Beitrag 14

Anzeigeoptionen für ein bordseitiges Kollisionsverhütungs-Display

Dr.-Ing. M. Baldauf, Dipl.-Ing. S. Fischer
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde

  1. Einleitung
  2. Präsentation von AIS-Daten für die Schiffsführung
  3. Entwurf von AIS-Anzeigen für die Zwecke der Kollisionsverhütung
  4. Zusammenfassung
  5. Literatur und Referenzen


1 Einleitung

Am 1. Juli 2002 begann die Einführung der Ausrüstungspflicht von Schiffen mit dem Automatischen Identifizierungssystem (AIS). Nach den letzten Beschlüssen der IMO (Conference of Contracting Governments to the International Convention for the Safety of Life at Sea Ende vergangenen Jahres in London) sind nunmehr bis zum 31.12.2004 alle unter die SOLAS-Konvention fallenden Schiffe mit der entsprechenden Navigationstechnik auszurüsten.
In den IMO-Performance Standards für AIS wird als Zielstellung u.a. die Verbesserung der Schiffssicherheit durch die Unterstützung der effektiven Schiffsführung angegeben und insbesondere die Anwendung von AIS in der Relation Schiff-Schiff für die Zwecke der Kollisionsverhütung angegeben [1]. Die Erhöhung der Sicherheit soll sich in der Reduzierung der Anzahl von Schiffsunfällen und insbesondere von Kollisionen und Grundberührungen dokumentieren. Eine Forderung, der allein unter Berücksichtigung des aktuellen Seeunfallgeschehens weiterhin hohe Bedeutung zukommt.

Abbildung 1: Kollision zwischen MS "Tricolor" und MS "Kariba" im Englischen Kanal am 14.12.2002 (Quelle Fotos: Internet)

Durch die automatische Aussendung auf reservierten UKW-Frequenzen werden verschiedene statische, dynamische und reisebezogene Daten an Bord und in Überwachungsstationen an Land zur Verfügung gestellt. Um den gewünschten Effekt der Sicherheitserhöhung realisieren zu können, ist es u.a. notwendig, die über AIS verfügbaren Informationen dem Nutzer auch in geeigneter Weise zu präsentieren, d.h. die Mensch-Maschine-Schnittstellen optimal zu gestalten. Von der IMO wird hinsichtlich der Anzeige von AIS-Informationen an Bord ein so genanntes "Minimum Display" gefordert, welches die zeilenweise Textdarstellung der Informationen von mindestens drei AIS-Zielen ermöglicht. Die integrierte Darstellung in Radaroberflächen oder einer elektronischen Seekarte ist zulässig (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Displays zur Anzeige von AIS-Informationen (Links: AIS-Minimum Display, Mitte: AIS-Informationen integriert in ECDIS; Rechts: AIS-Anzeige integriert in Radarbild)

Um den bordgestützten Kollisionsverhütungsprozess wirkungsvoller als bisher zu unterstützen wurden an der Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde im Rahmen von durch das BMVBW geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekten verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Ausgehend von einer Erfassung der Nutzeranforderungen wurden dabei u.a. AIS-basierte Anzeigeoptionen zur Integration in eine Radaroberfläche entwickelt und diese anhand von Befragungen verifiziert.
Der bordgestützte Kollisionsverhütungsprozess kann prinzipiell in die Elemente

  • Situationseinschätzung
  • Entscheidungsfindung und
  • Maßnahmeneinleitung und -überprüfung

unterteilt werden.
Während der Situationseinschätzung sind durch den verantwortlichen nautischen Wachoffizier die Ergebnisse der permanent durchzuführenden Seeraumbeobachtung hinsichtlich des Bestehens von Kollisionsgefahren gegenüber anderen Objekten auszuwerten. Wird eine solche festgestellt, so ist durch den Wachoffizier nachfolgend eine Entscheidung zu treffen, wann und mit Hilfe welcher Maßnahme eine sich entwickelnde Gefahr - in der Regel ein rechtzeitiges Manöver zur Vergrößerung des zu erwartenden Passierabstandes - vermieden werden soll. Diese Maßnahme ist zeit- und situationsgerecht einzuleiten und deren Wirkung - die Vergrößerung des zu erwartenden Passierabstandes - zu überwachen.
Über die Ursachen von Kollisionen ist häufig die vereinfachende Aussage zu finden, dass diese zu 60-80% auf menschliches Fehlverhalten (Human Factor) zurückzuführen sind. In detaillierten Untersuchungen (u.a. [3] und [4]) werden dabei z.B. "Nichtbeachtung der KVR", "Mangelhafte Schiffsführung", "Nichtbeachtung des Nahbereiches" oder "Fehleinschätzung der Lage durch die Schiffsführung" angeführt. Selten wird jedoch der Frage nachgegangen, ob die zur Verfügung stehenden technischen Hilfsmittel und deren Schnittstellen auch den Anforderungen des Nutzers entsprachen oder angepasst waren.

2 Präsentation von AIS-Daten für die Schiffsführung

Im Rahmen verschiedener internationaler Feldtests wurde versucht, die Anforderungen der potentiellen Nutzer an die Präsentation von AIS-Informationen zu ermitteln. Dabei wurde bisher maßgeblich bestimmt, wo welche AIS-Informationen dargestellt werden sollen. Ergebnissen angestellter Befragungen aus dem Jahr 2000 zu Folge [9] fordern etwa 80% der potentiellen Nutzer (nautisches Schiffsführungspersonal) die Einblendung AIS gestützter Informationen in einer elektronischen Seekarte bzw. einer kombinierten Radar/ECDIS-Umgebung.
Unter dem speziellen Aspekt der Anwendung von AIS-Daten für die Kollisionsverhütung wurden eigene Untersuchungen durchgeführt, um die Nutzeranforderungen erfahrener Nautiker zu spezifizieren. Dazu wurde eine Stichprobe unter erfahrenen Schiffsführern (Lotsen, Kapitäne und Wachoffiziere mit mehrjähriger Berufserfahrung) erhoben. Der Stichprobenumfang betrug 112 Personen. Die Grafiken der folgenden Abbildung enthalten einige ausgewählte Befragungsergebnisse.

Abbildung 3: Nutzeranforderung - alphanumerische und grafische Präsentation von AIS-Informationen

Nach dieser Befragung wird die Anzeige alphanumerischer Informationen zu AIS-Zielen mehrheitlich integriert in Radar (71%) - oder ECDIS (82%) gewünscht. Auch die grafische Präsentation von AIS-Zieldaten (Zielsymbolik und Bewegungsvektoren) soll entsprechend der Expertenmeinung integriert in bereits bestehende Displays erfolgen. Für die Zwecke der Kollisionsverhütung wurde dabei ebenfalls die Darstellung im Display einer ECDIS-Station (80%) gegenüber dem Radardisplay (68%) leicht favorisiert. Die Anzeige von AIS-Informationen in einem zusätzlich zu installierenden "Minimum-Display" wurde klar abgelehnt.


3 Entwurf von AIS-Anzeigen für die Zwecke der Kollisionsverhütung

Das ARPA-Radargerät ist gegenwärtig eines der wichtigsten technischen Hilfsmittel zur Kollisionsverhütung. AIS wird diese Technik nicht ersetzen, kann aber eine Reihe von Informationen zusätzlich oder zum Teil redundant mit höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit bereitstellen. Ausgehend vom aktuellen Stand, der Annahme eines fehler- und störungsfreien AIS-Betriebes, und den ermittelten Nutzeranforderungen wurden Vorschläge zur Integration von AIS-basierten Anzeigen in bestehenden Systemen entwickelt und als Softwarelösung in einer Experimentieroberfläche realisiert. Zu diesem Zweck wurden zunächst wesentliche Elemente eines ARPA-Radargerätes nachgebildet, nachfolgend neuartige Anzeigen zur Unterstützung des Kollisionsverhütungsprozesses entworfen und schließlich in die Experimentieroberfläche implementiert.
Als Alternative zur schnellen integrierten Anzeige von Textinformationen wird z.B. ein Target-ShortInfo-Fenster vorgeschlagen. Es soll beim Überstreichen des Zielsymbols mit dem Cursor eingeblendet werden und z.B. den Schiffsnamen, Rufzeichen und die Abmessungen des Objektes anzeigen. Der Inhalt dieses Fensters kann durch den Nutzer frei konfiguriert werden. Zwei mögliche Konfigurationsvarianten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 4: Anzeige alphanumerischer AIS-Informationen im Target-ShortInfo-Fenster

Mit dieser Form der Präsentation soll einerseits der sonst übliche Abruf gewünschter Informationen z.B. über eine konventionelle Menüsteuerung vereinfacht und andererseits eine Alternative zu der bisher üblichen Texteinblendung in einem festen Fenster, wie z.B. in den ARPA-Radargeräten der ATLAS 1000 Serie, gegeben werden.

Als ein wesentliches Element zur grafischen Anzeige AIS-basierter Informationen für die Kollisionsverhütung wurde ein so genanntes "AIS-Scope" in eine Radaroberfläche integriert, in dem auf AIS-Daten basierende Anzeigen, frei wählbar durch den Nautiker jederzeit aktiviert werden können. Als erste ergänzende Variante zu den bisher verfügbaren ARPA-Informationen wurde eine Anzeigeoption zur Einschätzung von Begegnungssituationen realisiert, welche die zu erwartende Passagesituation und die auf die tatsächlichen Schiffsabmessungen bezogenen Abstandswerte zur Verfügung stellt. Im Gegensatz zu den von ARPA berechneten CPA-Werten, welche den zu erwartenden Passierabstand zwischen dem eigenen Sensor und dem von der Radardatenverarbeitung berechneten Ort eines sich nähernden Zieles angibt, kann auf der Basis der Auswertung der tatsächlichen Schiffsabmessungen sowie der Bewegungsdaten der zu erwartende Passierabstand nun von Bordwand zu Bordwand und damit zuverlässiger und genauer vorausberechnet werden. Als Anzeigeoptionen kann je nach Begegnungsart wahlweise die Situation der Kurskreuzung oder der Moment der dichtesten Annäherung mit den entsprechenden Parametern angezeigt werden.

Abbildung 5: Beispiele grafischer Anzeige von AIS gestützter Begegnungsdaten im AIS Scope

Ausgehend von den in [7] erzielten Messergebnissen könnten sich so zum Beispiel für eine Begegnungssituation zwischen zwei 200 m langen und 25 m breiten Schiffen, die sich auf kreuzenden Kursen begegnen, Abweichungen von bis zu 300 m zwischen dem radar- und dem AIS-gestützten CPA-Wert ergeben. Die integrierte Informationsdarstellung im AIS-Scope in einer Radaroberfläche wurde von 81% aller befragten Nautiker als sinnvolle und hilfreiche Funktion eines Kollisionsverhütungsdisplays insbesondere beim Navigieren in engen Fahrwassern und unter Bedingungen der verminderten Sicht bewertet.

Neben dieser Funktion zur Anzeige der auf die tatsächlichen Schiffsdimensionen bezogenen Begegnungsinformationen wurde zur Unterstützung des Nautikers bei der Situationseinschätzung auch die Anzeige der bei guter Sicht optisch sichtbaren Lichterführung realisiert. Dazu werden die empfangenen AIS-Daten Navigationsstatus, Position, Heading, Kurs und Geschwindigkeit verarbeitet. Diese Funktion kann einerseits zur Einschätzung der Pflichtenlage nach Regel 18 KVR und andererseits als Hilfsmittel zur Kontrolle der bestehenden Pflichtenlage herangezogen werden.

Abbildung 6: Visualisierung des Navigationsstatus als Anzeigeoption im AIS-Scope

Die Einblendung der Lichterführung zur Unterstützung des bordgestützten Kollisionsverhütungsprozesses wurde von rund 20% der befragten Nautiker als sinnvoll eingeschätzt.

Wegen der zukünftigen Verfügbarkeit zusätzlicher und auch genauerer Bewegungs- und Begegnungsdaten wurden des Weiteren auch Anzeigefunktionen zur Situationseinschätzung und Entscheidungsfindung entworfen, welche neben den AIS-Daten auf der Anwendung quantifizierter Sicherheitsabstände und Handlungsgrenzen basieren [8].

Abbildung 7 zeigt das Display eines in der Luftfahrt angewendeten Kollisionsverhütungssystems (Traffic Alert and Collision Avoidance System - TCAS) und davon ausgehend eine für die Seeschifffahrt entwickelte Anzeigeoption. Im dargestellten Beispiel des TCAS-Displays (linke Seite) wird zur Anzeige von sich nähernden Zielen einen Symbolsatz verwendet, der u.a. zur Kennzeichnung der Gefährlichkeit der Ziele Farbabstufungen von weiß über gelb bis rot nutzt. In Anlehnung daran zeigt die auf der rechten Seite realisierte Anzeigefunktion zur Einblendung quantifizierter Handlungsgrenzen des Kurshalters gegenüber einem sich von Backbord auf kreuzendem Kurs nähernden Fahrzeug. Dabei sind die Handlungsgrenzen entsprechend der sich verschärfenden Pflichtenlage ebenfalls farblich unterschiedlich gestaltet worden.

In der "Relative-Motion"-Darstellung sind der Bereich des Kurshaltens (Regel 17(a) (i) - grün); der Bereich, in dem der Kurshalter von seiner Kurshaltepflicht abweichen darf (R17(a) (ii) - gelb) und der Bereich, in dem das Manöver des Kurshalters ausgeführt werden muss (R17(b) - rot) eingeblendet. Die Ausdehnung der Bereiche, d.h. die Größe der Handlungsgrenzen (z.B. die untere Manövergrenze) ist durch den Nutzer frei konfigurierbar. Die Einblendung erfolgt temporär nach Anforderung (z.B. gedrückte Bedientaste) des Nutzers.

Abbildung 7: Anzeigeoption zur Einblendung der Handlungsgrenzen nach Regel 17 KVR in einem Relativ-Display

Ergänzend zu dieser Anzeigefunktion wurde für die Darstellung im "True-Motion"-Display die wahlweise Einblendung eigener Manövrierkennwerte realisiert.

In Abbildung 8 ist die Einblendung des eigenen Steuerbord-Drehkreises dargestellt (linke Seite). Aus dem Schnittwinkel des Vektors des anderen Fahrzeugs mit der eigenen Drehkreisbahn, kann erkannt werden, ob für die erfolgreiche Durchführung eines Ausweichmanövers ein beabsichtigtes Drehkreismanöver ausgefahren bzw. abgebrochen werden muss.

Abbildung 8: Konfiguration und Anzeige von eigenen Manövrierkennwerten zur Unterstützung bei der Kollisionsverhütung

Das in der rechten Bildhälfte eingeblendete Fenster, zeigt ein Konfigurationsfenster, in dem die Drehkreisparameter - als einfachste Realisierungsstufe - durch manuelle Eingabe z.B. bei Reiseantritt aktualisiert werden können. In ähnlicher Weise wie für den hier dargestellten Fall der "guten Sicht" wurde auch eine Anzeigefunktion zur Einblendung von Handlungsgrenzen nach Regel 19 KVR ('Nahbereich' und 'Kritische Distanz') für das Fahren unter den Bedingungen der verminderten Sicht entwickelt und in die Experimentieroberfläche integriert. Zur Anpassung an ein konkretes Schiff wären die aktuellen Stoppstrecken einzugeben.

Abbildung 9: Einblendung der Handlungsgrenzen "Nahbereich" und "Kritische Distanz" als Entscheidungshilfe beim Fahren unter den Bedingungen der verminderten Sicht

Die Funktionen zur Anzeige quantifizierter Handlungsgrenzen und zur Einblendung maßstabsgerechter eigener Manövrierkennwerte stellen eine prinzipielle Erweiterung der ARPA-Funktionalität dar. Die hier vorgestellten Anzeigefunktionen wurden im Rahmen der durchgeführten Akzeptanzanalyse von rund 50% der befragten Nautiker als sinnvolle Anwendungen für die Kollisionsverhütung bewertet.


4 Zusammenfassung

AIS-Daten sind im bordgestützten Kollisionsverhütungsprozess eine wichtige Ergänzung insbesondere zu den bisher verfügbaren ARPA-Daten. Neben den vielen Regularien zur ergonomischen Gestaltung der Nutzerschnittstellen im Bereich der Schiffsführung ist es notwendig, geeignete Anzeigefunktionen zur Unterstützung des Schiffsführers bei der Kollisionsverhütung zur Verfügung zu stellen. Die alleinige Anzeige von Symbolen und Vektoren entsprechend klassifizierter AIS-Ziele wird nur unwesentlich zur Erhöhung der Schiffssicherheit in der Relation Schiff-Schiff beitragen können. Die durchgeführte Analyse der Nutzeranforderungen belegt die Forderung zur Integration AIS-basierter Informationen in bestehende Displays (ECDIS und Radar). Die Informationsdarstellung im Minimum-Display ist keine Lösung.
Insbesondere für die Kollisionsverhütung sind Anzeigen erforderlich, die den verantwortlichen Nautiker bei der Situationseinschätzung und Entscheidungsfindung besser unterstützen und das Potential von AIS-Zieldaten weiter ausschöpfen. Mit den hier vorgestellten Vorschlägen für ergänzende und verbesserte Anzeigen in einem bordgestützten Kollisionsverhütungsdisplay wurden einige Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Wie die Ergebnisse der Nutzerbefragungen zeigen, konnte damit ein erster Beitrag zur Erreichung dieses Zieles erbracht werden.


5 Literatur und Referenzen

[1]IMO-Resolution MSC.74(69) Annex 3 "Recommendation on Performances Standards for an Universal Shipborne Automatic Identification System (AIS)". London 12. May 1998
[2]IMO-SN/Circ. 217:
Interim Guidelines for the Presentation and Display of AIS Target Information. London, 11 July 2002
[3]Elchlepp, F.; Kretzschmar, M.:
Katastrophen auf See - Die Seeunfälle der zivilen DDR-Schiffahrt. Neuer Hochschulschriftenverlag, Rostock, 1998
[4]Ordemann, F.:
Ursachen menschlichen Fehlverhaltens bei Schiffsunfällen. Schiff&Hafen, Heft 6, 1993
[5]Monteiro, Ed.:
(UAIS) Pre-Implementation Program: Cruise ship project report. Vancouver, 26.07.2001
[6]Motz, F.; Widdel, H.:
Ergonomic Design for Presentation of AIS-Information on Ships. Final Project Report on behalf of the German Ministry of Transport, Building and Housing Germany. Wachtberg, December 2000
[7]Baldauf, M.:
Ship operation and traffic monitoring: Radar- and GPS provide data on Positions and Movement. in: Schiff und Hafen, Issue 2 / 2002; Hamburg, January 2002
[8]Hilgert, H.; Baldauf, M.:
A common risk model for the assessment of encounter situations onboard ships. in: Maritime Collision and Prevention, Chiavari Publishing, Surrey, England. 1996
[9]The Royal Institute of Navigation:
Automatic Identification Systems (AIS) - A Report based on Presentation to Potential Users. London, October 2000