2. Ausrüstung Testschiff

2.2 Aktorik

2.2 Aktorik

Die Niedersachsen 22 verfügt über die in der Binnenschifffahrt üblichen Antriebs- und Manövrierorgane; die Hauptmaschine, das Ruder und den Bugstrahler. Für das Projekt Autobin werden diese über moderne Schnittstellen und Bussysteme wie Controller-Area-Network (CAN-Bus) oder speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) angesprochen und mittels geeigneter Konverter an ein 10 Gigabit-Ethernet-Netzwerk angeschlossen. Bereits bevor die in AP 1.2 entwickelte künstliche Intelligenz die Kontrolle über das Schiff übernimmt, werden die Daten der Aktorik aufgezeichnet, so lassen sich später die automatische und die menschliche Steuerung vergleichen und Situationen identifizieren, in denen die künstliche Intelligenz noch verbessert bzw. nachtrainiert werden muss. 

Auf der Brücke wird ein Schalter installiert mit dem die Schiffsführenden zwischen automatischer und manueller Steuerung umschalten können. Ist die automatische Steuerung aktiv, soll die künstliche Intelligenz auf Basis der Sensordaten aus AP 2.1 das Schiff steuern, dazu gibt sie die Sollwerte für Propellerdrehrate und -richtung, Ruderwinkel und Drehrate und -richtung des Bugstrahlers vor. Auch die Bedienung weiterer Steuerungsfunktionen, wie das Heben und Senken der Brücke, das Setzen der blauen Tafel und die Steuerung der Scheinwerfer werden von der künstlichen Intelligenz übernommen. Für das planmäßige Umschalten in den manuellen Betrieb werden die Sollwerte auch auf die Bediengeräte der Brücke übertragen um einen sanften Übergang zu ermöglichen. In Notfall- oder sicherheitskritischen Situationen können die Schiffsführenden einen zusätzlich installierten Notfallschalter betätigen und damit sofort die Kontrolle über das Schiff zurückgewinnen. In diesem Fall wird der Automat galvanisch vom System getrennt um zu verhindern, dass noch letzte Steuerbefehle ausgeführt werden oder Signale die Bus-Systeme blockieren. 

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.

5.1 Wirtschaftlichkeitsanalyse

Analyse der Wirtschaftlichkeit

5.2 Bewertung

Finale Bewertung der Automatisierung

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