Gronarz, Andreas

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Conference Paper, Published VersionGronarz, AndreasAnwendung von Schiffsführungssimulationen für dienautische BewertungVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102311Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Gronarz, Andreas (2015): Anwendung von Schiffsführungssimulationen für die nautischeBewertung. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße mitAuswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen. Karlsruhe: Bundesanstalt fürWasserbau. S. 79-85.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 79 - Anwendung von Schiffsführungssimulationen für die nautische  Bewertung Dr.-Ing. Andreas Gronarz, Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme Duisburg (DST) Einleitung Zur Gewährleistung der Sicherheit und Leichtigkeit bei der Befahrung von Binnenwasserstraßen ist die Echtzeit-Simulation ein anerkanntes und bewährtes Werkzeug. Dies wird sowohl bei der Ana-lyse von gegebenen Szenarien als auch bei der Planung von künftigen Infrastrukturen eingesetzt. Besonders geeignet ist die Simulation zum Variantenvergleich, bei dem es nicht um absolute Er-gebnisse, sondern um die Unterschiede in der Befahrung bei Änderung verschiedener Randbedin-gungen wie z.B. Ausbauzustand, Strömungsgeschwindigkeit, Schiffslänge usw. geht. Eine hierfür geeignete Anlage steht mit dem Simulator SANDRA (Simulator for Advanced Navigation Duisburg – Research and Application) des DST zur Verfügung und wird seit der Errichtung im Jahre 2008 sehr erfolgreich für nautische Projekte eingesetzt. In dieser Betrachtung werden von den vielen die Simulation betreffenden Themen zwei spezielle Bereiche behandelt: der Einfluss der Probanden auf das Simulationsergebnis (human effect) und die Auswahl der Auswertemethodik. Für beide Punkte ist es wichtig, ein geeignetes „Versuchs“-programm aufzustellen, welches sowohl inhaltlich als auch zeitlich optimiert ist, um mit möglichst geringem Aufwand (= Kosten) zu einem bestmöglichen Ergebnis zu gelangen. Hierzu ist eine ge-naue Analyse der Aufgabenstellung erforderlich, verbunden mit einer beratenden Diskussion mit dem Kunden, um eine für die spezielle Problematik und die erwarteten Ergebnisse angepasste Simulation vorbereiten zu können. Einfluss des Probanden Ziel bei einer Simulationsserie mit Variation verschiedener Randbedingungen sollte es immer sein, die Ergebnisse unabhängig von den Eigenheiten der Schiffsführer zu machen – es sei denn, diese persönlichen Unterschiede sind selbst Ziel der Simulationen. So können Unterschiede in den Si-mulationsergebnissen mit Schiffsführer A auf einem 110 m Schiff zwar mit denen von Schiffsführer B auf einem 135 m Schiff verglichen werden, aber Rückschlüsse auf die Abhängigkeit von der Schiffslänge können guten Gewissens nicht gezogen werden, da der zweite Parameter (der Schiffsführer) ebenfalls die Resultate beeinflusst, und zwar in unbekannter Größe. Im Folgenden werden zwei Varianten betrachtet, mit dem Einfluss des Probanden umzugehen.   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 80 - A) Mehrere Schiffsführer und wiederholte Fahrten Die größte Sicherheit bei den Ergebnissen kann man erzielen, wenn die unbekannten Einflüsse statistisch abgesichert werden können. Statistisch bedeutet, dass man aus einer Vielzahl eine Ein-zahl ableitet, wobei durch geeignete Verfahren wie Mittelwertbildung das Ergebnis der unterschied-lichen Untersuchungen zu einer einzelnen Aussage zusammengefasst werden. Mit einer großen Anzahl von Probanden kann der human effect weitgehend ausgeschaltet werden, wobei der Grad der Qualifikation der einzelnen Steuerleute ein möglichst großes Spektrum umfassen sollte. Bei den Untersuchungen des DST werden jedoch keine „Anfänger“ eingesetzt, sondern gestandene Kapitäne, die über einschlägige Berufserfahrung mit den eingesetzten Schiffstypen verfügen. Mit ein Grund für diese Verfahrensweise ist die personelle Verfügbarkeit, denn aktive Schiffsführer sind schlechter einzuplanen als solche, die sich schon im Ruhestand befinden. Eine zusätzliche Steigerung der Aussagekraft von Simulationsergebnissen ist die mehrfache Wie-derholung der Fahrten. Dies ist wirtschaftlich nur möglich, wenn das zu untersuchende Problem sehr begrenzt ist und damit eine schnelle Abfolge und ein hoher Durchsatz möglich ist. Bei den Untersuchungen an der Mittleren Brücke in „Basel“ (2011) wurden auf Wunsch des Kun-den sechs Schiffsführer (4 Baseler Lotsen und 2 Rheinkapitäne) eingesetzt und jede Fahrt dreimal ausgeführt. Die eigentlichen Variationsparameter der Untersuchung waren Strömungs-geschwindigkeit (Pegelstand), Schiffslänge und Abladung. In Bild 1 sind die Einzelergebnisse so-wie die Mittelwertbildungen für eine bestimmte Auswertegröße dargestellt.  Bild: 1:  Statistische Auswertung einzelner Simulationsergebnisse   20253035404550540 560 580 600 620 640 660 680 700Fahrspurbreite  unter Wettsteinbrücke [m]Pegel Basel Rheinhalle [cm]Statistische Auswertung von SimulationsergebnissenSchiffsführer 1 Schiffsführer 2 Schiffsführer 3Schiffsführer 4 Schiffsführer 5 Schiffsführer 6Einzelresultate von 6 Schiffsführern als SymbolMittelwerte als farbige LinieGesamtmittelwert als schwarze LinieBundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 81 - Obwohl die einzelnen Daten relativ stark streuen, gibt sich aus der Mittelwertbildung doch eine klare Linie. Diese Tendenz ist so eindeutig, dass bei der Endauswertung über die Variationspara-meter sehr klare Abhängigkeiten herausgestellt werden konnten, wie in Bild 2 zu erkennen ist.  Bild: 2:  Gesamtergebnis für eine Auswertegröße B) Ein einzelner Schiffsführer für alle Fahrten Die größte Sicherheit bei den Ergebnissen kann man erzielen, wenn die unbekannten Einflüsse durch die Eigenheiten verschiedener Kapitäne generell ausgeschlossen werden können, indem alle Fahrten von einem Schiffsführer durchgeführt werden. Diese Reduzierung auf nur noch eine Person hat jedoch auch Nachteile, wovon hier drei betrachtet werden: 1. Mögliche Überlastung des Schiffsführers Obwohl professionelle Kapitäne eine kontinuierliche Tätigkeit im Steuerhaus gewohnt sind, ist schwer zu beurteilen, inwieweit die besondere Belastung bei Simulatorfahrten mit bewusst erhöh-tem Schwierigkeitsgrad gegenüber dem normalen Berufsleben das gewünschte Gesamtergebnis verfälschen kann. Um dies möglichst weit auszuschließen, ist es angebracht, zu Beginn und zum Ende eines Tages leichtere Fahrten vorzusehen, um Leistungstiefs durch morgendliche Einge-wöhnung und abendliche Übermüdung zu kompensieren. Auch während des Tages sollten die Anspruchsniveaus wechseln und nur für einen direkten Vergleich aufeinanderfolgende Steigerun-gen des Schwierigkeitsgrades vorgenommen werden. 2. Trainingseffekt Es ist unvermeidbar, dass nach Kennenlernen einer Situation jeder Schiffsführer bei der Bewälti-gung Fortschritte macht und folgende Fahrten immer besser absolviert. Beim Projekt „Donau Deg-gendorf-Winzer“ (2012) wurden bei den verschiedenen Szenarien etliche Fahrten mit gleichen Randbedingungen Ausgewertet und die Ergebnisse in zeitlicher Abfolge aufgetragen. Für einen 0102030405060105 110 115 120 125 130 135 140Fahrspurbreite unter Wettsteinbrücke [m]Schiffslänge [m]Auswertung für übergeordnete ParameterPegel 550 beladen Pegel 550 leerPegel 620 beladen Pegel 620 leerPegel 670 beladen Pegel 670 leerBundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 82 - Parameter sind die Resultate in Bild 3 dargestellt, wobei eine abklingende Potenzfunktion den feststellbaren Trainingseffekt wiedergibt. Daraus folgt, dass gute Ergebnisse am Ende einer Simu-lationskampagne genauso wenig überbewertet werden dürfen wie vermeintlich schlechte bei der ersten Befahrung eines Szenarios zu negativ gesehen werden sollten.  Bild: 3: Trainingseffekt bei Wiederholungen 3. Überqualifikation für das Szenario Die wiederholte Konfrontation des Schiffsführers mit einer relativ schwierigen Situation führt dazu, dass dieser Kapitän am Ende hervorragende Leistungen erbringt, die bei Parametervariationen zwar untereinander vergleichbar sind, im Gesamtbild jedoch nicht mehr auf die Realität übertragen werden können. Durch das intensive Training werden Fähigkeiten herangebildet, die von einem Schiffsführer im täglichen Berufsleben nicht erreicht werden können. Dies gilt sowohl für „Anfän-ger“ als auch erfahrene „Profis“ – Training verbessert (vor allem am Anfang, siehe Bild 3) die Qua-lifikation. Aus diesem Grund zu beachten, dass Aussagen über die Schwierigkeit eines bestimmten Szenarios am Simulator immer zu höherer Erschwernis hin abgestuft werden müssen, um auf die Allgemeinheit übertragen werden zu können. Ein Maß für diese Reduktion ist schwer anzugeben, aber im Bereich von 10% - 20% anzusetzen. Auswertemethodik Für jede Aufgabenstellung ist eine angepasste Auswertemethodik erforderlich, um mit moderatem Simulationsaufwand ein belastbares Ergebnis zu erzielen. Bei dem Projekt „Donau Deggendorf-Winzer“ (2012) ging es um eine Abschätzung der in den Aus-bauvarianten zu erwartenden Unfallrisiken im Vergleich mit dem Ist-Zustand. Hierzu wurden auf allen drei Szenarien Simulationen mit vergleichbaren Zusammenstellungen der Umwelt-bedingungen und beteiligten Schiffe durchgeführt.  0123456789101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Mittelwert des absoluten Ruderwinkels [°]Trainingseffekt bei Wiederholungen von gleichen SzenarienIst-ZustandAusbauvariante AAusbauvariante C2.80Pot.(Ist-Zustand)Pot.(Ausbauvariante A)Pot.(Ausbauvariante C2.80)Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 83 - Dabei wurden z.B. Mindestabstände von Bojen und Fahrwassergrenzen bestimmt und mit Daten aus der existierenden Unfallstatistik bezüglich Bojenanfahrungen und Grundberührungen außer-halb des Fahrwassers korreliert. Dadurch konnten unter Berücksichtigung des zu erwartenden Verkehrsaufkommens zu erwartende Unfallhäufigkeiten für die Ausbauzustände bestimmt werden. Bei dem aktuellen Projekt „Donau Straubing-Bogen“ (2015) soll die Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs in der geplanten Ausbauvariante mit dem Ist-Zustand verglichen werden. Die Problematik besteht darin, aus den aufgezeichneten Fahrtdaten numerische Größen zu ermitteln, um diese Untersuchungsziele mit aussagekräftigen Zahlen bewerten zu können. Hier hat sich die Definition von „Reserven“ als gut herausgestellt – je höher die Reserve ist (Max = 100%), umso leichter war die Befahrung. Einzelne Reserven werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert. Ruderwinkelreserve – Der mittlere absolute Ruderwinkel einer Fahrt wird mit dem maximal möglichen Ruderwinkel verglichen. Je geringer das Ergebnis, umso leichter war die Fahrt und umso größer ist die Re-serve. 𝑅ௗ = ͳ − |݀|̂݀௠௔௫ Bugstrahlreserve – Der mittlere aufgewendete Schub wird mit dem Ma-ximalschub verglichen. 𝑅஻ = ͳ − ܶ̂௠ܶ௔௫ Drehzahlreserve – Die mittlere verwendete Maschinendrehzahl wird mit der Maximaldrehzahl verglichen. Dieser Wert ist allerdings problema-tisch, da Fahrten mit höherer Grundgeschwindigkeit als riskanter (ge-ringere Reserve) eingestuft werden. 𝑅௡ = ͳ − ݊̂݊௠௔௫ Ruderaktivitätsreserve – Die mittlere absolute Ruderwinkeldifferenz pro Zeittakt einer Fahrt wird mit der maximal möglichen Ruderlegege-schwindigkeit verglichen. Null würde bedeuten, dass das Ruder die gesamte Zeit immer von Vollausschlag zu Vollausschlag hin- und her bewegt wurde. Diese Reserve eignet sich zur Bewertung der Anspan-nung des Schiffsführers. 𝑅௥ = ͳ − |∆݀ ∆ݐ⁄ |̂̇݀  Während die zuerst genannten Werte direkt aus den aufgezeichneten Daten bestimmt werden können, beruhen andere Reserven auf zusätzlichen Berechnungen, für die die Schiffsumrisse so-wie exakt definierte Punkte im Fahrtgebiet wie Bojen, Brückenpfeiler oder Fahrrinnen-begrenzungen herangezogen werden. Diese berechneten Entfernungen müssen durch Verrech-nung mit einer zu wählenden Konstanten so umgewandelt werden, dass sie auch in den Wertebe-rich 0% (sehr schlecht) bis 100% (sehr gut) fallen. Die verwendeten Konstanten sind Testwerte für das aktuelle Projekt.   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 84 - Bojenabstand – der geringste Abstand eines Punktes des Schiffsumrisses zu einer der vorhandenen Bojen einer Fahrt wird mit dem maximal ermittelten Bojenabstand aller Fahrten vergli-chen. Damit werden Bojenanfahrungen erfasst (0%). ܣ஻௢ = min ሺܣܾݏݐ𝐹௔ℎ௥௧ሻmax ሺܣܾݏݐ஺௟௟௘ሻ  Brückenpfeilerabstand – Hier wird berechnet, inwieweit das Schiff sich außerhalb der optimalen Mittelposition (100%) befindet. Die Anfahrung eines Pfeilers ergibt 0%. ܣ஻௥ = min ሺݕ஻௕ , ݕௌ௧௕ሻͲ.5 ∙ ( ஻ܹ௥ü௖௞௘ − ܤௌ௖ℎ𝑖௙௙) Fahrspurbreite – Die mittlere Fahrspurbreite wird mit der Schiffs-breite verglichen. Hier der Kehrwert, damit Werte zwischen 0% und 100% berechnet werden.  ܣௌ௣௨௥ = ܤௌ௖ℎ𝑖௙௙ݕௌ௣௨௥̂  Für den letzten Auswerteparameter wurde eine relativ komplizierte Methode entwickelt, die welche eine gute Aussage über die Ausnutzung der vorhandenen Verkehrsfläche gibt. Für jeden Zeittakt werden die Minimalabstände des Schiffsumrisses zur Fahrrinnenbegrenzung rechts und links be-rechnet. Als Endergebnis werden die Häufigkeiten der Unterschreitung bestimmter Abstände be-stimmt. Für eine leichte, mittlere und schwierige Fahrt sind in Bild 4 sind diese Daten aufgetragen. Als Maß für die Schwierigkeit der Befahrung wird die Fläche oberhalb der Kurve bis hin zur 100%-Linie verwendet, wie im Beispiel durch die eingetragenen Werte verdeutlicht wird. Mit diesen  numerischen Werten wird dann ein endgültiger Prozentwert für dieses Kriterium berechnet (s.u.).  Bild: 4: Unterschreitung bestimmter Abstände zum Fahrrinnenrand Fahrrinnenabstand – das Unterschreitungsintegral (siehe Bild 4) beider Fahrwasserseiten einer Fahrt wird mit dem maximal ermit-telten Unterschreitungsintegral aller Fahrten verglichen. ܣ𝐹ோ = min ሺܷܫ𝐹௔ℎ௥௧ሻmax ሺܷܫ஺௟௟௘ሻ    0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Anzahl Unterschreitungen des AbstandesAbstand zum Fahrrinnenrand [m]SchwierigMittelmäßigLeicht Bewertung der Abstände zum Fahrrinnenrand4.313.831.8Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 85 - Alle diese Bewertungsergebnisse werden am Ende zu einer Gesamtbewertung herangezogen, wobei individuelle Gewichtungsfaktoren für die Bedeutung der einzelnen Ergebnisse bezüglich der Aufgabenstellung festgelegt werden müssen. ܤ݁ݓ = (𝑅ௗ ∙ 𝐹ଵ + 𝑅஻ ∙ 𝐹ଶ + 𝑅௡ ∙ 𝐹ଷ + 𝑅௥ ∙ 𝐹ସ + ܣ஻௢ ∙ 𝐹ହ + ܣ஻௥ ∙ 𝐹଺ + ܣௌ௣௨௥ ∙ 𝐹଻ + ܣ𝐹ோ ∙ 𝐹 ) ∑ 𝐹𝑖⁄  Die endgültigen Werte der Faktoren liegen noch nicht fest – bisher wurde (nur die ersten drei Krite-rien) mit F1=3, F2=2 und F3=1 gearbeitet. Eine systematische Vergleichsauswertung wird am En-de zu angebrachten Gewichtungen für die Beurteilung der Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs führen. Literatur Gronarz, A. (2011): Risikobetrachtung für Fahrten mit Überlänge durch das Stadtgebiet von Basel mit Fahrversuchen am Simulator. DST-Bericht 2025, nicht öffentlich  Gronarz, A. (2012): Untersuchung zur Unfallhäufigkeit von Schiffen auf der oberen Donau im Ab-schnitt Straubing - Vilshofen. DST-Bericht 2058, nicht öffentlich  Gronarz, A. (2015): Untersuchung zur Sicherheit und Leichtigkeit der Fahrt im Bereich Straubing bis Bogen. DST-Bericht 2160, nicht öffentlich.   

Anwendung von Schiffsführungssimulationen für die nautische Bewertung

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