WO2017046893A1 - 船速計および船速取得方法 - Google Patents

船速計および船速取得方法 Download PDF

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英幸 安藤
雅彦 谷川
愛 肥後崎
敏志 川浪
昌彦 虫明
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日本郵船株式会社
古野電気株式会社
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    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring the water speed of a ship, and more particularly to a technique that is effective when applied to a ship speedometer that measures ship speed at a plurality of depths and a ship speed acquisition method.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-167560 (patent) Reference 1) includes a wave transmitting unit that emits sound waves toward the seabed, and a plurality of reflected waves of sound waves emitted from the wave transmitting unit that are reflected by a plurality of reflectors located at different water depths.
  • a ship speedometer having a wave receiving part for detecting the reflected wave and a calculation processing part for calculating the water velocity of the ship based on the frequency difference between the sound wave and the reflected wave.
  • the arithmetic processing unit obtains a change rate of the flow velocity in the water depth direction by obtaining flow velocities at different water depths based on the frequency difference between the sound wave and each of the plurality of reflected waves, and the change rate is a predetermined threshold value.
  • the flow velocity at the following water depth is calculated as the water velocity of the ship.
  • the actual thickness of the boundary layer is grasped by obtaining flow velocities at a plurality of points below the ship bottom, and the speed of the watercraft is adjusted based on the flow velocity in a region deeper than the boundary layer. Therefore, even if the thickness of the boundary layer changes due to various factors, it is possible to always obtain an accurate anti-watercraft speed.
  • the flow field around the hull has factors that cause a velocity gradient in addition to the influence of the boundary layer, which affects a considerable depth in an actual ship, and also affects the size and shape of the hull.
  • the speed of watercraft is not sufficiently developed to a depth of about 100 meters, not an order of several tens of centimeters or several meters.
  • an object of the present invention is to provide a ship speedometer and a ship speed acquisition method for obtaining a ship speed for each water depth accurately to a depth at which the ship speed is sufficiently developed.
  • a ship speedometer is a ship speedometer that measures the speed of a ship against water, and is in a plurality of different water depths up to a predetermined measurement range in a fluid in which the ship is floating. Measure the flow velocity, fit the theoretical curve of the watercraft speed for each water depth that is held in advance to the distribution of the flow velocity for each water depth, and in a region deeper than the measurement range based on the fitted theoretical curve This is to calculate the ship speed against water at an arbitrary depth.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a configuration example of a ship speedometer according to the first embodiment of the present invention.
  • the ship speedometer of the present embodiment can be used with a sufficient accuracy at a water depth of about 100 meters at which the speed of watercraft is sufficiently developed in a general acoustic ship speedometer, multilayer tide meter, ADCP, and the like.
  • the depth of water is measured, and based on the obtained flow velocity distribution for each water depth, the speed of the watercraft in a deeper region, that is, a region where the flow velocity is sufficiently developed deeper than the boundary layer is estimated.
  • an acoustic (Doppler) ship speedometer is described as an example, but it is theoretically possible to apply the same method to other types of ship speedometers, tidal current meters, and the like.
  • the “water depth” correctly indicates the depth from the water surface or the fluid surface where the hull 1 floats, such as the sea surface. However, in the following description, the depth from the bottom surface of the hull 1 is described as “water depth” for convenience. There is.
  • the ship speedometer of the present embodiment includes, for example, a sensor 2 and a ship speedometer processing unit 3 installed on the hull 1.
  • the sensor 2 is installed at, for example, the bottom of the hull 1 or in the vicinity thereof, transmits a pulsed sound wave at a predetermined frequency toward the sea bottom, receives the reflected wave, and transmits the time difference from transmission to reception and It is comprised by the transducer etc. which output information, such as the frequency of the received reflected wave.
  • one sensor 2 is installed, emits sound waves in a predetermined sea bottom direction, and based on the measured flow velocity component in that direction, the flow velocity in the stern direction from the bow of the hull 1 (vs. water speed)
  • the present invention is not limited to such a configuration.
  • it is good also as a structure which calculates the flow velocity of arbitrary directions other than a stern direction from a bow.
  • Each sensor 2 has a plurality of sensors 2 that transmit sound waves in different directions (hereinafter sometimes referred to as “measurement directions”), and any flow velocity component (or a combination thereof) in the measurement direction of each sensor 2 It is good also as a structure which obtains the flow velocity (vessel water speed) of the direction.
  • the ship speedometer processing unit 3 has a function of controlling the operation of the sensor 2 and acquiring the output result from the sensor 2 and performing processing such as calculation of the ship speed V.
  • the ship speed meter processing unit 3 may be implemented as dedicated hardware including an integrated circuit, a storage device, an input / output device, etc. designed to realize each function described later, or a PC (Personal Computer) or the like. It can also be implemented as a general-purpose information processing apparatus and software running on it.
  • the ship speed meter processing unit 3 includes, for example, each unit such as a control unit 31, a measurement unit 32, a boat speed calculation unit 33, an interface unit 34, and measurement data 35, theoretical curve data 36, setting information 37, boat speed data 38, and the like.
  • the control unit 31 automatically operates each part of the ship speedometer processing unit 3 based on the contents of preset setting information 37 or the like, or based on an instruction from the user via the interface unit 34 described later. It has a function of manual control.
  • the measuring unit 32 has a function of measuring by the sensor 2 and acquiring the result. Specifically, as described above, the time difference between the transmitted wave transmitted from the sensor 2 and the received reflected wave and the frequency data of the reflected wave are acquired. The acquired data is recorded in time series as measurement data 35, for example.
  • the ship speed calculation unit 33 calculates the true ship speed V, that is, the flow velocity at a depth at which the flow velocity is sufficiently developed by a method described later, based on the contents of the measurement data 35, the contents of the setting information 37, etc. Speed) and a calculation result is recorded as ship speed data 38.
  • the interface unit 34 has a function of providing an input / output interface to the ship speedometer processing unit 3.
  • the contents of the ship speed data 38 calculated by the ship speed calculator 33 are displayed on a display (not shown) or the like and output.
  • input / output of accumulated data such as ship speed data 38 and measurement data 35, theoretical curve data 36, which will be described later, and the like is performed via an external recording medium (not shown) or a network.
  • an operation instruction or data input from a user is accepted via an operation panel including a button or a dial (not shown), a remote controller, a touch panel, or the like.
  • Patent Document 1 has a multi-layer configuration for obtaining flow velocities at a plurality of depths below the bottom of the ship, and based on the flow velocity distribution of each layer for each water depth, The thickness is grasped, and the speed against water is calculated from the flow velocity in the region deeper than the boundary layer.
  • the speed of watercraft may not be sufficiently developed to a depth of about 100 meters. It is coming.
  • sufficient measurement accuracy may not be obtained in a region deeper than a water depth of about 50 meters due to the performance of the acoustic ship speedometer. There may be cases where it cannot be obtained.
  • the present embodiment similarly to the conventional technique described in Patent Document 1, it has a multi-layer configuration for obtaining flow velocities at a plurality of depths below the bottom of the ship, and the water speed of each layer for each water depth.
  • the depth using the watercraft speed calculated based on the actual measurement data measured by the sensor 2 and the measuring unit 32 is within a predetermined range (“measurement range 4” in FIG. 1) that can be measured with sufficient accuracy.
  • the depth of the measurement range 4 may vary depending on the performance of the sensor 2 or the like, but is about 50 meters or less, for example.
  • the depth of the measurement range 4 uses the water speed calculated based on the actual measurement data, and in the deeper region, based on the theoretical curve 5 for each water depth rather than based on the actual measurement data. Therefore, it is possible to calculate the ship speed of each layer for each water depth, and it is possible to estimate with high accuracy the true ship speed in an area of about 100 meters in depth where the flow velocity is sufficiently developed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an outline of an example of the flow of ship speed acquisition processing in the present embodiment.
  • a water depth theoretical curve 5 applicable to the hull 1 in which a speedometer is installed is estimated (S01). This processing must be performed at least before the operation of the ship speedometer according to the present embodiment is started, but after that, the processing is performed at any time or periodically to update the boat speed theoretical curve 5 at each depth. You may make it keep.
  • a method for calculating the boat speed theoretical curve 5 at each water depth is not particularly limited, and for example, a method for estimation based on actual measurement data in an actual ship, a method for estimation by simulation using a computer system, or the like can be employed.
  • FIG. 3 is a diagram showing an outline of an example of a method for estimating the boat speed theoretical curve 5 at each water depth.
  • FIG. 3A shows an example of estimation from actual measurement data of a ship.
  • the conditions are suitable for estimating the water speed theoretical curve 5 at each water depth.
  • the theoretical speed curve 5 at every depth by simulation such as computational fluid dynamics (CFD) analysis.
  • CFD computational fluid dynamics
  • FIG.3 (b) has shown the example at the time of simulating the watercraft speed for every water depth by CFD.
  • the ship speed theoretical curve 5 for each water depth can be obtained by approximating the obtained water speed for each water depth by a power curve or the like in the same manner as in FIG.
  • a plurality of patterns of the water speed theoretical curve 5 for each water depth may be calculated for each pattern such as the shape of the hull 1, the navigation conditions, the draft depth, and the environmental parameters.
  • the calculation process of the water depth theoretical curve 5 including the simulation by CFD or the like does not need to be performed by the ship speedometer processing unit 3, and can be calculated using other systems, software, or the like.
  • the calculated data of the boat speed theoretical curve 5 for each water depth is taken into the boat speedometer processing unit 3 via the interface unit 34 and recorded in advance as the theoretical curve data 36.
  • the ship speed in actual ship navigation is acquired.
  • measurement and calculation of the water vessel speed of each layer for each water depth in the measurement range 4 is performed (S02). For example, d 1, d 2 the depth to be measured, ..., and n layer of the d n, pairs for each layer ship's speed relative to the water V s1, V s2, ..., calculate the V sn, respectively.
  • the measurement unit 32 of the ship speedometer processing unit 3 obtains the time difference between the transmitted wave transmitted from the sensor 2 and the received reflected wave and the frequency of the reflected wave.
  • the ship speed calculation unit 33 calculates the ship speed against water for each water depth based on the measurement data 35 by the same technique as described in Patent Document 1. At this time, in order to reduce the influence of disturbance due to hull motion or the like, it is desirable to use a moving average of, for example, about 10 seconds to several tens of seconds for the measurement data 35.
  • the ship speed calculation unit 33 adapts the ship speed theoretical curve 5 for each water depth recorded in the theoretical curve data 36 to the distribution of water ship speed for each water depth in the calculated measurement range 4 (S03).
  • the method of fitting (fitting) is not particularly limited, and any method or algorithm can be used as appropriate. For example, among the plurality of patterns recorded in the theoretical curve data 36 and the theoretical speed curve 5 for each water depth for each environmental parameter, the one closest to the actual water speed distribution in the measurement range 4 may be selected. it can. You may make it add correction
  • the method for determining the degree of deviation is not particularly limited. For example, it can be determined by whether or not the cumulative difference between the watercraft speed actually measured in each layer and the theoretical value exceeds a predetermined threshold, Judgment can be made according to the degree of difference in the difference. You may make it change the weight in the case of evaluation of a difference in a shallow area
  • step S04 If it is determined in step S04 that the divergence is greater than or equal to a predetermined level, the water depth-by-depth theoretical curve 5 is estimated again by the same method as in step S01 (S05). In the estimation here, the accuracy of the boat speed theoretical curve 5 for each water depth is improved by taking into consideration the data of a plurality of ship speed distributions actually measured at step S02 and other occasions. Can do.
  • FIG. 4 is a diagram showing an outline of another example of a method for estimating the ship speed theoretical curve 5 at each water depth.
  • statistical information such as the average of each of a plurality of past measurement data 35 ("Measurement data_1" to "Measurement data_5" in the figure) obtained by actual navigation is shown for each water depth ("Measurement data” in the figure).
  • _Average is approximated by a power curve or the like to obtain a theoretical curve 5 for each water depth (" theoretical curve (measured data_average) "in the figure). It is possible to obtain a boat speed theoretical curve 5 having a high water depth, and the processing after step S03 is repeated based on the boat speed theoretical curve 5 updated by such processing.
  • step S04 If it is determined in step S04 that the divergence is less than the predetermined level, the water resistance at an arbitrary depth in a region deeper than the measurement range 4 based on the water depth theoretical speed curve 5 adapted in step S03.
  • the boat speed is calculated (S06).
  • the calculation of the ship's speed against water may be performed for each layer at a plurality of predetermined water depths, or obtained for a depth predetermined in the setting information 37 or the like as a depth at which the flow velocity develops sufficiently.
  • the obtained flow velocity may be output as the true water speed.
  • the water speed may be calculated individually for an arbitrary depth designated by the user via the interface unit 34.
  • the value of the speed of water for each layer calculated in steps S02 and S06 in the measurement range 4 and deeper areas is the method determined in advance in the setting information 37 or the like, the method designated by the user, or any other predetermined method. Is output via the interface unit 34.
  • step S07 the processing after step S02 is repeated to continue the boat speed acquisition processing. If the termination request has been made, the boat speed acquisition process is terminated.
  • the watercraft speed calculated based on the measured data by the sensor 2 or the like is used as the watercraft speed of each layer for each water depth.
  • the depth to be used is limited to the measurement range 4, and for the region deeper than the measurement range 4, this is achieved by adapting the theoretical speed curve 5 for each water depth estimated in advance to the actual water speed distribution in the measurement range 4. Extrapolate.
  • the theoretical speed curve 5 for each water depth estimated in advance is adapted to the actual water speed distribution in the measurement range 4.
  • Extrapolate Extrapolate.
  • the theoretical speed curve 5 for each water depth is adapted to the distribution of the ship speed against water calculated based on the actual measurement data obtained by the sensor 2 or the like.
  • the degree of divergence between the watercraft speed distribution and the water depth theoretical curve 5 is large, it is assumed that the water speed theoretical curve 5 is not optimal and the water depth is calculated as shown in step S05 of FIG. Every ship speed theoretical curve 5 is estimated again.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of an example of the divergence between the ship speed distribution against water based on the actual measurement data and the ship speed theoretical curve 5 for each water depth. It shows that there is a difference between the water depth per ship speed theoretical curve 5 obtained by the same method as in the first embodiment and the distribution of the water ship speed based on the measured data.
  • the ship speedometer which is Embodiment 2 of this invention estimates the tidal current distribution for every water depth by making this difference into the tidal current around the hull 1.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an outline of an example of the flow of tidal current estimation processing in the present embodiment.
  • the estimation process (S11) of the ship speed theoretical curve 5 for each depth of water, the ship speed measurement process (S12) in actual ship navigation, and the fitting process (S13) of the ship speed theoretical curve 5 for each depth which are advance preparations. Since this is the same as step S01 to step S03 in the flowchart shown in FIG. 2 of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the difference in the measurement range 4 between the distribution of the speed of the watercraft actually measured in step S12 and the theoretical speed curve 5 for each water depth adapted to this in step S13 was calculated for each water depth and obtained.
  • the difference is defined as a tidal current distribution for each water depth (S14).
  • the difference between the ship speed versus the water speed theoretical curve 5 based on the measured data is due to tidal currents, or that the water speed theoretical curve 5 is not optimal.
  • it may be determined based on the tendency of divergence in a predetermined period in the past, and the process shown in FIG. 2 of the first embodiment and the process of the present embodiment may be switched. Good.
  • the true speed of the watercraft in the measurement range 4 is the same as that of the first embodiment.
  • the tidal current distribution for each water depth around the hull 1 can be estimated.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. .
  • the present invention can be used for a ship speedometer that measures ship speed at a plurality of depths and a ship speed acquisition method.

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Abstract

対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速の計測を可能とする船速計である。代表的な実施の形態によれば、船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する。

Description

船速計および船速取得方法
　本発明は、船舶の対水速度を計測する技術に関し、特に、複数の深度での船速を計測する船速計および船速取得方法に適用して有効な技術に関するものである。
　音響式（ドップラー式）船速計や電磁式船速計において船舶の対水速度（船速）を計測する際に、その精度を向上させる技術として、例えば、特開２０１３－１６７５６０号公報（特許文献１）には、海底へ向けて音波を発射する送波部と、送波部から発射された音波の反射波であって、異なる水深に位置している複数の反射物によって反射された複数の反射波を検出する受波部と、音波と反射波との周波数差に基づいて船舶の対水速度を算出する演算処理部とを有する船速計が記載されている。ここで、演算処理部は、音波と複数の反射波のそれぞれとの周波数差に基づいて異なる複数の水深における流速を求めることによって水深方向における流速の変化率を求め、該変化率が所定の閾値以下となる水深における流速を船舶の対水速度として算出する。
特開２０１３－１６７５６０号公報
　特許文献１に記載された従来技術によれば、船底下の複数点における流速を求めることによって現実の境界層の厚みを把握し、境界層よりも深い領域での流速に基づいて対水船速を求めることで、様々な要因によって境界層の厚みが変化した場合であっても、常に正確な対水船速を得ることができる。一方で、船体周りの流場は、境界層の影響以外にも速度勾配を生じさせる要因があり、その影響は現実の船ではかなりの深さにまで及び、船体の大きさや形状等にも影響されるが、数１０センチや数メートルというオーダーではなく、１００メートル程度の深さまで対水船速が十分に発達しない場合があることがシミュレーション技術の進展等により分かってきている。
　これに対し、例えば、一般的な音響式船速計では、十分な精度を維持しつつ計測できるのは水深５０メートル程度までであり、それより深い領域ではＳＮ比が低下して十分な精度を得ることができない。このため、対水船速が十分に発達する１００メートル程度の深さでは対水船速を計測できないことになる。水深１５０メートル程度まで計測可能な多層潮流計や超音波式多層流向流速計（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）などでも、１００メートル程度の深さでは十分な精度を得ることは困難である。
　そこで本発明の目的は、対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速を得る船速計および船速取得方法を提供することにある。
　本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述およ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、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
　本発明の代表的な実施の形態による船速計は、船舶の対水船速を計測する船速計であって、船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出するものである。
　本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
　すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、対水船速が十分に発達する深さまで精度よく水深毎の対水船速を得ることが可能となる。
本発明の実施の形態１である船速計の構成例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における船速取得処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１における水深毎船速理論曲線を推定する手法の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態１における水深毎船速理論曲線を推定する手法の他の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２における実測データに基づく対水船速分布と水深毎船速理論曲線の乖離の例について概要を示した図である。 本発明の実施の形態２における潮流推定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。
　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、同一部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。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１である船速計の構成例について概要を示した図である。本実施の形態の船速計は、上述したように、一般的な音響式船速計や多層潮流計、ＡＤＣＰなどでは、対水船速が十分発達する水深１００メートル程度において十分な精度で対水船速を計測することができないという課題に鑑み、例えば、特許文献１に記載された技術と同様の技術により船底下の複数の深さにおける流速（対水船速）を計測が可能な所定の深さまで計測し、得られた水深毎の流速の分布に基づいて、より深い領域、すなわち境界層よりも深く流速が十分に発達する領域での対水船速を推定するものである。
　本実施の形態では、音響式（ドップラー式）船速計を例として記載するが、同様の手法を他の方式の船速計や潮流計等に適用することも理論的には可能である。なお、「水深」とは正しくは海面等の船体１が浮かぶ水面や流体表面からの深さを示すが、以下の説明では、船体１の底面からの深さを便宜上「水深」と記載する場合がある。
　本実施の形態の船速計は、例えば、船体１に設置されたセンサ２および船速計処理部３から構成される。センサ２は、例えば、船体１の船底部もしくはその近傍に設置され、海底方向に向けて所定の周波数でパルス状の音波を発信し、その反射波を受信するとともに、発信から受信までの時間差および受信した反射波の周波数などの情報を出力するトランスデューサ等によって構成される。
　なお、図１の例ではセンサ２が１つ設置され、所定の海底方向に音波を発信し、測定された当該方向の流速成分に基づいて船体１の船首から船尾方向の流速（対水船速）を得る構成を示しているが、このような構成に限られない。例えば、船首から船尾方向以外の他の任意の方向の流速を算出する構成としてもよい。また、それぞれ異なる方向（以下では「測定方向」と記載する場合がある）に音波を発信する複数のセンサ２を有する構成とし、各センサ２の測定方向の流速成分（もしくはこれらの合成）として任意の方向の流速（対水船速）を得る構成としてもよい。
　船速計処理部３は、センサ２の動作を制御するとともに、センサ２からの出力結果を取得して船速Ｖの計算等の処理を行う機能を有する。船速計処理部３は、後述する各機能を実現するよう設計された集積回路や記憶装置、入出力装置等からなる専用のハードウェアとして実装してもよいし、ＰＣ（Personal Computer）等の汎用の情報処理装置およびその上で稼働するソフトウェアとして実装することも可能である。
　船速計処理部３は、例えば、制御部３１、計測部３２、船速計算部３３、インタフェース部３４などの各部、および測定データ３５、理論曲線データ３６、設定情報３７、船速データ３８などの各データストアを有する。制御部３１は、船速計処理部３の各部の動作を、予め設定された設定情報３７の内容等に基づいて自動で、もしくは後述するインタフェース部３４を介したユーザからの指示等に基づいて手動で制御する機能を有する。計測部３２は、センサ２により計測を行い、その結果を取得する機能を有する。具体的には、上述したように、センサ２から発信した送信波と受信した反射波の時間差および反射波の周波数のデータを取得する。取得したデータは、例えば、測定データ３５として時系列に記録しておく。
　船速計算部３３は、測定データ３５の内容から、設定情報３７の内容等に基づいて、後述する手法により真の船速Ｖ、すなわち流速が十分に発達する深さでの流速（対水船速）を算出し、算出結果を船速データ３８として記録する機能を有する。インタフェース部３４は、船速計処理部３に対する入出力のインタフェースを提供する機能を有する。例えば、船速計算部３３によって計算された船速データ３８の内容を図示しないディスプレイ等に表示して出力する。また、船速データ３８や測定データ３５などの蓄積データや、後述する理論曲線データ３６などについて、図示しない外部記録媒体やネットワークを介して入出力を行う。また、図示しないボタンやダイヤル等からなる操作パネルやリモコン、タッチパネル等を介してユーザからの操作指示やデータの入力を受け付ける。
　上述したように、特許文献１に記載された従来技術は、船底下の複数の深さにおける流速を求める多層型の構成を有し、水深毎の各層の流速分布に基づいて現実の境界層の厚みを把握し、境界層よりも深い領域での流速から対水船速を求めるものである。一方で、シミュレーション技術の進歩により、例えば、全長が２００メートルや３００メートルを超えるような巨大な船体１においては、１００メートル程度の深さまで対水船速が十分に発達しない場合があることが分かってきている。この場合、特許文献１に記載されたような従来技術では、音響式船速計の性能上、水深５０メートル程度より深い領域では十分な計測精度が得られない場合があり、正確な船速を得ることができない場合が生じ得る。
　そこで、本実施の形態では、特許文献１に記載された従来技術と同様に、船底下の複数の深さにおける流速を求める多層型の構成を有するとともに、水深毎の各層の対水船速として、センサ２および計測部３２によって計測した実測データに基づいて算出した対水船速を用いる深さを、十分な精度での計測が可能な所定の範囲（図１では「計測範囲４」）に制限する。計測範囲４の深さは、センサ２の性能等により異なり得るが、例えば５０メートル程度以下である。そして、計測範囲４より深い領域については、後述するように、計測範囲４における対水船速の分布に対して予め推定した理論曲線（図１では「水深毎船速理論曲線５」の点線）を適合させてこれを外挿する。
　これにより、例えば、計測範囲４の深さまでは実測データに基づいて算出した対水船速を用いるとともに、それより深い領域では、実測データに基づいてではなく、水深毎船速理論曲線５に基づいて水深毎の各層の対水船速を算出することができ、流速が十分に発達する水深１００メートル程度の領域での真の船速についても高精度で推定することができる。
　図２は、本実施の形態における船速取得処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。まず、事前準備として、船速計を設置する船体１に対して適用可能な水深毎船速理論曲線５を推定しておく（Ｓ０１）。当該処理は、本実施の形態の船速計の運用を開始する前に少なくとも行われている必要があるが、その後も随時もしくは定期的に当該処理を行って水深毎船速理論曲線５を更新しておくようにしてもよい。水深毎船速理論曲線５を算出する手法については特に限定されないが、例えば、実際の船における実測データに基づいて推定する手法や、コンピュータシステムによるシミュレーションにより推定する手法などをとることができる。
　図３は、水深毎船速理論曲線５を推定する手法の例について概要を示した図である。図３（ａ）は、実際の船の実測データから推定する例について示している。例えば、本実施の形態の船速計を設置した実際の船において、潮流等による計測への外乱が少ないとみなせる場合に、水深毎船速理論曲線５を推定するのに適した条件であると判断し、計測された測定データ３５（図中では「計測データ」）を図示するようにべき乗曲線等により近似することで水深毎船速理論曲線５（図中では「推定理論曲線」）を得ることができる。
　また、実測データを得ることが困難である場合には、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）解析などのシミュレーションにより水深毎船速理論曲線５を推定することもできる。例えば、船体１の周囲の流れをＣＦＤによるシミュレーションにより求めて、そこから、本実施の形態で計測する水深毎の対水船速を取り出す。図３（ｂ）は、ＣＦＤにより水深毎の対水船速をシミュレーションした場合の例を示している。ここで得られた水深毎の対水船速について、図３（ａ）と同様にべき乗曲線等により近似することで水深毎船速理論曲線５を得ることができる。なお、水深毎船速理論曲線５は、船体１の形状や航行条件、喫水の深さなどのパターンや環境パラメータ毎に複数パターン算出しておいてもよい。
　また、実際の船体１に対するセンサ２の設置形態に応じて、１つもしくは複数のセンサ２が音波を発信する方向などを考慮して、各測定方向における対水船速の成分や、各測定方向の成分の合成による三次元での対水船速などを図３（ｂ）に示す例と同様にシミュレーションにより求めるようにしてもよい。また、水深毎船速理論曲線５の推定の際には、所定のアルゴリズム等によって計算された理論曲線に対して、さらに経験則的な考慮に基づいて手動による補正を加えるようにしてもよい。
　また、ＣＦＤ等によるシミュレーションも含む水深毎船速理論曲線５の算出処理は、船速計処理部３で行う必要はなく、他のシステムやソフトウェア等を利用して算出することができる。この場合、算出した水深毎船速理論曲線５のデータは、インタフェース部３４を介して船速計処理部３に取り込んで理論曲線データ３６として予め記録しておく。
　図２に戻り、ステップＳ０１で水深毎船速理論曲線５が推定されて予め理論曲線データ３６に記録されている状態で、実際の船の航行における船速の取得が行われる。まず、計測範囲４における水深毎の各層の対水船速の計測および算出を行う（Ｓ０２）。例えば、計測する深さをｄ１、ｄ２、…、ｄｎのｎ層とし、各層について対水船速Ｖｓ１、Ｖｓ２、…、Ｖｓｎをそれぞれ計算する。対水船速の計算については、上述したように、船速計処理部３の計測部３２においてセンサ２から発信した送信波と受信した反射波の時間差および反射波の周波数のデータを取得して測定データ３５として記録し、さらに船速計算部３３において測定データ３５に基づいて特許文献１に記載された技術と同様の手法により水深毎の対水船速を計算する。このとき、船体運動等による外乱の影響を低減するため、測定データ３５については、例えば１０秒～数十秒程度の間の移動平均を用いるのが望ましい。
　その後、船速計算部３３において、算出した計測範囲４における水深毎の対水船速の分布に対して理論曲線データ３６に記録されている水深毎船速理論曲線５を適合させる（Ｓ０３）。適合させる（フィッティングする）手法については特に限定されず、任意の手法やアルゴリズムを適宜利用することができる。例えば、理論曲線データ３６に記録されている複数のパターンや環境パラメータ毎の水深毎船速理論曲線５のうち、計測範囲４における実際の対水船速分布に最も近似するものを選択することができる。選択した曲線に対してさらに計測範囲４における実際の対水船速分布の値に応じて補正を加えるようにしてもよい。
　その後、ステップＳ０２で実際に測定された対水船速分布と、ステップＳ０３でこれに適合させた水深毎船速理論曲線５との計測範囲４における乖離が所定の程度を超えるか否かを判定する（Ｓ０４）。乖離の程度の判断手法については特に限定されず、例えば、各層において実際に測定された対水船速と理論値との差分の累積が所定の閾値を超えるか否かによって判断したり、各層における差分のバラつきの程度によって判断したりすることができる。水深が浅い領域と深い領域で差分の評価の際の重み付けを変えるようにしてもよい。１回の測定での判断ではなく、所定の期間での乖離の傾向に基づいて判断するようにしてもよい。
　ステップＳ０４で、乖離が所定の程度以上であると判定された場合は、ステップＳ０１と同様の手法により水深毎船速理論曲線５の推定を再度行う（Ｓ０５）。ここでの推定の際には、ステップＳ０２やその他の機会に実際に測定された複数の対水船速分布のデータも考慮に加えることで、水深毎船速理論曲線５の精度を向上させることができる。
　図４は、水深毎船速理論曲線５を推定する手法の他の例について概要を示した図である。ここでは、実際の航行により得られた過去の複数の測定データ３５（図中では「計測データ＿１」～「計測データ＿５」）について水深毎にその平均等の統計情報（図中では「計測データ＿平均」）を求め、これをべき乗曲線等により近似して水深毎船速理論曲線５（図中では「理論曲線（計測データ＿平均）」を得ることを示している。これにより、より精度の高い水深毎船速理論曲線５を得ることができる。このような処理により更新された水深毎船速理論曲線５に基づいて、ステップＳ０３以降の処理を繰り返す。
　ステップＳ０４で、乖離が所定の程度未満であると判定された場合は、ステップＳ０３で適合させた水深毎船速理論曲線５に基づいて、計測範囲４より深い領域での任意の深度の対水船速を算出する（Ｓ０６）。対水船速の算出は、予め定められた複数の水深毎の各層について行ってもよいし、十分に流速が発達する深さとして予め設定情報３７等に定められた深さについて行い、得られた流速を真の対水船速として出力するようにしてもよい。インタフェース部３４を介してユーザから指定された任意の深さについて個別に対水船速を算出するようにしてもよい。
　ステップＳ０２およびＳ０６で計測範囲４およびこれより深い領域において算出した水深毎の各層の対水船速の値は、予め設定情報３７等に定められた方法もしくはユーザから指定された方法その他所定の方法により、インタフェース部３４を介して出力する。
　その後は、インタフェース部３４を介したユーザからの指示や、所定の条件（例えば、船の停止等）に起因する制御部３１からの指示等に基づいて、船速の取得処理の終了が要求されているか否かを判定し（Ｓ０７）、終了要求がされていない場合にはステップＳ０２以降の処理を繰り返して船速の取得処理を継続する。終了要求がされている場合には船速の取得処理を終了する。
　以上に説明したように、本発明の実施の形態１である船速計によれば、水深毎の各層の対水船速として、センサ２等による実測データに基づいて算出した対水船速を用いる深さを計測範囲４に制限するとともに、計測範囲４より深い領域については、計測範囲４における実際の対水船速分布に対して予め推定した水深毎船速理論曲線５を適合させてこれを外挿する。これにより、計測範囲４より深い領域においても水深毎船速理論曲線５に基づいて水深毎の各層の対水船速を高精度で推定することができる。
　（実施の形態２）
　上述した実施の形態１では、センサ２等による実測データに基づいて算出した対水船速の分布に対して水深毎船速理論曲線５を適合させているが、その際、実測データに基づく対水船速の分布と水深毎船速理論曲線５との乖離の程度が大きい場合は、水深毎船速理論曲線５が最適ではないと仮定して、図２のステップＳ０５に示すように、水深毎船速理論曲線５を再度推定するものとしている。
　一方で、船体１の周囲に潮流による外乱がある場合にも、実測データに基づく対水船速と水深毎船速理論曲線５との間で乖離が生じ得る。図５は、実測データに基づく対水船速分布と水深毎船速理論曲線５の乖離の例について概要を示した図である。実施の形態１と同様の手法により得られた水深毎船速理論曲線５に対して、実測データに基づく対水船速の分布との間に差分があることを示している。本発明の実施の形態２である船速計は、この差分を船体１の周囲の潮流によるものとして、水深毎の潮流分布を推定する。
　図６は、本実施の形態における潮流推定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。事前準備である水深毎船速理論曲線５の推定処理（Ｓ１１）、実際の船の航行における船速の計測処理（Ｓ１２）、および水深毎船速理論曲線５のフィッティング処理（Ｓ１３）については、実施の形態１の図２に示したフローチャートにおけるステップＳ０１～ステップＳ０３と同様であるため再度の説明は省略する。
　その後、ステップＳ１２で実際に測定された対水船速の分布と、ステップＳ１３でこれに適合させた水深毎船速理論曲線５との計測範囲４における差分を水深毎に算出し、得られた差分を水深毎の潮流分布とする（Ｓ１４）。その後は、インタフェース部３４を介したユーザからの指示や、所定の条件に起因する制御部３１からの指示等に基づいて、船速の取得処理の終了が要求されているか否かを判定し（Ｓ１５）、終了要求がされていない場合にはステップＳ１２以降の処理を繰り返す。終了要求がされている場合には潮流分布の推定処理を終了する。
　なお、実測データに基づく対水船速と水深毎船速理論曲線５との間の乖離が、潮流によるものであるのか、水深毎船速理論曲線５が最適ではないことに起因するものであるのかについて、例えば、過去の所定の期間での乖離の傾向に基づいていずれであるのかを判断し、実施の形態１の図２に示す処理と本実施の形態の処理とを切り替えるようにしてもよい。本実施の形態のように、計測範囲４において実際に測定された対水船速の分布を潮流分布の推定に用いる場合、計測範囲４における真の対水船速については、実施の形態１と異なり、実測データに基づいてではなく水深毎船速理論曲線５に基づいて推定することができる。
　以上に説明したように、本発明の実施の形態２である船速計によれば、計測範囲４において実際に測定された対水船速の分布と、これに適合させた水深毎船速理論曲線５との水深毎の差分を算出することにより、船体１の周囲の水深毎の潮流分布を推定することができる。
　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、本発明は上記の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ことはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　本発明は、複数の深度での船速を計測する船速計および船速取得方法に利用可能である。
１…船体、２…センサ、３…船速計処理部、４…計測範囲、５…水深毎船速理論曲線、
３１…制御部、３２…計測部、３３…船速計算部、３４…インタフェース部、３５…測定データ、３６…理論曲線データ、３７…設定情報、３８…船速データ

Claims (10)

  1. 　船舶の対水船速を計測する船速計であって、
    　船舶が浮いている流体中において所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布に対して予め保持している水深毎の対水船速の理論曲線を適合させ、適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する、船速計。
  2. 　請求項１に記載の船速計において、
    　前記理論曲線は、対象の船舶について実際に測定した前記流速の水深毎の分布に基づいて算出されたものである、船速計。
  3. 　請求項１に記載の船速計において、
    　前記理論曲線は、対象の船舶の周囲の流体の流れを所定のシミュレーションにより解析した結果により得られた前記計測範囲までの異なる複数の水深毎の流速の分布に基づいて算出されたものである、船速計。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の船速計において、
    　前記理論曲線は、対象の船舶について当該船速計により実際に測定した複数の前記流速の水深毎の分布の統計情報に基づいて更新されたものである、船速計。
  5. 　請求項１に記載の船速計において、
    　測定した前記流速の水深毎の値と、前記流速の水深毎の分布に対して適合させた前記理論曲線との差分に基づいて、前記計測範囲における水深毎の潮流の分布を算出する、船速計。
  6. 　船舶の対水船速を計測する船速取得方法であって、
    　対象の船舶に係る水深毎の対水船速の理論曲線を算出する第１の工程と、
    　対象の船舶について所定の計測範囲までの異なる複数の水深における流速を測定し、前記流速の水深毎の分布を取得する第２の工程と、
    　前記流速の水深毎の分布に対して前記理論曲線を適合させる第３の工程と、
    　適合させた前記理論曲線に基づいて前記計測範囲より深い領域における任意の水深での対水船速を算出する第４の工程と、を有する、船速取得方法。
  7. 　請求項６に記載の船速取得方法において、
    　前記第１の工程では、対象の船舶について実際に測定した前記流速の水深毎の分布に基づいて前記理論曲線を算出する、船速取得方法。
  8. 　請求項６に記載の船速取得方法において、
    　前記第１の工程では、対象の船舶の周囲の流体の流れを所定のシミュレーションにより解析した結果により得られた前記計測範囲までの異なる複数の水深毎の流速の分布に基づいて前記理論曲線を算出する、船速取得方法。
  9. 　請求項６～８のいずれか１項に記載の船速取得方法において、
    　さらに、対象の船舶について当該船速取得方法により実際に測定した複数の前記流速の水深毎の分布の統計情報に基づいて前記理論曲線を更新する第５の工程を有する、船速取得方法。
  10. 　請求項６に記載の船速取得方法において、
    　さらに、前記第２の工程で取得した前記流速の水深毎の値と、前記第３の工程で前記流速の水深毎の分布に対して適合させた前記理論曲線との差分に基づいて、前記計測範囲における水深毎の潮流の分布を算出する第６の工程を有する、船速取得方法。
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