Energy Saving Operation for Coastal Ships with Consideration of Arrival Delay Risk

FolloWing predetermined voyage plans is o 圸 e utmost impo血 noe for coastal shippi 皿g. Generally , coastal ships are operated sligh 口y ahead of schedule to keep su 伍 cient room for avoidilg any r誌k of arrival delay. If the standard deviation of arrival time error on the recommended Toute can be estimated , it is possible te fi 。皿ow 血 e ship operation schedule and save a large amount of 血 el. From the above point ef View, the authors propose a new weather rou 血 g algori出m that takes血e ‘鯛 血 k of ddaゾ ’ con pt血to account . In丗e proposed algorithm , the standa 匸d deviation of the error of anival time is estimated using information on the accuracy of win 〔IXwave forecast . Our simulation resUlts co 曲 med 血at 血e st皿 d肛 d de“ation of the 齟 v 訓 e emr on the 皿 血im fuel ro 鵬 be a 嘸 ly esdmated , reducing the risk of delay of alrival time. KのwordS :weather rc冫uting , minimum fael routq envire ・nmentalforecast 串一ワード : クェ ザー ・ノ〃一テ イ 冫グ 最 小 燃料消費鋭諮 ,気家 ・櫞 予灘 1. はじめ に こ れ まで 、内航船に対して は指定された到着時刻ま で に 遅れる こ とな く目的地 に 到着す る こ とが最優先に 考 え られ て きた。そ の ため、内航船 は遅延 リス クを回 避す る ため に、で き る だけ早 く、余裕を持 っ て 目的地 に到着し、沖待ちに より時間調整を行なうよ うな運航 を行な っ てきた e しか し、近年の原油価格高騰や、環 境 問題 へ の 配慮を受け、内航船 に対 して も燃料 の 節約 が急務 とな っ て お り、定時性 を保 っ た省エ ネルギ ー 運 航 が必要 とな っ て き て い る。こ れ に関連して 、萩原ら は外航商船を対象と した研究 を行い、い くつ か の ウェ ザール ーテ ィ ングの手法を提案し て い る 。 著者 らは、高精度気象 ・海象予測デ ー タに基づ い た 内航船 の 省 エ ネルギ ー 運航 に つ い て 研究を始め、指定 された航海 時間以内で 目的地 に到着 で きる最小燃料消 費航路 (以下 MFR (Minimum Fuel Rou竃c))を計算す る ア ル ゴ リズ ム を開発 )した。 本論文で は、まず、上記ア ル ゴ リズム を 用 い て 決定 された MFR を航行 した場合の 到着時刻 の 誤差 の 標準 偏差を推定する方法を述 べ る。次 にそ の推定 に使用す る気象 ・海象予測データ に つ い て予測精度を調査 し、 そ の 結果を示す。そ して 、 実際に 日本沿岸海域を就航 中の 内航船舶 の 実海域データを用 い て シ ミ ュ レーシ ョ ン を行な い、そ の効果を確認する 。 2. 到着 遅延リス クを考慮 した MFR こ こで は、気象 ・海象予測データお よび気象 ・海象 が船速やエ ンジ ン 出力 に 及ぼす影響を表現するモ デル に基づ き、あ る定の確率 で指定された到着時刻よ り 早 く 目的地に到着で き、か つ 航海 中 の 燃料 消費を最小 とする航路を求めるアルゴ リズムにつ い て述べ る。以 下、こ の航路の こ と を 「到着遅延 リス ク を考慮し た MFR 」 と呼ぶ こ と にする。 t 学生会員 東京海洋大学大学院 (〒 135 ・8533 東 京都 江 東 区 越 中島 2 16) dO62024 @kaiyodai.ac .jp kk 非会員 独立 行政法人 海上 技術 安 全研 究 所 ± ± k 正会 員 独 立 行政法人 海上技術安全研究所 工工 一leotronio ibra y Japan Institute of Navigation NII-Electronic Library Service apan エ stitute f avigation 146 日本航海学会論文集 20年 9月 2.1 計算 手法 到着遅延 リス クを考 慮した MFR は、以下の手順に よ り求め られ る。 (1) まず、指定到着時刻 T に 目的地に着 くよ うな MFRo を求め る。 (2)そ の MFRo の 到着時刻の 予 測誤差 の標準偏差 σ T を推定する。(実際の到着峙刻が T よ りσ T ,2 σ T, 3 σ T 以上遅 れ る確率は.それぞれ 0.1587 , 0.0228, 0.0013で ある。) (3) 気象 ・海象予測が不確実な こ とか ら到着時刻が遅 れ る こ との リス クを考慮 し、T よ り k σ T だけ早 く目的地に到着する MFR ’ o を再度求める。こ こ で k は、到着遅延リス クの大きさを表現する係数 で あ り、k σ T の こ と を 余裕時問 と呼ぶ こ と にす る e (4) そ の ma ’ o 上を航走 し、気象 ・海象予測が更新 された ら、その時の船位から目的地に T に到着 する MFR1 を計算し、(2), (3),(4)を繰 り返す 。 航海が進む に つ れ て 、気象 ・海象の 予測時間が短 く な る の で 、σ T は小 さ くなる 。 し たが っ て.遅延 リス ク 時間k σ T を次第に 小さ くする こ とがで き、最終的に 指 定到着時刻 T に 目的地に到着する こ とがで きる。 2.2 標準偏差の 推定法 こ こ で は 計算さ れた MFR の 到着時刻 の 予測誤差 の 標準偏差 σ T を推定する方法 を述 べ る。なお、σ T の推 定におい て、海流 ・潮流 の 数値予報精度 を調査す る の は現段階では困難で あるため、風 と波 の 予測誤差 の み を考慮する もの とする。 時刻 T。に出発地 P 。を出発 し、目的地 Pfまで 航海 す る船を考え る。こ の 船 は時間間隔 加 の問、針路 ・プロ ペ ラ回 転数 を一定 に保 っ て航行する こ と とする 。船が P 。 を出発した後、i+ 1番目の wayp 。int Pi+ i に到達する 日寺亥[jTi}ま、 T,+, − T, . 彑 () 餮、 (i= 0,1,2.一一) と い う差分方程式で表され る。ここで、捻 は waypoint Piにおける対地速度、Di は PiとPi 、1の 間 の 距離 で ある。 船 の 対地速力 は、対水速 力、海流 によ る ドリフ ト角と 海流ベ ク トル の 状態関数で あ る の で 、Pi と Pi. 1 の 間 の 対水速力を Vi、海流に よ る ドリフ ト角を ai .海流ベ ク トル を 昭 で 表 せ ば、対地速力を 晦 は 次 の よ う に書け る。 v 、 、 myg 、(% α ,・叱) (2) 対水速度 Viは、風 と波 、及び針路 Oiとプ ロ ペ ラ回転 数 ni の 関数で あ る の で 、 V,;は次式で表現する 。 v , =玩(θi,ni ,Si) (3) こ こ で 、Siは風 と波の 状態 ベ ク トル で あ り、次の よ うな パ ラメ ー タか ら成 る。 Si=[wi r、 hi ep, 可 (4) Wi ,?i , hi, qi, F , は、それぞれ Piにお ける風速、 風 向、有義波高、卓越波向、有義波周期で ある。 Ti. 1 の 予測誤差 △Ti+ 1 は、 △Tt+1.’”△T, ・ 書 △Vg、 (5) v,、 と書ける。対地速度 晦 の 予測誤差 △晦 は近似的 に、 ・ 薨・ 一騨 (6) と書ける 。 こ こで 、 璃 は予測誤差を含まな い とし、 対 水速度の 予測誤差△Viに よる ドリフ ト角の 予測誤差 △ α i は小さ く無視できる とする 。 (6)式を (5)式に代 入する と ・T,+1 △T, + 書 ・... 、△Ui (7) (3)式 よ り△Viは、