Internationales Verkehrswesen (70) 1 | 2018 69 Hafenlogistik TECHNOLOGIE Intelligente Überwachung mobiler Objekte in Seehäfen Real-Time-Location-System, RoRo-Hafen, Informations- und Kommunikationstechnologien, Beacons Dieser Beitrag beschreibt die Integration eines RTLS in die Prozesslandschaft eines RoRo-Terminals zur Überwachung von Trailern innerhalb des Hafengeländes. Durch den Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien soll die Abwicklung der Umschlagsprozesse im Hafen verbessert werden. Das vorgestellte System vereint etablierte Ansätze, wie die GPS-gestützte Positionsbestimmung und die Identifikation der zu lokalisierenden Objekte durch Beacons. Zum Empfang und zur Verarbeitung der Positionsinformationen wird auf die vorhandene Sensorik in Smartphones (MD) zurückgegriffen. Nina Vojdani, Thomas Lück S eehäfen sind wichtige Knotenpunkte von intermodalen Transportketten und ermöglichen den Zugang zu weiteren Verkehrsträgern wie Straße, Schiene oder Luft. Sie stellen damit elementare Schlüsselelemente der internationalen Logistiknetzwerke dar. Die Koordination der innerbetrieblichen und unternehmensübergreifenden logistischen Abläufe in einem Hafen wird durch eine steigende Planungs- und Problemkomplexität erschwert. Diese resultiert unter anderem aus den unterschiedlichen, in einem Seehafen zusammenlaufenden Transportmodi und aus der Vielzahl der beteiligten und unterschiedlichen Akteure. Aus diesem Grund ist die effiziente Planung und Steuerung der logistischen Prozesse ohne die Unterstützung hochentwickelter Informations- und Kommunikationstechnologien in einem Hafen nur schwer umsetzbar. In einer Studie untersuchen Heilig und Voß [1] unterschiedliche Informationssysteme und IT-Technologien, die in Seehäfen Anwendung finden, und nehmen eine Klassifizierung dieser vor. Harris et al. [2] identifizieren verschiedene Anwendungsbeispiele von IT-Technologien in Seehäfen und stellen die Vorteile der Digitalisierung der Häfen in Zusammenhang mit multimodalen Transportketten dar. Dazu gehören beispielsweise die Reduzierung der Be- und Entladezeiten in intermodalen Häfen, verbesserte Nutzung der Terminalinfrastruktur, effiziente Gestaltung der Schnittstellen zwischen verschiedenen Transportmodi am Point of Transshipment, Reduzierung der Betriebskosten und Verbesserung des Kundenservice sowie der Kundenzufriedenheit. Ausgangssituation Der Gütertransport über Fähren kann begleitet oder unbegleitet erfolgen. Nach Passieren eines Trailer-Gates fährt der LKW direkt auf die Fähre oder setzt seinen Trailer auf vorgegebenen Stellplätzen ab. Die Trailer werden anschließend durch Stauereien auf die Fähren transportiert [3]. In einem Anwendungsfall erfolgt die Zuweisung der Trailer zu entsprechenden Stellplätzen bei der Buchung des Fährtransports durch die Zuordnung von Stellplatznummern, die in einem Informationssystem gespeichert werden. Die Eingabe und Aktualisierung der Standortinformationen (Verknüpfung Standort und Trailer, Standortstatus) ist oft durch einen hohen manuellen Aufwand geprägt. Darüber hinaus stimmt die im System hinterlegte Stellplatznummer mit dem tatsächlichen Standort des Trailers auf der Hafenfläche häufig nicht überein. Diese Abweichung resultiert in hohen Suchaufwänden und kann sogar dazu führen, dass der Trailer nicht mehr rechtzeitig auf das vorbestimmte Schiff verladen wird. Aktuelle und verlässliche Angaben zum Standort der Trailer auf der Hafenfläche sind für die effiziente Abwicklung der Be- und Entladesowie der Ein- und Auslagerungsprozesse im Hafen von großer Bedeutung. Aus diesem Grund ist die Überwachung der Stellflächen mit Hilfe eines Real Time Location Systems (RTLS) als Teil eines Hafeninformationssystems (HIS) eine- grundlegende Voraussetzung für eine Verbesserung der Abfertigungsprozesse in Häfen. Das zu realisierende System hat insbesondere den Anspruch, die Trailer in Echtzeit zu lokalisieren, um so eine Steuerung der nachgelagerten Prozesse ohne Verzögerung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen mit der automatischen Datenerfassung Fehler bei der Übermittlung der Positionsangaben vermieden werden. Grenzen klassischer Realisierungsansätze Für die Lokalisierung von Objekten in Outdoorumgebungen werden vor allem Anwendungen auf Basis des Global Positioning Systems (GPS) erstellt. Die ermittelten Positionsinformationen sind aber nicht für jeden beliebig verfügbar. Der Einsatz von GPS wird erschwert, wenn die zu lokalisierenden Objekte über keine eigene dauerhafte Energieversorgung zum Betrieb der GPS-Empfänger verfügen. Weitere Realisierungsansätze für RTLS nutzen Funktechnologien wie Radio Frequency Identifiaction (RFID) oder Wireless Local Area Network (WLAN) und bestehen in der Regel aus Tags, Lesegeräten und einer Software zur Berechnung der Position (genannt Location-Engine). Ein RFID Tag kann entweder am zu lokalisierenden mobilen Objekt befestigt werden oder als stationärer Referenzpunkt dienen. Die vom Tag gesendeten Signale werden vom Location-Sensor, oft auch Lesegerät (engl. Reader), erfasst und gemessen. Unabhängig von der verwendeten Technologie übermittelt der Location-Sensor die Messgrößen des erfassten Signals an den Location-Engine, der diese mit dem Ziel der Positionsbestimmung mit Hilfe unterschiedlicher technischer Verfahren wie beispielsweise Trilateration, Triangulation oder Fingerprinting auswertet [4]. Weit verbreitet ist das Verfahren der Trilateration auf Basis der kabellosen Distanzmessung. Zur eindeutigen Positionsbestimmung des gesuchten Objektes werden für den zweidimensionalen Fall Abstandsmessungen zu mindestens drei ortsfesten Referenzpunkten benötigt. Unter idealen Bedingungen lassen sich die Tags in jeder Umgebung lokalisieren, sofern diese mit einer ausreichenden Anzahl an Lesegeräten ausgestattet Internationales Verkehrswesen (70) 1 | 2018 70 TECHNOLOGIE Hafenlogistik ist. Auf einem Hafenterminal kann sich die Installation von Infrastruktur in Form einer großen Anzahl von Lesegeräten oder Basisstationen abhängig von der zu überwachenden Fläche als kostenintensiv darstellen. Darüber hinaus können Zugmaschinen, Trailer, Container und mobile Transportmittel Hindernisse für die Funksignale zwischen Tags und Lesegeräten repräsentieren. Dies erfordert eine Befestigung der Lesegeräte in höherer Lage, z. B. an Lichtmasten, so dass die zu ortenden Tags nicht vollständig abgeschirmt und die Signale von den Lesegeräten empfangen werden können. Aufgrund der beschriebenen Probleme werden neue Architekturen für die Implementierung von RTLS benötigt. Beispiele aktueller Realisierungsansätze Das im Rahmen des Projektes ProKon entwickelte Prozess- und Kontrollsystem auf dem RoRo-Terminal in Bremerhaven fokussiert auf die Identifikation und Lokalisierung spezialisierter Ladungsträger im High und Heavy Bereich. Zur Lösung des Problems sieht das entwickelte Konzept die Identifikation der Ladungsträger mittels der RFID-Technologie und die Lokalisierung via GPS vor. Nach dem Entladen wird ein passiver RFID-Tag am Ladungsträger befestigt und im System registriert. Die Identifikation erfolgt während der Ein- und Auslagerung im Zusammenspiel eines Koppelsensors und eines RFID-Lesegeräts, welche auf einem Transportfahrzeug angebracht sind. Darüber hinaus sind die Fahrzeuge mit einem GPS-Modul zur Positionsbestimmung und einem PC ausgestattet. Dieser steuert die angeschlossenen Peripheriegeräte und verarbeitet die durch die Sensoren erfassten Messwerte. Die Kommunikation mit der Terminal-IT erfolgt über ein integriertes WLAN-Modul. Der vorgestellte Ansatz überzeugt durch seine intelligente Technologieverteilung und die damit verbundene Wirtschaftlichkeit, da die kostenintensiven Systemkomponenten nur auf wenigen Fahrzeugen installiert werden und eine technologisch nur minimalnotwendige Ausstattung der Ladungsträger mit passiven RFID-Tags erfolgt [5]. Die großflächige und kostenintensive Installation fester RFID- Lesegräte z. B. an Lichtmasten wie bei einer klassischen RTLS Architektur mit festen Referenzpunkten ist damit nicht notwendig. Ziel der von Bisio et al. [6] beschriebenen Architektur zur Realisierung eines RTLS ist das Tracking hochwertiger Objekte (Assets) auf Baustellen. Das vorgestellte Konzept setzt dabei ebenfalls auf eine intelligente Technologieverteilung und nutzt zur Positionsbestimmung der Objekte GPS. Zur Identifikation werden an den zu trackenden Objekten Bluetooth Low Energy (BLE)-Tags, sogenannte Beacons, angebracht. Im Vergleich zum Projekt ProKon werden Smartphones als Location-Sensor eingesetzt. Die Kernfunktionalität des Systems wird durch zwei Applikationen auf Android Smartphones realisiert, mit denen jeder Mitarbeiter ausgestattet ist. Mithilfe der Anwendung namens Asset Proximity Locator (APL) werden die aktuelle GPS-Position des Smartphones und die empfangene Signalstärke des erfassten Beacons bestimmt und damit das gesuchte Objekt getrackt. In einem Projekt eines Herstellers von intralogistischen Systemen werden für die Indoor-Lokalisierung von Flurförderzeugen Smartphones in Kombination mit der BLE-Technologie eingesetzt. Die Positionsbestimmung eines Staplers erfolgt in Verbindung mit mehreren im gesamten Lager installierten stationären Beacons und einem Smartphone, mit dem jeder Stapler ausgestattet ist. Die errechneten Positionsdaten werden an einen Server übermittelt und können anschließend über eine webbasierte Software für vielfältige positionsbasierte Auswertungen und Berichte genutzt werden. Das System lässt sich durch die Systemkomponenten relativ einfach, schnell und kostengünstig realisieren und flexibel auf andere Hersteller oder Anwendungsszenarien anpassen [7]. Integration eines RTLS in die Prozesse eines RoRo-Hafens Das vom Lehrstuhl für Produktionsorganisation und Logistik (LPL) entwickelte Konzept zur Integration eines RTLS in die Be- und Entladesowie Ein- und Auslagerungsprozesse in einem RoRo-Hafen setzt auf Smartphones als intelligente Sensorik zur Erfassung von Positionsdaten. Im Zusammenspiel mit einer für den Anwendungsfall entwickelten Applikation (Location-Client) erfüllt das Smartphone die notwendigen Anforderungen eines Location-Sensors. Zur Identifikation der Trailer werden Beacons eingesetzt. Der Location-Server als zentrales Backendsystem des RTLS empfängt die Location-Server Rest-Controller Location-Client Sensoren BLE-Manager GPS-Manager Rest-Controller REST Schnittstelle (HTTPS) T T T T T T T MD MD MD Location-Engine Abstandsmessung Trilateration Hafeninformationssystem Stauerei Be- und entladen der Fähre Umschlag der Trailer zwischen Zug, Schiff und Stellflächen Logistikdienstleister / Fuhrunternehmen LKW- und Trailer-Transport T: Trailer MD: Mobile Device : Beacon Bild 1: Konzeptionelle Architektur des RTLS für einen RoRo-Hafen Internationales Verkehrswesen (70) 1 | 2018 71 Hafenlogistik TECHNOLOGIE Daten des Location-Clients, aggregiert diese und berechnet die aktuelle geographische Position der Trailer durch Anwendung des Trilaterationsverfahrens. Über ein Webinterface können die Standortinformationen auf verschiedenen Clients wie beispielsweise Smartphones, Tablet PC oder Computer abgerufen werden und anderen Anwendungen über das HIS zur Verfügung gestellt werden (Bild 1). Nachfolgend werden die Funktionsweise und die Integration des RTLS in die Umschlagprozesse eines RoRo-Hafens für den Export von unbegleiteten Trailern beschrieben. Mit dem Erreichen des Trailer-Gates wird ein Beacon am Trailer befestigt und mit dem entsprechenden Auftrag zur Verladung auf das Schiff im System informationstechnisch verknüpft. Der Fahrer fährt zum ihm zugewiesenen Stellplatz und stellt den Trailer dort ab. Durch den ständigen Verkehr der Zugmaschinen auf dem Hafengelände werden Signale der Beacons, die sich in Reichweite des Smartphones des Fahrers befinden, erfasst. Dieser Ansatz - das Erheben von Daten durch eine Menschenmenge und mitgeführter Sensoren wird als Crowd Sensing bezeichnet [8]. Mithilfe des integrierten GPS-Empfängers des Smartphones wird die aktuelle geographische Position zum Empfangszeitpunkt des Beaconsignals bestimmt. Die ermittelten Positionsparameter, bestehend aus Längengrad, Breitengrad und Höhe, werden mit der empfangenen Signalstärke verknüpft und anschließend an den Location-Server via WLAN oder per Mobilfunknetz übertragen. Der Location-Server ist das zentrale Element des RTLS. Er empfängt die Positionsdaten der Location-Clients, aggregiert diese und berechnet die aktuelle geographische Position der Trailer. Dabei kommen unterschiedliche technische Verfahren zum Einsatz. Durch Auswertung der Signalstärke kann die Entfernung zwischen Beacon und dem Smartphone und damit die Position des Trailers in Bezug auf das Smartphone zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst werden. Der Beacon befindet sich dann auf einem idealisierten Kreis, wobei das Smartphone der Mittelpunkt ist und der Radius des Kreises dem ermittelten Abstand entspricht. Bewegt sich das zu lokalisierende Beacon innerhalb einer gewissen Zeitspanne nicht, so können die geographischen Positionen des Smartphones, an denen ein Beacon erfasst wurde, als quasi ortsfeste Referenzpunkte angenommen werden. Liegen mindestens drei Referenzpunkte vor, wird durch Anwendung des Trilaterationsverfahrens der Standort des Trailers bestimmt. Die Angaben zum Standort des Trailers werden mit jedem neuen Tracking- Event schrittweise verfeinert. Mit steigender Anzahl von „Datensammlern“ und Tracking Events ergibt sich so ein umfassendes Bild mit den geographischen Positionen der zu lokalisierenden Trailer. Die Nutzer des Systems können sich so jederzeit einen Überblick über die aktuelle Belegungssituation der Stellplätze verschaffen. Zu verladende Trailer können auf dem weiträumigen Gelände gezielt aufgesucht und anschließend mit geeigneten Transportmitteln auf die Schiffe transportiert werden. Der Beacon wird an der Rampe entfernt, das Backenendsystem aktualisiert und der Trailer im System als „Verladen“ markiert. Die technische Machbarkeit des vorgestellten Konzeptes wird durch die protypische Implementierung einer iOS-App bestätigt. Durch die Integration eines RTLS in die Umschlagprozesse eines RoRo-Hafens können folgende Potentiale erschlossen werden: • Stauerei-Unternehmen wird ermöglicht, zu transportierende Trailer verlässlich in Echtzeit zu lokalisieren und so von den Stellplätzen zeitsynchron auf der Vorstaufläche des ankommenden Schiffes bereitzustellen. • Durch Reduzierung der Suchzeiten sind im Umfeld der Stauerei-Unternehmen positive Effekte in Bezug auf den Ressourceneinsatz (Personal und Transportmittel) zu erwarten. • Es wird ein verbesserter Service durch Echtzeitbenachrichtigung der an der intermodalen Transportkette beteiligten Akteure über den Status wie z. B. „Trailer auf Vorstaufläche“ oder „Trailer auf Fähre verladen“ sichergestellt. • Aus den erfassten Positionsdaten können Auswertungen und Kennzahlen zur Auslastung oder Belegung der Stellplätze erstellt werden, um so mögliche Verbesserungen wie beispielsweise die Optimierung von Fahrwegen der Transportmittel einzuleiten. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieses Beitrages wurde ein Konzept zur Integration eines RTLS zur intelligenten Überwachung von mobilen Objekten in RoRo-Häfen beschrieben. Die Standortbestimmung der Trailer erfolgt durch Kombination von Satellitenortung, der signalstärkenbasierten Abstandsmessung und der serverseitigen Auswertung der Daten durch Anwendung der Trilateration. Zur Identifikation der Trailer werden Beacons eingesetzt. Alle sensorisch-technischen Anforderungen (Objektidentifikation und GPS-Positionsbestimmung) werden durch Smartphones realisiert. Die dargestellten Potentiale zeigen, dass die Implementierung eines RTLS positive Auswirkungen auf die Umschlagsprozesse der beteiligten Akteure zur Folge hat. Durch die gewählte Systemarchitektur kann auf den Einsatz kostenintensiver und spezialisierter Systemkomponenten verzichtet und damit eine einfache Integration in die bestehende Infrastruktur sowie in die bestehende Prozesslandschaft ermöglicht werden. Gegenstand zukünftiger Arbeiten ist die weitere Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung durch den Einsatz von Filterverfahren zur Reduzierung der Abweichungen bei der signalstärkenbasierten Abstandsmessung sowie die Untersuchung alternativer Lokalisierungstechniken und Algorithmen. Darüber hinaus ist die Durchführung umfangreicher praktischer Testreihen und Grenzwerttests geplant. ■ LITERATUR [1] Heilig, L; Voß, S. (2017): Information systems in seaports: a categorization and overview. Information Technology and Management, 2017, vol. 18, issue 3, No 2, S. 179-201 [2] Harris, I.; Wang, Y.; Wang, H. (2015): ICT in multimodal transport and technology trends: unleashing potential for the future. Int. J. Production Economics. 159 (2015), S. 88-103 [3] Liu, H.; Darabi, H.; Banerjee, P.; Liu, J. (2007). Survey of wireless indoor positioning techniques and systems. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews), 37(6), S. 1067-1080 [4] Vojdani, N.; Ruffing, A.; Erichsen, B. (2017): Echtzeitinformationen im Fährverkehr Real Time Traffic Informationen von Fähren zur Unterstützung multi-modaler Transportketten. Jahrbuch Logistik 2017, Wuppertal: unikat Werbeagentur GmbH, 2017, S. 42-45 [5] Isenberg, M.-A.; Virnich, A.; Özsahin, M.-E. (2010): Transparenz im Ro-Ro-Terminal. RFID im Blick. 01/ 2010, Sonderausgabe „RFID in Bremen“, 2010, S. 48-49 [6] Bisio, I.; Sciarrone, A.; Zappatore, S. (2016): A new asset tracking architecture integrating RFID, Bluetooth Low Energy tags and ad hoc smartphone applications. Pervasive and Mobile Computing, 31, S. 79-93 [7] Sonderpublikation zum Wettbewerb International Forklift Truck of the Year, IFOY Award 2017, Huss-Verlag GmbH, 2017, S. 14 [8] Ganti, R. K.; Ye, F.; Lei, H. (2011). Mobile crowdsensing: current state and future challenges. IEEE Communications Magazine, 49(11), S. 32-39 Nina Vojdani, Prof. Dr.-Ing. Lehrstuhlinhaberin, Lehrstuhl für Produktionsorganisation und Logistik, Universität Rostock vojdani@uni-rostock.de Thomas Lück, M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lehrstuhl für Produktionsorganisation und Logistik, Universität Rostock thomas.lueck@uni-rostock.de