Praktische Beiträge zur Entwicklung des autonomen Segelns

Überschneidungsszenario für Modellbasistests zur Untersuchung des autonomen Ausweichmanövrieralgorithmus. (Bild: MARIN)

(Bild: MARIN)

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Um das autonome Segeln geht viel Debattieren und Spekulieren. Während MARIN nicht vorgibt, alle Antworten zu kennen, unternimmt es praktische Schritte, um bei seiner Entwicklung zu helfen.

Die Einführung weiterer Autonomie in der Schifffahrt zielt zunächst darauf ab, viel höhere Sicherheitsstandards zu ermöglichen, gleichzeitig aber auch die Besetzung zu reduzieren. MARIN konzentriert sich auf drei Hauptbereiche in Bezug auf autonomes Segeln. Wir sind der Ansicht, dass es wichtig ist, das Schiff in Bezug auf die Verkehrssteuerung zu untersuchen, um Aspekte der nautischen Sicherheit zu verstehen und neue Mannschaftsrollen zu definieren, auch an Land.

Um das autonome Segeln weiter zu erforschen, hat MARIN zusammen mit der niederländischen maritimen Industrie bereits ein neues Joint-Industry-Projekt gestartet. Im Rahmen des "Autonomen Segelns" werden wir gemeinsam die verfügbare Technologie betrachten. Hier skizzieren wir die verschiedenen Rollen, die Steuerung und Gefäßmodellierung bei der Entwicklung des autonomen Segelns spielen.

Steuerung
Ohne Kontrolle, Position und Bahnkontrolle wären Seetüchtigkeits- und Manövriermodelltests nicht möglich. Schlussfolgerungen und Vorhersagen über die Leistung des gesamten Systems beinhalten zwangsläufig die Leistung des kontrollierten Systems. Die bestmögliche Kontrolle ist daher für MARIN unerlässlich. Die Leistungsfähigkeit des Kontrollsystems sollte das Ergebnis von Simulationen und Modellversuchen nicht dominieren, es sei denn, es sollte dies sein. Ein Kontrollsystem wird verwendet, um ein Schiff in Position zu halten oder in der Spur unter verschiedenen Bedingungen, und sollte alle verfügbaren Ressourcen optimal nutzen, wie zum Beispiel die installierte Generatorleistung, die Triebwerkseigenschaften und andere. Wenn dies nicht korrekt durchgeführt wird, führt dies zu einem Behälterdesign mit einer (viel) niedrigeren Betriebsfähigkeit als vorhergesagt.

Es gibt eine parallele Hierarchie zwischen Autonomie und Kontrolle. Kontrolle ist eine unvermeidliche Grundlage für die höheren Ebenen der Autonomie: keine Kontrolle, keine Autonomie. Die niedrigste Autonomie entspricht der manuellen Steuerung durch einen menschlichen Bediener. Ein System, das der höchsten Autonomie entspricht, wird seinen eigenen Plan erstellen, seine eigenen Entscheidungen treffen und es unter Verwendung seiner Kontrollsysteme ausführen.

Bei der Durchführung von Docking-Simulationen zur Untersuchung der Sicherheit von Hafen-Ansätzen muss das Simulationsmodell einen Entscheidungsalgorithmus enthalten, der die Hafenschlepper, die das Schiff beim Einlaufen in den Hafen und beim Anlegen am Kai unterstützen, realistisch zuordnet und steuert. Ähnliche Herausforderungen gelten bei der Simulation des Seeverkehrs bei der Bewertung von Verkehrstrennungsschemata. Diese sollten ein "Operator-in-the-Loop" -Modell beinhalten, um die langfristige Einsatzplanung einbeziehen und riskante Kollisionssituationen vermeiden zu können.

Modelle
Die Zeitsimulationsmodelle von MARIN werden verwendet, um gefährliche Situationen rechtzeitig vorherzusagen. Dies gibt dem Betreiber - on- oder onshore - die Möglichkeit, die Situation rechtzeitig zu beurteilen und alternative Lösungen zu finden. Je besser diese Simulationsmodelle das tatsächliche Verhalten der Schiffe widerspiegeln und je besser sie die tatsächlichen Umweltbedingungen einbeziehen, desto besser kann der Betreiber risikobehaftete Situationen erkennen und das niedrigste Risikoszenario für die Ausführung auswählen.

Nautische Sicherheitsfragen
Zusätzlich zu einer adäquaten Modellierung der Manövrier- und Routen- / Spurvorhersagefähigkeiten erfordern die Algorithmen "Erkennen und Vermeiden" auch Kenntnisse über Verkehrskonfliktlösungen. Letztere wird mit mehreren Schiffen und anderen komplexen Szenarien zurechtkommen müssen. Die Konfliktlösungen dieser Szenarien müssen verschiedene Perspektiven berücksichtigen. Sie müssen die Kollisionsverordnungen (COLREGS), lokale Vorschriften und die rein physikalischen Begrenzungen beachten, die von der Umwelt auf die Fähigkeiten der Schiffe auferlegt werden.

Darüber hinaus sind gute Seemannschaft und Berechenbarkeit weitere wichtige Faktoren. Diese spiegeln die vielen "ungeschriebenen Regeln" über Verkehrssituationen wider, die oft nur durch direkten Kontakt über das VHF bestätigt werden. Die ungeschriebenen Regeln beziehen sich zum Beispiel auf die Entfernungen, die bei Nahbereichsbegegnungen eingehalten werden, und / oder auf das strategischere, langfristige "gut klare" Verhalten. Beide Verkehrs- (Konflikt-) Lösungen haben ihre eigenen Sicherheits- und Sparparameter.

Neue Manning Rollen
Jede Ebene der Autonomie stellt ihre eigenen Herausforderungen in Bezug auf die Schnittstellen mit den nautischen Datenrepräsentationen wie Routenplanung, Wetterbewertung und Schiffszustand. Sowohl die Onboard- als auch die On-Shore-Teile dieser Vertretungen erfordern neue Ausrüstungskapazitäten und neue Betreiberkompetenzen. Wiederum werden die Erkennungs- und Vermeidungsmodelle verwendet, um die geeigneten und sicherheitskritischen Situationsbewusstseinsrepräsentationen zu erzeugen, die Zeit und Raum auf die entstehenden und potentiell widersprüchlichen oder sogar verletzenden Verkehrssituationen zeigen.

Die vollständige Entfernung der Schiffsbesatzung erfordert volle Autonomie für alle Funktionen an Bord, einschließlich Wartung und Reparatur. Es erfordert einfachere Systeme und die Redundanz kritischer Systeme. Das "All-Electric Ship" wird eine sehr ansprechende Designlösung für autonome Schiffe sein. Darüber hinaus hat ein rein elektrisches Schiff den Vorteil, Emissionen drastisch zu reduzieren, wenn erneuerbare Energien zum Laden seiner Batterien verwendet werden. Hier haben wir einige der ersten praktischen Schritte skizziert. Wie bereits erwähnt, ist das Autonomous Sailing Joint Industry Projekt bereits angelaufen. Darüber hinaus wird ein Modell-Testprogramm den aktuellen Status / Fähigkeiten unserer autonomen Ausweichmanöveralgorithmen ("Crossing" und "Passing") untersuchen.


(Wie in der März 2018 Ausgabe von Maritime Reporter & Engineering News veröffentlicht )