JP6869211B2 - 避航支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、避航支援装置に関し、例えば、他船との衝突を回避するための最適な操船方法を計算によって求める技術に関する。

非特許文献１，２には、現時点における操船者の選好関係を、避航操船空間の効用値によって表す方式が示される。避航操船空間は、針路の変針角と速力の変速率とを組み合わせた空間であり、効用値は、この空間の各位置毎に算出される。効用値は、針路、速力の変更に伴う操船者の主観的な選好度から、針路、速力の変更に応じた他船に対する客観的な衝突危険度を減算したものである。

特許文献１には、避航判断に必要な予測情報を操船者に提示する避航支援装置が示される。当該避航支援装置は、自船が今後選択し得る複数の航路上の各位置毎に将来の他船の予測位置との関係から衝突危険度および閉塞度を算出し、当該各位置毎の閉塞度を画面に表示する。

特開平９−２２５００号公報

長澤、他３名、"避航操船環境の困難度−II．−シミュレーションによる評価に向けて−"、日本航海学会論文集、８８号、１９９３年、ｐ．１３７−１４４ 長澤、他３名、"Assessment of High Speed Navigation in a Congested Area by the Traffic Simulation"、ＦＡＳＴ’９３、Ｖｏｌ．２（１９９３）、ｐ．１３４９−１３５７

例えば、船舶の安全な避航や船舶の省人化等を図るための装置として、特許文献１に示されるような避航支援装置が知られている。避航支援装置は、船舶の自律航行で必要とされる主要技術の一つを担うことができる。ここで、非特許文献１，２や特許文献１の技術を用いると、最適な避航操船を自動的に開始することが可能になる。しかし、当該技術では、避航操船を行ったのち本来のルートに復帰する際の復帰操船に関しては特に考慮されていない。特に、船舶の自律航行への適用を考慮した場合、復帰操船を行うための何らかの仕組みが求められる。

本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、避航操船に加えて復帰操船を可能にする避航支援装置を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態による避航支援装置は、選好度算出部と、危険度算出部と、効用値算出部とを備える。選好度算出部は、現状からの変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間を避航操船空間として、避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する。危険度算出部は、避航操船空間の各位置毎に、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を算出する。効用値算出部は、避航操船空間の各位置毎に、選好度から衝突危険度を減算することで効用値を算出する。ここで、選好度算出部は、ウエイポイントへの変針角と所定の速力への変速率とを組み合わせた避航操船空間の位置に第１のピーク値を有し、原針路維持の変針角と原速力維持の変速率とを組み合わせた避航操船空間の位置に第２のピーク値を有する選好度を算出する。

前記一実施の形態によれば、避航操船に加えて復帰操船が実現可能になる。

本発明の一実施の形態による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。 図１における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。 図２で変速率を一定とした場合の変針角と選好度の関係を示す図である。 図２で変速率を一定とした場合の変針角と選好度の関係を示す図である。 図１の避航支援装置において、避航操船によって自船が他船を回避したのちの状況の一例を示す図である。 図５の状況における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。 図１の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。 図１の避航支援装置において、避航操船および復帰操船を行う際の動作例を示す模式図である。 自船と他船が衝突し得る状況の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。 図１の避航支援装置における危険度算出部の処理内容の一例を説明する図である。 図１１におけるバンパー領域を説明する補足図である。 図１の避航支援装置における危険度算出部の処理結果の一例を示す図である。 図１の避航支援装置における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。 本発明の比較例となる避航支援装置において、避航操船によって自船が他船を回避したのちの状況の一例を示す図である。 図１６は、図１５の状況における危険度算出部の処理結果の一例を示す図である。 図１５の状況における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

《避航支援装置周りの概略》
図１は、本発明の一実施の形態による避航支援装置周りの構成例を示す概略図である。図１において、船舶情報取得部１１は、各種機構を用いて、自船の情報（針路、速力および位置）と、自船周辺の所定の範囲内に存在する単数または複数の他船の情報（針路、速力および位置）とを取得する。各種機構は、代表的には、ＡＩＳ（Automatic Identification System）３０、レーダ３１、カメラ３２、方位センサ３５、速度センサ３６およびＧＰＳ（Global Positioning System）３７等のいずれかまたはその組み合わせである。

ＡＩＳは、船舶間や船舶と陸上間で、船舶の位置、針路、速力、目的地などの船舶情報を無線通信で交換することで、他船や自船の情報を取得するシステムである。レーダ３１やカメラ３２は、自船の周辺に存在する各他船の相対的な針路、速力および位置を検出することで、他船の情報を取得する。方位センサ３５は、ジャイロコンパス等であり、自船の針路を検出する。速度センサ３６は、電磁式ログやドップラーログ等であり、自船の速力を検出する。ＧＰＳ３７は、自船の位置を検出する。

避航支援装置１０は、効用値算出部２０と、航路設定部２２と、操船指示部２３とを備える。効用値算出部２０は、選好度算出部２４と、危険度算出部２６とを備える。避航支援装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含むコンピュータシステムを用いたプログラム処理によって実現される。ただし、必ずしもこれに限定されず、例えば、避航支援装置１０の一部は、専用のハードウェアで実現されてもよい。

航路設定部２２は、予め操船者等によって設定された電子海図上の予定航路を記憶する。予定航路は、出発地点と目標地点とを複数のウエイポイント（ＷＰ）を介して結んだ経路であり、ウエイポイント（ＷＰ）は、代表的には変針点である。電子海図は、ハードディスク等の不揮発性記憶装置１４に記憶される。また、航路設定部２２は、予め記憶した予定航路に基づいて選好度算出部２４にウエイポイント（ＷＰ）の情報（例えば、位置または針路）を通知する。

危険度算出部２６は、避航操船空間の各位置毎に、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を、自船および他船の一方である基準船舶の周囲に設定される楕円状のバンパー領域（言い換えれば排他的領域）を用いて算出する。避航操船空間とは、現状からの変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間であり、避航操船を行う際に採り得る選択肢（言い換えれば手数）を表す。

選好度算出部２４は、避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する。この際に、選好度算出部２４は、避航操船空間におけるウエイポイント（ＷＰ）用の位置にピーク値を有する選好度を算出する。ウエイポイント（ＷＰ）用の位置は、ウエイポイント（ＷＰ）への変針角と所定の速力（例えば、原速力）への変速率とを組み合わせた位置である。加えて、選好度算出部２４は、避航操船空間における現状維持用の位置にピーク値を有する選好度を算出する。現状維持用の位置は、原針路維持の変針角と原速力維持の変速率とを組み合わせた位置である。このように、選好度算出部２４は、２個のピーク値を有する選好度を算出する。

効用値算出部２０は、避航操船空間の各位置毎に、選好度算出部２４による選好度から危険度算出部２６による衝突危険度を減算することで効用値を算出する。操船指示部２３は、効用値算出部２０からの効用値が最大となる避航操船空間の位置を認識し、当該位置に対応する変針角および変速率を最適な操船方法として自動操縦装置１５へ指示する。

自動操縦装置１５は、指示された変針角に向けて変針するように舵を自動制御するオートパイロットや、指示された変速率に向けて変速するようにエンジン出力を自動制御する装置等を含む。自動操縦装置１５は、船舶情報取得部１１からの自船情報（現在の針路、速力、位置）と、航路設定部２２からの予定航路情報とを受け、操船指示部２３からの指示に応じて、適宜、操船を行いながら、目標地点に向けて自律航行を行う。結果表示装置１３は、ディスプレイ等であり、例えば、効用値算出部２０による効用値の算出結果を表す３次元グラフ（避航操船空間の各位置毎の効用値）を表示する。

《避航支援装置（比較例）の各部の詳細》
ここで、実施の形態の避航支援装置の説明に先立ち、比較例となる避航支援装置について説明する。比較例となる避航支援装置は、図１の構成例において、ウエイポイント（ＷＰ）の情報が通知されない選好度算出部（２４’と呼ぶ）を備える。当該選好度算出部（２４’）は、実施の形態の選好度算出部２４と異なり、避航操船空間における現状維持用の位置のみにピーク値を有する選好度を算出する。

図９は、自船と他船が衝突し得る状況の一例を示す図である。図９の例では、自船ＯＳは、北に向けて所定の速力で進行しており、他船ＴＳは、西に向けて所定の速力で進行している。自船ＯＳおよび他船ＴＳがそのまま進行を続けると、所定の時間（最近接時間（Ｔｃｐａ））後に衝突する可能性がある。この場合、他船ＴＳを右側に見る自船ＯＳに衝突回避義務が生じる。このような場合に、自船ＯＳは、衝突を効率的に回避するための避航操船方法を避航支援装置を用いて探索する。

図１０は、本発明の比較例となる避航支援装置における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。図１０において、横軸は、変針角［ｄｅｇ］であり、原針路を０［ｄｅｇ］として左変針“−６０［ｄｅｇ］”から右変針“６０［ｄｅｇ］”までの範囲を示している。縦軸は、変速率［％］であり、原速力を１００［％］として０［％］から１００［％］までの範囲を示している。前述した避航操船空間は、この横軸および縦軸で示される空間であり、避航操船の選択肢を表す空間である。

一方、高さ軸は、選好度であり、“１．０”に近づくほど好ましさが増し、“０”に近づくほど好ましさが減ることを表す。通常、操船者は、他船や陸域等の障害物が存在しない場合、主観的に原針路と原速力を維持することを好み、針路や速力をできるだけ変化させないことを好む。図１０に示される原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）は、このような操船者の主観を反映して、式（１）に示される演算式によって定められる。
Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）＝Ｐｂ_org（ｉ，０）×Ｐｂ_org（０，ｊ） …（１）

式（１）によって算出される原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）は、図１０に示されるように、現状維持用の位置（変針角“０［ｄｅｇ］”、変速率“１００［％］”の位置）にピーク値ＰＫ２を有する。選好度算出部（２４’）は、変針角（ｉ）と変速率（ｊ）との組み合わせ毎に、式（１）の原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）を算出する。

ここで、式（１）における各項は、式（２）の変針選好度Ｐｂ_org（ｉ，０）および式（３）の変速選好度Ｐｂ_org（０，ｊ）に示される指数関数によって定められる。変針選好度Ｐｂ_org（ｉ，０）は、変速率を１００［％］とした場合で、変針角を０［ｄｅｇ］から“ΔＣｏ”変化させた場合の選好度を表す。一方、変速選好度Ｐｂ_org（０，ｊ）は、変針角を０［ｄｅｇ］とした場合で、変速率を１００［％］から“ΔＶ”変化させた場合の選好度を表す。式（２）および式（３）における“ａ_c”および“ａ_v”は予め設定される係数であり、“ａ_c”は、右変針時と左変針時で異なる値に設定されてもよい。
Ｐｂ_org（ｉ，０）＝ｅｘｐ（−ａ_c×ΔＣｏ） …（２）
Ｐｂ_org（０，ｊ）＝ｅｘｐ（−ａ_v×ΔＶ） …（３）

図１１は、図１の避航支援装置における危険度算出部の処理内容の一例を説明する図であり、図１２は、図１１におけるバンパー領域を説明する補足図である。図１３は、図１の避航支援装置における危険度算出部の処理結果の一例を示す図である。例えば、図９に示したようなケースにおいて、危険度算出部２６は、図１３に示されるような処理結果を生成する。図１３において、横軸および縦軸は、図１０の場合と同様の避航操船空間である。高さ軸は、衝突危険度であり、“１．０”に近づくほど危険が増し、“０”に近づくほど危険が減ることを表す。

危険度算出部２６は、図１３の避航操船空間の各位置毎に、図１１に示されるような方式を用いて衝突危険度を算出する。図１１には、自船ＯＳと他船ＴＳの相対関係が示される。自船ＯＳは、絶対軸上の座標（Ｘｏ，Ｙｏ）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｏで進行する。一方、他船ＴＳは、絶対軸上の座標（Ｘｔ，Ｙｔ）に位置し、所定の針路へ速力Ｖｔで進行する。

ここで、自船ＯＳおよび他船ＴＳの一方は基準船舶であり、他方は対象船舶である。基準船舶の位置は、相対軸上の原点に定められ、基準船舶の針路は、相対軸上のＹ軸に定められ、それに直交する軸は、相対軸上のＸ軸に定められる。この例では、基準船舶は他船ＴＳ、対象船舶は自船ＯＳであるが、相対関係であるため、対象船舶が他船ＴＳ、基準船舶が自船ＯＳであってもよい。

このような相対軸上で、対象船舶である自船ＯＳは、速力Ｖｏのベクトルと速力Ｖｔの逆ベクトルとの合成ベクトルで得られる相対針路４３へ相対速力Ｖｒで進行する。なお、自船ＯＳの位置、針路、速力は、図１の船舶情報取得部１１からの自船情報に、避航操船空間の位置に基づく変針角および変速率を反映させることで定められる。また、他船ＴＳの位置、針路、速力は、図１の船舶情報取得部１１からの他船情報に基づき、他船ＴＳが当該針路および速力をそのまま維持するものとして定められる。

ここで、基準船舶である他船ＴＳの周囲には、楕円状のバンパー領域（排他的領域）４０が設定される。図１２には、短径Ａおよび長径Ｂを有するバンパー領域４０が示される。バンパー領域４０のサイズは、例えば、自船ＯＳの全長および速力、他船ＴＳの全長および速力といった２隻の船舶の情報に基づいて定められる。なお、他船ＴＳの位置は、バンパー領域４０の中心ではなく、船舶の交通ルール等を反映して中心から距離Ｃおよび距離Ｄだけ左下にシフトした位置に設定される。

このようなバンパー領域４０を用いて、図１１に示されるように、他船ＴＳの位置からバンパー領域４０の外周に向けて最大値から最小値に順次推移するようなリスク関数４１，４２が定義される。具体的には、リスク関数４１は、Ｙ軸（相対軸）用であり、他船ＴＳの位置となるＹ軸（相対軸）の原点座標で最大値“１．０”となり、バンパー領域４０の外周が位置するＹ軸（相対軸）の最大座標および最小座標で最小値（例えば“０”）となる。同様に、リスク関数４２は、Ｘ軸（相対軸）用であり、Ｘ軸（相対軸）の原点座標で最大値“１．０”となり、バンパー領域４０の外周が位置するＸ軸（相対軸）の最大座標および最小座標で最小値（例えば“０”）となる。

危険度算出部２６は、自船ＯＳ（対象船舶）が将来的に通過するバンパー領域４０内の位置に応じたリスク関数４１，４２の値を算出することで衝突危険度を算出する。具体的には、危険度算出部２６は、自船ＯＳが相対針路４３上を進行した場合のＹ軸（相対軸）との交点座標に対応するリスク関数４１の値をＹ軸衝突危険度Ｒｙとして算出し、Ｘ軸（相対軸）との交点座標に対応するリスク関数４２の値をＸ軸衝突危険度Ｒｘとして算出する。

そして、危険度算出部２６は、式（４）に示されるように、Ｙ軸衝突危険度ＲｙかＸ軸衝突危険度Ｒｘの大きい方の値に所定の重み付けを行うことで衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）を算出する。式（４）において、“Ｔｃｐａ”は最近接時間であり、“Ｗｔｃｐａ”は予め設定された一定時間である。式（４）では、最近接時間（Ｔｃｐａ）が短いほど、衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）が高まるような重み付けがなされている。
Ｒ（ｉ，ｊ）＝ｍａｘ（Ｒｘ，Ｒｙ）×（１−Ｔｃｐａ／Ｗｔｃｐａ） …（４）

また、実際には、所定の範囲内に他船ＴＳは１隻ではなく、ｑ隻（ｑは２以上の整数）存在する場合がある。これに伴い、図１３の避航操船空間の各位置毎に、対象となる他船ＴＳ（すなわち、最も影響が大きい他船ＴＳ）も異なり得る。そこで、実際には、式（４）の衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）の代わりに、式（５）の衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）が用いられる。式（５）の衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）は、避航操船空間の各位置毎に、単数または複数の他船ＴＳの中の最も影響が大きい他船ＴＳに対する衝突危険度Ｒ（ｉ，ｊ）によって定められる。

図１４は、図１の避航支援装置における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。図１４において、横軸および縦軸は、図１０の場合と同様の避航操船空間である。高さ軸は、効用値であり、“１．０”に近づくほど効果が増し、“０”に近づくほど効果が減ることを表す。効用値算出部２０は、図１４の避航操船空間の各位置毎に、式（６）に示されるように、選好度算出部による選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）から、危険度算出部２６による式（５）の衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）を減算することで効用値ｕ（ｉ，ｊ）を算出する。ここで、選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）は、比較例となる避航支援装置では、選好度算出部（２４’）による式（１）の原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）に該当する。また、衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）は、詳細には、所定の係数αで重み付けされる。
ｕ（ｉ，ｊ）＝Ｐｂ（ｉ，ｊ）−α×Ｒｋ（ｉ，ｊ） …（６）

このような演算に伴い、図１４の効用値は、図１０の選好度から図１３の衝突危険度を減算することで得られる。最適な避航操船方法は、効用値ｕ（ｉ，ｊ）が最大となる方法であり、図１４の例では、速力を維持して、変針角１８［ｄｅｇ］の右変針を行う方法となる。図１の操船指示部２３は、この効用値が最大となる避航操船空間の位置に対応する変針角および変速率を最適な避航操船方法として自動操縦装置１５へ指示する。

《避航支援装置（比較例）の問題点》
図１５は、本発明の比較例となる避航支援装置において、避航操船によって自船が他船を回避したのちの状況の一例を示す図である。図１６は、図１５の状況における危険度算出部の処理結果の一例を示す図であり、図１７は、図１５の状況における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。

図１５では、自船ＯＳが避航操船を行った結果、自船ＯＳの前方で、他船ＴＳ２の通過が完了している。この避航操船に伴い、自船ＯＳの原針路は、ウエイポイントＷＰへの針路から外れるため、自船ＯＳは、本来、このように他船ＴＳ２の通過が完了した段階（もしくはそれに近い段階）で、ウエイポイントＷＰに向けて復帰操船を行いたい。しかし、比較例となる避航支援装置は、このような復帰操船を行う仕組みを備えておらず、そのままでは、原針路への進行を継続してしまう。

そこで、例えば、避航操船空間の衝突危険度がゼロになった時点で復帰操船を開始するといった仕組みを別途設けるような方式が考えられる。しかし、図１５に示されるように、例えば、自船ＯＳの前方で自船ＯＳと略平行に進行している他船ＴＳ１が存在するような場合、図１６に示されるように、当該他船ＴＳ１に伴う衝突危険度が残り続ける。その結果、図１５のような状況で、自船ＯＳは、本来、他船ＴＳ１に関わらず復帰操船を行うことが可能であるにも関わらず、他船ＴＳ１によって復帰操船を行うことが困難となる。すなわち、操船指示部２３は、図１７の結果に基づき、ピーク値ＰＫ２に対応する現状維持の操船方法を自動操縦装置１５へ指示することになる。

このような問題は、図１５のような状況に限らず、特に、湾内といった船舶の輻輳度が高い海域で同様に生じ得る。すなわち、輻輳度が高い海域では、衝突危険度がゼロになる状況自体が生じ難い。一方、例えば、避航操船空間の所定の範囲の衝突危険度が所定のレベル以下となった場合に復帰操船を開始するといった方式も考えられる。ただし、この際の妥当な条件を見出すことは容易でない。そこで、図１に示した実施の形態の避航支援装置１０を用いて復帰操船を実現することが有益となる。

《避航支援装置（実施の形態）の各部の詳細》
図２は、図１における選好度算出部の処理結果の一例を示す図である。図２に示されるように、図１の選好度算出部２４は、図１０の場合と同様に、避航操船空間における原針路維持の変針角Ｃｏｒｇ（すなわち０［ｄｅｇ］）と原速力維持の変速率（すなわち１００［％］）とを組み合わせた位置である現状維持用の位置にピーク値ＰＫ２を有する選好度を算出する。加えて、選好度算出部２４は、避航操船空間におけるウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐと所定の速力への変速率とを組み合わせた位置であるウエイポイントＷＰ用の位置にピーク値ＰＫ１を有する選好度を算出する。当該所定の速力は、この例では、原速力（変速率１００％）である。ここで、ピーク値ＰＫ１は、ピーク値ＰＫ２よりも大きい値に設定される。

図３および図４は、図２で変速率を一定とした場合の変針角と選好度の関係を示す図である。ここでは、変速率１００［％］（原速力維持）の場合が例示される。図３には、原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，０）と、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，０）とが示される。原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）は、前述した式（１）で算出される。式（１）を用いると、図２に示されるように、原針路維持の変針角Ｃｏｒｇ（０［ｄｅｇ］）の際の原針路用選好度Ｐｂ_org（Ｃｏｒｇ，ｊ）が得られる。

図２に示されるウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐの際のウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（Ｃｗｐ，ｊ）は、当該原針路用選好度Ｐｂ_org（Ｃｏｒｇ，ｊ）を用いて、式（７）で定められる。式（７）において、“β”は、ピーク値ＰＫ１をピーク値ＰＫ２よりもどの程度大きくするかを予め定める係数であり、“β＞１”を満たす係数である。なお、変針角Ｃｗｐは、例えば、図１の航路設定部２２からのウエイポイントＷＰの情報（例えば位置）と船舶情報取得部１１からの自船情報（例えば、位置および針路）とに基づいて定められる。
Ｐｂ_wp（Ｃｗｐ，ｊ）＝β×Ｐｂ_org（Ｃｏｒｇ，ｊ） …（７）

一方、避航操船空間全体におけるウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）は、式（８）または式（９）で算出される。式（８）は、変針角φｉがウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐよりも小さい場合（φｉ＜Ｃｗｐ時）に適用され、変針角φｉが変針角Ｃｗｐよりも左変針となる範囲で適用される。一方、式（９）は、変針角φｉがウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐ以上の場合（φｉ≧Ｃｗｐ時）に適用され、変針角φｉが変針角Ｃｗｐに等しい、または、変針角Ｃｗｐよりも右変針となる範囲で適用される。
Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）＝ｅｘｐ（ａ₁×φｉ＋ｂ₁） …（８）
Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）＝ｅｘｐ（ａ₂×φｉ＋ｂ₂） …（９）

式（８）における“ａ₁”は、式（１０）で算出される。式（１０）において“Ｃｍｉｎ”は、避航操船空間における変針角の最小値（言い換えれば、最大の左変針角（ここでは−６０［ｄｅｇ］））である。“Ｚ₁”は、変針角Ｃｍｉｎの際の原針路用選好度Ｐｂ_org（Ｃｍｉｎ，ｊ）であり、“Ｚ₂”は、式（７）に示される変針角Ｃｗｐの際のウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（Ｃｗｐ，ｊ）である。“ａ₁”は、変針角Ｃｍｉｎに対して“Ｚ₁”が得られることを前提として、変針角Ｃｗｐに対して“Ｚ₂”が得られるような指数関数の傾きを定める。一方、式（８）における“ｂ₁”は、式（１１）で算出される。“ｂ₁”は、式（８）において、変針角φｉが“Ｃｍｉｎ”の場合にウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）が“Ｚ₁”となるように調整するための係数である。
ａ₁＝｛１／（Ｃｗｐ−Ｃｍｉｎ）｝×ｌｏｇ（Ｚ₂／Ｚ₁） …（１０）
ｂ₁＝ｌｏｇ（Ｚ₁）−（Ｃｍｉｎ×ａ₁） …（１１）

同様に、式（９）における“ａ₂”は、式（１２）で算出される。式（１２）において“Ｃｍａｘ”は、避航操船空間における変針角の最大値（言い換えれば、最大の右変針角（ここでは＋６０［ｄｅｇ］））である。“Ｚ₃”は、変針角Ｃｍａｘの際の原針路用選好度Ｐｂ_org（Ｃｍａｘ，ｊ）である。“ａ₂”は、変針角Ｃｗｐに対して“Ｚ₂”が得られることを前提として、変針角Ｃｍａｘに対して“Ｚ₃”が得られるような指数関数の傾きを定める。一方、式（９）における“ｂ₂”は、式（１３）で算出される。“ｂ₂”は、式（９）において、変針角φｉが“Ｃｗｐ”の場合にウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）が“Ｚ₂”となるように調整するための係数である。
ａ₂＝｛１／（Ｃｍａｘ−Ｃｗｐ）｝×ｌｏｇ（Ｚ₃／Ｚ₂） …（１２）
ｂ₂＝ｌｏｇ（Ｚ₂）−（Ｃｗｐ×ａ₂） …（１３）

図１の選好度算出部２４は、図２および図３に示されるように、避航操船空間上で、ウエイポイントＷＰ用の位置から離れるにつれてピーク値ＰＫ１から低下する指数関数を算出する。当該指数関数は、式（８）または式（９）のウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）に該当する。また、選好度算出部２４は、図２および図３に示されるように、避航操船空間上で、現状維持用の位置から離れるにつれてピーク値ＰＫ２から低下する指数関数を算出する。当該指数関数は、式（１）の原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）に該当する。

この算出結果に基づき、選好度算出部２４は、図２および図３に示されるように、この２個の指数関数（ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）および原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ））を重ね合わせる。そして、選好度算出部２４は、図２および図４に示されるように、避航操船空間の各位置毎に、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）の値か原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）の値のいずれか大きい方の値を用いることで最終的な選考度Ｐｂ（ｉ，ｊ）を算出する。すなわち、選好度算出部２４は、式（１４）を算出する。
Ｐｂ（ｉ，ｊ）＝ｍａｘ（Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ），Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）） …（１４）

図５は、図１の避航支援装置において、避航操船によって自船が他船を回避したのちの状況の一例を示す図である。図６は、図５の状況における効用値算出部の処理結果の一例を示す図である。図５には、図１５の場合と同様の状況が示される。これに伴い、危険度算出部２６は、図１６に示したような衝突危険度を算出する。一方、効用値算出部２０は、当該衝突危険度（Ｒｋ（ｉ，ｊ））と、選好度算出部２４から得られる図２に示したような選好度（Ｐｂ（ｉ，ｊ））とを用いて、式（６）に基づき効用値ｕ（ｉ，ｊ）を算出する。その結果、図６に示されるような避航操船空間上の効用値が得られる。

図１の操船指示部２３は、図６の効用値に基づき、前述した図１７の場合と異なり、ピーク値ＰＫ１に対応する操船方法（すなわちウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐおよび原速力維持）を自動操縦装置１５へ指示する。その結果、図５に示される状況において、自船ＯＳは、図１５の場合と異なり、ウエイポイントＷＰに向けた復帰操船を行うことが可能になる。

《避航支援装置（実施の形態）の動作》
図７は、図１の避航支援装置における主要部の概略的な処理内容の一例を示すフロー図である。避航支援装置１０は、図７のフローを所定の制御サイクル毎に繰り返し実行する。図７において、避航支援装置１０は、船舶情報取得部１１から自船情報（針路、速力、位置）と、所定の範囲内に存在する他船情報（針路、速力、位置）とを取得する（ステップＳ１０１）。次いで、避航支援装置１０は、選好度算出部２４に、航路設定部２２からのウエイポイントＷＰの情報を取得させる（ステップＳ１０２）。

続いて、避航支援装置１０は、選好度算出部２４に、図２に示したような２個のピーク値ＰＫ１，ＰＫ２を有する式（１４）の選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）を算出させる（ステップＳ１０３）。次いで、避航支援装置１０は、危険度算出部２６に、式（５）の衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）を算出させる（ステップＳ１０４）。続いて、避航支援装置１０は、効用値算出部２０に、ステップＳ１０３で算出された選好度Ｐｂ（ｉ，ｊ）と、ステップＳ１０４で算出された衝突危険度Ｒｋ（ｉ，ｊ）とを用いて式（６）に示した効用値ｕ（ｉ，ｊ）を算出させる（ステップＳ１０５）。その後、避航支援装置１０は、操船指示部２３に、ステップＳ１０５で算出された効用値ｕ（ｉ，ｊ）に基づく最適な操船方法（変針角および変速率）を決定させる（ステップＳ１０６）。

図８は、図１の避航支援装置において、避航操船および復帰操船を行う際の動作例を示す模式図である。図８において、時刻ｔ＝ｔ０では、自船ＯＳ周辺の所定の範囲に他船ＴＳは存在せず、自船ＯＳは、ウエイポイントＷＰに向けて進行している。この場合、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpのピーク値ＰＫ１に対応する変針角（０［ｄｅｇ］）と原針路用選好度Ｐｂ_orgのピーク値ＰＫ２に対応する変針角（０［ｄｅｇ］）は等しくなる。また、衝突危険度Ｒｋは、ゼロとなる。その結果、効用値は、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpに基づいて定められ、原針路への操船が維持される。

時刻ｔ＝ｔ１では、自船ＯＳの右前方に、左に向けて進行中の他船ＴＳが存在している。これに伴い、この例では、右変針角“θ１”よりも左変針側の範囲に衝突危険度Ｒｋが生じている。効用値は、原針路用選好度Ｐｂ_orgを包含しているウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpから当該衝突危険度Ｒｋを減算することで得られる。その結果、効用値は、右変針角“θ１”で最大となり、変針角“θ１”の右変針が最適な避航操船方法として定められる。

時刻ｔ＝ｔ２において、変針角“θ１”の右変針が行われると、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpは、時刻ｔ＝ｔ１の状態から左変針側に変針角“θ１”だけシフトする。また、衝突危険度Ｒｋも時刻ｔ＝ｔ１の状態から左変針側に変針角“θ１”だけシフトする。その結果、効用値は、原針路維持の変針角（０［ｄｅｇ］）で最大となり、変針角“θ１”の右変針を行った後の原針路に向けた避航操船が行われる。

時刻ｔ＝ｔ３では、自船ＯＳの避航操船と、他船ＴＳの左側への進行とがある程度進んでいる。これに伴い、時刻ｔ＝ｔ２の場合と比較して、衝突危険度Ｒｋは小さくなり、衝突危険度Ｒｋが小さくなった分だけ、効用値は大きくなる。また、ウエイポイントＷＰへの変針角“−θ２”は、避航操船が進んだ分だけ時刻ｔ＝ｔ２の場合と比較して左変針側にシフトする。ここで、衝突危険度Ｒｋが存在する変針角の範囲には、ウエイポイントＷＰへの変針角“−θ２”が含まれる。変針角“−θ２”には、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpのピーク値ＰＫ１が存在する。このため、当該ピーク値ＰＫ１が効用値に対して与える影響力は、衝突危険度Ｒｋは小さくなるにつれて大きくなる。ただし、この段階では、効用値は、依然として原針路維持の変針角で最大となる。

時刻ｔ＝ｔ４では、自船ＯＳの避航操船と、他船ＴＳの左側への進行とが更に進んでいる。これに伴い、時刻ｔ＝ｔ３の場合と比較して、衝突危険度Ｒｋは更に小さくなり、効用値はその分だけ大きくなる。また、ウエイポイントＷＰへの変針角“−θ３”は、避航操船が進んだ分だけ時刻ｔ＝ｔ３の場合と比較して左変針側にシフトする。時刻ｔ＝ｔ４では、衝突危険度Ｒｋは、ピーク値ＰＫ１とピーク値ＰＫ２の差分値よりも小さくなっている。その結果、変針角“−θ３”での効用値は、原針路維持の変針角での効用値よりも大きくなる。これにより、変針角“−θ３”の左変針が最適な復帰操船方法として定められ、これに基づき、ウエイポイントＷＰに向けた復帰操船が行われる。

《選好度算出部の更なる詳細》
例えば、図２および図３に示したように、避航操船空間の最大の変針角（６０［ｄｅｇ］の右変針角および−６０［ｄｅｇ］の左変針角）に対応するウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）の値は、最大の変針角に対応する原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）の値に等しくなっている。すなわち、選好度算出部２４は、山の裾野の位置において、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）の値と原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）の値が等しくなるように、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）が傾き等を適宜調整する。

仮に、図３の裾野の位置で、“Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）＜Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）”の場合、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）の傾きは図３の場合と比較して急峻になる。これは、実質的に、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）に伴う操船の選択肢を予め狭めてしまうことを意味する。逆に、図３の裾野の位置で“Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）＞Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）”の場合、当該２種類の選好度は、例えば、所定の右変針角で交差する。この交差点よりも大きい右変針角では、図４の選好度として、原針路用選好度Ｐｂ_org（ｉ，ｊ）ではなくウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wp（ｉ，ｊ）が適用されてしまう。このような好ましくない状況を回避するため、選好度算出部２４は、２種類の選好度の裾野の値が等しくなるように調整することが望ましい。

また、例えば、図２におけるウエイポイントＷＰへの変針角Ｃｗｐは、最大の左変針角“Ｃｍｉｎ”から最大の右変針角“Ｃｍａｘ”の範囲に収まらない場合がある。選好度算出部２４は、実際の変針角Ｃｗｐが“Ｃｍｉｎ”よりも大きい左変針角の場合には、変針角Ｃｗｐを“Ｃｍｉｎ”とみなし、“Ｃｍａｘ”よりも大きい右変針角の場合には、変針角Ｃｗｐを“Ｃｍａｘ”とみなして選好度を算出する。具体的に説明すると、選好度算出部２４は、“Ｃｍｉｎ”〜“Ｃｍａｘ”の範囲で選好度を算出する。このため、例えば、実際の変針角Ｃｗｐが“Ｃｍｉｎ”よりも大きい左変針角の場合に当該変針角Ｃｗｐをそのまま適用すると、“Ｃｍｉｎ”〜“Ｃｍａｘ”の範囲にピーク値ＰＫ１が存在しなくなり、図８に示したような動作が困難となる。

《実施の形態の主要な効果》
以上、実施の形態の避航支援装置を用いることで、代表的には、避航操船に加えて復帰操船を実現することが可能になる。ここで、図２の選好度は、ウエイポイントＷＰ方向への復帰を念頭に置きながら避航操船を行い、ウエイポイントＷＰ方向の衝突危険度が十分に低下した段階で復帰操船を開始するという操船者の実情を反映したものと言える。このような選好度を用いることで、ウエイポイントＷＰ方向の衝突危険度がゼロではなく十分なレベルまで小さくなった段階で復帰操船を開始できるため、時間的・経済的損失の観点で効率化を図ることが可能になる。

ここで、別の変形例として、例えば、図２におけるウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpのみを用いる方式も考えられる。この場合、例えば、図８の時刻ｔ＝ｔ３において、ウエイポイントＷＰ用選好度Ｐｂ_wpに対応する太い破線に基づいて変針角が定められることになる。ただし、この場合、例えば、図８の時刻ｔ＝ｔ３の状況から分かるように、復帰操船を開始する際の衝突危険度Ｒｋのレベルは様々なパラメータ（Ｐｂ_wpの傾きや、θ２の位置等）によって変動し、復帰操船の際の安全性を十分に確保できない恐れがある。

一方、図２の選好度を用いると、図８の時刻ｔ＝ｔ４に示したように、復帰操船を開始する際の衝突危険度のレベルを、ピーク値ＰＫ１とピーク値ＰＫ２の差分値（式（７）のβ）によって定めることができ、復帰操船の際の安全性を十分に確保することができる。また、操船者の実情の観点で、操船者は、通常、避航操船の期間で、ウエイポイントＷＰ方向への復帰を念頭に置きつつも、安全性を確保できるまで原針路・原速力を維持する考えを持っている。図２のような２個のピーク値ＰＫ１，ＰＫ２を有する選好度は、このような操船者の実情を反映したものとなっている。

なお、図２では、ピーク値ＰＫ１は、変速率１００％（原速力維持）の位置に定められたが、必ずしもこの位置に限定されない。例えば、操船者は、復帰操船を開始する際に、若干、加速することを好む場合がある。このような操船者の実情を反映して、ピーク値ＰＫ１は、例えば、１００％よりも大きい変速率の位置に定められてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、選好度、衝突危険度、効用値を算出する各式は、必ずしも、前述した各式に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で、適宜、変更されてもよい。

１０ 避航支援装置
１１ 船舶情報取得部
１３ 結果表示装置
１４ 電子海図
１５ 自動操縦装置
２０ 効用値算出部
２２ 航路設定部
２３ 操船指示部
２４ 選好度算出部
２６ 危険度算出部
３０ ＡＩＳ
３１ レーダ
３２ カメラ
３５ 方位センサ
３６ 速度センサ
３７ ＧＰＳ
４０ バンパー領域
４１，４２ リスク関数
４３ 相対針路
ＯＳ 自船
ＴＳ 他船
ＰＫ ピーク値
ＷＰ ウエイポイント

Claims (8)

1. 現状からの変針角の選択肢と変速率の選択肢とを組み合わせた空間を避航操船空間として、前記避航操船空間の各位置毎に、当該各位置の選択に伴う操船者の主観的な好みを表す選好度を算出する選好度算出部と、
   前記避航操船空間の各位置毎に、自船が避航操船を行った場合の他船に対する衝突危険度を算出する危険度算出部と、
   前記避航操船空間の各位置毎に、前記選好度から前記衝突危険度を減算することで効用値を算出する効用値算出部と、
   を有し、
   前記選好度算出部は、ウエイポイントへの前記変針角と所定の速力への前記変速率とを組み合わせた前記避航操船空間の位置である第１の位置に第１のピーク値を有し、原針路維持の前記変針角と原速力維持の前記変速率とを組み合わせた前記避航操船空間の位置である第２の位置に第２のピーク値を有する前記選好度を算出する、
   避航支援装置。
2. 請求項１記載の避航支援装置において、
   前記第１のピーク値は、前記第２のピーク値よりも大きい、
   避航支援装置。
3. 請求項２記載の避航支援装置において、
   前記選好度算出部は、前記避航操船空間上で、前記第１の位置から離れるにつれて前記第１のピーク値から低下する第１の指数関数と、前記第２の位置から離れるにつれて前記第２のピーク値から低下する第２の指数関数とを重ね合わせ、前記避航操船空間の各位置毎に、前記第１の指数関数の値か前記第２の指数関数の値のいずれか大きい方の値を用いることで前記選好度を算出する、
   避航支援装置。
4. 請求項３記載の避航支援装置において、
   前記避航操船空間における最大の前記変針角に対応する前記第１の指数関数の値は、前記避航操船空間における最大の前記変針角に対応する前記第２の指数関数の値に等しい、
   避航支援装置。
5. 請求項１記載の避航支援装置において、
   前記第１の位置の前記所定の速力は、原速力である、
   避航支援装置。
6. 請求項１記載の避航支援装置において、
   さらに、予め記憶した予定航路に基づいて前記選好度算出部に前記ウエイポイントの情報を通知する航路設定部を有する、
   避航支援装置。
7. 請求項１記載の避航支援装置において、
   前記選好度算出部は、前記ウエイポイントへの前記変針角が前記避航操船空間における最大の変針角よりも大きい場合には、前記ウエイポイントへの前記変針角を前記最大の変針角とみなして前記選好度を算出する、
   避航支援装置。
8. 請求項１記載の避航支援装置において、
   さらに、前記効用値が最大となる前記避航操船空間の位置に対応する前記変針角および前記変速率を操船方法として指示する操船指示部を有する、
   避航支援装置。

Images