Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
635623		Development of a dynamic navigational risk assessment model / Dinamik bir seyir risk analizi modelinin geliştirilmesi Yazar:YUNUS EMRE ŞENOL Danışman: PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2020 150 s.
Küresel yük ve yolcu taşımacılığı bakımından giderek artan bir öneme sahip olan denizcilik taşımacılığında son yıllarda ciddi şekilde artış gösteren deniz trafiği bazı seyir emniyeti problemlerini beraberinde getirmiştir. Özellikle yoğun suyollarında yaşanan çatışma ve karaya oturma kazalarında artış olduğu gözlemlenmiştir. Yaşanan bu problem üzerine çözüm üretmek amacıyla farklı bakış açısı ve analiz yöntemi sunan pek çok akademik çalışma yapılmaktadır. Bu tezde, artan deniz trafiği ve buna bağlı olarak yaşanan karaya oturma ve çatışma risklerinin en aza indirgenerek emniyetli seyrin tesis edilmesi amacıyla yeni ve güçlü yönleri olan bir gerçek zamanlı seyir risk analiz modeli geliştirilmiştir. Tez kapsamında yapılmış olan literatür taraması aşamasında konu hakkındaki çalışmalar detaylı şekilde incelenmiş, kullanılan faktörler, kullanılan yöntemler ve problemin çözümü açısından uygulanabirlikleri değerlendirilmiştir. Literatürdeki çalışmalar önerdikleri yöntem ve yaklaşımlar açısından akademik anlamda değer teşkil etmesine rağmen pek çoğunun uygulanabilirlik ve dolayısı ile endüstrinin karşılaştığı problemin çözümü noktasında yetersiz kaldığı gözlemlenmiştir. Nitekim endüstrinin ihtiyaçlarına tam manasıyla cevap verebilecek yeterlikte gerçek zamanlı, gemide çalışabilir dinamik risk analiz algoritması çalışmasına rastlanmamıştır. Ayrıca literatürdeki pek çok çalışmanın hem çatışma hem de karaya oturma risklerini aynı anda ele almadığı görülmektedir. Yalnızca çatışma ya da yalnızca karaya oturma risk analizinin sunulduğu çalışmalar deniz taşımacılığı sektörünün beklentilerinin karşılanması konusunda eksik kalabilmektedir. Bu nedenle çalışma kapsamında gemide vardiya zabitine karar desteği sunabilecek, gerçek seyir ekipmanları ile entegre çalışabilen ve akademik yönü güçlü bir çatışma ve karaya oturmaya tehlikelerine yönelik gerçek zamanlı dinamik risk analiz algoritmasının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Algoritma, Otomatik Tanımlama Sistemi (OTS) verilerinin çözümlendiği ve tanımlandığı OTS modülü, Elektronik Seyir Haritaları'nın (ESH) okunmasını sağlayan ESH modülü, risk ve elde edilen verilerin oluşturulan risk modeline uygulanabilmesi için gereken diğer tüm hesaplamaların gerçekleştirildiği Hesaplama Modülü ve elde edilen ESH ile OTS verilerinden model kapsamında ihtiyaç duyulan bölümleri ile risk göstergelerini yansıtan kullanıcı arayüzünün oluşturulduğu Görselleştirme Modülü olmak üzere 4 temel modülden oluşmaktadır. Gemi seyrüsefer ekipmanlarının standart veri alış-veriş protokolü olan The National Marine Electronics Association (NMEA) 0183 alt yapısı ile hazırlanan algoritma bu sayede seyir ekipmanlarına entegre edilip çalıştırılabilir hale getirilmiştir. Veri kaynağı olarak kullanılan modern seyrüsefer ekipmanlarından elde edilen ve çatışma ile karaya oturma riskine etki edebilecek faktörlerin tümü hesaplamalara girdi olarak dahil edilmiştir. Risk hesaplamalarına doğrudan girdi olarak dahil edilmeyen pek çok dinamik verinin sistem girdilerinin hesaplanmasında kullanıldığı ve dolaylı olarak risk hesaplamalarına dahil edildiği bir model oluşturulmuştur. En Yakın Yaklaşma Noktası (EYN), En Yakın Yaklaşma Noktası Zamanı (EYNZ), nispi kerteriz, nispi hız, gemi boyu ve gemi tipi bilgileri algoritmanın sistem girdileri olarak belirlenmiştir. OTS verileri ile algılanan hedef gemiler ve ana gemi literatürdeki klasik yaklaşımlarda olduğu gibi tek nokta olarak değerlendirilmemektedir. Bunun yerine OTS tarafından gönderilen GPS alıcısının gemi üzerindeki konum bilgisi dikkate alınarak gemilerin gerçek boyutları hesaplanmaktadır. Gerçek boyutlarında oluşturulan gemi şekilleri, aralarında 10 metreden daha az mesafe bulunan çoklu noktalar kümesi şeklinde algılanmakta ve risk değerlendirmesi bu noktaların tümünün gerçek zamanlı olarak hesaplamalara dahil edilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Böylece gemiler yalnızca GPS alıcısı tarafından üretilen konumda noktasal şekilde değil, denizel çevrede gerçek eni ve boyu ile gerçek gemi şeklinde algılanmaktadır. Bu uygulama hem çatışma hem de karaya oturma risk hesaplamalarında da kullanılmıştır. Karaya oturma risk hesaplamalarının gerçekleştirilebilmesi aşamasında gerekli olan derinlik bilgisi için elektronik seyir haritalarından faydalanılmıştır. Ancak genelde standart olarak 0, 5, 10, 20, 30, 50 metre derinlik konturlarının sunulduğu elektronik seyir haritalarının kullanımı, bu derinliklerden farklı su çekimine sahip bir gemi için tehlike oluşturacak sığlık kontur bilgisinin algılanmasında yetersiz kalmaktadır. Elektronik seyir haritalarının uluslararası standartta gösterimini yaparak kağıt haritaya ihtiyaç olmadan seyir imkanı sağlayan Elektronik Harita Gösterim Sistemi (EHGS) dahi gemi su çekimi değerinin standart kontur listesinde bulunmaması durumunda, bu değere en yakın daha derin konturu sığlık rengi olan koyu mavi ile renklendirmektedir. Ancak geliştirilen algoritma sayesinde gemi için tehlike oluşturacak sığ kontur çizgisi geminin su çekimi değerine en yakın daha derin ve daha sığ kontur bilgilerinin elektronik seyir haritalarından alınarak yüksek dereceli enterpolasyon yöntemi ile gerçek sığ kontur çizgisini oluşturabilmektedir. Oluşturulan sığ kontur çizgisi de aralarında 10 metreden daha az mesafe bulunan çoklu noktalar kümesi olarak algılanarak risk hesaplamalarına dahil edilmektedir. Risk hesaplamaları tıp alanından mühendisliğin pek çok dalına kadar yaygın bir kullanımı olan ve yapay zeka yöntemlerinden biri olarak sınıflandırılan Bulanık Çıkarım Sistemi (BÇS) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Bulanıklaştıma, bulanık çıkarım, bilgi tabanı oluşturma ve durulaştırma olarak 4 ana aşamadan oluşmaktadır. Bu yöntem kesin girişlerin bulanıklaştırıldığı, alan uzmanlarının cevaplamaları ile elde edilen kurallar dahilinde çıkarım mekanizmasının çalıştırıldığı ve hesaplanan bulanık sonucun durulaştırıldığı bir sistemdir. Risk hesaplamaları için girdi olarak belirlenen faktörlerin tümü birbirlerine "ve" operatörleriyle bağlanarak "eğer – ise" kuralları ortaya çıkarılmıştır. Hesaplamalarda kullanılan girdiler; Eğer EYN Düşük, ve EYNZ Düşük, ve nispi kerteriz pruvaya Yakın, ve nispi hız Yüksek, ve gemi boyu Büyük, ve gemi tipi Tanker ise çatışma risk sonucu Yüksek örneğinde olduğu gibi girdilerin temsil edildiği tüm dilsel değişkenlere sahip oldukları durumlar için birbirleri ile birleştirilmiştir. Bunun sonucu olarak toplamda karaya oturma riski için 486, çatışma riski için ise 2916 adet girdi kombinasyonu elde edilmiştir. Hazırlanan kuralların risk sonuçlarına bağlanması işlemi için ilgili alan uzmanı 10 kişiden destek alınmıştır. Kural sayılarının cevaplama sürecini olumsuz etkileyebileceği düşüncesi ile dinamik ve statik olarak sınıflandırılan faktörlerin önce kendi içinde birbirleri ile, daha sonra da elde edilen dinamik ve statik çıktıların birbirleri ile ayrı çıkarım mekanizmasına tabi tutulmasına karar verilmiştir. Bu sayede kural sayısı karaya oturma riski için 96, çatışma riski için ise 126 olacak şekilde azaltılmıştır. Klasik BÇS yaklaşımı uzman görüşlerine dayanarak kural sonuçları ile ilgili fikir birliği oluşturulması esasına göre uygulanmaktadır. Tez kapsamında oluşturulan algoritmada ise danışılan ilgili alan uzmanlarının da kural cevaplamaları ayrı ayrı yapılmış ve birbirinden bağımsız 10 farklı çıkarım süreci yürütülmüştür. Müteakiben elde edilen kesin sonuçlar, danışılan uzmanların önceden belirlenmiş olan kriterlere göre tespit edilen uzmanlık katsayıları oranında toplanarak nihai tek bir risk sonucu hesaplanmıştır. Bu yöntem uygulanarak her bir kural için oluşturulması gereken fikir birliği nedeniyle uzmanların farklı görüşlerinin yansıtılamaması tehdidinin önüne geçilmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında, İstanbul Boğazı'nda seyreden bir geminin OTS verilerinin modele uygulanması ile oluşturulan gerçek senaryoya ait bir örnek olay incelemesi gerçekleştirilmiştir. Çatışma ve karaya oturma risklerinin çizgi ve pasta grafikleri ile geminin anlık sahip olduğu risk değerine göre gemi izinin renklendirildiği şematik iz ve senaryoya ait ekran görüntüleri sunulmuştur. Algoritma tarafından üretilen bu çıktılar sayesinde bir geminin seyir emniyet performansının detaylı şekilde değerlendirilmesi mümkün hale getirilmiştir. Gemide gerçek zamanlı seyir risk analizi gerçekleştiren bir modelin önerildiği bu çalışmanın gemi seyir zabitine riskli durumları bildirmesi, riskin kaynağının gösterilmesi özellikleri sayesinde farkındalığını artıracağı ve olası seyir risklerinin henüz oluşum aşamasında azaltılarak daha emniyetli seyrin tesis edilmesine katkı sunacağı değerlendirilmektedir. Ayrıca yoğun suyollarının gözlemlenmesi ve deniz trafiği izlenmesi, gerekli hallerde müdahale ve ön alma amacıyla oluşturulan Gemi Trafik Hizmetler (GTH) operatörler tarafından sunulmaktadır. Yetki alanları dahilinde bulunan tüm gemileri aynı anda maksimum dikkat ve özenle takip etmeleri her zaman mümkün olmayabilmektedir. Önerilen modelin GTH operatörleri için durumsal farkındalığı artırıcı ve iş yüklerini azaltıcı anlamda kullanılmasının da seyir emniyetini tesis edilmesi hususunda önemli bir aksiyon olabileceği değerlendirilmektedir. Buna ek olarak modelin GTH sistemlerine entegre edilmesi ve uzun dönem kullanılması neticesinde ortaya çıkacak olan istatistiki bilgiler ışığında belirli bölgeler için azami sürat, gemiler arası minimum mesafe, izlenecek emniyetli rotalar gibi emniyet tavsiyelerinin oluşturulması ya da emniyet tedbirleri alınması hususuna da katkı sunacağı değerlendirilmektedir.
Marine traffic, which has an increasing importance in terms of global freight and passenger transportation, has increased significantly in recent years and has brought some navigational safety problems. An increase was observed especially in collision and grounding accidents in especially dense waterways. In order to find solutions to this problem, many academic studies have been carried out that offer different sights and analysis methods. In the literature review stage made within the scope of the thesis, the studies on the subject were examined in detail, the factors included to calculations, the methods utilised and their applicability to the solution of the problem were evaluated. Although the studies in the literature constitute an academic value in terms of their proposed methods and approaches, it has been evaluated that many of them are insufficient in terms of applicability, namely the solution of the problem faced by the industry. As a matter of fact, there is no real-time dynamic risk analysis algorithm that can work onboard ship which is capable of corresponding the needs of the industry. In addition, many studies in the literature do not seem to address both the risks of collision and grounding at the same time. Studies in which only collision or grounding risk analysis was presented could not fully meet the expectations of the maritime sector. For this reason, it is aimed to develop a real-time dynamic risk analysis algorithm with some novel and strong aspects which can provide decision support to the officer on watch, can work integrated with real navigational equipment. The proposed algorithm consists of 4 main stages as Automatic Identification System (AIS) Module where AIS data are decode and parsed, Electronic Navigational Chart (ENC) Module that allows reading ENCs, Calculation Module where all risks and other required calculations are performed, and Visualisation Module where risk indicators are projected with AIS targets over the visualized ENCs. The National Marine Electronics Association (NMEA) 0183 infrastructure, which is the standard data exchange protocol of ship navigation equipment, has been added to the algorithm so that it can be integrated to navigation equipment for real-time calculations. All of the factors obtained from integrated navigation equipment used as data source and which may affect the risk of collision and grounding were included directly or indirectly as inputs. Information of Closest Point of Approach (CPA), Time to Closest Point of Approach (TCPA), relative bearing, relative speed, ship's length and ship's type are determined as the system inputs of the algorithm. Own ship and target ships perceived with AIS data are not considered as a single point as in the classical approaches in the literature. Instead, the actual dimensions of the ships are calculated by considering the position information of the Global Positioning System (GPS) receiver sent by OTS on the ship. Ship forms created in real dimensions are perceived as a set of multi-points consisting of points in which a distance of less than 10 meters between each one, and risk calculations of collision is carried out in real time by including all of these points in consideration. Similarly, shallow contour information obtained using ENC, which is dangerous in terms of vessel draft value, is perceived as a set of multi-points with a distance of less than 10 meters between them. Risk calculations have been conducted with the Fuzzy Inference System (FIS) method, which is widely used as one of artificial intelligence methods, from medicine to many branches of engineering. A case study was carried out by applying the AIS data of a ship navigating in the Istanbul Strait to the model. In this study, it is aimed to develop a model to reduce the risks of collision and grounding by increasing situational awareness and thus providing a decision support.