Beitrag 04

AIS und zukünftige Möglichkeiten der Kollisionsverhütung

Dipl.-Math. René Eyrich, Dipl.-Ing. Kai Pankow, Dr.-Ing. Anke Zölder, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Müller
Schiffahrtsinstitut Warnemünde

Abstract
  1. Konzept
  2. Methoden und Algorithmen zur dezentralen Struktur
    1. Situationsanalyse und Faktorerzeugung
    2. Strukturaufbau
    3. Konfliktlösung und Zerfall der temporären Strukturen
  3. Simulationstechnische Umsetzung und Ergebnisse
    1. Zeiträume der Konflikterkennung
    2. Ursachen für Masterwechsel
    3. Zusätzlicher Kommunikationsaufwand
  4. Zusammenfassung
Literatur


Abstract

Mit der Einführung von AIS [1] eröffnen sich eine Reihe neuer Möglichkeiten für die Navigationsunterstützung auf See. Die Informiertheit der Schiffe aber auch der Verkehrszentralen wird dadurch wesentlich erhöht. AIS - ausgerüstete Schiffe können von Land aus mit einer weitaus höheren Genauigkeit als mit einem Landradar identifiziert, getrackt und überwacht werden. Damit ist eine bessere Unterstützung des einzelnen Schiffsführers in schwierigen Situationen sowie eine effektivere Überwachung des gesamten Schiffsverkehrs von Land aus gerade in navigatorisch anspruchsvollen Gebieten zukünftig realisierbar.

Die Ausrüstung von Fahrzeugen mit AIS ermöglicht andererseits erstmals auch außerhalb des Einflussbereiches von Landverkehrszentralen, z.B. für Gebiete der offenen See oder Küstenabschnitte, an denen eine landgestützte Koordinierung nicht möglich ist, Strukturen zur Kollisionsvermeidung aufzubauen. Durch die Ausrüstung der in diesem Gebiet befindlichen Schiffe mit AIS wird eine telematische Überdeckung erreicht, die aufgrund der Fahrzeugbewegungen und der systembedingten AIS - Reichweite temporär und lokal begrenzt ist. Dadurch lassen sich zeitweilige, räumlich begrenzte dezentrale Koordinierungsgebiete definieren, in denen eine externe Navigationsunterstützung erfolgen kann.
Der Aufbau der lokalen und temporären dezentralen Koordinierungsgebiete (Netzwerke) wird durch die Selbstorganisation der Verkehrsteilnehmer zu MASTER - SLAVE - Konstellationen [2] realisiert. Unter allen Teilnehmern wird das Fahrzeug (MASTER) mit den besten Koordinierungseigenschaften ausgewählt. Es führt dann die zeitweilige Navigationsunterstützung für eine bestimmte Gruppe von Fahrzeugen (SLAVES) durch. Nach der Beseitigung der Gefahr einer Kollision zerfällt die Struktur wieder.

Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojektes NACOM, welches unter der Trägerschaft des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) gefördert wurde, wurden der Aufbau von dezentralen koordinierenden Strukturen simulationstechnisch untersucht sowie Anforderungen an die dafür notwendige Ausrüstung der Schiffe abgeleitet. Anhand von Beispielen werden die Ergebnisse erläutert.


1 KONZEPT

Im Vordergrund der dezentralen Architektur steht, verglichen mit anderen Konzepten zur Koordinierung in der Seefahrt [3], die Auswahl geeigneter Master, d.h. solcher koordinierender Fahrzeuge, die gewisse Voraussetzungen (z.B. fahrzeug- oder situationsabhängige Eigenschaften, die eine besonders gute Einschätzung der Verkehrslage erlauben oder einen stetigen Kontakt mit Konfliktfahrzeugen gewährleisten) optimal erfüllen. Ziel ist, die Anzahl der koordinierenden Schiffe gering zu halten, aber gleichzeitig zu gewährleisten, dass alle Fahrzeuge koordiniert werden, die sich in einem Konfliktgebiet befinden (unter Berücksichtigung der konfliktfreien Routen anderer Verkehrsteilnehmer).


2 METHODEN und ALGORITHMEN zur dezentralen Struktur

Die simulationstechnische Umsetzung der dezentralen Architektur erfolgt durch ein dynamisches Modell, bei dem die temporäre Organisation durch fahrzeugeigene Faktoren reguliert wird. Das bedeutet, dass jedes Fahrzeug einen Faktor zugewiesen bekommt, der ein Maß für seine Fähigkeit, andere Schiffe zu koordinieren, darstellt. Diese Faktoren sind das primäre Auswahlkriterium bei der Master-Suche. Je höher der Faktor eines Fahrzeugs ist, desto besser ist es in der Lage, eine koordinierende Funktion zu übernehmen.

Die Koordinierung mittels dezentraler Strukturen geschieht in einem fortwährenden Zyklus [4], der sich grob in folgende Einzelschritte zerlegen lässt (Abbildung 1):

  • Situationsanalyse und Erzeugung der Faktoren für die einzelnen Fahrzeuge
  • Aufbau temporärer Strukturen
  • Lösungsberechnung, Bereitstellen koordinierter Bahnen
  • Zerfall der temporären Strukturen.

Es erfolgt ständig eine neue Situationsanalyse, die bei Bedarf den Aufbau von Master-Slave-Verhältnissen und die Berechnung koordinierter Routen veranlasst. Diese Arbeitsweise ermöglicht Reaktionen auf Veränderungen in der Verkehrslage, die sich beispielsweise ergeben können, wenn Fahrzeuge im funktechnischen Sichtbereich eines anderen Schiffes neu auftauchen oder ihn verlassen. Auch ein verändertes Verhalten einiger Fahrzeuge (z.B. plötzliche Manövrierunfähigkeit) kann auf diese Weise behandelt werden. Die Kausalität von Situationsanalyse, Strukturaufbau und Lösungsberechnung bewirkt auch die Selbstorganisation des Systems, denn wird kein Konflikt erkannt, erhält auch kein Schiff den Status eines koordinierendes Fahrzeugs und infolgedessen findet auch keine Berechnung neuer, konfliktfreier Bahnen statt. Bei Konflikterkennung dagegen werden echte dezentrale Strukturen mit koordinierenden Fahrzeugen, die ihrerseits wiederum eine Lösungsberechnung vornehmen, aufgebaut.

Abbildung 1: Zyklische Arbeitsweise


2.1 Situationsanalyse und Faktorerzeugung

Über AIS [1] empfangene Daten von anderen Fahrzeugen werden mitsamt den Daten des eigenen Schiffes in einer "Sichtliste" verwaltet. Diese Informationen sind Grundlage von Analyse, Strukturaufbau und Lösungsberechnung. Die Fahrzeuge dieser Liste werden im folgenden sichtbare Fahrzeuge genannt. (Beachte: "sichtbar" bedeutet hier etwas anderes als die bloße optische Sichtbarkeit oder die Sichtbarkeit über Radar).

Alle Fahrzeuge nehmen eine Situationsanalyse vor, um die aktuelle Verkehrslage einzuschätzen. Dafür steht ihnen ein spezielles Werkzeug, der Analysator, zur Verfügung. Er führt innerhalb eines definierten Zeithorizonts eine Voraussimulation des zukünftigen Verkehrsablaufs durch und stellt anhand dessen Begegnungs- und Umgebungskonflikte in Mehrschiff-Situationen fest (vgl.[3]).
Jedes Fahrzeug erhält einen Faktor und eine Master-ID als entscheidende Informationen für die Schaffung temporärer dezentraler Strukturen. Zur Berechnung der Faktoren werden die folgenden Informationen benutzt:

  • Statische Fahrzeugdaten (fahrtunabhängig)
    • Schiffslänge
    • Schiffsbreite
  • Dynamische Fahrzeugdaten (fahrtabhängig)
    • Geschwindigkeit
  • Situationsabhängige Daten
    • Anzahl der erkannten Konfliktfahrzeuge
    • Relative Geschwindigkeit zu allen sichtbaren Fahrzeugen.

Hintergrund für eine derartige Faktorbestimmung ist, dass große Fahrzeuge aufgrund der höheren Antennenposition als Master geeigneter erscheinen, ebenso wie Fahrzeuge, die sich langsam bewegen, da sich die Umgebung für sie verhältnismäßig langsam ändert. Anhand der Relativgeschwindigkeit eines Schiffes zu allen sichtbaren Fahrzeugen lässt sich dessen Bewegung innerhalb der Menge sichtbarer Fahrzeuge ablesen. Demzufolge ist ein Master unter den Schiffen mit einem kleinen Relativ-Betrag zu suchen, da dieses Fahrzeug vergleichsweise lange in einer Gruppe potentieller Slaves mitschwimmt.
Ein unverzichtbares Auswahlkriterium bei der Master-Suche ist das Erkennen von Konflikten (Kollisionen oder Strandungen) anhand geplanter Routen. Darum hat die Anzahl der erkannten Konfliktfahrzeuge den stärksten Einfluss auf den Faktor. Je mehr Konflikte ein Fahrzeug erkennt, desto geeigneter ist es, die Master-Funktion zu übernehmen und desto größer ist deshalb auch sein Faktor.
Fahrzeuge, die keinen Konflikt erkennen, können keine koordinierenden Fahrzeuge werden. Ihr Faktor ist Null. Alle anderen sind in der Lage, Koordinierungsaufgaben zu übernehmen. Sobald ein Fahrzeug seine Situationsanalyse abgeschlossen hat, liegen alle notwendigen Informationen zur Faktorberechnung vor. Der Faktor wird unmittelbar nach der Analyse intern erzeugt und anschließend an alle anderen Fahrzeuge ausgesendet. Die Zeitpunkte, an denen die Situationsanalyse abgeschlossen bzw. der berechnete Faktor gesendet werden kann, werden durch das Zeitschlitzmanagement vorgegeben.

Abbildung 2: Fahrzeuge mit Faktor und Master-ID

Die Master-ID enthält eine Kennung (z.B. MMSI, Rufzeichen) des Masters (Abbildung 2). Sie wird erst während des Strukturaufbaus gesetzt. Mit ihrer Hilfe ist eine eindeutige Identifikation des Masters aus Fahrzeugsicht möglich. Das wird in der zweiten Phase des Strukturaufbaus (siehe dort) ausgenutzt.


2.2 Strukturaufbau

Der Aufbau dezentraler Strukturen beginnt, sobald jedes Fahrzeug die Faktoren aller sichtbaren Schiffe empfangen hat. Voraussetzung für ein Master-Slave-Verhältnis zwischen zwei Schiffen ist die Möglichkeit, bidirektional miteinander zu kommunizieren, weil erst dadurch der nötige Informationsfluss zwischen beiden Koordinierungsteilnehmern gewährleistet ist. Daher muss jedes Fahrzeug neben seinem Faktor eine Shakehands-Liste (mit allen für ihn selbst sichtbaren Fahrzeugen) aussenden, anhand derer bidirektionale Verbindungen erkannt werden können.

Der Aufbau der Strukturen erfolgt in zwei Phasen [7].
In Phase 1 bestimmt jedes Fahrzeug eine eindeutige Master-Slave-Zuordnung, passend zur erkannten Verteilung der Faktoren. Dabei wird für jedes Fahrzeug ein Master bestimmt und eine entsprechende Master-ID gesetzt.
Aufgrund der unterschiedlichen Einschätzung der Verkehrslage durch verschiedene Fahrzeuge, lassen sich die im ersten Schritt erzeugten Einzelergebnisse nicht immer zu einem eindeutigen Gesamtresultat zusammenfügen. Sie werden deshalb in einer 2. Phase unter Verwendung der Master-ID aufeinander abgestimmt. Als Ergebnis entsteht eine global eindeutige Master-Slave-Zuordnung.

Am Ende des Strukturaufbaus besitzt jedes Fahrzeug einen von vier möglichen Zuständen:

  • MASTER (Fahrzeug koordiniert Slave/s und sich selbst)
  • SELBSTKOORDINIEREND (Fahrzeug koordiniert nur sich selbst - Fahrzeug ist Master, aber ohne "echten" Slave)
  • SLAVE (Fahrzeug wird koordiniert, koordiniert selbst keine anderen Schiffe)
  • UNKOORDINIERT (Fahrzeug wird nicht koordiniert und koordiniert keine anderen Schiffe).

Für den Fall, dass während der Analyse kein Fahrzeug einen Konflikt erkennt, gelten alle Schiffe als unkoordiniert. Damit entfällt auch die Berechnung konfliktfreier Bahnen. Im Anfangszustand vor dem Aufbau dezentraler Strukturen sind ebenfalls alle Fahrzeuge unkoordiniert. Eine Änderung wird erst durch das Entdecken von Konflikten bewirkt.


2.3 Konfliktlösung und Zerfall der temporären Strukturen

Basierend auf der Situationsbewertung durch den Analysator des koordinierenden Fahrzeugs wird die Auflösung von Konfliktsituationen mittels einer zeitlichen und räumlichen Koordinierung des Verkehrs im strategischen Sinne erreicht [5].

Die Berechnung der konfliktfreien Bahnen erfolgt durch die koordinierenden Fahrzeuge (Master und selbstkoordinierende). Dafür steht allen Fahrzeugen ein Lösungsgenerator [3] zur Verfügung.

Die Besonderheit der dezentralen Architektur liegt - im Vergleich zu anderen Modellen der Navigationsunterstützung - darin, dass die Koordinierung von Fahrzeugen im engeren Sinn, d.h. das Aussenden der Lösungen, innerhalb abgeschlossener Gruppen (Master mit zugehörigen Slaves) erfolgt. Dabei ist nicht auszuschließen, dass sich verschiedene Master-Slave-Gruppen physisch durchdringen. Beispielsweise könnte sich ein Schiff in der Realität zwischen den Fahrzeugen einer Gruppe bewegen, aber aus Sicht des Systems nicht dieser Gruppe, sondern einer anderen angehören.

Daher ist es von großer Bedeutung, bei der Lösungsfindung alle Daten zur Einschätzung der Umgebungssituation zu berücksichtigen, um zu vermeiden, dass auf den erzeugten Bahnen von Fahrzeugen verschiedener Gruppen neue Konflikte entstehen. Als Input für den Lösungsgenerator des koordinierenden Schiffes werden alle von Fahrzeugen empfangenen bzw. aus der Analyse gewonnenen Daten (einschließlich der Daten vom eigenen Fahrzeug) benutzt. Informationen von Fahrzeugen, die von diesem Master nicht koordiniert werden dürfen, also nicht zu dessen Gruppe gehören, werden bei der Bahnfindung berücksichtigt. Weil generell keine Sicherheit über die erzeugten Bahnen von Fahrzeugen aus anderen Gruppen besteht, werden derzeit auch für diese Schiffe Lösungen berechnet. Da alle koordinierenden Fahrzeuge mit denselben Algorithmen arbeiten wird auf diese Weise zumindest bei weitgehender Übereinstimmung in der Situationsanalyse auch einen weitgehende Übereinstimmung bei den berechneten Bahnen erzielt. Gerade bei geringem Abstand bzw. starker Durchdringung verschiedener Gruppen liegt eine erhöhte Übereinstimmung in den Analysen vor. Durch Berücksichtigung des Lösungsverhalten anderer Master lässt sich das Auftreten von Konflikten mit ungenügendem Manöverspielraum zur Konfliktbeseitigung einschränken. Das Ergebnis der Berechnung eines Masters wird allerdings nur an die Slaves derselben Gruppe ausgesandt.

Mit der Übertragung der neuen Routen an die Slaves bzw. der Lösungsfindung bei selbstkoordinierenden Fahrzeugen, verlieren die Zuordnungen innerhalb der dezentralen Gruppen ihre Gültigkeit. Dies ist mit einem Zerfall der temporären Strukturen gleichzusetzen. Eine tatsächliche Zerstörung der alten Strukturen findet statt, wenn nach der Situationsanalyse neue Zuordnungen vorgenommen werden bzw. die Konfliktfreiheit der Routen dazu führt, dass alle Fahrzeuge unkoordiniert bleiben. Das Erkennen von neuen Konflikten während der Analyse führt zur Herausbildung neuer Gruppen, d.h. echter Strukturen, in denen koordinierende Fahrzeuge vorhanden sind.


3 SIMULATIONSTECHNISCHE UMSETZUNG und ERGEBNISSE

3.1 Zeiträume der Konflikterkennung

Zur Sicherstellung der Ergebnisse wurden statistische Untersuchungen vorgenommen mit dem Ziel nachzuweisen, dass

  1. in jedem Konfliktfall eindeutige Master-Slave-Strukturen gebildet werden.
  2. in jedem Konfliktfall alle am Konflikt beteiligten Fahrzeuge koordiniert werden.
  3. eine für die Koordinierung ausreichende Stabilität und Lebensdauer der Master-Slave-Strukturen durch Gewichtung der Parameter bei der Faktorbildung erreicht wird.

Im Mittelpunkt der durchgeführten Simulationen standen Untersuchungen dazu, in welchen Zeiträumen Konflikte erkannt werden und beteiligte Fahrzeuge koordiniert werden könnten. Das Augenmerk wurde vorerst fast ausschließlich auf die Beobachtung der Fahrzeuge gerichtet, ohne die erkannten Konflikte aufzulösen, d.h. auf die Benutzung eines Lösungsgenerators wurde verzichtet. Dadurch sollte ermöglicht werden, Gefahrensituationen über einen längeren Zeitraum zu beobachten und Rückschlüsse auf komplexe Abläufe und noch ungenutzte Potentiale dezentraler Strukturen zu ziehen (Masterwechsel, Optimalität der Faktoren usw.).
Für die Auswertung der Beobachtungszeiträume waren besonders der erste Zeitpunkt einer Konflikterkennung bzw. der späteste Zeitpunkt, ab dem ein Konflikt kontinuierlich unter Kontrolle eines koordinierenden Fahrzeugs stand, von Interesse. Schwankungen der Reichweiten können u.U. dafür sorgen, dass diese Zeitpunkte mehr oder weniger weit auseinander liegen.
Während der Untersuchungen wurden Testszenarien mit bis zu 11 in einem Seegebiet kreuzenden Fahrzeugen verwendet, wobei die Schiffe nach Ablauf einer bestimmten Zeit ein Wendemanöver durchführten, so dass das Gebiet ständig befahren wurde. Die Zeiträume zwischen zwei Wendungen und die simulierten Reichweitenintervalle (die Funkreichweiten der Fahrzeuge schwankten in einem vorgegebenen Intervall) wurden in den verschiedenen Szenarien variiert.

In Abbildung 3 sind die verbleibenden Zeiten vom frühesten bzw. spätesten Zeitpunkt der Konflikterkennung bis zum eigentlichen Konfliktzeitpunkt in Abhängigkeit von den Sendereichweiten der Fahrzeuge und der Fahrtzeit zwischen zwei Reflektionen dargestellt. Jeweils zwei benachbarte Säulen bilden ein Paar, die linke von ihnen steht für den frühesten Zeitpunkt der Konflikterkennung (hell), die rechte für den spätesten (dunkel).

Abbildung 3: Konflikterkennungszeitpunkte für unterschiedliche Reichweiten und Wendezeiten

Ergebnisse, die aus dem Diagramm abgelesen werden können, sind:

  • Trend zu steigenden Restzeiten bei steigender Reichweite und steigender Reflektionszeit
  • Sinkende Abweichung zwischen frühestem und spätestem Zeitpunkt der Konflikterkennung bei steigenden Reichweiten
  • Minimaler (Durchschnitts-) Wert für spätesten Zeitpunkt überhaupt liegt bei über 22 Minuten (10-15 nm Reichweite), maximaler Wert für den frühesten bei über 66 Minuten (20-25 nm Reichweite)

Es wurde überprüft, ob Situationen auftreten, in denen für Fahrzeuge zwar Konflikte erkannt werden, diese Fahrzeuge aber nicht an der Koordinierung teilnehmen. Während der gesamten Untersuchungszeit über rund 1224 Stunden gab es lediglich 55 derartige Konflikte, die sich alle auf fehlende bzw. unterbrochene bidirektionale Verbindungen zwischen Koordinierungsteilnehmern (aufgrund der simulierten Reichweitenschwankungen) zurückführen ließen. Lediglich zwei von ihnen waren zeitkritisch, d.h. der Zeitpunkt der Konflikterkennung lag weniger als 20 Minuten vor der erwarteten Sicherheitsbereichsverletzung. In beiden Situationen lag die angenommene Reichweite unter 15 nautischen Meilen. Alle anderen Fälle hatten einen ausreichenden Zeitvorrat, der zum Teil sehr deutlich (bis zu 96 Minuten Restzeit) über der kritischen Grenze lag.


3.2 Ursachen für Masterwechsel

Die Anzahl der erkannten Konfliktfahrzeuge und die relativen Geschwindigkeiten sind i.a. veränderliche Größen, wodurch auch die Faktoren der Fahrzeuge gewissen situationsbedingten Schwankungen unterworfen sind. Das führt unter Umständen zu Verschiebungen innerhalb der koordinierenden Strukturen, d.h. bei annähernd gleichen, zeitlich aufeinanderfolgenden Verkehrssituationen könnte ein Slave verschiedenen Mastern zugeordnet werden ("Masterwechsel").
Offensichtlich verringern häufige, schnell aufeinanderfolgende Masterwechsel die Effektivität dezentraler Strukturen, im Extremfall wären Masterfunktionalitäten zeitlich so stark beschnitten, dass neue Lösungen bei ihrer Aussendung bereits nicht mehr verwertbar wären, weil das sendende Schiff seinen Masterstatus schon wieder verloren hat. Deshalb besteht ein starkes Interesse daran, Masterwechsel so selten wie möglich stattfinden zu lassen.

Als Ausschlaggebend für während der Simulationen stattfindende Masterwechsel wurden drei mögliche Ereignisse ermittelt:

  • Veränderungen der Anzahl erkannter Konfliktfahrzeuge,
  • Änderungen der "Sichtverhältnisse" von Fahrzeugen aufgrund ihrer Reichweite und damit verbundene Entstehung oder Auflösung bidirektionaler Kommunikationsverbindungen
  • Faktoränderungen einzelner oder mehrerer Fahrzeuge, verursacht beispielsweise durch Kurs- oder Fahrtänderungen.

Es wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, bei denen anhand aufgezeichneter Daten stattfindende Masterwechsel registriert sowie Rückschlüsse über deren Ursachen gezogen wurden. Parallel dazu wurden die einzelnen Kriterien für die Faktorbildung so gewichtet, dass zum einen die Anzahl der Masterwechsel auf ein annehmbares Maß reduziert und zum anderen die Verteilung der Masterwechsel nach Ursachen in ein ausgewogenes Verhältnis gebracht werden konnte. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ergibt sich die in Abbildung 4 dargestellte Verteilung.

Abbildung 4: Prozentuale Verteilung der Masterwechsel nach Ursachen

Es ist zu erkennen, dass in erster Linie die Änderung der Anzahl erkannter Konfliktfahrzeuge zu einem Masterwechsel führte. Dies erscheint sinnvoll, da erst die Erkennung von Konfliktfahrzeugen den Aufbau dezentraler Strukturen mit Mastern und Slaves verursacht. Außerdem gilt die Anzahl der erkannten Konfliktfahrzeuge als wichtigstes Kriterium für die Vergabe der Masterrechte. Zweithäufigste Ursache für einen Masterwechsel waren Veränderungen in den kommunikativen Verhältnissen der beteiligten Fahrzeuge, beispielsweise der Ausfall einer bidirektionalen Verbindung zwischen Master und Slave. Durch Kurs- oder Fahrtmanöver hervorgerufene Änderungen der Faktoren führten in den wenigsten Fällen zu einem Masterwechsel. Da Informationen zwischen Master und Slave für das einwandfreie Funktionieren der Koordinierung zwingend in beide Richtungen ausgetauscht werden müssen, blieb letztlich die Möglichkeit, Masterwechsel, die auf kurs- und fahrtabhängige Faktoränderungen zurückzuführen waren, auf ein vernünftiges Maß zu beschränken, d.h. die zugehörigen Komponenten bei der Bildung der Faktoren entsprechend niedrig zu gewichten.


3.3 Zusätzlicher Kommunikationsaufwand

Innerhalb des dezentralen Systems ist eine umfangreiche Kommunikation erforderlich aufgrund der Verwendung von Faktoren bzw. der über deren Vergleich ablaufende Aufbau dezentraler Strukturen sowie der Notwendigkeit, Zuordnungsergebnisse abzustimmen.
Neben der Übertragung von Wegpunktlisten und Lösungen ist es darüber hinaus notwendig, "Verwaltungsinformationen" zu übertragen, d.h. Daten, die für den Aufbau der temporären Strukturen notwendig sind. Dies sind im einzelnen

  • Faktor,
  • Master-ID und
  • Shakehands-Liste

für jedes Fahrzeug. Dafür gibt es die Möglichkeiten, entweder die bisher definierten Nachrichtentypen zu nutzen, indem die benötigten Informationen in noch verfügbaren freien Bits untergebracht oder geeignete Nachrichtentypen verwendet werden, wie z.B. "Short Safety Related Messages", die einen frei formatierbaren Text adressiert an einzelne Teilnehmer oder als Broadcast-Nachricht übertragen. Weiterhin könnten neue, eigens auf die dezentrale Architektur zugeschnittene Nachrichtentypen definiert werden, die die benötigten Informationen übertragen.

Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um Aussagen zum Navigationsdatenmanagement zu gewinnen sowie Anforderungen hinsichtlich des für die Koordinierung notwendigen Datentransfers zu definieren. Zu diesem Zweck wurden die Aussendungen von Nachrichten, wie sie für die Koordinierung mit Hilfe der dezentralen Architektur benötigt werden, modelliert.
Untersucht wurde das Systemverhalten bezüglich aller Nachrichten, die im System über den bidirektionalen Übertragungskanal zwischen den Teilnehmern übertragen werden. Das Format der öffentlichen Nachricht orientiert sich hinsichtlich der Länge der Nachricht an das AIS - Protokoll [1].

Die gesamte Kanalbelastung setzt sich allgemein aus der Grundlast, die durch die Standard-Positionsmeldungen (SPM) der Fahrzeuge und dem Verwaltungsdaten entstehen, und einer dynamischen Last, bedingt durch die Koordinierungsanweisungen an die Fahrzeuge, zusammen ([2],[6]).

pges = pg + pdyn
  • pg
Grundlast:Standard-Positionsmeldungen und Verwaltungsdaten der Fahrzeuge
  • pdyn
Dynamische Last:Koordinierungsanweisung an die Fahrzeuge

Die Grundlast hängt von der Anzahl der im System angemeldeten Fahrzeuge ab. Sie steigt im wesentlichen linear an. Die Verwaltungsinformationen werden zur statischen Last gewertet, da diese zum Funktionieren der dezentralen Koordinierung als Bestandteil der Standardmeldungen im AIS verfügbar sein müssen.
Die Koordinierungsanweisungen setzen sich aus

  • den statischen, gebietsbedingten Wegpunktzuweisungen und
  • den dynamischen, durch die Beseitigung von Konflikten entstandenen Wegpunktzuweisungen zusammen.

Ein dezentraler Zyklus umfasst folgende aktive Kommunikationsleistungen:

  1. Senden der Positionsdaten
  2. Senden von Faktor, Master-ID und Shakehands-Liste
  3. Senden von Faktor und Master-ID für den Abgleich
  4. Senden der dynamischen Wegpunkte (nur koordinierende Fahrzeuge).

Die Punkte 1-3 entsprechen der statischen Last, Punkt 4 bedeutet einen dynamischen Mehraufwand. Da die Aussendung der Positionsdaten bereits im AIS-Modell erfolgt, ergeben sich zwei zusätzliche Sendungen pro Fahrzeug und Zyklus. Ein neu zu definierender Nachrichtentyp könnte problemlos Master-ID und Faktor übermitteln, die in den Shakehands-Listen enthaltenen Informationen könnten etwas umfangreicher sein und daher mehrere Sendungen erfordern. Je nach Gestaltung des Nachrichtentyps wäre mit insgesamt 2 bis 3 zusätzliche Messages zu rechnen. Beschränkt man sich auf den vorgesehenen Zyklus von 6 Minuten für eine Erneuerung der statischen Positionsmeldung bedeutet das eine zusätzliche statische Nachricht alle 120 bzw. 90 Sekunden.
Nach [3] ist mit Hilfe eines speziellen Nachrichtentyps zur Wegpunktzuweisung durch das Control-Segment (das koordinierende Fahrzeug) die Zuweisung von 2 Wegpunkten pro Nachricht möglich. Dieses Modell wurde in der Simulation verwendet. Diese Form der Zuweisung enthält neben den Positionsangaben noch weitere Informationen, beispielsweise zum ETA (Estimated Time of Arrival).
Für die Aussendung dynamischer Informationen wären jedoch auch die Nachrichtentypen "Ship Waypoints and/or Route Plan Report" bzw. "Advice of Waypoints and/or Route Plan of VTS" nutzbar. Sie erlauben die Übertragung von bis zu 14 bzw. 12 Wegpunkten und einer speziellen Textbeschreibung zu einem Teilnehmer. Die koordinierenden Fahrzeuge würden in diesem Fall die Funktionalität der VTS-Stationen eines zentralen Koordinierungsmodells übernehmen. Ob dieser Nachrichtentyp trotz weniger Informationen für die Systemteilnehmer die Anforderungen erfüllt, ließe sich am ehesten in praktischen Tests überprüfen. Diese konnten zur Laufzeit des Projektes nicht mehr durchgeführt werden.

Da der Umfang der dynamischen Last in Abhängigkeit von der vorliegenden Situation sehr variieren kann, ist eine theoretische Bestimmung nur innerhalb grober Grenzen möglich. In der Simulation sollte ermittelt werden, mit welchen durchschnittlichen Werten praktisch zu rechnen ist.
Für die Koordinierung wird eine minimale Wegpunktanzahl dann zugewiesen, wenn zwischen Start- und Zielpunkt keine statischen Hindernisse liegen und keine Konflikte mit anderen Fahrzeugen auftreten. Es werden nur die Zielpunkte übertragen, so dass pro Fahrzeug nur eine Zuweisung erfolgt. Folglich entspricht die Anzahl der zugewiesenen Wegpunkte der Schiffsanzahl. Im Falle, dass kein Konflikt erkannt wird, verzichtet man sogar vollständig auf die Zuweisung dynamischer Wegpunkte.

In den folgenden Abbildungen sind die übertragenen Nachrichten für ein beispielhaftes Szenario dargestellt.

Abbildung 5: Statische Last für Positionsmeldungen (summiert)

Abbildung 6:Statische und dynamische Last für Positionsmeldungen (summiert)

Abbildung 7: Mehraufwand der Grundlast in abhängig von der Anzahl zusätzlicher Nachrichten pro Zyklus

In den statistischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der zusätzliche Aufwand für die Übertragung der Koordinierungsdaten im Mittel nur 3% bezüglich der Grundlast ausmacht. Spitzenwerten muss durch die Verwendung eines Nachrichtenpuffers Rechnung getragen werden. Es kann eingeschätzt werden, dass die im AIS zur Verfügung stehende Kanalkapazität eine Übertragung der für die Koordinierung notwendigen Daten prinzipiell zulässt.


4 Zusammenfassung

Als Form der Navigationsunterstützung durch Koordinierung bieten dezentrale Strukturen weitestgehend die schon für das zentrale Modell bekannten Vorteile. 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 ein relativ geringer Aufwand hinsichtlich der Ausrüstung der Fahrzeuge, die trotzdem den gegenwärtigen Stand der Technik ausreizen würde und 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.


Literatur

[1]IMO Recommendation on Performance Standards for a Universal Automatic Identification System (AIS), MSC. 74(69)
[2]Rascher, K.; Rohling, H.: Selbstorganisierende Funknetze für Verkehrsanwendungen; SATNAV 98;
[3]Zölder, A.; Weißflog, T.; Pankow, K.; Müller, R.: Abschlußbericht zum Projekt NADAKOS, Hochschule Wismar Fachbereich Seefahrt Warnemünde 1999, TIB Hannover 1999
[4]R. Eyrich, A. Zölder, K. Pankow, R. Müller: Temporäre Koordinierungen für die operative Routenplanung; Schriftenreihe des Schiffahrtsinstitutes Warnemünde e.V., Warnemünde 2001, Band 3, Seite 157 - 163
[5]R. Müller, A. Zölder, K. Pankow, R. Eyrich: Projekt NACOM - Navigationsunterstützung durch integrierte Kommunikation; Schriftenreihe des Schiffahrtsinstitutes Warnemünde e.V., Warnemünde 2001, Band 3, Seite 147 - 156
[6]R. Müller, A. Zölder, K. Pankow: Automatische Kommunikation in der Navigation; Schriftenreihe des Schiffahrtsinstitutes Warnemünde e.V., Warnemünde 2001, Band 3, Seite 69 - 83
[7]Zölder, A.; Eyrich, R.; Pankow, K.; Müller, R.: Abschlußbericht zum Projekt NACOM, Hochschule Wismar Fachbereich Seefahrt Warnemünde 2002, TIB Hannover 2002