Mixed maritime traffic analysis (ships with different degrees of autonomy) – Multi agent base model development of the interaction between ships

Γιαννάκη, Αλέξανδρος; Giannaki, Alexandros

dc.contributor.author	Γιαννάκη, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Giannaki, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2025-04-11T09:25:56Z
dc.date.available	2025-04-11T09:25:56Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61681
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29377
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Multi agent modeling autonomous ship	en
dc.title	Mixed maritime traffic analysis (ships with different degrees of autonomy) – Multi agent base model development of the interaction between ships	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Naval architect	en
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-11-15
heal.abstract	Πρόσφατες μελέτες σχετικά με τον σχεδιασμό και την κατασκευή Αυτόνομων Θαλάσσιων Πλοίων (MASS) έχουν δείξει υποσχόμενα αποτελέσματα, αν και συνοδεύονται από διάφορες ανησυχίες. Η ναυτιλιακή βιομηχανία έχει επενδύσει σημαντικά στην ανάπτυξη αυτόνομων πλοίων και την ευρύτερη αυτοματοποίηση των ναυτιλιακών συστημάτων. Η μοντελοποίηση που βασίζεται σε πολυ-πράκτορες (Multi-Agent) παίζει κρίσιμο ρόλο σε αυτό, επιτρέποντας την προσομοίωση και τη βελτιστοποίηση των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ αυτόνομων συστημάτων. Η διασφάλιση της ασφάλειας αυτών των αυτόνομων σκαφών, ώστε να ανταποκρίνεται ή να υπερβαίνει εκείνη των παραδοσιακών επανδρωμένων πλοίων, είναι υψίστης σημασίας. Η αυτοματοποίηση στον τομέα της ναυτιλίας αποσκοπεί στη σημαντική μείωση των ανθρώπινων λαθών και ατυχημάτων, τα οποία ευθύνονται επί του παρόντος για το 60-90% των περιστατικών. Ωστόσο, αυτή η στροφή προς την αυτοματοποίηση θα επηρεάσει αναπόφευκτα τις ευκαιρίες απασχόλησης και την οικονομική ευημερία των ναυτικών που απασχολούνται επί του παρόντος ως μέλη πληρώματος. Η εμφάνιση των αυτόνομων πλοίων επιφανείας αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός στην τεχνολογία της ναυτιλίας, υποσχόμενη να ενισχύσει την ασφάλεια, την αποτελεσματικότητα και τη βιωσιμότητα της οικονομίας. Αυτή η διπλωματική εργασία εξετάζει τον πολυδιάστατο τομέα των αυτόνομων πλοίων, διερευνώντας τα κίνητρα, τα επίπεδα αυτονομίας, τις ρυθμιστικές προκλήσεις και τις πρακτικές εφαρμογές τους. Εξετάζοντας την περίπλοκη λογική λειτουργίας και τα συστήματα πλοήγησης των αυτόνομων σκαφών, αυτό το έργο θέτει τα θεμέλια για την κατανόηση του πώς αυτές οι καινοτομίες μπορούν να μεταμορφώσουν τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Τα αυτόνομα πλοία προσφέρουν πολυάριθμα πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένων των μειωμένων ανθρωπίνων λαθών, των χαμηλότερων λειτουργικών εξόδων και της βελτιωμένης περιβαλλοντικής βιωσιμότητας. Αυτά τα σκάφη είναι εξοπλισμένα με προηγμένους αισθητήρες, τεχνητή νοημοσύνη και αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, επιτρέποντάς τους να λειτουργούν ανεξάρτητα με ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση. Επίσης, αναλύονται τα βασικά κίνητρα πίσω από τη μετάβαση προς την αυτονομία στις ναυτιλιακές επιχειρήσεις, τονίζοντας τη δυνατότητα για αυξημένη ασφάλεια και αποτελεσματικότητα, συγκρίνοντας τους διαφόρους βαθμούς αυτονομίας μεταξύ τους, καθώς και των μη αυτόνομων πλοίων. Το φάσμα της αυτονομίας στα ναυτιλιακά σκάφη κυμαίνεται από τις λειτουργίες που υποβοηθούνται από ανθρώπους μέχρι τα πλήρως αυτόνομα πλοία. Στην συνέχεια, κατηγοριοποιούνται αυτά τα επίπεδα, παρέχοντας μια συνολική επισκόπηση των τεχνολογικών εξελίξεων και δυνατοτήτων σε κάθε επίπεδο. Η συζήτηση περιλαμβάνει συστήματα που απαιτούν ανθρώπινη επίβλεψη και πλήρως αυτόνομα συστήματα που μπορούν να πλοηγούνται και να λαμβάνουν αποφάσεις ανεξάρτητα. Ένα κρίσιμο στοιχείο των αυτόνομων πλοίων είναι οι διαδικασίες λήψης αποφάσεων τους. Διερευνάται η λογική λειτουργίας των αυτόνομων πλοίων που χρησιμοποιούν την λογική του Multi-Agent, εξετάζοντας τους αλγόριθμους και τα υπολογιστικά μοντέλα που επιτρέπουν σε αυτά τα σκάφη να πλοηγούνται σε σύνθετα θαλάσσια 5 περιβάλλοντα. Τα θέματα που καλύπτονται περιλαμβάνουν τον προγραμματισμό διαδρομών, την αποφυγή εμποδίων και τη λήψη αποφάσεων σε πραγματικό χρόνο υπό διάφορα σενάρια. Το σύστημα πλοήγησης ενός αυτόνομου πλοίου είναι μια πολύπλοκη συγκέντρωση υλικών και λογισμικών στοιχείων σχεδιασμένων να διασφαλίζουν την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία Η συμμόρφωση με τους κανονισμούς θέτει σημαντικές προκλήσεις για την ανάπτυξη αυτόνομων πλοίων γι’ αυτό και εξετάζονται οι υπάρχοντες ναυτιλιακοί κανονισμοί, όπως οι COLREGs, STCW, SOLAS και MARPOL, και τις επιπτώσεις τους στις αυτόνομες λειτουργίες. Κάθε κανονιστικό πλαίσιο αναλύεται όσον αφορά τη συμβατότητά του με την αυτόνομη τεχνολογία και τις απαραίτητες προσαρμογές για να φιλοξενηθούν αυτές οι καινοτομίες. Συζητούνται επίσης οι ευρύτερες κανονιστικές προκλήσεις και οι πιθανοί λύσεις. Πέρα από τα μεμονωμένα αυτόνομα πλοία, εξετάζεται η έννοια της Multi Agent Base Modelling (MABM), ένα παράδειγμα που επιτρέπει την προσομοίωση και τον συντονισμό πολλαπλών αυτόνομων “πρακτόρων”. Η συζήτηση ξεκινά με μια εισαγωγή στους πράκτορες και τα συστήματα MABM, ακολουθούμενη από ανάλυση διαφορετικών τύπων πρακτόρων, των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων τους. Τα πλεονεκτήματα της MABM σε ναυτιλιακές εφαρμογές εκφράζονται, ιδιαίτερα σε σενάρια που απαιτούν συντονισμένες δράσεις μεταξύ πολλών αυτόνομων πλοίων. Η διαδικασία ανάπτυξης ενός μοντέλου Multi Agent περιγράφεται, περιλαμβάνοντας το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός παραδείγματος MABM. Αναφέρεται, επίσης, στη μεθοδολογική προσέγγιση για τη δημιουργία αποτελεσματικών μοντέλων, τονίζοντας την ευελιξία και τον ρεαλισμό. Η δυνατότητα της MABM να ενισχύσει τις δυνατότητες των αυτόνομων πλοίων εξετάζεται μέσω διάφορων εφαρμογών. Αυτό περιλαμβάνει την ενσωμάτωση συστημάτων MABM στην αυτόνομη πλοήγηση, επιτρέποντας στα πλοία να συνεργάζονται και να βελτιστοποιούν τις λειτουργίες τους. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανθρώπινων χειριστών και αυτόνομων συστημάτων διαφόρων επιπέδων συζητούνται επίσης, υπογραμμίζοντας τη σημασία της απρόσκοπτης επικοινωνίας και του συνεχή έλεγχου. Το τελικό μέρος της διπλωματικής εργασίας επικεντρώνεται στην αρχιτεκτονική κώδικα που απαιτείται για την ανάπτυξη ναυτιλιακών προσομοιώσεων. Αυτό περιλαμβάνει μια επισκόπηση των σχετικών βιβλιοθηκών, δομών κλάσεων για τη μοντελοποίηση λιμανιών, πλοίων, κινητών, και μη, εμποδίων, που βρίσκονται στον δίαυλο που γίνεται η μετακίνηση των πλοίων. Καλύπτεται επίσης η χρήση εργαλείων δυναμικής οπτικοποίησης όπως η Turtle Graphics για την προσομοίωση θαλάσσιων περιβαλλόντων, καθιστώντας την ως οπτική βάση της εργασίας. Η αναπαράσταση και η συμπεριφορά των Agents μέσα στην προσομοίωση, καθώς και η μεθοδολογική προσέγγιση για την ανάπτυξη ρεαλιστικών προσομοιώσεων, αναλύονται. Τελικά τα αποτελέσματα και οι ενδείξεις που προκύπτουν από αυτές τις προσομοιώσεις παρουσιάζονται, παρέχοντας μια πρακτική προοπτική για την υλοποίηση και τα οφέλη των αυτόνομων ναυτιλιακών συστημάτων. Εμφανίζεται η διαφορά στην ικανότητα ναυσιπλοΐας μεταξύ των διαφόρων βαθμών αυτονομίας, όταν αυτά βρίσκονται σε περιβάλλον με υψηλή πυκνότητα πλοίων και εμποδίων μεταξύ των λιμένων τόσο όσο αφορά την ικανότητα αποφυγής των εμποδίων, όσο και της ανεύρεσης της βέλτιστης διαδρομής. Οι συνδιασμένες κατα 6 Πέρα από τις παρούσες εφαρμογές και προκλήσεις, οι μελλοντικές προοπτικές για τα αυτόνομα πλοία επιφανείας είναι εξαιρετικά ενδιαφέρουσες. Η συνεχής πρόοδος στην τεχνητή νοημοσύνη και τη μηχανική μάθηση αναμένεται να βελτιώσει περαιτέρω τις δυνατότητες αυτονομίας, καθιστώντας τα πλοία πιο ικανά στην αντιμετώπιση απρόβλεπτων καταστάσεων και στην αυτοματοποιημένη λήψη αποφάσεων. Επιπλέον, η παγκόσμια ναυτιλιακή βιομηχανία μπορεί να δει σημαντικές οικονομικές αποταμιεύσεις και βελτιώσεις στην αποτελεσματικότητα της εφοδιαστικής αλυσίδας μέσω της μείωσης του ανθρώπινου κόστους και της ελαχιστοποίησης των καθυστερήσεων που προκαλούνται από ανθρώπινα λάθη. Αυτή η διπλωματική εργασία παρέχει μια συνολική έρευνα των αυτόνομων πλοίων επιφανείας, από τα υποκείμενα κίνητρα και τις τεχνολογικές βάσεις έως τις προκλήσεις που θέτουν οι τρέχουσες κανονιστικές ρυθμίσεις και τη δυνατότητα των συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων. Μέσα από λεπτομερή ανάλυση και πρακτικές μελέτες περιπτώσεων, προσφέρει πολύτιμες ενδείξεις για το μέλλον της ναυτικής αυτονομίας και την μεταμορφωτική επίδραση αυτών των καινοτομιών στη βιομηχανία.	el
heal.advisorName	Βεντίκος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ηλιοπούλου, Ελευθερία	el
heal.committeeMemberName	Βεντίκος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Κονόβεσης, Δημήτρης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	125 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false