令和３年(第２１回)海上技術安全研究所研究発表会

VESTA-ICEによる北極海航路のルーティングシステムの開発

流体設計系
松沢 孝俊
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

北極海航路の現況©NSIDCSIC Monthly Average in Sep. 1979-2019l 北極海の通航機会の増⼤

Number of NSR Permitted Ships 2013-2019
Data Source: NSRA

北極海の海氷勢⼒は年々低下（左）通航数は増加（右）l アイスクラス船建造の活発化
l 邦船社の参⼊（ヤマルLNG）
l Polar Code等の規制の強化
Ø EEDI, EEXI, CIIØ HFO持込制限

Jan – Dec
2019

©IMO
• Ice Concentration fromJAXA AMSR2• AIS Data from exactEarth©Sofcomflot
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所2

なぜ北極海のルーティングシステムが必要なのか① 氷況によって航路が変わる。
② 安全な航路の選択には経験を要する。
③ 環境保全及びコスト最適化に関する不確定要素が多い。

船の氷中性能を踏まえたルート選択が必要

氷況は時々刻々変化する。
避けるか進⼊するか⾼度な判断が問われる。
コストは氷況に依存する。

氷海中ルート選択の３⼤要素

ICE
WATER
LAND

100 NM

氷況

予測する︖
取得する︖

船舶
性能

速度の低下は︖
燃費の増加は︖

航路探索

何が最適か︖
選択の理由は︖

少国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

多ICE

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北極海向けルーティングシステムの構成
船舶モデル

標⾼(⽔深)データ

（計画中）

性能計算

航路制限範囲設定

運航シミュレーション(VESTA-Ice)

氷況データ

気象・海象データ

数値予測または衛星データ

CALCULATION ITEMS(1) Evaluation of external forces(1-1) Added resistance in short crested irregular waves(1A) Added resistance in regular waves(1B) Linear superposition for added resistance in short crested irregular waves(1-2) Wind force and moment coefficients

探索アルゴリズム(1-3) Hydrodynamic coefficients

A＊アルゴリズム(2) Performance simulator for ships in actual seas(3) Energy Efficiency(3-1) EEDIweather(3-2) EEOIdes(4) Minimum Propulsion Power Assessment(4-1) Assessment level 1 - minimum power lines assessment(4-2) Assessment level 2 - simplified assessment(4A) Calculation of added resistance in long crested irregular waves

Data Input

Calculation

SaveLoadClearVer.V2.1

ビジュアライズ国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

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性能計算
設定海象

船体データ

VESTAをベースとして使⽤

平水中試験(抵抗･自航･POT)

平水中抵抗

CALCULATION ITEMS(1) Evaluation of external forces

短波長規則波中試験／実験式
波による力

風による力

斜航による力氷による力

当舵による力(1-1) Added resistance in short crested irregular waves(1A) Added resistance in regular waves(1B) Linear superposition for added resistance in short crested irregular waves(1-2) Wind force and moment coefficients(1-3) Hydrodynamic coefficients

設定海象中全抵抗(2) Performance simulator for ships in actual seas

P [kW](3) Energy Efficiency

実海域中(3-1) EEDIweather(3-2) EEOIdes

プロペラ推力・自航要素(4) Minimum Propulsion Power Assessment(4-1) Assessment level 1 - minimum power lines assessment(4-2) Assessment level 2 - simplified assessment(4A) Calculation of added resistance in long crested irregular waves

Data Input

Calculation

Save

LoadClear
Ver.V2.1

力の釣り合い(3方向)主機／ガバナー
作動特性

PBW
PB

平水中

出力増加

船速低下
主機回転数、主機出力
燃費、船速低下0Vw Vref国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所V[knot]5性能計算（氷中抵抗モデル）

船⻑より⼩さい氷盤に適する

主にKPRモデルを適⽤（KPR: Kashitelijan-Poznjok-Ryblin, 1968)※ Lindqvist (1989)も考慮できる

RICE = R1 + R2 + R3 （衝撃 + 発散 + 静的）
R1 = k3ρi rhV 2 tan 2 α 0V
R2 = k2 ρi grhB
( fT + CWE tan α 0 )gL

4BL
R3 = k1ri g rh ( ) 2 (1 + 4 fT CWE H )2
B
C︓ 氷密接度
h︓ 氷厚 [m]r ︓ 氷盤代表⻑さ [m]V︓ 船速 [m/s]
L, B ︓ 船⻑. 船幅 [m]a ︓ 船⾸開き⾓ [deg.]

Photo Source: Canadian Coast Guard AIRSS Pictorial Guide

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6使用データl 海氷密接度（被覆⾯積率）

JAXA⽔循環変動観測衛星 「しずく」 (AMSR2)「しずく」による海氷密接度データ

l 氷種・氷厚岡⽥ (2019), WMO (Egg Code)l 地形・⽔深抵抗計算

l 規則・規制

航路制限（POLARIS含む）

GEBCO_2019, IHO/UNESCO
IMO, 露NSR庁 (NSRA)

Ice Type

氷海中の可航性指標「未来の予測」と「過去の分析」の両⽅に対応する必要がある。
Past
衛星観測- AMSR2- Daily- 10kmPresentFuture
数値予報- IcePOM by 東⼤- 6hrs（任意）- 10km（任意）

Ice Thickness, m

New Ice--Grey Ice

0.1 -- 0.15

Grey-White Ice

0.15 -- 0.3

Thin First-Year Ice, 1st Stage

0.3 -- 0.5

Thin First-Year Ice, 2nd Stage

0.5 -- 0.7

Medium First-Year Ice Less than 1m

0.7 -- 1.0

Medium First-Year Ice

1.0 -- 1.2

Thick First-Year Ice

1.2 --

Second Year Ice-- 2.5Light Multi-Year Ice-- 2.5

Heavy Multi-Year Ice

2.5 --

Egg Codeにおける氷種と氷厚の関係
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探索アルゴリズム
POLARIS① 対象船の喫⽔及びアイスクラス等によりマスキング•

l Polar Operational Limit Assessment Risk Indexing Systeml IMOにより提案されている可航性指標

POLARISも考慮② A*アルゴリズムで評価関数の最適解を探索

緑︓通航可能距離／⽇数／燃料消費量で最適化

⻩︓通航不可•ピンク︓砕氷サービスにより通⾏可能⻘・橙・茶︓喫⽔による通航制限あり
FSICR IA; 耐圧設計氷厚80cm
A*アルゴリズムの探索⽊（Fu et al, 2006)

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8インターフェース

氷況の表⽰期間や船の種類を選択

氷況・航路をマップに重畳表⽰
マップはズームや移動等が可能

計算実⾏ボタン航路全体のタイムライン及びアニメーション表⽰が可能

航路の評価をグラフで⽐較表⽰
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9航路探索プログラム RouteSearch（仮名）動作デモ

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計算例（Panamax BC/FSICR IA）
最適化項⽬
距離開
⽔中＋
氷中

氷中&'

⽇数

燃料

実際

航路⻑

NM

⽇数

Days

8.05

7.54

6.65

6.9

平均速度

Knots

10.66

11.84

13.38

13.5

燃料消費量

t

1325.2 1100.8

309.6

-航路⻑

NM

617.2

550.5

416.4

589.2

⽇数

Days

4.213.312.081.9

平均速度

Knots

6.16.938.3612.8

燃料消費量t31.70.6-※ Finnish-Swedish Ice Class Rules

2060.5 2140.6 2136.4 2244.9

このケースでは「燃料消費量を最適化」した場合とほぼ同じだった。
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11まとめl 船舶性能の詳細計算に基づく航路探索システムであることが特⻑。
開発した氷海航路探索システムはl 氷況と航跡を同時に時間を追って連続表⽰できる。
l 船の性能や耐氷能⼒(アイスクラス)に応じた評価が可能。
l 複数条件による計算結果の並列表⽰により選択肢を提供する。
l 運航コストの定量的な⽐較検討
⽤途として

l アイスクラス船の性能設計適否の検証
l オンボードにおける航路決定⽀援
当⾯、運航実態の反映と多船種への対応について改良していく。

本研究の⼀部は，国⼟交通省総合政策局の受託事業により実施されました。
関係各位に深く感謝申し上げます。
ご清聴ありがとうございました。
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