Feierfeil, Tim

Hungershöfer, Christoph

Orlovius, Andreas

Söhngen, Bernhard

German

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Conference Paper, Published VersionFeierfeil, Tim; Hungershöfer, Christoph; Söhngen, Bernhard; Orlovius,AndreasAIS-Messungen auf BundeswasserstraßenDresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/103417Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Feierfeil, Tim; Hungershöfer, Christoph; Söhngen, Bernhard; Orlovius, Andreas (2015): AIS-Messungen auf Bundeswasserstraßen. In: Technische Universität Dresden, Institut fürWasserbau und technische Hydromechanik (Hg.): Messen und Überwachen im Wasserbauund am Gewässer. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 53. Dresden: TechnischeUniversität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik. S. 591-600.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Technische Universität Dresden – Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 38. Dresdner Wasserbaukolloquium 2015 „Messen und Überwachen im Wasserbau und am Gewässer“    Block D3 Saal 5 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen Tim Feierfeil Christoph Hungershöfer Bernhard Söhngen Andreas Orlovius  Das Automatic-Identification-System (AIS) dient zur Erhöhung der Sicherheit in der Schifffahrt, mithilfe des Systems werden Daten aller in einem Gebiet befindli-chen Fahrzeuge untereinander ausgetauscht, so dass Schiffsführer über das sie umgebende Verkehrsgeschehen informiert sind. Diese Daten können jedoch auch zur Erstellung von Verkehrsstatistiken und zur Analyse des Nutzungsverhaltens auf Bundeswasserstraßen genutzt werden. Die Bundesanstalt für Wasserbau führt Untersuchungen zum Fahrrinnenbreiten-bedarf an Bundeswasserstraßen durch, hierzu werden realistische Daten zum Ver-kehrsaufkommen und der Nutzung der Wasserstraße benötigt.  In einem Koopera-tionsprojekt mit der Universität Duisburg-Essen konnten AIS-Daten gesammelt und ausgewertet werden. Auf diese Weise konnten Verkehrsstatistiken hinsichtlich der Schiffsflotte, des Nutzungsverhaltens, des Einflusses von Tageszeiten und Hochwasserphasen auf die Schifffahrt erstellt und zahlreiche neue Erkenntnisse gewonnen werden. Stichworte: Automatic Identification System, AIS, Verkehrsstatistik, Bun-deswasserstraßen, Binnenschifffahrt 1 Einführung Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) überprüft die vorhandenen Fahrrin-nenbreiten entlang des frei fließenden Rheins und führt hierzu Beobachtungen des gewerblichen Binnenschiffsverkehrs auf Bundeswasserstraßen durch. Hier-mit können wertvolle Hinweise auf das tatsächliche Verkehrsaufkommen und das Nutzungsverhalten der Binnenschifffahrt gewonnen werden, die in die Fahr-rinnenbemessung einfließen.  Offiziell verfügbare Statistiken zur Binnenschifffahrt enthalten i.d.R. nur Anga-ben zur Anzahl der in Deutschland verkehrenden Schiffsgefäße und der trans-portierten Tonnagemenge. Dies lässt leider nur grob angenäherte Rückschlüsse auf die räumliche und zeitliche Verteilung der Schiffe, deren Anteil an Leerfahrern, 592 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen    die Zusammenstellungen von Verbänden und vielen weiteren Größen zu, die für die konkrete Bemessung von Verkehrswegen vonnöten sind. Im Sinne der zu lösenden Fachaufgabe wurde zur Erstellung detaillierter Ver-kehrsstatistiken und zur Bestimmung des Nutzungsverhaltens eine Messkam-pagne am frei fließenden Rhein durchgeführt, bei der an 7 Standorten für jeweils mindestens 2 Wochen der Schiffsverkehr mit Video- und AIS-Technik beobachtet wurde (Abb. 1). In einem Kooperationsprojekt der BAW mit dem Institut für Schiffs- und Meerestechnik der Universität Duis-burg-Essen wurde ein Konzept zur Analyse der AIS-Daten hinsichtlich Flottenstatistiken, Durchfahrtshäufig-keiten, Begegnungen und Überholun-gen, Schiffsgeschwindigkeiten, Ab-ständen der Schiffe untereinander oder zum Ufer und vielem mehr erstellt und eine Software zur Auswertung dieser Daten entwickelt.   Abbildung 1: Beobachtungsstandorte entlang des frei fließenden Rheins 2 AIS-Daten Das AIS (Automatic-Identification-System) ist eine relativ neue Technik, die aus der Seeschifffahrt entstammt und in Form des Inland-AIS auf Binnenberei-che angepasst wurde. Es sendet die eigene Position, Richtung und Geschwindig-keit und empfängt diese Daten von anderen Teilnehmern, die sich in der Reich-weite befinden. Der Zweck von AIS liegt im Wesentlichen in der Erhöhung der Sicherheit in der Schifffahrt, wenn alle in einem Gebiet befindlichen Fahrzeuge mit der Technik ausgestattet sind und der Schiffsführer das gesamte, ihn umgebende Verkehrsge-schehen über die Reichweite von Sicht, Radar und Funk hinaus auf seinem Mo-nitor vor sich erkennen kann. Hierzu kann das AIS im sogenannten Informati-onsmodus mit einer elektronischen Wasserstraßenkarte gekoppelt werden, so Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 53 – 38. Dresdner Wasserbaukolloquium 2015 „Messen und Überwachen im Wasserbau und am Gewässer“ 593    Block D3 Saal 5 dass dem Schiffsführer alle in der Nähe befindlichen Fahrzeuge mit einem räumlichen Bezug dargestellt werden. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Darstellung von AIS-Daten und ECDIS-Karten im Informati-onsmodus. Zu erkennen ist das eigene Schiff im Zentrum der Kreise, die Entfernungen zum eigenen Schiff darstellen sowie zwei weiteren Fahrzeugen mit Angabe zu deren Kurs und Ge-schwindigkeit, die sich in der Nähe des Schiffes befinden. Die schiffseitige Technik, die zum Empfang und Senden von AIS-Signalen notwendig ist, be-steht aus einem AIS-Transponder, der mittels GPS-Empfang die Position des eige-nen Schiffes ermittelt und einem Datenfunkgerät, das diese Positi-on an andere Verkehrsteilnehmer übermittelt und deren Informati-onen empfängt.  Abbildung 2: AIS und ECDIS im Informationsmodus im Steuerstand eines Tankschiffes (Quelle: Zentralkommission für die Rheinschifffahrt, ccr-zkr.org)  Neben den Positionen der Schiffe werden zudem die folgenden Größen in dem mit einem Zeitstempel versehenen Datensatz übertragen: - Geschwindigkeit über Grund - Kurs über Grund - Drehgeschwindigkeit/-rate - Art und Genauigkeit der Positionsbestimmung - Abmessungen des Fahrzeugs, bzw. Verbandes - Schiffstyp, bzw. Verbandsgattung - Navigationsstatus - Bezugspunkt für die Positionsinformation 594 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen    Außerdem können schiffseitig weitere Informationen wie Zielhafen, Tiefgang und vieles mehr übertragen werden. Da die korrekte Eingabe dieser Größen je-doch nicht vorgeschrieben ist, sind diese Daten auch nicht verlässlich und kön-nen nicht für statistische Auswertungen herangezogen werden. Die Übertragungsfrequenz der Informationen erfolgt abhängig von der vorhan-denen Schiffsgeschwindigkeit, bei Geschwindigkeiten, die im Binnenbereich üblich sind, liegt diese etwa bei 0,5-0,1 Hz.  Nach einer mehrjährigen Testphase ist die Ausrüstung mit AIS seit dem 01.12.2014 für die gewerbliche Binnenschifffahrt auf dem Rhein vorgeschrie-ben. 3 Ermittelte Größen In den jeweils etwa 2 Wochen andauernden Messungen wurden Videoaufnah-men während der Tageslichtphasen angefertigt und die AIS-Daten über den ge-samten Zeitraum aufgezeichnet. Vor der Auswertung und Nutzung der AIS-Daten und der Analyse des Verkehrsgeschehens wurden die aufgezeichneten Daten anonymisiert, um Anforderungen aus dem Datenschutz erfüllen zu kön-nen. Den Schiffen wurde dazu eine zufällige Kennung zugeordnet, die jedoch über die gesamte Messkampagne erhalten blieb, so dass Mehrfachdurchfahrten erkannt werden können. Die Videoaufnahmen wurden genutzt, um die Ergebnisse aus der AIS-Auswertung später validieren zu können, es wurden stundengenaue Verkehrs-zählungen anhand beider Medien erstellt, die anschließend zur Plausibilisierung miteinander abgeglichen wurden, wodurch die Daten validiert und Extrapolati-onsfaktoren für den Anteil von Schiffen ohne AIS-Ausrüstung ermittelt wurden. 4 Messtechnik Die Messungen erfolgten mit einem in der BAW entwickelten, auf die jeweils ortspezifischen Anforderungen anpassbaren, Messsystem (Abb. 3 und 4). Während die Videoaufnahmen mit handelsüblichen Überwachungskameras durchgeführt wurden, die entweder auf einer internen Speicherkarte oder bei ho-hem Datenvolumen auf einem externen Datenträger aufzeichnen, konnten die AIS-Daten teilweise von der Fachstelle für Verkehrstechnik der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes angefordert oder teilweise selbst aufgezeich-net werden. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 53 – 38. Dresdner Wasserbaukolloquium 2015 „Messen und Überwachen im Wasserbau und am Gewässer“ 595    Block D3 Saal 5  Abbildung 3: Videokamera und Schaltschrank mit eingebauter Messtechnik und Energie-versorgung  Für Standorte ohne Anschluss an das 220V-Netz wurde eine technische Lösung mit einer Brennstoffzelle mit Energiespeicher entwickelt, die sich zudem über das Mobilfunknetz steuern lässt. Dies ermöglicht den Einsatz der Technik für eine AIS- und Videomessung selbst an schwer zugänglichen Orten in Verbindung mit einem Ereignis wie einer Hochwassersituation, deren zeitlicher Eintritt im Voraus nicht einzuschätzen ist.  Abbildung 4: Skizze des Messaufbaus 5 Aufbereitung und Validierung der AIS-Daten Die anonymisierten AIS-Daten, welche in Form von Textdateien vorliegen, müssen von der Software zunächst aufbereitet werden. Bei dieser Aufbereitung 596 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen    handelt es sich hauptsächlich um Umrechnungen der Werte vom codierten For-mat der AIS-Nachrichten in gängige Größen. Anschließend werden die Daten in eine neue Datenstruktur überführt und in einem Datenbanksystem gespeichert, aus dem sie von den verschiedenen Auswertungsroutinen je nach Bedarf geladen werden können. Um die AIS-Erkennungsrate zu bestimmen, wurden die Ergebnisse der Video-auswertung mit den AIS-Daten der Tageslichtphase verglichen (Tabelle 1). Im Folgenden sind die Erkennungsraten für einige Standorte der Messkampagne dargestellt. Tabelle 1 Erkennungsraten der AIS-Auswertung Standort Erkennungsrate Extrapolationsfaktor Gernsheim 96,30% 1,038 Voerde 94,35% 1,06 Bornheim 98,82% 1,012  Der Extrapolationsfaktor ermöglicht eine ungefähre Berücksichtigung der nicht mit AIS ausgestatteten Fahrzeuge während der Dunkelphase. Die Ergebnisse der Videodaten erlauben außerdem die Bestimmung weiterer Faktoren für die AIS-Auswertung, um beispielsweise den Anteil der Containerschiffe darzustellen oder eine Aufteilung der Verbände in Schub- und Koppelverbände zu ermögli-chen.  Abbildung 5: Stichprobenartiger Vergleich der AIS-Ereigniserkennung mit den Videoauf-nahmen Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 53 – 38. Dresdner Wasserbaukolloquium 2015 „Messen und Überwachen im Wasserbau und am Gewässer“ 597    Block D3 Saal 5 Die Validierung der Auswertungsroutinen erfolgt sowohl durch einen generellen Vergleich der Ergebnisse von AIS- und Videoauswertung, als auch durch eine stichprobenartige Überprüfung einzelner erkannter Ereignisse wie z.B. Begeg-nungen und Überholungen mit den Videoaufnahmen, wie beispielhaft in Abbil-dung 5 zu erkennen. 6 Durchgeführte Auswertungen Anhand der ausgewerteten AIS-Daten konnten folgende Größen bestimmt wer-den: - Anzahl Schiffe pro Stunde - Flottenstatistik hinsichtlich von Schiffstypen und -klassen - Schiffsgeschwindigkeiten - Trajektorien der betrachteten Schiffe - Typische Abstände bei Begegnungen, Überholungen und zum Ufer - Verbandszusammenstellungen Neben einer ortsspezifischen Abbildung des Verkehrsaufkommens können diese Daten für vielfältige Auswertungen eingesetzt werden, die die Bemessung von Verkehrswegen und angrenzenden Anlagen unter Berücksichtigung des tatsäch-lichen Nutzungsverhaltens ermöglichen.  So können anhand der Trajektorien aller erfassten Fahrzeuge Nutzungshäufigkeiten einzelner Fahrrinnenbereiche betrachtet werden, was Rückschlüsse für die Bewertung der Fahrrinnenlage in-nerhalb des Flussschlauchs erlaubt. Durch die Gesamtschau von Schiffsabstän-den bezogen auf die jeweiligen Schiffsgrößen und abhängig von Fließverhältnis-sen können Anteile der benötigten Fahrrinnenbreite abgeleitet werden, die sich durch rechnerische Bemessung nicht abbilden lassen, da diese zu einem großen Teil auf dem sogenannten „human-factor“ beruhen. Schiffsgeschwindigkeiten und deren Veränderung entlang eines Flussabschnittes lassen Rückschlüsse auf eventuell vorhandene Breiten- oder Tiefenengstellen zu, in deren Reichweite zum Beispiel Begegnungen vermieden oder unter erhöh-ter Vorsicht durchgeführt werden. Vergleiche mit Wasserständen, die während der Messungen vorherrschten, erlauben zudem die Bestimmung der Verände-rung von Flottenzusammenstellung und Nutzungsverhalten bezogen auf Nied-rig- und Hochwasserphasen. 598 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen    7 Ergebnisse für den Rhein Durch die Betrachtung der aufgezeichneten AIS-Daten ist die Erstellung von Verkehrsstatistiken hinsichtlich von Schiffsgrößen und –typen abhängig von vielen Einflussgrößen ermöglicht worden. Der Vergleich der standortspezifisch erstellten Statistiken zeigt die Veränderung der Flotte entlang des Rheins. Abbildung 6: Vergleich der Flottenstruktur bei Tag und Nacht für den Standort Gernsheim  Zudem sind, wie in den Abbildungen 6 und 7 erkennbar, Veränderungen der Flottenstruktur von Tageslicht- zu Dunkelheitsphasen erkennbar. So nimmt der Anteil kleinerer Fahrzeuge in der Nacht stark ab, dies betrifft, aufgetragen nach Ladungsgut, vor allem Massenguttransporte. Dies sind neue Erkenntnisse, die aus bisher verfügbaren Statistiken nicht abgeleitet werden konnten.  Abbildung 7: Vergleich der Flottenstruktur bei Tag und Nacht für den Standort Voerde  Die Auswertung der AIS-Daten zeigt, dass die tatsächliche Nutzung teilweise stark von den Erwartungen abweicht. Beispielsweise fahren viele Schiffe auch außerhalb der Fahrrinne oder die Streuung der Schiffskurse ist viel größer als es die Fahrwasser- bzw. Strömungsverhältnisse nahelegen würden. Offenbar spielt der „human-factor“ für die verkehrswasserbauliche Bewertung der beobachteten Kurse eine größere als erwartete Rolle.  Unter anderem konnten bemessungsrelevante Verkehrssituationen für die Er-mittlung des Fahrrinnenbreitenbedarfs, beispielsweise die Begegnungshäufigkeit von großen Schubverbänden auf dem Niederrhein, erkannt werden (Abb. 8). Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 53 – 38. Dresdner Wasserbaukolloquium 2015 „Messen und Überwachen im Wasserbau und am Gewässer“ 599    Block D3 Saal 5  Abbildung 8: Stichprobenartiger Vergleich der AIS-Ereigniserkennung mit den Videoauf-nahmen Durch Messungen in verschie-denen Zeiträumen mit variieren-den Pegelständen am selben Standort konnten Änderungen des Nutzungsverhaltens bei Hochwasserereignissen quantifi-ziert werden. So reduziert sich die Anzahl der Schiffe bei Hochwasser deutlich. Das Ver-hältnis der Durchfahrtsraten von Tag und Nacht verändert sich jedoch kaum. Abbildung 9: Darstellung der Durchfahrtsraten entlang der Rheinstrecke für Hoch- und Mittelwasserzeiträume sowie Tages- und Nachtzeiten  Weitere Verwendungsmöglichkeiten der Software zeigten sich in der Verknüp-fung von Wellenmessungen mit aufgezeichneten AIS-Signalen. Beispielsweise konnten für den Standort Bornheim anhand von AIS-Daten einzelnen Schiffspassagen Wellenereignissen zugeordnet werden, die mit Drucksonden am Ufer gemessen wurden. Da für die Schiffspassagen neben den Schiffsabmessungen auch die Geschwin-digkeiten über Grund bekannt waren, konnten in Verbindung mit einem zwei-dimensionalen hydronumerischen Strömungsmodells, das die Ermittlung der Schiffsgeschwindigkeiten durchs Wasser ermöglicht, die die Wellenhöhen be-stimmen, Validierungsrechnungen der gemessenen Wellenhöhen durchgeführt 600 AIS-Messung auf Bundeswasserstraßen    werden, so dass anschließend eine Extrapolation der entstehenden Wellenhöhen auf einen nicht beobachteten Wasserstand möglich war.  Autoren:  Tim Feierfeil Bernhard Söhngen Andreas Orlovius  Bundesanstalt für Wasserbau Referat W4 Kußmaulstraße 17 76187 Karlsruhe   Tel.: +49 721 9726 4465 Fax: +49 721 9726 4540 E-Mail: tim.feierfeil@baw.de bernhard.söhngen@baw.de   andreas.orlovius@baw.de  Christoph Hungershöfer    Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme Universität Duisburg-Essen Bismarckstraße 69 47057 Duisburg  Tel.: +49 203 379 1811 Fax: +49 203 379 2779 E-Mail: christoph.hungershoefer@uni-due.de       

AIS-Messungen auf Bundeswasserstraßen

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/103417/1/59_Heft_53_Feierfeil_AIS-Messung.pdf

AIS-Messungen auf Bundeswasserstraßen

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