17.12.2019
Även om en del fartyg i framtiden kommer att vara autonoma måste mänskliga operatörer när som helst kunna ta över med fjärrstyrning. Men om fartyget ligger utanför täckningsområdet måste det kunna uppträda vettigt och tolka sitt närområde. Premisser som ställer krav på datalänk, sensorer och mjukvara.
Informationsteknologerna Sébastien Lafond (akademilektor) och Valentin Soloviev (laboratorieingenjör) jobbar med ett projekt med målet att utveckla en obemannad båt som kan fjärrstyras och som klarar av att ta egna beslut angående objekt och händelser i sin omedelbara närhet. Projektet stöds av fakulteten för naturvetenskaper och teknik vid Åbo Akademi och FITech (Finnish Institute of Technology).
– Målsättningen är att både åstadkomma fjärrstyrning och autonomitet, att designa en plattform som kan känna av sin näromgivning, ta ut relevant information ur omgivningen och reagera vettigt på den informationen, säger Lafond.
– Det vi har nu är en testplattform som vi gjort i samarbete med Aboa Mare, det vill säga med Yrkeshögskolan Novias sjöfartslinje.
– Vid Aboa Mare utvecklar de en simulator för fjärrstyrda fartyg. Det handlar alltså om att öva sig i att använda sensorer på avstånd och helt enkelt fjärrstyra farkoster på vattnet, farkoster som den vi håller på och utvecklar.
Farkosten Lafond och Soloviev har testat är en småskalig testbåt, som trots sin rudimentära karaktär är relevant för den fortsatta forskningen.
– Vi har väldigt mycket kvar att lära oss om den trådlösa kommunikationslänken och i jobbet med att förstå vilka sensorer som behövs och hur de ska utnyttjas, säger Soloviev.
Forskning kring autonoma bilar har pågått länge men den kunskap man genererat där är inte direkt överförbar till fartyg.
– Där finns mycket data, naturligtvis. Och i forskningen kring autonoma bilar har man utvecklat den typ av dataset som behövs för att utveckla relevanta algoritmer för den artificiella intelligensen.
För ett fartyg är det dock inte bara skillnad i den data den måste behandla jämfört med en bil – ett fartyg behöver ta betydligt färre objekt i beaktande och antalet potentiella hinder i vägen för fartyget är också mindre än för en bil. Däremot finns det inga vägar på havet – det finns till exempel inte fysiska linjer kring fartyget som sensorerna kan ta stöd av.
– Med bilar kan man också använda strålkastare för att se över längre distanser. En bil som rör sig i moderat fart kan reagera effektivt på ett hinder som står 50 meter framför det, medan ett objekt som upptäcks 50 meter från en båt med lite större massa kommer att leda till kollision. Och i mörkret på havet kan man hur som helst inte förlita sig på kamerasensorer.
Hur är det då med sändare, den typ av transponder större fartyg har som berättar om var de finns, är sådana relevanta i sammanhanget?
– Jo, sådana hjälper förstås, men man kan inte räkna med att alla har transpondrar monterade, särskilt inte att mindre båtar har sådana. Dessutom bör fartyget också kunna upptäcka människor i vattnet, säger Lafond.
– Människor går att upptäcka med ladar, en sensor som vi jobbat med. En annan fördel som utvecklingen av autonoma bilar har gett oss är att ladarteknologin nu är betydligt billigare än för bara några år sedan.
https://youtu.be/Qi_mAwSKo0w
Ladar fungerar ungefär enligt samma princip som en radar men använder modulerat ljus (laser) istället för radiovågor. Genom att mäta reflektionstiden från objektet lasern träffar ger ladarn ett avståndsvärde till det objekt det pekar på. Ladar (eller lidar) är populärt bland utvecklarna av autonoma bilar även om till exempel Tesla använder radar. Fördelen med ladar är möjligheten att se med hög resolution på avstånd upp till 100 meter: som åt vilket håll ett ansikte pekar, urskiljning av detaljer på ett par centimeters storlek – medan inte ens högurskiljande radar inte klarar av samma resolution. På ett fartyg skulle ladar användas för att känna av fartygets omedelbara närmiljö.
– Radar är förstås ett absolut nödvändigt instrument för navigation på havet och för att ha koll på vad som sker på längre avstånd. Men den sortens navigation sysslar vi inte ännu i det här skedet med i det här projektet, säger Soloviev.
Lafond och Soloviev har efter de senaste experimenten skaffat en ny ladar som ger en 360 graders vy genom att den roterar i 20 hertz (20 varv i sekunden). De säger att den klarar av att upptäcka stenar på 60–80 meters avstånd och att den av naturliga skäl fungerar bäst i att upptäcka reflekterande ytor.
– Is är ett problem för ladarn, eftersom ladarn inte ser igenom den.
Hur fungerar infraröda sensorer?
– Militära infraröda sensorer är en sak, men de kommersiella vi sett är inte tillräckligt bra. Resolutionen är för låg. Men IR vore annars en relevant sensor. Vattnet är en reflekterande yta men levande objekt avger värme på ett sätt som går genom vattenytan och IR vore bland annat därför mycket användbart, säger Lafond.
Båten ska ha ett internt sjökortsminne även som referens i den typ av närnavigation som Lafond och Soloviev nu håller på och utvecklar. Samtidigt samlar de information som behövs till utformandet av navigationsalgoritmen som ska svara för båtens autonoma uppträdande.
– Nej, det går inte att köpa den sortens algoritmer eller relevanta dataset. Själva har vi använt data som vi spelat in från vattenbussen som åkt längs med Aura å. Vi programmerar mjukvaran själva. Det är ett stort jobb. Det gäller bland annat att formalisera sjövägsreglerna vilket är svårt eftersom reglerna som sådana är öppna för en mängd IF–
THEN-möjligheter, det finns en massa parametrar man måste ta i beaktande.
– Som ”Du ska iaktta ett tryggt avstånd.” Man måste ta i beaktande vad en sådan enkel sak betyder i alla upptänkliga kontexter.
Vad skiljer en artificiell intelligens i det här sammanhanget från ett massivt komplext logikträd med OM–SÅ eller IF–THEN för alla möjliga scenarion?
– Vad gäller det man kunde kalla ”ordinär” mjukvara, vanliga program, så kan man under alla omständigheter slå fast vad programmet kommer att göra. Typ ”Om – alltså IF – X och Y är fallet så utför Z.” Det betyder inte att man har förutsett allt som kan hända, men allt man kan förutse kan man i princip gardera sig för. Skillnaden till artificiell intelligens är att man inte kan det. Man kan inte formellt garantera att en AI gör det ena eller det andra, det vill säga formalisera hur den kommer att bete sig. Det betyder inte att den är opålitlig. Det betyder bara att beskrivningen att man kan garantera eller formalisera något inte gäller, det är alltså en skillnad i villkoren och beskrivningen för hur systemet fungerar. Det beror på att algoritmen kan ta in en sådan fullständigt oöverskådlig mängd variabler för att utföra en uppgift att man inte på förhand kan veta vad den kommer att göra, säger Lafond.
Innan sommaren kommer ska Lafond och Soloviev hitta en ny lämplig plattform att montera sensorer på. Sensorn, eller sensorerna får inte vara för tunga eller skrymmande, inte heller för dyra. ”Fartyget” kommer alltså att bestå av ett skrov, en motor och sensorer.
– Vi har bara testat om båten flyter. Det gjorde den. Det var bra.Det andra vi behöver jobba med är 5G-datalänken. Det är en enorm mängd data som streamas ut. Det är inte bara en fråga om bandvidd, också en fråga om nätverkets processeringsförmåga. Vi vill köra Full HD eller 4K-resolution på videon som förs över till kontrollstationen för fjärrstyrningen, säger Soloviev.
Innebär inte en sådan resolution att en väldig mängd data spelas in hela tiden i så fall – och samma mängd ska alltså kontinuerligt förmedlas till en styrstation?
– Vi kanske inte behöver en så stor resolution. Minnet som finns ombord kommer att förbrukas snabbt ifall vi inte har en väldigt bra bandvidd så att vi kan dumpa över det som spelas in till ett minne på en station på land, säger Lafond.
– Bandvidd behövs igen inte i samma utsträckning ifall datorn ombord är tillräckligt bra på att behandla och lagra datamängden som kommer in. Men frågan är hur stor buffert vi behöver och hur mycket av den data sensorerna tar in som behöver sparas för att vi ska kunna förstå vilka beslut programmet gjort när man senare vill kolla.
– Fartyget kommer sannolikt ändå inte att under alla omständigheter kunna lita på att det finns tillräckligt bra 5G-täckning tillgängligt. Innan båten är helt autonom måste besluten båten tar då den inte har tillräcklig täckning till fjärrstyrningen basera sig på gammal sjökunskap som väljer en handlingsmodell utifrån de premisser sensorerna fångar upp.
– Den databanken har vi inte ännu skapat. För närvarande koncentrerar vi oss på att bygga upp farkostens förmåga till att kartlägga, reagera på och uppföra sig tryggt i sin näromgivning.