Beitrag 18

Projekt NACOM - Navigationsunterstützung durch integrierte Kommunikation

(gefördert vom BMBF unter Trägerschaft des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt e.V.)

Dipl.-Ing. Kai Pankow, Dr.-Ing. Anke Zölder, Dipl.-Math. René Eyrich, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Müller
Schiffahrtsinstitut Warnemünde e.V.


  1. Abstract
  2. Problematik
  3. Erstellung von Routen
  4. Überprüfung von Routen
  5. Routenüberwachung
  6. Anwendungsbereiche
  7. Zusammenfassung


AIS-Routenüberwachung im VTS

1. Abstract:

Durch die Übertragung zusätzlicher Daten mittels des automatischen Schiffsidentifizierungssystems (AIS) eröffnen sich eine Reihe von Möglichkeiten für eine gezielte Routenerstellung, Routenüberprüfung sowie für die Überwachung und Darstellung von Schiffsbewegungen in ausgewählten Gebieten.

Bezugnehmend auf die letzten Zwischenfälle in der Ostsee, speziell in der Kadetrinne, werden Möglichkeiten zum Einsatz navigationsunterstützender und umgebungsbezogener Assistenzfunktionen vorgestellt, die in ein bestehendes VTS integrierbar sind.


2. Problematik

In den letzten Jahren kam es immer wieder zu Zwischenfällen in der Ostsee und speziell in der Kadetrinne. Ein Unfall in diesem ökologisch sehr sensiblen Gebiet hätte schwerwiegende Folgen für die Menschen und für die Natur. Die Kadetrinne ist ein stark frequentierter Schiffsweg in der Ostsee. Etwa 55 000 Schiffe passieren dieses Nadelöhr jährlich. Er ist der natürliche Tiefwasserweg für Schiffe mit einem Tiefgang von mehr als 10 Metern. Wegen seiner geringen Breite und Tiefe gilt er als schwieriges Fahrwasser. Das gilt vor allem für den Abschnitt, wo sich das Fahrwasser auf eine Breite von rund einer Seemeile verjüngt. Dort steigt der Meeresboden an beiden Seiten der 17 Meter tiefen Rinne um bis zu sieben Meter an. Der tiefe Mittelstreifen der Rinne ist mit Tonnen gekennzeichnet. Die Kadetrinne enthält zudem zahlreiche Untiefen, die das Fahrwasser zusätzlich einschränken (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ausschnitt aus der Ostsee mit der Kadetrinne

In den letzten beiden Jahren wurden 8 Unfälle in der Kadetrinne registriert, darunter Kohle-, Getreide- und Stückgutfrachter, aber auch wie im März 2000 der Öltanker "Clement". Die häufigsten Ursachen dafür sind Navigationsfehler, Leichtfertigkeit sowie verantwortungsloses Wegabschneiden aus Zeit- und Kostengründen.

Aufgrund der Vielzahl der Unfälle in der Kadetrinne versuchte man das Problem von behördlicher Seite im April 2000 durch Versetzen von 4 Tonnen (69 bis 72) um 1,5 - 2 Meilen zum Mittelfahrwasser zu lösen. Dadurch erfolgte eine Einengung des Fahrwassers an einer besonders gefährlichen Stelle. Aber auch nach der jetzigen Betonnung kam es im Oktober 2000 erneut zu einem Zwischenfall. Der zypriotische Kohlefrachter "Stone Topaz" (Länge 223 m; 12 m Tiefgang) war auf eine Untiefe gelaufen.

Aus diesem Grunde werden die Stimmen nach echten präventiven Maßnahmen immer lauter. Die Kosten hierfür sind im Vergleich zu den Kosten zur Beseitigung einer Umweltkatastrophe gering.

Mit der Einführung von Automatischen Schiffsidentifizierungssystemen (AIS) bestehen zukünftig Möglichkeiten für zusätzliche verkehrsunterstützende Maßnahmen wie z.B. einer gezielten Verkehrsführung und Kontrolle von Schiffen mit gefährlicher Ladung in einem solch sensiblen Bereich wie der Ostsee. Die Erstellung und Manipulation von Routen, die Überprüfung der Routen auf Abfahrbarkeit und Konfliktfreiheit aber auch die Kontrolle der Einhaltung von vorgegebenen Routen sind zukünftig realisierbar. Zur Unterstützung der Schiffsführung von Land können Alarmierungen bei Routenabweichungen vorgenommen werden. Im folgenden Beitrag wird auf diese Möglichkeiten der VTS-Assistenz eingegangen.


3. Erstellung von Routen

Durch die Einführung von AIS besitzen Verkehrszentralen zukünftig aktuelle und kontinuierliche Positionsinformationen von Fahrzeugen, die der Ausrüstungspflicht unterliegen. Die Übertragung von Zielweginformation vom Schiff an die VTS-Zentrale ist ebenfalls über AIS möglich. Damit werden exakte Wegplanungen sowie Unterstützungsmöglichkeiten von Land aus wie z.B. eine Routenführung realisierbar.

Für die Routenerstellung stehen verschiedene Hilfen zur Verfügung. Dazu zählen die manuelle Routenerstellung und eine automatische Routenerzeugung. Bei der manuellen Form der Routenerstellung können für jeweils ein Fahrzeug von der momentanen Fahrzeugposition ausgehend, ein oder mehrere Wegpunkte manuell vorgegeben werden. Weiterhin ist eine Variation der Route durch Hinzufügen, Verschieben und Löschen von Wegpunkten möglich. Bei der Eingabe und Variation der Wegpunkte werden diese sofort auf Gültigkeit aufgrund der Kenntnisse des Tiefgangs des Fahrzeuges und der topographischen Daten überprüft.

Zur mehrfachen Verwendung der einmal erstellten Routen ist eine Speicherung von Routenabschnitten als Recommended Routes möglich. Damit wird eine Erleichterung bei der Routenhandhabung in häufig befahrenen Revierabschnitten (wie z.B. in der Kadetrinne, in Hafenzu- und ausfahrten) erreicht.

Eine weitere Variante der Routenerstellung ist die automatische Form. Ausgehend von der durch AIS oder Radar erfassten momentanen Schiffsposition und der Vorgabe eines Zielpunktes eines Fahrzeuges erfolgt eine automatische Berechnung der Wegpunkte zwischen Start- und Zielwegpunkt. Wesentliche Voraussetzung für das Routingverfahren ist die Kenntnis des Fahrzeugtiefgangs. In dem Verfahren werden die relevanten ECDIS - Informationen verwendet. Tiefengebiete werden als Hindernisse erkannt, wenn deren minimale Tiefe geringer ist als der Schiffstiefgang. Diese Gebiete werden umfahren. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Fahrzeug mit einem Tiefgang von 9,4m.

   

Abbildung 2: Beispiel der automatischen Routung für eine Fahrzeug mit 9,4 m Tiefgang (Bild 1 Ausgangssituation Vorgabe des Start- u. Zielwegpunktes, Bild 2 Ergebnis)

Das 3. Verfahren ist Bestandteil eines automatischen Lösungsansatzes zur Erzeugung von konfliktfreien, koordinierten Routen.

Im Traffic-Conflict-Area-Routing werden bei der Erzeugung der Routen neben der Berücksichtigung von topographischen Hindernissen aufgrund des Tiefgangs der Fahrzeuge gleichzeitig Verkehrsraum-Einschränkungen aufgrund des sich entwickelnden Verkehrs berücksichtigt. Das automatische Routingverfahren wird für mehrere Fahrzeuge gleichzeitig durchgeführt, von denen Start- und Ziel-Wegpunkte sowie weitere fahrzeugspezifischen Parameter bekannt sein müssen. Diese werden über AIS zur Verfügung gestellt. Es entstehen dynamische Verkehrskonfliktgebiete (Traffic Conflict Areas), die einen zeitlichen und räumlichen Gültigkeitsbereich besitzen. Ihre Größe ist abhängig von der Anzahl der Fahrzeuge pro Konfliktfläche.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Möglichkeit der kostenabhängigen Routenerstellung, d.h. Fahrzeuge, deren Ausweichen enorme Kosten verursachen würde, werden zuerst geroutet, damit die Kursänderungen gering sind. Fahrzeuge mit geringeren Kostenfaktoren müssen mit größeren Umwegen rechnen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit der Einbeziehung aller geometrisch beschreibbaren Objekte in die Routenplanung d.h. es kann auch eine Routung um andere Gebiete, die nicht in der ECDIS enthalten sind, wie z.B. Gefahrengebiete, Schlechtwettergebiete, Fischereigebiete erfolgen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit der Gewichtung bestimmter Routenabschnitte, so dass die optimale Route auch anderen Auswahlkriterien unterliegen kann. Eine Übertragung der Methodik auf andere Problemkreise ist ebenfalls möglich (Wetterrouting). Ergebnis dieses Verfahrens ist die Ermittlung von Bahnen, die für alle beteiligten Fahrzeuge, sowohl begegnungs- als auch umgebungskonfliktfrei sind.


4. Routenüberprüfung

Nachdem die Routen der einzelnen Fahrzeuge im System bekannt sind, erfolgt eine zyklische Konflikterkennung.

Aufgrund der Übertragung der Fahrzeug-Information durch AIS kann eine kontinuierliche Überprüfung der Routen unter Berücksichtigung von definierten Sicherheitsabständen zu statischen und dynamischen Hindernissen und unter Kenntnis der Dynamik des Schiffes sowie des Tiefganges erfolgen.

Weiterhin wird eine Voraussimulation des zukünftigen Weges bzw. von bestimmten Routenabschnitte unter Beachtung der Fahrzeugdynamik möglich. Hierbei werden Sicherheitsbereichsverletzungen (Begegnungskonflikte) mit anderen Fahrzeugen und Strandungskonflikte aufgrund der Kenntnis des Fahrzeug-Tiefganges erkannt. Zur Visualisierung dieser kritischen Routenabschnitte können die folgenden verschiedenen Darstellungen einzeln oder in Kombination gewählt werden:

  • Trackdarstellung
  • Anzeige eines Konflikt-Informations-Fensters
  • Konfliktpunkte.
In der Trackdarstellung wird die Route auf Abfahrbarkeit überprüft. Es erfolgt eine unterschiedliche farbliche Trackdarstellung (Abbildung 3):
Grau:keine Konflikt
Rot:Begegnungskonflikt
Orange:Umgebungskonflikt.
Der Vorteil dieser Darstellung besteht darin, dass die Zugehörigkeit der Trackpunkte zum jeweiligen Target unmittelbar sichtbar wird. Es werden nicht nur Begegnungs- sondern auch Umgebungskonflikte zur Anzeige gebracht.

Diese Form der Darstellung wird aber schnell unübersichtlich, wenn viele Schiffe in einem Bereich vorhanden sind.

Im Konflikt-Informations-Fenster werden Begegnungskonflikte nach einem Prioritätsfaktor gestaffelt angezeigt (siehe auch Abbildung 3). Weiterhin erfolgt eine zusätzliche farbliche Kennzeichnung der Targets entsprechend der Faktorisierung. Der Prioritätsfaktor berücksichtigt folgende Parameter:

  • Grad der Gefährdung (in Abhängigkeit vom Fahrzeugtyp, von der Beladungsart,...)
  • Manövereigenschaften des Fahrzeuges
  • Kommunikationsfähigkeit des Fahrzeuges
  • Art der Begegnungssituation
  • Zeit bis zur Sicherheitsbereichsverletzung.
Im Fenster sind folgende zusätzliche Angabe zu den Begegnungskonflikten enthalten:
  • Angabe des Fahrzeuges
  • Startzeit des Konfliktes
  • Endzeit des Konfliktes.
Vorteil dieser Anzeige besteht in der user priorisierten Staffelung der Konflikte, d.h. die Aufmerksamkeit des Nautikers vom Dienst (NvD) wird sofort auf den höchst priorisierten Konflikt gelenkt. Der Nachteil dieser Darstellungsform ist, dass Konfliktpartner nicht aus dem Konflikt-Informations-Fenster erkennbar sind.

Abbildung 3: Kombinierte Anzeige von Trackdarstellung und Konflikt-Informations-Fenster

Die 3. Visualisierungsform ist die Darstellung der Begegnungskonflikte durch "Konfliktpunkte" an den Konfliktpositionen (Abbildung 4). Die Größe der Konfliktkreise ist umgekehrt proportional zum Priorisierungsfaktor.

Außerdem sind Detail-Informationen zu den jeweiligen Begegnungskonflikten über ein weiteres Fenster anzeigbar:

  • Anzeige der Fahrzeuge, die zu einem Konflikt gehören
  • Konfliktreaktionszeit.
Diese Darstellungsart bleibt auch bei einer Vielzahl von Konflikten sehr übersichtlich. Durch Zuschalten von Detailinformationen ist eine weitere Klassifizierung des Begegnungskonfliktes durch den NvD möglich.

Die Konfliktzugehörigkeit der Fahrzeuge ist im ersten Moment nicht ersichtlich. Erst durch Zuschalten von weiteren Informationen oder der Tracks wird dies erreicht.

Abbildung 4: Kombinierte Darstellungsmöglichkeit von Konfliktpunkten und Detailinformation

Die vorgestellten Darstellungsarten können jederzeit gewechselt werden. Der NvD kann dadurch selbst die Darstellungsform wählen und jederzeit verändern oder kombinieren.


5. Routenüberwachung

Ziel der zyklischen Aufeinanderfolge der vorher beschriebenen Routenmanipulationen ist die Realisierung konfliktfreier Verkehrs-Szenarien! Durch eine kontinuierliche automatische Konfliktanalyse wird überprüft, ob die Fahrzeuge sich auf den empfohlenen Routen bewegen. Wurde die Routenempfehlung von den Fahrzeugen angenommen, entschärfen sich die Konflikte.

Eine Vergleichsmöglichkeit zwischen realer und vorausberechneter Fahrzeugposition wird dem Nautiker vom Dienst durch das "Safety-Target" zur Verfügung gestellt. Für ein ausgewähltes Target wird eine Routenüberwachung von Land aus vorgenommen. Hierbei erfolgt eine Voraussimulation des Tracks anhand einer zuvor ermittelten konfliktfreien Route. Anschließend wird beobachtet, wie sich das Fahrzeug auf diesem Track bewegt und ob dieser Track eingehalten wird. Das "Safety Target" ist eine spezielle Darstellungsform in einem separaten Fenster, in dem der aktuelle Routenabschnitt (mit Hintergrundinformation) vergrößert sichtbar wird. Das "Safety-Target" ermöglicht einen Soll-Istwert-Vergleich (Abbildung 5).

Die aktuelle Position des Fahrzeuges ist der Istwert (schwarzer Kreis). Das Fahrzeug darf sich innerhalb des Toleranzkreises (Safety-Target, grün gefüllter Kreis) bewegen. Im Vergleich wird festgestellt, ob sich das Fahrzeug auf dem konfliktfreien Track innerhalb dieses definierten Toleranzbereiches bewegt. Abweichungen vom Track werden unmittelbar sichtbar. Diese Form der Darstellung ermöglicht dem NvD eine einfache Kontrolle auf Einhaltung der Bahn. Bei Nichtbefolgen der Bahn kann der Schiffsführer entsprechend informiert und gegebenenfalls alarmiert werden.

Abbildung 5: Vorausberechneter Track mit "Safety-Target"

In Abhängigkeit vom Seegebiet und dem Prioritätsfaktor können unterschiedliche Toleranzschwellen für das Safety-Target definiert werden. Im angegebenen Beispiel wurde für den inneren Kreis des Safety-Targets ein Radius von 0,05 NM und für den äußeren Kreis ein Radius von 0,2 NM gewählt.


6. Anwendungsbereiche

Die beschriebenen Formen einer Routenerstellung und Routenüberprüfung können zu einem Assistenzsystem für Verkehrszentralen kombiniert werden.

Folgende Funktionalitäten sind realisierbar:

  • manuelle und automatische Routenerstellung
  • Berechnung der Tracks anhand der Routen sowie deren Darstellung
  • benutzerdefinierte Konfliktvisualisierung
  • Routenüberprüfung.
Eine Routenbeobachtung ausgewählter Fahrzeuge in besonders kritischen Situationen bzw. in kritischen Seegebieten ist mit dem "Fehler! Keine gültige Verknüpfung". möglich. Durch die Überprüfung der Routenbefolgung können Abweichungen umgehend erkannt werden. Dadurch ist eine schnelle Alarmierung des Schiffsführers durch den Nautiker vom Dienst möglich.

Diese Form der Unterstützung und Kontrolle der Bahn auf deren Einhaltung kann auch in der Landradarberatung verwendet werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit der Erstellung und Manipulation von Routen auch für die Schiffsseite. Auch hier wäre eine schiffsseitige Routenkontrolle durch das Safety-Target möglich. Zur Kontrolle der Schiffsmanöver sind zusätzliche Schnittstellen für die Drehzahl- und Ruderlagenauswertung vorhanden.


7. Zusammenfassung

Die innovative AIS - Technologie hat in Zusammenhang mit ECDIS zukünftig das Potential zur Verbesserung der Sicherheit im maritimen Bereich. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung der Besatzungsstärke auf den Schiffen und einer Zunahme des Schiffsverkehrs bei gleichzeitig steigenden Transportkapazitäten steigt auch das Risiko von Seeunfällen. Durch die Einführung von AIS eröffnen sich eine Reihe neuer Möglichkeiten für die Routenplanung und -erstellung sowie für die Routenüberprüfung von Land.

Durch die Einführung von AIS wird die Informiertheit der Schiffe aber auch der Verkehrszentralen erhöht. AIS - ausgerüstete Schiffe können von Land aus mit einer weitaus höheren Genauigkeit als mit einem Landradar identifiziert, getrackt und überwacht werden. Damit ist eine bessere Unterstützung des einzelnen Schiffsführers sowie eine effektivere Überwachung des gesamten Schiffsverkehrs von Land aus gerade in navigatorisch anspruchsvollen Gebieten, wie z.B. in der Kadetrinne, aber auch in schwierigen Situationen zukünftig realisierbar.