以岸基协同无人船操作——从人为因素来看,由船载到岸基有什么区别是我们需要关注的?外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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以岸基协同无人船操作——从人为因素来看,由船载到岸基有什么区别是我们需要关注的?

摘要:以往的研究发现,船员们隐性的而又不可或缺的“船感”,很大程度上被应用到创造和维持“和谐”以确保船舶安全。“和谐”的概念揭示了船舶在不同的情况下,通过调整船舶以适应动态环境,以达到持续的平衡效果。船舶感知和协调性的概念最初是基于船载上对船舶操纵而提出的,本文从人的因素出发,将其扩展到基于岸基的无人操纵船舶控制中心领域。随着直接船舶感知的丧失,和谐也随之丧失。本文分析了船舶操纵过程中操作人员从船上到岸上所面临的挑战,探讨了人为因素在船舶操纵过程中需要关注的变化方面,以帮助岸上的船舶操作人员重新获得协调。欧盟海上无人驾驶船项目通过网络智能(MUNIN)提供了对有航海经验的参与者进行焦点小组访谈的环境。讨论了岸基无人船舶操纵中人为因素发生的转移。这些结果突出了应考虑的人为因素的几个不同方面,如态势感知。按照以用户为中心的设计原则,这就为设计基于岸基的远程监控与控制中心提供了关键依据。

关键词:人为因素、和谐、船舶感知、岸基无人船舶操纵、基于船载的船舶操纵、态势感知

1引言

在船舶操纵过程中,船舶操纵者总是在不同的情况下,通过调整船舶以适应环境,力求达到连续的平衡效果。之前的研究(Prison, Luuml;tzhouml;ft, amp; Porathe, 2009)已经发现,为了船舶和人员的安全,在船舶处理过程中,一种被称为“船舶感知”的隐性而又不可或缺的直觉是密切相关的。当驾驶室指挥操作的船员缺乏视觉参考时,雷达、电子海图等导航仪器将是主要的输入源。然而,当天气变坏的时候,他会利用船舶感知根据波浪的方向来控制船舶( Porathe, Prison, amp; Man, 2014)。驾驶室的船员感知到船舶的运动,就会对船舶进行操纵,以达到安全的目的。

从感知和认知的角度来看,船舶感知从来都不是一个神奇的词。在船舶操纵过程中,信息首先通过不同的感知接收器由船舶操纵者的感官进行获得。例如,信息可以是船舶的起伏、俯仰和振动的动力学感觉,看到波浪的形式,听到风、波浪的砰砰声和发动机的声音等(Prison et al., 2009)。然后,船员将会处理所感知到的信息,用以来了解当时的情况,例如哪些信息是至关重要的。通过运用他的经验和技能,他将做出决定。由于动态信息来自于环境,船舶的物理状态是不断变化的,因此,船舶操作者在感受到岸边吸力作用时,必须处理快速出现的减速或调整转弯速度等任务。只有成功地平衡任务需求和个人能力,才能实现人员的有效决策和适当行动(Fuller, 2000)。在船舶操作任务中,船舶操作人员的能力(基于其个人知识条件)与通过其船舶(工具)进行的任务需求(由环境前提条件构成)之间存在一个平衡行为(Prison, 2013)。这就是船舶感知持续服务于船舶与环境之间的“和谐”,以确保安全。(Prison, Dahlman, amp; Lundh, 2013)。

船舶感知与和谐的概念最初是为船舶操作而提出的,本文从人为因素变化的角度将其扩展到岸基无人船舶监控领域。从2012年开始,欧盟为期三年的第7个框架项目MUNIN(通过网络智能实现的海上无人船)一直在研究自主无人船的可行性,以及其岸基控制中心的原型实施。MUNIN的目的是为了争取更好的工作环境,降低运输成本,减少排放的全球需求,提高运输安全(Porathe et al., 2014)。

在MUNIN中,无人驾驶船舶是一艘200米长的干散货船,配备了智能自主船舶控制器(ASC)系统。缓慢航行的船舶在洲际航行中进行无人干扰的避碰。与此同时,船舶也被岸基控制中心(SCC)持续监控。SCC的操作包括远程监控和远程控制(Rodseth, Kvamstad, Porathe, amp; Burmeister, 2013),所以基于从船舶发送状态信息SCC可以决定何时干预,并且覆盖ASC以确保船舶在国际海上避碰规则下工作(COLREGS)。

随着系统的明显变化,人们不再在船上操纵船舶,而是在岸上进行操纵。如今,航运业面临着更多的人为因素问题(Han amp; Ding, 2013)。无人驾驶船舶并不意味着解决了所有人为错误背后的问题或消除了人为因素;相反的,它在SCC中带来了更多关于人为因素的问题,因为人们需要能够在任何时候完全控制船舶。例如,如果你考虑到SCC中的工作环境是完全不同的,那么SCC中的操作员如何在没有船舶感知的情况下感知船舶的运动和操纵船舶呢?人与船之间没有物理联系,也没有来自船舶环境的直接感知信息。具体来说,驾驶室操作的船员在船舶操作中的重要感觉,即环境的视觉感知,将会丧失。重要的问题将会出现:是否会出现新的人为因素问题?人为因素会像载人船船一样被应用吗?如果没有,船上的船舶感知背后的什么因素需要重构到岸上?我们如何优先处理它们以重新获得和谐?

事实上,这种人机交互的缺失感和新的交互方式,表明了重新分析人为因素在船上和远程船舶操作中应用的重要性和必要性。本文对岸基无人船舶操纵中的人为因素问题进行了初步的认识,并探讨了影响岸基无人船舶操纵的人为因素,以期使岸基无人船舶操纵与船员重新获得和谐。十名在海上有经验的船长项目的学生被邀请参加焦点小组访谈。目的是讨论在船上和岸上采取的不同行动,并在MUNIN项目的背景下进一步探索潜在的重要人为因素。这些结果突出了人类因素中应该考虑、重构和优先排序的几个不同方面。根据以用户为中心的设计原则,为基于岸基的远程监控控制中心的设计提供了关键依据。其目的主要是在MUNIN项目的背景下,讨论船上和岸上所采取的不同行动,并探讨潜在的重要人为因素。

2方法论

本研究采用焦点小组访谈(Kitzinger, 1995)作为主要的数据收集方法。

2.1参与者

查默斯理工大学的10名本科生自愿参加了焦点小组访谈。参与者的背景是相似的:他们都在学习相同的船长项目,并且在焦点小组访谈之前都有过航海经验,但不是作为操作级船员。它们以前在海上活动的时间从9个月到33个月不等,平均为16.5个月。只有一名参与者是墨西哥-瑞典人,其他九名参与者都是瑞典人。他们的年龄从22岁到41岁不等,平均27岁。其中一名参与者是女性(10%),其余的是男性(90%)。在10名参与者中,只有1人(10%)没有船舶操纵和导航经验,其余90%的人(90%)都有在驾驶室操纵船舶的经验,有的是独自一人,有的是在船长的监督下。50%的参与者有远程船舶监控的经验,包括在仿真环境中。此外,50%的参与者曾参与过船舶或工作场所的设计工作(船舶、系统、工具)。40%的受访者表示,他们在修读课程的同时,亦有从事与海上活动有关的工作经验,主要是海员及客轮工作经验。

2.2焦点小组访谈程序

焦点小组访谈在瑞典哥德堡的查尔默斯理工大学进行。所有参与者都签署了一份书面协议,同意在学术研究中匿名并且符合道德要求地使用他们的数据。访谈过程由录音机记录,以便访谈结束后进行进一步分析。

面试持续了大约两个小时。与此同时,焦点小组访谈助理正在对参与者的讨论进行实地记录。所有参与者都听取了关于MUNIN项目的简报,其中包括一艘没有舵手的干散货船和远程船舶监视和控制的构想。讨论基于本文前面描述的项目中的约束和条件。

首先,参与者被要求讨论与他们过去的船舶操纵经验相关的可能的船舶操纵行为:今天在船上需要采取什么行动来监视和操纵船舶?

参与者的回答被不断地列在白板上。然后,参与者将讨论岸上操作人员可能采取的行动,如如何远程监控船舶并在岸上控制中心操纵船舶:如今从岸上控制中心将采取什么行动来监视和操纵自主无人驾驶船舶?

在讨论船上和岸上的行为和场景时,参与者被要求去识别在这两种情况下潜在的人为因素的改变方面:从人为因素的角度来看,当我们把船上的操作从船上转移到陆上时有什么不同?

最后,参与者被要求优先考虑需要特别注意的人为因素的关键方面,特别是在为SCC设计工作方面。

2.3数据分析

在焦点小组访谈之后,初步建立并总结了具有优先特征列表的数据排序方案。然后采用轻量级定性数据分析方法(Goodman, Kuniavsky, amp; Moed, 2012),将音频记录与现场笔记、列表一起分析。

3结果

3.1如今将采取什么行动在船上来监视和操纵船舶??

根据每个参与者的亲身经历,回答基本如下:

检查屏幕、雷达、航行显示器、操纵AIS

向窗外看(感受天气、风、速度)

感受平衡感

受海浪、翻滚、俯仰

对需求有一个直观的感觉,减少压力

感知船舶(例如,装载货物时船舶的性能,船舶转弯时的灵敏度如何)

大部分参与者表示,他们会使用驾驶室的导航仪器,例如“检查屏幕”、“雷达”、“航行显示器”或“船舶自动识别系统”,以了解船舶的状况和周围环境,以确保船舶安全。然而,最常被讨论的关键词是“感觉”,即当他们望向窗外,与船一起经历“驻波”、“翻滚”或“平衡感”时感受到的感觉。参与者认为,这是一种重要的直觉,可以降低他们的压力水平,甚至帮助他们更有效地针对外部环境采取相应的行动,因为“身体的反应比仪器更快”。在操纵方面,他们认为感觉的一个重要方面是感知他们的船,例如,“感知船的敏感性”或“感知船的性能时,货物满载或不满载”。

3.2从岸基控制中心监控和操纵无人驾驶自主船需要采取什么行动?

当讨论转向岸上船舶监控场景时,参与者不仅设想了岸上控制中心的操作员可能会做什么,还指出远程控制是一个前所未有的挑战,他们没有完美的解决方案(见表1)。

表1:岸基船舶监控的行动与面临的挑战

操作员会怎么做

面临挑战的结果

观察多个屏幕

它必须能够显示所有需要的信息,并要求像在船舶上感知这些,但这会导致信息超载问题;操作人员必须被视为具有专业知识的海员

使用模拟器作为人机界面,而不是鼠标/键盘

监控船上发生的事件,做好应急准备

如何立即处理维修工作和管理(订购备件)

观察陀螺和其他传感器

它们是实时传感器吗?如果是,成本是多少

系统计算风险和备选方案

确保船上有更多的备份传感器和系统,以防止/处理严重的技术故障(如连接丢失)

系统的信任和传感器

如何保证系统的可靠性,使人们可以真正信任它

基本上,操作员在岸上能做的就是观察屏幕和感知动态实时信息。与船载处理相比下,讨论了岸上多种人机界面。大多数参与者认为模拟器是岸上控制中心理想的人机界面,因为“他们不想要一个鼠标按钮,而是一个操纵杆手柄”。在感觉方面,他们预计会有陀螺仪和其他感知来模拟船上的感觉。由于焦点访谈中提出了更多假设,参与者转而列出了岸上面临的前所未有的挑战,如维修工作、经济成本、系统可靠性等。与此同时,参与者意识到在两种情况下“不需要相同的人为因素”,讨论很自然地转向了焦点小组访谈的主要研究问题:

3.3监控和操纵船舶航行由船舶上到岸基上中,哪些方面的人为因素不同,但值得我们注意(见表2)。

表2:船舶操纵由船载到岸基中人为因素变化概况

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人为因素

这些因素的表现

声音

感觉

视觉,听觉,嗅觉,动感,平衡感

“当船稍微改变航向时,就会开始振动和颠簸,但这些感觉在岸上都消失了“

感知-认知

心理模型,决策,态势感知,信息超载,压力,系统的可信度

“你可能会注意那些无关紧要或错误的参数,你就不会担心了”

'接收到更多的信息但你不能像在船上那样辨别出什么对你重要'

“当你在岸基时,恐惧是模拟出来的,在岸上你的压力会小一些。也许过于轻松了”

工作地点

工作环境,人体工程学,硬件,软件

“只能依靠岸上的仪器”

维修

备份系统,维护方法

'船上的一大部分工作是维修'

'如果发生故障或紧急情况怎么办'

风险

风险评估,转移风险

'附近其他船舶的风险'

'岸上的风险没那么大'

组织

专业知识、结构、角色、教育/培训

“岸上操作员的电脑工程师会很胜任,因为他们通过电脑监控船舶。海员不需要那样'

法律角度

法律、法规

“国际水域航行的船舶,由谁负责?”

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