- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Maciej Gucma,
Stanisław Gucma
Badania rzeczywiste prototypów
pilotowych systemów nawigacyjnych
zbudowanych w Akademii Morskiej w Szczecinie
Słowa kluczowe: optymalizacja informacji, pilotowy system nawigacyjny
W artykule przedstawiono metodę badań rzeczywistych pilotowych systemów nawigacyjnych (PNS) oraz parametry prototypu PNS zbudowanego po drugim etapie optymalizacji.
The Results of Research into Prototypes
of Pilot Navigation Systems Designed
at the Maritime University of Szczecin
Key words: optimization of information, pilot navigation system
This article presents a method of pilot navigation systems research and the parameters of a PNS prototype developed after the second stage of optimization.
93
Maciej Gucma, Stanisław Gucma
Wprowadzenie
Nawigacja na akwenach ograniczonych nazywa się często nawigacją pilotażową lub pilotową. W procesie nawigacji na akwenach ograniczonych, ze
względu na szybkie zmiany położenia statku w stosunku do obiektów brzegowych, pozycję obserwowaną i zliczoną nie wyznacza się na mapie nawigacyjnej,
tak jak przy nawigacji na akwenach nieograniczonych i przybrzeżnych. Położenie statku określane jest przez prowadzącego statek pilota czy kapitana. W procesie prowadzenia nawigacji pilotowej pilot może być wspomagany przez pilotowe systemy nawigacyjne (PNS).
Obecnie na świecie produkowanych jest kilka rozwiązań pilotowych systemów nawigacyjnych. Systemy te zbudowane są na podstawie ECS (systemy
map elektronicznych) lub ECDIS (systemy zobrazowania map elektronicznych
i informacji nawigacyjnej), który jest szczegółowym rozwiązaniem systemu
ECS. Charakteryzują się one tym, że statek zobrazowany jest na mapie elektronicznej w postaci obrysu nazywanego „umowną wodnicą”. Dokładność PNS
zależy od zastosowanego systemu pozycjonowania i waha się od 1 – 20 m.
Podstawowymi wadami współcześnie produkowanych PNS są:
– prezentowana informacja nie jest informacją optymalną, co powoduje
niepełne jej wykorzystanie oraz trudności związane z jej przyswojeniem
przez pilota;
– brak specjalnych zobrazowań względem brzegu, względem osi toru itp.,
przydatnych w nawigacji pilotażowej;
– brak optymalnego interfejsu użytkownika;
– brak systemu predykcji manewru.
Wady wynikają z tego, że systemy te były jedynie modernizacją systemów
pracujących na akwenach nieograniczonych (ECS lub ECDIS) dla potrzeb pilotażu i nie zostały opracowane metodami naukowymi.
Zespół naukowców Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szczecinie w ramach projektu celowego, współfinansowanego przez Ministerstwo
Edukacji i Nauki oraz armatora Euroafrica Linie Żeglugowe, podjął się opracowania optymalnego rozwiązania pilotowego systemu nawigacyjnego.
Podstawowe problemy badawcze rozwiązywane przy budowie PNS można
sformułować następująco:
1. Konfiguracja odpowiedniego podsystemu pozycjonowania spełnia wymagania:
 systemu stacjonarnego PNS,
 systemu przenośnego PNS.
94
Badania rzeczywiste prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych …
2. Budowa mapy elektronicznej w formacie przystosowanym do prowadzenia nawigacji pilotażowej.
3. Budowa optymalnego systemu zobrazowania informacji w PNS.
4. Budowa optymalnego interfejsu użytkownika zaprojektowanego specjalnie dla pilotów posługujących się PNS.
5. Budowa systemu predykcji dla:
 systemu stacjonarnego PNS,
 systemu przenośnego PNS.
Badania optymalizacji informacji prezentowanej na wskaźniku PNS oraz
optymalnego rozwiązania interfejsu użytkownika przeprowadzono wykorzystując, specjalnie opracowaną w 3 etapach, metodę optymalizacji. Etapami tej metody są:
1) badania eksperckie,
2) badania symulacyjne,
3) badania rzeczywiste.
Ideą opracowanej metody była budowa prototypu PNS w oparciu o uzyskane wyniki po zakończeniu każdego etapu badań. Zbudowany prototyp był badany w następnym etapie badań. Po etapie trzecim badania prototypu były zakończone i PNS wchodził w etap projektowania i produkcji.
1. Założenia badań rzeczywistych
Użytkownik pilotowego systemu nawigacyjnego (PNS) podczas prowadzenia nawigacji na akwenach ograniczonych wymaga specjalnie zaprojektowanego
interfejsu. Należy mu również dostarczyć odpowiednio przygotowaną i zaprezentowaną informację nawigacyjną [2].
Jednym z elementów systemu PNS, podlegającemu ocenie w trakcie rzeczywistych badań weryfikacyjnych, jest interfejs użytkownika.
Ocena systemu przez użytkowników polega na zebraniu opinii od reprezentatywnej grupy rzeczywistych użytkowników, którzy znają system, jego możliwości oraz są ekspertami w dziedzinie, w jakiej system ma być wdrożony. Stosuje się następujące metody zbierania danych [3]:
– Obserwacja systemu przez użytkownika. Ta metoda pozwala na sporządzenie ankiety.
– Rejestracja na taśmie wideo pracy użytkownika z danym systemem. Pozwala ona na pozyskanie danych ilościowych i jakościowych, opisujących jakość pracy. Jest to metoda autonomiczna, nie ingerująca w proces interakcji.
95
Maciej Gucma, Stanisław Gucma
– Kwestionariusze. Dają one możliwość zebrania opinii użytkowników,
co do jakości i funkcji interfejsu. Ta metoda jest jedną z częściej stosowanych. Jest to metoda nieautonomiczna, która pozwala jedynie na zebranie danych po zakończeniu procesu interakcji.
– Wywiady. Przeprowadzane są z użytkownikami według ustalonego scenariusza lub bez ustalonej scenariuszem sztywnej struktury pytań. Zapewniają one prowadzącemu znaczną elastyczność w analizie wybranych zagadnień jakości.
– Automatyczne monitorowanie interakcji z systemem. Monitorowanie interakcji jest oparte na rejestracji zdarzeń wewnątrz systemu z użyciem
programu rejestrującego, podczas gdy użytkownicy obsługują system.
Metoda autonomiczna.
Wybór oraz dostosowanie powyższych metod stanowi ważny element
w badaniach nad użytecznością konkretnego interfejsu. Konkretne rodzaje systemów z określonymi interfejsami wymagają szczegółowo opisanych metod
pozyskania wiedzy eksperta.
Ostatnie kierunki badań w tym zakresie [1, 4] wskazują na coraz większe
znaczenie metod autonomicznych (rejestracji wideo i monitorowania interakcji).
Metody nieautonomiczne, przede wszystkim kwestionariusze, pozostają jednak
wciąż miarodajnym środkiem pozyskiwania informacji o pracy z GUI.
Stwierdzono, że najlepsze wyniki daje połączenie metod autonomicznych
z nieautonomicznymi [4]. Taka kombinacja zapewnia pozyskanie informacji
o pracy z interfejsem zarówno mierzalnej (np.: dla monitorowania interakcji –
stopień wykonania zadania, jego jakość), jak i niemierzalnej (np.: indywidualne
odczucia eksperta odnośnie koloru, rozmieszczenia elementów itp.).
W drugim etapie badań optymalizacyjnych ocenę interfejsu użytkownika
przeprowadzono wykorzystując metody autonomiczne i nieautonomiczne. Określono, że najkorzystniejszymi metodami pozyskiwania danych o interakcji podczas konstrukcji systemu będą badania ankietowe, wykonane jednocześnie
z symulacjami. Wykorzystano tu grupę ekspertów, którzy po wykonaniu określonej serii badań symulacyjnych, udzielili odpowiedzi w formie ankiet. Badania
te zakończono, a ich rezultatem było opracowanie prototypu interfejsu PNS.
W trzecim etapie badano prototyp PNS w warunkach rzeczywistych, a więc
na pokładzie jednostek pływających w trakcie manewrowania. Celem tych badań było zweryfikowanie zaproponowanego interfejsu pod kątem wydajności
użytkowej, zastosowano w nich również metody autonomiczną i nieautonomiczną. Podstawową metodą użytą na tym etapie był pomiar interakcji użytkownika z systemem za pomocą monitoringu wideo. Analiza wydajności była
oparta na pomiarze czasu wykorzystania systemu przez użytkownika do całkowitego czasu manewrowania. Metoda nieautonomiczna wykorzystana na tym
etapie należała do grupy metod ankietowych. Kapitan po wykonanej serii prze-
96
Badania rzeczywiste prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych …
jazdów, proszony był o wyrażenie swojej opinii, odnośnie pracy z systemem.
Pytania zawarte w ankiecie dotyczyły następujących szczegółów:
–
–
–
–
dokładności wskazań wodnicy w systemie (zwłaszcza blisko kei),
wykorzystanego zobrazowania,
jakości prezentowanej informacji,
preferencji odnośnie kolorystyki i jasności.
Badania rzeczywiste z wykorzystaniem rejestracji wideo, prowadzone były
na promach morskich z użyciem kamer rejestrujących nawigatora w warunkach
niskiego natężania oświetlenia (ang.: low lightning). Podstawowym celem tych
badań było określenie przydatności tego typu pomiaru interakcji do dalszych
badań prototypu PNS. Rozmieszczenie kamer przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Rozmieszczenie kamer w czasie drugiego etapu optymalizacji
Fig. 1. Arrangement of cameras at the second stage of optimisation
Zarejestrowano około 20 przejazdów, obejmujących wejścia i wyjścia promu morskiego m/f „J. Śniadecki” do i z portu Świnoujście. Przykładowy obraz
zarejestrowany przez jedną z kamer oraz umiejscowienie systemu PNS na mostku przedstawiono na rysunku 2.
Przyjmując czas manewrowania podczas przejścia torem wodnym (wejście
do Świnoujścia) na ok. 20 min (efektywny czas, gdy kapitan promu sam zmieniał nastawy maszyn i sterów), uzyskano statystyczną próbkę danych dla jednego eksperta. Analiza tych danych polegała na:
– pomiarze czasu manewrowania z wykorzystaniem informacji PNS
w stosunku do czasu manewrowania bez systemu;
97
Maciej Gucma, Stanisław Gucma
– porównaniu czasu wykorzystania systemu w miarę wzrostu poziomu zaufania;
– wzroście dokładności manewrowania z wykorzystaniem PNS.
Rys. 2. Obraz zarejestrowany przez jedną z kamer oraz widok stanowiska z zamontowanym PNS
Fig. 2. A video camera view and a mounted PNS system
Stwierdzono następujące niedoskonałości takiej metody badawczej w zastosowaniach oceny interfejsu PNS:
– długi okres zbierania danych, związany z normalną eksploatacją promu
(manewry na badanym akwenie stanowią ok. 3% czasu pobytu ekipy
badawczej na promie);
– dane pochodzące tylko od jednego użytkownika w długim przedziale
czasu, przy powtarzających się manewrach; użytkownik może przyswajać nawyki niepożądane przy analizie – efekt wyuczenia;
– niemożliwość zastosowania tej metody do innych jednostek morskich
(w trakcie pilotażu), ze względu na konieczność instalowania doświetlających reflektorów podczerwieni.
Te ograniczenia spowodowały zastąpienie jej metodą stosowaną w pierwszym etapie badań – połączenia monitorowania interakcji wewnątrz systemu
PNS i kwestionariusza wypełnianego po przejeździe. Metoda ta nadaje się zarówno do przejazdów z wykorzystaniem stacjonarnego PNS (promy morskie),
jak i przenośnego (podczas pilotażu). Umożliwia zapis pracy PNS i następnie
odtworzenie go. Ekspert ma możliwość obejrzenia swojego przejazdu oraz
przedstawienie uwag. Takie postępowanie zapewni pełną ocenę interfejsu
z punktu widzenia użytkownika.
98
Badania rzeczywiste prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych …
2. Parametry prototypu zbudowanego po drugim etapie optymalizacji
W wyniku zakończonego drugiego etapu badań optymalizacyjnych powstały dwa prototypy PNS. Są to:
1) stacjonarny PNS, którego schemat budowy przedstawiono na rysunku 3;
2) przenośny PNS, jego schemat budowy pokazano na rysunku 4.
Żyrokompas
Podsystem predykcji
oparty na modelu
hydrodynamicznym
statku
DGPS
Wiatromierz
Nastawy
maszyn
Nastawy
sterów
Podsystem
zbierania
informacji
Nastawy sterów
strumieniowych
Podsystem
przetwarzania
danych
(optymalizacja
informacji)
Podsystem
zobrazowania
informacji
Elektroniczna
mapa akwenu
(baza danych)
Rys. 3. Schemat budowy stacjonarnego PNS
Fig. 3. A diagram of a stationary PNS
2 x DGPS
na określonej
bazie
Podsystem
zbierania
informacji
Podsystem predykcji
oparty na ekstrapolacji
parametrów ruchu
Podsystem
przetwarzania
danych
(optymalizacja
informacji)
Podsystem
zobrazowania
informacji
Elektroniczna mapa
akwenu (baza danych)
Rys. 4. Schemat budowy przenośnego PNS
Fig. 4. A diagram of a portable PNS
Podstawowe parametry tych systemów podano w tabeli 1. Obecnie prototypy te są weryfikowane w warunkach rzeczywistych na promie m/f „Jan Śniadecki” z wykorzystaniem metod opisanych w poprzednim punkcie.
99
Maciej Gucma, Stanisław Gucma
Tabela 1
Podstawowe parametry prototypów stacjonarnego i przenośnego PNS
zbudowanego w drugim etapie badań optymalizacyjnych
Basic parameters of stationary and portable PNSs developed at the second stage of optimization
Lp.
Nazwa parametru
1
2
Wielkość parametru i jednostka miary
wariant stacjonarny PNS
wariant przenośny PNS
3
4
1.
Wymiary i waga systemu
2 moduły
(~0,5 m × 0,5 m × 0,25 m)
Waga około 10 kg
Teczka
(~0,5 m × 1,15 ft × 0,2 m)
Waga około 5 kg
2.
Rodzaj pracy
Ciągły
Ciągły
3.
Automatyczny czas pracy, zasilanie
Bez ograniczeń – zasilanie
z sieci okrętowej
Bez ograniczeń – przy zasilaniu z sieci lub 3 h  12 h
w zależności od zastosowanych akumulatorów własnych
4.
Urządzenie prezentacji,
informacji
Ekran notebooka 17’
5.
Lokalizacja wskaźnika
Na stanowisku manewrowym
Na stanowisku manewrowym
6.
Rodzaj urządzeń
pozycjonowania
Okrętowy DGPS i żyrokompas podłączony do
systemu
2 skorelowane odbiorniki
DGPS na bazie 0,5 m. Ustawiane na magnesach w odkrytych
miejscach statku, np. falszburta.
7.
Dokładność określania
położenia każdego punktu umownej wodnicy
(błąd kierunkowy prostopadły do wodnicy)
Ekran notebooka 15’
 1,3 m
 1,5 m
względem N
względem brzegu
względem osi toru (zmiana osi
co 10)
8.
Rodzaje zobrazowania
względem N
względem brzegu
względem osi toru (zmiana osi
co 10)
9.
Skala pracy
zmienna,
– sygnalizacja o wystarczającej dokładności
10.
Przed dziobem statku na torze wodnym należy widzieć
odległość zmienna zależna od prędkości, nie mniej niż 2 x L
11.
Przesuwanie pozycji
przesunięcie pozycji automatyczne od środka ekranu do jego
końca z możliwością przesunięcia ręcznego.
12.
Treści wskaźników
– pokazywane stale








100
linia brzegowa,
oś toru wodnego,
bezpieczna izobata,
stawy,
pławy,
linie nabieżnika,
kable, rurociągi, światłowody,
numer pławy lub stawy, lub ich symboliczne oznaczenia.
Badania rzeczywiste prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych …
Tabela 1, c.d.
1
2
3
4
13.
Treści wskaźników
– pokazywane na żądanie
 skarpa toru wodnego,
 sektory świateł,
 kilometry osi toru.
14.
Oznaczenie statku na
wskaźniku
 statek oznaczony maksymalnym obrysem,
 linia kursu powinna przechodzić przez cały statek i cały
wskaźnik do dziobu.
15.
Sygnalizacje
 moment rozpoczęcia zwrotu na torach wodnych,
 zbyt mała skala pracy.
16.
Informacje alfanumeryczne
 pokazywana stale (może
z opcją wyłączenia i włączenia)




17.
Informacje alfanumeryczne
 pokazywana na żądanie
 odległość dziobu, rufy lub burty od osi toru wodnego,
 odległość dziobu, rufy lub burty od brzegu.
18.
Wyświetlana trajektoria
– przyszła trajektoria (sylwetki statku – maksymalny obrys). Maksymalny czas predykcji 3min
19.
System predykcji
Oparty na dokładnym
modelu hydrodynamicznym dla danego statku
20.
Horyzont czasowy predykcji
Zmienny do 5 min
Zmienny do 3 min
21.
Dokładność predykcji (zakładana w trakcie budowy)
~ 10%
~ 20%
kurs,
prędkość liniowa,
prędkość boczna,
prędkość kątowa.
Oparty na ekstrapolacji parametrów ruchu statku
Wnioski
Zespół naukowców Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szczecinie w ramach projektu celowego opracował:
– trzyetapową metodę badań optymalizacji pilotowego systemu nawigacyjnego,
– określił optymalne parametry pilotowego systemu nawigacyjnego po
drugim etapie badań,
– zbudował dwa prototypy PNS.
Obecnie prowadzone są badania rzeczywiste (trzeci etap) na promie
m/f „J. Śniadecki”. Dodatkowo planuje się rozszerzenie zakresu badań na statki
podlegające pilotażowi na torze wodnym Świnoujście – Szczecin. Metoda badań
rzeczywistych jest metodą dwuetapową, złożoną z automatycznego monitoro-
101
Maciej Gucma, Stanisław Gucma
wania interakcji w systemie PNS oraz kwestionariusza. Ekspert, w tym przypadku kapitan, manewruje promem z użyciem systemu PNS. Takie połączenie metody autonomicznej i nieautonomicznej zapewni kompleksową ocenę systemu
z punktu widzenia przyszłego użytkownika.
Literatura
1. Chewar C.M., McCrickard D.S., Sutcliffe A., Unpacking critical parameters for interface design: evaluating notification systems with the IRC
framework Interaction, creativity and communication, Proceedings of
DIS'04: Designing Interactive Systems: Processes, Practices, Methods &
Techniques 2004 p.279-288.
2. Gucma M., Optimal visualization of navigational situation in pilot support
systems with use of safety criteria, Advances in safety and reliability, Ed. K.
Kołowrocki, Proceeding of ESREL 2005 conference, A.A. Balkema Taylor
and Francis Group, London 2005, p.737-739.
3. Gucma M., Testowanie interfejsów użytkownika w pilotowych systemach
nawigacyjnych, Zeszyty Naukowe nr 70 Wyższej Szkoły Morskiej w Szczecinie, X Konferencja Inżynierii Ruchu Morskiego, Szczecin 2003.
4. Sinha R., Boutelle J., Rapid information architecture prototyping Interactive posters, Proceedings of DIS'04: Designing Interactive Systems: Processes, Practices, Methods & Techniques 2004 p.349-352.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
dr hab. inż. kpt.ż.w. Zbigniew Burciu, prof. AM w Gdyni
Adresy Autorów
mgr inż. Maciej Gucma
prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Stanisław Gucma
Akademia Morska w Szczecinie
Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego
ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin
e-mail: [email protected]
102