Onderzoek naar het gedrag van de mens als bestuurder van een schip

1. Doel van het onderzock.

In een aantal gevallen is het gewenst meer tcweten over het systeem 'Troerganger-schip" met betrekking tot de besturing van het schip. Dit kan o.a. het geval zijn bij het ontwerpen van een nieuw type schip of een haven. Door middel van proeven met een manoeuvreer-simulator kan de gewenste informatie verkregen worden. Dit betekent echter dat voor elk nieuw probleem opnieuw een aantal proeven uit-gevoerd moet worden.

In dit onderzoek wordt getracht een mathematisch model op te

stellen zodat het gedrag van de roerganger aan de hand van een derge-lijk:rnodel kan worden verklaard. De parameters ìn dit mathematische model zijn nu onder andere afhankelijk van de dynamika van het te besturen schip en van het optreden van storingen t.g.v. golven, enz.

Aan de hand van dit model kunnen in een aantal concrete situaties voorspellingen gedaan worden over het gedrag van de mens waardoor het tevens mogelijk is voorspellingen te doen _{over eventuele} optima-le oplossingen van bepaalde proboptima-lemen, wat voor een bepaald probleem de optimale oplossing ook za]. zijn. Met behuip van enkele simulator proeven kunnen deze dan geverifieerd worden.

2, Methode.

Voor het opstellen van een mathematisch model voor de beschrij-ving van bet gedrag van de roerganger wordt in dit _onderzoek uitge-gaan van registraties van proeven uitgevoerd met een manoeuvreersi-mulator. In eerste instantie wordt de stuctuur _{van het model gekozen,} waarna voor elke registratie m.h.v. een schattingsprocedure de para-meters in het model zodanig bepaald (geschat) worden, dat de waarde van een of ander kriterium geminimaliseerd wordt. Hierbij dient _{er in} het bijzonder zorg voor gedragen te worden dat de schatting _{van de} parameters zuiver en asymptotisch raak is; gezien het felt dat er in dit geval in een gesloten keten moet worden gemeten leidt dit _{tot een} aantal gecomplicoerde problemen. De gevoriden waarden van bet kriterium zijn in zekere zin een maat _{voor de waarde van bet gekozen model.} Op deze wijze kunnen een aantal modellen met elkaar vergeleken _worden.

Tot nu toe is als kriterium de gemiddelde energie _{van het verschil} tussen het uitgangssignaai van het model en het uitgangssignaal van de roerganger, uitgedrukt in procenten van de gemiddelde energie van hat uitgangssignaal van de roerganqer. In formule:

Stand van het onderzoek per 31 oktober 1972.

Tot nu toe beef t het onderzoek betrekking gehad op de besturing

vaiì én type schip n.l. eon 200.000 t.d.w. tanker. Hierbij is

geble-ken, dat het schatten van parameters in een aantal verschillende mo-dellen waaronder niet-lineaire, voor het geval dat het schip op koers moet worden gehouden, slechts matige resultaten oplevert. Voor het

geval dat de aan de roerganger opgedragen koers (gewenste koers) van tijd tot tijd van +20 naar _20 en omgokeerd, werd veranderd is thans een model opgesteid, dat het gedrag van een aantal roergangers rede-lijk beschrijft. De gevonden waarden van het kriterium E1 zijn van de orde van grootte van 30 . 40 %. De overeenkomst tussen de koers

van het schip gestuurd door de mens en de koers van het schip gestuurd door het model is verrassend good. Oprnerkelijk is dat de mens eon

gro-ter aantal rudder-calls per tijdseenheid gebruikt dan bet model, za-dat het uitgangssignaal van bet model een iets rustiger verloop heeft dan het uitgangssignaal van de mens. Ilet karakter van beide Signalen komt vrij goed. met elkaar overeen (De gehele simulatie van roerganger

en schip zijn uitgevoerd op bet PDP11/20 systeem van het Laboratorium voor Werktuigkundige Meet- en Regeltechniek)

Punten voor verder onderzoek.

In dit hoofdstuk worden de punten besproken die zeker nader onder-zocht moeten worden.

4.1. De invloed van het testsiqnaal op de paramers in het model.

Bij de proeven die tot op heden zijn uttgevoerd, kreeg de roer-ganger de opdracht een koers te volgen, die van tijd tot tijd ver-anderde van +20 naar _20 en omgekeerd. Dit testsignaal is destijds gekozen am redenen die betrekking hadden op de signaalanalyse methoden. Achteraf is gebleken dat dezé keuze niet de meest gelukkige was en

j- _f r₍₆ (t) - 6 (t)l

Lg

E1=

-g

6(t) uitgangssignaal van de mens 6(t): uitgangssignaal van hot model

wel orn de volgende redenen:

1. Door bet steeds herhalen van een zelfde sprong ìn de gewenste koers wordt de proefpersoon tijdens de proeven, meer dan in de praktijk het geval zal zijn, getraind op het uitvoeren van deze koersverandering.

2. Het is niet waarschijnlijk dat bij gebruik van een zelfde soort testsignaal maar met grotere sprongen (bijvoorbeeld 100 i.p.v. 40) de waarden van de parameters die dan gevonden worden, even groot zijn als de nu gevonden waarden.

3. Bij het schatten van de parameters wordt geschat op slechts enkele zeer dicht bij elkaar gelegen punten. ImnLers bij de aanvang van elke koersverandering is de koersafwijking ondeveer 40 Door een aantal zeer dicht bij elkaar liggende punten wordt nu een lijn getrokken. Hot is niet zonder meer aan te nernen dat deze lijn voor

het gehele gebied geldig is.

Op grond. van deze en andere overwegingen moeten nu de volgende eisen aan een testsignaal gesteld worden:

Een redelijk aantal sprongen moeten in hot testsignaal voorkomen. Een aental sprongen van verschillende grootte moet in het signaal voorkomen.

De sprongen mogen elkaar niet te snel opvolgen orn de proefpersoon de gelegenheid te geven de opgegeven koersverandering ook werke-lijk uit te voeren.

De duur van een proef mag niet langer zijn dan ongeveer 45 minuten. Hot testsignaal moet reproduceerbaar zijn.

Het testsignaal moet onvoorspelbaar zijn voor de proefpersoon. Indien mogelijk moot elke sprong van een bepaalde grootte minstens twee keer in én proef voorkornen (Dit is echter niet strikt

nood-zakelijk)

Aan de hand van deze eisen zal gezocht moeten worden _{naar een of}

meerdere testsignalen die bij nog uit te voeren proeven gebruikt kun-nen worden. Tevens zal onderzocht moeten worden wat de invloed is van de grootte van de. sprongen die in bet signaal voorkornen, op de waarden van de parameters in het model van de roergnger.

4. 2. De invloed. van de dynamika van bet schip op de parameters in het model.

Bij het manoeuvreergedrag van schepen spelen twee aspekten een

tijdkonstan-ten. Tot nu toe zijn alleen registraties gebruikt van proeven waarbij het model van een koersonstabiele 200.000 t.d.w. tanker met dominante tijdkonstante van 250 sek. gehruikt is. Het statische verband tussen de roerhoek en de hoeksnelheid van het schip vertcont in dit geval een hysteresis lus (zie fig. 4.2.1) . Andere vormen van statische

karak-teristieken die voor kunnen komen zijn de statische karakteristiek

met een dode slag en de min of meer lineaire karakterìstiek (fig. 4.2.2 en 4.2.3). Een verband tussen de vorm van de statische karakteristick en de grootte van de tijskonstanten schijnt er niet te bestaan.

Fig. 4.2.1 Fig. 4.2.2 Fig. 4.2.3

Karakteristiek met Karakteristtek met Lineaire

hysteresis lus. dode slag karakteristiek

liet is te verwachten dat de dyna.mika van het schip een aan-zieniijke invioed zal hebben op zowel de struktuur als op de para-meters van het model. Bovendien is te verwachten dat voor schepen met kleine tijdkonstanten een beschrijvende funktie model

(kwasi-lineair model) cen voldoend.e beschrijving van het gedrag van de mens geeft.

Onderzocht zal dus moeten worden:

Dc invloed van de vorm van de statische karakteristiek. De invloed van de tijdkonstanten.

Hot geldigheidsgebied van de verschillende modellen.

4.3. De betekenis van de parameters.

Bij het opstellen van het model wordt gebruik gemaakt van het zwarte doosjes principe d.w.z. de mens wordt beschouwd als een

aan

"black-box" waar een of meerdere signalen toegevoerd worden en waar-uit een waar-uitgangssignaal ontsprwaar-uit (Er wordt dus gezocht naar een re-latie tussen in- en uitgangssignalen) . In de huidige vorm van het

model komen voor o.a. drempeiwaarden, en derde machts termen. Wel-licht is het mogelijk orn aan de parameters in het model cen psycho-logische of fysiopsycho-logische betekenis toe te kennen (b.v. onverschil-ligheidsdrempels of waarnemingsdrempels) . 0m een voiledig afgerond

geheel te verkrijgen, zal oak dit facet bekeken moeten worden.

4.4. De betekenis van de restruis.

In hoofdstuk 3 is reeds vermeld, dat het door het model gegene-reerde uitgangssignaal een rustiger verloop heeft dan het

uitgangs-signaal van de mens, terwìjl de overeenkornst tussen de koers van het schip gestuurd door de mens en gestuurd door het model _{zeer goed is.} Klaarblijkelijk beweegt de mens het roer meer dan nodig is. Dit ver-schijnsel, wellicht één van de voornaamste oorzaken van de vrij gra-te restruis, zal nader bestudeerd macgra-ten worden. Hierbij spelen twee aspecten een belangrijke rol:

Wat zijn de kosten die gepaard gaan met eeri teveel manipuleren met het roer. Hiermee wordt bedoeld de kosten t.g.v. vaartverlies en

de kosten van de energie nodig voor het van stand veranderen van

het roer.

Hoe kan de roerganger er toe gebracht worden minder rudder-calls per tijdseenheid te gebruiken (b.v. training, meer informatie in de vorm van b.v. een predictivc display of rate- of _{turn indicator)}

4.5. De invloed van op het schip werkende storingen.

Bij de tot nu toe uitgevoerde proeven met de rnanoeuvreersimula-tor is met uitzondering van enkele proeven een situatie gesimuleerd waarbij het schip vaart in viak water. Twee proeven zijn uitgevoerd waarbìj gedurende een half uur het schip op koers gehouden _macst worden, terwijl op het schip storingen werkten: golven als gevoig

van windkracht 8 9 Beaufort. Gebleken is dat deze situatie én

proefpersoon niet de minste moeite kostte terwiji de tweede proef-persoon slechts met zeer veel moeite en grate koersafwijkingen de

op-gegeven koers kan volgen. Klaarblijkelijk is het mogelijk dat bij het varen in golven zeer kritieke situaties _{op kunnen trederì. Dit} is waarschijnlijk het geval indien de proefpersoon _{niet voldoende} geoefend is. Onderzocht zal macten worden wat de invloed is van sto-ringen op de sruktuur van en de parameters in het model orn

4.6. De invloecl van hat vaarqebied.

Indien gevaren wordt in beperkte vaargebieden waar de roerganger

niet alleen informatie verkrijgt uit zijn aanwijsinstrumenten maar

ook uit de orngeving van het schip (vuurtorens, boeien, enz.), is het

niet uitgesioten dat dit invlocd heeft op de waarde van de

pararne-ters in het model. 0m ook in deze situaties voorspellingen over hat

gedrag te kunnen doen, is hat van belang ook dit punt in hat

onder-zoek te betrekken.

4.7. De invloed van de qebruikte simulator.

Voor de proeven, die reeds uítgevoerd zijn, is gebruik gemaakt

van de simulator van TNO-IWECO. Het zal op een zeker ogenbilk

wense-lijk kunnen zijn orn de verkregen resultaten te vergewense-lijken met b.v.

metingen op zee of met proeven metandere simulatoren, teneinde ook

de invloed van de simulator op de verkregen resultaten te onderzoeken.

4.8. Dc verschijnselen die qepaard qaan met verandering in het dynamisch

qedrag van het schip.

Wanneer een schip vaìend in diep water over gaat naar een

gedeel-te met ondiep wagedeel-ter (b.v. zandbanken) veranderen de dynamische

ei-genschappen van het schip. De mens zal zieh hierbij aanpassen, maar

dit zal wellicht gepaard gaan met een zekere overgangstijd.

Onder-zoek zal verricht moeten worden naar het gedrag van de roerganger

in deze periode.

4.9. De keuze van het kriterium.

Bij hat optimaliseren van de parameters is gebruik gernaakt van

een kwadratisch kriterium (zie hoofdstuk 2)

Daarnaast bestaan ook

andere kriteria (b.v. absolute waarde kriterium)

. Hat kan zinvol

zijn orn diverse kritcria eens met elkaar te vergelijken, wanneer za

toegepast worden op hat schatten van de parameters in het model.

Hierboven zijn negen punten genoemd, die van belang kunnen zijn

voor bet onderzoek. Wellicht zijn er mear te bedenken, maar de

voor-naainste punten zijn rn.i. genoemd.

5. Noodzakelijke beoerkinqen voor het onderzoek op korte termijn.

0m alle in hoofdstuk 4 genoernde punten tot in de details te

kunnen onderzoeken, zouden vele jaren nodig zijn terwiji bovendien

een groot aantal proeven uitgevoerd zouclen moeten worden. Teneinde

in de komende paar jaar een afgerond geheel te vetkrijgen moet het

terrein van onderzoek beperkt worden. Dit betekent dat het doel van

het onderzoek voor de eerste jaren minder algemeen gesteld. moet

wor-den dan omschreven in hoofdstuk 1. Voorlopig wordt beperkt tot het

modelleren van het gedrag van de reorganger van een schip in

een

on-beperkt vaargebied. Dus het onderzoek naar de invloed van het

vaar-gebied en naar de verschijnselen die gepaard gaan met

een

verande-ring in dynamisch gedrag van het schip zal voorlopig achterwege

ge-laten worden. Het onderzoek naar de invloeden van beperkingen in

het vaargebied is een uitbreiding van het onderzoek naar de

bestu-ring in volle zee. Het is dus logisch cm,

wanneer er beperkingen

gemaakt woeten worden, juist deze uitbreiding achterwege te laten.

Een ander punt wat orn praktische redenen achterwege zal moeten

blij-ven is het onderzoek naar de invloed van de gebruikte simulator. 0m

op uitgebreide schaal metingen op zee uit te vocren zal veel tijd

kosten, waarbij het nog de vraag is in hoeverre dit mogelijk is.

Wellicht is het wel mogelijk om enkele

_{proeven in Wageningen uit te}

voeren maar tot een vergelijkeiid onderzoek zal dit waarschijnlijk

niet leiden, mede gezien het feit dat de simulator

van het NSP zuiver

voor com.rnerciële doeleinden is opgezet.

Resumerend kan gezegd worden dat de volgende punten tot het

ander-zoek van de eerst kornende jaren behoren:

De invloed van het testsignaal op de parameters in het model.

De invloed. van de dynamika van het schip op de parameters in het

model.

De betekenis van de parameters.

De betekenis van de restruis.

De invloed van op het schip werkende storingen.

De keuze van het kriterium.

6. Een voorstel voor de opzet van het onderzoek

van de komende jaren.

Bij het opstellen van een programma voor het onderzoek

van de

komende jaren moet uitgegaan worden van de volgendo punten:

I.v.m. de econornische situa.tie, waarbij

op vele gebieden

bezui-nigd moet worden, is het noodzakelijk orn uit

zo weinig rnogelijk

proeven zo veel rnogelijk informatie te verkrijgen.

Het gehele programma zal binnen ongeveer twee jaar afgewerkt

Het eerste punt dat op het progranima komt te staan is de keuze van een goed testsignaal, dat voldoet aan de in 4.1. gesteide eisen. Dit signaal moet de basis zijn van alle proeven die uitgevoerd gaan wor-den met uitzondering van de proeven waarbij de invloed van het test-signaal wordt nagegaan. De sneiheid waarmee de sprongen in dit sig-naal elkaar opvolgen moet afhangen van de tijdkonstanten van het schip waarvoor het gebruikt wordt. Gedacht wordt aan een testsignaal waarin sprongen voorkorrien van b.v. 2,5 en 10 graden. Voor een

alter-natief signaal kunnen dan grotere sprongen genornen worden (b.v. 5, 10 en 25 graden of 10, 25 en 50 graden) . De synthese van deze signalen zou binnen enkele weken gereed moeten zijn, waarna deze wellicht het beste op een voorlopige proefopstelling op hun bruikbaarheid getest kunnen worden. Dit zou aan hot einde van november '72 voltooid. rnoeten

zijn. Het volgende punt dat aan de orde is, is het onderzoek naar de invloed van het testsignaal en de dinamika van het schip op de para-meters in hot model. Hiertoe zullen een aantal proeven met een manocu-vreersimulator uitgevoerd moeten worden, waarbij in eerste instantie gedacht wordt aan proeven met hot schip in vlak water. De te variëren parameters bij deze proeven zijn:

1- Het tes tsignaal

De statische karakteristiek van het schip. De tijdkonstante van het schip.

\Toor het testsignaal zijn twee mogelijkheden gekozen (een "basis" signaal en een tweede signaal orn de invloed van hot testsignaal na

te gaan) . De statische karakteristiek van het schip kan vele vormen hebben. Onderzocht worden de drie in 4.2. genoemde gevallen. Voor de waarden van de voornaamste tijdkonstante worden de volgende waarden genomen 10, 50 en 250 sek. Wordt voor elke mogelijke kombinatie een proef uitgevoerd, dan zijn dit in totaal 2 x 3 x 3 = 18 proeven (per proefpersoon) . Voor eon gemiddelde duur van de proeven van ongeveer

.30 minuten komt dit op flogen uur per proefpersoon (indien elke proef

i x wordt uitgevoerd) - Dit is waarschijnlijk niet haalbaar. Daarom

wordt het volgende schema voor de proeven voorgesteld: voor de kombi-naties met hot basis-testsignaal worden alle proeven uitgevoerd voor de kombinaties met het alternatieve testsignaal wordt de tijdkonstante gesteld op 50 sek. en worden proeven gedaan met elk der mogelijke sta-tische karakteristieken. Hot totaal. aantal proeven is dan 12 per proef-persoon (circa zes uur) . Over het tijdstip waarop de proeven uitge-voerd worden is nu nog niets te zeggen i.v.m. de beschikbaarheid van

de simulator.

Tijdens het uitwerken van de proeven kunnen d volgende punten aan dc orde komen:

De betekenis van de parameters in het model. De betekenis van de restruis.

De keuze van het kriterium.

Tenslotte moet de invloed van op .het schip werkende storingen worden nagegaan. Fliervoor wordt het basis testsignaal gebruìkt, een tijdkon-stante en de drie karakteristieken. Over het Lijdschema van het

iatste gedeelte is niet veel te zeggen aangezien dit afhangt van: het aantal uit te voeren proeven, deze is afhankelijk van het

aan-tal proefpersonen.

de tijd nodig voor het uitwerken van de proeven (circa i à 2 avon-den rekenen op de PDP-11 rekenmachine per proef)