Schiffsführungssimulation in der BAW
Praxistest von Wasserstraßen und Manöverfahrten im virtuellen Raum
Kann der Ausbau der Hafeneinfahrten an der deutschen Nord- und Ostseeküste mit dem Trend zu immer größeren Schiffe mithalten? Und wie können etwa Schleusenbauwerke an Flüssen und Kanälen für den Binnenschiffsverkehr mit überlangen Großmotorgüterschiffen fit gemacht werden? Leidet die Sicherheit des Verkehrs, wenn immer größere Schiffe die Wasserstraßen befahren? Mit den beiden Schiffsführungssimulatoren der BAW lassen sich Maßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit und der Qualität der Wasserstraßen schon in der Planungsphase überprüfen und Engpässe ihrer Befahrbarkeit analysieren.
Der Trend zu immer größeren Schiffen erhöht die Anforderungen an See- ebenso wie an Binnenschifffahrtsstraßen. Kurzum, es wird allenthalben enger. Noch vor wenigen Jahrzehnten reichte es beispielsweise völlig aus, für die Trassenplanung in Binnengewässern die Fahrspurbreite und damit den Flächenbedarf eines Schiffes aus dem zu fahrenden Kurvenradius, den Schiffsabmessungen und dem Driftwinkel, den das Schiff in der Kurvenfahrt einnimmt, zu berechnen. Aber schon im Zuge des Wasserstraßenausbaus nach Berlin zu Beginn der 1990er Jahre zeigten sich deutlich die Grenzen dieses geometrischen Bemessungsverfahrens: Die bis dahin angestrebten Mindestradien von 600 m für 185 m lange Schubverbände und 110 m lange Großmotorgüterschiffe hätten zum Beispiel beim Ausbau der Havel bei Berlin zu gewaltigen Landschaftsveränderungen in einem Naturschutzgebiet geführt.
Der Weg zu mehrdimensionalen fahrdynamischen Modellverfahren
'Um die Fahrrinnenbreite von Binnenwasserstraßen auf ein notwendiges Mindestmaß reduzieren zu können, entwickelten wir 1995 in der BAW das Verfahren TRASSE, bei dem wir von einer pauschalen Berechnung des Verkehrsflächenbedarfs absahen und auf die fahrdynamische Konstruktion von Schleppkurven übergingen, welche die Fahrt eines Bemessungsschiffes wiedergaben', erinnert sich Thorsten Dettmann, der sich in der Dienststelle Karlsruhe der BAW mit der Simulation der Fahrdynamik von Binnenschiffen befasst. Im Zusammenhang mit Planungsarbeiten für den Ausbau der Mittelweser folgte 2000 die Entwicklung eines auf TRASSE aufbauenden pegelabhängigen Trassierungsverfahrens (PeTra 1D), das den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit des Flusses auf die Fahrspurbreite berücksichtigt. Allerdings ließen sich erst mit dem zweidimensionalen fahrdynamischen Modellverfahren PeTra 2D auch die Querströmungen erfassen, denen Schiffe etwa auf Rhein und Neckar ausgesetzt sind.
'Damit hatten wir eigentlich alles beisammen, um im Grundsatz auch Manöversituationen simulieren zu können', sagt Dettmann, 'was noch fehlte, war eine Schnittstelle zwischen unseren Rechenmodellen und dem handelnden Menschen, dem Schiffsführer - ein Simulator eben.' Und auch bei der BAW in Hamburg standen alle Zeichen in Richtung Simulation auf Grün, als sie 2005 den Auftrag der Küstendirektionen erhielt, die Modellgenauigkeit und den Stand der Technik der in der Seeschifffahrt genutzten Simulatoren zu ermitteln und künftig in allen Belangen der Schiffsführungssimulation für die Küstenreviere zu beraten. 2009 war es schließlich so weit; sowohl für den Binnen- als auch den Küstenbereich der BAW konnte jeweils ein kommerzieller Schiffsführungssimulator beschafft werden. Im gekoppelten Zustand lassen sich mit ihnen auch standortübergreifend Simulationen gemeinsam fahren.
Fahrsimulatoren dienen meist der Aus- und Weiterbildung. In ihrer Darstellung von Situationen in der Luft, auf der Straße und auch auf dem Wasser haben sie inzwischen eine solch hohe technische Qualität erreicht, dass sie dem Anwender ein Gefühl vermitteln, als befinde er sich in der Realität. Simulatoren eignen sich deshalb vorzüglich zum Training von Grenzsituationen. 'In der BAW hat die Schiffsführungssimulation freilich eine etwas andere Aufgabe', erläutert Dr. Carl-Uwe Böttner, Fachmann für Simulation in der BAW-Dienststelle Hamburg, 'hier an der Küste legen wir den Schwerpunkt darauf, die wirtschaftliche Ausnutzung der Seeschifffahrtsstraßen durch eine Optimierung der Fahrrinnen zu verbessern.'
Simulation als Beitrag zur Bemessung von Seeschifffahrtsstraßen
Für die Bemessung einer Seeschifffahrtsstraße werden andere Anforderungen an einen Schiffsführungssimulator gestellt als bei der Ausbildung von nautischem Personal. Im Simulatortraining ist es vollkommen ausreichend, wenn sich der Simulator 'physikalisch ähnlich' verhält, dass also die Reaktionen eines virtuellen Fahrzeugs dem Erleben in der Natur entsprechen. Zur Bemessung einer Seeschifffahrtsstraße werden über dieses qualitativ richtige Verhalten hinaus quantitativ richtige Aussagen benötigt. Dafür werden an der BAW in Hamburg fahrdynamische Modelle entwickelt, deren mathematisch-physikalische Beschreibung des Fahrverhaltens auf numerischen Strömungssimulationen und Modellversuchen mit frei manövrierenden Modellschiffen im Schiffswellenbecken der BAW basiert. Nach und nach werden so alle Aspekte der Fahrdynamik ermittelt - auch in zusätzlichen Experimenten zusammen mit Kooperationspartnern etwa an Universitäten -, in Modelle übertragen und in die Simulatorsoftware überführt.
'Mit der Schiffsführungssimulation', sagt Carl-Uwe Böttner, 'können nun die Planungen von Ausbaumaßnahmen der Wasser- und Schifffahrtsämter an der Nord- und Ostseeküste wie zum Beispiel vor Emden, Wismar oder derzeit in Rostock auf ihre Praxistauglichkeit hin überprüft und es kann exakt ausgelotet werden, was unter gegebenen Randbedingungen und der Annahme bestimmter Schiffsgrößen notwendig und auch was machbar ist.' Darüber hinaus stellt die BAW die entwickelten Modelle auch Kooperationspartnern zur Verfügung, sodass sie zum Beispiel auch in den großen Simulatoren der Seeschifffahrt, die über komplette Fahrstände verfügen (Full Mission Bridge), für Bemessungsfahrten oder Befahrbarkeitsanalysen genutzt werden können.
Befahrbarkeitsanalysen für mehr Sicherheit
Während in Hamburg die wirtschaftliche Bemessung von Seehafenzufahrten im Zentrum der Simulation steht, geht es in Karlsruhe hauptsächlich um Befahrbarkeitsanalysen der vorhandenen Binnenwasserstraßen. Derartige Analysen dienen etwa dazu, Engpässe für die Schifffahrt zu detektieren oder auch die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) bei der Zulassung neuer Schiffe für den Verkehr auf Binnenwasserstraßen zu beraten.
'Für die Simulation von Manöverfahrten in Binnenwasserstraßen haben wir ein überlanges Großmotorgüterschiff (üGMS) als Bemessungsschiff gewählt', berichtet Thorsten Dettmann, 'denn diese Schiffsklasse soll künftig zum Beispiel auch auf dem Neckar fahren können.' In der Simulation können die Ingenieure der BAW überprüfen, ob etwa die geplanten baulichen Maßnahmen zur Verlängerung der Neckarschleusen hinreichend sind. Denn wenn man die Schleusenkammern verlängert, müssen auch deren untere und obere Vorhäfen vergrößert werden. 'Und das hat natürlich Auswirkungen auf das Abflussverhalten des Neckar', sagt Dettmann. Da befinde sich zum Beispiel das überlange Großmotorgüterschiff vorne schon in der Schleuse, während es hinten noch der Flussströmung ausgesetzt ist. 'Die Auswirkungen solcher Situationen auf das Fahrverhalten können wir inzwischen realitätsgetreu simulieren.'
Reales Vorbild für das Modell aus Bits und Bytes ist das auf dem Rhein verkehrende Schiff VIGILIA, 135 m lang und 11,45 m breit. Zunächst wurden in der BAW die geometrischen Daten des Schiffes, aber auch Messdaten von exemplarischen Manöverfahrten in das Simulationsmodell integriert - insgesamt wurden rund 2200 Koeffizienten parametrisiert. Sodann musste ein Modul zur virtuellen Navigation entwickelt werden, das aufgrund der Fahrdynamik die Kurswege berechnet - und zwar ganz so, wie ein Schiffsführer seinen Kurs aufgrund der spezifischen Abflusssituation, der Gewässermorphologie und der schifffahrtspolizeilichen Vorgaben wählen würde.
Der Simulatoreinsatz in Karlsruhe zum Nutzen der Binnenschifffahrt ist nicht darauf beschränkt, mögliche Schwachstellen von baulichen Veränderungen wie zum Beispiel am Neckar zu analysieren. Ganz wichtig sei etwa auch die Analyse von Schiffsunglücken, um solche Unfälle künftig vermeiden zu können, sagt Thorsten Dettmann: 'Wir modellieren deshalb zurzeit die Fahrt der TMS WALDHOF.' In den frühen Morgenstunden des 13. Januar 2011 war der Edelstahl-Doppelhüllentanker aus bislang noch ungeklärten Gründen auf dem Rhein bei St. Goarshausen gekentert. Das havarierte Schiff hatte 2.377 Tonnen Schwefelsäure geladen. Die Bergung gestaltete sich schwierig und erregte auch in der öffentlichkeit großes Aufsehen.
Kontakt: wasserbau@baw.de
