Beitrag 14

Verfahren zur Manöverplanung

Prof. Dr.-Ing. K. Benedict
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde

Dipl.-Ing. M. Baldauf
Institut für Maritime Technologien Warnemünde e. V.


  1. Einordnung der Manöverplanung in den Manövrierprozeß
  2. Manöverplanung durch freie Simulation
  3. Manöverplanung durch grafische Manipulation von Manöverbahnen
  4. Automatische Manöverplanung
  5. Manöverplanung am Beispiel der Liegeplatzansteuerung im Hafen Rostock
  6. Ergebnisse
  7. Zusammenfassung und Ausblick
  8. Literatur


In diesem Beitrag werden anhand des Beispiels der Liegeplatzansteuerung im Überseehafen Rostock verschiedene Verfahren zur Manöverplanung vorgestellt, deren Vor- und Nachteile erläutert und etzielte Ergebnisse in einer vergleichenden Betrachtung vorgestellt.


1. Einordnung der Manöverplanung in den Manövrierprozeß

Schismanöver sind beabsichtigte zeitliche und räumliche Bewegungsänderungen eines Schiffes durch den aktiven Einsatz von Manovnereinrichtungen zur Erreichung eines Manöverzieles.

Es werden Elementar-, Grund- und Kombinierte Manöver voneinander unterschieden.

Elementarmanöver sind durch die Änderung des Einsatzes einer Manövriereinrichtung definiert. Jedes gegebene Kommando, wie z.B. Hart Backbord! oder Maschine Halbe voraus! wird daher als Elementarmanöver aufgefaßt.

Grundmanöver sind zu Gruppen zusamengefaßte Elementarmanöver, welche durch die Erreichung eines abgegrenzten Manöverzieles gekennzeichnet sind, wie z.B. einer Fahrterhöhung oder Kursänderung.

Kombinierte Manöver sind aus mehreren Grundmanövern zusammengesetzte Manöverabläufe.

Der Prozeß des Manövrierens umfaßt nach [Ben 90] die Elemente:

  • Manövervorbereitung
  • Manöverdurchführung mit eventueller Korrektur und
  • Manöverbeendigung.

Während der Manövervorbereitung wird ein Manövergrund erkannt, eine Situationsanalyse durchgetuhrt und das Manöver geplant. Die Manöverdurchführung umfaßt die Manövereinleitung und die ständige Kontrolle des Manöververlaufes. Bei Abweichungen zwischen dem geplanten Soll- und dem realen Istzustand wird entschieden, ob eine Manöverkorrektur durchzutuhren ist. Ein Manöver ist beendet, wenn das Schiff wieder in eine konstante Bewegung übergegangen ist und z.B. per Autopilot gesteuert werden kann (siehe Abbildung 1).

Nach dieser Systematisierung ist die Manöverplanung ein Element der Manövervorbereitung. Die Manöverpianung dient der vorherigen Festlegung von Handlungsstrategien für den Einsatz der Steuereinrichtungen zur Durchführung von Manövern. Sie ist Bestandteil der sicheren und effektiven Schiffsführung und verlangt Kenntnisse über die Manövriereigenschaften der Schiffe. Sie kann intuitiv erfolgen oder mit digitalen und grafischen Hilfsmitteln unterstützt werden.

Der gegenwärtigen Praxis des Manövrierens liegen größtenteils nur konventionelle Manöverplanungen zugrunde. Sie beinhalten das gedankliche Verknüpfen aller bekannten Einflußgrößen und Manövrierkennwerte zu einem gedachten voraussichtlichen Bahnverlauf Die Manöverdurchführung ist dann lediglich ein Ausprobieren und permanentes Korrigieren der tatschlichen Schiffsbahn durch Betätigen der Manövriereinrichtungen des Schiffes, um das gewünschte Ziel zu erreichen.

Die Effektivität dieses Verfahrens hängt maßgeblich von der Intuition und den Erfahrungen des Nautikers ab. Intuitive Entscheidungen können jedoch auch Fehlerquellen sein und zu Kollisionen mit schwimmenden und festen Anlagen führen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Erfahrungen beim Manövrieren von Schiffen wegen sich verringernder Fahrenszeiten und häufiger Schiffstypenwechsel abnehmen. Vor diesem Hintergrund steht daher die Forderung zur Entwicklung von Entscheidungshilfen für das Manövrieren und Möglichkeiten zur Kontrolle von Planungen bzw. nach geeigneten Verfahren zur Manöverplanung und -kontrolle.

Bekannte Verfahren sind die Manöverplanung durch freie Simulation, Manöverplanung durch grafische Manipulation von Manöverbahnen und die automatische Manöverplanung.

Abb.1

Abb. 1: Technologische Elemente des Manövrierprozesses


2. Manöverplanung durch freie Simulation

Die Manöverplanung durch freie Simulation ist durch die Planung von Manövern mittels geeigneter Simulationsgleichungen auf einer Planungsoberfläche mit einer seekartenähnlichen Darstellung des Manöverraumes (z.B. PC oder Workstation mit ECDIS) gekennzeichnet. Neben dem Vorhandensein geeigneter Simulationsgleichungen, welche auch die Berücksichtigung verschiedener äußerer Einflüsse (wie z.B. Wind und Strömung) erlauben müssen, sind vor allem Koeffizientensätze für die Beschreibung des Bewegungsverhaltens bei verschiedenen Beladungszuständen erforderlich. Für die Darstellung des Manöverraumes sind digitalisierte Seekartendaten der Fahrwasserverläufe und Küstenlinien erforderlich. Eine mögliche Realisierungsform stellt das PC-Manöverplanungsdisplay in Abbildung 2 dar. Es enthält eine seekartenähnliche Darstellung des Manövrierraums und das in seinen Konturen maßstabsgerecht dargestellte Schiff. Wesentliche Funktion des Planungsdisplays sind die Einstellung der Manövriereinrichtungen per Tatstatureingabe und die Darstellung des mit diesen Stellgrößen berechneten Bahnverlaufs. Die Manöverplanung selbst erfolgt durch das simulierte Abfahren von Schiffsbahnen mit verschiedenen Steuerfolgen bis eine geeignete Steuersequenz zur Erreichung des Zieles gefünden ist. Zur Überprüfüng kann die geplante Manöverfolge bzw. der Bahnverlauf z.B. in einem Chart Display eingeblendet werden.

Abbildung 2 zeigt die Oberfläche eines Manöverplanungsdisplays während der Planung des Einlauflmanövers durch freie Simulation. Auf der geplanten Bahn sind Positionen, bei denen die Manövriereinrichtungen betatigt wurden durch Kreise markiert.

Abb.2

Abbildung 2: Manöverplanung durch freie Simulation im Manöverplanungsdisplay: Beispiel Einlaufmanöver in den Hafen von New York

Bei dieser Methode können die Erfahrungen des Nautikers eingebracht werden, um optimale Manöver zu finden, was jedoch sehr zeitaufwendig sein kann.


3. Manöverplanung durch grafische Manipulation von Manöverbahnen

Unter Manöverplanung durch grafische Manipulation von Manöverbahnen wird die Einblendung, freie Verschiebung und Verdrehung sowie das beliebige Zusammensetzen von Manöverbahnen eines Standardkatalogs verstanden.

Grundvoraussetzung für diese Form der Manöverplanung ist das Vorhandensein eines Satzes von Manöverdaten für den Standardmanöverkatalog. Das sind insbesondere digital gespeicherte Daten von z.B. während der Werfterprobung durchgeführten Manövermeßfahrten oder während des Betriebes aufgenommenen Manöverdaten für verschiedene Beladungszustände und Umweltbedingungen.

Die Planung kann ebenso wie die freie Simulation in einem PC-Manöverplanungsdisplay erfolgen. Dazu werden die Bahnen von Manövern maßstabsgerecht im beliebig gewählten Manöverraum, der in seekartenähnlicher Form dargestellt wird, eingeblendet. Es können komplexe Manöverabläufe wie z.B. mehrfache Kursänderungsmanöver oder vollständige Ein-und Auslaufinanöver in Hafenrevieren geplant werden.

In Abbildung 3 ist ein Abschnitt für die Planung durch Manipulation von Manöverbahnen dargestellt.

Abb.3

Abbildung 3: Manöverplanung durch Manipulation von Manöverbahnen: Beispiel Auslaufmanöver aus Hafenrevier Antwerpen

Um das Hafenbecken zu verlassen, wird zunächst ein Rudermanöver Stb 10! geplant und die entsprechende Bahn im Display eingeblendet. Nach dem Verlassen des Hafenbeckens ist die Fahrt in einem kanalartigen Fahrwasser in nördlicher Richtung fortzusetzen. Dazu wird als beabsichtigtes Folgemanöver der Drehkreis für ein Bb 20!-Rudermanöver eingeblendet. Diese Manöverbalin wird bis zur gewünschten Position entlang des ersten Manöverbahn verschoben und dabei der Manöverablauf geplant. Das real durchzuführende Manöver muß dann entsprechend der aktuellen Drehrate eher eingeleitet werden, um die gewünschte Backbord-Drehung zu erreichen. Durch das frühere Einleiten des Folgemanövers nach Ergebnissen von Kursänderungstests können die bei der Planung zugrundegelegten vereinfachenden Annahmen kompensiert werden.

Im Gegensatz zur freien Simulation ist die Manipulation weniger zeitaufwendig. Durch Verknüpfüng beider Verfahren können erhebliche Zeiteinsparungen bei der Manöverplanung erzielt werden.


4. Automatische Manöverplanung

Die automatische Bahnplanung beinhaltet die vollständige rechnergestützte Generierung einer Manöverbahn sowie des dazugehörigen Manöverplans in Form der Steuersequenz, um von einem beliebigen Anfangs- zu einem beliebigen Zielort zu gelangen.

Voraussetzungen für die automatische Manöverplanung ist zunächst ein geeignetes mathematisches Modell zur ausreichend genauen Beschreibung des Bahnverhaltens, insbesondere des Kurswinkel- und Bahnwinkelverhaltens sowie des Bahngeschwindigkeitsverhaltens. Weiterhin wird eine Wissensbasis zur Generierung der Steuersequenzen benötigt, welche zu Regeln verarbeitetes Expertenwissen enthält. Zusätzlich ist eine Datenbank mit Seekarteninformationen zur Nachbildung der Fahrwasserverhältnisse (Wassertiefe, Fahrwasserverlauf) des Manövrierraumes erforderlich.

Eine geeignete Form der Realisierung stellt auch für diese Form der Manöverplanung ein Manöverplanungsdisplay dar, welches aber im Vergleich zu den zuvor genannten Verfahren mit einer ECDIS gekoppelt sein sollte.

Für die hier angestellten Untersuchungen wurde die automatische Generierung von Manöverplänen durch die heuristisch gesteuerte Suche in einem Entscheidungsbaum realisiert [Bal 95]. Dabei wird mittels Simulationsrechnung zunächst der Bahnverlauf für einen diskreten Zeitabschnitt (eine Minute) mit konstanten Steuerparametern bestimmt. Der erreichte Manöverendpunkt wird auf seine Zulässigkeit (ausreichende Wassertiefe) und die Annäherung an die vorzugebende Zielposition überprüft. Durch systematische Änderung der Steuerparameter (Ruderlage, Maschinendrehzahl) wird der verfügbare Manöverraum solange durchsucht, bis eine zulässige Manöverfolge gefünden wird, bei der ein kreisförmiger Sektor mit vorgegebenem Radius um die Zielposition erreicht worden ist. Suchraum und Suchrichtung im Entscheidungsbaum werden durch Vorgabe von Regeln gesteuert (heuristisch gesteuerte Suche).


5. Manöverplanung am Beispiel der Liegeplatzansteuerung im Hafen Rostock

Um die verschiedenen Verfahren zur Manöverpianung bewerten zu können, wurde eine Versuchsreihe mit 20 Testpersonen durchgeführt. Um den Einfluß von langjähriger Berufserfahrung auf die Planung von Manövern zu bestimmen, wurde darauf geachtet, daß der Anteil von erfahrenen und unerfahrenen Nautikern gleichgroß war.

Als Aufgabenstellung wurde die Planung eines komplexen Einlaufinanövers .zur Ansteuerung eines Liegeplatzes im Hafenbecken "C" des Rostocker Überseehafens ausgewählt. Es sollte der Ruderlagenverlauf vom gemeinsamen Startpunkt, einer Position in der Mitte des Fahrwassers in Höhe Warnowwerft, über die Wendeplatte bis hin zur markierten Position im Hafenbecken "C" geplant werden. Maschinenmanöver zur Geschwindigkeitsreduzierungen wurden bei dieser Untersuchung nicht betrachtet.

Für die Versuchsdurchführung wurde ein Manöverplanungsdisplay eingesetzt, welches als Softwareapplikation entwickelt und realisiert wurde und in bestehende Beratungs- und Informationssysteme integriert werden kann [Bal 92]. In diesem Display wird das Fahrt- und Steuerverhalten eines konkreten Frachtschiffs simuliert. Die Modellierung des Bewegungsverhaltens wurde in [BJK 91] ausführlich untersucht und in [Jon 91] nachgewiesen.

In Anlehnung an die an Bord verfügbare Manövrierakte wurden für die Versuchsreihe als Planungshilfsmittel Computerausdrucke für die Hart-Drehkreise in Diagrammform und eine Fahrt--tabelle zur Verfügung gestellt. Für den Standardmanöverkatalog zur grafischen Mani-pulation von Manöverbahnen wurde ein Satz von Drehkreisdaten für d=10°, 200 und 300 für Backbord- bzw. Steuerbordruderlagen ermittelt und als zusätzliches Hilfsmittel bereitgestellt.

Durch die Versuchspersonen sollte die Planung zunächst mittels freier Simulation, ggf durch mehrere Versuche, und danach durch Manipulation von Manöverbahnen erfolgen. Im separaten dritten Versuchslauf war die Planung des Einlaufmanövers durch die der Manipulation nachgeordnete Simulation zu realisieren.

Für die nichtautomatischen Verfahren wurde das fehlerfreie Erreichen bzw. Passieren der markierten Zielposition als Erfüllung der Manöverplanung gewertet. Als 'fehlerfreies' Erreichen wurde angesehen, wenn keine Verletzung von Fahrwassergrenzen oder Kollisionen mit Hafenmaueren oder Seezeichen auftraten. Zur Absicherung der Vergleichbarkeit der Ergebnisse für die Planung durch freie Simulation wurde eine einheitliche Simulationsgeschwindigkeit (doppelter Zeitraffer) verwendet. Als Grundlage für die automatische Manöverplanung wurde dasselbe Berechnungsmodell für die Nachbildung des Bewegungsverhaltens verwendet wie für die freie Simulation. Zusätzlich wurde die Applikation des Suchalgorithinus und dessen Kopplung mit dem Bewegungsmodell realisiert.

Als Bewertungsparameter zum Vergleich der Verfahren wurden die Anzahl der Elementarmanöver und die benötigte Zeit zur Ermittlung eines Manöverplans festgelegt.


6. Ergebnisse

Die Versuchsergebnisse für die Simulation und Manipulation sind in untenstehender Tabelle zusammengefaßt (lfd. Nr.1 - 10: "unerfahrene" Nautiker; 11-20: "erfahrene" Nautiker):

 freie SimulationManipulationManipulation und Simulation
lfd. Nr.Anzahl
Elementarmanöver
ErgebnisZeit [min]ErgebnisZeit [min]Anzahl
Elementarmanöver
ErgebnisZeit [min]
117-18+211+6
219+21+1,58+5
313-13+27+5
414-16+19+4
518-18+211+6
616-20+1,59+5
718+19+210+5
827+14+28+5
919-18+1,59+4
1015-18+1,59+6
1116+12+1,512+5
1214-17+1,59+5
1314-18+28+7
1418-19+1,510+6
1520-17+29+5
1611+7+29+5
1720-18+28+6
1814-18+27+7
1920+21+29+7
2014-18+210+7

Es zeigte sich, daß die Generierung eines Manöverplans nur durch freie Simulation einerseits sehr zeitaufwendig ist und andererseits - unabhängig vom Erfahrungsstand auch bei mehreren Versuchsläufen - nur selten zum Erfolg (+) führt. Wird die Simulation nach einer Planung durch Manipulation durchgeführt, so wurde in jedem Fall ein erfolgreicher Manöverplan ermittelt. Die durch Manipulation von Manöverbahnen ermittelte grobe Planung war eine sehr gute Orientierung für die Planung durch Simulation dar. Die Anzahl der Elementarmanöver wurde erheblich verringert.

Abbildung 4 enthält zwei Beispiele für Manöverplanungen. Das in der Abbildung oben dargestellte Beispiel zeigt das mittels freier Simulation geplante Einlaufmanöver. Das unten dargestellten Beispiel enthält eine Momentaufnahme des dritten Versuchslaufes. Nach erfolgter Manipulation wird durch die Feinplanung des Einlaufmanövers durch Simulation durchgeführt.


Abbildung 4: Beispiele von Manöverplanungen aus der Versuchsreihe (oben: Manöverplanung durch freie Simulation; unten: Manöverplanung durch Manipulation von Manöverbahn mit anschließender Simulation)

Nach Abschluß der Versuchsreihe wurde die Ausgangssituation erneut nachgestellt, ein geeigneter Regelsatz zur Manöverplanung ausgewählt und implementiert und abschließend eine automatische Manöverplanung durchgeführt.

Innerhalb einer Sekunde (auf eine genauere Zeitbestimmung wurde verzichtet) wurde ein aus vier Elementarmanövern bestehender Manöverplan generiert. Die Ergebnisprasentation ist in untenstehender Abbildung dargestellt.


Abbildung 5: Ergebnisdarstellung der automatischen Manöverplanung

Das Display zeigt sowohl den generierten Manöverplan als auch die gefündene Manöverbahn zur Ansteuerung des Zielortes. Zusätzlich sind im Zeitabstand von jeweils einer Minute die Schiffskonturen maßstabsgerecht in der für den vorausberechneten Zeitpunkt erreichten Lage eingeblendet.

Im nachfolgenden Balkendiagrannn sind die Versuchsergebnisse entsprechend der zuvor fest-gelegten Bewertungskriterien vergleichend gegenübergestellt.


Abbildung 6: Vergleich von Verfahren zur Manöverplanung hinsichtlich des Zeitaufwandes zur Manöverplangenerierung und hinsichtlich der Anzahl der Elementarmanöver des generierten Manöverplans

Der Einsatz von automatische Verfahren zur Manöverplanung führte gegenüber der kombinierten Planung durch Manipulation und Simulation nochmals zu einer deutlichen Verringerung der Anzahl der Elementarmanöver. Auch der Zeitaufwand für die Erstellung eines Manöverplans wird vernachlässigbar klein.


7. Zusammenfassung und Ausblick

Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen den Nutzen der vorgestellten Verfahren gegenüber der intuitiven Manöverplanung. Mit Hilfe der vorgestellten Verfahren kann der erforderliche Platzbedarf bzw. der notwendige Einleitungspunkt für ein erforderliches Manöver abgeschätzt werden.

Der Zeitaufwand für die Planung selbst von komplexen Manövern kann sehr klein gehalten werden und liegt bei Einsatz automatischer Verfahren im nichtsignifikanten Bereich.

Durch die Bereitstellung von Manöverplänen in Form von Manöverbahnen und dazugehörigen Steuersequenzen wird die Kontrolle von Manövern bei der Durchführung wesentlich effizienter. Einerseits kann die geplante Bahn auf deren Einhaltung hin überprüft und andererseits können notwendige Korrekturen sowie die Intensität der ggfs. erforderlichen Manöverkorrektur schnell und sicher abgeschätzt werden.

Bereits ohne den Einsatz von Optimierungsalgorithmen wird durch die Reduzierung der Anzahl von Elementarmanövem eine signifikante Verbesserung bei der Manöverpianung und -durchführung erzielt.

Zur Verbesserung der automatischen Manöverplanung sind weiterführende Untersuchungen z.B. zur Berücksichtigung von Maschinenmanövem oder der Lage des Schiffes an der Zielposition notwendig.


8. Literatur

[Bal 92]
Baldauf, M.:
Manöverpianung durch Simulation und grafische Manipulation von Manöverbahnen. Diplomarbeit, Universität Rostock, 6. März 1992

[Bal95]
Baldauf, M.:
Einsatz heuristischer Suchverfahren zur Manöverplanung. (unveröffentlicht), Institut für Maritime Technologien, Warnemünde 1995

[Ben 90]
Benedict, K.:
Untersuchungen zum Manövrierverhalten und zur computergestutzten Manövrier-Beratung für die Schiffsführung. Dissertation B, Hochschule für Seefahrt Warnemünde/Wustrow, 1990

[BJK91]
Benedict, K.; Jonas M.; Kirchner, 1.:
Manöveridentifikation und Simulation mit diskreten nichtlinearen Modellgleichungen. Forschungsbericht, Universität Rostock, 1991

[Jon 91]
Jonas, M.:
Manöversimulation und Manöveridentifikation für die Manöverplanung in der Schiffsführung. Dissertation A, Hochschule für Seefahrt Rostock/Warnemünde 1991