Optymalizacja informacji nawigacyjnych w systemach map elektronicznych Navigational information optimization in electronic chart systems

z. 70 Transport 2009

Maciej GUCMA, Zbigniew PIETRZYKOWSKI

Akademia Morska w Szczecinie Wały Chrobrego ½ 70-500 Szczecin

m.gucma@am.szczecin.pl z.pietrzykowski@am.szczecin.pl

OPTYMALIZACJA INFORMACJI NAWIGACYJNYCH

W SYSTEMACH MAP ELEKTRONICZNYCH

Streszczenie

W artykule przedstawiono zagadnienia doboru zakresu i postaci informacji nawigacyjnej w systemach map elektronicznych. Wynika ono ze zró nicowanych potrzeb informacji nawigacyjnej zwizanych z rodzajem prowadzonej eglugi. Wprowadzane s stopniowo specjalistyczne systemy informacyjne, które dostosowywane s do konkretnego rodzaju eglugi np. systemy pilotowe czy promowe. Problem polega na opracowaniu standardów dla map elektronicznych poprzez optymalizacj zakresu i postaci informacji nawigacyjnej.

Słowa kluczowe: systemy wspomagania transportu, pilotowy system nawigacyjny, HMI, ECDIS. PNS

1. WPROWADZENIE

Transport morski jest jednym z ogniw łacucha transportowego. Funkcjonuje w powizaniu z innymi rodzajami transportu: wodnym ródldowym, drogowym, kolejowym, lotniczym. Realizacja zadania transportowego – przewozu ładunku i osób – wymaga zapewnienia bezpieczestwa ludzi, towarów, statku i rodowiska. Du o uwagi powica si zagadnieniom bezpieczestwa eglugi na akwenach ograniczonych – obszarach podejciowych do portów, wodach portowych i torach wodnych. Uzasadnieniem s utrudnione warunki nawigacyjne zwizane z ograniczonoci obszaru manewrowego oraz zagro enia, w tym ekologiczne, w nastpstwie wypadków morskich.

Wzrost intensywnoci ruchu statków w transporcie morskim oraz konieczno obsługi statków przy ró nych ograniczeniach (pora doby i warunki hydrometeorologiczne) wymaga budowy systemów wspomagajcych działania nawigatora w procesie kierowania ruchem statku. Efektem tego jest wzrost iloci dostpnych na statku informacji. Rosnca ilo dostpnych informacji powoduje trudnoci w ich selekcji. Problem ten dotyczy tak e orodków ldowych: centrów nadzoru i kontroli ruchu statków (VTS), centrów ratownictwa morskiego (SAR) i innych.

Do prezentacji sytuacji nawigacyjnej: zobrazowania sytuacji nawigacyjnej i informacji j opisujcych stosowane s powszechnie elektroniczne mapy nawigacyjne (ENC). S to bazy danych standaryzowane co do zawartoci, struktury i formatu, zawierajce wszelkie informacje mapy niezbdne do prowadzenia bezpiecznej nawigacji. Mog one zawiera tak e informacje uzupełniajce do tych zawartych na papierowej mapie (np. locje). Stanowi one element systemów obrazowania elektronicznych map i informacji nawigacyjnych ECDIS

(Electronic Chart Display and Information System). ECDIS jest nawigacyjnym systemem informacyjnym, który wraz z odpowiednimi urzdzeniami rezerwowymi mo e by uznany za odpowiednik uaktualnionych map nawigacyjnych. System umo liwia zobrazowanie wybranych informacji z wewntrzsystemowej elektronicznej mapy nawigacyjnej ENC wraz z informacj pozycyjn pochodzc z urzdze nawigacyjnych.

Zakres i posta prezentowanych informacji uzale niony jest zada realizowanych przez u ytkownika. Mog one dotyczy organizacji i nadzoru ruchu (np. VTS), kierowania ruchem i prowadzenia akcji ratunkowych (SAR), czy te sterowania ruchem statku przez kapitana – nawigatora. W przypadku sterowania ruchem statku istotne znaczenie ma rodzaj akwenu, po którym prowadzona jest egluga, i wykonywane tam manewry.

Zró nicowanie potrzeb u ytkowników co do zakresu i postaci prezentowanej informacji nawigacyjnej powoduje potrzeb budowy specjalizowanych systemów informatycznych uwzgldniajcych specyfik zada wykonywanych przez operatora. Przykładem takich systemów s m.in. pilotowe systemy nawigacyjne, systemy dokingowe i cumowania, systemy stosowane na platformach wiertniczych, czy systemy pozycjonowania dynamicznego. W ka dym z wymienionych przypadków pojawia si problem doboru zakresu i postaci prezentowanej informacji.

Prezentowane zagadnienie optymalizacji informacji nawigacyjnych w systemach map elektronicznych dotyczy tak e innych rodzajów transportu. Szczególnie du o uwagi powica si nawigacyjnym systemom informacyjnym w transporcie lotniczym. Coraz czciej wykorzystywane s tego typu systemy w transporcie drogowym. Problem doboru zakresu i postaci informacji nawigacyjnych w transporcie kolejowym dotyczy zwłaszcza pocigów du ych prdkoci.

2. OPIS PROBLEMU

Realizacja zadania transportowego wymaga zapewnienia bezpieczestwa ludzi, towarów, rodków transportu (w analizowanym przypadku – statków) i rodowiska. Bezpieczestwo eglugi (to same z bezpieczestwem nawigacji) mo na okreli jako cile zdefiniowany stan, który eliminuje bd minimalizuje mo liwo zaistnienia wypadku np. wejcia na mielizn, zderzenia z innym statkiem lub obiektem, uszkodzenia lub zatonicia statku [Urbaski J., 1994].

Zagadnienie optymalizacji informacji nawigacyjnej w systemach map elektronicznych (rys. 1) mo na sprowadzi do problemu doboru zakresu i postaci informacji niezbdnych do realizacji zada u ytkownika, zapewniajcych wysoki poziom bezpieczestwa eglugi oraz osignicie mo liwych maksymalnych wskaników efektywnociowych (w tym ekonomicznych).

Rys. 1. Typowy system map elektronicznych stosowany w istniejcych systemach nawigacyjnych ródło: opracowanie własne.

Wymaga to przeprowadzenia analizy dostpnych informacji nawigacyjnych: na statkach morskich i orodkach ldowych, opracowania metod i kryteriów optymalizacji informacji oraz ich weryfikacji.

Du y zakres informacji, zró nicowanie zada realizowanych przez u ytkowników powoduje, e sformułowanie, a przede wszystkim rozwizanie zadania optymalizacji informacji nawigacyjnej uwzgldniajcego cele i ograniczenia wszystkich u ytkowników jest bardzo trudne, wrcz niemo liwe do wykonania. Oznacza to konieczno optymalizacji informacji dla poszczególnych grup u ytkowników i realizowanych przez nich zada. W praktyce, konsekwencj tego jest budowa specjalizowanych systemów informatycznych uwzgldniajcych specyfik zada wykonywanych przez operatora.

Przykładem systemów tego typu jest pilotowy system nawigacyjny, wspomagajcy proces decyzyjny pilota bd kapitana w egludze na akwenie ograniczonym. System taki składa si z podsystemu pozycjonowania, elektronicznej mapy nawigacyjnej akwenu oraz podsystemów przetwarzania informacji i wspomagania decyzji nawigatora.

Zadaniem pilotowych systemów wspomagania decyzji jest dostarczenie nawigatorowi informacji, które umo liwi wykonanie planowanego manewru w aktualnie panujcych warunkach w sposób bezpieczny i w zadanym czasie. Stosowane w istniejcych systemach pilotowych typowe systemy map elektronicznych przeznaczone s do eglugi po akwenach nieograniczonych. Prezentowana tam informacja, co do formy i treci, nie jest przystosowana dla potrzeb pilota u morskiego na akwenach ograniczonych. Oznacza to potrzeb opracowania metod doboru zakresu i postaci informacji nawigacyjnej w tego typu systemach. Zastosowana tu metodyka mo e by wykorzystana do optymalizacji informacji nawigacyjnej w innych specjalistycznych systemach nawigacyjnych, np. dokingowych czy cumowania.

3. OGÓLNA POSTA[ ZADANIA OPTYMALIZACJI INFORMACJI NAWIGACYJNEJ W PILOTOWYCH SYSTEMACH NAWIGACYJNYCH

Jednym z głównych problemów zwizanych z pilotowymi systemami wspomagania decyzji jest dobór informacji dostarczanej pilotowi bd kapitanowi statku: zakresu i postaci informacji niezbdnej do bezpiecznego prowadzania eglugi.

Informacje niezbdne do bezpiecznego wykonania planowanego manewru mo na podzieli na trzy rodzaje:

• informacja o akwenie zawierajca: - dane dotyczce bezpiecznych izobat,

- informacje o poło eniu najbli szych przeszkód nawigacyjnych, - dane dotyczce poło enia znaków nawigacyjnych,

• informacja o poło eniu wodnicy statku na akwenie,

• informacja o predykcji ruchu statku na akwenie, w okrelonym horyzoncie czasowym i przy bie cych nastawach maszyn i sterów.

Istotne znacznie ma tak e posta prezentowanej informacji.

Uwzgldniajc powy sze, zadanie optymalizacji informacji niezbdnej do prowadzenia bezpiecznej eglugi na akwenie ograniczonym mo na przedstawi jako minimalizacj informacji nawigacyjnej zapewniajcej bezpieczn eglug na akwenie ograniczonym.

Ograniczeniami s [Gucma M. 2004]:

1. zdolnoci percepcji człowieka – ilo informacji powinna by ograniczona, 2. dostosowanie systemu do cile okrelonych potrzeb.

3. koszt implementacji systemu – zwizany jest z zapewnian dokładnoci i niezawodnoci systemu,

4. realna mo liwo wdro enia systemu. Przyjto, e:

• rozpatrywane s A typy badanego akwenu o indeksach a∈{1, 2, …, A}=A, m.in. akwen podejciowy do portu, tor wodny; badany akwen opisany jest zbiorem współrzdnych metrycznych, prostoktnych w układzie odniesienia XOY,

• na badanym akwenie mog manewrowa statki I rodzajów, o indeksach i∈{1, 2, …, I}=I; podział na rodzaje dotyczy zarówno wielkoci jak i typu statku,

• statek manewrujc na badanym akwenie mo e wykonywa jeden z J manewrów o indeksach j∈{1,2,…,J}=J; dotyczy to takich manewrów jak: wejcie do portu obracanie, cumowanie, przejcie prostym odcinkiem drogi wodnej lub jej zakolami, • prezentowana informacja nale y do zbioru informacji nawigacyjnej o indeksach

l∈{1,2,…,L}=L,

• mo liwe s K postaci informacji, o indeksach k∈{1,2,…,K}=K,

• badane statki mog manewrowa w N warunkach nawigacyjnych, o indeksach n∈{1,2,…,N}=N; dotycz one zarówno warunków hydrometeorologicznych jak i oznakowania nawigacyjnego czy stanu ruchu innych jednostek.

Zdefiniowanie zadania optymalizacyjnego wymaga okrelenia zmiennych decyzyjnych oraz funkcji celu. Dla tak zdefiniowanych warunków brzegowych, ze wzgldu na specyfik poszczególnych typów akwenu, przyjto rozpatrywa zadanie optymalizacyjne

z uwzgldnieniem typu akwenu a∈A. Za zmienne decyzyjne przyjto: 1) typ statku; 2) typ manewru, 3) prezentowan informacj; 4) posta informacji; 5) warunki nawigacyjne.

Tym samym informacj nawigacyjn dla a-tego typu akwenu, opisuje macierz

a

χ o wymiarach I×J×L×K×N. Zadanie optymalizacji informacji wykorzystywanej do bezpiecznego wykonania planowanego manewru wszystkich typów statków na akwenie a mo na sformułowa nastpujco: znale tak macierz Xa∈χa o elementach

a n k l j i x,,, ,

przyjmujcych wartoci 0 lub 1, opisujcych pominicie lub uwzgldnienie wartoci zmiennej decyzyjnej, dla której to macierzy suma jej elementów przyjmuje warto minimaln:

F0(Xa)= I J L K N , , , , =1 1 1 1 1 a i j l k n i j l k n x = = = =

¦¦¦¦¦

→ min (1) przy ograniczeniach: 1. I I 1 = ∀

¦

= ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ i a n , k , l , j , i n , l , k , j , i I J K L N x 2. J J 1 = ∀

¦

= ∈ ∈ ∈ ∈ _j a n , k , l , j , i n , l , k , i I K L N x 3. 1 L 1 ≥ ∀

¦

= ∈ ∈ ∈ ∈ l a n , k , l , j , i n , k , j , i I J K N x 4. 1 1 K 1 ≥ ∀ Ÿ =

¦

= ∈ ∈ ∈ ∈ _k a n , k , l , j , i n , k , j , i a n , k , l , j , i x x _{I J K N}  5. dop a n , j , i n , j , i , a ) R X R( ≤ 6. ¸ ¹ · ¨ © § _{∀ ≤} ∀

¦

= ∈ ∈ ∈ ∈ dop a n , j , i l a n , k , l , j , i K k n , j , i x Q L 1 N J I 7. Z(Xa) ≤ dop a Z dla: a∈A,i∈I,j∈J,k∈K,l∈L,n∈N,i∈I,j∈J,k∈K,l∈L,n∈N gdzie:

X_a – macierz informacji wykorzystywanej w badanym systemie do bezpiecznego wykonania manewrów na danym a-tym typie akwenu;

n , j , i, a n , j , i, a χ  _∈

X – macierz informacji wykorzystywanej w badanym systemie do

bezpiecznego wykonania manewru j-tego typu przez statek i-tego typu w n-tych warunkach nawigacyjnych na danym a-tym typie akwenu;

{

a a:i ,j ,n ,i const,j const,n const

}

n , j , i, a = χ ∈χ ∈I ∈J ∈N ≡ ≡ ≡ χ  R a n , j , i , a ):χ → X

R(  – funkcja ryzyka nawigacyjnego wykonywania j-tego manewru przez i-ty statek, przy l-tej informacji o k-tej postaci, w n-tych warunkach nawigacyjnych na a-tym typie akwenu;

dop a n , j , i

manewru przez i-ty statek w n-tych warunkach nawigacyjnych na akwenie a-tego typu; dop a n , j , i

Q – ustalona maksymalna liczba informacji przy wykonywaniu j-tego manewru przez i-ty statek, w n-tych warunkach nawigacyjnych na akwenie a, które pilot lub kapitan mo e wykorzysta na a-tym typie akwenu;

R : _a

a) χ →

Z(X – funkcja kosztów budowy systemu na a-tym typie akwenu;

dop a

Z – ustalone arbitralnie dopuszczalne koszty budowy systemu na a-tym typie akwenu.

Rozwizaniem zadania jest macierz X*a, minimalizujca warto funkcji celu (1). W szczególnych wypadkach rozwizaniem mo e by zbiór macierzy *

a

χ .

4. OPTYMALIZACJA INFORMACJI NAWIGACYJNEJ W PNS

Minimalizacja informacji jest w praktyce tylko jednym z celów optymalizacji informacji nawigacyjnej. Podstawowym kryterium oceny w badaniach symulacyjnych w in ynierii ruchu morskiego jest kryterium bezpieczestwa manewrowania - szeroko pasa ruchu, której miary takie jak pas redni czy maksymalny 95% w sposób jednoznaczny okrelaj jako manewrowania statkiem. Innymi kryteriami stosowanymi w IRM s m.in. czas manewrowania, odległo od wyznaczonego punktu weryfikacyjnego (pławy) czy linii kontrolnej (nabrze a). Uwzgldnienie powy szych kryteriów w zadaniu optymalizacji informacji nawigacyjnej powoduje sformułowanie zadania jako optymalizacji wielokryterialnej, gdzie jednym z kryteriów czstkowych jest kryterium minimalizacji informacji.

Zakładajc, e zdefiniowano M+1 kryteriów czstkowych indeksach m∈{0, 1, 2, …, M}=M, funkcj celu zadania optymalizacji informacji mo na zapisa [Gucma M, 2008]:

FG(Xa) = {F0(Xa), F1(Xa), F2(Xa),…, Fm(Xa), …, FM(Xa)} → min (2) przy ograniczeniach jak w (1).

dla: a∈A, i∈I, j∈J, l∈L, k∈K, n∈N, m∈M gdzie:

Xa – macierz informacji wykorzystywanej w badanym systemie do bezpiecznego wykonania manewrów na danym akwenie a;

Fm – m - te kryterium czstkowe globalnej funkcji celu; F0 kryterium minimalizacji informacji (1)

Kryteria czstkowe F1,...,FM s kryteriami bezpieczestwa manewrowania, stosowanymi w in ynierii ruchu morskiego. Zarówno w przypadku kryterium szerokoci pasa ruchu jak i czasu manewrowania okrelaj one, właciwo systemu konieczn dla zapewnienia bezpieczestwa nawigacji w trakcie wykonywanych manewrów z jego u yciem.

Sformułowane zadanie optymalizacyjne wymaga uwzgldnienia du ej liczby zmiennych decyzyjnych: rodzajów i zakresów informacji nawigacyjnej, dostpnych na statku oraz mo liwych postaci ich prezentacji. Wi e si to z koniecznoci zdefiniowania zbiorów rozwiza dopuszczalnych oraz kryteriów, uwzgldniajcych wszystkie zidentyfikowane zmienne decyzyjne.

Alternatyw mo e by sformułowanie rozpatrywanego problemu (2) w postaci dwóch zada:

1. okrelenia minimalnej informacji nawigacyjnej niezbdnej do bezpiecznego wykonania manewrów,

2. optymalizacji postaci informacji dla zdeterminowanego, skoczonego zbioru rozwiza dopuszczalnych.

Pozwala to znacznie ograniczy przestrze dopuszczalnych rozwiza, ułatwia sformułowanie i weryfikacj funkcji celu oraz redukuje czasochłonno i pracochłonno poszukiwania optimum funkcji celu – rozwizania zadania.

Realizacja zadania pierwszego, okrelenia informacji niezbdnej do bezpiecznego wykonania manewrów oznacza minimalizacj informacji nawigacyjnej (1). Zadanie to mo na wykona zasigajc opinii ekspertów. Na podstawie bada ekspertowych, w oparciu o opinie niezale nych ekspertów, mo liwe jest ograniczenie informacji nawigacyjnej oraz okrelenie akceptowanych przez ekspertów postaci tej informacji. Oznacza to zaw enie zbioru rozwiza dopuszczalnych do wariantów uznanych przez ekspertów za istotne dla systemu wspomagania decyzji w procesie manewrowania statkiem po akwenie ograniczonym. Zgodnie z przyjtymi wczeniej oznaczeniami, zadanie to polega na wyznaczeniu podzbioru macierzy

' a

χ takiego, e ' a

χ ⊂χ . a

Zadanie 2 polega na znalezieniu macierzy Xa∈χ o elementach _a' x_ia_,j,l,k,n, minimalizujcej funkcj celu okrelon poprzez kryteria czstkowe bezpieczestwa manewrowania na danym a-tym typie akwenu, z uwzgldnieniem przyjtych ogranicze. Zakładajc M kryteriów czstkowych m∈{1, 2, …, M}=M, zadanie optymalizacji mo na zapisa:

F(Xa) = {F1(Xa), F2(Xa), …, FM(Xa)} → min (3) przy ograniczeniach jak w (1).

dla: a∈A, i∈I, j∈J, l∈L, k∈K, n∈N, m∈M gdzie:

X_a – macierz informacji wykorzystywanej w badanym systemie do

bezpiecznego wykonania manewrów na danym akwenie a; Fm – m - te kryterium czstkowe globalnej funkcji celu.

Prezentowane podejcie przy formułowaniu zadania doboru informacji, stosowane przy konstruowaniu systemów technicznych, pozwala skróci czas i ograniczy koszty budowy prototypu systemu, w tym przypadku pilotowego systemu wspomagania decyzji.

5. METODA DOBORU INFORMACJI W PILOTOWYCH SYSTEMACH NAWIGACYJNYCH

Zadanie optymalizacyjne, przedstawione w rozdziale 4, pomimo precyzyjnego zdefiniowania parametrów wejciowych, jest trudne do zrealizowania w praktyce. Głównym powodem tego stanu rzeczy jest du e zró nicowanie typów wykonywanych manewrów, a co za tym idzie ró nych kryteriów u ywanych do oceny tych e manewrów. Opierajc si na dowiadczeniach in ynierii ruchu morskiego, poszczególne typy manewrów powinny by

rozpatrywane osobno. Dodatkowym utrudnieniem jest wielokryterialna posta zadania optymalizacyjnego. W zwizku z powy szym zastosowano nastpujcy podział typów manewrów (j∈J):

1. manewr kotwiczenia (j=1),

2. manewr wejcia na tor wodny (j=2),

3. manewr przejcia torem wodnym i manewr wejcia do portu (j=3), 4. manewr cumowania (j=4).

Punktem wyjcia zadania 2 doboru informacji nawigacyjnej jest okrelenie minimalnej informacji nawigacyjnej niezbdnej do bezpiecznego wykonania manewrów – podzbioru macierzy χaj' takiego, e

' aj

χ ⊂χ , gdzie aj χ jest zbiorem macierzy opisujcych informacjaj

nawigacyjn dla j-tego manewru (zadanie 1 metody doboru informacji nawigacyjnej). Zadanie to polega na znalezieniu macierzy Xaj∈ '

aj

χ o elementach , , , , a j i l k n

x , minimalizujcej funkcj celu, opisan kryteriami oceny manewru. Do oceny ka dego typu manewrów stosuje si ró ne kryteria (tabela 1).

Tak sformułowane zadanie 2 jest zadaniem optymalizacji wielokryterialnej z ró nymi kryteriami czstkowymi (3). Ze wzgldu na wspomniane wy ej trudnoci z okreleniem wag dla kryteriów czstkowych, przyjto rozpatrywa ka de z kryteriów osobno. Oznacza to dobór informacji w pilotowym systemie wspomagania decyzji na podstawie rozpatrywanych oddzielnie kryteriów czstkowych dla ka dego typu manewru [Gucma M, 2008]:

Fajm(Xaj*) = Fajm(Xaj) → min (4) gdzie: a − typ akwenu, a∈ A

j − rodzaj manewru; j∈J,

m − numer kryterium czstkowego; m∈M.

Tabela 1. Kryteria oceny dla wybranych typów manewrów

Typ manewru Kryterium oceny

manewr kotwiczenia (j=1), 1) odległo rzucanej kotwicy od zadanego punktu kotwiczenia [m] (m=1),

2) prdko statku w momencie rzucenia kotwicy [w], [Mm/h] (m=2),

3) czas kotwiczenia [s] (m=3);

manewr wejcia na tor wodny (j=2) 1) odległo wejcia na tor od pocztkowej pławy [m] (m=1),

2) czas wejcia na tor[s] (m=2); manewry przejcia torem wodnym i

manewry wejcia do portu (j=3)

1) rednia szeroko pasa ruchu [m] (m=1), 2) maksymalna szeroko pasa ruchu [m] (m=2);

manewry cumowania (j=4) 1) energia pierwszego kontaktu z nabrze em [kNm] (m=1),

2) rozkład punktów pierwszego kontaktu statku z nabrze em (m=2).

ródło: opracowanie własne.

Ze wzgldu na trudnoci rozwizania tak sformułowanego zadania oraz brak gotowych algorytmów optymalizacyjnych, do doboru informacji nawigacyjnej zastosowano metody

heurystyczne oparte na gruntownej znajomoci praktycznej problemu. Algorytm zadania doboru informacji przedstawiono na rysunku 2.

Okrelenie zakresu i postaci informacji niezbdnej do bezpiecznego prowadzenia

statku

CEL

Okrelenie podzbiorów macierzy informacji w zbiorze

dopuszczalnych rozwiza Wyznaczenie optymalnego wariantu informacji nawigacyjnej WY NI K KRYTERIA

Rys. 2. Metoda doboru informacji w pilotowym systemie wspomagania decyzji ródło: opracowanie własne.

Rozpatrzono nastpujce typy akwenu:

• dla manewru kotwiczenia – akwen otwarty (bez budowli hydrotechnicznych) ograniczony przez inne statki na kotwicowisku,

• dla manewru wejcia na tor wodny – akwen czciowo ograniczony,

• dla manewrów podejcia do portu i przejcia torem wodnym – akwen ograniczony przez brzegi i budowle hydrotechniczne,

• dla manewrów cumowania akwen ograniczony przez nabrze e;

6. ZAKRES I POSTA[ INFORMACJI NAWIGACYJNEJ W PILOTOWYM SYSTEMIE WSPOMAGANIA DECYZJI

Zadanie doboru zakresu i postaci informacji nawigacyjnej zrealizowano z uwzgldnieniem poszczególnych rodzajów manewrów.

Manewry kotwiczenia

Jako kryteria czstkowe doboru informacji w manewrze kotwiczenia (j=1) zaproponowano: odległo rzucanej kotwicy od zadanego punktu kotwiczenia [m] (m=1), prdko statku w momencie rzucenia kotwicy ([w], [Mm/h]) (m=2) oraz czas kotwiczenia [s] (m=3) (M=3).

Wybór zakresu i postaci informacji

Metoda doboru informacji polega na oszacowaniu szczegółowych ocen zorientowa zobrazowania akwenu podczas manewrów kotwiczenia. Pozwoli to na wybór wariantu zakresu i postaci informacji ze wzgldu na m-t funkcj kryterium.

Przyjmujc χaj' za skoczony zbiór wariantów zorientowa zobrazowania akwenu czyli: '

aj

χ ={ Xaj1, ..., XajP } (5)

gdzie: P jest liczb analizowanych wariantów zorientowa p o indeksach p ∈{1, 2, …, P}=P, m-te kryterium czstkowe dla prezentowanego typu manewru mo e by zdefiniowany jako:

Fm(Xaj)={Fm(Xaj1), Fm(Xaj2), ..., Fm(Xajp),…, FM(XajP)} (6) Dobór zakresu i postaci informacji dokonywany jest metodami heurystycznymi sporód P wariantów dla M=3 kryteriów [Jacyna M., 2001].

Manewry wejĞcia na tor wodny

Jako kryteria czstkowe zadania optymalizacji informacji w manewrze wejcia na tor wodny (j=2) zaproponowano odległo wejcia na tor od pocztkowej pławy (m=1) oraz czas wejcia na tor (m=2).

Metoda oceny polega na oszacowaniu szczegółowych ocen zorientowa zobrazowania akwenu podczas manewrów wejcia na tor wodny. Pozwoli to, analogicznie jak w przypadku manewru kotwiczenia, na wybór wariantu zakresu i postaci informacji ze wzgldu na m-t funkcj kryterium, co pozwoli na znalezienie optymalnego rozwizania ze wzgldu na m-t funkcj kryterium. Przyjmujc χaj' za skoczony zbiór wariantów zorientowa zobrazowania

akwenu, czyli:

' aj

χ ={ Xaj1, ..., XajP } (7)

gdzie: P jest liczb analizowanych wariantów zorientowa, p o indeksach p ∈{1, 2, …, P}=P, m-te kryterium czstkowe dla prezentowanego typu manewru mo e by zdefiniowany jako:

Fm(Xaj)={Fm(Xaj1), Fm(Xaj2), ..., Fm(Xajp),…, FM(XajP)} (8) Dobór zakresu i postaci informacji dokonywany jest metodami heurystycznymi sporód N wariantów dla M=2 kryteriów.

Manewry przejĞcia torem wodnym i manewry wejĞcia do portu

W przypadku manewru przejcia torem wodnym (j=3) wyznaczono kryteria czstkowe oparte na kryterium szerokoci pasa ruchu: rednia szeroko pasa ruchu (m=1), maksymalna szeroko pasa ruchu (m=2).

Metoda oceny polega na oszacowaniu szczegółowych ocen zorientowa zobrazowania akwenu podczas manewrów przejcia torem wodnym, co pozwoli na znalezienie optymalnego rozwizania ze wzgldu na m-t funkcj kryterium. Przyjmujc χaj' za skoczony zbiór

wariantów zorientowa zobrazowania akwenu czyli:

' aj

gdzie: P jest liczb analizowanych wariantów zorientowa, p o indeksach p ∈{1, 2, …, P}=P, m-te kryterium czstkowe dla prezentowanego typu manewru mo e by zdefiniowany jako:

Fm(Xaj)={Fm(Xaj1), Fm(Xaj2), ..., Fm(Xajp),…, FM(XajP)} (10) Dobór zakresu i postaci informacji dokonywany jest metodami heurystycznymi sporód P wariantów dla M=2 kryteriów.

Manewry cumowania

Dla manewru cumowania (j=4) jako kryteria czstkowe zaproponowano rozpatrzy energi pierwszego kontaktu z nabrze em (m=1) oraz rozkład punktów pierwszego kontaktu statku z nabrze em (m=2).

Metoda oceny polega na oszacowaniu szczegółowych ocen zorientowa zobrazowania akwenu podczas manewrów cumowania, co pozwoli na znalezienie optymalnego rozwizania ze wzgldu na m-t funkcj kryterium. Przyjmujc χ_aj' za skoczony zbiór wariantów zorientowa zobrazowania akwenu czyli:

' aj

χ ={ Xaj1, ..., Xajp, ..., XajP } (11) gdzie: P jest liczb analizowanych wariantów zorientowa, p o indeksach p ∈{1, 2, …, P}=P, m-te kryterium czstkowe dla prezentowanego typu manewru mo e by zdefiniowany:

Fm(Xaj)={Fm(Xaj1), Fm(Xaj2), ..., Fm(Xajp),…, FM(XajP)} (12) Dobór zakresu i postaci informacji dokonywany jest metodami heurystycznymi sporód P wariantów dla M=2 kryteriów.

7. METODYKA DOBORU ZAKRESU I POSTACI INFORMACJI NAWIGACYJNEJ Zaproponowano realizacj doboru zakresu i postaci informacji nawigacyjnej w trzech etapach [Gucma 2008]:

I. Opracowanie modelu pilotowego systemu wspomagania decyzji metod ekspertow (badania ekspertowe – uczestnicy piloci).

II. Badania symulacyjno-ekspertowe na działajcym prototypie pilotowego systemu wspomagania decyzji (uczestnicy kapitanowie i piloci).

III. Badania rzeczywiste na pracujcym pilotowym systemie wspomagania decyzji w warunkach morskich (uczestnicy kapitanowie i piloci).

Dla potrzeb budowy modelu systemu (etap I) wykorzystano wiedz ekspertów z dziedziny nawigacji morskiej, tj. pilotów morskich oraz kapitanów statków.

Budowa systemu zobrazowania informacji jest cile zwizana z budow interfejsu u ytkownika, std badania były prowadzone łcznie dla obu problemów. Optymalizacja interfejsu u ytkownika zaprojektowanego specjalnie dla pilotów i kapitanów promów posługujcych si systemem wspomagania decyzji dotyczyła m.in.[Gucma M, Gucma S. 2006]:

• okrelenia wielkoci ekranu wskanika systemu i miejsca jego lokalizacji w stacjonarnym i przenonym wariancie,

• układu prezentowanej informacji na wskaniku, • prezentowanej informacji graficznej i alfanumerycznej,

• rozwizania sygnalizacji optycznej i akustycznej, • rozwizania sterowania systemu.

Zastosowana do budowy modelu metoda umo liwia uzyskanie szczegółowych danych dotyczcych konstrukcji systemu. W metodzie tej wykorzystano anonimowe ankiety eksperckie. Na tej podstawie okrelono minimaln informacj niezbdn do bezpiecznego prowadzenia statku na akwenie ograniczonym przez pilota.

W oparciu o wyniki bada ekspertowych zbudowano komputerowy model pilotowego systemu wspomagania decyzji. W skład tego modelu wchodz: blok mapy elektronicznej oraz wskanik pilotowego systemu nawigacyjnego.

W etapie II zbudowano prototyp systemu. Przeprowadzono badania symulacyjno-ekspertowe prototypu systemu. Do bada wykorzystano rodowisko symulacyjne opracowane w Instytucie In ynierii Ruchu Morskiego w Szczecinie. rodowisko to pozwala na dostosowanie modelu statku do zało onych bada oraz na tworzenie dowolnych map akwenów teoretycznych (testowych) oraz rzeczywistych portów. W wyniku realizacji etapu II wyznaczono optymaln form prezentacji informacji nawigacyjnej.

Rys. 3. Informacja nawigacyjna w pilotowym systemie wspomagania decyzji ródło: opracowanie własne.

Na podstawie przyjtych kryteriów oceny postaci informacji nawigacyjnej dobrano form prezentacji informacji obejmujc [Gucma M 2008]:

• zorientowanie mapy (route up), • horyzont czasowy predykcji, • bezpieczn izobat,

• parametry wektora stanu.

Dla porównania, w systemie ECDIS za niezbdne i niemo liwe do wyłczenia podaje si ok. 40 elementów mapy.

Etap III obejmował badania rzeczywiste prototypu systemu przeprowadzone na promie morskim w trakcie jego codziennej eksploatacji. W etapie tym przeprowadzono weryfikacj prototypu systemu.

Rys. 3. Pilotowy system wspomagania decyzji: system przenony PNS w trakcie wstpnych testów eksploatacyjnych prowadzonych przez pilotów w winoujciu

ródło: opracowanie własne.

8. PODSUMOWANIE

Jednym z podstawowych problemów zwizanych z budow nawigacyjnych systemów informacyjnych wykorzystujcych elektroniczne mapy nawigacyjne jest dobór zakresu i postaci prezentowanej informacji. Jego rozwizanie wymaga opracowania odpowiednich metod optymalizacji informacji.

Zró nicowanie potrzeb u ytkowników co do zakresu i postaci prezentowanej informacji nawigacyjnej sprawia, e rozwizanie powy szego problemu jest mo liwe w praktyce poprzez budow specjalizowanych systemów informatycznych uwzgldniajcych specyfik zada wykonywanych przez operatora.

W artykule przedstawiono rozwizanie powy szego problemu dla pilotowych systemów wspomagania decyzji. Zaprezentowana metoda doboru informacji nawigacyjnej w pilotowych systemach nawigacyjnych umo liwia ocen interfejsu u ytkownika w specjalizowanym systemie wspomagania decyzji oraz poznanie pełnych interakcji pomidzy elementami na mapie elektronicznej. Pozwala tak e analizowa ró ne koncepcje wizualizacji informacji bez koniecznoci drogich bada rzeczywistych. Istotna jest tak e redukcja kosztów bada ze wzgldu na mo liwo prowadzenie eksperymentu symulacyjnego, znacznie taszego ni wyłcznie w warunkach rzeczywistych.

Opracowan metod zastosowano m.in. w Pilot Navigation System (w trakcie produkcji – objty ochron patentow), Ferry Navigation Anticollision System (w trakcie bada – objty ochron patentow), Remote Pilot System (w trakcie bada – projekt rozwojowy) oraz LNG berthing system (w trakcie bada – projekt zamawiany).

Zaproponowana metodyka mo e by wykorzystana do optymalizacji informacji nawigacyjnej w innych specjalistycznych systemach nawigacyjnych. Mo e tak e stanowi podstaw do opracowania standardów dla map elektronicznych stosowanych w tych systemach.

• rozszerzanie stosowalnoci metody na systemy pilotowe wykorzystujce prezentacj trójwymiarow 3D,

• wprowadzanie nowych technik do oceny interfejsu systemów pilotowych w trakcie ruchu statku w oparciu o technologie video i teledetekcji w warunkach słabego owietlenia, • opracowanie kompleksowych wskaników jakoci interfejsu opartych na danych

statystycznych z symulacji jak i z przejazdów rzeczywistych. LITERATURA:

[1] Urbaski, J., Próba uĞciĞlenia zakresu znaczenia pojĊü dotyczących bezpieczeĔstwa na morzu oraz bezpieczeĔstwa na morzu, IX Konferencja Naukowo-Techniczna. Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalnoci ludzkiej na morzu, AMW, Gdynia 1994.

[2] Gucma, M. Metoda doboru informacji nawigacyjnej w pilotowych systemach wspomagania decyzji, Rozprawa doktorska, Wydział Transportu PW, Warszawa 2008.

[3] Gucma M., Gucma S., An Optimization Method for Constructing a Pilot Navigational System, International Conference On Safety And Reliability KONBIN 2006, Journal of KONBIN 2006 Vol. 1. Warszawa 2006.

[4] Gucma M., Wizualizacja informacji nawigacyjnej na mobilnym wskaĨniku w Pilotowym Systemie Nawigacyjnym. Materiały konferencyjne: XIV Midzynarodowa Konferencja Rola Nawigacji w Zabezpieczeniu Działalnoci Człowieka na Morzu. Materiały konferencyjne Akademii Marynarki Wojennej, Gdynia 2004.

NAVIGATIONAL INFORMATION OPTIMIZATION IN ELECTRONIC CHART SYSTEMS Abstract

Article presents some aspects of range and quantity estimation in electronic chart systems. Core of problem is in varied needs of information for different types of shipping. Specialized solutions are implemented for given type of shipping. Article presents practical solutions of electronic chart display for Pilot Navigation System.

Słowa kluczowe: transport supporting systems, pilota e navigational system, HMI, ECDIS. PNS