Beitrag 15

Ansatz zur computergestützten Bewertung von Trainingsergebnissen am Ship Handling Simulator im MSCW der Hochschule Wismar

Prof. Dr.-Ing. habil. Knud Benedict, Dr.-Ing. Christoph Felsenstein, Dipl-Ing. Matthias Herzig
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde

Kurzfassung
Abstract
  1. Grundschema zur automatisierten Aus- und Bewertung
  2. Beispiel Rückführmanöver
  3. Beispiel Bahnführungsmanöver
  4. Aus- und Bewertung Bahnführungsmanöver
  5. Zusammenfassung
Referenzen


Kurzfassung

Die Ausbildung und das Training an Simulatoren haben über die letzten Jahrzehnte immer mehr an Bedeutung gewonnen. Simulatoren nehmen weltweit eine wesentliche Rolle bei der verbesserten Aus- und Weiterbildung ein und werden in der STCW Konvention ausdrücklich empfohlen. Ein wesentlicher Aspekt ist die Aus- und Bewertung von Trainingsaufgaben an Schiffsführungs-Simulatoren, die von den Instruktoren vorgenommen wird. Am Maritimen Simulationszentrum Warnemünde (MSCW) wurden zwei Softwaretools entwickelt. Das "Surveillance Tool" überwacht während der Übung Risikoparameter und signalisiert dem Instruktor die Überschreitung bestimmter Kriterien. Gegenwärtig wird ein teilautomatisiertes Bewertungssystem für Simulationsübungen entwickelt. Mit Hilfe eines Tools werden ausgewählte Parameter während der Übung überwacht und die Ergebnisse im Anschluss an die Simulation nach entwickelten Algorithmen vom Tool bewertet. Teilergebnisse des Systems werden an konkreten Übungen vorgestellt.


Abstract

The role of simulators in the education and training of seafarers has become more important over the last decades. Simulators are now used for the purpose of improving knowledge and assessing competencies according to the STCW convention. One of the most important parts of the simulator exercise is the evaluation of trainee results by the instructor both during and after the training session. Two software tools have been created and implemented at the Maritime Simulation Centre Warnemünde. The first is the "Surveillance Tool", which is for calculating and checking a specific risk parameter during the run and to alert the instructor when certain thresholds are exceeded. The second tool is the "Evaluation Tool". This is still under development and will enable a detailed investigation by the instructor after the run within the replay data and at the same time facilitate the calculation of the final score for the student's performance based on measurement factors. Within this paper a brief overview of the principles of these methods are high-lighted and selected examples of applications are described to give an idea of exercise results.


1. Grundschema zur automatisierten Aus- und Bewertung

Im Rahmen des Forschungsprojektes "Entwicklung eines Werkzeugs zur computergestützten Bewertung an Schiffsführungs-Simulatoren - ComBew" wurden am MSCW erste Ansätze zu einer teilautomatisierten Bewertung erzielt, die bereits jetzt in Simulationsprogramme am Ship-Handling Simulator (SHS) versuchsweise implementiert wurden. Das System soll den Instruktor unterstützen, der mehrere Übungen am SHS auf bis zu vier Brücken gleichzeitig zu betreuen hat [1].
Zunächst wurde ein Konzept entwickelt, nach dem Bewertungsaufgaben, einem Grundschema folgend, einheitlich abgehandelt werden. Das Grundschema wird in Abb. 1 vorgestellt. In der Abbildung sind links die inhaltlichen und theoretischen Abschnitte für den Simulationsablauf enthalten, während auf der rechten Seite bewertungsrelevante Daten wie Parameter und Kriterien für die computergestützte Aufbereitung erfasst sind.

Aus der STCW werden die Zielstellungen selektiert, die den Umfang der ausgewählten Übung abgrenzen. Die Auswahl des Trainingsziels (Objective) steht im Ablaufplan an erster Stelle. Das Übungsziel bestimmt den Szenarioaufbau, in dem die Anforderungen nach STCW im Detail festgelegt werden. Im Briefing werden zwischen Instruktor und Trainee das Szenario und die Parameter und Kriterien abgestimmt, gegebenenfalls werden entsprechende Anpassungen vorgenommen. Während des Simulationslaufs überwacht das Surveillance Tool die Systemintegrierten Parameter. Gleichzeitig werden ausgewählte Messdaten während des Simulationslaufs gespeichert und nach vorgegebenen Kriterien im Anschluß der Übung vom Bewertungstool ausgewertet und nach einem übungsspezifischen Algorithmus bewertet. Im Debriefing können die Übung im Offline-Tool nachgefahren und somit die Ergebnisse im Replay nachvollzogen werden.

Unterschieden wird zwischen Referenz- bezogener Bewertung, bei der die Bahnführung des Schiffes mit einer zuvor gefahrenen und als "optimal" anerkannten Referenzbahn verglichen wird, und einer Grenzwert- orientierten Bewertung, bei der weg- und zeitbezogene Grenzwerte die Kriterien bestimmen. Nachfolgend werden je ein Beispiel für ein Referenzmanöver und Grenzwert- orientiertes Manöver vorgestellt.

Abb. 1: Grundschema Ablaufplan ComBew


2. Beispiel Rückführmanöver

Der STCW Code verlangt umfassende Kenntnisse und Fähigkeiten zur Durchführung von Such- und Rettungsmanövern. Der sogenannte Scharnow-Turn [2] wird im Notfall "Mann über Bord" als Rückführmanöver angewendet, wenn der Unfall erst im Nachhinein wahrgenommen wurde. Bei diesem Notmanöver kommt es darauf an, das Schiff schnellstmöglich und präzise auf seine ursprüngliche Ausgangsbahn zurückzuführen.

In Abb. 2 ist das Referenzmanöver zum Scharnow-Turn dargestellt. Das Manöver wird bei voller Geschwindigkeit mit drei Hartruderlagen gefahren. Bei Wahrnehmung des Unfalls wird sofort Hartruder gelegt und das Schiff auf den Drehkreis geführt. Bei Kursänderung von etwa 240° (genauer Wert aus den Manövrierunterlagen des Schiffes) wird Hart-Gegenruder gelegt, gleichzeitig der Überschwingwinkel ermittelt und vor Erreichen des Gegenkurses nochmals aufgestützt, bevor das Schiff auf die rückwärtige Ausgangsbahn einschwingt. Analog zum Grundschema wurden in Tab. 1 die Informationen an die konkrete Übung angepasst.

Area of Competencyco-ordinate search and rescue operations
Objectivesdetermination of accurate time and heading change for shifting the rudder and counter rudder
use of radar and GPS to observe position and marked plot for return
Scenario Designselection Scharnow-Turn STB
no further traffic
wind and current zero, sea 1
use of internal and external communication
Container vessel LOA 217 m, BOA 30 m, Draught 10 m loaded, at open sea. Alert of man over board. Immediately introduce Scharnow-Turn to STB, perform most accurate manoeuvre and take all necessary steps and record data. Use communication facilities (internal, external).
Assessment Parameterscourse, speed respectively change and overshoot angle
rudder angle
track, track deviation
time parameter
Assessment Criteriadeviation of opposite course from original track < 250m
time difference to reference returning point < 1 min

Tab. 1: Schema Szenario/ Parameter

Abb. 2: Referenzmanöver Scharnow-Turn

Abb. 3: Beispiel für Rückführmanöver eines Trainees

Je nach Ausführung des Manövers, in Abhängigkeit der zu berücksichtigenden Manövrierkennwerte, wird das Schiff auf eine Bahn zurückgeführt, die im optimalen Fall identisch mit der Ausgangsbahn ist (Referenzmanöver) oder auf parallelem Kurs zur Ausgangsbahn liegt. Die Bewertung findet im Vergleich mit dem Referenzmanöver im letzten Drittel der Übung statt, ob der Rückführungspunkt (Ruder mittschiffs) auf der Ausgangsbahn getroffen wurde bzw. in einem vertretbaren Abstand zur Ausgangsbahn liegt und das Zeitschema zur schnellstmöglichen Rückführung eingehalten wurde. Abb. 3 veranschaulicht die unterschiedliche Bahnführung zum Referenzmanöver.
Die Kriteriumsgrenzen richten sich nach der Erkennungsreichweite von Personen im Wasser in Abhängigkeit der Umweltbedingungen. Die in Tab. 2 dargestellten Werte stammen aus [3].

Single person without survival aid ConditionsDay-/nightIdentification
GoodDay0,45 nm
ModerateDay0,27 nm
Moderatetwilight0,12 nm
Goodnight0,05 nm
moderatenight0,11 nm (searchlight)

Tab. 2: Erkennungsreichweite in Abhängigkeit der Tages-/Nachtzeit und Sichtbedingungen

Parameterreference valuesTrainee valuesdeviation
Initial course359.4°359.5°+0.1°
initial speed21.5 kn22.1 kn+0.6 kn
time of hard rudder STB0:00 min0:00 min0:00 min
hard counter rudder to port at253.8° Heading247.6° Heading-6.2°
time of hard rudder port7:06 min6:52 min-0:14 min
overshoot angle9.7°10.5°+0.8°
Opposite Course/ Track (+180°)179.4°179.5°+0.1°
hard counter rudder to STB at190.5° Heading192.2° Heading+1.7°
time of hard rudder starboard10 min 14 sec9 min 48 sec-0 min 26 sec
cross distance to original track18 m147.2 m+129.2 m
time of rudder amidships11 min 2 sec10 min 40 sec-0 min 22 sec
Deviation from original track on return< 250 m (criteria)< 250 m (criteria)+129.2 m

Tab. 3: Ergebnisse Referenz- und Beispielmanöver und Abweichungen

Die Kriteriumsgrenzen bilden ein Rechteck, dessen obere Begrenzungslinie, senkrecht zur Ausgangsbahn, um zwei Schiffslängen vom Einleitungspunkt des Manövers zurück versetzt wird. Die Größe des Rechtecks richtet sich nach der Erkennungsreichweite aus Tab. 2. In vorliegendem Beispiel wurde das Schiff innerhalb der Kriteriumsgrenzen (hier 250m und weniger als 1 min Zeitdifferenz) auf seine Ausgangsbahn zurückgeführt. Gegenüberstellung der vom Tool berechneten Ergebnisse (siehe Tab. 3).


3. Beispiel Bahnführungsmanöver

Bei Lotsenansteuerung Simland-Western-Approach (Abb. 4) hat MV ROSTOCK entsprechend der angeordneten Lotsensequenz im TSS andere Schiffe zu überholen und sich hinter dem zuerst beim Lotsen eintreffenden Schiff DSR BALTIC einzuordnen. Die Lotsenposition soll innerhalb dreißig bis maximal vierzig Minuten erreicht werden. Anfangskurs 130°, Geschwindigkeit 24kn. Bei den Überholmanövern, mit sicherem Abstand zu den anderen Schiffen und nicht unter 2 kbl, und anschließend reduzierter Fahrt auf Ost-Kurs sind Wind aus NW und West- setzender Strom zu berücksichtigen. Der Bahnverlauf hat innerhalb des TSS zu erfolgen. Bei Ankunft Fahrtreduzierung zur Übernahme des Lotsen auf 6 kn. Objective und Szenario wurden in Tab. 4 angepasst.

Area of Competencyship manoeuvring and handling
ObjectivesPilot approach in TSS with other traffic and advised sequence for ETA.
Use of radar and GPS to observe position and safe distance to other vessels and fairway limits.
Scenario DesignOwn ship container vessel ROSTOCK, LOA 217 m, BOA 30 m, Draught 10 m loaded, on pilot approach. According to pilot schedule vessel No. 2.
further traffic East-Bound:
ferry MECKLENBURG-VORPOMMERN bound for Weser approach
Trawler SHARKY, acc. pilot schedule No. 4
RORO HOLMEN CARR., acc. pilot schedule No. 3
Cont. DSR BALTIC, acc. pilot schedule No. 1
further Traffic West-Bound: Bulk Carrier TERN, Pass. DEUTSCHLAND
wind NW 4Bf, current 270° 1kn, sea state 2
use of internal and external communication
MV ROSTOCK, according to pilot schedule,has to overtake other traffic vessels with safe distance > 2kbl and distance to TSS limits > 1kbl
Time schedule 30 min +/- 10 min
Assessment Parameterscourse, speed
rudder angle
distance to vessels/TSS-limits
EOT, propulsion
time parameter
Assessment Criteriasafe speed and distance
time schedule < 30 min +/- 10 min

Tab. 4: Schema Szenario/Parameter

Abb. 4: Bahnführungsaufgabe im TSS alle Schiffe

Abb. 5: Bahnführungsaufgabe im TSS Teilauszug ausgewählte Schiffe

Das am MSCW entwickelte Tool überwacht während der Übung Bahnverlauf und Abstand zu den anderen Schiffen und Wegpunkten zu jedem Messzeitpunkt. Die Messparameter wie Geschwindigkeitsverlauf, RPM, Kurs und Ruderlage werden über den Simulationszeitraum automatisch überprüft und können im Anschluss an die Übung in einer grafischen Darstellung in beliebiger Kombination abgebildet werden. Neben der Display-Gesamtansicht (Abb. 4) kann die Übung, nach ausgewählten Zeitfolgen gezoomt, am Bildschirm nachgefahren werden, indem der Cursor im Zeitfenster (Balken rechts) aktiviert wird. Dabei lassen sich die Abstände der Schiffe zueinander und zu den Begrenzungslinien des TSS im Detail verfolgen. Die zulässigen Annäherungsgrenzen, hier mit 1 kbl festgelegt, sind als Kriteriumsgrenzen um das Schiff markiert (Abb. 5). Analog zur Justierung des Zeitfensters bewegen sich die Schiffe auf ihren Bahnkurven, gleichzeitig indiziert der senkrechte Balken im unteren Zeitfenster für den Geschwindigkeitsverlauf die aktuelle Geschwindigkeit der Schiffe zum ausgewählten Zeitpunkt. Um 08:25, nach Abschluss der Überholmanöver, reduziert MS ROSTOCK seine Geschwindigkeit bei der Annäherung zur Lotsenstation und erreicht gegen 08:37 die Lotsenposition mit einer Geschwindigkeit von 6 kn. Im Zeitraffer kann nachvollzogen werden, ob die zulässigen Annäherungsgrenzen der Schiffe untereinander und zu den Begrenzungslinien des TSS während der Übung eingehalten wurden bzw. wann die Kriteriumsgrenzen mit Konsequenz eines Punkteabzugs unterschritten wurden. Die Simulationsergebnisse hinsichtlich Bahnverlauf und Zeitschema werden nach einem für die konkrete Übung entwickelten Algorithmus bewertet.


4. Aus- und Bewertung Bahnführungsmanöver

Für die Auswertung des Bahnführungsmanövers aktiviert der Instruktor die im Briefing festgelegten Kriterien und deren Grenzwerte im linken Fenster des Bewertungsdisplays, siehe Abb. 6 und Abb. 7. Der Sicherheitsabstand zu anderen Schiffen wurde hier auf 700 m erhöht, um die Überschreitung des Grenzwertes (horizontale Linie) und Auswirkung auf die Bewertung besser zu veranschaulichen. Anhand der ausgewählten Kriterien werden verschiedene grafische Ergebnisse generiert, die durch Auswahl dargestellt werden. Im speziellen Fall z.B. der Abstand zu den Fremdschiffen (Abb. 6) und die Einhaltung von vorgegebenen maximalen Ruderwinkeln (Abb. 7).

Abb. 6: Auswertung: Abstand zu Fremdschiffen

Abb. 7: Auswertung: Ruderwinkel

Die Bewertung der Übung erfolgt nach einem vorgegebenen Punkteschema. Die maximal erreichbare Anzahl der Punkte richtet sich nach dem vorgegebenen Zeitkriterium, z.B. nach Länge der Übung für 30 min +/- 10 min maximal 400 Punkte. Für jeden Fehler werden dann automatisch Strafpunkte abgezogen, gestaffelt je nach Wichten des Vergehens und Zeitdauer der Grenzwertüberschreitung. Im unteren rechten Fenster der Aus- und Bewertung werden die Fehler aufgelistet. Durch Mausklick wird die Fehlerstelle aufgerufen und in den Grafikfenstern zeitlich markiert (Abb. 7). Nach Abzug aller Fehlerpunkte wird vom Programm ein Performance-Index ermittelt, der dem Instruktor als Vorlage für die Benotung der Übung dient.


5. Zusammenfassung

Die Ausführungen veranschaulichen die Notwendigkeit zur Entwicklung eines computergestützten Bewertungsmodells. Nicht alle Aspekte, die vom Instruktor bei den vielfältigen Aufgaben im Schiffsführungsprozess zu berücksichtigen sind, können durch teilautomatisierte Systeme quantifiziert bewertet werden. Das System garantiert aber die Entlastung und Unterstützung des Instruktors, dem auch in Zukunft die übergeordnete Rolle zur Einschätzung der Leistungen der Studenten und Offiziere in der Aus- und Weiterbildung zufallen wird. Computergestützte Lösungsansätze versprechen die objektive Evaluierung und werden einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Anforderungen nach STCW 95 leisten.


Referenzen:

[1]BALDAUF, M.; BENEDICT, K.; FELSENSTEIN, C.; HERZIG, M.; "Compute-Based evaluation of ship-handling simulator exercise results", INSLC, California, July 2002
[2]BENEDICT, K.; HILGERT, H.; "Rückführung des Schiffes bei Mann-über-Bord-Unfällen", Part 1 HANSA, Hamburg, 1986
[3]HAHNE J.; TOBER H.; BRÜHE B; "Rettung aus Seenot", Deutscher Kommunal-Verlag , 1977