Supervisory control and data acquisition system for the navigation of energy extraction vessel |
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| 申请号 | JP2010534105 | 申请日 | 2008-11-06 | 公开(公告)号 | JP5398730B2 | 公开(公告)日 | 2014-01-29 |
| 申请人 | インテグレーテッド・パワー・テクノロジー・コーポレーション; | 发明人 | アンドリュー・ロマン・ギザラ; マイケル・ドミニク・チカリ; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 沖合エネルギー回収システム用の監視制御およびデータ収集システムであって、 気流もしくは水流、または暴風雨活動などの天然エネルギー源からエネルギーを抽出できる1つまたは複数の移動構造体と、 遠隔制御中央サービス施設と、 サーバおよびクライアントのソフトウェアシステムを実行するマイクロプロセッサシステムとを備え、 前記移動構造体が、前記移動構造体の位置、前記移動構造体の速度、および前記移動構造体によって回収されるエネルギーの量を追跡するセンサーと、前記移動構造体のナビゲーションを管理するメカニズムとをさらに備え、 前記遠隔制御中央サービス施設が、一次地理情報システムデータならびに前記移動構造体のエネルギー回収を予測するための速度に関する予測性能モデルへのアクセス機能をさらに備え、 前記遠隔制御中央サービス施設が、前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの制御手段をさらに備え、 前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの前記制御手段は、前記センサーから集められたデータ、前記一次地理情報システムデータ、ならびに前記予測性能モデルに基づ き 、 前記移動構造体のエネルギー回収を予測するための速度に関する前記予測性能モデルは、モデル化されたエネルギー抽出付属物の計算を実行する、 監視制御およびデータ収集システム。 前記遠隔制御中央サービス施設が、前記移動構造体の前記ナビゲーションを管理するために、前記移動構造体からの送信済み全地球測位衛星(GPS)データ、ならびに1つまたは複数のソースによる二次地理情報システムからの気象および環境データにアクセスするサーバソフトウェアを実行するマイクロプロセッサをさらに備える、請求項1に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記サーバソフトウェアが、前記エネルギー回収を、エネルギー回収を予測するための速度に関する前記予測性能モデル、前記移動構造体の前記センサー、ならびに前記気象情報に基づき最適化するアルゴリズムをさらに備える、請求項2に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記遠隔制御中央サービス施設が、グラフィカルユーザインタフェースを表示するクライアントソフトウェアと通信する人間-機械インタフェースのサーバソフトウェアを実行するマイクロプロセッサシステムをさらに備える、請求項3に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記グラフィカルユーザインタフェースが、前記移動構造体の最適な不可欠のナビゲーションを決定する人間にオプションを表示する、請求項4に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記クライアントソフトウェアが、前記グラフィカルユーザインタフェースに前記最適化アルゴリズムからのデータを表示するために、前記人間-機械インタフェースのサーバソフトウェアにアクセスする、請求項5に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記クライアントまたはサーバのソフトウェアによって実行されたデータの前記アクセスが、伝送制御プロトコルおよびインターネットプロトコルを通じて通信される、請求項6に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの前記制御手段が、監視制御およびデータ収集システムに適合したプログラム可能論理コントローラによって実施される、請求項1に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの前記制御が、前記移動構造体の舵を回転させる1つまたは複数のモーターをさらに備える、請求項1に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの前記制御手段が、前記移動構造体を駆動するプロペラに結合された1つまたは複数のモーターをさらに備える、請求項1に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体のナビゲーションを管理する前記メカニズムの前記制御手段が、前記移動構造体を具体化する帆船のマストを軸にブームを回転させる1つまたは複数のモーターをさらに備える、請求項1に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体のセンサーからのデータへの前記サーバアクセスが、1つまたは複数の無線ラジオ周波数信号チャネルを介して生じる、請求項2に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記無線ラジオ周波数信号チャネルが、2地点間極超短波ラジオである、請求項12に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記無線ラジオ周波数信号チャネルが、符号分割多元接続ラジオである、請求項12に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記無線ラジオ周波数信号チャネルが、衛星通信である、請求項12に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記サーバソフトウェアが、前記気象および環境データならびに前記移動構造体のエネルギー回収を予測するための速度に関する前記予測性能モデルに基づき、予測進路における前記移動構造体に関するエネルギー収量を分析するアルゴリズムをさらに備える、請求項2に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体センサーが、レーダーまたはソナーをさらに備え、 前記アルゴリズムが、対象物の検知、特定、および回避のために、前記レーダーまたはソナーからのデータにアクセスし、 前記アルゴリズムが、前記回避のための進路に関するエネルギー収量を分析する、 請求項16に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体センサーが、1つまたは複数のビデオカメラのデータストリームをさらに備え、 前記アルゴリズムが、前記対象物の検知、特定、および回避をさらに分類または確認するために、前記ビデオカメラのデータストリームにアクセスする、 請求項17に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記クライアントが、セキュアな遠隔クライアント制御接続ソフトウェアアプリケーションを通じて前記サーバにアクセスする、請求項4に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記グラフィカルユーザインタフェースが、三次元の仮想現実の視覚化をさらに含む、請求項5に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記移動構造体センサーが、前記三次元の仮想現実の視覚化を促進するために、1つまたは複数のビデオカメラのデータストリームをさらに備える、請求項20に記載の監視制御およびデータ収集システム。 沖合の船舶のナビゲーションを誘導するための監視制御およびデータ収集システムであって、 1つまたは複数の船舶と、 遠隔制御中央サービス施設と、 サーバソフトウェアシステムおよびクライアントソフトウェアシステムを実行するマイクロプロセッサシステムとを備え、 前記遠隔制御中央サービス施設が、前記船舶の位置および速度を追跡かつ制御するために、前記船舶とさらに通信し、 前記遠隔制御中央サービス施設が、一次地理情報システムデータならびに前記船舶のエネルギー回収を予測するための速度に関する予測性能モデルへのアクセス機能をさらに備え、 前記地理情報システムが、1つまたは複数の二次地理情報システムデータソースからの地理空間および気象データをさらに備え、 前記サーバソフトウェアシステムが、船舶の前記予測性能モデルならびに前記地理空間および気象データに基づき進路のコストを分析し、 前記サーバソフトウェアシステムが、前記船舶に対して、高コストの進路を回避するようにナビゲーションを誘導するデータを通信 し 、 前記船舶のエネルギー回収を予測するための速度に関する前記予測性能モデルは、モデル化されたエネルギー抽出付属物の計算を実行する、 監視制御およびデータ収集システム。 前記クライアントソフトウェアシステムが、コスト目標の編集を可能にする、請求項22に記載の監視制御およびデータ収集システム。 前記進路コスト分析が、前記進路を妨害する対象物が検知および特定されると、繰り返される、請求項22に記載の監視制御およびデータ収集システム。 |
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| 说明书全文 | 本発明は一般に監視制御およびデータ収集システムの分野にある。 より具体的には、本発明は沖合環境からエネルギーを最適に回収する移動構造体の操作およびナビゲーションを特に対象とする遠隔制御システムで実施される。 風力エネルギーおよび水流または波エネルギーを回収する多くのシステムが今日存在するが、大半のシステムは海底に静止しているか、置かれているか、固定されている。 今日では、固定した静止構造の制約を克服する、帆船に取り付ける流体動力のタービンエネルギーシステムが他に多く存在する。 それでも、すべての風力および流体動力システムには、所与の時間における回収可能エネルギーの総量が可動流体の速度の3乗に正比例するという根本的な限界がある。 この固有の限界により、こうしたシステムの大半は、システムの製造および運用コストのほか、典型的な周囲の気流および水流のベクトルが20ノットを超えることはめったにないことを考えると、経済的に実行不可能となる。 真風速を超えられると言われている双胴船のような帆船の設計が存在するが、かかる船舶の付属物として流体動力タービンを付けると、ただちに船舶の負担となり、最終的には可動流体の速度はタービンを通じて無益なエネルギー回収速度に低下する。 タービン統合型水中翼(Turbine-Integrated Hydrofoil)に関する米国特許第7,298,056号は、経済的に実行可能な解決方法として負担を軽減する付属物の実装に取り組んでいる。 この参照の特許出願の明細書は、遠隔制御された操作を提案しているが、本来は船員にとって危険な状況をもたらす、そのような高エネルギーの環境への経済的利益のためのかかる移動構造体の意図的な無人操作を明示しているわけではない。 前述の参照の特許出願はまた、通信システムの様々な部分を詳述しておらず、そのため当業者は、かかる遠隔制御システムを完全、明確、簡潔かつ正確には実施できない。 したがって、人命に受け入れがたいリスクがつきものの環境から最適な方法でエネルギーをコスト効率的に抽出できる移動構造体の操作、特にナビゲーションを遠隔制御する新たな監視制御およびデータ収集システムが必要である。 本発明は、厳しい気象パターンから自然に発生するエネルギーを回収する移動構造体用の新たな監視制御およびデータ収集(SCADA)遠隔制御システムを対象にする。 本明細書は沖合エネルギー回収システムを具体化するもので、かかるシステムにおけるアルゴリズムは、気象観測および移動構造体のセンサーからのデータを取り入れる一方、こうしたデータポイントを移動構造体そのものの性能モデルに関連させることによって、システムの効率性を最適化する。 本明細書は、帆船上のマイクロプロセッサシステムからの制御出力を通じてセーリング角度、舵の回転、タービンゲートの開放およびバラスト喫水の調整を行うことによって風と水の速度ベクトルに対処しながら、負担を軽減するために最適化された帆船をナビゲートする際のアルゴリズムの使用例を示している。 SCADAシステムは、アメリカ海洋大気庁(NOAA)の米国立気象局(NWS)の地理情報システム(GIS)などを含むが限定されない様々な地理および気象データリソース、ならびにNOAAの米国立ハリケーンセンター(NHC)および熱帯予報センター(TPC)から入手可能なその他の気象情報ソースを通じて通信される、アメリカ航空宇宙局(NASA)、NOAA、およびアメリカ空軍の防衛気象衛星計画(DMSP)の全地球測位衛星(GPS)システム、気象衛星システムなどの多様な方法でデータを集めるコンピュータサーバを含む。 SCADAコンピュータサーバは、人間-機械インタフェース(HMI)のセキュアなソフトウェアアプリケーションを実行し、かかるアプリケーションは、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)を有するクライアントソフトウェアを実行しているマイクロプロセッサシステムと通信し、それにより遠隔地にいる人間は、選択的に対話し、不可欠のナビゲーション計画を選択することができる。 また、本発明は、米国特許第7,298,056号の例示的な参照対象のタービン統合型水中翼システムの実装に限定されない。 本発明は、膨大な自然発生的エネルギーをもたらす気象パターンからのエネルギーを利用する任意のシステムの遠隔制御に当てはまる。 雷雨、暴風、沖合の熱帯性低気圧もしくはハリケーンからエネルギーを抽出する移動構造体、または遠隔制御で再生可能なエネルギーを回収する空力もしくは流体動力の電気機械移動システムは特に、本発明の恩恵を受ける。 そのため、世界各地の人間にとって危険な環境条件を移動システムが自動的に追跡できる本発明がなければ、こうした危険のリスクにより、人間による操作は望ましくないものとなり、ひいてはこうしたエネルギー利用システムの実施の費用便益と容易性は実現不可能なものとなる。 最後に、本発明で具体化されるシステムは、気象および地理空間データならびに船舶性能モデルから導出された収量関数を用いてエネルギー抽出を最適化するアルゴリズムを含むため、エネルギー抽出の収量要素を移動費に算入しない進路コストアルゴリズムのみを用いた当該システムは、かかる気象パターンを通過した物流目的でのみ船舶のナビゲーションを誘導する。 本発明は、移動エネルギー回収システムのナビゲーションおよび自動操作を可能にする監視制御およびデータ収集のための遠隔制御システムおよびアルゴリズムに関する。 以下の説明は、本発明の様々な実施形態および実装に関する特定の情報を含んでいる。 当業者は、本明細書で明示されるものとは異なる方法で本発明を実施できることを理解しよう。 また、本明細書は、本発明をあいまいにしないように、本発明の具体的詳細のいくつかを示す必要はない。 当業者であれば、本明細書で説明されていないこうした具体的詳細に関する知識を備えていよう。 明らかに、本発明の一部の特徴を省略または部分的に実施しつつ、本発明の範囲および精神の中に十分にとどまることもできる。 以下の図面および対応する詳細な説明は、例示的なものに過ぎず、本発明の実施形態を限定するものではない。 簡潔さを保つため、本明細書は、本発明の原理を使用する本発明のその他すべての実施形態を余すところなく説明することはせず、本図面でその他すべての実施形態を余すところなく示すこともしていない。 図1は、本発明の例示的な実施形態における全コンポーネントの最上位からの図を示している。 ブロック100は、本発明の例示的な実施形態におけるエネルギー抽出中の沖合移動エネルギー回収構造体を表している。 移動構造体100の例示的な実施形態は、帆船、プロペラ船、はしけ、または当業者に知られているあらゆる移動浮遊型エネルギー回収システムを含む。 エネルギーを回収する移動構造体100の包括的でないリストには、米国特許第7,298,056号のタービン統合型水中翼、移動を可能にする推進方法を備える波エネルギー変換システム、移動を可能にする推進方法を備える浮桟橋上の1つもしくは複数の風力タービン、雷雨からエネルギーを抽出するための、移動を可能にする推進方法を備える浮桟橋上の1つもしくは複数の避雷針、または空力および/もしくは流体力駆動手段を備える圧空源（圧縮空気源）および/もしくは流体動力源からエネルギーを抽出するあらゆる移動システムが含まれる。 以上に列挙した移動構造体100は、本発明の範囲と精神の中にある移動構造体100の実施形態を限定することのない、単に例示的な実施形態を表している。 図1はさらに、渦巻状の気象パターン101の様相を呈する環境で周航しているエネルギー抽出中の移動構造体100を示している。 逆時計回りの渦流線から推測できるように、この気象パターン101は、コリオリ効果によって暗示されるとおり北半球に現れる。 なお、この気象パターン101は全く例示的なもので、南半球のサイクロン、東南アジアの台風、突風の非渦巻状ギャップフローもしくはアラスカの海岸の沖合からのバリアジェット暴風、または他の地域の同様の気象パターン、熱帯性低気圧またはハリケーンの状況と合致する気象パターン101は、本発明の目的上、気象パターン101の範囲内に十分にとどまっている。 例示的な実施形態はさらに、サービス記録、メンテナンス、および後の配布に備えた大量のエネルギーの保管を目的に、また移動構造体100の遠隔制御が発生する場合は特に、中央サービス施設102を備える。 移動構造体104および中央サービス施設102が互換アップロードインタフェースでエネルギー保管システムを利用する限り、エネルギー保管は、圧縮水素、金属水素化物の保管、または充電済みバッテリーもしくは蓄電器を含むことを指摘する向きもいるかもしれない。 図1の中央サービス施設102のグラフィック表示は、油送船などの大型船を連想させるが、港湾施設も同様に本発明の範囲内の中央サービス施設102と見なすことができる。 気象パターン101に向かっている移動構造体103および中央サービス施設102への帰途にある移動構造体104の描写は、1つまたは複数の移動構造体100、103、104の完全な往復運転を明示しており、それは移動構造体100と同様にエネルギー回収に専念しているか、または移動構造体104と同様に運搬で帰途にあるかを問わず、本発明の遠隔制御システムによって実行されるタスクを基本的に含んでいる。 完全なSCADAシステムの運用に欠かせないのは、様々なソースからのデータの通信である。 図1はさらに、この例示的な実施形態のSCADA遠隔制御システムを含む3種類の衛星、すなわち全地球測位衛星(GPS)106、気象衛星105、および通信衛星107を示している。 ほぼすべての実施形態で、SCADAシステムは、GPS106システムを通じて移動構造体100の位置および速度を追跡する。 また、中央サービス施設102は、それ自体が移動可能な場合、GPS106システムを使用して自らの場所を追跡する可能性が高い。 本明細書では、図4について説明する以下のパラグラフにおいて、SCADA制御アルゴリズム入力としてGPS106システムの使用についてさらに詳しく説明する。 本明細書の以下では、様々な政府および民間のエンティティに気象データを提供する任意の気象追跡衛星に言及する際、気象衛星105という総称を使用する。 この機能を果たすことのできる気象衛星105の包括的でないリストには、NASAのQuikSCAT、RADARSAT-1およびEnvisat衛星を含むNOAAの合成開口レーダー(SAR)衛星、METEOSAT-7、EUMETSAT、運輸多目的衛星新1号(MTSAT-1R)、全球地球観測システム、GOES-EAST (GOES-12)、GOES-WEST (GOES-11)、GOES-9、GOES-10、GOES-13またはPOES衛星を含むNOAA衛星サービス部門(SSD)のアメリカ環境衛星データ情報サービス(NESDIS)に役務提供している任意の衛星が含まれる。 以上に列挙した気象衛星105は、本発明の範囲と精神の中にある気象衛星105の実施形態を限定することのない、単に例示的な実施形態を表している。 通信衛星107は、この例示的な実施形態で全気象データが配信される場所、例えば米国立気象局108の地理情報システム(GIS)のコンピュータサーバから、インターネットを通じてアクセス可能なエンティティを含む、多くの可能なエンティティの1つまたは複数と、中央サービス施設102と、のデータ通信の様子を示している。 気象衛星105のデータ以外に、NWS108のGISおよび他の多くのかかるエンティティ(インターネットを通じてアクセス可能なエンティティを含む)は、以下のような他のソース、例えば海洋気象ブイ、沿岸の測候所、Coastal Marine Automated Network Stations (C-MAN)、NOAAの航空機オペレーションセンター(Aircraft Operations Center)、NOAAの米国立ハリケーンセンター(NHC)の偵察機「ハリケーンハンター」、米空軍第53気象偵察飛行隊、USAF GPSのDropwindsondes、およびRIDGEレーダーからの気象データを配信する。 NWS108または類似の気象データ配信エンティティ(インターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む)から配信される気象情報の代替的なソースの包括的でないリストは例示的なものであり、気象衛星105のソースに代わる気象データのソースを限定するものではない。 NWS 108のGISコンピュータサーバまたは類似の気象データ配信エンティティ(インターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む)などの中にあるデータの配信の物理的な場所は、地上をベースとしているように見え、すなわち、ハードウェアは陸109にある。 明らかに、中央サービス施設102が沿岸の港湾都市に存在する場合、一段とコスト効率的で潜在的に高い帯域データの通信リンク(光ファイバケーブルなど)が、NWS108のGISまたは他の類似の気象データを配信するコンピュータサーバとの通信において通信衛星107に取って代わる。 通信衛星107は、中央サービス施設102と移動構造体100との通信など例示的なシステムにおいて別の機能を実行する。 しかし、好ましい実施形態は、本明細書の以下で詳述するように、移動構造体100と中央サービス施設102との通信を行う一段とコスト効率的な無線通信システムを使用する。 図2は、移動構造体100が制御および通信マイクロプロセッサシステム200をさらに備え、中央サービス施設102がセキュアなサーバ204のソフトウェアアプリケーションを実行しているマイクロプロセッサシステムおよびローカルエリアネットワーク(LAN)207を介してサーバ204と通信するセキュアなクライアントのソフトウェアアプリケーションを実行しているワークステーション209をさらに備える例示的なシステムを示している。 いくつかの実施形態では、中央サービス施設102の中で実行されているすべてのセキュアなサーバおよびクライアントのソフトウェアアプリケーションは、単一の大型コンピューティングシステムで実行することができるが、今日の最新のコンピューティング技術では、マルチプロセッサのサーバ-クライアントLAN 207トポロジが、柔軟なアーキテクチャ、コスト効率的なコンピューティング能力、信頼性、スケーラビリティおよび耐久性の点で最も有利である。 いくつかの実施形態では、移動構造体100に内在する制御および通信マイクロプロセッサシステム200は、プログラム可能論理コントローラ(PLC)として知られている一種のマイクロプロセッサコンピューティングシステム200を含む。 従来より産業用プロセス制御アプリケーションから発展したPLC 200は、機械的な衝撃および振動、気温の両極端（最高最低気温）への抵抗力が求められる物理的環境に強い耐久性の高いハードウェアのほか、特にSCADAシステムアプリケーションを適合させる制御および通信目的のためのカスタマイズを含む。 マイクロプロセッサシステム200が特注のハードウェアを含むか、有名なPLCベンダーによる市販の製品を含むかを問わず、マイクロプロセッサシステム200は、ほぼすべての実施形態において、図2に示すような一定の機能を実行する必要がある。 マイクロプロセッサシステム200は、センサーおよび制御回路と通信する入力、出力および入力/出力(I/O)機能201を必要とする。 好ましいSCADA制御アルゴリズムに変数を入力および出力するのに必要なI/O201を介してマイクロプロセッサシステム200と通信する様々なセンサーおよび制御回路が、移動構造体100の最も実用的な実施形態に内在する。 センサーおよび制御回路201の包括的でないリストには、船首方位に沿った姿勢(attitude)もしくは横傾斜(heeling)および傾斜(listing)、または航空用語を借りればそれぞれピッチ、ロールおよびヨーとしても知られ、目先の現地の海洋表面の仮想輪郭および場合によっては推測航法のような高度機能を提供する、船舶100の安定性の分析のための加速度計およびジャイロスコープ、バラスト喫水の測定および調整機能、見かけ風ベクトルの方向および強さをそれぞれ分析するための風向計および風速計、または単一ユニットに結合されている場合の風向風速計、推進モーター燃料備蓄とエネルギー回収機能による産出燃料、ひいては移動構造体100の重量とエネルギー効率を測定する燃料計、電気分解装置の電極温度計、エネルギー抽出発電機のアーマチュア（電機子）電圧計および界磁電流の調整機能、移動構造体100の負担に影響を与えるエネルギー抽出タービンゲートの開口測定および調整機能、移動構造体100の方向を示すコンパス、位置、速度を追跡し、航路定点を用いて現地の見かけ風ベクトルを含む風センサーデータを、移動構造体100の速度を差し引いて比較して、現地の真風ベクトルを割り出し、次いで実験によって得られるデータを、気象衛星105や真風速を測定および/または推定する他のソースによるデータと比較するためのGPS受信機202、舵の回転の測定および調整機能、プロペラの回転速度の測定および調整機能、帆および/またはブーム回転の測定および調整機能、対象物の検知、特定、および回避のためのレーダーおよび/またはソナーシステム、移動構造体100の周囲の環境の実際の様子と対象物の視覚的パターンの合致を確認できる1つまたは複数のビデオカメラのデータストリームが含まれる。 以上に列挙したマイクロプロセッサI/O機能201は、本発明の範囲と精神の中にあるI/O機能201の実施形態を限定することのない、単に例示的な実施形態を表している。 SCADAソフトウェアデータ構造に関して、前述のI/O機能201の一部または全部は、1つまたは複数のSCADAオブジェクトタグの定義を構成し、それにより様々なソフトウェア層は、移動構造体100のマイクロプロセッサシステム200から中央サービス施設102のサーバ204へ、また中央サービス施設102のワークステーション209へ通信する。 気象衛星105のデータまたはNWS108もしくは類似の気象データ配信エンティティ(インターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む)から配信される気象情報の代替的なソースも、SCADAオブジェクトタグの定義を構成する。 本明細書では、図4について説明する以下のパラグラフにおいて、好ましいSCADA制御アルゴリズム内のSCADAオブジェクトタグの使用について詳述する。 図2のマイクロプロセッサシステム200と関連する残りの機能は、GPSシステムの受信機を表すアンテナ202を含む。 他のアンテナ203は、移動構造体100のマイクロプロセッサシステム200が無線物理媒体を介して中央サービス施設102のサーバ204との間で送受信を行う手段を表している。 前述のとおり、通信の1つのシステム203は、衛星107との通信を実施する。 好ましい実施形態では、外洋の場合のように、移動構造体100が中央サービス施設102の見通し線内にとどまる限り、ビデオカメラのデータストリームを含む高帯域幅データを許容する2地点間符号分割多元接続(CDMA)システムが、好ましい実施形態の通信機能を提供する。 2地点間極超短波(UHF)ラジオの形態の別の無線物理媒体が存在する。 帯域幅は低いが、UHFは範囲が広く、CDMAのような見通し線は要求されないため、本発明の実施形態は、CDMA用の信号が失われた場合の予備としてUHFを組み込むことができる。 ビデオデータストリームのないSCADAシステムでは、UHFは実際に一次通信チャネル機能を果たすことができる。 こうした無線通信システムは、本発明の範囲および精神の中で具体化される他の可能な無線通信システムを限定することのない、例示的な実施形態を表している。 中央サービス施設102は、NWS108のようなインターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む任意の1つまたは複数の気象データ配信エンティティから気象データを集めることを主たる目的としてサーバ204を収容する。 いくつかの実施形態では、予備または複数のサーバ204を実装することにより、データへの高い信頼性を実現している。 図2に示す通信システムは、移動構造体100へのリンク205およびNWS108またはインターネット自体を含む同様の気象データ配信エンティティへのリンク206を含む。 中央サービス施設102では、リンク205およびリンク206は、前述の物理媒体およびプロトコルを用いて、それぞれ移動構造体100およびNWS108のようなインターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む気象データ配信エンティティとのチャネルとなっている。 例示的な実施形態のLAN207は、ネットワーク規格、例えば、IEEE 802.3、802.3u、802.11 a、bもしくはgまたは本発明のサーバ-クライアントのソフトウェアアプリケーションのニーズに合う規格に適合し、ネットワークインタフェースカード(NIC)208、ワークステーション209に通常統合されるハードウェアも前述の例示的なネットワーク規格に適合する。 すべての実施形態は、サーバ204、ワークステーション209およびPLC200の間でSCADAオブジェクトタグに関連するデータのパケットを送信するために今日実施される最も一般的なプロトコルである伝送制御プロトコル/インターネットプロトコル(TCP/IP)のもとで実行される可能性が非常に高い。 中央サービス施設102が陸109に存在する実施形態では、LAN207は、沖合中央サービス施設102のように通信衛星107を介する代わりに、ルータ210を介して、インターネット経由でアクセス可能なエンティティを含むNWS108または同様の気象データ配信エンティティから配信される気象衛星105のデータまたは気象情報の代替的なソースを求めて、広域ネットワーク(WAN)211にアクセスする。 サーバ204またはルータ210は、ネットワーク通信中にファイアウォールのセキュリティソフトウェアを実行することができる。 サーバ204、ワークステーション209およびPLC200の間における他のセキュアな通信形態は、前述のコンピュータシステムすべてを対象としたTCP/IP内の送受信中にパケットの暗号化や復号を行うインターネットプロトコルセキュリティ(IPSec)を含むことができる。 こうしたネットワーク規格およびプロトコルの例は、本発明の範囲内にある多くの可能なネットワーク規格およびプロトコルの構成のいくつかを表しており、こうしたネットワーク規格およびプロトコルの構成は限定的なものではなく、例示的なものとして見る必要がある。 図3は、移動構造体100の実施形態における制御作動する電気機械回路を示している。 移動構造体100、103、104に対する例示的な制御は、舵の回転、プロペラ式の実施形態におけるプロペラの回転、および帆走式の実施形態における帆の調整またはブーム回転を含む。 すべての機械部材の作動は、モーター300の巻線316を通じて電流317を提供することでモーター300を作動させて始まる。 図3に示すように、モーター300の回転部302には小型ギア303が付いており、小型ギア303は大型ギア306に結合し、大型ギア306には中間ギアシャフト307が付いており、中間ギアシャフト307には別の小型ギア308が付いており、小型ギア308は別の大型ギア309に結合し、大型ギア309には直接駆動システムの最終ドライブシャフト310またはウォーム駆動システムのウォーム310Aが付いている。 図3に示すようなギアレシオを含むシステムは、モーター300のトルクを低減する目的を果たし、軽量の経済的モーター300の実施形態において、速い回転速度、低いトルクという性質を一般に示す。 プロペラを作動させるため、好ましい実施形態は、トルクの上昇と速度の変更が可能なモーター300を明白に設置する。 ウォーム駆動の実施形態では、ウォーム310Aおよびウォームギア311のインタフェースは、最終ドライブシャフト312のトルクと比べて回転部302のトルクをさらに低減させる。 ウォーム駆動を含む実施形態にはまた、ウォーム310Aとウォームギア311との摩擦の適切な係数があることから、伝達方向は常に回転部302からシャフト312への方向となり、逆にはならないブレーキ効果の利点がある。 他の実施形態は、ブレーキをかけるためにステッピングモーター300のディテントトルク（detent torque）に依存する。 他の実施形態では、サーボモーター300や可変リラクタンスモーター300などは、十分なディテントトルクを実現することができず、そのためソレノイド301のコイル314に電流313が全く流れていない場合に、ディテントを固定し、ストッパー305に対してトルクを維持するため、ソレノイド301がスプリング作動型315のプランジャーチップ304を最初の小型ギア303の歯の間に挿入する。 こうした実施形態は、ソレノイド301のコイル314を通じてギア303を解除する右手の法則に従って示す方向で電流313を提供することによって最初に制御メカニズムを作動させ、次いでモーター巻線316に電流317を提供して回転318を開始し、これは回転319を介して回転320または320Aに変換され、舵の回転または帆のブームの回転を発生させる。 作動が終了すると、ソレノイド301のコイル314はそれ以上電流を伝導せず、ソレノイド301のプランジャーチップ304をロックされる位置に戻す。 よって、こうした制御アルゴリズム段階はすべて、固有のSCADAオブジェクトタグの定義を有する。 PLCの200は従来より、SCADAシステム制御ソフトウェアを含む産業用プロセスアプリケーションから発展してきており、サーボモーター300のComputer Numeric Controlled (CNC) Gコードの移植性、およびウォーム駆動システムに似た機械リードネジまたはボールネジのシステムなどのサーボメカニズムは、本発明の制御作動装置の好ましい実施形態を可能にする。 当業者に知られている、前述の制御作動装置の電気機械回路の例示的な実施形態の部分的実施または小幅なずれは、本発明の範囲や精神からの離れるものではないことに留意すべきである。 図4は、中央サービス施設102における1つまたは複数のクライアントワークステーション209のグラフィカルユーザインタフェース(GUI)400に現れる視覚的表示であり、例示的なSCADAアルゴリズムの動作に人間がいかに影響を与え得るかを示している。 前述の例示的なSCADAアルゴリズムは、1つまたは複数のクライアントワークステーション209でGUI400を通じてアクセス可能な、すべてのデータの収集、処理、保存、分析およびナビゲーションベクトル特定を実行するGISを含むシステムを処理する1つまたは複数のサーバ204で実行する。 1つもしくは複数の移動構造体100に関する情報を表示する3つの異なるワークステーション209A、BもしくはC、または異なる時間に3つの異なるGUI400を表示する、すなわち、ある時点でワークステーション209AのGUI400、別の時点でワークステーション209BのGUI400、さらに別の時点でワークステーション209CのGUI400を表示する1つのワークステーションが、中央サービス施設102で稼動する。 図4に示すように、典型的なコンピュータポインティングおよびデータ入力ハードウェアを用いて、ワークステーション209を操作している人間は、ワークステーション209A、BまたはCのいずれかに、GUI400のいずれかを呼び出すため、GUI400と対話することができる。 ワークステーション209AのGUI400は、帆船の実施形態におけるエネルギー抽出中の移動構造体100の位置、船首方位、速度、セーリング角度を表示している。 船舶アイコン401は、コンパスアイコン405によって提示された真北に対する移動構造体100の方向を視覚的に示している。 GPSフィールド402は、船舶の瞬間的な場所、速度および船首方位を数字で示している。 帆アイコン403および舵アイコン404は、様々な前述の気象データソース108から得られた、または前述のGPS202および風向風速センサー201データから実験的に得られた表面の真風データ406と共に、帆船の実施形態の移動構造体100のセーリング角度の観察と制御を可能にする。 明らかに、プロペラ式の実施形態では、プロペラアイコンは帆アイコン403に似た機能を果たす。 ワークステーション209Aのポインティングおよびデータ入力ハードウェアでは、人間オペレータは前述のアイコンおよびデータフィールドをポイントおよび選択することで、移動構造体100の視覚的表示の変更や瞬間的な制御が可能である。 例えば、人間オペレータが船舶アイコン401、帆アイコン403、または舵アイコン404をポイントおよび選択した場合、オペレータは、ワークステーション209Aのディスプレイに示されたセーリング角度を表す「ビームリーチ」といった海事用語を使用したセーリング角度を示す英数字フィールドを見ることができる。 この時点では、GUI 400は人間オペレータに対しオプションでブームと舵の変位角度を数字で提示することができ、これにより人間オペレータは手動でこれらの値を変更し、自動ナビゲーションを無効にし、そして前述の移動構造体100のブームまたは舵の回転を作動させることができる。 本明細書においてGUI 400では、好ましいSCADAアルゴリズムは、エネルギー抽出付属物と共に帆船の数値流体力学(CFD)の計算を実行する艇速推定プログラム(VPP)を使用して、移動構造体100のエネルギー効率を推定または予測するために移動構造体100に関する性能モデルを利用する。 この時点のGUI 400はまた、例えば卓越風、および最適な最低コストまたは最高収量の進路分析入力から、「ブロードリーチ」のセーリング角度を示唆している。 また、VPPがモデル化されたエネルギー抽出タービン付属物のCFDの計算を実行することから、船舶アイコン401の選択により、人間オペレータは、移動構造体100への全体的な負担に影響を与えるタービンゲートの開放度や燃料タンクの満杯度に基づき性能予測を監視、調整、および受信することができる。 なお、本発明の好ましいSCADAアルゴリズムでは、帆船のVPPは、所与の真風速、タービンゲートの開放度、燃料タンクの満杯度、船首方位に関し、対応するセーリング角度および制御設定と共に、典型的な先行技術のVPPの速度の代わりに、生成パワーを表にしたデータを出力する。 明らかに、例示的なSCADAアルゴリズムは、こうしたGUI400の実行中にプロペラ式移動構造体103、104について、類似のプロペラ性能VPPおよび最低コストの進路分析を実行する。 GPSフィールド402を選択することにより、人間オペレータは、位置などのパラメータの単位の変換や、ユニバーサル横メルカトル図法(UTM)のキロメートル単位からマイルもしくは経線および緯線の度、分、秒へ、速度のノットから1時間当たりのキロメートルもしくは1時間当たりのマイルへ、または時間の協定世界時(UTC)から現地時間への変更などの視覚オプションを変更することができる。 移動構造体103、104のプロペラ式の実施形態でGPSフィールド402を選択することにより、プロペラの回転速度を手動で変更することができる。 コンパスアイコン405または真風データ406を選択することにより、船舶アイコン401の視覚方位角度を、それぞれコンパスアイコン405または真風データ406に対して動かすことができる。 図4のワークステーション209BのGUI400は、エネルギー抽出中の移動構造体100に関する仮想現実表示407のほか、船舶の姿勢、傾斜および横傾斜角、または航空用語を借りれば、それぞれロールおよびピッチを示している。 仮想現実レンダリング407は、下方または急下向の横傾斜角またはピッチ、および左舷傾斜またはロールを示している。 この船舶の向きが上方または上に突き出た横傾斜角だった場合、レンダリング407は、レンダリング407に示すような船体(hull)ではなく甲板を表示することになる。 移動構造体100のセンサーがビデオカメラのデータストリームを含む場合、船舶の近くの実際の海洋表面が、このGUI 400のフレーム内に表示されることになる。 移動方向に対する平行図408は、傾斜角409と共に、レンダリング407に対応する左舷傾斜をさらに表示している。 右舷傾斜またはロールであれば、角度409は反対方向になる。 移動方向に対する垂直図410は、レンダリング407に対応する急下向または下方の横傾斜またはピッチを表示しており、横傾斜角411を表示している。 同様に、上に突き出たまたは上方のピッチであれば、横傾斜角411は反対方向に表示される。 仮想現実407アイコンを選択することで、カメラ角度を変えることができる。 傾斜角409アイコンまたは横傾斜角411アイコンを選択することで、人間オペレータは、ブローチング警告および関連する制御のしきい値を手動で設定することができる。 図4のワークステーション209CのGUI400は、気象パターン101の中で作動している移動構造体100に関する進路分析線417、418、419を含む気象図を示している。 ワークステーション209CのGUI400をブラウズして、最低コストで最高収量となる進路分析を開始し、これにより、大陸109または海山109を含む空間構造、世界の動向および異方性、気温、水温、風向き、風速、および波データを説明する気象セミバリオグラムが、エネルギー抽出における予想コストまたは収量をマッピングする基礎を形成する。 予測マップから、好ましいSCADAアルゴリズムは、加重されたコストまたは収量のラスタにおける進路の長さに基づき、ルート案417、418、419を平均した重みを割り当てる。 ワークステーション209CのGUI400では、同心の閉曲面413、414、415はそれぞれ、所与の気象パターン101における目416に対し内向きの強まる気流およびサージ電流のエネルギーの領域を表している。 世界の動向は、対称性と反時計方向の度合いがより大きいことを示すこともあるが、この例示的な北半球では、気象パターン101の図1が示す渦巻き傾向、大陸109または海山109によって生じる異方性、ならびに気温、水温、風向き、風速、および波データなどの他の確率論的モデル要素が、セミバリオグラム413、414、415が表す確率的フィールドをもたらす。 この確率的フィールドから、気象予測分析は、最低コストまたは最高収量の分析にさらに影響を与える暴風の進路412を予測することができる。 なお、ワークステーション209CのGUI400では、同心の閉曲面413、414、415は、セミバリオグラムの値または予測エネルギー領域(これは、非エネルギー抽出船舶の物流ではコストラスタ、またはエネルギー抽出への言及では収量ラスタとしても知られている)を選択的に表すことができる。 好ましい実施形態はまた、遠隔感知された異常リターンを走査するための船上レーダーおよびソナーシステムなどを含むがそれに限定されない統合センサーを遠隔利用する高度な対象物109の検知、特定、および回避システムを含む。 次いで、好ましいSCADAアルゴリズムは、こうした電磁エネルギーリターンのシグネチャと所定の対象物109の既知のライブラリとを、移動の規模、形、速度、そして他の特徴に基づき比較し、検知された考え得る種類の対象物109の特徴を特定する。 選択的に、例示的なアルゴリズムは、対象物109のさらなる分類と確認のために、シグネチャとビデオカメラのデータストリームとをさらに相関させる。 次いで、好ましいSCADAアルゴリズムは、船舶100、102、103、104の進路を変更して回避および変更後の進路設定および関連コストの計算を開始する必要性を判断するため、船舶100、102、103、104の現在の場所、進路、および速度に対して空間的に特定済み対象物109を常に相関させる。 次いで、好ましいSCADAアルゴリズムは、アルゴリズム的進路制御で特定済み対象物109に索引を付け、所定の論理および/または人間オペレータの対話により、回避または特定済み対象物109への最低コスト進路を含める。 本発明の好ましいSCADAアルゴリズムは、以上により、加重された異方性エネルギー収量ラスタの方向および長さに基づき進路417、418、419を平均した重みを割り当てる際の移動構造体100のVPPモデルを、さらに明らかにしている。 コストまたは収量目標により、最高収量のアルゴリズムは、進路417または418を選択し、移動構造体100の構造的損害リスクを最小限に抑えつつ最短時間で最大エネルギーを得ることができ、最低コストのアルゴリズムは、中央サービス施設102、非エネルギー抽出船舶の沖合の実施形態の構造的損害リスクを最小限に抑えつつ最短の物流経路を実現する。 進路線417、418、419を選択することで、人間オペレータは、コストと収量の重みや、コストまたは収量の目標などの不可欠のナビゲーションパラメータを自由に選択することができる。 前述のGUI400のアイコンおよびデータフィールドすべてにおいて、前述のデータ構造にアクセスし前述の制御を起動するSCADAオブジェクトタグの定義が存在する。 オブジェクトタグにより、ワークステーション209からサーバ204へ、サーバ204からPLC200へ、サーバ204から多くの可能なエンティティの1つまたは複数(米国立気象局108などの例示的な本実施形態のすべての気象データを配信する場所からインターネットを介してアクセス可能なエンティティを含む)への複数のソフトウェアアプリケーション層インタフェースを横断する非常に大きなコードベースの管理可能性および持続可能性を高める構造化プログラミング技法を実施できる。 ワークステーション209A、BまたはCに関するGUI400内の機能的差異が本発明の範囲および精神からの大幅な乖離を意味しないことは明らかである。 本発明のこれまでの説明により、本明細書はその範囲から離れることなく本発明のコンセプトを実施する際に使用する様々な技法を明らかにしている。 また、本明細書は特定の実施形態に具体的に言及して本発明について説明しているが、当業者は、本発明の範囲および精神から離れることなく形態および内容を変更できることを認識しよう。 本明細書は実施形態をあらゆる点で限定的なものではなく例示的なものとして提示した。 すべての関係者は、本明細書が本発明を前述の特定の実施形態に限定しておらず、本発明ではその範囲から離れることなく多くの配置替え、変更、省略および代替が可能なことを示していることを理解しなければならない。 以上により、エネルギー抽出船舶のナビゲーション用の監視制御およびデータ収集システムが説明された。 100 移動構造体 |
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