2D-Echtzeitströmungsvorhersage für den Hamburger Hafen

Dominic Spinnreker-Czichon

Schiffsmanöver Thalassa Tyhie, Einfahrt Waltershofer Hafen

Der Hamburger Hafen ist aufgrund vielfältiger Herausforderungen im ständigen Wandel – der globale Wettbewerb, die wirtschaftlichen Entwicklungen und individuellen Anforderungen erzwingen den Einsatz innovativer Methoden, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Ein wichtiger Umstand dabei sind die immer größer werdenden Containerschiffe. Die größten ihrer Art, die ULCVs (Ultra Large Container Vessels), erreichen Gesamtlängen von über 400 m und Kapazitäten von über 20.000 TEU. Ihre Anzahl nimmt stetig zu und ein Ende dieses Trends ist bis dato nicht absehbar.

In dieser Fragestellung unterstützt DHI den Hamburger Hafen mit effizienten Lösungen, um die vorhandene Hafeninfrastruktur noch besser ausnutzen zu können und, wenn erforderlich, weiter zu ertüchtigen. Dies dient nicht zuletzt auch zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit und der damit verbundenen Arbeitsplätze. Mit der Schiffsgrößenentwicklung wachsen auch die Anforderungen an die Nautische Verkehrszentrale und die Hafenlotsen hinsichtlich der Organisation eines sicheren und reibungslosen Verkehrsflusses.

Vor diesem Hintergrund wurde von der DHI-Gruppe das Echtzeitströmungsmodell Operational Current Information System (OpCIS) für den Hamburger Hafen entwickelt. Mittlerweile befindet sich das System im operativen Testbetrieb und wird in absehbarer Zeit zur Leistungsfähigkeit des Hamburger Hafens beisteuern.

Es ist entscheidend, dass das System lebt, d. h. neben Aufbau und Pflege werden der kontinuierliche Einsatz im Alltag, die zufriedenen Anwender und der robuste Systemzustand maßgeblich dazu beitragen, das Produkt weiterzuentwickeln und für neue Nutzergruppen zu öffnen. Das System wurde bei der Hamburg Port Authority (HPA) installiert. Heute berechnet OpCIS, basierend auf Online-Messwerten und externen regionalen Vorhersagen, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung die aktuellen und prognostizierten Strömungsverhältnisse im Hamburger Hafen. Diese Ergebnisse und Vorhersagen werden für sechs Zoomstufen aggregiert und so plattformunabhängig als Webdienst für verschiedene Anwender bereitgestellt. Über diese standardisierte Schnittstelle können die Strömungsdaten z. B. in die Client-Anwendungen der Nautischen Zentrale oder der Hafenlotsen eingebunden und unterstützend bei der Planung und Ausführung der Schiffsmanöver eingesetzt werden.

Anwendung im Hamburger Hafen

Im Hamburger Hafen sind Manöverfahrten für große Containerschiffe, wie das Drehen der Schiffe in den Stromdrehkreisen oder das Einfahren in den Köhlbrand nur innerhalb kurzer Zeitfenster möglich. Die zeitlichen Restriktionen ergeben sich aus den Tiefgängen der Schiffe, den tidebedingten Wasserständen und der Strömung. So soll verhindert werden, dass während eines Drehmanövers eine zu große Querströmung oder die tidebedingte Umkehrung der Strömungsrichtung ein sicheres Schiffsmanöver gefährden.

Strömungen im Parkhafen

Die Lage des Zeitfensters wird aktuell aus den Gezeitenvorausberechnungen des Bundesamts für Seeschifffahrt und
Hydrologie (BSH) für den Pegel St. Pauli abgeleitet. Da die tatsächlichen Eintrittszeiten der Stromkenterung in der Tideelbe aber neben den astronomischen Einflussgrößen auch vom Oberwasserabfluss und den meteorologischen Randbedingungen über der Nordsee bestimmt werden, müssen zeitliche Sicherheitspuffer einkalkuliert werden, die das zur Verfügung stehende Zeitfenster für die Planung der Ein- und Auslaufzeiten sowie Drehmanöver von ULCVs erheblich einschränken. Während der Durchführung von Schiffsmanövern orientieren sich die Nautische Verkehrszentrale und die Hafenlotsen an den aktuellen
Pegelinformationen, für die naturgemäß jedoch nur räumlich punktuelle Informationen aus der Gegenwart oder Vergangenheit vorliegen. Aufgrund der zu erwartenden Zunahme der ultragroßen Containerschiffe wird eine Verlängerung der Zeitfenster für Manöverfahrten angestrebt, um auf diesem Wege die Kapazität der Zufahrten in den Hamburger Hafen zu erhöhen. Da die Sicherheit an erster Stelle steht, kann dies nur durch eine genauere Kenntnis des zu erwartenden Kenterzeitpunktes (Umkehrung der Strömungsrichtung) sowie der aktuellen und prognostizierten Strömungsbedingungen am Ort des Manövers erreicht werden. Mit OpCIS erhalten die Verantwortlichen genau diese betriebskritischen Informationen in zeitlich und räumlich hochaufgelöster Form.

 

Kombinierte Technologien ergeben die Lösung

Das Vorhersagesystem ist wie ein modularer Baukasten zusammengesetzt. Die numerische 2D-Modellierung der Strömungsverhältnisse erfolgt mit der Softwarelösung MIKE 21 FM (Flexible Mesh). Durch das unstrukturierte Netz ist es möglich, Gebiete innerhalb des Hamburger Hafens, die von besonderem Interesse sind (z. B. Einfahrt Köhlbrand) oder ein komplexes Strömungsverhalten aufweisen (z. B. Strömungswalzen im Parkhafen), mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung zu berechnen und darzustellen. Demgegenüber werden Bereiche, die von weniger großem Interesse sind, mit einer geringeren räumlichen Auflösung modelliert, um sowohl die Berechnungszeit, als auch das produzierte Datenvolumen in einem vernünftigen Rahmen zu halten. Ferner lässt sich durch die Anwendung von unstrukturierten Netzen die stark verschachtelte Struktur des Hamburger Hafenbeckens besonders exakt abbilden.

MIKE 21 FM ist eingebettet in MIKE OPERATIONS, welches eine Vielzahl unterschiedlicher Module zum Datenabruf sowie zu Steuerungs-, Analyse- und Verwaltungsaufgaben umfasst. In OpCIS führt so z. B. der Job-Manager die zeitlich aufeinander abgestimmten Prozesse aus, überwacht diese und versendet im Falle einer Übertragungsunterbrechung der Echtzeitmesswerte eine SMS oder E-Mail an die zuständige Stelle. Innerhalb von OpCIS lassen sich individuelle Anpassungen rasch realisieren und tragen somit zur Systemstabilität bei.

Die Simulationsergebnisse, die gemessenen Zeitreihenwerte und aggregierten Daten werden in einer relationalen Datenbank (PostgreSQL) verwaltet und von der HPA für weiterführende Auswertungen genutzt. Durch einen Vergleich der modellierten mit den online gemessenen Zeitreihen an den drei Dauerströmungsmessanlagen im Hamburger Hafen erfolgt eine kontinuierliche Überprüfung der Simulationsergebnisse im Echtzeitbetrieb.

Modellgebiet des Echtzeitströmungsmodells

Das Modellgebiet umfasst eine Gesamtfläche von rund 70 km² und erstreckt sich vom Wehr Geesthacht bis zum Pegel Stadersand. Ein Modelllauf beginnt alle 60 Minuten mit den Ergebnissen der letzten zwei Stunden aus der Modellvergangenheit und rechnet mit aktualisierten Messdaten bis zur Gegenwart (Hindcast). Die Ergebnisse dienen zur Prüfung der Modellqualität. Mit BSH-Prognosedaten wird bis zu acht Stunden weiter in die Zukunft gerechnet (Forecast). Durch die Länge der Vorhersage wird sichergestellt, dass in jedem Simulationslauf die nächste Tidekenterung abgebildet wird, was für die Planung der Schiffsmanöver von besonders großem Interesse ist. Am oberen Modellrand werden bei jeder neuen Simulation alle bis zum Modellstart aufgelaufenen Messwerte der Station Neu Darchau als Randbedingung für die Simulation verwendet. Der Wasserstand wird am unteren Modellrand mit den Daten des Vorhersagemodells des BSH gesteuert. Falls keine aktuellen plausiblen Daten beim Modellstart vorliegen, wird automatisch auf Daten von benachbarten Messstationen zurückgegriffen. Für die 75.000 Elemente des Modells werden als Ergebnis u. a. die Parameter Fließgeschwindigkeit und Fließrichtung und der jeweilige nächste Kenterpunkt in der OpCIS Datenbank mit einer zeitlichen Auflösung von fünf Minuten gespeichert. Insgesamt umfasst die Datenbank 280 Mio. Einträge, von denen 14 Mio. während jeder Simulation aktualisiert und zurzeit ca. 3,5 Mio. operativ verwendet werden.

Neben der eigentlichen 2D-Simulation ist wegen der großen Mengen von Ergebnisdaten und der stark verschachtelten Struktur des Hamburger Hafens eine neue und damit performantere Aggregation der Strömungsdaten gewählt worden.

Um ein Überfrachten mit Informationen zu verhindern, werden die Ergebnisse beim Herauszoomen angepasst. Für alle Zoomstufen wurden daher im Preprocessing Bereiche definiert, innerhalb derer die Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen gemittelt werden. Bei dem eigentlichen Aggregationsprozess werden somit alle fünf Minuten aus den Simulationsergebnissen für die Zeitschritte Echtzeit und Prognose Geschwindigkeit und Richtung berechnet und weitere statistische Parameter wie,  z. B. Standardabweichung der Geschwindigkeit und Varianz der Richtung ermittelt, um ein Maß für die Aussagekraft der dargestellten Information abfragen zu können. Dies ist relevant bei der Betrachtung komplexer Strömungssituationen, wie z. B. Strömungswalzen. Insgesamt werden so alle fünf Minuten rund
300.000 Datentransformationen
durchgeführt.

Fazit und Ausblick

Mit dem Operativen Strömungsvorhersagesystem OpCIS betreibt die HPA ein Werkzeug für die Optimierung der bestehenden Infrastruktur und Unterstützung des Hafenbetriebs. Auf die Zukunft ausgerichtet ist hier zudem ein Werkzeug entstanden, das für eine Vernetzung unterschiedlicher Akteure im Hamburger Hafen zur Verfügung steht. Mit geringem Aufwand lassen sich die hochgenauen Hafendaten, kombiniert mit den Strömungsinformationen der Elbe, z. B. für eine Berechnung der Schiffsankünfte großer Schiffe verwenden. Wassertiefen und Brückendurchfahrtshöhen könnten aktuell und vorausberechnet abgerufen und Abfahrtspläne der Schiffe dadurch weiter optimiert werden. Fahrzeiten des Hafenshuttles für Container könnten tideabhängig berechnet und zu „Just in Time“-Lieferungen am Containerterminal verknüpft werden. OpCIS ist so konzipiert, dass weitere Fragestellungen in das System integriert werden können. In den kommenden Entwicklungsszenarien dieser Plattform wird DHI die Modellqualität weiter verbessern und auch die Möglichkeiten der Vernetzung mit anderen Systemen weiter ausbauen.

 

Autor: Dominic Spinnreker-Czichon

Business Area Manager Solution Software

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