Nord-Ostsee-Kanal : Problem des Handlungsweisenden

Neue Regeln machen Schiffspassagen schneller.

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Viel Verkehr. Rund 100 Schiffe nutzen jeden Tag den Nord-Ostsee-Kanal. Mathematiker helfen, den Verkehr möglichst zügig abzuwickeln.
Viel Verkehr. Rund 100 Schiffe nutzen jeden Tag den Nord-Ostsee-Kanal. Mathematiker helfen, den Verkehr möglichst zügig...Foto: dpa

Rund 100 Schiffe fahren jeden Tag durch den Nord-Ostsee-Kanal, er ist damit der meistbefahrene Kanal der Welt. Doch die Frachter und Passagierschiffe werden immer größer – und an vielen Stellen ist es zu eng, um gefahrlos aneinander vorbeizufahren. Dafür gibt es Ausweichstellen, an denen bis zu vier Wasserfahrzeuge einander gleichzeitig passieren können. Die entsprechenden Anweisungen werden den Lotsen von den Planern des Schiffsverkehrs im Kanal erteilt. Ihr Ziel ist es, die Wartezeit möglichst gering zu halten. Ein typischer Fall für Optimierer.

Rolf Möhring und seine Mitarbeiter vom Fachgebiet Kombinatorische Optimierung und Graphenalgorithmen an der TU Berlin kümmerten sich darum. Sie entwarfen eine Software, die dafür sorgt, dass die Schiffe die 98 Kilometer lange Passage möglichst zügig bewältigen.

„Dabei müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden“, erläutert Möhring. Rund 40 Schiffe seien zeitgleich in dem Kanal unterwegs, je nach Größe mit einer Höchstgeschwindigkeit von 12 oder 15 Kilometern pro Stunde. In einer Simulation, die Möhring auf dem Bildschirm ablaufen lässt, sind das rote und schwarze Pfeile, die auf einem kurvigen blauen Band verschieden schnell vorwärts rutschen. „Für jeden Begegnungspunkt muss anhand der Breite der Schiffe entschieden werden, ob sie aneinander vorbeikommen oder nicht“, sagt der Mathematiker. Geht es nicht, muss eines der beiden Schiffe an einer Ausweichstelle warten. Ein roter Pfeil hat gestoppt und lässt zwei schwarze aus der Gegenrichtung vorüberziehen. Zudem besteht die Möglichkeit, die Reihenfolge der Schiffe durch Überholmanöver zu ändern und so die Durchfahrten zu optimieren. „Wir müssen aber darauf achten, dass einzelne Schiffe nicht zu sehr benachteiligt werden“, sagt Möhring. „Kein Kapitän sollte mehr als drei Mal warten müssen.“

Mit diesen Vorgaben errechnet die von den Mathematikern entwickelte Software, welche Schiffe ausweichen oder gar überholt werden müssen, um die Wartezeit zu verringern. Das Problem: Es fahren ständig neue Schiffe in den Kanal ein. Im Hintergrund rechnet der Computer zwar ständig aus, wie sich der Verkehr dadurch ändern wird. „Aber man kann den Kapitänen nicht ständig neue Anweisungen geben“, sagt Möhring. Die Forscher arbeiten darum mit einem „rollenden Horizont“. Das heißt, die festgelegte Reihenfolge für bereits eingefahrene Schiffe hat zwei Stunden lang Gültigkeit, dann kann sie neu geregelt werden.

Das Prinzip funktioniert. Anhand der Daten aus dem Jahr 2007 – damals vor der Wirtschaftskrise war das Verkehrsaufkommen besonders hoch – haben Möhring und Kollegen ihre Software getestet. „Die Wartezeit war in der Simulation rund 15 Prozent kürzer als in der Realität“, sagt der Mathematiker.

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