Scheepvaart 3.0: autonoom varen met stuurman in de cloud

Digitale transformatie in maritieme sector versnelt dankzij hydrodynamische algoritmen en Big Data

Voorstanders van autonoom varende schepen baseren hun verwachtingen op kostenreductie en op het argument van veiligheid. De strenge milieueisen en de toegenomen intensiteit van het scheepvaartverkeer op de gangbare routes vragen om behoedzaam vaargedrag. Terwijl we in de productiesector spreken over Industrie 4.0 als een nieuwe, digitaal aangestuurde werkomgeving, streeft de maritieme sector naar een revolutie van de derde generatie: van zeil naar stoom naar onbemand, dus Scheepvaart 3.0.

De beschikbaarheid van algoritmen om massa’s data real-time te verwerken, zet de digitale transformatie in de scheepvaart in een hogere versnelling. Het nabootsen van de hydrodynamische krachten vergt 60.000 simulaties voor alle bewegingen van het schip. Dankzij de beschikbaarheid van veel rekenkracht kunnen we die data in samenhang met de output van het navigatiesysteem en de actuele en voorspelde meteorologische gegevens vertalen naar een besturingsmodel, waarmee een schip zich eventueel op afstand laat besturen (remote control). Vooralsnog levert het systeem een advies aan de kapitein. Het vergt weinig fantasie om te bedenken dat de software verder is te ontwikkelen naar een volledige vorm van gecomputeriseerde besturing. Data over de diverse processen in de machinekamer weten al veel langer probleemloos hun weg te vinden naar computersystemen in de stuurhut. Toerental, prestaties en energieverbruik monitoren we permanent en ’on the fly’ krijgen we tevens inzicht in de technische status van alle aandrijving- en besturingscomponenten. Het onderhoud is voorspelbaar.

Die informatie over het reilen en zeilen van het schip is niet alleen beschikbaar op de brug, maar ook op het kantoor van de rederij via wereldomspannende, satelliet gebaseerde communicatienetwerken. Het Britse Inmarsat, opgezet door de International Maratime Organization, was de eerste in 1979. Het netwerk is opgebouwd via 13 geostationaire satellieten en meer dan 60 grondstations. Het uit Motorola voortgekomen Iridium beschikt over 66 LEO-satellieten (Low Earth Orbit) en biedt een wereldwijde dekking met uitzondering van de poolgebieden. LEO’s bestrijken hun operatiegebied vanaf 350 tot 1.400 km boven het aardoppervlak. Het Thuraya satelliet netwerk biedt dekking in de wateren vanaf de Azoren naar het westen en tot +/- 180 graden naar het oosten.

Breedband internet op zee is nog kostbaar

Dankzij de inspanningen van het in 2003 door Amerikaanse IP-veteranen (Internet Protocol) opgerichte VSAT, zijn de satellietnetwerken toegerust op de levering van breedband internet op alle wereldzeeën. De capaciteit daarvan vormt de basis voor cloud-diensten, waarmee toepassingen als ’software as a service’ (Saas) vanaf de wal en op zee zijn te activeren. VSAT gebaseerde services worden onder meer geleverd door het aan de Nasdaq genoteerde, van oorsprong Nederlandse KVH met onder meer de maritieme communicatieservice MINI VSAT Broadband en door providers als SATMarine, Groundcontrol en MarLink. Satellietcommunicatie is duur in vergelijking met spraak- en dataverkeer op land. Satpower adverteert met een tarief van 2.000 euro per maand voor 4 Mbps download en 640Kbps upload. Voor 675 euro per maand kan de gebruiker 1Mbps downloaden en 256 Kbps uploaden.

Volgens Marnix Krikke, Innovation & Human Capital Director bij Netherlands Maritime Technology (NMT) - de belangenbehartiger van de Nederlandse scheepsbouwers - lijkt er vooralsnog voldoende bandbreedte beschikbaar om naast remote control ook autonoom varen mogelijk te maken. ”Voor de besturing van het schip is het niet nodig om permanent online te zijn en grote hoeveelheden data door de ether te sturen. De intelligentie van IT-voorzieningen aan boord is in staat om onder normale omstandigheden een schip te laten varen. Pas bij storingen of dreigende calamiteiten kan het nodig zijn om extra data of software elders vandaan te halen”, aldus Krikke. Hij verwacht dat in die omstandigheden de hoge kosten voor satellietcommunicatie geen obstakel vormen. Voor het verminderen van storingen overwegen rederijen volgens de NMT-bestuurder overgang naar een hybride of volledig elektrische voortstuwing. Maar dat hoeft niet per se, wanneer de onderhoudsschema’s aanpassing ondergaan. Er zullen nieuwe businessmodellen komen, die het onderhoud laten plaatsvinden wanneer het schip in de haven ligt afgemeerd.

Ruimere responsetijd voor corrigeren op het wijde water

De vraag is of we veiliger varen met nieuwe voortstuwingstechniek niet veel beter kunnen overlaten aan een computer. De eerste ervaringen met elektrisch aangedreven veerboten maken duidelijk dat de mens in zijn intuïtief handelen veel ruwer met de bediening omspringt. Met een automaat vaar je ’scherper aan de wind’, dus zuiniger. Die voordelen openbaren zich ook bij proefprojecten met zelfrijdende personenauto’s en vrachtwagens. Marnix Krikke denkt dat het meer een kwestie is van opnieuw en beter instrueren. Wel wijst hij op het grote verschil in responsetijden bij de besturing van voertuigen op land en die van schepen op open water. Een auto moet rekening houden met fietsers die op een afstand van minder dan 20 centimeter langs scheren. Op het wijde water is er meer tijd voor stuurcorrecties in het geval een schip op convergerende koers ligt met een ander vaartuig.

Big Data die via een cloud-dienst tussen wal en schip heen en weer gaat, heeft naar de mening van Krikke vooralsnog geen directe invloed op de besturing. Hij plaats die ontwikkeling meer in het domein van ’smart shipping’. Aan de business kant trachten rederijen hun logistieke processen te optimaliseren en hun brandstofgebruik te beperken. Resultaten uit analyses op Big Data kunnen uiteindelijk wel worden meegenomen in de commando’s aan de besturing, bijvoorbeeld om van koers te veranderen of de vaarsnelheid aan te passen. ABB Marine and Ports levert software voor deze processen als onderdeel van het Octopus-systeem, waarvoor het bedrijf uit Dalfsen wereldwijd afnemers heeft bij onder andere grote rederijen op het gebied van zwaar transport, maritieme constructiewerken en de cruisevaart.

De softwarebouwers van ABB beschermen hun software tegen hacken en ongeoorloofd gebruik (niet betalen van licenties) met behulp van het CodeMeter-beveiligingssysteem van Wibu-Systems. De programmacode van de ’embedded’ software is versleuteld samen met de kenmerken van de hardware waarop deze draait. Tevens is vastgelegd met hoeveel data uit de hydrodynamische database de computer mag rekenen en hoeveel real-time signaaldata uit de sensoren zijn in te lezen. Wie de functionaliteit wil upgraden, haalt de activeringscode op via een cloud-dienst. De nieuwste generatie software van Wibu heet Blurry Box. Die bleek in een internationale hackers competitie afgelopen voorjaar niet te kraken.

Volgens Tim Ellis, marketingmanager bij Digital Services van ABB, richt de Octopus software suite zich vooral op het maken van dashboards en Polar Plots. Die ondersteunen bemanningsleden bij het nemen van beslissingen op zee en op het inzichtelijk maken van prestatiegegevens van de schepen op het rederijkantoor aan de wal. Neemt niet weg dat deze mondiale leverancier van aandrijftechniek en bijbehorende besturingssystemen inmiddels werkt aan een platform voor autonoom varende schepen. Binnen afzienbare tijd verwacht men het concept van de achterliggende techniek te annonceren met een vergaande elektrificering van de voortstuwing en verruiming van de digitale connectiviteit tussen de diverse componenten.

Blauwdruk 2050: stip op de horizon van onbemande schepen

De NMT-organisatie heeft haar toekomstvisie vastgelegd in een rapport aangeduid als Blauwdruk 2050. Krikke spreekt van een gezamenlijk project, waartoe de aanzet is gegeven in een vorig jaar gehouden symposium. Daar gaven ook MARIN en The Hague Centre for Strategic Studies acte de présence. De belangrijkste conclusies: De mondiale instabiliteit en veranderende handelspolitiek hebben directe invloed op de scheepvaart. Belangrijke handelsroutes kunnen hierdoor onder druk komen te staan met mogelijk nadelige gevolgen. Het onbemande schip komt er. Het is goedkoper, veiliger en een stuk schoner. Ook het ontwerpen en bouwen van schepen zal in de toekomst anders gaan verlopen met behulp van intelligente systemen, virtual reality en robotica. In 2050 bouwen we zogeheten zelf-configurerende schepen die van functie kunnen veranderen.

Tijdens de eerste editie eind november 2017 van het congres Smart Shipping Challenge, maakte Cora van Nieuwenhuizen, de kersverse VVD minister van Infrastructuur, bekend dat scheepvaartbedrijven meer ruimte krijgen om te experimenteren met onbemand varen. Zij zelf nam alvast een voorproefje met een tochtje op de Nieuwe Maas aan boord van het computergestuurde binnenvaartschip MCS Saluté. Aan het begin van dezelfde maand tijdens Europort 2017 toonden bedrijven als Alphatron Marine, RH Marine en Wärtsilä digitale besturingssystemen die kunnen uitgroeien naar platformen voor autonoom varen. In Noorwegen gaat een proefschip van stapel lopen. Kennis van het omzetten van wiskundige theorieën naar voor computersystemen bruikbare algoritmen is in voldoende mate aanwezig. De initiator, classificatiebureau DNV GL, lanceerde meer dan 40 jaar geleden een softwareconcept voor ’eindige elementen’ calculaties. Daarmee verrichte men destijds het rekenwerk voor de reusachtige constructies voor de offshore winning van olie en gas, waaronder het ANDOC-olieplatform dat in 1976 op de Rotterdamse Maasvlakte werd opgeleverd aan de Shell.

Fred Franssen is journalist