(57)【要約】【課題】風荷重の推定過程において、ユーザの作業が介入することで生ずる制約を大幅に排除することにより風荷重の推定精度を向上させることの可能な風荷重推定方法を提供する。【解決手段】対象物に働く風の影響を推定する風荷重推定方法は、画像読取機を用いて対象物の図面を読み込み、画像データを生成するステップ（ａ）と、画像データに基づいて、表示部に画像を表示するステップ（ｂ）と、表示部に表示された画像に基づいて、画像における対象物部分を指定することにより、対象物部分データを生成するステップ（ｃ）と、対象物部分データに基づいて、対象物の形状を表す説明変数を算出するステップ（ｄ）と、説明変数を風荷重推定式に代入することにより、風荷重を推定するステップ（ｅ）とを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に働く風の影響を推定する風荷重推定方法であって、画像読取機を用いて対象物の図面を読み込み、画像データを生成するステップ（ａ）と、
前記画像データに基づいて、表示部に画像を表示するステップ（ｂ）と、
前記表示部に表示された画像に基づいて、画像における対象物部分を指定することにより、対象物部分データを生成するステップ（ｃ）と、
前記対象物部分データに基づいて、対象物の形状を表す説明変数を算出するステップ（ｄ）と、
前記説明変数を風荷重推定式に代入することにより、風荷重を推定するステップ（ｅ）と、を具備する風荷重推定方法。
【請求項２】
前記画像読取機がスキャナである、請求項１記載の風荷重推定方法。
【請求項３】
ステップ（ｃ）が、対象物を複数の部分に分割して指定することにより、複数の対象物部分データを生成することを含む、請求項１又は２記載の風荷重推定方法。
【請求項４】
ステップ（ｄ）が、長さの２乗の次元を有する値及び／又は長さの３乗の次元を有する値を算出することを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の風荷重推定方法。
【請求項５】
ステップ（ｄ）が、対象物の外形線の長さを算出することを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の風荷重推定方法。
【請求項６】
対象物に働く風の影響を推定する風荷重推定システムであって、
対象物の図面を読み込むことにより、画像データを生成する画像読取機と、
前記画像データに基づいて、画像を表示する表示部と、
画像における対象物部分を指定するために用いられる入力部と、
前期入力部を用いて指定された対象物部分を示す対象物部分データを生成する対象物部分データ生成部と、
前記対象物部分データに基づいて、対象物の形状を表す説明変数を算出する説明変数算出部と、
前記説明変数算出部で算出された説明変数を風荷重推定式に代入することにより、風荷重を推定する風荷重算出部と、を具備する風荷重推定システム。
【請求項７】
前記画像読取機がスキャナである、請求項６記載の風荷重推定システム。
【請求項８】
前記入力部が、画像における対象物を複数の部分に分割して指定するために用いられ、前記対象物部分データ生成部が、複数の対象物部分データを生成する、請求項６及び７記載の風荷重推定システム。
【請求項９】
前記説明変数算出部が、長さの２乗の次元を有する値及び／又は長さの３乗の次元を有する値を算出する、請求項６〜８のいずれか１項記載の風荷重推定システム。
【請求項１０】
前記説明変数算出部が、対象物の外形線の長さを算出する、請求項６〜９のいずれか１項記載の風荷重推定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船体に働く風の影響を推定する風荷重推定方法及び風荷重推定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、１９８３年〜２０００年における海難船舶数の変遷を示す。図６に示すように、船舶の操縦性能が関係する衝突や乗揚げが海難事故の約半数を占めている。従って、船舶が安全に航行するためには、風、波、及び、潮流等の外乱力による操縦性への影響を推定することは大変重要な問題である。
【０００３】
しかしながら、水面上の船体形状は、船舶の種類により多種多様であり、さらに、主船体、船橋、クレーン、ハッチカバー、球形又は矩形のタンク、及び、マスト等の上部構造物で構成され、一般的に、非常に複雑な形状となっている。そのため、船舶に及ぼす風の影響（風荷重）を理論的に推定する方法は、現在存在していない。そこで、風洞実験等の実験データの回帰分析による風荷重推定方法が提案されている。
【０００４】
ここで、図７を用いて、風荷重について説明する。図７に、風が船舶に及ぼす風荷重を示す。図７に示すように、船舶１００には、船舶１００に対して相対的な風向角Ψ及び速度Ｕの風により、船舶の長さ方向の前後力Ｘ、船舶の幅方向の左右力（横力）Ｙ、船体中心を通る船舶の高さ軸回りの回頭モーメントＮ、及び、喫水を基準とした船舶の長さ軸回りの傾斜モーメントＫが及ぼされる。
【０００５】
下記の非特許文献１には、前後力、横力、回頭モーメント係数の推定式が提案されており、さらに、今まで推定手法が無かった傾斜モーメントの推定式も提案されている。図８を参照しながら、非特許文献１で提案されている推定式について説明する。
【０００６】
図８に、船体の形状を表現するための説明変数を示す。説明変数とは、物理的な次元により分類できる量をいう。次元をもたない量の説明変数としては、マストやタンクの数等が該当する。また、長さの次元をもつ量の説明変数としては、船体の長さや幅、水面上の高さ、及び、タンク等の部分構成要素の長さ等が該当する。
【０００７】
長さの２乗の次元をもつ量の説明変数としては、側面積、正面積、及び、部分構成要素の側面積等が該当する。また、長さの３乗の次元をもつ量の説明変数としては、船体の中央周りの側面積１次モーメントや部分構成要素の面積１次モーメント等が該当する。なお、側面積中心までの船体中央からの距離等は、長さの次元をもつ量であるが、面積中心が面積１次モーメントに基づく値であるために、長さの３乗の次元をもつ量の説明変数として分類される。
【０００８】
次に、具体的な説明変数の例を示す。図８に示すように、水面上の船体の全長をＬ、幅をＢとする。また、水面上の船体全体の縦投影面積をＡＴ、横投影面積をＡＬ、甲板上の構造物の横投影面積をＡＳＳ、ＬＮＧタンクやコンテナを含めた甲板上の全構造物の横投影面積をＡＯＤとする。さらに、船体の中央から水面上の船体全体の横投影面積中心までの距離をＣ（船体の中央より左側の場合は負）、船体の中央から甲板上の構造物の横投影面積中心までの距離をＣＢＲ（船体の中央より左側の場合は負）とし、水面から甲板上の構造物の最上部までの高さをＨＢＲ、水面から水面上の船体全体の縦投影面積中心までの高さをＨＣとする。
【０００９】
これらの説明変数を用いることにより、重回帰分析による風荷重の推定式は、次式（１）〜（４）のように表すことができる。
【数１】
2004271486.tif 000003
【００１０】
ここで、ＣＸ、ＣＹ、ＣＮ、及び、ＣＫは、風荷重を面積や風速等により無次元化した係数であり、次式（１ａ）〜（４ａ）で表される。
ＣＸ＝Ｘ／（ｑＡＴ）・・・（１ａ）
ＣＹ＝Ｙ／（ｑＡＬ）・・・（２ａ）
ＣＮ＝Ｎ／（ｑＬＡＬ）・・・（３ａ）
ＣＫ＝Ｋ／（ｑＡＬＨＬ）・・・（４ａ）
なお、空気の密度をρとすると、ｑ＝（１／２）ρＵ２、ＨＬ＝ＡＬ／Ｌである。
【００１１】
さらに、式（１）〜（４）中に示すＸｉ、Ｙｉ、Ｎｉ及びＫｉは、次式（１ｂ）〜（４ｂ）で表される。
【数２】
2004271486.tif 000004
【００１２】
ここで、Ｐ（ｘｉｍ）、Ｐ（ｙｉｍ）、Ｐ（ｎｉｍ）及びＰ（ｋｉｍ）は、図８に示す各説明変数の組み合わせから算出される無次元量である。また、ｘｉｍ，ｙｉｍ，ｎｉｍ及びｋｉｍ（ｍ＝０、１、２、・・・）は、回帰分析によって得られる回帰係数である。
【００１３】
これらを用いた一例として、次式（５）〜（７）にＹｉを示す。
【数３】
2004271486.tif 000005
【００１４】
また、下記の非特許文献２〜４における推定式は、式の表現や説明変数の種類、及び、回帰係数は非特許文献１の説明において示したものとは異なるものの、基本的には、式（１）〜（４）に示す推定式の範疇に分類される説明変数を用いた式であることに違いはない。
【００１５】
ここで、風洞実験の実験データに基づいて回帰分析によって求められた推定式の精度を左右する重要な要素として３つの要素が挙げられる。まず、第１の要素は、実験データの量及び信頼性である。次に、第２の要素は、水面上船体形状を説明するために用いる説明変数の候補の選択である。さらに、第３の要素は、説明変数の候補から推定式を求めるための方法である。
【００１６】
第１の要素に対しては、多くの信頼できるデータを収集すれば良いし、第３の要素に対しては、非特許文献１において、統計学の理論に基づく合理的な方法が既に開示されている。
【００１７】
しかしながら、非特許文献１においては、複雑な水面上の船体形状を表現するために必要であると考えられる面積２次モーメント等の高次面積モーメントや、側面外形の長さや、その複雑さを表すフラクタル次元等の説明変数は用いられていなかった。
【００１８】
これは、ユーザが、物差しやインテグレータ等の器具を用いて水面上の船体図面の寸法を測定しているために、高次面積モーメントやフラクタル次元を測定することが困難であったためと考えられる。
【００１９】
従って、統計学の理論に基づく合理的な方法を用いて推定式を求めたとしても、説明変数による水面上の船体形状の表現が充分ではないために、推定式による風荷重の推定精度には、理論上限界があると考えられる。
【００２０】
また、風荷重の推定は、水面上の船体形状の側面図や正面図等の読み取りにより説明変数の値を取得するための第１のステップ、及び、推定式に説明変数の値を代入して風荷重推定値を取得する第２のステップを経て行われていた。
【００２１】
第１のステップにおける説明変数の値の取得には、図面を読み取るためにユーザの作業が必要であった。ここで、長さよりは長さの２乗の次元をもつ面積、面積よりは長さの３乗の次元をもつ面積１次モーメントのように、より高度な説明変数の値の取得の方が、ユーザの作業量が増大してしまう。
【００２２】
また、第２のステップにおける風荷重推定値の取得には、計算機が用いられる。しかしながら、このステップにおいても、ユーザの作業が必要であり、ユーザが説明変数の値を入力していた。また、より多くの説明変数を用いることにより推定式の項数が増え、それに伴って、ユーザが入力する作業量が増大してしまう。このように、特に第１のステップにおいてユーザの作業が必要となるために、計算機を用いた一貫した自動処理で風荷重の推定を行うことは不可能であった。
【００２３】
また、より多くの説明変数を用いることにより推定精度を向上させることは可能であるが、説明変数の数の増加に伴う推定式の項数の増加は、説明変数や各項に必要な回帰係数の値を入力する作業の増加を必ず伴う。
【００２４】
従って、計算機を用いた一貫した自動処理ができないために、現在までに提案された推定式は、作業効率を考え、実用的にするために、項数に一定の制限を設けている。
【００２５】
それらの推定式は、推定精度を維持するような重要な項を用いるようにしているが、項数の制限により、推定精度を低下させていると考えられる。従って、風荷重の推定過程において、ユーザの作業が介入することにより、推定精度を低下させてしまう可能性があるという問題があった。
【００２６】
【非特許文献１】
藤原敏文、他「船体に働く風圧力の推定」，日本造船学会論文集  第１８３号（１９９８年），日本造船学会，ｐ．７７−９０  （第７８−８５頁、Ｆｉｇ．１）
【非特許文献２】
山野惟夫、他「船体に働く風圧力の一推定法」，関西造船協会誌  第２２８号（１９９７年），ｐ．９１−１００
【非特許文献３】
イシャーウッド（Ｒ．  Ｍ．  Ｉｓｈｅｒｗｏｏｄ）「商船の風抵抗（Ｗｉｎｄ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｅｒｃｈａｎｔ  Ｓｈｉｐｓ）」，造船技師王立協会（Ｔｈｅ  Ｒｏｙａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎａｖａｌ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｓ）  第１１５巻（１９７２年），ｐ．３２７−３３８
【非特許文献４】
米田国三郎、他「船舶風圧力データの力学モデルによる解析ＩＩ」，日本航海学会論文集，第８６号（１９９２年），ｐ．１６９−１７７
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、風荷重の推定過程において、ユーザの作業が介入することで生ずる制約を大幅に排除することにより風荷重の推定精度を向上させることの可能な風荷重推定方法及び風荷重推定システムを提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る風荷重推定方法は、対象物に働く風の影響を推定する風荷重推定方法であって、画像読取機を用いて対象物の図面を読み込み、画像データを生成するステップ（ａ）と、画像データに基づいて、表示部に画像を表示するステップ（ｂ）と、表示部に表示された画像に基づいて、画像における対象物部分を指定することにより、対象物部分データを生成するステップ（ｃ）と、対象物部分データに基づいて、対象物の形状を表す説明変数を算出するステップ（ｄ）と、説明変数を風荷重推定式に代入することにより、風荷重を推定するステップ（ｅ）とを具備する。
【００２９】
また、本発明に係る風荷重推定システムは、対象物に働く風の影響を推定する風荷重推定システムであって、対象物の図面を読み込むことにより、画像データを生成する画像読取機と、画像データに基づいて、画像を表示する表示部と、画像における対象物部分を指定するために用いられる入力部と、前期入力部を用いて指定された対象物部分を示す対象物部分データを生成する対象物部分データ生成部と、対象物部分データに基づいて、対象物の形状を表す説明変数を算出する説明変数算出部と、説明変数算出部で算出された説明変数を風荷重推定式に代入することにより、風荷重を推定する風荷重算出部とを具備する。
【００３０】
本発明によれば、画像読取機を用いて対象物の図面を読み込み、画像データを生成して処理することにより風荷重を推定するので、風荷重の推定過程において、ユーザの作業が介入することで生ずる制約を大幅に排除することにより、風荷重の推定精度を向上させることが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明の一実施形態に係る風荷重推定システムについて説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る風荷重推定システムの構成を示す。
【００３２】
図１に示すように、この風荷重推定システムは、図面を読み込み、画像データを生成するスキャナ１と、スキャナ１で生成された画像データに基づいて、風荷重を算出する計算機２とで構成される。
【００３３】
計算機２は、画像データを一時記憶する記憶部２０と、記憶部２０に記憶されている画像データに基づいて画像を表示する表示部２１と、キーボードやマウス等の入力部２２と、ＣＰＵと、ハードディスク等の記録媒体に記録されたソフトウエア（プログラム）とを含んでいる。
【００３４】
ＣＰＵ及びソフトウエア（プログラム）は、以下の機能ブロックを構成する。
部分データ生成部２３は、入力部２２を用いて、船体の各部分をユーザが定義することにより、画像データを船体の部分ごとに分離した部分データを生成する。
また、分布データ算出部２４は、部分データ生成部２３で生成された部分データに基づいて、船体の各部分の長さ、幅、及び、高さの分布データを算出し、さらに、分布データに基づいて、船体の全体及び各部分の長さ、幅、及び、高さを示す説明変数の値を算出する。
【００３５】
面積系説明変数算出部２５は、分布データ算出部２４で算出された分布データに基づいて、船体の全体及び各部分の投影面積、投影面積の１次モーメント、２次モーメント、及び、３次モーメントを示す説明変数の値を算出する。また、体積系説明変数算出部２６は、分布データ算出部２４で算出された分布データに基づいて、船体の全体及び各部分の体積、体積の１次モーメント、２次モーメント、及び、３次モーメントを示す説明変数の値を算出する。さらに、外形線系説明変数算出部２７は、部分データ生成部２３で生成された部分データに基づいて、各部の外形線の長さや、フラクタル次元を示す説明変数の値を算出する。
【００３６】
風荷重算出部２８は、分布データ算出部２４、面積系説明変数算出部２５、体積系説明変数算出部２６、及び、外形線系説明変数算出部２７で算出された説明変数の値を、予め求められている推定式に代入することで、風荷重を算出する。
なお、風荷重算出部２８で算出された風荷重は、表示部２１に表示される。また、制御部２９は、計算機２の各部を制御する。
【００３７】
ここで、図２及び図３を用いて、推定式の求め方について説明する。図２及び図３は、第１及び第２の船舶の側面図、正面図及び平面図である。まず、図２及び図３に示すような異なる形状をもつ多くの船舶を用いて、前後力Ｘ、左右力Ｙ、回頭モーメントＮ、及び、傾斜モーメントＫの風荷重の実験データを収集する。
【００３８】
次に、それぞれの風荷重係数Ｘｉ、Ｙｉ、Ｎｉ、及び、Ｋｉの物理的性質を考慮し、風向角Ψを変数とすることで、各実験データを無次元化した数値ＣＸ、ＣＹ、ＣＮ及びＣＫを次式（８）〜（１１）で表現する。
【数４】
2004271486.tif 000006
【００３９】
ここで、各風荷重係数は、最小２乗法により求めている。なお、各実験データを無次元化した数値を５次までの級数展開で表現することで、十分な精度で風荷重係数の分布形状を表すことができることは別途確認されている。
【００４０】
さらに、式（８）〜（１１）内に示す風荷重係数を、次の重回帰式で表現する。
【数５】
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【００４１】
ここで、Ｐ（ｘｉｍ）、Ｐ（ｙｉｍ）、Ｐ（ｎｉｍ）及びＰ（ｋｉｍ）は、説明変数であり、ｘｉｍ，ｙｉｍ，ｎｉｍ及びｋｉｍ（ｍ＝０、１、２、・・・）は、回帰係数である。また、各回帰係数は、最小２乗法により求めている。これにより、各風荷重を、説明変数を用いて表現することが可能となる。なお、回帰係数を表現するための最適な説明変数の数、及び、組み合わせを、回帰分析の一方法である逐次法を用いて求めても良い。
【００４２】
次に、図１、図２、図４及び図５を用いて、本発明の一実施形態に係る風荷重推定方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る風荷重推定方法を説明するためのフローチャートであり、図５は、図１に示す計算機において用いられる部分データの形式を説明するための図である。
【００４３】
図４に示すように、まず、ステップＳ１において、スキャナ１が、図２に示した船舶の側面図、正面図及び平面図をスキャンして、ユーザによる図面の縮尺率の指定に基づいて、画像データを生成する。次に、ステップＳ２において、記憶部２０が、側面図、正面図及び平面図の画像データを記憶する。
【００４４】
次に、ステップＳ３〜Ｓ５において、船体の各部分を表す部分データを生成する。まず、ステップＳ３において、表示部２１が、記憶部２０に記憶されている画像データに基づいて、側面図、正面図及び平面図を表示する。
【００４５】
次に、ステップＳ４において、ユーザーが、表示部２１に表示された各画像を目視して、入力部２２を用いて、船体を水面上船体全体、上部構造物全体、主船体のみ、及び、船橋のみ等の部分を定義する。
【００４６】
さらに、ステップＳ５において、部分データ生成部２３が、ユーザによる定義に基づいて、船体の各部分を表す部分データを生成する。ここで、部分データ生成部２３は、図５に示す水面上船体全体の黒部のように、画像データの各点に船体の部分が存在するか否かにより、各点の座標と共に２値化したデータとして部分データを生成する。
【００４７】
次に、ステップＳ６〜Ｓ９において、説明変数の値を算出する。まず、ステップＳ６において、分布データ算出部２４が、部分データに基づいて、船体の各部分における長さ、幅、及び、高さの分布データを算出する。また、それらの分布データに基づいて、船体の各部分における長さ、幅、及び、高さを示す説明変数の値を算出して、風荷重算出部２８に出力する。
【００４８】
次に、ステップＳ７において、面積系説明変数算出部２５が、分布データに基づいて、船体の全体及び各部分の投影面積、投影面積の１次モーメント、２次モーメント、及び、３次モーメントを示す説明変数の値を算出して、風荷重算出部２８に出力する。
【００４９】
さらに、ステップＳ８において、体積系説明変数算出部２６が、分布データに基づいて、船体の全体及び各部分の体積、体積の１次モーメント、２次モーメント、及び、３次モーメントを示す説明変数の値を算出して、風荷重算出部２８に出力する。
【００５０】
また、ステップＳ９において、外形線系説明変数算出部２７が、部分データに基づいて、各部の外形線の長さや、フラクタル次元を示す説明変数の値を算出して、風荷重算出部２８に出力する。
【００５１】
なお、ステップＳ７の工程とステップＳ８の工程の順序が入れ替わっても良いし、ステップＳ９の工程が、ステップＳ５の工程とステップＳ６の工程との間、ステップＳ６の工程とステップＳ７の工程との間、又は、ステップＳ７の工程とステップＳ８の工程との間において行われても良い。また、表示部２１を用いて、各説明変数の値を表示しても良い。
【００５２】
ステップＳ１０において、風荷重算出部２８が、ステップＳ６〜Ｓ９において算出された説明変数の値を推定式に代入して、風荷重を算出する。次に、ステップＳ１１において、表示部２１が、前後力、左右力、回頭モーメント、及び、傾斜モーメントの風荷重を表示する。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、風荷重の推定過程において、ユーザの作業が介入することで生ずる制約を大幅に排除することにより、風荷重の推定精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る風荷重推定システムの構成を示す図である。
【図２】第１の船舶の側面図、正面図及び平面図である。
【図３】第２の船舶の側面図、正面図及び平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る風荷重推定方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示す計算機において用いられる部分データの形式を説明するための図である。
【図６】１９８３年〜２０００年における海難船舶数の変遷を示す図である。
【図７】風が船舶に及ぼす風荷重を示す図である。
【図８】船体の形状を表現するための説明変数を示す図である。
【符号の説明】
１  スキャナ
２  計算機
２０  記憶部
２１  表示部
２２  入力部
２３  部分データ生成部
２４  分布データ算出部
２５  面積系説明変数算出部
２６  体積系説明変数算出部
２７  外形線系説明変数算出部
２８  風荷重算出部
２９  制御部
【図１】
2004271486.tif 000008
【図２】
2004271486.tif 000009
【図３】
2004271486.tif 000010
【図４】
2004271486.tif 000011
【図５】
2004271486.tif 000012
【図６】
2004271486.tif 000013
【図７】
2004271486.tif 000014
【図８】
2004271486.tif 000015