Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - The Results of Research into...

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

The Results of Research into Prototypes

of Pilot Navigation Systems Designed

at the Maritime University of Szczecin

This article presents a method of pilot navigation systems research and the parame-ters of a PNS prototype developed after the second stage of optimization.

Wprowadzenie

Nawigacja na akwenach ograniczonych nazywa się często nawigacją pilota-żową lub pilotową. W procesie nawigacji na akwenach ograniczonych, ze względu na szybkie zmiany położenia statku w stosunku do obiektów brzego-wych, pozycję obserwowaną i zliczoną nie wyznacza się na mapie nawigacyjnej, tak jak przy nawigacji na akwenach nieograniczonych i przybrzeżnych. Położe-nie statku określane jest przez prowadzącego statek pilota czy kapitana. W pro-cesie prowadzenia nawigacji pilotowej pilot może być wspomagany przez pilo-towe systemy nawigacyjne (PNS).

Obecnie na świecie produkowanych jest kilka rozwiązań pilotowych syste-mów 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 elektro-nicznej 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 pilo-tażu i nie zostały opracowane metodami naukowymi.

Zespół naukowców Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szcze-cinie w ramach projektu celowego, współfinansowanego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki oraz armatora Euroafrica Linie Żeglugowe, podjął się opraco-wania optymalnego rozwiązania pilotowego systemu nawigacyjnego.

Podstawowe problemy badawcze rozwiązywane przy budowie PNS można sformułować następująco:

1. Konfiguracja odpowiedniego podsystemu pozycjonowania spełnia wy-magania:

 systemu stacjonarnego PNS,

2. Budowa mapy elektronicznej w formacie przystosowanym do prowa-dzenia nawigacji pilotażowej.

3. Budowa optymalnego systemu zobrazowania informacji w PNS.

4. Budowa optymalnego interfejsu użytkownika zaprojektowanego spe-cjalnie 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 wykorzystu-jąc, specjalnie opracowaną w 3 etapach, metodę optymalizacji. Etapami tej me-tody są:

1) badania eksperckie, 2) badania symulacyjne, 3) badania rzeczywiste.

Ideą opracowanej metody była budowa prototypu PNS w oparciu o uzyska-ne wyniki po zakończeniu każdego etapu badań. Zbudowany prototyp był bada-ny w następbada-nym etapie badań. Po etapie trzecim badania prototypu były zakoń-czone i PNS wchodził w etap projektowania i produkcji.

1. Założenia badań rzeczywistych

Użytkownik pilotowego systemu nawigacyjnego (PNS) podczas prowadze-nia nawigacji na akwenach ograniczonych wymaga specjalnie zaprojektowanego interfejsu. Należy mu również dostarczyć odpowiednio przygotowaną i zapre-zentowaną informację nawigacyjną [2].

Jednym z elementów systemu PNS, podlegającemu ocenie w trakcie rze-czywistych badań weryfikacyjnych, jest interfejs użytkownika.

Ocena systemu przez użytkowników polega na zebraniu opinii od reprezen-tatywnej grupy rzeczywistych użytkowników, którzy znają system, jego możli-wości oraz są ekspertami w dziedzinie, w jakiej system ma być wdrożony. Sto-suje się następujące metody zbierania danych [3]:

– Obserwacja systemu przez użytkownika. Ta metoda pozwala na sporzą-dzenie ankiety.

– Rejestracja na taśmie wideo pracy użytkownika z danym systemem. Po-zwala ona na pozyskanie danych ilościowych i jakościowych, opisują-cych jakość pracy. Jest to metoda autonomiczna, nie ingerująca w pro-ces interakcji.

– Kwestionariusze. Dają one możliwość zebrania opinii użytkowników, co do jakości i funkcji interfejsu. Ta metoda jest jedną z częściej stoso-wanych. Jest to metoda nieautonomiczna, która pozwala jedynie na ze-branie danych po zakończeniu procesu interakcji.

– Wywiady. Przeprowadzane są z użytkownikami według ustalonego sce-nariusza lub bez ustalonej scenariuszem sztywnej struktury pytań. Za-pewniają one prowadzącemu znaczną elastyczność w analizie wybra-nych zagadnień jakości.

– Automatyczne monitorowanie interakcji z systemem. Monitorowanie in-terakcji 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 sys-temów 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. Okre-ślono, że najkorzystniejszymi metodami pozyskiwania danych o interakcji pod-czas konstrukcji systemu będą badania ankietowe, wykonane jednocześnie z symulacjami. Wykorzystano tu grupę ekspertów, którzy po wykonaniu okre-ślonej 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 ba-dań było zweryfikowanie zaproponowanego interfejsu pod kątem wydajności użytkowej, zastosowano w nich również metody autonomiczną i nieautono-miczną. Podstawową metodą użytą na tym etapie był pomiar interakcji użyt-kownika z systemem za pomocą monitoringu wideo. Analiza wydajności była oparta na pomiarze czasu wykorzystania systemu przez użytkownika do całko-witego czasu manewrowania. Metoda nieautonomiczna wykorzystana na tym etapie należała do grupy metod ankietowych. Kapitan po wykonanej serii

prze-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 pro-mu morskiego m/f „J. Śniadecki” do i z portu Świnoujście. Przykładowy obraz zarejestrowany przez jedną z kamer oraz umiejscowienie systemu PNS na most-ku przedstawiono na rysunmost-ku 2.

Przyjmując czas manewrowania podczas przejścia torem wodnym (wejście do Świnoujścia) na ok. 20 min (efektywny czas, gdy kapitan promu sam zmie-niał nastawy maszyn i sterów), uzyskano statystyczną próbkę danych dla jedne-go eksperta. Analiza tych danych polegała na:

– pomiarze czasu manewrowania z wykorzystaniem informacji PNS w stosunku do czasu manewrowania bez systemu;

– porównaniu czasu wykorzystania systemu w miarę wzrostu poziomu za-ufania;

– 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 zasto-sowaniach 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 przyswa-jać nawyki niepożądane przy analizie – efekt wyuczenia;

– niemożliwość zastosowania tej metody do innych jednostek morskich (w trakcie pilotażu), ze względu na konieczność instalowania doświetla-jących reflektorów podczerwieni.

Te ograniczenia spowodowały zastąpienie jej metodą stosowaną w pierw-szym etapie badań – połączenia monitorowania interakcji wewnątrz systemu PNS i kwestionariusza wypełnianego po przejeździe. Metoda ta nadaje się za-równo 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.

2. Parametry prototypu zbudowanego po drugim etapie optymalizacji

1) stacjonarny PNS, którego schemat budowy przedstawiono na rysunku 3; 2) przenośny PNS, jego schemat budowy pokazano na rysunku 4.

Podsystem predykcji oparty na modelu hydrodynamicznym statku DGPS Podsystem zbierania informacji Nastawy sterów strumieniowych Podsystem przetwarzania danych (optymalizacja informacji) Elektroniczna mapa akwenu (baza danych) Podsystem zobrazowania informacji Żyrokompas Wiatromierz Nastawy maszyn Nastawy sterów

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) Elektroniczna mapa akwenu (baza danych)

Podsystem zobrazowania

informacji

Rys. 4. Schemat budowy przenośnego PNS Fig. 4. A diagram of a portable PNS

Podstawowe parametry tych systemów podano w tabeli 1. Obecnie prototy-py te są weryfikowane w warunkach rzeczywistych na promie m/f „Jan Śnia-decki” z wykorzystaniem metod opisanych w poprzednim punkcie.

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

Wielkość parametru i jednostka miary wariant stacjonarny PNS wariant przenośny PNS

1 2 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

pra-cy, zasilanie

Bez ograniczeń – zasilanie z sieci okrętowej

Bez ograniczeń – przy zasila-niu z sieci lub 3 h  12 h w zależności od zastosowa-nych akumulatorów właszastosowa-nych 4. Urządzenie prezentacji,

informacji Ekran notebooka 17’ Ekran notebooka 15’ 5. Lokalizacja wskaźnika Na stanowisku manewrowym Na stanowisku manewrowym 6. Rodzaj urządzeń pozycjonowania Okrętowy DGPS i żyro-kompas podłączony do systemu 2 skorelowane odbiorniki DGPS na bazie 0,5 m. Ustawia-ne na magUstawia-nesach w odkrytych miejscach statku, np. falszburta. 7. Dokładność określania

położenia każdego punk-tu umownej wodnicy (błąd kierunkowy prosto-padły do wodnicy)

 1,3 m  1,5 m

8. Rodzaje zobrazowania względem N względem brzegu

względem osi toru (zmiana osi co 10)

względem N względem brzegu

względem osi toru (zmiana osi co 10)

9. Skala pracy zmienna,

– sygnalizacja o wystarczającej dokładności 10. Przed dziobem statku na

to-rze 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

 linia brzegowa,

 oś toru wodnego,

 bezpieczna izobata,

 stawy,

 pławy,

 linie nabieżnika,

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 włą-czenia)  kurs,  prędkość liniowa,  prędkość boczna,  prędkość kątowa. 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 ob-rys). Maksymalny czas predykcji 3min

19. System predykcji Oparty na dokładnym modelu hydrodynamicz-nym dla danego statku

Oparty na ekstrapolacji para-metrów ruchu statku

20. Horyzont czasowy predykcji Zmienny do 5 min Zmienny do 3 min 21. Dokładność predykcji

(za-kładana w trakcie budowy) ~ 10% ~ 20%

Wnioski

Zespół naukowców Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szcze-cinie w ramach projektu celowego opracował:

– trzyetapową metodę badań optymalizacji pilotowego systemu nawiga-cyjnego,

– 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-wania interakcji w systemie PNS oraz kwestionariusza. Ekspert, w tym przypad-ku kapitan, manewruje promem z użyciem systemu PNS. Takie połączenie me-tody autonomicznej i nieautonomicznej zapewni kompleksową ocenę systemu z punktu widzenia przyszłego użytkownika.

Literatura

1. Chewar C.M., McCrickard D.S., Sutcliffe A., Unpacking critical parame-ters 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 Szcze-cinie, X Konferencja Inżynierii Ruchu Morskiego, Szczecin 2003.

4. Sinha R., Boutelle J., Rapid information architecture prototyping Interac-tive posters, Proceedings of DIS'04: Designing InteracInterac-tive Systems: Pro-cesses, 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: macgucma@am.szczecin.pl