Intelligentes Assistenzsystem zur energieeffizienten Pumpwerk- und Schleusensteuerung - Innovative Software-Systeme zur nachhaltigen Energieeffizienzsteigerung komplexer Hafenanlagen

Thimo Schindler und Arne Schuldt

Mithilfe eines intelligenten Assistenzsystems kann die Nachhaltigkeit und Digitalisierung des tideunabhängigen Bremer Industriehafens erhöht werden. Um die Hafensicherheit zu gewährleisten, ist ein konstanter Pegelstand des abgeschleusten Hafens unerlässlich. Es ergibt sich ein großes Potential zur Energieeffizienzsteigerung, wenn das Hafenbecken statt per Pumpe bei Hochwasser natürlich durch die Schleuse bewässert wird. Der Beitrag zeigt, wie mit Hilfe Künstlicher Intelligenz und innovativen Softwaresystemen ein Assistenzsystem entwickelt wurde, um bestehende Verfahrensweisen zu verbessern ohne umfassende Änderungen der existierenden Hafeninfrastruktur vornehmen zu müssen.

Für den tideunabhängigen Industriehafen Bremen (siehe Bild 1) ist ein konstanter Hafenpegel obligatorisch. Durch verschiedene Einflussfaktoren, aber maßgeblich durch regelmäßig durchgeführte Schleusungen von Schiffen, verliert der Hafen kontinuierlich Wasser und der Pegel sinkt um mehrere Zentimeter pro Schleusung ab. Sinkt der Pegel unter ein bestimmtes Niveau, so können Schiffe im Hafen nicht manövrieren und es besteht die Gefahr von schwerwiegenden Beschädigungen der Hafeninfrastruktur. Um den Hafenpegel rechtzeitig auszugleichen, müssen frühzeitig energieintensive Pumpen in Betrieb genommen werden. Durch diese Maßnahme lässt sich zwar der Hafenpegel zuverlässig anheben – sie ist aber aufgrund der hohen Stromaufnahme der Maschinen kostenintensiv und ökologisch nicht nachhaltig. Zudem kommt erschwerend hinzu, dass dieser Prozess vergleichsweise viel Zeit benötigt, bis der Hafen den benötigten Pegel erreicht.

Alternativ lässt sich der Hafen durch die Öffnung von Schütztafeln innerhalb der Schleusentore mit Wasser aus der Weser bewässern. Eine solche natürliche Wasserstandregulierung hat den Vorteil, dass weniger Energie für die Anhebung des Hafenpegels benötigt wird. Zudem wird der Hafenpegel durch diese Methode der Bewässerung – im Vergleich zur Nutzung der mit hohen Kosten verbundenen Pumpenanlagen – wesentlich schneller ausgeglichen. Es bedarf folgender Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um den Hafen natürlich zu bewässern:

• Der Weserpegel muss einen höheren Wasserstand aufweisen als der Hafenpegel.
• Der Schiffsverkehr darf durch die natürliche Wasserstandregulierung nicht beeinträchtigt werden, etwa indem die Schleuse für Schiffe blockiert wird.
• Es darf keine Notwendigkeit für eine Sicherheitssperrung der Schleuse vorliegen, bspw. wenn der Flussund der Hafenpegel zu stark voneinander abweichen.


Bild 1: Luftaufnahme des Industriehafens Oslebshausen (Quelle: bremenports).

Es entsteht ein komplexes Steuerungsproblem und das Schleusenpersonal muss frühzeitig entscheiden können, ob und wann eine Bewässerung des Hafens notwendig wird. Um das Personal auf der Schleuse bei seiner Entscheidungsfindung zu unterstützen, wurde ein intelligentes Assistenzsystem entwickelt, das über eine Vielzahl von erfassten und gebündelten Datenquellen und mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) potentielle Zeiträume für eine natürliche Bewässerung identifiziert und dem Bedienpersonal zur Verfügung stellt.

Dieser Beitrag führt die in „Datengetriebene Modellierung zur intelligenten Schleusen- und Pumpwerksteuerung“ [4] erörterten Zwischenergebnisse fort und zeigt das Ergebnis in Form eines Assistenzsystems zur intelligenten Pumpwerk- und Schleusensteuerung. Dabei wird ein besonderer Fokus auf die Modelle zur Schiffsankunftsvorhersage und die Schleusenbelegungsplanung sowie die Nutzung dieser Applikationen im Dashboard des Assistenzsystems gelegt.

Use-Case und System-Architektur

Der tideunabhängige Industriehafen ist für den Schiffsverkehr nur über eine Schleuse zu erreichen. Die Kammer der Schleuse besitzt eine Länge von etwa 250 Meter, wodurch Schiffe der Panamax-Klasse geschleust werden können. Voraussetzung für einen sicheren Hafenbetrieb ist es, den Hafenpegel zwischen etwa 4,40 Meter und minimal 3,45 Meter über Seekartennull zu halten. Zu den meisten Zeiten liegt der Weserpegel unter dem Hafenpegel. Dadurch sinkt der Hafenpegel bei Schleusungen in der Regel um mehrere Zentimeter je Schleusung. Um eine zu starke Absenkung und damit eine Gefährdung der Hafensicherheit zu verhindern, muss der Hafenpegel regelmäßig wieder angehoben werden. Um dies möglichst nachhaltig, energieeffizient und damit kostensparend durchzuführen, kann das Hafenbecken auch über die Schleuse natürlich bewässert werden. Durch eine Vielzahl von Restriktionen und äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Schiffsverkehr, Schleusenaktivität, notwendige Bewässerungen und Tide- und Wettereffekte, ergibt sich ein komplexes Steuerungsproblem. Durch die Entwicklung eines intelligenten Assistenzsystems und eines dynamischen Monitorings der Systemdienste kann mit Hilfe eines Dashboards das Schleusenbedienpersonal bei der natürlichen Bewässerung des Hafenbeckens unterstützt werden.

Damit das entwickelte Assistenzsystem in Form eines grafischen Dashboards Handlungsempfehlungen und eine aktuelle und prädiktive Schleusenbelegungsplanung anzeigen kann, benötigt das System aus unterschiedlichen Quellen verschiedene Informationen [3] (Bild 2). Weiterhin braucht es eine genaue Kenntnis über den aktuellen, historischen und zukünftigen Zustand der Schleusenanlage sowie Daten bezüglich der Pumpe und des Hafenbeckens.

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