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1 18 NAVIGATION( 特集 ) 平成 29 年 4 月 創刊 200 号記念特集 < 自動化 自律化研究の現状と展望 > 自律運航実現を支える運航支援技術 柏 卓夫 Navigation Technologies to Support Autonomous Shipping Takuo KASHIWA キーワード : 航海機器, レーダー,GPS,ECDIS 1. はじめに自律船に関しては ICT 技術の高まりとともに 安全 安心および効率的な船舶運航を目指して研究開発が進んでいる 欧州では自律運航のひとつの形態である無人船のプロジェクトである MUNIN(Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks) Project (1) が実施されており その技術的なコンセプトをまとめた Rolls Royce 社は無人船コンセプトを発表し DNV も無人の電気推進船であるコンセプト ReVolt を発表している これらは大型船であり その実現に向けては技術的な課題だけでなく 様々な規定の見直しなども必要であり Autonomous Shipping Technology Symposium に代表される会合でもいろいろな議論が起こっている (2) (3) 他方 小型船での無人化実験は限られた海況ではあるが 昨今の電子機器の高性能化の助けもあり 実験レベルでの試験は盛んにおこなわれている (4) 現在 議論されている自律船では各種センサの高度化およびその情報処理による操船の自動化だけでなく 陸上側との通信によるモニタリングおよび協調介入が必要との認識で進められている ここでは船舶搭載される航海機器において この自律運航を支える技術の現状について概説するとともに 将来に向けて研究がされている技術について紹介する 2. 自船位置センシング 2.1 GNSS 今日 自船の位置を知る方法としては Loran-C やレーダー主体の技術から GNSS を用いた測位技術が一般的に用いられており 近年は米国の GPS 以外に欧州の Galileo ロシアの GLONASS 中国の BeiDou そして Regional のシステムとして日本の QZSS インドの NAVIC が運用を開始しており 広域化とともに利用可能な衛星数も増えており 測位精度および利用率も向上している 船舶搭載に向けた型式検定 (IEC ) において要求されている精度は DGPS の補正情報を用いて 10m(95%) である DGPS は海岸局からだけではなく SBAS 衛星によるものが利用可能であり 洋上であってもその補正情報が利用可能である GNSS は位置測位のみではなく その技術を利用して方位を求めることができる 図 1にサテライトコンパスの例を示す 2 個以上の GNSS アンテナを用いると方位を求めることができるためコンパスとしての利用が進められており その利便性からレーダーなどの航海機器の方位センサとして用いられる 加えて IMU(Inertial Measurement Unit) との組み合わせによりピッチ ロール ヨーなど船舶の姿勢角を知る手段としても用いられており その精度は 0.5 (rms) になる 他に この GNSS の情報を用いて自船の速度を算出することも可能となっており 船首での 2 速度 ( 船首方向

2 200号 自律運航実現を支える運航支援技術 19 舷側方向) 船尾舷側方向速度や船体の任意位置左 いる しかしながら 船舶を停船させた状態で行 右船速を求めることができる 算出される速度の った測位実験で図 2 に示すように σ0.7m の精度が 精度は±0.02kn である 得られることがわかり SBAS 補正をした GNSS の測位精度に近い実力を持っていることがわかっ た (6) eracon Position Data eradar 図 1 サテライトコンパスの外観 2.2 GNSS の脆弱性とバックアップ こ の GNSS は 何 れ の シ ス テ ム も 1.2GHz eracon レーダー送信波を検波し 位置情報を送信する Radar Pulse Position Data Compass レーコン波を受信し 自船 の位置を算出する 図2 1.5GHz と同じ周波数を使い 受信電力も微弱なた レーダーとレーダービーコンによる測位技 術の概要 め 外的な妨害(太陽活動 ジャミングなど)に対 する脆弱性があり GNSS 信号が受信できないか 正しい測位結果が得られずに航海機器が誤作動を 7.4 m offset by installed position on the vessel 起こすなどの問題が指摘されている このため GNSS 測位技術とは完全に独立したバックアップ システムの検討が e-navigation の考え方の元 IMO を中心に進められており 従来測位システムとし て 用 い ら れ て い た Loran-C の 基 地 局 を 用 い た eloran(enhanced Loran) システムが検討されてお り 英国などで一部試験運用されているとともに 10m ほどの測位精度が得られている GPS+SBAS eracon/eradar : 0.38 m : 0.72 m これとは異なったシステムとして航海用レーダ ーとレーダービーコンを組み合わせた測位システ ムの検討も行われている このシステムはデンマ ーク海事局から提案されたもので 図 2 に示すよ 図 3 シンガポールにおけるレーダーとレーコン の測位結果の例(バースに係留) うに 2 個以上のレーダービーコンから送信され るビーコンの応答波に埋め込まれた位置情報から 一方 自船の位置情報等を他船および陸上施設 レーダーを搭載する船舶の位置を計算によって求 へ 通 知 す る 手 段 と し て めるものである 欧州で実施されている Identification e-navigation の実現を検討する Test-bed(EfficienSea の動静に関する情報の配信や陸上側からの安全に PJ(2011)および ACCESEAS PJ(2012))において実証 関する情報配信などが行われる 丹羽らは AIS (5) AIS(Automated System)の利用も進んでおり 船舶 試験が実施された さらに古野電気 シンガポ の情報を Cloud を介して AIS を搭載しない小型 ール海事局 Tideland Signal 社の共同実験が多く 船舶に移動体無線を用いて配信する実験を行い の船舶が航行するシンガポール港で 2015 年 10 月 その有用性を確認している (7) に行われた この実証実験では レーダービーコ ンの装備位置が低いこともあり 大型船に応答波 が反射し 測位エラーを起こすことも確認されて

3 NAVIGATION 自船周囲のセンシング 平成 29年 4月 瞬時に把握した状況を示す PPI ディスプレイであ 3.1 航海用レーダー リアルタイムに周囲を観測できる航海用のレー る ダーとしては S バンド(3GHz)および X バンド 低減も期待できる 信号処理(例えばパルス圧縮)によりクラッタの (9.4GHz)が広く用いられている 探知できる距離 は 10mほどから数十 NM と幅広く 夜間だけでは なく 降雨 濃霧などの気象的に視界が確保しに くい状況下においても周辺の状況を知る手段とし て有用な航海機器として認識されている これま での航海用レーダーは送信デバイスとしては マ グネトロンが用いられていたが 他の半導体電子 図 5 固体化レーダーによって得られるドップラ デバイスと比較して 寿命が比較的に短い この 情報から自船に接近する船舶を同定した際 ため SOLAS 船では予備の送信デバイスの装備が の PPI ディスプレイ例(図中左側の赤いタ 要求されている 長寿命が期待できる送信機の固 ーゲット) 体化(半導体化)は 近年の高電力密度特性を有す る窒化ガリウム(GaN)デバイスの量産によりよう やく現実味を帯びてきており 一部航海レーダー 3.2 波浪観測レーダー 航海用レーダーを使用する際には 海面反射に への適用も始まっている しかしながら 尖頭電 よるクラッタは目標とする物標を捕捉する際には 力のレベルはマグネトロン(数 kw 数十 W)より 邪魔になるため これまでその抑圧に関する技術 明らかに低い(20W 1kW)ため 比較的長いパル 例えばクラッタ抑圧については 誤警報確率 な スを送信する必要があるとともに電力の低さから どをベースに信号処理に関する研究開発が盛んに SART の起動距離が短くなるなど IMO 要求仕様 進められてきた 一方で 近年の船舶運航に対し に対しては課題がある(X バンド) て省燃費など効率を求める要求が高まるにつれて 波浪への観測ニーズも高まりを示してきていると 言える 波浪観測に関するレーダーはいくつか実 用に供しているものがあるが これまでは閾値処 理で消去していた海面反射のデータから重力波の 模様と動きを抽出することで 波浪に関する統計 量をほぼリアルタイムで計測できるようになって いる 図 6 は古野電気において研究開発を行って いる波浪観測レーダーの出力例を示したものであ るが 有義波高 波向きや波周期の出力ができる ようになっている 2次元波浪スペクトラム 図4 レーダーエコー マグネトロンおよび GaN 半導体を用いた送 信モジュールの外観写真 この固体化レーダーでは位相情報を利用するこ とで船舶の動静(速度)を瞬時に把握することが可 能になる 図 5 は固体化レーダーにおいて得られ るドップラ情報によって 接近する船舶の状況を 図6 波浪観測レーダーの出力例

4 200号 自律運航実現を支える運航支援技術 気象観測レーダー 気象観測を行うレーダーの船舶への搭載は進ん 一方 通常の光学カメラも CMOS センサが回路集 ではいないのが現状である これは気象観測レー 万に達する高感度化が進んでおり 自船周囲数マ ダーの運用形態およびその仕様が舶用搭載には向 イルまでの撮影が可能になってきている 積技術との相性から高性能が進み 一部 ISO400 かないところや船舶を運行する側の要求が顕著で ただし この光学センサは波長が航海用レーダ なかったことが理由であると推察するが 近年は ーで用いられているマイクロ波(10GHz 3cm)に比 洋上における気象観測データを求める声が 気象 べて短いため(可視光 1μm 程度) 動揺や振動な 関係者からも多く聞かれ 一部では船舶上で観測 どセンシング時のブレを補正する技術は必須であ される気象 海象データを衛星通信経由で収集し る 航路上の気象 海象予測をするサービスも実用に 4. 計画航路に則った船位誘導 供されている これまでの陸上設置型の気象観測レーダーは広 Track Control System(TCS)は 計画された航路に 範囲をカバーしつつ 遠距離レンジでの空間分解 従って航行するように船舶を自動制御する仕組み 能を高め る ためにア ン テナの開 口 面積を大 きく である TCS の制御により自動制御で計画経路に (数 m)する必要があった このため 船舶への搭 戻すことや変針点での自動操舵も可能になってい 載は不向きであったが 最近では小型化も進んで る 図 8 に一般的に TCS に用いられる船舶機器の おり 図 7 に示すように古野電気では小型の気象 接続を示す TCS は ECDIS および Auto Pilot が中 レーダーを開発している 空中線部の大きさは直 心となるが 無人船や自律船などにおいてリモー 径 1m 重さは 65kg であり 船舶搭載が可能なレ トコントロールを考慮した場合には 接続される (8) ベルになっている 機器間の通信においてリアルタイム性が要求され 気象観測レーダーは 近年水平 垂直の二重偏 る 最近は LAN 接続やその二重化(冗長性)が進め 波を用いた観測が精力的に進められており 雨粒 られているが 一部には低速のシリアル接続も用 の大きさや降水粒子の種別(雨 雹 雪)および風 いられており 自律船運航に関しては セキュリ (9) 速場の精細な観測が可能になってきている 近 ティーの確保が外部との接続だけでなく 内部の い将来には洋上からの詳細な気象観測の可能性も 機器間通信において重要な意味を持っている ある 衛星通信 Speed Logger GPS/SC/GYRO AIS Auto Pilot LAN/SERIAL Communication Unit レーダー 図8 図7 小型気象観測レーダーの例 舵機 HUB/Router ECDIS TCS を構築する航海機器ネットワーク 5. 船陸間通信技術 5.1 衛星通信 3.4 光学センサ 探知距離では航海用レーダーには及ばないがカ する手段としてはインマルサット FB や VSAT メラなどの光学センサも性能改善が進み 実用化 といった固定衛星通信がある 衛星通信は 他の されてきている 周囲を詳細に観測するために 無線通信システムと比較しても洋上においてデー 船舶への搭載が進んでいる機器としては 赤外線 タ通信を行うには必要不可欠である 通信速度に カメラが挙げられる 赤外線カメラは被写体の輻 関しては L 帯を用いた Fleet Broadband では 射熱を観測するため 夜間であっても探知が可能 432kbps であったが Ku 帯を用いる VSAT では であるため 落水者の探知などに活用されている 1Mbps へと速度が向上し Ka 帯を用いた Global 音声以外のデータを海上と陸上施設の間で通信

5 22 NAVIGATION 平成 29 年 4 月 Xpress では Uplink では~50Mbps の通信速度の実現がなされた この高速化により 自律船の運航に関して必要な大洋航海における情報通信が一歩実用域に近づいたと言える 5.2 新たな VHF 帯データ通信船舶の動静などを情報伝達する手段としては AIS の ASM(Application Specific Message) といったような VHF 帯のデータ通信が用いられており 普及に伴う活動成果もあって 装備を行う船舶数も増加している このことから昨今 AIS 普及に伴うチャネル輻輳という課題が挙がっている (COMSAR 17/4/3) このため WRC-12 で分配された新しい VHF チャネルを用い 低軌道周回衛星通信と海上データ通信を用いた次世代 AIS と位置づけされる VDES(VHF Data Exchange System) が提案され ITU IMO IALA などの関係機関にて仕様検討がなされている また この VDES は放送型の AIS と違い 双方向での意思疎通が可能なように検討されており IMO が提唱している e-navigation の定義の上で通信容量の増加を持って 新しいサービスの導入が期待されている このデータ通信では IHO で制定を進めている S-100/S-200 シリーズで定義されるデータ構造によりデータ通信を行う この応用例のひとつとして次世代電子海図の規格である S-101 を用いた航路情報の交換が欧州におけるテストベッドでデモンストレーションされており 自律船やリモート船実現へ向けて 効率的なデータ通信の手段として VDES が認識されつつある 6. 避航操船に関する技術 6.1 CPA/TCPA の課題他船との衝突を回避するための避航操船に関する支援技術としては 衝突時の危険性を指標化するものがある 船舶搭載機器では 図 9 に示すようにレーダーに搭載されている Target Tracking 技術により捕捉された他船との位置関係から求める最接近距離 (Distance to Closest Point Approach :DCPA) および最接近時間 (Time to Closest Point Approach :TCPA) から算出された指標が一般的である この手法は自船周囲に設定された DCPA の円内に設定された時間内に TCPA で求めた時間後に他船が到達すると計算された段階で 警報を発報する このため 安全と考え得る相手船が自船後方を通過する場合でも警報を発報するなど利用面での課題がある 6.2 Obstacle Zone by Target(OZT) (10) 一定時間後のベクトルを用いて 交差時の位置と見合い角から危険性を評価する OZT(Obstacle Zone by Target) という手法も衝突の可能性を評価する手法として考えられている この手法では図 10 に示すように 相手船の推定航路上にリスク評価円を設定する ( この場合 0.07NM) 各リスク評価円の中心および円の交点における衝突リスクを計算し 3 点における最大値をその円におけるリスク値として算出する そして そのリスク値がある閾値を越えた場合にその領域を OZT とする手法である 自船進行方向に対してリスク表示をするため これまでの DCPA/TCPA のリスク評価と比べてより適切なリスク計算が可能であると期待されている 7. まとめ自律船実現に向けた技術開発への期待が高まってきている 本稿ではその実現のキーとなる航海機器の現状と自律船実現に向けた将来の研究動向について概説した TCPA CPA 目標よる障害ゾーン (OZT) 自船 TCPA TCPA AND CPA CPA 図 9 DCPA/TCPA CR1 CR2 CR0 図 10 OZT による衝突リスクの計算 min min 他船 衝突警報の発報条件

6 200 号自律運航実現を支える運航支援技術 23 謝辞本論文を執筆するにあたり OZT に関する資料を提供いただいた海上技術安全研究所の福戸淳司博士に感謝申し上げます 参考文献 (1) MUNIN Project web page, (2) James Franshawr: The safe operation of unmanned surface vessels,autonomous Shipping Technology Symposium, Amsterdam, (3) Øystein Engelhardtsen and Hans Anton Tvete: Development of autonomous class rules the ReVolt concept, Autonomous Shipping Technology Symposium, Amsterdam, (4) Richard Bucknall:Towards Robust Autonomous Navigation for Unmanned Ships,Autonomous Shipping Technology Symposium, Amsterdam, (5) 山林潤小嶋達也岡田勉柏卓夫 : 船舶用レーダーとレーダービーコンを用いた GNSS バックアップのための測位システム, Navigation, No.196, pp.43-48, (6) Takuo KASHIWA:Trials of e-radar/e-racon Positioning System at Singapore port, e-navigation Underway 2017, (7) Yasuyuki NIWA:Field test of a pilot small sea area ship information system using Maritime Cloud and smart phones,e-navigation Underway 2016, (8) Toshiaki Takaki, Yoshiaki Takechi, Yasunobu Asada, Masahiro Minowa and Yuta Ishigaki, 2014: Multi-Radar System in Urban Area Based on Compact X-Band Weather Radar,International Symposium Weather Radar and Hydrology (WRaH), 2014 (9) M. Minowa, T. Takaki, Y. Takechi, Y. Asada, M. Hayano, Y Isigaki, and T. Kashiwa:2D Wind Field Estimation with Higher Spatial Resolution Using Dual Compact X-Band Weather Radar, 95th AMS Annual Meeting, Phoenix, AZ, 4-8 January 2015 (10) 今津隼馬, 福戸淳司, 沼野正義 : 相手船のよる妨害ゾーンとその表示について, 日本航海学会論文集, No.107, pp , かしわ柏 たくお卓夫 平成 29 年 2 月 10 日投稿 非会員古野電気株式会社技術研究所 ( 西宮市芦原町 9-52) takuo.kashiwa@furuno.co.jp 1989 年大阪府立大学総合科学部卒,1999 年大阪府立大学工学研究科博士後期課程修了博士 ( 工学 ) 所属学会 :IEEE senior member, 電子情報通信学会シニア会員研究テーマ : 船舶搭載電子機器に関する研究に従事

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