| dc.description.abstract | Utviklingen av teknologi som muliggjør autonom navigering til havs har skutt til værs de siste årene. Å introdusere autonome overflatefartøy til et domene styrt av regler skrevet med intensjon om menneskelig tolkning utgjør en utfordring som ennå ikke er løst. Dette har ført til et gap mellom regulatoriske verifiserings- og valideringsprosedyrer og teknologien som utvikles. Å minske dette gapet krever rask handling. Det er av stor betydning å kunne sikre at teknologien ombord autonome fartøy er robust og trygg for alle på sjøen, og dette krever en grundig vurdering av regulatoriske krav, passasjer- og personellsikkerhet og risiko.
Denne oppgaven presenterer en metode for å evaluere manøvreringsytelsen til marine overflatefartøyer, egnet for bruk i simuleringsbaserte verifikasjon- og valideringsmetoder. Vi vurderer tre individuelle evalueringskriterier, nemlig overholdelse av International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs), risiko og opplevd passasjersikkerhet.
Disse konseptene er svært avhengige av et menneskes objektive tolkning av situasjonen, noe som gjør det utfordrende å automatisere evalueringsprosessen. Vi foreslår å løse dette ved å bruke fuzzy logic, en gren innen kunstig intelligens som prøver å imitere måten mennesker tar avgjørelser basert på upresis og ikke-numerisk informasjon. Spesifikt adresseres COLREGs ved å bestemme om et fartøy har rollen som Give-Way (GW) eller Stand-On (SO). Deretter beregnes en score for hvert fartøy ved hjelp av fuzzy membership funksjoner som modellerer reglene 7, 8, 13, 14, 15, 16 og 17 i COLREGs. Videre beregner vi en sikkerhetsscore basert på geometrien mellom båtene og distansen mellom de ved nærmeste passeringspunkt. Sikkerhetsscoren for passeringsavstand er funnet ved å bruke en metode som beregner den tillate passeringsavstanden mellom to båter ved hjelp av det manøvrerbare området rundt båten som passeres.
Til slutt beregnes en score for opplevd passasjersikkerhet ved å bruke en kombinasjon av data fra pågående offentlige prosjekter i Trondheim, og vurdering av posisjonsdata, hastighet og akselerasjon.
Evalueringssystemenes evner blir så demonstrert gjennom simuleringer fra Sandefjord havn og Kristiansund havn. Begge havner representerer et passende operasjonsdomene for evalueringssystemet, det vil si semi-begrensede domener i urbane områder. Ved å bruke et geografisk spesifikt operasjonsdomene kan vi realistisk reprodusere domenegeometriene i simulering og lage landmasker som muliggjør beregning av det manøvrerbare rommet i et møte. Videre blir evalueringssystemet testet gjennom batch-simuleringer for å demonstrere dets evne til å skille mellom mindre endringer i fartøysatferd.
Evalueringsmetoden viser seg å effektivt, og antagelig korrekt, avgjøre COLREGs-rollene til Own Ship og Target Ship. Den utviklede metoden beregner også overholdelse av COLREGs i henhold til regel 7, 8, 16 og 17, og viser seg å være en effektiv metode for å modellere vage definisjoner i COLREGs. Fuzzy logic-tilnærmingen demonstrerer visse fordeler sammenlignet med lignende evalueringsmetoder, spesielt når man tar hensyn til motstridende fartøysroller ved å omfavne vagheten til COLREGs og tillate et fartøy å bli vurdert som delvis Give-Way og delvis Stand-On.
Møtesikkerhetsevalueringen demonstrerer evnen til å evaluere sikkerheten i et møte ved å bruke evalueringskriterier anerkjent av forskning, det vil si fartøyenes geometri ved det nærmeste passeringspunkt og avstand ved det nærmeste passeringspunkt. Den utviklede metoden skiller seg fra andre lignende evalueringsmetoder ved å bruke en dynamisk avstand for å bestemme sikker passeringsavstand i et møte. Dynamisk avstandsberegning er basert på den tilgjengelige manøvrerbare plassen rundt Target Ship og viser seg å være en robust metode for å evaluere risikoen knyttet til avstand mellom to båter ved passering.
Til slutt beregnes den opplevde sikkerheten fra en passasjers synspunkt. Evalueringskriteriene er funnet ved å undersøke resultater fra en innbyggerundersøkelse i forbindelse med det pågående forskningsprosjektet "TRUSST – Assuring Trustworthy, Safe and Sustainable Transport for All." Andre evalueringskriterier er funnet fra komfortstudier på sammenlignbare transportmidler som T-bane og buss, hvor det blant annet blir funnet at horisontal akselerasjon er viktig for å vurdere komfort, og dermed også viktig for den opplevde sikkerheten ombord. Evalueringsresultatene er lovende, men det understrekes at dette er et ungt forskningsfelt som behøver videre forskning. | |
| dc.description.abstract | The development of technology that enables autonomous navigation at sea has surged in recent years. Introducing autonomous surface vessels to a domain governed by rules written for human interpretation poses a challenge that is yet to be solved. This has led to a gap between regulatory verification and validation procedures and the technology being developed, and tightening this gap demands quick action. Being able to robustly assure that the autonomous technology is safe for everyone at sea is of great importance and requires a thorough assessment of regulatory concerns, passenger and personnel safety concerns, and risk.
This thesis presents a method for evaluating the maneuvering performance of marine surface vessels, suitable for use in simulation-based evaluation and assurance of autonomous maneuvering and collision avoidance algorithms. We consider three individual evaluation metrics, namely, adherence to International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs), encounter safety and perceived passenger safety.
These concepts are highly dependent on a human's objective interpretation of the situation, and their evaluation is hence not easily automated.
We propose to mitigate this using fuzzy logic, a branch within artificial intelligence that aims to imitate the way humans make decisions based on imprecise and non-numerical information. Specifically, COLREGs are addressed by deciding whether a vessel has the role of Give-Way (GW) or Stand-On (SO). Subsequently, the compliance of each vessel is calculated through the designed fuzzy membership functions based on rules 7, 8, 13, 14, 15, 16, and 17 in the COLREGs. Further, we calculate a safety score based on the pose and range at the closest point of approach. The safety score calculation uses dynamic range thresholds based on the maneuverable space in the encounter area. Finally, a score for perceived passenger safety is calculated and addressed using a combination of data from ongoing public projects in Trondheim, Norway, and pose, velocity, and acceleration assessment.
The developed evaluation systems' capabilities are demonstrated through simulations from Sandefjord harbor and Kristiansund harbor. Both ports represent a suitable operational domain for the evaluation system, i.e., semi-restricted domains in urban areas. Using a geographic-specific operational domain we can realistically reproduce the domain geometries in simulation by creating land masks that enable the calculation of the maneuverable space in an encounter. Further, the evaluation system is tested through batch simulations to demonstrate its capability to differentiate between minor changes in vessel behaviors.
The evaluation method proves to efficiently, and presumably correctly, determine COLREGs roles of Own-Ship (OS) and Target Ship (TS) in vessel-to-vessel encounters. Also, it successfully calculates compliance according to rules 7, 8, 16, and 17. The fuzzy logic approach demonstrates advantages compared to similar evaluation purposes when accounting for conflicting vessel roles by embracing the vagueness of the COLREGs and allowing a vessel to be evaluated as partly SO and partly GW.
The encounter safety evaluation demonstrates the capability of evaluating the safety of an encounter by using evaluation criteria recognized by research, i.e., pose at the closest point of approach and distance at the closest point of approach. The developed method differs from other similar evaluation methods by using dynamic distance thresholds to determine the safe passing distance in an encounter. The dynamic range calculation is based on the available maneuverable space about the TS and proves to be a robust method for evaluating the passing distance.
Finally, the perceived safety from a passenger's point of view is calculated. The evaluation criteria are found by investigating results from a citizen engagement project in conjunction with the ongoing research project "TRUSST – Assuring Trustworthy, Safe and Sustainable Transport for All." Other evaluation criteria are found from comfort studies on comparable means of transport such as metro and bus, where predominantly horizontal acceleration governs the comfort. The evaluation results are promising, but it is emphasized that this is a young research field that needs further investigation. | |
