Technisches Experten-Kontroll-System für die Kollisionsverhütung

Inhaltsverzeichnis

1. Titelblatt

2. Eidesstattliche Erklärung

3. Inhaltsverzeichnis

4. Abkürzungsverzeichnis

5. Tabellenverzeichnis

6. Abbildungsverzeichnis

7. Abstrakt

8. Einleitung: Die Nutzer-Anforderungen an ein Expert Control System

9. Ursachen und Wirkungen von ECS Funktionen

10. Beschreibung der gesetzlichen Anforderungen aus E-Navigation

11. Differenzen zwischen Realität und Betriebskonzept

12. Faktor Mensch

13. Menschlichen Fehler

14. Situation Awareness

15. Problemfelder der Situation Awareness

16. Teamwork und Situation Awareness

17. Situation Awareness Messmethoden

18. Modelle zur zeitkritischen Entscheidungsunterstützung

19. Innere Welt-Modelle

20. Entscheidungsbaum

21. Entscheidung unter Sicherheit

22. Entscheidung unter Risiko

23. Entscheidung unter Ungewissheit

24. Rechnergestützte Entscheidungsfindung

25. Risiko-Modelle

26. Analyse von Verkehrssituationen durch spieltheoretische Methoden

27. Differential Games

28. Schiffscontroller

29. Evolutionäre Kollisionsvermeidung

30. Vector Field Histogram (VFH)

31. Dynamic Window

32. Dynamic Window und Hilgert

33. Experten Systeme

34. Ecological Interface Design

35. Die Grenzen durch die Brückenkonstruktion

36. AIT

37. Vernetzte Führungsstrukturen

38. Ansätze und Algorithmen für ein Expert Control System

39. Neuronalen Netzwerke

40. Agenten Systeme

41. Agenten-Verhandlungs-System

42. Fuzzy-Logik

43. Interval Programming (IvP)

44. Windows of opportunity (WOO)

45. Sensoren

46. LIDAR

47. Synthetisches Blenden Radar(SAR)

48. Optical Phased Array (OPA)

49. Relaxed Optical Tolerance Imaging

50. Automatic Target Recognition (ATR)

51. Concavity-Convexity-Scale-Space (CCSS)

52. Zusammenfassung

53. Quellenverzeichnis

Zielsetzung & Themen

Die Arbeit untersucht die Entwicklung und Implementierung eines technischen Experten-Kontroll-Systems (ECS) zur Kollisionsverhütung in der Seeschifffahrt. Im Fokus steht die Verbesserung der Sicherheit durch automatisierte Unterstützung des Wachoffiziers bei der Entscheidungsfindung, unter Berücksichtigung menschlicher kognitiver Grenzen und internationaler Seeverkehrsregeln.

• Analyse der Nutzeranforderungen an moderne Schiffsführungs-Expertensysteme.
• Untersuchung menschlicher Fehler und der Rolle der "Situation Awareness" bei Kollisionen.
• Evaluierung mathematischer und spieltheoretischer Methoden zur Kollisionsvermeidung.
• Technologische Bewertung von Sensoren und Algorithmen (z. B. Neural Networks, Fuzzy Logic, LIDAR).
• Konzeptentwicklung für eine verbesserte Mensch-Maschine-Schnittstelle auf der Schiffsbrücke.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

8. Einleitung: Nutzeranforderungen an ein Expert Control System: Erläutert die Problematik menschlicher Überwachung bei Automatisierung und definiert die Anforderungen an ein Assistenzsystem.

9. Ursachen und Wirkungen von ECS Funktionen: Analysiert menschliches Fehlverhalten als Hauptursache für Kollisionen und setzt dies in Bezug zu ökonomischen Schadensfaktoren.

10. Beschreibung der gesetzlichen Anforderungen aus E-Navigation: Beschreibt das E-Navigation-Konzept der IMO und dessen Ziel, durch vernetzte, benutzerfreundliche Werkzeuge die Sicherheit zu erhöhen.

11. Differenzen zwischen Realität und Betriebskonzept: Diskutiert Diskrepanzen zwischen theoretischen Anforderungen und der praktischen Anwendung an Bord, etwa bei der Nutzung von ECDIS und Sensordaten.

12. Faktor Mensch: Kategorisiert menschliches Verhalten in wissensbasiertes, regelbasiertes und fertigkeitenbasiertes Handeln.

13. Menschlichen Fehler: Klassifiziert Fehlertypen in einer hierarchischen Struktur und untersucht Einflussfaktoren wie Fatigue oder Stress.

14. Situation Awareness: Definiert Situation Awareness als mentales Abbild zur Prognose von Ereignissen zur Kollisionsvermeidung.

15. Problemfelder der Situation Awareness: Identifiziert Zeitdruck und fehlerhafte subjektive Wahrnehmung als Haupthindernisse für korrekte Entscheidungen.

16. Teamwork und Situation Awareness: Beleuchtet die Teamdynamik und Kommunikation als kritische Faktoren für die SA auf der Brücke.

17. Situation Awareness Messmethoden: Stellt Analysemethoden wie SAGAT vor, um die Effektivität von Anzeige-Modi zu bewerten.

18. Modelle zur zeitkritischen Entscheidungsunterstützung: Untersucht psychologische Entscheidungsmodelle und die Rolle "emotionaler Marker" bei der Gefahrenerkennung.

19. Innere Welt-Modelle: Analysiert, wie interne mentale Repräsentationen bei der Verarbeitung von Umgebungsdaten helfen.

20. Entscheidungsbaum: Erklärt die logische Struktur von Entscheidungsbäumen als Basis für informationsbasierte Steuerungen.

21. Entscheidung unter Sicherheit: Definiert Entscheidungsprozesse bei vollständiger Informationslage und klaren Kriterien.

22. Entscheidung unter Risiko: Betrachtet Entscheidungsprozesse bei bekannten Wahrscheinlichkeiten und deren Risikobewertung.

23. Entscheidung unter Ungewissheit: Untersucht das Handeln bei unbekannten Parametern, in denen qualitative Bewertungen dominieren.

24. Rechnergestützte Entscheidungsfindung: Diskutiert die algorithmische Unterstützung durch Programme bei komplexen Manöversituationen.

25. Risiko-Modelle: Stellt historische und aktuelle Ansätze zur mathematischen Modellierung von Kollisionsrisiken vor.

26. Analyse von Verkehrssituationen durch spieltheoretische Methoden: Wendet Spieltheorie auf die Interaktion mehrerer Schiffe an, um rationale, kollisionsfreie Strategien abzuleiten.

27. Differential Games: Vertieft die mathematische Modellierung von Verfolgung und Ausweichmanövern mittels Differentialgleichungen.

28. Schiffscontroller: Beschreibt die technische Implementierung der Schiffssteuerung auf Basis von Manöverdaten und physikalischen Modellen.

29. Evolutionäre Kollisionsvermeidung: Erläutert den Einsatz evolutionärer Algorithmen zur stetigen Optimierung von Navigationspfaden.

30. Vector Field Histogram (VFH): Beschreibt eine Methode zur Hinderniserkennung und Pfadplanung in Echtzeit.

31. Dynamic Window: Stellt den "Dynamic Window" Ansatz für lokale Navigation unter Berücksichtigung physikalischer Beschränkungen vor.

32. Dynamic Window und Hilgert: Verbindet den Dynamic Window Algorithmus mit dem mathematischen Modell von Hilgert für höhere Sicherheit.

33. Experten Systeme: Diskutiert wissensbasierte Systeme zur Unterstützung der Schiffsführung durch Logikregeln.

34. Ecological Interface Design: Fokussiert auf eine Schnittstellengestaltung, die das operative Verständnis des Systems fördert.

35. Die Grenzen durch die Brückenkonstruktion: Analysiert ergonomische und technische Limitierungen durch physische Brückendesigns.

36. AIT: Stellt den adaptiven, aufgabenorientierten Ansatz von Dr. Kersandt vor.

37. Vernetzte Führungsstrukturen: Untersucht C4ISR-Konzepte für die Integration verteilter Sensordaten.

38. Ansätze und Algorithmen für ein Expert Control System: Fasst algorithmische Strategien für intelligente Unterstützungssysteme zusammen.

39. Neuronalen Netzwerke: Erklärt den Einsatz von Deep Learning zur Klassifizierung von Begegnungssituationen.

40. Agenten Systeme: Beschreibt die Modellierung autonomer Schiffe als kooperierende Agenten.

41. Agenten-Verhandlungs-System: Analysiert Frameworks für automatische Aushandlungsprozesse bei Kollisionskursen.

42. Fuzzy-Logik: Beschreibt die Handhabung unscharfer, menschlicher Entscheidungsregeln mittels Fuzzy-Mengen.

43. Interval Programming (IvP): Erläutert eine robuste Methode zur Optimierung mehrerer konkurrierender Zielsetzungen.

44. Windows of opportunity (WOO): Definiert Zeitfenster für die Ausführung sicherer Manöver.

45. Sensoren: Gibt einen Überblick über notwendige Hardware zur Datenakquise.

46. LIDAR: Beschreibt die Funktionsweise von Laser-gestützter Objekterkennung.

47. Synthetisches Blenden Radar(SAR): Erläutert hochauflösende Radartechnologien für die Schifffahrt.

48. Optical Phased Array (OPA): Beschreibt eine neue Generation von optischen Sensoren mit hoher Präzision.

49. Relaxed Optical Tolerance Imaging: Diskutiert Technologien zur Senkung der Kosten und Komplexität optischer Systeme.

50. Automatic Target Recognition (ATR): Beschreibt die automatische Identifikation und Klassifizierung von Schiffszielen.

51. Concavity-Convexity-Scale-Space (CCSS): Stellt ein Verfahren zur Formerkennung von Schiffszielen basierend auf Krümmungsextrema vor.

52. Zusammenfassung: Fasst die Bedeutung von Assistenzsystemen für die zukünftige Risikobegrenzung auf See zusammen.

53. Quellenverzeichnis: Listet die verwendeten wissenschaftlichen Fachbücher, Artikel und Internetressourcen auf.

Schlüsselwörter

Kollisionsverhütung, Schiffsführung, Situation Awareness, Expert Control System, E-Navigation, Schifffahrtssicherheit, Mensch-Maschine-Schnittstelle, KVR, Navigationsunterstützung, Entscheidungsfindung, Algorithmen, Risikomodellierung, Sensorik, Automatisierung, AIS.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit?

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Entwurf eines technischen Experten-Kontroll-Systems, das Wachoffiziere auf Schiffsbrücken bei der Kollisionsvermeidung unterstützen soll.

Welche Themenfelder werden zentral behandelt?

Zentrale Themen sind die menschlichen kognitiven Fähigkeiten (Situation Awareness), mathematische Entscheidungsmodelle (Spieltheorie, Fuzzy-Logik), moderne Sensorik und die Integration dieser Technologien in ein einheitliches Führungssystem.

Was ist die primäre Forschungsfrage?

Die Forschungsfrage zielt darauf ab, wie moderne IT-gestützte Expertensysteme die Sicherheit in der Schifffahrt erhöhen können, ohne den Menschen durch Datenüberflutung zu überlasten.

Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?

Die Arbeit nutzt eine Kombination aus Literaturanalyse bestehender Forschungsansätze, der Modellierung von Entscheidungsalgorithmen (z.B. Dynamic Window, Alpha-Beta-Suche) und der Simulation von Verkehrsszenarien.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Aufarbeitung von Fehlermodellen bei der Schiffsführung sowie die technische Beschreibung verschiedener Lösungsansätze wie neuronale Netzwerke, Agentensysteme und spezifische Sensortechnologien.

Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?

Schlüsselbegriffe sind Kollisionsverhütungsregeln (KVR), Situation Awareness, E-Navigation und Expertensysteme.

Welche Rolle spielt die "Situation Awareness" konkret für das System?

Die Situation Awareness ist entscheidend, da das System dem menschlichen Offizier nur dann wirklich hilft, wenn es die Informationen so aufbereitet, dass der Mensch die aktuelle Gefahrenlage intuitiv richtig prognostizieren kann.

Was ist das Ziel des "Dynamic Window" Algorithmus?

Dieser Algorithmus dient der Pfadplanung in Echtzeit, indem er physikalische Gegebenheiten und Bewegungsspielräume des Schiffes berücksichtigt, um sicher um Hindernisse zu navigieren.