DE102015224830A1 - Method and system for traffic prediction in cross-sectional sea areas - Google Patents
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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
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.
- (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:
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.
Deutlich sichtbar sind die Fahrspuren, von denen die nördliche bzw. westliche Spur
In
Rechts in
Das Diagramm rechts in
In
Im linken Feld ist die bereits zuvor dargestellte Seekarte
Die im Schritt
Eine auf dem Schiff
Die
In
In
In
Die Messungen in
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
Dies gilt entsprechend für die Polynome
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
- 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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