Erweiterte Unterwasserrobotik bereit für Ölverschmutzungen

Von Javier Gilabert • 30 März 2018

Die unbemannte Fahrzeugflotte auf "Clara Campoamor" Schiffsdeck - 6 AUV; 1 USV, 1 UAV - in der Übung Juni 2017 in Cartagena. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

Zwei AUVs und ein USV in ihren Parkpositionen bereit für eine Mission. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

X8 UAV soll abheben. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

Fünf AUVs sind bereit für die Bereitstellung. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

USV-Einsatz mit AUV in Parkposition. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

X8 UAV, der von der Plattform abhebt. Das Netz ist für die Landung vorbereitet. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

"Neptus" Command & Control Software-Bildschirm überwacht Fahrzeuge, die eine Mission ausführen. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

Einsatz des Remus 600, um mit dem Rest der Flotte - 5 AUVs und 1 USV - eine unbemannte kollaborative Mission für mehrere Fahrzeuge zu starten. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Javier Gilabert)

Javier Gilabert1, João Sousa2, Zoran Vukić3, Georgios Georgiou4, Laura de la Torre5, David McMyler6, Mark Inall6, Juhan Ernits8, Martin Ludvigsen9, Marc Carreras10, Gabriel Oliver11, Maria João Costa2, António Sérgio Ferreira2, Dan Hayes4, Nadir Kapetanović3, Francisco López-Castejón1, Milan Markovic3, Miguel Massot11, Dula Nad3, Petter Norgren9, João Luís Pereira2, Núria Pujol12, Manuel António Ribeiro2, Carolina Rodríguez1, Paulo Sousa Dias2, Matt Toberman6, Dionisio Tudela1, Jüri Vain8, Emily Venables6.

1Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), 2Universität von Porto, Unterwassersysteme und Technologielabor (LSTS), 3Universität Zagreb, Labor für Unterwassersysteme und -technologien (LABUST), 4Universität von Zypern, Ozeanographiezentrum, 5SASEMAR, Spanische Agentur für die Sicherheit des Seeverkehrs, 6Irisch Küstenwachen, 7The Scottish Association für Meereswissenschaften - SAMS, 8Tallin Universität für Technologie - TUT, 9University of Girona - UG, 10Universität der Balearen - UIB, 11Norges Teknisk-Naturvittenskatelige Universitet - NTNU, 12Marine Technology Unit CSIC.

Das Aufspüren von Ölverschmutzungen im Wasser vor dem Erreichen der Oberfläche mithilfe neu aufkommender Robotiktechnologien überbrückt die Kluft zwischen bestehenden traditionellen Technologien (Modellierung und Satelliten) als entscheidungsunterstützendes System für Entscheidungsträger. Unterwasser-Ölfahnen können von Bodenlecks oder von Oberflächenflecken kommen, die unterirdische Schwaden bilden, wie kürzlich gezeigt wurde. Die verteilte Intelligenz dieser Geräte über die Verschüttung in Kombination mit der hydrodynamischen Modellierung ist in der Lage, ein hochgenaues und dynamisches Bild der Verschüttung aufzubauen. Diese kooperierende Multivicron-Robotertechnologie ermöglicht ein kostengünstiges, flexibles, erweiterbares, präzises und schnelles Entscheidungsunterstützungssystem, das die Reaktionsfähigkeit auf diese Ereignisse verbessert.

Expandierte Unterwasserrobotik (e-URready4OS) ist ein von der Europäischen Union kofinanziertes Projekt (Generaldirektion Europäischer Katastrophenschutz und humanitäre Hilfe, GD ECHO) mit dem Ziel, eine Flotte autonomer Unterwasserfahrzeuge ( AUVs), unbemannte Luftfahrzeuge (unmanned aerial vehicles - UAVs) und unbemannte Flurförderzeuge (UAVs) mit operativer Fähigkeit zur Intervention gegen Ölverschmutzungen mit neuen kooperativen Robotertechnologien (http://www.upct.es/urready4os).

Dieses Projekt ist eine natürliche Erweiterung des früheren URready4OS-Projekts, in dem das Konzept einer kooperativen Multiventil-Flotte von Roboteranlagen zur Erkennung und Überwachung von Wasserölen nachgewiesen wurde.

Die Umsetzung dieses Konzepts in ein operatives Werkzeug erfordert die Verbesserung des bereits bestehenden Systems, die Erweiterung der Flotte um neue Vermögenswerte und den Transfer von Know-how zu Ölpest-Respondern. Die Hauptziele und erwarteten Ergebnisse dieses Projekts sind:

Erweitern Sie die bereits vorhandene URready4OS-Flotte (von 5 bis 12 Anlagen), die Öl in Wasser nachweisen kann.
Trainiere neue Teams, die der Flotte beitreten, indem du Übungen durchführst.
Verbessern Sie das aktuelle System mit neuen Softwareentwicklungen, die eine spezielle Version von Neptus enthalten.
Erhöhung der Fähigkeit des frei verfügbaren Open Source-MEDSLIK-II-Modells für das Verfolgen kleinerer Mengen.
Transfer des Know-hows zu den Maritime Safety Agencies (MSA) durch kurze theoretische und praktische Kurse.

Elf Institutionen, Universitäten und MSA aus acht EU-Ländern bilden die Partnerschaft: Universidad Politécnica de Cartagena - UPCT (Koordinator); Ozeanographisches Zentrum - Universität von Zypern - OC-UC, Universidade do Porto - UP, Universität Zagreb - UZ, Sociedad Española de Salvamento y Seguridad Marítima - SASEMAR, irische Küstenwache - ICG, der schottische Verband für Meereswissenschaften - SAMS, Tallin University Theologie - TUT, Universität von Girona - UG, Universitat de les Illes Balears - UIB und die Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie - NTNU.

Das e-URready4OS-System ist eine Flotte von mehreren Anlagen mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Eigenschaften, die AUVs (Autonome Unterwasserfahrzeuge), USVs (Unmanned Surface Vehicles) und UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) von sechs verschiedenen Herstellern umfassen, die von einer Open-Source-Steuerungssoftware koordiniert werden (NEPTUS).

Die AUV-Flotte besteht aus drei LAUVs, zwei IVER2, zwei Sparus und einem Remus 600. Das LAUV (Light Autonomous Underwater Vehicle) wird von OceanScan MST (einem Spin-off-Unternehmen des LSTS - University of Porto, USA) hergestellt. http://www.oceanscan-mst.com/) zielte auf innovative eigenständige oder vernetzte Operationen für kostengünstige ozeanographische, hydrographische und Sicherheits- und Überwachungsumfragen ab. Basierend auf einem modularen Design ist die Plattform robust und zuverlässig gebaut. Das IVER2 AUV ist ein gut bekanntes, kleines, von einem Mann transportierbares AUV, hergestellt von Ocean Server Technology, Inc. (http://www.ocean-server.com/). Mit einer nachgewiesenen Erfolgsbilanz bei Tausenden von Missionen ist es ideal für Bildgebungs- und Umweltuntersuchungen, einschließlich Forschung, Entwicklung und OEM-basierten Anwendungen. Das IVER2-Design ermöglicht die Integration neuer Sensoren und Funktionen. Sparus II AUV ist ein multifunktionales leichtes Schwebefahrzeug mit einsatzspezifischem Nutzlastbereich, hergestellt von IQUA (einem Spin-Off-Unternehmen der Universität von Girona, http://iquarobotics.com/). Der Nutzlastbereich kann vom Endanwender und mit einer auf ROS basierenden offenen Softwarearchitektur für die Missionsprogrammierung angepasst werden. Remus wird von Hydroid (https://www.km.kongsberg.com/hydroid) hergestellt, einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Kongsberg Maritime, einem führenden Hersteller fortschrittlicher, innovativer autonomer Unterwasserfahrzeuge und Marineroboter für die Tiefsee-Vermessung und -Kartierung weltweit.

Die Oberflächenkomponente des Systems ist ein Unmanned Surface Vehicle (USV), eine autonome überzeichnete Plattform (PlaDyPos) mit 4 Triebwerken. Diese Konfiguration ermöglicht eine Bewegung in der horizontalen Ebene in jeder Ausrichtung. Die Plattform wurde an der Universität von Zagreb Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Labor für Unterwasser-Systeme und Technologien (LABUST) für die Verfolgung von Unterwasserobjekten Kommunikation Router zwischen der Oberfläche und der Unterwasser-Navigationshilfe entwickelt.

Die Luftkomponenten sind zwei SKYWALKER X8 (Low-Cost Components Off-The-Shelf) Unmanned Aerial Vehicle, modifiziert an der LSTS, die schnell einsetzbare Überwachungsmissionen ermöglichen. Es ist ein handstartbares Fahrzeug, das für Aufklärungsszenarien in geringer Höhe mit Live-Video-Feeds perfektioniert wurde, die hier als Kommunikationsrelais für AUVs verwendet werden, wenn sie außer Reichweite sind.

Jedes neue offene Asset kann der Flotte hinzugefügt werden, indem nur die Kommunikation und Integration in die Command and Control Neptus-Software optimiert wird. Neptus ist eine verteilte Kommando- und Kontrollinfrastruktur für den Betrieb aller Arten unbemannter Fahrzeuge, die am LSTS (Universität von Porto, https://lsts.fe.up.pt/toolchain/neptus) entwickelt wurden. Es unterstützt die verschiedenen Phasen eines typischen Missionslebenszyklus: Planung, Simulation, Durchführung und Post-Mission-Analyse und kann von Betreibern an missionsspezifische Anforderungen angepasst und von Entwicklern über ein umfassendes Plug-in-Framework erweitert werden.

Nach dem Einsatz der Fahrzeuge im Wasser findet eine Reihe von Interaktionen zwischen Agenten und Betreibern statt. Die Positionen der Fahrzeuge und die aufgezeichneten Informationen der AUVs werden entweder per Flugzeug oder unter Wasser an die Betreiber übermittelt. AUVs können diese Informationen über ein akustisches Modem direkt an das Schiff (oder die Landbasisstation) senden. Sie können die Daten auch mit demselben System an die USV senden. Die USV sendet anschließend die Informationen per Luftfracht, entweder per WLAN, an das Schiff, wenn es sich im WLAN-Bereich befindet, oder an das UAV. Das UAV kann das USV-Antennensignal durch niedrige Flughöhe über das Oberflächenfahrzeug kontaktieren. Die AUVs können jedoch auch die Informationen speichern, die per Luft - über WLAN - an die USV, das UAV oder das Schiff (wenn innerhalb des Bereichs) übertragen werden, wenn sie sich an der Oberfläche befinden. Die verschiedenen Arten von Kommunikations- und Distanzbereichen bieten dem System eine außerordentliche Flexibilität bei der Gestaltung der Vorgänge.

Drei Trainingsübungen wurden durchgeführt. Die erste im Jahr 2014 in Split, mit Unterstützung der kroatischen Marine mit drei AUV, ein USV und zwei UAVs betrieben unter dem gleichen Kommunikationssystem. Die zweite Übung wurde 2015 an Bord des Schiffes "Clara Campoamor" der spanischen Seefahrtsagentur SASEMAR durchgeführt und ist 80 Meter lang, vor Cartagena (Süditalien) im Mittelmeer In der Praxis verschiedene Strategien zur Lokalisierung und Überwachung einer Rhodamine WT-Verschüttung unter 15 Metern. Im Jahr 2017 fand die dritte Übung an Bord des gleichen Schiffes mit drei neuen AUVs statt. Missionen für sechs AUVs (verschiedene Hersteller), eine USV (PlaDyPos) und eine UAV (X8) wurden alle vom Chefpiloten entworfen und in die Fahrzeuge hochgeladen. Mehrere Missionen wurden entwickelt, um Richtung, Größe und Volumen zu lokalisieren, zu charakterisieren und zu überwachen.

Um die Spill-Richtung von einem bekannten Ursprung zu bestimmen, wurde das Open-Source-frei verfügbare Modellcode-MEDSLIK-II-Gemeinschaftsmodell verwendet (http://medslikii.bo.ingv.it/). Innerhalb des durch das Modell verfolgten Umfangs führte jedes AUV koordinierte Missionen in konzentrischen Kreisen in verschiedenen Tiefen durch und fing so die Verschüttung in seiner Verschiebungsrichtung ab. Sobald der Ursprung der Verschüttung identifiziert ist, wird eine imaginäre Linie entlang der Wolke verfolgt, und AUVs sind programmiert, diese Linie in äquidistanten Transekten senkrecht zu kreuzen. Schließlich wurden Missionen in geraden Linien durchgeführt, die diagonal die Fahne aus vielen verschiedenen Winkeln überquerten. Fluorometrische Sensoren ermöglichten die Konzentrationsmessungen, während die diagonalen Transekte die Karte der Überlaufextension lieferten.

In jedem Fahrzeug wurden neue Plugins für die Befehls- und Steuerungssoftware NEPTUS entwickelt und installiert, die eine bessere Integration der Flotte ermöglichen. NEPTUS ist in der Lage, Missionen für Fahrzeuge aller Hersteller zu entwerfen, ihre Flugbahnen und aufgezeichneten Daten in Echtzeit zu zeigen sowie Karten von Ölbahnen zu visualisieren, die durch numerische Modelle vorhergesagt werden. Andererseits hat die Koordinierung einer erweiterten Flotte, die gleichzeitig mit 6 AUV-, 1 USV-, 1 AUV- und 2 Hilfsschiffen arbeitet, zu befriedigenden Ergebnissen geführt. Der Austausch von Informationen zwischen NEPTUS und der Brücke wurde während dieser Übung untersucht.

Die nächste Übung ist für 2018 an Bord des Schiffes Celtic Voyager geplant, das von den Irish Coast Guards organisiert wird.

Um Wissen, das während dieses Projekts gewonnen wurde, zu verbreiten und weiterzugeben, wird ein kurzer Kurs zur Verfolgung von Ölverschmutzungen mit autonomen Agenten (AUVs, UAVs, USVs) entwickelt und deren Integration mit anderen bestehenden Technologien entworfen. Eine erste Version dieses Kurses wurde dem technischen Personal des Zivilschutzes in Zypern übergeben. Das für die Kurse entwickelte Material, das bei späteren Veranstaltungen verbessert wird, ist über die Projekt-Website verfügbar. Dieser Kurs wird es den Endbenutzern ermöglichen, zu verstehen, wie, wann und wo eine AUV-Flotte eingesetzt werden soll, welche betrieblichen Möglichkeiten und Einschränkungen bestehen. Zusammen mit dem Weißbuch des Projekts wird es Richtlinien, Protokolle und Routinen sowohl für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und der Boden- / Schiffsstation als auch die Verfahren und Anforderungen enthalten, um die Flotte für verfügbare Fahrzeuge Dritter zu verbinden. Das erstellte Dokument konzentriert sich eher auf praktische als auf theoretische Fragen, so dass die Endnutzer entscheiden können, wann und wie sie diese Technologien nutzen sollen, wie sie die Software herunterladen und installieren, wie sie neue Fahrzeuge auf die Flotte vorbereiten sind die Kommunikationsanforderungen sowohl aus der Luft und unter Wasser, Kommunikationsprotokolle zu verwenden, etc.

Die Integration neuer Teams ist immer eine große technologische und menschliche Herausforderung. Dieses Projekt zielt darauf ab, Ölbekämpfungsunternehmen ein dezentrales, flexibles, erweiterbares, leicht zu transportierendes, kostengünstiges und offenes System zugänglich zu machen. Unser Projekt basiert auf der Idee, dass das System umso effizienter und verfügbarer und nützlicher und billiger wird, je mehr geschulte Agenten involviert sind.

Der Autor

Dr. Javier Gilabert ist Professor an der Fakultät für Chemie- und Umweltingenieurwesen - Technische Universität Cartagena (UPCT) - Spanien und Leiter des Projekts "Unterwasserrobotik bereit für Ölpest".

(Wie in der März 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )

Kategorien: Bergung, Fahrzeug Nachrichten, Off-Shore, Offshore-Energie, Technologie, Umwelt, Unbemannte Fahrzeuge