標位置x,yとGPS受信機54により計測された位置座標x,yから位置偏差x,yを求める。
フィードバック計算部43では、図5に示すように、平面直角座標系の位置偏差x,yを方位計55の計測値に基づいてブイ固定座標系(X,Y座標)に変換し、ブイ固定座標系(X,Y)において、PID制御により位置偏差x,yを打ち消す制御指令推力Tx,Tyを求める。
たとえばブイ固定座標系におけるX軸方向の制御指令推力:Tx、Y軸方向の制御指令推力:Tyとすると、
Tx=Kp・x+Ki∫xdt+Kd・dx/dt
Ty=Kp・y+Ki∫ydt+Kd・dy/dtとなる。
ここで、xe:偏差、ye:偏差、Kp:比例ゲイン、Ki:積分ゲイン、Kd:微分ゲインである。
フィードフォワード計算部44では、風向・風速計52により計測された洋上の風向・風速の計測値と、流向・流速計51により計測された潮流の流向・流速の計測値とにより定常外力を求め、この定常外力を打ち消すフィードフォワード制御推力を演算する。
加算器45では、フィードバック計算部43の制御指令推力Tx,Tyとフィードフォワード計算部44のフィードフォワード制御推力を加算して指令推力を求める。
指令推力制限部46では、図6(a)(c)に示すように、スラスター装置32の立ち上がり、または立ち下がりを急激に行うと、スラスター装置32の破損につながるおそれがあるため、図6(b)(d)に示すように、スラスター装置32の保護のために、指令推力に変化率制限をかけて制限指令推力を求める。ここで許容する最大の変化率α1、α2は、スラスター装置32の仕様により変化する。またこの指令推力制限部46では、図7に示すように、消費電力の節約や指令方位角の頻繁な変化を抑制するために、入力値が微小な場合に、制限指令推力の出力値を0とする不感帯β1,β2を設けている。
指令操作量演算部47では、指令推力制限部46の制限指令推力値からスラスター装置32の操舵角および回転数を求める。この指令操作量演算部47で求められた回転数に基づいて、推進用操作部49から推進用指令信号が推進用モータ35bに出力される。また指令操作量演算部47で求められた操舵角に基づいて、操舵用操作部48から操舵用指令信号が操舵用モータ34aに出力される。
したがって、所定海域に浮かべられた停留ブイ11では、GPS受信機54により一定時間ごとに現在の位置座標x,yが計測されており、ブイ停留装置41では、減算器42で目標位置x,yと現在の位置座標x,yから位置偏差x,yが求められている。そして、この位置偏差x,yから制御指令推力Tx,Tyが求められ、さらに風向・風速計52と流向・流速計51から求められた定常外力を打ち消すフィードフォワード制御推力と、制御指令推力Tx,Tyから指令推力が求められる。さらに、指令推力に、変化率制限をかけ、さらに微小入力値に対して不感帯β1,β2を除いて制限指令推力が求められる。さらにこの制限指令推力値からスラスター装置32の操舵角および回転数が求められ、推進用操作部49から推進用モータ35bに推進用指令信号が出力され、また操舵用操作部48から操舵用モータ34aに操舵用指令信号が出力される。これにより推進装置31が駆動制御されて停留ブイ11が、目標位置x,yを中心とする所定海域に停留される。
(遊動ブイと波高検出装置)
停留ブイ11が単純な形状で渦流による影響がない場合には、波に対する応答特性が線形的で、補正により正確な波高を求めることができる。しかし上記停留ブイ11は、尾筒13にスラスター装置32と発電用水車36aが設けられているため、渦流が発生しやすい構造となっている。この渦流による影響で、停留ブイ11が非線形的に運動して、波に対する応答特性が把握しにくく、補正することが困難なことがあり、海面変位検出部24を直接、観測室14に設置すると、正確な波高が検出できないおそれがある。
このため、本発明では、停留ブイ11に昇降および傾動自在な遊動ブイ21を設け、遊動ブイ21の計測浮体22に介して海面変位検出部24を設けている。すなわち、図8〜図11に示すように、遊動ブイ21は、ブイ本体12の喫水上方の近傍位置に昇降ガイド穴26を水平方向に貫通形成し、ブイ本体12の両側に海面に浮かぶ一対の計測浮体22を配置し、これら計測浮体22を、昇降ガイド穴26に昇降自在および傾動自在に遊嵌されたフレームバー23により互いに連結している。そして両計測浮体22に、海面の変位を検出するための送信機付の海面変位検出部24をそれぞれ設けている。
ブイ本体12の昇降ガイド穴26の開口部周囲には、計測浮体22との接触による衝撃を緩衝するために、たとえば合成ゴム製などの緩衝用の防舷部材27が取り付けられており、これら防舷部材27により、ブイ本体12と計測浮体22との衝突による損傷を防止するとともに、海面変位検出部24への衝撃を緩衝して計測データにノイズが混入するのを防止している。なお、防舷部材27は計測浮体22に取り付けてもよいし、ブイ本体12と計測浮体22の両方にそれぞれ取り付けてもよい。
前記計測浮体22は、互いに同一形状で同一の浮力を有し、たとえば図のように球体状に形成されるとともに、その殻体内が中空か、または発泡樹脂などの浮力付与材料が充填された中実状に構成され、計測浮体22の浮心位置にそれぞれ海面変位検出部24が水密状態で、かつ計測データを観測装置17に送信可能に設けられている。またフレームバー23は中空で密閉されたたとえば耐食性の金属で形成され、両計測浮体22の上部間を互いに連結固定しており、入射波の影響を受けにくいように、フレームバー23が遊動ブイ21の喫水線より所定距離上方位置に配置されている。そしてフレームバー23の中心位置の下位近傍に、遊動ブイ21の浮心gがある。なお、前記計測浮体22は、球体以外に、円柱体状などのように入射波などの影響ができるだけ少ない形状であればよく、その形状は問われない。
そして昇降ガイド穴26は、ブイ本体12の中央部で、遊動ブイ21のフレームバー23の上方と下方とに等間隔をあけてフレームバー23を昇降可能な高さ:GHが形成され、また天面と底面とに中央部から開口部側に向かって、所定の傾斜角θで上方および下方に漸次広がる傾斜面26u,26dがそれぞれ形成され、フレームバー23の昇降と傾動を許容している。なお、これら位相差や振幅差が生じた場合にその変位を十分許容可能なように、昇降ガイド穴26の高さ:GHと傾斜面26u,26dの傾斜角θが設定されている。
これにより、渦流などによる停留ブイ11の傾斜や挙動などと関係なく、波面の昇降に精度よく追従して計測浮体22がそれぞれ昇降され、計測浮体22に内装された海面変位計測部24により、高精度で海面の昇降(波高)を高精度で検出することができる。
また海面変位検出部24は、計測データを観測室14の観測装置17に送信する送信機がそれぞれ内蔵されている。この海面変位検出部24をGPS受信機と送信機とで構成した場合、海面変位検出部24では、GPS用の人工衛星から受信した電波から得られる計測データを観測装置17にそれぞれ送信し、観測装置17から送受信用アンテナ19を介して地上基地局に送信する。また海面変位検出部24を、計測浮体22の加速度を検出する加速度計と送信機とで構成した場合、海面変位検出部24で計測した加速度データを観測装置17にそれぞれ送信し、観測装置17に設けられたGPS受信機によりGPS用の人工衛星から受信した電波から得られる計測データと共に、観測装置17から送受信用アンテナ19を介して地上基地局に送信する。地上基地局では、送信された受信データを処理し、計測浮体22の直線動揺(heave)と旋回動揺(pitch)の周期や振幅から入射波高を演算する。
(推進時の姿勢)
推進開始時に、2つの計測浮体22の抵抗の相違で停留ブイ11と遊動ブイ21が旋回するが、ブイ停留装置41により、方位計55の検出値に基づいて操舵部34が制御されることにより、推進方向に対して左右両側に計測浮体22が配置されて、推進抵抗や造波抵抗が左右均等となる姿勢で推進される。
またスラスター装置32の推力により、停留ブイ11に重心Gを中心とするモーメントが働き、停留ブイ11が傾斜する。この時の遊動ブイ21では、フレームバー23が昇降ガイド穴26の内面を摺動するおそれがあるが、摺動抵抗がきわめて小さいことから、計測浮体22の昇降に与える影響はきわめて少ない。さらに、観測室14に設置された傾斜計56により停留ブイ11の傾斜を計測し、波に対する傾斜姿勢の停留ブイ11の応答特性と、計測浮体22との応答特性を考慮して、補正することもできる。
(実施の形態の効果)
上記構成によれば、ブイ停留装置41により、GPS衛星からの信号をGPS受信機で受信して停留ブイ11の位置を計測し、推進装置31を駆動制御して停留ブイ11を目的位置に向けて推進させ、所定海域に停留させるように構成したので、従来のように、移動限で係留索により観測用ブイが引っ張られて動揺が抑制されることがない。したがって、観測装置17により正確な入射波高を計測することができる。
また、太陽電池パネル18からなる太陽光発電部37と、発電用水車36aを有する水力発電部36とを設け、これら自前の電力でスラスター装置32を駆動して、停留ブイ11を目標位置に向けて推進させることができ、所定海域に良好に停留させることができる。
さらに、尾筒13の中間部に設けられた発電用水車36aにより、潮流を利用して効率よく発電することができ、また尾筒13の下端部に設けられたスラスター装置32により、推進方向を自在に制御することができる。
さらにまた、ブイ本体12に形成された昇降ガイド穴26に、フレームバー23を昇降および傾動自在に保持させるとともに、このフレームバー23の両端に計測浮体22をそれぞれ設け、計測浮体22に海面変位検出部24を設けたので、停留ブイ11の挙動に左右されることなく、計測浮体22を波面の変動に良好に追従させて、海面変位検出部24により高精度で入射波高を検出することができる。
なお、上記実施の形態では、計測浮体22に海面変位検出部24を設けたが、渦流による停留ブイ11の波に対する応答特性が容易に把握でき補正が可能な場合には、遊動ブイ21を無くし、観測室14に海面変位検出部24を設けてもよい。
また、停留ブイ11に尾筒13を有しない構造として、ブイ本体12に推進装置31と発電用水車32とを設けることもできる。
さらに図12に示すように、推力発生装置を、尾筒13の下端部に設けられたスラスター装置32に替えて、ブイ本体12の下部で重心Gに対応して対称位置に左右一対の翼形支持体62を水平方向に突設し、これら翼形支持体62に、操舵部61aにより鉛直軸心周りに旋回可能なポッド型推進器61を重心Gを含む水平面近傍に設置したもので、これにより推力による停留ブイ11の傾斜を防止することができる。ポッド型推進器61は、紡錘形の推進駆動モータ61bの出力軸に一体にプロペラ61cが設けられている。
さらに、図13に示すように、推力発生装置をウォータージェット型推進器71により構成することもできる。この場合には、取水口72をブイ本体12の底部に開口するとともに、ブイ本体12下部の周囲に90°毎4箇所に取水口72が連通する排出口73を形成し、各排出口73に、ウォーターポンプ71aと可変式吐出ダクト71bとをそれぞれ設け、図示しない操舵装置により90°を越える操舵角αの範囲で吐出ダクト71bを揺動して吐出方向を変更可能とし、選択的にウォーターポンプ71aを起動停止することにより、停留ブイ11の推進方向を任意に設定することができる。
また、上記スラスター装置32やポッド型推進器61、ウォータージェット型推進器71に、操舵用ラダー(舵板)を設けて推進方向を制御することもできる。
水力発電部36の発電用水車36aをプロペラ形としたが、図12に示すように、回転軸部82から対称方向に突設された複数のアーム83と、各アーム83の先端部に球面形や円筒面形の翼体84とを有する抗力水車タイプの発電用水車81としてもよい。
ところで、上記実施の形態では、観測する所定海域の中心に目標位置x,yとを予め設定したが、この目標位置を地上基地局やメンテナンス船からの操作信号や、搭載したタイマーなどにより、目標位置をたとえば別の海域に変更することで、自動的に観測用ブイをメンテナンス用海域に移動させたり、観測用海域を変更したりすることができる。
本発明に係る津波・波浪観測用ブイの実施の形態を示す斜視図である。 津波・波浪観測用ブイの構成図である。 ブイ停留装置を示すブロック図である。 ブイ停留装置による位置保持制御の説明図である。 ブイ停留装置のフィードバック制御部における座標系の説明図である。 ブイ停留装置の指令推力制限部における変化制限を示し、(a)は制限しない場合の正方向(出力増加方向)のグラフ、(b)は制限する場合の正方向のグラフ、(c)は制限しない場合の負方向(出力減少方向)のグラフ、(d)は制限する場合の出力減少方向のグラフである。 ブイ停留装置の指令推力制限部における不感帯を説明するグラフである。 ブイ本体の昇降ガイド穴を示す正面図である。 ブイ本体の昇降ガイド穴を示す平面断面図である。 ブイ本体の昇降ガイド穴を示し、遊動ブイの直線動揺(heave)を説明する部分縦断面図である。 ブイ本体の昇降ガイド穴を示し、遊動ブイの旋回動揺(pitch)を説明する部分縦断面図である。 推進駆動部にポッド型推進器を使用し、水力発電部に抗力水車タイプの発電用水車を使用した他の実施の形態を示す斜視図である。 推進駆動部にウォータージェット型推進器を使用した実施の形態を示し、(a)は縦断面図、(b)は(a)に示すA−A断面図である。 従来の浮体または観測用ブイの動揺を説明する説明図で、(a)は通常状態の観測用ブイを示し、(b)は潮流により係留索が伸長限にある観測用ブイを示し、(c)は浮体の動揺を示す。
符号の説明
G 重心
11 停留ブイ
12 ブイ本体
13 尾筒
14 観測室
15 タワー構造体
17 観測装置
18 太陽電池パネル
19 送受信用アンテナ
21 遊動ブイ
22 計測浮体
23 フレームバー
24 海面変位検出部
31 推進装置
32 スラスター装置
33 電源装置
34 操舵部
35 駆動部
36 水力発電部
36a 発電用水車
37 太陽光発電部
38 蓄電装置
41 ブイ停留装置
51 流向・流速計
52 風向・風速計
53 GPS受信アンテナ
54 GPS受信機
55 方位計

Claims (2)

  1. 津波および/または波浪を観測する観測装置を搭載した津波・波浪観測用ブイであって、
    推進装置によりブイ本体を推進してブイ本体を所定海域に停留させるブイ停留装置を具備し、
    前記ブイ停留装置は、GPS受信機により検出されたブイ本体の位置と、目標位置との間の位置偏差に基づき、前記推進装置を制御してブイ本体を所定海域に停留させるように構成され
    前記推進装置は、前記ブイ停留装置により推進方向と推力が制御される推力発生装置と、当該推力発生装置に駆動電力を供給する電源装置を具備し、
    電源装置は、太陽電池パネルを有する太陽光発電装置と、潮流により回転駆動される発電用水車を有する水力発電装置の少なくとも一方を有し、
    ブイ本体に昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイを設け、
    遊動ブイは、ブイ本体に水平方向に貫通された昇降ガイド穴に昇降自在および傾動自在に嵌合されたフレームバーと、当該フレームバーの両端部にそれぞれ取り付けられてブイ本体の両側に浮かぶ計測浮体とで構成され、
    前記計測浮体にそれぞれ当該計測浮体の変位を検出可能な海面変位検出部を設けた
    ことを特徴とする津波・波浪観測用ブイ。
  2. ブイ本体に、その底部中央から垂下された尾筒を設け、
    推力発生装置をスラスター装置により構成するとともに、当該スラスター装置を尾筒の下端部に配置し、
    発電用水車を、前記尾筒の中間部に尾筒の軸心周りに回転自在に配置した
    ことを特徴とする請求項1記載の津波・波浪観測用ブイ。
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