1. Simulationsumgebung

1.2 KI / Verhaltenssteuerung

Die zentrale Funktionalität des autonomen Binnenschiffs wird durch die Realisierung von automatisierten Fahrverhaltensfunktionen erzielt, die basierend auf abgesicherten und verlässlichen Eingangsdaten und -informationen (Sensorik) situationsspezifisch die Ansteuerung der konventionellen Steuerinstrumente des Schiffes (Aktorik) vornimmt. Hierbei werden Algorithmen der klassischen Bahnplanung, des maschinellen Lernens (ML), der künstlichen Intelligenz (KI), der Sensorfusion sowie der modellprädiktiven Regelung verwendet. Dabei kommt der Positionsbestimmung eine zentrale Bedeutung zu. Durch Sensorfusion (z. B. Kalman-Filterung) werden die GPS-Sensorik und die Inertialsensorik kombiniert. Diese Information kann mit Hilfe der über die optische Sensorik möglichen Umgebungsszenenerkennung kombiniert werden, die bereits über die Simulation (bzw. später auf Grund früherer Fahrten) gelernt wurde und ebenfalls mit Positionsdaten versehen ist. In welcher Weise dies kombiniert wird ist Gegenstand des Vorhabens.
Unter Nutzung der Erkennung anderer Verkehrsteilnehmer und deren Fahrintention (AP 1.3) steht fahrzeugintern für die Abbildung der Umgebungssituation neben der Position von Fahrzeug und Objekten eine Karte zur Verfügung, um rechnerintern eine dynamische 2D-Karte aufzubauen. Diese Karte erlaubt die Planung bzw. Umplanung der eigenen Routen sowie die Vorausplanung der Bewegung anderer und somit eine Konflikterkennung. Unter Nutzung einer lokalen Verhaltensplanung (Ausweichmanöver) durch Bewertung von Verhaltensalternativen werden ggf. Ausweichmanöver bestimmt.

Arbeitspakete

Die Simulationsumgebung als virtuelles Abbild der realen Welt ist die zentrale Entwicklungsumgebung für alle Steuerungs- und Überwachungsalgorithmen. Ein digitaler Zwilling des Testschiffs ist in der Simulationsumgebung implementiert.

Die Entwicklung der automatisierten Steuerung des Binnenschiffs erfolgt zunächst in einem Simulator. Im ersten Arbeitspaket wird deshalb der vorhandene Simulator so erweitert, dass Sensormesswerte virtuell erzeugt werden können. Die parallel dazu modular entwickelte Künstliche Intelligenz (KI) für die Schiffsführung bzw. zur Umsetzung der Fahrverhaltensfunktionen wird dann in einem Simulationsmodell so integriert, dass eine spätere parallele Portierung auf ein reales Binnenschiff ermöglicht wird. Weiterhin wird das Verhalten der weiteren Verkehrsteilnehmer (Schiffe im Umfeld des automatisierten Binnenschiffs) modelliert und in die Simulationsumgebung integriert. Die Entwicklung der KI zur Umsetzung der Fahrverhaltensfunktionen für unterschiedliche Aufgaben erfolgt zunächst parallel, um dann im Simulator erprobt zu werden. Grundlegende Fragestellungen zur Wahl und zum Aufbau des Moduls werden auf diese Weise effizient bearbeitet.

1.1 Simulator

Die virtuelle Heimat des digitalen Zwillings

1.2 KI / Verhaltenssteuerung

Die zentralen Algorithmen: Schiffsführung und Fahrverhaltensfunktionen

1.3 Verhalten der anderen Verkehrsteilnehmer

Voraussetzung für unfallfreien Verkehr: Verständnis der Verkehrslage

Zur Ausrüstung des Testschiffes wird Sensorik und Aktorik verwendet. Außerdem wird eine Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt.

2.1 Sensorik

Sensorische Erfassung der Umgebung.

2.2 Aktorik

Die künstliche Intelligenz übernimmt das Ruder

2.3 Mensch-Maschine-Schnittstelle

Entwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstelle

Die Realisierung der Automatisierung des Testschiffes bedarf einer Feinkonzeption und Abstimmung der Algorithmen. Weiterhin müssen im Vorfeld die Automatisierungsfunktionen in der Simulationsumgebung getestet werden. Anschließend erfolgt eine Validierung am Realsystem.

3.1 Feinkonzeption und Abstimmung der Algorithmen

Feinkonzeption und Abstimmung der Algorithmen zur Automatisierung des Binnenschiffs

3.2 Umsetzung

Technische Umsetzung der Automatisierungsfunktionen

3.3 Integration der autom. Schiffsführung in der Simulationsumgebung

Integration der automatisierten Schiffsführung in der Simulationsumgebung

3.4 Validierung ML/KI und Schiffsführung

Validierung der Methoden mit Realdaten und Simulator

Zur Erprobung des Testschiffes werden zunächst Testszenarien definiert. Anschließend wird die automatisierte Schiffsführung integriert und iterativ angepasst. Dazu sind Testfahrten zwingend notwendig.

4.1 Definition Testszenarien

Erprobung der Entwicklungen

4.2 Integration und Anpassung der Schiffsführung des Testschiffs

Integration und Anpassung der automatisierten Schiffsführung

4.3 Testfahrten und Demonstration

Von der Theorie in die Praxis

Die Automatisierung von Binnenschiffen muss auch wirtschaftlich betrachtet werden. Diese Betrachtung findet innerhalb einer Wirtschaftlichkeitsanalyse statt, welche auch bewertet werden muss.