Unterstützung von Wartungs- und Instandhaltungsprozessen für LNG-Schiffsarmaturen - Menschzentrierte Entwicklung und Evaluation eines AR-Assistenzsystems

Hendrik Stern, Rieke Leder, Michael Lütjen und Michael Freitag

Der Einsatz von Liquid Natural Gas (LNG) in Schiffsantrieben weist erhebliche Umweltvorteile gegenüber dem klassischen Schiffsdiesel auf, bringt aber auch Herausforderungen beim Umgang mit dem tiefgekühlten und leicht flüchtigen LNG mit sich. Aufgrund entsprechender Sicherheitsvorschriften ist die Wartung der LNG-Schiffsanlagen unerlässlich und erfordert ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Digitale Assistenzsysteme können z. B. mit Augmented Reality (AR)-Technologie die Wartung und Instandhaltung effizient unterstützen, indem prozessrelevante Informationen direkt auf den zu wartenden Objekten angezeigt werden. Der vorliegende Beitrag befasst sich daher mit der Entwicklung und Evaluation eines digitalen Assistenzsystems mittels eines Android-Smartphones als AR-Device. Es ermöglicht den Nutzer*innen den Zugriff auf Wartungsanleitungen und Handbücher sowie die schrittweise Unterstützung im Wartungsprozess durch kontextsensitive Visualisierungen. Die Evaluation wurde als kombinierte quantitative und qualitative Nutzerstudie durchgeführt. Insgesamt bietet das AR-Assistenzsystem vielversprechende Potenziale zur Arbeitserleichterung und Prozessverbesserung.

Der weltweite Güterverkehr auf dem Wasser nimmt stetig zu, was zu erheblichen Umweltauswirkungen führt. Der weltweite CO2 -Anteil des internationalen Seeverkehrs beträgt ca. 3,1 % und der Schwefeldioxid-Anteil ca. 13 %. Der Einsatz von Flüssigerdgas (LNG) als neuartiger Schiffstreibstoff kann hier entgegenwirken. Im Gegensatz zu ölbasierten Schiffskraftstoffen verursacht LNG keine Schwefeldioxid-Emissionen und die CO2 -Emissionen reduzieren sich um 20-25 % [1], eine nachhaltige LNG-Förderung und -Bereitstellung vorausgesetzt. Derzeit sind bereits 170 Schiffe mit LNG-Antrieb in Betrieb, 35 im Bau und 112 Schiffe „LNG ready“ (Stand 2019, [2]). Anfänglich wurden vorrangig Fähren und Versorgungsschiffe mit solchen Antrieben ausgestattet, aber heute finden sich beispielsweise auch Kreuzfahrtschiffe [3]. Bild 1 zeigt einen Schiff-zu-Schiff-LNG-Bebunkerungsprozess.

Aufgrund strenger Sicherheitsbestimmungen ist die Wartung der LNG-Schiffssysteme bedeutsam und erfordert ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Hier können digitale Assistenzsysteme, z. B. auf Basis von Augmented Reality (AR)-Technologie, zur Unterstützung eingesetzt werden. Sie bieten die Möglichkeit, zusätzliche Informationen virtuell direkt auf den zu wartenden Objekten einzublenden und diese bedarfsgerecht abzurufen. Auf diese Weise kann der Arbeitsprozess erheblich verbessert werden (z. B. durch Vermeidung von Fehlern oder Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit).

Das Ziel des Forschungsprojekts „LNG Armaturen Set“ war die Entwicklung und Evaluation eines AR-Assistenzsystems. Der Entwicklungsansatz basierte auf dem Prozess zur menschzentrierten Gestaltung interaktiver Systeme nach DIN 9241- 210 [4]. Das Assistenzsystem auf Basis eines Android-Smartphones ermöglicht den Nutzer*innen den Zugriff auf Wartungsanleitungen und Handbücher, vereinfacht die Ersatzteilbestellung und unterstützt den Arbeitsprozess Schritt für Schritt durch kontextsensitive Virtualisierungen. Die Evaluation erfolgte in Form einer kombinierten quantitativen und qualitativen Nutzerstudie im Labor anhand eines exemplarischen LNG-Ventils. Zudem lieferte eine Expertenbefragung mit Servicetechnikern aus der Praxis wichtige Erkenntnisse über die Nutzbarkeit des entwickelten Assistenzsystems. Insgesamt bietet das prototypische Assistenzsystem vielversprechende Potenziale zur Arbeitserleichterung und Prozessverbesserung. Bei dem vorliegenden Beitrag handelt es sich um eine gekürzte und angepasste Version der Veröffentlichung von Stern u. a. (2021) [21].
 


Bild 1: Schiff-zu-Schiff-LNG-Bebunkerungsprozess (Foto: © vladsv/Fotolia.com).

Nutzung von Augmented Reality für Wartung und Instandhaltung

„Augmented Reality“ (AR) bietet die Möglichkeit, der realen Welt virtuelle Objekte hinzuzufügen [5]. AR-Inhalte können über Datenbrillen, Head-Mounted Displays (HMD), Smartphones oder Tablet-Computer dargestellt werden [6]. Quandt u. a. identifizieren Potenziale für den AR-Einsatz in der Industrie unter anderem in den Bereichen Montageunterstützung und Wartung [7]. Im Gegensatz zur papierbasierten Informationsbereitstellung kann AR die kognitive Arbeitsbelastung der Nutzer*innen reduzieren. Dies geschieht durch die virtuelle Überlagerung von Informationen in Abhängigkeit vom Kontext [8]. Beim Einsatz von AR spielt eine menschzentrierte Gestaltung der Anwendung eine wesentliche Rolle, um eine hohe Usability und Nutzerakzeptanz zu erreichen [6, 9]. Im Bereich Wartung wird AR häufig als Ersatz für papierbasierte Anleitungen oder 2D-Darstellungen verwendet [10-13]. Da 2D-Darstellungen keine Interaktivität und Tiefe aufweisen, gelten 3D-Darstellungen in Form von AR-Virtualisierungen als hilfreichere Arbeitsunterstützung [10]. Aktuelle Forschungsarbeiten vergleichen in der Regel papierbasierte Anleitungen mit einer AR-basierten Anleitung. Sie berücksichtigen jedoch keinen Vergleich zwischen verschiedenen Varianten digitalisierter Anleitungen, z. B. hinsichtlich der Nutzung von AR und der „User Interface“ (UI)-Gestaltung. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Studie eine digitalisierte Anleitung mit Verwendung von AR (Variante 1) mit einer digitalisierten Anleitung ohne Verwendung von AR (Variante 2) verglichen. Durch Verwendung ähnlicher UIs können so Unterschiede auf die AR-Nutzung zurückgeführt werden und sind nicht durch die weitreichenden Änderungen gegenüber einer papierbasierten Anleitung verzerrt.

Zur Evaluation interaktiver Systeme sind Evaluationsmethoden durch Expert*innen oder durch Nutzer*innen des Systems am weitesten verbreitet [14]. In der Regel werden verschiedene experten- und nutzerzentrierte Evaluationsmethoden kombiniert [15]. Eine derartige nutzerzentrierte Evaluation reduziert das Risiko, Systeme zu entwickeln, die nicht den Bedürfnissen der Nutzer*innen entsprechen. Außerdem kann qualitatives Feedback die Problemerkennung unterstützen und eine sofortige Verbesserung oder Berücksichtigung in einer späteren Systemversion ermöglichen [16]. Der Erkenntnisgewinn wird vor allem durch sozialwissenschaftliche Datenerhebungstechniken wie Interviews oder Fragebögen erreicht [17] und kann zur Unterstützung von Gestaltungsentscheidungen genutzt werden [18]. In Produktions- und Logistikszenarien liegt der Fokus dabei meist auf der Usability des Systems, um die Interaktion zwischen Nutzer*innen und Technik zu verbessern. Dazu können Fragebögen zur Bewertung eines interaktiven Systems wie die System Usability Scale [19] oder der NASA-TLX [20] eingesetzt werden.

Beschreibung des entwickelten AR-Assistenzsystems

Es wurde ein AR-Assistenzsystem für Wartungsund Servicezwecke von LNG-Ventilen entwickelt. Die AR-Technologie bietet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, zusätzliche Informationen virtuell direkt auf den zu wartenden Ventilen einzublenden. Die Grundlage der Entwicklung bildete der Prozess zur Gestaltung interaktiver Systeme nach DIN 9241-210. Dessen Schritte, wie das Verstehen des Nutzungskontexts, die Spezifi zierung der Nutzungsanforderungen, die Entwicklung von Designlösungen und deren Bewertung aus der Nutzerperspektive, wurden dabei durchgeführt.

Zum Weiterlesen hier klicken
 

Fehler | INDUSTRIE-MANAGEMENT

Fehler

Auf der Website ist ein unvorhergesehener Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es später nochmal.