EP4232357A1

EP4232357A1 - Anordnung sowie verfahren zur massenbestimmung eines sich im wasser fortbewegenden schiffes

Info

Publication number: EP4232357A1
Application number: EP21799275.9A
Authority: EP
Inventors: Johannes Solass; Corinna Köpke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-08-30
Also published as: EP3988442A1; WO2022090217A1; US12545377B2; US20230399083A1

Abstract

Beschrieben werden eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes mit wenigstens zwei Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten, kurz GFS-Sensoreinheiten, die relativ zum sich fortbewegenden Schiff stationär in einem bekannten Abstand zueinander gelagert sind, sowie mit einer Auswerteeinheit, die auf Grundlage von mit Hilfe der wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten gewonnenen Messsignalen die Massenbestimmung des Schiffes vornimmt.

Description

Anordnung sowie Verfahren zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes.

Die Kenntnis über die tatsächliche Masse eines Schiffes im Allgemeinen sowie eines modernen Fracht- und Container-Schiffes im Besonderen dient in erster Linie der Sicherheit sowie der Vermeidung von gefährlichen Vorfällen bis hin zu Schiffshavarien, deren Ursachen zumeist auf Überladung oder falscher Beladung und einer damit einhergehenden unvorteilhaften Schiffsmassenverteilung zurückzuführen sind. Falsch deklarierte Waren oder zusätzlich mitgeführtes Schmuggelgut können zudem durch eine Bestimmung des tatsächlichen Schiffsgewichtes durch Zollbehörden leichter aufgedeckt werden. Hätten Zoll und andere Instanzen, wie beispielsweise Versicherungen, Reedereien sowie auch Schiffsbehörden, eine zuverlässige, d.h. unabhängig ermittelbare Angabe zum tatsächlichen Schiffsgewicht, so könnte ein Vergleich mit dem deklarierten Sollgewicht Unstimmigkeiten aufzeigen und so die Einleitung weiterer Maßnahmen, beispielsweise in Form physischer Kontrollen bzw. Inaugenscheinnahme der Schiffsladung, begründen. Stand der Technik

Da Schiffe im Allgemeinen zu groß sind um direkt gewogen werden zu können, erfolgt die Schiffsmassenbestimmung meist mit Hilfe von Näherungsverfahren, die darauf beruhen, das Volumen des verdrängten Wassers anhand des Tiefgangs des Schiffes zu ermitteln. Es existieren schiffsspezifische, hydrostatische Tafeln, in denen das von einem Schiff verdrängte Volumen in Abhängigkeit von dessen Tiefgangs tabelliert ist. Durch Multiplikation des auf diese Weise ermittelten verdrängten Wasservolumens mit der Dichte des Wassers kann auf das Gewicht des Schiffes geschlossen werden.

In der Druckschrift US 6,836,746 B2 ist ein Sensorsystem offenbart, das die Zuladung eines Schiffes durch Veränderung der Position mehrerer über der Wasserlinie angebrachter Sensoren durch Differenzbildung von deren Sensorsignalen im Vergleich zum Leerzustand des Schiffes, ermittelt. Das auf diese Weise ermittelte Schiffsgewicht steht jedoch lediglich der Schiffsbesatzung zur Verfügung und ist für Kontrollbehörden größtenteils unbekannt. Lediglich als einzige frei verfügbare Angabe für eine unabhängige Schiffsmassenbestimmung steht der Tiefgang eines jeweiligen Schiffes über das automatische Identifikationssystem, kurz AIS, zur Verfügung. Da diese Angaben jedoch sehr fehlerbehaftet sind, sind auch die Rückschlüsse auf das tatsächliche Schiffsgewicht fehlerbehaftet.

Die Druckschriften Lin Wu et al., Automated gravity gradient tensor inversion for underwater object detection, Journal of geophysics and Engineering Institute of Physics Publishing, Bristol, GB, Bd. 7, Nr. 4, 26. Okt. 2010 (2010-10-26), Seiten 410- 416, sowie Lin Wu et al., „Underwater Object Detection Based on Gravity Gradient“, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letter, Vol. 7, No.2, April, 2010, offenbaren jeweils eine Anordnung zur Massen- und Formbestimmung eines Unterwasserobjektes, mit Hilfe eines Gradiometers, das in der Lage ist einen Gravitationsgradienten zu erfassen. Um ein Unterwasserobjekt auf diese Weise hinreichend genau erfassen zu können, muss ein ausreichender Dichteunterschied vorhanden sein. Während der Gradiometer-Messungen muss das Unterwasserobjekt in Ruhe sein und erst wenn die Geometrie und entsprechende Dichteverteilung hinreichend genau bekannt sind, kann die Masse dieses speziellen Objektes bestimmt werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes mit einer ausreichend hohen Genauigkeit anzugeben, mit der es Behörden ermöglich wird, Gewichtskontrollen von Schiffen während der Fahrt durchs Wasser vornehmen zu können, um auf der Grundlage der ermittelten Schiffsgewichte bedarfsweise weitere Schritte einzuleiten. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sollen den Schiffsverkehr in keiner Weise beeinträchtigen und unabhängig von schiffseigenen Kontroll- und Messsystemen realisierbar sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 10 ist ein lösungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Masse eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes. Ferner sind in den Ansprüchen 14 ff. lösungsgemäße Anwendungen der Anordnung zur Schiffsgewichtbestimmung angegeben.

Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die lösungsgemäße Anordnung zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes nutzt den immanenten Masseneinfluss der Schiffsmasse auf das Gravitationsfeld der Erde, der sensorisch quantitativ erfasst wird. Hierzu sieht die Anordnung wenigstens zwei Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten, kurz GFS- Sensoreinheiten vor, die relativ zum sich fortbewegenden Schiff in einem bekannten Abstand zueinander stationär gelagert sind. Zudem umfasst die Anordnung eine Auswerteeinheit, die auf der Grundlage von mit Hilfe der wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten gewonnenen Messsignalen die Massenbestimmung des Schiffes vornimmt.

In bevorzugter Weise eignen sich für die GFS-Sensoreinheiten jeweils ein Gravimeter, ein Beschleunigungssensor bzw. Akzelerometer oder wenigstens zwei zeitsynchronisierte Atomuhren.

Von den vorstehenden GFS-Sensoreinheiten eignet sich in bevorzugter Weise ein Relativgravimeter zur sensorischen Erfassung der zeitlichen Veränderung der lokalen Gravitationsfeldstärke, die im vorstehenden Anwendungsfall durch die Präsenz der Masse eines Schiffes hervorgerufen wird. Da die derzeit größten Container-Schiffe eine Maximalmasse von bis zu 200 000 Tonnen besitzen, bedarf es möglichst präziser und hochauflösender Gravimeter, um eine Massenbestimmung mit einer Genauigkeit von 100 Tonnen, vorzugsweise von 10 Tonnen, und darunter realisieren zu können. Die derzeit verfügbaren feinst auflösenden Gravimeter stellen supraleitende Gravimeter dar, die durch eine kapazitive Vermessung der Schwebehöhe einer Niobkugel über einen supraleitenden Ring, in dem ein elektrischer Strom widerstandslos fließt, die Gravitationsfeldstärke am Ort des Gravimeters mit einer Messauslösung von 0,1 nm/s² erfassen können.

Zur messtechnisch erfassbaren Einflussnahme der Masse eines Schiffes auf das Gravitationsfeld am Ort der wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten, gilt es, die GFS- Sensoreinheiten im Bereich einer Bewegungstrajektorie eines zu vermessenden Schiffes stationär derart anzuordnen, so dass das Schiff die wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten möglichst raumnah passiert, vorzugsweise die GFS- Sensoreinheiten zwischen beiden GFS-Sensoreinheiten passiert oder besonders vorzugsweise einen der beiden GFS-Sensoreinheiten lotrecht passiert. Die Anbringung der GFS-Sensoreinheiten eignet sich in besonderer Weise im Bereich einer Schifffahrtsrinne oder Schifffahrtsroute, vorzugsweise am oder im Grund der Schifffahrtsrinne oder -route, so dass Schiffe bei Durchfahrt durch die Rinne die GFS-Sensoreinheiten möglichst raumnah und vorzugsweise lotrecht überfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die wenigstens zwei, vorzugsweise am Grund einer Schifffahrtsrinne angebrachten GFS-Sensoreinheiten über eine Kabelverbindung mit einer separat angeordneten elektrischen Energieversorgungseinheit sowie der Auswerteeinheit verbunden, in der die mit Hilfe der GFS-Sensoreinheiten gewonnenen Messsignale zur Ermittlung der Schiffsmasse zugrunde gelegt werden. Neben den mit Hilfe der GFS-Sensoreinheiten gewonnenen Messsignalen ist die Kenntnis über die räumliche Position des Schiffes während der Schiffspassage relativ zu den GFS-Sensoreinheiten zur Schiffsmassenbestimmung vorteilhaft, um eine wünschenswerte Genauigkeit in der Schiffsmassenbestimmung zu erreichen. So sind zum einen der räumliche Abstand zwischen Schiff und den GFS-Sensoreinheiten sowie auch der seitliche Versatz relativ zum Gravitationsvektor zwischen Schiff und den GFS-Sensoreinheiten von Bedeutung. Die exakten Schiffspositionsdaten stehen über das automatische Identifikationssystem (AIS) oder über das universale automatische Identifikationssystem (IIAIS) oder über das System zur Identifizierung und Verfolgung über große Entfernungen (LRIT, „Long- Range-Identification and Tracking) zur Verfügung und sind frei zugänglich abrufbar.

Die Genauigkeit mit der die Schiffsmasse auf der Grundlage der sensorisch erfassten Gravitationsfeldstärkenänderung sowie der räumlichen Relativlage zwischen dem zu vermessenden Schiff und den wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten ermittelt werden kann, hängt neben der Qualität des gewählten mathematisch numerischen Berechnungsmodells innerhalb der Auswerteeinheit sowie dem Auflösungsvermögen der GFS-Sensoreinheiten vor allem von der Messkonstellation, d.h. dem räumlichen Abstand sowie der Lage des zu vermessenden Schiffes und den GFS-Sensoreinheiten ab. Eine Überschlagsrechnung ergibt, dass eine Schiffsmasse von bereits 10 Tonnen in einem Abstand von 100 Metern eine Änderung der Gravitationsfeldstärke von 0,0667 nm/s² hervorzurufen vermag. Durch die Verwendung supraleitender Gravimeter, die eine Messempfindlichkeit von 0,1 nm/s² besitzen, wäre eine Detektierbarkeit eines Schiffes mit einer Schiffsmasse von 10 Tonnen in einem Abstand von ca. 50 Metern durchaus möglich. Vorzugsweise werden die GFS-Sensoreinheiten mit einer Messfrequenz typischerweise von wenigstens 1 Hz betrieben, so dass die Einflussnahme der Schiffsmasse während der Annäherung, der unmittelbaren Schiffspassage sowie auch der Schiffsentfernung von den GFS-Sensoreinheiten erfassbar ist.

Idealerweise sind die GFS-Sensoreinheiten direkt am Grund der Fahrrinne installiert, so dass eine ideale lotrechte Überfahrt der Schiffe über wenigstens eine der beiden GFS-Sensoreinheiten gewährleistet werden kann. Die Messgenauigkeit kann überdies verbessert werden, je geringer der Abstand zwischen Schiff und den GFS- Sensoreinheiten ist. Die Wassertiefe, welche den Abstand zwischen der Fahrrinnensole bzw. dem Fahrrinnengrund und der Wasseroberfläche entspricht, beträgt beispielsweise für die Elbe zwischen Hamburg und Cuxhaven im Mittel ca. 16 Meter und für die angrenzende Nordsee bis zu 70 Meter. Bei derartigen Wassertiefen und den damit verbundenen verhältnismäßig geringen Abständen zwischen Schiff und den GFS-Sensoreinheiten sollte es möglich sein, Schiffsmassen mit einer Auflösung von unter 10 Tonnen, d.h. bis hinab zu 1 Tonne, messtechnisch exakt zu erfassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die GFS-Sensoreinheiten gemeinsam mit einer elektrischen Energieversorgungseinheit, vorzugsweise in Form einer Batterie oder eines Akkus, als autonom arbeitende Baueinheiten ausgebildet, in der zur Übermittlung der Messsignale an eine separat angeordnete Auswerteeinheit zudem eine drahtlose Kommunikationseinheit integriert ist.

Vorzugsweise bietet es sich an, eine Vielzahl einzelner GFS-Sensoreinheiten längs einer Fahrrinne bzw. Schifffahrtsroute mit einem vorgegebenen Abstand zueinander anzubringen, deren Messsignale allesamt einer Schiffsmassenbestimmung zugrunde gelegt werden. Die Anordnung der Vielzahl von GFS-Sensoreinheiten kann je nach Größe der zu vermessenden Schiffe in einem linearen Muster oder arrayförmigen Rastermuster am Grund einer Fahrrinne gewählt werden. Vorzugsweise werden die GFS-Sensoreinheiten zumindest unmittelbar vor, während und nach einer Schiffspassage in einem Messmodus betrieben, bei dem die GFS- Sensoreinheiten Messwerte mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 Hz liefern.

Die vorstehend erläuterte zeitdiskrete Erfassung von Messwerten mit einer Abtastfrequenz von wenigstens 1 Hz ermöglicht es überdies, die während der Schiffspassage gewonnenen Messwerte der Bestimmung einer Massenverteilung des Schiffes zugrunde zu legen. Da die geometrischen Daten des jeweiligen Schiffes, d.h. Länge und Breite bekannt sind, z.B. entnehmbar aus den AIS- Informationen, können die in den Messsignalen während der Schiffspassage auftretenden Signalamplitudenvariationen ausgewertet und auf unterschiedliche Massenverteilungen innerhalb des Schiffes bewertet werden.

Bei der Anbringung der wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten längs einer Schifffahrtsroute bzw. -rinne ist es vorteilhaft, deren gegenseitigen Abstand kleiner zu wählen als die Schiffslängen, der die Schiffsroute typischerweise passierenden und zu vermessenden Schiffe. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der wenigstens zwei separaten GFS-Sensoreinheiten, die gleichzeitig von einem Schiff passiert werden, ortsaufgelöste Schiffsmasseverteilungen innerhalb des Schiffes ermitteln. Überdies ist es möglich, durch Messredundanzen die Messgenauigkeit zur Massenbestimmung unter Verwendung mehrerer GFS-Sensoreinheiten zu verbessern.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Anordnung und Methodik lässt sich eine Messanordnung etablieren, welche es ermöglicht, die Schiffsmasse unabhängig, d.h. vollständig autonom zu bestimmen. Daher kann die Masse eines Schiffes bei Ankunft im Hafen und bei der Ausfahrt gemessen und mit den Angaben der Schiffseigner abgeglichen werden. In Kombination mit den der Hafenbehörde vorliegenden Daten zu Be- und Entladevorgängen kann somit der Waren- und Güterverkehr effizient nachvollzogen werden und etwaige Anomalien können den Zoll- und Sicherheitsbehörden gemeldet werden. Kommt es zu größeren unerklärlichen Abweichungen, so kann dies als Hinweis auf unsachgemäß deklarierte Güter oder Schmuggelgut gewertet werden. Wird das System, wie vorgeschlagen, in allen größeren bspw. europäischen Häfen eingesetzt, so kann auf diese Weise der innereuropäische Warenverkehr effizient nachvollzogen werden.

Schifffahrtstraßen in der Nordsee sind hochfrequentiert und überdies ein schwieriges Gebiet für Seefahrer, da sich Sandbänke und Fahrrinnen verlagern können. Die Manövrierfähigkeit von Schiffen hängt unter anderem von deren Gesamtmasse ab, welche eine entscheidende Rolle insbesondere bei Ausweichmanövern spielt. Aus diesem Grunde würde eine genauere Bestimmung und Kenntnis der Gesamtmasse eines Schiffes beispielsweise Lotsen unterstützen, um Schiffe sicher durch schwierige Gewässer zu leiten.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Darstellung der Messanordnung am Grund einer Schifffahrtsrinne,

Fig. 2 Messdiagramm zur Erfassung der Gravitationsfeldstärkeänderung,

Fig. 3a, b alternative Anordnungsvananten zur Anbringung der GFS- Sensoreinheiten,

Fig. 4 Messanordnung mit zwei Atomuhren,

Fig. 5 Darstellung des zugrundeliegenden Messprinzips, das sich auf dem Lageunterschied der Massenschwerpunkte zwischen Schiffs- und verdrängter Wassermasse gründet sowie

Fig. 6 Diagramm mit synthetisch generierten Messwerten für in [m/s²]. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Figur 1 illustriert eine Seitenansicht auf eine Fahrrinne F längs der sich ein Schiff 3 auf der Wasseroberfläche 1 mit einer vorzugsweise konstanten

Eigengeschwindigkeit v fortbewegt. Die Fahrrinne F verfügt über eine Wassertiefe T, die dem Abstand zwischen der Wasseroberfläche und dem Fahrrinnengrund 2 entspricht. Am oder im Fahrrinnengrund 2 sind wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Gravitationsfeldstärke-(GFS)-Sensoreinheiten 4 am Ort A, B, B‘ angebracht, die im dargestellten Zustand gemäß Figur 1 vom Schiff 3 lotrecht überfahren werden. Hierzu sind die Abstände a zwischen den GFS-Sensoreinheiten 4, 5 kleiner als die Schiffslänge gewählt.

Die vorzugsweise als supraleitendes Gravimeter ausgebildete GFS-Sensoreinheit 4 misst die lokal vorherrschende Gravitationsfeldstärke g mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 Hz.

In Figur 2 ist ein Messdiagramm mit einer Abszisse als Zeitachse t sowie einer Ordinate, längs der die von Seiten der GFS-Sensoreinheit erhaltenen Messsignale aufgetragen sind, die jeweils die zeitaufgelöste Gravitationsfeldstärke g darstellen. Das in der Messkurve dargestellte lokale Minimum rührt von der Überfahrt des Schiffes 3 über der GFS-Sensoreinheit her, d.h. im Moment der maximalen Annäherung zwischen dem Massenschwerpunkt des Schiffes 3 und der am Grund der Schifffahrtsrinne 2 angebrachten GFS-Sensoreinheit nimmt die Gravitationsfeldstärke g lokal aufgrund der Eigengravitation des Schiffes ab. Die quantitative Abnahme der am Ort der GFS-Sensoreinheit lokal vorherrschenden Gravitationsfeldstärke ist im Wesentlichen proportional zur Masse des Schiffes. Auf der Grundlage dieser Messwertänderung kann somit auf die Gesamtmasse des Schiffes rückgeschlossen werden. Die Berechnung der Schiffsmasse erfolgt in einer Auswerteinheit 6, an die Kabel-gebunden oder kabellos die Messsignale der GFS- Sensoreinheit 4 zur Auswertung und Schiffsmassenbestimmung übertragen werden. Neben den Messsignalen erhält die Auswerteinheit 6 bspw. über AIS die genauen Positionsdaten des Schiffes, um die Relativlage zwischen der GFS-Sensoreinheit und dem Schiff erfassen zu können. Die Auswerteinheit ist vorzugsweise landgestützt und für eine Überwachungsbehörde zugänglich angeordnet.

Im Idealfall überfährt das Schiff 3 die GFS-Sensoreinheit 4, 5 lotrecht über den Orten der GFS-Sensoreinheiten 4, 5, die in Figur 3a hintereinander angeordnet sind. In diesem Fall vermag die Masse des Schiffes 3 entgegen der Erdanziehungskraft an den Orten der GFS-Sensoreinheiten 4, 5 zu wirken, so dass in diesem Fall jeweils ein maximaler Einfluss der Schiffsmasse an den Orten der GFS-Sensoreinheiten 4 gemessen werden kann.

Diese Konstellation ist erreichbar, sofern die GFS-Sensoreinheiten 4 , 5 längs einer Schifffahrtsrinne angeordnet sind, die genügend schmal ist, vorzugsweise kleiner 300 Meter misst. Neben der Schiffsmassenbestimmung dienen in diesem Fall die GFS-Sensoreinheiten 4, 5 zudem auch als Positionsdetektor um die Schiffsposition bei der Überfahrt hinreichend exakt erfassen zu können.

In Figur 3b ist der Fall illustriert, bei dem die GFS-Sensoreinheiten 4, 5 am Boden einer Schifffahrtsrinne oder Schifffahrtsroute derart angeordnet sind, so dass das Schiff 3 die GFS-Sensoreinheiten 4, 5 nicht lotrecht überfährt, sondern seitlich versetzt. Aufgrund der wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten 4 und den damit ermittelbaren Messsignalen lassen sich das Schiffsgewicht sowie auch die Schiffsposition hinreichend genau ermitteln. Darüber hinaus lässt sich in Kombination beider GFS-Sensoreinheiten 4, 5, die jeweils mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 Hz betrieben werden, auch Informationen über die Massen- bzw.

Gewichtsverteilung innerhalb des Schiffes ermitteln.

Figur 4 illustriert eine Messanordnung unter Verwendung von zwei zeitsynchronen Atomuhren als GFS-Sensoreinheiten, von denen eine erste Atomuhr 4 am Meeresboden 2 angeordnet ist und eine zweite Atomuhr 5 an einem anderen Ort, an dem die Gegenwart der Schiffsmasse keinen messbaren Einfluss auf das lokale Gravitationsfeld besitzt. Durch die räumliche Nähe der Schiffsmasse eines die am Meeresboden 2 angeordnete Atomuhr 4 vorzugsweise lotrecht passierenden Schiffes

3 wird die lokal am Ort der Atomuhr 4 herrschende Gravitationsfeldstärke durch die gravitative Einwirkung des Schiffes 3 verändert, wodurch die Systemzeit der Atomuhr

4 aufgrund der Einstein'schen gravitationsbedingten Raumzeitkrümmung langsamer verläuft als am Ort der zweiten Atomuhr 5, die bspw. am Ort der Auswerteeinheit 6 vorgesehen ist, der kilometerweit weg an Land ist. Der Nachlauf ist proportional zur Gravitationsfeldänderung und damit proportional der verursachenden Schiffsmasse. Diese kann mit Hilfe der Auswerteeinheit 6 ermittelt werden.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Anordnung lassen sich die Sicherheit von Hafenbetreibern sowie auch die Überwachungsmöglichkeiten von Zoll und Wasserschutzpolizei erheblich verbessern. Auf der Grundlage der lösungsgemäßen Anordnung lässt sich ein Analyseverfahren zur verbesserten Nachverfolgung des Warenverkehrs innerhalb eines Hafens oder im hafennahen und angrenzenden Seebereich etablieren.

Die mit den vorstehend beschriebenen Messanordnungen erhaltenen Messsignale dienen der Massenbestimmung eines Schiffes, dessen Schiffsmasse grundsätzlich der vom Schiff verdrängten Wassermasse entspricht. Der Massenschwerpunkt des Schiffes und der Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse sind jedoch nicht Lage-identisch. Demzufolge ist die gravitative Wirkung der Schiffsmasse und die der verdrängten Wassermasse zwar identisch, die Orte von denen diese gravitativen Wirkungen jeweils ausgehen, stimmen jedoch nicht überein. Dieser Lageunterschied bildet die messtechnische Grundlage dafür um mit Gravimetern oder Akzelerometer , die von einem fahrenden Schiff verursachten lokalen Gravitationsfeldänderungen zu messen und aus den so gewonnenen Messdaten auf die Masse eines vorüberfahrenden Schiffes zu schließen.

In Figur 5 ist hierzu eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Schifffahrtsstrasse bzw. -rinne gezeigt, längs der ein Schiff mit konstanter Geschwindigkeit v fährt. Es sei angenommen, dass das Schiff 3 eine orthogonal zur Zeichenebene orientierte Fahrtrichtung besitzt, die der y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems entspricht, dessen x- und z-Achsen in Figur 5 zu entnehmen sind. Am Meeresboden bzw. Schifffahrtsrinnenboden 2 sind in einem Abstand a zueinander, längs der x-Achse, zwei Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten 4, 5 angebracht. Das Schiff 3 besitzt einen Masseschwerpunkt Ps , dessen räumliche Lage um einen Abstand k vertikal über dem vom Schiff 3 verdrängten Wassermassenschwerpunkt Pw liegt, d.h. es sei angenommen, dass der Wassermassenschwerpunkt Pw in dem eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem durch die Koordinaten (xw, yw, zw) gegeben ist, wohingegen der Schiffsmassenschwerpunkt Ps durch die Koordinaten (xw, yw, zw+k) gegeben ist.

Grundsätzlich gelten die folgenden Zusammenhänge:

Die Fallbeschleunigung, die ein Körper der Masse m in einem Abstand r hervorruft kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: mG 9 = ~ r mit: g = Fallbeschleunigung m = Masse des Körpers der die Fallbeschleunigung hervorruft G = Gravitationskonstante r = räumlicher Abstand

Für die Gravitationswirkungen gw der durch das Schiff verdrängten Wassermasse sowie gs der Schiffsmasse am Ort der Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheit 4 gelten demzufolge: m-G ■ m-G g_w = “5 — ? - 7 sowie g_s = — - — - -

^w+Vw,i^+zw x_w +y_w,i +(z_w+ky

Dementsprechend kann der gravitative Einfluss eines anwesenden Schiffes vereinfacht als Differenz zwischen der Gravitationswirkung des verdrängten Wassers und des Schiffes formuliert werden: mit: y_{w i} = i ■ At ■ v i = {0,1, 2, 3, ...} Nummer einer Messung während der Schiffsüberfahrt v = Geschwindigkeit des Schiffs At = Messintervall der Sensoreinheit

Hierbei wurden die Annahmen getroffen, dass sich das Schiff während einer Überfahrt nur in y-Richtung bewegt und die Schiffsgeschwindigkeit konstant ist. Wird die zeitliche Änderung der Gravitationsfeldstärke vorzugsweise quasikontinuierlich, z.B. mit einer Abtastrate von einer Messung pro Sekunde, während der Überfahrt eines Schiffes gemessen, so erhält man für jede der Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten 4, 5 einen Messkurvenverlauf gemäß der Diagrammdarstellung in Figur 6. In dem gezeigten Diagramm sind längs der Ordinate die Werte für Ag_t in [m/s²] angegeben, längs der Abszisse ist die Zeitskala in Sekunden dargestellt, mit einer Schiffsannäherung im Zeitbereich -60 Sek. bis < 0 Sek. und einer Schiffsentfernung im Zeitbereich größer 0 Sek. bis 60 Sek. Im Zeitpunkt 0 Sek. erfolgt die Schiffsüberfahrt über die Gravitationsfeldstärke- Sensoreinheiten 4, 5.

Für jeden der in dem Diagramm in Figur 6 dargestellten Messpunkte kann die oben genannte Gleichung für Ag_t formuliert werden, wodurch ein nichtlineares Gleichungssystem entsteht. Die synthetischen Daten, welche für die Erstellung der abgebildeten Messkurve verwendet wurden, sind: m = 100.000 t, v = 10 m/s, z = 70 m, k = 6 m und x = 18 m. Der Nullpunkt der horizontalen x-Achse wurde in das Kurvenmaximum gelegt, welches dem Zeitpunkt entspricht, zu dem der radiale Abstand zwischen Schiff und Sensor minimal wird. Bezüglich des Parameters k, der die räumliche Distanz zwischen den Masseschwerpunkten bezüglich der Schiffsmasse und der verdrängten Wassermasse darstellt, kann davon ausgegangen werden, dass für Containerschiffe k mehrere Meter annimmt. Die Variablen x, v und z können mittels stochastischer Inversion des aufgestellten Gleichungssystems gelöst werden. Hierfür werden erwartbare Intervalle definiert, welche eine Abweichung um ±50% von den oben gewählten Parametern erlauben. Iterativ werden Parameterkombinationen für m, v, x, z und k in oben genannte Gleichung eingesetzt. Die berechneten Kurven werden mit den synthetischen (gemessenen) Daten verglichen um die Parameterkombination zu ermitteln, die die Daten bestmöglich erklärt. Um verwertbare Inversionsergebnisse zu erhalten, müssen Daten für mindestens zwei Sensoren mit unterschiedlichen x, y und z- Positionen verwendet werden.

Durch Einsetzen der ermittelten Werte für x, v und z vereinfacht sich die oben genannte Gleichung. Werden nun m und k hinreichend genau abgetastet und berechnete Kurven basierend auf entsprechenden Parameterkombinationen mit den synthetischen (gemessenen) Daten verglichen, kann die Kombination von m und k ermittelt werden.

Zur Verbesserung der Ergebnisse sind folgende Maßnahmen vorteilhaft:

Einbindung zusätzlicher Datenquellen (zusätzliche Sensoreinheiten, AIS- Daten, Pegelstände, Wetterdaten, GPS-Daten mitfahrender Lotsen, Kameras, Laserbasierte Entfernungsmesser, ... )

Erhöhung der Rechenleistung (ermöglicht: feinere Abtastung des Parameterraums für m und k, mehr Iterationen und damit höherer Genauigkeit beim stochastischen Inversionsverfahren oder auch Multi-Start-Methoden)

Unter Realbedingungen ist es sinnvoll, den Zusammenhang zwischen m und k während einer Überfahrt zu erlernen. Hierfür dienen vor allem Kl-basierte Methoden. Wird eine passende Funktion gefunden, die den Zusammenhang beider Variablen hinreichend beschreibt, kann die Variable k ersetzt werden, so dass direkt nach m gelöst werden kann.

Minimierung des Rauschens in den Daten kann genutzt werden, um die Massenbestimmung zu verbessern. Bezugszeichenliste

1 Meeresoberfläche

2 Schifffahrtsrinnenboden bzw. Meeresgrund

3 Schiff

4, 5 Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheit

6 Auswerteinheit v Schiffseigengeschwindigkeit

F Fahrrinne

T Wassertiefe a Abstand zwischen zwei Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten

Claims

Patentansprüche

1 . Anordnung zur Massenbestimmung eines sich im Wasser fortbewegenden Schiffes (3) mit wenigstens zwei Gravitationsfeldstärke-Sensoreinheiten (4, 5), kurz GFS-Sensoreinheiten, die relativ zum sich fortbewegenden Schiff (3) stationär in einem bekannten Abstand (a) zueinander gelagert sind, sowie mit einer Auswerteeinheit (6), die auf Grundlage von mit Hilfe der wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten (4, 5) gewonnenen Messsignalen die Massenbestimmung des Schiffes (3) vornimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) wenigstens ein Gravimeter, einen Beschleunigungssensor (Akzelerometer) und/oder wenigstens zwei synchronisierte Atomuhren umfasst.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Gravimeter jeweils ein supraleitendes Gravimeter sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten (4, 5) kabelgebunden oder kabellos an die Auswerteinheit (6) übertragbar sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) im Bereich einer Bewegungstrajektorie des Schiffes (3) stationär derart angeordnet sind, dass das Schiff (3) die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) passiert.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) im Bereich einer Schifffahrtsrinne oder -route (F) angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) am oder im Grund (2) im Bereich der Schifffahrtsrinne oder -route derart angeordnet sind, so dass das Schiff (3) bei Durchfahrt durch die Fahrrinne (F) zwischen den wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) die GFS-Sensoreinheiten (4, 5) überfährt oder die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) über der Schifffahrtsrinne oder -route an einer Tragstruktur stationär derart angeordnet sind, so dass das Schiff bei Durchfahrt durch die Fahrrinne die wenigstens zwei GFS- Sensoreinheiten (4, 5) passiert.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) eine Recheneinheit umfasst, die auf der Grundlage wenigstens der Messsignale unter Einsatz eines numerischen Auswertealgorithmus die Masse des Schiffes (3) bestimmt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die geographischen Positionsdaten des Schiffes (3) mittels eines Systems zur Identifizierung und Verfolgung über große Entfernungen (LRIT-Long Range Identification and Tracking) oder eines Automatischen Identifikationssystems (AIS) oder (UAIS- Universal Automatic Identification System) ermittelbar sind.

10. Verfahren zur Bestimmung der Masse eines sich in Wasser fortbewegenden Schiffes (3), dessen lokaler Masseneinfluss auf das Gravitationsfeld der Erde gemessen und der Massenbestimmung des Schiffes (3) zugrunde gelegt wird, derart, dass an wenigstens zwei geographisch definierten, stationären Messorten jeweils eine Gravitationsfeldstärke unter Masseneinfluss durch das Schiff (3) gemessen werden, zum Erhalt von Messwerten, und dass die Massenbestimmung des Schiffes (3) wenigstens auf der Grundlage der Messwerte durchgeführt wird.

11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung während einer Vorbeifahrt des Schiffes (3) relativ zu den wenigsten zwei Messorten vorgenommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die geographische Schiffsposition relativ zum Messort ermittelt und der Massenbestimmung des Schiffes (3) zugrunde gelegt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenbestimmung des Schiffes (3) ein gravitativer Einfluss Ag; einer örtlichen Massenschwerpunktsverlagerung k zwischen einem Massenschwerpunkt des Schiffes und einem Schwerpunkt einer durch das Schiff (3) verdrängten Wassermasse zugrunde gelegt wird, für den folgendes gilt: mit: g = Fallbeschleunigung m= Schiffsmasse = verdrängte Wassermasse

G = Gravitationskonstante r = räumlicher Abstand r² = + y² + z_w ² (wobei x, y und z die räumlichen Distanzen bei Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems zwischen Sensor und Schwerpunkt der vom Schiff verdrängten Wassermasse darstellen) k = Abstand zwischen Schiffsschwerpunkt uns Schwerpunkt der vom Schiff verdrängten Wassermasse

14. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung der Massenverteilung innerhalb des Schiffes (3) durch Vorsehen wenigstens zweier GFS-Sensoreinheit (4, 5), die bei einer Passage des Schiffes (3) an den wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) zeitdiskrete Messungen mit einer vorgegebene Abtastrate vornehmen, dass die bei der Schiffspassage durchgeführten zeitdiskreten Messungen gewonnenen Messsignale der Bestimmung der Massenverteilung des Schiffes (3) zugrunde gelegt werden.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei GFS-Sensoreinheiten (4, 5) in einem bekannten Abstand (a) längs einer Schifffahrtsrinne (F) oder -route am Grund oder über der Schiffspassage angeordnet sind, deren Abstand (a) zueinander kleiner als eine dem Schiff (3) zuordenbaren Schiffslänge ist.

16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate wenigstens 1 Hz beträgt.