Automatic and practical route planning for ships

Abstract

Hvis et skip skal seile fra en lokasjon til en annen, er en rute vanligvis laget av en erfaren navigatør, selv om automatiske ruteplanleggere allerede eksisterer. Årsaken til at mange automatiske ruteplanleggere er utkonkurrert i praksis, er at der er så mange industrielle krav til en rute som må bli tilfredsstilt, en variasjon av input slik som vær som må tilfredsstilles, og en god idé om hva en god rute er.

Denne avhandlingen utforsker automatisk ruteplanleggingsmetoder og foreslår en metode som har utspring i teori og er brukbar i praksis. Rutene er generert basert på et oppdrag, elektronisk nautiske kart, sjø- og værmeldinger og kunnskap om skipet. De genererte rutene er ihvertfall seilbare, tilfredsstiller en satt tidsfrist, er kompatibel med grunnleggende krav i elektroniske kart, er mulig å navigere gjennom optiske midler, og følger trafikkseperasjonssystemer. Planleggeren er dermed designet for å finne ruter av lav reisedistanse, lav reisetid, lav energiforbruk, lav rorslitasje og lite svinging.

Metoden er implementert og anvendt på et scenario fra Stavanger til Håkonsvern med lasteskip om natten og under normale vær- og sjø forhold. Rutene som er generert fra den implementert metoden er validert i henhold til kravene og dermed benchmarket ved å bruke Kongsberg Maritime K-Sim simulator miljøet. Ytelsen er sammenligned med fire eksisterende, manuell-baserte løsninger. Tre løsninger er forskjellige manuelle ruter og én er en manuelt modifisert rute fra en eksisterende automatisk ruteplanelgger som er implementert i Kongsberg sitt kart interface. Den implementerte metoden i denne avhandlingen er vist å utkonkurrere de eksisterende løsningene.

Fra analysen i det spesifikke scenarioet, ble det konkludert at vær og sjø har stor påvirkning på ytelsen til rutene. Det ble også konkludert at raske og energi-effektive ruter er lignende, ruter av lav rorslitasje og lite svinging er ligenende, og raske og energi-effektive ruter er ikke lignende på ruter av lav rorslitasje og lite svinging. Uten vær, er den korteste ruten sannsynligvis den raskest og også den mest energi-effektive ruten. Med vær, påvirker strømninger i havet seiletiden og også energi-forbruket. Derfor er den korteste ruten ikke nødvendigvis den raskeste eller den mest energi-effektive. Det ble også identifisert en ytelsesmetrikk basert på seiletid for å finne den raskeste og mest energi-effektive ruten, og en ytelsesmetrikk basert på antall svingninger for å finne ruter av lav rorslitasje og lite svinging.

If a ship is to transit from one location to another, a route is usually created manually by an experienced navigator, even though automatic planners exist. The reason why many automatic planners are outperformed in practice by manual planning, is that there are so many industry requirements to a route that needs to be fulfilled, a variety of inputs such as weather to consider and a good idea of what a good route is.

This thesis explores automatic route planning methods and proposes a method which originates in theory and is usable in practice. The routes are generated based on a mission, electronic nautical charts, sea/weather forecasts and knowledge of the ship. The generated routes are at least sailable, meet a set deadline, is compliant with basic electronic chart requirements, is possible to navigate through optical means, and adheres to traffic separation schemes. The planner is then designed to find routes of short travel distance, short travel time, low energy consumption, low rudder wear and tear and little turning.

The method is implemented and applied to a scenario from Stavanger to Håkonsvern by cargo ship during night and normal weather and sea conditions. The routes generated from the implemented method is validated according to the requirments and then benchmarked using the Kongsberg Maritime K-Sim simulator environment. The performance is compared to four existing, manual-based solutions. Three solutions are different manual routes and one is a manually modified route from an existing automatic route planner implemented in the Kongsberg chart interface. The implemented method of this thesis is shown to outperform the existing solutions.

From the analysis in the specific scenario, it was also concluded that weather and sea has a great impact on the performance of the routes. Also, it was concluded that fast and energy-efficent routes are similar, routes of low rudder wear and tear and little turning are similar, and that fast and energy-efficent routes are not similar to routes of low rudder wear and tear and little turning. Without weather, the shortest route is probably the fastest route and also the most energy efficient route. With weather, sea currents greatly impact the travel time and also energy consumption. Thus, the shortest route is probably not the fastest nor most energy-efficient route. It was also identified a performance metric based on travel time for finding a fast and energy-efficent route, and a performance metric based on number of turns for finding routes of low rudder wear and tear and turning.