Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE
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© iStock/Jan Otto

Hafenüberwachung auf, über und unter dem Wasser

Terroristische Anschläge, Drogenschmuggel, Wirtschaftskriminalität – Szenarien für illegale Machenschaften, die sich zu Wasser, an Land oder auch im Luftraum eines Hafens abspielen, gibt es unzählige. Leider nicht nur fiktiv, sondern auch real, womit sie die Sicherheitslage gefährden. Zur Unterstützung der Hafensicherheit entwickelt das Fraunhofer FKIE zusammen mit ATLAS Elektronik und Bremenports im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsvorhabens ein ziviles Hafenüberwachungssystem.

Lagebildoptimierung für Maritime Awareness (LoMA)

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© Fraunhofer FKIE
Ein Hafen, wie beispielsweise hier in Bremerhaven, ist eine komplexe und unübersichtliche Kritische Infrastruktur. Zur Beurteilung und Gewährleistung der Sicherheit vor Ort ist ein umfassendes Lagebild erforderlich. Bislang steht den Aufsichtsbehörden ein solches nicht zur Verfügung. Ziel des BMWi-geförderten Forschungsprojekts LoMA ist es, dies zu ändern.

Ein Hafen ist eine komplexe Kritische Infrastruktur. Eine Vielzahl von Menschen und Technik trägt zu seiner Funktion und Organisation bei. Die Gewährleistung der Hafensicherheit ist dabei ein wesentlicher Aspekt. Zu ihrer Bewertung und Einschätzung müssen zahlreiche Informationen über die jeweils aktuelle Lage unter und über dem Wasser im Hafenbereich vorliegen. Erfasst werden diese durch unterschiedliche Sensoren und Informationsquellen.

Um ein zuverlässiges Lagebild bieten zu können, müssen die vielfältig gesammelten Daten anschließend jedoch zusammengeführt und weiterverarbeitet werden. Dies geschieht bislang noch nicht. Ein einheitliches Lagebild aus sämtlichen integrierten und bewerteten (Sensor-)Daten steht nicht zur Verfügung.

Mit der Aufgabe, ein solches zu beschaffen, befasst sich das Mitte 2017 gestartete, dreijährige Forschungsvorhaben LoMA, kurz für »Lagebildoptimierung für Maritime Awareness«. Es ist das erste Projekt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen der Förderlinie »Echtzeittechnologien für maritime Sicherheit« bewilligt wurde.

Ausgangsszenario: Angriff des Hafens von Wasserseite

Sein Ziel ist die Entwicklung eines umfassenden Systems zur Hafenüberwachung. Es soll dabei unterstützen, ein verdächtiges Objekt möglichst früh zu erkennen, zu tracken und sein Bedrohungspotenzial zu analysieren. Basierend auf Systemvorschlägen sollen die Sicherheitsverantwortlichen so in die Lage versetzt werden, adäquat reagieren zu können. Ein potenzieller Anschlag soll damit im Idealfall verhindert werden.

Ausgangsszenario des Projekts ist der gezielte Angriff eines Hafens durch ein Schlauchboot. Dieses würde zum derzeitigen Stand durch keinerlei Sensorik erfasst und könnte sich unbemerkt nähern und angreifen. Ein solches Szenario stellt eine der Gefahrenlagen dar, der sich Hafenbetreiber und -behörden angesichts einer zunehmenden terroristischen Bedrohung präventiv stellen müssen.

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Für ein umfassendes Lagebild werden Daten unterschiedlichster Sensoren, Radar-, Kamera- und Sonarsensoren, fusioniert und bewertet. Hier ein Kamerasystem des Fraunhofer FKIE bei einer Messkampagne in Bremerhaven.
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Überwachungsaufnahme des Kamerasystems.

LoMA soll dabei unterstützen, auffällige Bewegungen auf und unter dem Wasser frühzeitig zu erkennen, herannahende Objekte zu identifizieren und die Sicherheitsverantwortlichen entsprechend zu alarmieren. Hierzu fasst das System Daten und Informationen aus unterschiedlichen Quellen zu einer Informationslage zusammen und stellt sie situativ zur Verfügung.

Das Projekt greift zu diesem Zweck auf unterschiedlichste Sensoren zurück, deren Daten durch Fusion valide nutzbar gemacht werden: Neben dem Automatic Identification System (AIS), einem Transpondersystem zum Austausch von Navigations- und anderen Schiffsdaten, fusioniert das System die Daten von Radar-, Kamera- und Sonarsensoren sowie Schiffsmeldedaten. Weiterhin stehen im Fokus des Projekts die Bereiche ergonomische Darstellung, Alarmierung und Entscheidungsunterstützung.

Das Lösungskonzept zur Umsetzung des Überwachungssystems gliedert sich so in drei Aufgabenfelder/Komponenten:

  1. integriertes Lagebild
  2. Anomalie-Detektion mit Frühwarnsystem
  3. adaptive Entscheidungsunterstützung.

Die entwickelten Methoden wurden fortlaufend im Rahmen von gemeinsamen Messversuchen von Fraunhofer FKIE und dem Unternehmen ATLAS Elektronik, das sie in einem Demonstrator umgesetzt hat, in einer realen Hafenumgebung in Bremerhaven evaluiert. Möglich gemacht wurde dies durch die Unterstützung durch Bremenports über die Bereitstellung der Infrastruktur in Bremerhaven und die Hilfe bei der Planung und Durchführung der Messversuche.

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Eine große, interaktive Karte ist zentraler Bestandteil des übersichtlichen Human Machine Interface, eine Entwicklung des Fraunhofer FKIE. Es dient der maximal nutzerfreundlichen Aufbereitung des neu fusionierten Lagebilds.
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Schwerpunkte des Arbeitsanteils des Fraunhofer FKIE in dem Verbundprojekt LoMA sind das Informationsmanagement in Form von Sensordatenfusion, Anomaliedetektion, Objektbewertung und -klassifikation sowie die ergonomische Darstellung aller fusionierten Informationen.

Zur möglichst nutzungsfreundlichen Aufbereitung des fusionierten Lagebilds entwickelte das FKIE-Team ein Human Machine Interface, das dem KISS-Prinzip folgt: »Keep it simple and stupid!« Es basiert auf praktischen Nutzungsanforderungen, die durch Befragungen, Usability-Untersuchungen, Experimenten und Experten-Reviews ermittelt wurden.

»Entstanden ist eine adaptive und intuitive Oberfläche mit einer großen Karte als zentralem Bestandteil«, erläutert FKIE-Projektleiterin Anastasia Schwarze. »Diese bietet den Nutzern vielfältige Interaktionsmöglichkeiten wie beispielsweise das bedarfs- und rollengerechte Ein- und Ausblenden von Informationen. Warnmeldungen und Entscheidungshilfen werden automatisch angezeigt. Sie sollen dabei unterstützen, Entscheidungen möglichst sicher und effizient zu treffen. Zu diesem Zweck sollen die Verantwortlichen alle vom System bewerteten, relevanten Informationen möglichst ergonomisch dargestellt bekommen.«

Nächster Meilenstein des Verbundprojekts ist eine große Testkampagne unter realen Bedingungen und mit realen Szenarien in Bremerhaven. Hier soll das System seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen.