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Sep 05, 2023

Sicher in die Schleuse mit SCIPPER: Elektronische Einparkhilfe für Binnenschiffe

Nachhaltigkeit – Der Versand könnte eine nachhaltige Alternative zum LKW werden

Nachhaltigkeit -Die Schifffahrt könnte zu einer nachhaltigen Alternative zum Lkw werden, da das deutsche Navigationssystem SCIPPER besonders für die Binnenschifffahrt nützlich ist

Binnenschiffe haben oft wenig Spielraum. Für Schiffer ist beispielsweise das Ein- und Ausfahren in Schleusen Präzisionsarbeit. Jetzt haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Industriepartnern eine Technologie zur Unterstützung von Schiffsführern entwickelt. Es handelt sich um ein Navigationsassistenzsystem, das Satellitendaten nutzt und das Schiff autonom in die Schleuse bringen kann. Testfahrten mit der MS Victor Hugo in der Nähe von Straßburg, Frankreich, bewiesen, dass das System auch unter schwierigen Bedingungen funktioniert.

Das SCIPPER-Projekt des DLR trägt der wachsenden Bedeutung der Binnenschiffe Rechnung. Schließlich können sie das Straßennetz entlasten und sind zusätzlich zur Schiene wirtschaftlicher und vor allem umweltfreundlicher als Lkw. Ein modernes Binnenschiff ersetzt 90 davon. Derzeit werden hauptsächlich Binnenschiffe für den Transport von Gütern wie Kohle und Erz eingesetzt. Oftmals transportieren sie auch große und sperrige Ladungen wie Generatoren oder andere große technische Geräte. Der Transport von Massengütern hat zu immer größeren Schiffen geführt, die in engen Binnengewässern schwieriger zu manövrieren sind.

SCIPPER hat ein Assistenzsystem zur automatisierten Schleuseneinfahrt entwickelt, quasi einen Parkassistenten für Binnenschiffe. Es hilft Schiffsbesatzungen, ihre Fahrzeuge sicher in eine Schleuse oder einen anderen begrenzten Wasserweg hinein und aus dieser heraus zu manövrieren. Dies ist wichtig, da Binnenschiffe äußerst träge und daher oft schwer zu steuern sind. Die meisten sind etwa 140 Meter lang und bis zu 11 Meter breit. Selbst große Flüsse wie Rhein oder Elbe bieten nicht viel Handlungsspielraum, da die Fahrrinne immer viel schmaler ist als der gesamte Fluss.

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In Europa sind Schiffsgrößen standardisiert. In der kleinsten Klasse I sind sie 38,5 Meter lang und 5 Meter breit. Schiffe der Klasse II sind zwischen 50 und 55 Meter lang. Zur Klasse III gehören Typen, die zwischen 60 und 80 Meter lang und bis zu 9 Meter breit sind. Es umfasst auch Sondertypen für bestimmte Wasserstraßen. Die größten Binnenschiffe finden sich in der Klasse Va. Dabei handelt es sich um die großen Rheinleichter mit einer Länge von 110 Metern. Schub- und Kuppelschiffe der Klasse Vb sind bis zu 185 Meter lang. Ansonsten sind Schiffe der Klasse Vib die größten Binnenschiffe. Sie sind bis zu 135 Meter lang und 17 Meter breit und können nur größere Wasserstraßen wie den Rhein befahren, da sie für die meisten Schleusen zu breit sind.

SCIPPER greift auf drei Datenquellen zurück. Das erste sind gängige Satellitennavigationssysteme wie das US-amerikanische GPS und das europäische „Galileo“-System. Ihre Ungenauigkeiten werden durch erdgestützte Navigationshilfen ausgeglichen. Die Abkürzung SCIPPER bezieht sich auf diese Navigationshilfen. Es steht für „Schleusenassistenzsystem auf Basis PPP und VDES für die Binnenschifffahrt“.

PPP ist ein Übertragungsverfahren und steht für Precise Point Protocol. Dabei handelt es sich um eine Methode zur Bestimmung der genauen Position eines Schiffes aus Satellitendaten und terrestrischen Signalen. Satellitendaten sind jedoch nicht immer genau oder werden aufgrund von Funkschatten um Brücken, Schleusen, Gebäude oder Erhebungen verspätet empfangen. „Beim Unterqueren von Brücken oder in hohen Schleusenkammern ist der Satellitensignalempfang oft unterbrochen und verhindert die Positionsbestimmung. Für die automatisierte Schleusennavigation ist eine hochgenaue Positionierung schnellstmöglich nach der Datenerfassung erforderlich“, erklärt Dr. Ralf Ziebold vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Neustrelitz, Deutschland. Um dieses Defizit auszugleichen, haben Ziebold und seine Kollegen vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation im Rahmen von SCIPPER ein neues PPP-Protokoll entwickelt, das die Empfangszeiten auf wenige Sekunden reduziert. Ziebold selbst ist Gruppenleiter und auf nautische Systeme spezialisiert.

VDES bezeichnet das „VHF Data Exchange System“, eine Art mobiles Internet zur Übertragung von Positionsdaten und Schiffskennungen. Diese Daten basieren auf Referenzstationen entlang der Wasserstraßen, deren Daten im UKW-Band zwischen 47 und 68 Megahertz übertragen werden. VDES ist der Nachfolger von AIS oder „Automatic Identification System“. AIS ist seit dem 6. Dezember 2000 in Betrieb und für die weltweite Navigation verpflichtend. Es besteht aus Sende- und Empfangsanlagen an Bord der beteiligten Schiffe. Das System zeigt die eigene Position und die Positionen anderer Schiffe in unmittelbarer Nähe auf einer digitalen Karte an. AIS wird auch zum Austausch von Schiffs- und Navigationsdaten verwendet. Das System funktioniert auch, wenn sich Land zwischen den Schiffen befindet, beispielsweise an einer Wasserstraßenbiegung.

DLR-Wissenschaftler am Institut für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen helfen bei der Entwicklung und Standardisierung von VDES. „Im Gegensatz zu AIS verfügt VDES über eine größere Bandbreite und ermöglicht so eine störungsfreiere Datenübertragung zwischen den Schiffen, den Basisstationen und dem Wasserstraßenamt“, sagt Ronald Raulefs, einer der beteiligten Forscher.

SCIPPER überwacht den Nahbereich rund um das Schiff mithilfe von Lasersensoren, die den Bug- und Heckbereich erfassen. Auf diese Weise können Schiffsführer auch Bereiche im toten Winkel von der Brücke aus überblicken. Denn insbesondere bei der Einfahrt in eine Schleuse ist der Platz begrenzt. Zwischen den Schiffswänden und der Schleuse liegen oft nur wenige Zentimeter, da viele Schleusenkanäle kaum 12 Meter breit sind.

Die SCIPPER-Technologien sollen weiterentwickelt werden. Das DLR baut derzeit ein digitales Testfeld für Binnenschiffe auf der Wasserstraße Spree-Oder auf. Zwischen den Häfen Königs Wusterhausen und Eisenhüttenstadt wollen Wissenschaftler Lösungen für den autonomen Betrieb von Binnenschiffen testen. Aufgrund des geringen Verkehrsaufkommens ist die Wasserstraße für diese Arbeiten gut geeignet. Das digitale Testfeld soll dabei helfen, zu klären, an welchen Stellen in gängigen Gütertransportketten der Einsatz von Schiffen sinnvoll ist.

Die Bedeutung der Schifffahrt dürfte in Zukunft noch weiter zunehmen. Der Bundesverkehrswegeplan sieht beispielsweise vor, dass der Verkehr auf der Binnenschifffahrt bis zum Jahr 2030 um 23 Prozent wachsen wird. Doch ihr Erscheinungsbild dürfte sich deutlich verändern. Derzeit transportieren die meisten Binnenschiffe Massengüter wie Kohle. Allerdings verliert der Kohletransport aufgrund der Energiewende immer mehr an Bedeutung. Stattdessen werden immer mehr Container und Schwergüter wie Maschinenteile transportiert.

Die Binnenschiffe der Zukunft könnten kleiner und flexibler sein. Dabei könnten digitale Assistenzsysteme wie SCIPPER eine wichtige Rolle spielen, da sie die jeweils günstigste Route und den wirtschaftlichsten Fahrstil ermitteln würden. Sie könnten auch dazu beitragen, das Unfallrisiko zu verringern.

Langfristiges Ziel der Forscher ist es, dass Schiffe ihre Routen selbst berechnen, untereinander kommunizieren und sich selbständig be- und entladen.

Bild: Das-Assistenzsystem-im-Schiffführerhaus © DLR.