Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief
De beste stuurlui staan op de brug
Sturen op drie niveaus enDOOR JOOST VAN KASTEREN Het volgen van een
tevoren
uitgestippelde route gaat een stuurman goed af. Iets anders wordt het wanneer zich een onverwachte gebeurtenis voordoet en het schip moet uitwijken. Dan is er een reële kans dat het mis gaat, zegt ing. Leo van Breda, die zich bij TNO Technische Menskunde bezighoudt met onderzoek naar ergonomie van stuur- en regeltaken. In het kader van zijn promotie aan de TU DELFT ontwikkelde Van Breda nieuwe methoden om stuurman (en piloot) van informatie te voorzien. Opdat de beste stuurlui niet meer aan wal staan, maar op de
De Nieuwe Waterweg en de Europoort gezien vanuit de Noordzee. Met veel verschillende soorten schepen die verschillende scheepsbewegingen in meerdere richtingen maken, is dit een van de drukst bevaren gebieden ter wereld.
Koopvaardijschepen zijn tegenwoordig uitgerust met geavanceerde apparatuur voor het uitvoeren van de reis, zoals (automatische) stuurinrichting, navigatie-informatiesystemen,
communicatiesystemen, meteosystemen,
ladingbewakingssystemen en controle-apparatuur voor de machinekamer.
brug.
Een van de kernvragen in de techniek is de interactie tussen mens en machine. Analyse van ongelukken laat zien dat de oorzaak vaak een «menselijke fout» is. Die fout wordt echter meestal veroorzaakt door de gebrekkige wijze waarop de bestuurder van informatie wordt voorzien. Hij moet in een «split second» een beslissing nemen op grond van of te veel of te weinig of de verkeerde informatie. Achteraf vraagt men zich dan af hoe heeft hij zo stom heeft kunnen zijn, maar dat is natuurlijk makkelijk praten. Bij de Delftse subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek wordt onderzoek gedaan naar de interactie tussen mens en machine, onder meer bij vakgroep Meet- en Regeltechniek en bij de vakgroep Medische Technologie van prof.dr.ir. Henk Stassen. Laatstgenoemde is ook de
promotor van Leo van Breda, onderzoeker bij het TNO instituut Technische Menskunde in Soesterberg, een instituut dat ve`el onderzoek doet voor de krijgsmacht. Een belangrijk onderzoeksthema van het instituut is het effect van gepresenteerde informatie en de psychische belasting daarvan bij het uitvoeren van een bepaalde taak. In dit geval van mensen die een voertuig (auto, schip, vliegtuig) besturen.
‘Daarbij hanteren we een tamelijk pragmatisch model’, vertelt Van Breda. ‘Het is gebaseerd op psychologisch onderzoek en kan goed worden gebruikt om het menselijk gedrag te verklaren.’
Track-ball
Het model gaat er van uit dat besturen plaatsvindt op drie niveaus, elk met hun eigen patroon van informatie opnemen, verwerken en effectueren op basis van beslissingen, dat wil zeggen omzetten in een handeling. Het laagste niveau is het bedienen van de stuurorganen. Tegenwoordig is dat niveau vergaand geautomatiseerd. Waar de roerganger vroeger soms al zijn krachten nodig had om het schip op koers te houden, kan hij nu volstaan met een eenvoudige track-ball-handeling. Met die track-ball opereert hij feitelijk op het tweede niveau, het geleiden van het voertuig. Dat wil zeggen het volgen van een tevoren gepland traject onder vertrouwde omstandigheden. Dat vergt natuurlijk de nodige vaardigheden. Van Breda: ‘Neem bijvoorbeeld een loods op een grote tanker in de Eurogeul; die moet weten met welk scheepstype hij vaart, wat de stroomsnelheid is en uit welke hoek de wind waait. Je moet behoorlijk wat ervaring hebben om te weten, in het geval je over tien mijl 30 graden van koers moet zijn
Scheepssimulator bij TNO Technische Menskunde in Soesterberg. De buitenwereld wordt op een panoramisch scherm van 150° geprojecteerd. De proefpersoon heeft de beschikking over
navigatiesystemen, bedieningssystemen voor de koers en de vaart en informatiesystemen over de scheepstoestand (lading en machinekamer).
Schematische weergave van de functies van voertuigen. Navigeren is eigenlijk het maken van een reisplan en daarmee een taak op het hoogste niveau.
veranderd, wanneer je moet beginnen met het geven van een roerorder van bijvoorbeeld 5 graden.’
Gevaar
Het derde niveau van besturing is het navigatieniveau.
‘Daarbij gaat het’, aldus Van Breda, ‘om het reageren op onverwachte gebeurtenissen. In druk vaarwater loopt een schip voor je om een of andere reden uit het roer, of is de vaarweg plotseling geblokkeerd. In zo’n geval moet je beslissen of je al of niet van je koers af zult wijken of dat je kunt volstaan met het minderen van vaart. Als je moet besluiten tot een koersverandering, is het de vraag welke. Er zijn immers veel andere schepen in de buurt die je niet in gevaar mag brengen.’
Mensen blijken moeite te hebben om goed te reageren op dergelijke onverwachte gebeurtenissen, met het echte navigeren dus. Op
zeevaartscholen en andere opleidingscentra worden studenten voortdurend bestookt met dergelijke situaties. Daarbij worden ook suggesties voor
oplossingen aangereikt, soms in de vorm van (vuist)regels. Maar daar red je het volgens Van Breda, niet altijd mee. De regels schrijven voor dat je dreigende aanvaringen moet vermijden door koersverandering. Maar als er voor je ineens een container in zee ligt, die je moet ontwijken, dan kan het zijn dat je bij het uitwijken op een aanvaringskoers met andere schepen komt te liggen. Met andere woorden, je overtreedt een van de basisregels van de scheepvaart.’
In zijn onderzoek heeft Van Breda bekeken hoe de bestuurder van een voertuig (schip, vliegtuig) omgaat met informatie op de verschillende niveaus van besturing. Voor het geleidingsniveau is het belangrijkste, dat de bestuurder ziet waar het traject heen gaat (preview). Voor het
navigatieniveau is het belangrijkste dat je snel een overzicht krijgt van de mogelijkheden die er zijn om een opduikend probleem op te lossen:
Capability prediction (PCE) berekening. Dat wil zeggen dat het op basis van de snelheid van het schip en stroming, aangeeft hoe groot het gebied is dat je het eerstkomende kwartier kunt bestrijken bij een willekeurige koers. Dus wat je totale speelruimte is. Wat zich daarbuiten afspeelt is niet relevant, althans niet op dat moment. Van Breda laat zien dat het gebied verandert als de snelheid wordt verminderd. Niet alleen wordt het daardoor kleiner, het schuift ook op, omdat de verlijering (de zijwaardse afwijking van de koers) van het schip als gevolg van wind en stroming nu eenmaal groter is bij lage snelheden.
ARPA-radarsysteem met geïntegreerde zeekaart. Deze uitvoering is vooralsnog alleen te vinden in de computers van TNO. De informatie rechts op het scherm bevat de navigatiegegevens van zowel het eigen schip als de schepen in de omgeving.
Wanneer met een cursor een bepaald schip wordt aangewezen, geeft het systeem getalsmatige gegevens over de actuele afstand, de peiling, snelheid en koers van dat schip, de kleinste passeerafstand en de resterende tijd totdat de kleinste afstand is bereikt.
No-Go-Area
De mogelijkheden voor manoeuvreren worden verder beperkt door de in het gebied aanwezige schepen. Anders dan bij het normale radarbeeld, wordt niet alleen de feitelijke positie van andere schepen op het scherm aangegeven, maar ook hun verwachte invloed op het verkeersbeeld in het eerstkomende kwartier. Niet als een puntje, maar als een vlek, die het gebied aanduidt waar andere schepen te dicht worden genaderd. In het onderzoek was de minimale passeerafstand een nautische mijl (1852 meter). Een gebied waar je dus absoluut niet moet komen. Binnen die «no-go» -area ligt een donkergekleurde «definitely no-«no-go» -area; het gebied waar de passeerafstand minder dan een halve nautische mijl bedraagt. Van Breda: ‘Als je weet wat de limieten van je eigen schip zijn en je weet waar andere schepen zich in de nabije toekomst bevinden, dan kun je in een oogopslag zien wat de optimale koers is wanneer je plotseling uit moet wijken. Optimaal in de zin dat je zelf zo min mogelijk van je koers hoeft af te wijken, terwijl je toch de andere schepen niet in gevaar brengt.’
Vierbaanswegen
De Predicted Capability Envelope is niet alleen nuttig om aanvaringen te vermijden bij onverwachte uitwijkmanoeuvres, maar ook om een drukke scheepvaartroute over te steken. De Noordzee bijvoorbeeld kent diverse «vierbaans» -wegen voor schepen. Wanneer je verkeersscheidingsstelsels dwars over moet steken, kom je ogen te kort, aldus Van Breda, omdat van links en rechts schepen op je af komen.
‘Met PCE kun je dan een traject varen, dat tegelijkertijd veilig is en economisch, in de zin dat je zo min mogelijk van koers en vaart hoeft te veranderen.’
Of het ook het volledig geautomatiseerde schip dichterbij brengt, kan Van Breda niet zeggen. ‘Het zou misschien wel kunnen’, zegt hij, ‘maar voorlopig zie ik nog geen onbemande schepen varen. Als het alleen zou gaan om besturing op geleidingsniveau zou dat wel lukken, maar voor het echte navigeren heb je toch echt een mens nodig om de goede beslissingen te nemen. Voorlopig staat er dus nog wel een stuurman op de brug.’
Vliegen in drie dimensies
Anders dan
Van Breda ontwikkelde het PCE-algoritme als toevoeging van de arpa-radarsystemen waarmee in een benarde situatie de
manoeuvreermogelijkheden van het eigen schip in kaart worden gebracht, uitgaande van het huidige toerental van de schroef. De rode gebieden zijn de gevarenzones. De zwarte doorgetrokken lijn geeft de koers van het schip aan. De rode lijn is de ingestelde baan. De dunne lijnen links en rechts geven het bereik van het schip aan in de komende vijftien minuten.
zeeschepen zijn gevechtsvliegtuigen zeer wendbaar; straaljagers bewegen zich bovendien in drie dimensies voort. De informatievoorziening op geleidingsniveau kan veel beter, stelt Van Breda. Een mooi voorbeeld is informatie die wordt gebruikt bij het uitzetten van een koers voor het onderscheppen van een -vijandelijk - vliegtuig. De vlieger van bijvoorbeeld een F16 krijgt tijdens zijn missie een tweedimensionaal beeld
voorgeschoteld gelijk aan een conventioneel radarbeeldscherm. Het eigen vliegtuig vormt het
middelpunt van een cirkelvormig
radarscherm, waarin ook de positie
wordt aangegeven van andere
Het PCE-algoritme is uitgebreid met een snelheidsparameter om het effect van
snelheidsveranderingen van het eigen schip in kaart te brengen. Door het toerental van de schroef in de computer te wijzigen, wordt er een nieuwe PCE uitgerekend. Bij dit beeld is het toerental verlaagd van 110 naar 80. Door de lagere snelheid heeft stroom van bakboord een grotere invloed op het schip, wat is af te lezen aan de vorm van de dunne stippellijn die het bereik van het schip in een kwartier aangeeft. Van het scherm is af te lezen dat bij de nieuw ingestelde snelheid het schip in tien minuten een forse aanvaring zou hebben. De rode driehoek is een extra beveiliging om duidelijk aan te geven dat met een fictief toerental is gerekend.
vliegtuigen. Inclusief een eventueel
doelvliegtuig. De informatie over die andere vliegtuigen is tegenwoordig niet alleen
afkomstig van de eigen radar, maar kan ook uit andere bronnen worden verkregen, zoals uit een awacs, een vliegend
radarplatform. Terwijl de positie van een eventueel doel op het
radarbeeld wordt aangegeven, wordt de vlieghoogte van het doelwit ten opzichte van het eigen vliegtuig aangegeven op een aparte schaalverdeling. Van Breda: ‘ We hebben ons afgevraagd hoe de piloot de route die hij moet volgen om het vijandige vliegtuig voor zich te
krijgen,
F-16 jachtvliegtuigen zijn volgestouwd met geavanceerde apparatuur. De piloot neemt zijn vluchtplan in elektronische vorm mee wanneer hij vertrekt, maar tijdens de vlucht krijgt hij
momenteel geen aanvullende nieuwe tactische informatie in elektronische vorm. Tijdens zijn experimenten met de F-16 vliegsimulator ging Van Breda uit van een datalink met een awacs-vliegtuig of een grondradar over de posities van
rondvliegende doelen.
Alle observatie- en verdedigingsmiddelen van jachtvliegtuigen zijn naar voren gericht. Het laatste dat een gevechtsvlieger dus wil is een vijandelijk vliegtuig achter zich.
gemakkelijker kan bepalen. Daarbij gaat het natuurlijk met name om de informatie die daarvoor nodig is. Op basis van zijn schermbeeldinformatie weet de piloot dat het toestel ergens links achter hem zit; de indicator laat hem zien op welke hoogte. Om zijn route te
bepalen, moet de piloot dus zelf informatie uit verschillende bronnen mentaal integreren. Dat is niet optimaal en daarom hebben we een alternatief ontwikkeld in de vorm van een driedimensionale weergave. ’ Op het scherm bevinden zich nu twee vliegtuigjes, ook als zodanig vormgegeven. Het eigen vliegtuig bevindt zich in het midden van het
Tactisch navigatiebeeld zoals in het TNO-experimenten is gebruikt. Het beeld bevat
informatie over de horizon, de hoogte, de snelheid, de koers en (links) radarinformatie. Het centrum van het radarbeeld is het toestel zelf, het halve maantje erboven is het doel.
beeld, het doelvliegtuig op een sferische bol. De horizon en de hoek waaronder het doelvliegtuig zich bevindt, zijn aangegeven. Daarbij zijn twee configuraties mogelijk. De ene is die waarbij de horizon stabiel blijft en je je eigen vliegtuig ziet bewegen. Dat heet «outside-in motion reference». De positie van het vijandige vliegtuig wordt nu op een natuurlijke manier aangegeven ten opzichte van het eigen vliegtuig.
Van Breda: ‘ Je
ziet dus meteen waar het zit; je hoeft niet eerst nog eens twee gegevens te
combineren. ’
Interceptietijd
Ervaren F16-vliegers van de Koninklijke Luchtmacht hebben in de simulator gevlogen met zowel het conventionele 2d-beeld als het nieuwe 3d-beeld in beide varianten (met stabiele dan wel bewegende horizon). Daarbij werd onder meer gekeken naar de interceptie tijd; de tijd die ligt tussen de
Van Breda onderzocht twee manieren van radarpresentatie die proefpersonen op hun beeldscherm kregen aangeboden. Links is een 2d-bovenaanzicht (gelijk aan dat van een schip) met aan de linkerkant een extra indicatie die de positie van het vijandelijke vliegtuig aangeeft. Rechts een perspectivisch of 3d-radarbeeld. Het eigen toestel (groen) is in het centrum, terwijl het vijandige toestel rood is weergegeven. Er zijn twee 3d-versies onderzocht: een «outside-in» en een
«inside-out» versie. Bij «outside-in» was de horizon stabiel, maar bij «inside-out» het eigen vliegtuig stabiel en bewoog de wereld in relatie tot de vliegbewegingen.
Vliegsimulator bij TNO Technische Menskunde waarin een gevechtsvliegtuig wordt nagebootst. De wereld wordt op een sferisch scherm
geprojecteerd, evenals head-up-informatie. Head-up-informatie over de stand van het vliegtuig wordt in gevechtsvliegtuigen op een transparante spiegel geprojecteerd, recht voor de piloot.
(Foto: Walter van Dijk / TNO Technische Menskunde Soesterberg)
waarneming van het vijandelijke vliegtuig en het moment waarop dat binnen het schootsveld van de F16 ligt. Met het 2d-beeld duurt de interceptie gemiddeld zo’n 25 seconden. Met het 3d-beeld was dat
gemiddeld zo’n 15 seconden; een reductie van maar liefst 40 procent. In een gevechtssituatie zoals enkele maanden geleden in het luchtruim boven het voormalige Joegoslavië kan dat het verschil uitmaken tussen raken of geraakt worden.
Van Breda heeft ook gekeken wat de oorzaak is van dat verschil. ‘In de situatie met een 2d-beeld, waarbij het doel zich onder of boven de horizon bevindt, stuurt de piloot eerst naar links of naar rechts en dan pas omhoog of omlaag. Eigenlijk een tweestaps-strategie. Het 3d-beeld stelt de piloot evenwel in staat om de kortste weg naar het doel te volgen.’
De onderscheppingstijd blijkt het kortst wanneer het eigen vliegtuig op het scherm stabiel blijft en de horizon beweegt (inside-out motion reference). Dat is echter ook de meest riskante variant.
Van Breda: ‘Omdat de weergave van je eigen toestel op het scherm niet beweegt, weet je op een gegeven moment niet meer of je rechtop of ondersteboven vliegt. Je positie ten opzichte van het aardoppervlak wordt wel weergegeven, maar je bent zo geconcentreerd op je doel, dat je daar niet echt op let. Dan kan het gebeuren dat je gevaarlijk laag uitkomt met je vliegtuig, een «cfit» maken, een «controlled flight into terrain», is dan niet ondenkbaar. Om dat te voorkomen, moeten weer extra voorzieningen worden getroffen om de vlieger tijdig te waarschuwen.’
Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met
Ing. Leo van Breda, tel.(0346) 356 459, fax (0346) 353 977, e-mail vanbreda@tm. TNO.nl of met
prof.dr.ir. Henk G. Stassen, tel. (015) 278 3706, e-mail stassen@wbmt. tudelft.nl.
