FURIOUS: Fully Unified Risk-assessment with Interactive Operational User System for vessels = 선박을 위한 통합형 위험평가·대화형 운항 지원 시스템

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ship collision risk assessment has advanced over recent years, enhancing maritime safety. However, existing studies often describe ship domains and collision risk assessments in a static manner, lacking interactivity. Interactive visualization of collision risk, especially in multi-ship scenarios, has not been sufficiently developed. This gap prompted the development of "FURIOUS: Fully Unified Risk-assessment with Interactive Operational User System for vessels." This tool aids in visualizing and analyzing the collision risk of multi-ship encounter situations through real-time visualization. Our system processes data from Automatic Identification System (AIS). The system performs ship domain calculations and collision risk assessments supported by geographical computations and includes features like real-time display and collision type detection. Interactive and user-selectable elements, along with dynamic maps, enhance real-time decision-making to ensure navigation safety. Additionally, the system aids both experienced and novice users in understanding complicated maritime dynamic environments. Users can adjust parameters for tailored analyses and proactive collision avoidance. A user study to validate these features was conducted, confirming that they effectively improve situational awareness and enhance decision-making capabilities in real-world scenarios. This paper details the design, implementation, and evaluation of this tool, highlighting its potential to transform maritime decision-making by improving situational awareness and enhancing operational efficiency.

국문 초록 (Abstract)

선박 충돌 위험 평가는 최근 수년간 발전하여 해상 안전을 증진시켜 왔다. 그러나 기존 연구는 선박 도메인과 충돌 위험 평가를 정적인 방식으로 설명하는 경우가 많아 상호작용성이 부족하다. 특히 다중 선박 시나리오에서의 충돌 위험에 대한 상호작용적 시각화는 충분히 개발되지 않았다. 이러한 공백은 "FURIOUS: Fully Unified Risk-assessment with Interactive Operational User System for vessels" 의 개발을 촉발하였다. 본 도구는 실시간 시각화를 통해 다중 선박 조우 상황의 충돌 위험을 시각화하고 분석하는 데 도움을 준다. 본 시스템은 자동식별시스템(AIS)으로부터의 데이터를 처리한다. 시스템은 지리적 계산에 의해 지원되는 선박 도메인 계산과 충돌 위험 평가를 수행하며, 실시간 표시 및 충돌 유형 탐지와 같은 기능을 포함한다. 상호작용적이고 사용자가 선택할 수 있는 요소들과 동적 지도는 항해 안전을 보장하기 위한 실시간 의사결정을 강화한다. 또한 본 시스템은 숙련 사용자와 초보 사용자 모두가 복잡한 해상 동적 환경을 이해하는 데 도움을 준다. 사용자는 맞춤형 분석과 선제적 충돌 회피를 위해 매개변수를 조정할 수 있다. 이러한 기능을 검증하기 위한 사용자 연구를 수행하였으며, 그 결과 실제 시나리오에서 상황 인식을 효과적으로 향상시키고 의사결정 역량을 강화함을 확인하였다. 본 논문은 도구의 설계, 구현, 평가를 상세히 기술하며, 상황 인식을 개선하고 운영 효율성을 향상시킴으로써 해양 의사결정을 혁신할 잠재력을 보인다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Contributions 3
• Chapter 2 Related Work 4
• 2.1 Multi-Ship Collision 4
• 2.2 Challenges in Multi-Ship Encounters 5
• 2.3 Approaches to Multi-Ship Collision Avoidance 5
• 2.4 Ship Collision Risk Assessment 6
• 2.5 Visualization Systems for Maritime Traffic Analysis 9
• Chapter 3 Method 11
• 3.1 System Overview 11
• 3.2 Data Source 11
• 3.2.1 Data Processing 13
• 3.2.2 System Architecture 15
• 3.3 Back-end Integration for Collision Risk Assessment 17
• 3.3.1 Encounter Mode Determination 17
• 3.3.2 Ship Domain Calculation 17
• 3.3.3 Region Computation Considering Velocity 19
• 3.3.4 Collision Risk Index Calculation 22
• 3.4 Task Analysis 24
• 3.4.1 Vessels Display 25
• 3.4.2 Ship Domain of OS 25
• 3.4.3 Collision Risk with TS 26
• 3.5 Visualization and Interaction Design 26
• 3.5.1 Interactive and Dynamic Mapping 26
• 3.5.2 Comprehensibility of Advanced Metrics 28
• 3.5.3 Intuitive Visualization of Complex Multi-Vessel Interactions 28
• 3.6 Ethics Statement 31
• Chapter 4 Performance Analysis 33
• 4.1 Empirical Validation with Historical Collision Data 33
• 4.1.1 Dataset and Matching Approach 33
• 4.1.2 Experimental Results 34
• 4.1.3 Statistical Analysis 35
• 4.2 Multi-Ship Encounter Scenario Testing 35
• 4.2.1 Two-ship Encounter Scenario 36
• 4.2.2 Three-ship Encounter Scenario 37
• 4.2.3 Dense Maritime Traffic Scenario 40
• 4.2.4 Results 42
• Chapter 5 System Evaluation 44
• 5.1 User Study Participants 44
• 5.2 Procedure 45
• 5.2.1 Survey Administration 45
• 5.2.2 Question Design 46
• 5.3 Results and Discussion 47
• 5.3.1 Ease of Use and Accessibility 47
• 5.3.2 Interface Satisfaction 48
• 5.3.3 Visualization Comprehensibility 49
• 5.3.4 System Responsiveness 49
• 5.3.5 Satisfaction and Future Use 50
• Chapter 6 Conclusion 51
• 6.1 Summary 51
• 6.2 Future Work 52
• Appendix A User Survey 53
• Appendix B Code Availability 57
• 요약 65