ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 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

2 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

3 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

4 Maciej Gucma, Stanisław Gucma 96 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-

5 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

6 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

7 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 DGPS predykcji oparty na modelu hydrodynamicznym statku Wiatromierz Nastawy maszyn zbierania informacji przetwarzania danych (optymalizacja informacji) zobrazowania informacji Nastawy sterów Nastawy sterów strumieniowych 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 predykcji oparty na ekstrapolacji parametrów ruchu zbierania informacji przetwarzania danych (optymalizacja informacji) 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

8 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 Wielkość parametru i jednostka miary wariant stacjonarny PNS wariant przenośny PNS Wymiary i waga systemu 2 moduły (~0,5 m 0,5 m 0,25 m) Waga około 10 kg 2. Rodzaj pracy Ciągły Ciągły 3. Automatyczny czas pracy, zasilanie 4. Urządzenie prezentacji, informacji Bez ograniczeń zasilanie z sieci okrętowej Teczka (~0,5 m 1,15 ft 0,2 m) Waga około 5 kg Bez ograniczeń przy zasilaniu z sieci lub 3 h 12 h w zależności od zastosowanych akumulatorów własnych Ekran notebooka 17 Ekran notebooka Lokalizacja wskaźnika Na stanowisku manewrowym Na stanowisku manewrowym 6. Rodzaj urządzeń pozycjonowania 7. Dokładność określania położenia każdego punktu umownej wodnicy (błąd kierunkowy prostopadły do wodnicy) Okrętowy DGPS i żyrokompas podłączony do systemu 1,3 m 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 2 skorelowane odbiorniki DGPS na bazie 0,5 m. Ustawiane na magnesach w odkrytych miejscach statku, np. falszburta. 1,5 m względem N względem brzegu względem osi toru (zmiana osi co 10 ) 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, kable, rurociągi, światłowody, numer pławy lub stawy, lub ich symboliczne oznaczenia. 100

9 Badania rzeczywiste prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych Treści wskaźników pokazywane na żądanie 14. Oznaczenie statku na wskaźniku skarpa toru wodnego, sektory świateł, kilometry osi toru. Tabela 1, c.d. 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 kurs, prędkość liniowa, prędkość boczna, prędkość kątowa. 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 Oparty na ekstrapolacji parametrów ruchu statku 20. Horyzont czasowy predykcji Zmienny do 5 min Zmienny do 3 min 21. Dokładność predykcji (zakładana w trakcie budowy) ~ 10% ~ 20% 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

10 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 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 Gucma M., Testowanie interfejsów użytkownika w pilotowych systemach nawigacyjnych, Zeszyty Naukowe nr 70 Wyższej Szkoły Morskiej w Szczecinie, X Konferencja Inżynierii Ruchu Morskiego, Szczecin Sinha R., Boutelle J., Rapid information architecture prototyping Interactive posters, Proceedings of DIS'04: Designing Interactive Systems: Processes, Practices, Methods & Techniques 2004 p 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, Szczecin macgucma@am.szczecin.pl Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. 102