SCHIFFÜBERWACHUNGSEINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG DER ANNÄHERUNG AN WASSERSTRASSENBAUWERKE DURCH SCHIFFE

Abstract

 Eine Schiffüberwachungseinrichtung zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke (3) durch Schiffe (2a, 2b) mit mindestens einer an der Wasserstraße (1) installierten Sensoreinheit (S1, S2, S3), die zur Erfassung von Schiffen (2a, 2b), die sich einem Wasserstraßenbauwerk (3) annähern, eingerichtet ist und mit einer mit der mindestens einen Sensoreinheit (S1, S2, S3) verbundenen Überwachungseinheit (4), wird beschrieben. Am seitlichen Ufer (U) der Wasserstraße (1) sind in Annäherungsrichtung an das Wasserstraßenbauwerk (3) eine erste Sensoreinheit (S1) und eine zweite Sensoreinheit (S2) hintereinander angeordnet. Die erste Sensoreinheit (S1) ist benachbart zu dem zu überwachenden Wasserstraßenbauwerk (3) angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen (2a) in einem Einfahrtsbereich (EB) der Wasserstraße (1), welcher der Einfahrt in oder unter das Wasserstraßenbauwerk (3) benachbart ist, eingerichtet. Die zweite Sensoreinheit (S2) ist relativ zu der ersten Sensoreinheit (S1) weiter entfernt von dem Wasserstraßenbauwerk (3) angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen (2a) in einem Annäherungsbereich (AB) der Wasserstraße (1), welcher dem Einfahrtbereich (EB) in Anfahrtrichtung (A) vorgelagert ist, eingerichtet. Die Überwachungseinheit (4) ist zur Bestimmung eines Kollisionsrisikos des mit der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit (S1, S2) erfassten Schiffes (2a) mit dem Wasserstraßenbauwerk (3) und zur Aufzeichnung der von den Sensoreinheiten (S1, S2, S3) erfassten Sensordaten eingerichtet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schiffüberwachungseinrichtung zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke durch Schiffe mit mindestens einem an der Wasserstraße installierten Sensor, der zur Erfassung von Schiffen, die sich einem Wasserstraßenbauwerk annähern, eingerichtet ist und mit einer mit dem mindestens einen Sensor verbundenen Überwachungseinheit.

[0002] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke durch Schiffe mit einer solchen Schiffüberwachungseinrichtung.

[0003] Das Unterfahren von Flussquerungen (z.B. Brücken) durch Schiffe birgt eine Kollisionsgefahr bei der neben dem Schiff auch die Konstruktion der Querung elementar beschädigt werden kann. In der europäischen Binnenschifffahrt bilden Anfahrungen von Brücken und anderen Infrastrukturen einen Anteil von rund 40% an den Gesamtunfällen. Unfallanalysen identifizierten menschliches Versagen als überwiegende Ursache für die Kollisionen. In den vergangenen Jahren gab es auch mehrere Fälle mit tödlichem Ausgang.

[0004] Kommt es zu einer Beschädigung einer Querung, ist diese bis zu der Prüfung durch ein statisches Gutachten nicht benutzbar (z.B. Fußgänger, Zug, Autos). Flussquerungen sind auch Nadelöhre der Energie- und Kommunikationsversorgung eines Landes. Von der Logistik abhängige Unternehmen sind von den Brücken abhängig und erleiden erhebliche wirtschaftliche Schäden. Kommt es bei der Querung bei Unterfahrt zu einer Kollision, werden häufig als erstes Gas,- Wasser-, Fernwärme, Strom oder Kommunikationsverbindungen, die im Allgemeinen unter einer Brücke verlaufen, beschädigt.

[0005] Werden Schiffe bei Unterfahrt beschädigt, kommt es häufig zu einer Havarie, z.B. Untergang oder Querstellung des Schiffes, so dass auf den engen Wasserstraßen bis zur Bergung des Havaristen zu einer Vollsperrung der Wasserstraße kommen kann. Das Wasserstraßennetz in Deutschland bietet bis auf zwei spezifische Routen keine Ausweichmöglichkeit auf eine alternative Route.

[0006] Brückenbetreiber und Schiffsführer stehen vor folgenden spezifischen Problemen:

a) Einschätzung der Durchfahrtshöhe:
Die meisten Querungen haben eine fixe Bauhöhe und keine beweglichen Brückenelemente. Die Durchfahrtshöhe hängt hier von dynamischen Parametern ab, wie z.B. der Pegelstand (beeinflusst u.a. vom Gezeitenwechsel im Minutenverlauf, Durchflussmenge im Fluss über den Jahresverlauf, Verdrängung der Wassermassen durch Schiffe), der Tiefgang und die Höhe des Schiffes (Ballast, Zuladung und in der Höhe verstellbare Fahrstände), die Höhe der Zuladung (Stückguttransport (Container), und der Transport von Sondergut (z.B. Offshorebauten). Hinzu kommen Einflüsse der Infrastruktur, wie z.B. eine am Berg durch Öffnen einer Schleusenkammer erzeugte Schleusenwelle. Auch navigatorischen Entscheidungen haben einen Einfluss, wie z.B. das Verhältnis Geschwindigkeit zur Wasserverdrängung, welche temporär den Tiefgang des Schiffes beeinflusst. Manuelle Pegelablesungen an Messlatten können durch Schleusenwellen als auch durch die Bugwelle des eigenen Schiffes beeinflusst werden und bilden daher punktuell höhere Pegel ab.

b) Aufmerksamkeit:
Die Brückenhöhen sind zu einem genormten "Normalnull"-Wert in den offiziellen elektronischen Seekarten ausgewiesen. Es herrscht im Allgemeinen Nutzungspflicht von Karten für die Navigation auf Wasserstraßen. Ein Binnenschiffsführer unterfährt täglich zahlreiche Brücken in unterschiedlichen Höhen. Individuelle Ziele eines kosteneffizienten Transports führen zu maximal möglichen Beladungen, maximal möglichen Fahrzeiten und diese zu Müdigkeit, Unaufmerksamkeit, Verwechselungsgefahr, sowie Fehleinschätzungen. Auch sich öffnende Querungen erfordern eine besondere Aufmerksamkeit bei schlechter Sicht: Drehbrücken können dem Schiff entgegenkommen. Zahlreiche Havarien entstehen auch bei zu frühzeitiger Einfahrt bei sich nach oben öffnenden Brücken.

c) Reaktionsgeschwindigkeit:
Allerdings bedingt die Trägheit der Wasserfahrzeuge, dass Manöverentscheidungen frühzeitig getroffen werden müssen, um Unfälle zu vermeiden. Der Fahrstand eines Binnenschiffes ist bei Fahrt im Sinne einer besseren Übersicht üblicherweise ausgefahren, bildet somit den höchsten Punkt eines Schiffes und muss bei einer Brückenunterfahrung daher häufig eingefahren werden. Die häufigsten durch menschliches Versagen verursachten Unfallursachen sind eine vergessene Absenkung des Fahrstandes, keine Absenkung des Fahrstandes und Fahrfehler.

d) Enge Unterfahrbereiche:
In Abhängigkeit des Pegelstandes und perspektivisch mit dem fortschreitenden Klimawandel werden die Fahrrinnen enger und Sedimentverschiebungen insb. bei Unwetter und Überschwemmungslagen verändern erfahrende und damit gelernte Anfahrten. Schiffe unterfahren nicht nur einzeln, sondern auch in sog. Schubverbänden Brücken und haben dann hohe Schiffslängen oder -breiten und erfordern eine hohe Aufmerksamkeit in Hinblick auf eine gerade (oder bewusst schräge) und ggf. genau mittige Durchfahrt (in Abhängigkeit der Brückenkontur oder des Bauwerks im Allgemeinen).

e) Umwelteinflüsse:
Größere bauwerkliche Querungen, die auch durch seegängige Schiffe unterfahren werden, bergen weitere nautische Herausforderungen, da sich die auf das fahrende Schiff wirkende Kräfte (insb. Wind und Strömungen) vor, während, und nach der Durchfahrt durch bauwerkliche Verschattungen sprunghaft ändern. Vor allem in Bereichen mit Querströmungen sind die Auswirkungen der Umwelt unvorhersehbar.

[0007] Aufgrund dieser Probleme sind Infrastrukturbetreiber im Schadensfall häufig die Leidtragenden, da die Kosten für Sachverständige, die häufig langjährige rechtliche Auseinandersetzung, sowie Rück- und Wiederaufbau der beschädigten Anlagen, sowie Betriebsausfälle bei Ihnen verbleiben.

[0008] Zur Adressierung dieser Probleme bedarf es eines Systems, welches den Schiffsverkehr im Bereich von Wasserstraßenbauwerken, wie insb. Flussquerungen und Schleusen, assistiert, überwacht und automatisiert schiffsspezifische und situationsspezifische, absolute Höhenmessungen bereitstellt und im Schadensfall beleghaft den Unfallhergang dokumentiert.

A) Schiffsgestützte Schiffsüberwachungseinrichtungen:

[0009] Am Markt sind bereits mehrere schiffsgestützte Lösungen verfügbar. Diese verwenden:

• Laser-Scanner, die auf dem Dach der Brücke installiert die Höhe der Brücke in Bezug zur Höhe im Anlauf sowie die Anlaufgeschwindigkeit zur Brücke messen. Ein auditiver und/oder visueller Alarm kann von der Schiffsführung in Bezug auf Geschwindigkeit, Zeit und Kollision konfiguriert werden.
• Radar mit Radarmessungen von Radaren, die üblicherweise an einem Mast am Bug oder als Brückendachaufbau des Schiffes realisiert sind. Das System nutzt Pegeldaten und kann über Radar die Brückenhöhe erfassen. Es lässt sich ein Mindestabstand zur Brücke konfigurieren der eingehalten werden muss. Anderenfalls meldet das System einen Alarm.
• GPS. Das System bezieht Pegeldaten aus dem Vorhersagesystem der Behörden, wie auch Brückenhöhen aus Kataster- oder Kartendaten der Behörden. Bordseitig installiert werden Höhensensoren, die mutmaßlich die eigenen Aufbauhöhen des Schiffes (Brücke, Masten) messen. Über die GPS-Position des Schiffes wird Abstand und Fahrzeit bis zur nächsten Querungsunterfahrung berechnet und in konfigurierbaren Schwellwerten gewarnt, wenn die gemessene Aufbautenhöhe plus die Pegelvorhersage größer als die Durchfahrtshöhe der Brücke ist.

[0010] In der Forschung wurden weitere Ideen erprobt:

• DGNSS, wobei die Höhe des Schiffes über einen DGNSS Sensor über das globale Satellitensystem bestimmt wird (geodätische Höhe). Sodann wird die Differenz zwischen der geodätischen Höhe und der Brückenhöhe aus Kartendaten bestimmt.
• Laser- und kamerabasierte Vermessungen von Brückenkonturen. Über bordseitige Aufnahmen erfolgten eine dreidimensionale Rekonstruktion des Brückenmodells und eine hochgenaue Vermessung der Kontur. Diese Daten könnten für o.g. Systeme genutzt werden.
• Bestimmung der Brückenhöhe mittels SAR6- Systeme der Fernerkundung werden genutzt, um Brücken hochgenau zu vermessen.

[0011] Die einfachste Lösung sind Kamerasysteme. Die Messqualität von Kameras ist abhängig von den Umweltbedingungen. Nacht, Nebel, Niederschlag, Verschmutzung oder Spinnenweben auf der Linse sorgen unmittelbar für eine schlechte Bildqualität. Über Kameras lassen sich Personen identifizieren. Daher ist der Kameraeinsatz in Europa üblicherweise aufgrund der Bestimmungen des Datenschutzes sehr eingeschränkt oder nur für die Ausübung hoheitlicher Aufgaben möglich.

B) Bordseitige Systeme zur Kollisionsvermeidung:

[0012] US 10,147,323 B2 offenbart ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug, das mindestens eine Kamera am Fahrzeug und ein äußeres Sichtfeld zumindest in einer Richtung der Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs umfasst. Eine Steuerung hat einen Bildprozessor, der so betreibbar ist, dass er von der Kamera aufgenommene Bilddaten verarbeitet. Die Steuerung bestimmt zumindest teilweise in Reaktion auf die Bildverarbeitung der aufgenommenen Bilddaten einen projizierten Fahrweg des Fahrzeugs und dessen Breite. Die Steuerung reagiert zumindest teilweise auf die Bildverarbeitung der erfassten Bilddaten, erkennt ein Objekt, das sich vor dem Fahrzeug befindet, und bestimmt die Position des erkannten Objekts im äußeren Sichtfeld der Kamera. Die Steuerung kann anhand der ermittelten Breite des projizierten Fahrwegs und der ermittelten Position des erkannten Objekts bestimmen, ob das Fahrzeug über einen ausreichenden Abstand verfügt, um das erkannte Objekt zu passieren.

[0013] US 3,660,846 A beschreibt ein radarbasiertes System zur Kollisionsvermeidung, bei dem Objekte in verschiedenen Radarreichweiten erkannt werden. Dabei können Anlegemanöver von Schiffen durch Erkennen unspezifischer Objekte und Ausgabe eines Alarms unterstützt werden.

[0014] US 7,679,530 B2 offenbart ein Kollisionsvermeidungssystem mit einem bordseitig installiertem Kamerasystems, welches an einer höher liegenden Position auf einem Schiff montiert wird. Mit Positionsinformationen eines optischen Sensors von mindestens einem auf der Meeresoberfläche sichtbaren Objekt wird eine Antikollisionsanalyse durchgeführt, die die Entwicklung der Positionsinformationen des sichtbaren Objekts periodisch berechnet und das Risiko einer Kollision des Wasserfahrzeugs mit dem sichtbaren Objekt entsprechend der Entwicklung der Positionsinformationen des sichtbaren Objekts bewertet. Der optische Sensor umfasst mindestens eine Videokamera, die in Bezug auf das Wasserfahrzeug feststehend ist und kontinuierlich mindestens einen wesentlichen Teil des Horizonts abdeckt. Eine Herausforderung ist dabei insb. die Stabilität der Messung hinsichtlich Schwankungen der Schiffe.

[0015] US 5,933,110 A beschreibt ein DGPS-basiertes System (DPGS = Differentielles Globales Positionierungssystem), welches auf Basis von zwei auf dem Schiff montierten Empfängern die Ausrichtung des Schiffes zwecks Kollisionsvermeidung bestimmt.

[0016] DE 10 2008 030 978 A1 offenbart ein Brückenkollisionswarnsystem für die Binnenschifffahrt mit auf dem Binnenschiff verbauten hydrostatischen Messdosen, Seilzugsensoren, Drehgebern, Endschaltern und anderen Messmitteln zum Erhalt von Messwerten, welche die auf dem Deck montierten Aufbauten messen und überwachen bzw. die Tauchtiefe feststellt. Die Messwerte werden an eine elektronische Recheneinheit, die mit einem Pufferspeicher verbunden ist weiterleitet. Dort werden die gemessen Höhenwerte in einer Auswerteeinheit auswertet, es wird mit einem über eine GPS Antenne empfangenem Signal die momentane Position des Schiffes feststellt, diese mit einer im Pufferspeicher abgelegten Tabelle, in der alle Durchfahrtshöhen von aus nautischen Karten bekannten Brücken und Wasserstraßenüberquerungen gelistet sind oder mit einer Navigations-Software verglichen und zu im Umkreis von 500 Meter liegenden Bauwerken, die die Wasserstraße kreuzen abglichen und feststellt, ob mit diesen eine Kollisionsgefahr besteht. Für den Fall, dass eine Kollisionsgefahr besteht, wird dies auf einem im Fahrstand positionierten Display angezeigt.

C) Landseitig aufgestellte Kollisionsvermeidungssysteme:

[0017] US 2006/244 826 A1 offenbart ein Überwachungssystem und ein Überwachungsverfahren für Schiffe. Das System umfasst Überwachungsmittel zur Überwachung einer Wasserstraße; Schiffsdetektionsmittel zur Bestimmung der Anwesenheit und des Standorts eines Schiffs in der Wasserstraße auf der Grundlage von Informationen von den Überwachungsmitteln; Kameramittel zur Aufnahme eines oder mehrerer Bilder des Schiffs; und Bildverarbeitungsmittel zur Verarbeitung der von den Kameramitteln aufgenommenen Bilder zur Ableitung von Überwachungsdaten. Die Kameramittel nehmen die Schiffsbilder auf der Grundlage von Informationen von den Schiffsdetektionsmitteln, den Überwachungsdaten von den Bildverarbeitungsmitteln oder beidem auf. Die Bilder können verwendet werden, um das Schiff nach Namen und Kategorie zu klassifizieren und zu identifizieren, möglicherweise auch, um die Kategorie mit der zuvor für ein Schiff dieses Namens registrierten Kategorie zu vergleichen. Das Schiff kann verfolgt werden, einschließlich Geschwindigkeit und Richtung, bis es die überwachte Wasserstraße verlässt.

[0018] CN 107886775 B beschreibt ein Kollisionsvermeidungssystem mit Brückenpfeilern. Es wird eine geographische Region im Vorlauf zur Brücke überwacht, welche das 2-3-fache der Schiffslänge entspricht. Schiffspositionen werden über AIS (Automatisches Identifikations-System / "Automatic Identification System") identifiziert. Für Schiffe die in das Warngebiet einlaufen wird über AIS die Breite des Schiffes ausgelesen und mit Kartendaten über die Durchlaufbreite der Brücke abgeglichen. Weiterhin wird das Fahrrichtung des Schiffes aus dem AIS-Signal ausgelesen. Bei einer Toleranz von 2 Grad auf einen Brückenpfeiler wird ein Alarm ausgelöst. Es wird aus diesen Berechnungen eine Risikoeinschätzung in drei Warnstufen vorgenommen, in die auch die Schiffsgeschwindigkeit (aus AIS ermittelt) einspielt wird. Die Warnung wird über Sprechfunk an die Schiffsführung übermittelt. In der Karte ist ein Korridor im Zulauf auf die Brücke ausgewiesen.

[0019] CN 113721262 A offenbart ein Warnsystem, welches die Schiffshöhe- und Fahrtrichtung mittels zwei an der Brücke installierten Lasersensoren frontal in der Zufahrt erfasst. Dabei erfasst ein erster Sensor die Orientierung des Schiffes zwecks Warnung hinsichtlich einer Kollision mit einem Brückenpfeiler. Ein zweiter Sensor erfasst die Schiffshöhe zur Vermeidung einer Kollision mit der Querung. Der zweite Sensor wird dafür an der Brücke auf Höhe der maximalen Durchfahrtshöhe installiert.

[0020] CN 118134989 A offenbart ein Höhenmesssystem basierend auf der Fusion von AIS, RADAR und Kameradaten. Das System wurde entworfen um große Seegebiete im Vorfeld einer Brücke zu beobachten. Dabei werden Schiffe über die Kamera, AIS und Radar verfolgt. Über die Kamera wird die Höhe bestimmt und in einer Datenbank gespeichert. Die Höhenberechnung erfolgt auf den Kameradaten und einer Serie von Bildern, die über eine Zeitspanne in unterschiedlichen Positionen des Schiffes aufgenommen wurden. Für die Höhenbestimmung wird die Standardverteilung über die Aufnahmen betrachtet. Ausreißer werden vorab entfernt und sodann wird der Mittelwert genutzt. Dieser wird dann über Korrekturkoeffizienten, je nach dem Gebiet, in dem das Schiff zur Aufnahme befand, korrigiert. Es erfolgt eine Priorisierung der Aufnahmen der unterschiedlichen Schiffe im beobachteten Seegebiet.

[0021] KR 10-2112000 B1 beschreibt ein Brückenwarnsystem, um Beschädigungen an Brückenpfeilern zu verhindern. Das Brückenwarnsystem ist an Land oder auch direkt an der Brückenstruktur installiert, ohne dass eine Höhenmessung durchgeführt wird. Es werden geografische Warngebiete vorab definiert und das System identifiziert mittels Radar Schiffe und steuert auf Basis dieser Informationen eine Pan-/Tilt-/Zoom-Kamera zur Aufzeichnung der Fahrt des Schiffes und zu dessen genauer Identifikation. In Warngebiete einlaufende Schiffe werden per Funk (VHF) oder gerichteter Beschallung über Lautsprecher gewarnt. Das System ist insbesondere für lange Reichweite geeignet, da es auf einem X-Band Radar basiert.

[0022] Grundsätzlich problematisch an bestehenden bordseitig installierten Lösungen ist folgendes:

• die Positionierung des Sensors auf dem Schiff ist ohne Verschattungen nur auf Dach des Fahrstands möglich. Wird der Fahrstand zur Brückenunterfahrt heruntergefahren, hat der Sensor je nach Ladungshöhe keine Sicht auf die angefahrene Brücke.
• kurze Messdistanz von bordseitig installierten Sensoren:

  aktuelle Laser Scanner bieten bei schlechten Bedingungen (Nebel und Regen) nur zuverlässige Messwerte bis ca. 100 m, welches bei Annahme einer Installation auf dem Brückendach gerade mal der Schiffslänge entspricht, wohingegen Behörden minimale Warndistanzen von 300 m erfordern, um ein rechtzeitiges Herunterfahren der Brücke zu ermöglichen. Bei zu hoher Fracht sind je nach Navigationsfähigkeit und

  Größe des Schiffes weit größere Distanzen zu berücksichtigen, um ein Stoppen des Schiffes noch vor der Brücke sicherzustellen. Weiterhin haben aktuelle Laser Scanner eine begrenzte Winkelauflösung, welche bei Messdistanzen über 100 m und bereits unter Annahme keines Messfehlers zu einer nicht ausreichenden Messauflösung (>10 cm) führen.

• Eingeschränkte Genauigkeit:
  Die aktuelle RADAR Technologie erreicht aufgrund von Störungen (Mehrfachreflexionen) nur eine praktisch nutzbare Genauigkeit im Meterbereich. Zudem ergeben sich Probleme in der Erfassung nicht-metallischer Ziele und der Genauigkeit (Auflösung) der Sensorik, die in vielen Fällen gar nicht detektiert werden können.
• Anfälligkeit der Sensorik gegenüber Schwankungen:
  Je höher die Messdistanz, desto stärker beeinflussen bereits geringe Schwankungen des Schiffes (insb. Rollbewegungen) die Messung.
• fehlende Integrität.
  Alle bekannten bordseitigen Lösungen setzen nur auf eine Sensortechnologie zur Messung. Messfehler, die durch Schlechtwetterbedingungen verursacht werden, lassen sich ohne eine Integritätsprüfung nicht erkennen.
• Nichtverfügbarkeit von genauen Brückeninformationen (z.B. Konturen oder sog "Features"), um Verschattungen der Messung auszuschließen.
• Relative Messung:
  Es wird die Höhe des Sensors zur Brückenhöhe in Beziehung gesetzt und die Geodäsie eines Fließgewässers bleibt unberücksichtigt. Die relative bordseitige Messung der Brückenhöhe verändert sich jedoch während der Anfahrt bei Berg und Talfahrt auf die Brücke.
• Komplexität der Umsetzung:
  Dies führt zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit, zu Investitionskosten und Betriebsausfall bei Installation in einer investitionsscheuen Branche.
• Fehlende Berücksichtigung von Folgefahrten und Schubverbänden:
  Ein vorausfahrendes Schiff kann die Brücke verdecken und eine bordseitige Messmöglichkeit einschränken. Schubverbände erhöhen die Messdistanz zwischen dem Fahrstand und der Querung.
• Die Binnenschifffahrt ist insgesamt wenig investitionsfreudig und entsprechend ist die Flotte in Deutschland technisch stark überaltert:
  Es ist daher nicht davon auszugehen, dass sich bordseitige Lösungen in ausreichendem Maße durchsetzen werden. Auch ist anzunehmen, dass die größte Kollisionsgefahr von den Schiffen mit dem geringsten technischen Ausrüstungsstand ausgeht.

[0023] Grundsätzlich problematisch an bestehenden Lösungen zur Installation an Brücken ist:

• Durch Anbringung der Messsensorik an der Brücke werden nur geringe Distanzen erzielt (z.B. Laser 200 - 300 m bei optimalen Wetterbedingungen). Der höchste Punkt eines Binnenschiffs ist häufig der ausgefahrene Fahrstand, der sich am Heck des Schiffes befindet. Bei üblichen Schiffslängen von über 100 m wird diese erst von der Sensorik erfasst, wenn der Schiffsbug bereits unmittelbar vor der Brückeneinfahrt steht. Damit lässt sich eine Warnung nur sehr kurz vor der Kollision zustellen und es hängt von der Reaktionszeit der Schiffsführung sowie der Geschwindigkeit der Absenkhydraulik der Brücke ab, ob eine Kollision noch vermieden werden kann. Ein Ausweichmanöver des Schiffes ist zu diesem Zeitpunkt höchstens bei Fahrt zu Berg denkbar, birgt aber die Gefahr einer Querstellung des Schiffes.
• Die an der Brücke angebrachte Sensorik ist den sich kontinuierlich ändernden Schwingungen des querenden Verkehrs ausgesetzt. Hohe Belastungen können auch - je nach Brückenkonstruktion - zum temporären "Durchhängen" der Querung - je nach Brückenlänge, um mehrere Zentimeter, und damit zur Verringerung der Messgenauigkeit führen, die sich über die Messdistanz schon bei minimalen Verdrehungen der Sensorik von Fehlern im Dezimeter- bis Meterbereich abbildet.
• Querungen liegen häufig nicht an geradlinig verlaufenden Wasserstraßen. Somit ist die Messweite der Sensorik bereits physikalisch auf die erste Biegung des Flussverlaufes beschränkt und insbesondere die Brückenaufbauten am Heck bleiben lange verschattet. Navigatorisch bedingt laufen in diesem Falle die Schiffe die Querung dann häufig auch nicht im rechten Winkel an, so dass ein weites Messfeld bzw. mehrere Sensoren erforderlich sind um den Anlauf des Schiffes in Gänze zu erfassen.
• Die Sicherstellung der Integrität des Messsystems ist bei Blick der Sensorik auf den Flussverlauf schwer sicherzustellen und bedingt häufig weiterer Aufbauten, wie bspw. Reflektoren an festen Positionen der Wasserstraße, die durch die Sensorik zwecks Integritätsprüfung beobachtet werden.
• Zu- und Abflüsse von Schleusen, sogenannte Schwall- und Sunkwellen, die zur Veränderung des Wasserstandes führen, lassen sich nicht erfassen. Weiterhin muss zusätzliche Sensorik in die Brücke integriert werden, um bei beweglichen Querungen den Öffnungsgerad bzw. die veränderte Durchfahrtshöhe zu erfassen.
• Eine Installation von Sensorik an historischen Brücken ist aus Gründen des Denkmalschutzes nicht oder ggf. nur eingeschränkt möglich.

[0024] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Schiffüberwachungseinrichtung und ein verbesserstes Verfahren zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke durch Schiffe zu schaffen.

[0025] Die Aufgabe wird mit der Schiffüberwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit dem Verfahren zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke durch Schiffe mit einer Schiffüberwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0026] Es wird vorgeschlagen, dass am seitlichen Ufer der Wasserstraße in Annäherungsrichtung von Schiffen an das Wasserstraßenbauwerk eine erste Sensoreinheit und eine zweite Sensoreinheit hintereinander angeordnet sind, wobei die erste Sensoreinheit benachbart zu dem zu überwachenden Wasserstraßenbauwerk angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen in einem Einfahrtsbereich der Wasserstraße, welcher der Einfahrt in oder unter das Wasserstraßenbauwerk benachbart ist, und die zweite Sensoreinheit relativ zur ersten Sensoreinheit weiter entfernt von dem Wasserstraßenbauwerk angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen in einem Vorwarnbereich der Wasserstraße, welcher dem Einfahrtbereiches in der Annäherungsrichtung vorgelagert ist, eingerichtet ist, und dass die Überwachungseinheit zur Bestimmung eines Kollisionsrisikos des mit der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit erfassten Schiffes mit dem Wasserstraßenbauwerk und zur Aufzeichnung der von den Sensoreinheiten erfassten Sensordaten eingerichtet ist.

[0027] Unter "lateral" wird die Erfassung der Schiffe von der Seite im Wesentlich entlang der Länge des erfassten Schiffes vom Uferbereich aus verstanden. Mit einer solchen lateralen Erfassung der Schiffe kann einerseits das Bewegungsprofil in Annäherungsrichtung an das Wasserstraßenbauwerk und andererseits auch das Höhenprofil und seine Veränderung während der Vorwärtsfahrt bspw. durch Wellenschlag erfasst werden. Damit kann eine maximale Höhe des erfassten Schiffes über Normal-Null, die während eines Fahrtabschnittes eingenommen wird, gemessen und mit einem Höhen-Schwellwert, ggf. mit Sicherheitszuschlag auf die maximale Höhe, verglichen werden, um eine Kollisionsgefahr mit einer Überquerung, z.B. Brücke, zu ermitteln. Durch die laterale Erfassung ist der Erfassungsweg im Vergleich zur frontalen Erfassung von Schiffen mit Sensoreinheiten auf dem Wasserstraßenbauwerk deutlich reduziert. Zudem kann das Fahrprofil des erfassten Schiffes bei der Anfahrt auch über gekrümmte Wasserstraßen oder im Bereich von Abzweigungen vor einem Wasserstraßenbauwerk aufgenommen werden.

[0028] Ein Wasserstraßenbauwerk kann beispielsweise eine Querung, wie z.B. eine Hochbrücke, eine Drehbrücke, eine Klappbrücke und dergleichen, eine Schleuse mit bei der Einfahrt gefährdeten Schleusentoren und Kaimauern, ein Wehr oder sonstiges im Wasserweg angeordnetes oder den Wasserweg über- oder unterquerendes Bauwerk sein.

[0029] Alternativ oder zusätzlich zur Höhe des erfassten Schiffes kann somit auch der hieraus ableitbare Tiefgang von Relevanz sein, um eine Kollision mit dem Grund des Wasserweges oder dort angeordneten Einrichtungen, wie Kabeltrassen oder Schwellen, zu verhindern.

[0030] In Annährungsrichtung nach der ersten und zweiten Sensoreinheit kann hinter dem Wasserstraßenbauwerk eine dritte Sensoreinheit zur Erfassung von Schiffen in einem Ausfahrtbereich der Wasserstraße aus dem Wasserstraßenbauwerk bzw. für den Gegenverkehr in gegenläufiger Verkehrsrichtung zur Erfassung von entgegenkommenden Schiffen im Gegen-Einfahrtsbereich des Wasserstraßenbauwerkes eingerichtet sein.

[0031] Die dritte Sensoreinheit kann ebenso am seitlichen Ufer der Wasserstraße angeordnet sein.

[0032] Die erste und zweite Sensoreinheit kann auf derselben Uferseite angeordnet sein. Denkbar ist aber auch, dass die erste und zweite Sensoreinheit auf einander gegenüberliegenden Uferseiten angeordnet ist. Bei der Auswahl können die Sichtbedingungen und die Hauptfahrinne für die Anfahrtsrichtung der sich dem Wasserstraßenbauweg annähernden Schiffe eine Rolle spielen. Wenn die Sensoreinheiten auf der Uferseite angeordnet sind, welche der Hauptfahrrinne am Nächsten liegt, kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Schiffserfassung verbessert werden.

[0033] Die dritte Sensoreinheit kann auf der Uferseite der Wasserstraße angeordnet sein, welche der Uferseite der ersten und zweiten Sensoreinheit gegenüberliegt.

[0034] Die Überwachungseinheit kann zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe eingerichtet sein von:

• Sicherheitsabstand zu einer Höhenbegrenzung des Wasserstraßenbauwerkes;
• Sicherheitsabstand zu Fahrwegbegrenzungen des Wasserstraßenbauwerkes im Fahrweg der Wasserstraße;
• Anfahrtwinkel zum Wasserstraßenbauwerk relativ zu einer Soll-Annäherungsrichtung;
• sich in Gegen-Verkehrsrichtung annähernder Gegenverkehr.

[0035] Die Überwachungseinheit kann zum Empfang Schiffsdaten, welche ein erfasstes Schiff und Eigenschaften des Schiffes charakterisieren, zur Zusammenführung der Schiffsdaten mit den von den Sensoreinheiten erfassten Sensordaten und zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit den zusammengeführten Daten eingerichtet sein.

[0036] Die Überwachungseinheit kann zum drahtlosen Übertragen des mit der Überwachungseinheit erfassten Kollisionsrisikos eines erfassten Schiffes an das erfasste Schiff eingerichtet sein. Damit lassen sich Warnmeldungen und Führungsbefehle an das erfasste Schiff übertragen, um eine Kollision damit nach Möglichkeit noch zu verhindern.

[0037] Die Überwachungseinheit kann mit einem Datenspeicher verbunden und zum kontinuierlichen und kryptographisch abgesicherten Abspeichern der mit den Sensoren erfassten Sensordaten eingerichtet sein, sobald ein Schiff in dem Vorwarnbereich erfasst wurde. Damit ist eine dokumentensichere Aufzeichnung des vollständigen Annäherungsmanövers zur rechtzeitigen Beweissicherung im Falle eines Unfalls sichergestellt.

[0038] Die erste und zweite Sensoreinheit kann zur Erfassung des Höhenprofils des erfassten Schiffes eingerichtet sein.

[0039] Die Sensoreinheiten können mindestens einen Sensor ausgewählt aus der Gruppe haben von:

• Licht-Detektion und Abstands-Sensor (LIDAR = Light detection and ranging);
• Radar-Sensor;
• Optische Kamera.

[0040] Die Überwachungseinheit kann zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit den erfassten Sensordaten der Sensoreinheiten in Kombination mit mindestens einem weiteren Einflussinformation ausgewählt aus der Gruppe von:

• Umweltdaten, insbesondere aktuelle Windgeschwindigkeit, aktuelle Windrichtung, Sichtweite, Luftfeuchtigkeit, Niederschlagsmenge, Sonnenstand, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung, Pegelstand;
• Schiffsdaten, insbesondere Schiffspunktposition, Schiffsgröße, Schiffskennung, Kursrichtung, Schiffsgeschwindigkeit;
• Verkehrstechnische Daten, insbesondere geplanter und tatsächlicher Öffnungszeitpunkt von Schleusen, Hubbrücken oder Drehbrücken;
• vorgegebenen Idealanfahrten des Wasserstraßenbauwerkes

eingerichtet sein.

[0041] Das Verfahren zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke durch Schiffe mit einer oben beschriebenen Schiffüberwachungseinrichtung hat die Schritte:

a) laterales Erfassen von Schiffen in einem Vorwarnbereich der Wasserstraße;

b) laterales Erfassen von Schiffen in einem Einfahrtsbereich der Wasserstraße, welcher der Einfahrt in oder unter das Wasserstraßenbauwerk benachbart und dem Vorwarnbereich in Annäherungsrichtung des Schiffes an das zu überwachende Wasserstraßenbauwerk nachgelagert ist, mit einem am seitlichen Ufer der Wasserstraße angeordneten ersten Sensor;

c) Bestimmen eines Kollisionsrisikos des mit der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit erfassten Schiffes mit dem Wasserstraßenbauwerk und

d) Aufzeichnen der von den Sensoreinheiten erfassten Sensordaten.

[0042] Die Reihenfolge der Schritte ist durch die laufende alphabetische Reihenfolge nicht strikt festgelegt, sondern durch die technisch sinnvollen Abfolgen. So kann das Aufzeichnen der von den Sensoren erfassten Sensordaten (Schritt d)) während oder nach dem lateralen Erfassen von Schiffen mit der ersten Sensoreinheit im Einfahrtsbereich erfolgen, um eine vollständige Aufzeichnung des Anfahrt-Manövers eines erfassten Schiffes zu erreichen.

[0043] Das Verfahren kann die weiteren Schritte haben von:

• Erfassen von entgegenkommenden Schiffen in einem Ausfahrtbereich der Wasserstraße in erster Annäherungsrichtung aus dem Wasserstraßenbauwerk bzw. für den Gegenverkehr in gegenläufiger Verkehrsrichtung zur Erfassung von Schiffen im Gegen-Einfahrtsbereich des Wasserstraßenbauwerkes in Annährungsrichtung nach der ersten und zweiten Sensoreinheit hinter dem Wasserstraßenbauwerk mit der dritten Sensoreinheit und
• Zusammenführen der mit der ersten, zweiten und dritten Sensoreinheit erfassten Daten zur Bestimmung des Kollisionsrisikos.

[0044] Es kann ein Bestimmen des Kollisionsrisikos (Schritt c)) mit mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe:

• Sicherheitsabstand zu einer Höhenbegrenzung des Wasserstraßenbauwerkes;
• Sicherheitsabstand zu Fahrwegbegrenzungen des Wasserstraßenbauwerkes im Fahrweg der Wasserstraße;
• Anfahrtwinkel zum Wasserstraßenbauwerk relativ zu einer Soll-Annäherungsrichtung;
• sich in Gegen-Verkehrsrichtung annähernder Gegenverkehr

erfolgen.

[0045] Die Überwachungseinheit kann zur Bestimmung von Eigenschaften der erkannten Schiffe aus der Verschiebung von Bildpunkten in durch die erste Sensoreinheit und/oder zweite Sensoreinheit aufgenommenen Bildsequenzen in Bezug auf statische Bildpunkte für erfasste statische Infrastrukturmerkmale eingerichtet sein. So können Infrastrukturmerkmale, wie eine Brückenkontur oder statische Objekte entlang der Wasserstraße, wie z.B. Pfähle, Schilder und dergl. einmalig eingemessen und als Bezugsmerkmale für die erfassten Bildpunkte von Schiffen genutzt werden. Durch das Einmessen der statischen Objekte wird ein Maßstab im Sensorkoordinatensystem bereitgestellt, der zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit von sich in Bildsequenzen verschiebenden Bildpunkten des erfassten Schiffes und damit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Schiffes genutzt werden kann. Die Schiffsgeschwindigkeit lässt sich prinzipiell aus einem AIS-Signal oder aus der Bewegung von aufgenommenen Punktwolken des erfassten Schiffes bestimmen. Der Bezug der Bildpunkteverschiebung relativ zu den statischen Infrastrukturmerkmalen erlaubt eine zusätzliche Berechnung der Geschwindigkeit und eine Verifizierung der anderweitig ermittelten Schiffsgeschwindigkeit. Durch die Hinzurechnung der statischen Infrastrukturmerkmale lässt sich zudem die Wahrscheinlichkeit der Identifizierung von Schiffsmerkmalen steigern.

[0046] Es kann eine Prüfung der Integrität der lateralen Erfassung von Schiffen durch Prüfung erfolgen, ob mit der ersten Sensoreinheit und/oder zweiten Sensoreinheit entweder ein bekanntes statisches Infrastrukturmerkmal oder ein das statische Infrastrukturmerkmal verdeckendes Schiffsmerkmal eines Schiffes erfasst wurde. Damit lässt sich die Integrität der Messung sicherstellen. Bei der seitlichen Messung lassen sich statische Objekte entlang des Ufers, die sich an oder in der Wasserstraße befinden, sowie eine Brückenkontur, die von der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit erfassbar sind, als Referenz über die gesamte Messbreite verwenden. Diese Infrastrukturmerkmals können einmalig eingemessen werden. Sie können damit auch als Maßstab für die Bestimmung bspw. der Geschwindigkeit eines erfassten Schiffes genutzt werden. Es kann für die Integritätsprüfung jederzeit geprüft werden, obeine Messung erfolgreich durchgeführt wurde. Dies ist dann der Fall, wenn ein das statische Objekt verdeckender Schiffsbestandteil oder das statische Objekt selbst gemessen wurde. Falls weder das Infrastrukturmerkmal, d.h. das statische Objekt, noch ein Schiffsbestandteil gemessen wurde, liegt eine fehlerhafte Messung bzw. Störungen durch Umweltbedingungen vor, die eine Messung nicht erlauben. Ein solcher negativer Integritätscheck kann mitgeteilt werden und das System kann für den Anwender erkenntlich abgeschaltet werden.

[0047] Der unbestimmte Artikel "ein" ist in der Regel als solcher im Sinne von "mindestens ein" zu verstehen, auch wenn im Text teilweise die Klarstellung "mindestens" gebraucht wird. Nur im eindeutigen Zusammenhang mit einer genauen Anzahl kann der Begriff "ein" ausnahmsweise auch als bestimmtes Zahlwort ("1" = Eins) verstanden werden. Im Zweifel ist der Sinngehalt von "mindestens eins" aber vorrangig.

[0048] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 -

Skizze einer Draufsicht auf eine Wasserstraße mit einem Schiff, das sich über die Zeit in Anfahrtrichtung einem Wasserstraßenbauwerk nähert, sowie mit einem Schiff im Gegenverkehr im Auslassbereich;

Fig. 2 -

Flussdiagramm des Verfahrens zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke mit erster und zweiter Sensoreinheit;

Fig. 3 -

Blockdiagramm einer Schiffsüberwachungseinheit;

Fig. 4 -

Skizze einer Draufsicht auf eine Wasserstraße mit einem sich einem Wasserstraßenbauwerk annähernden Schiff und den mit den Sensoren aufgezeichneten Sensordaten mit Bewegungs- und Höhenprofil.

[0049] Figur 1 zeigt eine Skizze einer Draufsicht auf eine Wasserstraße 1 mit einem Schiff 2a, das sich in Anfahrtrichtung A einem Wasserstraßenbauwerk 3 nähert. Das Schiff 2a befindet sich zum Zeitpunkt T0 im Annäherungsbereich AB und zum späteren Zeitpunkt T1 im Einfahrtsbereich EB, wenn es sich mit der Geschwindigkeit V1 vorwärtsbewegt. Weiterhin ist ein gegenläufig zum ersten Schiff 2a fahrendes Schiff 2b im Gegenverkehr zu dem Schiff 2a, das sich in Anfahrrichtung A vorwärtsbewegt, im Auslassbereich vorhanden. Dieser Auslassbereich bildet ein Gegen-Einfahrtbereich GEB für das sich gegenläufig zur Anfahrtrichtung A bewegende Schiff 2b.

[0050] Dem Wasserstraßenbauwerk 3 ist in Anfahrtrichtung A ein Einfahrkorridor E vorgelagert. Eine erste Sensoreinheit S1 ist am Ufer U angeordnet und auf die Wasserstraße 1 quer zur Anfahrtrichtung A ausgerichtet, um in dem Einfahrtkorridor E befindliche Schiffe 2a lateral zu erfassen. Unter "quer" wird nicht genau im rechten Winkel verstanden. Die Ausrichtung der ersten Sensoreinheit S1 muss nur in einem solchen stupfen Winkel sein, dass einfahrende Schiffe 2a nicht frontal von dem Wasserstraßenbauwerk 3 erfasst werden, sondern lateral seitlich von der Uferseite.

[0051] Der Erfassungsbereich der ersten Sensoreinheit S2 muss nicht den gesamten Einfahrtkorridor E erfassen, sondern kann auch den Einfahrtsbereich EB als Teilabschnitt des Einfahrtkorridors E erfassen, oder eine sich mit dem Einfahrtkorridor E überschneidende und darüber hinaus gehende Teilmenge.

[0052] In Anfahrtrichtung A der ersten Sensoreinheit S1 ist eine zweite Sensoreinheit S2 vorgelagert, die zur Erfassung von Schiffen 2a in dem Annäherungsbereich AB eingerichtet ist. Der Annäherungsbereich AB ist dem Einfahrtsbereich EB vorgelagert und kann, wie optional dargestellt, von diesem beabstandet sein. Denkbar ist aber auch, dass der Annäherungsbereich AB in den Einfahrtsbereich EB übergeht.

[0053] In Anfahrtrichtung A hinter dem Wasserstraßenbauwerk 3 ist ein Auslassbereich bzw. Ausfahrtbereich durch eine dritte Sensoreinheit S3 überwacht. Der Ausfahrtbereich bildet einen Gegen-Einfahrtsbereich GEB für die sich im Gegenverkehr dem Wasserstraßenbauwerk 3 gegenläufig zur Anfahrtrichtung des Schiffs 2a annähernden Schiffe 2b. Die dritte Sensoreinheit S3 ist beispielsweise an der Uferseite angeordnet, die der Uferseite der ersten und zweiten Sensoreinheit S1, S2 gegenüberliegt. Die Uferseite der ersten und zweiten Sensoreinheit S1, S2 sind damit näher zur Fahrrinne der sich im Rechtsverkehr in Annäherungsrichtung vorwärtsbewegenden Schiffe 2a. Die gegenüberliegende Uferseite der dritten Sensoreinheit S3 ist näher zur Fahrrinne der sich im Gegenverkehr vorwärtsbewegenden Schiffe 2b, wenn die Anfahrtrichtung A als Haupt-Orientierungsrichtung angenommen wird.

[0054] Der Einfahrtsbereich EB und der Gegen-Einfahrtsbereich GEB schließen sich vorzugsweise unmittelbar an das Wasserstraßenbauwerk 3 an. Damit kann im Falle einer Kollision eine Schiffsberührung des Wasserstraßenbauwerks 3 aufgezeichnet werden. Es kann aber auch ein Abstand zum Wasserstraßenbauwerk 3 vorhanden sein. Dann kann mindestens ein weiterer Sensor an dem Wasserstraßenbauwerk 3 vorhanden sein, der nur zur Dokumentation eine Havarie dient.

[0055] Die erste und zweite Sensoreinheit S1, S2 sind mit einer Überwachungseinheit 4 verbunden.

[0056] Die Überwachungseinheit 4 kann eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle 5 haben, welche drahtgebunden und/oder drahtlos ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn die bidirektionale Kommunikationsschnittstelle 5 redundant mit verschiedenen Übertragungsverfahren eingerichtet ist.

[0057] Die Überwachungseinheit 4 kann weiterhin eine AIS-Empfangseinheit 6 und Umweltsensoren 7 haben. Sie kann zur drahtlosen Kommunikation mit den lateral erfassten Schiffen 2a eingerichtet sein.

[0058] Die dritte Sensoreinheit S3 ist mit der ersten Sensoreinheit S1, um Informationen zu Gegenverkehr auszutauschen. Mit einer bidirektionalen Verbindung können optional auch Informationen zu das Wasserstraßenbauwerk 3 aktuell oder in naher Zukunft passierenden Schiffen 2a an die dritte Sensoreinheit S3 zu übermitteln.

[0059] Die Sensoreinheiten S1, S2, S3 können optional Funktionalitäten der Überwachungseinheit 4 beinhalten.

[0060] Das Wasserstraßenbauwerk 3 kann, wie dargestellt, beispielweise eine Querung der Wasserstraße 1, d.h. eine Brücke sein.

[0061] Damit wird das Assistieren und Überwachen eines definierten geographischen Bereiches einer Wasserstraße 1 mit einer Querung 3 mittels heterogener und vernetzter landseitiger Sensoreinheiten S1, S2, S3 unterstützt, die auf einer oder ggf. beiden Seiten der Wasserstraße 1 installiert werden. Das Sensor-System mit der ersten Sensoreinheit S1 und der zweiten Sensoreinheit S2 wird an zwei Positionen installiert:

1) im Zulauf zur Brücke 3 und

2) direkt neben der Brücke 3.

[0062] Die zweite Sensoreinheit S2 informiert den Schiffsverkehr über

1) geringer Sicherheitsabstand zwischen Schiffs- und Brückenhöhe unter Berücksichtigung der Tide-Verhältnissen,

2) Gefährliche Anfahrtswinkel zur Brücke und

3) entgegenkommender Verkehr bei verkehrsbeschränkten Brücken.

[0063] Für die durch Objekterkennungssensorik erfassten Schiffe 2a wird eine durchgehende Gefahrenbewertung durchführt. Der Aufbau im Abstand zur Brücke 3 ermöglicht die frühzeitige Warnung des Schiffsverkehrs, damit noch ausreichend Zeit für die Durchführung eines sicheren Notfallmanövers verbleibt. Die erste Sensoreinheit S1 erfasst gleichzeitig den ankommenden Schiffsverkehr und die zu durchfahrende Brücke 3, überprüft den Sicherheitsabstand zwischen Schiff 2a und Brücke 3 und dokumentiert fälschungssicher das Manöver. Die Daten werden widerspruchsfrei zusammengeführt mit schiffsseitig gesendeten Daten. Die von den Sensoreinheiten S1, S2, S3 erfassten Messdaten, die Kommunikation insb. mit den Schiffen 2a, die AIS-Daten der erfassten Schiffe 2 und dergleichen werden kryptographisch verschlüsselt und kontinuierlich in einem Datenspeicher 8 aufgezeichnet, um für den Fall einer Havarie eine belastbare fälschungssichere Dokumentation eines Unfallgeschehens zu haben. Die Aufzeichnung erfolgt vorzugsweise dann, wenn ein in den Anfahrtsbereich AB einfahrendes Schiff 2a detektiert wurde.

[0064] Die zweite Sensoreinheit S2 erfasst jede auf der Wasserseite mittels Objektverfolgung detektierte vertikale und horizontale Schiffskontur und identifiziert das Schiff 2a durch Zusammenführung mit schiffsseitig übermittelten Daten (z.B. AIS) eindeutig. Nach erfolgreicher Erfassung werden Assistenz-Metriken ermittelt und an das Schiff 2a via drahtlose Kommunikation übermittelt. In der Grafik darstellt ist ein Einfahrtskorridor E, um die Querung 3 mit einem möglichst geringen Sicherheitsrisiko zu unterfahren. Die erste Sensoreinheit S1 überwacht das durch die erste Sensoreinheit S1 erfasste Schiff 2a in der Nähe zur Brücke 3. Die Überwachungseinheit 4 führt durchgängig eine Risikoanalyse bezüglich einer Kollision mit der Anlageninfrastruktur und von üblichen Manövern abweichendes Verhalten (Anomalie) durch. Sobald ein definierter Schwellwert für ein Kollisionsrisiko (z.B. Geschwindigkeit des Schiffes 2a in Bezug zu einem Abstand zur Anlagenstruktur) oder für eine Anomalie überschritten wird, kann sowohl der Schiffsverkehr als auch der Anlagenbetreiber (z.B. akustische oder visuelle Warnung) gewarnt werden.

[0065] Sobald das Schiff 2a von der zweiten Sensoreinheit S2 erfasst wird erfolgt eine kontinuierliche und kryptographisch absicherte Datenaufzeichnung der Sensormesswerte. In dieser werden die Rohdaten aller landseitigen Sensoren und schiffsseitig gesendeten Daten, ohne Änderung dieser, in einen zeitlichen Zusammenhang gestellt (Data Fusion). Durch die gleichzeitige Erfassung des Schiffes 2a und der Brücke 3 durch optische Sensoren, können eventuelle Beschädigungen der Brückeninfrastruktur und des Schiffes 2a widerspruchsfrei belegt werden.

[0066] Das System kann mit einer dritten Sensoreinheit S3 auf der anderen Brücken- und Flussseite, d.h. am gegenüberliegenden Ufer U kombiniert werden. Die dritte Sensoreinheit 3 erfasst Schiffe 2b auf der anderen Seite der Brücke 3 und ist mit der ersten Sensoreinheit S1 verbunden. Die Systeme können hierüber Warnungen über gleichzeitige und damit kritische Durchquerungen generieren und die beteiligten Schiffe 2a, 2b informieren. Die Verkehrsteilnehmer erhalten damit die Information, dass sie sich über die Durchfahrtsreihenfolge abstimmen müssen.

[0067] Diese Funktionalität ist nicht für alle Brücken 3 notwendig, da die Binnenschifffahrtsregeln je nach örtlichen Voraussetzungen eine gleichzeitige Unterfahrung erlauben oder entsprechende Vorfahrtsregeln durch Beschilderung der Brücke 3 vorgeben.

[0068] Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke 3 mit erster und zweiter Sensoreinheit S1, S2. Die Abbildung lässt in entsprechender Weise der Verfahrensschritte auch den Aufbau des Systems auf Komponentenebene erkennen.

[0069] Im Schritt a) fährt ein Schiff 2a in den von der zweiten Sensoreinheit S2 überwachten Annäherungsbereich AB ein
Im Schritt b) erfolgt eine Erkennung des in den Annäherungsbereich AB einfahrenden Schiffes 2a und eine Ermittlung von Verkehrsdaten, wie bspw. Tiefgang, Höhe über Normal-Null, Länge, Geschwindigkeit, Anfahrtswinkel und dergleichen.

[0070] Im Schritt c) wird eine Risikoanalyse mit den gemessenen Daten durchgeführt, wie z.B. Eintrittskorridor, Schiffshöhe und dergl.

[0071] Im Schritt d) werden Warnungen an nautisches Personal und Infrastrukturbetreiber übertragen, wenn eine Kollisionsgefahr mit dem Wasserstraßenbauwerk 3 erkannt wurde.

[0072] Im Schritt e) werden Assistenz-Metriken übertragen, die z.B. den Eingangskorridor und die Schiffshöhe und ggf. Schiffsgeschwindigkeit, Tiefgang, Schiffslänge und dergleichen beinhalten können.

[0073] Im Schritt f) wird die Ankunft des Schiffes 2a an dem Wasserstraßenbauwerk 3 vorhergesagt und die anderen Sensoreinheiten S1, S3 und die Überwachungseinheit 4 am Uferbereich über die Kommunikationsverbindung 5 informiert.

[0074] Die erste Sensoreinheit S1 ist zur Überwachung des an das Wasserstraßenbauwerk 3 angrenzenden Einfahrtsbereiches EB eingerichtet, um dort in dem Einfahrtkorridor EK einfahrende Schiffe 2a kontinuierlich zu erfassen und zu überwachen.

[0075] Im Schritt g) fährt das Schiff 2a in den von der ersten Sensoreinheit S1 unterstützten Einfahrtbereich EB ein.

[0076] Im Schritt h) erfolgt eine kontinuierliche kryptographisch abgesicherte Aufzeichnung der vorliegenden Daten in dem Datenspeicher 8, sobald ein Schiff 2a in dem Einfahrtsbereich EB erkannt wurde. Die Aufzeichnung kann aber auch schon früher im Schritt b) durchgeführt werden, um ein vollständiges Lagebild aufzuzeichnen.

[0077] Im Schritt i) wird eine Gefahrenabschätzung durchgeführt.

[0078] Im Schritt j) wird er Infrastrukturbetreiber über eine Havarie informiert Dabei werden ihm die aufgezeichneten Sensordaten übermittelt.

[0079] Im Schritt k) wird eine Kollisionsinformation an das nautische Personal übertragen, wenn eine Havarie erkannt wurde.

[0080] Im Schritt l) werden Assistenzdaten an das erfasste Schiff 2a übertragen, wie z.B. Bugabstand zum Wasserstraßenbauwerk 3, verfügbare freie Resthöhe zur Unterseite eine Brücke 3 und dergleichen.

[0081] Im Schritt m) wird optional eine Warnung über Gegenverkehr an das Schiff 2a übertragen, wenn mit der dritten Sensoreinheit S3 ein entgegenkommendes Schiff im Gegen-Einfahrtsbereich GEB, d.h. dem Ausfahrtsbereich für das sich in Annäherungsrichtung A fortbewegende Schiff 2a erfasst wurde.

[0082] Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Schiffsüberwachungseinheit.

[0083] Zur Objekterkennung werden SENSOREN, umfassend die ersten und zweiten Sensoreinheiten S1, S2 zur Überwachung des Flussbereiches und ggf. eine dritte Sensoreinheit S3 für den Gegenverkehr eingesetzt, welche eine laterale Erkennung des Schiffes 2a, 2b während der Fahrt durchführen.

[0084] Es können heterogene Sensoren eingesetzt werden, um die Detektion auch unter adversen Störeinflüssen sicherzustellen. Schiffseitig gesendete Information werden genutzt, um die Koordination und Interaktion zwischen Verkehrsteilnehmern nachvollziehen zu können. Schlussendlich werden Umweltsensoren (e.g. Wasserstand, Wind, Strömung) eingesetzt, um externe Einflüsse auf Verkehrsteilnehmer zu dokumentieren.

[0085] Die Sensormessungen werden von einer Datenfusionseinheit fusioniert (Datenfusion). Hierbei werden systemeigene Sensordaten sowie falls vorhanden externe vom Schiff empfangene Daten in ein gemeinsames konsistentes Lagebild überführt. Die Komponente zur Schiffserkennung nutzt das Lagebild zur Detektion von Schiffen über Objekterkennung (Schiffsdetektion).

[0086] Die Schiffe 2a, 2b können eindeutig über zwei Ansätze identifiziert werden:

1) Zum einen mithilfe von Sensoren zur Objekt-Erkennung unabhängig von systemexternen Daten und

2) zum anderen über schiffsseitig gesendete AIS-Daten.

[0087] Folgende Datenströme der Sensoren in unterschiedlichen Messintervallen und Datenqualitäten werden von dem System in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht:

a) Umweltdaten der definierten Wasserseite:
Aktuelle Windgeschwindigkeit, aktuelle Windrichtung, Sichtweite, Luftfeuchtigkeit, Regenmenge, Sonnenstand, Strömungsgeschwindigkeiten und Richtungen, Pegelstand.

b) vom Schiff übermittelt:
Punktposition, Schiffsgröße (Länge, Breite), Kennung (MMSI), Kursrichtung (COG), Geschwindigkeit (SOG)

c) Landseitige Erfassung der Schiffe auf der definierten Wasserseite:
LiDAR (2D sowie 3D), Radar (1D, sowie 2D), Kamera.

d) Verkehrstechnische Daten: geplanter und tatsächlicher Öffnungszeitpunkt der Schleuse.

[0088] Für jedes identifizierte Schiff wird im Überwachungsbereich der ersten Sensoreinheit S1 eine Risikobewertung (RISIKO-Analyse) für eine vertikale Kollision (Höhenkontrolle), sowie eine horizontale Kollision (z.B. Brückenpfeiler) in Bezug auf die zu schützende Querung durchgeführt. Dies geschieht mit Hilfe des durch die zweite Sensoreinheit S2 erstellen 3-dimensionalen Abbildes. Hierzu wird zum einen die Wahrscheinlichkeit einer Kollision und zum anderen die prädiktierte Schwere einer möglichen Kollision bewertet. Die Wahrscheinlichkeit wird auf Basis:

• des historischen und aktuellen Bewegungsvektors des Objektes durchgeführt.
• gegen einen vorberechneten Korridor geprüft, der die laterale Idealanfahrt bis unter die Querung darstellt
• gegen eine Höhenline geprüft, die die aktuelle Durchfahrtshöhe der Querung unter Berücksichtigung der aktuellen Pegelmessung sowie einer ggf. auftretenden Schleusenwelle (entsteht durch Öffnung einer Schleuse zu Berg).

[0089] Die Kollisionswahrscheinlichkeit wird gegen einen Schwellwert geprüft und bei Überschreitung wird ein Aktuator ausgelöst (AKTUATOREN). Mit diesem wird zum einen der Anlagenbetreiber informiert und zum anderen ein Warnsignal (visuell und akustisch) für das Schiffspersonal ausgegeben (SCHIFF). Bei erhöhter Kollisionswahrscheinlichkeit wird eine Einheit zur Aufzeichnung der Sensordaten aktiviert (Datenaufzeichnung), die von der zuständigen Behörde abgerufen werden kann (Steuerungszentrale). Dies ermöglicht den zuständigen Behörden Unfälle effizienter und effektiver zu beurteilen, so dass nach erfolgter Verhandlung mit den Versicherungen die Infrastruktur ersetzt bzw. repariert werden kann.

[0090] Figur 4 zeigt eine Skizze einer Draufsicht auf eine Wasserstraße 1 mit einem sich einem Wasserstraßenbauwerk 3 annähernden Schiff 2a und den mit den Sensoreinheiten S1, S2, S3 aufgezeichneten Sensordaten mit Bewegungs- und Höhenprofil H.

[0091] Ein LiDAR Sensor ist vor einer Querung einer Brücke im 90° Winkel an der Wasserstraße installiert. Das System erkennt über die Punktwolken anlaufende Schiffe 2a. Mit einem VHF-Empfänger werden zusätzlich AIS Nachrichten zur Identifikation der Verkehrsteilnehmer erhoben. Hierüber werden ebenfalls schiffsseitig übermittelte Bewegungsdaten der Schiffe (z.B. Geschwindigkeit, Kurs, Position, Größe) empfangen. Schlussendlich werden Daten von Wind (Richtung, Stärke, Böen), Sichtweite, Tidesensoren und Strömungsmessungen erhoben, um die Wettereinflüsse erfassen zu können. Sobald das Schiff in einen fest abgesteckten Bereich einfährt starten die Sensoreinheiten S1, S2, S3 die Datenaufzeichnungen, sowie die Gefahrenbewertung für jedes Objekt innerhalb des überwachten Bereiches. Dies geschieht durch die Fusion von LiDAR und AIS Daten zur Erkennung von Objekten, wobei die Gefahrenermittlung durch die Berechnung der Distanz und Annäherungsgeschwindigkeit in Relation zu einem Korridor oder der Fahrrinne geschieht. In der Figur 4 ist dies durch den Pfeil zwischen dem Korridor und dem Schiff zu erkennen.

[0092] Aus dem mit den Punktwolken erfassten Höhenprofil H lässt sich ein Sicherheits-Höhenabstand von bspw. 1,24 m zur bekannten Höhe der Unterseite der Brücke 3 ermitteln. Das Höhenprofil H wird hierzu mit einem Schwellwert verglichen, der die IST-Höhe der Brücke 3 ggf. mit einer Sicherheitstoleranz repräsentiert. Durch Wellenschlag verändert sich das Höhenprofil H während der Fahrt des Schiffes 2a, so dass auch bei der Unterfahrung mögliche kritischere Grenzfälle erfasst werden.

[0093] Die Figur 4 zeigt den prototypischen Aufbau einer Anlage an einem Flussgebiet. Das Schiff 2a wird durch laterale Messung landseitiger LiDAR Sensorik erfasst. Daraus resultierend wird ein horizontales (unten) und vertikales (oben) Lagebild erschaffen. Über diese wird eine Gefahrenbewertung ermittelt für den Sicherheitsabstand zur Brücke, sowie seitlich zur Durchfahrt des Brückenbereiches.

[0094] Das Verfahren kann mittel weiterer Sensorik erweitert werden, wie beispielsweise 4D-Imaging-Radar zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bei schlechten Witterungsbedingungen (e.g. Nebel, Regen, Schnee).

[0095] Weiterhin können Kameras in die Aufzeichnung integriert werden, sofern dies Datenschutzrechtlich möglich ist. Die zusätzliche Datenquelle erhöht die Beweislast im Falle eines Unfalls, um den Infrastrukturbetreiber bei der Aufklärung der Unfallursachen zu unterstützen.

[0096] Das System lässt sich zur Überwachung schutzwürdiger Anlagen einsetzen. Das Anwendungsbeispiel bezieht sich hier vor allem auf den Schutz von Querungen von Brücken, die durch fehlerhafte Manöverentscheidungen bei Kollisionen Schäden nehmen und sodann in ihrer Stabilität und Tragfähigkeit eingeschränkt sind. Neben dem Hauptziel des Systems, Havarien bei Querungen durch Assistenz zu vermeiden, lassen sich mit dem System auch Durchfahrten dokumentieren und damit auch leichte Beschädigungen (z.B. Schrammungen) unmittelbar feststellen und Verursacher dokumentieren, die bislang mangels Sensorik nicht erfasst wurden konnten. Die Technologie lässt sich dabei auf andere maritime Infrastrukturen übertragen, wie beispielsweise die Einfahrt und Ausfahrt von Schleusenkammern, wobei die Schleusentore die zu schützenden Elemente sind. Die Spezialanfertigung der Anlagen führen bei Schäden zu aufwendigen Reparaturen. Eine weitere Anwendung ist die Überwachung von Regularien bzw. Regelverstößen auf den Wasserstraßen (e.g. gleichzeitige Durchquerungen in Verbotszonen), wie z.B. Geschwindigkeitsüberschreitungen, Überladung oder zu geringe Abstände in Folgefahrt.

[0097] Schlussendlich ermöglicht das System eine Optimierung des Schiffsverkehrs durch automatische Messung und Regelung der Durchfahrten bei mehreren Verkehrsteilnehmern. Dies ist mit der bisherigen Sensorik wie schiffsseitig gesendete AIS Nachrichten nicht möglich, da dieses Verfahren unverschlüsselt ist und damit ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt, die in vielen Fällen gar nicht detektiert werden können.

[0098] Es erfolgt eine Erfassung und Verfolgung der Schiffe 2a, 2b im Seitenprofil während der Vorbeifahrt am definierten Überwachungsbereich, der in einem Abstand zur Querung 3 erfolgt, so dass noch ausreichend Zeit für ein Notfallmanöver bleibt. Dieses System hat die folgenden technische Vorteile:

• Optische Sensoren, wie LiDAR, Radar oder Kamera, generieren mehrere Bilder (Punkt- oder Pixelwolken) pro Sekunde. Sie werden während der Vorbeifahrt beobachtet und durch Datenfusion über die Verschiebung der X-Achse fusioniert. Aus der fusionierten Datenwolke erfolgt die Rekonstruktion einer 3D-Geometrie (Mesh).
• Das System verfolgt die Punktverschiebung jedes Messbildes. Punkte für die kein Vorgänger aus dem vorhergehenden Messbild ermittelt werden kann, werden als neue Punkte zur Schiffssilhouette hinzugerechnet.
• Optische Sensoren haben eine Winkelauflösung. Je schlechter die Winkelauflösung (in Grad) und je weiter das zu messende Schiff entfernt ist, desto größer sind die Messlücken. Im Seitenprofil bei Vorbeifahrt lassen sich diese Messlücken robust schließen bzw. auch schmale Schiffsbestandteile (insb. der Radarmast am Bug oder Antennen auf dem Dach des Steuerhauses) erkennen, als in Drauffahrt bei Installation auf Schiff oder Brücke des Stands der Technik.
• Das System kann durch folgende Berechnungen integer gestaltet werden:
• Die Geschwindigkeit des 3D-Objektes wird gegen die schiffsseitig gesendete AIS Information SOG - Speed Over Ground geprüft.
• Die Länge der gemessenen Schiffssilhouette wird mit der AIS Information Schiffslänge und -breite abgeglichen.
• Durch die Seitenperspektive erfasst die optische Sensorik auch statische Objekte mit bekannten Positionen (das System wird initial eingemessen): die Brückenkontur oder die häufig an der Unterseite der Brücke angebrachten Radarreflektoren und kann somit seine Messleistung kontinuierlich überprüfen.
• Das System kann bei beweglichen Brücken und über den vorhandenen optischen Sensor erkennen, ob diese geschlossen oder geöffnet ist. Auch kann während des Öffnungsprozesses berechnet werden, ob die Höhe der Öffnung beim Eintreffen des Schiffes ausreichend ist. Dies ist bei der herkömmlichen Brückeninstallationen nur über weitere Sensorik möglich und bei Bordinstallationen nur durch die Bereitstellung und kontinuierliche Aktualisierung von umfänglichen Referenzdaten zu jeder Brücke möglich.
• Das System ist keinen plötzlichen Schwingungen (z.B. induziert durch Verkehr auf Brücke oder Wellen/Wind bei Bordsystem) ausgesetzt und daher robuster als die herkömmlichen Systeme.
• Der Aufbaustandort des Systems kann in einer Entfernung zur Infrastruktur gewählt werden, bei der bei Kollisionsgefahr durch die Kombination der o.g. Merkmale der Brückenverkehr gestoppt und ggf. die bewegliche Brücke zeitgerecht geöffnet werden kann.
• Der Aufbaustandort kann prinzipbedingt für die Anfahrt von Berg und Talfahrern in unterschiedlichen Distanzen zur Querung aufgestellt werden, um den unterschiedlichen Anlaufgeschwindigkeiten der Schiffe Rechnung zu tragen.
• Das System kann auch zum Schutz von historischen Brücken genutzt werden. Aufgrund des Denkmalschutzes dieser Anlagen sind Beschädigungen zu verhindern. Durch die Erfindung sind an der Brücke selbst keine baulichen Änderungen bzw. Aufbauten notwendig.
• Der Funktionsweise des Systems lässt sich mit Radar oder LiDAR - Sensorik im Gegensatz zu (Video-)-kamerabasierten Datenschutzkonform umsetzen: Die Funktionsweise ist in dem gewählten Verfahren und Aufbau auch gesichert, wenn die für den Betrieb notwendige (Punkt- bzw. Pixelbasierte-) Auflösung technisch bereits im Sensor reduziert wird, so dass eine Person an Bord nicht identifiziert werden kann.

[0099] Durch Verknüpfung der o.g. Merkmale aus der seitlichen Ansicht lassen sich weiterhin die folgenden Merkmale ableiten:

• Identifikation eines sicheren Durchfahrtsweges der Querung in Form einer Ideallinie oder eines Korridors (zwecks Automatisierung).
  • inkl., Geschwindigkeit (SOG), Kurs (COG) über die Fahrzeit im Korridor und individualisiert auf die Strömungen, Wetterbedingungen und Navigationseigenschaften des spezifischen Schiffes auch auf Basis früherer Aufzeichnungen erfolgreicher Durchfahrten und auf Basis der jeweils geltenden Verkehrsregeln.
  • Angabe des schiffspezifischen Anfahrtswinkels für die Querung und ggf. Änderung über die Zeit.
• Kollisionserkennung mit Brückenelementen (e.g. Brücke, Pfeiler)
  • Anfahrtswinkel, SOG Abstand zu Brückenelementen (durch Abgleich des 3D-Abbildes des Schiffes und der Brücke) zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit und Zeitpunktes der Kollision
• Bestimmung der gewählten Durchfahrt der Querung bei mehreren Durchfahrtsmöglichkeiten
  • Berücksichtigung der Verkehrslage und des Status der Brücke (z.B. geöffnet / geschlossen)
• Regelung des Verkehrs insb. bei entgegenkommendem Verkehr
  • Berechnung des Durchfahrtszeitpunktes auf Basis des Korridors und ggf. Ausweisung eines geeigneter Warteabstands z.B. bei entgegenkommendem Verkehr.
  • Information über Verkehrsteilnehmer auf der anderen Brückenseite, vor allem solche die nicht der AIS-Ausrüstpflicht unterliegen (e.g. Sport-Boote)
• Warnbereiche mit Eskalation und Bestätigungsschalter
  • Die "Sensor Detection Area" und der "Entry Corridor" (vgl. Figur 1) können in geografische Warnbereiche unterteilt werden, über die Warnungen eskaliert werden können, sofern keine ausreichende Reaktion der Schiffsführung (z.B. Kurskorrektur, Absenken des Fahrstandes) festgestellt wird. Die Eskalation der Warnung kann z.B. als Alarm über Lautstärke und Warnhäufigkeit umgesetzt werden.
  • Warnungen können je nach Warnbereich über einen Bestätigungsschalter quittiert werden und führen dann zur Abschaltung des Alarms.
• Bei Kollision eines Schiffes mit Verkehrsinfrastruktur können die wirkenden Kräfte durch Geschwindigkeitsmessungen ermittelt werden. Dies ermöglicht von außen unsichtbare Beschädigungen aufzudecken, die sonst zukünftig zu aufwendigen und hohen wirtschaftlichen Reparaturen führen können.

[0100] Es werden folgende Datenströme (Interpretierte Daten) von dem System auf Basis der Sensordaten generiert:

• Horizontaler Detektionsbereich der Sensorik in Abhängigkeit von Umweltbedingungen (z.B. Sichtweite, Regen, Nebel)
• Höhenlinie in Abhängigkeit von Durchfahrtshöhe der Querung und unter Berücksichtigung das Querung geöffnet oder Durchfahrtshöhe angepasst werden kann (z.B. Hubbrücke)
• Laterales 3D-Abbild des Schiffes durch Fusion von Punkt- und/oder Pixelwolken bei Durchquerung des Sensor Erfassungsbereichs
  • Horizontale Schiffssilhouette für Abstände von Bug, Heck und Schulter zu einem Korridor, den Begrenzungen der Wasserstraße oder eines Bauwerks inkl. Distanzberechnungen, Anfahrtswinkel und relative Geschwindigkeiten der Silhouette zu Anlageninfrastruktur.
  • Vertikale Schiffssilhouette als Höhenprofil des Schiffes über der Wasseroberfläche inkl. Distanzberechnungen
• Erkennung aktiv eingeleiteter Kurs- und Geschwindigkeitsänderungen der Besatzung unter Berücksichtigung der Schiffssilhouette (Schiffsform) und dem Einfluss der Umweltbedingungen auf die Schiffsform.
• Zeitpunkte von Änderungen der Windgeschwindigkeit- und Richtung (Böen), Änderungen der Strömungen und des Wasserstandes (e.g. durch natürliche Faktoren oder bedingt durch den Schiffsverkehr).
• Ausfallsicherheit durch Aufbau von zwei Sensorsystemen im Abstand zur Brücke und an dieser, zur Erhöhung der Sicherheit des Schiffsverkehrs und anderer Verkehrsteilnehmer die die Brücke überqueren.
• Erkennung der vom Schiff gefahrenen Bahn sowie Manöverpunkte auf der Bahn (Position, Schiffsausrichtung, Geschwindigkeit (SOG) ), Vergleich mit historischen Trajektorien und Manöverpunkten desselben Schiffes, sowie vergleichbarer Schiffstypen unter vergleichbaren Umweltbedingungen und Ermittlung der Abweichungen ("Deltas") eben dieser auf Basis der landbasierten Messungen.
  • Berücksichtigung von Unterstützung durch Schlepper, von Schubverbänden oder durch dicht hintereinanderfahrende Schiffsverbände in Kolonnenfahrt oder als sog. "Vessel train", die die Bahn des Schiffs (-verbandes) oder die üblichen Bewegungen eines Schiffes in Anfahrt auf eine Querung beeinflussen.

[0101] Die Beweispflicht liegt rechtlich beim Infrastrukturbetreiber, folglich muss dieser fähig sein, Fehlverhalten von Schiffen nachzuweisen. Hierzu werden die folgenden Daten und Messwerte durch das System erhoben, um den zweifelsfreien Nachweis zu ermöglichen:

• Dokumentation von Umweltdaten:
  Höhere Gewalt wird häufig von Reedereien und Schiffsführern als Kollisionsursache angegeben, durch die Erfassung von Umweltdaten wird dieser Faktor für den Hafenbetreiber prüfbar und kann bei Gerichtsverhandlungen widerlegt werden.
• Dokumentation von Fehlverhalten:
  Durch die Erkennung und Identifikation der Lage sowie Position beteiligter Schiffe, lässt sich Fehlverhalten ermitteln. Hierzu zählen bspw. die Überschreitungen der zulässigen Höchstgeschwindigkeit, vor Ort geltende Verkehrsregelungen oder die Abweichung von üblichen Verhalten am geographischen Ort.
• Erfassung von Manövern:
  Maschinenausfälle werden häufig von Reedereien und Schiffsführen als Kollisionsursache angegeben, um dies explizit zu prüfen und bei Nichteintreten widerlegen zu können, wird auf Grundlage von erhobenen Lage- und Positionsdaten sowie zugehörigen Umweltdaten wie Wind und Strömung geprüft, ob ein Schiff aktiv Manöver ausführt oder treibt.

Bezugszeichenliste

[0102] 

1

Wasserstraße

2a

Schiff

2b

Schiff

3

Wasserstraßenbauwerk

4

Überwachungseinheit

5

bidirektionale Kommunikationsschnittstelle

6

AIS-Empfangseinheit

7

Umweltsensoren

8

Datenspeicher

A

Anfahrtrichtung

AB

Annäherungsbereich

E

Einfahrkorridor

EB

Einfahrtsbereich

GEB

Gegen-Einfahrtbereich

H

Höhenprofil

S1

erste Sensoreinheit

S2

zweite Sensoreinheit

S3

dritte Sensoreinheit

T0

Zeitpunkt

T1

Zeitpunkt

U

Ufer

V1

Geschwindigkeit

V2

Gegenverkehr-Geschwindigkeit

Ansprüche

1. Schiffüberwachungseinrichtung zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke (3) durch Schiffe (2a, 2b) mit mindestens einer an der Wasserstraße (1) installierten Sensoreinheit (S1, S2, S3), die zur Erfassung von Schiffen (2a, 2b), die sich einem Wasserstraßenbauwerk (3) annähern, eingerichtet ist und mit einer mit der mindestens einen Sensoreinheit (S1, S2, S3) verbundenen Überwachungseinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass am seitlichen Ufer (U) der Wasserstraße (1) in Annäherungsrichtung an das Wasserstraßenbauwerk (3) eine erste Sensoreinheit (S1) und eine zweite Sensoreinheit (S2) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste Sensoreinheit (S1) benachbart zu dem zu überwachenden Wasserstraßenbauwerk (3) angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen (2a) in einem Einfahrtsbereich (EB) der Wasserstraße (1), welcher der Einfahrt in oder unter das Wasserstraßenbauwerk (3) benachbart ist, eingerichtet ist und die zweite Sensoreinheit (S2) relativ zu der ersten Sensoreinheit (S1) weiter entfernt von dem Wasserstraßenbauwerk (3) angeordnet und zur lateralen Erfassung von Schiffen (2a) in einem Annäherungsbereich (AB) der Wasserstraße (1), welcher dem Einfahrtbereich (EB) in Anfahrtrichtung (A) vorgelagert ist, eingerichtet ist, und dass die Überwachungseinheit (4) zur Bestimmung eines Kollisionsrisikos des mit der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit (S1, S2) erfassten Schiffes (2a) mit dem Wasserstraßenbauwerk (3) und zur Aufzeichnung der von den Sensoreinheiten (S1, S2, S3) erfassten Sensordaten eingerichtet ist.

2. Schiffüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten und zweiten Sensoreinheit (S1, S2) hinter dem Wasserstraßenbauwerk (3) eine dritte Sensoreinheit (S3) zur Erfassung von Schiffen (2b) in einem Ausfahrtbereich der Wasserstraße (1) aus dem Wasserstraßenbauwerk (3) bzw. für den Gegenverkehr in gegenläufiger Verkehrsrichtung zur Erfassung von entgegenkommenden Schiffen (2b) im Gegen-Einfahrtsbereich (GEB) des Wasserstraßenbauwerkes (3) eingerichtet ist.

3. Schiffüberwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Sensoreinheit (S3) am seitlichen Ufer (U) der Wasserstraße (1) angeordnet ist.

4. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Sensoreinheit (S1, S2) auf derselben Uferseite angeordnet ist.

5. Schiffüberwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Sensoreinheit (S3) auf der Uferseite der Wasserstraße (1) angeordnet sein, welche der Uferseite der ersten und zweiten Sensoreinheit (S1, S2) gegenüberliegt.

6. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe:

- Sicherheitsabstand zu einer Höhenbegrenzung des Wasserstraßenbauwerkes (3);

- Sicherheitsabstand zu Fahrwegbegrenzungen des Wasserstraßenbauwerkes (3) im Fahrweg der Wasserstraße (1);

- Anfahrtwinkel zum Wasserstraßenbauwerk (3) relativ zu einer Soll-Annäherungsrichtung;

- sich in Gegen-Verkehrsrichtung annähernder Gegenverkehr eingerichtet ist.

7. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zum Empfang von Schiffsdaten, welche ein erfasstes Schiff (2a, 2b) und Eigenschaften des Schiffes (2a, 2b) charakterisieren, zur Zusammenführung der Schiffsdaten mit den von den Sensoreinheiten (S1, S2, S3) erfassten Sensordaten und zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit den zusammengeführten Daten eingerichtet ist.

8. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zum drahtlosen Übertragen des mit der Überwachungseinheit (4) erfassten Kollisionsrisikos eines erfassten Schiffes (2a, 2b) an das erfasste Schiff (2a, 2b) eingerichtet ist.

9. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) mit einem Datenspeicher (8) verbunden und zum kontinuierlichen und kryptographisch abgesicherten Abspeichern der mit den Sensoreinheiten (S1, S2, S3) erfassten Sensordaten eingerichtet ist, sobald ein Schiff (2a, 2b) in dem Annäherungsbereich (AB) erfasst wurde.

10. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Sensor (S1, S2) zur Erfassung des Höhenprofils (H) des erfassten Schiffes (2a, 2b) eingerichtet ist.

11. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (S1, S2, S3) mindestens einen Sensor ausgewählt aus der Gruppe haben von:

- Licht-Detektion und Abstands-Sensor (LIDAR = Light detection and ranging);

- Radar-Sensor;

- Optische Kamera.

12. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zur Erfassung des Kollisionsrisikos mit den erfassten Sensordaten der Sensoreinheiten (S1, S2, S3) in Kombination mit mindestens einem weiteren Einflussinformation ausgewählt aus der Gruppe von:

- Umweltdaten, insbesondere aktuelle Windgeschwindigkeit, aktuelle Windrichtung, Sichtweite, Luftfeuchtigkeit, Niederschlagsmenge, Sonnenstand, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung, Pegelstand;

- Schiffsdaten, insbesondere Schiffspunktposition, Schiffsgröße, Schiffskennung, Kursrichtung, Schiffsgeschwindigkeit;

- Verkehrstechnische Daten, insbesondere geplanter und tatsächlicher Öffnungszeitpunkt von Schleusen, Hubbrücken oder Drehbrücken;

- vorgegebenen Idealanfahrten des Wasserstraßenbauwerkes eingerichtet ist.

13. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zur Bestimmung von Eigenschaften der erkannten Schiffe (2a, 2b) aus der Verschiebung von Bildpunkten in durch die erste Sensoreinheit (S1) und/oder zweite Sensoreinheit (S2) aufgenommenen Bildsequenzen in Bezug auf statische Bildpunkte für erfasste statische Infrastrukturmerkmale eingerichtet ist.

14. Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (4) zur Prüfung der Integrität der lateralen Erfassung von Schiffen (2a, ,2b) durch Prüfung, ob mit der ersten Sensoreinheit (S1) und/oder zweiten Sensoreinheit (S2) entweder ein bekanntes statisches Infrastrukturmerkmal oder ein das statische Infrastrukturmerkmal verdeckendes Schiffsmerkmal eines Schiffes (2a, 2b) erfasst wurde.

15. Verfahren zur Überwachung der Annäherung an Wasserstraßenbauwerke (3) durch Schiffe (2a, 2b) mit einer Schiffüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

a) laterales Erfassen von Schiffen (2a, 2b) in einem Annäherungsbereich (AB) der Wasserstraße (1);

b) laterales Erfassen von Schiffen (2a, 2b) in einem Einfahrtsbereich (EB) der Wasserstraße (1), welcher der Einfahrt in oder unter das Wasserstraßenbauwerk (3) benachbart und dem Annäherungsbereich (AB) in Anfahrtrichtung (A) des Schiffes (2a) an das zu überwachende Wasserstraßenbauwerk (3) nachgelagert ist, mit einer am seitlichen Ufer (U) der Wasserstraße (1) angeordneten ersten Sensoreinheit (S1);

c) Bestimmen eines Kollisionsrisikos des mit der ersten und/oder zweiten Sensoreinheit (S1, S2) erfassten Schiffes (2a) mit dem Wasserstraßenbauwerk (3) und

d) Aufzeichnen der von den Sensoreinheiten (S1, S2, S3) erfassten Sensordaten.

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch

- Erfassen von entgegenkommenden Schiffen (2b) in einem Ausfahrtbereich der Wasserstraße (1) für mit der ersten und zweiten Sensoreinheit (S1, S2) zuvor erfassten Schiffen (2a) aus dem Wasserstraßenbauwerk (3) bzw. für den Gegenverkehr in gegenläufiger Verkehrsrichtung zur Erfassung von sich dem Wasserstraßenbauwerk (3) in Gegenrichtung annähernden Schiffen (2b) im Gegen-Einfahrtsbereich (GEB) des Wasserstraßenbauwerkes (3) mit der dritten Sensoreinheit (S3) und

- Zusammenführen der mit der ersten, zweiten und dritten Sensoreinheit (S1, S2, S3) erfassten Daten zur Bestimmung des Kollisionsrisikos.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch Erfassen des Kollisionsrisikos mit mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe:

- Sicherheitsabstand zu einer Höhenbegrenzung des Wasserstraßenbauwerkes (3);

- Sicherheitsabstand zu Fahrwegbegrenzungen des Wasserstraßenbauwerkes (3) im Fahrweg der Wasserstraße (1);

- Anfahrtwinkel zum Wasserstraßenbauwerk (3) relativ zu einer Soll-Annäherungsrichtung;

- sich in Gegen-Verkehrsrichtung annähernder Gegenverkehr.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch Bestimmen von Eigenschaften der erkannten Schiffe (2a, 2b) aus der Verschiebung von Bildpunkten in durch die erste Sensoreinheit (S1) und/oder zweite Sensoreinheit (S2) aufgenommenen Bildsequenzen in Bezug auf statische Bildpunkte für erfasste statische Infrastrukturmerkmale.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch Prüfen der Integrität der lateralen Erfassung von Schiffen (2a, ,2b) durch Prüfung, ob mit der ersten Sensoreinheit (S1) und/oder zweiten Sensoreinheit (S2) entweder ein bekanntes statisches Infrastrukturmerkmal oder ein das statische Infrastrukturmerkmal verdeckendes Schiffsmerkmal eines Schiffes (2a, 2b) erfasst wurde.

Zeichnung