IT-Trends im Schiffbau

Vom 12. bis 14. April 2010 findet die 9th International Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industries (COMPIT) in Gubbio/Italien statt. Die große internationale Besetzung, wieder mit erfreulich starker deutscher Beteiligung, und die Themen, auf die wir nachfolgend eine kurze Vorschau geben, lassen wieder auf eine bemerkenswerte Veranstaltung zur Entwicklung maritimer Technik hoffen.

Seit dem Jahr 2000 hat sich die COMPIT als hochrangige Konferenz etabliert, die Entwickler und Anwender von Software zum Entwurf[ds_preview], zur Produktion und zum Betrieb von Schiffen zusammenbringt. Fast schon nebenbei dient die COMPIT dabei als Kontaktbörse für Mitarbeiterrekrutierung und Plattform zur Vorbereitung und Verbreitung von internationalen Forschungsvorhaben. Mehr als 50 % Industriebeteiligung unterstreichen die Praxisnähe der Veranstaltung. Dieses Jahr findet die Konferenz in Italien statt. Für die Folgejahre sind Berlin, Istanbul und Cortona avisiert.

Die COMPIT behandelt moderne Anwendungen der Informationstechnologie (IT) über den Lebenszyklus des Schiffes, vom Entwurf bis zum Betrieb. Aus zahlreichen eingereichten Vorschlägen wurden etwa 50 Beiträge angenommen zur Präsentation. Für die Leser der Hansa hat der Organisator Prof. Dr.-Ing. Volker Bertram einige Beiträge ausgewählt, um sie in Kurzform vorzustellen.

Schiffbau

Schiffbau ist ohne Computer nicht mehr vorstellbar. Informationstechnik (IT) begleitet das Schiff vom Vorentwurf bis zur Fertigung, wobei zunehmend auf Simulation statt Erfahrung gesetzt wird. Die Besten verknüpfen dabei intelligent Erfahrung mit modernen Werkzeugen.

Im Laufe der Zeit hat sich CAD (Computer Aided Design) vom bloßen technischen Zeichnen am Computer zur zentralen Entwurfsplattform entwickelt. Damit verbunden ist der Trend, immer früher im Entwurf 3D-Modelle der Strukturen einzusetzen, die Ausgangsbasis für vielfältige Simulationen sind. Den Modellen werden neben der reinen Geometrie noch weitere Daten zugeordnet, wie Material, Toleranzen, Lieferanten, etc. Derartige Produktdatenmodelle (PDM) sind inzwischen Stand der Technik im maritimen CAD. Sie unterstützen den generellen Trend hin zu verteilter, paralleler Arbeit mit häufigen Änderungen, wobei zunehmend über das Internet Information zwischen den Partnern ausgetauscht werden muss. Die Produktdatenmodelle werden (außer bei der Marine) noch nicht durchgehend vom Entwurf bis zum Betrieb benutzt. Die Vision eines durchgängigen Produktdatenmodells ist bislang nur in Ansätzen verwirklicht, aber Gegenstand vielfältiger Aktivitäten.

Einige Beiträge bei der diesjährigen COMPIT beleuchten diese Entwicklung in Überblicksvorträgen. Nick Danese (NDAR) verfolgt in »Ship CAD Systems – Past, Present and Possible Future« die CAD-Entwicklung im Schiffbau aus Industriesicht, von frühen Anfängen zu den heutigen Produktdaten-Systemen. Er erklärt die vier häufigsten Modellierungstechniken in CAD-Systemen und ihren Einsatz in Entwurf, Fertigung und Betrieb von Schiffen. Ausgehend von der historischen Entwicklung bis zum heutigen Stand der Technik extrapoliert Danese dann in die vorhersehbare Zukunft, was mit neuester Software und Technologie erreicht werden kann, wobei auch Erfahrung aus anderen Industrien herangezogen wird. Dabei wird deutlich, dass wir die bestehenden Möglichkeiten im Product Life-Cycle Management (PLM) nicht ausschöpfen. Naturgemäß zeigen alle führenden Hersteller im Bereich maritimer Software bei der COMPIT ihre neuesten Entwicklungen, um die Bedürfnisse der Industrie zu befriedigen. So sind die beiden Marktführer AVEVA (Tribon) und SENER (Foran) auch dieses Jahr wieder mit Beiträgen dabei. Veronica Alonso und Carlos Gonzalez von SENER geben eine historische Perspektive in »From Traditional 2D Drawings to 3d Early Product Model«. 3D-Modelle sind heute Stand der Technik in der Detailkonstruktion (im Englischen Detail Design). Im Entwurf (Conceptual Design) werden dagegen aus Zeitgründen noch weitgehend 2D-Zeichnungen verwendet. Der Übergang von 2D zu 3D ist häufig mit kostspieliger Neuerstellung von Modellen verbunden. SENER setzt hier auf eine Software, die durchgängig vom Entwurf zur Konstruktion benutzt werden kann. Ziel ist effektives Erzeugen der Klasse-Zeichnungen, wobei frühzeitig ein vereinfachtes 3D-Modell zum Einsatz kommt, dessen Information in spätere Detailmodelle nahtlos übergeleitet werden kann.

Der Grundgedanke der schnellen Modellierung komplexerer Modelle sowohl in der CAD-Repräsentation wie in nachfolgender Simulation findet sich dieses Jahr in diver­sen weiteren COMPIT-Beiträgen. David Thomson (AVEVA) unterstreicht die Bedeutung von Produktdatenmodellen für die effiziente Zusammenarbeit der diversen Partner in den maritimen Industrien (Reeder, Werften, Klassifikationsgesellschaften und Zuliefer-Industrie) in seinem Beitrag »Requirements of a Common Data Model for Total Ship Lifecycle Data Management«. Im Zeitalter des digitalen Datenaustauschs wachsen die Ansprüche an die benutzten Datenmodelle, da sie von mehreren Parteien und über längere Zeit benutzt werden. Thomson beschreibt die generischen Anforderungen an ein modernes Datenmodell und Ansätze, diverse Probleme auch in Hinblick auf den Schutz geistigen Eigentums der Werften trotz enger Zusammenarbeit mit Lieferanten und Kunden zu lösen. Darren Larkins von ShipConstructor Software zeigt in »Practical Applications of Design for Production«, wie Produktionsaspekte bereits bei der Konstruktion mit Hilfe von modernen CAD-Methoden berücksichtigt werden können.

Zwei Beiträge bei der COMPIT beschäftigen sich dezidiert mit wirtschaftlichen Aspekten von IT-Systemen. George Bruce von der University of Newcastle zeigt in »Reducing Management Software Costs«, wie neue IT-Techniken und Open-Source-Software auch kleinen und mittleren Werftunternehmen Management Information Systems auf ihre Bedürfnisse und Budgets zuschneidern. Volker Bertram (FutureShip) und Patrick Couser (Formation Design Systems) weisen in ihrem Beitrag »Aspects in Selecting the Right CAD and CFD Software« darauf hin, dass Lizenzgebühren häufig nur einen kleinen Anteil an den Gesamtkosten von Software in einem Unternehmen bildet. Vermeintlich billige Software wird durch Zeitverlust der Mitarbeiter für die Industrie am Ende recht teuer. Die Autoren schlagen ein systematisches Vorgehen mit Abschätzung aller Kosten vor, das ein Übersehen wesentlicher Kostenfaktoren (wie Training und eingeschränkte Produktivität während der Lernphase) vermeidet.

Entscheidungen im Entwurf wie im Betrieb von Schiffen werden zunehmend auf Simulationen abgestützt. So hat sich eine breite Palette von mehr oder weniger anspruchsvollen Simulationsmethoden entwickelt. Ein wesentliches Problem ist auch hier die schnelle und kostengünstige Modellentwicklung. Ein Grundpro­blem bei fast allen Simulationen ist, dass etwa 80 % der gesamten Bearbeitungszeit auf die Modellerstellung entfällt. Um Simulationen häufiger und früher einzusetzen, muss man hier substantiell Fortschritte machen.

Von Anfang an hat die Simulation von Fertigungsabläufen und verwandten Anwendungen (z. B. im Hafenbetrieb und bei der Simulation von Menschenströmen) bei der COMPIT einen festen Platz. Im Jahr 2000 bei der ersten COMPIT war »Discrete Event Simulation« (DES) für die meisten noch ein Buch mit sieben Siegeln. Inzwischen hat eine stürmische Entwicklung dieser Simulationstechnik Anwendungen bei vielen modernen Werften etabliert, wobei der Trend sowohl zu einer breiteren Anwendung wie zur anspruchsvolleren Simulation ungebrochen ist. Inzwischen richtet sich auch hier der Fokus auf schnellere und preiswertere Modellerstellung durch intelligente teilweise Automatisierung der Modellierung, sowie leichteren Import bestehender Information aus anderen Modellen. Lödding et al. von der TU Hamburg-Harburg stellen einen derartigen Ansatz vor in »Rule-based Resource Allocation – An Approach to Integrate Different Levels of Planning Details in Production Simulation«.

Die Modellierung wird hierbei durch in Software umgesetzte Erfahrungsregeln unterstützt. Dies macht den Prozess einfacher für Bediener mit weniger Erfahrung und schneller für Simulationsexperten. Dirk Steinhauer von der Flensburger Schiffbau-Gesellschaft berichtet in »Generic Data Model for Production Simulation in Shipbuilding« aus seiner Erfahrung: Häufig fehlen wichtige Produkt- oder Prozessdaten, um ein detailliertes Simulationsmodell der Fertigung zu erstellen. In einem deutschen Forschungsvorhaben wird in einem Konsortium von Werften und Forschungsinstituten an einem generischen Datenmodell mit Schnittstellen zu verschiedenen CAD-Systemen entwickelt. Die Simulation von Menschenströmen an Bord von Schiffen (insbesondere bei der Evakuierung) ist eine besondere Anwendung der Discrete Event Simulation, da hier die Objekte (nämlich die Menschen) eigene Entscheidungen treffen können. Für die Simulation muss hier auf generische Information über Reaktionsgeschwindigkeiten, Gehgeschwindigkeiten, etc. zurückgegriffen werden. Leider existieren kaum Daten für tatsächliche Schiffe und bislang wurden entsprechende Annahmen aus Messungen von Hotels und anderen Gebäuden übernommen. Ed Galea et al. von der University of Greenwich haben nun durch Großversuche auf Schiffen Daten gesammelt, die zu realistischeren Annahmen führen sollen. Dabei werden Passagiere mit Infrarot-Sensoren ausgestattet, die eine verlässliche Ortung jedes Passagiers auch in großen Mengen erlauben. Die Vorgehensweise und erwarteten Auswirkungen auf IMO-Vorgaben wird erläutert in »Collection of Evacuation Data for Large Passenger Vessels at Sea«.

Obwohl ein großer Teil der benötigten Information bereits in anderen Modellen steckt, ist es in der Praxis häufig einfacher und schneller, das Modell völlig neu zu erstellen. Roope Kotiranta von der finnischen Firma Surma stellt mit »Extended Usage of a Modern Product Model in Finite Element Analysis« einen Ansatz vor, schnell aus 3D-CAD-Modellen ein Finite-Element-Modell zu erzeugen, einschließlich der Lasten. Auch Tomi Holmberg von Napa beschäftigt sich mit der Thematik, CAD-Modell und Netzgenerierung für Finite-Element-Analysen zu koppeln. Sein Beitrag »Utilization of Integrated Design and Mesh Generation in Ship Design Process« beschreibt das im Entwurfssystem Napa integrierte Finite-Element-Modul und die Bedeutung der engen Kopplung von Festigkeitsanalysen und Entwurf.

Optimierung scheint generell ein Dauerbrenner zu sein. Dabei gibt es einerseits immer noch Fortschritte bei den eigentlichen Optimierungstechniken, andererseits werden die Anwendungen zunehmend aufwendiger und realistischer. Bei den Methoden haben sich evolutionäre Algorithmen durchgesetzt. Neben den inzwischen schon klassischen genetischen Algorithmen kommen auch Schwarm-Algorithmen zum Einsatz. Schwarm-Algorithmen simulieren Strategien von Bienen- oder Ameisenschwärmen und sind ähnlich robust wie genetische Algorithmen, aber effizienter auf Parallelrechnern. In methodischer Hinsicht sind auch zwei COMPIT-Beiträge interessant, die Unschärfen bzw. Unsicherheiten bei den Optimierungsvariablen in der Optimierung berücksichtigen können. Damit wird das Modell in vielen Anwendungen realistischer. Jode Marcio Vasconcellos von der University of Rio de Janeiro stellt in »Ship Structural Optimization under Uncertainty« eine Anwendung zur Strukturoptimierung eines Tanker mit einem genetischen Algorithmus vor. Dabei werden Lasten und Toleranzen bei Plattendicken als in Toleranzen variabel angesetzt. Anthony Daniels et al. von der University of Michigan benutzen in »Effects of Uncertainty in Fuzzy Utility Values on General Arrangements Optimization« stochastisch verteilte Eingangsvariablen, um zu »optimal« angeordneten Räumen auf Schiffen (speziell auf Marineschiffen) zu kommen. Auch Bart von Oers (Dutch Materiel Organisation) und seine Koautoren beschäftigen sich in »A 3D Packing Approach for Early Stage Configuration Design of Ships« mit dem Problem der internen Raumanordnung auf Marineschiffen. Dabei wird in einem ersten Schritt eine Vielzahl von möglichen Anordnungen erzeugt, aus denen der Entwerfer die »besten« auswählt, bevor diese weiter analysiert und verfeinert werden. Dieses halb-automatische Vorgehen erscheint pragmatischer für das sehr komplexe Problem als voll-automatische Ansätze. Karel Wagner et al. von GustoMSC wenden die von Oers et al. entwickelte Methodik auf ein Offshore-Bohrschiff an. Dies wird in »Modelling Complex Vessels for Use in a 3D Packing Approach: An Application to Deepwater Drilling Vessel Design» beschrieben. Stefan Harries von Friendship Systems und Florian Vesting von der Chalmers Technical University kombinieren in »Aerodynamic Optimization of Superstructures and Components« parametrische CAD-Modelle, moderne Strömungssimulationen und Optimierung, um aerodynamische Aspekte bei Schiffen (zum Beispiel Rauchgasausbreitung) zu optimieren.

Auch im Schiffsbetrieb ist der Computer nicht mehr wegzudenken. Reeder sind vor allem interessiert an einer Reduktion der Kosten für Treibstoff, Crew und Wartung (bzw. Ausfallzeiten). Dabei dürfen Kosteneinsparungen natürlich nicht zu Lasten der Sicherheit gehen. Die letzten Jahre haben dabei einige interessante Entwicklungen gebracht. Durch den Einsatz geeigneter Software eröffnen sich Ansatzpunkte bei allen drei Kostenbereichen. Aldo Turati von ASIC gibt mit »Ship Automation Systems: From Safety Management System to integrated Decision Support Systems« eine historische Perspektive der Entwicklung in der Schiffsautomation, von ersten verteilten Systemen bis hin zu modernen integrierten Systemen, die auf Passagierschiffen von Fincantieri installiert wurden. Die Automation ist besonders weit gediehen bei autonomen Unterwasser-Robotern, die in der Offshore-Technik und im militärischen Bereich gefragt sind. Hier schreitet die Technik schnell voran. Die kognitiven Fähigkeiten (die »Intelligenz«) der Roboter werden ausgebaut. Es gibt einen Trend hin zu Schwärmen von Robotern, die sich untereinander koordinieren und effektiver und sicherer Aufgaben erledigen. Andrea Caiti von der Universität Pisa gehört zu den führenden Fachleuten in Europa auf diesem Gebiet. Er stellt in »AUV Networks for Adaptive Area Coverage with Reliable Acoustic Communication Links« vor, wie Schwärme von Unterwasser-Robotern sich selbständig um ein Schiff positionieren, um optimale Sonar-Erfassung des Unterwasserraums zu gewährleisten. Andreas Birk von der Jacobs-Universität in Bremen beschäftigt sich in »Towards Cooperative Cognitive Control for Autonomous Underwater Vehicles« damit, wie Roboterschwärme unter Wasser sich ein dreidimensionales Bild ihrer Umgebung schaffen, sich untereinander koordinieren und navigieren (und zum Beispiel Kollisionen vermeiden).

Klassifikationsgesellschaften beschäftigen sich naturgemäß mit Problemen der Zustandskontrolle. So präsentieren Christian Cabos und Uwe Langbecker vom Germanischen Lloyd »Hull Maintenance based on a 3D Model«. Hier zeigt sich der Vorteil von durchgängigen Produktdatenmodellen über den Lebenszyklus von Schiffen. Das 3D Datenmodell der Klassifikationsgesellschaft erlaubt einen schnellen Abgleich von Dickenmessungen der aktuellen Struktur im Vergleich zu Solldicken und ursprünglich installierten Dicken. Reeder und Klasse haben dadurch bereits Einblick in Problemzonen des Schiffes, während das Schiff noch im Dock liegt. Auf der Basis von Zustandsberichten aus mehreren Jahren kann der Computer auch Korrosionsprognosen erstellen, die Entscheidungsgrundlagen für präventive Wartung der Schiffsstruktur sein können.

Der rasante Anstieg der Treibstoffkosten im Jahr 2008 rückte das Thema Energiesparen in den Fokus der maritimen Industrie. So war es nur folgerichtig, dass es seit der COMPIT in Budapest eine spezielle Session gibt, bei der es um IT-Anwendungen zur Einsparung von Treibstoff geht. Heikki Hansen und Malte Freund (FutureShip) stellen in diesem Jahr zwei »Assistance Tools for Operational Fuel Efficiency« vor. Der »Trim Assistant« berechnet den optimalen Trimm eines Schiffes, abhängig von der Verdrängung, der Geschwindigkeit und der Wassertiefe. Dazu wird zunächst mit Hilfe von systematischen Simulationen eine Wissensbasis für die spezielle Form des Schiffs erstellt, die dann eine sehr schnelle Interpolation an Bord erlaubt. Für ein Handelsschiff einer bekannten deutschen Reederei ergaben sich so Einsparungen von 5 %. Der »Energy Assistant« erlaubt der Crew eine Überwachung des Energieverbrauchs der diversen Anlagen an Bord (Haupt- und Hilfsmaschinen, Generatoren, Pumpen, etc.). Dies erlaubt, ineffiziente Verbraucher zu identifizieren und Probleme gezielt zu beheben. Shi und Grimmelius von der TU Delft vergleichen in »Comparison of Modeling Techniques for Simulation of Fuel Consumption of Dredgers« drei verschiedene Modelle zur Simulation des Treibstoffverbrauchs für ein Baggerschiff. Das Blackbox-Modell benutzt pauschale statistische Formeln auf der Basis von Messungen. Das Greybox-Modell benutzt semi-empirische Beziehungen, wobei die Koeffizienten durch neuronale Netze bestimmt werden. Das Whitebox-Modell erstellt ein detailliertes Modell in Simulink, das die physikalischen Zusammenhänge direkt abbildet. Der Vergleich mit Messdaten vom tatsächlichen Schiff zeigt, dass alle drei Ansätze den Treibstoffverbrauch ausreichend genau vorhersagen. Die drei Ansätze können auch kombiniert werden.

Die COMPIT ist nicht nur in Hinblick auf den Inhalt der Vorträge interessant, sie entwickelt sich auch zunehmend als Plattform, um hoch qualifizierte Mitarbeiter zu finden. Es bleibt zu hoffen, dass auch in diesem Jahr die deutsche Fachwelt die Gelegenheit zur Information, Diskussion und direktem Kontakt auf der COMPIT wieder angemessen nutzen wird. Es lohnt sich.

COMPIT 2009, www.compit.info

Veranstaltungsort: Gubbio / Italien

Teilnahmekosten: 550 Euro

Anmeldung bei: Volker Bertram,

volker.bertram@GL-group.com

Sponsoren: AVEVA, Friendship Systems, FutureShip, Germanischer Lloyd, SENER, ShipConstructor

Prof. Dr.-Ing. Volker Bertram

Germanischer Lloyd AG

volker.bertram@gl-group.com