Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
579904		A dynamic risk assessment methodology (Dy-RAM) in port waters / Liman sularında dinamik risk değerlendirme (Dy-RAM) metodolojisi Yazar:ÜLKÜ ÖZTÜRK Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR ÇİÇEK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Denizcilik = Marine Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2019 104 s.
Denizdeki acil ihtiyaçlar ve emniyet hususunun yüksek öneme haiz olması, denizde güvenli bir şekilde seyir yapmanın gereksinimlerini oluşturmakta ve by yöndeki çalışmaları teşvik etmektedir. Denizde seyir güvenliği ve emniyeti, denizcilik endüstrisindeki ana kaygılardan ve üzerinde çalışılmakta olan konulardan biridir. Dünya, nüfus ve ticaret artışına paralel olarak ticari gemilerin boyutları gittikçe artmakta ve su yolları buna bağlı olarak yoğunlaşmaktadır, ancak buna rağmen gemi zabitanları seyir güvenliğine ilişkin tek sorumluluğa sahip bireyler olmaya devam etmektedirler. Bu sorumluluğun üstesinden gelmelerine yardımcı olan en temel araç ise elde ettikleri deneyimlerdir. IMO standardizasyon çalışmaları; COLREG, seyir emniyetini ve güvenliğini sağlamak için kullanışlı, pratik ve güvenilir yöntemler sunmaktadır. Ancak, COLREG Kural 7, çarpışma riskini yetersiz bir şekilde tanımlamıştır; yaklaşan bir geminin nisbi kerterizinin kayda değer bir şekilde değişmemesi durumunda riskin var olduğu kabul edilmektedir. COLREG, çatışamadan kaçınma durumlarına yönelik sade ve ayrıntılı tavsiyeler vermemekle birlikte daha çok iyi denizcilik uygulamalarına atıf yapmaktadır. Sonuç olarak, köprü üstündeki seyir yardımlarıcıları ve zorunlu denizcilik eğitim/sertifikasyonu deniz kazalarını tatmin edici bir şekilde önleyememiştir. IMO'nun standardizasyon çabaları gibi diğer karar destek sistemlerinin temel dayanaklarından bir tanesi risk değerlendirme sürecidir. Bu nedenle, seyir çarpışma riski değerlendirmesi bu tip destek sistemlerinin temel dayanaklarından bir tanesidir. Ayrıca, seyir çarpışma riski değerlendirmesi son zamanlarda deniz otonom seyri kapsamında sıklıkla kullanılan önemli bir kavramdır. Bu nedenle, seyir çarpışma riskini sürekli olarak değişkenlerin durumlarını izleyerek değerlendirmek için etkili bir sistematik model gereklidir. Hem seyir yönetim hem de seyir güvenlik ve emniyet yeteneklerinin arttırılması için bu özelliklere sahip bir modele ihtiyaç duyulabilir. Bu gereklilik, gemi seyrine ilişikin veriler arttıkça daha da somut olabilir. Denizcilik düzenlemelerinin seyir çarpışma riskinin açık bir şekilde tanımlamasının eksikliği bir çok bilimsel çalışma ile giderilmeye çalışılmıştır. Herbir bilimsel çalışmanın avantajları ve dezavantajları vardır. Bununla birlikte, her bir deniz alanının (açık deniz, dar kanallar, liman sular vb.) farklı özellikleri olduğundan dolayı seyir çarpışma riskini bulmanın tek bir yolu yoktur. Diğer yandan, bilimsel anlamda deniz seyir çarpışma riskine yönelik belirli ve ortak kabul gören bir risk tanımlaması da yapılmamıştır. Uygun ve tutarlı bir çarpışma riski değerlendirme yönteminin seçimi, genellikle her bir deniz alanı için değişebilir. Bu alandaki bilimsel çalışmalar bugüne kadar özellikle iki ana deniz alanı ile ilgilenmiştir; açık deniz ve kısıtlı ya da yoğun su yolları. Fakat, liman bölgesinde aborda ve avara manevralarını da içeren bir seyir çarpışma risk değerlendirmesi çalışması henüz yapılmamıştır. Bu kapsamda, bu doktora çalışması, liman sularında avara ve aborda manevraları dahil olmak üzere bir seyir çarpışma riski değerlendirme metodolojisi ortaya koymayı hedeflemektedir. Ayrıca, bu önerilen seyir çarpışma riski değerlendirmesi ılımlı ve gerçekçi bir risk değerlendirme yaklaşımdır. Ilımlı ve gerçekçi risk değerlendirmesi ise kısmen uzman görüşlerine dayanan bir risk değerlendirme metodolojisini ifade etmektedir. Bu amaç için seyir çarpışma riski değerlendirmeleri hakkında detaylı bir yazın taraması yapılmıştır. Seyir risk değerlendirmesi kapsamında geminin güvenli alanı ve çarpışmadan kaçınma manevralarına ilişkin yazın taraması çalışmaları olmasına rağmen konumuz olan bireysel seyir risk değerlendirme çalışmalarına odaklanan bir yazın çalışması henüz yapılmamıştır. Bu doktora tezinde yazın açığının bulunması maksadıyla ayrıntılı ve sistematik bir yazın taraması yapılmıştır. Öte yandan, liman yaklaşma manevralarının risk değerlendirmesinin yapılabilmesi maksadıyla mevcut diğer seyir risk değerlendirme çalışmalarında kullanılan değişkenler incelenmiştir. Diğer çalışmalarda nadiren kullanılan ve bu sebeple bazı çalışmalar tarafından eleştirilen çevresel koşulların (rüzgar, akım ve dalga kuvveti) nasıl kullanılabileceği de gösterilmiştir. Bu değişkenler önceli çalışmalarda nadiren ve basit bir şekilde kullanıldığı için bu doktora çalışması, çevresel koşulları uluslararası standartlara uygun olarak ortaya koymuştur. Bu doktora tezi, seyirsel çarpışma riskini değerlendirmek için liman yaklaşımı manevraları için tasarlanmış üç yeni değişken önermektedir. Bu yeni değişkenler, mesafe, rüzgar ve alandır. Bu parameterler liman havzalarındaki seyir risk durumunu izlemek için pratik bir yol sunmaktadır. Bu üç yeni değişkene ek olarak, gemi hızı seyir çarpışma riski değerlendirme metodolojisinde kullanılan dördüncü değişkendir. Seyir risk değerlendirme metodolojisinde risk etiketlerinin belirlenmesi için önerilen bu değişkenler kullanılmakla birlikte modeli eğitmek için gemi üzerindeki algılayıcılardan elde edilebilecek ham veriler kullanılmaktadır. JMS (Japan Maritime Science) Gemi Köprü Üstü Simülatöründe toplam 140 liman yaklaşma (yanaşma / ayrılma) manevra senaryosu uygulanmıştır. Tüm senaryolarının yapıldığı Gemi Komuta Simülatöründa gerçek bir ticari geminin sahip olduğu tüm navigasyon cihazları (ARPA radarı, ECDIS, dümen, römorkör, haberleşme teçhizatı, GPS, alarm panelleri vb.) bulunmaktadır. Bu senaryolar, liman yaklaşımı manevralarında olabilecek olası tüm durumları kapsayacak şekilde gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Bu senaryolardan elde edilen ham veriler R programlama diline aktarılarak gözden geçirilmiş ve istatksel analize uygun hale getirilmiştir. Elde edilen veri kümesi liman yaklaşma manevralarının incelenmesi ve başta risk değerlendirmesi olmak üzere daha bir çok analizin yapılabileceği benzersiz bir imkanın ortaya çıkmasını sağlamıştır. Seyir risk değerlendirmesi için bugüne kadar uygulanan teknikler incelenmiş olup doğrusal ve doğrusal olmayan çeşitli yöntemlerin olduğu tespit edilmiştir. Fakat, risk değerlendirme sürecinde en önemli adımın değişkenlerin ve etiketlerin belirlenmesi olduğu ortaya çıkmıştır. Yazındaki çalışmalar risk etiketlerini bir çok farklı yöntemle elde etmektedirler. Bu doktora tezinde, her bir gözlemin etiketleri, bulanık ve yarı denetimli öğrenme yaklaşımını içeren bir metodoloji ile belirlenmiştir. Bulanık kümeleme yöntemi sayesinde değişkenler sınıflandırılarak sözlü olarak ifade edilme imkanı yaratılmıştır. Risk etiketlerinin belirlenmesinde en temel yöntemlerden bir tanesi uzman bilgisine başvurmaktır. Bununla birlikte, bu çalışmada 1440 kural birleşimi olduğu için uzman bilgisinden tüm kuralları oluşturmak zor olabilir. Bu nedenle, uzman bilgisinin çalışmaya aktarılamsı maksadıyla oluşturulan ankette sadece yirmi kural belirlenmiştir. Hazırlanan anket 20 deneyimli kılavuz tarafından doldurulmuştur. Tüm kılavuzlar en az 10 yıllık deneyime sahip olmakla birlikte bunların on iki tanesi en az 20 yıllık deneyime sahiptir. Geriye kalan etiketsiz gözlemler ise, yarı denetimli destek vektör makineleri (S3VM) ile etiketlenmiştir. S3VM ile elde edilen etiketler simülasyona ait ham veriler ile birleştirilmiş ve rastgele orman modeli ile eğitilmiştir. Öte yandan, başka iki istatistiksel model, yapay sinir ağı ve gradyan artırma, aynı veri kümesi kullanılarak eğitilmiştir. Rastgele orman modelinin şaşıtıcı doğruluk oranına sahip olmasından dolayı veriye gürültü eklenerek tekrar yeni bir eğitim veri kümesi oluşturulmuştur. Model, gürültülü veri kümesi ile de iyi bir performans göstermiştir. Modelin sonuçları, mesafe, alan ve rüzgar değişkenlerinin liman yanaşma manevralarında seyir risk değerlendirmesi için uygun olduğunu göstermektedir. Ayrıca, hız değişkeninin kümelenmesi sonucunun ISO standardına paralel olduğu görülmüştür. Bu değişkenler seyir güvenliği hakkında faydalı ve pratik bilgiler verebilir. Metodoloji her ne kadar konu ile ilgili özelleştirilmiş değişkenler ile kurulmuş olsa da algoritmanın eğitimi ham verilerle yapılmış ve gayet iyi sonuçlar alınmıştır. Önerilen değişkenler yerine simülasyonların ham verilerinin kullanılması, modelin uygulanabilirliğini artırabilir ve gerçek hayatta operasyonel amaçlar için de kullanılabilirliğini arttırabilir. Bu durum sonuçta liman havzalarında seyir güvenliği çabalarına da katkıda bulunabilir. Gemi hız vektörlerinden birinin risk derecesi ile en yüksek ilişkiye sahip olduğu beklenen bir sonuçtur. Fakat, rüzgar hızının ikinci en yüksek ilişkiye sahip değişken olarak bulunması, seyir çarpışama riski üzerinde hidro-meteorolojik verilerin önemini vurgulaması açısından önemlidir. Her bir risk sınıfının belirlenmesindeki değişkenlerin kısmi etkilerini gösteren kısmi grafikler çıkarılmış olup değişkenlerin liman içerisinde risk üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ortaya konan seyir risk değerlendirme metodolojisinin uygulanan örnek senaryo üzerinden de değerlendirilerek liman yaklaşma manevralarında gayet başarılı bir şekilde çalıştığı görülmüştür. Sonuç olarak, Küresel anlamda deniz trafiği artmakta ve buna bağlı olarak liman manevralarının sayısı da artmaktadır. Bu nedenle, önerilen risk değerlendirme modeli sadece seyir çarpışma risk değerlendirmesi için değil liman havzalarındaki seyir trafiğinin güvenliğinin izlenmesine de katkıda bulunabilir. Ayrıca, seyir çarpışma riskinin seviyelerine göre önleyici eylemlerin belirlenmesine de parametrelerin önceliklendirmesi aracılığıyla katkıda bulunulabilir.
The underpinning motivation of researching complex maritime environment includes not only never-ending demands of maritime navigation but also emergency of safety of navigation. Navigational safety is one of the main concerns in the maritime industry. While merchant vessels become bigger and waterways become congested, marine officers still have the overall responsibility with his/her experience and judgment. Some maritime regulations such as COLREG and IMO recommendations introduce useful, practical and reliable methods to provide navigational safety. However, these regulations don't have concrete boundaries about safety limits. For example, COLREG Rule 7 describes collision risk insufficiently; such risk shall be deemed to exist if the compass bearing of an approaching vessel does not appreciably change. COLREG also relies on good seamanship in the case of collision avoidance, which is recommended to act in ample time. Consequently, it seems that maritime accidents can't be prevented satisfactorily by regulation, navigational aids and education. Both the standardization efforts of IMO and the decision making/supporting systems base on the risk assessment process, eventually. The collision risk assessment is the fundamental pillar of these supporting systems, and it is a basic and significant concept in autonomous ship navigation. Therefore, an effective systematic model to assess collision risk continually by monitoring parameter states is necessary for both the management and safety capabilities. This necessity can be more tangible as the data become bigger. Number of scientific studies were proposed in order to complement the shortcoming of maritime rules by introducing navigational collision risk assessment approaches. Each study has its advantages and disadvantages. However, due to feature parameter numerousness, inherently complex marine environment, uncertainty and lack of information, there is no common way to define collision risk. Furthermore, no references have been made to the foundation of risk analysis in the maritime application area. The selection of appropriate and consistent collision risk assessment methods commonly depends on each unique situation. These studies have particularly paid attention to two major maritime areas; open sea and restricted or congested waterways. As yet, study considering port approach manoeuvring including berthing and unberthing haven't been presented. In this regard, this study aims to define a structural collision risk assessment framework concerning port approach manoeuvring including berthing and unberthing scientifically. Furthermore, this proposed navigational collision risk assessment is a moderate realist approach of the maritime transportation risk analysis. A detailed literaure review about navigational collision risk assessments has been conducted for that purpose. Although there are review articles of development of collision avoidance and ship safety domains studies, evolution of individual navigational collision risk assessment studies has not been introduced yet. This attempt has revealed the shortcomings of the current level of navigational collision risk assessment studies. In addition, literature gap was highlighted precisely in order to elicit roadmap for proposed doctoral thesis. On the other hand, potential parameters for the evaluation of collision risk in port approach manoeuvring were listed in accordance with literature review. The way how environmental conditions (wind, current and wave force) can be employed was presented. As these parameters have been employed rarely and basically in the literature, proposed doctoral study aims to establish environmental forces on a ship in accordance with international standards. This doctoral thesis proposes three new parameters specialsed for port approach manoeuvrings to assess navigational collision risk. These new parameters, distance, wind and area, introduce a practical way of monitoring navigational environement within port basins. In addition to these three new parameters, speed of ownship is the fourth parameter employed in the navigational collision risk assessment methodology. The navigational risk assessment methodology uses these parameters to label the observations, however the log parameters of the simulations are used in the training process. In the research phase of this doctoral thesis 140 port approach (berthing/unberthing) manoeuvring scenarios has been conducted in a JMS (Japan Maritime Science) Ship Handling Simulator. JMS Ship Handling Simulator has all navigation aids (ARPA radar, ECDIS, rudder, tugboat, communication equipment, GPS, alarm panels, and so on) that a real merchant ship has. These scenarios have been conducted in a way of which it can embrace all possible scenario within port approach manoeuvrings. Then, log data has been extracted in R environment in order to preprocessing/examining the dataset. This approach has introduced a remarkable dataset within collision risk assessment methodology. Furthermore, examining the dataset reveals the structure of parameters unique to port approach manoeuvring. Data examining steps includes detecting missing values, deleting outliers, standardization. This dataset can be available also for further researches. At last, in order to determine the technique, which will be employed in the study, potential techniques in this area was introduced. It was observed that wide variety of the moldes exist from linear to nonlinear. However, the most important part of the risk assessment is the determining the labels of the intended model. While the navigational risk assessment studies in the literature determine the labels of the models in variaous way, the labels of each observation have been determined by a methodology including fuzzy and semi-supervised learning approach in this proposed doctoral thesis. The fuzzy clustering method separates the parameter to be easily defined with linguistic variables. One of the basic ways of determining the lables for training is constructing a fuzzy rule table with expert knowledge. However, constructing all rules from the expert knowledge can be insurmountable since there are 1440 rules combination in this study. Therefore, only twenty rules have been selected for the survey. Prepared survey has been filled by 20 experienced maritime pilots. All pilots have minimum 10 years of experience and twelve of them have more than 20 years of experience. Observations without the labels are labelled with the semi-supervised support vector machines (S3VM). The labels obtained by S3VM along with the raw data of the simulation results are used for training a random forest to obtain the NCR degree. On the other hand, two statistical models, neural network and gradient boosting, have also been applied to the same dataset with parameter tuning. Random forest has a good performance also with the noisy dataset. which shows that random forest is robust. The proposed NCR methodology incorporates parameters concerning to the port approach manoeuvring and, evaluates how these parameters related with navigational collision risk. Unlike other approaches, employing navigation specific paramters such as DCPA and TCPA, it deals with close distances with the help of parameters relevant to collision risk in port approach manoeuvring. The results of the model show that the proposed distance, area and wind parameters are proper for the NCR assessment in port approach manoeuvrings. Furthermore, it has been observed that the result of the clustering of the speed parameter is in parallel with the ISO standard. These parameters can give useful and practical perception about the navigation safety. Additionally, employing the log data of the simulations instead of the proposed parameters can increase the applicability of the model, and be used for operational purposes in the real life. This may contribute to the navigational safety efforts in port basins eventually. One of the speed vectors has the highest relation with the NCR according to the random forest parameter importance result. However, it is important to find out that wind parameter has also high impact on NCR emphasising the significance of the hydro-meteorological data. The partial plots of the parameters corresponding risk classes show that each parameter has different effect on determining the risk classes. These partial effects can also be incorporated for evaluating the navigational safety within port basins. Since the shipping traffic has increased, the number of the port approach manoeuvrings has also increased. Therefore, proposed model can contribute to the monitoring the navigation safety in port basins. Navigators can determine the preventive action with respect to the severity levels accompanying with the parameter significance. Furthermore, the significance of the parameters can be employed in prioritizing the preventive actions.