Gemiler için COLREG ile uyumlu otonom çatışmadan kaçınma çalışması

Abstract

Deniz taşımacılığı, diğer taşıma yöntemlerine kıyasla tek seferde taşınabilen yük miktarının fazlalığı ve birim taşıma maliyetlerinin düşüklüğü nedeniyle küresel taşımacılığın hacim olarak %90'ını gerçekleştirmektedir. Ancak artan gemi sayısı ve tonajı, modern ve hızlı yükleme boşaltma yapılabilen yeni limanlar, iş yükü artarken gemide çalışan personel sayısının giderek azalması gibi birçok etken denizde emniyeti tehdit eder hale gelmiştir. Küçük bir şehrin nüfusuna yakın yolcu taşıyan devasa yolcu gemileri, büyük miktarda ham petrol taşıyan süper tankerler, konteynır gemileriyle taşınan katma değeri yüksek yükler nedeniyle, denizde meydana gelebilecek kazalar gerek insan hayatı gerek çevre kirliliği gerekse mali açıdan çok büyük sonuçlar doğurma potansiyeline sahiptir. Bu sorunlara günümüz teknolojileri ile bulunabilecek en ideal çözümlerden biri otonom/insansız deniz araçlardır. Günümüzde otonom araçlar her alanda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ancak denizcilikte otonom su üstü araçları; denizin zorlu koşulları, birden fazla fiziksel ortamla temas halinde bulunması, uluslararası kuralların getirdiği kısıtlamalar gibi birçok faktör nedeniyle hava ve kara araçları kadar gelişim gösterememiştir. Mevcut otonom su üstü araçlarının birçoğu deneysel platform olmaktan öteye geçememiş ya da simülatör ortamında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Diğer çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada ortaya konulan çatışmadan kaçınma sistemi fiziksel deniz ortamında, her türlü hava ve deniz şartlarında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca COLREG Kuralları ile de uyumludur. Önerilen yöntemin neden gerekli olduğunu ortaya koymak için 1977'den itibaren meydana gelen ve en az biri radar cihazına sahip olan gemilerin karıştığı çatışma kazaları incelenmiş ve kaza nedenlerinin başında insan hatası ve COLREG Kurallarına uymamanın geldiği görülmüştür. Bu, en büyük iki nedeni ortadan kaldırmak adına bu çalışmada tamamen insan müdahalesinden bağımsız ve COLREG'in diğer çalışmalarda göz ardı edilen kuralları da ele alınarak insansız su üstü araçları için otonom bir çatışmadan kaçınma sistemi ayrıca insanlı gemiler içinde bir karar destek sistemi ortaya konulmaya çalışılmıştır. Çalışmada, çatışmasız seyri garanti etmek için iki aşamalı bir çatışmadan kaçınma sistemi önerilmiştir. İlk yöntem COLREG Kurallarını gözeten, emniyeti sağlamak için çatışma riski indeksi ve gemi alanını kullanılan kural tabanlı bir yöntemdir. İkinci aşama ise ilk yöntemin çatışmasız yolu garanti edemediği durumlarda devreye giren ve belirsiz ortamlarda hareket eden araçların emniyetini ve bu emniyetin sürekliliğini garanti eden Kontrol Bariyer Fonksiyonu (CBF) ve Kontrol Lyapunov Fonksiyonlarının (CLF) kullanıldığı yöntemdir. Bu yöntemlerle gemilerin modellenmesi, çatışmasız geçişleri, dış etkenlerin tahmini ve COLREG Kurallarına uymaları sağlanmıştır. Çatışma riskini belirlemek için gemi alanı, gemi manevra karakteristikleri ve gemilerin birbirine göre uzaklıkları da içerecek şekilde çatışma riski indeksi hesaplanmış ve gemi emniyet alanıyla hibrit şekilde uygulanmıştır. Çalışma ile robotikte son dönemlerde sıklıkla kullanılan CBF ve CLF yöntemleri gemilerin çatışmadan kaçınma problemine entegre edilmiş ve tatmin edici sonuçlara ulaşılmıştır. Kullanılan dış etken tahmin modeli, en güncel dış etken tahmin modellerinden biri olup, rüzgâr, akıntı vb. etkenleri gerçeğe yakın şekilde modelleyebilmekte ve bunların etkilerini göz önünde bulundurmaktadır. Benzer çalışmalardaki uygulamalarda bu etkenler ya göz ardı edilmiş ya da kısmen modellenebilmiştir. Hedef tespiti için önce radar cihazının uygun olduğu düşünülmüş ve C++ programı ile eşzamanlı radar ve ECDIS videosu görüntü işleme teknikleri ile incelenmiştir. Çalışma sonucunda hedeflerin rotaları ve kendi gemisinden uzaklıkları tespit edilebilmesine rağmen hızları sağlıklı şekilde tespit edilememiştir. Bunun nedeni görüntü işlemenin hedefleri pikselleri sayarak tespit etmesi ancak hedef gemilere ait piksellerin her radar ekosuyla birlikte değişken yapıda olmasıdır. Bu nedenle hedef tespit sensörü olarak radar yerine AIS cihazının uygun olduğu belirlenmiştir. Çalışma açık denizde seyir yapan gemilere yönelik olduğu için dar su yolları için geçerli olan COLREG Kuralları göz ardı edilmiş, odak noktamız otonom gemiler olduğu için ticari bir gemileri etkileyen 6 serbestlik dereceli model yerine 3 serbestlik dereceli modelin kullanılması gibi kısıtlamalar da mevcuttur. Çalışmada mevcut bir diğer kısıtlama Otomatik Tanımlama Sistemi (AIS) cihazına sahip olmayan gemi ve/veya engellerin algılanamıyor olmasıdır. Çatışmadan kaçınma yöntemi uygulanırken 5-10° gibi küçük açılarla kaçınma manevrası yapıldığında CRI'nin daha uzun süre belirlenen eşik değer olan 0,6'nın üzerinde kalmaya meylettiği yani çatışma riskinin daha uzun sürdüğü görülmüştür. Bu nedenle dönüşler 30°'lik dümen açılarıyla yapılarak hem riskli sürenin kısalması sağlanmış hem de COLREG Kural 8'e uygun hareket edilmiştir. Yöntemin bir diğer avantajı çatışma riskini hesaplarken DCPA ve TCPA'i de dikkate almasından dolayı her gemi için bilinçsiz şekilde çatışmadan kaçınma manevrası yapılmamasıdır. Bu da zamandan ve yakıttan tasarruf sağlamaktadır. Çalışmada önerilen ikinci yöntem olan ve robotikte en güncel engelden kaçınma yöntemleri olan gürbüz kontrol bariyer fonksiyonu ve Lyapunov bariyer fonksiyonları MATLAB/Simulink® programında birlikte uygulanarak çatışmasız yörünge garanti edilmiştir. Ayrıca bu yöntemlere entegre edilen bozucu gözlemci dış etkenler bilinmese de onlara karşı en uygun önleme manevrasının yapılmasını sağlayarak zorlu deniz şartlarından olan dalga akıntı gibi faktörlerin etkilerini önemsenmeyecek seviyeye kadar indirgemektedir. Yani bu sistem önceden bilinmeyen ortamlarla karşılaştığında da dengeli şekilde görevini yerine getirebilmektedir. Kontrol fonksiyonunun bir diğer avantajı literatürdeki diğer yöntemlerin aksiye hedeflerin gelecekteki yörüngeleri bilinmese de çatışmasız yörüngeyi garanti edebilmesidir. Sistemin geliştirilmesi gereken birçok yönü olmasına rağmen elde edilen sonuçlar gelecek adına umut vericidir. Çalışmanın bir diğer sonucu insanlı ve insansız gemilerde çatışmadan kaçınmak için kullanılabilmesinin yanı sıra karadaki VTS gibi birimlere de gemi trafiğinin düzenlenmesi ve kontrol edilebilmesi için yoruma gerek kalmadan doğrudan veri sağlayabilmesidir.