Beitrag 20

Ein Assistenzsystem zum Manövrieren und Positionieren in begrenzten Gewässern

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Müller, Dipl.-Ing. Frank Hartmann, Dipl.-Math. Michaela Demuth,
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt


  1. Motivation
  2. Lösungsansatz
    1. Schiffsdynamikmodell
    2. Bahnprädiktion
    3. Schiffsführung
  3. Schlussbemerkungen


1. Motivation

Manövrieren und Positionieren sind komplexe Prozesse und hängen von vielen Einflussfaktoren ab. Um den zur Verfügung stehenden Manöverraum optimal auszunutzen, sind spezifische, an die jeweilige Situation angepasste Kombinationen von verschiedenen Grund und Elementarmanövern erforderlich.

Erfolg und Effektivität dieser Prozesse hängen im wesentlichen vom der subjektiven Einschätzung und dem Erfahrungsschatz des Schiffsführers ab. Er muss das Ziel der Manöver kennen, die Relation Umwelt-Schiff analysieren, das Manöver planen, durchführen, kontrollieren, gegebenenfalls korrigieren und beenden. Dabei müssen Manöverparameter (Bahnverlauf, Kurse, Geschwindigkeiten) ausgewählt und mögliche Varianten verglichen werden. Vorstellungen über den Beginn und die Ausprägung der einzelnen Teilmanöver müssen erarbeitet werden. Es ist ständig ein Profil der Steuerparameter mit einem bestimmten Grad an Schärfe gedanklich vorzubereiten. Während der Manöverdurchführung muss ein permanenter Abgleich des geplanten Verhaltens mit dem Ist-Zustand vorgenommen und die Situationsentwicklung neu eingeschätzt werden. Dafür sind Erfahrungen und Fähigkeiten des Schiffsführers und genaue Kenntnisse über das dynamische Bewegungsverhalten des Schiffes auch bei Wind- und Stromeinfluss unbedingt erforderlich.

In der modernen Seeschifffahrt ermöglicht der derzeitige Automatisierungsgrad bei der Schiffsführung seit langem die automatische Kursregelung. Hinzu gekommen ist das selbständige Abfahren von manuell gesetzten Wegpunkten. Eventuelle Abweichungen werden mit Hilfe eines fest strukturierten Bahnreglers ausgeglichen. Allerdings versagen diese Systeme gerade dann, wenn der zur Verfügung stehenden Manöverraum eingeschränkt und eine kontinuierliche, monotone Weiterführung der Schiffsbahn nicht mehr allein zum Ziel führt.

Der gewählte Ansatz bei gegenwärtig eingesetzten Bahnführungssystemen lässt keine Erweiterung oder Anpassung für das Manövrieren in begrenzter Umgebung zu. Es muss ein gänzlich anderer Ansatz herangezogen werden.

Vor dem Hintergrund einer zunehmend besseren Verfügbarkeit von hochgenauer Ortungs- und Zielerfassungssensorik und präzisen Modellen der maritimen Umwelt werden nun grundsätzlich neue automatisierungstechnische Ansätze untersucht.


2. Lösungsansatz

Das Problem, unter vorliegenden Randbedingungen von einem gegebenen Startpunkt zu einem definierten Zielpunkt zu Manövrieren, besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: die Bahnprädiktion und die erforderlichen Steuerfolgen zum konformen Realisieren der vorhergesagten Bahn.

Zum Nachbilden des dynamischen Verhaltens des betrachteten Schiffes wird ein definiertes und parametrisiertes Modell benötigt.


2.1. Schiffsdynamikmodell

Es wird ein einfaches, auf Differenzengleichungen basierendes Bewegungsmodell benutzt. Das Modell beschreibt die dynamischen Eigenschaften von konventionellen Schiffen. Die zur Modelparametrisierung erforderlichen Werte wurden durch praktische Standarttests ermittelt. Die resultierenden Ergebnisse widerspiegeln eine ausreichende Anpassung des Modells an das reale Schiff.


2.2. Bahnprädiktion

Es ist ein Anfangsparametervektor mit Position, Kurs, Geschwindigkeit und Schiffstyp gegeben. Der Zielparametervektor mit Position, Kurs und Geschwindigkeit ist definiert. Es ist auch möglich, eine Endgeschwindigkeit von Null zu fordern. Die Grenzen des eingeschränkten Gebietes sind bekannt. Die Bahnprädiktion passt sich der Umgebung dynamisch an, das bedeutet, der Algorithmus ist nicht starr an eine bestimmte Art von Manöverraum gebunden, er läuft auch in offenen Gewässern.

Die Bahnprädiktion basiert auf folgende Prinzipien:

  • Die zu generierende Bahn wird iterativ aus idealisierten Bahnsegmenten zusammengesetzt und skaliert. Die Segmente sind bogenförmig, geradlinig oder eine komplexe Kombination aus beiden. Die Krümmung der Segmente ist abhängig vom Nenndrehkreis des betrachteten Schiffes.
  • Unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Weglänge und der Geschwindigkeiten in der Ausgangs- und Endsituation wird ein Geschwindigkeitsprofil erzeugt. Es ist in drei Phasen gegliedert:
    • Positive Beschleunigung bis eine maximal mögliche Geschwindigkeit erreicht wird,
    • Beibehalten der Geschwindigkeit, wenn es die Weglänge erlaubt,
    • Negative Beschleunigung bis die geforderte Geschwindigkeit erreicht wird.
  • Das Ergebnis ist eine automatisch entstandene Wegpunktliste, die die wesentlichen Parameter Position, geforderter Kurs, geforderte Geschwindigkeit und zurückgelegte Weglänge enthält.
Zwei berechnete Bahnen werden miteinander bzgl. der Anzahl der Umsteuerungen und der benötigten Weglänge verglichen. Der bessere von beiden wird solange favorisiert bis eine noch bessere Bahn generiert wurde. Die Schlechtere wird gelöscht.

Stellt sich schon während der Berechnung einer neuen Lösung eine qualitative Verschlechterung heraus, wird die aktuelle Betrachtung abgebrochen und die bis dahin ermittelten Wegpunkte gelöscht.

Das Ergebnis des Algorithmus ist die automatisch generierte, bestmögliche, abfahrbare Bahn.

Im folgenden Beispiel (Abb. 1) wird eine Bahnprädiktion im eingeschränkten Manöverraum gezeigt. Das vollständige Abfahren eines Drehkreises ist nicht möglich. Das Schiff soll mit einem dem anfänglichen Heading entgegengesetzten Kurs nahe der Pier zum Stillstand kommen. Zunächst werden alle mögliche Lösungen untersucht (grau gekennzeichnet). Der Algorithmus wählt die rot markierte Bahn als Beste aus.

Abbildung 2 zeigt im Ausschnitt das erzeugte Steuerprofil für die generierte Lösung aus Abbildung 1. Auf Grund der geringen Weglänge der einzelnen Bahnsegmente kann nur beschleunigt und aufgestoppt werden.

Abbildung 1

Abbildung 2


2.3. Schiffsführung

Basis ist eine durch die Bahnprädiktion entstandene Wegpunktliste. Das Problem ist nun, die beste Steuerfolge zum Abfahren der vorgefertigten Bahn zu ermitteln.

Generell existieren für die Steuerparameter bzgl. deren Auswahl ( Ruder, Schub, Querschub) und Ausprägung ( mehr, gleichbleibend, weniger ) jeweils drei Freiheitsgrade. Mathematisch möglich sind nun 27 verschiedene Kombinationen in jedem Schritt der Suche nach der besten Steuerfolge.

Jede Kombination in jedem Schritt zu testen, ist technisch unmöglich. Die Anzahl der Zwischenzustände nimmt exponentiell zu. Deshalb muss die Suche selektiv durch Regeln eingeschränkt werden. Diese Regeln basieren auf mathematischen und geometrischen Beziehungen, physikalischen und technischen Möglichkeiten, Geschwindigkeitsprofil und Schiffstyp.

Ein Suchalgorithmus baut stufenweise durch Verzweigungen einen Baum von Zwischenzuständen auf. Diese sind durch Kombinationen der möglichen Steuerparameter entstanden. Jeder Zwischenzustand wird mit Hilfe der definierten Regularien qualitativ bewertet. Der Beste wird der Ausgangspunkt für die nächste Ebene im Baum. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis entweder das Ziel erreicht wird oder alle neu entstandenen Zwischenzustände auf Grund der Regeln bzw. Restriktionen für ungültig erklärt werden. In diesem Fall beginnt der Suchalgorithmus erneut im Startpunkt mit der nächstbesten Verzweigung. Diese Prozedur wird wiederum so lange wiederholt bis das Ziel erreicht wird oder sämtliche Verzweigungen terminiert sind und somit keine Lösung existiert. Andernfalls erhält man die bestmögliche Steuerfolge zum konformen Abfahren der Bahn.

Abbildung 3

Abbildung 4

In Abbildung 3 soll sich das Schiff nach anfänglicher Kursänderung der Pier nähern und dort mit anliegendem Kurs aufstoppen. Es wird die Bahn mit der geringsten Weglänge favorisiert. Abbildung 4 verdeutlicht die Anregung der Schiffssteuerparameter. Das Schiff wird aus der Ruhe heraus beschleunigt (rot), die Drehbewegung wird durch eine Hartruderlage (blau) nach ca. 30 sec eröffnet. Um dem Überschwingen entgegen zu wirken wird nach weiteren 30 sec eine komplexe Ruderanregung eingeleitet und dann Mittschiffs gehalten. Das Aufstoppmanöver wird eingeleitet. Das Schiff kommt in der Zielposition zum Stehen.


3. Schlussbemerkungen

Dieses Assistenzsystem bietet durch Wahl eines neuartigen Ansatzes eine technische Hilfestellung zum Manövrieren und Positionieren in begrenzten Gewässer. Der Schiffsführer wird durch Aufzeigen von optimierten Manöverlösungen deutlich bei der Manöverplanung entlastet und gewinnt zusätzlich an Entscheidungssicherheit und Determiniertheit bei der Bahnfindung.

Die vom Algorithmus vorgeschlagenen Lösungen sind bzgl. Umsteuerungen, Weglänge und Steuerfolgen optimiert und dynamisch an die vorliegende Situation angepasst. Es lassen sich Lösungen sowohl für einen begrenzten Manöverraum als auch für das offene Wasser berechnen. Dabei werden die spezifischen Manövriereigenschaften des betrachteten Schiffes berücksichtigt.

Das vorgestellte System lässt sich in bereits existierende Systeme als zusätzliche Manövrierhilfe integrieren.

Der Einsatz von Telematik ebnet den Weg für neue Formen des Schiffsverkehrsmanagements, beispielsweise den Verkehrsfluss lenkende und koordinierende Maßnahmen zum Zwecke der Strandungs- und Kollisionsverhütung. Die Ausrüstung von Fahrzeugen mit AIS ermöglicht erstmals den Aufbau von temporären Strukturen zur Kollisionsvermeidung.