DE4423233A1 - System zur Erkennung, Quantifizierung, Steuerung und Überwachung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen in der bordautonomen und landgestützten Führung von Schiffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung, Quantifizierung, Steuerung und Überwachung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen in der bordautonomen und landgestützten Führung von Schiffen.

Seit langem wird versucht, die Sicherheit und Leichtigkeit des Seeverkehrs durch immer bessere und genauere Sensoren und Navigationssysteme zu erhöhen. Heutige integrierte Brücken- oder Navigationssysteme verfügen über moderne Radargeräte mit "Automated Radar Plotting Aid" (ARPA), die elektronische Seekarte "Electronic Chart and Information Display" (ECDIS), verschiedene Überwachungs- und Informationsdisplays "Conning and Information Display" (CID), ein automatisches Bahnführungssystem "Automatic Navigation and Track Keeping System" (ANTS) sowie über verschiedene Sensoren mit Alarmfunktionen bei Unter- oder Überschreitung vorgegebener Grenzwerte.

Allen Systemen ist gemeinsam, daß sie zwar sehr genau einen einzelnen Zustand, zum Beispiel eine Kollisionsgefahr, eine Abweichung von der Sollbahn, die Unterschreitung einer Mindestwassertiefe, Starkwind, hohe See, Strom, Stabilität, Trimm, Roll- und Stampfwinkel, Geschwindigkeit, Stoppstrecke beschreiben, aber keine zusammenhängende Erkennung, Quantifizierung und Überwachung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen vornehmen. Diese Aufgabe aber ist für die sichere Steuerung des Schiffsführungsprozesses unumgänglich, obliegt gegenwärtig allerdings ausschließlich dem Operateur (Wachoffizier, Kapitän, Lotse). Auch bei der landgestützten Führung von Schiffen durch Verkehrsleitzentralen wird eine derartige komplexe sicherheitsrelevante Quantifizierung und Überwachung des Mensch- Schiff-Umwelt-Systems nicht vorgenommen.

So werden die Ursachen für das Entstehen und den hohen Anteil subjektiv verschuldeter Seeunfälle, er liegt zwischen 80 und 85%, vor allem in dem unzweckmäßigen und nicht situationsgerechten Angebot handlungsregulierender Informationen und in der begrenzten Leistungsfähigkeit des Operateurs gesehen.

Er muß unter Zeitdruck aus der Vielzahl von Einzelereignissen bzw. Störungen die von ihm als sicherheitsrelevant erkannten Zustandsgrößen und ihre Interaktionen zu einem komplexen Abbild der Realität zusammenfügen, dieses Bild mit seinem Wissen und seinen Erfahrungen vergleichen und aus der Größe sicherheitsrelevanter Grenzwertüberschreitungen Steuerungsoperationen mit Handlungsprioritäten ableiten.

Fehleinschätzungen der Situation, das Übersehen handlungsrelevanter Signale, Erwartungsfehler und falsche Aktionsprogramme, mangelnde Übersicht und fehlende Möglichhkeiten zur Voreinschätzung von Gefahren kennzeichnen die gegenwärtige Situation.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die Erhöhung der Sicherheit des Seeverkehrs zu sorgen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Erkennung und Quantifizierung des Zustandes, in dem sich das gesamte Mensch-Schiff-Umwelt-System zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort befindet oder befinden wird, wobei sich der Zustand auf die ihn beschreibenden sicherheitsrelevanten physikalischen, hydrometeorologischen und geographischen Parameter als auch auf die durch den Menschen geprägten Leistungsmerkmale bezieht. Dazu werden die von Sensoren gemessenen Zustandswerte und andere die Situation beschreibende Merkmale in einer Datenverarbeitungsanlage erfaßt und in einer solchen Art und Weise verarbeitet, die ein sicherheitsrelevantes Abbild der aktuellen oder erwarteten Situation ergibt und die Überwachung bzw. Steuerung des Verlaufes von Sicherheitskenngrößen ermöglicht.

Zur Erkennung von potentiellen Gefahren oder hoher Risikobereiche wird der aktuelle Zustand mit einem Sollwert verglichen. Aus dem Soll/Ist-Vergleich werden die Interaktionen kritischer Sicherheitskenngrößen einzelner Zustände so bewertet, quantifiziert und nach Prioritäten geordnet, daß sich unter Berücksichtigung der Komplexität des Gesamtprozesses gewichtete Steuerungsoperationen zur Stabilisierung des Systems ableiten lassen. Alle Werte können aufgezeichnet werden und ergeben ein adäquates Bild des Verlaufes des Gefahrenpotentials bzw. der Risikohöhe über eine ganze Seereise, einen Reiseabschnitt oder/und einer besonderen Situation.

Für die Einschätzung und Überwachung des Gefahrenpotentials von Schiffen durch Verkehrsleitzentralen können die sicherheitsrelevanten Zustandsgrößen einzeln oder als Gesamtwert über Data Link übertragen und für die Steuerung des Verkehrsflusses genutzt werden.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 6.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung, den Zeichnungen und Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Abwandlungen der Ausführungsbeispiele kann der Fachmann vornehmen, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein integriertes Brücken- oder Navigationssystem mit der Anordnung eines automatischen Systems zur Erkennung, Quantifizierung, Überwachung und Steuerung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen in der bordautonomen Führung von Schiffen (ANRIS - Automated Navigation Risk Indication System).

Fig. 2 ein System zur Erkennung, Quantifizierung, Überwachung und Steuerung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen in der bordautonomen Führung von Schiffen mit einer Anzeigeeinheit (RIU - Risk Indication Unit).

Fig. 3 eine Datenverarbeitungseinheit an Bord mit Anzeigeeinheit, Simulationseinheit, Datenaufzeichnung, Prozeßschnittstellen und DataLink.

Fig. 4 ein System zur Erkennung, Quantifizierung und Überwachung sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen mit Datenkommunikation in Verkehrsleitzentralen zur Steuerung des Verkehrsflusses in küstennahen Seegebieten.

Ausführungsbeispiele

Das neue System kann sowohl an Bord zur sicheren Führung von Schiffen als auch in Verkehrsleit- bzw. -überwachungszentralen für die Steuerung des Schiffsverkehrs nach sicherheitsrelevanten Kriterien eingesetzt werden.

In bisherigen Brücken- bzw. Navigationssystemen müssen die Einzelinformationen über den Zustand von Sensoren, die Manövercharakteristik des Schiffes, hydrometeorologische und geographische Parameter, Bahnführungsdaten, die Radarsituation, physikalische Meßwerte und Leistungsmerkmale des Operateurs von ihm selbst zu einem komplexen Abbild der realen Situation, in dem sich das System Mensch-Schiff-Umwelt an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit befindet oder befinden wird, zusammengefügt werden. Dieses Abbild und die in ihm bestehenden oder zu erwartenden Interaktionen müssen unter Zeitdruck nach sicherheitsrelevanten und damit handlungsregulierenden Signalen abgesucht werden.

Diese Vorgänge sind notwendige Voraussetzungen für Steuerbefehle.

Das Fehlen objektiv notwendiger Informationen für die Handlungsregulation oder/und subjektive Fehler in der Nutzung vorhandener Informationen mit daraus erwachsenden Fehlhandlungen des Operateurs sind Hauptursachen von Verkehrsunfällen auf See.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, alle sicherheitsrelevanten Parameter des nautischen Fahrbetriebes in ihrer Einzelwirkung zu erfassen, mögliche Interaktionen zu berücksichtigen und den Gesamtzustand unter Beachtung von Sicherheitsprioritäten so zu quantifizieren, daß überwachungsfähige Kenngrößen für sichere Steuerungsoperation an Bord und an Land zur Verfügung stehen. Das System Mensch-Schiff-Umwelt wird einer kontinuierlichen Sicherheitsanalyse unterzogen und gestattet so eine wesentlich frühere Erkennung möglicher Gefahren als bisher. Der wohl entscheidende Vorteil der Erfindung ist, daß mit Hilfe eines Rechners alle sicherheitsrelevanten Meßwerte so verarbeitet werden, daß eine vorausschauende Beurteilung des Gefahrenpotentials möglich ist. Die ableitbaren Empfehlungen bzw. Steuerbefehle können sowohl auf See als auch an Land genutzt werden, um die Sicherheit und Leichtigkeit des Seeverkehrs zu erhöhen und den Anteil subjektiv verschuldeter Seeunfälle entscheidend zu senken.

In Fig. 1 ist ein Brückensystem dargestellt, in das die erfindungsgemäße Lösung integriert wurde. Sensorinformationen und andere manuell über eine Eingabeeinheit 5 eingegebenen Daten werden über einen Datenbus an eine Datenverteilungseinheit 2 geleitet, auf die die Datenverarbeitungseinheit 3 zurückgreift.

Bei bisher üblichen Lösungen werden alle Daten über die Datenverteilungseinheit 2 auf einen Datenbus 1 gegeben, der die Radargeräte 8, die elektronische Seekarte 7, das Überwachungsdisplay 6 und/oder andere Anzeigegeräte mit Einzelinformationen versorgt.

In der Datenverarbeitungseinheit 3 werden nunmehr alle Daten mit sicherheitsrelevantem Charakter analysiert, quantifiziert und zu einem überwachungsfähigen komplexen Zustandsbild des aktuellen Sicherheitsniveaus aufbereitet. Die analysierte Situation wird auf der Anzeigeeinheit 9 graphisch dargestellt und mit entsprechenden Empfehlungen für Steuerungsoperationen versehen. Solche Steuerungsoperationen sind vor allem Kurs-, Fahrt-, und/oder Tankorder 10 an die technischen Betriebssysteme 11 des Schiffes; es können aber auch andere prozeßtypische Operationen zur Verbesserung des Sicherheitsniveaus bzw. zur Reduzierung des Gefahrenpotentials sein. Über eine Simulations- und Planungseinheit 4 können Daten abgerufen oder eingegeben werden, um eine vorausschauende Sicherheitsplanung zu ermöglichen.

Das System ANRIS (Automated Navigation Risk Indication System) nach Fig. 2 verfügt über "Werkzeuge" 15 zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Gefahren, das für die Ableitung der Art und Größe der Steuerbefehle eingesetzt werden kann. Sensordaten 12 und manuelle Eingaben 13 werden der Datenverarbeitungsanlage 14 zugeführt, verarbeitet und in Form sicherheitsrelevanter Zustandsgrößen auf der Anzeigeeinheit 9 dargestellt. Diese enthält Angaben zum Grad der Komplexität des Prozesses, seine prozentualen Sicherheitswert und den Systemsicherheitswert. Sie geben über das Gefahrenpotential des Systems Schiff-Mensch-Umwelt Auskunft. Die Zustandswerte der einzelnen sicherheitsrelevanten Parameter werden ebenfalls angezeigt. Bei Unterschreitung eines festlegbaren Sicherheitsniveaus wird über eine dynamische Alarmschwelle ein Alarm ausgelöst. Er kann den Erfordernissen der Nutzer angepaßt werden. In einer zusätzlichen Information werden Empfehlungen für Steueroperationen gegeben und auf Anforderung kommentiert.

Alle Daten können in einer Datenspeichereinheit 16 aufgezeichnet werden. Über die Datenkommunikation 17 können die Zustandswerte an eine Verkehrsleitzentrale übermittelt werden. Denkbar ist eine Kopplung zwischen Indikationseinheit 9 und einer sogenannten Komperatoreinheit 22, wie in Fig. 3 dargestellt, die die Steuerbefehle 10 direkt an den Datenbus 1 und an die Schiffssysteme und -anlagen 11 übertragen kann.

Die Komperatoreinheit 22 ist Bestandteil der Datenverarbeitungseinheit und führt den Vergleich zwischen aktuellem und Sollzustand durch. Sie verwendet dazu den im Block aktuelle Situation 21 quantifiziert vorliegenden Prozeßzustand und den in einem Festwertspeicher ROM 20 gespeicherten Sollwert in Verbindung mit den in einem Arbeitsspeicher RAM 19 zwischengespeicherten flüchtigen Daten.

Fig. 4 zeigt den Datenaustausch zwischen einem Schiff 30 und einer Verkehrsleitzentrale 29. Die über DataLink 17 übertragenen Zustandswerte werden in einer solchen Weise verarbeitet, die die im Seegebiet vorhandenen Schiffe mit Prioritäten 24 versieht, die sich aus der Höhe des Gefahrenpotentials einzelner Schiff-Mensch-Umwelt-Systeme 25 ergeben und in Form einer Prioritätenliste 26 mit entsprechenden Empfehlungen (Anweisungen zur sicheren Schiffsführung) 27 versehen sind.

In der Verkehrsleitzentrale kann eine Einstufung in Gefährdungsklassen 28 vorgenommen und diese Klasse dem Schiff mitgeteilt werden.

Claims (7)

1. System zur Erkennung, Quantifizierung, Steuerung und Überwachung von sicherheitsrelevanten Zustandsgrößen in der bordautonomen und landgestützten Führung von Schiffen (Automated Navigation Risk Indication System - ANRIS)

• - durch eine an Bord des Schiffes befindliche Datenverarbeitungseinheit, die in der Lage ist, die von Sensoren übertragenen physikalischen und hydrometeorologischen Meßwerte sowie die manuellen prozeßtypischen Eingaben und Zustandsgrößen wie
  • - Kurs, Geschwindigkeit, Trimm, Tiefgang, Roll- und Stampfwinkel
  • - Wassertiefe, verfügbarer Manöverraum, Bahnbreite, Strom
  • - Position und Bahnabweichung
  • - Windstärke, Seegangsstärke, Sichtweite
  • - Zeit, Belastungsdauer, Vigilanz
  • - Verkehrsdichte, Art des Verkehrs
  • - Peilung, Distanz, Passierzeit und -abstand von Radarzielen hinsichtlich ihrer Sicherheitsrelevanz und ihrer Interaktionen zu erkennen, zu bewerten, als komplexe Sicherheitskenngrößen anzuzeigen und in Steueroperationen umzusetzen;
• - wobei Mittel vorgesehen sind für die Übertragung der Daten Schiff-Land und umgekehrt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit enthält:

• - wenigstens einen Rechner/Prozessor (CPU),
• - wengistens einen Speicher (RAM) zur Zwischenspeicherung veränderlicher Daten (wie Geschwindigkeit, Zustand des Seegebietes, Wetter, Verkehrslage),
• - wenigstens einen Speicher (ROM) zur Festwertspeicherung weitgehend unveränderlicher Daten (wie schiffstypische spezifische Daten, Sicherheitsgrenzwerte),
• - wenigstens einer Datenspeichereinheit,
• - wenigstens einem Datenübertragungsmittel für den bidirektionalen Datenaustausch zwischen Schiff und Land,
• - wenigstens eine Schnittstelle zum Datenbussystem eines Schiffes.

2. System zur Verarbeitung sicherheitsrelevanter, zustandsbeschreibender Meßdaten aus den Bereichen Mensch, Schiff und Umwelt, die zu einer Gesamtaussage über den aktuellen oder erwarteten Sicherheitszustand des gesamten Fahrprozesses logisch verknüpft und so verarbeitet werden, daß sie mit veränderlichen Daten aus dem Festwertspeicher (ROM), die die Sicherheitsgrenzwerte darstellen, verglichen werden können, wobei dieser Vergleich zu quantifizierten Meßgrößen des Gefahrenpotentials, der prozentualen Sicherheit, der Systemsicherheit, und der Zustände einzelner Parameter führen. Bei Überschreitung von manuell festlegbaren oder dynamisch gebildeten Grenzwerten werden Steuerbefehle bzw. Alarme angezeigt.
Alle Werte werden graphisch und/oder alpha-numerisch dargestellt und können auf verschiedene Displays übertragen und/oder auf Einzelanlagen angezeigt werden.

3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß kritische Zustände einzelner sicherheitsrelevanter und veränderlicher Parameter erkannt und angezeigt werden.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsgrenzwerte vom Nutzer verändert werden können oder Grenzwerte von Verkehrsleitzentralen neu bestimmt werden können.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgezeichneten Daten zu einer Analyse des Verlaufes von Gefahrenpotentialen und des Risikoverhaltens der Operateure über bestimmte Zeiträume und/oder Reisen/Reiseabschnitten ausgewertet werden und daß Seegebiete und/oder Schiffe mit aus den Analysen gewonnenen Daten einer sicherheitsrelevanten Bewertung unterzogen werden.

6. System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentrale (Verkehrszentrale oder andere Schiffsleitzentrale) in bidirektionalem Datenaustausch über Datenfernübertragungsmittel (DataLink und/oder Transponder) in Verbindung treten oder die Erfindung selbst auf der Grundlage von Einzeldatenübermittlung in derartigen Zentralen genutzt wird.