Verfahren und Systementwicklung zur schallbasierten volumetrischen Sedimentklassifizierung mit dem Ziel einer verbesserten Ausweisung eines sicheren nautischen Horizontes sowie einer optimierten Wassertiefenausnutzung in Häfen - "Akustischer Horizont"

Abstract

Derzeit werden die Flüssigschlicke mit Single-Beam-Echoloten gemessen und ausgewertet. Dadurch werden linienhafte Messdaten erfasst, welche in die Fläche interpoliert werden müssen. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt stark von der Dichte der Messlinien ab. Dies beeinflusst direkt den Zeit- und Kostenaufwand für Messung und Auswertung. Die in den Echoloten verwendeten Arbeitsfrequenzen sind typischerweise für die akustische Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Flüssigschlicken nicht optimal. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines innovativen, scannenden akustischen Messsystems zur effizienten Qualifizierung der Gewässersohle in Häfen (und anderen Wasserstraßen) insbesondere hinsichtlich deren Durchfahrbarkeit. Das System soll es ermöglichen, den nautisch sicheren Horizont bei den verschiedenen auftretenden Sedimenten, Suspensionen und Konsolidierungsgraden deutlich exakter als bisher zu bestimmen. Durch die Kenntnis der flächenhaften Sedimentsituation können Schiffe deutlich sicherer durch Häfen und Wasserstraßen manövrieren. Zudem lassen sich durch die gesicherte Freigabe größerer Wassertiefen auch Schiffe mit größerem Tiefgang abfertigen, was zum einen die wirtschaftliche Effizienz des Hafens erhöht und zum anderen die Umweltbelastung aufgrund des effizienteren Waren- und Personentransportes sowie der Reduzierung von Unterhaltungstätigkeiten verringert. Neben der o.g. besseren Ausnutzung der Wassertiefe sowie der damit verbundenen Erhöhung der Tiefgänge der Seeschiffe werden auch interne Abläufe im Hafen durch eine flächenhafte Ausweisung der Sedimentcharakteristik verbessert. Die akustischen Eigenschaften von Flüssigschlicken wurden in Laborversuchen in einem Test Tank untersucht. Die in den Untersuchungen erzielten Ergebnisse flossen in die Entwicklung der analytischen Auswertealgorithmen sowie der KI basierten Auswertung ein. Basierend auf der Evaluierung der Arbeitsfrequenzen mit Bestandsdaten sowie den Schallfeldsimulationen wurde eine Multibeam Antenne für diese Applikation designet und entwickelt. Hierbei wurde ein Sparse Ansatz verfolgt. Angepasst an die Antenne wurde eine 64 kanalige ultra low noise und hochauflösende Sende-Empfangselektronik entwickelt und aufgebaut. Die Elektronik wurde im Zusammenspiel mit der Antenne im Labor sowie Testbecken in Betrieb genommen. In diesen Test wurde die Datenakquisition und Datenaufbereitung in verschiedene Formate für Entwicklung, Datenaustausch mit Projektpartnern und Third-party Tools erprobt. Der Projektablauf und die Durchführung wurden durch die Auswirkungen der Corona Pandemie und deren Folgen wie Kontaktbeschränkungen und Lieferkettenprobleme erheblich gestört und verzögert. Daher konnten nicht alle Projektziele voll erreicht werden. Trotzdem gelang es mit Workarounds ein funktionsfähiges Testmuster des flächenhaften Messsystems zu erstellen und grundlegende Module der Auswertealgorithmen zu entwickeln. Mit den vorliegenden Ergebnissen können zukünftig Felddaten erhoben werden, die als Grundlage für eine genaue effiziente flächenhafte Bestimmung des nautischen Horizonts dienen. The fluid mud is currently being measured and evaluated using single-beam echo sounders. This means that linear measurement data is recorded, which must be interpolated into the surface. The accuracy of the results depends heavily on the density of the measuring lines. This directly influences the time and costs required for measurement and evaluation. The operating frequencies used in the echo sounders are typically not optimal for the acoustic determination of the rheological properties of liquid sludge. The aim of the project was to develop an innovative, scanning acoustic measuring system for the efficient qualification of the waterbed in ports (and other waterways), particularly with regard to their navigability. The system should make it possible to determine the nautically safe horizon for the various sediments, suspensions and degrees of consolidation that occur much more precisely than before. By knowing the extensive sediment situation, ships can maneuver through ports and waterways much more safely. In addition, the secure release of larger water depths means that ships with greater drafts can also be handled, which on the one hand increases the economic efficiency of the port and on the other hand reduces the environmental impact due to the more efficient transport of goods and people as well as the reduction in entertainment activities. In addition to the above-mentioned better utilization of the water depth and the associated increase in the drafts of seagoing vessels, internal processes in the port are also improved through an area-wide identification of the sediment characteristics. The acoustic properties of liquid sludge were examined in laboratory tests in a test tank. The results achieved in the studies were incorporated into the development of the analytical evaluation algorithms and the AI-based evaluation. Based on the evaluation of the working frequencies with existing data and the sound field simulations, a multibeam antenna was designed and developed for this application. A sparse approach was followed here. Adapted to the antenna, 64-channel ultra-low noise and high-resolution transmitter/receiver electronics were developed and built. The electronics were put into operation in conjunction with the antenna in the laboratory and test tank. In this test, data acquisition and data preparation in various formats for development, data exchange with project partners and third-party tools were tested. The project process and implementation were significantly disrupted and delayed by the effects of the Corona pandemic and its consequences such as contact restrictions and supply chain problems. Therefore, not all project goals could be fully achieved. Nevertheless, using workarounds, it was possible to create a functional test sample of the area measurement system and to develop basic modules of the evaluation algorithms. With the present results, field data can be collected in the future, which will serve as a basis for a precise, efficient determination of the nautical horizon.