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Big Data fürs Dickschiff

Mit Maritim 4.0 checkt Big Data aktuell auf den großen Dickschiffen der Handelsschifffahrt ein.

Während Industrie 4.0 in der Fertigungsautomatisierung immer konkretere Formen annimmt, werden die ersten cyberphysischen Systeme und cloudbasierten Netzwerkstrukturen, die der Optimierung des Schiffbetriebs dienen sollen, jedoch noch eine gewisse Zeit auf Kiel liegen, bevor sie auf große Fahrt gehen. Vor allem die Schiffszulieferindustrie in Deutschland ist davon überzeugt, dass sich mit Maritim 4.0 in der Handelsschifffahrt enorme Effizienzgewinne erzielen lassen. Rosige Aussichten für die Deutschen? Führen sie doch, laut Zahlen des VDMA, weltweit die Liste der Zulieferer an. Was bringt Big Data der Schifffahrt tatsächlich und welche neuen Herausforderungen sind damit verbunden?

Die Automatisierung hält Einzug in die Schifffahrt:

Energieeffizienterer Betrieb durch Vernetzung von Teilsystemen
Lesen von Schiffsdaten und steuernde Eingriffe dank Fernzugriff von Land
Kostensenker unbemannte Schifffahrt
Auswertung der Wetterdaten und Anpassung der Routen zur Einsparung von Treibstoff
Den Vorteilen Kostenreduktion, Umweltschutz und Effizienzsteigerung steht ein höheres Risiko für Datenmissbrauch und Cyberkriminalität entgegen.

Vor Gericht und auf hoher See ist man in Gottes Hand. Die Weisheit hat im 21. Jahrhundert nicht an ihrer Aussagekraft verloren. Herrscht im Gerichtssaal immer eine gewisse Unsicherheit darüber, wie die Gesetzeslage am Ende ausgelegt wird, existieren auf hoher See ähnlich unberechenbare Unwägbarkeiten: Auch wenn die Schiffe auf definierten Routen unterwegs sind, bleiben sie den Naturgewalten, der Verlässlichkeit der Technik oder auch Piraten mutterseelenallein ausgeliefert. Während die einen über Redundanzen und Ausfallsicherheit sprechen, philosophieren andere darüber, dass die autonome Schifffahrt durchaus das Risiko der Piraterie bannen könnte, weil das Interesse der Piraten auf das Lösegeld abzielt, das für Geiseln erpresst werden kann und nicht etwa auf die Fracht. Bestimmen bald fahrerlose Transportsysteme, die in der Logistik bereits gang und gäbe sind, das Bild der Weltmeere?

Big Data hat enormes Potential, sind Branchenexperten überzeugt.

Ferngesteuerte Frachtschiffe auf internationalen Seewegen sind aktuell noch Zukunftsmusik – allerdings wird die immer lauter, weil immer mehr Automatisierung Einzug in den Schiffbau hält und möglich macht, was lange nicht denkbar war: die Vernetzung von Teilsystemen beispielsweise und verbunden damit ein aufeinander abgestimmter und deutlich energieeffizienterer Betrieb an Bord; oder den Fernzugriff von Land, sowohl, um Schiffsdaten zu lesen, durchaus jedoch ebenso, um steuernd in den Schiffsbetrieb einzugreifen. Ob nun weniger oder gar kein Personal mehr an Bord: Branchenkenner wie zum Beispiel Hauke Schlegel, Geschäftsführer des VDMA Fachbereichs „Marine Equipment and Systems“, sind davon überzeugt, dass hinter Big Data „ein unglaubliches Potential steckt“. Von dem – und das freut Schlegel insbesondere – vor allem die deutsche maritime Wirtschaft als die Nummer eins der weltweiten Zulieferer profitieren kann.

Während in absehbarer Zukunft damit zu rechnen ist, dass vor allem in China, Japan und Korea Werften aufgrund von Überkapazitäten schließen werden, fahren deutsche Maschinenbauer und Systemintegratoren in ruhigerem Wasser und verzeichnen zwar keine rosigen, aber immerhin stabile Geschäfte. 2016 wird der Umsatz voraussichtlich die Zwölf-Milliarden-Euro-Marke übertreffen. Und nun – die digitale Revolution als weitere Chance? Was ließe sich tatsächlich mit der neuen Technik aus Schiffen und Schifffahrt rausholen? Nehmen wir Effizienz, Umweltschutz und Sicherheit der Schiffindustrie einmal näher unter die Lupe.

Kostensenker unbemannte Schifffahrt

Ganz generell leiden Frachtdienstleister tagtäglich unter hohem und steigendem Kostendruck. Die Ursache dafür: Auf den Meeren ist zu viel Schiffstonnage unterwegs – ein Effekt der heißen Spekulationen während der Boomjahre zwischen 2004 und 2009. Daraus resultieren Überkapazitäten und damit einhergehend Preisverfall. Transportdienstleister versuchen deshalb, durch Kostensenkungen ihre Wirtschaftlichkeit zu erhalten. Und wo es um das Senken von Kosten geht, ist der Blick auf die Personalkosten immer lohnenswert – auch für Reedereien. Für die bedeutet das konkret: Sparen an Quantität oder an Qualität; soll heißen: Entweder reduzieren Unternehmen die Personalstärke an Bord oder sie setzen auf eine Crew, die über geringere elektrotechnische Qualifikationen verfügt, dafür allerdings weniger zu Buche schlägt.

Beide Szenarien ließen sich mit dem Einsatz von Automatisierung durchaus realisieren. Automatisierungssysteme sind über weite Strecken durchaus dazu in der Lage, zu übernehmen, was zuvor von Menschen ausgeführt worden ist. Und sie verfügen über Remote-Funktionen, die es Experten an Land ermöglichen, Schiffsdaten zu lesen, um Servicekräften auf See sagen zu können, was sie zu tun haben. Sinkt die Personalstärke an Bord gegen Null, hätte das weitere – durchaus gewinnbringende Effekte: Kleine Teilsysteme, wie beispielsweise Kleinkläranlagen, Klimatechnik oder auch die Meerwasserentsalzung, wären an Bord nicht mehr erforderlich, wenn ein Schiff autonom unterwegs wäre. Brennstoffeinsparungen um die zehn Prozent wären alleine dadurch möglich, dass sich ein Transportdienstleister den Hotelbetrieb spart, den er derzeit an Bord für die Crew unterhalten muss.

Kosten verursachungsgerecht umlegen

Ob mit oder ohne Personal: Auf einem Schiff gibt es auch abseits des Hotelbetriebs durchaus Einsatzgebiete, die effizienter betrieben werden können. Messen, bewerten, Maßnahmen ableiten – darum geht es in diesen Bereichen im Wesentlichen und Maritim 4.0 bietet dafür sehr gute Möglichkeiten. Werfen wir zur Veranschaulichung einen Blick ins Gebäudemanagement: Dort werden durch Datenerfassung und -vernetzung Verbräuche und Kosten bis in einzelne Räume hinein ermittelt und optimiert. Auf Containerschiffen finden vergleichbare Messungen nicht statt. Dabei verursachen unterschiedliche Container durchaus unterschiedliche Transportkosten. Warum – bei aller Standardisierung der Maße eines Containers – Fracht dennoch nicht gleich Fracht ist, wird am Beispiel der „Reefer“ deutlich.

„Reefer“ bezeichnen in der Branchensprache Kühlcontainer, die entweder mit Kaltluft aus der schiffsfesten Ladungskühlanlage gekühlt werden oder selbst über eine Kälteanlage verfügen. Die wiederum zieht die Energie aus dem Bordnetz. In beiden Fällen wirkt sich das Kühlen also direkt auf den Treibstoffverbrauch des Schiffs aus, weil der Generator mehr elektrische Energie erzeugen muss und folglich von der Hauptmaschine mehr Leistung abfordert. Dass Kühlcontainer höhere Frachtkosten verursachen als andere, liegt damit offensichtlich auf der Hand. In der täglichen Praxis indes werden Infrastrukturkosten auf alle geladenen Container gleichermaßen verteilt. Würde durch eine integrative Netzwerktechnik ermittelt, wie hoch der Energiebedarf eines „Reefers“ tatsächlich ist, ließen sich Frachtkosten verursachungsgerecht umlegen und individuell kalkulieren. Für unterschiedliche Routen könnten so beispielsweise unterschiedliche Frachttarife definiert werden, weil Touren in Äquatornähe deutlich mehr Strom verbrauchen als in kühleren Regionen. Technisch umsetzen ließen sich eine solche Aufgaben mit heute verfügbarer Technik problemlos. Die Steuerung PFC200 von WAGO bietet zum Beispiel parallel zur eigentlichen Prozessorleistung auch Speichermöglichkeiten für das Monitoring von Daten außerhalb der Cloud. Und, so ein Monitoring ist allein schon erforderlich, um die unterbrechungsfreie Kühlkette zu dokumentieren – und damit die Betriebssicherheit eines „Reefers“.

Routenplanung statt mit Vollgas über den Ozean

Ein weiteres Beispiel für die Vorteile, die sich aus der engeren Datenvernetzung ergeben, lässt sich am Treibstoffverbrauch messen. Werden Routen etwa um Tiefdruckgebiete herum geführt, spart das Treibstoff. Folglich lohnt es sich, Wetterdaten nicht nur aus Gründen der eigenen Sicherheit auszuwerten. In die gleiche Richtung zielt die Weiterverarbeitung von Informationen aus den Häfen. „Was nutzt es, wenn ich mit Volldampf einen Hafen erreiche, um dann dort lange auf einen Liegeplatz zu warten“, fragt sich nicht zuletzt Prof. Dr.-Ing. Holger Watter, Präsident der Hochschule Flensburg. Mit Blick auf einen möglichst geringen Treibstoffverbrauch sei es wesentlich effizienter, die Fahrgeschwindigkeit so anzupassen, dass ein Fracht- oder Containerschiff so pünktlich in einem Hafen einläuft, dass es umgehend zur logistischen Abfertigung fahren kann.

Allein der monetäre Nutzen, der aus der Optimierung von Spritverbrauch und Liegezeiten resultieren könnte, wird von Fachleuten als so groß eingeschätzt, dass die EU das Projekt „Sea Traffic Management“ fördert. In dem geht es genau darum, die Abläufe der Seeschifffahrt mit Hilfe von Kommunikation, Vernetzung und Big Data zu harmonisieren. Die Idee des Projekts: Die Daten der Schiffe, die aufeinander abgestimmt werden sollen, werden so in der Cloud zur Verfügung gestellt, dass andere Schiffe darauf zugreifen können. Damit ist der Weg frei, sicher auf den Schiffsrouten aneinander vorbeizukommen und Häfen pünktlich, vor allem aber aufeinander abgestimmt, zu erreichen. Und dort würden von einem harmonischen Miteinander letztendlich auch die Hafenbetreiber profitieren. Die können sich auf die Ankunft der Schiffe vorbereiten, müssen dadurch deutlich weniger Logistikfläche für die Zwischenlagerung vorhalten und weniger Kapazität für den Abtransport von Waren. Lkw und Züge müssten dadurch ebenfalls nicht mehr in der Warteschleife verharren. Absprachen dieser Art würden sich entsprechend sowohl mit Blick auf den Umweltschutz als auch monetär auszahlen. „Trotzdem sind sie in der Schifffahrt noch nicht üblich“, meint Prof. Watter, der in diesem Zusammenhang deutlich macht, dass es für Schiffsbetriebstechniker immer wichtiger wird, unterschiedliche Szenarien richtig zu interpretieren. „Richtig ablesen und die richtigen Maßnahmen ableiten“, fordert Watter; und damit nicht zuletzt auch eine Schnittstelle zur Automatisierung, die über eine gute Usability verfügt.

Maritim 4.0 erfordert mehr IT-Sicherheit

Die Brücke von Schiffen wird in diesem Zusammenhang schon längst als Automatisierungszentrale verstanden, in der alle Informationen zusammenlaufen. Dazu zählen Navigation, Kommunikation und die Ladungsinformation genauso, wie administrative Daten: beispielsweise Anmeldedokumente oder Frachtdeklarationen. In Gestalt elektronischer Seekarten oder automatischer Identifikationssysteme (AIS) wird auf der Brücke bereits heute sicht- und erlebbar, dass die Digitalisierung auch auf hoher See voranschreitet. Der Trend spricht eine deutliche Sprache und die beschriebenen Potentiale tun es ebenso: Big Data fürs Dickschiff? Ja, das würde sich lohnen!

Allerdings haben Kostenreduktion, Umweltschutz und Effizienzsteigerung auch ihren Preis: nämlich deutlich gestiegene Anforderungen an die Cyber-Security; denn mit Digitalisierung, Vernetzung und insbesondere mit zunehmender Land-zu-Schiff-Kommunikation wächst an Bord auch das Risiko für Datenmissbrauch und Cyberkriminalität. Wer Maritim 4.0 sagt, muss darum auch immer von Cyber-Security sprechen – und meint damit sehr viel mehr die Sicherung eines Schiffs vor Cyberangriffen als die Betriebssicherheit des Schiffes selbst. Hier gilt es, mit geeigneten Technologien Schiff, Besatzung und Umwelt zu schützen, indem beispielsweise Daten, die zwischen Land und See übertragen werden, zuverlässig verschlüsselt werden, Zugriffspunkte und Zugriffszeiten reglementiert werden oder Steuerungen zum Einsatz kommen, die zum einen über „IT-Security by Design“ verfügen und zum anderen als Zwischenspeicher fungieren können, wenn die Verbindung zwischen Land und See einmal abreißt.

IT-Sicherheit: Ein stetiger Wettlauf

Angesichts der gravierenden Auswirkungen von Schiffshavarien überrascht es in diesem Zusammenhang, dass die derzeitige Ausführung des IT-Sicherheitssgesetzes den Schiffsbetrieb nicht zu den kritischen Infrastrukturen (KRITIS-Unternehmen) zählt – ganz im Gegensatz zur Energie- und Wasserversorgung an Land. Tatsächlich muss Cyber-Security als „Wettlauf“ angesehen werden, der zwischen Herstellern, Hackern und Betreibern stattfindet. Um flexibel auf neue Bedrohungen reagieren zu können, ist ein offenes Betriebssystem das erste Mittel der Wahl, weil Open-Source-Produkte nicht vom Hersteller allein abhängig sind, sondern von vielen Programmierern gleichzeitig genutzt werden, die Sicherheitslücken schneller erkennen und gemeinsam an Verbesserungen arbeiten. Die PFC-Familie von WAGO basiert deshalb auf Linux^® mit Echtzeiterweiterung, das von Haus aus gängige Funktionen für die Cyber-Security herstellerunabhängig zur Verfügung stellt und zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten bietet.

Text: Thorsten Sienk, Norman Südekum und Eva Banholzer | WAGO

Foto: Thorsten Sienk | WAGO

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