Moderne Schiffe und Förderplattformen verfügen über eine Vielzahl von Computern, Netzwerken und Steuerungen, die sowohl Sicherheit, Zuverlässigkeit und Bedienbarkeit erhöhen, als auch den Komfort von Passagieren und Besatzung steigern. So unterschiedlich die Anwendungsfälle auf Frachtern, Passagierschiffen, Förderplattformen oder Yachten sind, die meisten Anwendungen fallen in eine der drei Kategorien:

• Brückensysteme,
• Multimedia-Netzwerke
• oder Schiffsautomatisierung.

Im Zentrum heutiger Brückensysteme steht das „Electronic Chart Display and Information System" (ECDIS). Es ersetzt die gedruckten Seekarten und ermöglicht es, aktuelle Informationen aus verschiedenen Systemen einzublenden und entsprechende Handlungsempfehlungen oder Alarme auszugeben. Wichtige Informationen für ECDI-Systeme liefern GPS (Global Positioning System) für die aktuelle Position und Geschwindigkeit und tatsächliche Fahrtrichtung, Kreiselkompass (Himmelsrichtung/Ausrichtung), Fahrtmessanlage und Sonar für Windgeschwindigkeit, Wassergeschwindigkeit und Wassertiefe.

Der Panel-PC MPC-220WC23 ist für Brückenanwendungen wie das Electronic Chart Display and Information System (EDICS) zugelassen.

© Moxa

Um von den nationalen Behörden wie dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) oder der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO (International Maritime Organization) zugelassen zu werden, müssen ECDI-Systeme neben der Software auch zertifizierte Hardware einsetzen (Computer, Displays) und Kartenmaterial nutzen. Darüber hinaus integriert ECDIS Informationen von zwei wichtigen Subsystemen: ARPA und AIS. Das ARPA-System (Automatic Radar Plotting Aid) zur Radarbild- Darstellung überwacht den Kurs und die Geschwindigkeit benachbarter Schiffe und errechnet den Punkt der stärksten Annäherung - unter Umständen auch den Zeitpunkt bis zur Kollision.

Zudem ermöglicht es die Simulation von Ausweichmanövern. Noch weiter geht das Automatic Identification System (AIS). AIS sendet statische Informationen über das eigene Schiff wie Schiffsname, Rufzeichen, Schiffs-Typ und Abmessungen des Schiffes sowie dynamische Informationen wie Navigationsstatus, Kurs über Grund (COG) und Geschwindigkeit über Grund (SOG). Hinzu kommen Reisedaten wie aktueller maximaler statischer Tiefgang, Gefahrgutklasse der Ladung und das Reiseziel. Andere Schiffe können diese Informationen im Umkreis von maximal 100 km empfangen.

Mittels der Integration von ARPA und AIS in vektorbasierte elektronische Seekarten hat sich ECDIS zu einer leistungsfähigen Informations- und Navigationszentrale entwickelt. Daher wird ECDIS von der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO sukzessive für die verschiedenen Schiffstypen vorgeschrieben: für neue Passagierschiffe über 500 gt (Gross-Tonnage) verbindlich ab Juli 2012 oder für existierende Tanker über 3000 gt ab Juli 2015. Aufgrund der langen Einsatzdauer von Schiffen ist die Schiffsausrüstung zum großen Teil ein Retrofit- Markt.

Moxa geht von einem Bestand von knapp 100 000 Schiffen über 100 gt aus, die unter die IMO-Regulierung fallen. Zusammen mit den vermutlich 3000 Schiffen, die 2010 vom Stapel laufen, resultiert daraus ein großes Marktvolumen für maritime Display- und PC-Lösungen sowie robuste Netzwerkkomponenten. Zudem halten ECDIS, ARPA und AIS nach und nach Einzug in die länderspezifischen Regularien für die Binnenschifffahrt.

Panel-PC für die Brücke

Als Lieferant von Netzwerk- und Automatisierungskomponenten für die Schifffahrtsindustrie komplettiert die Firma Moxa mit einer Panel-PC-Reihe für integrierte Brückensysteme oder autarke ECDIS ihr Angebot für netzwerkbasierte, maritime Applikationen. Der erste marine Panel-PC MPC-220W-C23 hat ein 22- Zoll-Display mit einem rückseitig montierten und austauschbaren Computer.

Ausgelegt für die extremen Schiffs-Anwendungsfälle, enthält der Rechner keine beweglichen Teile und ein passives Kühlkonzept, das trotz leistungsfähiger Core-2-Duo-CPU Betriebstemperaturen zwischen -15 °C und über +55 °C erlaubt. Der Panel-PC erfüllt die einschlägigen Normen und wird mit den im Schiffbau erforderlichen Zertifikaten geliefert. Die Display-Diagonale auf Schiffsbrücken ist in der Regel durch den von der IMO vorgeschriebenen Durchmesser der Radarbild-Darstellung vorgegeben: Je nach Schiffsgröße 180 mm, 250 mm oder 340 mm. Auf größeren Schiffen dominieren daher Displays mit 19 und 23 Zoll Bildschirm-Diagonalen.

Seit 2009 ist auch in der Schifffahrt die Migration von Standard-Bildschirmen mit einem Seitenverhältnis von 4:3 zu Wide-Screen-Displays zu spüren. Dementsprechend vergrößert sich die benötigte Bildschirm-Diagonale auf 22 Zoll beziehungsweise 26 Zoll. Neben der Bildschirmgröße sind eine exakte Farbkalibrierung und Helligkeitssteuerung vorgeschrieben. Beides stellt hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess und das Zusammenspiel von Computer, Grafikkarte und Display. Jedes einzelne Gerät wird daher während der Fertigung aufwendig getestet und kalibriert.

Darüber hinaus stattet Moxa die Displays mit speziellen „Optical Bonding"-Gläsern aus, die für eine sehr hohe Schlagfestigkeit sorgen und Reflexionen auf der Display-Oberfläche verhindern. Weitere Panel-PCs sind für einfachere Brückenapplikationen und mobile Geräte an Bord geplant sowie für Überwachungsund Managementanwendungen im Maschinenraum.

Ein Netzwerk für alle Anwendungen

Die wachsende Komplexität maritimer Informations- und Navigationslösungen erfordert jedoch verstärkt Lösungen, die sich kommerzieller IT-Konzepte bedienen: netzwerkbasierte, digitale, verteilte Systeme auf Basis von zertifizierter Standard- Hardware, die vollintegrierte, meist proprietäre Lösungen ersetzen. Die Vorteile sind aus der Unternehmens-IT bekannt: geringere Gesamtkosten und Abhängigkeit von einzelnen Zulieferern, bessere Wartbarkeit und Erweiterbarkeit sowie eine höhere Fehlertoleranz.

Auf ähnlichen Konzepten basieren maritime Multimedia-Netzwerke für Telefon, Entertainment wie Video-on-Demand und Videoüberwachung (CCTV). Da diese Netzwerke zuverlässig funktionieren müssen, braucht es Maßnahmen gegen den Ausfall einzelner Geräte und Verbindungen sowie einen Sicherheitsmechanismus gegen ein „Fluten" des Netzwerks mit Nachrichten. Um Redundanz zu erreichen, sind die Netzwerke als Ringe aufgebaut. Bei großen Netzwerken werden sogenannte Access-Ringe an Gigabit-Ethernet-Backbone- Ringe gekoppelt, bei denen das sogenannte „Ring-Coupling" den Ausfall eines Switch oder einen Verbindungsverlust zwischen zwei Switches kompensieren kann.

Die Backbone-Ringe basieren wiederum auf Trunks mit mehreren Gigabit- Ethernet-Links. Zur Abwehr einer Datenflut verfügen moderne Managed-Switches über verschiedene Mechanismen: „Broadcast Storm Protection" verhindert, dass ein defekter Switch das Netzwerk mit Nachrichten fluten kann. QoS-Funktionen (Quality of Service) stellen sicher, dass verschiedene Anwendungen im Netzwerk anhand der benötigten Bandbreite, Latenz und Wichtigkeit entsprechende Prioritäten erhalten. Telefonverbindungen erzeugen beispielsweise nur geringe Datenmengen, benötigen aber eine hohe Qualität bezüglich Jitter und Latenz. Überwachungskameras dagegen generieren große Datenmengen, die oft auf einen Netzwerk-Videorekorder zwischengespeichert werden.

Da die Bilder nun etwas zeitversetzt betrachtet werden, sind die Anforderungen an Jitter und Latenz gering. Ebenso wichtig wie die Priorisierung ist die Trennung der verschiedenen Anwendungen im Netzwerk. Managed-Switches bieten dazu tagged VLAN (virtual LAN) an. Diese virtuellen LANs verhalten sich wie getrennte Netzwerke, ohne dass ein zweites Netzwerk notwendig wäre. Dies verhindert zuverlässig, dass unberechtigte Personen per WiFi beispielsweise auf Überwachungskameras in einem anderen vLAN zugreifen können.

Dynamische Mechanismen bringen Flexibilität

Da Videokameras und Radar generell große Datenmengen erzeugen, ist der Einsatz von Multicast sinnvoll. Multicast bedeutet, dass ein Sender einen Datenstrom an mehrere Empfänger sendet, anstatt einen separaten Datenstrom für jeden Empfänger zu erzeugen. Bei zwei Radargeräten (Redundanz), die an zwei Panel-PCs auf der Brücke plus zwei Black-Boxes im Schiff senden, reduziert sich die Anzahl der Datenströme von acht auf zwei.

Neben statischem Multicast bieten Switches mit IGMP-Snooping (Internet Group Management Protocol) und GMRP (GARP Multicast Registration Protocol) dynamische Mechanismen an. Darüber können der Sicherheitsdienst, der Maschinenraum oder die Brücke bei Bedarf schnell auf Kameras zugreifen, die ansonsten nicht von diesen Stellen aus überwacht werden. Außerdem erhöht sich die Verfügbarkeit des Gesamtsystems, wenn redundante Teillösungen wie die Radaranlagen, GPS, Kompass und Windsensoren mit einem redundanten Netzwerk kombiniert werden.

Um Geräte wie Kameras, WiFi-Access- Points oder kleine Embedded-Computer an den Access-Ring anzuschließen, bieten sich Switches an, die PoE (Power over Ethernet) unterstützen. Dies reduziert die Kosten und Anfälligkeit der Installation, da es nur ein Kabel für Strom und Daten gibt. Zudem besteht die Möglichkeit, darüber die Geräte entsprechend dem Bedarf aus- und einzuschalten. Moxas managed und unmanaged Switches haben bis auf wenige Ausnahmen eine DNV- und GL-Zertifizierung oder sind für die Zertifizierung vorgesehen.

Die Switch-Baureihe EDS-408A hat darüber hinaus eine Zertifizierung für den Einsatz auf der Brücke (IEC 69045). Für die neue EDS-600A-Familie ist zusätzlich zur DNV und GL die Zertifizierung nach ABS, NKK und LR vorgesehen, den Klassifikationsgesellschaften in den USA, Japan und Großbritannien.

Die Integration der Automation

Viele Automatisierungsgeräte haben bereits ein Ethernet-Interface, so dass sie direkt an das Netzwerk angeschlossen werden können. Ältere und kleinere Komponenten haben in der Regel serielle Schnittstellen und sind über einen seriellen Device-Server integrierbar oder können mit einem Medienkonverter über größere Distanzen kommunizieren. Ein sicherheitskritisches System auf Schiffen ist das Antriebssystem.

Entsprechend umfangreich ist die Überwachung der Maschine, des Getriebes, der Antriebswellen und der Schiffsschraube - in der Regel durch Drehzahl-, Temperatur- und Drucksensoren. Da diese Werte an verschiedenen Stellen anfallen und sowohl im Maschinenraum als auch auf der Brücke zur Verfügung stehen müssen, werden diese Daten von seriellen Device- Servern oder kleinen Embedded-PCs erfasst und über ein hochverfügbares Netzwerk übertragen.

Speziell für das Ausbalancieren der Ladung auf Öltankern gibt es eine Lösung, die das Schiff optimal im Wasser hält. Um die Bewegung um die drei Achsen des Schiffes zu kontrollieren, wird das Rohöl zwischen den verschiedenen Tanks hin und her gepumpt. Dies reduziert den Treibstoffverbrauch und erhöht die Fahrsicherheit. Neben dem Auslesen der Sensoren (Zähler, Temperatur, Druck) ist das Ansteuern der Pumpen und Ventile notwendig. Da die Daten aller Tanks erfasst werden müssen und die Steuerung sämtlicher Pumpen und Ventile synchron sein muss, ist eine zentrale Datenerfassung und Kontrolle notwendig.

Die verwendeten Device-Server oder Embedded-PCs zum Auslesen der Sensoren und Ansteuern der Aktoren sowie die Switches müssen in dieser Anwendung neben der Schiffszulassung (zum Beispiel DNV oder GL) über eine Zulassung in explosiver Umgebung verfügen beziehungsweise entsprechend geschützt installiert sein.

Autor: Hermann Berg ist Business Development Manager Embedded Computer bei der Firma Moxa in Unterschleißheim bei München.