Beitrag 16

Konzept eines modernen Manöver-Prädiktions-Systems für Schiffe

Dr.-Ing. Holger Korte, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Majohr
FB EIT/AT, Universität Rostock
Dipl.-Ing. Hans Dieter Kachant
MAR GmbH Rostock & Co. KG

  1. Einleitung
  2. Hardwarekonzept
  3. Auswirkungen der Strömung auf das Bewegungsverhalten von Schiffen
  4. Simulationsergebnis und Schlußfolgerung
  5. Quellenverzeichnis


1. Einleitung

Die Entwicklung der Schiffahrt führte zu hochtechnisierten Fahrzeugen mit einer Vielzahl von Spezialantrieben (Strahlruder, POD-Antriebe, Schottelpropeller, Pump-Jets u.a.). Durch eine relativ zu den Revierabmessungen größeren Schiffskapazität mit höheren Umlaufraten sowie einem drastischen Personalabbau ist ein erheblicher Streßanstieg für die Schiffsführung zu verzeichnen. Moderne Assistenzsysteme sollen diesen mindern. An moderne Manöver-Prädiktoren können daher die nachfolgenden Anforderungen definiert werden:

  • Adaptionsfähigkeit des verwendeten Schiffsmodells zur Berücksichtigung der vom Beladungszustand abhängigen Manövrierkennwerte
  • Einbeziehung von revierspezifischen Störgrößen in das Prädiktionsmodell durch bordexterne Informationsquellen
  • Akzeptanz durch das Schiffsführungspersonal durch einfache Bedienung und Aus-wertung in integrierten Navigationssystemen sowie transparenter Darstellungsformen

Das durch BMBF geförderte Verbundprojekt MAPSYS (Manöver-Prädiktions-System für Schiffe) will u.a. am Beispiel der schiffsexternen Strömungsmessung vor der Hafeneinfahrt Puttgarden das Ergebnis der Manöver-Prädiktion für diesen Bereich verbessern, indem diese Meßinformation in die Prädiktionsrechnung einbezogen wird. Ziel des Projektes ist es, einen Prototypen für ein entsprechendes System aufzubauen und in der Praxis zu testen. Zur Errei-chung einer möglichst großen Akzeptanz, wurden die Schiffsführungen der beteiligten Reede-reien Poseidon Schiffahrt AG und Scandlines Deutschland GmbH bereits von Projektbeginn an in die Untersuchungen einbezogen.

Bild 1: MS "Transeuropa" eines der Versuchsschiffe auf der Überfahrt mit den Abmaßen nach /1/ Bild 2: Der Lotse ist auf der Brücke. Sie ist ausgerüstet mit einer NACOS-Anlage (STN-Atlas-Elektronik).


2. Hardwarekonzept

Ausgehend von den zu realisierenden Aufgaben besteht die zu entwickelnde Hardware aus einer Bordkomponente (Bild 3b), dem eigentlichen Manöver-Prädiktions-System, und einer Revierkomponente, dem externen Strömungsmeß- und -informationssystem (SMIS), siehe Bild 3a. Die bordseitige Komponente realisiert alle Aufgaben der Erfassung bordinterner Meßgrößen, der Modellidentifikation, der Manöversimulation, des Empfangs externer Infor-mationen sowie der Gerätebedienung und Datenauswertung. Die Revierkomponente erfaßt die lokalen Strömungs- und Windinformationen, transformiert diese in ein lokal begrenztes Stör-modell und stellt dieses zum Abruf bereit.

a)b)

Bild 3: Hardwarekomponenten des Manöver-Prädiktions-Systems mit der Revierkomponente a) und der Bordkomponente b).


3. Auswirkungen der Strömung auf das Bewegungsverhalten von Schiffen

Die bekannten Theorien der Bewegungsbeschreibung von Schiffen gehen von einer Bewe-gung an der ungestörten Wasseroberfläche aus. Daher werden in gegenwärtigen Simulatoren Strömungseinflüsse durch eine konstante Drift im Inertialsystem ausgeführt, da in diesem Falle ein konstanter Impuls auf das Schiff übertragen wird. Diese Annahme erscheint immer dann sinnvoll, wenn sich das Schiff im freien Seeraum bewegt, wo der wirkende Strömungs-gradient vernachlässigbar klein in Bezug zur Schiffslänge ist. In der Realität auftretende ande-re Strömungsgradienten werden i.d.R. als Seegangsrauschen behandelt, da genügend Manö-verraum vorhanden ist.

Bild 4: Der in der Bodenverankerung eingebaute Sensorkopf des ADCP-Strömungsmessers vor dem Ausbringen.

Für die Berechnung der auf den Schiffskörper wirkenden hydrodynamischen Kräfte und Mo-mente wird hier die Theorie des schlanken Körpers /2/ genutzt. Diese erlaubt eine spantweise Betrachtung der Umströmung des Schiffskörpers in der yz-Ebene mit erheblich weniger Re-chenaufwand als bei einer Finiten-Elemente-Methode unter Zuhilfenahme der Navier-Stokes-Gleichungen. Danach können die hydrodynamischen Querkräfte und Momente des Schiffs-modells mit 3 Bewegungsfreiheitsgraden wie folgt angegeben werden:

   (1)

   (2),

wobei sich die spantbezogene Quergeschwindigkeit aus Anteilen der Gierbewegung und Kurswinkelgeschwindigkeit zusammensetzt. Zu dieser Eigengeschwindigkeit muß im Falle wirkender Strömung der jeweilige Querkomponentenanteil addiert werden, Gleichung (3). Dieser besitzt ein negatives Vorzeichen, da die Kraftwirkung einer äußeren Strömung der Kraftwirkung der Eigenbewegung entgegengesetzt gerichtet ist.

     (3),

Infolge realer Umströmung (Wirbelablösung) reduzieren sich die hydrodynamische Querkraft und das Moment um die Hochachse. Durch Einfügen der Korrekturfaktoren ?Y und ?N in die jeweiligen Gleichungen (1) und (2), wird der theoretische Wert den realen Bedingungen nach Identifikation angepaßt.
Infolge des linearen Zusammenhangs der Umströmung des Schiffes nach Gleichung (3) kann für den Gesamtimpuls der Bewegung das Superpositionsprinzip angewendet werden. Für die entlang der Schiffslänge wirkende Strömung können daher drei für die Praxis relevante Fälle abgeleitet werden, aus deren Addition sich die Gesamtanströmung ergibt, vergl. Bild 5.

a)b)c)
Bild 5: Die drei für die Schiffahrt relevanten Längsprofile der Queranströmung durch Meeresströmungen.
a) gleichverteilte Strömung, b) konstanter Stromgradient, c) Stromkante


4. Simulationsergebnis und Schlußfolgerung

Um den Einfluß der Strömung auf die Schiffsbewegungen genauer zu untersuchen, müssen die auftretenden hydrodynamischen Kräfte näher untersucht werden. Dazu ist neben einer Betrachtung der Auswirkungen der Strömung auf den Schiffskörper auch eine genaue Analy-se des Strömungsfeldes im Testrevier notwendig, siehe /3/.
Zur Abschätzung der Auswirkung des Stromes wurde für das Beispielschiff die Situation vom 26.10.2000 vor Puttgarden angenommen und für den nautisch schwierigeren Fall des Einlau-fens herangezogen. Die Bilder 6a,b zeigen einen Vergleich der Ergebnisse einer Simulation mit Berücksichtigung der wirkenden Kräfte und Momente gegenüber derer, in der nur die Stromdrift berücksichtigt wird. In der Position (0, 0) befindet sich die Molenpassage. Beide passive Simulationen berücksichtigen nur eine anfängliche Driftkorrektur.

Bild 6a: Kursverläufe des einlaufenden Beispielschiffes bei aktivem Vorhalt in der Ansteuerung für das Kraft- und DriftmodellBild 6b: Bahnverläufe und Schiffskonturen für die Stromsituation vom 26.10.2000 der Simulationen des Kraft- und Driftmodells

Zur Erreichung einer höheren Wirklichkeitstreue von Manöverprädiktoren für Schiffe und der Erhöhung ihrer navigatorischen Sicherheit wird im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes MAPSYS an der Realisierung eines neuen Konzeptes der Prädiktion gearbeitet. Sie geht von einer Einbindung externer Sensoren und Informationsquellen zur Beachtung der im Prädikti-onsgebiet wirkenden Störgrößen aus.
Das Simulationsbeispiel Puttgarden zeigt den Einfluß verschiedener Modelle, deren Prädikti-onsgüte nachgewiesen werden soll. In Relation zur Durchfahrtsbreite von 80m ist die Redu-zierung vom Modellfehlern im Meterbereich ein erheblicher Qualitätsgewinn. Zum Beispiel bewirkt ein Kursvorhalt von 5° eine Vergrößerung der benötigten Fahrwasserbreite je 100 m Schiffslänge von 8,7 m. Das Verhältnis der Geschwindigkeit zur wirkenden Strömung war im Simulationsbeispiel eher günstig. Auch die aktive Steuerung in der Molendurchfahrt bewirkt eine weitere Verringerung der Fahrwasserreserve. Daher besteht weiterer Untersuchungsbe-darf für die praktische Verifikation des Prädiktionsverfahrens.


Quellenverzeichnis

/1/Schiffsdaten des MS "Transeuropa", http://www.finncarriers.fi/
/2/G. Schmitz: Anwendung der Theorie des schlanken Körpers auf die dynamische Gier-stabilität und Steuerbarkeit von Schiffen, wiss. Zeitschrift der Uni Rostock, 10. Jahrg. (1961), mathem.-naturwiss. Reihe, Heft 2/3, S. 175-190
/3/C. Korte et. al.: Strömungsmessungen mit dem Vermessungskatamaran MESSIN in Puttgarden, 10. Symposium Maritime Elektronik, Rostock, 06.-08.10.2001