SOOP - Sichere Offshore-Operationen

EFRE-Verbundprojekt

Ziel des Forschungsprojektes ist es, den Personen- und Umweltschutz, die Prozesssicherheit und Effizienz zur Kostenreduktion bei Offshore-Operationen durch ein integriertes, IT-gestütztes Missions- und Risikomanagement zu optimieren. Dabei sollen die Planungsphase von Offshore-Operationen, das Training und die Durchführung durch integrierte Modellierungs- und Assistenzsysteme unterstützt werden.

Gefördert wird das Projekt durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur und durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Das Gesamtvolumen des Vorhabens für den Innovationsverbund liegt bei einer geplanten Laufzeit von Mai 2011 bis Oktober 2014 bei 3,2 Millionen Euro.

Partner des Verbundes sind neben der Hochschule Emden/Leer die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und die Jade Hochschule, die unter der Leitung des OFFIS (Oldenburger Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Informatik) und in Kooperation mit regionalen Firmen entsprechende Forschungs- und Entwicklungsaufgaben durchführen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung von Sensornetzwerken auf Errichterschiffen und Windenergieanlage.

SOOP-Sensornetz

Der Fokus der Arbeiten an der HS Emden/Leer liegt auf der Realisierung eines neuartigen Sensornetzes für maritime Anwendungen ("SOOP-Sensornetz", siehe Abbildung 1 und 2) mit entsprechender Middleware zur Anbindung an einen Missionsassistenten für Offshore-Operationen. Dieser verdichtet die Daten, vergleicht auf Basis der Sensordaten die Ist-Situation mit der Soll-Situation aus Simulations- und Planungsläufen und generiert hieraus ein aktuelles Operationsbild. Wird während der Offshore-Operation eine kritische Situation erkannt, erzeugt der Missionsassistent Warnungen und Analysen, so dass die verantwortlichen Personen in angemessener Weise auf die kritische Situation reagieren können.

Die Bestimmung der Soll- und Grenzwerte für die jeweiligen Operationen erfolgt durch einen komplexen Mechanismus, dessen Realisierung ebenfalls Teil des Forschungsvorhabens ist. Das Liefern der Istwerte aus dem Feld ist Aufgabe des Sensornetzes (siehe Abbildung 1). Dabei muss ein mobiles ad-hoc Netzwerk aus einer Vielzahl von zunächst homogenen Sensorknoten realisiert werden, die verschiedenste Umgebungsvariablen aufnehmen und aus Datensicht im "SOOP-Gateway" zentralisieren. Umgebungsvariablen entsprechen in diesem Kontext physikalischen Größen wie zum Beispiel Beschleunigung, Temperatur, Lichtintensität oder Luftfeuchtigkeit. Aber auch Daten von schiffseigenen Instrumenten, die mit dem NMEA-Standard kommunizieren, können logisch in  des Sensornetz integriert werden (siehe Schwerpunkt Hardwareentwicklung).

Lokalisierung

Ein weiteres besonderes Charakteristikum des Sensornetzes ist die dreidimensionale Lokalisierung der beteiligen Sensorknoten. Ein typisches Anwendungsbeispiel der Messgröße Position ist die Überwachung eines Arbeiters, der sich aktuell in einem zulässigen Korridor oder in einem unzulässigen Gefahrenbereich aufhalten könnte.

Basis für die Lokalisierungsfunktionalität bildet die UWB-Funktechnologie. Diese neuartige Funktechnik ermöglicht neben der Datenkommunikation zusätzlich die Bestimmung der räumlichen Distanz zwischen Sender und Empfänger. Dabei wird die Signallaufzeit einzelner Impulse zwischen beteiligten Funkmodulen gemessen und darüber die korrespondiernde Distanz berechnet. Eine fehlende Sichtverbindung kann dabei zu fehlerhaften Distanzmessungen führen. Die Analyse und Korrektur dieser fehlerhaften Messungen ist ebenfalls Bestandteil des Forschungsvorhabens (siehe Schwerpunkt Digitale Signalanalyse (UWB-Funk)).

 

 

Abbildung 2: Detaillierte schematische Darstellung vom Aufbau des SOOP-Sensornetzes mit den Komponenten Sensorknoten (Slave), Referenzknoten (Anchor), MOIN-Master und MOIN-Koordinatoren.

 

 

Video: Inbetriebnahme und Demonstration des realisierten drahtlosen Sensornetzwerks auf dem Tonnenleger des Wasser- und Schiffahrtsamt Emden durch das SOOP-Team der Hochschule Emden/Leer.

Netzwerkprotokolle

Zur Bestimmung der Position sind mindestens vier Distanzmessungen zu unterschiedlichen und zuvor eingemessenen Referenzpunkten erforderlich (3D-Multilateration). Durch die Kombination von Distanzmessungen für die Lokalisierung und der Kommunikation für Sensordaten, werden an das drahtlose Sensornetzwerk in SOOP besondere Anforderungen bezüglich eines geeigneten Netzwerkprotokolls gestellt (siehe Abbildung 3). Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird im Projekt SOOP das Mobile Open Infrastructure Network Protocol (MOIN) realisiert (Schwerpunkt Kommunikationsprotokolle).

Abbildung 3: Detaillierte schematische Darstellung vom Aufbau eines Superframes für Distanzmessung und Kommunikation im MOIN-Protokoll.

A priori Planung und Simulation

Sogenannte Referenzknoten mit bekannter fester Position werden als Referenzpunkte für die Lokalisierung der Sensorknoten verwendet. Eine gute Referenzknotengeometrie vermeidet Fehler durch Messungen mit Sichtbehinderungen (non-line-of-sight, NLOS) und reduziert die geometrieabhängige Instabilität (Maß: Dilution of Precision, DOP) der Positionsbestimmung. Um optimierte Geometrien zu ermitteln werden in SOOP genetische Algorithmen angewendet (Schwerpunkt A priori Planung und Simulation). Die Ergebnisse zeigen, dass für beliebige dreidimensionale Umgebungen gute Referenzknotengeometrien erzeugt werden und damit die Vorabplanung vereinfacht wird. Abbildung 4 zeigt exemplarisch für die komplexe Geometrie eines Schiffes eine optimierte Referenzknotenpositionierung (rote Sternpunkte).

Abbildung 4: Darstellung der Optimierungsergebnisse von Referenzknotenpositionen für die komplexe Geometrie eines Schiffes.

Weitere Informationen zum Projekt

Weitere Informationen zu den Forschungsschwerpunkten finden Sie unter der Rubrik Schwerpunkte und Veröffentlichungen.

Geleitet werden die Arbeiten an der Hochschule Emden/Leer von Prof. Dr.-Ing. Gerd von Cölln und Prof. Dr. Carsten Koch des Fachbereichs Technik, Abteilung Elektrotechnik und Informatik.

Für weitergehende Informationen zum Verbund, den beteiligten Firmen und den geplanten Arbeiten im Vorhaben stehen Ihnen Professor Koch und Professor von Cölln gerne zur Verfügung.


Kontakt

Prof. Dr. Gerd von Cölln

Hochschule Emden/Leer
Constantiaplatz 4
26723 Emden
Tel. 04921/807-1810
E-Mail: coelln|at|technik-emden.de

 

Prof. Dr. Carsten Koch

Hochschule Emden/Leer
Constantiaplatz 4
26723 Emden
Tel. 04921/807-1815
E-Mail: koch|at|technik-emden.de

Grafik: Less Salty/Wikimedia Commons