Schiffseigner und -betreiber setzen vermehrt auf neue Technologien und Prozessoptimierung. Die Modernisierung der Navigation, die Zentralisierung der Steuerung und die Überwachung aller Anwendungen sind konkrete Beispiele für die Evolution in der Schiffsausrüstung.

An erster Stelle stehen die Maschinen und Aggregate für den Schiffsantrieb sowie Energie-Erzeugung und -Verteilung, gefolgt von der Steuerung und Navigation. Die Spannweite reicht hier von einfachen Aufgaben wie der Ansteuerung der Ruderbewegungen bis hin zu komplexen Anwendungen wie der Standortbestimmung mittels Kompass, GPS und Radar sowie der Einordnung der aktuellen Schiffsposition und -bewegung zu den Standorten anderer Schiffe und der Gelände-Topologie über und unter Wasser. Als dritter Punkt ist das weite Feld der Kommunikation zu nennen. Intern und extern kommen in diesem Bereich die unterschiedlichsten Technologien zum Einsatz. Sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Kommunikationstechniken sind weltweit in den verschiedensten Ausprägungen zu finden und dafür benötigt ein Schiff die entsprechende Ausrüstung. Und schließlich findet man immer häufiger kamerabasierte Überwachungs-anwendungen, so genannte CCTV-Lösungen, für unterschiedlichste Zwecke. Speziell auf Passagierschiffen kommen die verschiedensten Infotainment-Anwendungen hinzu. Unabdingbar für die Konzentration dieser Aufgaben ist eine effiziente und leistungsfähige Vernetzung. Vom Standpunkt der Automatisierung betrachtet, gliedern sich diese Anwendungsgebiete in:

■ Maschinensteuerungs- und Überwachungsanwendungen,
■ Anwendungen in der Leitstelle,
■ Brückenanwendungen,
■ Deck-Anwendungen,
■ Videoüberwachungssysteme und
■ Kommunikationsanwendungen (Schiff-zu-Land sowie Schiff-zu-Schiff).

Netzwerktechnik – das Rückgrat der Schiffsautomation

Intelligente Netzwerke sind das Rückgrat der Kommunikation an Bord. Die Vernetzung erfolgt über alle Ebenen, von den Endgeräten (Edge) im Maschinenraum, an Deck und in der Hafenanlage bis hin zur Leitstelle auf der Brücke (Core).

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Ethernet-TCP/IP ist der wesentliche Grundpfeiler aller derzeitigen Lösungen in der Schiffsautomation. Ähnlich wie in der Industriellen Automatisierung werden Netzwerke immer stärker im Bezug auf ihr primäres Anwendungsziel segmentiert. So genanntes Edge-to-Core-Layering hat auch hier Einzug gehalten, was eine entsprechende Ausrichtung der Geräteausstattung erfordert.

Parallel zu den üblichen Automatisierungssystemen liefern viele Sensoren weitere Informationen, die mit Hilfe digitaler E/A-Geräte eingebunden und bei Bedarf auch vorverarbeitet werden. Oft stehen Daten auch via Feldbus bereit, die über Ethernet-Gateways integriert werden.

In der Leitstelle werden die Prozessdaten mit weiteren Daten aggregiert und stellen die effiziente Steuerung und Überwachung der technischen Einrichtungen sicher. Das verlangt vor allem deutlich mehr Rechenleistung und stellt höhere Anforderungen an die Datenspeicherung und -visualisierung. Realisiert wird das oft mittels leistungsfähiger Rechner, die in Client-Server-Architekturen eingebettet sind. Als Schaltzentrale für die Schiffstechniker und -ingenieure sind Displays nötig, die den besonderen Umgebungsbedingungen, wie starken Temperaturschwankungen und mitunter hohen Staub- und Feuchtigkeitsbelastungen, standhalten.

Die Brücke ist der Bereich mit den höchsten Ansprüchen hinsichtlich Datenaggregation, -auswertung und -visualisierung. Dort trifft der Kapitän mit seinem Team die wesentlichen Entscheidungen, die die erfolgreiche Überfahrt gewährleisten. Die moderne Technik versucht dabei so viel Hilfestellung wie möglich zu geben, damit sich die Schiffsführer – von Routine-Tätigkeiten entlastet – jederzeit auf die Einschätzung aktueller Situationen konzentrieren können. Dazu werden umfassende Informationen benötigt über:

■ den aktuellen Standort mit Kurs und Geschwindigkeit,
■ das Geschehen auf der Wasserstraße,
■ die effektivste Route,
■ potenzielle Gefahren und
■ den Zustand der Technik an Bord.

Diese Informationen stellen die klassischen Geräten wie Radar, Log (Geschwindigkeitsmesser) und Kompass (GYRO) bereit. In den letzten Jahren haben weitere Geräte und Sensoren an Bedeutung gewonnen: Die Positions-signale anderer Schiffe (AIS-Tracking), Positionsbestimmung per GPS oder elektronische Karten (EMV), die eine der Schiffsposition nachgeführte Anzeige des Kartenbilds ermöglichen.

Navigations-Zentrale wird für alle Pflicht

Die verschiedenen, redundant ausgeführten Datenerfassungssysteme an Bord werden im ECDIS (Electronical Chart Display and Information System) zusammengeführt und unterstützen bei der Steuerung und Navigation von Schiffen.

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Die Vernetzung dieser Datenerfassungssysteme hat zu einer signifikanten Wende in der Art und Weise geführt, wie Schiffe kontrolliert und navigiert werden. Das Electronical Chart Display and Information System – kurz ECDIS – ermöglicht es Mannschaften, ihr Schiff effektiv zu führen. Es muss sukzessive in alle größeren Schiffe eingebaut beziehungsweise nachgerüstet werden. Beginnend im Juli 2012 mit Passagierschiffen sind Schiffsbauer und -eigner aufgefordert, ihre Flotten bis zum Jahr 2018 so auszustatten, dass sie den Anforderungen der IMO (International Maritime Organization) genügen. Diese vor rund vier Jahren beschlossene Einführung hat zu einem völligen Umdenken in der Schiffsbau-Industrie und dem Einsatz neuer Konzepte und Technologien geführt.

ECDIS-konforme Systeme müssen Schnittstellen zu allen vorhandenen Sensoren, wie AIS, GYRO, GPS, LOG, aufweisen – für nachzurüstende Schiffe in der Regel RS-232- oder für neue Schiffe CAN-Schnittstellen. Radar und Maschinenleitstände sind wiederum per Ethernet zu integrieren
Neben dem Schnittstellen-Mix muss ein ECDIS-Rechner ausreichend Rechenleistung bereitstellen, um die anfallende Datenflut zu verarbeiten und zusammen mit den elektronischen Karten darzustellen – auf Displays, die den besonderen Anforderungen an die Farbkalibrierung gemäß IEC 61174 entsprechen. Der Standard definiert die 64 Farbwerte, mit denen die elektronische Karte und deren Symbole darzustellen sind – tagsüber, nachts und auch während der Dämmerung. Die Umsetzung dieser Forderung stellt eine wesentliche Herausforderung für jeden Hersteller dar.

Komponenten wie der Embedded-Computer MC5150, das Marine-Panel PC MPC122 oder Display MD124 adressieren diese speziellen Anforderungen des Marktsegments Marine. Sie verfügen über erweiterte Betriebstemperaturen, Schutzart IP66 und höher, lüfterloses Design sowie hohe Erschütterungs- und Vibrationsbeständigkeit bei MTBF-Werten von rund sieben Jahren.

Videoüberwachung als Schutz gegen Piraten

ECDIS-Systeme müssen deBestimmungen für die Farbkalibrierung entsprechen.

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Trotz internationaler Aktionen ist die Piraterie nach wie vor ein Problem. Statt sich auf einen direkte Konfronta-tion einzulassen, haben Kapitäne unter günstigen Bedingungen die Chance, durch Flucht einer Entführung zu entgehen. Dazu müssen die Angreifer frühzeitig entdeckt werden, was nachts oder bei ungünstigen Wetterverhältnissen schwierig ist. Radar kann kleine Schlauchboote nicht immer präzise orten. Eine Lösung besteht in der Ausrüstung der Schiffe mit HD-Videokameras. Solche Kameras „sehen“ dank ihrer hohen Auflösung (1280 × 720 Pixel), besonderer Filter und automatischer Farb-umschaltung bei Dunkelheit und durch Nebel, Rauch, Schnee und Regen hindurch. Außerdem können Bildbereiche hervorgehoben werden. Dank Wide-Dynamic-Range-Verfahren lassen sich scharfe Bilder erzielen, die auch eine Vergrößerung von Bildausschnitten ermöglichen. Dies ist besonders wichtig für Sicherheits- und Überwachungsanwendungen unter widrigen Bedingungen – wie etwa an Bord von Schiffen. Die Herausforderungen an solche Kameras sind die gleichen wie für alle Geräte im Netzwerk an Bord. Besondere Ansprüche aber liegen neben dem re-dundantem Betrieb in einer möglichst geringen Bandbreitenbelegung. Hinzu kommen die erhöhten mechanischen und klimatischen Belastungen, denen die Geräte ausgesetzt sind.

Moderne Kompressionsverfahren wie MPEG 4 ermöglichen zwar den Einsatz kostengünstiger IP-basierter Kameras zur Überwachung, jedoch verlangt das hohe Datenaufkommen in solchen Anwendungen leistungsfähige Breitband-Netzwerkstrukturen. Die Datenmenge lässt sich jedoch durch eine dynamische Anpassung von Auflösung und Bildrate steuern.

Ein Schiff ist keine einsame Insel

Häfen müssen heutzutage äußerst effizient und exakt angefahren werden. Wie beim Flughafenbetrieb mit seinen Abflug- und Lande-Slots gibt es präzise Zeitpläne. Für die Ankunft im Hafen gilt die Maxime „Arrival Just in Time“, und jedes Schiff muss perfekt „geparkt“ werden. Dafür benötigt der Kapitän neben umfangreicher Rechentechnik auch Geräte zur Übertragung von Informati-onen zum Kontrollcenter an Land. Dies erfolgt üblicherweise über Wireless Access Points. Den steigenden Bedarf an höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und höherer Bandbreitenabdeckung erfüllt die IEEE-802n-Spezifikation, die Nettodatenraten bis 300 MBit/s ermöglicht. Für verlässlichere Funkverbindungen und noch höhere Bandbreiten können Access-Points wie der AWK-4131 sogar zwei benachbarte 20-MHz-Kanäle zu einem einzigen 40-MHz-
Kanal bündeln. Entsprechend dem Einsatzort auf Deck ist das Gerät für einen Betriebstemperaturbereich zwischen –40 und +75 °C ausgelegt und erreicht die Schutzart IP68. PoE-Anschlussfähigkeit und zwei zusätzliche Stromversorgungseingängen (DC) ermöglichen zudem hochredundante In-stallationen.

Schiffe, die über längere Zeit auf See sind, benötigen während der Fahrt un-ter Umständen Aktualisierungen ihres elektronischen Kartenmaterials und Informationen über die Route. Wenn die Datenübertragung vom Schiff zur Küste (Ship2Shore) nicht möglich ist, müssen sie auf die Netzwerke, die Schiffe untereinander bilden können, zurückgreifen. Diese Datenübertragung von Schiff zu Schiff ist per Satellit oder über Wireless Access Points möglich. Hohe Datenraten und Bandbreite sind auch hier notwendig.

Autor: Stefan Palm arbeitet im Bereich Business Development Embedded Computer bei der Firma Moxa in Unterschleißheim