Interdependencies Between Evaluation of Collision Risks and Performance of Shipborne PNT Data Provision

Abstract

Summary. The highest priority for safe ship navigation is the avoidance of collisions and groundings. For this purpose, the concept of ship domain has been introduced to describe the surrounding effective, waters which should be kept clear of other ships and obstacles. In the last decades, a large variety of ship domains have been developed differing in the applied method of their determination as well as in the modelled shape, size, and safety areas. However, a ship domain should be adjusted in real time to enable a reliable evaluation of collision risks by the officers of the watch. Until today in discussions about modelling and utilization of ship domains, it has been mostly unnoticed that the performance of vessel's position (P), navigation (N), and timing data (T) ultimately determines the accuracy and integrity of indicated ship domain. This paper addresses this question, and starts with a comprehensive analysis of AIS data to prove the violation of ship domains in the maritime practice. A simulation system has been developed to enable, for the first time, investigation into the extent inaccuracies in PNT data result to a faulty evaluation of collision risks. The simulation results have shown that there is a non-negligible risk of not detecting a collision, if inaccuracies of sensor data remain unnoticed. ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY OCENĄ RYZYKA ZDERZEŃ STATKÓW A JAKOŚCIĄ DANYCH DOSTARCZANYCH PRZEZ POKŁADOWE SYSTEMY PNTStreszczenie. Zapobieganiu wypadkom na morzu przyznaje się najwyższy priorytet w ramach bezpiecznego prowadzenia statku. Dla poprawy bezpieczeństwa żeglugi stworzono koncepcję domeny statku. Definiuje ona taki obszar wokół jednostki pływającej, w którym nie powinno być ani żadnych innych uczestników ruchu morskiego, ani przeszkód. Na przestrzeni minionych dziesięcioleci powstały rozmaite domeny statku różniące się między sobą sposobem ich definiowania, modelowaniem kształtu, rozmiarem czy strefami bezpieczeństwa. Istotnym warunkiem do należytej oceny ryzyka kolizji jest umożliwienie oficerowi wachtowemu dopasowania w czasie rzeczywistym domeny statku do panujących warunków. W dotychczasowych dyskusjach na temat modelowania i stosowania domeny statku przeważnie pomijano istotną zależność pomiędzy dokładnością pozycji statku (P), wektora ruchu (N) oraz znacznika czasu (T) a dokładnością i spójnością domeny statku. W niniejszym artykule poruszono kwestię powyższego związku. Na wstępie przeprowadzono dogłębną analizę danych AIS 152 P. Banyś, E. Engler, F. Heymann i dowiedziono się, że naruszanie domeny statku ma miejsce w praktyce żeglugowej. Ponadto opracowano system symulacyjny, który po raz pierwszy umożliwia badanie wpływu niedokładności danych PNT na błędność oceny ryzyka kolizji. Wyniki symulacji potwierdziły, że istnieje poważna możliwość niewykrycia groźnej sytuacji zbliżeniowej, jeżeli pozostanie niedostateczna dokładność czujników pokładowych niezauważona.

Evaluation of PNT Error Limits Using Real World Close Encounters from AIS Data

“…The idea of determining performance requirements for ship-side PNT data provision based on collision avoidance using the concept of ship domain is not new [13]. In general, a ship domain models the space, which the officer of the watch (OOW) intends to keep free of any obstacles to avoid groundings and collisions [2,14,15].…”

“…A previous study presented in [13] focused on the demonstration that the aforementioned approach is capable of providing realistic performance requirements of PNT data. Furthermore, the approach should illustrate that the performance of all applied data must be considered to allow a comprehensive investigation of all relevant safety aspects.…”

“…It was shown in [13] that the detection probability of an existing collision risk could be approximately 99% if the horizontal position error (95%) is less than 100 m. This value was achieved when inaccuracies of other data, such as speed-over-ground (SOG) or course-over-ground (COG), were neglected. However, additional inaccuracies in both SOG and COG data led to a further reduction in the detection probability.…”

“…However, additional inaccuracies in both SOG and COG data led to a further reduction in the detection probability. The initial study presented in [13] applied a highly simplified simulation model and generated most traffic situation parameters synthetically. To avoid that these simplifications could lead to incorrect conclusions, the study was repeated by using real traffic scenarios gained from recorded automatic identification system (AIS) data, which is detailed in Section 2.…”

“…Other studies dealt with the application and adaptation of ship domains, either to assess collision risks in specific traffic areas or to support bridge teams in identifying and reducing collision risks [33][34][35]. As a result, it appears reasonable to derive performance requirements for navigation-relevant data from ship-domain-based considerations of collision avoidance emerged [13].…”