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Neuere
Containerkrananlagen weisen einen sehr hohen Automatisierungsgrad
auf. Aufgrund von Umgebungsbedingungen und Abmessungen stoßen jedoch
Automatisierungslösungen
in bestimmte Bereiche einer Containerkrananlage auf Grenzen. Beispielsweise
sind aufgrund großer
Abstände,
Witterungseinflüssen,
Materialbewegungen und -verformungen nach wie vor menschliche Eingriffe
erforderlich. Außerdem
müssen
Meßsysteme
ständig
gewartet und in regelmäßigen Abständen kalibriert
werden.
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„Rubber-tired
gantries" oder „Straddle-carrier" werden von Menschen
gesteuert und sind vom Einsatzbereich her sehr flexibel. Speziell „Rubber-tired
gantries" erfordern
ein sehr zielgenaues Fahren in einem Bereich, wo Container gestapelt
sind. Fehler durch einen Fahrer beim Lenken können gefährliche Folgen haben oder zumindest
in nennenswerten Sachschäden
enden.
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Systeme
zur Verhinderung von Fahrfehlern basieren auf einer genauen Kenntnis
insbesondere von Containerstapeln. Steuerungseinheiten für Transporteinrichtungen
einer Containerkrananlage werden deswegen mit kartographischen Daten
versorgt, damit Fahrspuren zuverlässig erkannt werden können. Bei
baulichen oder betrieblichen Änderungen
innerhalb einer Containerkrananlage müssen die kartographischen Daten
für die
Steuerungseinheiten bisher weitgehend manuell nachgeführt werden.
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Steuerungen
für Containerkräne arbeiten üblicherweise
mit festen Referenzpunkten innerhalb der Containerkrananlage. Hierzu
wird ein Anlagenkoordinatensystem festgelegt. Positionsangaben einzelner Containerkräne beziehen
sich dann auf entsprechende Koordinaten. Grundsätzlich sind Grundrißpläne einer
Containerkrananlage beim Betreiber vorhanden. Allerdings weichen
diese Pläne
oft von den realen Gegebenheiten ab oder sind nicht präzise genug, um
Anforderungen an eine Positionierungsgenauigkeit im Bereich weniger
Zentimeter Rechnung zu tragen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur automatischen Bereitstellung kartographischer Daten in einer
Containerkrananlage zu schaffen sowie eine geeignete Implementierung
des Verfahrens und eine angepaßte
Containerkrananlage anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, eine Containerkrananlage
mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen und ein Steuerungsprogramm
mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß zur
automatischen Bereitstellung kartographischer Daten in einer Containerkrananlage
zumindest ein Satellitenbild der Containerkrananlage mit einer vorgebbaren
Auflösung
erstellt wird. Mittels eines Mustererkennungsverfahrens werden eine
Containeranordnung in der Containerkrananlage beschreibende Merkmale
aus dem Satellitenbild extrahiert. Aus den extrahierten Merkmalen
wird eine Containerkrananlagen-spezifischer topographische Karte
erzeugt. Die Karte wird zumindest für eine Steuerungseinheit der
Contai nerkrananlage verfügbar
gemacht, die zumindest einer Transporteinrichtung zugeordnet ist.
Mit grundsätzlich
jederzeit aktuellen kartographischen Daten kann wesentlich schneller
als bei bisherigen Lösungen
auf Veränderungen
auf einem Containerkrananlagengelände reagiert werden.
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Vorteilhafterweise
wird das Satellitenbild durch einen internetbasierten Dienst bereitgestellt wird.
Auf diese Weise ergibt sich ein besonders wirtschaftlicher Zugriff
auf für
eine Generierung kartographischer Daten benötigtes Ausgangsmaterial.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden
die extrahierten Merkmale durch Vergleich mit Referenzwerten auf
Plausibilität überprüft. Dies
dient einer zusätzlichen
Qualitätssicherung
der automatisiert erfaßten kartographischen
Daten. Beispielsweise werden die Referenzwerte bei zumindest einer
Kranüberfahrt über zumindest
einen Containerstapel ermittelt. Alternativ oder zusätzlich können die
Referenzwerte in einem Bestandsverwaltungssystem abgefragt werden,
in dem Containerbestände
erfaßt
sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird bevorzugt durch ein Steuerungsprogramm zur automatischen Bereitstellung
kartographischer Daten in einer Containerkrananlage implementiert.
Das Steuerungsprogramm weist zumindest einen Codeabschnitt auf,
der in einen Arbeitsspeicher eines Rechners ladbar ist, und bei
dessen Ausführung
die vorangehend beschriebenen Schritte ausgeführt bzw. veranlaßt werden,
wenn das Steuerungsprogramm im Rechner abläuft.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
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1 ein
Anwendungsumfeld für
eine Erfassung kartographischer Daten nach dem Stand der Technik,
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2 ein
Ablaufdiagramm für
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Bereitstellung kartographischer Daten in einer Containerkrananlage,
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3 eine
durch einen internetbasierten Dienst bereitgestellte Satellitenaufnahme
einer Containerkrananlage.
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Eine
absolute Positionsermittlung von Transporteinrichtungen und Containern
innerhalb einer Containerkrananlage erfolgt bisher durch aufwendige manuelle
Vermessung. Dabei werden auf einer GPS-Positionsermittlung basierende
differentielle GSP-Positionsermittlungsverfahren
(DGPS) verwendet. Die eingesetzten Transporteinrichtungen werden mit
auf diese Weise ermittelten Vermessungsergebnissen versorgt. Aufgrund
eines hohen manuellen Bearbeitungsanteils ergibt sich eine erhöhte Fehleranfälligkeit.
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Bei
DGPS wird eine ortsfeste Referenzstation benutzt, die von GPS-Satelliten
gesendete Signale empfängt.
Da die geografische Position der Referenzstation mit sehr hoher
Genauigkeit bekannt ist, kann ein Fehler einer GPS-Positionsermittlung
berechnet werden. Dazu wird jeweils ein Fehlerbeitrag eines GPS-Satelliten,
dessen Signale empfangen werden können, einzeln ermittelt und
durch die Referenzstation per Funk an DGPS-Empfänger innerhalb einer vorgegebenen
Region übermittelt.
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Ein
DGPS-Empfänger
decodiert empfangene GPS-Satellitensignale und zusätzlich Korrektursignale
der Referenzstation. Mit letzteren korrigiert der DGPS-Empfänger Fehler
der GPS- Satellitensignale, wodurch
die Genauigkeit der Positionsermittlung erhöht wird. Vielfach ist eine
Empfangsantenne für
die Korrektursignale bereits in eine GPS-Antenne integriert. Reißt die Funkverbindung
zur DGPS-Sendeanlage ab, schaltet der Empfänger in einen normalen GPS-Modus
ohne Korrektur um, verliert aber dann den Genauigkeitsvorteil. Die
erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualität des Empfängers und der Korrekturdaten
zwischen 0,3 und 2,5 m bezogen auf Längen- und Breitenangaben und
zwischen 0,6 bis 5 m bezogen auf Höhenangaben. Hochqualitative
Systeme werten zusätzlich
eine Trägerphase
aus und erreichen Genauigkeiten von nur wenigen mm.
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Die
Korrektursignale einer Referenzstation werden üblicherweise mittels Funk im
UKW-Bereich oder mittels Mobilfunkverbindung an die DGPS-Empfänger übermittelt.
Da sich die fehlerbehaftet ermittelten Laufzeiten der GPS-Satellitensignale
nur langsam ändern,
ist eine Übertragung
der Korrektursignale per UKW oder Mobilfunkverbindung zeitunkritisch.
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Neben
ortsfesten Referenzstationen können auch
geostationäre
Satelliten Korrektursignale aussenden, die von lokalen Referenzstationen,
beispielsweise kontinentspezifisch erzeugt werden. Beispiele hierfür sind die
Systeme EGNOS in Europa, WAAS in Amerika und sowie MSAS in Japan.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu DGPS-basierten Methoden können
Positionsdaten durch „Lernfahrten" mit einer Transporteinrichtung
ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Kran in seinem Operationsbereich
manuell verfahren werden. Dabei werden die Positionsdaten entlang
der Fahrtroute erfaßt und
abgespeichert.
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1 zeigt
eine beispielhafte Anordnung eines Containerstapels 102 innerhalb
einer Containerkrananlage. Zum Start eines Lernvorganges positioniert
ein Kranfahrer einen Kran 101 auf einen Ausgangspunkt 111 am
Beginn eines Stapelbereiches. Über
eine Eingabevorrichtung, beispielsweise Taster oder Bedienpanel,
speichert der Kranfahrer eine erste Referenzposition ab. In der
Folge fährt
der Kranfahrer mit dem Kran 101 an den Containerstapeln entlang
und erfaßt
dabei mehrere Zwischenpositionen 112–114. Die ist insbesondere
dann wichtig, wenn die Containerstapel nicht entlang einer Geraden
angeordnet sind.
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Als
letztes wird eine Endposition 115 der Containerstapel abgespeichert.
Damit ist eine Soll-Route für
den Kran 101 entlang der hier betrachteten Containerstapel
erfaßt.
Bei Veränderung
der Containerstapelanordnung sind die „Lernfahrten" zu wiederholen.
Außerdem
sind auch andere entlang des hier betrachteten Containerstapels
eingesetzte Krane mit Informationen zur erfaßten Soll-Route zu versorgen.
Andernfalls müßten für die anderen
Kran separate „Lernfahrten" durchgeführt werden.
Zusätzlich
können
Positionskorrekturen durch in Transportfahrzeugen installierte Positionsgeber
oder durch in Antriebseinheiten vorgesehene Absolutwertgeber vorgenommen
werden.
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Entsprechend
dem in 2 veranschaulichten Verfahren wird zur automatischen
Bereitstellung kartographischer Daten in einer Containerkrananlage zunächst ein
Satellitenbild der Containerkrananlage mit einer vorgebbaren Auflösung erstellt
(Schritt 201). Eine Containeranordnung in der Containerkrananlage
beschreibende Merkmale werden dann aus dem Satellitenbild mittels
eines Mustererkennungsverfahrens extrahiert (schritt 202).
Aus den extrahierten Merkmalen wird eine Containerkrananlagen-spezifischer
topographische Karte erzeugt (Schritt 203). Die Karte wird
abschließend
für eine
Steuerungseinheit der Containerkrananlage verfügbar gemacht, die einer Transporteinrichtung,
beispielsweise einem Kran zugeordnet ist.
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Das
Verfahren wird bevorzugt mittels eines Steuerungsprogramms implementiert,
das zumindest einen Codeabschnitt aufweist, der in einen Arbeitsspeicher
eines Rechners ladbar ist, und bei dessen Ausführung die vorangehend beschriebenen
Schritte ausgeführt
bzw. veranlaßt
werden, wenn das Steuerungsprogramm im Rechner abläuft. Auf
diese Weise kann eine Containerkrananlage mit einer Einheit zum Abrufen
zumindest eines Satellitenbildes der Containerkrananlage mit einer
vorgebbaren Auflösung
realisiert werden. Zusätzlich
weist die Containerkrananlage eine Einheit zur Extraktion von eine
Containeranordnung in der Containerkrananlage beschreibenden Merkmalen
aus dem Satellitenbild sowie eine Einheit zur Erzeugung einer Containerkrananlagen-spezifischen
topographischen Karte auf. Außerdem
ist eine Einheit zur Bereitstellung der Karte zumindest für eine Steuerungseinheit
der Containerkrananlage vorhanden.
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Zur
Mustererkennung wird das erfaßte
Satellitenbild durch Erzeugung von inhaltlich zusammenhängenden
Regionen sowie Zusammenfassung benachbarter Pixel entsprechend einem
bestimmten Homogenitätskriterium
segmentiert.
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Zur
vollständigen
Segmentierung wird jedes Pixel mindestens einem Segment zugeordnet.
Für eine überdeckungsfreie
Segmentierung wird jedes Pixel dagegen höchstens einem Segment zugeordnet.
Bei einer vollständigen
und überdeckungsfreien Segmentierung
wird folglich jedes Pixel genau einem Segment zugeordnet. Sofern
jedes Segment ein zusammenhängendes
Gebiet bildet, liegt eine zusammenhängende Segmentierung vor.
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Eine
automatische Segmentierung kann Pixel-, kanten- oder regionenorientiert
erfolgen. Zusätzlich
wird bei modellbasierten Verfahren von einer bestimmten Form zu
erkennender Objekte ausgegangen, oder es wird bei texturbasierten
Verfahren zusätzlich
oder alternativ eine innere homogene Struktur zu erkennender Objekte
berücksichtigt.
Die hier genannten Ansätze
zur automatischen Segmentierung können auch miteinander kombiniert
werden.
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Bei
einer pixelorientierten Segmentierung wird für jeden einzelnen Bildpunkt
die Entscheidung getroffen, ob er zu einem ausgewählten Segment
zuzuordnen ist. Diese Entscheidung kann durch die Umgebung des jeweiligen
Bildpunkts beeinflußt
sein.
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Bei
einer kantenorientierten Segmentierung wird im zu segmentierenden
Bild nach Kanten oder Objektübergängen gesucht.
Je nach verwendetem Algorithmus werden ggf. diskrete Kantenzüge zu geschlossenen
Kantenzügen
zusammengefaßt,
die Objekte einschließen.
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Zu
einer Kante gehörige
Pixel können
mittels des Sobel-Operators,
des Laplace-Operators oder einer Gradientensuche ermittelt werden.
Die ermittelten Pixel werden nachfolgend mittels eines Kantenverfolgungsalgorithmus
komplettiert. Ein Beispiel für einen
Kantenverfolgungsalgorithmus ist das Live-Wire-Verfahren, das von E. Mortensen,
W. A. Barrett und J. K. Udupa entwickelt wurde. Mit diesem Verfahren
wird ein optimaler Weg von einem Start- zu einem Zielpunkt ermittelt.
Optimal bedeutet in diesem Zusammenhang, daß der Weg zwischen Start- und
Zielpunkt immer über
die stärksten
Kantenpixel führt. Diese
Problem kann beispielsweise mit einer in der Informatik bekannten
Breitensuche gelöst
werden.
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Bei
einer regionenorientierten Segmentierung werden Punktmengen als
Gesamtheit betrachtet, um auf diese Weise zusammenhängende Objekte
zu finden. Zu regionenorientierten Segmentierung können das
Region Growing, Region Splitting, Pyramid Linking oder Split and
Merge angewendet werden.
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Bei
einer modellbasierten Segmentierung wird zunächst ein Modell zu erkennender
Objekte zugrundegelegt; im vorliegenden Fall beispielsweise Container
oder Krane. Zur modellbasierten Segmentierung wird bevorzugt die
Hough-Transformation verwendet. Mittels der Hough-Transformation
werden Punkte zu Linien oder Kreisen zusammengefügt, indem sie in einem Parameterraum
abgebildet werden.
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Bei
einer texturorientierte Segmentierung wird ausgenutzt, daß manche
Bildobjekte zwar keine einheitliche Farbe, aber eine einheitliche
Textur aufweisen. Beispielsweise kann ein Objekt Rillen besitzen,
die in einer Fotographie als abwechselnde Streifen dunkler und heller
Farbe erscheinen.
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Das
zur automatischen Bereitstellung kartographischer Daten in einer
Containerkrananlage erfaßte
Satellitenbild wird vorzugsweise durch einen internetbasierten Dienst
bereitgestellt. Beispielsweise könnte
grundsätzlich
ein Dienst wie Google Earth verwendet werden, sofern Aktualität des bereitgestellten
Bildmaterials gewährleistet
ist.
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Die
aus dem Satellitenbild extrahierten Merkmale können zusätzlich durch Vergleich mit
Referenzwerten auf Plausibilität überprüft werden.
Beispielsweise können
die Referenzwerte bei einer Kranüberfahrt über einen
Containerstapel ermittelt werden oder in einem Bestandsverwaltungssystem gespeichert
sein.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren kann ein aufwendiges, manuelles Erfassen
und Weiterverarbeiten von kartographischen Daten in einer Containerkrananlage
entfallen. Zum einen werden dadurch Eingabefehler in vorhandenen
Datenerfassungssysteme vermieden. Andererseits wird eine erheblich Zeitersparnis
realisiert, da ein Zurücklegen
großer Wegstrecken
im Rahmen von „Lernfahrten" allenfalls in Ausnahmefällen erforderlich
ist.
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Durch
entfallende „Lernfahrten" werden außerdem sowohl
Unfallgefahren als auch Ausfallzeiten aufgrund falscher oder veralteter
kartographischer Daten minimiert. Automatisierungssysteme in einer Containerkrananlage
können
zudem mit dem beschriebenen Verfahren ständig auf aktuellem Stand gehalten
werden. Grundsätzlich
können
auch sensorische Einrichtungen funktionell auf ein Minimum zur Wahrung
sicherheitsrelevanter Funktionen, wie Kollisionsschutz, reduziert
werden.
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3 zeigt
ein Satellitenbild einer Containerkrananlage. Gestrichelte Linien 301–303 markieren
beispielhaft einen ausgewählten
Stapelbereich, der durch das vorangehend beschriebene Verfahren erkannt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Anwendungsbeispiel
beschränkt.