自動運航船のモデルベース開発のためのシミュレーション基盤○正 角田 領*1，正 安藤 英幸*1
松井 忠宗*1，山中 遼*2，学 中島 拓也*3
*1 MTI Monohakobi Technology Institute*2 日本郵船 Nippon Yusen*3 東京大学 The University of Tokyo背景 自動運航船・無人運航船への期待◼ 自動・無人運航船は，海事産業の課題を解消するための為のソリューションの一つ◼ 船舶事故の8-9割を占めるヒューマンエラーの低減（海上安全）◼ 船員不足の解消・働き方改革◼ 離島など生活航路の維持（輸送インフラ）◼ 運航の効率化，設計自由度拡大（産業競争力強化）◼ 日本財団の無人運航船プロジェクト「MEGURI2040」にMODEメンバーも参画◼ 世界に先駆けて内航船における無人運航の実証試験を成功

出所）MEGURI2040

出所）DFFAS Consortium

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自動運航船の設計・開発・検証のポイント◼ 自動運航船及び構成システムの設計・開発および検証においては，様々な運航・運用状況，および他の機器やシステ
ムとの相互作用を踏まえ，システム全体の実運用時の挙動を把握することが望ましい．
◼ 特に，社会実装のためには安全性の担保が重要．極端な海象・気象や通信環境，他船の動き，その他故障による非常事態や経年劣化などを想定したシステムの挙動を確認することが望まれる．

安全で効率的な設計・開発・検証を支援するシミュレーション基盤が求められるフェーズや対象に合わせたフレキシビリティを持ったマルチドメインの自動運航船シミュレーション基盤構築を目指す．
実際の運航時の訓練や，教育・人材育成への活用も見据える．
教育・人材育成

運用支援・訓練

広報・体験ツールとしての活用

実際の運用を想定した訓練への活用

設計・開発

検証・妥当性確認

実運航を想定し繰り返し挙動を確認システムのユースケースや設計へのフィードバックを行う（MIL）

実際の製品やユーザに対するテスターとして利用，あらゆる状況を想定した高度な検証を実現（SIL，HIL）

概念設計

基本設計

詳細設計

調達・建造

検証

妥当性確認

運航・保守

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自動運航船のモデルベース開発のためのシミュレーション基盤

The 1st MODE (Maritime and Ocean Digital Engineering) Symposium

4自動運航船開発のためのシミュレーション基盤のアーキテクチャ

Scenario Management
Virtual Test/Evaluation

Detection Sensors

Situational
Awareness

Motion Planning

Motion Control

Machinery SystemModelRadar

SensorFusionNavigation
DecisionsDynamic Positioning

Main Engine

Collision AvoidanceAuto-pilot

Auto-docking

Speed-pilot

Lidar
RGB Camera
IR Camera

TargetTracking&Projection

Aux. Engine
Battery
Switch Board…

Other Sensor Models (Navigation and machinery)
VirtualWorld

Traffic/Target Objects

Vessel Model

Actuator Model

Dynamics

Dynamics

Propeller

Behavior

Maneuverability

Thruster

Stability/StrengthRudder

Remote Monitoring
Fleet Monitoring
Communication

WindEnvironment
WaveCurrent

Traffic Monitoring

Mooring Monitoring
WeatherEngine & Machinery
Monitoring

Scenario Management
Virtual Test/Evaluation

自動運航船機能
Detection Sensors

Situational
Awareness

Motion Planning

Motion Control

Machinery System
ModelRadar

SensorFusionNavigation
DecisionsDynamic Positioning

Main Engine

Collision AvoidanceAuto-pilot

Auto-docking

Speed-pilot

Lidar
RGB Camera
IR Camera

TargetTracking&Projection

Aux. Engine
Battery
Switch Board…

Other Sensor Models (Navigation and machinery)• 自動運航船の機能を以下の4つに分ける
Traffic/Target Objects
Vessel Model
VirtualActuator Model• Detection
Dynamics
Propeller•World
レーダーやカメラ(画像認識)を活用したターゲット検知
Dynamics• LiDARによる岸壁認識、距離計測
Maneuverability
Thruster
Behavior• Situational awarenessStability/StrengthRudder• 各種センサからのデータ統合• Motion planning• Waypoint、経路、船速の計画を出力(避航操船計画、離着桟計画)
Environment
Wind
Wave
Current
Weather• Motion control• 計画に合わせて舵角、プロペラ回転数等を制御

Remote Monitoring
Fleet Monitoring
Communication

Traffic Monitoring

Mooring Monitoring
Engine & Machinery
Monitoring

Scenario Management
Virtual Test/Evaluation

船体運動モデル• 船体運動モデル• Controllerからの入力に対する船体の応答を時間領域で計算するためのモデル
Machinery System
Detection Sensors
Situational
Motion Planning
Motion Control• 船が遭遇する様々な運航条件における船体運動の計算方法(数式表現)については船Model
Awareness
舶工学分野で研究が続けられている=> 標準化されていないRadar
Main Engine
Navigation
Dynamic PositioningSensor• 風、波、潮流影響
Decisions
FusionLidarAux. Engine• 水深影響
Auto-pilot
TargetCollision Avoidance
RGB Camera
Battery• 岸壁影響
Tracking&Speed-pilot
Auto-docking
Projection• 低速域での運動
Switch Board
IR Camera• 最新の知見を踏まえ、MODEの中で適切な計算方法を選定…
Other Sensor Models (Navigation and machinery)
VirtualWorld

Traffic/Target Objects

Vessel Model

Actuator Model

Dynamics

Dynamics

Propeller

Behavior

Maneuverability

Thruster

Stability/StrengthRudder

Remote Monitoring
Fleet Monitoring
Communication

Wind

Environment
Wave
Current

Traffic Monitoring

Mooring Monitoring
WeatherEngine & Machinery
Monitoring

Scenario Management
Virtual Test/Evaluation

気象海象モデルMachinery System
Model

Detection Sensors

Situational
Motion Planning
Motion Control• 気象海象が船体運動に与える影響は大きく、モデル化が必要
Awareness

RadarSensor
FusionNavigation
DecisionsDynamic Positioning

Dynamics

Propeller

Main Engine• 波浪
Aux. Engine• 洋上の波浪は、様々な周期、波高成分が含まれる不規則波である
Auto-pilot
TargetCollision Avoidance
RGB Camera
Battery• 洋上の波浪を表現するための複数のスペクトル形状が提案されているTracking&Speed-pilot
Auto-docking
Projection
Switch Board
IR Camera• 波の周波数に対応する成分波のエネルギーの割合…
• 例:修正ピアソン・モスコヴィッツ型
Other Sensor Models (Navigation and machinery)• 波高、周期という2つのパラメータでスペクトル形状が決まる•Traffic/Target
スペクトルに合わせて、成分波の重ね合わせとして不規則波の時系列を生成する
Objects
Vessel Model
VirtualActuator Model
Lidar

WorldDynamics• 風
Maneuverability
Thruster
Behavior• 陸上風と同様に時間変動する
Stability/StrengthRudder• 波浪と同様に複数のスペクトルが提案されている(例:カルマン型)
Communication

WindEnvironment
Wave
Current

Remote Monitoring
Fleet Monitoring
Traffic Monitoring

Mooring Monitoring
WeatherEngine & Machinery
Monitoringモデル接続の一例
各モデルのFMUを作成
入出力を標準化
ライブラリを整備
Propeller
HullRudder

AutopilotWindandwave

Scenario Management
Virtual Test/Evaluation

仮想環境
Detection Sensors

Situational
Awareness

Radar

SensorFusionLidar
RGB Camera
IR Camera

TargetTracking&Projection

Machinery System
Motion Planning
Motion Control• 自動運航船機能のDetectionへの入力とするための仮想環境
Modelを構築する
Main Engine
Dynamic Positioning•Navigation
他船、その他障害物、岸壁等の3Dモデル
DecisionsAux. Engine• 天候、時間帯等の影響の含める
Auto-pilot
Collision AvoidanceBattery

Speed-pilot
Auto-docking• 自動運転ではUnity、UnrealEngineといったゲームエンジンを活Switch Board
用した仮想環境構築の事例が多数…

Other Sensor Models (Navigation and machinery)
VirtualWorld

Traffic/Target Objects• 自動運航船開発で事例はまだ少ない
Vessel Model

Actuator Model

Dynamics

Dynamics

Propeller

Behavior

Maneuverability

Thruster

Stability/Strength

RudderRemote Monitoring
Fleet Monitoring
Communication

WindEnvironment
Wave
Current

Traffic Monitoring

Mooring Monitoring
WeatherEngine & Machinery(7)Vasstein, Kjetil, Edmund Førland Brekke, Rudolf Mester and Eric Eide. “Autoferry Gemini: a real-time
Monitoring
simulation platform for electromagnetic radiation sensors on autonomous ships.” IOP Conference
Series:Materials Science and Engineering 929 (2020)

シミュレーション基盤のデモンストレーション

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The 1st MODE (Maritime and Ocean Digital Engineering) Symposium

12シミュレーション基盤のユースケース

13自動運航船に搭載するセンサシステムの開発/検証➢レーダー• 風波等の外力影響下での状況
認識システムの事前検証と問題把握• センサの視野範囲や干渉などを考慮した最適なセンサ配置の事
前検討

カメラ

ドップラーソナー

シミュレーション基盤を活用した検証のイメージ

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15

制御系の開発・検証の効率化
操船系の信号に合わせて幅広いインターフェース(アナログ・デジタル・シリアル etc)を用意し、外部からの接続を容易にする
出力

制御
システム

●センサ
・緯度経度
・速度/角度/角速度
・姿勢・風向風速・潮流・消費電力
etc●推進器指令・プロペラ回転数指令
・プロペラピッチ角度指令・アジマス角度指令・主機回転数指令・クラッチ嵌脱指令
・舵角指令
etc

●推進器状態・プロペラ回転数
・プロペラピッチ角度
・アジマス角度
・主機回転数・クラッチ嵌脱・舵角・正常/異常
etc

MODEシミュレーション基盤
Sensors

Environment

Vessel Model

Generator

CameraPropulsion
SystemLiDAR

Radar入力・・・

FMUのような汎用的なインターフェイスでモデルをプラグイン出来る仕組み
様々な造船所/舶用メーカがモデル(FMU)を提供し、それを活用出来る仕組み
幅広い対象機器/プラットフォーム間のインターフェイスラインナップ
1616多様な遠隔監視機能の検証への活用
シミュレーション基盤の活用による開発の効率化、コンパクト化への期待
トレーニング環境の整備にも活用
錨泊監視
フリート監視最適航路計画

離着桟監視

機関監視

交通流表示
こうつ

係留監視

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まとめ
• MODEでは自動運航船の社会実装に向けて、シミュレーション基盤の構築と活用に取り組む• シミュレーション基盤のユースケースを検討した結果、自動運航システムを構成する各サブシステムの開発・検証の効率化が期待できることが分かった• モデルライブラリ構築、入出力標準化、センサモデル開発等の課題がある• 実際の自動運航船開発の支援への適用を目指し、MODEにおいてシミュレーション基盤の構築を進めていく

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