JP6694485B2 - 海洋観測ブイ - Google Patents

Description

本発明は、海洋の種々の情報を観測するための海洋観測ブイに関する。

海洋観測の例は多岐にわたる。例えば魚群探知機のように、漁場を探索することが知られている。また、海洋環境（波高、潮流の向き及び速さ、水温など）をリアルタイムでモニタリングすることがなされている。海洋観測ブイは、大別すると、係留型と漂流型が知られている。係留型の海洋観測ブイとしては、浮沈する観測用ブイによって海洋情報を測定することが知られている（例えば特許文献１参照）。

かかる海洋観測ブイは、海底に係留されているもので、定点観測に使用されるものである。したがって、広範囲の海域の海洋情報を取得する用途には不向きであった。また、漂流型の海洋観測ブイとして、特許文献２には、小型で簡単な構成の観測用ブイが記載されている。特許文献２に記載のものは、ＧＰＳ(Global Positioning System)受信機、観測
用センサ、コンピュータ（不揮発性メモリ）を備えた漂流体の構成である。

特開２０１３−１０３６７８号公報 特開２０００−２０５８５９号公報

特許文献２に記載の海洋観測ブイは、漂流させることで、海域の海洋情報を取得することができ、構成も簡単である。しかしながら、陸上との通信のための構成を有しないので、回収しない限り測定情報を得ることできず，リアルタイムのモニタリングができない問題があった。

また、漂流型の海洋観測ブイの航行は、潮流などに依存するもので、航行の進路を陸上から制御することができないものであった。したがって、予め設定した海域における海洋情報を取得することができない問題があった。なお、海洋観測ブイに動力源及び推進機関を搭載し、バッテリーなどの電源で自力で走行する構成も可能であるが、構成が複雑化し、コストが高くなる欠点がある。

したがって、本発明の目的は、簡単な構成でありながら、陸上との通信機能を備え、進路を制御することが可能な海洋観測ブイを提供することにある。

海流によって漂流するボード状の浮体と、
浮体に設けられた制御ユニット及び電源と、
浮体に設けられ、浮体の航行方向を変更する舵と、
浮体に設けられ、浮体を風と並行に移動させるためのスパンカーと、
浮体に設けられ、浮体を風下方向へ移動させるための風受け部と、
浮体に設けられた測位装置と、
測位装置により得られた位置データと識別データを衛星通信によって陸上側に送信し、陸上側において、位置データ、気象予報データ及び海況予測データに基づいて求められた、複数の海洋観測ブイを最適配置するための設定位置へ航行するための進路制御データを衛星通信によって受信する衛星通信部と、
進路制御データによって、舵、スパンカー及び風受け部を制御する制御部と、
水深及び水温を測定し、超音波により水深及び水温の測定データを送信可能なセンサーを昇降装置によって昇降させ、測定データを衛星通信部によって陸上側に送信する測定部とを備え、
測定部は、浮体に取り付けられた他の浮体内に超音波受信器と、通信部と、電源を有し、
超音波受信器によってセンサーからの測定データを受信し、
受信した測定データを通信部によって測定部に送信するようにした海洋観測ブイである。

本発明によれば、自然エネルギーによって漂流する構成であり、推進機関が不要で、簡単で低消費電力の構成とできる。しかも、進路制御部を備えているので、陸上からその進路を制御することができる。さらに、かかる海洋観測ブイを複数個使用し、所定の海域に予め設定した条件に合致する最適な配置で海洋観測ブイが位置するように制御できる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であっても良い。

図１は、本発明の海洋観測システムの一実施形態の概略の構成を示すブロック図である。 図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図２Ｄ及び図２Ｅは、本発明による海洋観測ブイの一実施形態の平面図、音響ブイの側面図、風受け板の部分拡大図、進路制御部の部分拡大図、センサー昇降装置の部分拡大図である。 図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、進路制御部の他の例を説明するための略線図である。 図４は、海洋観測ブイの制御部の構成を示すブロック図である。 図５は、測定動作の説明に使用するフローチャートである。 図６は、進路制御動作の説明に使用するフローチャートである。 図７は、海洋観測ブイの最適配置制御の説明に使用するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
本発明の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞

＜１．一実施の形態＞
「海洋観測システム」
図１は、海洋観測システムの一実施形態を示すものである。海洋観測ブイ１は、後述するように、無人・無動力の浮体であり、海流・海上風・海洋渦の自然エネルギーを利用して航行する。海洋観測ブイ１には、測位装置として、ＧＰＳ衛星３１からの信号を受信するＧＰＳ受信機が設けられ、また、通信衛星３２との双方向通信を行う衛星通信装置が設けられている。測位装置としては、ＧＰＳ以外の衛星測位システムを使用してもよい。海洋観測ブイ１からの海洋観測ブイ１に固有の識別データ及び位置データが通信衛星３２を介して陸上の送受信サーバー４１に送信される。

送受信サーバー４１は、例えばインターネット回線を通じてＡＩ(Artificial Intelligence）サーバー５１との通信を行う。ＡＩサーバー５１は、管理している全ての海洋観測ブイ１の位置データのサーバー５２、気象予報データのサーバー５３及び海況予測データのサーバー５４を備えている。位置データは、海洋観測ブイ１から送信されてきたデータである。気象予報データ及び海況予測データは、外部のデータベースから取得することができる。気象予報データには、将来の天候、風に関する情報（風力、風向き）などの情報が含まれている。海況予測データには、将来の潮流（速さ、向き）、海洋渦，波高、水温などの情報が含まれている。

ＡＩサーバー５１は、後述するように、これらの情報を基に、海洋観測ブイ１の位置を設定した位置となるように、海洋観測ブイ１の進路制御部（航行装置）を制御する制御信号を求め、求められた制御信号を衛星通信を介して海洋観測ブイ１に対して送信する。このように、陸上から海洋観測ブイ１の進路を制御することができる。

「海洋観測ブイの一例」
図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図２Ｄ及び図２Ｅを参照して海洋観測ブイ１について説明する。図２Ａは、海洋観測ブイ１の平面図である。海洋観測ブイ１は、ボード状の浮体２を有する。浮体２は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、スチロールなどの樹脂を発泡させた材料からなる。必要に応じて底部に錘を設けて安定させてもよい。

図２Ａの浮体２の上側を前面、その下側を後面、その左右を側面と便宜上称する。浮体２の両側面にコ字状の開口が形成され、各開口に対して測定部としての音響ブイ６ａ及び６ｂがそれぞれ取り付けられている。音響ブイ６ａ，６ｂは、図２Ｂに示すように、上面が透明又は半透明なケースで密閉されており、それ自身が漂流ブイとしての機能を有する。音響ブイ６ａ及び６ｂは、密閉ケース内に超音波受信器と、通信部と、電源を有する。二つの音響ブイ６ａ及び６ｂを設ける理由は、浮力のバランスをとることと、各音響ブイで異なる機能をもたせるためである。

一方の音響ブイ６ａは、既存の魚群探知機の機能と、センサー８からの超音波測定データを受信する機能を有する。他方の音響ブイ６ｂは、既存のものに比して高い分解能を有する魚群探知機の機能を有する。音響ブイ６ｂは、消費電力が大きいので、常時動作させずに、地上側のＡＩサーバー５１からの制御及び音響ブイ６ａで感知される魚群の大きさに応じて動作させる。例えば音響ブイ６ａによって魚群が探知された時に、その魚群に関するより詳細な情報（魚種、体長など）を知りたい場合に音響ブイ６ｂの魚群探知機が動作される。音響ブイ６ａ及び６ｂによって得られた測定データは、制御部に対して無線通信で送信される。

海洋観測ブイ１の浮体２には、進路制御部として次の３個の装置が備えられている。
第１の装置として、図２Ａ及び図２Ｄに示すように、浮体２の後面の切欠きに対して方向舵３が取り付けられている。海流・海洋渦の流れに対して、方向舵３を用いて、左右旋回することにより、航行方向を変更できる。

第２の装置として、図２Ａ及び図２Ｄに示すように、方向舵３のほぼ直上にスパンカー４が設けられる。スパンカー４を立てることにより海上風と並行に海洋観測ブイ１を移動させることができる。スパンカー４を立てない場合、現状位置を保持するよう海洋観測ブイ１は方向舵３の向きに応じて回転し、風に流されにくくする。方向舵３及びスパンカー４は、駆動機構１０によって制御可能とされている。

第３の装置として、図２Ａ及び図２Ｃに示すように、風受け板５ａ及び５ｂが設けられている。風受け板５ａ及び５ｂは、前後方向と直交する方向に板面が延びる板体であって、浮体２から突出／収納自在に設けられ、突出量が調整可能とされている。海上風の向きが移動方向と合致している場合、風受け板５ａ及び５ｂを突出させることによって、風下方向への移動を加速させることができる。風向が指定された移動方向と異なる場合は、風受け板５ａ及び５ｂを格納し、風に対する抵抗を減らす。

なお、図３Ａに示すように、駆動機構の回転軸１７に対して板状体１８を取り付け、板状体１８を海中に位置させた時に方向舵として機能し、図３Ｂに示すように、板状体１８を回転させて海中から空中に位置させることによって、板状体１８をスパンカーとして機能させる構成としてもよい。図３Ｃに示すように、海面と板状体１８の板面がほぼ平行な状態とすれば、板状体１８が方向舵及びスパンカーの何れの機能を有しない中立状態となる。

海洋観測ブイ１は、図２Ｅに示すように、センサー８を海中の所定の水深まで降下させ、また、センサー８を上昇させる電動の昇降装置９を備えている。センサー８は、例えばＣＴＤ（電気伝導度（塩分）、水温、水深計）センサーである。ＣＴＤセンサーは、大型であるので、一実施形態では、より小型な構成で、水深及び水温を測定できるセンサーが使用される。このセンサーは、筒状のケース内に温度センサおよび圧力センサを搭載し、観測データをデジタルデータに変換して超音波として送出するものである。

かかるセンサー８からの超音波信号が音響ブイ６ａが有する水中マイクロホンなどの受波器によって受信される。受信信号を処理することによって水温データおよび水深データが得られる。得られた水温データおよび水深データが制御ユニット１１に対して無線で送信される。無線通信方式としては、Bluetooth （登録商標）、wifi（登録商標）などを使用することができる。

制御ユニット１１は、防水ケース内に収納されている。海洋観測ブイ１は、電源として例えば太陽光パネル７ａ及び７ｂの電力を利用している。２次電池を搭載して、太陽光パネル７ａ及び７ｂの電力を２次電池に蓄えるようにしてもよい。

図４を参照して制御ユニット１１の一例について説明する。制御ユニット１１は、ＧＰＳ受信機１２と衛星通信装置１３と通信部１４を有する。アンテナ１２ａは、ＧＰＳ受信のためのアンテナであり、アンテナ１３ａは、衛星通信のためのアンテナであり、１４ａは、通信部１４のアンテナである。ＧＰＳ受信機１２の受信データ、衛星通信装置１３の送受信データ及び通信部１４の送受信データは、制御部１５に対して入出力される。衛星通信によって、海洋観測ブイ１から陸上の送受信サーバー４１に対して各種観測データが送信される。また、ＡＩサーバー５１において機械学習などを用いて解析して求められた制御指令を衛星通信を介して海洋観測ブイ１が受信する。

太陽光パネル７ａ及び７ｂの発電電力が電源部１６に供給され、制御ユニット１１の各回路が必要とする電力が生成される。通信部１４は、音響ブイ６ａ及び６ｂとの間の通信を行う。すなわち、センサー８からの超音波信号が音響ブイ６ａが有する水中マイクロホンなどの受波器によって受信され、受信信号を処理することによって水温データおよび水深データが得られる。得られたデータが制御ユニット１１に対して無線で送信される。また、音響ブイ６ａ及び６ｂからの魚群探知データが同様に、無線通信によって制御ユニット１１に対して送信される。無線通信方式としては、Bluetooth （登録商標）、wifi（登録商標）などが使用される。

制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成され、海洋観測ブイ１の各部を制御し、所期の動作を海洋観測ブイ１が行うようになされる。例えば制御部１５から出力される制御信号によって、方向舵３及びスパンカ４の駆動機構１０が制御される。さらに、図示しないが、制御部１５には、加速度計が備えられており、加速度計によって波高が測定される。

「海洋観測処理」
図５に示すフローチャートを参照して、制御ユニット１１の制御部１５の制御のもとでなされる海洋観測ブイ１による観測処理について説明する。
ステップＳＴ１：観測前処理では、次の処理がなされる。
測定時刻（定時）ＧＰＳ受信機１２と、衛星通信装置１３の電源を投入し、起動させる。
次に、制御部１５内の加速度計から波高を算出する。
ＧＰＳより、現在位置と時刻を取得し、衛星通信を開始してＧＰＳ情報と自身の識別コードを陸上の送受信サーバー４１に送信する。

陸上の送受信サーバー４１から観測に関する指令を受け取る。
算出された波高が規定値以上の時は、波高情報を送受信サーバー４１へ送り、観測を中止してＧＰＳ受信機１２と衛星通信装置１３の電源を遮断する。

波高が規定値より低いときは、方向舵３を中央位置へセットし、スパンカー４を立てる。そして、昇降装置９の電源を投入する。

ステップＳＴ２：観測処理では、次の処理がなされる。
最初に、陸上からの観測指令に従い、指定水深（例えば２００ｍ）まで昇降装置９によりセンサー８を降下させる。

音響ブイ６ａによって、センサー８から超音波でもって送られてくる観測値を受信する。降下中の水深に対応する観測値が受信される。
指定された水深に達した後、昇降装置９によりにより、センサー８を巻き上げる。

音響ブイ６ａにおいて受信した観測値を通信部１４の無線通信により制御部１５に送信する。
センサー８から取得した観測値を衛星通信によって陸上の送受信サーバー４１に送信する。

ステップＳＴ３：観測後処理では、観測値を送受信サーバー４１へ送信した後、海洋観測システムに関わる機器の電源を遮断する。
以上の観測処理によって海洋観測ブイ１の位置における観測データをリアルタイムで得ることができる。

「海洋観測ブイの最適漂流経路制御」
本発明による海洋観測ブイ１は、上述したように、自然エネルギーを利用した進路制御部（方向舵３、スパンカー４及び風受け板５ａ，５ｂ）を備えているので、進路制御部を陸上から制御することによって、その漂流経路を最適なものに陸上から制御することが可能となる。例えば予め海域（例えば５０ｋｍ四方）を設定し、その海域内にとどまって漂流させるようにできる。この場合、海域内の隅々を漂流するような経路が最適となる。また、予め設定した回収海域に到達するように、海洋観測ブイ１の漂流経路を制御するようにしてもよい。さらに、所定期間の観測を行った後に、他の海域に移動するように海洋観測ブイ１の漂流経路を制御するようにしてもよい。図６を参照して最適漂流経路制御の処理について説明する。なお、図６では、海洋観測ブイ１を単にブイと表記する。

ステップＳＴ１１：ＧＰＳ受信機１２によって現在位置情報が取得される。
ステップＳＴ１２：現在位置情報が衛星通信を介して陸上の送受信サーバー４１に送信される。
ステップＳＴ１３：送受信サーバー４１から例えばインターネット回線を介してＡＩサーバー５１に対して海洋観測ブイ１の識別コードとその位置情報が送信される。

ステップＳＴ１４：ＡＩサーバー５１内の最新の海況（海流・海洋渦）と気象（海上風の風向風速）の予測データをデータベースから取得して、機械学習を用いて識別コードに対応する海洋観測ブイ１の最適進路を算出する。
ステップＳＴ１５：インターネット回線、送受信サーバー４１及び衛星通信を介して対応する海洋観測ブイ１に対して最適進路情報を送信する。
ステップＳＴ１６： 海洋観測ブイ１が最適進路情報を受信し、受信した最適進路を進
むように、進路制御部（航行装置）を制御する。

「複数の海洋観測ブイ（群）の最適配置制御」
この制御は、投入された複数の海洋観測ブイが特定の狭い海域に集中しないように、また逆に集中させるように、機械学習を用いた最適配置処理により各海洋観測ブイの位置を推定し、推定された位置に向かうように各海洋観測ブイを制御する。図７を参照して最適配置制御の処理について説明する。なお、図７では、海洋観測ブイ１を単にブイと表記する。

ステップＳＴ２１：同時刻における複数の海洋観測ブイの現在位置が取得され、現在位置情報が衛星通信を介して陸上の送受信サーバー４１に送信される。送受信サーバー４１から例えばインターネット回線を介してＡＩサーバー５１に対して複数の海洋観測ブイの識別コードとその位置情報が送信される。

ステップＳＴ２２：ＡＩサーバー５１内の最新の海況（海流・海洋渦）と気象（海上風の風向風速）の予測データと、各海洋観測ブイの現在位置及び移動速度から、次回定時報告時刻までに予測される移動可能範囲を算出する。
ステップＳＴ２３：各海洋観測ブイの移動可能範囲をもとに、指定された配置条件（密集度、配置海域など）を満足する最適な位置を、機械学習による最適配置処理を用いて算出する。

ステップＳＴ２４：算出された最適位置情報を各海洋観測ブイへ送る。
ステップＳＴ２５：各海洋観測ブイは、最適位置情報で示される位置に移動するのに必要な移動情報を予測し、予測移動情報に従い、進路制御部（航行装置）を制御する。

上述した海洋観測ブイの最適漂流経路制御、並びに複数の海洋観測ブイ（群）の最適配置制御に限らず、他の制御が可能である。本発明による海洋観測ブイは、無人且つ無動力のために安価な構成とできる。したがって、広範な海域に多数の海洋観測ブイを漂流させることができる。また、日本近海の黒潮の流れに沿って海洋観測ブイを漂流させることができる。

＜２．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。

１・・・海洋観測ブイ、２・・・浮体、３・・・方向舵、４・・・スパンカー、
５ａ，５ｂ・・・風受け板、６ａ，６ｂ・・・音響ブイ、８・・・センサー、
１１・・・制御ユニット、１２・・・ＧＰＳ受信機、１３・・・衛星通信装置、
１４・・・通信部、１５・・・制御部、４１・・・送受信サーバー、
５１・・・ＡＩサーバー

Claims (1)

1. 海流によって漂流するボード状の浮体と、
   前記浮体に設けられた制御ユニット及び電源と、
   前記浮体に設けられ、前記浮体の航行方向を変更する舵と、
   前記浮体に設けられ、前記浮体を風と並行に移動させるためのスパンカーと、
   前記浮体に設けられ、前記浮体を風下方向へ移動させるための風受け部と、
   前記浮体に設けられた測位装置と、
   前記測位装置により得られた位置データと識別データを衛星通信によって陸上側に送信し、前記陸上側において、前記位置データ、気象予報データ及び海況予測データに基づいて求められた、複数の海洋観測ブイを最適配置するための設定位置へ航行するための進路制御データを前記衛星通信によって受信する衛星通信部と、
   前記進路制御データによって、前記舵、前記スパンカー及び前記風受け部を制御する制御部と、
   水深及び水温を測定し、超音波により前記水深及び水温の測定データを送信可能なセンサーを昇降装置によって昇降させ、前記測定データを前記衛星通信部によって陸上側に送信する測定部とを備え、
   前記測定部は、前記浮体に取り付けられた他の浮体内に超音波受信器と、通信部と、電源を有し、
   前記超音波受信器によって前記センサーからの測定データを受信し、
   受信した測定データを前記通信部によって前記測定部に送信するようにした海洋観測ブイ。

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