„Die größte Herausforderung ist der Ozean selbst“, sagt Brett Phaneuf, Mitbegründer von ProMare, einer Organisation für Meeresforschung und -erkundung. „Es wurde noch nie ein Schiff gebaut, das alles überstehen kann, was der Ozean ihm entgegenschleudert.“
Trotz der gewaltigen Herausforderung, die vor ihnen lag, begaben sich die 102 Passagiere der Mayflower im Jahr 1620 vom englischen Plymouth aus auf eine gefährliche Reise in die Neue Welt, inspiriert von der Hoffnung auf eine bessere Zukunft. Und als sich 2016 die Gemeinde von Plymouth traf und darüber diskutierte, wie man den bevorstehenden 400. Jahrestag der Reise der Mayflower feiern sollte, fragte Phaneuf: „Warum nutzen wir diese Gelegenheit nicht, um in die Zukunft vorzustoßen, anstatt in der Vergangenheit zu schwelgen?“. Man wollte die jahrhundertealte Herausforderung des Meeres angehen und sich erneut auf Entdeckungstour begeben.
Phaneuf war einige Jahre zuvor nach Großbritannien gezogen, um MSUBs zu gründen, eine Firma, die Mini-U-Boote vor allem für die Sicherheits- und Verteidigungsindustrie entwirft und baut. Er interessierte sich schon lange für autonome Systeme, hatte sich aber noch nicht mit einem autonomen Überwasserschiff beschäftigt. Jetzt sah er seine Chance gekommen.
„Als die Stadt Plymouth über den Bau einer Nachbildung der Mayflower sprach, sagte ich: ‚Es gibt bereits eine in Massachusetts – ich bin nicht weit davon entfernt aufgewachsen“, sagt Phaneuf. „Stattdessen sollten wir über die nächsten 400 Jahre des maritimen Unternehmens sprechen. Lassen wir uns von dem inspirieren, was die Pilger taten, und wagen wir den Sprung in einen Neuanfang.“
Das Timing war perfekt für Phaneuf, um seine Idee vorzustellen: ein autonomes, besatzungsloses Schiff, das den Atlantik überqueren, die Route der ursprünglichen Mayflower verfolgen und während der Reise und bis weit in die Zukunft hinein wichtige Meeresforschung betreiben würde. „Damals wurde die Idee des Mayflower Autonomous Ship geboren“, sagt Phaneuf. „Wir nennen es jetzt kurz MAS.“
Grund für Phaneufs Vision für das MAS ist der wachsende Bedarf an mehr wissenschaftlichen Erkenntnissen über den Ozean. „Obwohl zwei Drittel der Oberfläche unseres Planeten mit Wasser bedeckt sind, haben wir weniger als 5 % davon erforscht“, sagt er. „Diese Unwissenheit sollte uns Angst machen, denn der Ozean kontrolliert das gesamte Klima unseres Planeten.“
Vollständige Automatisierung
Sensoren, Edge-Geräte, Entscheidungsautomatisierung und Computer Vision ermöglichen vollständige Autonomie (keine menschliche Intervention erforderlich)
Aktueller Status
Das MAS ist derzeit auf einer Transatlantik-Reise unterwegs
Ein autonomes Schiff hat den Vorteil, dass es speziell für seine jeweilige Funktion gebaut wird. Das Schiff wird eher zu einer Maschine als zu einem schwimmenden Hotel. „Wenn man den menschlichen Faktor aus Schiffen herausnimmt, kann man das Design komplett neu gestalten“, sagt Phaneuf. „Man kann sich ganz auf die Mechanik und Funktion des Schiffes konzentrieren.“
In der Praxis wussten Phaneuf und ProMare jedoch, dass es für den Einsatz eines autonomen Schiffes auf See ohne Menschen am Steuer vor allem auf eine Computertechnologie ankam, die die Intelligenz an Bord unterstützen konnte. Damit das MAS den Sprung von der Vision zum Schiff schafft, brauchte ProMare einen Technologiepartner mit fundiertem Know-how in den Bereichen KI, Edge Computing und wissenschaftliche Forschung sowie Erfahrung in der globalen Schifffahrtsbranche.
Als der Schiffsarchitekt von ProMare Ende 2016 das MAS-Konzept auf einer Konferenz in der Schweiz vorstellte, saßen Vertreter von IBM im Publikum – und waren von Phaneufs Vision fasziniert.
„In den Anfängen des Mayflower-Projekts sagte ich zu meinem CTO, er solle mir einen ‚Captain Watson’ bauen, weil ich mit der Entwicklung einer immer leistungsfähigeren KI durch das IBM Watson-Team aufgewachsen bin“, sagt Phaneuf. „Das war es, was wir brauchten, um unser Schiff über das Meer zu bringen. Wir hatten das Glück, bei IBM auf eine unglaublich großzügige Gruppe von Menschen zu treffen, die noch mehr Fähigkeiten hatten und helfen wollten.“
Der Ozean bedeckt 71 % der Erdoberfläche und erzeugt mehr als die Hälfte des weltweiten Sauerstoffs, reguliert das globale Klima und dient als Wärmesenke, um die Auswirkungen der Erderwärmung zu reduzieren. Doch trotz der enormen Größe des Ozeans ist er nicht immun gegen menschliche Aktivitäten. Heute ist der Ozean verschmutzter, wärmer, saurer und stürmischer als je zuvor.
Um dem Rückgang der Ozeane entgegenzuwirken, haben die Vereinten Nationen die Jahre 2021 bis 2030 zum Jahrzehnt der Meeresforschung für nachhaltige Entwicklung erklärt. Diese globale Initiative soll helfen, den Ozean besser zu verstehen, um ihn zu schützen und nachhaltiger zu bewirtschaften – und der Schlüssel zum besseren Verständnis des Ozeans sind mehr und bessere Daten.
Dennoch ist die Erfassung von Daten über ein so großes und kompliziertes System wie den Ozean enorm teuer. Außerdem birgt die Forschung in einer so unbarmherzigen Umgebung wie dem Ozean ein hohes Risiko für Schiffe und Besatzungen. Aufgrund dieser Kosten und Risiken sind große Teile der Meeresoberfläche immer noch unerforscht. Es bestehen nach wie vor große Wissenslücken in Bezug auf den Klimawandel, die Verschmutzung durch Plastik, die Zerstörung von Lebensräumen, die Erhaltung der Meeresfauna und andere wichtige Themen.
„Die meisten Meeresdaten, die wir haben, sind auf die kommerziellen Schifffahrtsrouten ausgerichtet“, sagt Phaneuf. „Um den Rest zu erforschen, können wir es uns als Gesellschaft nicht leisten, weiterhin riesige Forschungsschiffe für 50 bis 100 Millionen Dollar zu bauen. Selbst wenn wir es täten, hätten wir nie genug. Aber gleichzeitig können wir es uns nicht leisten, den wachsenden Bedarf an Meeresforschung zu ignorieren.“
Autonome Forschungsschiffe wie das MAS – integriert mit anderen landgestützten, schiffsgestützten und satellitengestützten Netzwerken – können Daten über den Ozean in einem Umfang und mit einer Kosteneffizienz sammeln, die weit über das hinausgehen, was mit der heutigen relativ kleinen Flotte von Forschungsschiffen mit Besatzung möglich ist. „Deshalb interessiere ich mich für den Einsatz von Robotik und Autonomie bei der Erforschung der Ozeane. Dadurch lassen sich Teile des Ozeans erkunden, die für Menschen einfach nicht zugänglich sind“, sagt Phaneuf.
Nach den Vorstellungen von ProMare und dem MAS-Projekt ist die Zukunft der Meeresforschung eine hybride Mischung aus bemannten und unbemannten Schiffen und Geräten, großen und kleinen, mit unterschiedlichem Grad an Autonomie, die alle zusammenarbeiten, um die Menge und Qualität der Daten zu erhöhen.
Bis vor Kurzem schien das Ziel, mehr Meeresdaten zu sammeln, ohne mehr Seeleute und Wissenschaftler auf kostspielige, riskante Reisen zu schicken, unerreichbar. Alles hing von einer einzigen Frage ab: Sind KI, Edge Computing und zugehörige Technologien bereit und robust genug für echte Autonomie?
„Im Laufe der Geschichte waren Schiffe immer an der Spitze der technologischen Entwicklung, weil sie für den Handel und die Beförderung von Menschen benötigt wurden“, sagt Phaneuf. „Und es ist keine Überraschung, dass dies mit dem MAS auch auf Schiffen geschieht. Sie waren immer an vorderster Front dabei.“
Mit seiner schlanken, an Star Trek erinnernden Form kann der hochstabile Trimaran-Rumpf des MAS mit über 10 Knoten über die Wellen gleiten, angetrieben von einem solarbetriebenen, hybrid-elektrischen Antriebssystem. Das MAS ist außerdem mit Präzisions-Inertialnavigation, Global Navigation Satellite System (GNSS)-Positionierung, Radarsensoren, Satellitenkommunikation und meteorologischen Instrumenten ausgestattet.
Das 5 Tonnen schwere, 15 Meter lange Schiff wurde in Polen nach den Spezifikationen von ProMare gebaut und verfügt über viele fortschrittliche Merkmale der Meeresarchitektur, die alle darauf ausgelegt sind, den Belastungen längerer Seereisen standzuhalten. Auf dieser Mayflower gibt es jedoch keine Kojen oder Kombüsen für einen Kapitän oder eine Besatzung. Stattdessen ist es die kognitive Computertechnologie von IBM, die sich bereits in anderen Branchen bewährt hat und diese neue Art von Schiff steuert und dabei hilft, es auf einem gleichmäßigen Kurs zu halten.
„Wir brauchten etwas, das über die bestehende Technologie für unbemannte Schiffe hinausgeht, um ein Schiff zu bauen, das nicht nur ferngesteuert wird und nicht nur auf die Umgebung reagiert, sondern selbständig lernt und sich anpasst“, sagt Don Scott, Director of Engineering bei der Submergence Group, einer Tochtergesellschaft von ProMare. „Als wir dieses Schiff vor vier Jahren konzipierten, war ich mir nicht sicher, ob wir in der Lage sein würden, ein System wie dieses auf einem Schiff unterzubringen. Aber die jüngsten Fortschritte, insbesondere im Bereich Edge Computing, haben dies ermöglicht.“
Das „Gehirn“ an Bord, das dem MAS volle Autonomie verleiht – d. h. die Fähigkeit, ohne menschliches Eingreifen zu operieren – wird vom Team „KI-Kapitän“ genannt. So wie jeder menschliche Kapitän eine jahrelange Ausbildung benötigt, bevor er mit einem Schiff betraut werden kann, hat auch der KI-Kapitän des MAS ein jahrelanges Training durchlaufen, um die Grundlagen zu erlernen.
Mithilfe von Inferenzalgorithmen und Modellen, die aus der Computer Vision-Technologie von IBM® Visual Insights generiert wurden, wurde der KI-Kapitän auf über einer Million nautischer Bilder trainiert, damit er Schiffe, Trümmer, Brücken, Landteile und andere Gefahren erkennen kann. IBM Power® Systems-Server wurden eingesetzt, um die für das Training des KI-Kapitäns erforderlichen hohen Anforderungen an die Verarbeitung von maschinellem Lernen zu erfüllen. Eine zusätzliche mathematische Modellierung zur Entscheidungsunterstützung wurde von IBM® CPLEX Optimizer bereitgestellt.
Sobald der KI-Kapitän verwertbare Daten von Bordkameras, Radar, Sonar, AIS und anderen Geräten erhält, greift er auf das automatisierte Regelverwaltungssystem von IBM, den IBM Operational Decision Manager (ODM), zurück, um die internationalen Vorschriften zur Vermeidung von Kollisionen auf See (Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGs) und andere Konventionen für die Seefahrt zu befolgen. ODM wird in der Finanzdienstleistungsbranche häufig zur Genehmigung von Krediten und zur Personalisierung von Kundenangeboten eingesetzt und bietet eine transparente Aufzeichnung von Entscheidungsprozessen, um „Blackbox“-Szenarien zu vermeiden, bei denen nicht klar ist, warum eine bestimmte Entscheidung getroffen wurde.
Um seine Umgebung zu erfassen und selbstständig intelligente Entscheidungen zu treffen, ohne mit einem Computer an Land verbunden sein zu müssen, verfügt das MAS über 15 Edge-Computing-Geräte zur Datenverarbeitung an Bord. Entscheidungslogik, die auf ODM-Software basiert, wird ebenfalls als Edge-Workload auf dem Schiff ausgeführt.
Alle Edge-Geräte werden sicher über den IBM Edge Application Manager orchestriert, der Software an die am Rand des Schiffs positionierten Sensoren verteilt. Die IBM® Maximo Application Suite bietet Intelligent Asset Management und Wartung. „Ich habe das MAS als ultimatives Edge-Gerät bezeichnet“, sagt Scott. „Alle Kameras sind intelligente Edge-Geräte. Sogar das Batteriemanagementsystem ist ein intelligentes Edge-Gerät.“
Sobald das Schiff unterwegs ist, stützt sich der KI-Kapitän des MAS auf ODM-Empfehlungen sowie auf aktuelle Updates und Prognosen von The Weather Company, einem IBM Unternehmen, um kontinuierlich Optionen zu bewerten, Gefahren zu vermeiden, Navigationsentscheidungen zu treffen und die jeweilige Forschungsmission zu erfüllen.
IBM® Cloud und IBM Cloud Object Storage sorgen dafür, dass alle Daten und Anwendungen nahtlos integriert, sicher und von jedem Punkt des MAS-Netzwerks aus verbunden sind. Sie wurden entwickelt, um unternehmenskritische Workloads überall zu unterstützen, sogar mitten auf dem Ozean.
Eine Safety Manager-Funktion, die auf Red Hat Enterprise Linux (externer Link) ausgeführt wird, unterstützt außerdem die Entscheidungen des KI-Kapitäns, um die Sicherheit des MAS und von Schiffen in der Nähe zu gewährleisten.
Während das Training des KI-Kapitäns weitergeht und er mehr Stunden autonomer Fahrt auf See absolviert, denkt ProMare bereits über die Zukunft dieser Technologie nach, auch über das MAS-Projekt hinaus. „Das Schöne an der Software, die wir für den KI-Kapitän entwickeln, ist, dass sie auch auf bemannten Schiffen eingesetzt werden kann“, sagt Phaneuf. „Dadurch wird die Fähigkeit, eine Aufgabe auszuführen, verbessert und das kreative Potenzial einer Person freigesetzt, um ein besserer Mensch zu sein – und in diesem Fall ein sicherer Mensch.“
Trotz der Unterbrechungen im Zusammenhang mit der weltweiten COVID-19-Pandemie wurden wichtige Meilensteine des MAS-Projekts im Jahr 2020 erreicht. Noch während der Bau des Schiffes abgeschlossen wurde, entwickelte und testete das Team von ProMare und IBM den KI-Kapitän auf einer Forschungs- und Entwicklungsstation in Plymouth. Die Forschungs- und Entwicklungsstation, die am Ende eines Piers in den Haupthafen der Stadt hineinragt, war über alle Vorgänge auf einer Schiffsbrücke im Bilde und deshalb entscheidend dafür, dem KI-Kapitän beizubringen, wie er Schiffe, Bojen und andere Wasserhindernisse erkennen und umschiffen kann.
Während die Haupt- und Auslegerrümpfe des Schiffes zur Endmontage von Polen nach England transportiert wurden, begannen genauere Arbeiten im Hinblick auf den Hauptzweck des MAS: das Sammeln wissenschaftlicher Erkenntnisse über den Ozean. Das modulare Design des Schiffes umfasst drei Wissenschaftsbereiche, in die je nach Thema Forschungskits ein- oder ausgeklinkt werden können. IBM® Research hat drei erste Forschungsprojekte für MAS entwickelt: die Messung des Meeresspiegels und der Wellenhöhen, die Analyse der chemischen Zusammensetzung des Meerwassers und das Abhören von Walgesängen über Hydrophone.
„Eines der Dinge, die mich an diesem Projekt wirklich begeistern, ist, dass wir Technologien einsetzen werden, mit denen ich jeden Tag arbeite, um die Art und Weise der Datenerfassung im Meer zu revolutionieren“, sagt Rosie Lickorish, eine IBM Forscherin und Software-Ingenieurin, die auch in der Meeresforschung tätig ist. „Wir werden KI, Autonomie, Robotik und Edge Computing nutzen, um neue Sensoren und Geräte zu entwickeln, mit denen wir die Daten aus dem Meer viel effizienter erfassen können.“
Der große Tag im Jahr 2020 war der 16. September, als das fertig montierte MAS-Schiff offiziell getauft und im Hafen von Plymouth zu Wasser gelassen wurde. Ebenfalls gestartet wurde Mas400.com (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), ein Live-Missionsportal, das es der Welt ermöglicht, das MAS-Projekt zu verfolgen und Updates über seine Reisen zu erhalten.
Nachdem das MAS nun im Wasser ist, wird es mehrere Monate lang auf See erprobt und zu Forschungszwecken eingesetzt, bevor es im April 2021 auf seine Jungfernfahrt von Großbritannien in die USA geht. „Wir werden Sensoren an Bord des Schiffes verwenden, um die Messwerte [von Satelliten und küstennahen Sensoren] zu kalibrieren“, sagt Lickorish. „Das wird uns wertvolle Informationen für Dinge wie Schifffahrt und Häfen liefern.“
Die aus dem MAS gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur von wissenschaftlichem Wert, sondern werden auch zu praktischen und nachhaltigen Fortschritten für viele Organisationen führen, die auf oder in der Nähe des Ozeans tätig sind, wie z. B. die Schifffahrt und Logistik, die Öl- und Gasexploration sowie die Sicherheits- und Verteidigungsindustrie.
„Während der Markt für autonome Schifffahrt von heute 90 Mrd. US-Dollar bis 2030 auf über 130 Mrd. US-Dollar anwachsen soll, sind viele der heutigen autonomen Schiffe eigentlich nur automatisiert. Es sind Roboter, die sich nicht dynamisch an neue Situationen anpassen und sich stark auf das Eingreifen des Bedieners verlassen“, sagt Scott. „Durch die Integration der KI-, Cloud- und Edge-Technologien von IBM wollen wir der Mayflower die Fähigkeit verleihen, unter einigen der schwierigsten Bedingungen auf dem Planeten unabhängig zu operieren.“
Während der Countdown bis zum Start der 3.220 Meilen langen Reise des MAS von Großbritannien in die USA im Frühjahr 2021 weiterläuft, hat ProMare Pläne, noch einen Schritt weiter zu gehen. „Wir werden in die Arktis fliegen und über eine globale Weltumsegelung nachdenken“, sagt Phaneuf. „Wir werden das MAS auch in Zukunft noch viele Jahre als Plattform nutzen und hoffentlich wird es auch die nächste Generation von Schiffen inspirieren.“
Während der April 2021 näher rückt, denken Phaneuf und sein Team über die ursprüngliche Überfahrt der Mayflower nach und teilen viele der gleichen Hoffnungen und Ängste, die die Pilger empfanden, als sie sich ins Unbekannte aufmachten. „Ich denke, was wir am meisten mit ihnen gemeinsam haben, ist, dass wir auch nicht sicher sind, ob wir es schaffen werden. Aber wir sind bereit, das Risiko einzugehen“, sagt Phaneuf. „Ich konzentriere mich darauf, mit Hilfe unseres Teams und insbesondere von IBM die Ressourcen zu bekommen, die wir brauchen. Ich glaube, dass ich mich erst wieder entspannen werde, wenn das MAS den Ozean überquert hat und in Plymouth, Massachusetts, anlegt.“
ProMare (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) wurde 2001 zur Förderung der Meeresforschung und -erkundung gegründet und ist eine gemeinnützige Gesellschaft und eine Wohltätigkeitsorganisation nach 501(c)(3) mit Sitz in Chester, Connecticut. Das Team aus erfahrenen Archäologen und Meeresexperten führt eigenständig und in Zusammenarbeit mit akademischen, unternehmerischen, öffentlichen und staatlichen Organisationen Forschungsprojekte durch, um neue Erkenntnisse über die Geschichte und Wissenschaft des Meeres zu gewinnen.
Fußnoten
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Hergestellt in den Vereinigten Staaten von Amerika, April 2022.
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