Dit bootje leerde zichzelf zeilen

Een autonoom zeilbootje kan binnen afzienbare tijd leren zeilen, zo laten onderzoekers van MARIN zien. Met behulp van reinforcement learning, een vorm van AI (artificial intelligence) leert het systeem hoe het roer, zeil en gewichtsverdeling zo instelt dat het vaartuig steeds beter vooruitkomt.

 

Zonder ook maar iets weten van windrichting, aerodynamica of hydrodynamica kunnen de kleinste kinderen toch leren zeilen. Zet een kind in een Optimistje, een kleine zeilboot, en na wat uren van prutsen en proberen is de kans groot dat het jonge zeilertje al een beetje vooruitkomt.

Min of meer dezelfde aanpak van trial-and-error gebruiken onderzoekers van MARIN bij hun onderzoek naar artificial intelligence (AI) in de scheepvaart. Ook een algoritme dat draait op een computer blijkt binnen korte tijd te kunnen leren om een zeilbootje te besturen.
 

Bassin in Wageningen

Op een vrijdagmiddag, eind november, laten de MARIN-medewerkers zien hoe dat werkt. In een bassin van het maritieme onderzoeksinstituut in Wageningen vaart een Optimist helemaal zelf op de wind die wordt gemaakt door een rij ventilatoren aan de zijkant van het bassin.

Met behulp van een reinforcement learning-algoritme heeft het systeem steeds beter geleerd hoe het in verschillende situaties zeil, roer en gewichtsverdeling in het bootje in moet stellen om vooruit te komen. Het systeem past steeds een instelling een beetje aan en kijkt dan hoe het gaat.

‘Daarbij moet je een beloning definiëren, waarop het algoritme kan sturen. Snelheid van de boot is bijvoorbeeld een beloning’, zegt Hannes Bogaert, trekker van de AI-werkgroep bij MARIN die het onderzoek leidt.
 

Leerstijlen

De onderzoekers testten verschillende algoritmen, die op verschillende manier bijleren, vertelt Bogaert. ‘Net zoals kinderen van elkaar verschillen in leerstijlen. Het ene leert in het begin razendsnel bij, maar blijft dan vastzitten. Terwijl een ander langzaam op gang komt, maar bij wie de leercurve maar blijft stijgen.’

Zo af en toe kwam er iets onverwachts naar voren. ‘Zo was er één algoritme dat het zeilbootje aandreef door snel met het roer heen en weer te bewegen’, vertelt Bogaert. Dat is niet bepaald een efficiënte manier van aandrijven, maar vooruit ging het wel. ‘Toch is het gedrag dat we niet willen.’
 

Trainen in een computer

Het trainen van een algoritme vindt voor het grootste deel buiten het bassin plaats: in een computer. ‘We hebben daarin de omgeving van de Optimist nagemaakt in een simulatiemodel’, vertelt Fanny Rebiffe, AI- en dataspecialist bij MARIN. Zie de illustratie hierboven.

‘Die gesimuleerde omgeving is nodig om alvast de instellingen van de algoritmen te vinden en het grootste deel van de leercurve door te maken. Je kan niet vanaf nul beginnen in het bassin.’
 

‘Besturen van schepen wordt steeds complexer’

Kunstmatige intelligentie zal niet op korte termijn de besturing van schepen overnemen, maar de maritieme sector verwacht deze technologie wel steeds meer te gaan gebruiken.

‘Het besturen van schepen op zee wordt steeds complexer’, zegt Bogaert. Meer schepen, windparken, ‘digitalisering van de scheepvaart, steeds autonomer functionerende schepen. Bij dit alles is er behoefte aan systemen om de mensen te helpen met de besturing, zowel op het schip als van de wal.’
 

Vrachtschepen met zeilen

Een toepassing van de door MARIN opgedane kennis die voor de hand ligt, zijn vrachtschepen met zeilen aan boord, zogeheten wind-assisted ships. Die hebben lang alleen in de onderzoeksfase gezeten, maar nu kunnen ze elk moment op de markt komen, ziet Bogaert.

‘De fase van pionieren is echt voorbij. Er zijn meerdere bedrijven mee bezig. Begrijpelijk ook wel, want alle energie die je van de wind kunt oogsten, hoef je niet aan boord mee te nemen als brandstof.’
 

Wingsails

Bogaert wijst op het onlangs tot ‘Ship of the Year’ verkozen schip Canopée, dat grote zeilen aan boord heeft. In dit geval vier hoge smalle zogeheten wingsails die, volgens de bouwer, een brandstofbesparing van 18 procent kunnen opleveren. Om dit te kunnen verwezenlijken, lijken algoritmen die de zeilen steeds in optimale stand zetten, onmisbaar te zijn.

 

Openingsfoto: De test-Optimist in het grote bassin van MARIN in Wageningen. Links op de achtergrond zijn de ventilatoren te zien die zorgen voor wind. Foto MARIN