DE10164701B4

DE10164701B4 - Verfahren für ein Assistenzsystem zur Manöverprädiktion von Schiffen

Info

Publication number: DE10164701B4
Application number: DE10164701A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr.-Ing. Korte; Thomas Dr.-Ing. Buch; Cathleen Dipl.-Ing. Korte; Jürgen Prof. Dr.-Ing. Majohr; Matthias Dipl.-Ing. Wulf; Matthias Dr.-Ing. Markert; Hans-Dieter Dipl.-Ing. Kachant
Original assignee: MARINE und AUTOMATISIERUNGSTEC; MARINE-UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK ROSTOCK GmbH; Universitaet Rostock
Current assignee: Marine-Und Automatisierungstechnik Rostock Gmb De; Universitaet Rostock
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: DE10164701A1

Abstract

Verfahren für ein Assistenzsystem zur Manöverprädiktion von Schiffen, welches ein Bewegungsmodell des Schiffes benutzt und äußere Störgrößen, wie Wind und Strömung, berücksichtigt, wobei
– über eine elektronische Interface- und Bedieneinheit (22) die notwendigen Parameter der geplanten Bahn, welche sich aus der Topographie des Manövergebietes, entnommen aus einem elektronischen Seekartensystem, und der geplanten Bahn selbst ergeben, eingegeben werden,
– das Manövrierverhalten des Schiffes während der Fahrt durch Identifikation der Parameter des Bewegungsmodells des Schiffes in einer Rechnereinheit (23) ermittelt werden,
– ein Störungsmodell unter Einbeziehung der Topographie des Manövergebietes und von Störeinflüssen berechnet wird, wobei im noch zu durchfahrenden Manövergebiet externe Messeinrichtungen, wie im Revier stationierte Windsensoren (12) und Strömungssensoren (13), die aktuellen Störungseinflüsse aufnehmen,
– zur Ermittlung der zu erwartenden Manöverbahn eine Interaktion von Bewegungsmodell des Schiffes und Störmodell erfolgt, indem ein Drehmoment zu

und die Querkraft zu

berechnet wird,
– durch einen Regelalgorithmus in...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Assistenzsystem zur Manöverprädiktion für die Anwendung auf Schiffen, also zur Vorgabe von Manöverstellgrößen, Vorhersage der Manöverbahn und Überwachung des Manövers unter Berücksichtigung der aktuellen Manövriereigenschaften des Schiffes und der Umgebung einschließlich von Störungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Bewegung von Schiffen wird durch die Antriebsanlage, die Stellorgane für die Bewegungsrichtung, die hydrodynamischen Eigenschaften des Schiffskörpers in Interaktion mit dem umgebenden Wasser und Wasserbauwerken und durch die Wirkung von externen Störungen, wie Wind und Wasserströmung beeinflusst. Besonders in engen Revieren, wie Hafenansteuerungen, sind die Anforderungen zur Führung eines Schiffes besonders hoch, da eine hohe Genauigkeit der Bahneinhaltung bei niedrigen Geschwindigkeiten gefordert wird. Unvorhergesehene Störungen stellen eine besondere Herausforderung dar. Oft können nur externe Berater, wie Lotsen oder VTS-Systeme ein sicheres Manövrieren gewährleisten.
Zur Unterstützung der Schiffsführung bei der Manövrierung von Schiffen sind eine Reihe von technischen Mitteln bekannt, die den Bewegungszustand, die am Schiff wirkenden Störungen und die Topographie der Umgebung darstellen. Insbesondere betrifft dies Einrichtungen, die Mess- oder Erfahrungswerte von revierbezogenen Störgrößen wie Wind oder Strömung an eine Revierzentrale weiterleiten, rechentechnisch verarbeiten und in einer entsprechenden Anzeigeeinheit dem verantwortlichen Operateur darstellen. Dieser zieht daraus Schlussfolgerungen und gibt Handlungsempfehlungen an betreffende Fahrzeuge. Andere Einrichtungen, wie z.B. das LOPOS-System, siehe DE 195 40 550 A1 , geben solche Information über eine geeignete Telemetrieeinrichtung auf ein Anzeigegerät auf Schiffen an einen revierkundigen Nautiker. Dieser kann dann gestützt durch seine Erfahrungen entsprechende Handlungen einleiten. Ein System namens ANRISS, siehe DE 44 23 233 A1 , das aus einer umfangreichen Reihe von Schiffsbetriebsdaten und Messgrößen Handlungsempfehlungen ableiten will, verarbeitet keine bordexternen Strömungsinformationen. ANRISS will durch die Datenauswertung lediglich Gefahrenpotentiale erkennen und durch Warnungen/Empfehlungen den verantwortlichen Nautiker sensibilisieren.
Eine Auswertung von mathematischen Dynamikmodellen der Schiffe in Wechselwirkung mit der Gewässertopografie erfolgt in einem vorhandenen Prädiktionssystem zur Bewertung von Manöverfolgen ( DD 251 832 A1 ). Die Auswertung erfolgt mit dem Ziel einer Optimierung von Manöverzeit, Treibstoffverbräuchen und Stellaktivitäten. Dabei werden insbesondere dynamische Störungen wie Wind und Strömung sowie die Handlungen des Schiffsführers auf solche Störungen nicht berücksichtigt.
Eine völlig andere Arbeitsweise besitzen Regelsysteme, wie sie in Einrichtungen zum selbsttätigen Positionieren von Schiffen DE 25 28 073 02 oder in Bahnregelsystemen von Schiffen nach DE 41 10 249 A1 oder DE 198 03 078 A1 verwendet werden. Ihre Zielstellung ist die Entlastung des Schiffsführers von der stupiden zeitaufwendigen Arbeit der Korrektur des Bewegungsprozesses mittels Stellaufwendungen infolge geplanter oder gestörter Prozessänderungen. Durch eine permanente Prozessüberwachung sollen dabei die Störauswirkungen unterdrückt werden. Diese Systeme können aus vergangenen Messwerten zwar ihre Eigenbewegung und den aktuellen Prozesszustand gut erfassen, eine Vorschau auf bevorstehende Bewegungsabläufe bleibt ihnen in Ermangelung externer dynamischer Störungen versagt.
Die Auslegung der Stellgrößen zur Ausführung von Manövern und die Einschätzung der im Manövergebiet wirkenden Störungen werden überwiegend der Erfahrung der Schiffsführung überlassen. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur automatischen Manövervorhersage (-prädiktion) von Schiffen in einem Strömungs- oder Windfeld mit (oder aber auch ohne) deutlichem Gradienten zu schaffen. Die Zielstellung eines solchen Prädiktors besteht in der Vorhersage der notwendigen Stell- und Prozessgrößen im Vorfeld einer kritischen Passage, wobei das System dem Schiffsführer mit der Bereitstellung solcher Daten bei dessen Entscheidungsfindung behilflich sein soll. Durch das zu entwickelnde System sollen Daten bereitgestellt werden, welche gemessene und abgeleitete Störgrößen sowie die berechneten Prozess- und Stellgrößen in zeitlicher Zuordnung sind.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Bewegungsmodell des Schiffes benutzt wird und äußere Störgrößen, wie Wind und Strömung, berücksichtigt werden, wobei

– über eine elektronische Interface- und Bedieneinheit (22) die notwendigen Parameter der geplanten Bahn, welche sich aus der Topographie des Manövergebietes, entnommen aus einem elektronischen Seekartensystem, und der geplanten Bahn selbst ergeben, eingegeben werden,
– das Manövrierverhalten des Schiffes während der Fahrt durch Identifikation der Parameter des Bewegungsmodells des Schiffes in einer Rechnereinheit (23) ermittelt werden,
– ein Störungsmodell unter Einbeziehung der Topographie des Manövergebietes und von Störeinflüssen berechnet wird, wobei im noch zu durchfahrenden Manövergebiet externe Messeinrichtungen, wie im Revier stationierte Windsensoren (12) und Strömungssensoren (13), die aktuellen Störungseinflüsse aufnehmen,
– zur Ermittlung der zu erwartenden Manöverbahn eine Interaktion von Bewegungsmodell des Schiffes und Störmodell erfolgt, indem ein Drehmoment zu
und die Querkraft zu
berechnet wird,
– durch einen Regelalgorithmus in der Recheneinheit (23) Stellgrößen berechnet werden, die bei ihrer Einstellung zur Einhaltung der zu erwartenden Manöverbahn führen und
– in zeitlicher Folge die berechneten Stell- und Prozessgrößen auf der elektronischen Interface- und Bedieneinheit (22) dargestellt werden.

Es lassen sich die in 2 relevanten Fälle der Strömungsbeeinflussung auf das Schiff ableiten.
Im MAPSYS-Rechner 23 wird die zu erwartende von der Schiffsposition abhängige Strömungsbeeinflussung kalkuliert und damit das aktuelle Bewegungsmodell des Schiffes beaufschlagt.
Aus einer elektronischen Interface- und Bedieneinheit 22 erhält der MAPSYS-Rechner die notwendigen Parameter der vom Schiffsführungspersonal gewünschten Sollbahn. Der Wirkung der Störung auf die Manöverbahn des Schiffes soll durch geeignete Eingriffe der Manöverstellorgane entgegengewirkt werden. Dazu wird die zu erwartende Manöverbahn sowie der für dieses Manöver notwendige Stelleingriff durch einen Rechenalgorithmus entsprechend 4 berechnet, der der zu erwartenden Störung im Vorhersagegebiet entgegen wirkt, und in zeitlicher Folge auf der Interfaceeinheit 22 dargestellt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass alle verfügbaren Informationen über das Manövrierverhalten des Schiffes, über das Manövergebiet und über die äußeren Störeinflüsse für die automatische Generierung der Stellgrößen berücksichtigt werden und dann dem Schiffsführungspersonal angezeigt werden. Durch Simulation wird mit Hilfe der im Vorfeld ermittelten Strömungssituation an der kritischen Passage und der aktualisierten Bewegungsmodell-Parameter des Schiffes ein notwendiger (nahezu realistischer) Prozessverlauf erzeugt, der zu dessen Realisierung benötigt würde. Der verantwortliche Schiffsführer wird dadurch in die Lage versetzt, vorab Kenntnis über die Manövrierreserve im kritischen Revierabschnitt zu erhalten, das Manöver gegebenenfalls zu unterlassen oder beim Durchfahren des Revierabschnittes durch den angezeigten Soll-Ist-Vergleich nur auf Restfehler reagieren zu müssen. Hier unterscheidet sich das System von praxisüblichen Prädiktoren, in denen allein auf der Basis der aktuellen Bewegungsgrößen eine Vorausberechnung der Schiffsbahn erfolgt. Das Problem der erwarteten Beeinflussung durch den Schiffsführer während der Passage der kritischen Revierabschnitte wird durch das Verfahren gelöst. Es simuliert die zu erwartende durch den Steuermann aktiv beeinflusste Bewegung des Schiffes in der bevorstehenden kritischen Passage mit aktuell abgerufenen Störgrößendaten.
Unter Hinzufügung von Warneinrichtungen und unter Berücksichtigung von Vorschriften zur Zulassung ist ein automatischer Eingriff des Assistenzsystems auf die Manöverstellorgane möglich. Die Einrichtung arbeitet dann als eine Bahnregeleinrichtung mit Störgrößenkompensation.
[Beispiele]
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen
1a: System-Bestandteile Revierkomponente
1b: System-Bestandteile Bordkomponente
2: Arten der relevanten Strömungsbeeinflussung

a) konstanter Strom
b) Strömungsgradient
c) Strömungskante

3: Aufgabenstruktur des MAPSYS-Rechners 23
4: Blockschaltbild des Prädiktionsalgorithmus
1a und Fig. b zeigen den hardwaretechnischen Aufbau des Gesamtsystems. Die Revierkomponente, deren Sensoren 12, 13 üblicherweise in einem für die Schifffahrt kritischen Revierabschnitt installiert sind, verarbeitet in einer Rechnereinheit 14 die Sensor- und Informationsdaten zu definierten Störmodelleingangsdaten und stellt diese zum Abruf bereit. In der Minimalkonfiguration besteht die Revierkomponente aus lediglich einem geeigneten Strömungsmesser 13. Bei Änderung der Messdaten oder Informationen aus elektronischen Medien 11 werden die Modelleingangsdaten entsprechend aktualisiert. Nach Anforderung der Daten von einer fahrzeuggebundenen Telemetrieeinheit 21 werden die Modelleingangsdaten des Störmodells 44 über die reviergebundene Telemetrieeinrichtung 15 an die Bordkomponente übertragen. Im Ausführungsbeispiel ist als Datentelemetrieeinrichtung jeweils ein GSM-Modem, das auf D2-Netz-Basis arbeitet, verwendet worden.
In der anfordernden Bordkomponente, 1b, wird ein revierbezogenes Störgrößenmodell 44 mit den empfangenen Eingangsdaten gespeist und erzeugt in der MAPSYS-Rechnereinheit 23 ein positionsabhängiges Störgrößenfeld Q(φ, λ).
Als Bedien- und Interfaceeinheit 22 dient ein Seekartenrechner (ECDIS), der mit dem MAPSYS-Rechner 23 über einen Daten-Link verbunden ist. Dieser Seekarten-Rechner ist üblicherweise in integrierten Brückensystemen vorhanden und wird mit einem gesonderten Software-Tool ausgestattet, um die Prädiktions-Anlage bedienen und die Ergebnisse anzeigen zu können. Der MAPSYS-Rechner ist über einen Datenbus mit einer Interface-Einheit 24 verbunden, die die Signale der Bordsensoren 25 und der Stellglieder 26 in digitale Signale umwandelt und bereitstellt.
In der ECDIS wird durch das Schiffsführungspersonal eine Sollbahn geplant. Die entsprechenden Bahn- und Bewegungsparameter werden an den MAPSYS-Rechner via Datenlink übertragen. Dieser ordnet den Sollbahnpositionen entsprechende Störgrößenwerte aus dem Störgrößenfeld Q(φ, λ) zu und sendet diese zurück an den ECDIS-Rechner, um die Störgrößen in der Seekarte darzustellen.
Erweist sich die Berechnung des Störgrößenfeldes als zu komplex, kann analog zu dem oben beschriebenen Weg das Störgrößenfeld Q(φ, λ) in der revierbezogenen Rechnereinheit 14 bestimmt werden. Dann fordert die Fahrzeugeinheit, 1b, über die Telemetrieeinrichtung 21 die Störgrößendaten mit der Übermittlung der Sollbahn-Parameter ab. Die Zuordnung der Störgrößenparameter auf entsprechende Sollbahnpunkte erfolgt durch den revierbezogenen Rechner 14, der diese Zuordnung über die Telemetrieeinrichtung 15 seinerseits an das Fahrzeug sendet.
3 zeigt die Aufgabenstruktur des MAPSYS-Rechners. Er überwacht die Schnittstellen zu den Bordsensoren für eine Aktualisierung des Bewegungszustandes und zum ECDIS-Rechner, von dem er die Steuerbefehle und Bahnvorgabegrößen erhält. Wird das System über diese Interfaceeinheit 22 vom Anwender aufgefordert eine entsprechende Prädiktion auszuführen, baut das System einen Datenlink zum externen Störungsmess- und Informationssystem auf, fordert die aktuellen Modelleingangsdaten ab und berechnet die Störgrößenwerte entlang der geplanten Sollbahn im Störmodellblock 44.
Zur Gewährleistung des Wahrheitsgehaltes der Prädiktion werden die Schiffsmodellparameter durch Identifikation aus gemessenen Bewegungsgrößen gewonnen. Der Identifikator 43 sammelt dazu in einem Puffer alle Messgrößen nach ausreichender Anregung durch die Stellorgane 26. Unter Verwendung eines geeigneten Schätzverfahrens ermittelt dieser die Modellparameter des Schiffsdynamikmodells. Damit wird der Wirklichkeitsgrad des Modells der wirksamen Physik angepasst. Die Modellparameter werden nach Aktualisierung an den Prädiktionsblock 42 übergeben.
Die Prädiktion des Manövers erfolgt im Ausführungsbeispiel mit einem Regelalgorithmus. Insbesondere ist dieser als doppelt rückgeführter Regelkreis realisiert worden, siehe 4, um die Fehler, die durch Verwendung eines nichtoptimalen Regler entstanden sind, zu kompensieren. Sind größere Abweichungen von der geplanten Bewegung zulässig, kann auch ein einfacher Regelkreis unter Verwendung eines robusten Reglers, der die Bandbreite möglicher Bewegungsmodellparameter abdeckt, zur Manöverprädiktion dienen. Der Ausgang des Prädiktionsblocks 42 liefert die empfohlenen Stell- und Bewegungsgrößenverläufe als Ergebnis der im Eingang anliegenden Bewegungssollgrößen und der wirksamen Störgrößen.

11: Modem für Internet-Anschluss
12: im Revier stationierte Windsensoren
13: im Revier stationierte Strömungssensoren
14: revierbasierte Rechnereinheit
15: revierbezogene Telemetrieeinheit
21: schiffsbezogene Telemetrieeinheit
22: Bedien- und Auswertekonsole mit entsprechenden Programmen, vorzugsweise ECDIS
23: MAPSYS-Rechnereinheit
24: Feldbusknoten
25: bordeigene Bewegungs- und Störgrössensensoren /1 Windsensor /2 Kursmesseinrichtung /3 Geschwindigkeitsmesseinrichtung /4 Loteinrichtung /5 Positionsmesseinrichtung
26: Bewegungsstellglieder des Schiffes /1 Strahlruder /2 Hauptvortriebseinrichtung /3 Kursstelleinrichtung
41: Bahnüberwachungsmodul
42: Prädiktionsmodul
43: Modellidentifikator
44: Störgrössenmodul
51: Vergleichsstelle der Vorsimulationsstufe
52: Regermodell der Vorsimulationsstufe
53: Schiffsmodell der Vorsimulationsstufe
54: Vergleichsstelle des Prädiktionsregelkreises
55: Reglermodell des Prädiktionsregelkreises
56: Schiffsmodell des Prädiktionsregelkreises

Claims

Verfahren für ein Assistenzsystem zur Manöverprädiktion von Schiffen, welches ein Bewegungsmodell des Schiffes benutzt und äußere Störgrößen, wie Wind und Strömung, berücksichtigt, wobei – über eine elektronische Interface- und Bedieneinheit (22) die notwendigen Parameter der geplanten Bahn, welche sich aus der Topographie des Manövergebietes, entnommen aus einem elektronischen Seekartensystem, und der geplanten Bahn selbst ergeben, eingegeben werden, – das Manövrierverhalten des Schiffes während der Fahrt durch Identifikation der Parameter des Bewegungsmodells des Schiffes in einer Rechnereinheit (23) ermittelt werden, – ein Störungsmodell unter Einbeziehung der Topographie des Manövergebietes und von Störeinflüssen berechnet wird, wobei im noch zu durchfahrenden Manövergebiet externe Messeinrichtungen, wie im Revier stationierte Windsensoren (12) und Strömungssensoren (13), die aktuellen Störungseinflüsse aufnehmen, – zur Ermittlung der zu erwartenden Manöverbahn eine Interaktion von Bewegungsmodell des Schiffes und Störmodell erfolgt, indem ein Drehmoment zu
und die Querkraft zu
berechnet wird, – durch einen Regelalgorithmus in der Recheneinheit (23) Stellgrößen berechnet werden, die bei ihrer Einstellung zur Einhaltung der zu erwartenden Manöverbahn führen und – in zeitlicher Folge die berechneten Stell- und Prozessgrößen auf der elektronischen Interface- und Bedieneinheit (22) dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Seekarte auf der Rechnereinheit (23) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Seekarte von externen Einrichtungen über dafür vorgesehene Kommunikationskanäle aktuell bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Rechnereinheit (23) ermittelten Stellgrößen nach Quittierung durch den Bedienenden direkt auf die Manövrierorgane des Schiffes zur Wirkung gebracht werden und die Restfehler der Bewegungsgrößen durch eine Regeleinrichtung automatisch kompensiert werden.