Autonomous ship testing environment (ASTE): A simulation-based framework for testing of autonomous ships

Abstract

Med økningen i bruk av autonome skip ser vi også økt interesse innenfor fagområdet. Hvor organisasjoner som International Maritime Organisation (IMO) utfører en undersøkelse for å analysere relevante traktat for skip og sikkerhet for å vurdere hvordan autonome skip burde bli regulert. Dette motiverer utviklingen av autonome skip og simuleringsbasert testing. I sammenheng med dette blir det vurdert noen eksiterende rammeverk for testing av autonome skip, og noen rammeverk for testing av autonome biler til sammenligning. Denne oppgaven presenterer også et simuleringsbasert rammeverk for testing av autonome skip kalt autonomous ship testing environment (ASTE). Dette rammeverket er en kombinasjon av det elektroniske kart visualiserings og manipulerings programmet Seacharts og Ship in transit simulator. Remmeverket inneholder også en utplasserings og terminerings funksjonalitet, kollisjon og grunnstøt overvåkning og implementering og testing av en kollisjons unngåelse algoritme. Hvor testingen ble gjort ved å kjøre relevante test senarioer. Fra disse ser vi at ASTE rammeverket er et effektivt test rammeverk som viser at kollisjons unngåelsen fungerer som ønsket med et stasjonært hinder, med unntaket av tredje og fjerde kvadrant som er grunnet vinkel håndteringen i Ship in transit simulator. Testingen viser også at kollisjons unngåelsen virker delvis i tilfellet med et hinder i bevegelse. Mulige forbedringer mot et realistisk ASTE rammeverk for testing av autonome skip er diskutert i fremtidig arbeid. Hvor det blir vurdert mulige tilføyinger fra teoriseksjonen innenfor situasjonsforståelse, ruteplanlegging og forsikring & validering, samt mulige forbedringer av den nåværende versjonen av ASTE rammeverket.

With the increase in deployment of Maritime Autonomous Surface Ships (MASS) we also see an increase in interest in this area. With organisations like the International Maritime Organisation (IMO) conducting a regulatory scoping exercise (RSE) to analyse relevant ship safety treaties, in order to assess how MASS could be regulated. Motivating the advance in MASS and simulation-based testing. In relation to this, some existing frameworks for testing of MASS were considered, and comparatively a few frameworks for testing of autonomous cars. This thesis presents a simulation-based testing framework for MASS called the autonomous ship testing environment (ASTE) framework, which is a combination of the electronic navigational chart visualisation and manipulation application programming interface Seacharts and Ship in transit simulator. The ASTE framework also includes a deployment and termination functionality, collision and grounding monitoring, and the implementation and testing of a collision avoidance algorithm which were implemented during this thesis. The testing of the collision avoidance was performed by running different test scenarios and considering the ships behaviour during the simulation. From the testing the ASTE framework appears to be an efficient simulation-based testing framework for simpler functionalities for MASS. Indicating that the collision avoidance functions properly in the case with a stationary obstacle, except in the 3rd and 4th quadrant which is due to the Ship in transit simulators angle handling. And showing the collision avoidance only partially functioning in the case with a moving obstacle. The possible improvements towards making the ASTE framework a realistic testing framework for MASS is discussed in future work, considering additions from the theory presented earlier within situational awareness, path following, and verification and validation, as well as possible improvements to the current framework.