WO2017097848A1 - Method and system for predicting traffic in sea areas of limited cross-section - Google Patents

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WO2017097848A1
WO2017097848A1 PCT/EP2016/080117 EP2016080117W WO2017097848A1 WO 2017097848 A1 WO2017097848 A1 WO 2017097848A1 EP 2016080117 W EP2016080117 W EP 2016080117W WO 2017097848 A1 WO2017097848 A1 WO 2017097848A1
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traffic
area
sea
maritime
cross
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PCT/EP2016/080117
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Inventor
Carsten HILGENFELD
Nina VOJDANI
Manfred AHN
Original Assignee
Hochschule Wismar
Universität Rostock
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems

Definitions

  • 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.
  • the present invention has the object to improve the prediction and / or control of shipping traffic in cross-sectional sea areas.
  • This object is achieved by a method for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area, wherein a) a fixed measuring area is defined or which comprises a cross-sectionally limited part of the sea area, b) via a first AIS - ("Automatic Identification System") - data from maritime vehicles passing through the site, including their current position, speed and direction of travel, and from the AIS data collected, an empirical model of vessel traffic in the site c) wherein 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, based on AIS data from maritime vehicles, which are located in the measurement area and / or from maritime vehicles approaching the measurement area, a temporal evolution of at least one input parameter of the maritime traffic in the measurement area is calculated, in particular extrapolated, and then c2) from the empirical model, to which at least one calculated input parameter of the shipping traffic is supplied as an input variable, at least one output parameter of the
  • the inventive method is based metrologically on the detection of AIS data, so "Automatic Identification System” - data, which include in an internationally standardized data format, inter alia, information about location, course and speed and other ship 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 AlS signals.
  • 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.
  • 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").
  • 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.
  • 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.
  • 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. Basis of the empirical The model may be a one- or multi-dimensional approximation function, a look-up table (LUT) or the like.
  • 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.
  • 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 rate or speed change will allow you to save on fuel and CO2 emissions and make the course more predictable.
  • the at least one input parameter is a predicted maritime traffic density and / or a predicted maritime traffic volume and the at least one output parameter averaged average speed of shipping traffic in the measurement area, based on a functional dependence of the average speed of maritime traffic density and / or maritime traffic intensity on the empirical model calculated from the AIS data collected during the first measurement period.
  • 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.
  • the traffic density is defined as the number of vehicles or maritime vehicles on a specified area
  • 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 volume is usually calculated over a moving time unit, for example a sliding hour.
  • the traffic density would be 1.2 ships per nautical mile. If these 12 ships also accidentally retracted within 60 minutes in the measuring section, the traffic for these ships is then 1 2 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.
  • the first measurement period in which the statistics for the empirical model are compiled, is advantageously several months. nate, 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 to be sufficient. Any chosen 3-month periods give consistent results for the empirical model.
  • 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 substantially on the traffic density or traffic intensity, whereas 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.
  • an advantageous further development provides that the empirical model is updated on the basis of newly added AIS data continuously or at intervals, in particular older AIS data from fall out of the empirical model or, with less weight, feed into the empirical model than newer AIS data.
  • 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.
  • 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.
  • a further improvement of the method according to the invention results if, on the basis of the acquired AIS data, additionally a traffic flow composition is predicted and in particular is 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.
  • ULCS Ultra Large Container Ships
  • a pulse formation is predicted and in particular communicated by determining distances and speed of sea vehicles which travel in the same direction.
  • Pulk Strukturen are generally unwanted collective phenomena at sea, which should be avoided.
  • An early prediction then makes it possible to make course changes or speed changes to avoid pulping or connecting to a pulp. This then also leads to a significant reduction of the latent accident risk, since a aufku on a Pul k vessel lack of Bremsmögl ichkeit would perform hectic maneuvers, which can now be avoided.
  • 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 Bezier curves. This avoids or minimizes mispredictions due to incomplete or incorrect GPS and / or AIS data.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a system for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-border-restricted, 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 used to receive AIS 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 configured, in which the central data processing system is designed and set up to carry out a method according to the invention described above.
  • the central component of the system is a central data processing system connected to an AIS data receiver, 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.
  • AIS data receiving stations may be positioned at the entrance, along and exit of the cross-sectional restricted part of the sea area in order to maximize coverage.
  • 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.
  • 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.
  • 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 an international, in particular international, sea area for forecasting and / or controlling vessel traffic in the cross-sectional restricted part of the sea area dissolved in a method according to the invention described above.
  • AIS data both for long-term modeling and for extrapolation into the future between, for example, 1 0 to 60 minutes for the extraction of 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 so far No statements about expected traffic conditions could be made in 10 to 60 minutes.
  • Fig. 1 a traffic density map of the Kadettrinne
  • Fig. 2 a definition of a measuring area for the Kadettrinne
  • Fig. 3 a map of the Kadettrinne with a covered Messareal
  • Fig. 4 is an illustration of a display prediction app
  • Fig. 5 is a schematic flowchart
  • Fig. 6 a table with ship types
  • Fig. 1 shows a map of a sea chart 8 of the Baltic Sea between the Danish Gedser in the northwest (top left) and the German Ostseebad 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 vessel movements based on AIS data from March 201 0 0. The gray scales provide information on the frequency of ship movements at specific locations, where white means a few to a few dates for a particular location and black indicates all points are at least 50% of the maximum occurring frequency.
  • Fig. 2 shows a definition for a measurement area 10 defined for a part of the Kadettrinne K. Nördl me and south it is limited by traffic intensity points or lines 1 2, 14. Traffic density area 1 6 covers the entire area of the measuring area 10 including deep water area 1 8. Measurements are made separately for north and southbound vessels.
  • Fig. 3 is the measuring area 10 of the Kadettrinne K superimposed darge- represents, along with some northbound ships 20 and marker tons T, which delimit the tracks from each other.
  • the measuring area 1 0 are at the time shown three ships 20, two of which are located in the central deep water area 1 8.
  • exemplary measuring points are recorded in a diagram in which a traffic density is shown on the horizontal axis and a speed 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.
  • the diagram on the right in FIG. 3 comes about when three ships with 20 kn, 1 5 kn and 1 0 kn one after another enter the area 1 0.
  • the front ship enters with 20 kn, so that a measuring point 20kn / 1 is registered.
  • the last and slowest ship with 1 0 kn comes in, the first two ships have already left the measurement area 1 0, so that a data point 1 0kn / 1 is added.
  • a navigation display 30 of an exemplary system according to the invention is shown with a speed forecasting tool.
  • This can be, for example, a mobile app or a program on a bridge PC.
  • the nautical chart 8 shown previously with the Kadettrinne K with currently existing ships 20 and their proji- illustrated cures.
  • an expected traffic flow composition divided into north and south going and according to ship classes A to D for times in 10, 20 and 30 minutes is shown, 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.
  • the number of ships changes in 1 0, 20 and 30 minutes from first 7 to only 5 and then 8.
  • the composition changes so that more class C and D ships come in, leaving one Significant reduction in speed is forecasted from 1 1, 9 kn over 1 1, 6 kn to 1 0.8 kn in 30 minutes. Based on this information, southbound ships 20 can adjust their speed even before entering the Kadettrinne K and therefore save energy.
  • Fig. 5 schematically illustrates the sequence of the method according to the invention.
  • the ships 20 approach from the left of a not yet cross-section limited part a cross-section limited part 42 of the sea area 40, for example, the Kadettrinne K.
  • the ships 20 have under defencel iche Courses and speeds.
  • the cross-sectional restricted area 42 which in this case is an international cross-section limited sea-waterway, all ships 20 broadcast their AlS signals 50.
  • 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 going out Base data from previous months, which are determined in a sub-module 58.
  • step 56 The average speed determined in step 56 or other or other output parameters, such as a traffic composition, are sent in step 60 or made available online.
  • a unit present on the ship 20 receives or retrieves the provided data in step 62.
  • the speed of the ship 20 is reduced if the airspeed is higher than the expected speed. This saves the ship 20 fuel, reduces its CO2 emissions, since it does not need to slow down, and makes the traffic in the track of the cross-sectional restricted portion 42 even.
  • Fig. 6 shows by way of example the grouping of the types of ships in categories A to D on the basis of their type (cargo ships and the like, passenger ships and tankers and special ships) as well as their dimensions. These are the categories that in the example in FIG. 4 were used to indicate the traffic compositions.
  • Fig. 7a), 7b) and 7c) schematically show fundamental diagrams for shipping traffic in cross-section-restricted waterways.
  • Fig. 7a shows the maritime traffic density D (curve 70) in relation to the speed in the unit ships per nautical mile (Nm).
  • the traffic flow is free (reference numeral 72).
  • the traffic is partially bound (reference numeral 74) to designate a bounded traffic flow 76 from a second limit value 75.
  • the speed does not decrease in the free traffic flow 72, but in the partially bound traffic flow 74 it does not decrease much, but decreases sharply in the bound traffic flow 76.
  • the dashed line means that such high traffic densities have not yet been observed. Theoretically, however, the speed can reach the minimum speed of 4 knots, below which ships become non-maneuverable due to shipping-related reasons, because control movements do not build up sufficient pressure in the flow to turn the ship.
  • Fig. 7b the maritime traffic intensity fundamental diagram Q in the unit ship crossings per hour is shown as curve 80.
  • the first and second thresholds 73 'and 75' are different from those shown in FIG. 7a).
  • 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.
  • Fig. 7c schematically shows the correlation 90 of maritime traffic intensity Q to the maritime traffic density D, parameterized over the average speed, superimposed with the limits 73 and 75, corresponding to 73 'and 75', which the curve 90 into the traffic flow sections 72, 74 and 76 for free , partial 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 temporary high level of Traffic density D does not necessarily result in a high traffic volume Q in the moving hour, since the traffic flow in the cadet channel is highly inhomogeneous.
  • FIG. 8a) and FIG. 8b) are measured values of an evaluation of traffic densities D and traffic volumes Q over 1 766 days from 201 0 to 2014 in the measurement area 10 of FIG. 2 shown in the Kadettrinne K, with ice days were removed.
  • the measurements in FIG. 8a) extend up to 1 7 ships simultaneously in one direction of travel in the measuring area 1 0.
  • the individual data points which are summarized here in bars, have come about as described above for the diagram in FIG. 3 described on the right.
  • the boxes and bars in this case denote no error bars, but quantiles.
  • 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 uppermost line forms an arithmetic mean 1 00 of the values
  • the lower line corresponds to a fit of a polynomial by the median 1 04 of the values
  • the middle line corresponds to an average value 1 02 of the arithmetic mean 1 00 and the median 1 04. This applies correspondingly to the polynomials 1 1 0, 1 12 and 1 14 in FIG. 8b), which are defined as well as in FIG. 8a).
  • the polynomial is relatively weakly limited due to the relatively smaller number of values at traffic levels Q of 1 3 or more towards high values of Q, so that the curves 1 1 0, 1 1 2 and 1 14 to higher values relatively diverge from Q. Nevertheless, there is a clear trend in the data-driven area.

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Abstract

The invention relates to a method and to a system for predicting and/or controlling ship traffic in the region of a sea area (40), in particular an international sea area, of limited cross-section, and to a use. According to the invention, a fixed measurement zone (10) is defined, which comprises a limited-cross-section part (42) of the sea area (40), wherein AIS data of sea vehicles (20) that cross the measurement zone (10) are captured over a first measurement time span and an empirical model of the ship traffic in the measurement zone (10) is created from the captured AIS data, wherein, after the empirical model has been created, a traffic prediction operation and/or traffic control operation is performed for currently occurring ship traffic, in which a temporal development of at least one input parameter of the ship traffic in the measurement zone (10) is first calculated, in particular extrapolated, on the basis of AIS data of sea vehicles (20) in the measurement zone (10) and/or of sea vehicles approaching the measurement zone (10), and then, from the empirical model, to which the at least one calculated input parameter of the ship traffic is supplied as an input variable, at least one future output parameter of the ship traffic in the measurement zone is extracted as a model response, wherein the model response is shared with a sea vehicle (20) or the operator thereof as a prediction of a future value of the output parameter.

Description

Verfahren und System zur Verkehrsvorhersage in querschnittsbeschränkten Seegebieten  Method and system for traffic prediction in cross-sectional sea areas
Beschreibung 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 Bundesrepubl ik 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-sectional sea waterways", 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. For example, unlike the Kadet trench and the Strait of Singapore, the Bosphorus and Dardanelles are not an international body of water known as "freedom of navigation". but also applies there. Another type of obstacle leading to cross-sectional restrictions in sea areas are overwater structures such as offshore wind farms.
Ähnl ich 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. Basar, "Investigation Into Marine Traffic And A Risky Area In The Turkish Straits System: Canakkale Strait", Transport 25(1 ): 5 - 1 0 (201 0), sowie E. Köse et al ., "Simulation of marine traffic in Istanbul Strait", Simulation Modell ing Practice and Theory 1 1 (2003) 597 - 608. Similar to road traffic, it is also desirable in shipping to predict delays at bottlenecks and, if necessary, reduce or avoid them. 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.Bazar, "Investigation Into Marine Traffic and A Risky Area in the Turkish Straits System: Canakkale Strait", Transport 25 (1): 5 - 1 0 (201 0), and E. Köse et al., Simulation of marine traffic in Istanbul Strait, Simulation Model ing Practice and Theory 1 1 (2003) 597-608.
Auch wenn in solchen querschnittsbeschränkten Seegebieten stauähnliche Effekte auftreten können, sind die Verkehrsbedingungen und Messmögl ichkeiten doch sehr unterschiedl ich zu denen im Straßenverkehr. So gibt es in Seegebieten keine Fahrspuren, in denen Schiffe, die in derselben Richtung durch den kanal isierten 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 seitl ich jedoch ledigl ich 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 . Ferner gibt es in querschnittsbeschränkten Seegebieten keine Messstellen, wie dies etwa bei Straßen in Form von in den Straßenbelag eingelassenen Sensoren oder Induktionsschleifen, Radarsys- temen 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 . Even if traffic jams can occur in such restricted sea areas, the traffic conditions and possibilities of measurement are very different to those on the roads. Thus, there are no lanes in sea areas, in which ships that are traveling in the same direction through the channel-based or cross-sectional restricted part, drive one behind the other and side by side. Rather, a traffic separation area is set up and only one lane for each direction is indicated, but the lane side is only limited by a soft margin. 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. 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 sensors embedded in the road surface 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 erfass- ten 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 forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area, wherein a) a fixed measuring area is defined or which comprises a cross-sectionally limited part of the sea area, b) via a first AIS - ("Automatic Identification System") - data from maritime vehicles passing through the site, including their current position, speed and direction of travel, and from the AIS data collected, an empirical model of vessel traffic in the site c) wherein 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, based on AIS data from maritime vehicles, which are located in the measurement area and / or from maritime vehicles approaching the measurement area, a temporal evolution of at least one input parameter of the maritime traffic in the measurement area is calculated, in particular extrapolated, and then c2) from the empirical model, to which at least one calculated input parameter of the shipping traffic is supplied as an input variable, at least one output parameter of the shipping 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 AlS-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. 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 inventive method is based metrologically on the detection of AIS data, so "Automatic Identification System" - data, which include in an internationally standardized data format, inter alia, information about location, course and speed and other ship 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 AlS signals. 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. 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 empi- rischen 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. Basis of the empirical The model may 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 rate or speed change will allow you to save on fuel and CO2 emissions and make the course more predictable.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Eingabeparameter eine prognostizierte maritime Verkehrsdichte und/oder eine prognostizierte maritime Verkehrsstärke und der wenigstens eine Ausgabeparame- ter 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. Preferably, the at least one input parameter is a predicted maritime traffic density and / or a predicted maritime traffic volume and the at least one output parameter averaged average speed of shipping traffic in the measurement area, based on a functional dependence of the average speed of maritime traffic density and / or maritime traffic intensity on the empirical model 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 volume is usually calculated over a moving time unit, for example a sliding hour.
Bei einer beispielhaften Messstrecke mit einer Länge von 1 0 nautischen Meilen, auf der sich zu einem bestimmten Messzeitpunkt 1 2 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 1 2 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 . In an exemplary test track with a length of 1 0 nautical miles, on which there are 1 2 ships traveling in the same direction at a certain time of measurement, the traffic density would be 1.2 ships per nautical mile. If these 12 ships also accidentally retracted within 60 minutes in the measuring section, the traffic for these ships is then 1 2 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 Mo- nate, 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 . Bel iebig gewählte 3-Monats- Zeiträume ergeben konsistente Ergebnisse für das empirische Modell . The first measurement period, in which the statistics for the empirical model are compiled, is advantageously several months. nate, 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 to be sufficient. Any 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 schl ießl ich 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 substantially on the traffic density or traffic intensity, whereas 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 on the basis of newly added AIS data continuously or at intervals, in particular older AIS data from fall out of the empirical model or, with less weight, feed into the empirical model 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, on the basis of the acquired AIS data, additionally a traffic flow composition is predicted and in particular is 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 ermögl icht es dann, Kursänderungen oder Geschwindigkeitsänderungen vorzunehmen, um die Pul kbildung oder einen Anschluss an einen Pulk zu vermeiden . Dies führt dann auch zu einer erheblichen Reduzierung der latenten Unfallgefahr, da ein auf einen Pul k auflaufendes Schiff mangels Bremsmögl ichkeit 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. Pulkbildungen are generally unwanted collective phenomena at sea, which should be avoided. An early prediction then makes it possible to make course changes or speed changes to avoid pulping or connecting to a pulp. This then also leads to a significant reduction of the latent accident risk, since a aufku on a Pul k vessel lack of Bremsmögl ichkeit would perform hectic maneuvers, 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 Bezier-Kurven . Damit werden Fehlvorhersagen aufgrund lücken- oder fehlerhafter GPS- und/oder AIS-Daten vermieden bzw. minimiert. 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-Datenemp- fangsvorrichtung, 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 d ie zentrale Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist. 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 Bezier curves. This avoids or minimizes mispredictions due to incomplete or incorrect GPS and / or AIS data. The object on which the invention is based is also achieved by a system for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-border-restricted, 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 used to receive AIS 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 configured, 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-Datenempf- angsvorrichtung 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 receiver, 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 o- der mehrere AIS-Datenempfangsstationen, einschl ießl ich AIS- Transceiver, eingangs, entlang und ausgangs des querschnittsbeschränkten Teils des Seegebiets positioniert werden, um eine möglichst große Abdeckung zu erreichen . Vorteilhafterweise ist eine in einem Seefahrzeug angeordnete Empfangseinrichtung ausgebildet und eingerichtet, Daten von der zentralen Datenverarbeitungsanlage, insbesondere von einer mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage verbundenen Datensendevor- richtung, zu empfangen und einem Operateur des Seefahrzeugs anzuzeigen . 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 in order to maximize coverage. 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 Appl ikation ("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 l iegende 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 1 0 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 . Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtl ich . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen . 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 an international, in particular international, sea area for forecasting and / or controlling vessel traffic in the cross-sectional restricted part of the sea area dissolved in a method according to the invention described above. The use of AIS data both for long-term modeling and for extrapolation into the future between, for example, 1 0 to 60 minutes for the extraction of 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 so far No statements about expected traffic conditions could be made in 10 to 60 minutes. Further features of the invention will be 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:
Fig . 1 eine Verkehrsdichtekarte der Kadettrinne, Fig. 1 a traffic density map of the Kadettrinne,
Fig . 2 eine Definition eines Messareals für die Kadettrinne, Fig. 2 a definition of a measuring area for the Kadettrinne,
Fig . 3 eine Karte der Kadettrinne mit übergelegtem Messareal , Fig. 3 a map of the Kadettrinne with a covered Messareal,
Fig . 4 eine Darstellung einer Anzeige Vorhersage-App, Fig. 4 is an illustration of a display prediction app,
Fig . 5 ein schematisches Ablauf-Diagramm, Fig. 5 is a schematic flowchart,
Fig . 6 eine Tabelle mit Schiffstypen, Fig. 6 a table with ship types,
Fig . 7a) - c) beispielhafte Fundamentaldiagramme und Fig. 7a) - c) exemplary fundamental diagrams and
Fig . 8a) - b) Fundamentaldiagramme mit Messwerten zur Abhängigkeit der Geschwindigkeit von maritimer Verkehrsdichte- und -stärke. Fig. 8a) - b) Fundamental diagrams with measurements of the dependence of the 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 provided with the same reference numerals, so that is apart from a new idea each case.
Fig . 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 vi- sualisierte Schiffsbewegungen beruhend auf AIS-Daten aus dem März des Jahres 201 0. 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 . Fig. 1 shows a map of a sea chart 8 of the Baltic Sea between the Danish Gedser in the northwest (top left) and the German Ostseebad 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 vessel movements based on AIS data from March 201 0 0. The gray scales provide information on the frequency of ship movements at specific locations, where white means a few to a few dates for a particular location and black indicates all points are at least 50% of the maximum occurring frequency.
Deutlich sichtbar sind d ie Fahrspuren, von denen die nördliche bzw. westl iche Spur 2 die südgehende ist, während die südlichere bzw. östlichere Spur 4 die nordgehende ist. Ebenfalls stark sichtbar ist eine kreuzende Fährl inie 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 is the southern one, while the more southern or more eastern lane 4 is the northern one. Also very visible is a crossing Fährl inie 6 between Rostock and Gedser. It is also clear that not all ships keep to the soft limits of Kadettrinne K.
Fig . 2 zeigt eine Definition für ein Messareal 1 0, das für einen Teil der Kadettrinne K definiert ist. Nördl ich und südlich wird es von Verkehrsstärkepunkten bzw. -linien 1 2, 14 begrenzt. Eine Verkehrsdichtefläche 1 6 umfasst den gesamten Bereich des Messareals 10 einschl ießl ich des Tiefwasserbereichs 1 8. Die Messungen werden für nord- und südgehende Seefahrzeuge getrennt vorgenommen . Fig. 2 shows a definition for a measurement area 10 defined for a part of the Kadettrinne K. Nördl me and south it is limited by traffic intensity points or lines 1 2, 14. Traffic density area 1 6 covers the entire area of the measuring area 10 including deep water area 1 8. Measurements are made separately for north and southbound vessels.
In Fig . 3 ist das Messareal 10 der Kadettrinne K überlagert darge- stellt, zusammen mit einigen nordgehenden Schiffen 20 sowie Markierungstonnen T, die die Spuren voneinander abgrenzen . Im Messareal 1 0 befinden sich zu dem dargestellten Zeitpunkt drei Schiffe 20, von denen zwei sich im zentralen Tiefwasserbereich 1 8 befinden . In Fig. 3 is the measuring area 10 of the Kadettrinne K superimposed darge- represents, along with some northbound ships 20 and marker tons T, which delimit the tracks from each other. In the measuring area 1 0 are at the time shown three ships 20, two of which are located in the central deep water area 1 8.
Rechts in Fig . 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 Fig. 3, exemplary measuring points are recorded in a diagram in which a traffic density is shown on the horizontal axis and a speed 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 Fig . 3 kommt zustande, wenn drei Schiffe mit 20 kn, 1 5 kn und 1 0 kn nacheinander in das Messareal 1 0 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 1 5 kn fährt. Da das erste schnelle Schiff noch im Messfeld ist, entstehen die beiden Datenpunkte 20kn/2 und 1 5kn/2 gleichzeitig . Bevor das letzte und langsamste Schiff mit 1 0 kn hereinkommt, haben die ersten beiden Schiffe das Messareal 1 0 bereits verlassen, so dass ein Datenpunkt 1 0kn/1 hinzukommt. The diagram on the right in FIG. 3 comes about when three ships with 20 kn, 1 5 kn and 1 0 kn one after another enter the area 1 0. 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 1 5 kn. Since the first fast ship is still in the measurement field, the two data points 20kn / 2 and 1 5kn / 2 are created simultaneously. Before the last and slowest ship with 1 0 kn comes in, the first two ships have already left the measurement area 1 0, so that a data point 1 0kn / 1 is added.
In Fig . 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 Fig. 4, a navigation display 30 of an exemplary system according to the invention is shown with a speed forecasting tool. This can be, for example, a mobile app or a program on a bridge PC.
Im l inken Feld ist die bereits zuvor dargestellte Seekarte 8 mit der Kadettrinne K mit aktuell vorhandenen Schiffen 20 und deren proji- zierten 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 1 0, 20 und 30 Minuten dargestellt, im unteren Teil 34 die jeweil ige 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 1 0, 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 1 1 ,9 kn über 1 1 ,6 kn auf 1 0,8 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, the nautical chart 8 shown previously with the Kadettrinne K with currently existing ships 20 and their proji- illustrated cures. On the right side, in the upper area 32, an expected traffic flow composition, divided into north and south going and according to ship classes A to D for times in 10, 20 and 30 minutes is shown, 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 1 0, 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, leaving one Significant reduction in speed is forecasted from 1 1, 9 kn over 1 1, 6 kn to 1 0.8 kn in 30 minutes. Based on this information, southbound ships 20 can adjust their speed even before entering the Kadettrinne K and therefore save energy.
Fig . 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 unterschiedl iche Kurse und Geschwindigkeiten . In dem querschnittsbeschränkten Bereich 42, der in diesem Fall eine internationale querschnittsbeschränkte Seewasserstraße ist, funken alle Schiffe 20 ihre AlS-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 1 0, 20 oder 30 Minuten bis zu Stunden prognostiziert (Box 54). Aus der prognostizierten Verkehrsmenge wird anhand eines empirischen Verkehrsstrommodells eine erwartete Durchschnittsgeschwindigkeit in der jeweil igen Fahrrichtung ermittelt (Box 56). Dieses empirische Modell wird aus Basisdaten vergangener Monate gespeist, die in einem Nebenmodul 58 ermittelt werden . Fig. 5 schematically illustrates the sequence of the method according to the invention. In the lower part shown sea area 40, several ships 20 approach from the left of a not yet cross-section limited part a cross-section limited part 42 of the sea area 40, for example, the Kadettrinne K. The ships 20 have unterschiedl iche Courses and speeds. In the cross-sectional restricted area 42, which in this case is an international cross-section limited sea-waterway, all ships 20 broadcast their AlS signals 50. 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 going out Base data from previous months, which are determined in a sub-module 58.
Die im Schritt 56 ermittelte Durchschnittsgeschwindigkeit oder andere oder weitere Ausgabeparameter, wie eine Verkehrszusammensetzung, werden im Schritt 60 versendet bzw. online verfügbar gemacht. The average speed determined in step 56 or other or other output parameters, such as a traffic composition, are sent in step 60 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. A unit present on the ship 20, for example a mobile telephone, a bridge PC or a navigation device, receives or retrieves the provided data in step 62. Optionally, the speed of the ship 20 is reduced if the airspeed is higher than the expected speed. This saves the ship 20 fuel, reduces its CO2 emissions, since it does not need to slow down, and makes the traffic in the track of the cross-sectional restricted portion 42 even.
Fig . 6 zeigt beispielhaft die Gruppierung der Schiffstypen in Kategorien A bis D anhand ihres Typs (Frachtschiffe u .ä., Passag ierschiffe und Tanker und Spezialschiffe) sowie anhand ihrer Abmaße. Dies sind die Kategorien, die im Beispiel in Fig . 4 zur Angabe der Verkehrszusammensetzungen verwendet wurden . Fig. 6 shows by way of example the grouping of the types of ships in categories A to D on the basis of their type (cargo ships and the like, passenger ships and tankers and special ships) as well as their dimensions. These are the categories that in the example in FIG. 4 were used to indicate the traffic compositions.
Die Fig . 7a), 7b) und 7c) zeigen schematisch Fundamentaldiagramme für den Schiffsverkehr in querschnittsbeschränkten Wasserstraßen . The Fig. 7a), 7b) and 7c) schematically show fundamental diagrams for shipping traffic in cross-section-restricted waterways.
In Fig . 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 Ver- kehrsfluss 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 schifffahrtstechni- schen Gründen manövrierunfähig werden, weil Steuerbewegungen keinen ausreichenden Druck in der Strömung mehr aufbauen, um das Schiff zu drehen . In Fig. 7a) shows 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 low traffic densities, the traffic flow is free (reference numeral 72). From a first threshold 73 the traffic is partially bound (reference numeral 74) to designate a bounded traffic flow 76 from a second limit value 75. The speed does not decrease in the free traffic flow 72, but in the partially bound traffic flow 74 it does not decrease much, but decreases sharply in the bound traffic flow 76. The dashed line means that such high traffic densities have not yet been observed. Theoretically, however, the speed can reach the minimum speed of 4 knots, below which ships become non-maneuverable due to shipping-related reasons, because control movements do not build up sufficient pressure in the flow to turn the ship.
In Fig . 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 Fig . 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 Fig. 7b), the maritime traffic intensity fundamental diagram Q in the unit ship crossings per hour is shown as curve 80. The first and second thresholds 73 'and 75' are different from those shown in FIG. 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.
Fig . 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 Ver- kehrsdichte D zieht in der gleitenden Stunde nicht zwangsläufig eine hohe Verkehrsstärke Q nach sich, da der Verkehrsstrom in der Kadettrinne stark inhomogen ist. Fig. 7c) schematically shows the correlation 90 of maritime traffic intensity Q to the maritime traffic density D, parameterized over the average speed, superimposed with the limits 73 and 75, corresponding to 73 'and 75', which the curve 90 into the traffic flow sections 72, 74 and 76 for free , partial 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 temporary high level of Traffic density D does not necessarily result in a high traffic volume Q in the moving hour, since the traffic flow in the cadet channel is highly inhomogeneous.
In Fig . 8a) und Fig . 8b) sind Messwerte einer Auswertung von Verkehrsdichten D und Verkehrsstärken Q über 1 766 Tage von 201 0 bis 2014 im Messareal 10 der Fig . 2 in der Kadettrinne K gezeigt, wobei Eistage entfernt wurden . In Fig. 8a) and FIG. 8b) are measured values of an evaluation of traffic densities D and traffic volumes Q over 1 766 days from 201 0 to 2014 in the measurement area 10 of FIG. 2 shown in the Kadettrinne K, with ice days were removed.
Die Messungen in Fig . 8a) reichen bis zu 1 7 Schiffen gleichzeitig in einer Fahrtrichtung im Messareal 1 0. Die einzelnen Datenpunkte, die hier in Balken zusammengefasst sind, sind so zustande gekommen wie oben zu dem Diagramm in Fig . 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 1 0,5 kn aufwies, das zweite Quantil Geschwindigkeiten zwischen 1 0,5 kn und 1 3 kn, das dritte Quantil Geschwindigkeiten zwischen 13 kn und 1 5,5 kn und das oberste Quantil Geschwindigkeiten zwischen 1 5,5 kn und 20,3 kn. Zu hohen Verkehrsdichten D hin nimmt d ie Häufigkeit der Ereignisse stark ab, ab D=7 waren dies weniger als 1 00 Ereignisse. The measurements in FIG. 8a) extend up to 1 7 ships simultaneously in one direction of travel in the measuring area 1 0. The individual data points, which are summarized here in bars, have come about as described above for the diagram in FIG. 3 described on the right. The boxes and bars in this case denote 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 1 0.5 kn, the second quantile velocity between 1 0.5 kn and 1 3 kn, the third quantile velocity between 13 kn and 1 5,5 kn and the highest quantile speeds between 1 5,5 kn and 20,3 kn. At high traffic densities D, the frequency of events decreases sharply; from D = 7, this was less than 1 00 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 Lin ie bildet ein arithmetisches Mittel 1 00 der Werte, die untere Lin ie entspricht einem Fit eines Polynoms durch den Median 1 04 der Werte, während die mittlere Linie einem Mittelwert 1 02 des arithmetischen Mittels 1 00 und des Medians 1 04 entspricht. Dies gilt entsprechend für die Polynome 1 1 0, 1 12 und 1 14 in Fig . 8b), die ebenso definiert sind wie in Fig . 8a). Im Falle der Verkehrsstärke Q ist der polynomiale aufgrund der relativ geringeren Anzahl von Werten bei Verkehrsstärken Q von 1 3 oder mehr zu hohen Werten von Q hin relativ schwach begrenzt, so dass die Kurven 1 1 0, 1 1 2 und 1 14 zu höheren Werten von Q hin vergleichsweise stark divergieren . Dennoch lässt sich im von Daten unterstützten Bereich ein deutliche Tendenz erkennen . 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 uppermost line forms an arithmetic mean 1 00 of the values, the lower line corresponds to a fit of a polynomial by the median 1 04 of the values, while the middle line corresponds to an average value 1 02 of the arithmetic mean 1 00 and the median 1 04. This applies correspondingly to the polynomials 1 1 0, 1 12 and 1 14 in FIG. 8b), which are defined as well as in FIG. 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 1 3 or more towards high values of Q, so that the curves 1 1 0, 1 1 2 and 1 14 to higher values relatively diverge from Q. 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.
qszeichenliste qszeichenliste
2 nördliche Spur 2 northern lane
4 südliche Spur  4 southern lane
6 Fährl inie  6 Fährl inie
8 Seekarte  8 nautical chart
1 0 Messareal  1 0 measuring area
1 2, 14 Verkehrsstärkelinie  1 2, 14 traffic strength line
1 6 Verkehrsdichtefläche  1 6 traffic density area
1 8 Tiefwasserbereich  1 8 deep water area
20 Schiff  20 ship
30 Navigations-Display  30 navigation display
32 erwartete Verkehrsstromzusammensetzung 32 expected traffic flow composition
34 erwartete Geschwindigkeit 34 expected speed
40 Seegebiet  40 sea area
42 querschnittsbeschränkter Teil  42 cross section limited part
50 AlS-Signale  50 AlS signals
52 Empfang der AlS-Signale  52 Receiving the AlS signals
54 Prognose der zukünftigen Verkehrsmenge 54 Forecasting the future traffic volume
56 Ermittlung einer erwarteten Geschwindigkeit aus empirischem Modell 56 Determination of an Expected Velocity from Empirical Model
58 Ermittlung von Basisdaten vergangener Monate 58 Determination of basic data from previous months
60 Versenden der Daten 60 Sending the data
62 Anpassen von Kurs und/oder Geschwindigkeit 62 Adjusting course and / or speed
70 Kurve D 70 curve D
72 freier Verkehrsfluss  72 free traffic flow
73, 73' erster Grenzwert  73, 73 'first limit
74 teilgebundener Verkehrsfluss  74 partially bound traffic flow
75, 75' zweiter Grenzwert  75, 75 'second limit
76 gebundener Verkehrsfluss  76 bound traffic flow
80 Kurve Q  80 curve Q
90 Korrelation von Q mit D 0 arithmetisches Mittel2 Mittelwert90 Correlation of Q with D 0 arithmetic mean2 mean
4 Median4 median
0 arithmetisches Mittel2 Mittelwert0 arithmetic mean2 mean
4 Median 4 median
D maritime Verkehrsdichte D maritime traffic density
K Kadettrinne K Kadettrinne
Q maritime Verkehrsstärke Q maritime traffic
R Gedser Riff R Gedser Reef
T Tonne  T ton

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets (40), wobei a) ein festes Messareal (10) definiert ist oder wird, das einen querschnittsbeschränkten Teil (42) des Seegebiets (40) umfasst, b) über einen ersten Messzeitraum hinweg AIS-("Automatic Identification System")-Daten von Seefahrzeugen (20), die das Messareal (1 0) durchqueren, erfasst werden, insbesondere deren aktuelle Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung, und aus den erfassten AIS-Daten ein empirisches Modell des Schiffsverkehrs im Messareal (1 0) 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 (20), die sich im Messareal (10) befinden und/oder von Seefahrzeugen (20), die sich dem Messareal (1 0) nähern, eine zeitliche Entwicklung wenigstens eines Eingabeparameters des Schiffsverkehrs in dem Messareal (1 0) 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 . 1 . A method for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area (40), wherein a) a fixed measuring area (10) is defined or comprises a cross-sectionally restricted part (42) of the sea area (40), b) over a first measurement period AIS (Automatic Identification System) data from sea vehicles (20) traversing the measurement area (1 0), in particular their current position, speed and direction, and from the recorded AIS Data is an empirical model of shipping traffic in the measurement area (1 0) is created, c) after the establishment of the empirical model, a traffic prediction and / or traffic control operation is performed for a current shipping traffic, in which c1) first based on AIS data from sea vehicles (20) located in the measurement area (10) and / or of maritime vehicles (20) approaching the measurement area (1 0), calculating, in particular extrapolating, a temporal evolution of at least one input parameter of the maritime traffic in the measurement area (1 0), and then c2) from the empirical model as input the at least one calculated input parameter of the shipping traffic is supplied, at least one output parameter of the shipping traffic in the measurement area is extracted as a model response.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modellantwort als Vorhersage eines zukünftig eintreffenden Werts des Ausgabeparameters einem Seefahrzeug (20) oder dessen Operateur mitgeteilt wird . A method according to claim 1, characterized in that the model response is communicated as a prediction of a future incoming value of the output parameter to a vessel (20) or its operator.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Seefahrzeug (20) oder dessen Operateur den vorhergesagten Wert des Ausgabeparameters zur Anpassung eines Betriebszustands des Seefahrzeugs (20) verwendet, insbesondere einer Geschwindigkeit oder eines Kurses vor, bei oder nach der Einfahrt in den querschnittsbeschränkten Teil (42) des Seegebiets (40), insbesondere zur Anpassung an eine vorhergesagte Durchschnittsgeschwindigkeit im querschnittsbeschränkten Teil des Seegebiets (42). A method according to claim 2, characterized in that the vessel (20) or its operator uses the predicted value of the output parameter to adjust an operating condition of the vessel (20), in particular a speed or heading before, during or after entry into the restricted section (42) of the sea area (40), in particular for adaptation to a predicted average speed in the cross-section restricted part of the sea area (42).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Eingabeparameter eine prognostizierte maritime Verkehrsdichte D und/oder eine prognostizierte maritime Verkehrsstärke Q ist und der wenigstens eine Ausgabeparameter eine richtungsbezogene Durchschnittsgeschwindigkeit des Schiffsverkehrs im Messareal (1 0) ist, wobei dem empirischen Modell eine funktionale Abhängigkeit der Durchschnittsgeschwindigkeit von maritimer Verkehrsdichte D und/oder maritimer Verkehrsstärke Q zugrunde liegt, die aus den im ersten Messzeitraum erfassten AIS-Daten berechnet ist. 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 direction-related average speed of the vessel traffic in the measurement area (1 0) the empirical model is based on a functional dependence of the average speed of maritime traffic density D and / or maritime traffic intensity Q calculated from the AIS data acquired during the first measurement period.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maritime Verkehrsdichte D und/oder die maritime Verkehrsstärke Q in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, vom Schiffstyp und/oder vom Tiefgang ermittelt wird . 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzverkehrsdichte und/oder eine Grenz- verkehrsstärke ermittelt wird, ab der die Seefahrzeuge (20) ihre Geschwindigkeit vermindern . Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a border traffic density and / or a Grenzverkehrsstärke is determined, from which the sea vehicles (20) reduce their speed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 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 . 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass im empirischen Modell 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 werden oder d ie Daten im Modell auf die entsprechenden aktuellen Bedingungen hin gefiltert werden . 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that one or more correlations of the output parameter (s) are parameterized in the empirical model 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 to the corresponding current Conditions are filtered out.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erfassten AIS-Daten zusätzlich eine Verkehrsstromzusammensetzung vorhergesagt und insbesondere mitgeteilt wird . 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erfassten AIS-Daten zusätzlich eine Pul kbildung vorhergesagt und insbesondere mitgeteilt wird, indem Abstände und Geschwindigkeit von Seefahrzeugen (20) zueinander ermittelt werden, die in die gleiche Richtung fahren . 1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c1 ) relevante Kurse von Seefahrzeugen (20) zur Minimierung von GPS-Störungen aus einer Abfolge von AIS-Daten extrapoliert werden, insbesondere mit Hilfe von abgewandelten Bezier-Kurven . Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the basis of the detected AIS data additionally a kung formation predicted and in particular communicated by distances and speed of marine vehicles (20) are determined to each other, go in the same direction. 1 1. Method according to one of claims 1 to 1 0, characterized in that in step c1) relevant courses of sea vehicles (20) for minimizing GPS interference from a sequence of AIS data are extrapolated, in particular with the aid of modified Bezier curves.
1 2. System zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr im Bereich eines querschnittsbeschränkten, insbesondere internationalen, Seegebiets (40), mit wenigstens einer zentralen Datenverarbeitungsanlage und wenigstens einer AIS-Daten- empfangsvorrichtung, die zum Empfang von AIS-Daten von2. A system for forecasting and / or controlling shipping traffic in the area of a cross-sectional, in particular international, sea area (40), comprising at least one central data processing system and at least one AIS data reception device, which is used to receive AIS data from
Seefahrzeugen (20) im Bereich des querschnittsbeschränkten Seegebiets (40) sowie zur Übermittlung empfangener AIS- Daten an die zentrale Datenverarbeitungsanlage ausgebildet und eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0 ausgebildet und eingerich- tet ist. Maritime vessels (20) in the area of cross-sectional maritime area (40) and for the transmission of AIS Data is formed and set up to the central data processing system, characterized in that the central data processing system for implementing a method according to one of claims 1 to 1 0 is formed and set up.
System nach Anspruch 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Seefahrzeug (20) angeordnete Empfangseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, Daten von der zentralen Datenverarbeitungsanlage, insbesondere von einer mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage verbundenen Datensendevor- richtung, zu empfangen und einem Operateur des Seefahrzeugs (20) anzuzeigen . 14. System nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieSystem according to claim 1 2, characterized in that in a marine vehicle (20) arranged receiving device is designed and set up to receive data from the central data processing system, in particular from a connected to the central data processing system Datenendevor- direction, and an operator of the maritime vehicle ( 20). 14. System according to claim 1 3, characterized in that the
Empfangseinrichtung ein Navigationsgerät, eine ARPA-Anlage, ein elektronische Seekarte (ECDIS) oder ein mit dem Internet verbundenes oder verbindbares Mobiltelefon des Operateurs des Seefahrzeugs (20) ist. Receiving device is a navigation device, an ARPA system, an electronic nautical chart (ECDIS) or a connected or connectable to the Internet mobile phone operator of the maritime vehicle (20).
1 5. Verwendung von AIS-Daten von Seefahrzeugen, die ein Messareal durchqueren, das einen querschnittsbeschränkten Teil eines, insbesondere internationalen, Seegebiets (40) umfasst, zur Vorhersage und/oder Steuerung von Schiffsverkehr in dem querschnittsbeschränkten Teil (42) des Seegebiets (40) in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0. Use of AIS data from maritime vessels traversing a measurement area comprising a cross-sectional restricted part of a, particularly international, sea area (40) for forecasting and / or controlling vessel traffic in the cross-sectional restricted part (42) of the sea area (40 ) in a method according to any one of claims 1 to 1 0.
PCT/EP2016/080117 2015-12-10 2016-12-07 Method and system for predicting traffic in sea areas of limited cross-section WO2017097848A1 (en)

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