Beitrag 20

Vorstellung des Projektes NADAKOS

(Navigationsdaten in einem kooperativen System der Schiffsführung)

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Müller, Dr.-Ing. Anke Zölder, Dipl.-Ing. Thoralf Weißflog
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde


  1. Einleitung
  2. Simulationsmodell
    1. Struktur und Zweck des Simulationsmodells
    2. Analysator
    3. Lösungsgenerator
  3. Vorteile und Voraussetzungen
    1. Vorteile für die beteiligten Fahrzeuge
    2. Voraussetzungen
  4. Zusammenfassung


Durch ein erhöhtes Verkehrsaufkommen und vorhandene Verkehrszonen (TSS) wird der Navigationsraum für die Schiffahrt zunehmend eingeschränkt. Auch die technische Bereitstellung von mehr und genaueren Informationen kann dieses Handicap nicht beseitigen.

Zur Vermeidung von Verkehrskonzentrationen mit ihren hohen potentiellen Kollisionsrisiken müssen neue Organisationsformen für die Schiffahrt gefunden werden. Die isolierte, autonome Schiffsführung sollte zukünftig durch ein kooperatives Agieren überlagert werden.

Die Kooperationsfähigkeit könnte mittels eines "Automatischen Schiffsidentifizierungssystems" erreicht werden. Aber erst durch ein koordinierendes Eingreifen in das Verkehrsgeschehen wird die strategische Zielstellung im Sinne von minimalem Weg- und Energieverbrauch aller Verkehrsteilnehmer im Koordinierungsbereich möglich.


1. Einleitung

Aufgabenstellung des Projektes NADAKOS (Navigationsdaten in Kooperativen Systemen in der Schiffahrt) ist die "Gewinnung von Aussagen zum Navigationsdatenmanagement auf der Basis von Modelluntersuchungen". Die Rahmenbedingungen für diese Untersuchungen sind durch den Deutschen Satelliten-Navigationsplan (DSNP) sowie die Annahme einer Koordinierung des Seeverkehrs auf der Basis eines kooperativen Systems gegeben.

Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF). Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.). Die Bearbeitung erfolgt durch eine dreiköpfige Arbeitsgruppe am Fachbereich Seefahrt der Hochschule Wismar. Der Projektstart war am 01.08.1995.

Mit der zu erwartenden Ausrüstungspflicht für Fahrzeuge oberhalb einer bestimmten Größe mit Automatischen Schiffsidentifizierungssystemen (AIS) kann in Zukunft von einer in technischer Hinsicht hohen Kooperationsfähigkeit in der Schiffahrt ausgegangen werden. Die Identifikation von Zielen kann durch solche Systeme bezüglich Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Umfang der gewonnenen Informationen gegenüber der Verwendung eigener Sensoren verbessert werden. Somit kann zukünftig an Bord eine hohe Verfügbarkeit von Daten (Kurse, Positionen, Geschwindigkeiten und weitere relevante Daten) anderer Fahrzeugen vorausgesetzt werden.

Für eine sinnvolle Nutzung der zur Verfügung stehenden Informationen ist es notwendig, diese zu filtern und mit den von anderen (bordeigenen) Sensoren gewonnenen Informationen zu korrelieren. Selbst wenn diese Probleme aus technischer Sicht hinreichend gelöst sind, bleibt die Selektion, Bewertung und Interpretation der Informationen den damit konfrontierten Personen überlassen. Diese Prozesse besitzen aber zum einen eine situationsabhängige Dynamik und sind zum anderen stark subjektiv geprägt, z.B. durch Erfahrungswerte des jeweiligen Menschen. Es ist auch zu berücksichtigen, daß die o.g. Prozesse zusätzlich zu den normalen Prozeduren der Schiffsführung bzw. -beratung ablaufen müssen.

Es stellt sich die Frage, ob der Informationszuwachs an Bord zwangsläufig zu einem Gewinn an Sicherheit führt. Ein koordinierter Verkehrsablauf kann durch die Erhöhung der Informiertheit aller Beteiligten allein jedoch nicht erreicht werden. Bei Betrachtung der momentanen Tendenzen in der Schiffahrt (größere und schnellere Einheiten, steigendes Gefahrenpotential der Ladung, hoher Zeitdruck) ist aber zu erwarten, daß neuen Organisationsformen des Verkehrsablaufes eine steigende Bedeutung zukommen wird. Hier ist auch ein koordinierendes Einwirken einzuordnen.

Im Rahmen des Projektes NADAKOS soll auf der Basis von Simulationen die technische Machbarkeit eines koordinierenden Systems eingeschätzt werden. Ziel ist die Aufstellung eines exakten Anforderungskatalogs an das dafür notwendige globale Kommunikationssystem hinsichtlich der Parameter des notwendigen Datentransfers. Dabei werden verschiedene Systemarchitekturen in Betracht gezogen. Weiterhin soll untersucht werden, inwieweit in das Kommunikationssystem ein Global-Sea-Watch-Service (GSWS) eingebettet werden kann. Ein solcher Dienst soll auf Anfrage satellitengestützte Assistenz für bordseitige Aufgaben der Verhütung von Strandungen (Stranding Avoidance) und Kollisionen (Collision Avoidance) geben.


2 Simulationsmodell

2.1 Struktur und Zweck des Simulationsmodells

Bild1

Abbildung 1: Struktur des Simulationsmodells

Basis für die Untersuchungen ist ein Simulationsmodell. Abbildung 1 zeigt die dem Modell zugrundeliegende Struktur. Es werden sowohl die bidirektionale Übertragungsstrecke (Data Link) als auch die Funktionalität des Control-Segmentes (CS) modelliert. Die Datenübertragung zwischen den Fahrzeugen im User-Segment (US) und dem CS wird von Kommunikationsprozessoren synchronisiert. Es wird eine zentral organisierte Version des Zeitschlitzverfahrens benutzt.

Ein Kommunikationsprotokoll beinhaltet alle für den Datenaustausch zwischen US und CS notwendigen Definitionen, z.B. den zeitlichen Ablauf und die Definitionen der verschiedenen Nachrichtentypen. Grundsätzlich bestehen die Nachrichten aus einem Rahmen und dem Datenblock. Der Rahmen besitzt einen Header und eine 32-Bit-Prüfsumme.

Die Nachrichtentypen werden in sechs Gruppen eingeteilt:

  • An- und Abmeldung von Nutzern
  • Übertragung von Nutzerdaten
  • Koordinierung des Verkehrsablaufes
  • Management und Steuerung des Datenaustausches
  • Übertragung von Konfliktdaten
  • weitere Nachrichten

Im Rahmen der Gruppe 'weitere Nachrichten' werden Nachrichten implementiert, die für Notfälle u.ä. reserviert sind.

Das Control-Segment besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:

  • Kommunikationsprozessor für das Verbindungsmanagement
  • Analysator für Situationsanalyse und -bewertung
  • Lösungsgenerator für die Erzeugung von koordinierten Bahnen

Für das koordinierende System werden zwei Architekturen in Betracht gezogen. Dabei soll der Einfluß dieser Architekturen auf die Parameter des Datenaustausches untersucht werden.

In der zentralen Architektur befinden sich alle funktionalen Komponenten des CS vollständig zentralisiert in einem globalen Operationszentrum (Operation Centre). Demgegenüber verteilt die dezentrale Architektur die Funktionalität des CS: die Funktionsblöcke Situationserkennung und -bewertung sowie der GSWS befinden sich im Operationszentrum, während die Erzeugung der koordinierten Bahnen von mobilen Stationen durchgeführt wird. Diese mobilen Stationen können sich z.B. an Bord von sog. masterfähigen Fahrzeugen befinden.


2.2 Analysator

Der Analysator führt die kontinuierliche Verkehrsüberwachung durch. Dies beinhaltet eine Erkennung und Bewertung der Verkehrssituation hinsichtlich sich entwickelnder unzulässiger Annäherungen (Konflikten) in einem definierten Zeitrahmen. Dafür ist der maritime Verkehrsraum in Segmente (Gebiete) aufgeteilt. Es wird eine sequentielle Analyse der Verkehrssituationen in allen Gebieten durchgeführt, wobei der Analysator die dynamischen Daten (Verkehrsbild) der im aktuellen Analysegebiet befindlichen Fahrzeuge anfordert. Diese Daten können auch für eine Lagedarstellung verwendet werden. Ein spezieller Mechanismus behandelt den Fall von gebietsüberschreitenden Konflikten. Er stellt sicher, daß immer alle notwendigen Daten für die Analyse zur Verfügung stehen.

In der eigentlichen Analyse werden DCPA und TCPA für die Erkennung von sich entwickelnden gefährlichen Annäherungen benutzt. Ein Konflikt besteht, wenn innerhalb des definierten Zeitrahmens zwischen zwei oder mehr Teilnehmern unzulässige Annäherungen auftreten. Falls notwendig, zerlegt der Analysator das Mehrschiffproblem in eine Reihe von Zweischiffproblemen. Danach werden alle am Konflikt beteiligten Fahrzeuge einer Bewertung unterzogen, die eine Einschätzung des Gefährdungspotentials des einzelnen Fahrzeuges liefert. Hierbei wird bestimmt, welches Fahrzeug konfliktauslösend ist.

Der nächste Schritt ist die schiffsweise Berechnung eines Manöverkostenfaktors (COM) (Cost Of Manoeuvres). Diese Faktoren beeinflussen in hohem Maße die Eigenschaften der koordinierten Bahnen: Fahrzeuge mit geringerem COM besitzen eine größere Bandbreite von möglichen Manövern (Manövervorrat).

Der COM ist als Funktion verschiedener konstanter Schiffsdaten (Länge, Breite, Ausrüstung) sowie zeitveränderlicher Parameter (Tiefgang, Beladung usw.) definiert. Er stellt eine wichtige Eingangsgröße für den Lösungsgenerator dar.

Abschließend erfolgt eine räumliche Zuordnung der Konfliktteilnehmer zu einem rechteckigen Konfliktgebiet. Dieses Gebiet schränkt den für die koordinierten Bahnen zur Verfügung stehenden Manöverraum ein. Der Zeitraum der Gültigkeit dieses Gebiets hängt von den Eigenschaften der zugehörigen koordinierten Bahnen ab: ein Konfliktgebiet wird gelöscht, wenn alle am Konflikt beteiligten Fahrzeuge die Rückführung auf ihre jeweilige Ausgangsbahn begonnen haben.

Der Analysator erzeugt einen Datensatz für die Beschreibung des Konfliktgebietes und Datensätze für alle am Konflikt beteiligten Fahrzeuge. Diese Datensätze stellen die Eingangsgrößen für den Lösungsgenerator dar (siehe Abbildung 2).


2.3 Lösungsgenerator

Primäres Ziel ist eine Vermeidung von unzulässigen Annäherungen zwischen den beteiligten Fahrzeugen. Weiterhin sollen alle notwendigen Manöver so effektiv wie möglich sein. Der Lösungsgenerator minimiert den manöverbedingte Zeitverlust aller beteiligten Fahrzeug unter Berücksichtigung des jeweiligen COM. Die Summe dieser bewerteten Zeitverluste stellt das Kriterium für die Qualität der Lösung dar.

Output des Lösungsgenerators sind die koordinierten Bahnen für alle am Konflikt beteiligten Fahrzeuge. Diese Lösung muß die o.g. Anforderungen erfüllen. Als Input verwendet der Lösungsgenerator die Ergebnisse des Analyseprozesses (siehe Abbildung 2).

Bild2

Abbildung 2: Input und Output des Lösungsgenerators

Die Lösung muß an die Fahrzeuge im Nutzersegment übertragen werden. Deshalb soll die zu übertragende Datenmenge so klein wie möglich sein. In nicht eingeschränktem Navigationsraum wird eine koordinierte Bahn durch maximal 3 Punkte beschrieben (siehe Abbildung 3). An diesen Punkten sollen die Fahrzeuge unterschiedliche Aktionen ausführen:

  • der erster Punkt kennzeichnet den Ort, an dem die Ausgangsbahn verlassen wird
  • im zweiten Punkt beginnt die Rückführung auf die Ausgangsbahn
  • der dritte Punkt beschreibt den Ort, an dem die Ausgangsbahn wieder erreicht wird

Abbildung 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der koordinierten Bahnen. Es ist die simulierte zeitliche Entwicklung der Lösung in diskreten Schritten von 1 Minute dargestellt. Die Tabelle in der Abbildung zeigt die durch die Manöver entstehenden Wege und die daraus resultierenden zeitlichen Verzögerungen für die einzelnen Fahrzeuge.

Bild3

Abbildung 3: Koordinierungsergebnis


3. Vorteile und Voraussetzungen

3.1 Vorteile für die beteiligten Fahrzeuge

Welche Vorteile bringt eine koordinierende Verkehrslenkung für die beteiligten Fahrzeuge?

  • Vermeidung gefährlicher Annäherungen mit minimalen Manövern
    Die koordinierende Einflußnahme erfolgt im strategischen Bereich, d.h. vor dem Zeitpunkt, an dem die Fahrzeuge eine sich entwickelnde gefährliche Annäherung mit ihrer bordeigenen Sensorik erkennen können. Dies führt i.a. zu effizienteren Manövern als das Manövrieren im taktischen Bereich.
  • Erweiterung des Navigationsraumes
    Durch eine effektivere Nutzung des zur Verfügung stehenden Manöverraumes können unzulässige Situationen grundsätzlich verhindert werden.
  • Warnung bei Strandungsgefahr
    Im Rahmen der Verkehrsüberwachung kann für die Fahrzeuge die Gefahr von Strandungen und Grundberührungen erkannt werden. Diese Funktion kann auch global (auch außerhalb von Koordinierungsgebieten) auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden, z.B. bei Ausfall der bordeigenen Sensorik ("Global-Sea-Watch-Service").
  • Unterstützung von SAR-Aktivitäten
  • Übertragung anderer Daten (Betriebszustand des Fahrzeugs etc.)

Die bisherigen Untersuchungen machen deutlich, daß eine signifikante Erhöhung der Sicherheit und Effektivität in einem Koordinierungsgebiet erreicht werden kann.

Ein koordinierendes System kann u.U. auch eine Verringerung von Infrastrukturkosten bringen, z.B.:

  • Verringerung der hohen Infrastrukturkosten von land- und seeseitigen Leitsystemen
    Dieser Punkt steht in engem Zusammenhang mit dem Punkt "Erweiterung des Navigationsraumes". Bei einer kontinuierlichen Überwachung der Situation in stark befahrenen Bereichen und einer Führung der Fahrzeuge ist es u.U. möglich, die große Anzahl der in Aufbau und Unterhaltung teuren Seezeichen wesentlich zu reduzieren. Statt dessen können z.B. Methoden der dynamische Verkehrsraumzuweisung ("Space Allocation") eine effektivere Nutzung des vorhandenen Manöverraumes bewirken.
  • flexible Reaktion auf Änderungen des Gefährdungspotentials in Häfen und Seegebieten
    Durch politische und insbesondere wirtschaftliche Faktoren können weltweit Häfen und Seegebiete an Bedeutung gewinnen bzw. verlieren und damit ihr durch die Verkehrsdichte hervorgerufenes Gefährdungspotential ändern. Auf derartige Entwicklungen kann ein globales System sehr schnell, flexibel und kostengünstig reagieren.


3.2 Voraussetzungen

Unabdingbare Grundlage für den erfolgreichen Betrieb eines koordinierenden Systems ist die Schaffung von entsprechenden technischen Voraussetzungen und organisatorischen Rahmenbedingungen.

Technische Voraussetzungen:

Fahrzeuge ohne entsprechende technische Ausrüstung können am koordinierenden System nicht teilnehmen. Dies Fahrzeuge verursachen einen systematischen Fehler. Das Ziel muß eine Minimierung dieses Fehlers sein. Aus technischer Sicht bedeutet dies die Bereitstellung von entsprechenden Transpondern, wobei für kleinere Einheiten Low-Cost-Transponder mit einer Basisfunktionalität verfügbar sein sollten.

Weitere Voraussetzungen sind eine breitbandige Übertragungsstrecke mit hoher Kapazität sowie ein Positionierungssystems mit hinreichender Genauigkeit und hoher Verfügbarkeit. Momentan könnte GPS/DGPS und ein breitbandiger (satellitengestützter) Übertragungskanal verwendet werden. Nach Realisierung der im European Radio Navigation Plan (ERNP) vorgesehenen Ausbaustufe GNSS2 könnten diese Komponenten verfügbar sein. Nicht zuletzt wird ein erhöhter Aufwand für die bordeigene Sensorik notwendig sein.

Organisatorische Rahmenbedingungen:

Es müssen neue rechtliche Instrumentarien existieren. Diese müssen die Koordinierung unterstützen und als Normalzustand (State of the Art) angesehen werden. In diesem Zusammenhang muß man sich klarmachen, daß alle Verkehrsteilnehmer in einem betrachteten Gebiet die Fähigkeit zur Kooperation besitzen und sich auch koordinieren lassen müssen. Hier kann es keine Ausnahmen oder Mischformen mit dem derzeit gültigen Regelwerk geben. Für die Behandlung von systematischen und zufälligen Fehlern müssen einfache Strategien erarbeitet werden.


4. Zusammenfassung

Ein globales koordinierendes System für den Seeverkehr ist eine Herausforderung, die das Potential für eine Erhöhung der Sicherheit und Leichtigkeit des Seeverkehrs und die Bereitstellung eines weltweiten Service für maritime Anwender besitzt.

Erste Ergebnisse der Arbeit zeigen, daß ein solches System aus technischer Sicht realisierbar ist. Bis zum Nachweis der Durchführbarkeit sind allerdings noch eine große Anzahl von Problemen zu lösen.