Modelowanie występowania niepełnych wartości danych AIS

Kurzfassung

Bezpieczeństwo nawigacji morskiej — sztuki prowadzenia statku po wyznaczonej trasie, określania jego położenia i obserwacji jego domeny — zależy nie tylko od dobrej praktyki morskiej, ale również od prawidłowego działania statkowych urządzeń komunikacyjno‑nawigacyjnych, które wspomagają oficerów wachtowych. Rozwój elektroniki odegrał dużą rolę w unowocześnianiu wyposażenia mostku nawigacyjnego. Jednym z przykładów postępu technicznego ostatnich dwudziestu lat było wprowadzenie systemu automatycznej identyfikacji AIS, który służy przede wszystkim do bezprzewodowej wymiany danych o pozycji i wektorze ruchu między transponderami zainstalowanymi na statkach. System AIS stanowi obecnie dodatkową pomoc przy ocenie sytuacji i ryzyka zderzenia. Jednym z problemów związanych z funkcjonowaniem systemu AIS jest występowanie niepełnych wartości parametrów nawigacyjnych zakodowanych w depeszach danych dynamicznych nadawanych przez transpondery AIS. Wartości niepełne — zgodnie ze specyfikacją systemu — mają sygnalizować awarię czujnika dostarczającego dane lub innego rodzaju brak dostępu do tych danych. Obecność niepełnych danych w depeszy AIS sprawia, że informacja nawigacyjna na temat danego statku staje się niekompletna i mniej użyteczna dla pozostałych użytkowników systemu. Obecnie w literaturze nie ma całościowego ujęcia mechanizmu generowania depesz AIS zawierających niepełne dane. Celem pracy jest uzupełnienie tego braku i opracowanie modelu występowania niepełnych wartości parametrów nawigacyjnych w depeszach danych AIS oraz ujęcie zjawiska w sposób matematyczny. Model odnosi się do interakcji pomiędzy wybranym czujnikiem nawigacyjnym a transponderem AIS rozmieszczonych na równoległych osiach czasu pracy tych urządzeń. W pracy zastosowano szereg metod badawczych, które pomogły w weryfikacji hipotez oraz realizacji założonych celów. Jako kluczowe źródło wiedzy praktycznej na temat powstawania niepełnych danych AIS posłużył laboratoryjny eksperyment na statkowym transponderze AIS klasy A podłączonym do wirtualnych czujników nawigacyjnych. W ramach eksperymentu zaobserwowano reakcje transpondera na wymuszone przerwy w regularnym dopływie danych źródłowych z urządzeń nawigacyjnych. Wyniki eksperymentu uzupełniono o wielopoziomową symulację przestojów transmisji danych z symulowanego czujnika nawigacyjnego do symulowanego transpondera AIS. W efekcie ustalono analityczną zależność funkcyjną pomiędzy częstością względną występowania niepełnych wartości danych AIS a szybkością przepływu danych z urządzeń nawigacyjnych do transpondera AIS. We wnioskach końcowych dokonano podsumowania uzyskanych rezultatów i zaproponowano możliwe zastosowania sporządzonego modelu zależności. The safety of maritime navigation — having a lot to do with a proficiency in handling a vessel along a predefined route, determining her position and direction of movement, observing her domain — does not depend only on good seamanship. It relies on the proper functioning of the onboard communication and navigational equipment, too, which supports officers of the watch. The developments in electronics have played an important part in the modernisation of the bridge. One of the examples of technological advances of the last twenty years has been the implementation of the automatic identification system. Its main purpose is a wireless position and vector data exchange between transponders installed primarily aboard vessels. The AIS nowadays provides an additional aid for making a full appraisal of the situation and of the risk of collision. One of the problems related to the overall performance of the AIS is the occurrence of incomplete values of the navigational parameters encoded into the dynamic messages broadcast by the AIS transponders. The incomplete values, also referred to as the default ones in the system specification, should indicate a sensor failure or other situation, in which the sensor data on board becomes either unavailable or undeliverable. At present the scientific literature lacks for a comprehensive coverage of the mechanisms leading to the appearance of the incomplete navigational parameters within the AIS messages. The objective of this thesis, titled “Modelling of the Occurrence of Incomplete AIS Data”, is to create a model describing the occurrence of such incomplete AIS transmissions, and to formulate an equation serving as a mathematical definition of the phenomenon. The model is based on the analysis of timeline interactions between a given navigational sensor data input and an AIS transponder data broadcasts. Various scientific methods were applied in the scope of the thesis to verify hypotheses and to achieve the goals set. The practical knowledge of the occurrence of incomplete data was acquired during a laboratory experiment conducted upon a real class A AIS transponder connected to virtual navigational sensors. The trial helped to observe the reactions of the transponder on the enforced interruptions of data delivery from the navigational sensors. The results were complemented by a multilevel simulation of the data exchange delays hindering the cooperation of a simulated sensor and a simulated AIS transponder. Thus an analytical relation between the occurrence of incomplete AIS data and the data rate measured on the data links connected to the transponder was established. Finally, the conclusions were drawn to summarise the findings and to recommend the possible applications of the model.