<
>
Download

Fachbereichsarbeit
Ingenieurwissenschaft

Studienseminar Hannover

sehr gut, Lieberwirth, 2012

Armin K. ©
7.40

0.70 Mb
sternsternsternsternstern
ID# 41540







Facharbeit

Technische Umsetzungsmöglichkeiten

der RFID-Technologie auf

Kreuzfahrtschiffen zum besseren Personalmanagement in Gefahrensituationen

Inhaltsverzeichnis

  1. Abbildungsverzeichnis


Abbildung 1: Einsatz_in_metallischer_Umgebung_WS270307.pdf

Vortrag »RFID-Einsatz in metallischer Umgebung«

von Dipl.-Inform. Andreas Mähnz vom 27.03.2007

Abbildung 2:

Abbildung 3: faehre-gerettet-id3814681.html

Abbildung 4: %2C_October_30_2009.jpg

Abbildung 5:

Abbildung 6:

  1. Einleitung

Seitdem der Mensch begonnen hatte die Weltmeere mit dem Schiff zu bereisen, gab es Schiffsuntergänge und Notlagen bei denen zahlreichen Menschen ums Leben gekommen sind. Am bekanntesten ist wohl der Untergang der Titanic der nicht weniger als 1500 Menschen das Leben gekostet hat. Die Entwicklung neuer Sicherheitssysteme schreitet immer weiter voran und versucht somit schlimmste Folgen zu vermeiden, wobei es immer noch eine gravierende Sicherheitslücke beim Auffinden von vermissten Passagieren gibt.

Die jüngst vor der Küste Italiens auf Grund gelaufene Costa Concordia ist ein trauriges Beispiel, welches bestätigt und gleichzeitig mahnt, dass diese Sicherheitslücke existiert und unbedingt geschlossen werden muss. Von den 4200 Menschen die sich an Bord des Schiffes befanden als dieses Leck schlug, sind zwar die meisten mit dem Schrecken davon gekommen, doch fehlt bis heute immer noch von sieben Vermissten jede Spur.

Damit die Suche nach Vermissten erleichtert werden kann, besteht die Möglichkeit, die RFID Technologie als Mittel zum besseren Personalmanagement in Gefahrensituationen zu nutzen und somit vielen Menschen das Leben zu retten.

Als Grundlage für diese Facharbeit nutzt der Autor das Wissen, welches er während seiner 8-jährigen Seefahrtszeit an Bord einer deutschen Fregatte der Klasse 122, erworben hat. Gefahrensituationen und ein gutes Personalmanagement waren während dieser Zeit das A und O für Übungen und Ernstfälle. Weiterhin dient ihm die Erfahrung, die er beim Planen und Einrüsten eines Netzwerkes an Bord der Fregatte, gesammelt hat.

    1. Funktionsweise

RFID steht für Radio Frequency Identification, zu Deutsch: Identifikation mithilfe elektromagnetischer Wellen. Ein RFID System besteht in der Regel aus einem Transponder (auch RFID-Tag) und einem Schreib-/ Lesegerät, welches Informationen vom Tag lesen, aber auch neue Informationen auf diesen schreiben kann.

Abbildung 1: RFID - Gebräuchliche passive Technologie


Grundsätzlich werden RFID Systeme in zwei Kategorien eingeteilt – Aktive und Passive. Ein aktiver Tag ist mit einer eigenen Stromversorgung ausgestattet, während ein passiver Tag ausschließlich die vom Lesegerät abgestrahlten Wellen als Energiequelle nutzt. Daraus ergibt sich, dass aktive Tags mit einer um bis zu 1000-mal geringeren Felddichte auskommen als Passive.

Das vom Schreib-/Lesegerät ausgestrahlte Signal wird vom RFID-Tag empfangen und decodiert. Die angeforderten Informationen werden im Chip des RFID-Tag codiert und bei passiven Tags mit Hilfe der aus dem elektrischen Feld erzeugten Energie auf das Trägersignal moduliert, damit diese dann vom Schreib-/Lesegerät ausgewertet werden können. Beim aktiven Tag erfolgt das Senden der Informationen mit Hilfe der eingebauten Batterie. 1

RFID-Tags können in unterschiedlichen Frequenzbereichen, die in diversen Einsatzgebiete eingesetzt werden, arbeiten. Abbildung 1 verdeutlicht, welche Anwendungsgebiete in welchen Frequenzbereichen in der heutigen Zeit genutzt werden und zeigt auf, dass nur hohe Frequenzen für eine schnelle Identifikation von RFID-Tags genutzt werden können.

    1. Geschichte RFID2

Schon im Laufe des zweiten Weltkrieges begannen der schottische Physiker Sir Robert Alexander Watson-Watt mit der Entwicklung eines Systems zur eindeutigen Identifizierung von Flugzeugen, dem Identify Friend or Foe (IFF) System, damit britische Bodenstationen nicht ungewollt auf die eigenen Luftfahrzeuge schossen. Die Grundlagen dieser Technologie nutzend schritt die Entwicklung in den 50er und 60er Jahren weiter voran und binnen kurzer Zeit wurde ein Diebstahlschutz, der auch heute noch seine Anwendung findet, etabliert.

Ein 1-Bit RFID Tag zeigt an, ob eine Ware bezahlt ( Bit ist 0 ) oder ob sie unbezahlt (Bit ist 1) ist. Die Information über den Bezahlzustand dieser Ware wird dann am Ausgang des Geschäftes mittels eines Lesegerätes abgefragt. Dieser wertet die Information aus und gibt Alarm, falls jemand ohne zu bezahlen das Geschäft verlassen will.

Das erste Patent für ein aktives RFID Tag wurde im Jahr 1973 von Mario W. Cardullo angemeldet. Im weiteren Verlauf der Geschichte der RFID Technologie wurden viele Einsatzgebiete erschlossen. Bereits in den 70er Jahren wurden Transporte mit nuklearem Material sowie deren Fahrer mit passiven Tags ausgestattet, um einen schnelleren Überblick über das transportierte Material zu bekommen ohne den LKW öffnen zu müssen.

Dieses System zur Identifikation von Ladung und Fahrer wurde Mitte der 80er Jahre dann kommerziell genutzt und auch für Mautsysteme eingesetzt. Auch in der Landwirtschaft wurden über die Zeit immer mehr solcher passiven Tags eingesetzt, um Beispielsweise Kühe genau identifizieren zu können. Mit Voranschreiten der Entwicklung wurden die Tags immer kleiner und können in der heutigen Zeit sogar Menschen unter die Haut implantiert werden.

Abbildung 2: RFID Tag im Glasröhrchen

Während zu Beginn meistens nur ziemlich niedrige Frequenzen ( 125 kHz bzw. 13.56 MHz )genutzt werden konnten, entwickelte die Firma IBM in den frühen 90er Jahren ein UHF-fähiges RFID System, das eine hohe Reichweite und gleichzeitig auch eine hohe Schreib-/Lesegeschwindigkeit ermöglichte. Dieser Fortschritt brachte eine Menge neuer und innovativer Technologien auf den Markt.

Wegfahrsperren in Autos, automatische Bezahlsysteme in Supermärkten, Haustieridentifikation und eine verbesserte Lagerhaltung sind nur ein kleiner Bereich in denen heutzutage RFID -Tags zum Einsatz kommen. Viele Menschen denken, dass sie eigentlich nicht viel mit dieser Technologie zu tun haben, doch wenn man bedenkt, dass der Diebstahlschutz in Supermärkten auf genau dieser Technologie beruht, fällt auf, dass wir alle nahezu täglich Kontakt mit RFID-Tags haben.

  1. Gefahrensituationen auf See

Gefahrenvermeidung ist oberste Priorität an Bord eines Schiffes. Und doch gibt es immer wieder eine Vielzahl von Gefahrensituationen die es nötig machen, dass bestimmte Bereiche geräumt, oder aber auch das gesamte Schiff evakuiert werden muss. Rauchentwicklung, Brände oder Wassereinbrüche erfordern ein schnelles Handeln der Schiffsbesatzung sowie der Reisenden.

Um das Risiko von Personenschäden zu vermeiden, werden in den Rollenanweisungen des Schiffes bestimmte Prozeduren und organisatorische Strukturen festgelegt, damit schnellstmöglich festgestellt werden kann, ob sich alle Passagiere in Sicherheit befinden. Während aller der oben beschriebenen Situationen ist es von äußerster Wichtigkeit eine ausgebildete und gut organisierte Crew zu haben, die einen genauen Überblick über den Aufenthaltsort aller an Bord befindlichen Personen hat.

Abbildung 3: Löschen eines Fährenbrandes mithilfe eines Löschschiffes

  1. Personalmanagement in Gefahrensituationen

Wieso das Personalmanagement in Gefahrensituationen auf Schiffen eine solch enorm wichtige Rolle spielt, wird deutlich, wenn man sich vor Augen führt, dass beispielsweise das Kreuzfahrtschiff 'Oasis of the Seas' nicht nur für gut 2000 Besatzungsangehörige, sondern auch für knapp 5400 Passagiere, Sorge zu tragen hat.3 Man kann sich nur sehr schwer vorstellen wie die Besatzung der 'Oasis of the Seas' bei einem Feuer oder einem Wassereinbruch sicherstellen kann, dass alle Passagiere das Richtige tun und sicher an den für sie vorgesehenen Sammelplätzen eintreffen.

Bei einer starken Rauchentwicklung auf einem der 18 Decks kann die Sichtweite im gesamten Längsgang binnen Minuten auf unter einen Meter sinken. Schlafende Passagiere haben dann kaum noch eine Überlebenschance.

Auch wenn es die Reedereien solcher Kreuzfahrtriesen für unwahrscheinlich erachten4, dass eine solche Gefahrensituation eintritt, sollte die Besatzung, aber vor allem auch jeder Reisende, genau wissen was er zu tun hat. Gemäß der International Convention of Safety of Life at Sea ist eine Rettungsübung ( Muster Drill ) binnen 24 Stunden nach Auslaufen aus dem Abfahrtshafen durchzuführen.

Bei diesem Muster Drill wird ein Übungsalarm ausgelöst und alle Passagiere werden gebeten zu den vorgeschriebenen Sammelplätzen zu gehen. Man kann sich vorstellen, dass es bei 5400 Passagieren und 2000 Crewmitgliedern nicht nur fünf Minuten dauert bis alle an dem für sie vorgesehen Platz sind.

Abbildung 4: Oasis of the Seas


Wenn es nun aber doch zu dem unwahrscheinlichen Fall einer Notlage, zum Beispiel einem Feuer kommt, stellt sich die Frage: Was soll man tun, wenn nicht alle Passagiere an den Sammelplätzen eintreffen? Eine Durchsage im gesamten Schiff kann den noch vermissten Passagier, sofern man ihn schon namentlich kennt, auffordern Kontakt mit einer bestimmten Stelle, z.B. der Brücke, aufzunehmen.

Doch wenn er sich nicht meldet, ist das Auffinden dieses Passagiers in kurzer Zeit nahezu unmöglich. Zwar können Suchtrupps losgeschickt werden die alle verqualmten Bereich absuchen, doch aufgrund der schnellen Rauchausbreitung sind diese Bereiche meistens viel zu groß und erstrecken sich über mehrere Decks, als das der Vermisste schnell gefunden werden kann. Um genau dieses Problem in der Griff zu bekommen, ist die technische Umsetzung eines automatischen Identifikationssystems auf Schiffen unumgänglich.

  1. Technische Umsetzung auf Schiffen

    1. Besondere Anforderungen an die Hardware

Im Gegensatz zu Anlagen und Systemen an Land werden an eine auf Schiffen eingebaute Anlage zur Lokalisierung von Personen besondere Anforderungen gestellt. Eine im großen Maße von metallischen Werkstoffen geprägte Umgebung stellt für viele RFID Transponder Frequenzen ein nur schwer zu lösendes Problem dar.

Des Weiteren können die Roll- und Stampfbewegungen eines Schiffes negative Auswirkungen auf die Lebensdauer der im Server verbauten Festplatten haben und nicht zuletzt ist die salzhaltige Luft an Oberdeck ein Garant für das schnelle korrodieren von an Oberdeck verbauten Teilen.

    1. Auswahl und Erprobung von Hardware

Um den besonderen Anforderungen an Bord von Schiffen gerecht zu werden, muss eine vorherige, genaue Auswahl und Erprobung der zu beschaffenden Hardware erfolgen, damit nicht gerade in einer Notsituation festgestellt wird, dass die eingesetzten Materialien nicht den hohen Anforderungen eines Schiffes gewachsen sind. Damit eine Erprobung erfolgreich durchgeführt werden kann, gibt es mehrere Möglichkeiten – Zum einen kann eine provisorisch aufgebaute Anlage auf einem vergleichsweise kleinen Schiff dazu dienen, Kinderkrankheiten und falsch erdachte Konzepte zu erkennen und vor dem eigentlichen Einbau auszumerzen.

Zum anderen könnten schon an Bord eines Schiffes verbaute Systeme modifiziert werden, damit man gute Ergebnisse mit minimalem Aufwand erzielen kann.

Beide Möglichkeiten haben Vor-, aber auch Nachteile. Eine provisorisch aufgebaute Anlage erfordert ein hohes Maß an Materialaufwand, da nicht nur Lese-/Schreibgeräte und Transponder beschafft werden müssen, sondern auch eine große Menge an Kabeln, die nötig sind, um eine Verbindung zwischen Lese- /Schreibgeräten und Server herzustellen. Diese Kabel liegen dann natürlich nicht unsichtbar hinter Wandverkleidungen sondern in den Längs- und Quergängen des betroffenen Schiffes und müssen als gefährliche Stolperfallen angesehen werden.

Weiterhin muss bedacht werden, dass viele der Schotten und Luken aufgrund der durch sie verlegten Kabel nicht mehr richtig schließen. Diese führt bei einem vermeintlichen Wassereinbruch zu dem Problem, dass Flutgrenzen nicht gehalten werden können und das Schiff über das eigentliche Maß vollzulaufen droht.

Nichtsdestotrotz bietet ein provisorisch eingebautes System einen nicht gerade unerheblichen Vorteil gegenüber der Modifizierung vorhandener Systeme: Es ist variabel! Der Aufstellungsort der Lese- / Schreibgeräte kann ohne große Probleme binnen Minuten verändert werden und bietet somit ein Höchstmaß an Flexibilität.

Leider bietet nicht jeder Raum eines Schiffes einen Telefon- oder Computeranschluss und somit ist die Flexibilität, welche man während einer Erprobung unbedingt haben sollte, nicht gegeben. Allein der Kostenfaktor spricht während einer Erprobung für die Modifizierung eines vorhandenen Systems.

Um eine günstige, aber auch gleichzeitig flexible Lösung zur Erprobung der benötigten Hardware zu haben, sollte man eine Mischung der beiden oben angeführten Möglichkeiten in Betracht ziehen.

      1. Transponder

Ob die Nutzung aktiver oder passiver Transponder an Bord eines Schiffes zu empfehlen ist, lässt sich meiner Meinung nach nicht klar beantworten. Da die metallische Umgebung eine signifikante Verschlechterung der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen, z.B. durch Kurzschluss, verursacht, aber die passiven Transponder eine bis 1000mal höhere Feldstärke benötigen um ein auswertbares Antwortsignal zu senden, sollte man annehmen, dass aktive Transponder das beste Mittel seien.

Aber auch das deutlich leistungsschwächere elektromagnetische Feld, das für die Ansteuerung der aktiven Transponder benötigt wird, erfährt eine signifikante negative Beeinflussung. Schlussfolgernd kann man nur ein logisches Fazit aus diesen Problemen ziehen – Um es zu umgehen ist es wichtig, dass möglichst keine Metallwände zwischen Transponder und Lese-/Schreibgerät sind.

Eine meiner Meinung nach gute Umsetzungsmöglichkeit hat die Firma Ekahau5 geschaffen, die mit einem auf den WLAN Standards 802.11 b/g/n basierenden aktiven Tag entwickelte, der das Personenlokalisieren in einem bestehenden Wireless Network ermöglicht. Mit diesem aktiven RFID – Tag ist eine Positionsbestimmung im gesamten WLAN Bereich eines Netzwerkes mit einer Genauigkeit von bis zu einem Meter möglich.

Ausgestattet mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem staub- und spritzwassergeschützten Gehäuse bietet der 35 Gramm leichte Tag ideale Eigenschaften, um das Personalmanagement auf Kreuzfahrtschiffen deutlich zu verbessern.

Abbildung 5: Aktiver Wi-Fi Tag der Firma Ekahau

    1. RFID Lese- /Schreibgeräte

Die Effektivität eines Systems zur Personenlokalisierung steht und fällt mit der Qualität der verwendeten Lese- /Schreibgeräte. Eine große Reichweite gepaart mit einer kleinen und unauffälligen Bauform sollten ebenso Ziel sein, wie Spritzwasserschutz und hohe Ausfallsicherheit. Alle diese Eigenschaften dürfen aber nicht zulasten der Effizienz des Netzwerkes führen.

Auch hier kann auf das System der Firma Ekahau zurückgegriffen werden, die die heutzutage üblichen W-LAN Standards für ihre Tags nutzen. Die Beschaffung von W-LAN Hotspots ist eine kostengünstige Angelegenheit, da solche Hardware bereits in Massen produziert wird. Einzig das spritzwassergeschützte, oder aber auch ein komplett wasserdichtes Gehäuse, müsste im Nachhinein gesondert angefertigt oder das vorhandene modifiziert werden.

      1. Server

        Abbildung 6: Serverschrank offen

Für einen ausfallsicheren Server, der als zusätzliches Rettungsmittel in Notfallsituationen dienen soll, gibt es einige grundsätzliche Regeln die beachtet werden sollte. Zum einen ist der Server in einem schwingungsgedämpften Gehäuse aufzubauen, damit Schiffsbewegungen ausgeglichen und ein vorzeitiger Hardwareausfall vermieden werden kann. Zum anderen wäre es sinnvoll Solid State Disks (SSD’s) zu verwenden, da diese im Gegensatz zu den bis heute üblichen Hard Drive Disks nicht über bewegliche Teile in ihrem Inneren verfügen.

      1. Redundanzen

Damit ein System für den Notfall nicht durch den Notfall selbst außer Kraft gesetzt wird, ist es unabdingbar, dass zusätzliche Redundanzen zum eigentlichen Primärweg geschaffen werden. Sollte beispielsweise der Server überhitzen und zu einem Brand im Serverraum führen, kann natürlich kein aktualisiertes Bild über den Verbleib von Passagieren geliefert werden.

Um diesen Fall zu vermeiden, sollte ein zweiter Server, der an einer anderen Stelle im Schiff verbaut ist, aber auf dieselben Daten zurückgreifen kann, installiert werden.

Um die Ausfallsicherheit des Netzwerkes zu erhöhen, sollte nicht nur ein primärer Datenstrang alle an Bord befindlichen Geräte untereinander verbinden. Ein Redundant ausgelegter Primärweg und ein zweites, im besten Fall auf der anderen Seite des Schiffes verlaufendes Kabelsystem, schaffen die nötige Basis um im Gefahrenfall nicht ohne Notfallsystem auskommen zu müssen.

      1. Software

Damit die Daten der RFID – Armbänder, welche im angegebenen Beispiel lediglich die Position eines Besatzungsmitglied an Bord des Schiffes umfassen sollen, ordentlich verwaltet und an die benötigten Stellen weitergegeben werden können, muss neben dem Netzwerk auch eine Personalmanagementsoftware vorhanden sein. Diese Software stellt auf allen am Netzwerk angeschlossenen Sichtgeräten einen perspektivischen Schiffsplan zur Verfügung und zeigt anhand eines Symbols in welchen Bereichen sich Personen aufhalten.

Eine generelle Speicherung der Aufenthaltsorte der Passagiere und Besatzungsmitglieder darf aber nicht implementiert werden, damit auch dem Datenschutz genüge getan wird.

Mit der Aufzeichnung eines Bewegungsprofils, welche eine maximale Dauer von 2 Minuten nur in Gefahrensituationen überschreiten darf, wird die Arbeit von Suchtrupps jedoch erheblich erleichtert. Wenn nämlich bei einem Zusammenbruch des Systems, welcher beispielsweise durch einen längeren Stromausfall hervorgerufen werden kann, auf einen von Passagieren benutzten Weg zurückgegriffen wird, ist davon auszugehen, dass diese Personen deutlich schneller gefunden werden, als wenn nur die letzte Position bekannt ist.

      1. Transportable Lösung

Ein mit dem Personalmanagement-System verbundenes Tablet, welches über einen leistungsstarken Akku verfügt, kann, sofern es auch allen anderen Anforderungen entspricht, als transportables Sichtgerät genutzt werden. Voraussetzung für eine gut funktionierende mobile Lösung ist, dass sich die Daten auf den festen Terminals nicht von denen des Tablets unterscheiden.

Eine ständige Synchronisation zwischen mobilem Endgerät und Server muss daher gewährleistet werden.

      1. Kosten

Um die Kosten für ein solches System genau ermitteln zu können, müssen verschiedene Aspekte in Betracht gezogen werden. Zum einen spielt die Größe des Schiffes eines ausschlaggebende Rolle, da es, um eine lückenlose Abdeckung aller Bereiche eines Schiffes gewährleisten zu können, notwendig ist, eine hohe Anzahl von Hot-Spots zu installieren. Diese Anzahl kann je nach Bauart des Schiffes weiter stark variieren.

Große und offene Bereiche können mit deutlich weniger Hot-Spots komplett ausgeleuchtet werden, als Bereiche in denen viele kleine, durch Metallwände getrennte Zimmer vorhanden sind. Bei einem Schiff mittlerer Größe kann von einem Hot-Spot Bedarf von Minimum 500 Stück ausgegangen werden. Weiterhin würden Kosten für Kabel, redundante Server, 3-5 Tablets sowie eine ausreichende Anzahl an Tags entstehen.

Eine beispielhafte Kostenrechnung für ein mittelgroßes Schiff (Länge ca. 200 m) mit einer maximalen Personenstärke von 2000 Mann könnte in etwa so aussehen:

Hardware

ca. Kosten/Stück

in Euro

Anzahl

Gesamtkosten in €

Server (komplett incl. SDD/2.Netzteil/USV)

10000

2

20000

Hot Spots

150

500

75000

Tags (Ekahau T301w)

306

2200

66000

Netzwerkkabel

(1 km Rolle)

600

5

3000

Tablets

500

5

2500

Softwarelizenzen

?

7

?

Netzwerkswitch

48-Port

1800

12

21600




188100

  1. Fazit

Diese Facharbeit zeigt deutlich auf, dass die technische Umsetzung der RFID – Technologie zum besseren Personalmanagement in Gefahrensituationen grundsätzlich möglich und auch mit einfachen technischen Mitteln umzusetzen ist.

Auch wenn viele Reedereien denken, dass ihre Schiffe nicht sinken könnten oder dass eine Gefahrensituation als eher unwahrscheinlich zu betrachten ist, sollte immer mit dem Schlimmsten gerechnet werden, um Menschenleben bestmöglich zu schützen. Das Schiffsunglück der Costa Concordia ist bei uns allen noch frisch in den Köpfen und sollte als letztmalige Warnung dienen: Der Mensch ist nicht der Herr über die Natur.

Nichtsdestotrotz kann er sich mit seinem erworbenen Wissen vor natürlichen Gefahren, aber auch vor menschlichem Versagen schützen. Sicherlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass es auch mit solch einem System vermisste und nicht wieder auffindbare Passagier geben kann., doch ich für meinen Teil könnte deutlich besser einschlafen, wenn ich wüsste, dass man mich anhand eines RFID Tags im Gefahrenfall schneller finden und somit vielleicht auch vor dem Tod retten kann.




vom 28.02.2012

vom 16.02.2012

vom 16.02.2012

vom 16.02.2012

1Vgl.

2Vgl. The History of RFID Technology

3Vgl.

4Vgl. Sollten Passagiere ihre Rettungswesten .

5

6Preis vom 28.02.2012


| | | | |
Tausche dein Hausarbeiten