DigiPACT| Pionierend verslimmen van scheepvaart om scheepsemissies te verminderen

Hoe kunnen we ervoor zorgen dat schepen die automatisch varen in de Rotterdamse haven minder fijnstof en CO2 uitstoten? Dit was de centrale vraag van het Resilient Delta project genaamd DigiPACT, uitgevoerd in samenwerking met Deltares en DigiShape van november 2022 tot mei 2023. Het project legde de basis voor real-time aanpassingen van routes en snelheden voor autonome schepen. Deze inspirerende innovatie, gedemonstreerd aan de hand van modelschepen, maakt de weg vrij voor grootschalige implementatie in de toekomst.

Testen in een operationele omgeving

“In dit project hebben we schepen in staat gesteld om automatisch gebruik te maken van milieu-informatie in echte operationele scenario’s,” stelt prof. Mark van Koningsveld van TU Delft Civil Engineering and Geosciences (CiTG). “Het resultaat: verbeterde rekenmodellen, open source code en software waarmee autonome schepen in de haven milieuvriendelijker kunnen navigeren.”

Fedor Baart van Deltares speelde, in samenwerking met CITG masterstudent Max van Gijn, een sleutelrol bij het ontwikkelen en testen van de besturingsmodules voor de modelschepen in de vijver. Baart: “Binnen DigiPACT hebben we verschillende simulaties ontwikkeld waarmee schepen straks efficiënter door de haven kunnen varen. Schepen kunnen bijvoorbeeld hun snelheid aanpassen als de ligplaats nog niet beschikbaar is of wachten op gunstige getijdenstromingen. Daarnaast kan de route worden geoptimaliseerd door te bepalen welke terminal als eerste moet worden bezocht. Deze strategieën staan bekend als respectievelijk ‘green steaming’ en ‘green routing’ en kunnen ook gecombineerd worden voor maximale effectiviteit.”

DigiPACT navigeert in real-time

De simulaties in DigiPACT zijn ontwikkeld binnen een digitale twin van het Nederlandse vaarwegennetwerk, inclusief de haven van Rotterdam. Een relevant deel van dit netwerk werd geprojecteerd in de vijver van de TU Delft. Binnen bestaande scheepvaartsimulatiesoftware (OpenCLSim) werd essentiële informatie over de haven en routekeuze geïntegreerd. Het scherm toont de bewegingen van de schepen in de vijver, hun snelheid, de beschikbaarheid van ligplaatsen en de locatie van kademuren. De modelschepen worden begeleid door een virtuele operator die langszij navigeert en voortdurend de optimale route en motorpositie beoordeelt, waarbij hij meerdere keren per seconde advies geeft. Uiteindelijk hebben we met deze simulaties real-time controle over autonoom varende schepen kunnen bereiken.

“Deze realtime routebepaling van een schip op basis van nieuwe informatie is zeer innovatief en logistiek zeer belangrijk,” legt prof. dr. Rob Zuidwijk van de Erasmus Universiteit Rotterdam (EUR) uit. “Door DigiPACT hebben we veel geleerd over hoe technische en logistieke aspecten van het navigeren van schepen samenhangen en hoe ’the devil is in the details’. In onder andere het vervolgproject PATH2ZERO kunnen we deze resultaten goed gebruiken.”

Synergie tussen samenwerkingspartners leidt tot nieuwe inzichten

Het innovatieve karakter van DigiPACT is voor een groot deel te danken aan de synergie tussen de samenwerkingspartners, die elk unieke expertise inbrengen. De Erasmus Universiteit bracht wetenschappelijke kennis in vanuit het logistieke domein, Deltares ontwikkelde en testte de modules, DigiShape en Resilient Delta waren betrokken vanuit organisatorisch en juridisch perspectief en de TU Delft leverde technisch wetenschappelijke kennis en faciliteiten. De faculteit CiTG verwerkte bijvoorbeeld bestaande scheepssimulatiesoftware (OpenCLSim) en voegde informatie toe over de Rotterdamse haven en kades.

De basis voor het real-time aspect van het onderzoek kwam van het ResearchLab Autonomous Shipping (RAS) van de TU Delft. Zij leverden hun raamwerk voor autonome navigatie, faciliteiten voor real-time dataverzameling en systeemmonitoring, het Robotic Operating System en het testbassin. Bart Boogmans van het RAS lab legt uit: “Het doel van ons raamwerk voor autonome scheepvaart is om interacties met schepen te vereenvoudigen. We regelen veel dingen achter de schermen, zodat onderzoekers en studenten zich kunnen richten op de elementen die hen interesseren. In dit geval was dat de planningslaag van de scheepsautomatisering. Deze use case geeft ons inzichten in gebieden die we kunnen verbeteren en we zullen de ontwikkelde modules opnemen in onze toolbox.”

De gemeente Rotterdam werd ook betrokken bij het leveren van input over de uitdagingen waar de stad voor staat. “Er is nog steeds weinig inzicht in de maatregelen die een stad kan nemen om de uitstoot te verminderen,” merkt Fedor Baart op. “Waar moeten bijvoorbeeld snelheidsbeperkingen worden ingevoerd? En waar moeten aanlegplaatsen en walstroomvoorzieningen worden toegevoegd? Modellen, zoals die ontwikkeld in DigiPACT, kunnen beleidsmakers voorzien van cruciale informatie om de beste keuzes te maken in complexe omgevingen als deze.”

Open-source code beschikbaar voor iedereen

Om de inzichten die binnen DigiPACT zijn opgedaan op praktische schaal in waterwegen te implementeren, moeten nog enkele stappen worden gezet. Het NWO-NWA project PATH2ZERO, waarbij DigiShape, Deltares, Erasmus Universiteit Rotterdam en TU Delft betrokken zijn, zal de ontwikkelde code opnemen in een uitgebreid internationaal initiatief om een digital twin voor vaarwegen te bouwen. Het eindrapport en het proefschrift van Max van Gijn zijn beschikbaar voor iedereen die ze verder wil analyseren of ontwikkelen.
In het komende najaar zullen de partners een hackathon organiseren om oplossingen te genereren voor uitdagingen waar belanghebbenden zoals de gemeente, milieu-instanties en particuliere entiteiten mee te maken hebben. Fedor Baart: “Uiteindelijk is het ons doel om naar emissiearme of zelfs emissievrije navigatie toe te werken. Ik hoop dat wat we hebben ontwikkeld over een paar jaar een tastbare invloed zal hebben op scheepsmotoren!”

Meer informatie
– Dataset over Zenodo
– Het eindrapport met de ontwikkelde code kan worden opgevraagd bij Fedor Baart, data science specialist bij Deltares en TU Delft.
– Masterscriptie van Max van Gijn: “Bridging the gap between strategy and operations in autonomous maritime logistics.”
– The OpenCLSim code is hier te vinden
– Resilient Delta: Marije Wassenaar

– DigiShape: Chris Karman
RAS-Lab
– TU Delft: Vittorio Garofano and Bart Boogman