JP2014531360A - 船の横揺れを回避かつ制動するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、プロペラ推進によるエンジン駆動の船舶の横揺れを回避かつ制動するための方法および装置に関する。提案された方法は、船の速度制御装置がプロペラ速度調節によってヒール角の変動に反応するということが分かる。速度制御装置は、補正されるべき速度変動のようなプロペラモーメントの変化を読み取っている。このプロセスの繰り返しにより、結果として、小さな横揺れ作用を臨界横揺れにまで増幅してしまう。さらに、船体と海、波または風との接触というプロペラの副作用などの要素がこのプロセスの一因となっている。しかしながら、ヒール角変動と速度制御装置との間の相互作用を抑制することによって、船の横揺れは効果的に低減かつ回避され得る。提案された方法は、臨界横揺れの原因を抑制することによって、横揺れ、燃料消費および船の推進エンジンのメンテナンスを低減させる。【選択図】図３

Description

本発明は、プロペラ推進によるエンジン駆動の船舶の横揺れを回避かつ制動するための方法および装置に関する。

船の横揺れは、船の安全性に対して周知の危険性があり、コンテナの損失、貨物固定システムに対する高応力、ならびに乗員および船員が感じる不快感につながる。船の横揺れを振り子の周期運動として説明することができる。対応する時間周期は船の「自然横揺れ周期」と呼ばれる。船が例えば海の波によって傾く場合、船の浮力の中心は横方向に移動し、船を再安定させる回復モーメントが引き起こされる。ほとんどの場合、振り子タイプの横揺れは、回復モーメントに起因して、かつ、船体と水との間の摩擦力に起因して、急速に制動することになる。横揺れは、波、風または海流などの環境的障害によって誘発される場合がある。場合によっては、障害は非常に低いエネルギーを有し、２状況間のエネルギー移動機構によって、連続的に高振幅の横揺れへとさらに発展する。例えば、臨界横揺れの危険な変形として、いわゆる「パラメトリック横揺れ」が知られている。パラメトリック横揺れは、海の波が船に沿って一定の関係で船の自然周期と一致する周期を有する時に出現する。

維持された振幅および一定周期を有する横揺れは「臨界横揺れ（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ）」と呼ばれる。

歴史的に、ビルジキール、安定びれまたは舵作動機構など、横揺れを低減するためのさまざまなタイプの装置が提案されている。しかしながら、横揺れは船の航行にとって依然重大な問題である。

先行技術
以下の先行技術を本書において言及する：（ＰＡ１）：横揺れ防止方法および装置、（ＰＡ２）：エンジン速度・負荷制御装置。

ＰＡ１−横揺れ防止方法および装置（先行技術）
ビルジキールなどの受動式横揺れ防止装置は、摩擦エネルギーを使用して船の横揺れエネルギーを消散させている。能動式横揺れ防止装置は、横揺れの力を相殺するためのエネルギーを注入する制御装置によって操作される特殊なアクチュエータによって、受動式装置よりも効果的である。よく使用される現代の横揺れ防止アクチュエータは安定びれである。

自動式横揺れ低減方法が、Ｈ．Ｈ．Ｄｏｗによって発明された１９２９年１０月１５日付の特許文献１および１９３０年９月２日付の特許文献２（Ｄｏｗの特許）によって提示されている。Ｄｏｗの特許には、１つのプロペラのモーメントまたは２つのプロペラ間で引き起こされた結果として生じるモーメントを使用して船のヒール角を平衡させることによって、横揺れ防止アクチュエータとして１つまたは２つのプロペラを使用することが記載されている。さらに、当該特許にはこれを補償するための機械的構成が記載されているが、これは、１９３０年代の技術で実現された制御システムの一実施形態である。

２つの特許文献３および４には、能動式横揺れ防止装置が記載されている。特許文献３では、横揺れ防止アクチュエータとして、制御可能な水ジェットエンジンから成る船の推進機関が使用され、特許文献４では、横揺れ防止アクチュエータとして、船の推進にも使用される２つのプロペラ間またはプロペラの２つのグループ間のトルク差が使用される。

ＰＡ２−速度・負荷制御装置（背景技術）
船の速度・負荷制御装置は、所与の動作範囲内で船のエンジン速度および負荷を保持するためのものである。これにより、船の速度を所与の範囲内に維持することもできる。

図２は、ディーゼルエンジン用の従来の速度・負荷制御装置の構成要素を概略的に示している。速度設定装置３００を使用して、必要とされるエンジン速度を値ｎ^＊に設定する。典型的には、オペレータまたは自動式航行システムによって速度設定値が与えられる。エンジンｎの実際の速度は回転速度センサ３１４によって読み取られる。速度コンパレータ３０２は設定速度からエンジンの回転速度を減じる。その結果として生じた速度差ｄｎを速度制御装置３０４に適用する。速度制御装置からの出力は、燃料装置３１０へのセットポイントｐ^＊である。燃料ポンプコンパレータ３０６は、燃料噴射ポンプインデックスセンサ３１２によって読み取られた実際の燃料噴射レベルｐを、セットポイント値ｐ^＊から減じる。結果として生じる差ｄｐは、電力信号ｆｃを介して燃料装置３１０を操作する燃料制御装置３０８への入力である。燃料装置は、エンジン速度ｎがセットポイント値ｎ^＊に近い値を保持するように、ディーゼルエンジン３１６への燃料噴射を命令する。ほとんどのディーゼルエンジンにとって、燃料装置は機械式アクチュエータであるが、コモンレール式燃料システムにとって、燃料装置はエンジンの電子制御ユニットである。ディーゼル−電気エンジンを有する推進装置は、同様に作動するが、発電機および電動機がディーゼルエンジンとプロペラとの間に配置され、速度制御されるのは電動機であるという点で異なっている。

米国特許第１，７３１，２３６号明細書 米国特許第１，７７４，８２５号明細書 欧州特許出願公開第０４２３９０１（Ａ１）号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１８３３４１（Ａ１）号明細書

プロペラ駆動の大型船の横揺れを回避かつ制動するための配置構成および方法を、好ましい実施形態にしたがってここに記載する。方法および関連する配置構成は、大型船の横揺れに関係する物理学を考慮するアルゴリズムのセクションで説明する数学的形式によって裏付けられる。

記載される方法のより良い理解のために、下図を参照する。

傾いた船の回復力および回復モーメントを示す図である。 関連するアクチュエータおよびセンサを有する船の速度制御の典型的な構成（背景技術）を示す図である。 例示の実施形態による、横揺れを回避かつ制動する配置の構成を概略的に示す図である。 好ましい実施形態による、船の横揺れを回避かつ制動するための異なる方法ステップについてのフローチャートである。 横揺れ回避・制動装置が能動式ではない場合の船の臨界横揺れを示す図である。 横揺れ回避・制動原理の種々の例示の実施形態による、横揺れ制動反応の例を示す図である。 横揺れ回避・制動原理の種々の例示の実施形態による、横揺れ制動反応の例を示す図である。 横揺れ回避・制動原理の種々の例示の実施形態による、横揺れ制動反応の例を示す図である。 横揺れ回避・制動原理の種々の例示の実施形態による、横揺れ制動反応の例を示す図である。 横揺れ回避・制動原理の種々の例示の実施形態による、横揺制動反応の例を示す図である。

好ましい実施形態のための配置構成
図３に開示されるように、配置構成は、先述した先行技術ＰＡ２を改善して横揺れ回避・制動機能性をさらに組み入れたものである。

船舶は複数のエンジンおよびプロペラを備えることができる。簡略化のため、本実施形態では１つのエンジンおよび１つのプロペラのみが記載される。

この好ましい実施形態による配置構成は基本的に、船の速度・負荷制御装置３３４への最優先命令に介入することができる横揺れ回避・制動装置３２０（ＲＡＤ装置）を含む。ＲＡＤ装置への入力は：（１）船の横揺れ特性を評価するために使用される１つまたはいくつかのセンサからサンプル抽出された信号と、（２）当該配置構成におけるさまざまな装置の技術的かつ物理的特性についての情報とを含む。ＲＡＤ装置からの出力は、速度・負荷制御装置３３４の標準的な先行技術の機能を改めるための、前記装置３３４に対する最優先命令およびパラメータである。最優先命令を次の装置３３４の下位部分のいずれかに適用することができる：速度コンパレータ３０２、速度制御装置３０４、または燃料制御装置３０８。これらの下位部分すべては、エンジン速度における変更を達成することができる。好ましい実施形態では、最優先命令を速度制御装置３０４に適用する。実際的に、ＲＡＤ装置は有利には、速度制御装置３０４と一体化可能である。

この好ましい実施形態では、横揺れ特性を判断するために使用されるセンサは、船の現在のヒール角θを与える傾斜計３２２である。

船の特性についての情報が、オペレータのインターフェースを介して、および／または、上位コンピュータ３２４を介して与えられる。対象の特性は、船の自然周期Ｔｓ、横慣性モーメントＪｓおよび船の横揺れ制動係数ζ_ｓを含む。対象のエンジン特性は、エンジン出力Ｐｅ、公称速度Ｎｎおよびエンジンの慣性モーメントＪｅを含む。速度・負荷制御装置を対象とする特性は、燃料装置および制御装置Ｔｃについての制御増幅係数Ｋおよび時定数である。好ましい実施形態では、この情報は、技術仕様から、または船試用試験から既知であると見なされる。

システム識別方法を使用した代替配置構成
好ましい実施形態のセクションで説明したように、ＲＡＤ装置は、船の動的モデルと、この動的モデルのパラメータについての値とを必要とする。船の動的モデルおよびパラメータ値は、センサ値を使用して、システム識別方法によって判断可能である。当技術分野の制御技術者は一般に、このような方法を使用している。

最優先命令を速度・負荷制御装置に適用するための代替配置構成
好ましい実施形態では、ＲＡＤ装置からの最優先命令は、速度制御装置３０４に適用される。一代替実施形態では、最優先命令を、燃料制御装置３０８に、または、速度コンパレータ３０２に適用することによって、エンジン速度への同様の作用を達成することができる。これらの代替策すべては基本的に、アルゴリズムのセクションで説明したように、エンジンと横揺れとの速度制御機能間の臨界相互作用を断ち切るという、同じ開示された原理を使用した変形である。

方法ステップ
図４で開示された好ましい実施形態についての方法ステップは、一定時間間隔Ｔｓａｍｐｌｅで、確実に横揺れ時間周期ごとに該当数のセンサ示度となるように繰り返し行われる。Ｔｓａｍｐｌｅに対する適切な範囲は、１０分の数ミリ秒から１００分の数ミリ秒までと思われる。典型的な横揺れ周期は１０〜３０秒である。

ステップ１。ＲＡＤ装置３２０は、傾斜計３２２を読み取って、船の現在のヒール角θを得る。この値はＲＡＤ装置に格納されて、さらなる計算に利用可能である。

ステップ２。過去のヒール角読み取り値を使用して、ＲＡＤ装置は、船の横揺れの振幅Ａｒおよび時間周期Ｔｒを判断する。離散フーリエ変換、曲線のあてはめまたはゼロ交差など、サンプル抽出された信号の主要な正弦波成分の振幅および周期を判断するための多くの既知の方法がある。好ましい実施形態では、ゼロ交差アルゴリズムとして以下が提案される：ＲＡＤ装置は、船の自然周期に等しい時間間隔中に得られるヒール角のサンプルのセットを使用して、サンプル抽出された値のセットにおいて、最大過去ヒール角、Ｈｍａｘ、および、最小過去ヒール角、Ｈｍｉｎを判断する。２つの連続したゼロ交差ヒール角変化間の時間間隔はＴｚｅｒｏとしても測定される。その後、横揺れ振幅Ａｒは、Ａｒ＝（Ｈｍａｘ−Ｈｍｉｎ）／２として計算されて、横揺れ周期Ｔｒは、Ｔｒ＝２^＊Ｔｚｅｒｏとして計算される。

ステップ３。この方法ステップでは、ＲＡＤ装置は、間隔Ｔｔｒｅｎｄ（傾向時間）内の横揺れ振幅および横揺れ周期の傾向を判断する。Ｔｔｒｅｎｄの大きさは、船のタイプおよび速度精度要求に左右される。適切な値は、船の自然横揺れ周期の小倍数である。例えば、船の自然横揺れ周期がＴｓ＝２０秒の場合、Ｔｔｒｅｎｄの適正な範囲は２０〜２００秒と思われる。傾向時間の間、船は、振幅および周期の傾向が以下のように特徴付けられる横揺れ周期を何回か受ける。振幅Ａｒの傾向は、次のカテゴリのうちの１つであると特徴付けられる：低い、確率的、一定、増加または減少。横揺れ周期Ｔｒの傾向は、次の種類のうちの１つであると特徴付けられる：確率的、一定または自然的。「確率的」は、振幅Ａｒに対する横揺れ周期Ｔｒが規則的ではないことを意味する。「一定」は、船の自然横揺れ時間とは異なる値で安定した横揺れ時間を意味する。「自然的」は、横揺れが自然横揺れ時間に等しい横揺れ周期値を有することを意味する。「低い」は、横揺れの振幅が低いことを意味する。上述した傾向は好ましい実施形態に対してのものである。代替実施形態には、より多くのタイプの間隔または連続範囲など、好ましい実施形態とは異なる傾向の特徴付けがあってよい。

ステップ４。ＲＡＤ装置３２０は、船の動的特性およびエンジン特性と共に、ステップ３で判断した傾向を使用して、横揺れを効率的に回避かつ制動し、船の設定速度も維持する速度・負荷制御装置に対する最優先命令を判断する。横揺れ制動のない、先行技術の速度制御アルゴリズムは、ここではＮＳと示される。アルゴリズムのセクションでさらに説明されるように、好ましい実施形態では、船の横揺れを回避するか制動する、２種類のアルゴリズムが定義される：（１）一定速度（ＣＳ）および倒立制御（ＩＣ）。ＣＳと比べて、ＩＣにはより強力な横揺れ低減作用があるため、より強力な横揺れに対して適用可能である。好ましい実施形態によって、表１に示されるような、横揺れ低減・制動タイプのアルゴリズム選択についての規則のセットが開示される。例えば、当該表の第１行で見られるように、横揺れ振幅が「低」または速度エラーｄｎが大の場合、規則ＮＳ（標準、先行技術）速度制御が適用される。横揺れ周期が「一定」（第２列）で横揺れ振幅が「増加」（第５行）の場合、より強力な規則ＩＣ（倒立制御）が適用されて増加する横揺れを制動する。

横揺れ周期が確率的（第２欄）で振幅が減少傾向（第４行）である場合、ＣＳの一定速度アルゴリズムが適用される。当該表の他のセルは同様に解釈されるため、適切な横揺れ制動・回避アルゴリズムが適切な状態に対して選択される。横揺れが、例えば、海の状態に起因して持続する場合、ＣＳおよびＩＳの規則はＮＳよりも多く適用されることになる。その結果、プロペラ、したがって船は、一定の予め定義された速度を保持することはない。そのため、速度エラーｄｎは増加し、しばらくして、表の第１行の規則によって、速度が予め定められた値に至ることになる標準速度制御ＮＳが生じることになる。一代替的方法は、一定時間間隔でＮＳ規則を引き起こして、大きな速度偏差を回避することである。

ステップ５。この方法ステップでは、ＲＡＤ装置３２０は、速度・負荷制御装置３３４に対する最優先命令として、選択されたアルゴリズムを起動する。この最優先命令によって、速度制御装置の標準機能は、横揺れを回避するように修正される。

最終的に、方法ステップは、ステップ１から開始する次のＴｓａｍｐｌｅ時間で再び適用される。

上述したステップは、以下のような代替実施形態において変更される場合がある：
−センサによってステップ１におけるヒール角θおよびθの一次および二次導関数を測定して、ステップ２において、横揺れ振幅および横揺れ周期のより正確な評価を行うことができるようにする。
−横揺れ周期および振幅を直接与えるセンサを使用して、ステップ１および２を合併することができる。
−ステップ３において、舵位置および船のピッチ角についての情報を使用することによって、横揺れ傾向をもっと良く予測可能である。
−ステップ４では、１つ、２つまたはいくつかの横揺れ回避・制動アルゴリズムのみを使用することができる。
−ステップ４では、船のタイプおよび横揺れ制動採択によっては、アルゴリズムのセクションで説明した横揺れ回避原理が続く限り、他の規則をベースにした方法または連続的間隔方法を代替実施形態で使用することが可能である。
−ステップ５では、最優先命令には、速度コンパレータ３０２、速度制御装置３０４または燃料制御装置３０８に対する同じ作用を適用することができる。好ましい実施形態は、ＲＡＤ装置を速度制御装置３０４に組み込むことである。

アルゴリズム
船の横揺れは、次のような多くの力が合わさって生じたものである：
−エンジントルク
−船体と水との相互作用
−プロペラと水との相互作用
−舵と水流との相互作用

後の説明の中には、１つのプロペラ付きの大型船についてのものや、２つまたはいくつかのプロペラ付きの大型船についてのものがある。数個のプロペラ付きの大型船について、および、アジマスプロペラについて、各プロペラが自身で速度制御システムを有すると仮定する。

速度制御装置は、エンジンの出力トルクを判断する。トルクは、（ａ）船の速度、（ｂ）プロペラの回転速度、（ｃ）船のヒール角の変動、（ｄ）プロペラによって生成された水流と舵との相互作用、（ｅ）船のヨー角の変化、および、（ｆ）波と船体との間の相互作用、によって、増加または減少する

後述する現象において、個別のものまたは組み合わせたものは、制御装置の動力、船の特定の横揺れ周期および波動力の間の相関性として説明することができる臨界横揺れの発展の一因となっている。その状態は、励振された調和振動である。

（Ｆ１）船体上のプロペラ−エンジンユニットの直接反応モーメント作用
エンジンからのトルクは主に、縦方向のスラストに変換されるが、小さな部分が、プロペラとその周囲の水との間に一つのモーメントおよび反応モーメントをもたらしている。このトルクはプロペラから船体へと伝達される。当該トルクはエンジン出力に比例している。近い二次関係によって、船の速度が速いほどプロペラに対するトルクは高いことを意味する。

（Ｆ２）プロペラによって引き起こされた縦方向のモーメント
船が一方に傾くと、プロペラは船の中心線から右側に位置するようになる。これによって、プロペラは、モーメントアームにゆだねて、モーメントアームは、傾船と同じ方向に船の向きを変える。したがって、横揺れの間、船は左舷から右舷へ、かつ右舷から左舷への曲線軌道を有することになる。

（Ｆ３）一方に傾いた船体の周りの水の不規則な流れによって引き起こされたモーメント
ゼロヒール角を有する船に対して、水は右舷側および左舷側の両方で対称的に流れる。一方に傾いた船の船体の周りには、水の不規則な流れがある。ベルヌーイの原理にしたがって、右舷側および左舷側に対する圧力が異なることになる。傾斜した船は、等喫水の船より劣る流体力学的性質を有する。

その結果、より大きい抗力が生じ、それによって、船の速度は減少し、プロペラのトルクは増加する。速度センサ３１４はＲＰＭでの低減を記録する。速度制御装置３０４はエンジンに対するモーメントを増加させて速度を回復させる。これによって、不規則な水の流れが増し、船の船首方位が変化しがちになる。これによってさらに、傾斜計３２２によって検知されるヒール角が増加することになって、その結果、回復・摩擦モーメントを補償することによって均衡に達するまでの連続的なプロセスにおいて、エンジン上のモーメントが再び増加することとなる。エンジンのモーメントはヒール角と非線形的に増加することになる。近二次関数によって説明されるこの非線形性は、自立した横揺れを維持することになる。この作用は単一および複数プロペラ船双方に対して現れる。

（Ｆ４）プロペラと水との相互作用における船体移動作用
船取り扱いについての文献には、伴流作用、傾斜作用およびヘリカル放電作用といった、プロペラ羽根によって水の不規則な流れによる船尾方向への側方移動を引き起こす多くの作用が記載されている。これらの作用は、船のプロペラの右舷側および左舷側からの水の流れにおける差異に続いて起こる。船尾方向への側方移動は船首方位の変化を引き起こし、これによって、ヒール角を増加させる横求心力がもたらされる。これらの作用は単一プロペラ船に対してのみ現れる。

（Ｆ５）プロペラと水との相互作用における船体傾斜作用
船の船首方位の変化（方向転換）によって引き起こされる横揺れモーメント。線速度ｖを有する質量ｍを有する船は、Ｅ_ｋ＝ｍｖ^２／２によって表される運動エネルギーを有する。舵作動機構によって、または、上述の作用のうちの１つによって、船は曲がり得る。そのように曲がっている間、横方向の求心力によって、船は一方に傾く。そのため、運動エネルギーの一部は、船を横揺れさせるエネルギーに変換される。

（Ｆ６）波動励起力
平水における大型船の動力は、船体に対する波の迎え角を考慮しなければならない場合、荒海状態と比較すると、異なっている。

平水状態では、エンジン−プロペラユニットは安定した回転速度を有する。舵は中央位置にあり、プロペラ回転の方向とは反対方向に、トルクによって大型船が傾く。大型船のサイズ、重量、および船体に対する水の流れによっては、船傾斜角は典型的には０．５〜２度の範囲内である。ヒール角の角速度はゼロである。

荒海状態または大波の場合、船およびエンジン速度制御の反応は、船体に対する波からの動的作用によって異なる。波によって船はバウンドし一方へ傾く。船が一方へ傾くと、水中での抵抗は高くなり、船は（Ｆ３）および（Ｆ５）において上述したように向きを変えがちになり、舵をそらせて、現れつつある転換を補償する。これら３つのプロセスのすべては、抗力を引き起こし、船を減速させている。そのため、横揺れ角が増加するにつれて、エンジン出力は増加する。

さらに、船体正面角および角速度は、エンジン負荷を増加させるか減少させる：
−船が左舷から右舷へと横揺れすると（プロペラが時計回りの方向に転換すると）、エンジン負荷は増加する。
−船が右舷から左舷へと横揺れすると、エンジン負荷は減少する。

この変動は、船の速度変動から生じる負荷変動に付け足される。エンジンの回転速度および負荷、よってトルクは、可変となる。負荷の変動によって、エンジン速度制御装置は燃料指数３１２を増加させるか減少させて、必要とされる回転速度を維持する。

（Ｆ７）舵力
襲ってくる波は船首方位エラーを引き起こす。オートパイロットの船首方位制御装置はその後、船首方位エラーを補正するように舵位置を変更する。船首方位制御システムによって行われた補正によってヒール角、要するにエンジン負荷を増加させるか減少させることもできる。

（Ｆ８）船の横揺れと速度制御機能との間の臨界相互作用
次に、ある状態下の船の速度制御が船の横揺れを生成かつ維持するようになることを定量的に示す。船の推進エネルギーの一部が横揺れに変換されるため、この相互作用は臨界状態である。推進力で駆動される船の横揺れは、速度制御、エンジントルクおよび船の慣性力の間の相互作用として、ヒール角動力をモデル化する連立方程式を解くことによって判断され得る。好ましい実施形態に対するこのような１つの可能な連立微分方程式は下記になる：

等式（Ｅ１）を、次のように明白な項によって等価に示すことができる：

Ｅ１は次の項から成る：
Ｔ１．

はヒール角の二次導関数、すなわち、ヒール角加速度である。
Ｔ２．

は船体の形状および状態に左右される制動係数である。ここで、

は船の設計および船体状態に対して特異的な制動定数であり、

は船の慣性のモーメントでスケーリングされた船の固有振動周期に対応するヒール角速度であり、

は横揺れ角速度である。
Ｔ３．

は、船の安定性を与える復原てこの復原モーメントである（図１を参照）。
Ｔ４．

は、速度制御とその結果によって生じるエンジン−プロペラモーメントによって船を一方に傾ける係数である。このモーメントの動力は、エンジン速度・負荷制御装置３３４の係数ｋの変動に左右され、この変動は、エンジン３１６、速度制御装置３０４、燃料制御装置３０８および燃料装置３１０の振幅ならびに時定数によって判断される。この変動は、速度制御動作の遅延および大きさを表す微分方程式（数２）によってモデル化される。この等式では、Ｔ_ｃはエンジン作動と共に制御装置の時定数であり、Ａ_ｃは制御装置の最大増幅係数である。Ｔ_ｃおよびＡ_ｃ双方は、典型的な速度制御装置３０４に対して調節可能とされるパラメータである。（Ｅ２）において、二次係数φ^２は、エンジンモーメントとヒール角との間の非線形関係を表す。
Ｔ５．

は、波の影響を示す係数である。Ｔ_ｗは波の周期であり、ω_ｗは船の慣性のモーメントでスケーリングされた波の振幅である。ＲＡＤ装置にとって、この係数は障害として作用する。代替実施形態について、波パラメータは、商船用波浪・風力予測源から識別、測定または取得可能である。

項Ｔ４および／またはＴ５によって示される影響が等式の制動部分より大きい場合、船の横揺れは維持されかつ増幅されることになる。実際的に、これは、強力なエンジンを有する近代的な船および／または小さい復原てこを有する貨物船にはよくあるケースである。

特定の条件下で、等式（Ｅ１）はマチウ方程式またはファンデルポール方程式となる。双方は、ある条件下で振動解を有する。波が存在しない場合、ω_ｗ＝０であり、制御装置３３４が一定時間作用、

を有する場合、ｋ＝Ｔ_ｃＡ_ｃφ^２であり、等式（Ｅ１）は、臨界振動を生成することが知られているファンデルポール方程式

まで減らす。

（Ｅ１）において

であり、（Ｅ２）において

の場合、（Ｅ１）は、パラメータが互いにとって特定の関係にある時に臨界振動を与えることが知られている、マチウタイプの方程式：

である。

提案した横揺れ回避・制動方法の核心は、微分方程式の右側に現れる速度制御パラメータを操作することによって横揺れの増加を避けることで、ヒール角加速度、速度および値が効果的に低減されるようにすることである。エンジンから入力されるエネルギーがない場合、復原モーメントによって、および、船体と水との間の摩擦力によって、横揺れは急速に勢いをそがれることになる。プロペラトルク変動の低減が結果として生じ、これは、プロペラの滑りが少なく、燃料消費が少ないことを意味する。

提案した方法は、限定はされないが、次の代替策のうちの１つを含む：

Ｍ１．エンジンの速度制御装置の反応時間Ｔ_ｃを増加させる。これにより項Ｔ４は減少し、横揺れはなくなり、船のエンジンによって維持される。

Ｍ２．制御装置の増幅を、臨界振動を引き起こさない値まで低減する。

Ｍ３．適切な時間インスタンスで引き起こされたエンジン速度の交番を生成することで、項（Ｔ４）がヒール角変動を相殺するようにする。これは反転された兆候による制御動作を意味する。

Ｍ４．ヒール角変動を減少させる任意の他の速度制御方法。当該技術分野の制御技術者にとって既知であるこのような方法の１つは、船の動力のモデルを使用して、横揺れ周期中のヒール角の積分を最小化する速度制御関数を計算することである。これはいわゆるモデル予測制御方法である。

Ｍ５．速度・負荷制御装置のパラメータのいずれかを制御することによって、ヒール角変動の積分を最小化する任意の同等の方法。

図４に示される方法ステップによって説明した好ましい実施形態によって、２つの横揺れ制動・低減方法が開示される：上述の方法Ｍ１またはＭ２によって実装可能な一定速度アルゴリズム（ＣＳ）、および、アルゴリズムＭ３、Ｍ４またはＭ５として実装可能な倒立制御（ＩＣ）。

非線形項を低減するための上述の方法は、補償されるべき船の速度および船の船首方位における障害に関連付けられている。よって、提案した方法は、方法ステップのセクションで説明したような船の速度の適切な補償も含む。

提示した代替実施形態のすべては、基本的に、添付の特許請求の範囲で定められるような本発明の範囲を逸脱することなく、開示されたものと同じ横揺れ回避・制動原理を使用して変形かつ修正されたものである。

本出願明細書で開示された横揺れ回避・制動原理は根本的に、先行技術のセクション（Ｐ１）で説明した、Ｄｏｗの特許である特許文献１と異なっている。前記の特許および他の同様の横揺れ防止の特許は、１９３０年代より前のこの機能に対して未知であった新奇な横揺れ防止アクチュエータであるプロペラのみに焦点を当てている。これとは対照的に、ここで提案した方法および装置は、横揺れ中のプロペラトルク変動が船の速度の変化として検知されるため、速度制御機能は、実際には、循環プロセスによって船の横揺れを維持かつ増幅しているということが分かる。ここで提案した方法は、プロペラトルクと船の速度制御機能との間の臨界相互作用を中断させることによって、臨界横揺れの動きをそらせることである。

先行技術のセクション（Ｐ１）で説明した特許文献３および特許文献４の特許出願明細書には同じ論理があてはまる。前記の２特許は、エネルギーを船体に注入することによって、船の横揺れエネルギーが補償されて横揺れが低減される、特殊な能動式横揺れ防止アクチュエータ（逆回転プロペラに対する水ジェット）を提案している。これらの方法は、船の燃料消費を増加させている。これとは対照的に、本願の方法は、エンジン−プロペラユニットの横揺れが大きくなると、臨界状況を防ぐ。前記の方法は、横揺れが生じた後に作用するが、本願で提案した方法は、高振幅横揺れが生じる前に横揺れを防ぐために作用する。前記特許の制御装置ユニットは、提案されたアクチュエータ上で作用し、そのエネルギーを制御して横揺れを相殺する。本願で提案した方法は、速度制御装置上で作用し、アクチュエータが、横揺れを大きくすることになるエネルギーを放出することを防止する。本願で提案した方法は、横揺れに対するエネルギーの使用を防ぐことによって、船の燃料消費を低減する。

実施例
実施例１。図５は、横揺れ制動・回避装置（ＲＡＤ）が作用しない時の、等式（Ｅ１）および（Ｅ２）による船の臨界横揺れを示す。垂直座標は（度で表された）ヒール角であり、水平座標は（秒で表された）時間である。自然横揺れ周期は２０秒であり、速度・負荷制御装置の遅延は１秒である。速度制御装置の増幅係数は８０であり、これは、臨界横揺れを維持している高い値である。

実施例２。図６は、実施例１と同じ船パラメータについて、低増幅アルゴリズムの変形Ｍ２を可能にする作用を示す。選択されたアルゴリズムは、８０から７５まで増幅を減少させることによるものである。横揺れは依然存在するが約９サイクルで制動されることがわかる。

実施例３。図７は、実施例１と同じ船パラメータについて、アルゴリズムＭ１によって方法ＣＳの変形を可能にする作用を示す。速度制御装置の時間遅延は、１秒から５０秒へと増えて、臨界横揺れに対応して、増幅は再び８０になる。実施例２のケースと比較すると、制動の作用はより強くなり、約７サイクルで横揺れは制動されることがわかる。速度制御は５０秒間作用することはないので、実施例２のケースと比較すると、速度制御はより影響を受けることになる。

実施例４。図８は、実施例１と同じ船パラメータについて、アルゴリズムＭ３によって一定速度方法ＣＳの変形を可能にする作用を示す。速度制御装置の時間遅延は再び１秒になるが、ここでの増幅は−５０、すなわち、倒立制御となる。実施例３のケースと比較すると、制動の作用はより強くなり、８０秒の時間間隔の間で可能な限り大きい速度制御エラーを犠牲にして、約４サイクルで横揺れは回避されることがわかる。

実施例５。図９は、Ｋｗ＝５６およびＴｗ＝Ｔｓ／２＝１０秒によって波が特徴付けられる場合に、等式（Ｅ１）から得られる型パラメトリック横揺れの臨界横揺れを示す。速度制御装置パラメータは、実施例１のものと同じである。

実施例６。図１０は、実施例５で示されるパラメトリック横揺れに対する制動作用を示す。アルゴリズムは、−３０の増幅係数を使用した、倒立制御（ＩＣ）である。制動はそれほど強くないが、パラメトリック横揺れは船の安全性については危険性があり、利用可能である効果的な制動方法はない。よって、得られる制動はいずれも有益である。

Claims (8)

1. プロペラ推進による海上船の横揺れを回避かつ制動するための方法であって、
   前記船の現在のヒール角が検知され、一連の前記検知されたヒール角を使用して、横揺れ増幅、横揺れ周期、ならびに前記横揺れ増幅および横揺れ周期の傾向を含む船の横揺れの動きを特徴付ける値を計算することと、
   モデルを使用して、前記船の動力と前記船のエンジン／プロペラ速度制御装置との間の臨界相互作用として、前記船の横揺れの動きを特徴付けることにおいて、前記臨界相互作用は前記船の横揺れを大きくするか維持することと、
   一次および二次導関数と、船の横揺れに影響を及ぼすパラメータとを含む、前記船の横揺れに関連する信号は共に、前記船の動力を特徴づけ、前記モデルにおいて使用されることと、
   前記船の横揺れモデルと、前記横揺れの傾向データとに基づいて、正しい制御アルゴリズムの選択が行われて、エンジン／プロペラ速度調整器の機能を修正することによって前記船の動力と前記エンジン／プロペラ速度制御装置との間の前記臨界相互作用を回避かつ制動することで、前記臨界相互作用を相殺することと、を特徴とする、方法。
2. 以前の測定値、または、天気予報、波浪・風力リポート、ならびに衛星測位システムなど、一般的に利用可能な海洋情報源のいずれかから取得された波遭遇値、風角度および船首方位角を使用して、前記ヒール角の現れようとしている変動を予測することによって、前記臨界相互作用の回避および制動を行う、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御アルゴリズムは、前記エンジン／プロペラ速度制御装置の反応時間を増やすため、プロペラ速度変化は前記船の横揺れ周期よりもゆっくりと生じ、それによって、前記船のヒール角はエンジン負荷変動によって影響を受けず、このように前記臨界相互作用を回避する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記制御アルゴリズムは、前記エンジン／プロペラ速度制御装置の増幅を低減させるか、あるいはこの増幅の兆候を反転させて、実際に、このように前記臨界相互作用を、横揺れさせ、減少させ、または制動させることによって生じた船のエンジン負荷変動を低減させるか無効にする、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記船の速度変動は、前記制御アルゴリズムによってエンジン／速度制御をインターリーブすることによって補償される、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の方法のステップを実行するためのコンピュータプログラムコードを含む、コンピュータプログラム。
7. 請求項６に記載のコンピュータプログラムの少なくとも一部を含む、コンピュータ可読媒体。
8. 請求項７に記載の前記コンピュータ可読媒体を解釈することが可能な装置。