2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of a mathematical model to simulate berthing maneuver assisted by tugs
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19K04859
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
佐野 将昭 広島大学, 工学研究科, 助教 (40582763)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 船舶工学 / タグ（曳船） / 離着桟 / 港内操船 / 操縦運動 / 自動化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大型船舶（以下本船）の港湾内操船を支援するハーバー・タグ（以下タグ）の潜在力に着目し，将来的にAIを含むタグ制御系を机上検討する為の運動モデル構築が本研究の第一目的である。初年度は個々の要素モデルを検討し，次の通り成果を得た。
【広範な運動状態を網羅する主船体流体力モデルの構築（実施計画書，項目a関連）】前進運動時の自船操舵による運動状態にはMMG型多項式モデルを，タグ支援中の横移動・旋回が大きな運動状態にはCross Flow Drag型モデルを適用し，その中間運動領域を，連結係数を介して両モデルを円滑に接続する連結型の主船体流体力モデルを提案した。また運動シミュレーションを通じて，広範な運動状態を精度良く，かつロバストに対応できる事を確認した。
【タグの推進器の流体力特性の把握（同c）】タグの運動モデル構築には，タグ特有のノズル付き360度首振り型推進器の流体力の把握・モデル化が不可欠である。そこで水槽試験により，同推進器の首振り時の単独特性を評価し，推力とノズル抗力を分離して記述する流体力モデルを考案した。また国内の標準的なタグ仕様を検討し，船長33(m)の1/19の縮尺模型を製作した。そして船後で平行/非平行に首振り角を有する2基の推進器に作用する流体力を計測し，モデル化に向けた貴重なデータを得た．（実験精度に課題を残した為，次年度以降に再試験を実施予定）
【曳航策を介した本船とタグの連携運動モデルの構築（同d）】曳航索をピン結合された集中化マスの集合体とみなし，本船，タグ，3次元策の運動連成を考慮した運動モデルを定式化した。また本船とタグの3Dモデルを取り込んだアニメーションを可能とし，立体視で運動制御の成否が確認できる環境を整備した。応用例として回頭支援局面を計算し，本船の行き脚速度や水深が，航跡や各種運動時系列に及ぼす影響を明らかにして，支援操船に対する知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度は，当初予期していなかった曳航水槽主電車の減速機が故障し，修理期間が長期に及んだ．この為，一部の水槽試験計画（特に浅水域に関する試験）に変更が生じたが，代替で次年度以降に取組む内容を前倒して実施した。以下の通り，実施項目毎に進展はあり，離着桟局面を取り巻く各プレイヤーの運動モデルの構築に向けて，要素研究の成果は集まりつつあるといえる。しかし「やや遅れているとの認識」を持って，次年度以降，一層の研究成果が得られるように取り組む所存である。
【船舶の低速操縦運動モデルの構築（実施計画書，項目a関連）】研究実績で述べた通り，主船体流体力の表現法を工夫し，連結型モデルを考案した。そして港湾内操船で直面する広範な運動状態をロバストに計算可能である事を確認済みである。次年度にコンテナ船の操縦運動試験（浅水域を含む）を計画しており，先行実施済みの操縦運動試験結果と併せて，引き続き運動モデルの構築と評価に取組む。
【船舶の横力に及ぼす岸壁影響の調査（同b）】本項目は水槽試験計画を見直し，CFDによる検討を試みている。岸壁影響（反力）を離着桟時の操縦運動計算に反映させられるような実用的表現法を検討する。
【タグの運動モデルの構築と運動計算（同c）】タグの標準的な仕様を検討し，1/19の縮尺模型（船長1.74m）を製作済みである．比較的小型のタグ模型の船後に2基のノズル付き360度首振り型推進器を装備して稼働させるユニークな試験の特性上，実験当初，計測機器の配置不具合，計測流体力への干渉ノイズの対応に追われた。次年度に，計測精度向上の改善策を施した上で再試験に臨む。
【船舶とタグの連携運動モデルの構築と運動計算（同d）】本項目の一部を前倒し，本船，タグ，3次元索による曳航支援局面の連携運動モデルを構築済みである。次年度以降も，より汎用性の高い実用的な運動モデルの構築を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
本船とタグの水槽試験（実験計画書，項目aとc関連）を引き続き実施し，一連の操縦流体力特性の把握，ならびに離着桟局面を含む広範な港湾内操船に対応可能な個々の運動モデルを構築する。今後実施予定の主な研究項目について推進方策を記す。
【タグ模型による水槽試験（研究計画書，項目c関連）】初年度の水槽試験では，計測機器の配置不具合，計測流体力への干渉ノイズの有無等の問題点が顕在化した。本年度は，旋回式推進器の設置土台，周囲ケーブル取り回しに改善を施した上で，再試験（本試験）を実施する。タグの運動シミュレーションには，2基の首振り式推進器の流体力モデルが核となる為，プロペラ荷重度や両首振り角度の組み合わせを広範に設定し，船後の流体力特性，および船体と推進器との相互干渉を綿密に検討する。また操縦運動状態では，斜流が推進器に流入する。船体による整流作用を評価し，運動状態に応じた推進器への有効流入角について明らかとする。一連の計測結果を踏まえて主船体と推進器の流体力をモデル化し，タグの広範な操縦運動に対応可能な運動モデルを構築する。そして斜前進，斜後進，左右移動といったタグ特有の運動の再現計算を目指す。同運動モデルは，最終目標である離着桟支援操船シミュレーションの要素数学モデルとして役立てられる予定である。
【CFDによる流場解析（同b）】 浅水域を真横移動する本船を対象に，非定常乱流場のCFD計算により，流場の発達過程と流体力の変遷を明らかにする。岸壁無を基準に，岸壁に近づく際の速度，加速度，侵入角度といった各パラメータが流体力に及ぼす影響を考察する。
【連携運動モデルの開発（同d）】押航状態の定式化，ならびに複数隻のタグと本船の運動連成を取り扱えるような定式化を施す。これにより、複数のタグが押航・曳航状態で立ち回るような，より現実に近い複雑な離着桟局面への適用が可能になると思われる。
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