BADANIA LABORATORYJNE I EKSPERYMENTALNE POSZCZEGÓLNYCH ELEMENTÓW ZINTEGROWANEGO MOSTKA NAWIGACYJNEGO IBS W ŻEGLUDZE RZECZNO-MORSKIEJ

Damian Filipkowski Akademia Morska w Gdyni BADANIA LABORATORYJNE I EKSPERYMENTALNE POSZCZEGÓLNYCH ELEMENTÓW ZINTEGROWANEGO MOSTKA NAWIGACYJNEGO IBS W ŻEGLUDZE RZECZNO-MORSKIEJ Treść artykułu można podzielić na dwie części. Pierwsza dotyczy procesu powstawania i użytkowania aplikacji stworzonej za pomocą programowania obiektowego w programie Delphi 7 Personal. Celem tej aplikacji jest zobrazowanie ewentualnego wyglądu interfejsu użytkownika zintegrowanego mostka nawigacyjnego IBS w żegludze rzeczno-morskiej, a co za tym idzie, przedstawienie korelacji pomiędzy wszystkimi wskaźnikami i urządzeniami zainstalowanymi na takim mostku. W drugiej części artykułu opisano symulację, jakiej dokonano na grupie studentów piątego roku Wydziału Nawigacji, którzy zostali potraktowani jako przyszli użytkownicy zintegrowanego mostka nawigacyjnego IBS w żegludze morsko-rzecznej. Symulacja ta doprowadziła z kolei do bardzo ciekawych wniosków i spostrzeżeń. 1. WPROWADZENIE Szybki i łatwy dostęp do informacji, integralność, niezawodność, wysoki stopień zautomatyzowania, możliwość ostrzegania przed niebezpieczeństwami, możliwość filtrowania danych oraz dostęp do środków łączności to tylko niektóre cechy interfejsu użytkownika zintegrowanego mostka nawigacyjnego. Przedstawiona w tym artykule aplikacja jest nie tylko propozycją takiego interfejsu użytkownika, ale również narzędziem, które pozwala zasymulować ruch statku po rzece i dać przyszłemu użytkownikowi szanse na zapoznanie się z tym interfejsem, jak również sprawdzenie, jakie zagrożenia niesie ze sobą żegluga rzeczno-morska w bezpiecznych warunkach (gdyż jest to tylko symulacja). Aplikacja została stworzona za pomocą programowania obiektowego i działa w systemie operacyjnym Windows, co pozwala użytkownikowi znającemu środowisko Windows na łatwą obsługę tej aplikacji. Do stworzenia aplikacji użyto programu Delphi 7 Personal, działającego na licencji freeware, zainstalowanego na komputerach znajdujących się w pracowni informatycznej Akademii Morskiej w Gdyni. 2. CECHY INFORMACJI

6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 63, grudzień 2009 ORAZ SYSTEMU ZINTEGROWANEGO MOSTKA NAWIGACYJNEGO Użytkownik zintegrowanego mostka nawigacyjnego będzie operować przede wszystkim na danych, które zawierają wartościowe dla niego informacje. Aby informacje miały prawdziwą wartość, system zintegrowanego mostka nawigacyjnego musi mieć następujące cechy: niezawodność; integralność; stopień redundancji wystarczający do osiągnięcia założonego poziomu bezpieczeństwa; możliwość do ewoluowania wraz z postępem technologicznym i zmiennością potrzeb użytkowników; zasięg wystarczający do potrzeb. Przedstawiona aplikacja stara się sprostać wymaganiom użytkownika, zachowując wyżej wymienione cechy informacji w stopniu, na jaki pozwala symulacja. Część danych prezentowanych w aplikacji jest liczona za pomocą funkcji matematycznych i choć część jest generowana pseudolosowo, to cała aplikacja umożliwia realistyczne zaprezentowanie symulacji interfejsu użytkownika systemu mostka zintegrowanego. 3. INTERFEJS UŻYTKOWNIKA I OBSŁUGA PROGRAMU Aplikacja działa w środowisku Windows, dlatego jej obsługa jest bardzo prosta. Użytkownik ma do dyspozycji cztery zakładki, każda z nich reprezentuje inny zakres danych prezentowanych użytkownikowi, natomiast wszystkie razem stanowią integralną całość: zakładka ECDIS zaprezentowane na niej dane symulują informacje, jakie użytkownik uzyskuje dzięki elektronicznej mapie nawigacyjnej IENC systemu Inland ECDIS; zakładka CONNING prezentuje dane, jakie użytkownik zintegrowanego mostka nawigacyjnego może uzyskać i jakie są prezentowane na panelu głównym IBS; zakładka RADAR symuluje urządzenie radarowe, zainstalowane na statku wraz z informacjami, do których dzięki niemu użytkownik ma dostęp; zakładka ŁĄCZNOŚĆ umożliwia użytkownikowi zasymulowanie procesu nawiązywania i prowadzenia łączności. Dodatkowym elementem aplikacji jest panel SYMULACJA, który pozwala sterować przebiegiem symulacji, ale również rozpoczyna generowanie wielu danych prezentowanych na poszczególnych zakładkach.

D. Filipkowski: Badania laboratoryjne i eksperymentalne poszczególnych elementów... 7 Rys. 1. Ekran startowy aplikacji IBS pojawiający się po uruchomieniu programu 3.1. Zakładka zatytułowana ECDIS i prezentowane na niej dane Zakładka ECDIS prezentuje szereg informacji, do których użytkownik rzeczywistej jednostki może mieć dostęp dzięki systemowi elektronicznych map nawigacyjnych Inland ECDIS. Na tej zakładce znajdują się następujące elementy: mapa pozwala ustalić trasę statku za pomocą lewego przycisku myszy oraz pokazuje przebieg symulacji (statek jest oznaczony zieloną kropką, natomiast kolejne punkty drogi WP (Way Points) przez czerwone punkty); GPS prezentuje aktualną pozycję statku uzyskaną za pomocą satelitarnych systemów określania pozycji, pozycja ustalona jest z dokładnością do trzech miejsc po przecinku; kurs przedstawia aktualny kurs statku z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, kurs jest liczony po każdym zwrocie, dodany jest też element losowy, który symuluje znos i myszkowanie statku; prędkość prezentuje aktualną prędkość statku z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, wartość ta może być modyfikowana przez użytkownika, dodany jest element losowy, który symuluje nieznaczne zwalnianie i przyspieszanie statku podczas pracy na fali; głębokość pokazuje aktualną głębokość, a mówiąc precyzyjnie zapas wody pod stępką, gdyż zakłada się, że wirtualna echosonda znajduje się w dnie statku. Wartość głębokości określa się z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, biorąc również pod uwagę element losowy reprezentujący błędy echosondy i przemieszczanie się łach itp. Użytkownik może wpływać na tę wartość, zmieniając zanurzenie statku, a co za tym idzie, położenie echosondy, lub wprowa-

8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 63, grudzień 2009 dzając poprawkę na głębokość, która zmieni głębokość rzeki (takie poprawki użytkownik Inland ECDIS może uzyskać z RIS lub innych serwisów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo żeglugi na rzece). Jeśli zapas wody pod stępką (czyli głębokość) spadnie poniżej 1 metra, to wskaźnik będzie pokazywał wartość głębokości w kolorze czerwonym, aby zasygnalizować niebezpieczeństwo, a jeśli jego wartość spadnie do zera, symulacja zostanie zatrzymana oraz wyświetli się odpowiedni komunikat o tym, że statek wszedł na mieliznę; kursor pokazuje aktualną pozycję kursora oraz namiar i odległość z aktualnej pozycji statku do pozycji kursora. Te wartości są liczone za pomocą funkcji matematycznych i zmieniają się wraz z przemieszczaniem kursora i zmianą aktualnej pozycji statku. Oprócz sześciu elementów wymienionych powyżej użytkownik, klikając prawym przyciskiem myszy na obszar mapy, otwiera również podręczne menu mapy ECDIS, w którego skład wchodzą: kilometr rzeki (ang. River Mark Display) prezentuje aktualne informacje o bieżącym znaku długości rzeki w kilometrach, z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, mierzony od ustalonego punktu (najczęściej ujście lub początek trasy żeglownej) przyjętego jako 0 km; parametry statku okno pozwalające na wprowadzenie i późniejszą modyfikację parametrów statku, a dokładnie jego długości, szerokości, prędkości i zanurzenia. W warunkach rzeczywistych wartości szerokości i długości statku są wartościami stałymi. Możliwość modyfikacji tych parametrów do celów symulacji nie została zablokowana, aplikacja nie analizuje długości i szerokości statku, ani nie sprawdza korelacji między nimi a zanurzeniem. Należy również pamiętać przy wprowadzaniu wartości zanurzenia, aby nie było ono większe niż głębokość w miejscu pozycji startowej statku, gdyż statek po starcie symulacji automatycznie wejdzie na mieliznę. Maksymalna prędkość, na jaką program będzie odpowiadał, to 100 węzłów, mimo że rzeczywista jednostka nie osiągnie takiej prędkości w symulacji jednak pozostawiono tę opcję po to, aby użytkownik mógł w prosty sposób przyspieszyć pewne procesy; elementy mapy (ang. Chart Work Menu) w tym oknie użytkownik może wybierać informacje, jakie mają być wyświetlane przez system elektronicznych map nawigacyjnych, może dostosować prezentowany obraz do swoich własnych potrzeb, zgodnie z zasadą, że nadmiar informacji jest tak samo niepożądany jak ich brak, może wybrać jedną z trzech kategorii lub wszystkie jednocześnie w zależności od potrzeb, użytkownik może równie dobrze mieć prezentowany obraz podstawowy (ang. Base) lub z wszystkimi informacjami (ang. All other); poprawka głębokości (ang. Water Level Setup) użytkownik może wprowadzać poprawkę na głębokość na danym akwenie, co wiąże się z tym, że wahania poziomu wody na rzekach są dość znaczne i takie narzędzie jest niezbędne do prowadzenia bezpiecznej nawigacji. Informacje o ewentualnych poprawkach w warunkach rzeczywistych są uzyskiwane dzięki odczytom z wodowskazów rozmieszczonych w punktach pomiarowych wzdłuż rzeki, dzięki informacjom

D. Filipkowski: Badania laboratoryjne i eksperymentalne poszczególnych elementów... 9 z rzecznych systemów informacji (RIS), dzięki danym z oficjalnych serwisów internetowych oraz uzyskiwanym w jakikolwiek inny sposób. Należy jednak pamiętać, że dane te muszą być prawdziwe, aby mogły przedstawiać dla nawigatora jakąkolwiek wartość. 3.2. Zakładka zatytułowana CONNING i prezentowane na niej dane W tej zakładce w łatwy do zinterpretowania i czytelny sposób są prezentowane informacje z kilku urządzeń i czujników, które mogłyby być zainstalowane na statku. Dla użytkownika ważne jest to, że szereg przydatnych informacji prezentowany jest w jednym oknie, dzięki czemu użytkownik ma kompleksowy przegląd sytuacji. Przedstawiono tu integralność systemu oraz porównywalność informacji, które zapewnia system zintegrowanego mostka nawigacyjnego. Zakładka CONNING składa się z następujących elementów: pozycja z GPS aktualna pozycja statku prezentowana z dokładnością do trzech miejsc po przecinku. Może to być informacja uzyskana z tego samego odbiornika GPS, co pozycja prezentowana w zakładce ECDIS, ale może być również informacją z innego odbiornika znajdującego się na statku lub ewentualnie innego urządzenia służącego do uzyskiwania pozycji. Porównanie informacji o pozycji z dwóch niezależnych urządzeń daje większą dokładność, zapewniając zabezpieczenie w wypadku awarii jednego z urządzeń; wskaźniki hydrometeorologiczne tu prezentowane są dane hydrometeorologiczne, pochodzące z różnych czujników lub przyrządów pomiarowych, znajdujących się na statku, takich jak anemometr, wiatromierz, czujnik temperatury itp.; COG (ang. Course Over Ground) podobnie jak kurs w zakładce ECDIS prezentuje aktualny kurs statku z dokładnością do jednego miejsca po przecinku. Kurs jest liczony po każdym zwrocie, dodany jest też element losowy, który symuluje znos i myszkowanie statku; SOG (ang. Speed Over Ground) podobnie jak prędkość w zakładce ECDIS prezentuje aktualną prędkość statku z dokładnością do jednego miejsca po przecinku. Wartość ta może być modyfikowana przez użytkownika, dodany jest element losowy, który symuluje nieznaczne zwalnianie i przyspieszanie statku podczas pracy na fali; echosonda podobnie jak głębokość w zakładce ECDIS prezentuje aktualną głębokość z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, zawiera również element losowy reprezentujący błędy echosondy i przemieszczanie się łach itp.; log prezentuje w formie graficznej i alfanumerycznej prędkość postępową statku, jak i prędkość poprzeczną. Chociaż dane generowane są pseudolosowo, to w wiarygodny sposób symuluje myszkowanie statku i schodzenie z kursu. Prędkość postępowa różni się od prędkości w zakładce ECDIS i SOG w zakładce CONNING jest to zabieg celowy, gdyż starając się zachować realizm symulacji, założono, że dwie pierwsze wartości pochodzą z GPS lub

10 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 63, grudzień 2009 innych systemów wyznaczania pozycji, natomiast informacja o wartości tego parametru pochodzi bezpośrednio z logu. 3.3. Zakładka zatytułowana RADAR i prezentowane na niej dane W tej zakładce zostało zasymulowane urządzenie radarowe znajdujące się na omawianym wirtualnym statku. W obecnej wersji programu dostępne jest tylko zobrazowanie North Up oraz pięć zasięgów. Na zakładce RADAR można wyróżnić następujące elementy: obraz radarowy symuluje ekran urządzenia radarowego. Przemieszczając myszkę po jego powierzchni, można odczytać pozycję, namiar i odległość do aktualnej pozycji kursora, klikając na ekran, można zaznaczyć jakieś echo do akwizycji i odczytać jego cechy, takie jak pozycja, namiar i odległość od jednostki; dane statku po raz kolejny użytkownik ma zaprezentowane dane własnego statku, takie jak aktualna pozycja, kurs i prędkość; pozycja kursora prezentuje pozycję kursora w stosunku do aktualnej pozycji statku. Można odczytać podstawowe dane, jakie daje prawdziwy radar, a mianowicie pozycję geograficzną kursora, odległość oraz namiar z omawianego statku na pozycję kursora. Parametry te, zmieniane przesunięciami myszki po powierzchni obrazu radarowego, są liczone za pomocą funkcji matematycznych; zasięg radarowy (ang. range) użytkownik ma do dyspozycji pięć różnych zasięgów radarowych (od 2 Nm do 24 Nm), wybór jakiegokolwiek z nich zmienia wartości zmiennych występujących we wzorach używanych do obliczenia parametrów wyświetlanych w panelach Pozycja kursora oraz Obiekt 1,2,3 ; obiekt 1,2,3 w tych trzech panelach wyświetlane są podstawowe dane (tzn. pozycja, odległość i namiar liczone od pozycji statku) trzech ech zaznaczonych przez użytkownika do akwizycji i reprezentowanych na ekranie Obrazu radarowego za pomocą czerwonych punktów. Można zaznaczyć do akwizycji jednocześnie tylko trzy echa, przy zaznaczeniu czwartego echa jego dane zastąpią dane echa pierwszego, dane echa piątego zastąpią dane echa drugiego itd. 3.4. Zakładka zatytułowana ŁĄCZNOŚĆ i prezentowane na niej dane W tej zakładce użytkownik ma możliwość nawiązania łączności w trzech pasmach częstotliwości VHF, MF i HF oraz za pomocą Internetu. Ma również możliwość wysłania alarmu lub wiadomości w niebezpieczeństwie za pomocą wszystkich możliwych środków łączności. W tej zakładce została pominięta forma łączności, jaką jest telefonia komórkowa, która szczególnie w żegludze rzecznej byłaby najlepszą formą łączności ze względu na swoje parametry, takie jak zasięg i niezawodność. Jest to tylko symulacja, która pozwala jednak użytkownikowi na zastosowanie wymaganych procedur nawiązywania łączności. Pokazuje również, jak powinien wyglądać panel nawiązywania łączności w nowoczesnym systemie

D. Filipkowski: Badania laboratoryjne i eksperymentalne poszczególnych elementów... 11 zintegrowanego mostka nawigacyjnego. Po pierwsze, wszystkie urządzenia są zgromadzone w jednym miejscu, po drugie, urządzenie fizyczne zastąpiono urządzeniem wirtualnym, czyli aplikacją komputerową. W zakładce ŁĄCZNOŚĆ wyróżnia się następujące elementy: klawiatura numeryczna za jej pomocą użytkownik może wybierać kanały lub częstotliwości w odpowiednich pasmach albo bezpośrednio wybrać numer, z którym chce się połączyć. Aby połączyć się z wybranym numerem, wybiera się przycisk Połącz. Należy tu pamiętać, że nie każdy numer zostanie zaakceptowany, symulator za numery poprawne uznaje numery dziesięciocyfrowe, niezaczynające się od zera, a o wybraniu niepoprawnego numeru użytkownik zostanie poinformowany za pomocą odpowiedniego komunikatu; Internet dzięki temu panelowi użytkownik może połączyć się z Internetem, jako strona domyślna została ustawiona witryna www.inlandnavigation.org, jednak użytkownik ma możliwość połączenia się z jakąkolwiek stroną internetową, pod warunkiem posiadania połączenia z Internetem oraz zainstalowanej przeglądarki internetowej; pasmo VHF umożliwia zasymulowanie łączności w paśmie częstotliwości VHF, symulator akceptuje kanały z przedziału 1-88, a próba wybrania jakiegokolwiek innego kanału zostanie zasygnalizowana użytkownikowi odpowiednim komunikatem. Przycisk CH16 pozwala ustawić kanał łączności w niebezpieczeństwie w paśmie VHF; pasmo MF umożliwia zasymulowanie łączności w paśmie częstotliwości MF, symulator akceptuje częstotliwości z przedziału 300-3000 khz (pasmo MF), a próba wybrania jakiejkolwiek innej częstotliwości zostanie zasygnalizowana użytkownikowi odpowiednim komunikatem. Przycisk 2182.0 khz pozwala ustawić częstotliwość łączności w niebezpieczeństwie w paśmie MF; pasmo HF umożliwia zasymulowanie łączności w paśmie częstotliwości HF, symulator akceptuje częstotliwości z przedziału 3000-30 000 khz (pasmo HF), a próba wybrania jakiejkolwiek innej częstotliwości zostanie zasygnalizowana użytkownikowi odpowiednim komunikatem. Przycisk 8414,5 khz pozwala ustawić częstotliwość łączności w niebezpieczeństwie w paśmie HF; alarmowanie panel ten umożliwia zasymulowanie wysłania alarmu za pomocą wszystkich możliwych środków łączności. Alarm wysyła się za pomocą przycisku DISTRESS umieszczonego na dole panelu i oznaczonego kolorem czerwonym, aby wyróżniał się na tle całej zakładki, przedtem jednak należy określić parametry, z jakimi ten alarm będzie wysłany. Po wciśnięciu przycisku DISTRESS pojawi się kolejne okno. Użytkownik może tu zobaczyć, jak będzie wyglądała treść alarmu. Część informacji prezentowana w okienku ALARM została zdefiniowana w zakładce ŁĄCZNOŚĆ, natomiast część pochodzi z urządzeń, których działanie zasymulowano we wcześniejszych zakładkach. Po zatwierdzeniu danych przyciskiem TAK pojawi się panel, na którym będą wyświetlane informacje o tym, na jakim etapie jest wysyłanie alarmu.

12 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 63, grudzień 2009 4. SYMULACJA DWÓCH PRZYKŁADOWYCH SCENARIUSZY Opisana powyżej aplikacja została przedstawiona grupie pięćdziesięciu studentów V roku Wydziału Nawigacji Akademii Morskiej w Gdyni w celu sprawdzenia interakcji interfejs-użytkownik. Mieli oni za zadanie obserwować dwie zasymulowane sytuacje i zapisywać swoje sugestie oraz znajdować braki w aplikacji. Jednym z ich zadań było również prowadzenie notatek z wykonywanego ćwiczenia jakie czynności konkretnie wykonują, jakie parametry ruchu statku obserwują i jakich informacji im ewentualnie brakuje. 4.1. Scenariusz 1 W pierwszej sytuacji statek miał przepłynąć z punktu A do B, natomiast studenci mieli prowadzić typową wachtę nawigacyjną i zapisać: ewentualne usterki aplikacji; informacje o tworzących się sytuacjach nawigacyjnych; wykonane czynności; obserwowane parametry ruchu statku; jakich informacji nawigacyjnych im brakuje. Analiza zapisków studentów V roku oraz rozmowy z nimi doprowadziły do ciekawych wniosków. Przede wszystkim aplikacja działa poprawnie, gdyż podczas tej symulacji studenci nie mieli wielu zastrzeżeń ani sugestii co do samego jej działania. Uwagi, które powtarzały się częściej niż inne, były następujące: rzadsze używanie systemu GPS podczas żeglugi rzecznej niż podczas żeglugi morskiej; częste zwracanie uwagi na wskazania echosondy; bezcelowość używania środków łączności o tak dużym zasięgu jak te działające w paśmie MF i HF; brak łączności z Internetem (w wersji przedstawionej studentom w zakładce ŁĄCZNOŚĆ nie było jeszcze panelu INTERNET, powstał on po ich sugestiach). 4.2. Scenariusz 2 W tej symulacji studenci również mieli za zadanie przeprowadzić statek z punktu A do B, jednak tym razem na ich trasie została umieszczona nieoznakowana mielizna. Zadanie miało obejmować: zapis ewentualnych usterek aplikacji; kontrolę pozycji statku co 10 min; zanotowanie głębokości wskazanej przez echosondę co 10 min; informacje o tworzących się sytuacjach nawigacyjnych; opis wykonywanych czynności; podanie obserwowanych parametrów ruchu statku;

D. Filipkowski: Badania laboratoryjne i eksperymentalne poszczególnych elementów... 13 zanotowanie jakich informacji nawigacyjnych im brakuje. Po tej symulacji (oprócz podobnych obserwacji jak w symulacji nr 1) studenci sugerowali, że: warto byłoby dodać jakąś sygnalizację niebezpiecznej głębokości (dopiero po tej sugestii wskazania echosondy poniżej 1 metra pokazywane są w kolorze czerwonym); wskazania echosondy są ważniejsze niż wskazania GPS. 5. WNIOSKI Wyniki obydwu symulacji mogą pomóc w zaprojektowaniu zintegrowanego mostka nawigacyjnego w żegludze rzeczno-morskiej. Jeśli symulacja dokonana na studentach, których można potraktować jako przyszłych potencjalnych użytkowników, pokazuje tak daleko idące różnice pomiędzy żeglugą rzeczną i morską, to symulacja przeprowadzona na reprezentatywnej grupie użytkowników, mających większe doświadczenie niż studenci, prowadziłaby również do wielu ciekawych wniosków. Sugestie uzyskane podczas symulacji mogłyby okazać się kluczowe przy tworzeniu Inland IBS, szczególnie w zakresie takich kwestii jak wybór urządzeń, szukanie oszczędności oraz tworzenie przepisów. LITERATURA 1. Filipkowski D., Założenia nawigacji elektronicznej, Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny, Gdynia 2009. EXPERIMENTAL RESEARCHES ON INDIVIDUAL ELEMENTS OF INTEGRATED BRIDGE SYSTEM IBS IN INLAND AND SEA-RIVER NAVIGATION Summary We can divide the content of this article in to two parts. The first one refers to an process of creating and using of application created in Delphi 7 Personal environment. The main goal of this application is to show the probable view of user interface of integrated bridge system IBS in inland navigation. The second goal is to show correlation between all detectors and navigation equipment installed on a bridge in inland navigation. The second part of this paper describes simulation performed on a group of students treated as a future users of an inland integrated bridge system. This simulation leads to a very interesting conclusions and observations.