Gemiler için COLREG ile uyumlu otonom çatışmadan kaçınma çalışması
COLREG compatible autonomous ship collision avoidance study
Yazar: HASAN UĞURLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL ÇİÇEK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine

Özet:
Deniz taşımacılığı, diğer taşıma yöntemlerine kıyasla tek seferde taşınabilen yük miktarının fazlalığı ve birim taşıma maliyetlerinin düşüklüğü nedeniyle küresel taşımacılığın hacim olarak %90'ını gerçekleştirmektedir. Ancak artan gemi sayısı ve tonajı, modern ve hızlı yükleme boşaltma yapılabilen yeni limanlar, iş yükü artarken gemide çalışan personel sayısının giderek azalması gibi birçok etken denizde emniyeti tehdit eder hale gelmiştir. Küçük bir şehrin nüfusuna yakın yolcu taşıyan devasa yolcu gemileri, büyük miktarda ham petrol taşıyan süper tankerler, konteynır gemileriyle taşınan katma değeri yüksek yükler nedeniyle, denizde meydana gelebilecek kazalar gerek insan hayatı gerek çevre kirliliği gerekse mali açıdan çok büyük sonuçlar doğurma potansiyeline sahiptir. Bu sorunlara günümüz teknolojileri ile bulunabilecek en ideal çözümlerden biri otonom/insansız deniz araçlardır. Günümüzde otonom araçlar her alanda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ancak denizcilikte otonom su üstü araçları; denizin zorlu koşulları, birden fazla fiziksel ortamla temas halinde bulunması, uluslararası kuralların getirdiği kısıtlamalar gibi birçok faktör nedeniyle hava ve kara araçları kadar gelişim gösterememiştir.
Mevcut otonom su üstü araçlarının birçoğu deneysel platform olmaktan öteye geçememiş ya da simülatör ortamında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Diğer çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada ortaya konulan çatışmadan kaçınma sistemi fiziksel deniz ortamında, her türlü hava ve deniz şartlarında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca COLREG Kuralları ile de uyumludur. Önerilen yöntemin neden gerekli olduğunu ortaya koymak için 1977'den itibaren meydana gelen ve en az biri radar cihazına sahip olan gemilerin karıştığı çatışma kazaları incelenmiş ve kaza nedenlerinin başında insan hatası ve COLREG Kurallarına uymamanın geldiği görülmüştür. Bu, en büyük iki nedeni ortadan kaldırmak adına bu çalışmada tamamen insan müdahalesinden bağımsız ve COLREG'in diğer çalışmalarda göz ardı edilen kuralları da ele alınarak insansız su üstü araçları için otonom bir çatışmadan kaçınma sistemi ayrıca insanlı gemiler içinde bir karar destek sistemi ortaya konulmaya çalışılmıştır.
Çalışmada, çatışmasız seyri garanti etmek için iki aşamalı bir çatışmadan kaçınma sistemi önerilmiştir. İlk yöntem COLREG Kurallarını gözeten, emniyeti sağlamak için çatışma riski indeksi ve gemi alanını kullanılan kural tabanlı bir yöntemdir. İkinci aşama ise ilk yöntemin çatışmasız yolu garanti edemediği durumlarda devreye giren ve belirsiz ortamlarda hareket eden araçların emniyetini ve bu emniyetin sürekliliğini garanti eden Kontrol Bariyer Fonksiyonu (CBF) ve Kontrol Lyapunov Fonksiyonlarının (CLF) kullanıldığı yöntemdir. Bu yöntemlerle gemilerin modellenmesi, çatışmasız geçişleri, dış etkenlerin tahmini ve COLREG Kurallarına uymaları sağlanmıştır. Çatışma riskini belirlemek için gemi alanı, gemi manevra karakteristikleri ve gemilerin birbirine göre uzaklıkları da içerecek şekilde çatışma riski indeksi hesaplanmış ve gemi emniyet alanıyla hibrit şekilde uygulanmıştır. Çalışma ile robotikte son dönemlerde sıklıkla kullanılan CBF ve CLF yöntemleri gemilerin çatışmadan kaçınma problemine entegre edilmiş ve tatmin edici sonuçlara ulaşılmıştır. Kullanılan dış etken tahmin modeli, en güncel dış etken tahmin modellerinden biri olup, rüzgâr, akıntı vb. etkenleri gerçeğe yakın şekilde modelleyebilmekte ve bunların etkilerini göz önünde bulundurmaktadır. Benzer çalışmalardaki uygulamalarda bu etkenler ya göz ardı edilmiş ya da kısmen modellenebilmiştir.
Hedef tespiti için önce radar cihazının uygun olduğu düşünülmüş ve C++ programı ile eşzamanlı radar ve ECDIS videosu görüntü işleme teknikleri ile incelenmiştir. Çalışma sonucunda hedeflerin rotaları ve kendi gemisinden uzaklıkları tespit edilebilmesine rağmen hızları sağlıklı şekilde tespit edilememiştir. Bunun nedeni görüntü işlemenin hedefleri pikselleri sayarak tespit etmesi ancak hedef gemilere ait piksellerin her radar ekosuyla birlikte değişken yapıda olmasıdır. Bu nedenle hedef tespit sensörü olarak radar yerine AIS cihazının uygun olduğu belirlenmiştir.
Çalışma açık denizde seyir yapan gemilere yönelik olduğu için dar su yolları için geçerli olan COLREG Kuralları göz ardı edilmiş, odak noktamız otonom gemiler olduğu için ticari bir gemileri etkileyen 6 serbestlik dereceli model yerine 3 serbestlik dereceli modelin kullanılması gibi kısıtlamalar da mevcuttur. Çalışmada mevcut bir diğer kısıtlama Otomatik Tanımlama Sistemi (AIS) cihazına sahip olmayan gemi ve/veya engellerin algılanamıyor olmasıdır.
Çatışmadan kaçınma yöntemi uygulanırken 5-10° gibi küçük açılarla kaçınma manevrası yapıldığında CRI'nin daha uzun süre belirlenen eşik değer olan 0,6'nın üzerinde kalmaya meylettiği yani çatışma riskinin daha uzun sürdüğü görülmüştür. Bu nedenle dönüşler 30°'lik dümen açılarıyla yapılarak hem riskli sürenin kısalması sağlanmış hem de COLREG Kural 8'e uygun hareket edilmiştir. Yöntemin bir diğer avantajı çatışma riskini hesaplarken DCPA ve TCPA'i de dikkate almasından dolayı her gemi için bilinçsiz şekilde çatışmadan kaçınma manevrası yapılmamasıdır. Bu da zamandan ve yakıttan tasarruf sağlamaktadır.
Çalışmada önerilen ikinci yöntem olan ve robotikte en güncel engelden kaçınma yöntemleri olan gürbüz kontrol bariyer fonksiyonu ve Lyapunov bariyer fonksiyonları MATLAB/Simulink® programında birlikte uygulanarak çatışmasız yörünge garanti edilmiştir. Ayrıca bu yöntemlere entegre edilen bozucu gözlemci dış etkenler bilinmese de onlara karşı en uygun önleme manevrasının yapılmasını sağlayarak zorlu deniz şartlarından olan dalga akıntı gibi faktörlerin etkilerini önemsenmeyecek seviyeye kadar indirgemektedir. Yani bu sistem önceden bilinmeyen ortamlarla karşılaştığında da dengeli şekilde görevini yerine getirebilmektedir. Kontrol fonksiyonunun bir diğer avantajı literatürdeki diğer yöntemlerin aksiye hedeflerin gelecekteki yörüngeleri bilinmese de çatışmasız yörüngeyi garanti edebilmesidir.
Sistemin geliştirilmesi gereken birçok yönü olmasına rağmen elde edilen sonuçlar gelecek adına umut vericidir. Çalışmanın bir diğer sonucu insanlı ve insansız gemilerde çatışmadan kaçınmak için kullanılabilmesinin yanı sıra karadaki VTS gibi birimlere de gemi trafiğinin düzenlenmesi ve kontrol edilebilmesi için yoruma gerek kalmadan doğrudan veri sağlayabilmesidir.

Abstract:
Maritime transportation carries out 90% of the global cargo in volume due to the higher amount that can be carried at once compared to other transportation methods and the low unit shipping costs. However, many factors such as the increasing number and tonnage of ships, new ports with modern, fast loading and unloading facilities, and the decrease in the number of the crew working onboard as the workload increases, have become threatening to safety at sea. Due to the huge cruise ships carrying passengers close to the population of a small city, supertankers carrying large amounts of crude oil, and high-value-added cargoes carried by container ships, accidents that may occur at sea have the potential to cause enormous consequences in terms of human life, environmental pollution, and finance. One of the most ideal solutions to these problems with today's technologies is autonomous/smart vehicles. Today, autonomous vehicles have been widely used in every field. However, autonomous surface vehicles in maritime; due to many factors such as the harsh sea conditions, being in contact with more than one physical environment, and restrictions imposed by international rules, could not develop as much as air and land vehicles.
Since the aim of the study is to prevent ship collision accidents, different factors such as accident causes related to collision accidents, results of collision accidents, and the human factor in collision accidents were examined. To reveal why the proposed method is necessary, collision accidents involving ships, at least one of which has a radar device since 1977, were examined. In the research, accident causes were evaluated using Fault Tree Analysis and Multiple Correspondance Analysis and 39 different primary reasons were found that cause ship collision accidents. It was seen that human error and non-compliance with the COLREG Rules were the leading causes of the accident. To eliminate these two biggest reasons, this study is completely independent of human intervention and by considering the COLREG Rules that are ignored in other studies, an autonomous collision avoidance system for unmanned surface vehicles and a decision support system in manned ships have been tried to be put forward.
In the comprehensive literature review stage made within the scope of the thesis, the studies on a similar subject were examined in all aspects, and the advantages and disadvantages of the algorithms and the methods used, and the criteria discussed were evaluated. Although the studies in the literature are academically valuable in terms of the methods and approaches they propose, it has been observed that many of them are insufficient in terms of real-life applicability and long-term operationality. Many of the existing autonomous surface vehicles have not gone beyond being an experimental platform or are designed to work in a simulator environment. Unlike other studies, the collision avoidance system presented in this study is designed to operate in the real sea environment, in all weather and sea conditions. It also complies with the COLREG Rules.
Within the scope of the study, the radar device was thought to be a suitable sensor for detecting the target ships. In this context, synchronized radar and ECDIS video with C++ program were examined by image processing method. Since the image processing evaluates the images as pixels, although the routes of the ships in the image and their distances to own ship were determined accurately, their speeds could not be obtained correctly. Another problem we encountered with the radar device was the difficulty in interpreting the images. Therefore, as an alternative target detection sensor, the AIS device was found to be more suitable for our study. The reasons for choosing the AIS device as a target detection sensor are: does not need a human operator, not affected by severe weather and sea conditions, can detect targets early enough, it is easy to process and interpret the data, can detect the target quickly enough, can scan the ship's environment at an angle of 360°, inexpensive, small in size, has low power consumption, can identify targets according to COLREGs, has no blind sector, can detect targets even if there are obstacles (without visual contact), is not affected by 6 DOF movements of the ship, information of two adjacent targets is not mixed, is that it can provide route and/or speed changes in near real-time. However, there are also drawbacks of the AIS device such as not being on every ship, not being able to detect other floating objects, and being open to manipulation due to GPS. AIS alone is not sufficient to obtain target data and provide a representation of the environment. It needs a GPS device to obtain information about targets, such as location and speed over ground, and an ECDIS device for displaying the environment, topographic and hydrographic data.
In the study, a two-stage conflict avoidance system is proposed to guarantee collision-free navigation. The first method is a rule-based method that observes the COLREG Rules and uses the collision risk index and ship area to ensure safety. The second stage is the method in which the Control Barrier Function (CBF) and Control Lyapunov Functions (CLF) are used, which is activated when the first method cannot guarantee the collision-free path and guarantees the safety of vehicles moving in uncertain environments and the continuity of this safety. With these methods, modelling of ships, collision-free path, estimation of disturbing factors, and compliance with COLREG Rules are ensured. With this study, CBF and CLF methods, which are frequently used in robotics, have been applied to the problem of collision avoidance of ships, and satisfactory results have been obtained. The disturbing factor forecasting model used is one of the most up-to-date external factor forecasting models, and it is used for estimating the common effects of wind, current, etc. It can realistically model the disturbances and consider their effects. In similar studies, these factors were either ignored or partially modeled. Since the ships considered in the study were considered as USVs, 3 DOFs were considered instead of 6 DOFs. Yaw, surge, and sway are the considered DOFs.
In order to determine the collision risk, the collision risk index including the ship domain, ship maneuvering characteristics, the distances and bearings between ships was calculated and applied in a hybrid way with the ship safety area.
CBF and CLF methods use safety domains to ensure ship safety. Since the COLREG Rules will also be taken into account in the study, areas for the COLREG have also been determined in addition to the ship domain, ensuring safety in avoidance
maneuvers, as well as ensuring compliance with the COLREG Rules. The ship domain represents an area that other ships should never enter. While determining the ship domain, the tactical turning radius and turning circle (4 x LOA) of the ships were taken into account. The ship domain in our study only considers ship length. An adaptive ship domain that takes into account other conditions is outside the scope of this study. The areas required for the application of the COLREG Rules are also determined to be 3.5 and 7 times the diameter of the ship domain. These values are optional. It can be increased in the open sea passages and reduced in restricted waters. All domains/areas were calculated separately for the ships involved in the accidents discussed in the study.
As we do not have access to the data obtained from a real AIS device within the scope of the study, we have shown that ship collision accidents can be prevented by using the proposed method by using the AIS data of the ships involved in collision accidents. For this action, collision accidents were selected in which each of the COLREG Rules considered was violated. It has been shown that the system works by simulating 5 collision accidents involving COLREG Rules 13-14-15-18. Compliance with COLREG Rules 5-7-8-16 and 17 is guaranteed with the help of the proposed method and the sensors used.
COLREG Rules applicable to narrow waterways have been disregarded as the study is for vessels navigating in the open sea, and there are also restrictions such as not using a commercial ship model since our focus is on autonomous vessels. Another limitation of the study is the inability to detect ships and/or obstacles that do not have an Automatic Identification System (AIS) device.