Technisches Experten-Kontroll-System für die Kollisionsverhütung

Inhaltsverzeichnis

• Titelblatt
• Eidesstattliche Erklärung
• Inhaltsverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Abstrakt
• Einleitung: Die Nutzer-Anforderungen an ein Expert Control System
• Ursachen und Wirkungen von ECS Funktionen
• Beschreibung der gesetzlichen Anforderungen aus E-Navigation
• Differenzen zwischen Realität und Betriebskonzept
• Faktor Mensch
• Menschlichen Fehler
• Situation Awareness
• Problemfelder der Situation Awareness
• Teamwork und Situation Awareness
• Situation Awareness Messmethoden
• Modelle zur zeitkritischen Entscheidungsunterstützung
• Innere Welt-Modelle
• Entscheidungsbaum
• Entscheidung unter Sicherheit
• Entscheidung unter Risiko
• Entscheidung unter Ungewissheit
• Rechnergestützte Entscheidungsfindung
• Risiko-Modelle
• Analyse von Verkehrssituationen durch spieltheoretische Methoden
• Differential Games
• Schiffscontroller
• Evolutionäre Kollisionsvermeidung
• Vector Field Histogram (VFH)
• Dynamic Window
• Dynamic Window und Hilgert
• Experten Systeme
• Ecological Interface Design
• Die Grenzen durch die Brückenkonstruktion
• AIT
• Vernetzte Führungsstrukturen
• Ansätze und Algorithmen für ein Expert Control System
• Neuronalen Netzwerke
• Agenten Systeme
• Agenten-Verhand Jungs -System
• Fuzzy-Logik
• Interval Programming (IvP)
• Windows of opportunity (WOO)
• Sensoren
• LIDAR
• Synthetisches Blenden Radar(SAR)
• Optical Phased Amay (OPA)
• Relaxed Optical Tolerance Imaging
• Automatic Target Recognition (ATR)
• Concavity-Convexity-Scale-Space (CCSS)
• Zusammenfassung
• Quellenverzeichnis

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Expert Control Systems (ECS) für die Kollisionsverhütung in der Seeschifffahrt. Das Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das den Wachoffizier (WO) bei der Entscheidungsfindung in kritischen Situationen unterstützt und so die Sicherheit auf See erhöht.

• Die Nutzeranforderungen an ein ECS
• Die Rolle des menschlichen Faktors in der Schiffsführung
• Die Bedeutung von Situation Awareness (SA) und die Herausforderungen bei deren Erreichung
• Modelle zur zeitkritischen Entscheidungsunterstützung
• Die Anwendung spieltheoretischer Methoden zur Analyse von Verkehrssituationen

Zusammenfassung der Kapitel

Die Einleitung beleuchtet die Nutzeranforderungen an ein Expert Control System (ECS) im Kontext der Kollisionsverhütung und die Herausforderungen, die sich aus der menschlichen Fehleranfälligkeit ergeben. Das Kapitel analysiert die Ursachen und Wirkungen von ECS-Funktionen und stellt die Bedeutung der E-Navigation-Strategie der IMO dar. Es wird die Kluft zwischen Realität und Betriebskonzept beleuchtet, insbesondere im Hinblick auf die Einführung von unbemannten maritimen Fahrzeugen (UMV).

Das Kapitel "Faktor Mensch" beschäftigt sich mit den kognitiven Fähigkeiten und Grenzen des Menschen in der Schiffsführung. Die verschiedenen Verhaltensweisen des Menschen werden analysiert, um die Herausforderungen bei der Entwicklung eines ECS zu verstehen. Das Kapitel "Menschliche Fehler" untersucht die verschiedenen Fehlerquellen und deren Auswirkungen auf die Sicherheit auf See. Es werden verschiedene Fehlerklassifizierungen vorgestellt und die Bedeutung von Situation Awareness (SA) für die Vermeidung von Fehlern hervorgehoben.

Das Kapitel "Situation Awareness" definiert SA als ein mentales Abbild der Situation, das durch Wahrnehmung, Verständnis und Prognose der Umgebung entsteht. Es werden die verschiedenen Level von SA und die Faktoren, die SA beeinflussen, erläutert. Das Kapitel "Problemfelder der Situation Awareness" beleuchtet die Herausforderungen bei der Erreichung von SA in komplexen Situationen. Es werden die Auswirkungen von Informationsüberlastung, Fehlalarmen und der Erwartungshaltung des WO auf die SA diskutiert.

Das Kapitel "Teamwork und Situation Awareness" untersucht die Bedeutung von Teamwork für die SA in der Schiffsführung. Es werden die verschiedenen Teamstrukturen auf der Brücke analysiert und die Herausforderungen bei der Koordination von SA innerhalb eines Teams diskutiert. Das Kapitel "Situation Awareness Messmethoden" stellt verschiedene Methoden zur Messung von SA im Simulator vor. Es werden die SAGAT-Methode, Fragebögen und Leistungsmessungen erläutert.

Das Kapitel "Modelle zur zeitkritischen Entscheidungsunterstützung" analysiert die Entscheidungsfindung des Menschen unter Zeitdruck. Es werden verschiedene Entscheidungsmodelle vorgestellt, die die Rolle von emotionalen Markern, kognitiven Prozessen und der inneren Welt-Modellierung des Menschen beleuchten. Das Kapitel "Innere Welt-Modelle" beschäftigt sich mit der Bedeutung von mentalen Modellen für die SA und die Entscheidungsfindung. Es werden die verschiedenen Funktionen von Modellen und die Herausforderungen bei deren Aufbau und Anwendung erläutert.

Das Kapitel "Entscheidungsbaum" stellt eine Methode zur Darstellung von Entscheidungsprozessen vor. Es werden die verschiedenen Elemente eines Entscheidungsbaums und die Prinzipien der Informationsgewinnung durch das Wachsen des Baums erläutert. Das Kapitel "Entscheidung unter Sicherheit" analysiert die Entscheidungsfindung in Situationen mit vollständigem Überblick über alle relevanten Informationen und Konsequenzen. Es werden verschiedene Entscheidungsregeln wie Maximin, Maximax und die Dominanzregel vorgestellt.

Das Kapitel "Entscheidung unter Risiko" beschäftigt sich mit der Entscheidungsfindung in Situationen, in denen die Eintrittswahrscheinlichkeit von Umgebungsparametern bekannt ist. Es werden die Prospect Theory und das Arrow/Pratt-Maß zur Risikobewertung erläutert. Das Kapitel "Entscheidung unter Ungewissheit" analysiert die Entscheidungsfindung in Situationen, in denen die quantitative Gewichtung der Parameter unbekannt ist. Es werden die Regret Theory und die Anwendung von seemännischer Manövrierkunst im Sinne der KVR diskutiert.

Das Kapitel "Rechnergestützte Entscheidungsfindung" beleuchtet die Entwicklung von Decision Support Systems (DSS) und deren Anwendung in der Schiffsführung. Es werden die verschiedenen Arten von DSS und deren Vorteile vorgestellt. Das Kapitel "Risiko-Modelle" analysiert verschiedene Risikomodelle, die in der Kollisionsverhütung eingesetzt werden. Es werden die Modelle von Hilgert und Limbach sowie die Anwendung von spieltheoretischen Methoden diskutiert.

Das Kapitel "Analyse von Verkehrssituationen durch spieltheoretische Methoden" stellt die Spieltheorie als ein Werkzeug zur Analyse von Interaktionen zwischen mehreren Spielern vor. Es werden die verschiedenen Konzepte der Spieltheorie und deren Anwendung auf die Kollisionsverhütung erläutert. Das Kapitel "Differential Games" beschäftigt sich mit der Anwendung der Differential Games Theory auf die Kollisionsverhütung. Es werden die verschiedenen Elemente des Spiels und die optimale Strategie zur Kollisionsvermeidung diskutiert.

Das Kapitel "Schiffscontroller" analysiert die mathematische Beschreibung der Schiffsbewegung und die Entwicklung von Controllern für die Schiffsführung. Es werden verschiedene Controllertypen und deren Anwendung auf die Kollisionsverhütung vorgestellt. Das Kapitel "Evolutionäre Kollisionsvermeidung" untersucht die Anwendung von evolutionären Algorithmen auf die Wegplanung und Kollisionsverhütung. Es werden die verschiedenen Funktionen der evolutionären Programmierung und deren Anwendung auf die Kollisionsvermeidung erläutert.

Das Kapitel "Vector Field Histogram (VFH)" stellt eine Methode zur Kollisionsvermeidung vor, die auf der Einteilung der Kartendaten in Sektoren und der Berechnung der Hindernisdichte basiert. Es werden die Funktionsweise des VFH-Controllers und die Herausforderungen bei der Implementierung der KVR diskutiert. Das Kapitel "Dynamic Window" analysiert die Dynamic Window Methode zur Kollisionsvermeidung. Es werden die Funktionsweise des Dynamic Window Controllers und die verschiedenen Parameter, die dessen Leistung beeinflussen, erläutert.

Das Kapitel "Dynamic Window und Hilgert" beschreibt die Kombination der Dynamic Window Methode mit dem Hilgert-Risikomodell. Es werden die Vorteile dieser Kombination und die Herausforderungen bei der Implementierung diskutiert. Das Kapitel "Experten Systeme" stellt Experten Systeme als wissensbasierte Entscheidungsunterstützungssysteme vor. Es werden die verschiedenen Arten von Experten Systemen und deren Vorteile für die Kollisionsverhütung erläutert.

Das Kapitel "Ecological Interface Design (EID)" beschäftigt sich mit der Gestaltung von Benutzerschnittstellen für komplexe Systeme. Es werden die verschiedenen Prinzipien des EID und die Bedeutung der Gestaltung für die SA und die Entscheidungsfindung des WO diskutiert. Das Kapitel "Die Grenzen durch die Brückenkonstruktion" analysiert die Auswirkungen der Brückenkonstruktion auf die Sicherheit und die Effizienz der Schiffsführung. Es werden die Herausforderungen bei der Integration neuer Systeme in die bestehende Brückenstruktur und die Bedeutung von Human Centered Systems (HCS) diskutiert.

Das Kapitel "AIT" stellt den AIT-Ansatz von Dr. Kersandt vor, der die adaptive, integrierte und aufgabenorientierte Gestaltung von Schiffsführungssystemen betont. Es werden die verschiedenen Elemente des AIT-Ansatzes und dessen Anwendung auf die Kollisionsverhütung erläutert. Das Kapitel "Vernetzte Führungsstrukturen" beschäftigt sich mit der Entwicklung von vernetzten Führungsstrukturen in der Seeschifffahrt. Es werden die verschiedenen Elemente des C4ISR-Konzepts und dessen Bedeutung für die Sicherheit und die Effizienz der Schiffsführung diskutiert.

Das Kapitel "Ansätze und Algorithmen für ein Expert Control System" stellt verschiedene Ansätze und Algorithmen für die Entwicklung eines ECS vor. Es werden neuronale Netzwerke, Agenten Systeme und Fuzzy-Logik erläutert. Das Kapitel "Neuronalen Netzwerke" analysiert die Anwendung von neuronalen Netzwerken auf die Kollisionsverhütung. Es werden die Funktionsweise von neuronalen Netzwerken und die Herausforderungen bei deren Training und Anwendung diskutiert.

Das Kapitel "Agenten Systeme" beschreibt die Anwendung von Agenten Systemen auf die Kollisionsverhütung. Es werden die verschiedenen Elemente eines Agenten Systems und die Herausforderungen bei der Koordination von Agenten in komplexen Situationen erläutert. Das Kapitel "Agenten-Verhandlungs-System" stellt ein System zur Verhandlung von Kollisionsvermeidung zwischen Schiffen vor. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Manövriereigenschaften der Schiffe und die KVR berücksichtigt.

Das Kapitel "Fuzzy-Logik" erläutert die Anwendung von Fuzzy-Logik auf die Kollisionsverhütung. Es werden die verschiedenen Elemente der Fuzzy-Logik und deren Anwendung auf die Modellierung von unscharfen Begriffen und Beziehungen diskutiert. Das Kapitel "Interval Programming (IvP)" stellt eine Methode zur Lösung von Optimierungsproblemen mit mehreren Zielen vor. Es werden die Funktionsweise des IvP-Ansatzes und dessen Anwendung auf die Kollisionsverhütung erläutert.

Das Kapitel "Windows of opportunity (WOO)" beschreibt das Konzept des Gelegenheitsfensters, das die Zeitspanne zwischen der oberen und unteren Grenze der risikolosen Durchführung einer Maßnahme darstellt. Es werden die Anwendung des WOO-Konzepts auf die Kollisionsverhütung und die Vorteile für den WO diskutiert. Das Kapitel "Sensoren" analysiert die Entwicklung von Sensoren für die Kollisionsverhütung. Es werden verschiedene Sensortypen wie LIDAR, SAR, OPA und IR-Kameras vorgestellt.

Das Kapitel "LIDAR" erläutert die Funktionsweise von LIDAR-Systemen und deren Anwendung auf die Kollisionsverhütung. Es werden die Vorteile von LIDAR im Vergleich zu Radar und die Herausforderungen bei der Anwendung diskutiert. Das Kapitel "Synthetisches Blenden Radar (SAR)" beschreibt die Funktionsweise von SAR-Systemen und deren Anwendung auf die Schiffserkennung. Es werden die Vorteile von SAR im Vergleich zu konventionellen Radarsystemen und die Herausforderungen bei der Anwendung diskutiert.

Das Kapitel "Optical Phased Array (OPA)" stellt OPA-Systeme als eine neue Technologie zur Steuerung von Lichtstrahlen vor. Es werden die Vorteile von OPA im Vergleich zu konventionellen optischen Systemen und die Herausforderungen bei der Anwendung diskutiert. Das Kapitel "Relaxed Optical Tolerance Imaging" beschreibt eine Technologie, die die Kosten für die Herstellung von optischen Linsen reduzieren soll. Es werden die Funktionsweise dieser Technologie und die Vorteile für die Entwicklung von EO-Komponenten diskutiert.

Das Kapitel "Automatic Target Recognition (ATR)" analysiert die automatische Objekterkennung in Bildern. Es werden verschiedene Arten von ATR-Systemen und deren Anwendung auf die Schiffserkennung diskutiert. Das Kapitel "Concavity-Convexity-Scale-Space (CCSS)" stellt eine Methode zur Objekterkennung vor, die auf der Beschreibung von Formen mit konkaven und konvexen Funktionen basiert. Es werden die Funktionsweise des CCSS-Ansatzes und dessen Anwendung auf die Schiffserkennung diskutiert.

Die Zusammenfassung fasst die wichtigsten Ergebnisse der Diplomarbeit zusammen und diskutiert die Bedeutung von ECS und CAS für die Sicherheit auf See. Die Arbeit zeigt, dass die Entwicklung von ECS und CAS ein wichtiger Schritt hin zu einer sichereren und effizienteren Schiffsführung ist.

Schlüsselwörter

Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen den Förderschwerpunkt Lernen, den inklusiven und exklusiven Unterricht sowie die schulische Inklusion, insbesondere in Nordrhein-Westfalen. Empirische Forschungsergebnisse werden präsentiert, um die Rahmenbedingungen und Herausforderungen der inklusiven Beschulung von Kindern mit dem Förderschwerpunkt Lernen zu beleuchten. Ein besonderer Fokus liegt auf der Bielefelder Längsschnittstudie (BiLieF-Projekt), die die Leistungsentwicklung und das Wohlbefinden von Schülern in inklusiven und exklusiven Förderarrangements vergleicht. Weitere Themen sind Förderempfehlungen, die Herausforderungen der Inklusion sowie Implikationen für die Schulentwicklung und Inklusionspraxis.