İnsansız su üstü deniz araçları için çarpışma regülasyonları ile uyumlu, dinamik, optimal çatışmadan sakınma rotası planlaması
Dynamic, colregs-compliant, optimal collision avoidance path planning method for unmanned surface vehicle
Yazar: BURAK ALPTEKİN
Danışman: DOÇ. DR. NİHAN KAHRAMAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Denizcilik = Marine ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tezin amacı, otonom su üstü gemileri için yürürlükteki yerel/uluslararası kurallar ile iyi denizcilik özelliklerine uygun çatışma riskini tespit eden ve çatışmadan sakınan bir yöntem gerçekleştirmektir. Belirtilen problemin çözümü için öncelikle geminin hareketinin doğru bir şekilde modellenmesi gerekmektedir. Müteakiben çatışma riski tespit edilmeli ve son olarak çatışma riskinin belirlenen seviyenin üzerinde olması durumunda çatışmayı önlemek için çözüm üretilmelidir. Ayrıca çatışma riskini düşük tutabilmek için kullara uygun süratle intikal edilmelidir. Bunun için coğrafya, trafik yoğunluğu, meteorolojik şartlar ve gemi manevra kabiliyeti dikkate alınarak emniyetli bir sürat belirlenmelidir. Bu çalışmada, çatışma riskinin tespiti için risk yönetiminde kullanılan temel teori ve kavramlara dayanan bir yöntem oluşturulmuştur. Yöntem, çatışma riskinin doğru tahminini sağlamak için gemi güvenlik alanı, DCPA, TCPA, mesafe, kerteriz, deniz durumu, gemi tipi, gemi manevra kabiliyeti, uzunluk ve hızdan oluşan birçok faktörleri kullanmaktadır. Yöntem riski tanımlamak için oluşturulan mevcut rota riski, cari risk, risk kaynağı, risk şiddeti ve risk tipi gibi alt risk faktörlerini kullanmaktadır. Yöntem, riskin soyut yönünü ortadan kaldırarak hesaplanabilmekte ve daha kolay anlaşılır hale getirmektedir. Tez kapsamında ikinci olarak DEÇÖY (Denizde Çatışama Önleme Yönetmeliği), bölgesel kurallar ve gemi kabiliyetini göz önüne alarak çözüm üreten çatışmadan sakınma yöntemi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, tabu arama algoritması probleme uygun olacak şekilde yeniden düzenlenmiştir. Tabu arama algoritmasının dinamik hafızaları ile yerel minimuma takılmayan, muhtemel çözüm bölgelerinde aramaya başlayarak hızlı çözüm elde eden ve değişen koşullara adapte olabilen bir yöntem geliştirilmiştir. Optimum çözüm, risk, uygulama maliyeti, yasallık ve uygulanabilirlik gibi kriterler değerlendirilerek belirlenmektedir. Son olarak çatışma riskini düşük tutmak için emniyetli sürat tespit edilmektedir. Bu maksatla geminin manevra kabiliyeti, meteorolojik şartlar, coğrafya ve trafik yoğunluğu çok katmanlı bulanık mantık ile işleme sokularak azami emniyetli sürat belirlenmektedir. Bu kapsamlı çalışma, adaptif çatışma önleme stratejisiyle deniz güvenliğini ve operasyonel verimliliği artıracağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
The main objective of this thesis is to design a collision risk detection and collision avoidance method for autonomous surface ships in accordance with the applicable local/international rules and good seamanship practices. In order to solve this problem, firstly the motion of the ship need to be modelled accurately. Subsequently, the risk of collision should be detected and finally, in case the risk of collision is above the determined threshold, a resolution should be found to avoid collision. Additionally, to keep the risk of conflict low, it is necessary to move with safe speed. Safety speed should be determined by considering geography, traffic density, meteorological conditions and ship manoeuvrability. A method for conflict risk identification is created based on the fundamental theories and concepts used in risk management. The method uses many factors such as ship safety domain, DCPA, TCPA, distance, bearing, sea state, ship type, ship manoeuvrability, length and speed to obtain an accurate estimation of collision risk. Method uses sub-risks such as current route risk, current risk, risk source, risk severity and risk type etc. created using risk factors to identify risk. The method removes the abstract aspect of risk and makes it calculable and easily understandable. Secondly, within the scope of the thesis, the collision avoidance method, which provides effective solutions by taking into account the COLREGs, regional rules and ship capability, has been carried out. In this context, the tabu search algorithm was modified to be suitable for this problem. By adjusting the dynamic memories of the tabu search algorithm, a method that does not get stuck in local minima, obtains fast solutions by starting the search in possible solution regions and can adapt to changing conditions has been developed. The optimum solution is determined by evaluating the solutions with criteria such as risk, cost, legality and applicability. Finally, a safe speed is determined to keep the risk of conflict low. For this objective, maximal safe speed is determined through multi-layer fuzzy logic processing of the ship's manoeuvrability, meteorological conditions, geography and traffic density. This comprehensive study is expected to increase maritime safety and operational efficiency with an adaptive collision avoidance strategy.