Beitrag 8

Aspekte in der Entwicklung von Schiffsführungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Müller
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde



Kurzfassung

Im vergangenem Jahr fuhren auf den Weltmeeren so viele Handelsschiffe wie noch nie zuvor. Bei weltweit 1437 verzeichneten Stapelläufen nimmt Deutschland unter den Schiffbauländern den dritten Platz ein. Attraktive technische Lösungen wurden mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung, Forschung und Technologie (BMBF) in den vergangenen Jahren umgesetzt. Für die Schiffsführung wurden bedeutsame Projektergebnisse erzielt. Inzwischen ist ein beeindruckender Stand in der Automatisation der Bahnführung erreicht worden. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten sind erkennbar. Speziell für die Kollisionsvermeidung bei der Begegnung von Seeschiffen werden einige Entwicklungsaspekte kurz beschrieben.


Entwicklungsstand

Über eine historisch kurze Zeit sind Veränderungen und Einschränkungen des Navigationsraumes entstanden. Die Zunahme des Fährverkehrs, der Fischereiaktivitäten, der Ausbeutung der Ressourcen des Meeresbodens und -unterbodens und der damit verbundenen Errichtung von Bauwerken und Pipelines sind hierfür als Gründe zu nennen.

Gleichzeitig ist die Anzahl der Seeschiffe stetig gewachsen. Mit der Zunahme allein der Anzahl der Seehandelsschiffe auf 80676 Einheiten im vergangenem Jahr ist eine Rekordzahl erreicht worden. Es gab einen Zuwachs von ca. 18 Mill. BRT. Parallel zu dieser Entwicklung sind weiterhin Schiffsunfälle zu verzeichnen. So waren im Zeitraum von 1987 bis 1993 Schiffskollisionen in einer annähernd gleich großen Relation von 62 bis 67 Prozent außerhalb von Revierfahrwassern gemeldet worden. Die überwiegende Anzahl der Kollisionen fand bei guter Sicht und ruhiger See statt.

In diesem Betrachtungszeitraum wurden gleichzeitig wichtige Projektergebnisse für die Verbesserung der Schiffsführungstechnik erreicht. Als Möglichkeiten der Verhinderung von Schiffsunfällen kommt diesem Technikbereich neben sicherheitsrelevanten Veränderungen im Schiffbau ein hoher Stellenwert zu. Er war im einzelnen gekennzeichnet durch:

  • die Gestaltung der Brücke als Schiffführungszentrale
  • die verstärkte Einführung des digitalen Radars
  • die Anwendung von Manöverplanungs- und Kontrollhilfen
  • die Nutzung von Verfahren der Integrierten Navigation und Automatischen Bahnverfolgung
  • Bestimmung und Anzeige von Stabilität und dynamischer Schiffsbeanspruchung.

Wesentlich geprägt wurde dieser Entwicklungsstand durch das Programm "Schiff der Zukunft" (SdZ) und "Ship Operation System" (SHOPSY). In direkter Fortführung dieser Aktivitäten ist u.a. gegenwärtig das BMBF-Förderprojekt "Nautische Wissensbasis zur Entscheidungsunterstützung bei der Kollisionsvermeidung von Seeschiffen" angelaufen. Es wird an der Hochschule Wismar unter Projektträgerschaft des Germanischen Lloyds bearbeitet.


Ziele der Automatisation in der Schiffsführung

Die Steuerung der Bahn ist mit den an Bord zur Verfügung stehenden Steuerkräften zu realisieren. Für eine nach navigatorischen und ökonomischen Gesichtspunkten zu planende Bahn werden an Bord meßbare und von "außen einholbare" Informationen benötigt. Die Folge von Abfahrts- und Ankunftszeiten der einzelnen Reiseabschnitte sind dabei die bestimmenden Größen. Innerhalb dieser Reiseabschnitte wird der örtliche Bahnverlauf mit Hilfe von Wegpunkten gekennzeichnet. Hinzu kommt ein zeitliches Reiseprofil.

Eine kontinuierliche Seeraumüberwachung ist eine wesentliche Aufgabe in der Schiffsführung. Bei vorhandener Verkehrsdichte ist die Situationsanalyse in Hinblick auf entstehende oder vorhandene, unzulässig dichte Annäherungen anderer Fahrzeuge eine weitere Aufgabe des Schiffsführers. Ergebnis der Seeraumbeobachtung sind unter diesem Aspekt Schlußfolgerungen für die unmittelbare Bahnführung. Eventuell notwendig werdende Ausweichbahnen sind räumlich und zeitlich abzuschätzen und auszuführen. Die Erreichung einer annähernden technischen Redundanz in dieser Aufgabenstellung würde erheblich zur Entlastung des Schiffsführers in Problemsituationen und damit zur Verbesserung der Fahrsicherheit beitragen. Dies gilt umso mehr, als daß neben diesen Aktivitäten die übrigen Wachaufgaben wie u.a.:

  • Kommunikation (bordintern/-extern)
  • Dokumentation
  • Überwachung maschinentephnischer Bordsysteme
  • Ladungspflege

und Arbeiten für die Wetterbeobachtung und -prognose sowie Überwachung der Schiffssicherheit unverändert gültig bleiben. Verteilte Aufmerksamkeit und damit entstehende Unaufmerksamkeit oder Fehlinterpretationen bei der Annäherung von Fahrzeugen wären dann vermeidbar.

Eine sichere Schiffsführung von Pier zu Pier mit minimalem personellen Einsatz bei Bereitstellung einer prädiktionsfähigen Technik kann als Ziel der Automatisation in der Schiffsführung angesehen werden.


Stand der Technik

Einzelne Systeme für die Ortung, Unterstützung bei der Seeraumbeobachtung, Aufgaben der Bahnplanung, -einhaltung und -kontrolle sind gegenwärtig verfügbar und im Einsatz. Die sinnvolle Zusammenführung dieser Komponenten und Teilsysteme wurde mit dem Forschungs- und Entwicklungsvorhaben "Nautisches Operationssystem" (NOPSY) begonnen.

Im einzelnen wurden folgende Gerätesysteme berücksichtigt:

  • Global Positioning System (GPS/DGPS) für die Ortung und Bahnkontrolle
  • Autopilot für die Kurssteuerung
  • Bahnführungssystem (NACOS-Baureihe der Firma STN ATLAS Bremen) für die Bahneinhaltung
  • ARPA-Radar (Atlas 9600 der Firma STN ATLAS Bremen) für Ortungsaufgaben und ein automatisches Plotten von Radarzielen.

Gegenwärtiges Bestreben ist die Zusammenführung der mit Hilfe der verfügbaren Komponenten gewonnenen Informationen in einem "Electronic Chart Display and Information System" (ECDIS). Es wird als objektorientierte Datenbank aufgebaut. Hier sollen hydrographische Informationen mit der Schiffsposition, der Soll-Bahn und RadarInformation zusammen geführt werden. Als Bedienoberfläche wird ein Bild, ähnlich der Seekarte, verwendet.


Weitere Entwicklungsanforderungen

Für absehbare Zeit ist davon auszugehen, daß bei der Betriebsführung des Schiffes der Mensch seine zentrale Funktion (auf der Brücke ) beibehält. Der gegenwärtige Prozeß der Infomationsverdichtung und das Anbieten "kompakterer" Informationen läßt die Mensch- Maschine-Schnittstelle erheblich an Bedeutung gewinnen. An die Steuerung eines situationsgerechten Informationsangebotes und die Art der Darstellung werden hohe Anforderungen gestellt. Insgesamt lassen sich, ausgehend vom Automatisierungsgrad in der Schiffsführung, folgende weitere notwendige Entwicklungen formulieren:

  • Verbesserte Modellierung des Systemverhaltens und Nutzung der Modelle für die Prädiktion von Prozeßabläufen als Hilfe in der Betriebsführung.
  • Verstärkte Nutzung entscheidungsunterstützender Systeme (Decision Support Systems) auf der Basis technischer Multisensorsysteme an Bord:
    • für eine Informationsvorauswahl im Sinne einer ereignisorientierten Anzeige und
    • um Stellgrößenänderungen (Kurs/Fahrt) für die Schiffsführung begründet zu empfehlen.
  • Anpassung der Mensch-Maschine-Schnittstellen an die veränderte Funktionalität der zum Einsatz kommenden technischen Systeme.


Beispielergebnisse

Ziel der Untersuchungen im Rahmen des Vorhabens "Nautische Wissensbasis" am FB Seefahrt der HS Wismar ist die Bereitstellung alternativer Ausweichbahnen für eine Konfliktauflösung bei unzulässigen Schiffsannäherungen aus beliebigen Verkehrssituationen heraus. An die Ausweichbahnen werden die Forderungen gestellt, daß sie physikalisch durchführbar und regulariengerecht sind und dabei dem Verhaltenskodex in der Seeschiffahrt entsprechen.

Für die softwareseitige Umsetzung des Systemkonzepts "Nautische Wissensbasis" wurde die Konfiguration eines Prototyps erarbeitet (Bild 1). Er ist mit der Zielstellung aufgebaut worden, sowohl für die Entwicklung als auch für die praktische Anwendung einen gleichermaßen einheitlichen Software-Rahmen zu schaffen. So wurde für die Simulation des Prozeßanschlusses in der Aufbauphase ein Szenariengenerator entworfen, der im realen Prozeß durch einen Radar-Sensor ersetzt werden soll. Die Bedienoberfläche des Prototyps wurde mit Hilfe der Werkzeuge Xlib- und Motif-Toolkit entworfen. Der modulare Aufbau gliedert sich in die "G2"- Komponente, die Datenbrücke (GSI) und die Bedienoberfläche. Dabei ist mit "G2" ein Echtzeit-Expertensystem-Tool der Firma Gensysm bezeichnet.

Inhaltlich wurden drei Arbeitsphasen unterteilt (Bild 2). Für die erste Phase wurde ein bewegungsmechanisches Modell entworfen, das als Lösungsmenge Ausweichbahnen unter Berücksichtigung eines vorgegebenen minimalen Passierabstandes garantiert. Für die Aufnahme von Fachwissen in Form von Regelstrukturen über das Ausweichverhalten wurde das Werkzeug "G2" in den beiden weiteren Arbeitsphasen eingesetzt.

Bei der Erstellung von Verkehrssituationen wurde der Szenariengenerator eingesetzt. Er ermöglicht unter Berücksichtigung einer Anzahl von Optionen die zufallsgestützte Erzeugung von Ausgangssituationen für fiktive Schiffsbegegnungen. Die erzeugten Daten werden für die Gewinnung und Implementierung von nautischem Fachwissen in einem Testmodul verwendet. Mit Hilfe seiner Bedienoberfläche (Bild 3) können Fakten und Regeln vorgegeben oder umgeordnet werden. Eine damit verbundene Veränderung des Antwortverhaltens ist sofort erkennbar. Die notwendige Objektstruktur wurde gleichfalls mit dem logikbasierten Tool "G2" entworfen. Sie kann kontinuierlich verbessert und erweitert werden. Im einzelnen besteht die Funktion des Testmoduls darin, die dargestellte Ausgangssituation durch simulierte Kurs- und/oder Fahrtänderungen des Eigenschiffes gezielt modifizieren zu können. Die Simulation sämtlicher Manöver des Eigenschiffes ist realisierbar. Eine sich durch Experimente verdichtende Wissensbasis kann als Hilfe für die Prädiktion bei der operativen Bahnplanung angesehen werden.

Im Beispiel wird Target 2 (T2) als sich unzulässig dicht annäherndes Fahrzeug erkannt (Bild 4). Der Entwicklung des Aufbaus der generierten Manöverempfehlung des Systems für diese Situation wird in den Bildern 5,6 und 7 dargestellt.

Die Wissensbasis ist letztlich für einen Einsatz als zusätzliches wissensbasierendes Modul in der Verkehrsüberwachung auf See gedacht. Der Prototyp wäre für eine Anwendung mit seiner speziellen Bedienoberfläche als mögliche "Prediction-Page" in einem Bord- oder Landradar denkbar.


Literatur:

[1]Analysis of MAJOR CLAIMS UK P&I Club
[2]Claus, J.: NOPSY, Nautisches Operationssystem, Ortung und Navigation, 3/1993.
[3]Internationale Regeln von 1972 zur Verhütung von Zusammenstößen auf See; -Kollisionsverhütungsregeln (KVR)-
[4]Hilgert/Schilling: Kollisionsverhütung auf See, Teil 1 - Ein Kommentar der internationalen Kol1isionsverhütungsregeln (KVR), Hanseatischer Verkehrsverlag, Rostock, 1992.
[5]Gensym Corporation: GSI User's Manual for GSI Version 3.0, Cambridge, MA, 1993. [6] Müller, R.: Entscheidungsunterstützung in der Schiffsführung, HANSA, 6, (132), 1995.