JP7259172B2 - 航路生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の安全に航行可能な航路を生成する技術に関する。

従来、船舶の衝突危険性を見積もるために、ＯＺＴ（Obstacle Zone by Target）を用いる研究が進んでいる（非特許文献１参照）。ＯＺＴは、他の船舶によって航行が妨害されるリスクがある範囲を示す指標であり、衝突可能性のある領域の把握を容易にし、操船者が避航手法の検討及び選択を行う際に有用であると考えられている。

また、避航操船空間なるモデル内で衝突危険度を評価し、これに操船の好ましさのモデルを重ねることで、操船方法の好ましさを算出し、瞬時に最適な避航航路を生成することが検討されている（非特許文献２参照）。かかる手法によると、避航操船空間を絶えず計算することによって、瞬時に最適な航路を選択することができる。

福田、「ＯＺＴを用いた海上交通分析の基礎研究」、日本航海学会講演予稿集３巻２号、２０１５年 中村紳也、等、「輻輳海域における自動避航システムによる操船結果とベテラン船長らによる操船結果との比較（定量的評価）について」、日本航海学会 海上交通工学研究会講演資料、２０１８年６月９日

ＯＺＴを用いる手法では、他の船舶との衝突リスクを表示することはできるが、避航経路を自動で生成することはできない。さらに、航行する空間全体を俯瞰した場合に、船舶以外の障害物の考慮・法律で明文化されている避航方法を適用すること、及び、自船が目的地へ向かう針路等を考慮することはできない。

また、非特許文献２に記載の手法では、特殊な時空間（避航操船空間）で避航判断が行われる。瞬時にどの方向に曲がればよいかは示されるが、どういう経路を通ればよいかは示されない。そのため、船舶の航行する空間全体を俯瞰した場合に、どこにリスクがあるか判断が容易ではない。

一方、自動車、移動ロボット等の分野では、障害物回避の手法として、ポテンシャル法が用いられている。ポテンシャル法において、移動体は、ポテンシャルが設定された地図上において当該ポテンシャルの勾配に沿って移動する。

通常のポテンシャル法では、運動特性の良好な移動体（ロボット、自動車等）が対象であるため、認識された障害物の位置にポテンシャルを設定することによって、経路演算が可能となる。一方、船舶の運動特性は、他の移動体と比較して著しく悪いため、認識された障害物の位置にポテンシャルを設定すると、当該障害物を好適に回避することができないおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、船舶の安全に航行可能な航路を好適に生成することが可能な航路生成装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するために、本発明の航路生成装置は、航行海域平面上にポテンシャルを設定するポテンシャル設定部と、前記ポテンシャルが設定された前記航行海域平面を用いて、船舶の航路を生成する航路生成部と、を備え、前記航路生成部は、ポテンシャルが設定された前記航行海域平面上の出発地と目的地との間において、船舶の航行中継地から第一の所定時間において航行可能な複数の航路候補を設定し、設定された複数の前記航路候補において、前記第一の所定時間よりも短い第二の所定時間ごとの前記船舶の位置におけるポテンシャルの和を算出し、算出された前記ポテンシャルの和が最小となる前記航路候補のうち、前記第二の所定時間ごとの前記船舶の位置において前記第一の所定時間における位置よりも手前のいずれかを、次の前記航行中継地に設定し、前記船舶の出発前に、前記航行中継地の設定を前記出発地から前記目的地まで繰り返すことによって、設定された前記航行中継地を含むように前記船舶の航路を生成することを特徴とする。

本発明によると、ポテンシャル法にＯＺＴを組み合わせることによって、予想されるリスクに対するポテンシャルを考慮して好適な航路を生成する。すなわち、船舶の将来的な位置におけるポテンシャルを考慮しながら航行中継地を設定することを繰り返すことによって、障害物等を回避可能な安全な航路を好適に生成することができる。

本発明の実施形態に係る航路生成装置を模式的に示すブロック図である。 航行海域平面上に設定される第一のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上に設定される第二のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上に設定される第三のポテンシャルの例を示すグラフである。 船舶及び不動の障害物の例を示す航行海域平面である。 航行海域平面上において複数の代表点によって示される不動の障害物の各代表点間を結ぶ線分の右側に設定される第三のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上において複数の代表点によって示される不動の障害物の各代表点間を結ぶ線分の左側に設定される第三のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上において複数の代表点によって示される不動の障害物の各代表点間を結ぶ線分の両側に設定される第三のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上に設定される第四のポテンシャルの例を示すグラフである。 航行海域平面上に設定される第四のポテンシャルの例を示すグラフである。 航路生成装置の第一の動作例を説明するための航行海域平面である。 航路生成装置の第一の動作例を説明するためのフローチャートである。 航路生成装置の第一の動作例を説明するためのフローチャートである。 航路の選択例を説明するための模式図である。 航路生成装置の第二及び第三の動作例を説明するための航行海域平面である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本発明において、航行海域平面とは、自船舶の位置、他船舶の位置、海域の情報等に基づいて生成されるものであって、船舶の航行する三次元空間の情報（水深等の情報を含む）をもとにモデル化された、船舶の周囲の海面を模擬した平面や位置情報であり、例えば、不動の障害物（陸地、岩礁、浅瀬等）の位置情報を含む。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る船舶１は、船舶自動識別装置１１と、海域情報表示装置１２と、方位センサ１３と、航路生成装置２０と、を備える。また、船舶１は、当該船舶１の動力源である動力装置４１と、当該船舶１の進行方向を変更するための操舵装置４２と、を備える。なお、船舶１が遠隔操船される場合には、航路生成装置２０は、船舶１の外部に設けられてもよい。

＜船舶自動識別装置＞
船舶自動識別装置（AIS：Automatic Identification System）１１は、船舶１の周辺を航行する他の船舶２を自動的に識別し、識別された他の船舶２の位置並びに速度（向き及び速さ）を検出する装置である。船舶自動識別装置１０は、検出結果を航路生成装置２０へ送信する。

＜海域情報表示装置＞
海域情報表示装置１２は、船舶１が航行する海域の海図（例えば、海上保安庁発行の航海用海図）、参考図（例えば、航海用電子参考図、Ｙチャート等）等を表示する装置である。海域情報表示装置１２は、船舶１が航行する海域の情報（地形、水深、浮標、航路、その他の障害物、潮流等の情報）を航路生成装置２０へ送信する。

＜方位センサ＞
方位センサ１３は、船舶１の向き（方角）を検出するセンサである。方位センサ１３は、検出結果を航路生成装置２０へ送信する。

＜航路生成装置＞
航路生成装置２０は、ポテンシャル法にＯＺＴ（Obstacle Zone by Target）を組み合わせることによって、予想されるリスクに対するポテンシャルを考慮して船舶１の安全に航行可能な航路（避航経路ともいう）を生成するための装置である。航路生成装置２０は、操作部２１と、表示部２２と、制御部３０と、を備える。

＜操作部＞
操作部２１は、キーボード、マウス、タッチパネル、ボタン等によって構成されている。操作部２１は、操船者による当該操作部２１の操作結果に基づく信号（データ）を制御部３０へ出力する。

＜表示部＞
表示部２２は、モニタ等によって構成されている。表示部２２は、制御部３０からの信号（データ）に基づく画像又は映像を表示する。

＜制御部＞
制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路等によって構成されている。制御部３０は、機能部として、記憶部３１と、位置情報取得部３２と、他船舶情報取得部３３と、海域情報取得部３４と、ポテンシャル設定部３５と、航路生成部３６と、船舶制御部３７と、を備える。

≪記憶部≫
記憶部３１には、船舶１の最高速さ、変針可能な角度等が記憶されている。また、記憶部３１には、船舶１が航行する海域の情報（地形、水深、浮標、航路、その他の障害物、潮流等の情報）が記憶されていてもよい。

≪位置情報取得部≫
位置情報取得部３２は、例えばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）からの信号を受信し、受信された信号に基づいて船舶１の位置を算出する。また、位置情報取得部３２は、船舶１に設けられた方位センサ１３の検出結果（すなわち、船舶１の向き）を取得する。船舶１の位置及び向きに関する情報は、海域情報取得部３４、ポテンシャル設定部３５、航路生成部３６及び船舶制御部３７に出力される。

≪他船舶情報取得部≫
他船舶情報取得部３３は、船舶自動識別装置１０によって送信された他の船舶２に関する情報（位置、向き、及び速さ）を取得し、取得された情報をポテンシャル設定部３５へ出力する。

≪海域情報取得部≫
海域情報取得部３４は、海域情報表示装置１２によって送信された、及び／又は、操船者による操作部２１の操作結果に基づく海域の情報（地形、水深、浮標、航路、その他の障害物、潮流等の情報）を取得し、取得された情報をポテンシャル設定部３５へ出力する。本実施形態において、海域情報取得部３４は、位置情報取得部３２から出力された船舶１の位置及び向きに関する情報を取得し、かかる情報に基づいて、船舶１の近傍の海域の情報をポテンシャル設定部３５へ出力する。

≪ポテンシャル設定部≫
ポテンシャル設定部３５は、船舶１の位置（出発地又は現在地）及び向き、船舶１の目的地、他の船舶２に関する情報（位置、向き及び速さ）並びに海域の情報に基づいて、船舶１の位置及び目的地を含む航行海域平面上にポテンシャル場を設定する。

＜ポテンシャル＞
続いて、航行海域平面上に設定されるポテンシャル場について説明する。ポテンシャル場を説明する図面において、ｘ軸及びｙ軸は、航行海域平面上の座標を示す軸であり、ｘ軸は、例えば南北方向を示す軸、ｙ軸は、航行海域平面上においてｘ軸と直交する軸（例えば、東西方向を示す軸）である。また、ｚ軸は、ポテンシャルを示す軸である。かかるポテンシャル場（ポテンシャルが設定された航行海域平面）において、船舶１は、ポテンシャルが高い位置を避け、小さい位置に流れるように航行する。

≪第一のポテンシャル≫
図２に示すように、第一のポテンシャルＵ_１は、例えば、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅに向かうにつれて当該ポテンシャルが小さくなるように設定されている。すなわち、第一のポテンシャルＵ_１は、船舶１を出発地Ｐ_Ｓ側から目的地Ｐ_Ｅ側に向かわせる引力ポテンシャルである。船舶１の航路は、第一のポテンシャルＵ_１に従うことによって、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅに向かうように設定される。第一のポテンシャルＵ_１は、例えば下記式（１）によって表される。ここで、ｗ_１は、第一のポテンシャルＵ_１における出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅまでの勾配に関する係数である。また、Ψ_１は、引力ポテンシャルの向き、すなわち、地球固定座標系（例えば、南北方向にｘ軸、東西方向にｙ軸）における、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを通る直線の地球固定座標系ｘ軸に対する角度である。また、（ｘ_１，ｙ_１）は、第一のポテンシャルＵ_１を置く代表点である。すなわち、船舶１の座標（ｘ，ｙ）が（ｘ_１，ｙ_１）であるときに、第一のポテンシャルＵ_１はゼロとなる。

≪第二のポテンシャル≫
図３に示すように、第二のポテンシャルＵ_２は、例えば、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを通る直線に対して、当該直線から離間するほど当該ポテンシャルが大きくなるように設定されている。すなわち、第二のポテンシャルＵ_２は、船舶１を出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを通る直線に近づける引力ポテンシャルである。船舶１の航路は、第二のポテンシャルＵ_２に従うことによって、出発地から目的地に直線的に向かうように設定される。第二のポテンシャルＵ_２は、例えば下記式（２）によって表される。ここで、ｗ_２は、第二のポテンシャルＵ_２における出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを通る直線から離間した際の勾配に関する係数である。また、Ψ_２は、地球固定座標系（例えば、南北方向にｘ軸、東西方向にｙ軸）における、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを通る直線の地球固定座標系ｘ軸に対する角度である。また、（ｘ_２，ｙ_２）は、第一のポテンシャルＵ_１を置く代表点である。すなわち、船舶１の座標（ｘ，ｙ）が（ｘ_２，ｙ_２）であるときに、第二のポテンシャルＵ_２は最小となる。なお、第二のポテンシャルＵ_２は、船舶１の航路（予定）の左右でｗ_２の大きさが異なっていてもよい。一般的な避航操船時には、右舷側に舵を切ることが好まれ、法律にも一部右舷側に舵を切ることが明記されているが、左側のｗ_２を右側のｗ_２よりも大きく設定することによって、かかる操船を実現することができる。

本実施形態では、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅに代えて、現時点における船舶１の位置と次の航行ＷＰとを通る直線に対して、第一のポテンシャルＵ_１及び第二のポテンシャルＵ_２が設定される。また、直前の航行ＷＰと次の航行ＷＰとを通る直線に対して、第一のポテンシャルＵ_１及び第二のポテンシャルＵ_２が設定される。

≪第三のポテンシャル≫
図４に示すように、第三のポテンシャルＵ_３は、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを含む航行海域平面において、不動の障害物（岩礁、浅瀬等）に近づくほど当該ポテンシャルが大きくなるように設定されている。すなわち、第三のポテンシャルＵ_３は、船舶１を障害物に近づけさせない斥力ポテンシャルである。船舶１の航路は、第三のポテンシャルＵ_３に従うことによって、岩礁等を回避するように設定される。なお、座標（ｘ_３，ｙ_３）は、岩礁等の位置（中心の位置）である。第三のポテンシャルＵ_３は、例えば下記式（３）によって表される。ここで、ｗ_３は、第三のポテンシャルＵ_３の大きさに関する係数である。ｗ_３は、不動の障害物の形状（大きさ等）を変数とする関数である。

また、図５に示すように、右側の第三のポテンシャルＵ_Ｒ（図６参照）及び左側の第三のポテンシャルＵ_Ｌ（図７参照）は、下記式（６）～（８）によって表される。ここで、（ｘ，ｙ）は、船舶１の座標、（ｘ_３，ｙ_３）は、不動の障害物３の座標である。右側のポテンシャルＵ_Ｒは、複数の代表点Ｐ_１，Ｐ_２，…，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１，…（ここでは、Ｐ_Ｒ１，Ｐ_Ｒ２，Ｐ_Ｒ３，Ｐ_Ｒ４，…（図８参照））におけるポテンシャルを直線で結ぶ線の右側のポテンシャルである。左側のポテンシャルＵ_Ｌは、複数の代表点Ｐ_１，Ｐ_２，…，Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１，…（ここでは、Ｐ_Ｌ１，Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３，Ｐ_Ｌ４，…（図８参照））におけるポテンシャルを直線で結ぶ線の左側のポテンシャルである。また、Ψ_３ｋは、代表点（例えば、Ｐ_Ｒ１，Ｐ_Ｒ２）間を結ぶ線分すなわちポテンシャルの壁の方向を示す角度である。また、ｗ_３１は、ポテンシャルの大きさに関する係数であり、ｗ_３２は、ポテンシャルの急峻さに関する係数である。船舶１の左右両側に障害物３がある場合には、 Ｕ_３＝Ｕ_Ｒ＋Ｕ_Ｌ となる（図８参照）。

また、例えば、船舶１の右側に複数（Ｎ個）の不動の障害物３がある場合には、Ｕ_Ｒは、下記式（９）によって表される。ここで、ｋは、複数の障害物３を識別するための順番を示す（Ｕ_Ｌに関しても同様）。

また、例えば、河川等の航路のように、あるベクトルの左右両側に航行を避けるべき領域（障害物３）がある場合には、 Ｕ_３＝Ｕ_Ｒ＋Ｕ_Ｌ となる（図８参照）。

≪第四のポテンシャル≫
図９及び図１０に示すように、第四のポテンシャルＵ_４は、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅを含む航行海域平面において、移動体である他の船舶２との衝突が予想されるエリアに近づくほど当該ポテンシャルが大きくなるように設定されている。すなわち、第四のポテンシャルＵ_４は、船舶１を他の船舶２との衝突が予想されるエリアに近づけさせない斥力ポテンシャルである。船舶１の航路は、第四のポテンシャルＵ_４に従うことによって、他の船舶２を回避するように設定される。なお、座標（ｘ_４，ｙ_４）は、他の船舶２の位置（中心の位置）又はＯＺＴを示す代表位置である。第四のポテンシャルＵ_４は、例えば下記式（１０）～（１２）によって表される。ここで、ｗ_４は、第四のポテンシャルＵ_４の大きさに関する係数である。ｗ_４は、船舶１及び他の船舶２の速度及び大きさを変数とする関数である。また、ｘ_ｅは、ｘ軸方向（他の船舶２の前後方向）において、第四のポテンシャルＵ_４が最大値から半減する位置（ｘ座標）を示す。また、Ψ_４は、ポテンシャルの角度である。なお、他の船舶２の向きによっては、式（１０）は、ｘ_ｅと同様のｙ_ｅに関する項を含むことができる。

各式（１）～（１２）における係数ｗ_１～ｗ_４，ｘ_ｅ等は、操船者による操作部２１の操作結果等に基づいて適宜設定可能である。

ポテンシャル設定部３５は、他の船舶２の向きに基づいて、他の船舶２の前方のポテンシャルが他の方向のポテンシャルよりも大きくなるように、第四のポテンシャルＵ_４を設定する。また、ポテンシャル設定部３５は、他の船舶２の速度に基づいて、当該速度が大きいほど他の船舶２の前方における所定位置のポテンシャルが大きくなるように、第四のポテンシャルＵ_４を設定する。

なお、ポテンシャル設定部３５は、海上衝突予防法第１３～１７条、操船者の感じるリスク等に基づいて、他の船舶２の右舷側及び左舷側の一方のポテンシャルを、他方のポテンシャルよりも大きく設定してもよい。かかる設定は、例えば、Ｕ_４の右辺において、分散を示すσ_ｘ，σ_ｙを、座標をパラメータとした変数とすることによって可能である。

ポテンシャル設定部３５は、これらのポテンシャルＵ_１～Ｕ_４の総和をとることによって、航行海域平面上に総ポテンシャルＵを設定する。

≪航路生成部≫
航路生成部３６は、位置情報取得部３２からの情報及びポテンシャル設定部３５の設定結果を取得し、総ポテンシャルＵが設定された航行海域平面上において、船舶１の航路（避航経路）を生成する。航路は、出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの間に設定された複数の航行中継地（ＷＰ：Way Point）を含み、複数の航行中継地（ＷＰ：Way Point）における総ポテンシャルの総和が小さくなるように生成される。航行ＷＰは、航路において船舶１が通過する地点（座標）であり、航路に基づき航行する船舶１は、出発地Ｐ_Ｓから複数の航行ＷＰを順次経由して目的地Ｐ_Ｅまで移動する。生成された航路は、船舶制御部３６へ出力される。航路生成部３５は、海上衝突予防法第１３条（追越し）、第１４条（行会い）、第１５条（横切り）、第１６条（避航船）、第１７条（保持船）に則った航路を生成する。

≪船舶制御部≫
船舶制御部３７は、航路生成部３６によって生成された航路を取得し、位置情報取得部３２からの情報及び取得された航路に基づいて、動力装置４１及び操舵装置４２を制御する。

＜第一の動作例＞
続いて、航路生成装置２０の第一の動作例について、図１１～図１３を参照して説明する。本動作例において、船舶１の航路生成装置２０は、図１１に示すように、他の船舶２を回避するように航路を生成する。図１１に示す例において、船舶１及び他の船舶２は、海上衝突予防法第１４条の行会いの関係にある。

図１２のフローチャートに示すように、航路生成装置２０のポテンシャル設定部３５は、海域情報表示装置１２から送信された海域の情報（地形、水深、浮標、航路、その他の障害物、潮流等の情報）、又は、記憶部３１に記憶された海域の情報、を用いてモデル化された航行海域平面上にポテンシャル場を設定する（ステップＳ１）。図１１には、総ポテンシャルＵのうち、他の船舶２によるポテンシャルＵ_４のみが図示されている。

続いて、航路生成装置２０の航路生成部３６は、出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの間における航行ＷＰ（Way Point）数を設定する（ステップＳ２）。ここで、航路生成部３６は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、出発地Ｐ_Ｓ及び目的地Ｐ_Ｅの座標を取得することができる。また、航路生成部３６は、記憶部３１に記憶された航行ＷＰ数を読み出すことによって、又は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、航行ＷＰ数を設定することができる。なお、航路生成部３６は、出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの距離を算出し、算出された距離及び予め記憶された船舶１の速さ（最大速さ）に基づいて、航行ＷＰ数を設定する構成であってもよい。ここで、航行ＷＰ数は、航路が曲線的になることを考慮して、［出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの距離］÷［船舶１の速さ（最大速さ）］よりも大きく（例えば、＋２０％）設定される。また、航路生成部３６は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、航行ＷＰ数を取得して設定することができる。

続いて、航路生成装置２０の航路生成部３６は、当該船舶１の位置（出発地Ｐ_Ｓ又は航行ＷＰ）から次の航行ＷＰの候補ＷＰＣまでの航路を算出する（ステップＳ３）。

図１３のフローチャートに示すように、ステップＳ３において、詳細には、航路生成部３６は、船舶１が航行可能な針路の角度に基づいて、複数の航路候補を設定する（ステップＳ１１）。本実施形態において、船舶１は、当該船舶の前方を０°としたとき、－４０°から＋４０°の範囲に航行（変針）可能である。航路生成部３６は、方位センサ１３の検出結果を基準とし、変針可能な角度よりも広い、－４５°から＋４５°の範囲において、５°おきに計１９個の航路候補をそれぞれ直線的に設定する。航路生成部３５は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、航路候補の数、及び／又は、隣り合う航路候補間の角度を取得して設定することができる。なお、図１１においては、簡略化のため５個の航路候補が図示されている。

続いて、航路生成部３６は、船舶１の航行ＷＰ（最初は、出発地Ｐ_Ｓ）から第一の所定時間ｔ_１（例えば、１０分）で移動する予測ホライズンＨｐまで、第一の所定時間ｔ_１よりも短い第二の所定時間ｔ_２（例えば、１分）後の位置を算出する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。予測ホライズンＨｐは、航行ＷＰの候補ＷＰＣよりも先にある位置であり、航行ＷＰよりも先の総ポテンシャルＵを考慮して当該航行ＷＰを選択するためのものである。航路生成部３６は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、第一の所定時間ｔ_１及び第二の所定時間ｔ_２を取得して設定することができる。第一の所定時間ｔ_１は、第二の所定時間ｔ_２の整数倍（好ましくは、３倍以上）に設定可能である。ここで、航路生成部３６は、記憶部３１に記憶された船舶１の最高速さに基づいて、船舶１の位置を算出することができる。なお、図１１においては、簡略化のため予測ホライズンＨｐまでの算出回数を２回にしたものが図示されている。

続いて、航路生成部３６は、第二の所定時間ｔ_２後の位置を用いて総ポテンシャルＵが設定された航行海域平面を参照することによって、船舶１の航行ＷＰから第二の所定時間ｔ_２後の位置における総ポテンシャルＵを読み出す。続いて、航路生成部３６は、前回までに読み出された総ポテンシャルの和と、今回読み出された総ポテンシャルと、の和を算出する（ステップＳ１４）。

航路生成部３６は、ステップＳ１３，Ｓ１４を第二の所定時間ｔ_２の累計が第一の所定時間ｔ_１に達するまで（例えば、１０回）繰り返す（ステップＳ１５）。また、航路生成部３６は、ステップＳ１２～Ｓ１５の動作を、複数の航路候補のそれぞれに対して実行する（ステップＳ１６）。これにより、複数の航路候補ごとに、総ポテンシャルの和が算出される。

続いて、航路生成部３６は、複数の航路候補のうち、総ポテンシャルの和が最も小さいものを選択する。また、航路生成部３６は、選択された航路候補のうち、最初の第二の所定時間ｔ_２における船舶１の位置を、次の航行ＷＰとして採用する（ステップＳ１７）。

ここで、図１４に示すように、全ての航路Ｃ_１～Ｃ_１９のうち、総ポテンシャルの和が最も小さい航路候補が、船舶１の航行可能な角度外の場合（例えば、－４５°の航路Ｃ_１）が考えられる。この場合には、航路生成部３６は、当該角度に最も近い航行可能な角度（例えば、－４０°）の航路候補Ｃ_２を選択し、選択された航路候補Ｃ_２から航行ＷＰを採用する。すなわち、航路生成部３６は、航行可能な角度内で総ポテンシャルの和が最も小さい航路候補（例えば、航路候補Ｃ_６）が航路候補Ｃ_２以外に存在しても、当該航路候補Ｃ_６を選択しない。これは、かかる選択結果が、後に採用された航行ＷＰの総ポテンシャルとの和が小さくなることに貢献する可能性が高いためである。

図１２に示すように、航路生成部３６は、ステップＳ１１～Ｓ１７を航行ＷＰ数だけ実行する（ステップＳ４）。これにより、船舶１の出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅまでの航路が生成される。なお、予め設定された航行ＷＰ数よりも小さい数で目的地Ｐ_Ｅに到達する場合には、航路生成部３６は、目的地Ｐ_Ｅに到達した時点でステップＳ２～Ｓ４のループを終了する。

続いて、航路生成部３６は、生成された航路を含む航行海域平面を表示部２２又は海域情報表示装置１２に表示させ、操船者に対して航路の承認を促す（ステップＳ５）。航路が承認された場合（ステップＳ５でＹｅｓ）には、船舶制御部３７は、当該航路に基づいて動力装置４１及び操舵装置４２の制御量を算出する（ステップＳ６）。船舶制御部３７は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、航路の承認及び非承認を取得することができる。

続いて、船舶制御部３７は、算出された制御量を動力装置４１及び操舵装置４２に出力することよって、船舶１に航路を航行させる（ステップＳ７）。なお、航路が承認されなかった場合（ステップＳ５でＮｏ）には、本フローは終了し、船舶１は、操船者によって操船される。

＜第二の動作例＞
続いて、航路生成装置２０の第二の動作例について、図１５を参照し、第一の動作例との相違点を中心に説明する。図１１に示す例において、船舶１及び他の船舶２は、海上衝突予防法第１５条の横切りの関係にある。

航路生成部３６は、第一の動作例と同様の手法を用いて、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅまでの順に算出した航路Ｒ_１を生成するとともに、目的地Ｐ_Ｅから出発地Ｐ_Ｓまでの逆順に算出した航路Ｒ_２を生成する。そして、航路生成部３６は、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅまでの航路Ｒ_１におけるポテンシャルの和と、目的地Ｐ_Ｅから出発地Ｐ_Ｓまでの逆順の航路Ｒ_２におけるポテンシャルの和と、を比較し、小さい方を実際の航路として採用する。ここで、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅまでの順に算出した航路Ｒ_１は、他の船舶２を回避するために、航路Ｒ_２よりも遠回りになる可能性がある。この場合には、航路Ｒ_１におけるポテンシャルの和は、航路Ｒ_２におけるポテンシャルの和よりも大きくなるため、航路生成部３６は、航路Ｒ_２を採用する。

また、航路生成部３６は、出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの間に仮想目的地Ｐ_Ｅ１を設定することができる。ここで、航路生成部３６は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、仮想目的地Ｐ_Ｅ１の座標を取得することができる。この場合において、航路生成部３６は、仮想目的地Ｐ_Ｅ１から出発地Ｐ_Ｓまでの逆順に算出した航路Ｒ_３と、仮想目的地Ｐ_Ｅ１から目的地Ｐ_Ｅまでの順に算出した航路Ｒ_４と、を組み合わせることによって航路を生成することができる。

＜第三の動作例＞
続いて、航路生成装置２０の第三の動作例について、図１５を参照し、第二の動作例との相違点を中心に説明する。

航路生成部３６は、出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの間に仮想目的地Ｐ_Ｅ１を設定する。ここで、航路生成部３６は、操船者による操作部２１の操作結果に基づいて、仮想目的地Ｐ_Ｅ１の座標を取得することができる。航路生成部３６は、仮想目的地Ｐ_Ｅ１から出発地Ｐ_Ｓまでの逆順に算出した航路Ｒ_３を生成する。ポテンシャル設定部３５は、船舶１がかかる航路Ｒ_３の近傍を航行するように、当該航路Ｒ_３の変針点に、引力ポテンシャルＵ_５を設定する。引力ポテンシャルＵ_５は、船舶１を、当該引力ポテンシャルＵ_５が設定された地点を経由させようとするポテンシャルである。航路生成部３６は、引力ポテンシャルＵ_５が設定された航行海域平面を用いて、出発地Ｐ_Ｓから目的地Ｐ_Ｅの順に算出した航路Ｒ_５を生成する。

本発明の実施形態に係る航路生成装置２０は、航行海域平面上にポテンシャルを設定するポテンシャル設定部３５と、前記ポテンシャルが設定された前記航行海域平面を用いて、船舶１の航路を生成する航路生成部３６と、を備える。前記航路生成部３６は、ポテンシャルが設定された前記航行海域平面上の出発地Ｐ_Ｓと目的地Ｐ_Ｅとの間において、船舶１の航行中継地から第一の所定時間ｔ_１において航行可能な複数の航路候補を設定する。また、前記航路生成部３６は、設定された複数の前記航路候補において、前記第一の所定時間ｔ_１よりも短い第二の所定時間ｔ_２ごとの前記船舶１の位置におけるポテンシャルの和を算出する。また、前記航路生成部３６は、算出された前記ポテンシャルの和が最小となる前記航路候補のうち、前記第二の所定時間ｔ_２ごとの前記船舶１の位置において前記第一の所定時間ｔ_１における位置よりも手前のいずれかを、次の前記航行中継地に設定する。また、前記航路生成部３６は、前記航行中継地の設定を前記出発地Ｐ_Ｓから前記目的地Ｐ_Ｅまで繰り返すことによって、設定された前記航行中継地を含むように前記船舶１の航路を生成する。
すなわち、航路生成装置２０は、障害物（例えば、他の船舶２）との予測される衝突リスクに関して、船舶１が航行する海面を模擬した平面上で、ポテンシャル法を適用するため、衝突可能性のある領域を容易に把握することができる。さらに、航路生成装置２０は、他の船舶２以外の障害物３の考慮や法律で明文化されている避航方法を適用すること、及び、船舶１が目的地へ向かう針路等を考慮することができる。このため、航路生成装置２０は、他の船舶２との衝突を避ける避航操船に限定されず、時間的にも空間的にも大域的に（航行する空間全体を俯瞰した場合に、どこに障害物やリスクが存在し、どういった航路を航行すればよいかという観点で）航路全体でのリスクを考慮し、安全に航行可能な航路を好適に生成することができる。また、航路生成装置２０は、かかる情報を、操船者に表示することによって、航行支援装置としても有用である。
したがって、航路生成装置２０は、船舶１の仮想的な将来の位置におけるポテンシャルを考慮しながら航行中継地を設定することを繰り返すことによって、障害物等を回避可能な航路を好適に生成することができる。

前記航路生成部３６は、算出された前記ポテンシャルの和が最小となる前記航路候補において、前記第二の所定時間ｔ_２ごとの前記船舶１の位置のうち、最初の前記第二の所定時間ｔ_２における前記船舶１の位置を、次の前記航行中継地に設定する構成であってもよい。
この場合には、航路生成装置２０は、航行中継地を設定する際に船舶１の、より遠い仮想的な将来の位置におけるポテンシャルを考慮するので、航路をより好適に生成することができる。

また、前記航路生成部３６は、前記船舶１の変針可能な角度に応じて、複数の前記航路候補を設定する構成であってもよい。
この場合には、航路生成装置２０は、船舶１の変針可能な角度を考慮するので、航路をより好適に生成することができる。

また、前記航路生成部３６は、前記航行中継地の設定を前記出発地Ｐ_Ｓから前記目的地Ｐ_Ｅまで繰り返した前記ポテンシャルの和と、前記目的地Ｐ_Ｅから前記出発地Ｐ_Ｓまで繰り返した前記ポテンシャルとの和と、を比較する。そして、前記航路生成部３６は、前記ポテンシャルの和が小さい方に基づいて前記船舶の航路を生成する構成であってもよい。
この場合には、航路生成装置２０は、船舶１の航路を順路及び逆路の両方から選択するので、航路をより好適に生成することができる。

また、前記ポテンシャル設定部３５は、他の船舶２に関する斥力ポテンシャルを前記航行海域平面上に設定する。前記他の船舶２に関する斥力ポテンシャルが同じ大きさとなる地点は、前記他の船舶２の前方の地点の方が前記他の船舶２の後方の地点よりも前記他の船舶２から遠くなるように設定される構成であってもよい。
この場合には、航路生成装置２０は、他の船舶２に関するポテンシャルＵ_４を他の船舶２の向きに応じて設定するので、他の船舶２の将来的な位置を考慮することができ、航路をより好適に生成することができる。

また、前記ポテンシャル設定部３５は、前記船舶１の現在位置又は直前の前記航行中継地から次の前記航行中継地に向かうにつれてポテンシャルが小さくなる第一のポテンシャルＵ_１と、前記船舶１の現在位置又は直前の前記航行中継地と次の前記航行中継地とを通る直線から離れるほどポテンシャルが大きくなる第二のポテンシャルＵ_２と、前記航行海域平面上における不動の障害物３に関する斥力ポテンシャルである第三のポテンシャルＵ_３と、前記航行海域平面上における移動体に関する斥力ポテンシャルである第四のポテンシャルＵ_４と、を設定する。前記航路生成部３６は、前記第一のポテンシャルＵ_１、前記第二のポテンシャルＵ_２、前記第三のポテンシャルＵ_３及び前記第四のポテンシャルＵ_４の和を用いる構成であってもよい。
この場合には、航路生成装置２０は、第三のポテンシャルＵ_３及び第四のポテンシャルＵ_４を考慮することよって不動の障害物３及び移動体を好適に回避するとともに、第一のポテンシャルＵ_１及び第二のポテンシャルＵ_２を考慮することによって、より効率的な（短距離の）航路を生成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能である。例えば、航路生成部３６は、第二の所定時間ｔ_２が複数回経過した時点における船舶１の位置を、次の航行中継地として選択する構成であってもよい。また、他の船舶２に関する情報（位置及び速度）は、船舶自動識別装置１０によって検出されたものに限定されない。他の船舶２に関する情報は、レーダー、カメラ、ＬＩＤＡＲ（レーザー光を用いたセンシング）等によって検出されたものでもよく、操船者による操作部２１の操作結果から取得されたものでもよい。

１ 船舶
２ 他の船舶
１１ 船舶自動識別装置
２０ 航路生成装置
２１ 操作部
２２ 表示部
３０ 制御部
３１ 記憶部
３２ 位置情報取得部
３３ 他船舶情報取得部
３５ ポテンシャル設定部
３６ 航路生成部
３７ 船舶制御部
４１ 動力装置
４２ 操舵装置

Claims (6)

1. 航行海域平面上にポテンシャルを設定するポテンシャル設定部と、
   前記ポテンシャルが設定された前記航行海域平面を用いて、船舶の航路を生成する航路生成部と、
   を備え、
   前記航路生成部は、
   ポテンシャルが設定された前記航行海域平面上の出発地と目的地との間において、船舶の航行中継地から第一の所定時間において航行可能な複数の航路候補を設定し、
   設定された複数の前記航路候補において、前記第一の所定時間よりも短い第二の所定時間ごとの前記船舶の位置におけるポテンシャルの和を算出し、
   算出された前記ポテンシャルの和が最小となる前記航路候補のうち、前記第二の所定時間ごとの前記船舶の位置において前記第一の所定時間における位置よりも手前のいずれかを、次の前記航行中継地に設定し、
   前記船舶の出発前に、前記航行中継地の設定を前記出発地から前記目的地まで繰り返すことによって、設定された前記航行中継地を含むように前記船舶の航路を生成する
   ことを特徴とする航路生成装置。
2. 前記航路生成部は、算出された前記ポテンシャルの和が最小となる前記航路候補において、前記第二の所定時間ごとの前記船舶の位置のうち、最初の前記第二の所定時間における前記船舶の位置を、次の前記航行中継地に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の航路生成装置。
3. 前記航路生成部は、前記船舶の変針可能な角度に応じて、複数の前記航路候補を設定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の航路生成装置。
4. 前記航路生成部は、前記船舶の出発前に、前記航行中継地の設定を前記出発地から前記目的地まで繰り返した前記ポテンシャルの和と、前記目的地から前記出発地まで繰り返した前記ポテンシャルとの和と、を比較し、前記ポテンシャルの和が小さい方に基づいて前記船舶の航路を生成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の航路生成装置。
5. 前記ポテンシャル設定部は、前記船舶の出発前に、他の船舶の位置、向き及び速度に基づいて、当該他の船舶に関する斥力ポテンシャルを前記航行海域平面上に設定し、
   前記他の船舶に関する前記斥力ポテンシャルが同じ大きさとなる地点は、前記他の船舶の前方の地点の方が前記他の船舶の後方の地点よりも前記他の船舶から遠くなるように設定されており、
   前記ポテンシャル設定部は、前記他の船舶の速度が大きいほど当該他の船舶の前方における所定位置の前記斥力ポテンシャルが大きくなるように、当該斥力ポテンシャルを設定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の航路生成装置。
6. 前記ポテンシャル設定部は、前記船舶の出発前に、
   前記船舶の現在位置又は直前の前記航行中継地から次の前記航行中継地に向かうにつれてポテンシャルが小さくなる第一のポテンシャルと、
   前記船舶の現在位置又は直前の前記航行中継地と次の前記航行中継地とを通る直線から離れるほどポテンシャルが大きくなる第二のポテンシャルと、
   前記航行海域平面上における不動の障害物に関する斥力ポテンシャルである第三のポテンシャルと、
   前記航行海域平面上における前記他の船舶に関する斥力ポテンシャルである第四のポテンシャルと、
   を設定し、
   前記航路生成部は、前記第一のポテンシャル、前記第二のポテンシャル、前記第三のポテンシャル及び前記第四のポテンシャルの和を用いる
   ことを特徴とする請求項５に記載の航路生成装置。

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