Maritime Trajectory Negotiation for n-Vessel Collision Avoidance

141 Pages·1969·1.18 MB·English

Carl-von-Ossietzky
UniversitätOldenburg
FakultätII–Informatik,Wirtschafts-undRechtswissenschaften
DepartmentfürInformatik
Maritime Trajectory Negotiation for
n-Vessel Collision Avoidance
DissertationzurErlangungdesGradeseinesDoktorsder
Ingenieurswissenschaften
vorgelegtvonHerrn
SaschaAlexanderHornauer
geborenam23.04.1983inKö ln
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. AxelHahn
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. JohannesReuter
Disputationvom09.06.2016
Mä rz2016

SaschaAlexanderHornauer
Maritime Trajectory Negotiation for n-Vessel Collision
Avoidance
Abstract
Inthepastcenturies,technicaladvancesinseveralfieldsreducedtheriskinvolvedinmar-
itimetrafficthroughimprovedsituationawarenessandguidanceincriticalsituations. How-
ever,collisionsandgroundingsarestillsevereproblemstoday,especiallywithincreasing
trafficdensityandspeedaswellasgrowingshipsizes. Themainreasonforcollisionrelated
disastersisstillthehumanfactor,whichisperiodicallyconfirmedeveryfewyearsbyseveral
studies. Guidancefromnavigationinformationandassistancesystemsprovidenavigators
withsituationawarenesseveninbadvisibility,thoughanincreasingnumberofalarmsand
separatedsystemscompeteforattention. Anotheraidandchallengeatthesametimeisado-
main,whereprocessesarestandardisedbyinternationalregulationsforpreventingcollisions
atseawhichrequireacoordinatedestablishedresponsebyshipsindefinedsituations. How-
ever,misunderstandingsandambiguityintheapplicationoftherulesincombinationwith
overwhelminginformationatthebridgeinclose-quartersituationsleadtoerrorproneship
handlingtoday. Atthesametimethenavigationsystemsonthebridgetrytoenablethehu-
mancrewtofindsafeandcollisionfreetrajectoriesforallshipsatriskinsteadofdeveloping
acommoncoordinatedsolutionthemselves.
Onesolutionistheautomaticsearchforoptimalshiptrajectoriesforeachshipinasit-
uation,whichcanbeusedtosteershipsautonomouslyortogiveadvicetonavigators,in-
tegratedinaship’sguidancesystem. Successfulintroductionofanassistancesystemtoco-
ordinateandchoseanevasiveverticalactionintheaviationdomainservesasamodeleven
thoughshipsareconfinedtoatwo-dimensionalmanoeuvre. Optimaltrajectoriesinthe
maritimedomainmustnotonlyallowforminimalresourceconsumptionofships,onthose
trajectories,butalsoensuresafepassageateverypointintime. Furthermore,itisbeneficial
tocomplytolegalframeworksasthecollisionavoidanceregulationstoeaseintegrationof
theapproachinrealworldshiphandlingproceduresandallowforunequippedshipstoin-
terpretthebehaviourofanyship,usingtheapproach.
Thesearchforoptimaltrajectoriesincurrentresearchfocusesoftenonsituationsin
whichfullinformationareavailableatthepositionofaglobalplanner. Anapproachcon-
sideredunrealisticonthehighseagivenbandwidthlimitations,unknownphysicalproper-
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SaschaAlexanderHornauer
tiesofpossiblycollidingshipsandunknownintentionsofthehumancrewaswellasincom-
pleteinformationabouttheenvironment.
Thisthesisinvestigatesdecentralisedcollisionavoidanceprocedureswhichuseadedi-
catednegotiationsystemtooptimiselocallyfoundtrajectoriesaccordingtoaglobalbut
decentralisedperformancemeasure. Thesystemisbasedonlocalinformationwhichare
extendedbyexchangingtrajectoriesaloneinthenegotiationwithotherpossiblycolliding
shipsandwithoutexplicitadditionalinformationsharing. Themodellednegotiationfinds
aninitialcollisionfreesolutionandimprovesittowardsanear-optimalandfairdesiredout-
comeofnon-collidingtrajectorieswhichleadtominimalandequalresourceconsumption.
Asacomparableapproachacrossdomains,aNashBargainingschemaisimplemented
withacostmetricdesignedtoconvergetoaNashBargainingSolution. Inamultiagent
framework,agentsnegotiateaccordingtotheproceduretrajectories,foundbyanexter-
nalpathplanner,designedtoobservethekinematiclimitationsoftheshipsandlegalcon-
straints. Theapproachisevaluatedinasimulationenvironmentandshowsfulfilmentofthe
definedrequirements.
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SaschaAlexanderHornauer
Maritime Trajektorienverhandlung für die Kollisionsverhütung
von n-Schiffen
Kurzfassung
IndenvergangenenJahrhundertenermöglichtenestechnischeFortschritteaufverschiede-
nenGebieten,dieGefahrenimmaritimenVerkehrzureduzierendurchverbesserteLage-
bilderundHilfezurOrientierunginkritischenSituationen. ProblemewieKollisionenund
aufGrundlaufensindjedochauchHeutenocheinProblem,befördertdurchsteigende
Verkehrsdichteund-geschwindigkeitvonimmergrößerenSchiffen. Dabeiisteinerder
HauptgründefürHavarieaufgrundvonKollisionenimmernochdermenschlicheFak-
tor,wiestetiginverschiedenenStudienbestätigtwird. AssistenzsystemeundHilfenzur
NavigationbietenSeefahrerneinLagebildsogarbeischlechterSicht,währendallerdings
eineVielzahlvonAlarmeninvoneinandergetrenntenSystemensehrvielAufmerksamkeit
erfordert. EineweitereHilfesowieHerausforderunggleichermaßenistdasabgestimmte
VerhalteninSituationeninderDomäne,welchesnachinternationalenKollisionsverhü-
tungsregelnstandardisiertwurde. MissverständnisseundnichteindeutigeAuslegungder
RegelninKombinationmitüberwältigendvielenInformationenaufderBrückekannzur
fehleranfälligemVerhalteninkritischenSituationenführen. Gleichermaßenversuchen
dieverschiedenenSystemeaufheutigenSchiffsbrückendiemenschlicheBesatzungindie
Lagezuversetzen,sichereundkollisionsfreieTrajektorienfüralleSchiffeineinerkritischen
Situationzufinden,anstatteigenständigeinabgestimmtesManöverzuentwickeln. Eine
möglicheLösungistdieautomatischeSuchenachoptimalenSchiffstrajektorienfüralle
SchiffeineinerSituation,welchefürautonomeSteuerungoderalsTeileinesAssistenzsys-
temesgenutztwerdenkann. DieerfolgreicheEinführungeinesSystemsinderLuftfahrt,
welchesAusweichempfehlungenabstimmt,dientalsModell,wennauchSchiffeaufdie
zweidimensionaleEbenebeschränktsind. OptimaleTrajektorienindermaritimenDomäne
sinddabeinichtnurRessourcenschonendsondernmüssenauchdiesicherePassagevon
Schiffengarantieren. DesweiterenermöglichteinregelkonformesVerhalteneinesSystems,
gemäßderKollisionsverhütungsregeln,einfachereIntegrationinrealeAnwendungsszenar-
ienundbietetSchiffenohneeinsolchesSystemdieMöglichkeitdasVerhaltenzuinter-
pretieren. DieSuchenachoptimalenTrajektorieninderderzeitigenForschungkonzen-
triertsichdabeioftaufSituationen,indenenalleInformationenfüreinenglobalenPlaner
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SaschaAlexanderHornauer
zurVerfügungstehen. DieserAnsatzwirdaufhoherSee,mitungenauenInformationen
überdieUmweltalsunrealistischeingeschätzt,danebenBeschränkungenderBandbreite
derKommunikationdiedynamischenEigenschaftenundAbsichtenandererSchiffelokal
unbekanntsind. DieseArbeiterforschtdezentraleKollisionsverhütungmittelseinesVer-
handlungssystemswelcheslokalgefundeneTrajektorienglobaloptimiertunterVerwendung
einesdezentralenLeistungsmaßes. DasentwickelteSystembasiertauflokalenInformatio-
nenwelchedurchdieVerhandlungvonTrajektorienmitanderenSchiffenerweitertwer-
denohneexpliziteweitereInformationenauszutauschen. DiemodellierteVerhandlung
findetinkurzerZeiteineinitialekollisionsfreieLösungundverbessertsieiterativentge-
geneineroptimalenundfairenLösung,welchedenRessourcenverbrauchminimiertund
denBedarfgleichverteilt. DabeiwirdeininverschiedenenDomäneneingesetzterNash
BargainingAnsatzimple-mentiertwelchermittelsderKostenmetrikentgegeneinerNash
BargainingSolutionkon-vergiert. EinAgentineinemMultiagentensystemverhandeltim
entwickeltenVerfahrenTrajektorien,welchevoneinemexternenPfadplanergefundenwer-
den. DieserAnsatzer-möglichtesdiekinematischenBeschränkungeneinesSchiffssowie
dieKollisionsverhü-tungsregelnzuberücksichtigen. DasentwickelteSystemwirdmittels
ExperimentenineinerSimulationsumgebungevaluiertunddieErfüllungdergestelltenAn-
forderungenwirdgezeigt.
ii
Contents
1 Introduction 1
1.1 MaritimeNavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 DenselyPopulatedandChangingEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 MaritimeInformationandNavigationSystems . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 AutonomousBehaviourExecution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 RegulationsforPreventingCollisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 TheMaritimeCollisionAvoidanceProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 StructureoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 RequirementsofaCollisionAvoidanceSystem 15
2.1 RequirementDerivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 NormativeRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 TrajectorySearchandSolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 AlgorithmicImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 RelatedCollisionAvoidanceProcedures 25
3.1 EarlyCollisionAvoidanceSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 NegotiationofTrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 EvolutionaryOptimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 TrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem(TCAS) . . . . . . . . . . . . 29
3.5 UnmannedSurfaceVehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6 PredictingOtherBehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 NegotiationTowardsaFairSolution 33
4.1 StepsTowardsOptimalTrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2 TheGameofCollisionAvoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 PathPlanningandTrajectoryGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 ThePathPlanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.2 FastGridBasedCollisionAvoidance(Blaichetal.,2012) . . . . . . 38
4.3.3 CollisionAvoidanceRegulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.4 Extensiontothen-ShipScenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.5 CooperativeCollisionAvoidance(Waslander,2007) . . . . . . . . 41
4.3.6 CollisionDefinitionsandActionAlternatives . . . . . . . . . . . 44
4.3.7 Trajectories,WaypointsandEdges . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 CostofTrajectoriesandSets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.1 ShipVehicleCostFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 ConstraintCostFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 ParetoOptimality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.4 NashBargaining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.5 DisagreementPoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.6 LocalNashBargainingCostFunction . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.7 AugmentedCostFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.8 Proofofconvergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Furtherrequirementsofthepathplanner . . . . . . . . . . . . . . 55
Convergenceoftheaugmentedcostfunction . . . . . . . . . . . . 56
4.5 DevelopmentTowardsaCollisionAvoidanceSystem . . . . . . . . . . . . 57
4.6 AlgorithmicProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6.1 SequentialPre-Round,Algorithm2 . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6.2 FurtherRounds(ParallelNegotiation)Algorithm3 . . . . . . . . . 59
4.7 PropertiesofTrajectoryNegotiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7.1 CollisionFreeSets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.7.2 PredictableFail-Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.7.3 BézierInaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.7.4 TimeDelay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.8 QualityMeasurementofCollisionAvoidance . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.8.1 Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.8.2 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.8.3 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 ManTra 71
5.1 ManTraSystemDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 CooperationwithHTWGKonstanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 MasonFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4 ClassesandInteractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6 EvaluationofCollisionFreeTrajectories 77
6.1 MaritimeSimulationExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.1.1 StandardSituations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.1.2 MeasuredPerformanceIndicators . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 5-ShipCrossing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1 Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.2 ShipVehicleCostFunctionagainstConstraintPenalty . . . . . . . 82
6.2.3 IndividualShipCost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.4 ConstraintPenaltyCost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.5 CostDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 3-ShipCrossing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.1 Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.2 IndividualShipandConstraintPenaltyCost . . . . . . . . . . . . 90
6.4 2-ShipHead-On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.1 Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.2 CostFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 OverallResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.6 FulfilmentoftheRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7 Conclusions 107
7.1 SupportofIntentionBasedNegotiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2 PredictionofthePhysicalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.3 StandardisationofCollisionAvoidenceProcedures . . . . . . . . . . . . . 110
7.4 ContinousTrajectorySurveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.5 SeemlessIntegrationofAutonomousShips . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.6 StepsTowardsaWidespreadUse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.6.1 CollisionDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.6.2 SpecialCircumstances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.6.3 HeterogenosParticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.6.4 EmergentBehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.6.5 LimitingtheStateSpaceFurther . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
AppendixA Appendix 115
A.1 Results5ShipExperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Listingoffigures 119
Glossary 121
References 128