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    Nutzung multipler Datenströme zur Ableitung von adaptiven Handlungsempfehlungen im Seegang
    Container losses at sea are estimated at several thousand per year. Fires that are not detected in time and cargo going overboard as a result of heavy weather events not only lead to loss of value, but are also a danger to the crew, the environment and other watercraft. Further mechanical reinforcement of cargo securing is both technically and economically impractical and is not a solution to undetected fires. The innovative goal of the CMS - Container Monitoring System project is to substantially reduce container losses by digitizing cargo securing. An assistance system warns of fire sources at an early stage and provides the crew with recommendations for action to prevent the container stacks from building up. This is based on sensors distributed and networked throughout the cargo as well as model-based evaluation and prediction processes. Monitoring of the cargo on the ship's deck is made possible by instrumenting the securing elements (twistlocks) between the containers with robust and durable sensor technology. These smart twistlocks will be equipped with highly efficient wireless technology, allowing for several years of battery life and reliable data transmission in the highly shielded environment. Predictive evaluation methods that predict critical conditions in near-real time are a prerequisite for timely intervention by the crew. For this purpose, the acquired sensor data are combined with a hydrodynamic ship model, a hybrid weather model and a highly specialized stack model. For early fire detection, small temperature changes inside the container are separated from other temperature influences, such as solar radiation, based on the model. It is expected that cargo losses can be massively reduced in the future by these measures without influencing loading and unloading processes. Furthermore, the integrated load measurement enables the recording of real container masses during loading as well as the detection of container losses during the sea voyage.
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    Strahl-VSP - Numerische Untersuchung der Strahlausbreitung von Voith-Schneider-Propellern
    Der Voith-Schneider-Propeller (kurz: VSP) wird vorrangig bei Schleppern, Fähren oder Offshore-Arbeitsschiffen eingesetzt. Diese Schiffstypen zeichnen sich durch ein hohes Maß an Manövrierfähigkeit und Zuverlässigkeit bei schwierigen Bedingungen im Hafen und auf hoher See aus. Aufgrund seines einzigartigen Wirkprinzips unterscheidet sich die Ausbreitung des Propellerstrahls der Voith-Schneider-Antriebe vom Propellerstrahl eines herkömmlichen Schiffsantriebs. Die Auswirkungen der Geschwindigkeits- und Druckverteilung auf die Kolkbildung durch ein Schiff mit einem VSP-Antrieb sind bisher nur unzureichend untersucht und dokumentiert. Ziel des geplanten Vorhabens ist, neue Bemessungsgrundlagen für die Hafenplanung zu schaffen, bei denen die Interaktion zwischen VSP-angetriebenen Schiffen und der Hafeninfrastruktur einbezogen wird. Hierfür sollen die Strahlausbreitung hinter den VSP-Antrieben sowie die Erosionserscheinungen bei An- und Ablegemanövern verschiedener Schiffe analysiert werden. An mehreren Standorten mit unterschiedlichen Randbedingungen werden Felddaten wie Druck und Geschwindigkeit erhoben. Zusätzlich wird die Strahlausbreitung numerisch simuliert und die Auskolkung experimentell in einem gegenständlichen Modell untersucht. Die Ergebnisse sollen künftigen Planungsprozessen zur Verfügung stehen, um auch für Belastungen durch VSP-Antriebe die Erosionen der Hafensohle fundiert abschätzen, geeignete Sicherungsmaßnahmen einplanen und späteren Instandsetzungsaufwand reduzieren zu können. Damit wird dem Betreiber der Liegestelle eine nachhaltige und umweltgerechte Investition ermöglicht.
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    Autonom und kooperativ agierende Module zur kommandierten Schiffsassistenz in Häfen
    Die Entwicklung der autonomen Schifffahrt schreitet weltweit schnell voran. Erste autonome Schiffe fahren bereits im Regelbetrieb. Dahingegen ist die hafenseitige Manöverassistenz der Teil der Transportkette, der derzeit noch komplett manuell ausgeführt wird. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines autonomen, modularen Assistenzsystems, bestehend aus einer variablen Anzahl von elektrisch angetriebenen Schleppermodulen und einer mobilen Steuerbox. Dieses soll auf Grundlage der kommandierten Anforderungen des Hafenlotsen bzw. des Kapitäns des zu assistierenden Schiffes, auf einfache und intuitive Weise Unterstützung beim Manövrieren im Hafen bieten. Dazu werden die benötigten Assistenzmodule konzipiert, deren autonome Steuer- und Regelsysteme mithilfe von zu entwickelten numerischen Simulationsverfahren ausgelegt und im Modellmaßstab erprobt. Die Fähigkeiten des entwickelten Assistenzsystems wird anschließend unter Realbedingungen im Hafen demonstriert. Das geplante Assistenzsystem bietet der Hafenwirtschaft eine effiziente und umweltgerechte Technologie zur Abfertigung konventioneller und autonomer Schiffe. Dies wird zukünftig ein deutlicher Wettbewerbsvorteil in der Konkurrenz internationaler Häfen sein.
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    Reduktion der hydroakustischen Emission von Propulsionssystemen; Kalkulation des durch Propulsionssystemen mit Rudern oder Flossenkappen emittierten Unterwasser-Schalls
    Das Verbundvorhaben beschäftigt sich mit der Vorhersage von Schallemissionen durch Schiffsantriebsanlagen. Signifikante Schallquellen stellen dabei die Propellerdruckfelder, fluktuierende Schicht- und Wirbelkavitation sowie der Körperschall dar. Diese Effekte sollen in diesem Vorhaben numerisch modelliert werden, um eine effiziente numerische Prognose zu ermöglichen. Die Wechselwirkung der erstgenannten physikalischen Phänomene soll dabei ebenfalls berücksichtigt werden. In diesem Teilvorhaben liegt der Schwerpunkt auf der Simulation der Umströmung und hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen Propeller und Schiffsanhängen wie Rudern oder anderen Flossen sowie ihrer resultierenden akustischen Emissionen. Um entsprechende Prognosen in einem Entwurfsprozess innerhalb kurzer Zeit zu ermöglichen, sollen diese Interaktionen in einem zeiteffizienten Simulationsverfahren implementiert werden. Zu diesem Zweck werden zunächst mit Unterstützung von detaillierten Simulationen entsprechende Modelle für die realistische Abbildung dieser Wechselwirkungen in einem vereinfachenden Verfahren entwickelt. Mit diesem Verfahren sollen anschließend Ruderpropeller in Zug-Konfiguration sowie Propeller mit Flossenkappen hinsichtlich ihrer hydroakustischen Emission bewertet werden. Auf Basis der Ergebnisse wird ein künstliches neuronales Netz entworfen und trainiert, das die Schallemissionen solcher Konfigurationen vorhersagen kann. Die Zuströmung zum Propeller wird in allen Fällen mittels eines weiterentwickelten, Datenbank-gestützen Ersatzmodells bestimmt. Die zu untersuchenden Teilbereiche in diesem Teilvorhaben sind damit die effiziente Prognose der Schichtkavitation auf dem Propeller, die Wirbelkavitation in Spitzen- und Nabenwirbel sowie die Deformation und Interaktion der freien Wirbel mit weiteren Auftriebsflächen. Hinzu kommen die Vorhersage des Nachstromfelds bei unbekannter Schiffsgeometrie bis auf Hauptabmessungen sowie die Entwicklung eines neuronalen Netzes.
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    Analyse der Strahlausbreitung und Schallemissionen von Schiffsmanövrierorganen durch Simulation
    Die alternde Infrastruktur der See- und Binnenhäfen muss an moderne Schiffsantriebe angepasst werden, denn diese werden laufend optimiert, was zu einer großen Belastung der Hafenanlagen und erhöhten Investitionskosten führt. Ziel des geplanten Vorhabens ist, nachhaltige Bemessungsgrundlagen für die Hafenplanung zu schaffen, indem neue Ansätze zur genaueren Erfassung der Interaktion zwischen Schiff und Hafenanlage entwickelt werden. Dies umfasst die Bestimmung der Propellerstrahlausbreitung und der damit verbundenen Erosionserscheinungen. Dafür werden die An- und Ablegemanöver verschiedener Schiffe analysiert, die Strahlausbreitung numerisch simuliert und die Auskolkung experimentell im Modellmaßstab untersucht. Außerdem wird die Geräuschentwicklung über und unter Wasser erfasst und ausgewertet. Die neuen Ansätze für Strahlausbreitung und zeitabhängige Kolkbildung werden für gängige Schiffstypen validiert. Zusätzlich werden im Lübecker Hafen an einer zu bauenden Anlegestelle Felddaten wie Druck- und Geschwindigkeit, Sohlenlage und Geräuschentwicklung kontinuierlich erhoben. Dies bietet den Hafenbetreibern eine solide Bewertungs-grundlage für nachhaltige und umweltgerechte Investitionen.
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    Holistische Prognose der Antriebsleistung von Schiffen unter realistischen Bedingungen zur Unterstützung bei der effektiven Schiffsführung
    Das Verbundvorhaben hat zum Ziel, ein Assistenzsystem für die Schiffsführung zu entwickeln. Damit sollen Entscheidungen bezüglich möglicher Route und Geschwindigkeit anhand einer quantitativen Vorhersage der nötigen Leistung und der Brennstoffmenge unterstützt werden. Dieses System soll Prognosen einerseits im Bereich von Echtzeit treffen, andererseits sollen diese auf numerischen Modellen basieren, die die Realität möglichst exakt abbilden. Diese Modelle sind äußerst komplex und können nicht zur Laufzeit des Assistenzsystems angewendet werden. Stattdessen werden im Vorfeld der Systeminstallation Simulationen durchgeführt, die den Einfluss der verschiedenen Komponenten unabhängig voneinander bewerten. Dabei wird sowohl die Änderung des Widerstands als auch des Strömungsfelds direkt vor dem Propeller gespeichert. Mit diesen Informationen werden im Rahmen dieses Teilvorhabens Simulationen zur Vorhersage der Propellerkräfte für Kombinationen von gleichzeitig auftretenden Umweltkompontenten durchgeführt. Dazu wird ein Verfahren zur Überlagerung mehrerer Zusatzwiderstandsanteile sowie der Veränderungen des Strömungsfeldes vor dem Propeller entwickelt und eingesetzt, um die Belastung des Propellers zu bestimmen. Anhand dieser Ergebnisse wird ein parametrisiertes Ersatzmodell aufgebaut, das den Propellerbetriebspunkt in beliebigen Umweltbedingungen in Echtzeit vorhersagen kann. Eine weitere entwickelte Methode wird entwickelt, um den Propellerbetriebspunkt und damit den mittleren Leistungsbedarf und Treibstoffverbrauch vorherzusagen. Dies geschieht durch die Bestimmung einer zeitlich mittleren Bewegung des Schiffes anhand der unterschiedlichen wirkenden Kräfte durch iterative Bewertung von Gleichgewichten.
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