Dar su yollarında manuel kumanda ile seyir yapan gemilerin konumunun yapay sinir ağı kullanılarak öngörülmesi

Gemilerin dar sulardan geçişleri, maruz kalınan bozucular ve coğrafi yapı nedeniyle çok gelişmiş seyir cihazlarına rağmen sorun olmaya devam etmektedir. Birçok ülkede dar sularda emniyetli geçişin sağlanması amacıyla, belirli aralıklarla yerleştirilmiş radarlar vasıtasıyla geçiş yapan gemilerin izlenmesi ve bu sayede çarpışma, karaya oturma ve diğer şekillerde oluşabilecek kaza risklerinin azaltılması için Gemi Trafik Hizmetleri Merkezleri (GTH) görev yapmaktadır. Bu çalışmada, İstanbul Boğazı model alınarak, GTH merkezinde erken uyarı sistemi ve geçiş yapan gemilerde seyir yardımcısı kılavuz olarak görev yapacak bir yöntem geliştirilmiştir. Boğaz kazalarının, gemilerin trafik ayrım düzeni sınırlarını ihlal etmeleri nedeniyle meydana geldiği bilindiğinden, ihlalin önceden tespiti ile tehlike riskini azaltmak ve olası kazaları engellemek hedeflenmiştir. Özellikle görüşün azaldığı, alt akıntının arttığı durumlarda ve 45 dereceden daha yüksek manevralarda kaza riski artmaktadır. GTH merkezinin imkânlarından faydalanılarak, manüel olarak kumanda edilmek suretiyle boğaz geçişi yaptırılan gemilerin tüm çevre şartlarına bağlı olan hareketine ait verilerinden faydalanarak yapay sinir ağı eğitilmiş ve eğitilmiş yapay sinir ağı (EYSA) ile İstanbul Boğazı’nın coğrafi ve oşinografik özelliği göz önüne alınarak kabul edilmiş süre olan 3 dakika sonraki yerleri öngörülmüştür. Gerçek zamanlı olarak yapılan öngörü GTH personeli ile değerlendirilmiş ve en az 2 dakikalık öngörünün kendileri için faydalı olacağı tespit edilmiştir. Vektörel hata analizleri de yapılarak öngörünün istenen seviyede olduğu görülmüştür.

Prediction of manually controlled vessels' position navigating in narrow waterways usin artificial neural networks

Despite modern navigation devices, there are still some problems for navigating of vessels in narrow waterways because of geographical structures and various disturbances. In this study, guidance and a early warning method have been developed for navigation in narrow waterways. The Istanbul Strait has been specifically studied as a model. The basis of this study is to predict the future coordinates of a manually controlled vessel using Artificial Neural Networks (ANN). The method could be utilized for warning system by Vessel Traffic Services (VTS) operators and guidance system by vessel crew. Even though all vessels have modern navigation devices, use of autopilot is not allowed in the Strait. Vessels have to be manually controlled according to rules. A human operator (helmsman) controls a vessel as a continuous system manually according to captain’s command against random disturbances through strait of Istanbul and their behaviour affects the course and coordinates of the vessel. In this study, Artificial Neural Networks have been trained by using position and speed data collected from vessels which navigated manually in the strait and they included effects of environmental conditions and geographical characteristics of the strait. Three-minute-ahead-position of vessels have been predicted by using the trained ANN. Some experiments have been realized in İstanbul VTS centre and it has been observed that the method satisfied the goal in especially turning points of the strait. VTS operators can watch only straight bearing of vessels on VTS panels but especially for turning regions, they have to notice a risk on time which may result with a disaster because of negligence of the vessel crew. Latitude and longitude (x,y), course (ψ), speed (u) and time ( t) data have been collected from GPS of 4 vessels in 1 minute sampling period to train Artificial Neural Networks. Then the trained ANN has been used to predict xˆ (t +1), xˆ (t + 2) , xˆ (t + 3) , yˆ (t +1) , yˆ (t + 2) , yˆ (t + 3) positions. Data from vessels, navigated to south and north, have been used to determine model structures. Although the course is stable on the reference line between two turning points, vessels can change its course if it is between traffic separation lines. The direction of vector, from x[k-1], y[k-1] to x[k], y[k], gives the course of the vessel. These data includes speed data because they were recorded in 1 minute sampling period. So, only position data considered to decide model structure and used for training of Neural Networks. On-line prediction has been tested at the VTS centre in Istanbul. and, it has been confirmed that, there is no early warning and guidance system as intended in this study, either in Turkey or in another country to use along with VTS systems. Warning mission is currently realised by certificated and experienced operators. The prediction results evaluated together with VTS operators. They found the prediction performance satisfactory and stated that they need minimum of 2 minutes to prevent a probable risk. Currently a Straight bearing line is shown on the VTS operator panels and it represents vessels’ course but it’s not useful especially on the turning regions. The proposed method has been particularly formed for prediction of turning course and the prediction performance was found to be successful on the turning regions. Error analysis has been made for examining differences between predicted position and real position of the vessel. Three different methods can be suggested for prediction. As in this study; data file of the vessel has been updated and Neural Networks have been trained in 1 minute sampling period and then 3-minute-ahead position has been predicted with trained Neural Network. As another possible method; Trained Artificial Neural Networks (TANN) libraries can be constituted by collecting data statistically from vessels navigate in Strait depending on the current environmental conditions. Finally as a third option, special TANN libraries can be constituted by keeping the past data of any specific vessel and it can be later used for the same vessel and of course environmental conditions should also be considered. In addition, if VTS operators can watch the course prediction instead of straight bearing on operator panels for vessels navigating in opposite directions in straits, the algorithm can be expanded to make “collision prediction” for early warning in especially turning regions and this issue can be studied also in future.

___

  • Cerit G., (2000). Deniz güvenlik yönetimi ve Türk boÄŸazları, Dokuz Eylül Üniversitesi Deniz İşletmeciliÄŸi ve Yönetimi Yüksekokulu, Büyüteç Altında Türk BoÄŸazları Sempozyumu, İzmir.
  • Demuth, H. B., Beale, M., (1998). Neural Network Toolbox for use with MATLAB, User’s Guide Version 3, The Math Works Inc.
  • Enab, Y. M., (1996). Intelligent controller design for the ship steering problem, IEE, 143, 1.
  • Ertugrul, S., Hızal, N. A., (2005). Neuor-fuzzy controller design via modelling human operator actions, Journal of Intelligent Fuzzy Systems, 16, 133-140.
  • Hagan, M.T., Demuth, H. B., Beale, M., (1996). Neural network design, PWS Publishing Company, Boston.
  • Kondratenko, Y., Sydorenko S., (2003). Automation of decision making in uncertainty: Navigation in narrowness and channels, Mykolaiv State Human Science University, Ukrainian State Maritime Technical University, Third Triennial International Conference on Applied Otomatic Systems Ohrid, Sept. 18-20, Republic of Macedonia.
  • McRuer, D.T., (1980). Human dynamics in man-machine systems, Automatica, 16, 237-253.
  • Linda, M., Paul, B., (1997). A vessel traffic system analysis for the Korea/Tsushima Strait, ESENA, Energy-Related Marine Issues in the Regional Seas of Northeast Asia, Berkeley, California, December.
  • Nicolau, V., Aiordachioaie, D., Popa, R., (2004). neural network prediction of the wave influence on the yaw motion of a ship, neural networks Proceedings, 2004 IEEE International Joint Conference on 4, 25-29, 2801-2806, July.
  • Papenhuijzen, R., Stassen, H. G., (1989). On the modelling of planning and supervisory behaviour of the navigator, Delft University of Technology, IFAC Man-Machine Systems.
  • Salski, A., Noback, H. and Stassen, H.G., (1998). A model of the navigator’s behaviour based on fuzzy set theory, Delft University of Technology, Netherland.
  • Sindel D., (1984). Sistem mühendisliÄŸi yaklaşımı ile gemi çarpışmalarının önlenmesi, Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi.
  • Seyir Hidrografi ve OÅŸinografi Dairesi BaÅŸkanlığı, (1999). İstanbul BoÄŸazı, Marmara Denizi ve Çanakkale BoÄŸazı seyir rehberi, İstanbul.
  • T.C. BaÅŸbakanlık Denizcilik MüsteÅŸarlığı Yayınları, (2000). Türk BoÄŸazları seyir güvenliÄŸi, İstanbul.
  • Westrenen, F.V., (1995). Towards a decision making model of river pilots, Delft University of Technology,Delft.
İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik-Cover
  • ISSN: 1303-703X
  • Yayın Aralığı: 6
  • Yayıncı: İTÜ Rektörlüğü
Sayıdaki Diğer Makaleler

Uzaktan algılama görüntülerinin sınıflandırılması için sınır özniteliklerinin belirlenmesi ve adaptasyonu algoritması

Bingül YAZGAN, Okan K. ERSOY, N. Gökhan KASAPOĞLU

Dar su yollarında manuel kumanda ile seyir yapan gemilerin konumunun yapay sinir ağı kullanılarak öngörülmesi

Uğur ŞİMŞİR, Şeniz ERTUĞRUL

Metro tünellerinde uygulanan şemsiye-kemer yönteminin sayısal analizi

Mete İNCECİK, Erdal Emre ÇEÇEN

Kültürel miraslarda mekana dayalı bilişim mimarisi

Caner GÜNEY, Rahmi Nuran ÇELİK

Kar amaçlı olmayan imalat işletmelerinin maliyet muhasebesi problemi: Bir model

Mehmet BOLAK, Tarık VAR

6 Serbestlik dereceli 6-3, özel yapı 6-3 ve 6-4 paralel mekanizmaların genişletilmiş çalışma uzayı analizi

Hüseyin ALP, İbrahim ÖZKOL

Organizasyonlar için rekabet üstünlüğü modeli oluşturulması

Ayberk SOYER, Haluk ERKUT

Soya esaslı bileşenlerin soya ekmeği özelliklerine etkilerinin incelenmesi

Dilek BOYACIOĞLU, Dilara NİLÜFER

Türkmenceden Türkçeye bilgisayarlı metin çevirisi

Ahmet Cüneyd TANTUĞ, Kemal OFLAZER, Eşref ADALI

Gamma-linolenik asit ile zenginleştirilmiş anne sütü yağına benzer yapılandırılmış yağların üretimi

Şahin Neşe YEŞİLÇUBUK, Artemis KARAALİ