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Automatische Annäherungswarnungen zur Iandseitigen Erkennung von Kollisionsgefahren zwischen Schiffen in VTS-Flächenrevieren

Dipl.-lng. Michael Baldauf
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde


  1. Einleitung
  2. Automatischen Annäherungswarnungen und Situatlonsbewertung durch VTS-Operateure
  3. Auswahl von Verkehrsdaten für Testrechnungen
  4. Vereinfachungen und Annahmen
  5. Durchführung und Ergebnisse
  6. Wertung und Schlußfolgerungen
  7. Literatur


1. Einleitung

Aufgrund der im Vergleich zum freien Seeraum hohen Unfallhäufigkeit in Küstengewässern und Hafenansteuerungsgebieten werden seit den 6oiger Jahren weltweit sogenannte VTS (Vessel Traffic Services - Schiffsverkehrsdienste) eingerichtet. Nach den IMO VTS Guidelines [IMO Resolution A.578(14) Guidelines tor Vessel Trattic Services] werden sie als Dienste für die Schiffahrt zur Erhöhung der Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs sowie zum Schutz der maritimen Umwelt definiert.

Diese Zielstellung soll durch Aussendung von Informationen an die Schiffahrt von einer Verkehrszentrale aus realisiert werden. Als sicherheitsrelevante Ereignisse in VTS-überwachten Seegebieten sind insbesondere Kollisionen zwischen Schiffen und Objekten sowie Grundberührungen anzuführen. Nachfolgend werden nur Situationen mit Kollisionsrisiko und die technischen Hilfsmittel eines VTS zur Erkennung und Einschätzung dieses Risikos in einem offenen Seegebiet betrachtet.

Voraussetzungen, um zur Kollisionsverhütung praktisch beitragen zu können, sind die rechtzeitige Erkennung und das problemadäquate Einwirken auf Begegnungssituationen durch VTS-Operateure. Unter sicherheitstechnischem Aspekt sind VTS als ein redundantes Sicherheitssystem ausgelegt. Einerseits kann dabei auf die Betriebsvorschriften verwiesen werden, die ein Eingreifen in Situationen so selten wie möglich fordern. Andererseits ist davon auszugehen, daß bordseitig ggf. auch unterstützt durch technische Systeme zur Situationseinschätzung das Kollisionsrisiko überwacht wird und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. VTS-Eingriffe wären daher nur erforderlich, wenn die betreffenden Fahrzeuge eine Gefahr nicht erkannt oder aber das Risiko in einer Situation ungenügend oder falsch eingeschätzt haben.

Zur Verkehrsüberwachung stehen den VTS-Operateuren in den eingerichteten Verkehrszentralen Anzeigen von über verschiedene Sensoren gesammelten Daten zur Verfügung. Die Operateure haben diese Daten zu einem Verkehrslagebild zusammenzufassen und dieses permanent hinsichtlich des sicheren Sollzustandes des sich zukünftig entwickelnden Verkehrsablaufs zu bewerten und bei Abweichungen vom Sollzustand definiert auf den Verkehr einzuwirken. Wichtigster Sensor zur lnformationsgewinnung hinsichtlich der Risikoeinschätzung sind die Radarantenne und die damit verbundenen Elemente der Radardatenverabeitung, welche insbesondere Positions- und Bewegungsdaten von den Schiffen im überwachten Gebiet aber auch Begegnungsparameter sich begegnender Fahrzeuge liefern. Zur Unterstützung der Operateure bei der Situationserkennung und -bewertung hinsichtlich des Kollisionsrisikos bei Annäherungssituationen wurde am Radarüberwachungsschirm eine Annäherungswarnung mit konventionellen, d.h. pauschalen Alarmierungskriterien fest implementiert.

Im Prozeß der Verkehrsüberwachung an Land und der Kollisionsverhütung an Bord wird das Kollisionsrisiko immer situationsabhängig und prozeßbezogen auf der Basis der vorausextrapolierten dichtesten Annäherung - CPA - und der verbleibenden Zeit bis zum Erreichen dieses Punktes - TCPA - bewertet. An Bord wie an Land fließen dabei auch die spezifischen Erfahrungen des Schiffsführers und zusätzliche subjektive Bewertungskriterien in die Risikoeinschätzung mit ein. Auch wenn in den Internationalen Kollisionsverhütungsregeln der sichere Passierabstand als ein Kriterium zur Situationseinschätzung angeführt wird, gibt es keine verbindliche Regelung über dessen konkrete quantitative Größe. Prinzipiell steht es jedem Nautiker an Bord frei, einen für sich sicheren Passierabstand zu verwenden. Die einzige einzuhaltende physikalische Prämisse ist der hydrodynamisch sichere Passierabstand, der den Abstand definiert, bei dem es aufgrund der hydrodynamischen Interaktionen noch nicht zur Berührung der beteiligten Schiffe kommt.

Die in den Verkehrszentralen verwendeten Alarmierungskriterien sind durch die willkürliche Festlegung der Schwellwerte für die Alarmauslösung sowie darüberhinaus durch deren undifferenzierte Verwendung für jegliche Begegnungsart unabhängig von der konkreten Begegnungssituation charakterisiert. Mit zunehmender Verkehrsdichte und Komplexität des Verkehrs wird die Unzulänglichkeit konventioneller Alarmierungsalgorithmen und -kriterien für die landgestützte Risikoerkennung deutlich. Sie äußert sich in einer überdimensionierten Anzahl detektierter Konfliktsituationen, weil die pauschalen, nicht situationsgerechten Kriterien in Relation zu den aus Sicht des Wachoffiziers als sicher akzeptierten Passierabständen und Annäherungenen i.d.R. zu groß festgelegt sind. Notwendig sind daher Limitwerte und Algorithmen, welche bei der Bewertung des Kollisionsrisikos die Differenziertheit verschiedener Annäherungssituationen bei unterschiedlichen Umweltbedingungen und Situationsarten widerspiegeln und das Fahrverhalten und die Risikoakzeptanz der Nautiker an Bord und in der Revierzentrale berücksichtigen.

Zu dieser Problematik werden in diesem Beitrag die Ergebnisse der Anwendung eines für die harmonisierte Risikoeinschätzung an Bord von Seeschiffen und in den Verkehrszentralen entwickelten Modells vorgestellt. Wesentlicher Gesichtspunkt dabei war die Implementierung eines entsprechenden Algorithmus zur Auslösung realistischer Annäherungswarnungen.


2. Automatischen Annäherungswarnungen und Situatlonsbewertung durch VTS-Operateure

Gegenwärtig sind am VÜP I der Revierzentrale Wilhelmshaven drei automatische Systemalarme implementiert:

  • Annäherungswarnung zwischen Radarzielen bei CPA < 900m und TCPA < 10 min; auf dem Überwachungsbildschirm blinken die Symbole der betreffenden Schiffe
  • Zielverschmelzung; zwei Radarziele können nicht mehr aufgelöst werden; es blinken die Führungslinien der Radarziele
  • Zielverlustmeldung, die Radar-DV hat ein getracktes Ziel verloren; es blinken Symbol und Mitlaufzeichen des entsprechenden Zieles.

Aus der Grundstruktur der Alarme (Blinken von synthetischen Elementen der Symbolik) ergeben sich bereits eine Reihe von Schwierigkeiten wie z.B. der schnellen zweifelsfreien Alarmklassifizierung. Im weiteren soll darauf jedoch nicht weiter eingegangen werden, sondern es werden ausschließlich die Annäherungswarnungen untersucht.

In nachfolgender Abbildung ist der zeitliche Verlauf angezeigter automatischer Annäherungswarnungen für einen Zeitraum von ca. 24 Stunden dargestellt.

Abb.1

Abb. 1: Zeitliche Verteilung der originalen CPA/TCPA-Warnungen in der RVZ Wilhelmshaven am 07.10. 11:46 Uhr bis 08.10. 12:20

Die Auswertung der Alarmraten an weiteren Tagen bestätigt die permanent hohe Anzahl der Annäherungswarnungen, die der Nautiker in der Revierzentrale bei der Situationsbewertung zu berücksichtigen hat. Es ist anzunehmen, daß nicht jede der angezeigten Situationen auch wirklich ein Einwirken des VTS erfordert hat und nicht als gefährlich, im Sinne eines erforderlichen Einwirkungsbedarfs, einzustufen war. Der hohen, überdimensionierten Alarmrate bei der Iandseitigen Verkehrsüberwachung steht außerdem der geltende VTS-Handlungsgrundsatz entgegen, nur so selten wie möglich in den Verkehr bzw. eine konkrete Situation einzugreifen.

Wegen der selten auftretenden Kollisionen kann geschlußfolgert werden, daß die VTS-Operateure einen sehr wichtigen Beitrag zur Sicherheit des Verkehrs erbringen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sie aufgrund ihrer Erfahrungen aus der Gesamtheit aller angezeigten Annäherungswarnungen ungefährliche von gefährlichen Situationen gedanklich getrennt oder nach ihrer Dringlichkeit ordneten. Auf die von ihnen als gefährlich eingestuften Situationen wurde so eingewirkt, daß es zu keiner Kollision kam. Offensichtlich wurde von den Operateuren in der Regel auch beim gleichzeitigen Auftreten von mehreren Alarmen trotz der dadurch hohen Arbeitsbelastung und der qualitativen Unsicherheit immer richtig gehandelt. Beobachtungen in den Verkehrszentralen und Simulationsuntersuchungen mit VTS-Operateuren zeigen, daß Operateure die Warnungen zwar registrieren und berücksichtigen, von ihnen aber kaum in der Funktion als Warnung und Aufmerksamkeitssignal verwendet wird. Einerseits ist die Anzahl der Systemmeldungen pauschal zu groß und andererseits führt die Plausibilitätskontrolle auf der Basis des subjektiven Einschätzungsmodell des Operateurs oft zu einem negativen Ergebnis. Die Alarmierung wird zunehmend als störend empfunden und verliert auch vollständig ihre Funktion, den Operateur auf möglicherweise noch nicht bemerkte gefährliche Annäherungssituationen aufmerksam zu machen.

Als Lösungsansatz wurde die Entwicklung eines aus den KVR abgeleiteten Risikomodells als Basis für die harmonisierte Risikoeinschatzung verfolgt. Dazu wurde ein allgemeingültiges Modell zur Einschätzung des Kollisionsrisikos an Bord bei Begegnungssituationen in offener See bei guter und verminderter Sicht entwickelt [H&B 96]. Ausgehend von den Kollisionsverhütungsregeln, den physikalischen Gesetzmäßigkeiten von sich passierenden Schiffen, der Genauigkeit der ARPA-Radartechnik und den Fahrgewohnheiten der Nautischen Offiziere wurden Kriterien für Risiko- und Gefahrenstufen erarbeitet. Ein Kriterium für eine gefährliche Annäherungssituation ist, daß der zu erwartende Passierabstand CPA unterhalb des festzulegenden sicheren Passierabstands liegt (siehe dazu und zu nachfolgenden Ausführungen ausführlich [Hil 96]). Der zur Situationseinschätzung zu verwendende sichere Passierabstandswert wird dabei variabel festgelegt und kann für die Situationseinschätzung an Bord formell berechnet werden zu:

CA =CN +CE

wobei

CA zur Situationseinschätzung sicherer Passierabstand
CN nominal sicherer Passierabstand = fx · Lmax
mit fx - Faktor für Begegnungssituation und Lmax - Länge des größten an der Begegnung beteiligten Schiffes
CE Ortungs- und Auswertefehler im CPA von ARPA-Anlagen

Bei Befragungen erfahrener Nautiker zu diesem Risikomodell wurde bereits eine gute Akzeptanz hinsichtlich der vorgeschlagenen Kriterien und Werte erzielt. Eine Anwendung von Komponenten des Risikomodells als Basis für die Alarmierung der VTS-Operateure auf eine konkrete Begegnungssituation einzuwirken, erscheint daher sinnvoll. Einerseits ist die Akzeptanz des VTS-Einwirkens auf der Basis der Akzeptanz des Risikomodells durch die Nautiker gegeben, andererseits wird eine Senkung der Alarmrate angestrebt, welche die Arbeitsbelastung des Operateurs abmindern soll.

Vergleichende Betrachtungen zur Situationseinschätzung von Nautikern an Bord und in den Revierzentralen an Land führten hinsichtlich der bei verschiedenen Begegnungsarten verwendeten unterschiedlich großen sicheren Passierabstände zu übereinstimmenden Aussagen und bestätigten die Akzeptanzhypothese.

Die Anwendung des Risikomodells erfolgt bei den hier angestellten Untersuchungen in der Form, daß die vorgeschlagenen CA-Werte als CPA-Limits für die Alarmierung in VTS-Zentralen eingesetzt werden. Die Parameter zur Berechnung von CA werden mittels verschiedener Annahmen variiert, um Aussagen über deren Einfluß auf das Alarmierungsverhalten zu erhalten um anschließend auch den Einfluß des TCPA-Limits zu betrachten.


3. Auswahl von Verkehrsdaten für Testrechnungen

Aus Untersuchungen im Luftverkehr ist bekannt, daß für Berechnungen und Tests von neuen Verfahren auf Daten realer Verkehrsabläufe zurückgegriffen wird. Üblicherweise wird dabei ein Szenario mit Spitzenbelastungen hinsichtlich der Verkehrsdichte verwendet (siehe z.B. [COM 911).

In Analogie dazu wurden Verkehrsabläufe aus aufgezeichneten Synthetikradardaten des VTS-Reviers Deutsche Bucht, Radarstation Helgoland aufbereitet (siehe dazu ausführlich [KuB 95]). Die Aufbereitung umfaßt die Wiedergabe der Verkehrsabläufe auf der Replayanlage zur Aufzeichnung und Konvertierung der Datenformate sowie die anschließende (rechnergestützte) Dekodierung der Datensätze, deren Kontrolle auf Plausibilität und Vollständigkeit und die manuelle Berichtigung sowie ggf. Reduktion oder Korrektur der Datensätze. Nach der Aufbereitung liegen die Synthetikradardaten des gesamten Schiffsverkehrs als Plotdaten im Minutentakt vor. Der Datensatz eines Radartracks (meldepflichtige Schiffe) umfaßt folgende relevante Informationen:

  • Mitlaufzeichen des Radarzieles
  • Blinkinformation (gesetzte Alarmbits für verschiedene Systemalarme)
  • Positionsangabe
  • Kursangabe
  • Geschwindigkeitsangabe

    Die Datensätze des nichtmeldepflichtigen Verkehrs enthalten jeweils nur:

  • Blinkinformation und
  • Positionsangabe des Radarplots.

Gegenwärtig liegen die Synthetikradaraufzeichnung des Verkehrs vom 4./5.10. sowie vom 7.10-13.10.92 vor. Vom 4./5. und 7./8.10. wurden zudem auch die auf den Magnetbändern aufgezeichneten Textfiles (Schiffsdatensätze) zur rechnergestützten Auswertung vorbereitet. Aus diesem Datenvorrat wurden für die Untersuchungen zunächst die Verkehrsdaten vom 7./8.10. verwendet, da für diesen Aufzeichnungszyklus auch die originalen Schiffsdaten verfügbar sind. Die zur Berechnung der situationsabhängigen Limitwerte notwendigen Schiffslängen wurden manuell aus den entsprechenden Dateien extrahiert.

Aus dem über einen Zeitraum von 1474 Minuten aufgezeichneten Verkehrsablauf wurde schließlich durch manuelle Datenauswertung ein 112 Minuten langer Abschnitt mit überdurchschnittlich hoher Alarmierungsrate als Untersuchungsszenario für die ersten Berechnungen ausgewählt. In diesem Verkehrsszenario wurden insgesamt 58 meldepflichtige Schiffe registriert. Je aufgezeichneter Minute waren durchschnittlich 33,4 meldepflichtige und 32 nichtmeldepflichtige Schiffe im betrachteten Revier. Im ausgewählten Untersuchungszeitraum wurden insgesamt 884 Annäherungswarnungen gezählt (gesetztes Alarmbit für blinkendes Radarsymbol), d.h. es traten durchschnittlich rund 8 Alarme je Minute auf. Das in Bild 4 der Anlage dargestellte Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf aller Alarmmeldungen für das ausgewählte Untersuchungsszenario und Bild 5 die dazugehörende örtliche Alarmverteilung.

Für die potentielle praktische Anwendung des Risikomodells als Grundlage für die Generierung von Annäherungswarnungen ergibt sich hier, daß einerseits keine zusätzlichen Hardwareanforderungen zu erfüllen sind und andererseits auf die bereits installierte Softwarestruktur der Radar- und Schiffsdatenverarbeitung zurückgegriffen wird und auch von daher ein geringer Aufwand bei der Praxisüberführung entsteht.


4. Vereinfachungen und Annahmen

Zum Test des Risikomodells für die Alarmierung in VTS werden folgende Vereinbarungen getroffen:

  • Das Verkehrsszenario findet bei Verhältnissen der guten Sicht statt.
  • Für die Kollisionsverhütung wird angenommen, daß alle Schiffe ansprechbar sind.
  • In der VV-WSV und den VV der WSD'en werden als Grundlage für ein Eingreifen in gefährliche Verkehrssituationen CPA- und TCPA-Kriterien genannt. Bei der schrittweisen Anwendung des Risikomodells wurden zunächst nur die Auswirkungen auf die Alarmrate untersucht, die sich durch die Modifizierung des CPA-Limitwertes ergeben. Nach der vollständigen Implementierung der situationsabhängigen CPA-Limitwerte wurden obere Schranken für diese Alarmschwellwerte eingeführt und anschließend eine Variation der TCPA-Limitwerte in Anlehnung an die im Risikomodell definierten Stufen verwendet.
  • Die aufgezeichneten Daten enthalten u.a. auch Informationen zur Annäherungsalarmierung von Tracks (meldepflichtiger) an Plots (nichtmeldepflichtiger Verkehr). Diese Alarmierungsart wird bei den nachfolgenden Untersuchungen nicht berücksichtigt, weil die Kurs- und Geschwindigkeitsdaten der Radarplots nicht vorliegen. Die Vergleichbarkeit der Alarmierungsraten mit den nachfolgenden Berechnungsergebnissen wird durch vorherige Eliminierung der Plotalarme gesichert (In Bild 6 in der Anlage sind die gesamten Annäherungsalarmmeldungen im Vergleich zu den nur zwischen meldepflichtigen Schiffen auftretenden Annäherungswarnungen dargestellt).

Für die Berechnungen wird das Risikomodell wie folgt modifiziert:

  • Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Begegnungsarten erfolgt auf Grundlage der Auswertung der Differenz der Kurse ΔK über Grund. In Anlehnung an die Festlegungen für die An-Bord-Anwendung des Modells werden die Begegnungsarten wie folgt definiert:
    Gegenkursbegegnung: 170° < ΔK < 190°
    Überholung: 350° < ΔK < 100
    Kreuzende Kurse: alle übrigen Kursdifferenzen
  • Für alle Gegenkursbegegnungen wird vereinfachend als sicherer Passierabstandswert ein einheitlicher Wert verwendet. Es erfolgt keine Unterscheidung der Gegenkursbegegnungen mit Passage Bt> an BL> und Stb- an Stb-Seite.
  • Im Risikomodell erfolgt die Feststellung spezieller Risiko- bzw. Gefahrenstufen neben dem Passierabstandskriterium über die Berücksichtigung des aktuellen Annäherungszustandes (Abstandskriterium RNG < Limitwert). Für die hier angestellten Betrachtungen wird zunächst davon ausgegangen, daß für die Erkennung gefährlicher Situationen der fest eingestellte TCPA-Limitwert von 10 Minuten ausreichend ist. Die Bewertung der gefährlichen Annäherungen entsprechend der Risikostufen von HILGERT wird hier nicht untersucht, weil ein Eingreifen bei bereits bestehender Gefahr aus VTS-Sicht detailiertere Untersuchungen erfordert.
  • Der Fehler im CPA-Wert wird abweichend zum HILGERT-Modell für die VTS-Anwendung nicht in Abhängigkeit der Entfernung des Radarzieles vom Sensor und von der Relativgeschwindigkeit berücksichtigt. Es wird für die Berechnungen, wegen der Entfernung zur Weitbereichsredaranlage Helgoland davon ausgegangen, daß der absolute Radarfehler für die sich annähernden Ziele jeweils nahezu gleich groß ist bzw. der Einfluß des Positionierungsfehlers auf die berechneten CPA-Wert der einzelnen Ziele nicht signifikant ist.
    Für die hier angestellten Untersuchungen werden zur Berechnung des CPA-Fehlers vielmehr die sich aus dem Radarfehler ergebenden Schwankungen der Kurs- und Geschwindigkeitswerte bei unbeschleunigter Fahrt (Kurs und Maschinendrehzahl konstant) als Eingangswerte verwendet.


5. Durchführung und Ergebnisse

Für jeden Szenariozeitpunkt werden für jedes Schiff die Begegnungsparameter CPA und TCPA zu jedem anderen im Revier befindlichen Schiff berechnet. Unterschreitet der aktuelle TCPA-Wert das vorgegebene TCPA-Limit von 10 Minuten, wird für die konkrete Begegnungssituation der situationsabhängige CPA-Limitiert berechnet und mit dem aktuellen CPA-Wert verglichen. Zu diesem Zweck wurde das Risikomodell, als Algorithmus auf PC implementiert. Für notwendige Eingangsgrößen zur Berechnung des situationsabhängigen CPA-Limits wurden Annahmen getroffen und die Parameter stufenweise variiert. Die zur Berechnung konkret eingesetzten Werte entsprechen jeweils dem nach Überlegung und Abschätzung von Extremzuständen typischen Wertebereich für den betrachteten Parameter.

Die Parametervariation wurde mit dem Ziel durchgeführt, den Einfluß und die Signifikanz der verschiedenen Parameter auf die Alarmhäufigkeit zu untersuchen und Aussagen zur sinnvollen Festlegung des Wertebereichs der jeweiligen Parameter zu gewinnen.

Die nachfolgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung aller Berechnungsergebnisse bezüglich der Alarmierung der VTS-Operateure. In der Spalte "Bedingungen und Annahmen" sind die jeweiligen konkret für die Berechnungen eingesetzten Werte angeführt. Die angegebenen CPA-Werte sind dabei immer als die "neuen" Limitwerte zur Auslösung eines Annäherungsalarms bei gefährlichen Situationen zu verstehen.

In der Spalte "Alarmhäufigkeit" ist jeweils die absolute Anzahl der berechneten Annäherungswarnungen angegeben. Die letzte Spalte enthält die absolute Anzahl der Differenz von Systemalarmen gegenüber der ursprünglichen Alarmanzahl bei CPA-Limit = 900 m für alle Begegnungsarten. Negative Vorzeichen bedeuten eine Verringerung der Alarmanzahl.

 Bedingungen und Annahmenabsolute AlarmhäufigkeitVeränderung gegenüber
konventioneller Alarmierung
 original CPA-Limit = 900 m; TCPA-Limit = 10 min513 
1.CPAallgemein = 900 m
CA = CPAÜberholung = 600 m
463-50
 CPAallgemein = 900 m
CPAÜberholung = 400 m
412-101
 CPAKreuzende Kurse = 900 m
CPAÜberholung = CPAGegenkurs = 600 m
452-61
2.CPAKreuzende Kurse = 900 m
CPAÜberholung = CPAGegenkurs = 400 m
397-116
3.CPAKreuzende Kurse = 900 m
CPAÜberholung= 2 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
405-108
4.CPAKreuzende Kurse = 5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2.5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
364-149
5.CPAKreuzende Kurse = 5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
355-158
 Einführung von oberen Schranken für
CPAKreuzende Kurse = 5 kbl + CE und
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2 kbl + CE
  
6.CPAKreuzende Kurse = 5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
326-187
 modifiziertes TCPA-Limit = 8 minentspricht Übergang von Stufe 2 zu 3
nach Risikomodell
7.CPAKreuzende Kurse = 5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
241-272
 modifiziertes TCPA-Limit = 7 minentspricht Risikostufe 3 des
Risikomodells
8.CPAKreuzende Kurse = 5 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
CPAÜberholung/Gegenkurs = 2 * Lmax + CE-Schiff1 + CE-Schiff2
218-295

Tabelle 1: Ergebnisse der Testrechnungen zur Reduzierung der Alarmraten durch Einsatz eines Risikomodells

Abbildung 2 enthält eine Darstellung der Trackverläufe der Radarziele sowie die räumlichen Verteilung der originalen Annäherungswarnungen (dargestellt als ,+,) in dem für Testzwecke untersuchten Verkehrsszenario.

Abb.2

Abb. 2: Radartracks und örtliche Alarmverteilung im Untersuchungsszenario, Deutsche Bucht 7.10.16:20 bis 18:10 Uhr

Abbildung 3 zeigt im Vergleich dazu die räumliche Verteilung der verbleibenden automatischen Annäherungswarnungen, wenn dazu die variablen Passierabstandswerte und als TCPA-Limit 8 min als Alarmschwellwerte eingesetzt werden.

Abb.3

Abb. 3: Örtliche Verteilung von Annäherungswarnungen bei Verwendung der variablen situationsabhängigen CPA-Limitwerte entsprechend Risikomodell

Abb.4

Abb. 4: Vergleich der zeitlichen Verläufe der Alarmhäufigkeiten bei Verwendung der "alten" und "neuen" Alarmschwellwerte

Zusätzlich zur absoluten Alarmhäufigkeit wurde auch die Verteilung der Alarme hinsichtlich der Begegnungsarten untersucht. So wurde ermittelt, daß allein 25% der originalen Alarmmeldungen bei Überholungen auftreten. Nur rund 5% der Alarmierungen werden durch Begegnungen auf entgegengesetzten Kursen verursacht. Die im letzten Berechnungstest (10.) ermittelten Alarmmeldungen verteilen sich auf die einzelnen Begegnungsarten wie folgt:

  1. Kreuzende Kurse: ca. 88%
  2. Überholungen: ca. 6%
  3. Gegenkursbegegnungen: ca. 4%.

Die gegenüber der ursprünglichen Alarmierungsanzahl um 295 Meldungen geringere Alarmhäufigkeit setzt sich anteilmäßig wie folgt zusammen:

  1. Überholungen: ca. 42%
  2. Kreuzende Kurse: ca. 53%
  3. Gegenkursbegegnungen: ca. 5%.


6. Wertung und Schlußfolgerungen

Die von HILGERT vorgeschlagenen und von Nautikern hinsichtlich ihrer Praxisrelevanz akzeptierten CA -Werte sind prinzipiell als CPA-Grenzwerte für die landgestützte Erkennung des Kollisiorisrisikos jedoch vor allem auch als Grundlage für die dringend erforderliche Reduzierung der Systemwarnungen durch eine intelligente Alarmierung bei gefährlichen Annäherungssituationen geeignet.

Besonders gefährliche Situationen werden hervorgehoben, indem neben CPA- und TCPA-Werten zusätzlich auch

  • Begegnungsart,
  • Sichtverhältnisse,
  • die Abmessungen, der an einer konkreten Begegnungssituation beteiligten Schiffe sowie
  • der Fehler im von der Radar-DV berechneten CPA-Wert (Schwankungen der Kurs- und Geschwindigkeitswerte)

berücksichtigt werden.

Nach den gegenwärtig vorliegenden Ergebnissen können unter Beachtung der eingangs beschriebenen

Annahmen folgende Tendenzen registriert werden:

  1. Bereits durch eine einfache Differenzierung zwischen Überholsituationen und Begegnungen mit entgegengesetzten bzw. kreuzenden Kursen und die Festlegung kleinerer CPA-Limits nur für Überholungen kann eine Senkung der Alarmrate um 10% (bei CPA-Limit = 600 m) bis 20% < bei CPA-Limit = 400 m) erzielt werden.

  2. Eine zusätzliche Differenzierung mit kleineren CPA-Limitwerten auch für Gegenkursbegegnungen führt ebenfalls zur Senkung der Alarmanzahl. Sie beträgt insgesamt (kleinere CPA-Limits bei Überholungen und Gegenkursbegegnungen) zwischen 12% (CPA-Limit für Überholungen und Gegenkursbegegnungen = 600 m) und 22 % (CPA-Limit für Überholungen und Gegenkursbegegnungen = 400 m). Der Anteil von Gegenkursbegegnungen gegenüber Überholsituationen und damit der Anteil der Senkung der Alarmraten ist bei Gegenkurssituationen jedoch geringer.

  3. Die Berechnung konkreter schiffslängen-, begegnungsart- und CPA-fehlerabhängiger Limitwerte für Überhol- und Gegenkursbegegnungen sowie Begegnungen auf kreuzenden Kursen entsprechend der im Risikomodell definierten drei Begegnungsarten führt zu einer signifikanten Reduzierung der Alarmrate. Variiert wurde die Größe von fx für G egenkursbegegnungen. Wird für diese Begegnungsart fx = 2.5 angenommen, ergibt sich eine absolute Alarmanzahl von 364 Alarmen (ca. 71% der ursprünglichen Alarmanzahl). Bei fx = 2 würden 355 Alarmierungen (ca. 69% der ursprünglichen Annäherungswarnungen) auftreten.


    Fazit:

    Die Alarmanzahl kann gegenüber der Verwendung der herkömmlichen Alarmierungskriterien (CPA = 900 m und TCPA = 10 min) schon bei vereinfachender Anwendung des Risikomodells gesenkt werden. Dadurch könnte die landgestützte Risikoerkennung effizienter als bisher realisiert werden. Die zur Unterstützung der Operateure gedachte Alarmierungsfunktion könnte ihrer Aufmerksamkeitsfunktion entsprechen und den Operateur wirklich unterstützen, indem auf etwa übersehene gefährliche Annäherungen aufmerksam gemacht wird.

    Die Senkung der Alarmrate wird dabei durch die begründete Festlegung variabler schiffslängen-, begegnungsart- und CPA-fehlerabhängiger Limitwerte erreicht. Hauptursache der gegenwärtig sehr hohen Alarmhäufigkeit ist, daß sehr viele automatische Annäherungsalarme bei Überholsituationen und Gegenkursbegegnungen auftreten. Nach den Untersuchungen in [Hil 96] werden aber bei Überholungen und Gegenkursbegegnurigen im Vergleich zu Begegnungssituationen mit kreuzenden Kursen dichtere Annäherungen als sichere Passierabstäride akzeptiert. Durch die "neuen" Limitwerte können daher viele dieser Annäherungswarnungen vermieden werden.

    Die Signifikanz einer möglichen Verbesserung bei der praktischen Anwendung des hier untersuchten Algorithmus hängt maßgeblich von den Genauigkeiten der von Radardatenverarbeitung gelieferten Kurs- und Geschwindigkeitswerte ab. Eine Verbesserung deren Genauigkeit wird wesentliche Auswirkungen auf die verbesserte landgestützte Erkennbarkeit von Kollisiorisrisiken haben.

    Neben den zunächst untersuchten Alarmhäufigkeiten zwischen meldepflichtigen Fahrzeugen wurde im untersuchten Verkehrsszenario ein sehr hoher Anteil an Annäherungswarnungen mit nichtmeldepflichtigen Fahrzeugen festgestellt (siehe Bild 5). Er macht im Untersuchungsszenario 58% aus, d.h ein Drittel aller Annäherungswarnungen resultiert aus den Bewegungen von Fahrzeugen, die weniger als 50 m Länge besitzen. Da in den Verkehrsaufzeichnungen keine Kurs- und Geschwindigkeitswerte nichtmeldepflichtiger Fahrzeuge enthalten sind, konnten diese bisher nicht konkret in die Berechnungen einbezogen werden. Die erzielten Ergebnisse und Schlußfolgerungen gelten aber tendenziell auch fur Annäherungswarnungen bei Begegnungen zwischen melde- und nichtmeldepflichtigen Fahrzeugen

    Auf Basis der hier erzielten vorläufigen Ergebnissen und der relevanten Regelung tn der VV-WSD, nämlich nur dann in Begegnungssituationen einzuwirken, wenn eine "stehende Peilung" vorliegt oder eine Annäherungswarnung vom System angezeigt wird, diese VV dahingehend präzisiert werden, daß nur bei gleichzeitiger Unterschreitung des TCPA-Limits und des CPA-Limitwerts einzugreifen ist.


    7. Literatur

    [Bal 97]
    Baldauf, M.:
    Traffic situation assessment and shor based risk recognition. Proceedings of the International Conference oh Safety and Reliabilty (ESREL ,97), Lissabon, 17.-20. Juni 1997

    [Hil 96]
    Hilgert, H.; Baldauf, M.:
    A common risk model for assessment of encounter situations oh board ships. in Maritime Collision and Preventi oh, Chiavari Publishing, Surrey England, 1996, Proceedings of the International Conference oh Preventing Collisions at Sea, Dalian, China 22-25, September, 1996

    [H&B 96]
    Hilgert, H.; Baldauf, M.:
    Handlungsempfehlungen zur Kollisionsverhütung auf der Basis eines Risikomodells. in Schiff & Hafen 12/1996

    [COM 91]
    v. Schick, F.; Völckers, U.:
    The COMPAS System in the ATC Environment. DLR-Mitteilungen 91-08, Braunschweig 1991

    [KuB 95]
    Kühn, R.; Baldauf, M.:
    Auswertung von Seeverkehrsdaten in nationalen VTS-Revieren. Schiff&Hafen, Heft 11, Hamburg 1995

    [LDB 96]
    Libertin, A.; Dehmel, T.; Baldauf, M.:
    Vergleich landgestützter Radar- und bordgestützter DGPS-Positionsdaten durch experimentelle Messungen. Arbeitsbericht, HS Wismar, FB Seefahrt, Warnemünde 01.05.1996