Internationales Verkehrswesen (66) 4 | 2014 43 Maritime Sicherheitssysteme LOGISTIK Manövrierkonzepte für-sicheren und eizienten Seetransport Etwa 90 % des globalen Warenaustausches werden über den Seeweg abgewickelt. Damit kommen Sicherheit, Nachhaltigkeit und Eizienz des Seetransportsystems eine herausragende Bedeutung zu. Alle-drei Aspekte kommen insbesondere beim Manövrieren von Schifen zum Tragen. Fehler bei der Planung und Durchführung von Schifsmanövern können zu erheblichen wirtschaftlichen und ökologischen Schäden führen. Der Beitrag stellt ein im Kontext mit dem e-Navigation-Konzept der IMO entwickeltes Online-Assistenzsystem zum Manövrieren vor, das mittels der innovativen Fast-Time Simulation- Technologie dynamisierte situationsadaptierte Manövrierinformationen bereitstellt. Der Autor: Michael Baldauf I n seinem Strategiepapier „A Concept of a Sustainable Maritime Transportation System“ fasste der Generalsekretär der UN-Weltschiffahrtsorganisation (International Maritime Organization, IMO) die aktuellen Initiativen und Aktivitäten in einer ganzheitlichen Betrachtung des Seetransportsystems zusammen. Die darin beschriebenen Maßnahmen zielen auf den sicheren, umweltfreundlichen und eizienten Seetransport ab. Im Kontext der globalen Schiffahrt werden Sicherheit, Nachhaltigkeit und Eizienz insbesondere durch das sichere Manövrieren der Schife gewährleistet. Schifsmanöver sind beabsichtigte zeitliche und räumliche Bewegungsänderungen eines Schifes durch den aktiven Einsatz von Manövriereinrichtungen zur Erreichung eines Manöverzieles - wie z. B. dem Ausweichen und sicheren Passieren eines anderen Schifes bei der Kollisionsverhütung im freien Seeraum, der Rückführung des Schifes zur Position eines Person-über- Bord-Unfalls oder dem Ansteuern eines Liegeplatzes im Hafen. Jedes Manöverziel muss unter allen Bedingungen in der maritimen Umwelt und bei allen Zuständen des Systems schif sicher, efektiv, energieeizient und umweltschonend erreicht werden. Dies erfordert eine präzise Planung und Überwachung jedes Manövers. Vom Standpunkt eines Juristen führte Prien dazu schon 1896 aus: „Ein Schifsführer welcher die Manövriereigenschaften seines Schifes bei verschiedenen Ruderwinkeln und verschiedenen Tiefgängen, bei verschiedenen Seegängen und verschiedenen Windrichtungen sowie den Raum- und Zeitbedarf bei den verschiedenen Manövern nicht kennt, ermangelt der in seiner Person notwendigen Gewähr in zweifelhaften Fällen dem Seestraßenrecht genüge zu leisten.“ Erforderliche Manöver sind zu planen und ihre Realisierbarkeit einzuschätzen. Die Planung dient insbesondere der vorherigen Festlegung von Handlungsstrategien für den Einsatz der Steuereinrichtungen zur operativen Durchführung von Manövern. Sie verlangt Kenntnisse über die Manövriereigenschaften des Schiffes und kann intuitiv erfolgen oder mit digitalen Hilfsmitteln graisch unterstützt werden. In verschiedenen Forschungsprojekten angestellte Feldstudien an Bord bestätigten, dass der gegenwärtigen Praxis des Manövrierens auch heute noch größtenteils nur konventionelle Manöverplanungen zugrunde liegen. Sie entnhalten das gedankliche Verknüpfen aller bekannten Einlussgrößen und Manövrierkennwerte zu einem gedachten voraussichtlichen Bahnverlauf. Der Prozess der Manöverdurchführung ist gekennzeichnet durch das Ausprobieren und permanente Korrigieren der tatsächlichen gegenüber der vorausgeplanten gedachten Schifsbahn durch Betätigen der Manövriereinrichtungen, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Die Sicherheit, Nachhaltigkeit und Efektivität dieses Verfahrens hängen maßgeblich von der Intuition und den Erfahrungen des Nautikers ab. Auch die Manöverberatung durch Lotsen geht in der Regel auf die bei Revierpassagen gewonnenen Erfahrungen beim Manövrieren und die intuitive Abschätzung der Auswirkung des Einsatzes einer Manövriereinrichtung (z. B. Ruderlage) zurück. Intuitive Entscheidungen können jedoch auch Fehlerquellen sein und zu Grundberührungen oder Kollisionen mit schwimmenden und festen Anlagen führen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Erfahrungen beim Manövrieren von Schifen unter unterschiedlichen Bedingungen und in verschiedenen Aquatorien wegen sich verringernder Fahrenszeiten und häuiger Schifstypenwechsel abnehmen. In durchgeführten Befragungen und Interviews wurde selbst von erfahrenen Lotsen bestätigt, dass Informationen zum Manövrierverhalten vorzugsweise adaptiert auf die zu erwartenden Bedingungen eines zu beratenden Schifes z. B. zum Kursänderungsverhalten in bestimmten sicherheitskritischen Fahrwasserabschnitten bei der Vorbereitung der Beratung eine hilfreiche Unterstützung sein können. Vor diesem Hintergrund standen und stehen daher Forderungen zur Entwicklung intelligenter Assistenzsysteme mit Entscheidungshilfen für das Manövrieren sowie Möglichkeiten zur efektiven Kontrolle bzw. nach geeigneten Verfahren zur Manöverplanung und -kontrolle. Wichtigstes Ergebnis des Planungsprozesses ist ein konkreter Manöverplan mit einer Sollbahn und mindestens abgeschätzten Manöverpunkten und -zeiten für Steuereingrife. Als völlig neuartiger Ansatz zur Planung und Überwachung wurde die Fast- Time-Simulation-Technologie (FTS) für die Anwendung an Bord entwickelt. FTS bezeichnet ein Verfahren zur Anwendung numerischer Simulationen, das der Berechnung zukünftiger Bewegungszustände unter Berücksichtigung aktueller Steuereingrife dient. Mittels FTS sind Vorausberechnungen des zu erwartenden Bahnverlaufes, der Lage, Quer- und Längsgeschwindigkeiten und der weiteren Bewegungsparameter eines Schifes schneller als in Echtzeit in einem Verhältnis von etwa 1: 1200 möglich. Die FTS erlaubt daher die Internationales Verkehrswesen (66) 4 | 2014 44 LOGISTIK Maritime Sicherheitssysteme Integration des realen Bewegungsverhaltens eines Schifes bereits in die Planung selbst komplexer Manöverabläufe. e-Navigation und Manöverberatung Der Begrif „e-Navigation“ bezeichnet das globale Konzept der IMO, das ganz allgemein strategisch durch die Entwicklung und Einführung neuer Verfahren und Maßnahmen sowie innovativer Informations- und Kommunikations-Technologien in neuartigen Navigationsgeräten zur Erhöhung der maritimen Sicherheit und zur Verbesserung des Schutzes der marinen Umwelt beitragen soll. Unter dem e-Navigation-Konzept wird „das harmonisierte Sammeln, Integrieren, Austauschen, Präsentieren und Analysieren von maritimen Informationen an Bord und an Land mittels elektronischer Hilfsmittel“ verstanden, um die Navigation von Hafen zu Hafen bzw. von Liegeplatz zu Liegeplatz zu verbessern. Die Reduzierung von Unfällen und die efektivere Nutzung der verfügbaren Ressourcen sind die wichtigsten Ziele. Mit Blick auf den bordgestützten Navigationsprozess soll durch die Implementierung von e-Navigation-basierten Anwendungen sichergestellt werden, dass alle relevanten Informationen in verbesserter Art und Weise sowie in klaren und eindeutig aubereiten Anzeigen so zur Verfügung stehen, dass z.B. eine Informationsüberlutung vermieden wird. Diesen Vorgaben folgend, wurde ein innovativerer Ansatz zur Entscheidungsunterstützung beim Manövrieren entwickelt. Der Ansatz basiert auf der Nutzung der bestehenden technischen Infrastruktur der an Bord installierten integrierten Navigationssysteme (INS), die den Grundstein für erweiterte dynamisierte und situationsadaptierte Manöverberatung im Sinne der von Prien vom Schifsführer verlangten Kenntnisse der Manövriereigenschaften unter verschiedenen Bedingungen bilden. Bisher bieten die genannten INS noch keine geeigneten Hilfsmittel zur Planung und kontrollierten Durchführung von Schifsmanövern an. Der prinzipielle Mangel besteht in der fehlenden Visualisierung der gedanklichen Planung der Schifsführer. Folglich ist auch die Berücksichtigung externer Faktoren - zum Beispiel dem Einluss des Windes auf den zu erwartenden Bahnverlauf eines Schifes - noch immer nur mittels Abschätzung durch den wachhabenden Nautischen Oizier realisierbar. Computerbasierte Unterstützung ist dafür nicht verfügbar, obwohl sie aber insbesondere in sicherheitskritischen und Notsituationen dringend erforderlich wäre. Vorgeschrieben sind lediglich ein Brückenposter (Wheelhouse Poster) und die Manövrierakte (Manoeuvring Booklet), die auf der Brücke mitzuführen sind. Diese Unterlagen sind für die konkrete Anwendung vergleichsweise unpraktisch. Bei Feldstudien an Bord erhobene Stichproben haben gezeigt, dass die in den Brückenpostern enthaltenen Informationen in den meisten Fällen unvollständig bzw. nur teilweise in den Manövrierhandbüchern aufgeführt sind. Dies gilt z.B. für die geforderten Inhalte wie die Drehkreis- oder Stoppstreckenparameter für den beladenen und den unbeladenen Zustand, sowohl für die Manöverdurchführung in Flachals auch in Tiefwasser. Auf Schifsneubauten werden zwar hochentwickelte INS mit modernster Sensorik installiert, digital abrubare Informationen oder Anzeigen zu Stoppstrecken oder Drehkreisbahnen gibt es jedoch nicht. Selbst modernste INS können die Auswirkungen sich verändernder Charakteristika des Schifszustandes - z. B. Beladungszustand oder Umwelteinlüsse wie Wind, Strom und Wassertiefe - nicht oder nicht ausreichend für die Vorhersage zukünftiger Bewegungszustände berücksichtigen. Bereits in früheren Untersuchungen zur Verbesserung der Alarmierungen z. B. vor Kollisions- und Grundberührungsgefahren ist dargestellt worden, dass die Informationsbereitstellung auf der Schifsbrücke unzureichend ist (Baldauf et al., 2011). Die e- Navigation Initiative zur Integration neuer Technologien adressiert dieses Dilemma und ermöglicht die Einführung dynamisierter „Wheelhouse Poster“ sowie die seekartengerechte Darstellung von Manöverinformationen. Grundgedanke ist die Anwendung integrierter Simulationen, bei der die im aktuellen Seegebiet bzw. im Revier herrschenden Umweltbedingungen mit dem aktuellen hydrodynamischen Verhalten des Schifes verknüpft, aktuelle situationsspeziische Manövrierkennwerte elektronisch zur Verfügung gestellt und (idealerweise direkt in einem elektronischen Seekartensystem, ECDIS) angezeigt werden. So können den Lotsen einerseits vor dem Ein- und Auslaufen jeweils aktuelle Brückenposter-Ausdrucke zur Verfügung gestellt, andererseits an Bord integrierte situationsadaptierte Anzeigen über den zu erwartenden Bahnverlauf eines beabsichtigten Manövers - z. B. zur Einschätzung des Risikos in konkreten Situationen - angeboten werden. Zur Realisierung dieser Zielstellung wurde ein Konzept entworfen, das in Bild 1 schematisch dargestellt ist. Fallstudie zur Anwendung situationsadaptierter Manöverassistenz Aubauend auf einer Reihe von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurde eine Applikation entwickelt und getestet, welche durch ihre Verknüpfung mit der FTS-Technologie eine völlig neue Qualität der Manöverassistenz ermöglicht. Die Auswirkungen aktueller Steuereingrife gegebenenfalls durch den simultanen Einsatz mehrerer Steuerorgane gekennzeichneter Manöver auf zukünftige Bewegungszustände können unmittelbar visualisiert werden. Wesentliches Element dieses Manöverberatungsmoduls ist die Einblendung der zukünftigen Manöverbahn als Prädiktion (siehe Källström 1999), welche mittels eines vollständigen mathematischen Bewegungsmodells für die aktuellen Schifs- und Umgebungsbedingungen berechnet wird. Wie bisher üblich, kann der Nautiker sein Manöver z. B. mit einer „Initial-Ruderlage“ einleiten, die im Manöververlauf gemäß der Situationsanalyse (mental geplan- Bild 1: Grundstruktur eines Moduls zur situationsadaptierten Manöverassistenz und zur Bereitstellung von situationsabhängigen Manöverinformationen in einem dynamischen Wheelhouse Poster Internationales Verkehrswesen (66) 4 | 2014 45 Maritime Sicherheitssysteme LOGISTIK ter Sollzustand zu tatsächlichem Manöververlauf ) entsprechend korrigiert wird. Der entscheidende Vorteil der dynamischen Prädiktion liegt darin, dass eventuell erforderliche Steuereingrife schneller erkannt, Korrekturen direkt überprüft und das Manöver präventiv erfolgen können. In dem in Bild 2 dargestellten Fallbeispiel werden die Vorteile FTS-gestützter Prädiktionen veranschaulicht. Die zukünftigen Bewegungszustände für eine bestimmte Kombination der Stellorgane (Drehzahl von zwei Maschinen, Ruderlagen und Bugstrahler) sind als Schifskonturen in der elektronischen Seekarte dargestellt und prädizieren das beabsichtigte Drehmanöver nahezu auf der Stelle. Die zusätzlich eingeblendete konventionelle Bahnprädiktion - im Bild als gebogener Vektor violett dargestellt - zeigt zum Vergleich den Vorteil gegenüber den bisherigen herkömmlichen Prädiktionen (lineare Vorausextrapolation der Bewegung auf der Grundlage der aktuellen Bewegungsdaten), welche eine weitere Vorausfahrt mit Backborddrehung vorhersagen. Erste durchgeführte sowie aktuell laufende Versuchsreihen an einem Full-Mission Ship-Handling-Simulator (Baldauf et. al., 2012) deuten darauf hin, dass mit Hilfe dynamischer FTS-gestützter Prädiktionen Erfahrungsdeizite von Schifsoizieren teilweise kompensiert werden und zum sicheren und eizienten Manövrieren beigetragen werden kann. Andere Experimente zeigten (siehe Bild- 3), dass allein die Verfügbarkeit dynamischer Prädiktionen zu einer Verringerung des Platzbedarfs und damit zur Erhöhung der Sicherheit beim Manövrieren in Hafenrevieren beitragen kann. Durch die Möglichkeit der Vorausplanung auch alternativer Steuerstrategien für komplexe Manöverabläufe, insbesondere bei kombiniertem Einsatz mehrerer Manövrierorgane gleichzeitig, konnten durch die Probanden bisher ungenutzte Potenziale erschlossen werden. Dabei wurde einerseits die Anzahl der Steuereingrife erheblich minimiert, andererseits die Dosierung der Intensität des Einsatzes der Manövrierorgane und damit der Energiebedarf besser überwacht und minimiert. Schließlich wurde im Versuch auch eine signiikante Verringerung der erforderlichen Reisezeiten erzielt. Damit einher geht die Minimierung der einzusetzenden Treibstof-Ressourcen sowie auch der Abgase und Schadstofemissionen. Der realisierbare Vorteil hinsichtlich einer verbesserten Energie- und Umweltbilanz führt damit auch zu einem ökonomischen Vorteil, der auch dann erhalten bleibt, wenn alternative, emissionsfreie Kraftstofe eingesetzt werden. Der ökonomische Vorteil wird sogar zunehmen, wenn der prognostizierte Anstieg der Treibstofpreise tatsächlich eintreten wird. ■ Der Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit Knud Benedict, Sandro Fischer, Michael Gluch, Matthias Kirchhof, Michèle Schaub, Sebastian Klaes und Caspar M. Krüger an der Hochschule Wismar, Bereich Seefahrt Warnemünde, Institut für innovative Schifssimulation und Maritime Systeme (ISSIMS). LITERATUR UND REFERENZEN Baldauf, M.; Klaes, S.; Benedict, K.; Fischer, S.; Gluch, M.; Kirchhof, M.; Schaub, M. (2012): Application of e-Navigation for Ship Operation Support in Emergency and Routine Situations. In: European Journal of Navigation; (2012), Volume 10 (2), p. 4-13. Baldauf, M.; Benedict, K.; Fischer, S.; Motz, F; Schröder-Hinrichs, J.-U. (2011): Collision avoidance systems in air and maritime traic. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability, August 2011, Sage publications, London, DOI: 10.1177/ 1748006X11408973. Benedict, K.; Kirchhof, M.; Baldauf, M.; Gluch, M.; Fischer, S. (2007): Concept for On-board Prediction Displays based on actual Ship Condition and Manoeuvring Simulation for Navigation and Shiphandling. Conference Proceedings IMSF Conference 2007, August 20-24 2007, Busan / Korea. Källström, CG.; Ottosson, P.; Raggl, KJ. (1999): Predictors for ship manoeuvring. 12th Ship Control System Symposium CSS, The Hague, The Netherlands. Patraiko, D.; Wake, P.; & Weintrit, A. (2010): e-Navigation and the Human Element. TransNav. In: The International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Vol. 4, Issue 1, p. 11-16. Prien, R. (1896): Der Zusammenstoß von Schifen unter den Gesichtspunkten der Schifsbewegung, des Seestraßenrechts und der Haftplicht aus der Schifskollision nach den Gesetzen des Erdballs. Berlin: Verlag I. Gutenberg. Michael Baldauf, Dr._Ing. Hochschule Wismar, Bereich Seefahrt Warnemünde, Institut für innovative Schifssimulation und Maritime Systeme (ISSIMS); Associate Professor Maritime Safety and Environmental Administration, Chief Instructor Maritime Simulation, World Maritime University, Malmö (SE) mbf@wmu.se Bild 2: Integrierte Prädiktion zukünftiger Bewegungszustände in einer elektronischen Seekarte Bild 3: Bahnverläufe für simulierte Auslaufmanöver, durchgeführt ohne (links) und mit Unterstützung (rechts) dynamischer Prädiktionen