(57)【要約】【課題】ブイ等の浮体を用いて簡便且つ正確に波高を算出することができる波高算出方法の提供。【解決手段】この波高算出方法は、浮体１の加速度の計測結果に基づいて算出した加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）を水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）に換算し、水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）を所定の周波数範囲で積分して周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントｍ０を求め、周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントｍ０より波高Ｈを算出することによって、簡易な加速度センサ２によって波高Ｈを算出することができる。【選択図】図２
2020079762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水上に浮かべた浮体の加速度を計測して波高を算出する波高算出方法において、
前記加速度の計測結果に基づいて加速度成分周波数スペクトルを算出し、水位に対応する周波数スペクトル、速度に対応する周波数スペクトル及び加速度に対応する周波数スペクトルの比を用いて前記加速度成分周波数スペクトルを水位成分周波数スペクトルに換算し、該水位成分周波数スペクトルを所定の周波数範囲で積分して周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントを求め、該周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントより波高を算出することを特徴とする波高算出方法。
【請求項２】
前記所定の周波数範囲は、０．１〜０．３Ｈｚである請求項１に記載の波高算出方法。
【請求項３】
周波数範囲が０．１〜０．３Ｈｚである前記水位成分周波数スペクトルのマイナス1次モーメントとゼロ次モーメントとにより周期を算出する請求項１又は２に記載の波高算出方法。
【請求項４】
前記浮体は、前記加速度の計測データを外部へ送信する送信手段を備える請求項１〜３の何れか一に記載の波高算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に海上工事等の施工現場における波高を算出する波高算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
港湾内等で作業を行う現場においては、安全性の観点から実際の波高を把握する必要があり、作業海域に波高計を設置している。
【０００３】
従来、波高計としては、海底設置式、空中放射式、ブイ式の波高計等が知られている。
【０００４】
しかしながら、海底設置式の波高計は、海底に設置した超音波センサや水圧センサ等の計測器を用いて水面変動を捉えるものであり、潜水士によって計測器を海底に設置する必要があるため設置作業が容易でなく、特に水深５０ｍ以上の大水深域においては設置が困難であるという問題があった。
【０００５】
また、この海底設置式波高計では、リアルタイムにデータを取得する場合、水中では無線によるデータ伝達が困難なため、海底の計測器と海上の中継用ブイや作業船上の装置とがケーブルで接続されている必要があるという問題があった。
【０００６】
空中放射式波高計は、海上構造物等に設置した装置より海面に向かって垂直方向に超音波を放射し、その反射から水面変動を捉えるものであり、この方式の波高計を作業船に用いる場合、作業船の揺動によって超音波の放射角度及び超音波を送受信する装置の位置が変動するため、その変動を考慮して計測値を補正する必要が生じ、その算出が複雑であるという問題があった。
【０００７】
これに対し、ブイ式波高計は、計測器を内蔵したブイを海面に浮かべ、水面変動に追随するブイの上下方向変位を計測するものであり、装置が簡便であるとともに、計測が比較的容易であり、軽量なブイであれば人力による設置が可能になっている。
【０００８】
ブイ式波高計には、水面変動に追随するブイの上下方向加速度を加速度センサで計測し、その加速度を時間で２回積分することにより水面の上下方向変位を算出するようにしたものが主に用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００９】
尚、波浪観測をする場合、通常は、３秒以上の波浪を対象とし、データ取得を周期０．５秒（周波数２Ｈｚ）以下とすることが多く、時系列に沿った水位を取得した後、ゼロアップクロス法等を用いて個々の波高を算出する。
【００１０】
例えば、周期が平均６秒の波であれば、１０分間計測すると１００波程度観測されることになり、その波高の上位１／３の平均波高が有義波高、それに該当する平均周期が有義波周期として取り扱われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２７８１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述の如き従来のブイ式波高計では、計測される加速度の計測データにノイズが含まれると、その影響を除去する必要が生じる等、加速度を時間で二回積分することによって正確に水面の上下方向変位、即ち、波高に変換することが困難であるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、このような従来の問題に鑑み、ブイ等の浮体を用いて簡便且つ正確に波高を算出することができる波高算出方法の提供を目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の如き従来の問題を解決するための請求項1に記載の発明の特徴は、水上に浮かべた浮体の加速度を計測して波高を算出する波高算出方法において、前記加速度の計測結果に基づいて加速度成分周波数スペクトルを算出し、水位に対応する周波数スペクトル、速度に対応する周波数スペクトル及び加速度に対応する周波数スペクトルの比を用いて前記加速度成分周波数スペクトルを水位成分周波数スペクトルに換算し、該水位成分周波数スペクトルを所定の周波数範囲で積分して周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントを求め、該周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントより波高を算出することにある。
【００１５】
請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記所定の周波数範囲は、０．１〜０．３Ｈｚであることにある。
【００１６】
請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１又は２の構成に加え、周波数範囲が０．１〜０．３Ｈｚである前記水位成分周波数スペクトルのマイナス1次モーメントとゼロ次モーメントとにより周期を算出することにある。
【００１７】
請求項４に記載の発明の特徴は、請求項１〜３の何れか一の構成に加え、前記浮体は、前記加速度の計測データを外部へ送信する送信手段を備えることにある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る波高算出方法は、請求項１に記載の構成を具備することによって、設置水域の水深に依存せず、簡便な加速度センサを用いて波高を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、この算出方法では、浮体の加速度を計測する際にノイズが発生した場合であっても、ノイズに影響されずに波高を算出することができる。
【００１９】
また、本発明において、請求項２に記載の構成を具備することによって、スパイクノイズの影響を排除することができる。
【００２０】
さらに、本発明において、請求項３に記載の構成を具備することによって、波高と併せて周期を算出することができる。
【００２１】
さらにまた、本発明において、請求項４に記載の構成を具備することによって、加速度の計測データを随時外部のコンピュータ機器等に送信することができ、リアルタイムに波高を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る波高算出方法に使用する装置の概略を示す側面図である。
【図２】図１中の浮体を示す断面図である。
【図３】水位、速度及び加速度に対応する周波数スペクトルと周波数との関係を示すグラフである。
【図４】水位／速度比、速度／加速度比と周波数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明に係る波高算出方法の実施態様を図１〜図４に示した実施例に基づいて説明する。図１は、本発明に使用する波高計測装置の一例を示す概略図である。
【００２４】
この波高計測装置は、水面に浮かべたブイ等の浮体１と、浮体１に内蔵された加速度センサ２とを備え、波浪等による水位変動に伴って上下動する浮体１の加速度を計測できるようになっている。
【００２５】
尚、図中符号３は、浮体１を水底４に係留するための係留索、符号５は作業船、符号６はコンピュータ機器等からなる演算装置である。
【００２６】
また、浮体１は、計測データを浮体１の外部に送信する送信手段７を備え、作業船５や地上等の外部（本実施例では、作業船５）に設置されたコンピュータ機器等からなる演算装置６に随時計測データが送信され、演算装置６によって計測データからリアルタイムに波高を算出する。
【００２７】
尚、浮体１には、加速度センサ２、送信手段７に電力を供給するバッテリー等の電源８が備えられている。
【００２８】
次に、上述の装置を使用した具体的な波高算出方法を以下に説明する。
【００２９】
先ず、浮体１を所定の水域に浮かべ、浮体１の上下移動に伴う加速度の計測を開始すると、計測結果が送信手段７によってコンピュータ機器等の演算装置６に随時送信される。
【００３０】
演算装置６は、先ず、随時送信される時系列に沿った浮体１の加速度データに基づいて加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）を算出する。
【００３１】
次に、演算装置６は、水位に対応する周波数スペクトル、速度に対応する周波数スペクトル及び加速度に対応する周波数スペクトルの比を用いて加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）を水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）に換算する。
【００３２】
一般に、超音波波高計等の精度の高い水位計測が可能な波高計を用いて計測した水位は、時間で１回微分すると速度が求められ、更に速度を時間で１回微分すると加速度が求められる。
【００３３】
そこで、水位、速度及び加速度の時系列に対応する周波数スペクトルと周波数との関係を求めると、図３に示すような関係となる。
【００３４】
また、この結果に基づいて、水位に対応する周波数スペクトル／速度に対応する周波数スペクトル（以下、水位／速度比という）、速度に対応する周波数スペクトル／加速度に対応する周波数スペクトル（以下、速度／加速度比という）を求めると、図４に示すような関係を示す。
【００３５】
図４に示すように、水位／速度比は、周波数０．１５９Ｈｚ付近で１となり、０．１５９Ｈｚよりも大きい周波数の範囲では、１を上回り、０．１５９Ｈｚよりも小さい周波数の範囲では、１を上回る。
【００３６】
一方、速度／加速度比においても、周波数０．１５９Ｈｚ付近で１となり、０．１５９Ｈｚよりも大きい周波数の範囲では、１を上回り、０．１５９Ｈｚよりも小さい周波数の範囲では、１を上回る。
【００３７】
そして、水位／速度比及び速度／加速度比は、周波数ｆが０．１〜０．３Ｈｚの範囲において、図４に示す近似線０．０２８６ｆ−１．９６１上にほぼ載り、両者は略一致する。即ち、加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）と水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）とは、周波数ｆが０．１〜０・３Ｈｚの範囲において比例関係にある。
【００３８】
よって、この関係性を用いることによって、計測された浮体１の加速度の計測結果から加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）を求め、その加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）から水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）に換算することができる。
【００３９】
演算装置６は、水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）が求められたら、以下の式を用いて、水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）を所定の周波数範囲で積分することによって、周波数スペクトル密度のゼロ次モーメント（総エネルギー）ｍ０を求める。
【式１】
【００４０】
2020079762.tif 000003
【００４１】
その際、海上工事において問題となるのは、０．１Ｈｚ（周期１０秒）〜０．３Ｈｚ（周期３．３３秒）程度の波であるので、式１における積分の周波数範囲を０．１〜０．３Ｈｚに限定する。
【００４２】
この周波数の範囲では、浮体１の加速度の計測中にノイズが発生した場合であっても、スパイクノイズであれば２Ｈｚ程度のエネルギーとなって、エネルギーの集計範囲外となるので、ノイズの影響を無視し得る。
【００４３】
そして、演算装置６は、周波数スペクトル密度のゼロ次モーメント（総エネルギー）ｍ０が求められれば、次式によって周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントｍ０から波高Ｈを算出する。
【式２】
【００４４】
2020079762.tif 000004
【００４５】
また、演算装置６は、次式によって水位成分周波数スペクトルのマイナス一次モーメントｍ−１を水位成分周波数スペクトルのゼロ次モーメントｍ０で除して周期Ｔを算出する。
【式３】
【００４６】
2020079762.tif 000005
【００４７】
このように構成された波高算出方法は、浮体１の加速度の計測データから従来の時間による２回積分を用いず、上述の各工程を経て加速度成分周波数スペクトルＡ（ｆ）を水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）に換算し、水位成分周波数スペクトルＥ（ｆ）を所定の周波数範囲（０．１≦ｆ≦０．３）で積分して周波数スペクトル密度のゼロ次モーメントｍ０を求めるので、加速度計測時にノイズが発生しても、そのノイズの影響を無視して、波高Ｈを算出することができる。
【００４８】
よって、計測に使用する加速度センサ２は、簡易なものでよく、その分、装置費用の低減を図ることができるとともに、装置の小型化を図ることができる。
【００４９】
また、加速度センサ２は、ブイ等の浮体１に内蔵するので、海底設置式波高計等のように計測水域の水深に依存することがなく、容易にその水域の波高を得ることができる。
【００５０】
さらには、浮体１に送信手段７を備え、作業船５や地上に設置された外部のコンピュータ機器等からなる演算装置６に随時加速度の計測データを送信することによって、簡易的でリアルタイムに波高を得ることができる観測システムを構築することができる。
【００５１】
尚、上述の実施例では、周期を式３に基づいて算出する例について説明したが、その他の手法を用いて算出するようにしてもよい。
【００５２】
また、上述の実施例では、浮体１を水底に係留させた例について説明したが、浮体１は、作業船６に係留させてもよく、係留せずに所定の水域に浮遊させておいてもよい。
【００５３】
さらに、上述の実施例では、ブイ等の浮体１に送信手段７を備えた例について説明したが、浮体１内部に演算装置６及びその算出結果を保存する記憶装置を備えてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１  浮体
２  加速度センサ
３  係留索
４  水底
５  作業船
６  演算装置
７  送信手段
８  電源
【図１】
2020079762.tif 000006
【図２】
2020079762.tif 000007
【図３】
2020079762.tif 000008
【図４】
2020079762.tif 000009