Wenn Schiffe, egal ob Yacht, Frachter oder Luxusliner, ihren Zielhafen sicher erreichen, steht ein reibungsloses Zusammenspiels zwischen Mensch und Maschine dahinter. Im Sturm auf hoher See sowie bei schwierigen Anlagemanövern muss bei der Mannschaft jeder Handgriff sitzen und die Schiffstechnik ergonomisch optimal gestaltet sein. Immer häufiger gehen daher Entwickler und Crew mit virtuellen Modellen bereits in der Planungsphase neuer Schiffe auf Jungfernfahrt. In den Simulationsumgebungen der Abteilung »Maritime Graphics« vom Fraunhofer IGD in Rostock ist das möglich.  

Welcher Anspannung die Besatzung eines Unterseebootes bei jedem Routinemanöver und noch mehr in kritischen Situationen ausgesetzt ist, wird im Filmklassiker »Das Boot« vom Kinosessel aus hautnah erlebbar. Wie der Zuschauer durch das Auge der Kamera zu einem Mitglied der Besatzung wird, durch die engen Kammern und Gänge des U-Boots sprintet und mit seinen Mannschaftskollegen auf engstem Raum agiert, gilt auch noch dreißig Jahre nach der Filmpremiere als Meilenstein der Kinogeschichte. Im Unterschied zu damals machen technische Systeme die Fahrten moderner Schiffe erheblich sicherer und erleichtern der Besatzung die Bedienung von Maschinen und Instrumenten. Gleich geblieben ist dagegen, dass der Raum, den sich Mensch und Maschinen teilen müssen, in vielen Schiffen äußerst begrenzt ist. Daher ist die optimale ergonomische Gestaltung des Schiffsinnenraumes entscheidend. Der technologische Fortschritt bringt so einen Gewinn an Sicherheit und Bedienungsfreundlichkeit. Jeder Arbeitsplatz, jeder Schalter und jedes Handrad muss für die Crew schnell und mit minimaler körperlicher Belastung bedienbar sein und einen reibungslosen Ablauf bei der Erledigung der Aufgaben in Routine- wie in Notfallsituationen ermöglichen. 

Der Faktor Handlungsfreiheit spielt bei der Entwicklung neuer Schiffe also eine zentrale Rolle. Um die spätere Interaktion zwischen Mensch und Technik auf dem fertigen Schiff bereits in frühen Entwurfsphasen mit berücksichtigen, bewerten und testen zu können, erwecken die Spezialisten für Virtuelles Engineering des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD Konstruktionspläne und CAD-Entwürfe als komplette virtuelle Schiffsmodelle zum Leben. Die Abteilung »Maritime Graphics« am Standort Rostock ist weltweit führend in der Entwicklung und Umsetzung von Simulationsumgebungen für die maritime Industrie. 

Die Ergonomiesimulationen sind für die Konzeption neuer Spezialschiffe ebenso hilfreich wie für die Planung und Umsetzung von Frachtschiffen, Fähren, Kreuzfahrtschiffen oder Yachten. »Der deutsche Schiffbau konzentriert sich sehr stark auf die Fertigung von Spezialschiffen und Kleinserien«, so Prof. Dr. Uwe von Lukas vom Fraunhofer IGD. Dies bedeute, dass für jeden Auftrag ein großer Teil der Schiffsentwürfe als Einzelfalllösung neu erarbeitet werden muss. Planungen und Tests in der virtuellen Welt sind dabei ein besonders effizientes Unterstützungsinstrument für die Werften und Reedereien. 

In einem Kooperationsprojekt mit der Howaldtswerke-Deutsche Werft (HDW) realisierten die Forscher eine Virtual-Reality-Umgebung (VR), um die Technikausstattung von Unterseebooten unter ergonomischen Gesichtspunkten analysieren und testen zu können. Die VR-Experten nutzten dafür auch eine Reihe unterschiedlicher Simulationstools, die bereits am Markt verfügbar sind. Diese sind in der Regel allerdings auf wenige Aufgabenstellungen beschränkt und verhältnismäßig umständlich in der Bedienung. Zur Bewertung der gesundheitlichen Belastung bei Arbeiten in einer bestimmten Körperhaltung beispielsweise wurden von der NASA entsprechende Simulationsverfahren entwickelt. Einzelne Körperposen des Avatars – eines virtuellen Menschenmodells – werden hierbei in einem Ampelsystem gemäß ihrer gesundheitlichen Belastung mit grün, gelb oder rot bewertet. »Um einen konkreten Arbeitsablauf damit zu analysieren, war es jedoch notwendig, mit der Maus am Bildschirmarbeitsplatz jede Bewegung in einzelne Posen zu zerlegen und als Ergebnis erhielt man lediglich Bewertungen der Einzelposen«, erklärt Prof. von Lukas. Die Rostocker VR-Experten koppelten dieses Bewertungs-Tool mit ihrem virtuellen Gesamtmodell des geplanten Schiffes. Damit lassen sich nun auch von Nicht-Informatikern Ergonomiestudien problemlos durchführen und die körperliche Belastung ganzer Arbeitsprozesse an Bord analysieren. »Ein Entwicklungsingenieur oder ein Besatzungsmitglied kann sich nun vor der 3D-Leinwand direkt in das virtuelle Boot stellen und die Bewegungsabläufe bei der Arbeit mit den virtuellen Hebeln und Bedienungselementen durchführen«, so von Lukas. Das Agieren der Testperson im virtuellen Schiffsmodell wird mittels Kameraverfolgung aufgezeichnet und als Input an das Simulationstool weitergeleitet. Im nächsten Schritt erfolgt die Übertragung der Bewegungsdaten auf den Avatar. In Echtzeit führt der Avatar in der virtuellen Welt nun dieselben Bewegungen wie die Testperson durch. Gleichzeitig berechnet die Analysesoftware wichtige ergonomische Kenngrößen wie die Erreichbarkeitsräume, die Sichtkegel und die Belastung in den verschiedenen Körperhaltungen und blendet diese in die virtuelle Schiffsansicht mit ein. 

Grundlage der interaktiven Analyseanwendung ist die am Fraunhofer IGD entwickelte Mixed Reality-Plattform »Instant Reality«, die am Institut seit Jahren laufend erweitert und aktualisiert wird. »Über diese Plattform können wir die unterschiedlichsten Simulationstools miteinander verknüpfen und für verschiedenste Simulationsaufgaben an die VR-Umgebung als Ein- und Ausgabemedium koppeln«, erläutert von Lukas. Die Bewegungserkennung in der Ergonomiesimulation in engen Schiffsräumen beispielsweise arbeitet mit kleinen reflektierenden Bällen, die an den Gelenken der Testperson befestigt werden. Dieses Verfahren sichert eine sehr genaue Verfolgung der Bewegungsabläufe. In anderen Anwendungsszenarien setzen die Simulationsexperten auch einfachere Systeme ein, etwa die Bewegungsverfolgung von marktgängigen Spielekonsolen. Ein weiterer Vorteil der Simulationsplattform des Fraunhofer IGD ist die echtzeitfähige Handhabung auch sehr großer Schiffsmodelle und die variable Aufbereitung für verschiedene Ausgabemedien. Das virtuelle Schiffsmodell lässt sich somit sowohl in einer VR-Umgebung in realitätsnaher Darstellung anzeigen und nutzen als auch für Bildschirmarbeitsplatz, Tablet-PC oder das Display eines Smartphones aufbereiten. 

Im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts »PowerVR« arbeitet das Fraunhofer IGD gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie aktuell an einem noch weit umfassenderen Einsatzes von Simulationsumgebungen in der maritimen Industrie: »Die virtuellen Modelle sollen künftig nicht nur Planung und Entwurf unterstützen, sondern das reale Schiff über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg begleiten«, erklärt von Lukas. Umbauten oder technische Modernisierungen des Schiffes lassen sich so zuerst am virtuellen Modell planen und durchführen. Die VR-Umgebung lässt sich zudem als Trainingsszenario nutzen, um die Mannschaft oder Rettungskräfte mit den spezifischen Eigenheiten des Schiffes vertraut zu machen. Rettungssysteme und Evakuierungspläne werden am virtuellen Modell konzipiert und erprobt. Bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten auf dem Schiff kann sich der Monteur am interaktiven virtuellen Modell auf Smartphone oder Tablet-PC über die spezielle Schiffstechnik informieren. Ähnliche Anwendungen für die Simulationsverfahren der Rostocker VR-Experten sind in weiteren Branchen wie Maschinenbau, Luftfahrt- oder Automobilindustrie denkbar. Die für die »Königsklasse« der Schiffsmodelle entwickelten Berechnungsverfahren und Simulationstools lassen sich problemlos auf weitere Anwendungsfelder übertragen: Die virtuellen Schiffsmodelle mit denen die Simulationsprogramme und -systeme rechnen, sind in etwa um den Faktor 10 größer als übliche Konstruktionsmodelle für Flugzeuge und um Faktor 100 größer als die Datensätze eines PKW. (stw) 

Keine Kommentare vorhanden

Das Kommentarfeld darf nicht leer sein
Bitte einen Namen angeben
Bitte valide E-Mail-Adresse angeben
Sicherheits-Check:
Sechs + = 11
Bitte Zahl eintragen!
image description
Experte
Alle anzeigen
Prof. Dr. Uwe Freiherr von Lukas
  • Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD
Weitere Artikel
Alle anzeigen
Maschinen-Check für Menschliches
Der Mensch im Fokus
Barrierefrei (er)fahren
Stellenangebote
Alle anzeigen