JP5276720B2 - 操船制御方法及び操船制御システム - Google Patents

Description

本発明は、航海中の船舶において最適な航路を探索し、その船舶の最適な操船制御を支援するための操船制御方法及び操船制御システムに関する。

近年、造船海運業界においては、地球温暖化ガス排出削減問題に対処するための環境負荷低減と燃料価格高騰という課題を解決するために、船舶及びその運航の省エネルギー改善ニーズがある。これに加え、船舶の航行の安全性と輸送品質の維持及び向上といった課題を対象とする研究開発の動きが活発化している。このような流れの中で、ウェザールーチングと呼ばれる最適航海技術の重要性が高まってきている。ウェザールーチングは、海象状況と蓄積された海象情報とから或船舶が航行する海域の遭遇海象を予測して、燃料消費量の最小化と安全性および定時性の確保とを目標とした最適計画航路（最短時間航路）を提案する航海技術である。

航海の燃料消費量を削減するためには、極力低出力で航海できる航路を選択するとともに、そのような主機回転数を設定することが望ましい。しかし、現行のウェザールーチングで提案される最適計画航路は、航海時間の短縮が優先され、航海時間の短縮による燃料消費量の削減を目標としている。したがって、この最適計画航路に沿った航海は必ずしも燃料消費量を抑えた経済的な航海とはならない。また、現行のウェザールーチングで提案される最適計画航路は、例えば１日などの長期スパンの気象海象予測情報に基づいて算出されるものである。つまり、現行のウェザールーチングでは、船舶が航路を進むにつれて変化する気象海象や短期間のうちに発生した気象海象の変化などは考慮されない。したがって、現行のウェザールーチングで提案される最適計画航路は、必ずしも現在の自船位置の気象海象や船舶の現況が反映されたものとはならない。上記のような理由から、実際の操船現場では、ウェザールーチングにより提供された最適計画航路から外れて、実際に遭遇した気象海象に応じて操船者の経験と勘とをたよりに針路変更、船速調整などの操船がなされている。このような操船は、操船者の負担となるだけでなく操船者の個人によって判断にバラツキが生じるなどの課題がある。

一方で、従来から経済的に最適な航海を行うために様々な提案が為されている。例えば、特許文献１では、総合航法装置が開示されている。この総合航法装置は、海域ごと及び季節ごとの気象海象データと通信衛星等で配信される現況および予報データとから、出発地から目的地までの最省エネルギー航路を計算し、オートパイロットと主機制御系統とを組み合わせてこの最省エネルギー航路を自動航行するように構成されている。

また、例えば、特許文献２では、最適航路探索方法が開示されている。この最適航路探索方法は、船舶に固有の個船性能データと長期の海気象状況を示す海気象データの予報値とに基づいて或海域の出発点から到着点までの最適航路を演算する際に、到着点に到達するまで一定時間経過毎に、演算上の船舶の位置において時間的及び空間的に変化する海気象データの予報値を用いるようにしている。

特開昭６２−２７９１９５号公報 特開２００８−１４５３１２号公報

特許文献１に記載の総合航法装置では、長時間の気象予測データから航路が算出されている。したがって、この総合航法装置で算出される航路は、前述の現行のウェザールーチングと同様に、必ずしも実際の気象海象や船舶の状態を反映したものとならない。

また、特許文献２に記載の最適航路探索方法は、船舶の航行に合わせて変化する船舶の現在の位置における海気象予報データを利用して航路を演算している。しかし、この最適航路探索方法では、１日などの比較的長いスパンで供給された海気象データから推定された船舶の現在の位置における海気象予報データを利用している。したがって、この最適航路探索方法により算出される航路は、前述の現行のウェザールーチングと同様に、必ずしも実際の海象や船舶の状態を反映したものとならない。なお、海気象予報データをより短いスパンで取得すれば、最適航路の演算精度は向上するが、船陸間の通信データ量が膨大となるので通信速度の問題や通信コストの面で現実的ではない。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、ウェザールーチングによる計画航路を利用した実用的な航路および航行条件を計画する技術を提供することを目的とする。より具体的には、気象海象予測情報に基づいたウェザールーチングによる計画航路を利用して、船舶が実際に遭遇する海象に対応した経済的に最適な航路計画（最適航路と最適操船条件）を実時間で探索することを可能とする操船制御方法及びそのためのシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る操船制御方法は、船舶の航路を最適化する操船制御方法であって、
前記船舶が航海中に遭遇する海象を船上で計測して得た実遭遇海象情報と海象統計情報とに基づいて現在の第一時刻から近未来の第二時刻までの航路周辺海域での推定遭遇海象情報を得るステップと、前記船舶の航海中の運航性能を船上で計測して運航性能情報を得るステップと、気象海象予測情報と船舶の性能情報とに基づいて前記船舶が始点から到着点までを航海するように策定された計画航路と、前記推定遭遇海象情報と、前記運航性能情報と、前記船舶の船体運動モデルとに基づいて、前記第一時刻の船位である始端位置から前記第二時刻の船位である終端位置までの航路であって且つ第１評価関数を最適な値とする短期計画航路を策定するステップとを含み、
前記第１評価関数は、前記計画航路において前記第二時刻に計画された船位である計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標と、前記短期計画航路を航行するときの燃料消費指標と、前記短期計画航路を航行するときの安全性指標とを含むものである。

上記方法において、第１評価関数に含まれる計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標は、計画航路から短期計画航路がズレることの影響を表している。したがって、計画航路を変更するデメリットと、実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性の指標を最適とする航路を航行することのメリットとの、トレードオフが可能となる。また、このような実際の遭遇海象に基づく最適な短期計画航路がリアルタイムで計算されるので、現行のウェザールーチングでは難しかった実際の遭遇海象や喫水などの船体状態に対応した的確な操船制御が可能となる。よって、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

前記操船制御方法において、前記短期計画航路を航行するための操船条件を算出するステップと、前記操船条件で前記船舶を操船制御するステップとを更に含むことがよい。
これにより、短期計画航路を航行するための操船条件が得られ、この操船条件に則って操船すればよいので、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

前記操船制御方法において、前記短期計画航路の前記終端位置を新たな始点として、前記到着点までの新たな計画航路を策定するステップを更に含むことがよい。
これにより、計画航路が実際の航行に応じて補正されつつ航海が行われることとなる。よって、計画航路から外れた航路を航行する船舶は、航路が計画航路から外れることにより既に最適ではなくなった計画航路へ船位を戻す必要はなく、計画航路に戻るためのロスを解消できる。

前記操船制御方法の、前記短期計画航路を策定するステップにおいて、前記始端位置と前記計画位置とを通る目標航路を設定し、前記目標航路上において終端時間固定且つ終端状態量自由として前記第一時刻から前記第二時刻までの短期計画航路を探索することがよい。
これにより、探索された短期計画航路の終端位置は、計画航路から外れることが可能となる。よって、始端位置が計画航路から外れることにより当該計画航路が既に最適ではなくなった場合に、その計画航路へ船位を戻す必要はないので、計画航路に戻るためのロスを解消できる。

前記操船制御方法において、前記計画航路は或第２評価関数を最適とするように策定されており、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記第２評価関数からの変動分を表していることが望ましい。
これにより、計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を利用して、計画航路を変更するデメリットと実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性の指標を最適とする航路を航行することのメリットとを容易に評価することができる。

或いは、前記操船制御方法において、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差を表していてもよい。
これにより、計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を容易に算出することができ、この指標を用いて短期計画航路を評価することができる。

前記操船制御方法において、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差量の前記計画航路の進行方向の成分の関数である第一関数と、前記偏差量の前記計画航路の進行方向と直交する成分の関数である第二関数とを含むことが望ましい。
ここで、上記第一関数は、到達時間が変更したことによる計画航路の評価指標からの増加分を意味する。また、第二関数は、航路が計画航路からズレたことによる計画航路の評価指標からの増加分を意味する。したがって、短期計画航路の評価関数のうち計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標は、計画航路の評価指標からの変動分（増加分又は悪化分）を意味していることとなる。よって、計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を利用して、計画航路を変更するデメリットと実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性指標を最適とする航路を航行することのメリットとを評価することができる。

前記操船制御方法において、前記第一関数と前記第二関数とは、それぞれに重み係数が付与されており、これらの重み係数は、前記終端位置から前記到着点までの航行距離との関係で変化する関数であることがよい。
終端位置が航海の到着点に近づくほど残りの航海距離が少なくなるので、計画位置から終端位置の偏差量（ズレ）の影響が大きくなる。したがって、残りの航海距離による影響の大きさを反映する重み係数が第一関数と第二関数に付与されることによって、第１評価関数を用いて短期計画航路をより的確に評価することができる。

本発明に係る操船制御システムは、
船舶が始点から到着点までを航海するように、気象海象予測情報と前記船舶の性能情報とに基づいて策定された計画航路と、前記船舶が航海する海域の海象統計情報と前記船舶が実際に遭遇した海象情報とに基づいて推定された、航海中の第一時刻から近未来の第二時刻までの航路周辺海域での推定遭遇海象情報と、前記第一時刻までの航海中に計測された前記船舶の運航性能情報と、前記船舶の船体運動モデルと、前記計画航路、前記推定遭遇海象情報、前記運航性能情報および前記船体運動モデルに基づいて、前記第一時刻の船位である始端位置から前記第二時刻の船位である終端位置までの航路であって且つ第１評価関数を最適な値とする短期計画航路を策定するように構成された短期計画航路策定手段とを備え、
前記第１評価関数は、前記計画航路において前記第二時刻に計画された船位である計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標と、前記短期計画航路を航行するときの燃料消費指標と、前記短期計画航路を航行するときの安全性指標とを含むものである。なお、上記計画航路、推定遭遇海象情報、船舶の運航性能情報および船舶の船体運動モデルは、各々１又は複数の記憶手段に格納されている。

上記操船制御システムによれば、第１評価関数に含まれる計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標は、計画航路から短期計画航路がズレることの影響を表している。この指標を利用して航路を評価することにより、計画航路を変更するデメリットと、実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性指標を最適とする航路を航行することのメリットとのトレードオフが可能となる。また、このような実際の遭遇海象に基づく最適な短期計画航路が、実時間（リアルタイム）で計算されることから、現行のウェザールーチングでは難しかった実際の遭遇海象や喫水などの船体状態に対応した的確な操船制御が可能となる。よって、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

前記操船制御システムにおいて、前記操船制御システムは、前記船舶を操船する操船手段を備えており、前記短期計画航路策定手段は、前記操船手段が前記短期計画航路を航行するための操船条件を算出し、当該操船条件を前記操船手段へ提供するように構成されていることが望ましい。
これにより、短期計画航路を航行するための操船条件が得られ、操船手段はこの操船条件に則って操船するので、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

前記操船制御システムにおいて、前記操船制御システムは、前記計画航路を前記短期計画航路策定手段へ提供する計画航路策定手段を備えており、前記計画航路策定手段は、前記短期計画航路の前記終端位置を始点とする前記到着点までの新たな計画航路を策定し、当該新たな計画航路を前記短期計画航路策定手段へ提供するように構成されていることがよい。
これにより、計画航路が実際の航行に応じて補正されながら航海が行われることとなる。したがって、計画航路から外れた航路を航行する船舶は、航路が計画航路から外れることにより既に最適ではなくなった計画航路へ船位を戻す必要はなく、計画航路に戻るためのロスを解消できる。

前記操船制御システムにおいて、前記短期計画航路策定手段は、前記始端位置と前記計画位置とを通る目標航路を設定し、前記目標航路上において終端時間固定且つ終端状態量自由として前記第一時刻から前記第二時刻までの短期計画航路を探索することがよい。
これにより、短期計画航路の終端位置は、計画航路から外れることが可能となる。よって、始端位置が計画航路から外れることにより既に最適ではなくなった計画航路へ船位を戻す必要がないので、計画航路に戻るためのロスを解消できる。

前記操船制御システムにおいて、前記計画航路は或第２評価関数を最適な値とするように策定されており、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記第２評価関数からの変動分を表していることが望ましい。
このような計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を利用して、計画航路を変更するデメリットと実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性指標を最適とする航路を航行することのメリットとを容易に評価することができる。

或いは、前記操船制御システムにおいて、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差を表していてもよい。
これにより、計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を容易に算出することができ、この指標を用いて短期計画航路を評価することができる。

前記操船制御システムにおいて、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との偏差の変動分を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差量の前記計画航路の進行方向の成分の関数である第一関数と、前記偏差量の前記計画航路の進行方向と直交する成分の関数である第二関数とを含むことが望ましい。
ここで上記第一関数は、到達時間が変更したことによる計画航路の評価指標からの増加分を意味する。また、第二関数は、航路が計画航路からズレたことによる計画航路の評価指標からの増加分を意味する。よって、短期計画航路の評価関数のうち計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標は、計画航路の評価指標からの変動分（増加分又は悪化分）を意味していることとなる。そして、このような計画位置と終端位置との変動分の影響を示す指標を利用して、計画航路を変更するデメリットと実際に船舶が遭遇する気象海象に基づいて燃費や安全性指標を最適とする航路を航行することのメリットとを評価することができる。

前記操船制御システムにおいて、前記第一関数と前記第二関数とは、それぞれに重み係数が付与されており、これらの重み係数は、前記終端位置から前記到着点までの航行距離との関係で変化する関数であることがよい。
終端位置が到着点に近づくほど残りの航海距離が少なくなるので、計画位置から終端位置の偏差量（ズレ）の影響は大きくなる。そこで、この終端位置から到着点までの残りの航行距離に応じた重み係数が付与されることによって、第１評価関数を用いて短期計画航路をより的確に評価することができる。

本発明によれば、現行のウェザールーチングでは難しかった実際の遭遇海象や喫水などの船体状態に対応した的確な操船制御が可能となり、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る操船制御システムの全体的な構成を示す図である。 図２は、操船装置の制御系の構成を示すブロック図である。 図３は、制御器の機能ブロック図である。 図４は、実海域性能シミュレーションモデルを説明する図である。 図５は、短期計画航路の策定方法を説明する図である。 図６は、短期計画航路の策定方法に関し、数式９−３の例３を利用して評価関数の第２の要素を算出する方法（その１）を説明する図である。 図７は、短期計画航路の策定方法に関し、数式９−３の例３を利用して評価関数の第２の要素を算出する方法（その２）を説明する図である。 図８は、計画航路と短期計画航路との関係を示す図である。 図９は、更新された計画航路を説明する図である。 図１０は、操船装置の操船制御のフローチャートである。 図１１は、操船装置の動作のタイムチャートである。 図１２Ａは、船舶の実海域性能の一例を示すための、船体抵抗増減分布図である。 図１２Ｂは、船舶の実海域性能の一例を示すための、上下加速度分布図である。 図１３Ａは、海象気象予測情報の一例を示すための、遭遇海象予報時空マップである。 図１３Ｂは、海象気象予測情報の一例を示すための、北太平洋波高予測海域面上分布図である。 図１３Ｃは、海象気象予測情報の一例を示すための、北太平洋波高分布予測時系列表である。 図１４は、ルート最適化演算部としての機能を陸上に設けた場合の、短期計画航路策定のための機能ブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

まず、本実施の形態に係る操船制御システムの概略構成から説明する。図１に示すように、操船制御システム１は、船舶２に搭載された操船装置３および監視装置５と、陸上に配置された計画航路策定装置４とを備えている。計画航路策定装置４は、気象海象予測情報（気象予報と海象予報）と船舶の性能情報とに基づいて船舶２の最適な計画航路Ａを策定し操船装置３へ供給する。図３にも示すように、操船装置３は、船舶２が最適な航海を行うべく、短期計画航路策定部２８と操船部２９とを備えている。操船装置３の短期計画航路策定部２８は、計画航路Ａと、船舶２の実遭遇海象情報５４と、船舶２の運航性能情報５７と、船舶２の船体運動モデル５５と、船舶２の位置情報５８および方位角情報５９とに基づいて、最適な短期計画航路Ｂ（最適航路と最適操船条件）を探索する。また、操船装置３の操船部２９は、最適な短期計画航路Ｂを航行すべく船舶２を操船する。監視装置５は、船舶２およびその航行を監視する。

ここで、「計画航路Ａ」とは、ウェザールーチングの技術により気象海象予測情報と船舶の性能情報とに基づいて策定（選択）された或海域の出発点Ｘ₀（出発港）から到着点Ｘ_f（到着港）までを航海するような航海単位の最適な航路をいう。但し、計画航路Ａは、船舶２が航行中においては或時刻ｔの船位である始点Ｘから到着点Ｘ_fまでの最適な航路を指すこともある。計画航路Ａにおいて「最適な航路」とは、始点から到着点までを航海する航路であって、到着点に到着予定時に到着し、後述するように所定の第２評価関数Ｊ^WRを最適な値とするものである。ここでは、第２評価関数Ｊ^WRの最適な値とは最小の値である。このような第２評価関数をＪ^WR最適とする計画航路は、始点から到着点までを最短時間で航海する計画航路である。

また、「短期計画航路Ｂ」とは、航海中の現在時刻ｔの船位である始端位置Ｐ_tから、時刻ｔ＋Ｔの船位である終端位置Ｐ_t+Tまでの航路であって、第１評価関数Ｊを最適な値とする短期計画航路である。ここで、時刻ｔ＋Ｔは、時刻ｔから近未来のＴ時間先の時刻である。Ｔは、気象海象予測情報が配信される時間間隔（一般的には、１２時間又は２４時間）と比較して短い時間であり且つ計画航路Ａが定期的に供給される時間間隔と比較して短い時間である。具体的には、Ｔは、１０〜１２０分のいずれかの時間である。したがって、短期計画航路Ｂは、計画航路Ａよりも十分に短い時間を１単位として策定されている。以下、操船制御システム１が備える各装置について詳細に説明する。

（計画航路策定装置４）
計画航路策定装置４は、ウェザールーチングプログラム（最適航海計画プログラム）を実行することによって計画航路策定装置４として機能するコンピュータを利用して構成されている。計画航路策定装置４は、ウェザールーチング（最適航海計画）機能及び運航性能分析機能を備えるとともに、船陸間通信システム９を介して操船装置３へ情報の送受信が可能となるように構成されている。

また、計画航路策定装置４は、船図等の設計情報を所有する造船所などの陸上オフィスに設置された端末装置７からインターネット等の通信手段を介して船舶２の実海域性能情報の供給を受け、この実海域性能情報を格納する実海域性能データベース７１を備えている。端末装置７では、例えば、図４に示すような実海域で２点のウェイポイントＷＰ間を移動する場合の性能応答をシミュレーションする実海域性能シミュレーションモデルが構築されている。この実海域性能シミュレーションモデルは、平水中の船舶２の性能に加えて、設定された外乱要件（風向，風速，風浪，うねり，海流，水温，気温，水深，船体推進器の汚染状態などの実海域における外乱）の影響に対する性能応答を、船舶２の実海域性能として推定するモデルである。実海域性能シミュレーションモデルのシミュレーション対象は、船舶２の主機出力，推進器回転数，燃料消費量，船速，船首方位，当舵、船体運動応答、シーマージン成分である。ただし、主機トルク限界，推進器回転数変動，加速度，相対水位，船首方位，波浪荷重などの応答出力には実運行を想定した運航限界（ペナルティ）が与えられている。実海域性能シミュレーションモデルでは、船体の操縦運動は定常状態としており、船体の舵角と横流れ角とが、横流れ角による船体流体力と外乱による横力との平衡条件を満たすように求められる。また、船体の馬力増加若しくは船速低下は、外乱による抵抗増加と推進器と主機の特性に基づいて算出される。そして、端末装置７は、この実海域性能シミュレーションモデルを用いて、船舶２の負荷条件（主機出力，推進器回転数，トルク，船速）と針路条件（ウェイポイントＷＰの位置，真針路）を選択しながら、例えば、図１２Ａに示すような船体抵抗増減分布（シーマージン分布）を示す短期応答曲面、波浪荷重分布の短期応答曲面、および図１２Ｂに示すような上下加速度分布を示す短期応答曲面などの実海域性能情報を算出する。図１２Ａに示される船体抵抗増減分布を示す短期応答曲面は、入射波向き（Direction）および波周期（Period）を変数とした単位波高あたりの船体抵抗増減（dR）を表している。また、図１２Ｂに示される上下加速度分布を示す短期応答曲面は、入射波向き（Direction）および波周期（Period）を変数とした単位波高あたりの船体の上下加速度（Accl_Z）を表している。なお、船体抵抗増減、波浪荷重、および上下加速度は、いずれも（入射波向き、波周期、波高、船速、排水量、トリム）の関数となる。

また、計画航路策定装置４は、気象及び海象予報を供給する気象予報会社などに設置された気象海象予報装置８からインターネット等の通信手段を介して船舶２が航行する海域の気象海象予測情報の供給を受け、この気象海象予測情報を蓄積する気象海象予測データベース７２を備えている。気象海象予測情報は、気象予報および海象予報を含んでおり、例えば、図１３Ａに示すような８〜１０日先までの６時間間隔の海象の時空マップ、図１３Ｂに示すような波高予測海域面上分布、図１３Ｃに示すような波高分布予測の時系列表である。海象の時空マップは、船舶２が航行する海域がメッシュで細分化され、そのメッシュ上の各ポイントの海流，波高，風速，潮汐の状況などの情報を含んでいる。

さらに、計画航路策定装置４は、取り扱う各船舶の性能情報（例えば、抵抗・推進性能情報，復原性能情報，耐航性能情報，操縦性能情報など）を格納した個船性能データベース７３を備えている。これに加え、計画航路策定装置４は、航海周辺海図と、航海周辺海域の潮流水温統計情報を格納した潮流水温統計データベース７４、および航海周辺海域の水深情報を格納した水深データベース７５を備えている。

そして、計画航路策定装置４のウェザールーチング機能は、各データベースから読み出した船舶２が航行する海域の実海域性能情報、気象海象予測情報および船舶２の性能情報と、船上の監視装置５から定期的に配信される自船位置情報、運航性能情報および実遭遇海象情報等とに基づいて、ウェザールーチングの技術を利用して出発点Ｘ₀から到着点Ｘ_fまでの最適な航路（計画航路Ａ）を探索し、探索した計画航路Ａを計画航路策定装置４が備える記憶手段４ａに格納する。このように探索された計画航路Ａは、１日数回若しくは操船装置３からの要求に応じて、陸上の計画航路策定装置４から船上の操船装置３へ船陸間通信システム９を介して配信される。

（監視装置５）
監視装置５は、監視プログラムを実行することによって監視装置５として機能するコンピュータを利用して構成されている。図２に示すように、監視装置５には、船舶２の運航性能並びに実遭遇海象を示す各種数値を測定するための各種測定器や計器類が接続されている。監視装置５には、船舶２の航海中の運航性能を測定するために、位置計測器、方位角計測器、船舶２の喫水を計測する喫水標などの喫水測定器、船体姿勢（トリム角）を測定する船体姿勢測定器、主機の出力を検出する主機出力検出器、推進器１７のプロペラシャフトの回転数を測定する回転数測定器、推進器１７のプロペラシャフトのトルクを検出するトルク検出器および船速を測定する船速計など（いずれも図示略）が接続されている。上記位置計測器および方位角計測器は、操船装置３が備える位置計測器１３および方位角計測器１４と兼用されていてよい。これらの各種測定器や計器類により、船舶２の航海中の実際の喫水、船体姿勢、主機出力、回転数、トルク、船速、方位角および位置（船位）などを計測することができる。これらの船舶２の航海中に計測された運航性能を示す各種情報は、監視装置５が備える運航性能データベース５ａに運航性能情報として格納される。なお、運航性能データベース５ａに格納される運航性能情報は、監視装置５が各種測定器や計器類から取得した各種生データを解析（一次処理）したものであってよいし、生データと解析されたデータの双方であってもよい。運航性能データベース５ａに格納された運航性能情報は、操船装置３で短期計画航路Ｂを策定するために利用される。

一方、監視装置５には、船舶２の航海中の遭遇海象を測定するために、風量計、波浪計および温度計など（いずれも図示略）を備えた波浪計測器１８が接続されている。これにより、船舶２が航海中に実際に遭遇している風速、風浪、うねり、風向、水温および気温などを計測することができる。これらの船舶２の航海中に計測された実遭遇海象情報は、監視装置５が備える実遭遇海象データベース５ｂに格納される。実遭遇海象情報は、後述する操船装置３の実遭遇海象推定部２７で解析されて、操船装置３で短期計画航路Ｂを策定するために利用される。また、自船位置情報（方位角情報および位置情報）、運航性能情報の圧縮データおよび実遭遇海象情報の圧縮データは、監視装置５から陸上に配置された計画航路策定装置４へ船陸間通信システム９を介して定期的に自動配信される。

（操船装置３）
操船装置３は、図２にも示すように、位置計測器１３、方位角計測器１４、航路情報入力器１５、制御器１６、推進器１７および航路情報取得器１９などを備えている。操船装置３は、船舶２を設定された航路に沿って航行させるための操船条件（船速と船首方位角）を決定し、その操船条件に見合う船速と船首方位角が得られるように推進器１７の制御を行う。

位置計測器１３は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）技術を利用して船舶２の船位を計測する手段である。位置計測器１３は、ＧＰＳ衛星６からの信号をＧＰＳ受信機で受け取って現在の自船位置を計測し、得られた自船位置情報を制御器１６へ出力する。方位角計測器１４は、例えばジャイロコンパスを備えており、船舶２の船首が向く方位を計測して得られる方位角情報を制御器１６へ出力する。

航路情報入力器１５は、コンピュータに接続されたディスプレイ、マウス、キーボード等から成るＨＭＩ（Human Machine Interface）で構成されている。航路情報入力器１５は、船舶２の航路に関する情報その他の情報のオペレータによる外部入力を受け付け、また、入力された情報又は内部に記憶された情報を制御器１６へ出力する。

航路情報取得器１９は、通信衛星を利用した船陸間通信システム９を用いて計画航路策定装置４と情報を送受信できるように構成されたコンピュータである。航路情報取得器１９は、計画航路策定装置４から取得した情報の記憶手段として、計画航路Ａに関する情報を格納する計画航路データベース１９ａ、気象海象予測情報を格納する気象海象予測データベース１９ｂ、船舶が航海する海域の気象海象統計情報を格納する気象海象統計データベース１９ｃなどを備えている。航路情報取得器１９は、計画航路策定装置４に対して航路演算実行指令と現在時刻から適当な時間先の船舶２の予測船位とを送信するとともに、計画航路策定装置４から配信される計画航路Ａおよび気象海象予測情報などを受信して各データベースに格納する。データベースに格納されている計画航路Ａの情報、気象海象予測情報および気象海象統計情報は、制御器１６により読み出されて用いられる。

推進器１７は主推進器２１および舵２２を含む複数のアクチュエータを備えている。これらのアクチュエータ２１，２２は、制御器１６から入力された動作指令に従って動作する。船舶２は、これらのアクチュエータ２１，２２の駆動により、任意の二次元方向への移動や旋回が可能である。なお、推進器１７は、上記に限定されることなく異なる種類及び数のアクチュエータを用いて実現されていてもよい。

制御器１６は、ＣＰＵ６１、入出力インターフェース６２、並びに、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等から成る記憶部６３等を備えたコンピュータで構成されている。記憶部６３は、コンピュータプログラムや、その他演算に必要な各種情報を格納している。制御器１６は、ＣＰＵ６１が記憶部６３に格納された所定のコンピュータプログラムを実行し入出力インターフェース６２を介して入力された各種情報を利用して演算処理を行うことにより、図３に示すように、実遭遇海象推定部２７、短期計画航路策定部２８、および操船部２９として機能することができる。操船部２９には、船速制御部２９Ａおよび方位制御部２９Ｂが含まれている。

実遭遇海象推定部２７は、監視装置５でモニタリングされた実遭遇海象情報５４を取得し、この実遭遇海象情報と気象海象統計情報とを用いて時系列解析することにより、現在から近未来（例えば、数時間先）までに船舶２が航路周辺海域で遭遇する海象を推定する。この推定された海象を、以下「推定遭遇海象」という。この推定遭遇海象情報５６には、現在の船位近傍の測定又は推定された外乱要件（風向風速，風浪，うねり，海流，水温，気温，水深および船体推進器汚染状況など）が含まれている。このようにして実遭遇海象推定部２７により生成された推定遭遇海象情報５６は、実遭遇海象推定部２７が備える記憶手段２７ａに記憶される。推定遭遇海象情報５６は、短期計画航路策定部２８が短期計画航路Ｂを策定するために利用されるため、少なくとも時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔまでの推定遭遇海象を含む情報であればよい。このように、船舶２が実際に遭遇している海象を船上で観測して得た実遭遇海象情報に基づいて、近未来に遭遇する海象を推定（予測）することによれば、配信される気象海象予測情報と比較してより現実に近い遭遇海象に関する情報を得て、より的確な短期計画航路Ｂの策定を行うことが可能となる。

短期計画航路策定部２８は、航路情報入力器１５から取得したルート情報と、航路情報取得器１９から取得した計画航路Ａと、実遭遇海象推定部２７から取得した推定遭遇海象情報５６と、監視装置５から取得した船舶２の運航性能情報５７と、船舶２の船体運動モデル５５と、方位角計測器１４から取得した方位角情報５９と、位置計測器１３から取得した位置情報５８とに基づいて、短期計画航路Ｂを策定する。船舶２の船体運動モデル５５は、制御器１６が備える記憶部６３に格納されている。なお、制御器１６は、位置情報５８を位置計測器１３から、方位角情報５９を方位角計測器１４からそれぞれ取得しているが、位置計測器１３から取得した位置情報５８および方位角計測器１４から取得した方位角情報５９等に基づく船舶２の状態量（この状態量は推定値である。）を制御器１６へ出力するオブザーバを備えても良い。

短期計画航路策定部２８により策定された短期計画航路Ｂは、短期計画航路策定部２８が備える記憶手段２８ａに記憶される。策定された短期計画航路Ｂには、最適航路と最適操船条件が含まれている。操船条件には船速（又は、主機出力若しくは推進器回転数）と船首方位角（又は舵角）が含まれている。さらに、短期計画航路策定部２８は、最適な短期計画航路Ｂに基づいて船速制御部２９Ａに船速指令を出力するとともに、方位制御部２９Ｂに船首方位角指令を出力する。

船速制御部２９Ａは、短期計画航路策定部２８から入力された船速指令と船速情報とに基づき推進器１７の主推進器２１へ推進器動作指令を出力する。船速制御部２９Ａは、公知の一般的な船速制御装置を制御器１６に組み合わせて機能させることもできる。また、方位制御部２９Ｂは、短期計画航路策定部２８から入力された船首方位角指令と方位角情報とに基づき、推進器１７の舵２２へ舵動作指令を出力する。方位制御部２９Ｂは、公知の一般的なオートパイロット装置を制御器１６と組み合わせて機能させることもできる。

（計画航路Ａの策定方法）
続いて、計画航路策定装置４のウェザールーチング機能による計画航路Ａの策定の方法について説明する。以下では、ウェザールーチングの技術を用いた最適計画航路の策定方法の一例を説明する。但し、計画航路策定装置４により供給される計画航路Ａの策定方法はこれに限定されるものではない。

計画航路策定装置４には、航路策定のためにウェザールーチングを行うシミュレーションモデルが構築されている。このウェザールーチングのシミュレーションモデルには、燃費の最小化だけでなく、主機出力制限、安全運航を考慮した運航限界などの制約条件が含まれ、船速の自然減だけでなく荒天回避などの意識的減速もモデル化して組み込まれている。実際の航路策定においては、出発点Ｘ₀から到着点Ｘ_f（到着港の位置）までの間に複数の航路が提案されており、その中からミュレーションにより最適な航路を選択することとなる。策定された「最適」な計画航路Ａは、次に示す数式１で示される第２評価関数Ｊ^WRを最小にする。第２評価関数Ｊ^WRは、船舶２の運動，加速度，主機負荷などに運航限界があるため、それらによるペナルティ関数を含んでいる。

（数式１）

数式１において、燃料消費量ＦＯＣは、遭遇した海象条件での船速Ｖ_sと船首方位角φ_sを制御変数とする関数として与えられ、ｘ_iは加速度などの運航限界に対応する短期応答、Ｐ(ｘ_i)はその応答に対するペナルティ関数、ｗ_iは重み係数、Ｔ₀は出発時刻、Ｔ_fは到着時刻である。さらに、数式１には終端拘束条件として、次に示す数式２の条件が与えられる。数式２において、Ｘは或時刻ｔでの自船位置、Ｘ_fは到着点、Ｔ_fは到着時刻である。

（数式２）

また、数式１に付加される主機出力制限は、次に示す数式３で与えられる。数式３において、主機出力制限ＢＨＰ_LIMITは、回転数ＲＰＭの関数として与えられ、そのときの出力ＢＨＰがそれ以下となるように相当する回転数ＲＰＭに下げられて減速されることとなる。

（数式３）

実際のシミュレーションでは、実用上の観点から計算の高速化を図るために最適化の手法としてＤＰ法（動的計画法）を採用し、主機出力制限を受ける出力一定での最短時間航路探索法を採用してもよい。この場合、最適法の原理に基づいて、航路海域を細分化したウェイポイントＷＰをノードとして到着点Ｘ_fを始点とした逆方向に最適解を探索する後進型関数再帰方程式を利用することができる。後進型関数再帰方程式は、次に示す数式４で与えられる。

（数式４）

数式４において、ｆ_iはｉ番目のウェイポイントＷＰ_iまでの第２評価関数Ｊ^WRの最小値である。また、ｇ_iは（ｉ−１）番目のウェイポイントＷＰ_i-1からｉ番目のウェイポイントＷＰ_iまでの評価関数であって、次に示す数式５で与えられる。数式５において、ｌ_iは（ｉ−１）番目のウェイポイントＷＰ_i-1とｉ番目のウェイポイントＷＰ_iとの間の距離であり、Ｖ_siはその間の船速であって遭遇海象と主機出力制限で決まる値である。また、Ｐ(ｘ_k)はその応答に対するペナルティ関数であり、ｗ_kは重み係数である。

（数式５）

また、上記ウェザールーチングで導き出された最適航路に対応する最適船速配分は、上述の最適航路を求める手法と同様に数式４と、上記数式５に代えて数式６とを用いて求められる。但し、これには、数式７に示す定時性条件が付加される。数式６において、燃料消費量ＦＯＣ_iは、遭遇した海象条件での船速Ｖ_siを制御変数とする関数として与えられ、ｘ_iは加速度などの運航限界に対応する短期応答であり、Ｐ(ｘ_i)はその応答に対するペナルティ関数であり、ｗ_iは重み係数である。また、数式７において、Ｔ₀は出発時刻であり、Ｔ_fは到着時刻であり、ｌ_iは（ｉ−１）番目のウェイポイントＷＰ_i-1とｉ番目のウェイポイントＷＰ_iとの間の距離である。

（数式６）

（数式７）

（最適操船制御方法および短期計画航路Ｂの策定方法）
ここで、上記構成の操船制御システム１による最適操船制御の方法について説明する。操船装置３の実遭遇海象推定部２７は、前述の通り、監視装置５でモニタリングされた実遭遇海象から、現在から近未来の航路周辺海域での遭遇海象を推定する。しかし、この推定遭遇海象と計画航路策定装置４から配信された気象海象予測情報とは必ずしも一致しない。なぜなら、気象海象予測情報は、例えば１日１〜２回の割合で配信され、その配信スパンの間に海の状況が急速に変化したり船舶２が計画航路Ａから外れて航行したりするからである。従って、気象海象予測情報に基づいて策定された計画航路Ａは必ずしも最適な航路を示すこととはならない。

そこで、操船装置３は、より最適な航海を行うために、船舶２が実際に遭遇する海象により近い推定遭遇海象と、ウェザールーチングによる計画航路Ａとを連動させた操船制御を行う。このために、操船装置３の短期計画航路策定部２８は、船舶２の実遭遇海象に基づく推定遭遇海象情報５６、運航性能情報５７、船舶の船体運動モデル５５および計画航路Ａに基づいて、短期計画航路Ｂをシミュレーションにより策定する。短期計画航路Ｂには、現在時刻ｔからＴ時間先までの最適航路とその航路を航行するときの最適操船条件が含まれている。そして、短期計画航路Ｂに含まれる操船条件に基づき、短期計画航路策定部２８は、船速制御部２９Ａに対して船速指令を出すとともに、方位制御部２９Ｂに対して船首方位角指令を出す。

図５に示すように、短期計画航路策定部２８は、現在時刻ｔの自船位置を始端位置Ｐ_tとし、現在時刻ｔからＴ時間未来の時刻ｔ＋Ｔに船が居るべき計画航路Ａ上の位置（計画位置Ａ_t+T）を目標位置に設定する。そして、短期計画航路策定部２８は、現在時刻ｔからＴ時間未来までの船舶２の挙動を、終端時間固定且つ終端位置（状態量）自由の問題としてシミュレーション予測して、短期航路を探索する。このシミュレーションでは、例えば、ＲＨ（Receding Horizon）法などに基づき、予め設定された船体運動モデルを用いて演算を行う。なお、ＲＨ法とは、各サンプル時刻において有限時間未来を予測し、応答を最適化する制御系設計手法のことである。ここで、探索される短期航路（短期計画航路Ｂ）の終端位置Ｐ_t+T（即ち、時刻ｔ＋Ｔの自船位置）は、計画航路Ａに拘束されず、計画位置Ａ_t+Tからのズレが許容されている。このように、短期計画航路Ｂには計画航路Ａの変更を許容する自由度が与えられているので、短期計画航路Ｂの終端位置Ｐ_t+Tは計画航路Ａから外れることもできる。よって、例えば、始端位置Ｐ_tが計画航路Ａから外れることにより既に最適ではなくなった場合には、船舶２の船位を計画航路Ａ上へ戻す必要がなくなり、航路を計画航路Ａ上へ戻すときのロスを解消することができる。

そして、短期計画航路策定部２８は、上述のように探索された短期航路のうち、数式８に示す第１評価関数Jが最小となるものを最適な短期計画航路Ｂとする。第１評価関数Jは、第１の要素Ｊ₁と、第２の要素Ｊ₂とで構成されている。第１評価関数Jの第１の要素Ｊ₁は、船舶２が始端位置Ｐ_tから終端位置Ｐ_t+Tまでの航路を航行するときの、燃料消費指標と、船体動揺の大きさなどの安全性指標（運航限界）とを含んでいる。第１評価関数Jの第２の要素Ｊ₂は、計画位置Ａ_t+Tと終端位置Ｐ_t+Tとの偏差の影響を示す指標を含んでいる。

（数式８）

数式８において、第１の要素Ｊ₁を表す関数Ｆ_１は、第２評価関数Ｊ^WRと同じように計算することができる。つまり、第１評価関数Jの第１の要素Ｊ₁は、例えば、外乱条件から定まる船体抵抗増減分布（シーマージン分布）や波浪荷重分布などから計算することができる。一例として、第１評価指標Ｊの第１の要素Ｊ₁は、現在の始端位置Ｐ_tから終端位置Ｐ_t+Tまで航行したときの、燃料消費量と船体動揺の加重平均とすることができる。

一方、第１評価関数Jの第２の要素Ｊ₂は、第２評価関数Ｊ^WRからの変動分を示している。即ち、評価関数Jの第２の要素Ｊ₂は、計画航路Ａから短期計画航路Ｂへ航路がズレること（或いは、計画位置Ａ_t+Tが終端位置Ｐ_t+Tに変位すること、又は、計画位置到達時刻がズレること）の影響（ロス）を表している。第１評価関数Jの第２の要素Ｊ₂を表す関数Ｆ_２は、時刻ｔ＋Ｔに計画航路Ａ上において船舶２がいるべき計画位置Ａ_t+Tと終端位置Ｐ_t+Tとの偏差をパラメータに含んでおり、この偏差に課されるペナルティ関数である。このような第２の要素Ｊ₂が第１評価関数Ｊに含まれることにより、計画航路Ａを変更するデメリットと、実際に船舶２が遭遇する気象および海象に基づいて燃費や安全性指標を最適とする航路を航行することのメリットとのトレードオフが可能となる。さらに、このトレードオフを容易とするために、第２の要素Ｊ₂にその値の大きさに応じた重みを付与するようにして、第２の要素Ｊ₂の値の大きさ自体を第１評価関数Ｊの評価に含めるようにしてもよい。

図５に示すように、計画航路Ａ上の計画位置Ａ_t+Tから終端位置Ｐ_t+Tまでのズレ量ｄTは、計画航路Ａの進行方向の成分ｄT_xと計画航路Ａの進行方向と直交する成分ｄT_yで表される。数式９に示されるように、関数Ｆ_２は、これらの成分ｄT_xと成分ｄT_yの関数である。関数Ｆ_２は、成分ｄT_xの関数ｍ(ｄT_x)と成分ｄT_yの関数ｎ(ｄT_y)との和として表されている。ここで成分ｄT_xの関数ｍ(ｄT_x)は、到達時間が変更したことによる計画航路Ａの第２評価指標Ｊ^WRからの増加分を意味する。また、成分ｄT_yの関数ｎ(ｄT_y)は、航路がズレたことによる第２評価指標Ｊ^WRからの増加分を意味する。このように、第１評価関数Jの第２の要素Ｊ₂は、第２評価指標Ｊ^WRからの変動分（増加分又は悪化分）を意味している。

（数式９）

第１評価関数Jの第２の要素Ｊ₂は、様々な観点から算出することができる。そこで、数式９では、第２の要素Ｊ₂を表す関数Ｆ_２を、数式９−１に示す例１（ex.1）、数式９−２に示す例２（ex.2）、および数式９−３に示す例３（ex.3）にそれぞれ例示している。

（数式９−１）
数式９−１に示す例１において、関数Ｆ_２は、重み係数ｗ_xと成分ｄT_xの二乗との積と、重み係数ｗ_yと成分ｄT_yの二乗との積と和として表されている。

（数式９−２）
また、数式９−２に示す例２において、関数Ｆ_２は、重み係数ｗ_xと成分ｄT_xとその絶対値|ｄT_x|との積と、重み係数ｗ_yと成分ｄT_yの二乗との積との和として表されている。

（数式９−３）
また、図６に示すように、計画航路Ａを探索するときに計画航路Ａを基準として終端位置Ｐ_t+Tと同じ側であって計画航路Ａの近傍を通る航路Ａ’の第２評価指標Ｊ^WR’が検討されており、計画航路Ａ上のウェイポイントＷＰから航路Ａ’上のウェイポイントＷＰ’までのズレ量ｄ’、ズレ量ｄ’の計画航路Ａ方向の成分ｄ_x’、およびズレ量ｄ’の計画航路Ａ方向と直交する成分ｄ_y’がわかっている場合には、数式９−３に示す例３に則って、第２の要素Ｊ₂を演算することができる。例３において、関数Ｆ_２は、{航路Ａ’の第２評価指数Ｊ^WR’と計画航路Ａの第２評価指数Ｊ^WRとの差}と、｛成分ｄ_x’をズレ量ｄ’で割った商と成分ｄT_xとの積の絶対値に重み係数ｗ_xをかけた値と成分ｄ_y’をズレ量ｄ’で割った商と成分ｄT_yとの積の絶対値に重み係数ｗ_yをかけた値との和｝との積として表されている。

さらに、図７に示すように、船舶２が航海する海域がメッシュで細分化され、そのメッシュの交点（以下、メッシュ点５１という）を始点とする到着点（到着港の位置）までの燃料消費量（以下、「残存評価値」という）が予測されている場合にも、数式９−３に示す例３に則って第２の要素Ｊ₂を演算することができる。なお、海域を仮想的に区切るメッシュは、前述の海象の時空マップと同様に設定されている。この場合に、計画航路Ａ上の計画位置Ａ_tと、この計画位置Ａ_t近傍の複数のメッシュ点５１の残存評価値は、計画航路策定装置４から操船装置３へ送信される。そして、操船装置３の短期計画航路策定部２８は、取得した計画航路Ａ上の計画位置Ａ_tと、この計画位置Ａ_t近傍の複数のメッシュ点５１の残存評価値と、これに加えて現在時刻ｔの運航性能および状態量（自船位置，船首方位，船速，外乱など）に基づいて、Ｔ時間先（時刻ｔ＋Ｔ）までの短期計画航路を探索し、これを第１評価指標Ｊで評価する。この短期計画航路の探索において、船舶２は計画航路Ａの近傍を航行していると仮定し、終端位置Ｐ_t+Tの探索範囲は、計画位置Ａ_tの近傍であってメッシュ点５１が存在する範囲に制限される。そして、探索された短期計画航路を第１評価指標Ｊを用いて評価し、第１評価指標Ｊ（＝Ｊ₁＋Ｊ₂）が最小となる航路を短期計画航路Ｂとする。ここで、Ｔ時間後の計画位置Ａ_t+Tを終端位置Ｐ_t+Tに変更したときの残存評価量の増減を第１評価指標Ｊの第２の要素Ｊ₂とする。例えば、第２の要素Ｊ₂は、終端位置Ｐ_t+Tを包括し且つこの終端位置Ｐ_t+Tに隣接する４点のメッシュ点５１（図７において、符号５２で示される範囲に含まれるメッシュ点）の残存評価量の加重平均とすることができる。

なお、例１（数式９−１），例２（数式９−２），例３（数式９−３）の各数式に含まれる重み係数ｗ_x，ｗ_yは、終端位置Ｐ_t+Tから後段の航海への関わりで変化する数である。前述の通り、第１評価指標Ｊは、変動分を示す第２の要素Ｊ₂を含むことで、時刻ｔ＋Ｔにおいて船舶２が計画位置Ａ_t+Tではなく終端位置Ｐ_t+Tにいることによる後段の航海への影響が考慮されたものとなっている。時刻ｔ＋Ｔが到着時刻Ｔ_fに近づくほど残りの航海距離が少なくなり、計画位置Ａ_t+Tから終端位置Ｐ_t+Tのズレの影響は大きくなる。そこで、重み係数ｗ_x，ｗ_yは、時刻ｔ＋Ｔが到着時刻Ｔ_fに近づくほど、或いは、計画位置Ａ_t+T又は終端位置Ｐ_t+Tが到着点Ｘ_fに近づくほど、残りの航行距離の大きさに反比例して重みが大きくなるように定められている。

上記のように第１評価指標Jを最適とする（最小とする）短期計画航路Ｂは、燃料消費量を最小とするような航路であることが基本原則である。この基本原則に加え、波やうねり等の外乱による船体動揺の低減も加味した最適航路を短期計画航路Ｂとすることもできる。この場合、船体動揺の低減を重視するような設定が操船装置３へ航路情報入力器１５により入力される。具体例として、船体動揺低減のウエイトが短期計画航路策定部２８の演算パラメータの一つとして設けられており、このウエイトの初期値はゼロであり、船体動揺の低減を重視させる場合にこのウエイト値を増大させる。船体動揺低減のウエイトが０より大きい場合には、操船装置３の短期計画航路策定部２８は、波やうねりによる船体動揺を予測し、基本原則である燃料消費量の削減に加えて船体動揺の低減を実現する、現在時刻ｔからＴ時間先までの短期計画航路を探索する。ここで、風，潮流，波，うねりなどの外乱は、現在時刻ｔからＴ時間先まで一定であると仮定すると演算が単純となる。

上記のように算出された短期計画航路Ｂの終端位置Ｐ_t+Tは、計画航路Ａを更新するときの予測船位として利用される。即ち、操船装置３の航路情報取得器１９は、計画航路策定装置４に対して定時的に現在位置から適当な時間先の位置（予測船位）を航路演算実行指令と共に送信するが、この予測船位に短期計画航路Ｂの終端位置Ｐ_t+Tが採用される。これにより、図８及び図９に示すように、航路情報取得器１９が計画航路策定装置４から受け取る予測船位からの新たな計画航路Ａは、終端位置Ｐ_t+Tから到着点Ｘ_fまでの最適な航路となる。このようにして、計画航路Ａが実際の航行に応じて補正されつつ航海が行われることとなり、計画航路Ａから外れた航路を航行する船舶２は、航路が計画航路Ａから外れることにより計画航路Ａ既に最適ではなくなった場合に計画航路Ａ上へ戻る必要はなく、計画航路Ａ上に戻るためのロスが解消されることとなる。

（操船制御の流れ）
ここで、図１０および図１１を用いて、操船制御システム１により行われる操船制御の流れを説明する。図１０は操船装置の操船制御のフローチャート、図１１は操船装置の動作のタイムチャートである。

まず、ウェザールーチングに利用される気象海象予測情報が配信され、計画航路策定装置４はこれを受信し、気象海象予測情報を気象海象予測データベースに格納するとともに、船陸間通信システム９を介して操船装置３へ送信する（ステップＳ１）。気象海象予測情報は、１２時間（又は２４時間）といった所定時間間隔で定時に配信される。

操船装置３の航路情報取得器１９は、現在時刻から適当な時間（例えば、１時間）先の船舶２の予測船位と航路演算実行指令とを、船陸間通信システム９を介して計画航路策定装置４へ送信する（ステップＳ２）。この航路演算実行指令の送信は、気象海象予測情報の配信時刻に合わせた定時刻、ウォッチの交代サイクルに合わせた４時間毎、予定到着時間又は／および到着点（到着港）の変更があったとき、或いは計画航路Ａと自船位置との距たりが定められた以上に大きくなったときなどに行われる。

航路演算実行指令を受信した計画航路策定装置４は（ステップＳ３）、そのウェザールーチング機能で、実海域性能情報および航海海域の気象海象予測情報に基づき、予測船位を始点として予定された到着時刻Ｔ_fに到着点Ｘ_fに到着するような最適な計画航路Ａ（最適航路と最適船速配分）を策定する（ステップＳ４）。続いて、計画航路策定装置４は、策定された新たな計画航路Ａを、船陸間通信システム９を介して操船装置３へ送信する（ステップＳ５）。計画航路Ａを受信した操船装置３の航路情報取得器１９は（ステップＳ６）、これを計画航路データベース１９ａに格納する。

計画航路Ａを受信した操船装置３では、の短期計画航路策定部２８が短期計画航路Ｂを策定し（ステップＳ７）、操船部２９がこの短期計画航路Ｂを航行すべく操船制御を行う（ステップＳ８）。短期計画航路Ｂは、実遭遇海象推定部２７が実遭遇海象から推定した推定遭遇海象と計画航路Ａとに基づいて算出された、現在位置から短期間の最適航路と最適操船条件（船速と船首方位角）である。この短期計画航路Ｂの策定と操船制御は、数分から２０分程度の比較的短いインターバルで繰り返し行われることが望ましい。この場合、実際の遭遇海象に基づく最適な短期計画航路Ｂは、船上において実時間（リアルタイム）で計算されることとなり、現行のウェザールーチングでは難しかった実際の遭遇海象や喫水などの船体状態に対応した的確な操船制御が可能となり、操船者の負担低減だけでなく操船者のスキルに依らない低燃費且つ安全な航行が可能となる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。

例えば、上記実施の形態に係る操船制御システム１では、短期計画航路Ｂを策定する短期計画航路策定部２８は、船舶２に搭載された操船装置３に設けられている。但し、短期計画航路Ｂを算出する短期計画航路策定部２８としての機能を陸上に設けることもできる。この場合、図１４に示すように、実遭遇海象推定部２７と短期計画航路策定部２８としての機能を備えた短期計画航路策定装置４１を陸上に設ける。短期計画航路策定装置４１と計画航路策定装置４は有線又は無線の通信手段を介して、情報の送受信可能に接続されている。なお、計画航路策定装置４と短期計画航路策定装置４１は、一体的に構成されていても良い。また、短期計画航路策定装置４１と船舶２に搭載された操船装置３および監視装置５とは、船陸間通信システム９を介して情報を送受信可能に構成されている。計画航路策定装置４から短期計画航路策定装置４１へは、計画航路Ａ、運航性能情報５７、位置情報５８、方位角情報５９および実遭遇海象情報５４が伝達される。運航性能情報５７、位置情報５８、方位角情報５９および実遭遇海象情報５４は、船舶２上の監視装置５から計画航路策定装置４へ送信されたものである。なお、監視装置５から短期計画航路策定装置４１へ直接に運航性能情報５７、位置情報５８、方位角情報５９および実遭遇海象情報５４が送信されるように構成してもよい。短期計画航路策定装置４１の実遭遇海象推定部２７は、実遭遇海象情報５４を用いて推定遭遇海象情報５６を生成する。そして、短期計画航路策定装置４１の短期計画航路策定部２８は、計画航路Ａ、推定遭遇海象情報５６、運航性能情報５７、位置情報５８、方位角情報５９および船体運動モデル５５を用いて、短期計画航路Ｂを策定する。策定された短期計画航路Ｂには、この最適な短期航路を航行するための船速と船首方位角とが含まれている。この船速指令と船首方位角指令とは、船陸間通信システム９を介して操船装置３へ伝達される。操船装置３の操船部２９では、船制御部２９Ａが船速指令に基づいて推進器動作指令を推進器１７へ出し、方位制御部２９Ｂが船首方位角指令に基づいて舵動作指令を推進器１７へ出す。このようにして、船舶２は最適な短期計画航路Ｂに沿って航行を行うことができる。

本発明は、船舶の最適な操船を行う装置だけでなく、船舶の最適な航行を支援するための装置としても利用することができる。

１ 操船制御システム
２ 船舶
３ 操船装置
４ 計画航路策定装置
５ 監視装置
１３ 位置計測器
１４ 方位角計測器
１５ 航路情報入力器
１６ 制御器
１７ 推進器
１８ 波浪計測器
１９ 航路情報取得器
２１ 主推進器
２２ 舵
２７ 実遭遇海象推定部
２８ 短期計画航路策定部(短期計画航路策定手段)
２９ 操船部(操船手段)
２９Ａ 船速制御部
２９Ｂ 方位制御部

Claims (16)

1. 船舶の航路を最適化する操船制御方法であって、
   前記船舶が航海中に遭遇する海象を船上で計測して得た実遭遇海象情報と海象統計情報とに基づいて現在の第一時刻から近未来の第二時刻までの航路周辺海域での推定遭遇海象情報を得るステップと、
   前記船舶の航海中の運航性能を船上で計測して運航性能情報を得るステップと、
   気象海象予測情報と船舶の性能情報とに基づいて前記船舶が始点から到着点までを航海するように策定された計画航路と、前記推定遭遇海象情報と、前記運航性能情報と、前記船舶の船体運動モデルとに基づいて、前記第一時刻の船位である始端位置から前記第二時刻の船位である終端位置までの航路であって且つ第１評価関数を最適な値とする短期計画航路を策定するステップとを含み、
   前記第１評価関数は、前記計画航路において前記第二時刻に計画された船位である計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標と、前記短期計画航路を航行するときの燃料消費指標と、前記短期計画航路を航行するときの安全性指標とを含む、操船制御方法。
2. 前記短期計画航路を航行するための操船条件を算出するステップと、前記操船条件で前記船舶を操船制御するステップとを更に含む、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
3. 前記短期計画航路の前記終端位置を新たな始点として、前記到着点までの新たな計画航路を策定するステップを更に含む、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
4. 前記短期計画航路を策定するステップにおいて、前記始端位置と前記計画位置とを通る目標航路を設定し、前記目標航路上において終端時間固定且つ終端状態量自由として前記第一時刻から前記第二時刻までの短期計画航路を探索する、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
5. 前記計画航路は或第２評価関数を最適とするように策定されており、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記第２評価関数からの変動分を表している、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
6. 前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差を表している、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
7. 前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差量の前記計画航路の進行方向の成分の関数である第一関数と、前記偏差量の前記計画航路の進行方向と直交する成分の関数である第二関数とを含む、請求の範囲第１項に記載の操船制御方法。
8. 前記第一関数と前記第二関数とは、それぞれに重み係数が付与されており、これらの重み係数は、前記終端位置から前記到着点までの航行距離との関係で変化する関数である、請求項７に記載の操船制御方法。
9. 船舶が始点から到着点までを航海するように、気象海象予測情報と前記船舶の性能情報とに基づいて策定された計画航路と、
   前記船舶が航海する海域の海象統計情報と前記船舶が実際に遭遇した海象情報とに基づいて推定された、航海中の第一時刻から近未来の第二時刻までの航路周辺海域での推定遭遇海象情報と、
   前記第一時刻までの航海中に計測された前記船舶の運航性能情報と、
   前記船舶の船体運動モデルと、
   前記計画航路、前記推定遭遇海象情報、前記運航性能情報および前記船体運動モデルに基づいて、前記第一時刻の船位である始端位置から前記第二時刻の船位である終端位置までの航路であって且つ第１評価関数を最適な値とする短期計画航路を策定するように構成された短期計画航路策定手段とを備え、
   前記第１評価関数は、前記計画航路において前記第二時刻に計画された船位である計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標と、前記短期計画航路を航行するときの燃料消費指標と、前記短期計画航路を航行するときの安全性指標とを含む、操船制御システム。
10. 前記操船制御システムは、前記船舶を操船する操船手段を備えており、
    前記短期計画航路策定手段は、前記操船手段が前記短期計画航路を航行するための操船条件を算出し、当該操船条件を前記操船手段へ提供するように構成されている、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
11. 前記操船制御システムは、前記計画航路を前記短期計画航路策定手段へ提供する計画航路策定手段を備えており、
    前記計画航路策定手段は、前記短期計画航路の前記終端位置を始点とする前記到着点までの新たな計画航路を策定し、当該新たな計画航路を前記短期計画航路策定手段へ提供するように構成されている、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
12. 前記短期計画航路策定手段は、前記始端位置と前記計画位置とを通る目標航路を設定し、前記目標航路上において終端時間固定且つ終端状態量自由として前記第一時刻から前記第二時刻までの短期計画航路を探索する、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
13. 前記計画航路は或第２評価関数を最適な値とするように策定されており、前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記第２評価関数からの変動分を表している、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
14. 前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との変動分の影響を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差を表している、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
15. 前記第１評価関数に含まれる前記計画位置と前記終端位置との偏差の変動分を示す指標は、前記計画位置と前記終端位置との偏差量の前記計画航路の進行方向の成分の関数である第一関数と、前記偏差量の前記計画航路の進行方向と直交する成分の関数である第二関数とを含む、請求の範囲第９項に記載の操船制御システム。
16. 前記第一関数と前記第二関数とは、それぞれに重み係数が付与されており、これらの重み係数は、前記終端位置から前記到着点までの航行距離との関係で変化する関数である、請求の範囲第１５項に記載の操船制御システム。