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Routengänger auf digitalen Pfaden

Prof. Wilhelm Storck und Dr. Frank Hartmann arbeiten an der Schiffssicherheit von morgen. In Kooperation mit VOMATEC Innovations und der MEYER WERFT haben sie ein Innenraum-Lokalisierungs- und -Informationssystem für den effizienten Schiffbau entwickelt.
In der MEYER WERFT in Papenburg findet das mobile System SchiV 3.0, das Professor Wilhelm Stork und Dr. Frank Hartmann mitentwickelt haben, erstmals Anwendung.
Fachbereichsleiter beim Kontrollgang durch die Werft
Fachbereichsleiter oder Sicherheitsmitarbeiter, auch bekannt als Routengänger, können beim Kontrollgang in den Bauabschnitten die noch offenen Aufgaben, Risiken und Mängel auf einem mobilen Endgerät erfassen. (Foto: © M. Wessels / MEYER WERFT)
Kontrolle und Projektmanagement von SchiV 3.0 übers Tablett
Dank des Systems SchiV 3.0 sind eine strukturierte Kontrolle und komfortables Projektmanagement des Baufortschritts in Echtzeit möglich. Potenzielle Gefahrenstellen und Mängel werden dokumentiert und verortet. (Foto: © M. Wessels / MEYER WERFT)

In der MEYER WERFT in Papenburg findet das mobile System SchiV 3.0, das Professor Wilhelm Stork und Dr. Frank Hartmann mitentwickelt haben, erstmals Anwendung. 

Großbaustellen gelten nicht nur logistisch, sondern auch sicherheitstechnisch als anspruchsvolle Projekte. Hier gilt es alle Gewerke, Arbeitsvorgänge und Logistikprozesse zu koordinieren und die einwandfreie Umsetzung zu kontrollieren. Noch komplexer sind diese Anforderungen beim Schiffbau. Der Hintergrund: Schiffbaustellen sind aufgrund des Blockbau-Prinzips über den gesamten Bauprozess besonders dynamisch. Kleinere Einheiten des Schiffs werden einzeln vorgefertigt und später zu immer größeren Einheiten zusammengesetzt. Schon während der Vorfertigung werden die Einheiten in diesem Stadium mit Kabeln und Rohren versehen und sind teilweise begehbar. Mehrere Einheiten bilden dann Sektionen, die wiederrum zu ganzen Blöcken verbunden werden. Für ein Kreuzfahrtschiff werden zum Beispiel etwa 90 solcher Blöcke in das Baudock – die Montagestätte in der Werft – gehoben und dort abschließend verbaut.

Klar Schiff auf der Baustelle

„Die Baustelle befindet sich in ständiger Veränderung. Das macht es extrem schwierig, Personen, Problemstellen oder Abnahmen zu lokalisieren und alle sicherheitsrelevanten Informationen schnell weiterzugeben“, erklärt Professor Wilhelm Stork, Leiter des Instituts für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) am KIT. Für gewöhnlich werden die im Bau befindlichen Schiffe regelmäßig von Sicherheitspersonal, sogenannten Routengängern, bei Kontrollgängen abgelaufen. Sie notieren Mängel oder potenzielle Gefahrenstellen per Papier und Stift. Nach ihrem Rundgang übergeben sie den Handlungsbedarf an die Bauleitung, die im Nachgang die Erledigung durch die Gewerke koordiniert. Mängel werden somit erst nach zeitlicher Verzögerung beseitigt. Nicht selten kommt es deshalb zu Baustellenunfällen oder gar Bränden. Solche Zwischenfälle bedeuten nicht nur ein Verletzungsrisiko und einen Verzug des Baufortschritts, sondern bringen auch enorme finanzielle Einbußen mit sich. Hier sind Lösungen für die Produktivitätssteigerung und Sicherheit auf dem Bau gefragt, um konkurrenzfähig auf dem hart umkämpften Markt zu bleiben.

Ideen weiterdenken

Prof. Stork ist ein Mann der Ideen. Neben seinem wissenschaftlichen Interesse an Mikrosystemtechnik und Sensorik, gehört der Transfer neuer Technologien in den Markt ebenfalls zu seinem erklärten Ziel: „Es nützt nichts, wenn vielversprechende Entwicklungen ungenutzt bleiben. Man entdeckt meist auf den zweiten Blick die Entwicklungsmöglichkeiten in einem anderen Anwendungsbereich oder Markt“, unterstreicht Prof. Stork. So hat er als Mentor bereits einige seiner Doktoranden zur Gründung eines eigenen Unternehmens auf Basis von Forschungsergebnissen motiviert und aktiv begleitet. Es verwundert also nicht, dass er aus einem einst entwickelten Ansatz zur Ortung im Bereich Seerettung das Potenzial für die Nutzung im Schiffbau erkannte.

Mit den richtigen Partnern und einem konkreten Bedarf entstand so in einem öffentlich geförderten Projekt von 2013 bis 2016 aus einer Forschungsthematik ein komplettes System zur Innenraumortung und mobilen Dokumentation für das Baustellenmanagement im Schiffbau, genannt SchiV 3.0. Als führender Anbieter für den Bau von Kreuzfahrtschiffen war die MEYER WERFT GmbH & Co. KG für die Definition von Anforderungen und Anwendungsszenarien, also die Entwicklungsgrundlage aus der Praxis, mit im Boot. Die Softwareexperten von der VOMATEC Innovations GmbH waren hingegen für die informationstechnologische Entwicklung der mobilen Anwendung und Schnittstellen zuständig. Ihre Erfahrung aus der Softwareentwicklung unter anderem für Feuerwehren, Rettungsdienste und für Sicherheitsbereiche kam dem Projekt zugute. „Unser Schwerpunk am Institut lag in der sensortechnischen Konzeption und Entwicklung. Da es bisher kein funktionierendes System zur Innenraumortung für diesen Anwendungsfall gab, stellten wir uns dieser Herausforderung“, beschreibt Dr. Frank Hartmann.

Ortung für Innenräume

Ein Standard in der Ortungstechnik ist die globale Positionsbestimmung (GPS), bei der mithilfe von Satellitenfunksignalen die Position ermittelt wird. „Die Ortung in Innenräumen ist deshalb so schwierig, weil GPS in Innenräumen nicht zuverlässig funktioniert. Im Schiffbau, wo zum großen Teil Stahl verarbeitet wird, sind die Funkergebnisse noch schlechter, da die metallische Umgebung das Signal extrem schwächt“, merkt Dr. Hartmann an. Alternativ dazu werden mittlerweile weitere Funklokalisierungssysteme, wie Ultra-Breitband (engl. Ultra-wideband, UWB), eingesetzt, die auf Feldstärkemessungen basieren. Diese sind jedoch als alleinstehendes System mit einem hohen Aufwand an Infrastruktur verbunden, der auf der schnelllebigen Schiffbaustelle nicht praktikabel ist.

„Das Ziel war eine Ortungslösung, um auch in schwierigen und dynamischen Umgebungen eine Lokalisierung mit angemessenem Strukturaufwand möglich zu machen“, erläutert der Wissenschaftler Dr. Hartmann. Im Lauf seiner Dissertation am ITIV entwickelte er im Projekt eine hybride Ortungstechnik, um metergenaue Positionsdaten zu erzielen. „Zur Dokumentation von Baufortschritt und Sicherheitsmängeln müssen im Schiffblock relativ genaue Positionsangaben vorliegen, damit die Nachbearbeitung an der richtigen Stelle geleistet werden kann. Deshalb galten hier sehr hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit des Systems“, beschreibt Dr. Hartmann. Solch gute Messergebnisse werden mit SchiV 3.0 durch Kombination zweier Technologien erreicht: Die laufzeitbasierte Distanzmessung auf UWB-Basis wird mit einem sensorbasierten Inertialnavigationssystem ergänzt.

Bei der Distanzmessung passieren die Routengänger auf dem Schiffbau verteilte Ultra-Breitbandnetzwerke, die wie eine Art Tor angeordnet sind. Hierfür wird die Infrastruktur auf der Baustelle zur Einrichtung von Nahbereichs-Funkantennen genutzt. Ab dem Durchschreiten des Tores gibt die Dauer bis zum nächsten Tor Aufschluss über die Position. Zusätzlich wird für die Positionsbestimmung der Abstand zu mehreren Antennen herangezogen. In besonders verwinkelten, metallhaltigen Umgebungen wird diese Ortung durch eine inertiale Messeinheit, in Fachkreisen bekannt als Inertial Measurement Unit (IMU), unterstützt. Hierbei wird die geografische Position fortlaufend mittels Auswertung von Bewegungs- und Beschleunigungssensoren ermittelt, Koppelnavigation genannt. Die sensortechnische Messeinheit wird vom Sicherheitspersonal am Fuß getragen. „Durch die Kombination eines absoluten und eines relativen Lokalisierungssystems, kann sowohl eine langzeitstabile und in einem absoluten System referenzierte Lokalisierung erfolgen – bei einer guten Balance aus Kosten, Aufwand und Genauigkeit“, fasst Dr. Hartmann zusammen.

Digitaler Fortschritt mit SchiV 3.0

Die verbesserte Innenraumortung ist jedoch nur ein Teilergebnis des Projektverbunds. Erst im Zusammenspiel mit der entwickelten Applikation wird die Digitalisierung der Routinekontrollen möglich. Mithilfe von SchiV 3.0 können Routengänger Mängel, wie fehlende Geländer, freiliegende Kabel oder leicht entflammbare Bauabfälle, mit mobilen Endgeräten dokumentieren, direkt verorten und per Mobilfunk oder WLAN übertragen. Die so erfassten Hinweise werden in Echtzeit an die zuständigen Stellen weitergegeben. Das digitale Protokoll erleichtert zudem die Übergabe bei Schichtwechsel, da alle Ergebnisse des Rundgangs im Ist-Zustand übergeben werden können.

Am Beispiel einiger typischer Arbeitsabläufe auf der MEYER WERFT in Papenburg wurde SchiV 3.0 an einem im Bau befindlichen Kreuzfahrtschiff erprobt. Dr. Hartmann berichtet: „Die Evaluation unter Realbedingungen ist positiv ausgefallen. Die Möglichkeit der Ortung und des Projektmanagements bringen nicht nur mehr Sicherheit, sondern beeinflussen den gesamten Bauprozess positiv – So können Verzögerungen am Bau zukünftig minimiert werden.“

Die neue, hybride Ortungstechnologie hat noch mehr Potenzial. Prof. Stork blickt deshalb positiv in die Zukunft: „Nicht nur im Schiffbau muss der Baufortschritt koordiniert und dokumentiert werden. Andere Großbaustellen, wie Flughäfen oder Tiefbauprojekte mit ähnlich schwierigen Bedingungen, könnten ebenfalls von unserem System profitieren.“

 

Kontakt:

Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) 
Prof. Dr. Wilhelm Stork
wilhelm.stork∂kit.edu
Dr. Frank Hartmann
frank.hartmann3∂kit.edu

Hintergrundfoto: © M. Wessels / MEYER WERFT