Nawigacja
Zastosowanie GIS w nawigacji morskiej
Definicja nawigacji morskiej
Nawigacja morska jest to dział wiedzy zajmujący się przeprowadzaniem jednostki nawodnej z jednego miejsca w drugie, z uwzględnieniem przepisów, konwencji oraz międzynarodowego prawa drogi morskiej. Nawigację determinują [Specht, 2006]:
- bezpieczeństwo – stan, w którym nie istnieje zawodność czasoprzestrzeni oznaczająca stan katastrofy ,wypadku ,awarii;
- sprawność – właściwość procesu uwzględniająca jego cechy ekonomiczne, optymalizacyjne i inne.
Nawigator (kapitan, oficer wachtowy) może prowadzić nawigację, jeżeli posiada wymagane kwalifikacje niezbędne do obsługi urządzeń oraz pomocy nawigacyjnych.
W zależności od sposobu w jaki nawigator określa pozycję statku, nawigację możemy podzielić na [Banachowicz, 200], [Weintrit, 1997], [Jurdziński, 2003]:
· NAWIGACJA TRADYCYJNA:
- nawigacja terestryczna,
- nawigacja zliczeniowa,
- nawigacja astronomiczna,
· NAWIGACJA ELEKTRONICZNA (częściowo zautomatyzowana):
- nawigacja radarowa,
- nawigacja satelitarna,
- nawigacja zintegrowana przy użyciu ECDIS.
Nawigacja morska jest procesem, którego celem dla obowiązującego zbioru wymagań oraz ograniczeń jest zapewnienie bezpieczeństwa oraz sprawności przejścia statku pomiędzy różnymi portami lub pozycjami. Kierowanie statkiem po wyznaczonej trajektorii, zgodnie z realizowanymi zadaniami i planem podróży, możemy podzielić na następujące zadania [Weintrit, 1997], [Banachowicz, Docewicz, 2000]:
- zbieranie i przetwarzanie informacji;
- planowanie przejścia statku zgodnie z jego zadaniami;
- określenie pozycji statku;
- sterowanie statkiem;
- korygowanie trajektorii i wektora ruchu statku;
- kontrola położenia względem niebezpieczeństwa nawigacyjnego.
1.1.2 Wykorzystanie danych przestrzennych w nawigacji morskiej
Nowym elementem dorobku współczesnej technologii nawigacyjnej jest mapa elektroniczna. Ta forma geograficznego przedstawienia rzeczywistości pozwala na prowadzenie bezpieczniejszej i bardziej wydajnej nawigacji. Nawigatorzy używający mapy papierowe muszą mentalnie przetworzyć wiele różnych źródeł informacji co jest bardzo czasochłonne. Systemy ECDIS bądź ECS połączone z wieloma sensorami na statku oraz z obszernym źródłem bazodanowym umożliwiają o wiele sprawniejsze przetwarzanie informacji. Systemy Informacji Przestrzennej w dzisiejszych czasach odgrywają bardzo ważną role w jakości nawigacji morskiej. Obecnie wykorzystuję się je nie tylko do sprawnego wyświetlania pozycji statku na mapie ale także do symulacji zachowania statku w różnych sytuacjach, unikania niebezpieczeństw nawigacyjnych poprzez systematyczne aktualizowanie informacji znajdujących się na ekranach GIS. To dzięki sprawnie działającym biurom hydrograficznym na całym świecie technologia informacji przestrzennej w środowisku morskim jest nieustannie utrzymywana, chroniona oraz rozwijana. Nieprzerwane badanie mórz i oceanów oraz gromadzenie danych geoprzestrzennych powoduje, że nawigator na wyświetlaczu mapy nawigacyjnej znajdzie następujące, aktualne, niezbędne do nawigacji informacje:
- pomoce nawigacyjne oraz szczegółowe parametry portów;
- głębokości mórz zarówno na wodach otwartych jak i przybrzeżnych;
- strukturę dna morskiego;
- przewidywaną pogodę;
- fizyczne właściwości wody morskiej;
- pływy oraz prądy pływowe;
- obserwacje magnetyczne oraz grawitacyjne na morzu.
W środowisku morskim poza statkową nawigacją aplikacja GIS jest także wykorzystywana do następujących celów:
- administracja przybrzeżna (VTS, Obrona narodowa);
- operacje wojskowe;
- delimitacja wód;
- eksploracja dna morskiego i tego co pod nim;
- badania naukowe.
1.1.3 System Map Elektronicznych ECS (Electronic Chart System)
ECS to system nawigacyjny. Aplikacja ta umożliwia wyświetlanie pozycji statku oraz użytecznych informacji nawigacyjnych w sposób elektroniczny. Informacje czerpane są z baz danych systemu przeważnie przy użyciu systemu zarządzania relacyjnymi bazami danych. Jeżeli na statku zainstalowana jest mapa elektroniczna ECS, to podstawowym narzędziem nawigacji pozostaje mapa tradycyjna. ECS nie jest uznawany za ekwiwalent map papierowych, tak jak ECDIS (patrz rozdz. 2.3.4.), ponieważ nie spełnia on wszystkich wymogów stawianych przez IMO. Większość systemów, które nie spełniają standardów ECDIS, a są elektronicznymi mapami nawigacyjnymi, nazywamy Systemem Map Elektronicznych ECS.
Bardzo trafnym porównaniem ECS z ECDIS są stwierdzenia:
- ECS jest jedynie oprogramowaniem wgranym do komputera;
- system ECDIS jest wewnętrzną częścią Zintegrowanego Systemu Mostkowego IBS (Integrated Bridge System).
ECS może obsługiwać zarówno mapy wektorowe, rastrowe, jak i mapy innego pochodzenia wyprodukowane przez prywatne firmy. Najczęściej jednak wykorzystywane do tych map są tańsze dane rastrowe.
1.1.4 System Obrazowania Elektronicznych Map i Informacji Nawigacyjnych ECDIS (Electronic Chart Display and Information System)
System ECDIS jest szczególnym, komputerowym systemem informacji nawigacyjnej. Wykorzystuje się go w celach nawigacyjnych zamiast tradycyjnej mapy. Na ekranie monitora wyświetlana jest mapa zawierająca wszystkie szczegóły, a nawet więcej niż w przypadku map papierowych. Jednak zanim taki system zastąpi tradycyjną mapę na statku, musi on spełnić wymogi, jakie narzucane są przez Międzynarodową Organizację Morską IMO. Jedynymi oficjalnymi mapami wektorowymi, które mogą być używane jako podstawowe narzędzie nawigacji, są Elektroniczne Mapy Nawigacyjne ENC (Electronic Navigational Charts). Należy jednak pamiętać, że nie każdą mapę elektroniczną ENC (Electronic Navigational Chart) można nazwać ECDIS. Ekwiwalentem mapy może być także mapa rastrowa. Dotychczasowy zasób obrazów pikselowych niestety nie pokrywa całego globu i jego użycie jako bazy systemu ECDIS jest możliwe jedynie po spełnieniu narzuconych przez IMO wymogów, które opisane są w rozdz. 2.3.4.2.
Wszelkie prawa, przepisy i standardy dotyczące systemu ECDIS są ujęte w międzynarodowych oraz narodowych publikacjach, konwencjach oraz specyfikacjach takich, jak (patrz rozdz. 3.4.):
- SOLAS Chapter V;
- IMO Performance Standards for ECDIS;
- Port State Control Requirements;
- IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data (S57 Standard);
- Specification for Chart Content and Display Aspects of ECDIS (S52 Standard);
- Governmental Preconditions;
- Onboard Requirements.
Aby elektroniczny system map uzyskał status ECDIS musi [www.imo.org], [www.iho.org]:
- być stworzony na podstawie międzynarodowych standardów (rezolucja IMO A.817/19, standardy IHO S52, S57, IEC 61174);
- mieć uznaną bazę danych, czyli elektroniczną mapę danych nawigacyjnych (database);
- mieć możliwość tworzenia kopii zapasowej i przywracania systemu do poprzedniego stanu w przypadku awarii (Back-up);
- posiadać serwis aktualizacji baz danych, który ma być oficjalny i regularny;
- cała instalacja na statku musi zostać uznana przez administrację kraju, do którego dany statek należy.
ECDIS daje użytkownikowi następujące poziomy wyświetlania [Weintrit, Dziula, Morgaś, 2004], [http://www.fuerstenberg-dhg.de]:
- podstawowy (Display Base) ,
- standardowy (Standard Dispaly),
- inne (All Other Information).
Detale mapy, jakie są wyświetlane w każdym z w/w poziomów są zwięźle opisane w IHO S-52. ECDIS, aby zostać oficjalnym systemem zgodnym ze standardami, musi przejść przez testy akceptujące (acceptance tests).
1.1.4.1 Części składowe systemu ECDIS
Sprzęt (hardware)
Ogół urządzeń, na jaki składa się system ECDIS, to nie tylko skrzynka komputera wypełniona dyskiem twardym, kartą graficzną i procesorem połączona z wyświetlaczem, klawiaturą i myszką. W skład takiego systemu wchodzą dodatkowo urządzenia nawigacyjne (sensory dostarczające informacje) znajdujące się na statku.
Sensory dostarczające informacje na monitor ECDIS można podzielić na trzy grupy [Urbański, Weintrit, 2006], [Seagull CBT ECDIS, 2001]:
1) informacje SENC: bazy danych ENC lub RNC uzupełnione ENC;
2) systemy pozycjonowania: GPS, DGPS, Loran C i inne;
3) dodatkowy sprzęt nawigacyjny: ARPA, RADAR, Autopilot, Log, Żyrokompas, DSC, AIS, Echosonda lub sonar, VTS, GMDSS.
Oprogramowanie (software)
Oprogramowanie tak samo jak sprzęt jest bardzo istotną i niezbędną częścią dobrze działającego systemu. W ECDIS oprogramowanie składa się z interfejsu użytkownika (warstwa prezentacyjna realizująca komunikację z użytkownikiem, zawierająca wygląd i zachowanie się aplikacji) oraz bazy danych geometrycznych i opisowych (warstwa logiki biznesowej, w której zapisywane są wszystkie reguły rządzące działaniem aplikacji, oraz dostępu do danych, gdzie zapisywane są procedury odczytujące i zapisujące dane bazodanowe). Baza danych, zgodnie ze standardami wymaganymi od ECDIS, musi być systematycznie aktualizowana, zapewniając stały dostęp do najświeższych informacji.
Uznanymi przez IMO bazami danych używanymi w zatwierdzonych systemach ECDIS są ENC i RNC (rys. 2.14) spełniające warunki:
· ENC – musi mieć wprowadzoną odpowiednią kopię zapasową (backup) systemu ECDIS; jest to osobna, podłączona do alternatywnego źródła prądu stacja; zamiast dodatkowej stacji można także zastosować mapę drukowaną z regularnie nanoszonymi poprawkami;
Rys. 2.14 Mapa typu RNC oraz ENC użyte razem na ekranie ECDIS [http://www.thomasgunn.com]
· RNC – jej braki w pokryciu globu muszą być uzupełniane przez ENC, a na statku dodatkowo musi znajdować się mapa papierowa z regularnie nanoszonymi poprawkami.
1.1.4.2 Zintegrowanie urządzeń nawigacyjnych na mostku
ECDIS jest systemem łączącym w sobie informacje pochodzące z różnych z urządzeń znajdujących się na statku. Wspólnie z resztą systemów statkowych tworzy infrastrukturę informacyjno-zarządzającą nazywaną Zintegrowanym Systemem Mostkowym IBS (Integrated Bridge System) (rys. 2.15). Jest on najefektywniej wykorzystywany, gdy wszystkie dostępne pomoce i dane na statku są z nim sprzężone. Jedynie maksymalna integracja mostka nawigacyjnego z ECDIS, zapewnia nawigatorowi odpowiednią, dogodną i szczegółową informację nawigacyjną.
Rys. 2.15 Schemat integracji urządzeń nawigacyjnych na mostku [Seagull CBT ECDIS, 2001]
Podstawowe terminy określające najważniejszy sprzęt jaki można znaleźć w zintegrowanym mostku nawigacyjnym:
· obraz
Obraz, który ukazuje się na ekranie monitora ECDIS, jest mapą cyfrową zawierającą w sobie informacje o aktualnej pozycji statku, obiektach znajdujących się w pobliżu (statki, lądy, wraki, sprzęt nawigacyjny na morzu), głębokościach, płyciznach i innych danych, które są także w Locjach (Admiralty Sailing Directions Pilots). Mapę tę można dostosowywać w różny sposób, np. zmieniając jej oznakowanie (rys. 2.16).
Rys. 2.16 Przykładowe opcje oznakowania map w ECDIS [www.fuerstenberg-dhg.de]
· mapowa baza danych
Mapa elektroniczna stanowi rdzeń zintegrowanego systemu mostka. Jak zostało opisane w poprzednich rozdziałach, baza danych systemu ECDIS musi spełniać wyszczególnione w specyfikacji IMO standardy. Baza danych zawiera warstwy, które zawierają w sobie wszystkie hydrograficzne szczegóły, pomoce nawigacyjne, obiekty portowe, przeszkody nawigacyjne, linie brzegowe oraz aktualne cechy topograficzne.
· stacja planowania
Stacja ta pozwala nawigatorowi na zaplanowanie podróży. Umożliwia naniesienie na mapę kursów, linii trasy, punktów zwrotu (waypoints).
· procesor komputera i sieć
Jest to podsystem, którego zadaniem jest przetwarzanie informacji pochodzących ze statkowych sensorów nawigacyjnych oraz przesyłanie informacji pomiędzy różnymi systemowymi komponentami. Ten podsystem zbiera informacje z GPS, żyrokompasu oraz radaru o aktualnej pozycji statku i następnie integruje je w taki sposób, by powstała kompleksowa mapa elektroniczna SENC.
· radar
Jako część zintegrowanego mostka nawigacyjnego radar stanowi dla nawigatora głównie źródło informacji o niebezpieczeństwach nawigacyjnych występujących na akwenie. Połączenie radaru z mapą elektroniczną pozwala na wymianę danych pomiędzy nimi. Takie sprzężenie pozwala nawigatorowi na integrację nawigacyjną, a w konsekwencji na zmniejszenie niebezpieczeństwa na morzu.
· system kontrolny
Jest to system zarządzań, poleceń, kierowania albo regulowania urządzeniami połączonymi ze sobą na statku. Jego zadaniem jest także automatyczne dostosowanie prędkości i kursu do wcześniej zaplanowanej trasy.
1.1.4.3 Wpływ wprowadzenia systemu ECDIS na bezpieczeństwo żeglugi
System ECDIS posiada automatyczne funkcje kontroli drogi. Proces automatycznej detekcji niebezpieczeństwa w ECDIS dzieli się na: wykrywanie obszarów o głębokości niebezpiecznej dla żeglugi - bezpieczna głębokość, izobaty bezpieczeństwa (rys. 2.17) i wykrywanie odosobnionych niebezpieczeństw nawigacyjnych [Banachowicz, 2000]. W systemie map elektronicznych istnieją trzy formy alarmu:
- alarm dźwiękowy;
- ostrzeżenie pojawiające się na wyświetlaczu;
- obydwa alarmy jednocześnie.
Rys. 2.17 Porównanie izobaty bezpieczeństwa z prezentacją głębokości w ECDIS [http://www.fuerstenberg-dhg.de/index.php?id=antigrounding&L=1]
Niebezpieczeństwa, jakie będą wzbudzać alarm są definiowanie przez użytkownika ECDIS, dlatego istotne jest, by nawigator był dobrze zaznajomiony z tym systemem i efektywnie go używał.
Funkcje wykrywania obszarów o niebezpiecznej głębokości i izobaty niebezpieczeństwa posiadają możliwość wzbudzania alarmu z wyprzedzeniem. Oficer pokładowy może w ustawieniach alarmowych ECDIS, wybrać z jakim czasowym wyprzedzeniem zostanie podniesiony alarm, gdy statek zmierza w kierunku płytkiej wody.
Regulacje IMO-867E uwzględniają także możliwość alarmowania, gdy statek zbliża się do następujących obszarów [IMO, 1985]:
- stref rozgraniczenia ruchu,
- toru ruchu dwustronnego,
- ronda albo skrzyżowania systemu rozgraniczenia ruchu,
- strefy wzmożonej ostrożności w systemie rozgraniczenia ruchu,
- toru głębokowodnego,
- toru zalecanego,
- stref ruchu przybrzeżnego,
- obszarów zabronionych,
- obszarów, których trzeba unikać,
- obszarów, prób wojskowych (poligony),
- obszarów przybrzeżnej produkcji,
- obszarów farm wiatrowych,
- obszarów lądowisk wodnosamolotów,
- drogi tranzytowej łodzi podwodnych,
- obszarów lodowych,
- obszarów łowisk rybackich,
- obszarów zakazu łowienia,
- kanałów wodnych,
- obszarów kabli podwodnych,
- obszarów rur podwodnych,
- kotwicowisk,
- obszarów zakazu kotwiczenia,
- wysypisk,
- obszarów pogłębiania,
- obszarów transportu ładunków,
- obszarów szczególnie chronionych.
Automatyczna kontrola niebezpieczeństw stanowi dla nawigatorów ogromne udogodnienie w trakcie podróży oraz znacznie poprawia sprawność nawigowania.
1.1.5 Perspektywy rozwoju GIS w nawigacji morskiej
1.1.5.1 Nawigacja 3D z EPDIS (The Electronic Pilot Display and Information System)
Istotą EPIDIS jest osiągnięcie znacznej poprawy bezpieczeństwa podróży wykonywanych zarówno przez szybkie statki, jak i przez tankowce oraz statki pasażerskie. Ideą EPIDIS jest połączenie trójwymiarowej geoinformacji pochodzącej z satelitarnych pomiarów z aktualnymi danymi o obiektach pochodzących z locji. Dzięki takiemu połączeniu powstaje bardzo użyteczna dla oficerów interaktywna, dynamiczna wizualizacja trójwymiarowa zawierająca wizualne oznaczenia linii brzegowej, doków, kanałów wąskich przejść, wysp oraz wejść do portów (rys. 2.18). Takie zobrazowanie jest wiernym odzwierciedleniem tego, co w rzeczywistości widać z mostka nawigacyjnego. Funkcjonalność EPIDIS obejmuje także narzędzia poszukiwania danych geograficznych, które istnieją w bazie danych, aktualizacje danych o prądach, pływach, wietrze, pracach budowniczych prowadzonych w czasie rzeczywistym przez centra portowe i VTS. [http://www.epdis.de/].
Rys. 2.18 Fragment demonstracji wirtualnej rzeczywistości w EPDIS [http://www.epdis.de/]
EPDIS jest bardzo dużym udogodnieniem dla nawigatora, przyczynia się do bardziej sprawnego przejścia między portami, transferu informacji, a także większego bezpieczeństwa na morzu.