Schiffskollisionen sind selten, aber verheerend für Umwelt, Passagiere und Maschinen. Die Kollisionsvermeidung ist Aufgabe der Besatzung, unterstützt durch Assistenzsysteme. Diese nutzen eine lineare Bewegungsprädiktion zur Gefahrenabschätzung, ignorieren dabei allerdings Kontextfaktoren wie Wetter und den Wasserstraßenverlauf, was zu Fehlalarmen führt. Dies erhöht das Kollisionsrisiko in küstennahen Gewässern. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Verhaltensprädiktion präsentiert, die Bewegungsdaten und Kontextinformationen miteinander kombiniert. Zur eigentlichen Vorhersage wird ein LSTM-Netzwerk für präzisere genutzt. Die Evaluationen in der Jade, Weser und Elbe zeigen, dass insbesondere die Berücksichtigung von Seewetter präzisere Ergebnisse liefert. Die Methode trägt somit zur Verbesserung der Kollisionsvermeidung bei.
Ship collisions are rare, but devastating for the environment, passengers and machinery. Collision avoidance is the task of the crew, supported by assistance systems. They use linear motion prediction to assess the risk, however, they neglect contextual factors such as weather and the course of the waterway, which leads to false alarms. This increases the risk of collision in coastal waters. In this thesis, a new method for behavior prediction is presented that combines movement data and context information. For the actual prediction, an LSTM network is used for more precise predictions. The evaluations in the Jade, Weser and Elbe show that the incorporation of sea weather in particular provides more precise results. The method therefore contributes to improving collision avoidance.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines an Bord installierten Systems zur Vermeidung parametrischen Rollens durch Kurs- und/oder Geschwindigkeitsempfehlungen. Hierzu bedient es sich zunächst einfacher Sensorik, um Daten des bewegten Schiffes und der Umwelt aufzunehmen. Mittels der hier gewonnenen Daten wird die aktuelle See um das Schiff berechnet. Unter Hinzunahme multipler Parameter, welche 8 anstatt der bisher 4 verwendeten Bedingungen des parametrischen Rollens begünstigen, wird zunächst die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des parametrischen Rollens berechnet. Zusätzlich folgt eine Vorhersage der Schiffsbewegung mittels eines Random Forest Algorithmus für die nächsten zwei Minuten. Im Falle eines positiven Ausschlages beider Sub-Systeme, berechnet das System einen Kurs respektive Geschwindigkeit, für welche die Wahrscheinlichkeit und die Vorhersage für parametrisches Rollen gegen Null tendieren. Dies kann von der Schiffsführung oder einem vorangestellten autonomen System genutzt werden. Die Evaluation des Systems wurde mittels erhobener Realdaten des Containerschiffes MSC Madrid der Reederei Offen durchgeführt.
This thesis describes the development of an on-board system to avoid parametric rolling by providing course and/or speed recommendations to the ship's command. For this purpose, it first uses simple sensors on board of the ship to collect data of the moving ship and the environment. Using the data obtained here, the current sea around the ship is calculated. Adding multiple parameters that favor the conditions of parametric rolling, the probability for the occurrence of parametric rolling is first calculated. After this is done, a prediction is output using a Random Forest algorithm for the next two minutes. In case of a positive swing of both sub-systems (probability and prediction), the system calculates and outputs a course and speed, respectively, for which the probability and the prediction for parametric roll tend towards zero. This can be used by the ship's command or a preceding autonomous system. The evaluation of the system was performed using collected real-time data from the container ship MSC Madrid of the shipping company Offen.
szenariobasiertes Testen; Testfalldatenbank; HochschulschriftSchifffahrtKollisionsschutzValidierungValiditätRichtigkeit von ErgebnissenVerkehrsträger
Diese Arbeit geht der Frage nach, wie sich validierungsrelevante Beinahekollisionssituationen aus historischen Verkehrsdaten detektieren und als Ground Truth nutzen lassen. Nach der Sichtung des Stands der Technik werden Anforderungen an die Datenerhebung, Datenspeicherung, sowie die Datenanalyse erhoben und ein entsprechendes Konzept erstellt. Zur Bestimmung von Beinahekollisionen werden zunächst die relevanten Einflussfaktoren hergeleitet und es folgt, gemäß der Definition, die Entwicklung mehrerer Methoden und Werkzeuge zur Identifikation von fahrerreaktionsbasierten, funktionsreaktionsbasierten, kontextbasierten und historienbasierten Auffälligkeiten. Als Vorbereitung auf die Evaluation schließt sich die Implementierung und Integration der Systemartefakte in das maritime Testfeld eMIR an. Es kann gezeigt werden, dass der Ansatz zur objektiven Erkennung von Beinahekollisionen geeignet ist und als Ground Truth für das szenariobasierte Testen eingesetzt werden kann.
This thesis addresses the research question of how near-collision situations relevant for validation can be detected from historical traffic data and used as ground truth. After reviewing the state of the art, requirements for data collection, data storage, and data analysis are determined and a corresponding concept is developed. To determine near-collisions, the relevant influencing factors are first derived and, according to the definition, the development of several methods and tools for the identification of driver reaction-based, function reaction-based, context-based and history-based anomalies follows. In preparation for the evaluation, this is followed by the implementation and integration of the system artifacts into the maritime testbed eMIR. It can be shown that the approach is suitable for objective detection of near-collisions and can be used as ground truth for scenario-based testing.
Intelligente Transport- und Mobilitätsdienste verbessern Verkehrssicherheit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit. Deren komplexe Natur erfordert sorgfältige Erforschung und Tests, unterstützt durch Testfelder. Der nachhaltige Entwurf solcher Testfelder ist anspruchsvoll. Diese Arbeit präsentiert einen strukturierten Entwurfs- und Bewertungsprozess, um robuste Architekturen zu schaffen. Der Prozess zerlegt funktionale Anforderungen in kleinste Einheiten, die zu größeren Prozessen choreographiert werden. Das 4+1-Sichten-Softwarearchitekturmodell wird angewendet, um den Entwurf zu beschreiben. Diese Methode wird in der Praxis unter realistischen Bedingungen evaluiert. Ein Bewertungsverfahren ermöglicht eine sensible Beurteilung nicht-funktionaler Anforderungen und den Vergleich mit alternativen Entwürfen. Dies fördert die Entwicklung nachhaltiger Testfeldarchitekturen für wirtschaftliche Tests von ITS-Anwendungen.
Intelligent Transportation Systems (ITS) promise safer, efficient, and eco-friendly transport. Testing ITS solutions is a major challenge due to varied requirements and evolving technology. Designing a versatile and future-proof test site is complex. This document presents a structured design and evaluation process for ITS test sites, considering both functional and non-functional requirements. The goal is to create a robust architecture allowing risk evaluation before final construction. The design process breaks down functional requirements into atomic service units and choreographs them into larger processes, aligning with test site use cases. The '4+1 views' software architecture model is adopted to ensure a comprehensive design description. The approach is demonstrated by applying it to representative aspects of a typical test site design under realistic conditions. The resulting outcome is analyzed for feasibility and suitability. An architecture evaluation method focuses on non-functional requirements like flexibility and interchangeability, allowing a thorough early evaluation of quality characteristics and critical aspects, enabling comparison with alternative designs.
Intelligente Transport- und Mobilitätsdienste verbessern Verkehrssicherheit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit. Deren komplexe Natur erfordert sorgfältige Erforschung und Tests, unterstützt durch Testfelder. Der nachhaltige Entwurf solcher Testfelder ist anspruchsvoll. Diese Arbeit präsentiert einen strukturierten Entwurfs- und Bewertungsprozess, um robuste Architekturen zu schaffen. Der Prozess zerlegt funktionale Anforderungen in kleinste Einheiten, die zu größeren Prozessen choreographiert werden. Das 4+1-Sichten-Softwarearchitekturmodell wird angewendet, um den Entwurf zu beschreiben. Diese Methode wird in der Praxis unter realistischen Bedingungen evaluiert. Ein Bewertungsverfahren ermöglicht eine sensible Beurteilung nicht-funktionaler Anforderungen und den Vergleich mit alternativen Entwürfen. Dies fördert die Entwicklung nachhaltiger Testfeldarchitekturen für wirtschaftliche Tests von ITS-Anwendungen.
Intelligent Transportation Systems (ITS) promise safer, efficient, and eco-friendly transport. Testing ITS solutions is a major challenge due to varied requirements and evolving technology. Designing a versatile and future-proof test site is complex. This document presents a structured design and evaluation process for ITS test sites, considering both functional and non-functional requirements. The goal is to create a robust architecture allowing risk evaluation before final construction. The design process breaks down functional requirements into atomic service units and choreographs them into larger processes, aligning with test site use cases. The '4+1 views' software architecture model is adopted to ensure a comprehensive design description. The approach is demonstrated by applying it to representative aspects of a typical test site design under realistic conditions. The resulting outcome is analyzed for feasibility and suitability. An architecture evaluation method focuses on non-functional requirements like flexibility and interchangeability, allowing a thorough early evaluation of quality characteristics and critical aspects, enabling comparison with alternative designs.
Maritime Daten; Datenökosystem; HochschulschriftTestbedDatenmanagementVerifikationValidierungValiditätRichtigkeit von ErgebnissenLogikErkenntnisWahrheitInformationsmanagementTestenSimulation
In den letzten Jahren wurden zahlreiche neue Ansätze für maritime Assistenzsysteme entwickelt, die immer datenintensivere Verfahren nutzen, etwa um Trajektorien zu prädizieren, Steuerbefehle zu berechnen oder Ankunftszeiten vorherzusagen. Um den Gesamtaufwand einer Systementwicklung zu beschränken, ist es oft sinnvoll die Entwicklung eines Testfeldes von der eigentlichen Systementwicklung zu trennen und dieses als generisch nutzbaren Service bereitzustellen. Die gemeinsame Nutzung von solchen generischen Testumgebungen durch verschiedene Stakeholder stellt jedoch eine Herausforderung für das Datenmanagement dar. Diese Arbeit präsentiert eine Architektur für maritime serviceorientierte Testfelder, die die Bereitstellung und das Management von Daten in dezentral organisierten Datenökosystemen für Forschungs- und Entwicklungsprozesse unterstützt. Die Architektur wird in einem etablierten maritimen Testfeld umgesetzt und bezüglich Anwendbarkeit und Performanz evaluiert.
Recently, numerous new approaches have been developed for maritime assistance systems that use increasingly data-intensive methods. For example, to predict trajectories, calculate control commands or predict port arrival times. To limit the overall effort of system development, it can be helpful to separate the development of a test bed from the actual system development and to provide it as a generic service. However, the joint usage of test beds by various stakeholders poses a challenge for data management. In this thesis, an architecture for maritime service-oriented testbeds that supports the provision and management of data in decentralized data ecosystems for research and development processes is presented. The developed architecture is implemented in a well-established maritime test bed and evaluated with regard to applicability and performance.
