See- und Binnenhäfen sind Knotenpunkte, an denen sich die verschiedenen Transportwege für Güter treffen: Wasser, Schiene und Straße. Im Rahmen des Eureka-Clusters ITEA haben Forschende IoT-Anwendungen entwickelt, die dabei helfen, die komplexen Abläufe in den Häfen zu optimieren.
Viele Güter werden nicht nur mit einem Transportmittel bewegt. Sie werden beispielsweise per Zug zu einem Hafen transportiert, dann per Schiff zu einem anderen Hafen gebracht und dort erneut umgeladen, beispielsweise auf einen LKW. Solche multimodalen Transporte funktionieren nur dann reibungslos, wenn die Knotenpunkte zwischen den verschiedenen Verkehrswegen gut funktionieren. „Um Verkehr zu verlagern und Schiene und Wasserstraße stärken zu können, brauchen wir gut funktionierende Knoten: Seehäfen und Binnenhäfen“, bringt es Achim Klukas vom Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik IML für auf den Punkt.
Genau hier setzte ein Team von Mitarbeitenden aus 17 Einrichtungen in Deutschland, Spanien und der Türkei an. Im Rahmen des gemeinsamen Eureka-Cluster-Projekts I2PANEMA haben die Forschenden intelligente Internet-of-Things-(IoT)-Anwendungen entwickelt. Ihr Ziel war es, mithilfe moderner digitaler Technologien maßgeschneiderte Lösungen für ganz konkrete Probleme in wichtigen europäischen Häfen zu finden. Dazu hat das Projektteam sehr eng mit vier Seehäfen und drei Binnenhäfen zusammengearbeitet.
Wie funktionieren Internet-of-Things-Anwendungen?
Die Idee hinter Internet-of-Things-Anwendungen ist es, die Vernetzung nicht nur für den Austausch zwischen Menschen oder zwischen Mensch und Maschine zu nutzen, sondern auch, um Dinge direkt zu vernetzen und miteinander interagieren zu lassen. Dabei fungieren die Dinge selbst als Sensoren und Aktoren, die untereinander Daten austauschen. Ein Sensor kann beispielsweise eine Kamera sein, die erfasst, ob ein Fahrzeug an einer Ampel wartet. Die Ampel erhält diese Information und steuert dann als Aktor den Verkehr. IoT-Anwendungen sind in der Regel vernetze Systeme mit zahlreichen Sensoren und Aktoren.
Passend zum jeweiligen Anwendungsfall setzten die Forschenden von I2PANEMA unterschiedliche Sensoren ein: von Kameras und Mikrofonen bis hin zu Geräten zur Messung der Staubbelastung. Auch die Aktoren waren sehr unterschiedlich und reichten von Ampelanlagen über Lautsprecher bis hin zu Navigationsanweisungen.
Ganz unterschiedliche Problemstellungen – eine Architektur
„Da die einzelnen Business Cases sehr unterschiedlich waren, gibt es bei I2PANEMA nicht das eine Produkt. Was sie jedoch alle eint, ist die gemeinsame Systemarchitektur, die wir aufgebaut haben“, fasst Klukas das Vorgehen zusammen. „Wir konnten diese Architektur wirklich auf die unterschiedlichen Anwendungsfälle in den verschiedenen Ländern anwenden. Sie passte für die Häfen in Deutschland, der Türkei und Spanien“, ergänzt Franz-Josef Stewing, der Projektleiter.
Im Hamburger Hafen wurde beispielsweise der Stromverbrauch der anlegenden Schiffe vorausberechnet, damit entsprechend viel Strom bestellt werden konnte. Die einfahrenden Schiffe werden dazu sehr genau lokalisiert. Mithilfe aufgezeichneter Ankunftszeiten und Stromabnahmen wird mittels KI vorhergesagt, wann wie viel Strom benötigt wird. Durch passgenaue Strombestellungen wird verhindert, dass kurzfristig Strom zu höheren Preisen nachgeordert werden muss.
Lärmschutz ohne Lärmschutzwand
Die in vielen Häfen zum Verladen von Containern eingesetzten, auf Schienen fahrenden Portalkräne sind sehr groß und bewegen sich über weite Strecken. Um angrenzende Stadtviertel vor den Geräuschen beim Verladen abzuschirmen, müssten Lärmschutzwände sehr lang und hoch sein. Im Nürnberger Hafen wurde im Rahmen von I2PANEMA mit Active Noise Control Lärmschutz ohne eine solche Wand realisiert.
Wie funktioniert Active Noise Control?
Geräusche werden in der Luft als Druckwellen übertragen und bewegen dann das Trommelfell im Ohr. Gelingt es, dem Ursprungsgeräusch genau entgegengerichtete Druckwellen zu erzeugen, heben diese sich auf und das Trommelfell wird nicht in Schwingungen versetzt. Dieses Prinzip wird beispielsweise in Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung verwendet. Es kann aber auch im Freien eingesetzt werden, was allerdings deutlich komplexer ist.
Hier fungieren Mikrofone als Sensoren und Lautsprecher als Aktoren. Sie sind vernetzt, sodass das intelligente System in Echtzeit die passenden entgegengerichteten Schallwellen berechnen und über die Lautsprecher senden kann. Das gesamte Lärmschutzsystem ist am Gerüst des Krans montiert und bewegt sich mit diesem mit. Die Mikrofone, die den Schall erfassen, sind am Greifer befestigt. Die Geräusche beim Greifen und Bewegen der Container variieren stark je nach Bauart, Gewicht und Art der Ladung. Diese unterschiedlichen Geräusche werden erfasst und durch den in Echtzeit errechneten „Antischall“ in den Lautsprechern vermindert.
„Wir haben eine durchschnittliche Reduzierung der Lärmemission um 5 dB(A) erreicht. Das ist sehr viel. Wir konnten den hörbaren Lärm somit fast halbieren“, fasst Klukas das Erreichte zusammen. Für dieses System wurde das Team 2021 mit dem Innovationspreis „Intelligenz für Mobilität, Transport & Logistik“ von CNA, einem Thinktank für Transport, Verkehr und Logistik, ausgezeichnet. Nach Anpassungen kann das System auch an weiteren Kranstandorten eingesetzt werden, ebenso sind Anwendungen bei Industrieanlagen denkbar. In einem anderen Projektkontext wird bereits eine Anwendung für vorbeifahrende Züge getestet.
Herausforderungen, Erfolge und Ausblick
Trotz der durch die Corona-Pandemie bedingten Einschränkungen – insbesondere die Reisebeschränkungen erschwerten die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Ländern – konnten für die verschiedenen Anwendungsfälle jeweils passende Lösungen gefunden werden. Die längere Laufzeit des Projekts, die durch die Pandemie begingt war, ermöglichte an einer Stelle auch größere Fortschritte: Ein Anwendungsfall war die Digitalisierung der oft mehrere hundert Seiten starken Logbücher der Schiffe. Die entwickelten „Smart Logbooks“ und die zugehörige Infrastruktur müssen den komplexen internationalen Anforderungen und hohen Sicherheitsstandards entsprechen. Im Zusammenhang mit I2PANEMA wurde eine internationale Norm für intelligente Anwendungen in der Seeverkehrstechnik (ISO 4891) erarbeitet, die nun zur Abstimmung vorliegt. Das I2PANEMA-Team wurde außerdem im Jahr 2023 mit dem „Award of Excellence“ des Eureka-Clusters ITEA ausgezeichnet.
Die entwickelten Architekturen und IoT-Anwendungen finden in vielen Anwendungsbereichen Verwendung, die nicht auf Häfen beschränkt sind. Die Steuerung des Lkw-Verkehrs ist beispielsweise auch für Gewerbegebiete und das Umfeld von Güterbahnhöfen wichtig. Das Messen von Emissionen und das Steuern von Verladezeiten in Abhängigkeit von Windrichtung und Wetterlagen kann auch bei Verladevorgängen an verschiedensten Produktionsstätten genutzt werden. Ein breiter wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Nutzen dieser Anwendungen ist leicht vorstellbar. Um den Fluss der internationalen Warenströme weiter zu optimieren, werden einige der Themen von I2PANEMA außerdem in Folgeprojekten weiterverfolgt, wodurch die Erfolge verstetigt werden.
Projekttitel: Intelligent IoT-based Port Artefacts Communication, Administration & Maintenance (I2PANEMA)
Laufzeit: 10/2018 – 12/2022
Partnerländer: Spanien, Türkei
Artikel vom 23.10.2024