Ocean Autonomy: Norwegen in den Vordergrund

Kongsbergs unbemanntes Containerschiffkonzept Yara Birkeland. (Bild: Kongsberg)

Professor Asgeir Johan Sørensen (Foto von NTNU AMOS, von Thor Nielsen)

Oceaneering's Freedom-Konzept, in 3D-gedruckter Modellform auf der Subsea Valley-Konferenz in Oslo. (Foto: Elaine Maslin)

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Marine autonome Systeme, die unabhängig und in verbundenen Systemen arbeiten, entwickeln sich schnell zu einem Wachstumssektor innerhalb der Ozeanindustrie, einschließlich der Öl- und Gasindustrie.

Die Entstehung neuer autonomer Systeme im Bereich der Schifffahrt scheint ein wöchentliches Ereignis zu sein. Da die Kosten in vielen Bereichen - von den Sensoren bis zu den Satelliten - gesunken sind, kommen einige dieser Systeme auch in die Hände gewöhnlicher Bürger und Ozeanforscher, um die Geheimnisse der Tiefe zu entdecken.

Ein Teil des Antriebs für diese Systeme, zumindest in der Öl- und Gasindustrie, besteht darin, den Einsatz von bemannten Oberflächenbehältern, die teuer zu betreiben sind und Dämpfe abgeben, bestenfalls zu reduzieren.

Ein Ziel der norwegischen norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) ist es, den Einsatz von Überwasserschiffen in mehreren Öl- und Gasbetrieben um 80 Prozent zu reduzieren. Das Zentrum für autonome Meeresoperationen und -systeme der NTNU (AMOS) hat die Aufgabe, Lösungen zu finden, um dieses Ziel zu erreichen, sowie Ziele, um die Kartierung und Überwachungsabdeckung um 10 zu einem Zehntel der Kosten zu erhöhen. Ein weiteres Ziel ist die "sichere Meeresfahrt überall in jedem Seestaat zu einem Zehntel der Kosten", sagt Asgeir Johan Sørensen, Professor und Direktor von AMOS.

Norwegen hat andere Anreize, fortschrittliche Meerestechnologien zu produzieren. Das Land hat Meeresgebiete, die fünf- bis sechsmal so groß sind wie seine Landmasse, sagt Sørensen. Seine Schlüsselindustrien umfassen Fischerei, Seeverkehr und seit 50 Jahren Öl und Gas. "Wir ziehen jetzt in Offshore-Wind und Aquakultur", sagt Sørensen. "Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen wir (Norweger) immer eine hohe Qualität und niedrige Kosten haben", erklären die Firmen den Einsatz autonomer Systeme. "Norwegen hat auch eine große Verantwortung, wenn es um Governance und Management der Ozeane geht, auch in die Arktis."

Zu Beginn war es die Arbeit im Öl- und Gassektor, um Risiken für Taucher zu vermeiden, was dazu führte, dass Norwegen ferngesteuerte Unterwasser-Technologien betrieb. In jüngster Zeit hat die Industrie versucht, autonomere Unterwassersysteme zu entwickeln, von der Ausrüstung bis zu Unterwasserfahrzeugen, wie zum Beispiel die Verfolgung von autonomen Unterwasserfahrzeugen.

Im vergangenen Jahr arbeitete das norwegische Unternehmen Statoil an Unterwasser-Fahrzeugkonzepten und setzte zwei verschiedene ferngesteuerte Fahrzeuge (ROVs) ein, eines mit Okeaneering in Houston (e-Novus) und eines mit Sitz in IKM in Norwegen und sogar monatliche Bereitstellungen. Während diese Einsätze jedoch dazu führten, dass die Fahrzeuge insofern autonom waren, als sie kein Hilfsschiff mehr benötigten, wurden sie immer noch von Mitarbeitern an Land angebunden und betrieben.

Der nächste Schritt werden Fahrzeuge sein, die ohne Halteseil fahren können, wie das neue Freedom-Konzept von Oceaneering, das auf der Subsea Valley Conference in Oslo vorgestellt wurde. Es ist ein Resident-ROV-Konzept, basierend auf einem Hybridfahrzeug, das in einer Unterwasser-Dockingstation leben und in der Lage sein sollte, in gefesselten (ferngesteuerten) oder untethered (autonomen) Missionen zu fliegen. Es hätte Bordbatterien, die an seiner Andockstation aufgeladen würden, und ein Werkzeugmagazin, aus dem es auswählen könnte. Die Firma hofft, Offshore-Versuche mit einem Prototyp durchführen zu können, der voraussichtlich im kommenden Jahr etwa 3,3 m lang sein wird, sagte Arve Iversen, ROV-Betriebsleiter bei Subsea Valley.

Es wird jedoch viel mehr getan, um autonome Systeme zu entwickeln. NTNU AMOS wurde zwischen den Abteilungen für Meerestechnologie und Ingenieurskybernetik an der NTNU in Zusammenarbeit mit anderen internationalen Forschungspartnern und norwegischen Unternehmen als Unterstützung des Exzellenzclusters (CoE) durch den norwegischen Forschungsrat seit 2013 für 10 Jahre gegründet. Seit 2013 hat es bereits 53 Doktoranden und mehrere andere Spin-outs, darunter Drohnen-Firma Scout, und BluEye, ein ROV-Unternehmen (tiefste kommerzielle Unterwasser-Drohne) mit Go-Pro-Stil-Usability. Dieser Firmenmix gibt eine Vorstellung davon, wohin die Forschung geht, dh vernetzte Systemnetze.

Neben der Verbesserung der Intelligenz in Systemen wie Energiesystemen, die intelligenter für die Optimierung des Energieverbrauchs und des Batterieverbrauchs sind, beschäftigt sich AMOS auch mit Schwärmen und heterogenen Systemen, darunter Luft- und Unterwasserdrohnen sowie unbemannte autonome Systeme Überwasserschiffe, die auf Satelliteninfrastruktur für Kommunikation und Konnektivität antworten würden.

Die Kosten für die Satellitenübertragung in den Weltraum seien auf 390.000 bis 520.000 Dollar gesunken, sagt Sørensen. "Sie sind zwar nur eingeschränkt funktionsfähig und halten nur drei bis fünf Jahre, aber sie sind wichtig für autonome Systeme", sagt er. "Wir können einen Satelliten benutzen, eine Drohne aussenden und mit unbemannten Schiffen zusammenarbeiten."

Norwegen wird zu einem Testland für diese Technologien, mit einer Reihe von ausgewiesenen Testgebieten, darunter der Trondheimsfjord in Nordnorwegen, Storfjord im nördlichsten Teil von Westnorwegen, ein Gebiet mit mehreren Fährüberfahrten, die für die Erprobung und Entwicklung von Sensortechnologie geeignet sind Managementsysteme und Horten am Oslofjord in Südnorwegen.

In der Tat arbeitet Kongsberg, das stark in der autonomen Schifffahrt arbeitet, einschließlich eines "autonomen und rein elektrischen" Containerschiffs, Yara Birkeland, mit dem unbemannten Unterwasserroboter Eelume von NTNU zusammen. Kongsberg ist auch in einer Reihe anderer Projekte stark involviert (nachdem er seine Position auf dem AUV-Markt mit den Munin und Hugin AUVs etabliert hat), einschließlich des Sea-Kit, einem hybriden AUV-ASV, der einen Kongsberg tragen wird K-MATE autonomes Schiffsteuerungssystem.

Aber wir müssen vorsichtig sein, wie wir Autonomie im Vergleich zur Automatisierung definieren, sagt Sørensen. "Mit der Automatisierung erledigen Sie klar definierte Aufgaben ohne menschliches Zutun. Autonomie ist der Umgang mit einer unstrukturierten Umgebung und Unsicherheit. Du gehst normalerweise mit unbemannten Systemen rein, wenn es die drei D gibt: langweilig, dreckig und gefährlich. Autonom ist, wenn wir keine Links haben und deshalb auch Subsea führend ist. Es (System oder Fahrzeug) muss selbstständig sein und Entscheidungen treffen. Vorgeplante Missionen sind keine Autonomie. Es ist nur Autonomie, wenn ein ungeplantes Ereignis passiert und es eine Entscheidung treffen muss. "

Es gibt auch verschiedene Ebenen der Autonomie, sagt er und verschiedene Ansätze. Einer, der Mensch ist immer noch in der Schleife. Zwei, Verwaltung durch Zustimmung, mit Teleoperatoren, ein Feld, das in der Raumfahrtindustrie aufgrund der Zeitverzögerung in der Weitergabe von Signalen begann. Drei, Management durch Ausnahme. "Viele Öl- und Gasbohrinseln und Offshore-Anlagen befinden sich auf der dritten Ebene, Management ausnahmsweise. Auf dem Schiff gibt es Tausende von Signalen, nur um das Kraftwerk zu steuern. Das System ist also mehr oder weniger autonom. Vier, hochgradig autonom. Sørensen sagt völlig autonom tendiert nicht verwendet zu werden - die Diskussion wird eher philosophisch.

Wie die Autonomie implementiert wird, kann auch verschiedene Formen annehmen. Plattformen können spüren, dann handeln oder fühlen, modellieren, planen und dann handeln. Während so etwas wie Kongsbergs Power-Management-System für die dynamische Positionierung Autonomie hat, ist es nicht so sehr in der Lage, Entscheidungen zu treffen und Entscheidungen zu treffen, sagt Sørensen. In ähnlicher Weise ist eine unbemannte Plattform nicht autonom, sie ist reaktiv, sagt er. Es könnte durch Einführung einer deliberativen Kontrollarchitektur autonomer gemacht werden. Machen Sie einen weiteren Schritt und das System kann lernen, indem es erkennt und tut.

Kritisch muss Situationsbewusstsein eingebaut werden, um ein hohes Maß an Autonomie zu bieten. "Das ist einer der entscheidenden Bereiche, der mit der Sensortechnologie zusammenhängt", was die Wahrnehmung der Umgebung eines Systems beeinflusst. "Ist es in der Lage, Informationen wahrzunehmen und zu fühlen und diese Informationen dann in die Zukunft zu projizieren (dh Vorhersagen zu treffen und darauf zu reagieren)? Das ist ein wichtiger Forschungsbereich, an dem wir arbeiten. "

Beispiele hierfür sind Mapping-Systeme, die in der Lage sind, Lücken in den gesammelten Daten selbst zu erkennen und während einer Mission zurückzugeben und auszufüllen. Ein intelligentes System wie dieses wurde verwendet, um Plankton in der Wassersäule zu verfolgen, nachdem es das Plankton zuerst gefunden und dann verfolgt haben musste. Diese Fähigkeiten werden entscheidend sein, wenn Systeme mit und unter Öl- und Gassystemen im Unterwasserbereich arbeiten, von denen erwartet wird, dass sie zusammen mit der Meereswissenschaft zu den Hauptbereichen gehören, in denen autonome Systeme benötigt werden, sagt Sørensen.

Egal zu welchem ​​Zweck, sei es Öl- und Gasexploration, erneuerbare oder aquakulturelle Entwicklung, Schifffahrt oder Ozeanforschung, die Reichweite und Leistungsfähigkeit von Unterwasserausrüstung und Hilfs- und Unterstützungssystemen wird mit der Entwicklung von IKT, Nanotechnologie und sogar Biotechnologie täglich erweitert (für die Schlangenbewegung, die beispielsweise von Eelume verwendet wird), einschließlich neuer Materialien, mikroelektromechanischer Systeme und großer Datenmengen. So werden beispielsweise Systeme entwickelt, die Kräfte entlang des Körpers eines Unterwasserfahrzeugs erfassen und verteilen können, um den Luftwiderstand zu kompensieren oder zu reduzieren, sagt Sørensen. Er zitiert auch Mikro- und Makro-Betätigungen und -Sensoren und Bildverarbeitungssysteme mit hyperspektraler Sensorik, die jede Wellenlänge aufnehmen können, um Dinge zu klassifizieren und zu erkennen, die wir vorher nicht konnten. Die Möglichkeiten sind riesig.

Sørensen sieht auch eine "Demokratisierung" dieses Raumes. Mit billigeren Satelliten und kommerziellen Unterwasserdrohnen, die der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen, "kann jeder ein Ozeanwissenschaftler sein." Es ist eine rechtzeitige Verfügbarkeit von Technologie, sagt Sørensen. "Jeder sollte sich der Ozeane bewusst sein und wie wir uns um sie kümmern. Wenn wir Plastik in den Ozean bringen, werden wir damit nicht durchkommen, das Publikum wird es immer mehr sehen.

"Wir sehen, dass es ein riesiges Potenzial für unbemannte autonome Systeme gibt, vom Weltraum bis zum Meeresboden für die Kartierung und Überwachung der Ozeane", sagt Sørensen.

Wie diese Welt regiert und reguliert wird, um noch beantwortet zu werden. Es gibt auch Bedenken hinsichtlich der Cyber-Sicherheit. Aber die Leute müssen auch ihre Geschäftsmodelle betrachten, sagt Sørensen. "Wo auch immer du sitzt, ich würde mir Sorgen um mein Geschäftsmodell machen. Es gibt Veränderungen, man muss wach sein ", sagt Sorensen.


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