Beitrag 7

Sichere Beherrschung komplexer Schiffsbetriebsprozesse - Konsequenzen für Besatzung UND Technik

Prof. Dr.-Ing. habil E. Moeck, Dr.-Ing. W. Busse
Innovations- und Bildungszentrum Hohen Luckow e.V.


  1. Wachsender Anforderungsdruck versus Besatzungsreduzierung
  2. Neugestaltung des Systems Besatzung - intelligente Technik
  3. Innovative Ansätze


1. Wachsender Anforderungsdruck versus Besatzungsreduzierung

Schiffsbetriebsprozesse sind wirtschaftlich, sicher und umwelterhaltend zu führen. Steigender Kostendruck, höhere Anforderungen an die Qualität des Seetransports und verschärfte rechtliche Rahmenbedingungen erzwingen in wachsendem Maße komplexe, mehrkriterielle Entscheidungen zur Betriebsoptimierung und die sichere Beherrschung der Prozesse in allen Situationen.

Andererseits hält der Trend zur Besatzungsreduzierung an. Hierdurch kann eine signifikante Kostensenkung erzielt werden. Damit verbunden ist häufig eine stagnierende oder sogar abnehmende Qualität der Besatzung: Die Entwicklung geht weiter in Richtung kostengünstiger Fahrbesatzungen. Diese können i.d.R. den Normalbetrieb sicher beherrschen, sind aber in Störungssituationen schnell überfordert und oft nicht in der Lage, optimale Entscheidungen zur Erfüllung der Betriebsführungsziele zu treffen.

Konsequenz dieser Situation ist ein Wissensdefizit an Bord. Die zur anforderungsgerechten Führung des Schiffsbetriebes (wirtschaftlich + sicher + umweltgerecht) erforderlichen Kenntnisse, Erfahrungen und kognitive Fähigkeiten sind weder in ihrer Breite noch in ihrer Tiefe ausreichend vorhanden (Abb. 1)

Der gegenwärtige Stand der Schiffsautomation ist wenig geeignet, dieses Defizit auszugleichen. Die installierte Überwachungs- und Prozeßleittechnik realisiert die Funktionen

  • Messen, Steuern, Regeln
  • Grenzwertüberwachung und Alarmgebung
  • automatischer Anlagenschutz
  • Prozeßvisualisierung und
  • Prozeßsteuerung.

Die für den anforderungsgerechten Schiffsbetrieb entscheidenden Aufgaben der

  • Situationserkennung und -bewertung
  • Entscheidungsfindung und Handlungsplanung

sind vollständig durch die Besatzung zu lösen.

Der bisherige Trend zu immer mehr Sensorik, unbewerteten Anzeigen, Alarmen etc. führt zur Datenflut und verschärft damit eher das Problem.

Abb.1

Abb. 1 : Wissensdefizit an Bord


2. Neugestaltung des Systems Besatzung - intelligente Technik

Unrealistische Lösungen für die geschilderte Problemlage sind gegenwärtig sicherlich:

(1) mehr qualifizierte Besatzung
(2) ohne Besatzung

(1) Ist durch den anhaltenden Kostendruck ausgeschlossen. Das fernüberwachte und -gesteuerte Schiff (2) erfordert eine hohe und damit teure Technikredundanz. Es ist in absehbarer Zeit nicht realisierbar.

Die Beseitigung des Defizits zwischen Anforderungen an den Schiffsbetrieb und an Bord verfügbarer Leistungsfähigkeit kann realistisch nur durch eine Neugestaltung des Gesamtsystems Besatzung - intelligente Technik erfolgen (Abb. 2).

Abb.2

Abb. 2: Mit minimalen Kosten zum anforderungsgerechten Schiffsbetrieb

Dabei müssen die Systemkomponenten

  • Besatzungsqualität und
  • intelligente Technik

so aufeinander abgestimmt entwickelt werden, daß die Anforderungen mit minimalen Gesamtkosten erfüllt werden können. Ein solcher Schritt kann (muß) in der wechselseitigen Bedingtheit zweier Aktivitäten gegangen werden:

  1. Nutzung vorhandener intelligenter Technologien für Aufgaben der Situationsbewertung und Entscheidungsvorbereitung
  2. Befähigung der Besatzung zu anforderungsgerechten Entscheidungen unter Nutzung der Möglichkeiten der intelligenten Technik

Intelligente Technik muß Anforderungen erfüllen, die gegenüber den konventionellen Prozeßleitfunktionen eine neue Qualität aufweisen:

  • Reduzierung der Informationsflut durch Informationsverdichtung und situationsgerechte Informationsauswahl,

  • Übergang von quantitativen zu qualitativen Zustandsbeschreibungen, die für den Menschen wesentlich einfacher auffaßbar sind und andererseits für die Überwachungs- und Entscheidungsaufgaben auch ausreichend sind,

  • Erweiterung der Zustandsbeschreibung um eine Bewertung bezüglich der zu erfüllenden Teilziele (Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit usw.),

  • Ableitung zustandsbezogener Handlungsempfehlungen für die Prozeßführung und / oder die Instandhaltung mit dem Ziel die Zustandsbewertung zu verbessern,

  • Darstellung der verdichteten und bewerteten Information in einer schnell erfaßbaren Form, die eine "Blickdiagnose" ermöglicht und rechtzeitig Handlungsnotwendigkeiten erkennen läßt.

Die technischen Realisierung erfolgt als neue, höhere Informationsverarbeitungs-Ebene, die auf die von der Prozeßleitebene bereitgestellten Informationen aufsetzt und diese nach den oben beschriebenen Grundsätzen weiterverarbeitet (Abb. 3). Sie entlastet die Besatzung von beanspruchenden Situationserkennungsaufgaben, stellt fehlendes Wissen bereit und schafft der Besatzung somit Freiräume für verantwortungsvolle Entscheidungen zur effizienten, sicheren und umweltgerechten Betriebsführung.

Notwendige Komponenten dieser Ebene sind u.E.:

  • Performance Monitoring
    kontinuierliche Überwachung von Effektivitäts-, Sicherheits- und Umwelt-Kenngrößen der des Schiffsbetriebes, Vergleich mit den unter den aktuellen Bedingungen zu erwartenden Normalwerten, Trendanalyse und Trendprognose der Kenngrößen, Visualisierung von Optimierungspotentialen, Kenngrößenermittlung durch Informationsverdichtung aus vielfältigen Prozeßinformationen
  • Technische Diagnostik
    Ursachenergründung nach Feststellung von Störungen im Prozeßverhalten, Ermittlung des aktuellen technischen Zustandes der Schiffsbetriebssysteme und ihrer Elemente, Trendbeobachtung von Zustandskenngrößen und Abschätzung der Restnutzungsdauer
  • Entscheidungsvorbereitung Prozeßoptimierung
    modellgestützte Ermittlung optimaler Fahrstrategien unter den Bedingungen der aktuellen Umgebung und des aktuellen technischen Zustandes
  • Entscheidungsvorbereitung Wartungsplanung
    Ermittlung zustands-, situations- und ressourcenabhängiger Wartungsvorschläge mit dem Ziel der Sicherung der Verfügbarkeit der Schiffsbetriebssysteme und der Aufwertung von Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Schiffsbetriebes
  • Gefahren-/Schadens-/Havariemanagement
    Entscheidungsunterstützung in Sondersituationen mit hohem Bedarf an Informationsverarbeitung, hohem Entscheidungsdruck und hohen Anforderungen an die Qualität der Entscheidungen. Ziel ist die Erhaltung bzw. Wiederherstellung der Sicherheit des Schiffsbetriebes.

In dem Maße, wie durch den Einsatz intelligenter Technik Freiräume für anforderungsgerechte Entscheidungen geschaffen werden, wird sich die Tätigkeit der Besatzung verändern. Die Anforderungen an ihre Qualität und damit an ihre Ausbildung steigen. Wichtige Aspekte hierbei sind:

  • Ausbildung von Fähigkeiten zur mehrkriteriellen Situationsbewertung und Entscheidungsfindung nach den Zielen Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Umweltgerechtheit des Schiffsbetriebes,
  • Nutzung der Simulationstechnik zur Entwicklung eines effizienten Gesamtsystems Besatzung - intelligente Technik (Simulator als unverzichtbare FuE-Ressource),
  • Training des effizienten und sicheren Zusammenspiels von Besatzung und intelligenter Technik.

Abb.3

Abb. 3: Entscheidungsvorbereitung durch intelligente Technik


3. Innovative Ansätze

Die Verfügbarkeit innovativer Verfahren ermöglicht, die neuen Funktionen auf intelligente Technik zu übertragen. Im EUB e.V. / Institut wurden einige dieser Ansätze zur Prototypreife entwickelt und teilweise bereits markteingeführt. Folgende Beispiele geben einen Überblick über Möglichkeiten der Realisierung.

Performance Monitoring mit lernenden Kennfeldern

    Innovationen:
  • Darstellung des aktuellen Betriebspunktes in Kennfeldern des Normalbetriebes (Performance-Diagrammen), dadurch Visualisierung von Potentialen zur Betriebsoptimierung,
  • Einsatz lernender Kennfelder: Die Performance-Diagramme werden durch Belehrung Neuronaler Netze mit Meßdaten aus dem Schiffsbetrieb gewonnen. Die Besatzung verfügt somit nach kurzer Zeit über Performance-Diagramme ihrer Anlage, die den Anforderungen der Überwachung, Diagnose und Betriebsoptimierung entsprechen.

Modellgestütze Trendanalyse und -prognose

    Innovationen:
  • Trendbeobachtung der Abweichung von Meß- oder Kenngrößen von den bei den jeweiligen Betriebsbedingungen zu erwartenden Normalwerten. Durch Eliminierung des Umgebungseinflusses auf die Trendgrößen wird der schädigungsbedingte Trend sichtbar gemacht.
  • Modellierung des Normalverhaltens der Trendgrößen mittels lernender Kennfelder (Neuronale Netze), dadurch schnelle Erfassung der wesentlichen Einflüsse.
  • Prognose und Darstellung des zu erwartenden Trendverlaufes,
  • Handlungsaktivierende Frühwarnalarme, z.B. automatische Alarmgebung bei signifikanten Abweichungen von Normalwerten, Restbetriebsdaueralarm bei Unterschreitung einer eingestellten Vorwarnzeit vor Grenzwertüberschreitung.

Modulares System zur technischen Diagnostik an Dieselmotoren

    Innovationen:
  • Diagnosemodule für unterschiedliche Systemebenen (Gesamtsystem, Teilsysteme, Baugruppen) ermöglichen die Realisierung effizienter Diagnosestrategien, z.B. die Kombination von kontinuierlicher Zustandsüberwachung und bedarfsabhängiger Tiefendiagnostik

Informationsverdichtung und Situationsbewertung mittels Fuzzy-Technologie

    Innovationen:
  • Qualitative Bewertung von Meß- und Kenngrößen durch unscharfe Klassifikation auf der Basis der Fuzzy-Technologie,
  • Visualisierung verdichteter Bewertungskenngrößen sowie des unscharfen Charakters dieser Bewertungen.

Expertensystem zur Diagnostik

    Innovationen:
  • Regelbasierte Auswertung unscharfer Prozeßinformationen zur Gewinnung von Aussagen über den technischen Zustand,
  • Bewertung mehrerer möglicher Störungen nach ihrem "Grad der Möglichkeit" auf der Basis des unscharfen Schließens.