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Binnenschiffsführungssimulator der BAW - ein neues Planungswerkzeug für den Verkehrswasserbau

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Seit dem Jahr 2010 betreibt die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) einen Binnenschiffsführungssimulator. Die Besonderheit des BAW-Simulators besteht darin, dass der Rechenkern eines kommerziellen Seeschiffsführungssimulators kontinuierlich an die spezifischen verkehrswasserbaulichen Anforderungen im Binnenbereich angepasst wird. Bereits implementiert wurden physikalische Ansätze, die die Fahrdynamik von Binnenschiffen in stark eingeschränktem Fahrwasser präziser beschreiben und die Besonderheiten von Binnenschiffen berücksichtigen. Kalibriert werden die im Simulator verwendeten Schiffsmodelle durch aufwändige Naturmessungen, ergänzende Untersuchungen im wasserbaulichen Modell und mit Hilfe numerischer Methoden. Für die Projektarbeit hat der Simulator mittlerweile einen festen Platz im „Methoden-Werkzeugkasten“ der BAW und ist schon heute für zahlreiche fahrdynamische Untersuchungen, wie z. B. Befahrbarkeitsanalysen und Fahrrinnentrassierungen, nicht mehr wegzudenken.

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Binnenschiffsführungssimulator der BAW - ein neues Planungswerkzeug für den Verkehrswasserbau

  1. 1. Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann Binnenschiffsführungssimulator der BAW 111. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft (STG) Ein neues Planungswerkzeug für den Verkehrswasserbau Hamburg, 17.11.2016
  2. 2. www.baw.de | Inhalt 1. Veranlassung 2. Anforderungen an den Simulator für fahrdynamische Untersuchungen im Binnenbereich 3. Kalibrierung der Modellschiffe 4. Praxisbeispiele 5. Zusammenfassung Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 2
  3. 3. www.baw.de | Herausforderungen im Verkehrswasserbau im Kontext Fahrdynamik Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 3 Schiffgrößen nehmen zu, Querschnitte bleiben gleich Grenzen der Stromregelung erreichtSohlen- und Uferbelastungen nehmen zu Verkehrswasserbau und Klimawandel Stromregelung und Sedimentbewirtschaftung Verkehrswasserbau und Ökologie Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  4. 4. www.baw.de | Entwicklung fahrdynamischer Verfahren in der BAW Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 4 Graewe (1971): Bemessung von Fahrspurbreiten Fahrdyn (1992): Geodätische Einmessung von Schiffen Trasse (1995): Trassierung in stehenden Gewässern PeTra 1D/2D (2000/2005): Trassierung in fließenden Gewässern ( ) [ ] RßbRlbRB −++++= 22 )tan()2/(2/1 B1 0 5 10 15 20 25 30 119 120 121 122 123 124 125 km B1 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  5. 5. www.baw.de | Grenzen der fahrdynamischen Modelle − Manöverfahrt Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 5 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  6. 6. www.baw.de | Beispiele für Manöverfahrten Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 6 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  7. 7. www.baw.de | Entwicklung fahrdynamischer Verfahren in der BAW Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 7 ANS 5000 (2009): Bewertung von Manöverfahrten 2D Strömungs-, 6 DoF-Modell ANS 6000 und BoWave (2015): Wellenausbreitung und Interaktion Schiff/Wasserstraße (in Echtzeit), Human factor, z. B. Stress- belastung Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  8. 8. www.baw.de | Fahrdynamische Merkmale der Binnenschifffahrt (im Gegensatz zur Seeschifffahrt):  Binnenschiffe fahren in der Regel unter Flachwasserbedingungen und in seitlich begrenzten Gewässern.  Binnenschiffe fahren häufig in strömenden Gewässern mit lokal hochkomplexen Strömungsfeldern.  Binnenschiffe haben in der Regel Zwillingsruder, die Ruderwinkel bis nahezu 900 zulassen.  Die Bugstrahlruder von Binnenschiffen saugen das Wasser am Boden an; deren Wirkung wird durch die Flachwasserbedingungen beeinflusst.  In der Binnenschifffahrt gibt es Gleitmolen, insbesondere an Schleusenvorhäfen.  … Vorgehensweise:  Kauf eines kommerziell verfügbaren Seeschiffsführungssimulator und Anpassung an die für den Binnenbereich spezifischen Verhältnisse Anforderungen an den Binnenschiffsführungssimulator der BAW Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 8 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  9. 9. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 9 Binnenschiffsführungssimulator der BAW
  10. 10. www.baw.de | Implementierte Ansätze − Monitormodul Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 10 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  11. 11. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 11 Implementierte Ansätze − Bugstrahlruder Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  12. 12. www.baw.de | In Entwicklung befindliche Ansätze − Kollisionsmodell (mit Rheinmetall Defence Electronics) Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 12 RheinmetallDefenceElectronics Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung Eigenschaften des Kollisionsmodells:  Dreidimensionale Kollisionskontrolle zwischen Schiff und Umgebung in Echtzeit  Übermittlung der Normalvektoren und optional der Materialpaarungen
  13. 13. www.baw.de | In Entwicklung befindliche Ansätze − Hydraulisches Kraftmodell Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 13 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  14. 14. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 14 Naturmessungen üGMS „Vigilia (135 m/11,45 m/4,5 m):  Erfassung der Kommandos aus dem Steuerhaus  Messung der Maschinenparameter (Drehzahl, Ruderwinkel, …)  Erfassung der Schiffsbewegungen mittels GPS Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  15. 15. www.baw.de | Naturmessungen – Beispiel Drehkreismanöver Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 15 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  16. 16. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 16 Modelluntersuchungen an einem Referenzschiff (üGMS, 2-Schrauber, M 1:16) HamburgischeSchiffbau-Versuchsanstalt Schiffbau-VersuchsanstaltPotsdam CPMC-Tests im Tiefwassertank der HSVA Modellbau und Tiefwasserschleppversuche in der SVA Potsdam Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  17. 17. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 17 Modelluntersuchungen an einem Referenzschiff DST,Duisburg Freifahrtversuche Z-Manöver im Flachwasser MARIN, Wageningen Entwurf und PMM-Test im Flachwasser DST, Duisburg Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  18. 18. www.baw.de | CFD-Untersuchungen (mit Universität Duisburg-Essen) Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 18 Simulation von NahwandfahrtenReplikation gefesselter Manövrierversuche Untersuchung von Propulsor-Ruder-Interaktionen Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  19. 19. www.baw.de | Kalibrierte Modellschiffsflotte der BAW Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 19 GMS, üGMS SV Sonstige Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  20. 20. www.baw.de | Eisenbahnbrücke Hamm (Datteln-Hamm-Kanal) Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 20 Hamm LippeDHK Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  21. 21. www.baw.de | Istzustand − Allgemein zugelassener Verkehr: 86 m/9,65 m/2,5 m Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 21 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  22. 22. www.baw.de | Simulatorfahrt: Istzustand – üGMS (135 m/12,45 m/2,8 m) zu Tal Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 22 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  23. 23. www.baw.de | Simulatorfahrt: Istzustand – üGMS zu Tal Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 23 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  24. 24. www.baw.de | Planungszustand − Uferzurücknahme und Spundwandufer, keine Änderungen an der Brücke Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 24 Bing,NutzungmitGenehmigungvonMicrosoft Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  25. 25. www.baw.de | Simulatorfahrt: Planungszustand – SV (185 m/12,45 m/2,8 m) zu Tal Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 25 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  26. 26. www.baw.de | Simulatorfahrt: Planungszustand – SV zu Tal Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 26 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  27. 27. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 27 Grundsatzuntersuchungen zu Schleusenvorhäfen (M 1:16, mit DST) Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  28. 28. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 28 Untersuchungen zur Fahrgastkabinenschifffahrt auf dem Main Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  29. 29. www.baw.de | Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 29 Untersuchungen zur Stressbelastung (mit TU Berlin) Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  30. 30. www.baw.de |  Die Besonderheit des BAW-Simulators besteht darin, dass der Rechenkern eines kommerziellen (Seeschiffs-) Simulators an die spezifischen fahrdynamischen Anforderungen der Binnenschifffahrt angepasst wird.  Kalibriert werden die im Simulator verwendeten Schiffsmodelle durch aufwändige Naturmessungen, Untersuchungen im wasserbaulichen Modell sowie numerische Untersuchungen.  Mit ihren hochaufgelösten hydronumerischen Modellen verfügt die BAW über ein weiteres Alleinstellungsmerkmal beim Einsatz ihres Simulators.  Der personelle und finanzielle Aufwand, der notwendig ist, um von der ersten Idee für den Einsatz eines Schiffsführungssimulators im Verkehrswasserbau bis zur erfolgreichen Projektarbeit zu kommen, darf nicht unterschätzt werden.  Der Simulator hat mittlerweile einen festen Platz im „Methoden-Werkzeugkasten“ der BAW und ist schon heute für zahlreiche fahrdynamische Untersuchungen nicht mehr wegzudenken. Zusammenfassung Binnenschiffsführungssimulator der BAW | Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann, Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann 17.11.2016 Seite 30 Veranlassung | Anforderungen an BAW-Simulator | Kalibrierung Modellschiffe | Praxisbeispiele | Zusammenfassung
  31. 31. Bundesanstalt für Wasserbau 76187 Karlsruhe www.baw.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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