Optimar: Erstes CAPTN ‚Spin-Off‘ Projekt erhält Förderung

Vollautonome maritime Systeme, die eigenständig navigieren können und ihre Routen der Verkehrssituation anpassen, haben die Akteure der CAPTN Initiative bereits demonstriert. Objekte werden weitgehend zuverlässig erkannt; das eigenständige Abfahren einer sogenannten Trajektorie – also einer vorgegebenen Strecke – klappt. Für die kommerzielle Reife fehlt noch der letzte Feinschliff – unter anderem auch für das selbstständige An- und Ablegen. In dem Projekt ‚optimar – Maritimes Assistenz- und Autonomiesystem für den operativen Schiffsbetrieb‘ wollen Max Lutz und Lasse Boenecke (beide Technische Fakultät der CAU) einen Assistenten für Kurzstrecken-Pendelverkehre schaffen, der besonders recheneffizient ist und so Echtzeitberechnungen energieoptimaler Manöver auch für komplexe Szenarien ermöglicht. Die Energieoptimalität reduziert für jedes Manöver die Antriebsleistung auf das Minimum, was zum sicheren Manöververlauf notwendig ist. Gerade beim Kurzstreckenbetrieb kann damit eine deutliche Treibstoffeinsparung und Emissionsreduktion erreicht werden – oder im Falle eines batterieelektrischen Antriebssystems die Nutzungsdauer zwischen Ladezyklen maximiert werden.

„Diese Energieoptimalität erreichen wir mit Prinzipien der Regelungstechnik“, erläutert Lutz. „Bei der modellprädiktiven Regelung erzeugen wir eine Online-Simulation der zukünftigen Schiffsbewegung, abhängig von den Parametern des Schiffes – das sind so zwischen 10 bis 12, also vergleichsweise wenig.“ In Systemen, die mit Künstlicher Intelligenz (KI) arbeiten, werden im Vergleich dazu bis zu 1.000 Parameter genutzt. Der Unterschied lässt sich dadurch erklären, dass im mathematischen Modell die wesentlichen physikalischen Effekte etwa durch das das Boot umgebende Wasser, der Einfluss von Wind, Wellen und Strömung oder auch der Antrieb bereits durch ein Gerüst von Gleichungen vorgegeben sind. In dem System der Regelungstechniker muss dem Modell dann lediglich noch die Parameter des Schiffstyps eingegeben werden.

Dieser recheneffiziente Algorithmus steht im Zentrum eines autonomen Assistenten, der die optimale Route beziehungsweise das anstehende Manöver in Echtzeit ermittelt und vollständig autonom durchführen kann. „Das ist aktuell noch nicht erlaubt – daher liegt vorerst die Verantwortung weiter beim Schiffsführer, der das Manöver überwachen muss. Im Rahmen des Projekts wird das Gesamtsystem unter anderem mit der Wavelab im Realmaßstab validiert“, erläutert Lutz.

Einzige Herausforderung könnten für das von Lutz und Boenecke angestrebte Modell die Umweltbedingungen sein. „Wasser, Wind und Wellen interagieren auf komplexe Art und Weise mit dem realen Schiff, was die Bestimmung der notwendigen Modellparameter erschwert.“ In der Grundlagenforschung hat das Team dafür ein Verfahren entwickelt, das sich nun in der realen Anwendung beweisen muss. Hierbei werden spezielle Manöver mit einem 6-Meter-Freizeitschiff sowie mit dem CAPTN-Forschungskatamaran Wavelab abgefahren und die Modellparameter in einem iterativen Verfahren nach und nach so angepasst, dass die digitale Simulation der Schiffsbewegung mit den Messdaten der Manöver übereinstimmt.

Dank der innovativen mathematischen Beschreibung des Modells und entsprechend minimalen Hardwareanforderung soll es gelingen, den An- und Ablegeassistenten schnell zur Marktreife zu bringen. Aufgrund der flexiblen Darstellungsmöglichkeiten des Modells, kann der Assistent perspektivisch in vielen Bereichen wie bei Yachten oder im Kurzstrecken-Fährverkehr eingesetzt werden. Nach Ablauf der Förderungszeit Ende 2028 könnten sich Lutz und Boenecke vorstellen mit ‚optimar‘ ein Unternehmen zu gründen, Lizenzen zu verkaufen und oder Industriekooperationen einzugehen. Als Hürde für den Erfolg ihrer Gründung sehen Lutz und Boenecke aktuell noch ungeklärte Zulassungsvoraussetzungen und Haftungsfragen sowie der der finanzielle und personelle Aufwand für eine vollständige Klassifizierung und Zertifizierung.

Das Projekt ‚optimar – Maritimes Assistenz- und Autonomiesystem für den operativen Schiffsbetrieb‘ wird seit kurzem durch die Validierungsförderung VIP+ des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit 1,31 Mio. Euro über 30 Monate gefördert. Das Förderprogramm VIP+ soll es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, aus der Welt der Forschung heraus den ersten Schritt in Richtung wirtschaftliche Wertschöpfung oder gesellschaftliche Anwendung zu gehen.

Einen großen Anteil an erfolgreichen Föderantrag hatte das Zentrums für Entrepreneurships (ZfE), das bei der Projektkonzeption und dem Projektantrag unterstützt und beraten hat.

Als Unterstützung bei der Validierung sucht das Team noch Personen mit Ingenieurshintergrund und Erfahrung im Bereich Softwareentwicklung.