DE102015224830A1

DE102015224830A1 - Method and system for traffic prediction in cross-sectional sea areas

Info

Publication number: DE102015224830A1
Application number: DE102015224830.5A
Authority: DE
Inventors: Carsten Hilgenfeld; Nina Vojdani; Manfred Ahn
Original assignee: Universitaet Rostock; HOCHSCHULE WISMAR
Current assignee: Universitaet Rostock; HOCHSCHULE WISMAR
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: EP3387633B1; WO2017097848A1; EP3387633A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets (40), sowie eine Verwendung. Erfindungsgemäß wird ein festes Messareal (10) definiert, das einen querschnittsbeschränkten Teil (42) des Seegebiets (40) umfasst, wobei über einen ersten Messzeitraum hinweg AIS-Daten von Seefahrzeugen (20), die das Messareal (10) durchqueren, erfasst werden und aus den erfassten AIS-Daten ein empirisches Modell des Schiffsverkehrs im Messareal (10) erstellt wird, wobei nach Erstellung des empirischen Modells ein Verkehrsvorhersage- und/oder Verkehrssteuerungsbetrieb für einen aktuell stattfindenden Schiffsverkehr durchgeführt wird, in welchem zunächst anhand von AIS-Daten von Seefahrzeugen (20), die sich im Messareal (10) befinden und/oder von Seefahrzeugen (20), die sich dem Messareal (10) nähern, eine zeitliche Entwicklung wenigstens eines Eingabeparameters des Schiffsverkehrs in dem Messareal (10) berechnet, insbesondere extrapoliert, wird, und anschließend aus dem empirischen Modell, dem als Eingangsgröße der wenigstens eine berechnete Eingangsparameter des Schiffsverkehrs zugeführt wird, wenigstens ein zukünftiger Ausgabeparameter des Schiffsverkehrs im Messareal als Modellantwort extrahiert wird, wobei die Modellantwort als Vorhersage eines zukünftig eintreffenden Werts des Ausgabeparameters einem Seefahrzeug (20) oder dessen Operateur mitgeteilt wird.The invention relates to a method and a system for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional restricted, in particular international, sea area (40), as well as a use. According to the invention, a fixed measuring area (10) is defined, which comprises a cross-sectionally limited part (42) of the sea area (40), wherein AIS data from sea vehicles (20) traversing the measuring area (10) are detected over a first measuring period and from the recorded AIS data, an empirical model of shipping traffic in the measurement area (10) is created, after the empirical model has been generated, a traffic prediction and / or traffic control operation is carried out for a current shipping traffic, in which initially based on AIS data from maritime vehicles (20) located in the measurement area (10) and / or from sea vehicles (20) approaching the measurement area (10) calculates, in particular extrapolates, a time evolution of at least one input parameter of the vessel traffic in the measurement area (10) , and then from the empirical model, as the input of the at least one calculated input parameters of the Schiffverver at least one future output parameter of the shipping traffic in the measurement area is extracted as a model response, the model response being communicated as a prediction of a future arriving value of the output parameter to a vessel (20) or its operator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets. The invention relates to a method and a system for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional restricted, in particular international, sea area.

In der Seeschifffahrt treten an querschnittsbeschränkten, quasikanalisierten Engstellen stauähnliche und kanalähnliche Effekte und Symptome auf. Typische Beispiele solcher querschnittsbeschränkter Seegebiete, auch "Internationale querschnittsbeschränkte Seewasserstraßen" genannt, sind die Kadettrinne zwischen Dänemark und der Bundesrepublik Deutschland, das Bornholmsgat zwischen der dänischen Insel Bornholm und Schweden, Bosporus und Dardanellen, die Straße von Hormuz im Persischen Golf oder die Straße von Singapur. Anders als bei der Kadettrinne und der Straße von Singapur handelt es sich beispielsweise bei Bosporus und Dardanellen nicht um ein internationales Gewässer, die "Freiheit der Schifffahrt" gilt aber auch dort. Eine weitere Art von Hindernissen, die zu Querschnittsbeschränkungen in Seegebieten führen, sind Überwasserstrukturen wie beispielsweise Offshore-Windparks.In maritime shipping, congestion-like and canal-like effects and symptoms occur at cross-section-limited, quasi-channeled bottlenecks. Typical examples of such cross-sectional restricted sea areas, also called "international cross-section limited seawater routes", are the Kadettrinne between Denmark and the Federal Republic of Germany, the Bornholmsgat between the Danish island of Bornholm and Sweden, Bosphorus and Dardanelles, the Strait of Hormuz in the Persian Gulf or the Strait of Singapore , Unlike the Kadettrinne and the Strait of Singapore, for example, the Bosphorus and Dardanelles are not international waters, but the "freedom of navigation" also applies there. Another type of obstacle leading to cross-sectional restrictions in sea areas are overwater structures such as offshore wind farms.

Ähnlich wie im Straßenverkehr ist es auch in der Schifffahrt erwünscht, Verzögerungen an entsprechenden Engstellen vorherzusagen und gegebenenfalls zu vermindern oder zu vermeiden. Bisherige Methoden hierzu basieren auf einer Zufluss-Steuerung oder auf erzwungenen Abständen zwischen Seefahrzeugen mit flankierender Geschwindigkeitsbegrenzung. Untersuchungen wurden bisher vor allem zu Wartezeiten und Risk-Analysen für den Verkehr in querschnittsbeschränkten Seegebieten durchgeführt. Publikationen hierzu sind beispielsweise E. Başar, "Investigation Into Marine Traffic And A Risky Area In The Turkish Straits System: Canakkale Strait", Transport 25(1): 5–10 (2010) , sowie E. Köse et al., "Simulation of marine traffic in Istanbul Strait", Simulation Modelling Practice and Theory 11 (2003) 597–608 .Similar to road traffic, it is also desirable in shipping to predict and, if necessary, reduce or avoid delays at appropriate bottlenecks. Previous methods for this have been based on inflow control or enforced spacing between cruise control flanking vessels. Investigations have so far mainly been carried out on waiting times and risk analyzes for traffic in cross-sectional sea areas. Publications on this are, for example E. Başar, "Investigation Into Marine Traffic And A Risky Area In The Turkish Straits System: Canakkale Strait", Transport 25 (1): 5-10 (2010) , such as Köse et al., Simulation of Marine Traffic in Istanbul Strait, Simulation Modeling Practice and Theory 11 (2003) 597-608 ,

Auch wenn in solchen querschnittsbeschränkten Seegebieten stauähnliche Effekte auftreten können, sind die Verkehrsbedingungen und Messmöglichkeiten doch sehr unterschiedlich zu denen im Straßenverkehr. So gibt es in Seegebieten keine Fahrspuren, in denen Schiffe, die in derselben Richtung durch den kanalisierten bzw. querschnittsbeschränkten Teil unterwegs sind, hintereinander und nebeneinander her fahren. Vielmehr wird ein Verkehrstrennungsgebiet eingerichtet und für jede Richtung nur jeweils eine Spur ausgewiesen, die seitlich jedoch lediglich mit einem weichen Rand begrenzt ist. Innerhalb dieser Spur können die Seefahrzeuge ihren Kurs frei wählen, wobei sie in internationalen Seegebieten nur den Kollisions-Verhütungsregeln (KVR) unterliegen. Schiffe sind auch nicht daran gehindert, in die Gegenspur im Verkehrstrennungsgebiet hinein zu fahren.Even if traffic jams can occur in such restricted sea areas, the traffic conditions and measurement options are very different from those in traffic. Thus, there are no lanes in sea areas, in which ships that are traveling in the same direction through the channelized or cross-sectional restricted part, drive behind each other and side by side. Rather, a traffic separation area is set up and only one track is identified for each direction, but the side is limited only by a soft edge. Within this lane, the vessels are free to choose their course, but in international sea areas they are only subject to the KVR (Collision Avoidance Rules). Ships are also not prevented from entering the counter lane in the traffic separation area.

Ferner gibt es in querschnittsbeschränkten Seegebieten keine Messstellen, wie dies etwa bei Straßen in Form von in den Straßenbelag eingelassenen Sensoren oder Induktionsschleifen, Radarsystemen oder an Brücken montierten Sensoren bekannt ist. Daher lassen sich aus dem Straßenverkehr bekannte Konzepte nicht ohne weiteres auf die Verkehrsvorhersage und die Verkehrssteuerung für querschnittsbeschränkte Seegebiete übertragen.Furthermore, there are no measuring points in cross-sectional sea areas, as is known for example in the form of roads in the form of embedded in the road surface sensors or induction loops, radar systems or sensors mounted on bridges. Therefore, concepts familiar from road traffic can not be readily applied to traffic forecasting and traffic control for cross-sectional sea areas.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorhersage und/oder die Steuerung von Schiffsverkehr in querschnittsbeschränkten Seegebieten zu verbessern.In contrast, the present invention has the object to improve the prediction and / or control of shipping traffic in cross-sectional sea areas.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets, gelöst, wobei

a) ein festes Messareal definiert ist oder wird, das einen querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets umfasst,
b) über einen ersten Messzeitraum hinweg AIS-("Automatic Identification System")-Daten von Seefahrzeugen, die das Messareal durchqueren, erfasst werden, insbesondere deren aktuelle Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung, und aus den erfassten AIS-Daten ein empirisches Modell des Schiffsverkehrs im Messareal erstellt wird,
c) wobei nach Erstellung des empirischen Modells ein Verkehrsvorhersage- und/oder Verkehrssteuerungsbetrieb für einen aktuell stattfindenden Schiffsverkehr durchgeführt wird, in welchem
c1) zunächst anhand von AIS-Daten von Seefahrzeugen, die sich im Messareal befinden und/oder von Seefahrzeugen, die sich dem Messareal nähern, eine zeitliche Entwicklung wenigstens eines Eingabeparameters des Schiffsverkehrs in dem Messareal berechnet, insbesondere extrapoliert, wird, und
c2) anschließend aus dem empirischen Modell, dem als Eingangsgröße der wenigstens eine berechnete Eingabeparameter des Schiffsverkehrs zugeführt wird, wenigstens ein Ausgabeparameter des Schiffsverkehrs im Messareal als Modellantwort extrahiert wird.

This object is achieved by a method for the prediction and / or control of shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area, wherein

(a) a fixed measurement area is or is defined that comprises a cross-sectional restricted part of the sea area;
(b) AIS (Automatic Identification System) data are collected over a first measurement period - from seafaring vessels passing through the site, in particular their current position, speed and direction, and from the AIS data collected, an empirical model of vessel traffic created in the measurement area,
c) after the empirical model has been generated, a traffic prediction and / or traffic control operation is carried out for a current shipping traffic in which
c1) first of all, using AIS data from maritime vehicles, which are located in the measurement area and / or from maritime vehicles approaching the measurement area, a temporal development of at least one input parameter of the maritime traffic in the measurement area is calculated, in particular extrapolated, and
c2) then from the empirical model to which at least one calculated input parameter of the shipping traffic is supplied as input, at least one output parameter of the vessel traffic in the measurement area is extracted as a model response.

Es muss im Rahmen der Erfindung nicht der gesamte querschnittsbeschränkte Teil des Seegebiets im Messareal umfasst sein, es kann bereits ein Abschnitt des querschnittsbeschränkten Teils genügen.In the context of the invention, it is not necessary to encompass the entire cross-section-limited part of the sea area in the measuring area; a section of the cross-section-restricted part may already be sufficient.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht messtechnisch auf der Erfassung von AIS-Daten, also "Automatic Identification System"-Daten, welche in einem international standardisierten Datenformat unter anderem Informationen über Lage, Kurs und Geschwindigkeit sowie weitere Schiffsdaten umfassen. Diese Daten werden seit 2008 von Seeschiffen verbindlich ausgestrahlt und können von anderen Schiffen im selben Seegebiet empfangen werden. Die AIS-Signale haben eine Reichweite von ca. 20 bis 25 Seemeilen. Das AIS hat gegenüber dem Radar den Vorteil, dass es zusätzliche Informationen über andere Schiffe sowie deren Geschwindigkeits- und Kursänderungen schnell übermittelt. Allerdings senden kleinere See- und Militärfahrzeuge oft kein AIS-Signal aus. Die gesendeten Daten können außerdem lücken- und/oder fehlerbehaftet sein. Dies hängt von der Güte der Schiffssysteme und der Aktualität der Daten in den einzelnen Schiffssystemen ab.The method according to the invention is metrologically based on the acquisition of AIS data, ie "Automatic Identification System" data, which in an internationally standardized data format includes, among other things, information about location, course and speed as well as other vessel data. These data have been legally transmitted by seagoing vessels since 2008 and can be received by other vessels in the same sea area. The AIS signals have a range of about 20 to 25 nautical miles. The AIS has the advantage over the radar that it quickly transmits additional information about other ships as well as their speed and heading changes. However, smaller marine and military vehicles often do not send out an AIS signal. The data sent can also be patchy and / or erroneous. This depends on the quality of the ship's systems and the up-to-dateness of the data in the individual ship systems.

Die AIS-Daten werden bislang genutzt, um die aktuelle Verkehrssituation durch Navigationssysteme dynamisch anzuzeigen. Solche Schiffsnavigationssysteme sind beispielsweise ARPA-Anlagen ("Automatic Radar Plotting Aid") oder die elektrische Seekarte ECDIS ("Electronic Chart and Information Display"). The AIS data has been used to dynamically display the current traffic situation through navigation systems. Such navigation systems are, for example, ARPA systems ("Automatic Radar Plotting Aid") or the electric chart ECDIS ("Electronic Chart and Information Display").

Erfindungsgemäß wird nunmehr ein aus längerfristigen Beobachtungen des Verkehrs in dem querschnittsbeschränkten Seegebiet empirisch gewonnenes Modell dazu verwendet, aus aktuellen Gegebenheiten eine Vorhersage über das zukünftige Verkehrsverhalten zu treffen. Aus den AIS-Daten der Seefahrzeuge, die sich dem kanalisierten bzw. querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets nähern, ist recht sicher vorherzusagen, wann diese im Messgebiet eintreffen. Es reichen dann allgemeine Aussagen über die Zusammensetzung des Seeverkehrs in dem querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets, um aus dem empirischen Modell Vorhersagen über weitere Eigenschaften des Verkehrs, beispielsweise über eine Durchschnittsgeschwindigkeit, treffen zu können. Eine Betrachtung und Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen Seefahrzeugen ist dabei nicht erforderlich, so dass der Vorhersagezeitraum signifikant gesteigert wird und auf 30 bis 60 Minuten ausgedehnt werden kann.According to the invention, a model obtained empirically from longer-term observations of the traffic in the cross-section-limited sea area is used to make a prediction of the future traffic behavior from current circumstances. From the AIS data of the vessels approaching the canalized or cross-sectional restricted part of the sea area, it is quite safe to predict when they will arrive in the survey area. General statements about the composition of maritime traffic in the cross-sectional restricted part of the sea area are then sufficient in order to be able to make forecasts from the empirical model about further characteristics of traffic, for example about an average speed. A consideration and consideration of interactions between vessels is not required, so that the forecast period is significantly increased and can be extended to 30 to 60 minutes.

Die Berechnung von Wechselwirkungen zwischen Seefahrzeugen kann für eine kürzerfristige Anpassung der Vorhersage bzw. für vorgeschlagene Kurskorrekturen einfließen. Diese beeinflussen aber kaum die allgemeine Verkehrssituation in 30 bis 60 Minuten.The calculation of interactions between vessels may be used for a shorter-term adaptation of the forecast or for proposed course corrections. However, these hardly affect the general traffic situation in 30 to 60 minutes.

Ein empirisches Modell ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Näherungsmodell, das aufgrund der historischen AIS-Daten und beobachteten Verkehrszustände gebildet wird. Grundlage des empirischen Modells kann eine ein- oder mehrdimensionale Näherungsfunktion sein, eine Look-Up-Tabelle (LUT) oder ähnliches.An empirical model in the context of the present invention is an approximation model, which is formed on the basis of the historical AIS data and observed traffic conditions. The basis of the empirical model can be a one- or multi-dimensional approximation function, a look-up table (LUT) or the like.

Die Modellantwort wird vorteilhafterweise als Vorhersage eines zukünftig eintreffenden Werts des Ausgabeparameters einem Seefahrzeug oder dessen Operateur mitgeteilt. Damit wird dem Schiffsführer die Möglichkeit gegeben, die Fahrt seines Seefahrzeugs bereits vor dem Eintreffen in der querschnittsbeschränkten Passage anzupassen und so unter anderem Treibstoff zu sparen.The model response is advantageously communicated to a maritime vehicle or its operator as a prediction of a future arriving value of the output parameter. This gives the skipper the opportunity to adjust the voyage of his vessel before arriving in the cross-section restricted passage, thus saving fuel, among other things.

Vorteilhafterweise verwendet das Seefahrzeug oder dessen Operateur den vorhergesagten Wert des Ausgabeparameters zur Anpassung eines Betriebszustands des Seefahrzeugs, insbesondere einer Geschwindigkeit oder eines Kurses vor, bei oder nach der Einfahrt in den querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets, insbesondere zur Anpassung an eine vorhergesagte Durchschnittsgeschwindigkeit im querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets. Die Meldung der aus dem empirischen Modell errechneten Vorhersage an die Schiffe bzw. deren Operateure, beispielsweise Kapitän, erster Offizier, Wachoffizier, Navigator oder an ein Navigationssystem des Schiffs, gibt dem Operateur somit nicht nur die Möglichkeit, frühzeitig verlässliche Informationen über Fahrzeiten durch den querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets zu gewinnen, sondern darüber hinaus, frühzeitig Maßnahmen zur Kurs- und Geschwindigkeitskorrektur zur Anpassung an den zu erwartenden Verkehr vornehmen zu können. Eine solche frühzeitige Kurs- oder Geschwindigkeitsänderung ermöglicht Einsparungen von Kraftstoff und CO₂-Emissionen und zu einer besseren Planbarkeit des Kurses.Advantageously, the vessel or its operator uses the predicted value of the output parameter to adapt an operational state of the vessel, in particular a speed or heading before, during or after entry into the cross-sectional restricted part of the sea area, in particular for adaptation to a predicted average speed in the cross-sectional restricted part of the sea sea area. The reporting of the prediction calculated from the empirical model to the ships or their operators, for example captain, first officer, watch officer, navigator or to a navigation system of the ship, thus not only gives the surgeon the possibility of early reliable information about travel times through the cross-section limited In addition to gaining part of the sea area, but also to be able to make early measures for course and speed correction to adapt to the expected traffic. Such an early change of course or speed allows savings in fuel and CO ₂ emissions and better predictability of the course.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Eingabeparameter eine prognostizierte maritime Verkehrsdichte und/oder eine prognostizierte maritime Verkehrsstärke und der wenigstens eine Ausgabeparameter eine richtungsbezogene Durchschnittsgeschwindigkeit des Schiffsverkehrs im Messareal, wobei dem empirischen Modell eine funktionale Abhängigkeit der Durchschnittsgeschwindigkeit von maritimer Verkehrsdichte und/oder maritimer Verkehrsstärke zugrunde liegt, die aus den im ersten Messzeitraum erfassten AIS-Daten berechnet ist.The at least one input parameter is preferably a predicted maritime traffic density and / or a predicted maritime traffic intensity and the at least one output parameter is a direction-related average speed of the vessel traffic in the measurement area, whereby the empirical model is based on a functional dependence of the average speed of maritime traffic density and / or maritime traffic intensity, calculated from the AIS data collected during the first measurement period.

Bei der funktionalen Abhängigkeit der Durchgeschwindigkeit von Verkehrsdichte einerseits und/oder Verkehrsstärke andererseits handelt es sich um fundamentale Begriffe und Abhängigkeiten in Verkehrssystemen. Dabei ist die Verkehrsdichte als Anzahl von Fahrzeugen bzw. Seefahrzeugen auf einer festgelegten Fläche definiert, während die Verkehrsstärke die Anzahl von Fahrzeugen ist, die pro Zeiteinheit eine bestimmte Stelle bzw. einen Querschnitt entlang der Messstrecke passieren. Die Verkehrsstärke wird üblicherweise über eine gleitende Zeiteinheit berechnet, beispielsweise eine gleitende Stunde. The functional dependence of the throughput of traffic density on the one hand and / or traffic volume on the other hand are fundamental concepts and dependencies in traffic systems. In this case, the traffic density is defined as the number of vehicles or maritime vehicles on a specified area, while the traffic volume is the number of vehicles that pass a specific location or a cross section along the measurement section per unit of time. The Traffic is usually calculated over a moving time unit, such as a sliding hour.

Bei einer beispielhaften Messstrecke mit einer Länge von 10 nautischen Meilen, auf der sich zu einem bestimmten Messzeitpunkt 12 Schiffe aufhalten, die in der gleichen Richtung unterwegs sind, wäre die Verkehrsdichte 1,2 Schiffe pro nautischer Meile. Wenn diese 12 Schiffe zufällig auch innerhalb von 60 Minuten in die Messstrecke eingefahren sind, beträgt die Verkehrsstärke für diese Schiffe dann 12 Schiffe pro Stunde. Die Verkehrsstärke kann aber auch höher oder niedriger sein, abhängig davon, wieviele Schiffe innerhalb der aktuell laufenden Stunde den Referenzpunkt passiert haben. Der gleitende Messzeitraum muss allerdings auch nicht 60 Minuten betragen, sondern kann auch länger oder kürzer sein. For example, for an exemplary 10 nautical mile test lane, where there are 12 vessels traveling in the same direction at a given time of measurement, the traffic density would be 1.2 vessels per nautical mile. If these 12 ships also accidentally retracted within 60 minutes in the test section, the traffic for these ships is then 12 ships per hour. The traffic volume can also be higher or lower, depending on how many ships have passed the reference point within the currently running hour. However, the sliding measurement period does not have to be 60 minutes, but can be longer or shorter.

Der erste Messzeitraum, in dem die Statistik für das empirische Modell zusammengetragen wird, beträgt vorteilhafterweise einige Monate, insbesondere 3 Monate. Dies hängt im Allgemeinen vom Verkehrsaufkommen ab, da die statistische Verlässlichkeit des empirischen Modells mit der Anzahl der erfassten Schiffsbewegungen ansteigt. Im beispielhaften Fall der Kadettrinne hat sich der 3-Monats-Zeitraum als ausreichend erwiesen. Beliebig gewählte 3-Monats-Zeiträume ergeben konsistente Ergebnisse für das empirische Modell.The first measurement period, in which the statistics for the empirical model is compiled, is advantageously several months, in particular 3 months. This is generally dependent on traffic volume, as the statistical reliability of the empirical model increases with the number of recorded vessel movements. In the exemplary case of the Kadettrinne, the 3-month period has proven sufficient. Arbitrarily chosen 3-month periods give consistent results for the empirical model.

Eine vorteilhafte Weiterbildung wird erzielt, wenn die maritime Verkehrsdichte und/oder die maritime Verkehrsstärke in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, vom Schiffstyp und/oder vom Tiefgang ermittelt wird. So lässt sich die Vorhersage ausdifferenzieren.An advantageous development is achieved if the maritime traffic density and / or the maritime traffic intensity is determined as a function of the speed, the type of ship and / or the draft. This is how the prediction can be differentiated.

Vorteilhafterweise wird eine Grenzverkehrsdichte und/oder eine Grenzverkehrsstärke ermittelt, ab der die Seefahrzeuge ihre Geschwindigkeit vermindern. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass unterhalb einer Grenzverkehrsdichte und/oder Grenzverkehrsstärke die Durchschnittsgeschwindigkeit nicht wesentlich von der Verkehrsdichte oder Verkehrsstärke abhängt, während mit Überschreiten dieses Grenzpunktes ein zunächst sogenannter teilgebundener Verkehrsstrom und schließlich ein gebundener Verkehrsstrom eintritt. Die Ermittlung der Grenzverkehrsdichte und/oder -stärke führt zu einer Vereinfachung des empirischen Modells in diesem Bereich des freien Verkehrsstrom unterhalb des Grenzpunkts, da in diesem Bereich die Durchschnittsgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant ist, weil sich Seefahrzeuge im freien Verkehrsstrom in der Regel nicht gegenseitig in ihrer ebenfalls querschnittsbeschränkten designierten Spur behindern.Advantageously, a limit traffic density and / or a limit traffic strength is determined, from which the vessels reduce their speed. This measure is based on the recognition that below a border traffic density and / or border traffic strength the average speed does not depend essentially on the traffic density or traffic intensity, while when this border point is exceeded an initially so-called partially bound traffic flow and finally a bound traffic flow occurs. The determination of the border traffic density and / or strength leads to a simplification of the empirical model in this area of the free traffic flow below the border point, since in this area the average speed is essentially constant, because sea vehicles in the free traffic flow are usually not mutually exclusive also hamper cross-section designated track.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, dass das empirische Modell anhand neu hinzukommender AIS-Daten laufend oder in Abständen aktualisiert wird, wobei insbesondere ältere AIS-Daten aus dem empirischen Modell wieder herausfallen oder mit geringerer Gewichtung in das empirische Modell einfließen als neuere AIS-Daten. Auf diese Weise können längerfristige Entwicklungen im Verkehrsverhalten einfließen. Dies können saisonale Effekte sein oder der Effekt, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren zu einem verbesserten Kollektivverhalten in der Führung der Seefahrzeuge führt, wodurch Durchsatz und Geschwindigkeit im querschnittsbeschränkten Seegebiet gesteigert werden. Hierfür kann bereits ein relativ geringer Prozentsatz von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Seefahrzeugen ausreichen. Eine weitere längerfristige Entwicklung ist das sogenannte "Slow Steaming", also das grundsätzliche Verringern der Geschwindigkeit zur Treibstoffersparnis, das in den vergangenen Jahren, insbesondere seit der Schifffahrtskrise seit 2008, verstärkt eingesetzt wird und neben einer Treibstoffkostenreduktion auch zu einer Entzerrung der Fahrpläne der Transportschiffe und damit höherer Planungssicherheit für Umschlagtermine führt.An advantageous further development provides that the empirical model is updated continuously or at intervals on the basis of newly added AIS data, with older AIS data in particular dropping out of the empirical model or being incorporated into the empirical model with less weight than newer AIS data. In this way, longer-term developments in traffic behavior can be incorporated. These may be seasonal effects or the effect that a method according to the invention results in improved collective behavior in the navigation of the vessels, thereby increasing throughput and speed in the cross-sectional restricted sea area. For this purpose, even a relatively small percentage of maritime vehicles controlled by the method according to the invention can be sufficient. Another long-term development is the so-called "slow steaming", ie the principle of reducing the speed for fuel savings, which is increasingly used in recent years, especially since the shipping crisis since 2008, and in addition to a fuel cost reduction to an equalization of the schedules of transport ships and so that higher planning certainty for transhipment dates leads.

Im empirischen Modell werden vorteilhafterweise zusätzlich eine oder mehrere Korrelationen des oder der Ausgabeparameter mit einem oder mehreren Umweltfaktoren, insbesondere Jahreszeit, Tageszeit, Eisgang, Eiswarnungen, Windstärke und/oder Windrichtung und/oder Sichtbedingungen parametrisiert oder die Daten im Modell auf die entsprechenden aktuellen Bedingungen hin gefiltert werden. Die letztgenannte Filterung bedeutet, dass das empirische Modell nur auf die historischen AIS-Daten hin angenähert wird, die den aktuellen Bedingungen im Wesentlichen entsprechen. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit.In the empirical model advantageously additionally one or more correlations of the output parameter (s) are parameterized with one or more environmental factors, in particular season, time of day, ice drift, ice warnings, wind force and / or wind direction and / or visibility conditions or the data in the model are related to the respective current conditions be filtered. The latter filtering means that the empirical model is approximated only to the historical AIS data that substantially matches the current conditions. This allows an improvement in prediction accuracy.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn anhand der erfassten AIS-Daten zusätzlich eine Verkehrsstromzusammensetzung vorhergesagt und insbesondere mitgeteilt wird. Damit bekommt ein Schiffsführer weitere Informationen an die Hand, auf deren Grundlage Entscheidungen über eine Kurs- oder Geschwindigkeitsänderung frühzeitig getroffen werden können. So kann es notwendig sein, bei Anwesenheit schwerer oder tiefgangsbehinderter Tanker oder Groß-Containerschiffe, beispielsweise Ultra Large Container Ships (ULCS), in dem querschnittsbeschränkten Seegebiet stärkere Anpassungen zu machen als bei Anwesenheit kleinerer Schiffe.A further improvement of the method according to the invention results if, based on the acquired AIS data, additionally a traffic flow composition is predicted and, in particular, communicated. This provides a skipper with additional information that can be used to make decisions about a course or speed change at an early stage. It may be necessary to make more adjustments in the cross-section restricted sea area in the presence of heavy or downhole disabled tankers or large container ships, such as Ultra Large Container Ships (ULCS) than in the presence of smaller vessels.

Vorteilhafterweise wird anhand der erfassten AIS-Daten zusätzlich eine Pulkbildung vorhergesagt und insbesondere mitgeteilt, indem Abstände und Geschwindigkeit von Seefahrzeugen zueinander ermittelt werden, die in die gleiche Richtung fahren. Pulkbildungen sind auf See im Allgemeinen ungewollte Kollektivphänomene, die es zu vermeiden gilt. Eine frühzeitige Vorhersage ermöglicht es dann, Kursänderungen oder Geschwindigkeitsänderungen vorzunehmen, um die Pulkbildung oder einen Anschluss an einen Pulk zu vermeiden. Dies führt dann auch zu einer erheblichen Reduzierung der latenten Unfallgefahr, da ein auf einen Pulk auflaufendes Schiff mangels Bremsmöglichkeit hektische Manöver ausführen müsste, die nunmehr vermieden werden können.Advantageously, based on the acquired AIS data additionally a pulse formation is predicted and in particular communicated by determining distances and speed of sea vehicles which travel in the same direction. Pulk formations are generally unwanted collective phenomena at sea, which avoid it applies. Early prediction then allows course changes or velocity changes to be made to avoid bursting or connecting to a pulp. This then also leads to a considerable reduction of the latent accident risk, since a ship arriving on a pulp would have to carry out hectic maneuvers because of the lack of braking capability, which can now be avoided.

In der Schnittstelle zwischen einer aktuell gemessenen Verkehrssituation im Umfeld des querschnittsbeschränkten Teils des Seegebiets und der Fütterung des empirischen Modells mit diesen Daten werden im Verfahrensschritt c1) vorteilhafterweise relevante Kurse von Seefahrzeugen zur Minimierung von GPS-Störungen aus einer Abfolge von AIS-Daten extrapoliert, insbesondere mit Hilfe von abgewandelten Bézier-Kurven. Damit werden Fehlvorhersagen aufgrund lücken- oder fehlerhafter GPS- und/oder AIS-Daten vermieden bzw. minimiert.In the interface between a currently measured traffic situation in the vicinity of the cross-sectionally restricted part of the sea area and the feeding of the empirical model with these data, relevant courses of maritime vehicles for minimizing GPS interference are advantageously extrapolated from a sequence of AIS data in method step c1), in particular with the help of modified Bézier curves. This avoids or minimizes mispredictions due to incomplete or incorrect GPS and / or AIS data.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein System zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets gelöst, wobei das System wenigstens eine zentrale Datenverarbeitungsanlage und wenigstens eine AIS-Datenempfangsvorrichtung, die zum Empfang von AIS-Daten von Seefahrzeugen im Bereich des querschnittsbeschränkten Seegebiets sowie zur Übermittlung empfangener AIS-Daten an die zentrale Datenverarbeitungsanlage ausgebildet und eingerichtet ist, umfasst, in dem die zentrale Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist.The object underlying the invention is also achieved by a system for forecasting and / or controlling ship traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area, wherein the system comprises at least one central data processing system and at least one AIS data reception device, which is capable of receiving AIS data. Data from maritime vehicles in the area of the cross-sectional restricted sea area as well as for the transmission of received AIS data to the central data processing system is embodied and set up, in which the central data processing system is designed and set up to carry out a method according to the invention described above.

Damit sind dem erfindungsgemäßen System die gleichen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften zu Eigen wir dem erfindungsgemäßen Verfahren.Thus, the system according to the invention the same features, advantages and properties as we own the method of the invention.

Zentraler Bestandteil des Systems ist eine mit einer AIS-Datenempfangsvorrichtung verbundene zentrale Datenverarbeitungsanlage, also ein Server. Diese zentrale Datenverabeitungsanlage ist so ausgebildet, also mittels eines Computerprogramms so eingerichtet, dass sie aus AIS-Daten von vorbeiziehenden Schiffen ein empirisches Modell gemäß Verfahrensschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erstellt, die aktuellen AIS-Daten gemäß Verfahrensschritt c1) verarbeitet und gemäß Verfahrensschritt c2) anschließend eine passende Modellantwort als Vorhersage berechnet. The central component of the system is a central data processing system connected to an AIS data receiving device, ie a server. This central data processing system is designed so that it is set up by means of a computer program such that it generates an empirical model from passing ships of method A according to the method according to the invention, processes the current AIS data according to method step c1) and according to method step c2). then calculate an appropriate model response as a prediction.

Je nach Größe des zu überwachenden Seegebiets können eine oder mehrere AIS-Datenempfangsstationen, einschließlich AIS-Transceiver, eingangs, entlang und ausgangs des querschnittsbeschränkten Teils des Seegebiets positioniert werden, um eine möglichst große Abdeckung zu erreichen.Depending on the size of the sea area to be surveyed, one or more AIS data receiving stations, including AIS transceivers, may be positioned at the entrance, along and exit of the cross-sectional restricted part of the sea area to maximize coverage.

Vorteilhafterweise ist eine in einem Seefahrzeug angeordnete Empfangseinrichtung ausgebildet und eingerichtet, Daten von der zentralen Datenverarbeitungsanlage, insbesondere von einer mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage verbundenen Datensendevorrichtung, zu empfangen und einem Operateur des Seefahrzeugs anzuzeigen.Advantageously, a receiving device arranged in a maritime vehicle is designed and set up to receive data from the central data processing system, in particular from a data transmission device connected to the central data processing system, and to display it to an operator of the maritime vehicle.

Die Empfangseinrichtung ist vorzugsweise ein Navigationsgerät, eine ARPA-Anlage, eine elektronische Seekarte (ECDIS) oder ein mit dem Internet verbundenes oder verbindbares Mobiltelefon des Operateurs des Seefahrzeugs ist. Letzteres kann beispielsweise mit einer Applikation ("App") versehen sein, die ausgebildet ist, die von der zentralen Datenverarbeitungsanlage ausgesendeten Daten und Vorhersagen anzuzeigen, gegebenenfalls einschließlich Empfehlungen für Kurs- und/oder Geschwindigkeitsänderungen.The receiving device is preferably a navigation device, an ARPA system, an electronic nautical chart (ECDIS) or a mobile phone connected to or connectable to the Internet of the operator of the maritime vehicle. The latter can be provided, for example, with an application ("app") which is designed to display the data and forecasts transmitted by the central data processing system, possibly including recommendations for changes in course and / or speed.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Verwendung von AIS-Daten von Seefahrzeugen, die ein Messareal durchqueren, das einen querschnittsbeschränkten Teil eines, insbesondere internationalen, Seegebiets umfasst, zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr in dem querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets in einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren gelöst. Die Verwendung von AIS-Daten sowohl zur langfristigen Modellerstellung als auch zur Extrapolation in die Zukunft zwischen beispielsweise 10 bis 60 Minuten zur Extraktion einer Modellantwort als Vorhersagewert löst das Problem, dass keine fixen Messstellen vorlagen wie im Falle von landbasierten Straßen, als auch dass bislang keine Aussagen über zu erwartende Verkehrsgegebenheiten in 10 bis 60 Minuten getroffen werden konnten. The object of the invention is also based on the use of AIS data from maritime vessels traversing a measurement area comprising a cross-sectional restricted part of a, in particular international, sea area, for the prediction and / or control of navigation in the cross-sectional restricted part of the sea area a previously described inventive method solved. The use of AIS data both for long-term modeling and for extrapolation into the future between, for example, 10 to 60 minutes to extract a model response as a prediction value solves the problem that there were no fixed measurement sites as in the case of land-based roads, and none so far Statements about expected traffic conditions could be made in 10 to 60 minutes.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.Further features of the invention will become apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments of the invention may satisfy individual features or a combination of several features.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:The invention will be described below without limiting the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings, reference being expressly made to the drawings with respect to all in the text unspecified details of the invention. Show it:

1 eine Verkehrsdichtekarte der Kadettrinne, 1 a traffic density map of the Kadettrinne,

2 eine Definition eines Messareals für die Kadettrinne, 2 a definition of a fairground for the Kadettrinne,

3 eine Karte der Kadettrinne mit übergelegtem Messareal, 3 a map of the Kadettrinne with over-laid measuring area,

4 eine Darstellung einer Anzeige Vorhersage-App, 4 a representation of a display prediction app,

5 ein schematisches Ablauf-Diagramm, 5 a schematic flow diagram,

6 eine Tabelle mit Schiffstypen, 6 a table with ship types,

7a)–c) beispielhafte Fundamentaldiagramme und 7a) -C) exemplary fundamental diagrams and

8a)–b) Fundamentaldiagramme mit Messwerten zur Abhängigkeit der Geschwindigkeit von maritimer Verkehrsdichte- und -stärke. 8a) -B) Fundamental diagrams with measurements of the dependence of speed on maritime traffic density and strength.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.In the drawings, the same or similar elements and / or parts are provided with the same reference numerals, so that apart from a new idea each.

1 zeigt einen Kartenausschnitt einer Seekarte 8 der Ostsee zwischen dem dänischen Gedser im Nordwesten (oben links) und dem deutschen Ostseebad Ahrenshoop im Südosten (unten rechts). Zwischen diesen Landflächen ist die Ostsee bis auf eine zentrale Rinne, die Kadettrinne K, sehr flach und wird von Norden her vom Gedser Riff R begrenzt. Die Kadettrinne K ist daher für die internationale Hochseeschifffahrt kanalisiert. Der Karte überlagert sind visualisierte Schiffsbewegungen beruhend auf AIS-Daten aus dem März des Jahres 2010. Die Graustufen geben einen Aufschluss über die Häufigkeit von Schiffsbewegungen an bestimmten Stellen, wobei Weiß einzelne bis wenige Daten für einen bestimmten Ort bedeuten und Schwarz alle Punkte sind, die wenigstens 50% der maximal aufgetretenen Häufigkeit bedeuten. 1 shows a map of a nautical chart 8th the Baltic Sea between the Danish Gedser in the northwest (top left) and the German Baltic Sea Ahrenshoop in the southeast (bottom right). Between these land areas, the Baltic Sea is except for a central channel, the Kadettrinne K, very shallow and is bordered by the Gedser Reef R from the north. The Kadettrinne K is therefore channeled for international ocean shipping. Superimposed on the map are visualized ship movements based on March 2010 AIS data. The gray levels indicate the frequency of ship movements at specific locations, where white means single to few data for a particular location, and black is all points that are mean at least 50% of the maximum occurring frequency.

Deutlich sichtbar sind die Fahrspuren, von denen die nördliche bzw. westliche Spur 2 die südgehende ist, während die südlichere bzw. östlichere Spur 4 die nordgehende ist. Ebenfalls stark sichtbar ist eine kreuzende Fährlinie 6 zwischen Rostock und Gedser. Ferner ist deutlich, dass sich nicht alle Schiffe an die weichen Begrenzungen der Kadettrinne K halten.Clearly visible are the lanes, of which the northern or western lane 2 the southbound is, while the southern or more eastern track 4 the northern one is. Also very visible is a crossing ferry line 6 between Rostock and Gedser. It is also clear that not all ships keep to the soft limits of Kadettrinne K.

2 zeigt eine Definition für ein Messareal 10, das für einen Teil der Kadettrinne K definiert ist. Nördlich und südlich wird es von Verkehrsstärkepunkten bzw. -linien 12, 14 begrenzt. Eine Verkehrsdichtefläche 16 umfasst den gesamten Bereich des Messareals 10 einschließlich des Tiefwasserbereichs 18. Die Messungen werden für nord- und südgehende Seefahrzeuge getrennt vorgenommen. 2 shows a definition for a measurement area 10 which is defined for part of the Kadettrinne K. North and south it is traffic intensity points or lines 12 . 14 limited. A traffic density area 16 covers the entire area of the exhibition area 10 including the deep water area 18 , The measurements are made separately for north and southbound vessels.

In 3 ist das Messareal 10 der Kadettrinne K überlagert dargestellt, zusammen mit einigen nordgehenden Schiffen 20 sowie Markierungstonnen T, die die Spuren voneinander abgrenzen. Im Messareal 10 befinden sich zu dem dargestellten Zeitpunkt drei Schiffe 20, von denen zwei sich im zentralen Tiefwasserbereich 18 befinden.In 3 is the measuring area 10 The Kadettrinne K shown overlaid, along with some northbound ships 20 and marking tons T, which delimit the tracks from each other. In the exhibition area 10 There are three ships at the time shown 20 two of which are in the central deep water area 18 are located.

Rechts in 3 sind beispielhafte Messpunkte in einem Diagramm erfasst, in dem auf der horizontalen Achse eine Verkehrsdichte und auf der vertikalen Achse eine Geschwindigkeit V in kn dargestellt sind. Die Messung verläuft so, dass in jeder Minute für das Vorhandensein der Daten für die nord- und südgehenden Schiffe die Verkehrsdichte bestimmt wird. Jeder stationäre Zustand wird nur einmal erfasst. Sobald sich der stationäre Zustand ändert, beispielsweise die Anzahl der Schiffe sich ändert, wird ein neuer Messwert erfasst. Right in 3 exemplary measuring points are recorded in a diagram in which a traffic density is shown on the horizontal axis and a velocity V in kn on the vertical axis. The measurement is carried out in such a way that traffic density is determined every minute for the presence of data for northbound and southbound vessels. Each stationary state is detected only once. As soon as the stationary state changes, for example the number of ships changes, a new measured value is recorded.

Das Diagramm rechts in 3 kommt zustande, wenn drei Schiffe mit 20 kn, 15 kn und 10 kn nacheinander in das Messareal 10 einlaufen. Zunächst läuft das vordere Schiff mit 20 kn ein, so dass ein Messpunkt 20kn/1 registriert wird. Es folgt ein zweites Schiff, das mit 15 kn fährt. Da das erste schnelle Schiff noch im Messfeld ist, entstehen die beiden Datenpunkte 20kn/2 und 15kn/2 gleichzeitig. Bevor das letzte und langsamste Schiff mit 10 kn hereinkommt, haben die ersten beiden Schiffe das Messareal 10 bereits verlassen, so dass ein Datenpunkt 10kn/1 hinzukommt.The diagram on the right in 3 comes about when three ships with 20 knots, 15 knots and 10 knots successively in the measuring area 10 enter. First, the front ship enters with 20 kn, so that a measuring point 20kn / 1 is registered. There follows a second ship, which goes with 15 knots. Since the first fast ship is still in the measuring field, the two data points 20kn / 2 and 15kn / 2 are generated simultaneously. Before the last and slowest ship with 10 knots comes in, the first two ships have the measuring area 10 leave already, so that a data point 10kn / 1 is added.

In 4 ist ein Navigations-Display 30 eines beispielhaften erfindungsgemäßen Systems mit einem Geschwindigkeitsprognose-Tool dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Mobil-App handeln oder um ein Programm auf einem Brücken-PC. In 4 is a navigation display 30 an exemplary system according to the invention with a speed-prediction tool shown. This can be, for example, a mobile app or a program on a bridge PC.

Im linken Feld ist die bereits zuvor dargestellte Seekarte 8 mit der Kadettrinne K mit aktuell vorhandenen Schiffen 20 und deren projizierten Kuren dargestellt. Auf der rechten Seite ist im oberen Bereich 32 eine erwartete Verkehrsstromzusammensetzung, aufgeteilt in nord- und südgehend und nach Schiffsklassen A bis D für Zeitpunkte in 10, 20 und 30 Minuten dargestellt, im unteren Teil 34 die jeweilige erwartete Geschwindigkeit. Die Verkehrsdichte ist in der nordgehenden Spur recht gering, so dass mit einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit zu rechnen ist. In der südgehenden Spur verändert sich die Anzahl der Schiffe in 10, 20 und 30 Minute zwar von zunächst 7 auf erst 5 und dann 8. Gleichzeitig ändert sich die Zusammensetzung jedoch so, dass mehr Schiffe der Klassen C und D hereinkommen, so dass eine deutliche Reduzierung der Geschwindigkeit prognostiziert wird, von 11,9 kn über 11,6 kn auf 10,8 kn in 30 Minuten. Aufgrund dieser Informationen können südgehende Schiffe 20 bereits vor Eintritt in die Kadettrinne K ihre Geschwindigkeit anpassen und sparen daher Energie.In the left field is the previously shown sea chart 8th with the Kadettrinne K with currently existing ships 20 and their projected cures. On the right is in the upper area 32 an expected traffic flow composition, divided into north and south going and to ship classes A to D for times in 10, 20 and 30 minutes, in the lower part 34 the respective expected speed. The traffic density is quite low in the northbound lane, so that a largely constant speed is to be expected. In the southbound lane, the number of ships changes in 10, 20 and 30 minutes from first 7 to only 5 and then 8. At the same time, however, the composition changes so that more class C and D ships come in, so that a clear Reduction in speed is forecast, from 11.9 kts over 11.6 kts to 10.8 kts in 30 minutes. Because of this information, southbound ships can 20 already before entry into The Kadettrinne K adjust their speed and therefore save energy.

5 stellt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Im im unteren Teil dargestellten Seegebiet 40 nähern sich mehrere Schiffe 20 von links aus einem noch nicht querschnittsbeschränkten Teil einem querschnittsbeschränkten Teil 42 des Seegebiets 40, beispielsweise der Kadettrinne K. Die Schiffe 20 haben dabei unterschiedliche Kurse und Geschwindigkeiten. In dem querschnittsbeschränkten Bereich 42, der in diesem Fall eine internationale querschnittsbeschränkte Seewasserstraße ist, funken alle Schiffe 20 ihre AIS-Signale 50 aus. Diese werden durch eine oder mehrere ortsnahe Basisstationen oder einen zentralen Dienst empfangen (Box 52) und an einen zentralen Rechner weitergeleitet, der daraus beispielsweise die Verkehrsmenge in 10, 20 oder 30 Minuten bis zu Stunden prognostiziert (Box 54). Aus der prognostizierten Verkehrsmenge wird anhand eines empirischen Verkehrsstrommodells eine erwartete Durchschnittsgeschwindigkeit in der jeweiligen Fahrrichtung ermittelt (Box 56). Dieses empirische Modell wird aus Basisdaten vergangener Monate gespeist, die in einem Nebenmodul 58 ermittelt werden. 5 schematically illustrates the sequence of the method according to the invention. In the sea area shown in the lower part 40 approaching several ships 20 from the left, a part not yet cross-section limited to a cross-section limited part 42 of the sea area 40 , for example, the Kadettrinne K. The ships 20 have different courses and speeds. In the cross-section restricted area 42 , which in this case is an international cross-sectional seawater route, will spark all ships 20 their AIS signals 50 out. These are received by one or more local base stations or a central service (Box 52 ) and forwarded to a central computer which, for example, predicts the amount of traffic in 10, 20 or 30 minutes to hours (Box 54 ). From the predicted traffic volume, an expected average speed in the respective driving direction is determined on the basis of an empirical traffic flow model (Box 56 ). This empirical model is fed from basic data from past months, which are in a secondary module 58 be determined.

Die im Schritt 56 ermittelte Durchschnittsgeschwindigkeit oder andere oder weitere Ausgabeparameter, wie eine Verkehrszusammensetzung, werden im Schritt 60 versendet bzw. online verfügbar gemacht.The in step 56 determined average speed or other or other output parameters, such as a traffic composition, in step 60 sent or made available online.

Eine auf dem Schiff 20 vorhandene Einheit, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Brücken-PC oder ein Navigationsgerät, empfängt oder ruft im Schritt 62 die zur Verfügung gestellten Daten ab. Gegebenenfalls wird die Geschwindigkeit des Schiffes 20 reduziert, falls die Eigengeschwindigkeit höher als die erwartete Geschwindigkeit ist. Hierdurch spart das Schiff 20 Treibstoff, verringert seinen CO₂-Ausstoß, da es nicht abzubremsen braucht, und vergleichmäßigt den Verkehr in der Spur des querschnittsbeschränkten Abschnitts 42.One on the ship 20 existing unit, for example a mobile phone, a bridge PC or a navigation device, receives or calls in the step 62 the data provided. If necessary, the speed of the ship 20 reduced if the airspeed is higher than the expected speed. This saves the ship 20 Fuel reduces its CO ₂ emissions because it does not need to decelerate and even out the traffic in the track of the cross-section restricted section 42 ,

6 zeigt beispielhaft die Gruppierung der Schiffstypen in Kategorien A bis D anhand ihres Typs (Frachtschiffe u.ä., Passagierschiffe und Tanker und Spezialschiffe) sowie anhand ihrer Abmaße. Dies sind die Kategorien, die im Beispiel in 4 zur Angabe der Verkehrszusammensetzungen verwendet wurden. 6 shows by way of example the grouping of the ship types in categories A to D on the basis of their type (cargo ships, etc., passenger ships and tankers and special ships) as well as their dimensions. These are the categories in the example in 4 used to indicate the traffic compositions.

Die 7a), 7b) und 7c) zeigen schematisch Fundamentaldiagramme für den Schiffsverkehr in querschnittsbeschränkten Wasserstraßen. The 7a) . 7b) and 7c) show schematically fundamental diagrams for the shipping traffic in cross-section-restricted waterways.

In 7a) ist die maritime Verkehrsdichte D (Kurve 70) in Relation zur Geschwindigkeit in der Einheit Schiffe pro nautischer Meile (Nm) dargestellt. Im Bereich sehr kleiner Verkehrsdichten ist der Verkehrsfluss frei (Bezugszeichen 72). Ab einem ersten Grenzwert 73 ist der Verkehr teilgebunden (Bezugszeichen 74), ab einem zweiten Grenzwert 75 als gebundener Verkehrsfluss 76 zu bezeichnen. Die Geschwindigkeit verringert sich im freien Verkehrsfluss 72 nicht, im teilgebundenen Verkehrsfluss 74 wenig, nimmt aber im gebundenen Verkehrsfluss 76 stark ab. Die gestrichelte Linie bedeutet, dass derart hohe Verkehrsdichten noch nicht beobachtet wurden. Theoretisch kann die Geschwindigkeit jedoch die Minimalgeschwindigkeit von 4 kn erreichen, unterhalb derer Schiffe aus schifffahrtstechnischen Gründen manövrierunfähig werden, weil Steuerbewegungen keinen ausreichenden Druck in der Strömung mehr aufbauen, um das Schiff zu drehen.In 7a) is the maritime traffic density D (curve 70 ) in relation to the speed in the unit ships per nautical mile (Nm). In the area of very small traffic densities, the traffic flow is free (reference numeral 72 ). From a first limit 73 is the traffic partially bound (reference numeral 74 ), from a second limit 75 as a bound traffic flow 76 to call. The speed is reduced in the free flow of traffic 72 not, in the partially bound traffic flow 74 little, but takes in the bound traffic flow 76 strong. The dashed line means that such high traffic densities have not yet been observed. Theoretically, however, the speed may reach the minimum speed of 4 knots, below which ships become non-maneuverable due to shipping considerations, because control moves do not build up sufficient pressure in the flow to turn the ship.

In 7b) ist das Fundamentaldiagramm für die maritime Verkehrsstärke Q in der Einheit Schiffsdurchfahrten am Querschnitt pro Stunde als Kurve 80 dargestellt. Die ersten und zweiten Grenzwerte 73' und 75' sind andere als in 7a). Insgesamt ist im freien und teilgebundenen Bereich die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Verkehrsstärke Q weniger ausgeprägt als die von der Verkehrsdichte D. Da die Verkehrsstärke Q aber mit der Verkehrsdichte D zumindest korreliert ist, ist bei noch höheren Verkehrsstärken Q aber auch mit einem starken Abfall der Geschwindigkeit zu rechnen.In 7b) is the fundamental diagram for the maritime traffic volume Q in the unit ship crossings at the cross section per hour as a curve 80 shown. The first and second limits 73 ' and 75 ' are different than in 7a) , Overall, the dependence of the speed of the traffic intensity Q is less pronounced in the free and partially bounded area than that of the traffic D. Since the traffic intensity Q but at least with the traffic density D is correlated with even higher traffic levels Q but also with a sharp drop in To calculate speed.

7c) zeigt schematisch die Korrelation 90 von maritimer Verkehrsstärke Q zur maritimen Verkehrsdichte D, parametrisiert über die Durchschnittsgeschwindigkeit, überlagert mit den Grenzwerten 73 und 75, entsprechend 73' und 75', die die Kurve 90 in die Verkehrsflussabschnitte 72, 74 und 76 für freien, teilgebundenen und gebundenen Verkehrsfluss. Aus einem solchen Diagramm lässt sich bei ausreichender Datenlage die theoretische Kapazitätsgrenze errechnen. Diese ist im Falle der Kadettrinne aber noch nicht erreicht. Die Korrelation ist auch nicht so deutlich, wie sie erscheint, da nur Mittelwerte miteinander verknüpft werden. Eine zeitweilig hohe Verkehrsdichte D zieht in der gleitenden Stunde nicht zwangsläufig eine hohe Verkehrsstärke Q nach sich, da der Verkehrsstrom in der Kadettrinne stark inhomogen ist. 7c) shows schematically the correlation 90 from maritime traffic intensity Q to maritime traffic density D, parameterized via the average speed, superimposed with the limit values 73 and 75 , corresponding 73 ' and 75 ' that the curve 90 in the traffic flow sections 72 . 74 and 76 for free, partially bound and bound traffic flow. From such a diagram, the theoretical capacity limit can be calculated with sufficient data. This is not reached in the case of Kadettrinne. Also, the correlation is not as clear as it appears because only averages are linked. A temporarily high traffic density D does not inevitably result in a high traffic volume Q in the moving hour since the traffic flow in the cadet channel is highly inhomogeneous.

In 8a) und 8b) sind Messwerte einer Auswertung von Verkehrsdichten D und Verkehrsstärken Q über 1766 Tage von 2010 bis 2014 im Messareal 10 der 2 in der Kadettrinne K gezeigt, wobei Eistage entfernt wurden. In 8a) and 8b) are measured values of an evaluation of traffic densities D and traffic volumes Q over 1766 days from 2010 to 2014 in the measurement area 10 of the 2 shown in the Kadettrinne K, with ice days were removed.

Die Messungen in 8a) reichen bis zu 17 Schiffen gleichzeitig in einer Fahrtrichtung im Messareal 10. Die einzelnen Datenpunkte, die hier in Balken zusammengefasst sind, sind so zustande gekommen wie oben zu dem Diagramm in 3 rechts beschrieben. Die Boxen und Balken bezeichnen in diesem Fall keine Fehlerbalken, sondern Quantilen. Für den ersten Datenpunkt bei D=1 bedeutet dies beispielsweise, dass das unterste Quantil an Messpunkten Geschwindigkeiten zwischen 6 kn und 10,5 kn aufwies, das zweite Quantil Geschwindigkeiten zwischen 10,5 kn und 13 kn, das dritte Quantil Geschwindigkeiten zwischen 13 kn und 15,5 kn und das oberste Quantil Geschwindigkeiten zwischen 15,5 kn und 20,3 kn. Zu hohen Verkehrsdichten D hin nimmt die Häufigkeit der Ereignisse stark ab, ab D = 7 waren dies weniger als 100 Ereignisse.The measurements in 8a) reach up to 17 ships simultaneously in one direction of travel in the measuring area 10 , The individual data points that are summarized here in bars, have come about as above to the diagram in 3 described on the right. The boxes and bars indicate in In this case, no error bars, but quantiles. For example, for the first data point at D = 1, this means that the lowest quantile at measurement points had velocities between 6 kn and 10.5 knots, the second quantile velocity between 10.5 kn and 13 kn, the third quantile velocity between 13 kn and 15.5 kn and the top quantile speeds between 15.5 kn and 20.3 kn. At high traffic densities D, the frequency of events decreases sharply; from D = 7 these were less than 100 events.

Durch die Datenbalken sind zur Veranschaulichung der funktionalen Abhängigkeit drei Kurven gezogen, die mit verschiedenen Methoden den Verlauf der Durchschnittsgeschwindigkeit angeben, wobei Ausreißer nicht beachtet wurden. Die oberste Linie bildet ein arithmetisches Mittel 100 der Werte, die untere Linie entspricht einem Fit eines Polynoms durch den Median 104 der Werte, während die mittlere Linie einem Mittelwert 102 des arithmetischen Mittels 100 und des Medians 104 entspricht.The data bars have three curves drawn to illustrate the functional dependency, which use different methods to indicate the course of the average speed, with outliers being ignored. The top line is an arithmetic mean 100 of values, the bottom line corresponds to a fit of a polynomial through the median 104 of the values, while the middle line is an average 102 the arithmetic mean 100 and the median 104 equivalent.

Dies gilt entsprechend für die Polynome 110, 112 und 114 in 8b), die ebenso definiert sind wie in 8a). Im Falle der Verkehrsstärke Q ist der polynomiale aufgrund der relativ geringeren Anzahl von Werten bei Verkehrsstärken Q von 13 oder mehr zu hohen Werten von Q hin relativ schwach begrenzt, so dass die Kurven 110, 112 und 114 zu höheren Werten von Q hin vergleichsweise stark divergieren. Dennoch lässt sich im von Daten unterstützten Bereich ein deutliche Tendenz erkennen. This applies correspondingly to the polynomials 110 . 112 and 114 in 8b) that are defined as well as in 8a) , In the case of the traffic intensity Q, the polynomial is relatively weakly limited due to the relatively smaller number of values at traffic levels Q of 13 or more towards high values of Q, so that the curves 110 . 112 and 114 to relatively high values of Q diverge comparatively. Nevertheless, there is a clear trend in the data-driven area.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.All mentioned features, including the drawings alone to be taken as well as individual features that are disclosed in combination with other features are considered alone and in combination as essential to the invention. Embodiments of the invention may be accomplished by individual features or a combination of several features. In the context of the invention, features which are identified by "particular" or "preferably" are to be understood as optional features.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22: nördliche Spur northern lane
44: südliche Spur southern trail
66: Fährlinie ferry
88th: Seekarte nautical chart
1010: Messareal measuring area
12, 1412, 14: Verkehrsstärkelinie Traffic volume line
1616: Verkehrsdichtefläche Traffic density area
1818: Tiefwasserbereich Deepwater
2020: Schiff ship
3030: Navigations-Display Navigation display
3232: erwartete Verkehrsstromzusammensetzung expected traffic flow composition
3434: erwartete Geschwindigkeit expected speed
4040: Seegebiet sea area
4242: querschnittsbeschränkter Teil cross section limited part
5050: AIS-Signale AIS signals
5252: Empfang der AIS-Signale Reception of the AIS signals
5454: Prognose der zukünftigen Verkehrsmenge Forecasting the future traffic volume
5656: Ermittlung einer erwarteten Geschwindigkeit aus empirischem Modell Determining an expected speed from empirical model
5858: Ermittlung von Basisdaten vergangener Monate Determination of basic data of past months
6060: Versenden der Daten Sending the data
6262: Anpassen von Kurs und/oder Geschwindigkeit Adjust course and / or speed
7070: Kurve D Curve D
7272: freier Verkehrsfluss free traffic flow
73, 73'73, 73 ': erster Grenzwert first limit
7474: teilgebundener Verkehrsfluss Partial traffic flow
75, 75'75, 75 ': zweiter Grenzwert second limit
7676: gebundener Verkehrsfluss bound traffic flow
8080: Kurve Q Curve Q
9090: Korrelation von Q mit D Correlation of Q with D
100100: arithmetisches Mittel arithmetic mean
102102: Mittelwert Average
104104: Median Median
110110: arithmetisches Mittel arithmetic mean
112112: Mittelwert Average
114114: Median Median
DD: maritime Verkehrsdichte maritime traffic density
KK: Kadettrinne Kadettrinne
QQ: maritime Verkehrsstärke maritime traffic
RR: Gedser Riff Gedser Reef
TT: Tonne ton

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

E. Başar, "Investigation Into Marine Traffic and A Risky Area in the Turkish Straits System: Canakkale Strait", Transport 25 (1): 5-10 (2010) [0003]
Köse et al., "Simulation of marine traffic in Istanbul Strait", Simulation Modeling Practice and Theory 11 (2003) 597-608 [0003]

Claims

Method for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area ( 40 ), where a) a fixed measuring area ( 10 ), which is or will be a cross-sectional restricted part ( 42 ) of the sea area ( 40 (b) over a first measurement period, AIS (Automatic Identification System) data from maritime vehicles ( 20 ), the measuring area ( 10 ), in particular their current position, speed and direction of travel, and from the recorded AIS data, an empirical model of shipping traffic in the measuring area ( 10 c) wherein, after the empirical model has been generated, a traffic prediction and / or traffic control operation is carried out for a current ship traffic, in which c1) firstly based on AIS data from maritime vehicles ( 20 ) located in the measuring area ( 10 ) and / or of maritime vehicles ( 20 ), which are located in the measuring area ( 10 ), a temporal evolution of at least one input parameter of the vessel traffic in the measuring area ( 10 ) is calculated, in particular extrapolated, and c2) is then extracted from the empirical model, to which at least one calculated input parameter of the shipping traffic is supplied as input parameter, at least one output parameter of the vessel traffic in the measurement area as a model response.

A method according to claim 1, characterized in that the model response as a prediction of a future incoming value of the output parameter a marine vehicle ( 20 ) or the surgeon is notified.

Method according to claim 2, characterized in that the vessel ( 20 ) or its operator the predicted value of the output parameter for adapting an operating state of the vessel ( 20 ), in particular a speed or a course before, during or after entering the cross-section restricted part ( 42 ) of the sea area ( 40 ), in particular for adaptation to a predicted average speed in the cross-sectional restricted part of the sea area ( 42 ).

Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the at least one input parameter is a predicted maritime traffic density D and / or a predicted maritime traffic volume Q and the at least one output parameter is a directional average speed of the vessel traffic in the measurement area ( 10 ), wherein the empirical model is based on a functional dependence of the average speed of maritime traffic density D and / or maritime traffic intensity Q, which is calculated from the AIS data acquired in the first measurement period.

A method according to claim 4, characterized in that the maritime traffic density D and / or the maritime traffic intensity Q is determined as a function of the speed, the type of ship and / or the draft.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a border traffic density and / or a border traffic strength is determined, from which the vessels ( 20 ) reduce their speed.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the empirical model is updated on the basis of newly added AIS data continuously or at intervals, in particular older AIS data fall out of the empirical model again or incorporated with less emphasis in the empirical model as newer AIS data.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that one or more correlations of the output parameter or parameters with one or more environmental factors, in particular season, time of day, ice drift, ice warnings, wind strength and / or wind direction and / or visibility conditions are parameterized in the empirical model or filter the data in the model to the appropriate current conditions.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that on the basis of the detected AIS data additionally a traffic flow composition is predicted and in particular communicated.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the basis of the acquired AIS data additionally a pulse formation is predicted and in particular communicated by distances and speed of maritime vehicles ( 20 ) are determined to each other, which go in the same direction.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that in method step c1) relevant courses of maritime vehicles ( 20 ) are extrapolated to minimize GPS interference from a sequence of AIS data, in particular by means of modified Bézier curves.

System for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of cross-border, in particular international, maritime area ( 40 ), with at least one central data processing system and at least one AIS data receiving device used to receive AIS data from maritime vehicles ( 20 ) in the area of the cross-sectional restricted sea area ( 40 ) Is formed as well and to transmit received AIS data to the central data processing system set up, characterized in that the central data processing system for performing a method according to one of claims 1 to 10 formed and arranged.

System according to claim 12, characterized in that one (in a marine vessel 20 Receiving device is configured and configured to receive data from the central data processing system, in particular from a data transmission device connected to the central data processing system, and to an operator of the maritime vehicle ( 20 ).

System according to claim 13, characterized in that the receiving device is a navigation device, an ARPA system, an electronic nautical chart (ECDIS) or a mobile phone connected to or connectable to the Internet of the operator of the maritime vehicle ( 20 ).

Use of AIS data from maritime vessels traversing a measurement area which is a cross-sectional restricted part of a, in particular international, maritime area ( 40 ) for forecasting and / or controlling shipping traffic in the cross-section restricted part ( 42 ) of the sea area ( 40 ) in a method according to one of claims 1 to 10.