SIW

Verkehstechnische Untersuchungen


Das Schiffahrtsinstitut Warnemünde e.V. ist mit verkehrstechnischen Untersuchungen im Projekt FINO 2 beschäftigt. Das Gebiet für Feldforschungen befindet sich in der südlichen Ostsee im Seegebiet Kriegers Flak. Die dortige Basis ist die Forschungs- und Messplattform FINO 2. Dort sind verkehrstechnische Ausrüstungen und Auswerteeinheiten installiert. Die Schifffahrt im Gebiet um FINO 2 wird sowohl durch Tanker, Massengutschiffe, Fährschiffe und Kreuzfahrtschiffe als auch durch Fischerei-, Freizeit- und Kleinschifffahrt bestimmt. Die FINO 2 Plattform ist von drei Hauptschifffahrtswegen umgeben. Die Verkehre gehen von Westeuropa nach Osteuropa insbesondere ins Baltikum und durch den Sund nach Osteuropa. Das Gebiet wird ständig von einer Vielzahl von Fahrzeugen befahren. Südlich der Plattform ist ein Verkehrstrennungsgebiet (TSS North of Rügen, TSS – Traffic Separation Scheme) eingerichtet. Hier fahren die Schiffe in getrennten Richtungsspuren. Die verkehrstechnischen Untersuchungen überdecken ein Gebiet mit einem 24 Nautischen Meilen Radius rund um die FINO 2 Plattform. Die folgende Videodokumentation beinhaltet die Ergebnisse eines am 24. Juni 2010 durchgeführten Experiments. Es beschäftigt sich mit Möglichkeiten der Eigensicherung eines Offshore-Einzelobjektes am Beispiel von FINO 2. Die Videodokumentation enthält teilweise Tonsequenzen. Bei der Wiedergabe sollten Ihre Systemlautsprecher eingeschaltet sein.

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Voruntersuchungen

1. Hintergrund

In den nächsten Jahren sind erhebliche Infrastrukturmaßnahmen durch das Errichten von Offshore-Windparks in der Nord- und Ostsee zu erwarten. Es werden Seegebiete besetzt werden, die bisher wegen ihrer Wassertiefe allein der Hochseeschifffahrt vorbehalten waren. Damit ergeben sich zukünftig u. a. die Fragen:

Wie geht die Schifffahrt mit Offshore-Windenergieanlagen (WEA) um?
Wie gehen die Windparkbetreiber mit der Schifffahrt um?

Für die Schifffahrt ist vermutlich der partielle Entzug von Navigationsraum nicht ganz neu. Offshore-Plattformen konnten in der Vergangenheit Schifffahrtswege bei der Ressourcenausbeute in ihrer Positionierung nicht ausklammern und frei halten. Bei Offshore-Windparks haben wir den Vorteil, dass ein Blockieren von Schifffahrtswegen nicht notwendig ist und auch nicht angestrebt wird. Ganz im Gegenteil, haben doch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und die Fachbehörden wie WSD und BSH sehr erfolgreich auf einen Interessenausgleich aller Parteien auf dem Wasser eingewirkt. So wird sich also zukünftig die Schifffahrt am Rande von Schifffahrtswegen Windparkbauten gegenüber sehen; was zumindest den nationalen Küstenbereich betrifft.

Abstract

Risk control option for unmanned offshore constructs is a challenge for saving wind parks or bridge pylons on the water. VHF communication units and AIS transponders are integrated parts of the navigational ships bridge equipment. The class B Transponder as navigational aid on board will follow next for smaller ships. The technical combination of an AIS receiver and a VHF unit allowed generating automatically a warning via VHF from the offshore construct in dangerous encountering vessel cases. This idea was successfully realised in a first applied investigation on the FINO 2 research platform in the Baltic Sea. The following paper presents briefly the technical solution of an automatically working risk control unit and its test in the marine environment.

2. Seefahrtsspezifische Sicherstellung von Offshore-Bauwerken

Die Sicherung von immobilen künstlichen Bauwerken im Wasser ist nicht nur für die Eigner, Betreiber und Nutzer interessant und sinnvoll. Vielmehr ist der Schutz der Bauwerke auch als navigatorischer Mehrwert in der Schifffahrt zu suchen. Das Informieren und Signalisieren der Schiffe über die Existenz eines Offshore-Windparks kann neben der Darstellung in den Nautischen Karten und Handbüchern erreicht werden durch:

  1. Hinderniskennzeichnung durch Befeuerung
  2. RACON als Radarantwortbarke zur Lokalisation,
  3. AIS zur funktechnischen Kennung


Die Vorteile dieses Maximalansatzes für die Schifffahrt sind zum einen die Redundanz der Signalgebung und zum anderen das Vorhalten der nach unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeitenden eingesetzten Systeme, so dass der differenzierten technischen Ausstattung der Schiffe Rechnung getragen wird. Für passierende Fahrzeuge wird die Sichtbarkeit des Offshore-Bauwerkes mit einem unterschiedlichen Grad der Informiertheit gewährleistet: von der optischen Information durch eine Lichterführung über die Standortinformation bis hin zur komplexen Identifizierung durch elektronische Verfahren. Dem gegenüber stehen die Kosten intensiver Anschaffung und Unterhaltung der Systeme und die möglicherweise nur partielle Erreichbarkeit der gesendeten Informationen für die Schiffe.
Neben der passiven Sicherung von Offshore-Bauwerken ist die Frage nach der navigatorisch aktiven Sicherheitstechnik nahe liegend. Die Maximalansätze wären hier

  • bestehende Vessel Traffic Service Systeme (VTS),
  • aktive navigatorische Sicherung der Anlagen durch Dienste der Betreiber oder
  • Mischformen.


Unter dem Aspekt der VTS Systeme, der Schifffahrt zu dienen und dem Aspekt eines Betreibers von Offshore-Bauwerken, vornehmlich die installierten Anlagen zu sichern, ist letztlich die gleiche Interessenlage mit der Zielsetzung einer Kollisionsvermeidung zwischen Schiff und einer Offshore-Installation gegeben.

3. Sprechende Windmühlen

Offshore-Windparks bestehen in der Regel aus mehreren separat stehenden Windenergieanlagen (WEA), deren Anordnung geometrisch klar ausgewiesen ist. Tangential vorbei fahrende Schiffe können sie als bauliche Einheit sehen, wogegen durchquerende Fahrzeuge wie Wartungs- oder Freizeitschiffe jede einzelne WEA als gesondertes Bauwerk betrachten. Bei der Ausrüstung zukünftiger Offshore-Windparks in einem Verkehrsgebiet wäre der oben dargestellte Maximalansatz von passiver Sicherheitstechnik anhand von konkreten Bedingungen hinsichtlich Anzahl und Lokalisation der Installationen zu modifizieren.
Beim Wahrnehmen des Offshore-Windparks als „viele einzelne Anlagen“ besteht an Bord der Schiffe eine jeweils unterschiedliche Informiertheit basierend auf der vorhandenen navigatorischen Ausrüstung. Eine Minimalvariante wäre das Vorhandensein von Kompass, FM-Marineempfänger, GPS und Seekarte. Es wird davon ausgegangen, dass zukünftig AIS-ClassB Transponder für den Bereich der Schifffahrt mit einer Schiffsgröße kleiner 300 BRZ zu erwarten sind. Damit wäre eine einheitliche und vollständige Signalisierungsplattform auf elektronischem Wege für alle Schiffe im Kontext eines Offshore Windparks gegeben. Neben dem beschriebenen rein passiven Informieren und Signalisieren gegenüber der Schifffahrt bietet sich hier mit einem vertretbaren Aufwand ein Erweitern in der Unterstützung der Navigation an. Das Ziel wäre dabei das Erreichen einer erhöhten Sicherheit sowohl für die Schifffahrt als auch für die Offshore-WEA.
Die Idee ist es, eine technische Erweiterung als Kombination von AIS und UKW Marine Gerät vorzunehmen. Von einer Einzelanlage würde für einen gesamten Windpark die Schifffahrt bzw. das einzelne Schiff angemessen über die potentielle Kollisionsgefahr via UKW-Not- und Anrufkanal (Kanal 16) zielgerichtet und adressiert informiert werden. Dabei soll eine definierte Sicherheitszone um das Bauwerk herum frei vom Schiffsverkehr gehalten werden. Die Grundlage dafür wäre eine AIS-basierte automatische Informationserfassung und -bewertung der Schiffsbewegungen in der Nähe der Mühlen. Im Falle von Annäherungskonflikten erfolgt zur Information eine automatisch generierte synthetische Sprachaussendung. Für die WEA selbst liefert diese Technik einen automatisierten und aktiven Eigenschutz und würde es den Windparkbetreibern erlauben, „Sprechende Windmühlen“ gegenüber der Schifffahrt vorzuhalten.
Zum Ermitteln und Generieren von Kollisionswarnungen sowie Gebietsverletzungen sind eine kontinuierliche Beobachtung des Empfangsbereiches und eine automatische Berechnung der Bahndaten notwendig. Weitere Voraussetzungen sind in der Übertragung der Informationen an die Fahrzeuge zu schaffen. Es wird davon ausgegangen, dass Sprachinformationen von den Schiffsführern eher angenommen werden und einen schnelleren „Signalweg“ als übertragene Textnachrichten wie beispielsweise Binary Messages via AIS haben.
Zur Realisierung dieser aktiven Navigationsassistenz wurde eine „keep clear“ - Hardware- und Software-Applikation (siehe Abb.1) entwickelt, die den Schiffsführer ereignisbasiert über eine gefährliche Annäherung automatisch informiert.

Hardwarelayout Abb.1: HardwarelayoutVoiceGenerator Abb.2: VoiceGenerator

Das Modul „VoiceGenerator“ ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Die Erfassung und Identifizierung des Schiffsverkehrs erfolgt über den AIS-Transceiver. Die hinterlegte Intelligenz des Traffic Analysers steuert die Informationsrelevanz, d. h. aus den dynamischen Daten des Fahrzeugverkehres werden potentielle Annäherungen von betreffenden Fahrzeugen zum Bauwerk detektiert. Die Umgebungssensoren erfassen die Umweltparameter und werden dann im Voice-Generator zu einer Nachricht zusammengefasst. Mit dem Message I/O-Controller wird abgesichert, dass die Informationen nur bei Nichtbelegung des Sprechfunkkanals gesendet werden. Für das Aussenden der akustischen Informationen wird der marine VHF-Transceiver verwendet.

4. Das Experiment

Zu den Voraussetzungen für diese spezifische aktive Navigationsunterstützung durch die „Sprechenden Windmühlen“ zählt das permanente Erfassen der aktuellen Daten des Fahrzeugverkehres und der Umgebung. Die technische Infrastruktur muss eine kontinuierliche Beobachtung bei unterschiedlichen Wetterbedingungen gewährleisten. Zur Evaluierung der „keep clear“-Applikation ist nach hinreichenden Testversuchen im offline-Betrieb der Versuchsaufbau im Testbett FINO 2 erfolgt.
Um die Plattform herum wurde ein Mehrzonensicherheitsbereich definiert, dessen geometrische Ausformung sich adaptiv justieren lässt. Ein Testfahrzeug näherte sich der Plattform aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an. Die Testrouten des Fahrzeuges sahen ein Kursbeibehalten und ein Kursändern bei der Annäherung vor, um die implementierten Abstufungen der automatischen Informationsversendung zu erproben.
Als Ergebnis der Erprobung konnte protokolliert werden: Im Falle der Sicherheitsbereichsverletzung sprach eine klare, deutliche und auch nach einigen Modifikationen energische Stimme über UKW das Testfahrzeug nach den Regeln und Üblichkeiten des Sprechfunks an und informierte über den bestehenden Kollisionskurs und die Kollisionsgefahr mit der Plattform. Die verbleibende Zeit für das Einleiten einer erfolgreichen Kurskorrektur war angemessen. Die elektronisch generierte Stimme hob sich auffallend vom laufenden Sprachwirrwarr auf dem Überwachungskanal der UKW-Sende-Empfangseinheit an Bord des Testschiffes ab und erreichte eine sofortige Aufmerksamkeit. Die Wiederholrate der Meldung wurde gegenüber den navigatorischen Gegebenheiten des Testfahrzeuges als angemessen empfunden. Ein Überladen des Anruf- und Notkanals konnte während der gesamten Erprobungszeit nicht festgestellt werden.

5. Fazit

Mit der Errichtung von Offshore-WEA verpflichtet sich der Betreiber, Maßnahmen zum Eigenschutz vorzunehmen. Es ist anzunehmen, dass eine einfache Installation und Handhabung, geringe Betriebs- und Wartungskosten und damit verbunden ein höchst möglicher Grad an Automation für das Sichern von Offshore-Bauwerken für die Betreiber maßgebliche Kriterien sind.
Für die Schifffahrt sollten sich daraus keine Erfordernisse hinsichtlich einer zusätzlichen technischen Ausrüstung ergeben. Die hier vorgestellte aktive Navigationsassistenz zum gegenseitigen Schutz bei Begegnungen mit Offshore- Bauwerken basiert auf der bereits in der kommerziellen Seeschifffahrt etablierten AIS-Technologie, die zukünftig auch in der Freizeitschifffahrt Einzug halten wird. Das konzipierte Modul „keep clear“ zum Freihalten von definierten Verkehrsflächen stellt eine allgemeine Form dar, dass auch für spezielle Anwendungen ergänzt oder angepasst werden kann. Ohne weiteres sind folgende Einsatzgebiete gegeben:

  • Eigenschutz von Offshore-Bauwerken, wie Windparks, Brücken, Einzelbauwerken, Seezeichen,
  • Unterstützung in Verkehrstrennungsgebieten beim Einhalten von besonderen Verkehrsvorschriften in unmittelbarer Nähe von Offshore Bauwerken,
  • Ergänzung der Schiff-Schiff Kommunikation,
  • Ergänzung der Land-Schiff Kommunikation und
  • Individuelle Informationsaussendung in Abhängigkeit der Spezifikation des jeweils adressierten Schiffes.

Bei einem Ausrüsten von Offshore-Windenergieanlagen mit AIS und die zyklische Aussendung wesentlicher Offshore-WEA-Identifizierungsdaten ist eine funktechnische automatische Identifizierung dieser Objekte für die Schifffahrt im AIS-Empfangsbereich (ca. 20 NM) gegeben. Die folgenden folgenden Daten, angepasst an das Bauwerk können übermittelt werden:

  • Position und Ausdehnung der Offshore-Windkraftanlage(n),
  • Stationsname, hier Name des Windparks bzw. Nummer der Offshore-Windkraftanlage(n) an der dazugehörigen Position,
  • Rufzeichen und Maritime Mobile System Identification (MMSI),
  • Typ der Station.

Das zyklische AIS-Übertragungsintervall für Offshore-Windparks sollte deren räumlichen Ausprägungen und dem umgebenen Navigationsraum angepasst sein. Möglich ist, dass eine AIS Station die Positionen und Identifikationen aller oder ausgewählter WEA des gesamten Parks bereitstellt. Grundsätzlich sind für die Sicherung eines Offshore Windparks auch folgende Aspekte zu berücksichtigen:

  1. Bei der Betrachtung der Offshore-Windparks als Ganzes ist in Abhängigkeit der Flächenausdehnung des jeweiligen Parks für die Signalisierung gegenüber der Schifffahrt zu prüfen, wo besondere angepasste Informationenzweckmäßig sind.
  2. Ausgehend von einer Maximalausrüstung mit navigatorischen Hilfen für die Schifffahrt ist dem unterschiedlichen Ausrüstungsgrad von Navigationstechnik an Bord der Schiffe Rechnung zu tragen.
  3. Mit minimalem Aufwand sollte eine Informiertheit aller relevanten Verkehrsteilnehmer erreicht werden.


Der beschriebene Versuch wird mit Unterstützung einer Reederei gegenwärtig im Seegebiet rundum FINO 2 fortgeführt, um die Relevanz und Akzeptanz der Meldungen zu analysieren.


Veröffentlichungen:

  • ListenpunktSprechende Windmühlen im Offshore-Bereich; HANSA International Maritime Journal – 146 Jahrgang 2009 Nr. 1
    ISSN 0017-7504
  • Traffic Monitoring and Evaluation; FINO Conference 2011 - 8 years of FINO OffshoreWind research and analysis