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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fernüberwachung
von Leuchtfeuern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende
Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Derartige
Verfahren zur Fernüberwachung von
Leuchtfeuern und die entsprechende Vorrichtung werden zur Fernüberwachung
der Funktion von Leuchtfeuern eingesetzt.
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Leuchtfeuer
dienen in der Schifffahrt bei Dunkelheit und Nebel als Orientierungspunkte
und werden zur Kennzeichnung von Wasserstraßen verwendet. Dabei werden
die Leuchtfeuer in Unterfeuer und Oberfeuer unterschieden, wobei
die Oberfeuer im Küstenbereich
auf dem Festland, z. B. auf Leuchttürmen, angeordnet sind. Unterfeuer
dagegen befinden sich auf dem Wasser und sind an Bojen angebracht.
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Die
Funktion der Leuchtfeuer muss zur Vermeidung von Schiffsunfällen durch
den Betreiber der Wasserstraße
gewährleistet
werden. Ein besonderes Augenmerk ist dabei auf Wasserstraßen mit
einem hohen Verkehrsaufkommen, wie z. B. in Hafeneinfahrten zu richten.
So muss bei Hafeneinfahrten der Hafenbetreiber nicht nur die einwandfreie
Funktion der Leuchtfeuer gewährleisten,
sondern auch den Funktionsnachweis für jedes einzelne Leuchtfeuer dokumentieren.
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In
einfacher Weise kann die Funktionsfähigkeit der Leuchtfeuer durch
regelmäßige Kontrollfahrten
und manuelle Überprüfung überwacht
werden. Dazu fährt
ein Kontrolleur die entsprechende Wasserstraße bei Dunkelheit ab und überprüft durch
Inaugenscheinnahme die Funktion der einzelnen Leuchtfeuer.
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Allerdings
sind derartige Kontrollfahrten kostenintensiv. Außerdem lässt sich
mit ihnen keine zeitlich lückenlose Überwachung
der Leuchtfeuer realisieren, so dass in den Zeit abschnitten zwischen
den Kontrollfahrten die einwandfreie Funktion der Leuchtfeuer nicht überwacht
und dokumentiert wird.
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Deshalb
ist aus der
WO
2004/032064 A1 ein System zur Fernüberwachung von Unterfeuern
bekannt, bei dem von dem Unterfeuer aus ein Funksignal an eine Kontrollstation übertragen
wird und in der Kontrollstation das Funksignal verarbeitet und zur Auswertung
an eine Schaltzentrale weitergeleitet wird. Dazu ist das Unterfeuer
mit einem Sensor, z. B. einem optischen Sensor mit Signalwandler,
und einem Funksender ausgestattet. Die Kontrollstation weist einen
Funkempfänger
auf.
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Durch
den optischen Sensor und den Signalwandler wird das Leuchtsignal
des Unterfeuers optisch erfasst und in eine Information umgewandelt. Diese
Information wird anschließend
an den Funksender übertragen,
wobei der Funksender ein der Information entsprechendes Funksignal
ausstrahlt. Das Funksignal wird durch den Funkempfänger der Kontrollstation
empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches dann
an die Schaltzentrale weitergeleitet wird.
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Von
Nachteil an dieser Lösung
ist aber, dass jedes einzelne Unterfeuer mit einer separaten optischen Überwachung
sowie einem Funksender ausgestattet werden muss. Das verursacht
einen erhöhten
Stromverbrauch des Unterfeuers sowie zusätzliche Investitions- und Betriebskosten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Fernüberwachung
von Leuchtfeuern und eine entsprechende Vorrichtung zu entwickeln,
bei dem die Funktion der Leuchtfeuer optisch und kontinuierlich überwacht
wird, ohne dass in jedem Leuchtfeuer eine separate Überwachungseinrichtung
notwendig ist.
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Verfahrensseitig
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis
5. Im Bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die se
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 gelöst und zweckmäßig durch
die Unteransprüche
7 bis 10 ausgestaltet.
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Das
lösungsgemäße Verfahren
zur Fernüberwachung
von Leuchtfeuern und die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung des lösungsgemäßen Verfahrens
und der entsprechenden Vorrichtung ist es, dass die Funktionszustände der Leuchtfeuer
mit mindestens einer Videokamera dokumentiert werden und jedes aufgenommene
aktuelle Bild in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird. Dadurch
kann die Funktion der überwachten
Leuchtfeuer optisch und kontinuierlich überwacht werden, wobei keine
separate Überwachungseinrichtung
an den überwachten
Leuchtfeuern notwendig ist.
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Verfahrensseitig
ist es von Vorteil, wenn die Bildaufnahmefrequenz der Videokamera
mindestens das Zweifache der Taktfrequenz der Leuchtfeuer entspricht,
weil somit alle Funktionszustände
der Leuchtfeuer erfasst werden, obwohl die Leuchtfeuer ihr Lichtsignal
mit einer definierten Taktfrequenz ausstrahlen.
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Verfahrensseitig
ist außerdem
von Vorteil, wenn der Alarm bei Abweichung mindestens zweier aufeinanderfolgend
aufgenommener aktueller Bilder vom Sollbild ausgelöst und an
der Anzeige angezeigt wird. Dadurch können Fehlerquellen unterdrückt werden,
die aus einem kurzzeitig verdeckten Sichtfeld der Videokamera auf
die zu überwachenden
Leuchtfeuer z. B. durch ein vorbeifahrendes Schiff entstehen.
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Verfahrensseitig
ist es besonders von Vorteil, wenn zur Auswertung in der Auswerteeinheit
entweder jedes aufgenommene aktuelle Bild durch ein Künstlich-neuronales
Netz, insbesondere durch ein Kohonennetz erkannt und mit einem Sollbild
verglichen wird oder die Auswertung in der Auswerteeinheit mittels
der Merkmalsextraktion zum Vergleich der Helligkeit des aktuellen
Bildes mit einem Schwellwert erfolgt. Dabei sind im ersten Fall
auf dem Sollbild die Leuchtfeuer im Funktionszustand „leuchtend" aufgenommen und
im zweiten Fall ist der Schwellwert ein gemittelter Helligkeitswert
der Leuchtfeuer auf dem aktuellen Bild.
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Vorrichtungsseitig
ist es von Vorteil, wenn die Überwachungseinrichtung
ein Fernbildaufnahmesystem ist, welches aus einer Videokamera mit
einer Speichereinheit, einer Auswerteeinheit und der Anzeige besteht.
Dabei ist die Videokamera derart positioniert, dass in ihrem Sichtfeld
die zu überwachenden
Leuchtfeuer zu sehen sind. Die Videokamera ist jeweils über eine
elektrische Leitung mit der Speichereinheit und der Auswerteeinheit
verbunden. Dadurch ist die Überwachungseinrichtung
flexibel und einfach auf eine veränderte Lage der Leuchtfeuer
anpassbar.
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Außerdem können mit
dieser Vorrichtung die Leuchtfeuer bezüglich ihres Diebstahles oder
ihrer Zerstörung
durch Dritte überwacht
sowie die Verursacher von Schiffskollisionen mit überwachten Leuchtfeuern
ermittelt werden.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Fernüberwachung
von Leuchtfeuern und
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2 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften aktuellen Bildes und
Sollbildes.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens ist gemäß der 1 ein
Fernbildaufnahmesystem 1, das aus einer Videokamera 2 mit
einer Speichereinheit 3, einer Auswerteeinheit 4 und
einer Anzeige 5 besteht.
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Dabei
ist die Videokamera 2 beispielhaft an einem örtlich erhöhten Punkt
angeordnet, von dem aus die zu überwachenden
Leuchtfeuer 6 zu sehen sind. Mit der Videokamera 2 werden
die zu überwachenden
Leuchtfeuer 6 aufgenommen, wobei jedes aktuelle Bild 7 der
Aufnahme einerseits in der Speichereinheit 3 abgespeichert
und andererseits an die Auswerteeinheit 4 übertragen
wird. Dazu ist die Videokamera 2 über eine elektrische Leitung 8 mit
der Speichereinheit 3 und über eine elektrische Leitung 9 mit
der Auswerteeinheit 4 verbunden.
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In
der Auswerteeinheit 4 wird jedes aktuelle Bild 7 der
Aufnahme mit einem Sollbild 10 verglichen. Das Ergebnis
dieses Vergleiches wird durch die Anzeige 5 angezeigt.
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Das
Sollbild 10 ist eine Aufnahme der Leuchtfeuer 6 im
Funktionszustand „leuchtend". Dazu wird einmalig
das Sollbild 10 digitalisiert und durch ein Raster 11 eingeteilt.
Dabei sind die Abmaße
der Raster 11 derart gewählt, dass die Leuchtfeuer 6 unabhängig von
den Wind- und Strömungsverhältnissen
vollständig
und ausschließlich
in einem Rasterfeld 12 abgebildet werden.
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Nach
dem gleichen Prinzip wird auch mit jedem aktuellen Bild 7 verfahren.
Dementsprechend wird das aktuelle Bild 7 ebenfalls digitalisiert
und durch das Raster 11' eingeteilt,
wobei das Raster 11' des
aktuellen Bildes 7 identisch mit dem Raster 11 des
Sollbildes 10 ist. Beispielhaft ist in der 2 ein mit
dem Sollbild 10 übereinstimmendes
aktuelles Bild 7 dargestellt.
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Durch
den Vergleich werden die Rasterfelder 12 des Sollbildes 10,
in denen sich ein Leuchtfeuer 6 befindet, mit den äquivalenten
Rasterfeldern 12' des aktuellen
Bildes 7 verglichen. Dabei führt den Vergleich ein Kohonennetz
durch eine Mustererkennung aus.
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Das
Kohonennetz ist ein Künstlich-neuronales
Netz und muss in einer Lernphase trainiert werden. Dazu werden dem
Kohonennetz mehrere Sollbilder 10 mit unterschiedlichen
relevanten Wetterbedingungen als Trainingsdaten vorgesetzt. Dabei
gehören
zu den relevanten Wetterbedingungen alle in Betracht kommenden Wetterbedingungen,
bei denen die Leuchtfeuer 6 in Betrieb sein soll.
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In
der Lernphase trainiert das Kohonennetz, in dem es seine Netzparameter
den Trainingsdaten derart anpasst, dass der globale Fehler des Kohonennetzes
am geringsten ist. In einer sich der Trainingsphase anschließenden Testphase
wird dann die Funktion des Kohonennetz überprüft. Dazu werden mit dem Intelligenten
Fernbildaufnahmesystem 1 die aktuellen Bilder 7 verarbeitet
und das an der Anzeige 5 angezeigte Ergebnis manuell optisch überprüft.
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Neben
dem Einsatz des Kohonennetzes ist es aber auch denkbar, den Vergleich
zwischen den Rasterfeldern 12, 12' des aktuellen Bildes und dem Sollbild 10 mit
jeder anderen geeigneten Methode durchzuführen.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Auswertung des aktuellen Bildes 7 in der Auswerteeinheit 4 bietet
eine Merkmalsextraktion, bei der kein Sollbild 10, wie
bei der Auswertung mit einem Künstlich-neuronalen Netz,
notwendig ist.
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Zum
Festlegen der interessierenden Gebiete auf dem aktuellen Bild 7 gibt
es zwei Möglichkeiten. Die
erste Möglichkeit
ist das Markieren der interessierenden Gebiete von Hand durch eine
Bedienperson und die zweite Möglichkeit
ist das automatische Markieren der interessierenden Gebiete durch
eine Differenzbildanalyse.
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Bei
der automatischen Markierung werden die interessierenden Gebiete
in einer Initialisierungsphase durch eine mathematische Analyse
aus mehreren aktuellen Bildern 7 ermittelt. Dabei werden
mit der mathematischen Analyse Helligkeitsunterschiede bei dem Vergleich
der aktuellen Bilder 7 gefunden, die dann den interessierenden
Gebieten entsprechen.
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Nach
der einmaligen Markierung der interessierenden Gebiete wird mittels
der Merkmalsextraktion die Entscheidung getroffen, ob die Helligkeit
eines interessierenden Gebietes auf dem aktuellen Bild 7 als
ein leuchtendes Leuchtfeuer 6 aufzufassen ist oder nicht.
Dazu wird ein Schwellwert gebildet, bei dessen Unterschreitung das
Leuchtfeuer 6 aus und bei dessen Überschreitung das Leuchtfeuer 6 an
ist.
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Ein
derartiger Schwellwert kann beispielhaft der Mittelwert zwischen
den Helligkeitswerten „Leuchtfeuer
an" und „Leuchtfeuer
aus" sein.
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Aber
auch hier ist es auch denkbar, jede andere geeignete Methode der
Schwellwertbildung einzusetzen.
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Die
Funktion des lösungsgemäßen Verfahrens
zur Fernüberwachung
von Leuchtfeuern und der entsprechenden Vorrichtung soll nun nachstehend erläutert werden.
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Dazu
wird das Fernbildaufnahmesystem 1 entsprechend der 1 angeordnet,
wobei das in die Auswerteinheit 4 integrierte Kohonennetz
bereits trainiert ist bzw. die interessierenden Gebiete automatisch
oder manuell markiert sind. Liegt eine relevante Wetterbedingung
vor, bei der die Leuchtfeuer 6 ihre Lichtsignale mit jeweils
einer definierten Taktfrequenz ausstrahlen, dann wird ein aktuelles
Bild 7 von den zu überwachenden
Leuchtfeuern 6 erfasst. Dieses aktuelle Bild 7 wird
einerseits über
die elektrische Leitung 8 an die Speichereinheit 3 und
dort, zusammen mit den relevanten Betriebsdaten wie beispielsweise
Datum und Uhrzeit der Aufnahme abgespeichert. Andererseits wird
das aktuelle Bild 7 über
die elektrische Leitung 9 an die Auswerteeinheit 4 übertragen.
In der Auswerteeinheit 4 wird das aktuelle Bild 7 ebenfalls
digitalisiert und bei der Auswertung des aktuellen Bildes mittels
eines Kohonennetzes durch das Raster 11' eingeteilt. Anschließend werden durch
das Kohonennetz die Rasterfelder 12' des aktuellen Bildes 7,
in denen sich ein Leuchtfeuer 6 befindet, mit dem äquivalenten
Rasterfelder 12 des Sollbildes 10 verglichen.
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Bei
der Auswertung des aktuellen Bildes mittels Merkmalsextraktion werden
in der Auswerteeinheit 4 die interessierenden Gebiete dahingehend überprüft, ob die
Helligkeiten der jeweiligen interessierenden Gebiete unter- oder
oberhalb des Schwellwertes liegen. Bei Unterschreitung des Schwellwertes
wird das interessierende Gebiet als „Leuchtfeuer aus" und bei Überschreitung
des Schwellwertes als „Leuchtfeuer
an" bewertet.
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Das
Ergebnis des Vergleiches zwischen aktuellen Bild und Sollbild 10 durch
das Künstlich-neuronale
Netz bzw. die Bewertung aus der Merkmalsanalyse wird von der Auswerteeinheit 4 an
die Anzeige 5 übertragen
und dort angezeigt.
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Ist
ein überwachtes
Leuchtfeuer 6 defekt, so wird durch die Auswerteeinheit 4 entweder
bei dem Vergleich des aktuellen Bildes 7 der Aufnahme mit dem
Sollbild 10 durch das Künstlich-neuronale
Netz eine Abweichung registriert oder der Schwellwert bei der Merkmalsextration
unterschritten. Dadurch wird dann von der Auswerteeinheit 4 zusätzlich ein
Fehlersignal an die Anzeige 5 übertragen und dort mit angezeigt.
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Zusätzlich können diese
Fehlersignale zusammen mit relevanten Betriebsdaten wie beispielsweise
Datum und Uhrzeit des Auftretens des Leuchtfeuerdefektes auf ein
Speichermedium abgespeichert werden.
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- 1
- Intelligentes
Fernbildaufnahmesystem
- 2
- Videokamera
- 3
- Speichereinheit
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Anzeige
- 6
- Leuchtfeuer
- 7
- aktuelles
Bild
- 8
- elektrische
Leitung
- 9
- elektrische
Leitung
- 10
- Sollbild
- 11,
11'
- Raster
- 12,
12'
- Rasterfeld