特許 7684759 海況情報推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-20

(45)【発行日】2025-05-28

(54)【発明の名称】海況情報推定装置

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/00 20060101AFI20250521BHJP

【ＦＩ】

G01P5/00 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2025062343

(22)【出願日】2025-04-04

(62)【分割の表示】P 2023172638の分割

【原出願日】2023-10-04

【審査請求日】2025-04-04

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】318013477

【氏名又は名称】株式会社ブルーオーシャン研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110003236

【氏名又は名称】弁理士法人杉浦特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100123973

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 拓真

(74)【代理人】

【識別番号】100082762

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 正知

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 喜代志

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３５６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３２７８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０２２２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｐ ５／００－ ５／２６

Ｂ６３Ｂ ２２／００－２２／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定部に係留され、海水面に追従して変動し、アンテナ及びＧＮＳＳ受信機を有し、前記ＧＮＳＳ受信機により位置情報を得るようになされた海象ブイを使用する海況情報推定装置であって、
前記海象ブイの設置点Ｐ０の前記位置情報と前記海象ブイの位置Ｐｔの前記位置情報から方位を算出し、
前記方位の時系列の２階差分値を算出し、
前記２階差分値の極値を算出し、
隣り合う前記極値の積を算出し、
前記極値の積と実測流速の近似曲線から流速を推定する
海況情報推定装置。

【請求項2】

前記実測流速は、前記海象ブイの設置点において別途測定されたものである請求項１に記載の海況情報推定装置。

【請求項3】

前記海象ブイの位置の座標は、ノイズ除去の処理がなされたものである請求項１又は２に記載の海況情報測定装置。

【請求項4】

推定された流速に対して補正を行う請求項１又は２に記載の海況情報測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海況情報、特に、潮流の流速を推定する海況情報推定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の潮流の流速を測定する装置として、ブイ外部に専用センサー例えば超音波流速計を配置する構成が知られている。この構成では、ケーブルをブイ内部に引き込むため、漏水・ケーブル断線・付着生物によるセンサー劣化・電池交換などメンテナンスの手間やコストが掛かった。

【0003】

本願出願人は、ＧＰＳ（Global Positioning System)衛星からの電波を受信する受信機をブイに搭載して、ブイの三次元位置を測定することによって、波高を測定する波高測定装置を提案している（特許文献１参照）。この波高測定装置は、ＧＰＳアンテナ、ＧＰＳ受信機、データ記録装置、データ処理装置及び送信機を備えており、ブイが浮遊する現地の波高を測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２１－１６５７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１には、ＧＰＳデータを使用して流速を測定することについては開示されていない。流速の情報は、定置網漁業者等の漁業関係者にとって重要な情報であり、また、桟橋への船の接岸の安全性の確保からも必要な情報であり、さらに、防災の面からも必要とされる情報である。

【0006】

したがって、本発明の目的は、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System／全地球航法衛星システム)受信機によって得られた位置情報を使用して潮流の流速を測定することができる海況情報推定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、固定部に係留され、海水面に追従して変動し、アンテナ及びＧＮＳＳ受信機を有し、ＧＮＳＳ受信機により位置情報を得るようになされた海象ブイを使用する海況情報推定装置であって、
海象ブイの設置点Ｐ０の位置情報と前記海象ブイの位置Ｐｔの位置情報から方位を算出し、
方位の時系列の２階差分値を算出し、
２階差分値の極値を算出し、
隣り合う極値の積を算出し、
極値の積と実測流速の近似曲線から流速を推定する
海況情報推定装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ＧＮＳＳ受信機によって受信された位置情報を使用するのみで、流速を推定することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であっても良い。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の一実施形態における係留式流速流向計測装置の構成を示す略線図である。

【図2】図２は、ＧＮＳＳ受信機により測位された３次元位置情報のＸＹ平面上の位置を説明する模式図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態による海況情報のシステム構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、海象ブイの位置変化から流向及び流速を推定する処理の流れを示す略線図である。

【図5】図５は、超音波流速計によって測定された流速を示すグラフと、海象ブイの移動方向から測定された流向を示すグラフである。

【図6】図６は、流向を２階差分した値のグラフと平均流速のグラフを示す。

【図7】図７は、隣り合う極値の積（横軸）と流速（縦軸）の散布図を示す。

【図8】図８は、近似曲線を使用して流向から推定された流速と実測された流速を重ねて示すグラフである。

【図9】図９は、海象ブイの軌跡の一例を示す図である。

【図10】図１０は、海象ブイの移動距離と実測流速の関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、実測流速と方位の２階差分の値の関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、規格化した移動距離と実測流速との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、近似曲線から推定された流速と実測流速を比較して示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

【0011】

図１は、本発明の一実施形態における係留式流速流向計測装置の構成を示す。参照符号１は、流速流向計測ブイ（以下、海象ブイと適宜称する）を示す。海象ブイ１は、海面ＳＦ上に浮かぶ構造とされており、風の影響を受けにくいドーム状の機器収納部と、その周囲に設けられたリング状の浮輪と、浮輪に取り付けられ太陽電池を有する。

【0012】

より具体的には、海象ブイ１は、海面すれすれに浮かぶ小型（８０ｃｍ程度）かつ円盤状で海面上の動きに追随しやすい等方性を有する形状となっている。これにより、従来のスパーブイ等の筒状のブイよりもブイ本体に対する風や流れの影響が極めて少なく、海面の変動とほぼ同期した挙動を示す。

【0013】

この特有のブイ構造と機械学習を組み合わせることで、ブイの動揺特性を海面変動、言い換えれば３次元位置情報の変動パターンだけから推定することが可能となる。すなわち、機械学習による推定モデル生成の際に、波浪特有の海面変動特性を学習させて、３次元の位置情報の変動パターンだけから波高や流向を推定することが可能となる。さらに、本発明の一実施形態は、海象ブイ１の３次元位置情報を処理することによって流速も推定するようにしたものである。以下の説明では、流向流速の推定の説明を主として行うが、波高については、本願出願人の提案に係る方法（例えば冒頭に述べた特許文献１に記載されている方法）によって測定できる。

【0014】

海象ブイ１がロープを介して係留装置と接続されている。係留装置は、１点係留方式の構成を有する。海底に設置されたアンカーとしての土のう１１に対してロープ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して浮体としての小型軽量のブイ１３が接続されている。ロープ同士は、捩れを生じないように、より戻しを介して接続される。ロープ１２ｂ及び１２ｃの接続用のより戻しに対してより戻しとロープ１４ａ、より戻し１５及びロープ１４ｂを通じて海象ブイ１が接続されている。また、錘としてのチェーンＷ１、錘Ｗ２がブイ１３に対して接続されている。

【0015】

ロープ１２ａ～１２ｃの合計の長さは、設置場所の水深よりも長いものとされている。さらに、海上風を受けにくい円盤型の海象ブイ１がロープ１４ａ及び１４ｂを介して係留装置と接続され、ロープ１４ａに錘Ｗ３が接続されている。ロープが複数のより戻しでもって接続されているので、海象ブイ１の挙動は、海面変動と同期したものとなり、流向流速を正確に計測することができる。

【0016】

海象ブイ１は、アンテナと、衛星からの電波をアンテナによって受信するＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System／全地球航法衛星システム)受信機を有する。なお、ＧＮＳＳは、GPS、GLONASS、Galileo 、準天頂衛星（QZSS）等の衛星測位システムの総称のことである。例えば最近では、準天頂衛星システム（みちびき）の運用が開始されることによって、ＧＰＳを補い、より高精度の測位が可能となりつつある。

【0017】

ＧＮＳＳ受信機は、また、予め位置が分かっている電子基準点で衛星からの電波を受信することにより求められた誤差補正情報もアンテナが受信する。誤差補正情報は、５Hz～１０Hzの頻度で受信される。その結果、測位の精度が高精度なものとなる。ＧＮＳＳ受信機によって、海象ブイ１（アンテナ）の３次元位置情報が得られる。３次元位置情報は、（Ｘ：経度、Ｙ：緯度、Ｚ：標高）で表される。

【0018】

図２は、ＧＮＳＳ受信機により測位された３次元位置情報のＸＹ平面上の位置を説明する模式図である。中心点（基準点）Ｐ０が係留装置のブイ１３の位置に対応し、その座標は既知の値（Ｘ０，Ｙ０）である。例えば、無流時（潮止まり）時のブイ１３の位置が中心点とされる。Ｐｔは、測位された海象ブイ１の位置に対応し、その座標は（Ｘｔ，Ｙｔ）と表される。中心点Ｐ０に対して北の方角、東の方角、南の方角、西の方角がそれぞれ０°、９０°、１８０°、２７０°とされる。図２の例では、例えば北に対する角度θがその時刻における潮向として測定される。なお、潮向の表し方としては、（０°～３６０°）に限らず、（１８０°～１８０°）を使用してもよい。

【0019】

さらに、海象ブイ１には、ＧＮＳＳ受信機に加えて３次元位置情報を伝送するための無線通信部、電源部を有する。無線通信部は、アンテナを有し、インターネット上のウエブサイト又は地上のセンターと無線通信を行なう。例えば携帯電話網を利用した通信がなされる。衛星電話網を利用して通信を行なってもよい。電源部は、例えば二次電池と太陽発電装置によって構成されている。

【0020】

図３は、本発明の一実施形態による海況情報のシステム構成を示し、図４は、海象ブイ１の位置変化から流向及び流速を推定する処理の流れを示す。上述したように、係留装置に対してロープ１４ａ、より戻し１５及びロープ１４ｂを介して海象ブイ１が接続されている。図３及び図４においては、係留装置のより戻し、錘についての図示が省略されている。

【0021】

海象ブイ１で得られた３次元位置情報が例えば携帯通信又は衛星通信を介してクラウドサーバー２の位置情報受信サーバー２１に送信される。例えば０．１秒間隔で３次元位置情報が伝送される。位置情報受信サーバー２１は、衛星測位データの復号を行い、復号した３次元位置情報及び時刻情報がデータベースサーバー２２に対して登録される。

【0022】

データベースサーバー２２には、（年月日、時刻、経度、緯度、標高）の情報が登録される。データベースサーバー２２に対して前処理サーバー２３が接続され、データベースサーバー２２及び前処理サーバー２３に対して解析サーバー２４が接続されている。

【0023】

前処理サーバー２３は、データベースサーバー２２から所定時間例えば５分～２０分間の連続データの切り出し処理、衛星固有のノイズカット、位置情報の平滑化、３次元位置情報の平均値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）の算出処理を行う。

【0024】

前処理サーバー２３によって前処理されたデータが解析サーバー２４に与えられる。解析サーバー２４は、次の処理を行うことによって流速を推定するための近似曲線を生成し、近似曲線によって流速を推定する。

【0025】

・係留装置の海象ブイ１の設置点Ｐ０の座標（Ｘ０，Ｙ０）と海象ブイ１の位置Ｐｔの座標（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）及び時刻情報Ｔから方位と移動距離を算出する。
・時系列方位（流向）の平滑化によりノイズをカットする。
・平滑化した方位の時間差分値を算出する。
・２階差分値を算出し、２階差分値の極値を抽出する。
・隣り合う極値の積と別途作成した実測流速の近似曲線から流速を推定する。

【0026】

２階差分値は定間隔（例えば１０分毎）の離散的な数値の時系列として出力（計算）される。この離散値をグラフ化すると図６のグラフとなる。このグラフの山・谷を極値と呼ぶが、前後の数値関係から算出したピーク値に過ぎない。その意味では、節点（ノード）と称してもよい。

【0027】

最小二乗法により多項式近似の係数A・B・C・Dを求める
Y＝A x （Xの３乗）+ B x (Xの２乗) + C x X + D

【0028】

解析サーバー２４によって求められた流速推定値は、ＡＩ（人工知能：artificial intelligence）補正サーバー２５によってその精度が高いものとされる。すなわち、鉛直方向（Z）の潮位変化を加えた流速推定学習モデル（ニューラルネットワークを活用した流速推定及び補正）によって流速の推定精度がより高いものとされる。

【0029】

ＡＩ補正サーバー２５によって補正された推定流速が解析データベース２６に供給される。解析データベース２６には、（年月日・時刻・流向・流速）の海況データが蓄積される。

【0030】

解析データベース２６に対してコンテンツサーバー２７が接続され、コンテンツサーバー２７にＷｅｂサーバー２８が接続され、外部から解析データベース２６のデータに対してアクセス可能とされている。外部からは、スマートフォン３１、パーソナルコンピュータ３２、ケーブルテレビ３３等によって解析データベース２６のデータに対してアクセス可能とされている。

【0031】

上述した解析サーバー２４の処理によって流速を推定できることを本願発明者は以下のように確かめた。図５、図６、図７及び図８を参照して流速の推定について説明する。なお、流速の推定のための近似曲線を生成するために、係留装置の例えばロープ１２ａ～１２ｃの何れかに対して超音波流速計が取り付けられ、流速が測定される。近似曲線が生成された後では、超音波流速計が取り外されてもよい。すなわち、お手本となる超音波流速計の計測値（教師用データ）は、近似式を作るときに利用される。従って、実際には検証以外でブイに超音波流速計が取り付けられることはない。

【0032】

図５は、超音波流速計によって測定された流速［cm/sec］を示すグラフ４０と、海象ブイ１の移動方向から測定された流向［０°～３６０°］を示すグラフ４１である。横軸は、日付及び時刻であり、例えば１０分間隔の値がプロットされる。縦軸は、流速及び流向を表している。

【0033】

図６は、流向を２階差分した値のグラフ４２と平均流速のグラフ４３を示す。但し、図５及び図６の横軸は、対応していない。図６において、白のドットは、２階差分した値から抽出された極値を表している。

【0034】

図７は、隣り合う極値の積（横軸）と平均流速（縦軸）の散布図を示す。この散布図から近似曲線４４を生成することができる。生成された近似曲線４４は、記憶装置例えば解析サーバー２４の記憶装置に記憶される。近似曲線４４を保持することによって、極値の積から流速を推定することができる。極値に相当しない他の時刻における流速は、直前まで求めた複数の極値から外挿して求めることができる。

【0035】

図８は、近似曲線４４を使用して流向から推定された流速と超音波流速計などを使用して実測された流速を重ねて示すグラフである。太線のグラフ４５が近似曲線４４を使用して推定された流速であり、細線のグラフ４６が実測された流速である。この図８から分かるように推定流速の実測流速に対する差が小さく、推定流速が実測値に近いことが分かる。なお、上述したデータの例は。ＡＩサーバー２５による補正がされていない例であり、補正を行うことによってより精度を高めることができる。

【0036】

上述した一実施形態によれば、近似曲線を生成することによって、海象ブイ１からの位置情報から流向及び流速を推定することができる。したがって、超音波流速計のようなセンサーによって流速を測定する場合のように、メンテナンス（電池交換、清掃等）が不要となる。また、近似曲線を作成するためには超音波流速計を必要とするが、近似曲線を作成した後では、超音波流速計が不要であり、コストの低減が可能となる。

【0037】

上述した一実施形態について説明したように、本発明においては、以下のような流速推定がなされる。
１．準天頂衛星「みちびき」の高精度（cm精度）の測位データ（緯度・経度・標高）を取得する。

【0038】

２．海面変位（主に潮位変動）をcm精度でモニタリングし、海域により大きく異なる干満の時刻や高低差を正確にリアルタイムに計測する。

【0039】

３．潮汐により時系列的に変化する係留された海象ブイ１の挙動（ＸＹＺ変位）から、流速推定に関わる２つのパラメータを抽出する。すなわち、海象ブイ１の設置点（基準点）を中心とした移動距離及び方位の時系列の２階差分を干満間の時間毎に規格化してパラメータ化する。

【0040】

時間間隔の異なる干満間の時間（上げ下げ潮の潮時）を規格化し、この規格化された潮時における海象ブイ１の設置点からの移動距離も規格化することにより、大潮・小潮にかかわらず共通のパラメータで潮位変動から実測流速を推定することが可能となった。

【0041】

４．実測流速と海面変位から求めたパラメータの相関関係から流速とパラメータ間の近似曲線を生成する。
この規格化された近似曲線を用いて、任意の海域における潮流の流速を推定する。

【0042】

上述した本発明について実証実験を行った結果について以下に説明する。実証実験においては、海象ブイ１がＣＬＡＳ（Centimeter Level Augmentation Service：センチメータ級測位補強サービス）の受信機を備える。したがって、誤差数cmの精度で位置情報を取得できる。約１ヶ月間に渡る潮流観測を行い、実測流速とブイの挙動から流速推定パラメータの再計算を行った。

【0043】

図９は、観測期間中の海象ブイ１の軌跡を示したもので、Ｘで示す楕円の真ん中が、海象ブイ１の投入点（基準点）に当たる。移動距離や方位をこの海象ブイ１の投入点を基点として、再計算した流速推定パラメータが、図１０（実測流速と海象ブイ１の移動距離の関係を示すグラフ）及び図１１（海象ブイ１の方位の２階差分値と実測流速の関係を示すグラフ）である。

【0044】

また、ＣＬＡＳ測位システムの標高値から算出した水位の時系列データが求められる。このデータは、実証実験を行った海域の近傍の検潮所（函館変動検潮所）極めて良く合致している。これより海象ブイ１の標高データから、現場における正確な干満時刻を求めることができる。

【0045】

一般に不揃いな干満間の時間間隔を規格化して、任意の潮時（例えば大潮下げ、中潮下げ、小潮下げ、大潮上げ）における流速推定パラメータを再計算した結果を図１２が示す。図１２より特に規格化した移動距離と実測流速との間には明瞭な相関が見られ、図１２に示すように、近似曲線を求めることができる。この近似曲線から推定された流速と実測流速を比較したものが、図１３であり、平均２乗誤差は３cm／s程度となり、実用を十分に満たす流速推定式であることが確認された。

【0046】

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、海象ブイ１を係留する場所は、海底に限らず、港の桟橋等の固定部であってもよい。また、クラウドサーバーの一部の機能例えば前処理サーバーの機能を海象ブイ１が持つようにしてもよい。上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。

【符号の説明】

【0047】

１・・・海象ブイ、２・・・クラウドサーバー、１１・・・土のう、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、１４ａ、１４ｂ・・・ロープ、１３・・・ブイ、２１・・・位置情報受信サーバー、２２・・・データベースサーバー、２４・・・解析サーバー、２５・・・ＡＩ補正サーバー、２６・・・解析データベース

【要約】

【課題】流速測定用センサーを使用しないで、流速を推定することを可能とする。
【解決手段】固定部に係留され、海水面に追従して変動し、アンテナ及びＧＮＳＳ受信機を有し、ＧＮＳＳ受信機により位置情報を得るようになされた海象ブイを使用する海況情報推定装置であって、海象ブイの設置点Ｐ０の位置情報と海象ブイの位置Ｐｔの位置情報から方位を算出し、方位の時系列の２階差分値を算出し、２階差分値の極値を算出し、隣り合う極値の積を算出し、極値の積と実測流速の近似曲線から流速を推定する海況情報推定装置である。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】