Beitrag Gralla

Ansatz zur teilautomatisierten Situationsanalyse für Seeunfalluntersuchungen

Reinhard Gralla, Bundesstelle für Seeunfalluntersuchung
Dr. Michael Baldauf, Hochschule Wismar - University of Technology, Business and Design; Fachbereich Seefahrt

  1. Einführung
  2. Ausgewählte methodische Aspekte zur Durchführung von Situationsanalysen
    1. Ausgangssituation
    2. Lösungsansatz zur Entwicklung eines universellen Analysetools
    3. Entwicklung eines universellen Analysetools
  3. Applikation des Analysemoduls und ausgewählte Ergebnisse
  4. Rekonstruktion des Seeunfalls auf einem Schiffsführungssimulator
  5. Zusammenfassung und Ausblick
  6. Literatur, Referenzen


1. Einführung

Praktisch seit Beginn der Seeschifffahrt besteht die Notwendigkeit, Seeunfälle zu untersuchen. Förmliche Untersuchungsverfahren wurden daher schon vor sehr langer Zeit eingeführt, um mögliche Unfallursachen zu ermitteln und aus den gewonnenen Erkenntnissen Maßnahmen zur Vermeidung ähnlicher Unfälle in der Zukunft abzuleiten. Entsprechend zahlreicher internationaler Übereinkommen besteht heute eine Verpflichtung, Seeunfälle zu untersuchen, um die Sicherheit der Schifffahrt zu erhöhen und die Gefahr von Meeresverschmutzungen zu reduzieren. In dem von der IMO verabschiedeten Code zur Untersuchung von Unfällen und Vorkommnissen auf See sind die internationalen Anforderungen detailliert festgelegt worden [2]. Die verbindliche Einführung dieser Normen, die künftig bei allen Unfällen von Seeschiffen anzuwenden sind, erfolgte letztlich mittels der EU-Richtlinien über das System zur Überprüfung des sicheren Betriebes von Ro-Ro-Fahrgastschiffen und Fahrgast-Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen im Linienverkehr. Diese internationalen und gemeinschaftsrechtlichen Verpflichtungen sowie die Rechtsvereinheitlichung in Anlehnung der Seeunfalluntersuchung an das Vorbild der Flugunfalluntersuchung waren die beiden Hauptgründe, für das neue Seesicherheits-Untersuchungs-Gesetz (SUG), welches am 20.06.2002 in Kraft trat.

Im Zuge dieser Entwicklung entstand die neu eingerichtete Bundesstelle für Seeunfalluntersuchung, deren Arbeit neben dem genannten SUG auch auf dem seit dem 1. Oktober 1998 gültigen Schiffssicherheitsgesetz (SchSG) basiert. Bei den Untersuchungen von Seeunfällen kooperiert die Bundesstelle eng mit den anderen nationalen Behörden, insbesondere den Einrichtungen der Wasser- und Schifffahrtsverwaltungen des Bundes und den Wasserschutzpolizeien der Länder. Eines der wichtigsten Projekte dieser Zusammenarbeit ist unter anderem die Entwicklung eines gemeinsamen Konzeptes für eine einheitliche Schiffsunfalldatenbank für die See- und Binnenschifffahrt. Im internationalen Rahmen arbeitet die BSU mit den anderen nationalen Behörden und Seeunfalluntersuchungs-Institutionen zusammen. In diesem Zusammenhang werden unter anderem auch gemeinsame Untersuchungsberichte veröffentlicht.

Über die Untersuchungsarbeiten und deren Ergebnisse berichtet die BSU in Jahresberichten, welche auch detaillierte statistische Auswertungen des umfangreich erhobenen Datenmaterials enthält (siehe u.a. [3]). Abbildung 1 zeigt beispielhaft die relativen Anteile verschiedener Unfallarten für das Jahr 2005. Ersichtlich ist der sehr große relative Anteil von Unfällen der Ereignisklasse "Kollision" mit den zwei Untergruppen "Kollision zwischen Schiffen" und "Kollision zwischen Schiffen und Objekten". Ohne daraus bereits eine statistische Tendenz abzuleiten, zeigt sich, dass im Vergleich zu den Vorjahresstatistiken, der relative Anteil in dieser Ereignisklasse nahezu konstant ist.

Abbildung 1: Relative Häufigkeiten der Unfallarten der von der BSU im Jahr 2005 gemeldeten, erfassten und bearbeiteten Vorkommnisse (Daten entnommen aus [3])

Die Jahresstatistik für 2005 im aktuell veröffentlichten Bericht verzeichnete unter anderem eine Zunahme bei der absoluten Anzahl der gemeldeten, erfassten und bearbeiteten schaden- oder gefahrenverursachenden Vorkommnisse. Mit Verweis auf die erst im Jahr 2002 aufgenommene Tätigkeit der BSU wird vermerkt, dass diese Steigerung vor allem noch auf das gestiegene Meldeaufkommen der Schiffsführungen und Reedereien zurückzuführen sei. Aus den bisherigen ganzjährigen Erfassungen seit dem Jahr 2003 aussagekräftige Tendenzen abzuleiten ist daher noch verfrüht.


2. Ausgewählte methodische Aspekte zur Durchführung von Situationsanalysen

2.1 Ausgangssituation

Hauptziel einer Seeunfalluntersuchung ist neben der Aufklärung der Ursachen von Seeunfällen die Erarbeitung von konkreten Sicherheitsempfehlungen, deren Umsetzung zur Erhöhung der Schiffssicherheit beitragen sollen. Auf der Grundlage verfügbarer Daten wird in der Regel der Versuch unternommen den Situationsverlauf zu rekonstruieren, um auf mögliche Ursachen schließen zu können.

Während früher oft nur mündliche Aussagen über den Unfallhergang erfasst und ausgewertet werden konnten, ist seit der Einführung von Aufzeichnungsfunktionen an Navigationsausrüstungen eine erste objektive Grundlage für die Situationsanalyse auf der Grundlage gemessener Situationsparameter, wie z.B. Aufzeichnungen von Ruderlagen oder von Soll- und Ist Maschinen-Drehzahlen möglich geworden. Zunehmend konnten auch die Aufzeichnungen von landgestützten Einrichtungen (Sprechfunkverkehr und Radartracks), insbesondere von VTS-Verkehrszentralen, als Basis für Seeunfalluntersuchungen genutzt werden.

Eine völlig neue Qualität stellte schließlich die Einführung der Ausrüstungspflicht mit einem Schiffsdatenschreiber (Voyage Data Recorder) auf allen unter die SOLAS-Konvention fallenden Neubau-Schiffe sowie die Pflicht-Nachrüstung bereits in Dienst befindlicher SOLAS- Schiffe ab 3000 BRZ mit vereinfachten Schiffsdatenschreibern (Simplified VDR) dar (siehe dazu auch [1] und [6]).

Die prinzipielle Verfügbarkeit verschiedener Datenquellen für objektivierte Situationsanalysen führte jedoch auch zu neuen Problemstellungen. Beispielhaft kann dafür die Aufzeichnungsfunktion von Elektronischen Seekartensystemen (ECDIS) stehen, welche herstellerseitig völlig unterschiedliche Datenformate, -inhalte und installations- und nutzerbedingt auch völlig unterschiedliche Datenumfänge aufzeichnen.


2.2 Lösungsansatz zur Entwicklung eines universellen Analysetools

Aus der skizzierten Ausgangssituation der unterschiedlichen Datenbasen ergibt sich die Problemstellung zur Entwicklung eines Lösungsansatzes für Situationsanalysen, die auf der Grundlage verschiedener Quellen durchzuführen sind. Die jeweiligen Datenquellen sind insbesondere durch die verschiedenen Formate und Intervalle der Aufzeichnungen gekennzeichnet. Die Einführung von Schiffsdatenschreibern wird das bestehende Problem nur partiell lösen, da es zwar Dateninhalte, -umfänge und intervalle definiert. Allerdings werden herstellerseitig verschiedene Codierungen bei der Aufzeichnung verwendet, so dass die Situationsanalyse auch weiterhin immer auf herstellerseitig vordefinierten Ausrüstungselementen, d.h. auf separaten Analyseeinrichtungen erfolgen muss.

Für die schnelle objektive Situationsrekonstruktion und eine objektive, auf gemessenen Situationsbeschreibenden Parametern basierenden Analyse, ist die zeitsynchrone Fusion verschiedener Datensätze in einem Analysesystem erforderlich. ZU diesem Zweck wurde am Fachbereich Seefahrt ein Konzept für ein teilautomatisiertes Analyse- und Visualisierungssystem entwickelt, dessen Grundstruktur in der folgenden Abbildung 2 dargestellt ist. Bei diesem generischen Ansatz wird davon ausgegangen, dass verschiedene Datenquellen nach einem Plausibilitätscheck zu zeitsynchronen Datensätzen in einem standardisierten Einheitsformat zusammengefasst werden und einem Visualisierungssystem zur variablen Wiedergabe der aufgezeichneten Datensätze zugeführt werden können.

Abbildung 2: Generische Struktur eines universellen Daten-Analysetools für Seeunfalluntersuchungen

Die Wiedergabe aufgezeichneter Daten soll dabei wahlweise in Abhängigkeit frei selektierbarer Datensätze in einer ECDIS - Umgebung, z.B. zur synchronisierten Darstellung von Trackverläufen oder in Form von frei konfigurierbaren Diagrammdarstellungen erfolgen.


2.3 Entwicklung eines universellen Analysetools

Das zuvor skizzierte Konzept wurde modellhaft für die Situationsrekonstruktion und -analyse eines konkreten Seeunfalls umgesetzt und zur Erstellung von parameterbasierten Detailanalysen verwendet. Ein wesentlicher zusätzlicher Aspekt der softwaretechnischen Umsetzung war die Berücksichtigung des bestehenden Anwendungspotentials des Maritimen Simulationszentrums. Insbesondere sollten bestehende softwaretechnische Basis-Lösungen z.B. zur Bewertung von Simulationsübungen [5] bei der Modulentwicklung berücksichtigt werden. Andererseits sollten neu entwickelte Module auch für die Nutzung im laufenden Simulatorbetrieb nutzbar sein.

Aufgrund des breiten Simulationsspektrums im Maritimen Simulationszentrums Warnemünde ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Rekonstruktion und zur Analyse von Prozessen und Situationsverläufen. Für den konkret betrachteten Fall einer Kollision während eines Überholvorganges auf einem Flussfahrwasser [4] wurden zunächst die im laufenden Bordbetrieb kontinuierlich aufgezeichneten Prozessdaten der installierten Navigationsausrüstung zur Analyse zur Verfügung gestellt. Für den konkreten Fall waren das keine Aufzeichnungen eines Schiffsdatenschreibers, sondern die Daten der bei den Unfallbeteiligten an Bord installierten ECDIS Systeme unterschiedlicher Hersteller.

Die verfügbaren Datensätze mussten im ersten Schritt zunächst teilweise manuell aufbereitet und auf Plausibilität getestet werden. Dabei wurden als ungültig definierte (Datensätze außerhalb des logischen Wertebereiches) oder doppelte, identische Datensätze eliminiert. Die zeitliche Synchronisierung erfolgte auf der Basis der verfügbaren GPS-Zeitstempel. Für die kontinuierliche Wiedergabe des zeitlichen Ablaufs der Bahnverläufe erfolgte ggf. eine Interpolation fehlender Datensätze bzw. eine manuelle Korrektur, wenn Datensätze z.B. mit logisch fehlerhaften Zeitstempeln vorhanden waren. Die in dieser Weise korrigierten Datensätze wurden nicht in die parameterbasierte Detailanalyse des Situationsverlaufes einbezogen.


3. Applikation des Analysemoduls und ausgewählte Ergebnisse

Mit der in einer Softwareapplikation beispielhaft umgesetzten Konzeption eines teilautomatisierten Analyse- und Visualisierungstools wurde eine detaillierte Situationsanalyse für den konkreten Situationsverlauf auf der Grundlage aufgezeichneter Daten durchgeführt. In Abbildung 3 ist beispielhaft die Nutzerschnittstelle des Analysemoduls für die Auswertung und Darstellung der Geschwindigkeitsverläufe der an der Situation beteiligten Fahrzeuge.

Im linken Teil können zunächst aus dem vorhandenen und aufbereiteten Datenvorrat die für spezifische Analysezwecke gewünschten Datensätze selektiert werden. Nach Abschluss und Bestätigung der Auswahl erfolgt im rechten Teil des Fensters die Visualisierung, der Analysedaten. Im oberen Diagramm werden dabei die raum- bzw. ortsbezogenen und im unteren Diagramm die zeitbezogenen Situations- und Analysedaten angezeigt.

Für den betrachten Fall sind oben die Trackverläufe und Schiffskonturen für den gesamten Analysezeitraum maßstabsgerecht dargestellt. In diese Diagrammdarstellung können wahlweise aus der ECDIS extrahierte Land- bzw. Fahrwasserkonturen, Seezeichen aber z.B. auch Radarlinien integriert werden.

Im unteren Diagramm sind die zeitabhängigen Geschwindigkeitsverläufe (über Grund) für den gesamten Analysezeitraum dargestellt. Für punktuelle Betrachtungen kann (über den Schieberegler, rechts) zu beliebigen Szenariozeitpunkten gesprungen werden und die Schiffskontur wird dann an der jeweiligen Trackposition eingeblendet. Der jeweils ausgewählte Zeitpunkt wird dann mittels einer grünen Linie im unteren Diagramm angezeigt, so dass die dazugehörigen konkreten Werte abgelesen werden können.

Beide Diagrammdarstellungen sind frei skalierbar. Die Anzeige konkreter alphanumerischer Werte ist auch mittels Positionierung des Mauszeigers an einem gewünschten Koordinatenpunkt des Graphen möglich.

Abbildung 3: Parameterbasierte Situationsanalyse - Darstellung der Trackverläufe in einem Kartesischen Koordinatensystem (rechts oben) und zeitlicher Verlauf der gemessenen Geschwindigkeiten über Grund (rechts unten)

Von besonderer Bedeutung für den hier betrachteten Fall einer Kollision während eines Überholmanövers war die Entwicklung des Abstandes zwischen den Fahrzeugen während der Annäherung.

Zu diesem Zweck wurden verschiedene Analyseoptionen implementiert, welche einerseits zunächst die Betrachtung der originären Positionsdaten (siehe Abbildung 4) zueinander und andererseits die Betrachtung der Abstandsentwicklung bezogen auf die tatsächlichen Schiffskonturen (Abbildung 5) ermöglichen.

Abbildung 4: Parameterbasierte Situationsanalyse - Auswertung des Abstandsverlaufs als berechnete Abstände zwischen Kollisionsgegnern von Sensor zu Sensor (optionale Berechnung z.B. auch zur bordgestützt verwendeten Systemposition)

Abbildung 5: Parameterbasierte Situationsanalyse - Auswertung des Abstandsverlaufs als berechneter jeweiliger minimaler Abstand von Bordwand zu Bordwand

Als weitere zusätzliche Option ist auch die Berechnung zu Seekartenobjekten realisiert worden. In dieser Weise ist beispielsweise auch die Analyse des Abstandes zur Radarlinie und damit eine objektive messwertgestützte Bewertung zur Einhaltung einer Fahrwasserseite möglich.

Abbildung 6: Parameterbasierte Situationsanalyse - Berechnete Abstände von Sensor-position des ausgewählten Schiffes zu einem ausgewählten Objekte (hier zu Radarlinie)

Wie an dieser Stelle beispielhaft dargestellt sind in das beispielhaft realisierte Analysetool weitere vielfältige Auswertungsoptionen implementiert worden, welche auf der Grundlage aufgezeichneter beliebiger Situationsparameter sehr detaillierte Betrachtungen zum Situationsverlauf ermöglichen.


4. Rekonstruktion des Seeunfalls auf einem Schiffsführungssimulator

Neben der umfangreichen Situationsanalyse anhand aufgezeichneter situationsbeschreibender Parameter wurden weiterführend auch vereinfachende Simulatorläufe mit vergleichbaren Fahrzeugen etwa vergleichbarer Dimensionen durchgeführt.

Diese durchgeführten experimentellen Untersuchungen zur Rekonstruktion des Situationsverlaufes an einem Schiffsführungssimulator (siehe Abbildung 7) zeigten bei vorgenommener weiterer Simulatorspezifischer Datenaufbereitungen eine gute Reproduzierbarkeit des vermuteten Sogeffektes. Weiterführende detailliertere Untersuchungen in Form von Szenariostudien mit Referenzbetrachtungen würden die aus der Datenanalyse erzielten Ergebnisse mit großer Wahrscheinlichkeit weiter stützen.

Hinsichtlich der teilautomatisierten Situationsanalyse besteht ein unmittelbarerer Vorteil des entwickelten Analyse- und Visualisierungstools darin, dass eine Kopplung mit dem Simulator mit geringem Aufwand realisiert werden konnte.

Abbildung 7: Rekonstruktion des Seeunfalls am Schiffsführungssimulator auf der Grundlage der für die Simulatornutzung speziell aufbereiteten aufgezeichneten Situationsdaten

Durch die Kopplung zu einem Schiffsführungssimulator ergeben sich damit methodisch weiterführende Möglichkeiten für referenzbezogene Untersuchungen z.B. durch systematische Variation der Einflussgrößen auf der Basis vergleichbarer Schiffsgrößen (MKW) sowie von Umgebungs- und Revierbedingungen. Darüber hinaus sind für die Gewinnung von Sicherheitsempfehlungen wie in diesem Fall von Bedeutung Untersuchungen zu unterschiedlichen Steuerstrategien von Interesse.

Mit der Implementierung des Situationsverlaufs auf einem Full-Mission Schiffsführungssimulator besteht weiterhin prinzipiell auch die Möglichkeit der ergänzenden Betrachtung des Human Factors, welcher die objektivierte Situationsanalyse anhand gemessener Parameter umfassender komplettieren kann. Solche Betrachtungen können insbesondere für die studentische Lehre und die berufliche Weiterbildung praktische wertvolle Anhaltspunkte liefern.


5. Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der Untersuchung von Seeunfällen sind unterschiedlichste Daten zum Situationsverlauf aufzubereiten und zur Rekonstruktion des Situationsverlaufes und zur Ermittlung möglicher Unfallursachen detailliert zu analysieren. Durch die Verfügbarkeit aufgezeichneter gemessener situationsbeschreibender Parameter besteht die Möglichkeit die Situationsanalyse auf einer objektiveren Grundlage zu erstellen, als dies allein auf der Grundlage mündlicher Aussagen von Unfallbeteiligten der Fall ist.

Eine der wichtigsten Problemstellung in diesem Zusammenhang ist die Konvertierung, die zeitliche Synchronisierung und Fusion der in großem Umfang aufgezeichneten Datenmengen und deren Aufbereitung für teilautomatisierte Detailanalysen.

Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen wurde ausgehend vom Entwurf einer generischen Struktur eines universellen Analysetools beispielhaft ein Softwaremodul zur teilautomatisierten Aufbereitung, Analyse und Visualisierung bordgestützt aufgezeichneter Situationsparameter realisiert und für die Detailanalyse einer konkreten Unfallsituation verwendet. Die Validität des Lösungsansatzes und die prinzipielle Realisierbarkeit konnten erfolgreich nachgewiesen werden. Der erzielbare Nutzen konnte im Rahmen der Anwendung des entwickelten Softwaremoduls erfolgreich demonstriert werden.


6. Literatur, Referenzen

[1]IMO: International Convention on the Safety of Life at Sea. SOLAS - Consolidated Edition, 2004. London, 22. July 2004
[2]IMO: IMO Resolution A.845(2): Code for the Investigation of Marine Casualties and Incidents. Twentieth Assembly Resolutions and other Decisions. IMO, London 1998
[3]Bundesstelle für Seeunfalluntersuchung: Jahresbericht 2005. Hamburg, Juni 2006
[4]Bundesstelle für Seeunfalluntersuchung: Untersuchungsbericht 45/04: Sehr schwerer Seeunfall: Kollision zwischen CMS COSCO Hamburg und CMS P&O Nedlloyd Finnland am 1. März 2004. Hamburg, 1. Februar 2006
[5]Baldauf, M.; Benedict, K.; Felsenstein, Ch.; Kirchhoff, M.: Computer-based Support for the Evaluation of Ship Handling Exercise Results. in: WMU Journal of Maritime Affairs, Vol. 5, No. 1, ISSN: 1651-436X, Malmö / Schweden February 2006
[6]Baldauf, M.: Voyage Data Recorder: Ausweitung der Ausrüstungspflicht auf in Fahrt befindliche Schiffe. in Schiff und Hafen (56), Heft 8 / 2004, Hamburg, August 2004