Beitrag 19

Temporäre Koordinierungen für die operative Routenplanung

Dipl.-Math. R. Eyrich, Prof. Dr.-Ing. R. Müller, Dr. Ing. A. Zölder, Dipl.-Ing. K. Pankow
Schiffahrtsinstitut Warnemünde an der Hochschule Wismar


  1. Abstract
  2. Das Projekt NACOM
  3. Dezentrale Architektur
  4. Dezentrale Strukturen
  5. Bewertung
  6. Ergebnisse
  7. Ausblick


Abstract

Der Einsatz von Telematik ebnet den Weg für neue Formen des Schiffsverkehrsmanagements, beispielsweise den Verkehrsfluss lenkende und koordinierende Maßnahmen zum Zwecke der Strandungs- und Kollisionsverhütung. Die Ausrüstung von Fahrzeugen mit AIS ermöglicht erstmals den Aufbau von temporären Strukturen zur Kollisionsvermeidung.

In Abhängigkeit von den bestehenden Möglichkeiten, verkehrstelematische Infrastrukturen für eine zielgerichtete und zweckgebundene Kommunikation zu nutzen, gibt es verschiedene Architekturen für koordinierende Systeme. Für Gebiete der offenen See oder Küstenabschnitte, an denen eine landgestützte Koordinierung nicht möglich ist, liefert die dezentrale Architektur ein Modell zur Navigationsunterstützung.

Das Projekt NACOM (Navigationsunterstützung durch integrierte Kommunikation) beschäftigt sich u.a. mit Untersuchungen zur Erzeugung dezentraler Systemarchitekturen und den Anforderungen an die dafür notwendigen Telematiksysteme. Der Vortrag stellt die im Rahmen des Projektes durchgeführten konzeptionellen Untersuchungen und erste gewonnene Resultate vor.


Das Projekt NACOM

Vor dem Hintergrund eines wachsenden Sicherheitsbedürfnisses im maritimen Bereich gewinnen den Verkehrsfluss lenkende und koordinierende Maßnahmen bei Verwendung moderner Telekommunikations-, Informations- und Leittechnik immer mehr an Bedeutung.

Mit dem Einsatz des automatischen Identifikationssystems AIS und gleichzeitiger Nutzung telematischer Methoden werden neue Formen der automatisierten Betriebsführung im Schiffsverkehr sowie in den Verkehrsmanagement-Bereichen möglich. Insbesondere wird durch integrierte Kommunikation eine externe Navigationsunterstützung für die Bordseite realisierbar.

Durch die Überlagerung des Schifffahrtsprozesses mit telematischer Infrastruktur könnten Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erhöht sowie Kollisionen und Strandungen vermieden werden. Kooperatives Agieren und externe Assistenz ermöglichen eine Koordination des Verkehrsgeschehens im strategischen Bereich. Ziel des Projektes NACOM ist es, Untersuchungen zur Koordinierung in dezentralen Strukturen durchzuführen sowie moderne Methoden für eine externe Unterstützung der Schiffe zu konzipieren und zu erproben.

Die Laufzeit des Projektes reicht vom 01.06.1999 bis zum 31.05.2002. NACOM wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und steht unter Trägerschaft des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR).


Dezentrale Architektur

Für Gebiete der offenen See oder Küstenabschnitte, an denen eine landgestützte Koordinierung nicht möglich ist, liefert die dezentrale Architektur ein Modell für die Navigationsunterstützung und die Schaffung der erforderlichen telematischen Überdeckung. In Abhängigkeit von der Verkehrslage werden effektive temporäre Strukturen zur Kollisionsvermeidung aufgebaut. Ein Master-Fahrzeug übernimmt die Koordinierung eines oder mehrerer Slaves. Die Auswahl eines Masters erfolgt nach Kriterien, die auf optimale Voraussetzungen, die Koordinierung anderer Fahrzeuge zu übernehmen, schließen lassen.

Die Kommunikation der Systemteilnehmer per AIS vorausgesetzt, lassen sich innerhalb der oben genannten Gebiete dezentrale Strukturen zur externen Assistenz bei der Schiffsführung einrichten.

Das dezentrale System ist selbstorganisierend, d.h. temporäre Strukturen entstehen bei erkannter Kollisions- oder Strandungsgefahr und zerfallen nach Bereinigung der Konfliktsituationen. Damit sind auch Master- und Slave-Funktionalitäten der Fahrzeuge zeitlich begrenzt.

Die erforderliche telematische Infrastruktur wird mit Hilfe von AIS errichtet. Alle Fahrzeuge senden im Broadcast-Verfahren Informationen aus und empfangen im Gegenzug Daten anderer Systemteilnehmer. Die u.a. zur Verfügung stehenden Werte für Positionen, Kurse, Geschwindigkeiten, und geplante Routen anderer Schiffe liefern einen Überblick über die aktuelle Verkehrslage und lassen Rückschlüsse auf die zukünftige Entwicklung der Situation zu. Der daraus resultierende hohe Grad an Informiertheit führt zu einer neuen Qualität in der Kollisionsvermeidung. Es gilt, die verfügbaren Daten zu nutzen, um Strandungs- und Kollisionsgefahren zu erkennen und zu vermeiden sowie in dezentralen Systemen aus ihnen Kriterien für die Auswahl von Masterfahrzeugen abzuleiten.


Dezentrale Strukturen

Der Aufbau dezentraler Strukturen ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Zwei wesentliche Merkmale sind hervorzuheben:

  1. Die Koordinierung wird von der Land- auf die Bordseite verlagert. Es entstehen auf See lokale Gebiete, in denen die Koordinierung erfolgt. Deren Ausbreitung ist abhängig von den Sendereichweiten der Fahrzeuge und der daraus resultierenden Anzahl von Systemteilnehmern sowie der räumlichen Ausdehnung der Konfliktgebiete.
  2. Temporäre Strukturen bestehen aus genau einem koordinierenden (Master) und (mehreren) koordinierten Schiffen (Slaves).
    Jeder Slave kann höchstens einem Master zugeordnet werden, ein Master dagegen darf mehrere Slaves koordinieren. Die Effektivität dezentraler Strukturen hängt unmittelbar von dem Verhältnis zwischen Mastern und Slaves ab, d.h. für eine maximale Anzahl von Fahrzeugen soll eine minimale Anzahl von Lösungen (gleichbedeutend mit einer minimalen Anzahl von Mastern) erzeugt werden, mit anderen Worten: die (durchschnittliche) Anzahl der Slaves pro Master sollte maximal sein.

Abbildung 1


Bewertung

Als Form der Navigationsunterstützung durch Kommunikation bieten dezentrale Strukturen weitestgehend die schon für das zentrale Modell bekannten Vorteile (vgl. dazu Projekt NADAKOS). An erster Stelle wären hier die sicherheitsrelevanten Effekte zu nennen, wie die Vermeidung von gefährlichen Annäherungen und die Senkung der Strandungsgefahr, verbunden mit einer Erweiterung des zeitlichen und räumlichen Handlungsspielraumes für Manöver und nicht zuletzt die Minimierung der Unsicherheit über die Handlungen anderer. Gefahrensituationen können rechtzeitig erkannt und erforderliche Ausweichmanöver, bei denen es sich i.a. um relativ schwache Kurs- oder Fahrtänderungen handelt, in den strategischen Bereich verlegt werden. Infolgedessen verringern sich die mittleren Werte für Wege, Passierzeiten und Energieverbrauch der Fahrzeuge. Das sind die wirtschaftlichen Effekte der Koordinierung.

Darüber hinaus bietet das dezentrale Modell als entscheidenden Vorteil gegenüber der zentralen Architektur die Möglichkeit, bisher unerreichte oder wenig erschlossene Gebiete, insbesondere den freien Seeraum, telematisch zu überdecken und dort eine Koordinierung des Verkehrs vorzunehmen. Dabei besteht (verglichen mit dem zentralen Modell) ein relativ geringer Aufwand hinsichtlich der Ausrüstung der Fahrzeuge, die durch die in naher Zukunft vorgesehene AIS-Ausrüstungspflicht für Schiffe die notwendigen Rahmenbedingungen erhält. Resultierend aus der vergleichsweise geringen Größe der temporären Koordinierungsgebiete, ist auch der Anspruch an die Leistungsfähigkeit der Technik entsprechend geringer. Nach der Lösungsberechnung werden statt einem großen Datenpaket (wie bei der zentralen Struktur) mehrere kleine Pakete gesendet. Das Splitten in mehrere kleine Lösungen macht das dezentrale System robuster gegen Störeinflüsse.


Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde eine Analyse zur Umsetzung dezentraler Architekturen mit Hilfe bereits entwickelter Verfahren durchgeführt. Verschiedene Ansätze für die Modellierung eines dezentralen Systems wurden erarbeitet und auf ihre Realisierbarkeit untersucht. Einer dieser Entwürfe wurde als bevorzugte Variante eingehender erforscht.

Als Ergebnis der konzeptionellen Arbeit an diesem Projekt lagen zunächst grobe Entwürfe von Methoden und Algorithmen vor. Um ihre Zuverlässigkeit prüfen zu können, wurden sie rechentechnisch umgesetzt. Am Computer entstand eine erste Arbeitsoberfläche, mit deren Hilfe die entwickelten Verfahren, insbesondere in Hinblick auf die zeitliche Varianz dezentraler Strukturen, getestet wurden. Während dieses Prozesses wurden, unter Berücksichtigung der beobachteten Effekte, sowohl innerhalb der Algorithmen als auch am Gesamtkonzept Änderungen vorgenommen, die zu einer verbesserten Stabilität des Systems führten. Anschließend wurden die Algorithmen an einen Lösungsgenerator gekoppelt und eine komfortablere Benutzeroberfläche geschaffen.

Erste erfolgreiche Simulationen wurden durchgeführt. Insgesamt zeigte sich die Umsetzbarkeit der dezentralen Architektur bei einem stabilen Verhalten unter gewissen Randbedingungen, wie z.B. der Teilnahme aller Fahrzeuge an der Koordinierung (bei entsprechender technischer Ausstattung).

Derzeit werden umfangreiche statistische Tests vorbereitet bzw. zum Teil schon durchgeführt (vgl. dazu unter "Ausblick").

Abbildung 2: Verkehrssituation mit erkanntem Konflikt

Die Abbildungen 2 bis 4 zeigen eine simulierte Begegnung dreier Schiffe, von denen sich zwei auf Kollisionskurs zueinander befinden. Es erfolgt eine Koordinierung mittels dezentraler Architektur.

Abbildung 2 veranschaulicht die Verkehrssituation des verwendeten Szenarios. Dargestellt sind die Tracks aller Fahrzeuge, wie sie aufgrund der per Transponder übermittelten Fahrzeug- und Wegpunktdaten vorausberechnet wurden. Zwischen den Fahrzeugen 2 und 3 wurde ein Konflikt erkannt (farbliche Hervorhebung der relevanten Trackabschnitte und Auflistung der Konfliktfahrzeuge in einer Informations-Shell). Zu diesem Zeitpunkt sind noch alle Fahrzeuge unkoordiniert (UC).

Die daraufhin eingerichteten temporären Strukturen sind aus Abbildung 3 zu entnehmen. Fahrzeug 1 ist Master (MA) geworden. Die Fahrzeuge 2 und 3 sind seine Slaves (SL - mit Master-ID in eckigen Klammern). Eine Lösung wurde noch nicht ermittelt und somit die kritische Situation noch nicht bereinigt.

Abbildung 3: Abgeschlossener Strukturaufbau

Abbildung 4 zeigt den Zustand nach Berechnung und Aussendung der neuen, konfliktfreien Routen. Alle Fahrzeuge bewegen sich bereits auf den übermittelten Bahnen. Da kein Konflikt mehr besteht, sind die Strukturen aus Abbildung 3 aufgelöst, alle Schiffe sind unkoordiniert (UC).

Abbildung 4: Zerfallene Strukturen nach Konfliktlösung


Ausblick

Das Projekt hat derzeit einen Stand erreicht, der erlaubt, die bereits erarbeiteten Resultate einer eingehenden Überprüfung zu unterziehen. Deshalb werden zur Zeit umfangreiche statistische Untersuchungen zu den Verfahren vorbereitet und zum Teil schon durchgeführt. Sie sollen Aufschluss darüber geben, wie stabil ein dezentrales System in der vorliegenden Form arbeitet. Von Interesse sind Daten, die auf den Zeitpunkt der Konflikterkennung, den Beginn und die Dauer der Koordinierung usw. schließen lassen. Darüber hinaus sollen mit Hilfe der Simulationen Fehlerzustände erkannt und Strategien zu ihrer Behebung gefunden werden. Hier sind beispielsweise Lösungen gefragt, die Situationen behandeln, in denen nicht alle Fahrzeuge in einem bestimmten Gebiet an der Koordinierung teilnehmen (können). In Zusammenhang mit der Behandlung ungültiger Zustände steht auch die Erkennung und Beseitigung von Hidden-User-Problemen. Die Errichtung dezentraler Strukturen erfordert nach derzeitigem Erkenntnisstand einen zusätzlichen Kommunikationsaufwand. Geplant sind daher Untersuchungen zu Kommunikation und Datenübertragung, um Einzelheiten des zeitlichen Ablaufs der Kommunikation zu erörtern sowie Aussagen über benötigte Dateninhalte und die erforderliche Anzahl von Kommunikationszyklen bis zur vollständigen Errichtung der Strukturen zu treffen.