DE102019207141A1

DE102019207141A1 - Verfahren zur Analyse der Verwendung einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102019207141A1
Application number: DE102019207141.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fladee; Andrew Allen; Udo Schulz; Heiko Kleineder; Joshua-Niclas Oergele; Filip Rosenstein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-11-19
Also published as: WO2020229281A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Verwendung einer Arbeitsmaschine (1) anhand von Sensordaten und/oder Bedienmuster. Zur Analyse der Verwendung der Arbeitsmaschine (1) werden während der Verwendung der Arbeitsmaschine (1) erfasste tatsächliche Sensordaten (Stat) und/oder tatsächliche Bedienmuster (BMtat) mit für die Verwendung typischen Referenz-Sensordaten (Sref) und/oder Referenz-Bedienmustern (BMref) verglichen. Bei Abweichung der tatsächlichen Sensordaten (Stat) und/oder tatsächlichen Bedienmuster (BMtat) von den Referenz-Sensordaten (Sref) und/oder Referenz-Bedienmuster (BMref) um zumindest eine Schranke wird auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung geschlossen (103).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Verwendung einer Arbeitsmaschine anhand von Sensordaten und/oder Bedienmuster. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Heutzutage kommt es oft zu unsachgemäßem oder unplanmäßigem Gebrauch oder sogar zu Missbrauch von Arbeitsmaschinen, wie z. B. Baumaschinen, insbesondere durch unerfahrene Bediener. Besonders oft ist dies der Fall, wenn die Arbeitsmaschinen durch einen Verleiher an den Bediener ausgeliehen werden. Sei es aus mangelnder Erfahrung bzw. mangelndem Wissen oder mit Absicht, verwenden die Bediener die Arbeitsmaschinen oft nicht innerhalb der Spezifikationen und Grenzen der Arbeitsmaschine (unsachgemäß) oder nicht wie im Vorhinein geplant und (vertraglich) vereinbart (unplanmäßig). Zur unsachgemäßen Verwendung zählen z. B. das Arbeiten an der Grenze der Arbeitslast oder darüber hinaus, eine Beschädigung der Arbeitsmaschine usw., zur unplanmäßigen Verwendung zählt eine Überschreitung der Aktivitätszeit aber auch eine Verwendung für einen ganz anderen Zweck, also der Missbrauch. Ein Verleiher hat im Normalfall keine Möglichkeit solch eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung zu kontrollieren.
Beim Bedienen der jeweiligen Arbeitsmaschine geht jeder Bediener nach seinem eigenen Bedienmuster vor, um die Bedienelemente zu betätigen. Dieses personenbezogene Bedienmuster ist neben der Erfahrung des Bedieners vor allem durch seine persönliche Ausprägung und Präferenz geprägt. Als Beispiel kann eine Baggerschaufel eines Baggers beim Aufheben von Schüttgut unterschiedlich gesteuert werden, indem in einem Fall die Baggerschaufel zuerst in eine Richtung und dann in die andere bewegt wird, in einem anderen Fall die Baggerschaufel in umgekehrter Reihenfolge bewegt wird und in noch einem anderen Fall die Baggerschaufel gleichzeitig in beide Richtungen bewegt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Analyse der Verwendung einer Arbeitsmaschine anhand von Sensordaten und/oder Bedienmuster vorgeschlagen. Als Beispiele für Arbeitsmaschinen sind Baumaschinen anzusehen, die zumindest ein Werkzeug aufweisen. Als Verwendung wird hier der Gebrauch der Arbeitsmaschine durch einen Bediener angesehen. Die Analyse der Verwendung zeigt demnach eine oder mehrere der Parameter Zeit, Ort, Art und Weise, Last, kinematische Daten, physikalische Daten, Bedingungen, äußere Einflüsse etc., mit denen der Bediener die Arbeitsmaschine in Gebrauch hatte.
Während der Verwendung der Arbeitsmaschine werden tatsächliche Sensordaten von Sensoren der Arbeitsmaschine und/oder von einem Werkzeug der Arbeitsmaschine und/oder von an der Infrastruktur angeordneten Sensoren und/oder von Sensoren von anderen Arbeitsmaschinen, Fahrzeugen und Ähnlichem erfasst. Die tatsächlichen Sensordaten werden mit Referenz-Sensordaten verglichen, die für die Verwendung typisch sind. Die Referenz-Sensordaten werden abhängig von der Arbeitssituation und der geplanten Verwendung der Arbeitsmaschine festgelegt und stellen die gewünschten Sensorwerte dar, bei denen die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug gesteuert werden soll. Die Referenz-Sensordaten werden so gewählt, dass sie die Arbeitsmaschine und/oder Werkzeuge der Arbeitsmaschine repräsentieren, wenn diese sachgemäß und plangemäß arbeitet. Die Wahl der Referenz-Sensordaten kann anhand von empirischen Daten, Messungen usw. erfolgen und vom Hersteller vorbereitet werden. Beispiele hierfür sind eine maximale Arbeitslast für das zumindest eine Werkzeug, einen maximalen Neigungswinkel der Arbeitsmaschine und/oder geeignete Bewegungsabläufe bzw. Trajektorien. Weicht zumindest ein Wert der tatsächlichen Sensordaten von dem entsprechenden Wert der Referenz-Sensordaten um zumindest eine Schranke ab, so wird auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung der Arbeitsmaschine geschlossen. Für den Fall von Sensordaten kann die Schranke als Grenzwert für einen Wertebereich um die Referenz-Sensordaten herum angesehen werden, für den der Gebrauch der Arbeitsmaschine noch akzeptabel ist. Die Schranken können z. B. von einem Hersteller, von einem Verleiher oder durch Gesetze, Verordnungen und dergleichen festgelegt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein tatsächliches Bedienmuster, gemäß dem der Bediener Bedienelemente der Arbeitsmaschine bedient, während der Verwendung der Arbeitsmaschine erfasst werden. Hierfür können die bereits genannten Sensordaten und/oder Signale der Bedienelemente verwendet werden und eine an sich bekannte Mustererkennung durchgeführt werden. Die Referenz-Bedienmuster werden abhängig von der Arbeitssituation und der geplanten Verwendung der Arbeitsmaschine eingelernt. Die Referenz-Bedienmuster werden so gewählt, dass sie die Arbeitsmaschine und/oder Werkzeuge der Arbeitsmaschine repräsentieren, wenn diese sachgemäß und plangemäß arbeitet. Weicht das tatsächliche Bedienmuster von einem Referenz-Bedienmuster, welches typische Muster für den optimalen Gebrauch der Arbeitsmaschine darstellt, um zumindest eine Schranke ab, so wird auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung der Arbeitsmaschine geschlossen. Die Schranke wird so gewählt, dass Bedienmuster, die vom Referenz-Bedienmuster abweichen, noch innerhalb der Schranke liegen, wenn sie für den Gebrauch der Arbeitsmaschinen akzeptabel sind. Die Schranken können z. B. von einem Hersteller, von einem Verleiher oder durch Gesetze, Verordnungen und dergleichen festgelegt werden.
Als unsachgemäße Verwendung wird eine Verwendung angesehen, die nicht innerhalb der Spezifikationen und Grenzen der Arbeitsmaschine erfolgt. Zur unsachgemäßen Verwendung zählen z. B. das Arbeiten an der Grenze der Arbeitslast oder darüber hinaus, eine Beschädigung der Arbeitsmaschine usw. Als unplanmäßige Verwendung wird eine Verwendung angesehen, die sich von einem im Vorhinein gefertigten Plan unterscheidet. Ein Missbrauch, d. h. eine Verwendung für einen ganz anderen Zweck kann auch als unplanmäßige Verwendung angesehen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Arbeitsmaschine von einem Verleiher an den Bediener verliehen wird und der Bediener diese in einer Art und Weise verwendet, die über einen mit dem Verleiher geschlossenen Vertrag hinausgeht oder diesen verletzt.
In besonders vorteilhafter Weise werden die Sensordaten von inertialen Sensoren einer inertialen Messeinheit (IMU, internal measurement unit) der Arbeitsmaschine erfasst. Die inertiale Messeinheit ist meist bereits in der Arbeitsmaschine vorhanden und stellt meist für andere Assistenzfunktionen bereits Sensordaten bereit, die für das hier beschriebene Verfahren geeignet sind. Typischerweise umfasst die inertiale Messeinheit Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren.
Zudem können die Sensordaten von weiteren Sensoren, wie z. B. Kameras, Radar, Lidar usw. erfasst werden.
Optional kann ein inertiales Navigationssystem (INS, inertial navigation system) der Arbeitsmaschine zur Analyse der Verwendung verwendet werden. Dieses greift auf die inertiale Messeinheit zurück. Aus den Sensordaten der Beschleunigungssensoren und der Drehratensensoren wird durch Integration die Bewegung der Arbeitsmaschine berechnet und die Position bestimmt.
Im Folgenden werden Kriterien aufgezeigt, die für die Analyse der Verwendung in Betracht gezogen werden können. Es können einzelne aber auch mehrere Kriterien gleichzeitig und weitere Kriterien, die hier nicht aufgelistet sind, berücksichtigt werden:

Es kann eine Aktivitätszeit der Arbeitsmaschine in Betracht gezogen werden. Um die Aktivitätszeit zu ermitteln, kann die Zeit durch eine interne Uhr der Arbeitsmaschine, beispielsweise eine elektronische Uhr in einem elektronischen Steuergerät, ermittelt werden und dann anhand der Sensordaten und/oder des Betriebsmusters kann bestimmt werden, ob die Arbeitsmaschine in dieser Zeit aktiv oder inaktiv war. Die Aktivitätszeit gibt also an, wie lange die Arbeitsmaschine tatsächlich in Betrieb war. Durch Vergleich der Aktivitätszeit mit einer zuvor geplanten Arbeitszeit, z. B. einer festgelegten Zahl von Betriebsstunden, kann eine Überschreitung festgestellt werden und auf eine unplanmäßige Verwendung der Arbeitsmaschine geschlossen werden. Anhand der Sensordaten und/oder der Bedienmuster, vor allem der Steuerungsinformationen und/oder Signale für die Steuerung von Aktoren kann ein Betriebsmodus, in dem sich die Maschine während der Aktivitätszeit befindet, erfasst werden. Wird z. B. nur der Unterwagen der Arbeitsmaschine bewegt, so befindet sich die Arbeitsmaschine in einem Fahrmodus. Erfolgt bei laufendem Motor keine Bewegung der Arbeitsmaschine oder der Werkzeuge, so befindet sich die Arbeitsmaschine in einem Leerlauf. Wird zumindest ein Werkzeug bewegt und/oder ist der Lastpunkt eines Antriebs der Arbeitsmaschine höher als im Leerlauf, so werden Arbeitsvorgänge ausgeführt und die Arbeitsmaschine befindet sich in einem Arbeitsmodus. Nun kann die Aktivitätszeit im Arbeitsmodus mit der zuvor geplanten Arbeitszeit verglichen werden und eine Überschreitung festgestellt werden.

Es kann eine Position der Arbeitsmaschine in Betracht gezogen werden. Um die Position zu bestimmen, kann vorzugsweise das bereits beschriebene inertiale Navigationssystem oder ein anderes Lokalisations-, Ortungs- oder Navigationssystem, insbesondere zur globalen Lokalisation, z. B. GNSS, verwendet werden. Durch Vergleich der tatsächlichen Position mit dem geplanten Einsatzort, kann auf eine unplanmäßige Verwendung, insbesondere auf einen Missbrauch geschlossen werden. Außerdem kann mittels Karteninformationen die Umgebung der Position ermittelt werden und festgestellt werden, ob die Arbeitsmaschine z. B. in bebautem oder unbebautem Gebiet oder an Gewässern arbeitet, um nur wenige Beispiele zu nennen. Daraus kann dann auf eine unsachgemäße Verwendung geschlossen werden.
Es kann eine Trajektorie der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs berücksichtigt werden. Zudem kann die Art des Bewegungsablaufs berücksichtigt werden. Mit anderen Worten wird die Bewegung der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs berücksichtigt. Allein aus der Trajektorie bzw. Bewegung des zumindest einen Werkzeugs kann erkannt werden, welche Arbeiten ausgeführt wurden. Im Falle eines Baggers als Beispiel, kann aus der relativen Bewegung der Baggerschaufel zum Unterwagen auf ein Aufladen oder ein Abladen der Schaufel bzw. auf ein Abtragen oder ein Auftragen von Material in der Umgebung geschlossen werden. Werden die Trajektorie bzw. die Bewegung des zumindest einen Werkzeugs über den gesamten Arbeitsvorgang aufgenommen, lässt sich das Ergebnis des Arbeitsvorgangs modellieren. Hierfür können z. B. 3D-Flächenmodelle verwendet werden. Im Fall des obengenannten Beispiels, kann aus der gesamten Trajektorie der Baggerschaufel, genauer des tiefsten Punkts der Trajektorie für eine Schneidkante der Baggerschaufel während des Abtragens und Aufladens von Material in Kombination mit der Breite der Baggerschaufel, auf die dreidimensionale Form z.B. einer Baugrube geschlossen werden. Mittels des 3D-Flächenmodells lassen sich 3D-Flächen extrapolieren, die wiederum über trainierte Klassifikatoren eine semantische Erkennung der Grube zulassen. Zudem kann mit Hilfe des 3D-Flächenmodells die Qualität der Arbeitsvorgänge einschätzen. Z. B. kann beurteilt werden, wie eben eine Fläche und/oder wie scharf bzw. geradlinig eine Kante ausgeformt ist.
Darüber hinaus lassen sich anhand der Trajektorie auch Korrekturvorgänge erkennen. Im Fall des Baggers kann ein zu tiefes Ausheben der Grube und ein nachträgliches Wiederbefüllen erkannt werden. Dadurch können weitere Maßnahmen, wie z. B. ein Verdichten des Grubengrundes, erkannt und wenn notwendig eingeleitet werden. Des Weiteren lassen sich anhand der Trajektorie und der benötigten Zeit - die aus der bereits beschriebenen Aktivitätszeit gewonnen werden kann - die erbrachte Arbeitsleistung und die Arbeitseffizienz ermitteln. Für das Beispiel des Baggers kann aus der Trajektorie der Baggerschaufel, insbesondere des tiefsten Punkts der Schneidkante, in Kombination mit der Breite der Baggerschaufel das ausgehobene bzw. bewegte Volumen ermittelt werden. Das Ergebnis des Arbeitsvorgangs, insbesondere die 3D-Flächen und/oder das Volumen, können mit Vergleichsdaten, z. B. aus einem BIM (Building Information Modelling) verglichen werden, um Abweichungen festzustellen. Darüber hinaus können die am weitesten auseinanderliegenden Punkte der Trajektorie der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs ermittelt werden, um aus diesen auf den Bewegungsraum der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs zu schließen. Hierzu können 3D-Flächen aus den am weitesten auseinanderliegenden Punkten der Trajektorie während des Abtragens und des Aufladens von Material extrapoliert werden. Im Falle einer Baggerschaufel lässt sich ein Abschneiden und Aufnehmen von Material beispielsweise aus der Bewegung der Schaufel und der aufgebrachten Leistung der Antriebe und Stellelemente ableiten.
Es können kinematische Daten des Bewegungsablaufs sowie weitere gemessene und berechnete physikalische Größen berücksichtigt werden. Aus diesen Daten kann auf wirkende Kräfte und Momente, verrichtete Arbeit und Leistung sowie dafür aufgewendete Energie der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs geschlossen werden. Aus der zusammenhängenden Betrachtung zwischen der Trajektorie, der Art des Bewegungsablaufs und Beschleunigungsdaten sowie den zugehörigen oben aufgeführten kinematischen und physikalischen Daten lässt sich auf die verrichtete Arbeit und Leistung im Sinne eines auszuführenden Arbeits- bzw. Leistungsauftrages schließen. Es kann z. B. auf die Art und die Beschaffenheit eines zu bearbeitenden Materials geschlossen werden. Im Falle des obengenannten Beispiels ist es relevant ob der Bagger lockeren Sand, steinigen oder verfestigten Boden oder einen festen Stein aufnimmt und bewegt. Im Vergleich zu den zulässigen physikalischen Werten, die spezifisch für die Arbeitsmaschine und/oder das Werkzeug bestimmt werden, kann auf eine Auslastung und Belastung und damit einen Verschleiß der Arbeitsmaschine geschlossen werden. Hierfür können Alterungs- und Verschleißmodelle, die spezifisch für die Arbeitsmaschine und/oder das Werkzeug bestimmt werden, verwendet und auf einen Verschleiß des zumindest einen Werkzeugs geschlossen werden. Als Beispiel ist hier die Schneidkante der Baggerschaufel zu nennen. Unzulässige Belastungen bzw. Überlastungen lassen sich ebenfalls erkennen.
Ein Verleiher der Arbeitsmaschine kann aus den genannten Kriterien ableiten, ob eine Arbeitsmaschine verliehen wurde, die nicht für die ausgeführte Arbeit konzipiert ist, beispielsweise da sie zu klein dimensioniert ist oder für die ausgeführten Arbeiten nicht konstruiert bzw. geeignet ist.
Es kann eine Kollision der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs mit einem Objekt in der Umgebung berücksichtigt werden. Eine Kollision wird durch stoßhaftes Auftreffen/Einwirken der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs durch entsprechende Sensoren, vor allem durch die bereits beschriebene inertiale Messeinheit festgestellt. Es werden unterschiedliche Arten von Kollisionen berücksichtigt: Zum einen wird die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug aktiv bewegt und stößt dabei auf das Objekt. Zum zweiten wird die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug nicht bewegt und das Objekt stößt in seiner Bewegung gegen die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug. Mittels dreidimensionalen Beschleunigungsvektoren, die vorzugsweise mittels der inertialen Messeinheit erfasst werden, lässt sich der Ort des Auftreffens/Einwirken genau bestimmen. Übersteigen die Beschleunigungswerte applizierte Grenzwerte, so kann auf eine Beschädigung der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine plastische Verformung erkannt werden, um auf die Beschädigung zu schließen. Die plastische Verformung kann insbesondere durch die inertiale Messeinheit erkannt werden, vor allem, wenn an jedem beweglichen Modul der Arbeitsmaschine und des Werkzeugs ein inertialer Sensor angeordnet ist. Zudem kann ein kinematisches Modell miteinbezogen werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, den Zeitpunkt und/oder die Position der Kollision zu ermitteln (siehe oben) und zur Auswertung abzuspeichern. Außerdem kann das Bedienmuster vor, während und/oder nach der Kollision ermittelt (siehe oben) und zur Auswertung abgespeichert werden.
Es kann eine ungewöhnliche Bewegung der Arbeitsmaschine berücksichtigt werden. Als ungewöhnliche Bewegung sind hier Bewegungen anzusehen, die von der Arbeitsmaschine in ihrem vorgesehenen Gebrauch nicht ausgeführt werden oder die von der Arbeitsmaschine allein nicht ausführbar sind. Als Beispiele für solche ungewöhnlichen Bewegungen sind Kippen, Umfallen und Überschlagen der Arbeitsmaschine zu nennen. Ferner können auch katapultartige Bewegungen und Folgeschwingungen erkannt werden, die besonders dann auftreten, wenn Teile der Arbeitsmaschine, insbesondere Werkzeuge, mit Materialien, Arbeitsgegenständen oder Hindernissen in der Umgebung verklemmen und sich dann plötzlich lösen. Dadurch können auch Unfälle erkannt und ggf. analysiert werden. Es werden bevorzugt Sensordaten, besonders bevorzugt der inertialen Messeinheit, unter Einbezug der Art der Arbeitsmaschine und deren Werkzeuge sowie die Kinematik verwendet, um die ungewöhnliche Bewegung festzustellen. Aus den Sensordaten lässt sich erkennen, ob die Arbeitsmaschine umgekippt, weggerutscht oder überrollt ist, aber auch ob die Arbeitsmaschine an einem Kippwinkel betrieben wurde, der für ein Umkippen kritisch ist. Ereignet sich ein solcher Unfall, so können erforderliche technische Überprüfungen und Wartungen in Auftrag gegeben werden. War der Bediener während des Unfalls in der Arbeitsmaschine, so können Personenschäden gemeldet werden.
Zusätzlich kann ein Notruf-Kommunikationssystem (eCall) vorgesehen sein, mit der ein automatischer Notruf abgesetzt werden kann, wenn sich ein oben beschriebener Unfall ereignet hat. Neben dem Vorteil, dass automatisch Hilfe angefordert werden kann, kann die Hilfe mittels den oben beschriebenen Daten geplant und effektiv geführt werden. Vor allem bei Personenschäden kann dies Leben retten. So kann über die Position der Arbeitsmaschine der Unfallort und bei Bedarf Gelände- und Umgebungsinformationen weitergegeben werden. Die Art der Arbeitsmaschine und die dreidimensionale Lage der Arbeitsmaschine und ggf. der Werkzeuge können übermittelt werden, sodass entsprechend dimensioniertes Bergungsgerät rechtzeitig bereitgestellt wird. Zudem können Informationen zum Bediener übermittelt werden. Wird die ungewöhnliche Bewegung bereits erkannt, bevor der Unfall passiert ist, können Sicherheitsmaßnahmen aktiviert werden, um den Bediener zu schützen. Als Beispiele können Airbags ausgelöst werden, Gurtstraffer angezogen werden und Überrollbügel/Schutzbügel aktiviert werden. Abgesehen davon kann aus der Trajektorie (siehe oben) der Arbeitsmaschine und ggf. der Werkzeuge und anhand des Bewegungsraums (ermittelt durch die am weitesten auseinanderliegenden Punkte der Trajektorie, siehe oben), der Unfallhergang rekonstruiert werden.
Es kann ein erfahrener Bediener von einem unerfahrenen Bediener unterschieden werden und die Erfahrung des Bedieners berücksichtigt werden. Die Erfahrung des Bedieners kann aus dem Bedienmuster erkannt werden, indem an sich bekannte Mustererkennungen verwendet werden. Ein unerfahrener Bediener bewegt ein Werkzeug, insbesondere eine Baggerschaufel an einem Arm, meist aufeinanderfolgend in unterschiedliche Richtungen, wohingegen ein erfahrener Bediener das Werkzeug gleichzeitig in mehrere Richtungen bewegt. Auch kann die Unterscheidung anhand der Präzision, der Arbeitsgeschwindigkeit und weiterer Kriterien getroffen werden. Bevorzugt wird aus der Trajektorie der Arbeitsmaschine und/oder des zumindest einen Werkzeugs die Erfahrung des Bedieners abgeleitet. Alternativ kann die Erfahrung des Bedieners durch die Art und Weise, in der er die Arbeit ausführt, erkannt werden. Zudem kann ein unerfahrener Bediener daran erkannt werden, dass er die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug übersteuert, beispielsweise indem er das Werkzeug in die mechanischen Anschläge führt. Dadurch lässt sich erkennen, ob ein Bediener ohne geforderte Erfahrung oder sogar ohne Qualifikation die Arbeitsmaschine steuert. Dies ist insbesondere für den Fall, dass die Arbeitsmaschine verliehen wurde, für den Verleiher von besonderem Interesse. Dieser kann feststellen, ob anstelle eines geplanten erfahrenen Bedieners ein nicht zulässiger unerfahrener Bediener die Arbeitsmaschine bedient. Zudem kann er den erhöhten Verschleiß, den ein unerfahrener Bediener mit sich bringt, finanziell ahnden.
Auf der anderen Seite kann ein unerfahrener Bediener eingelernt werden, indem er auf die unsachgemäße Verwendung und ggf. auf die unplanmäßige Verwendung aufmerksam gemacht wird. Übersteuert der unerfahrene Bediener die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug, so wird eine Warnung ausgegeben. Zudem kann vorgesehen sein, dass der unerfahrene Bediener zuvor ein Trainingsprogramm absolvieren muss, bevor er die Arbeitsmaschine und/oder das zumindest eine Werkzeug im Arbeitseinsatz steuern darf. Bestandteil eines solchen Trainingsprogramms kann das langsame und schonende Bedienen des zumindest einen Werkzeugs sein. Als Beispiel kann ein sanfter Bewegungsvorgang einer Hebebühne mit langsamem Heben und Senken geübt werden. Dabei kann geprüft werden, ob der Bediener das entsprechende Bedienelement, beispielsweise einen Hebel sanft genug bedient. Außerdem kann der Bewegungsraum und die Geschwindigkeit in diesem Trainingsprogramm eingeschränkt werden. Wenn das Trainingsprogramm erfolgreich absolviert wurde, werden alle Funktionen oder nur Funktionen entsprechend der Erfahrung des Bedieners freigegeben. Vorzugsweise kann das Trainingsprogramm z. B. in einem Handbuch beschrieben sein oder auf einem Display angezeigt werden und so konfiguriert sein, dass es Schritt für Schritt nachgesteuert werden kann.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, das Verfahren zur Analyse der Verwendung der Arbeitsmaschine auszuführen.
Eine Servicekraft oder im Speziellen der Verleiher kann die tatsächlichen Sensordaten und/oder das tatsächliche Bedienmuster und ggf. auch die Referenz-Sensordaten und/oder das Referenz-Bedienmuster auslesen. Dies kann insbesondere direkt vom elektronischen Steuergerät oder aus einer Cloud, an die das Steuergerät die Daten sendet, geschehen. Die unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung kann direkt auf dem elektronischen Steuergerät erkannt werden oder durch Auswertung an einer externen Rechnereinheit.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Arbeitsmaschine, deren Verwendung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens analysiert werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine Arbeitsmaschine in Form eines Baggers 1 mit einem Oberwagen 11 und einem Unterwagen 12, der als Werkzeug eine Baggerschaufel 2 aufweist, die über einen Arm 3 mit dem Bagger 1 verbunden ist. Der Bagger 1 weist ein elektronisches Steuergerät 4 auf, mit dem der Bagger 1, die Baggerschaufel 2 und der Arm 3 gesteuert werden. Zur Auslenkung der Baggerschaufel 2 ist ein Stellelement 21 vorgesehen und zur Auslenkung des Arms 3 sind zwei Stellelemente 31, 32 vorgesehen. Die Stellelemente 21, 31, 32 können ausgefahren oder zusammengezogen werden, wodurch der Arm 3 und die Baggerschaufel 2 in die gewünschte Stellung gebracht wird und ein Arbeitsvorgang ausgeführt wird. Die Stellelemente 21, 31, 32 weisen mechanische Anschläge auf, die verhindern, dass die Stellelemente 21, 31, 32 zu weit ausgefahren werden oder ggf. zu weit zusammengezogen werden. Das Fahren der Stellelemente 21, 31, 32 in die mechanischen Anschläge führt zu einem höheren Verschleiß der Arbeitsmaschine. Zudem weist der Bagger 1 eine inertiale Messeinheit 5 mit mehreren inertialen Sensoren 51 auf, deren Anordnung hier nur beispielhaft skizziert ist und die als Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren ausgebildet sein können Die inertiale Messeinheit 5 gibt die aktuell erfassten Sensorsignale (tatsächliche Sensorsignale) an das elektronische Steuergerät 4 weiter. Zudem ist ein inertiales Navigationssystem 55 vorgesehen, das auf die inertiale Messeinheit 5 zugreifen kann und mit dem die Position des Baggers 1 ermittelt werden kann Ein Bediener 6 steuert den Bagger 1, den Oberwagen 11, den Unterwagen 12, die Baggerschaufel 2 und den Arm 3 über Bedienelemente 65 (hier ist lediglich ein Bedienelement beispielhaft in Form eines Hebels dargestellt) gemäß einem Bedienmuster um den geplanten Arbeitsvorgang auszuführen. Genauer geben die Bedienelemente 65, wenn der Bediener 6 diese aktiviert, Signale an das elektronische Steuergerät 4 aus. Das elektronische Steuergerät 4 steuert unter anderem die Stellelemente 21, 31, 32 derart, dass sich der Bagger 1, die Baggerschaufel 2 und der Arm 3 in die vom Bediener 6 vorgegebene Stellung bewegen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel soll eine Baugrube 7 ausgehoben werden. Hierfür steuert der Bediener 6 die Baggerschaufel 2 derart, dass deren Schneidkante sich entlang der gezeigten Trajektorie 8 bewegt. Mittels der inertialen Messeinheit 5 kann die Bewegungstrajektorie 7 erfasst werden. Zudem ist ein Objekt 9 dargestellt, das ein Hindernis darstellt und bei dem die Gefahr einer Kollision besteht.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bereits im Vorfeld wird ein Plan 100 für die Verwendung der Arbeitsmaschine 1 ausgearbeitet, wobei hier bereits die auszuführenden Arbeitsschritte, die voraussichtlich benötigte Zeit, der Einsatzort, der Qualifikation des Bedieners 6 und weitere für die Verwendung relevante Punkte festgelegt werden. Zur Erstellung des Plans 100 kann ein BIM (Building Information Modeling) herangezogen werden. Für den Fall, dass die Arbeitsmaschine 1 an den Bediener 6 verliehen wird, werden die Konditionen für die Verwendung der Arbeitsmaschine 1 in einem Vertrag zwischen einem Verleiher und dem Bediener 6 festgehalten. Aus dem Plan 100 mit den obengenannten Punkten werden dann Referenz-Sensordaten Sref und ein Referenz-Bedienmuster BM_ref definiert, die eine sachgemäße und plangemäße Verwendung der Arbeitsmaschine 1 repräsentieren, sowie dazugehörige Schranken festgelegt innerhalb derer die Verwendung der Arbeitsmaschine als akzeptabel gilt. Die Referenz-Sensordaten Sref werden für die bei der jeweiligen Arbeitsmaschine 1 zur Verfügung stehenden Sensoren, vor allem für die inertiale Messeinheit 5 bereitgestellt. Das Referenz-Bedienmuster BM_ref wird mittels an sich bekannter Mustererkennung für den optimalen Gebrauch der Arbeitsmaschine 1 und/oder des Werkzeugs 2 erfasst. Die Referenz-Sensordaten Sref, das Referenz-Bedienmuster BM_ref sowie die dazugehörigen Schranken können vom Hersteller der Arbeitsmaschine 1 oder vom Verleiher festgelegt werden, wobei Gesetze, Verordnungen und dergleichen in zutreffenden Fällen zu berücksichtigen sind. In einer ersten Variante werden die Referenz- Sensordaten Sref, das Referenz-Bedienmuster BM_ref sowie die dazugehörigen Schranken direkt auf dem elektronischen Steuergerät 4 gespeichert
Während des Arbeitsvorgangs erfolgt eine Erfassung 101 von tatsächlichen Sensordaten Stat und des tatsächlichen Bedienmusters BM_tat des Bedieners 6. Hauptsächlich werden die Sensordaten der inertialen Messeinheit 5 sowie ggf. vom inertialen Navigationssystem 55 erfasst, es können aber auch weitere Daten von nicht in 1 dargestellten Sensoren mit einfließen. Beispiele hierfür sind Kameras, Radarsysteme und Lidarsysteme. Das tatsächliche Bedienmuster BM_tat wird mittels an sich bekannter Mustererkennung erfasst.
Es erfolgt ein Vergleich 102 zwischen den tatsächlichen Sensordaten Stat und den Die Referenz- Sensordaten Sref sowie zwischen dem tatsächlichen Bedienmusters BM_tat und dem Referenz-Bedienmuster BM_ref . Beim Vergleich 102 werden folgende Kriterien einzeln oder in Kombination berücksichtigt:

- Eine Aktivitätszeit, in der die Arbeitsmaschine aktiv verwendet wurde, wobei zwischen einem Fahrmodus, einem Arbeitsmodus und einem Leerlauf unterschieden werden kann;
- die Position der Arbeitsmaschine 1;
- die Trajektorie 7 und/oder die Art des Bewegungsablaufs für die Arbeitsmaschine 1 und/oder für das Werkzeug 2;
- Kinematische Daten und physikalische Daten des Bewegungsablaufs der Arbeitsmaschine 1 und/oder des Werkzeugs 2;
- Eine Kollision der Arbeitsmaschine 1 und/oder des Werkzeugs 2 mit dem Objekt 9;
- ungewöhnliche Bewegungen, wie z. B Kippen, Umfallen und Überschlagen der Arbeitsmaschine 1; und
- die Erfahrung des Bedieners 1, vor allem anhand des Bedienmusters.

Weicht zumindest ein Wert der tatsächlichen Sensordaten Stat von dem entsprechenden Wert der Referenz-Sensordaten S_ref um zumindest eine entsprechende Schranke (siehe oben), die hier als Grenzwert für einen Wertebereich um die jeweiligen Referenz-Sensordaten Sref herum anzusehen ist, ab, so wird auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung der Arbeitsmaschine 1 geschlossen 103. Weicht das tatsächliche Bedienmuster BM_tat vom Referenz-Bedienmuster BM_ref um zumindest eine Schranke ab, so wird gleichermaßen auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung der Arbeitsmaschine 1 geschlossen 103. Im anderen Fall, daher wenn sowohl die tatsächlichen Sensordaten Stat innerhalb des durch die Schranken vorgegebenen Wertebereichs um die Referenz-Sensordaten Sref liegen und das tatsächliche Bedienmuster BM_tat innerhalb der Schranke dem Referenz-Bedienmuster BM_ref entspricht, so wird auf eine sachgemäße Verwendung gemäß dem ursprünglich ausgelegten Plan 100 geschlossen 104.
Auf Basis der unsachgemäßen Verwendung und/oder der unplanmäßigen Verwendung kann ein unerfahrener Bediener eingelernt werden. Zudem kann beim Start der Arbeitsmaschine 1 ein Trainingsprogramm vorgesehen sein, das der unerfahrene Bediener absolvieren muss, bevor er die Arbeitsmaschine 1 und/oder das zumindest eine Werkzeug 2 im Arbeitseinsatz steuern darf.

Claims

Verfahren zur Analyse einer Verwendung einer Arbeitsmaschine (1) anhand von Sensordaten und/oder Bedienmuster, bei dem während der Verwendung der Arbeitsmaschine (1) erfasste tatsächliche Sensordaten (S_tat) und/oder tatsächliche Bedienmuster (BM_tat) zur Analyse der Verwendung der Arbeitsmaschine (1) mit für die Verwendung typischen Referenz-Sensordaten (S_ref) und/oder Referenz-Bedienmustern (BM_ref) verglichen werden und bei Abweichung der tatsächlichen Sensordaten (S_tat) und/oder tatsächlichen Bedienmuster (BM_tat) von den Referenz-Sensordaten (S_ref) und/oder Referenz-Bedienmuster (BM_ref) um zumindest eine Schranke auf eine unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung geschlossen (103) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sensordaten einer inertialen Messeinheit (5), insbesondere der Arbeitsmaschine (1), zur Analyse der Verwendung erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein inertiales Navigationssystem (55) der Arbeitsmaschine (1) zur Analyse der Verwendung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung eine Aktivitätszeit der Arbeitsmaschine (1) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung eine Position der Arbeitsmaschine (1) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung eine Trajektorie (8) und/oder eine Art eines Bewegungsablaufs der Arbeitsmaschine (1) und/oder zumindest eines Werkzeugs (2) der Arbeitsmaschine (1) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung kinematische Daten und/oder physikalische Daten des Bewegungsablaufs berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung eine Kollision der Arbeitsmaschine (1) und/oder zumindest eines Werkzeugs (2) der Arbeitsmaschine (1) mit einem Objekt (9) in der Umgebung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung eine für die Arbeitsmaschine (1) ungewöhnliche Bewegung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse der Verwendung ein erfahrener Bediener von einem unerfahrenen Bediener unterschieden wird und die Erfahrung des Bedieners (6) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die unsachgemäße Verwendung und/oder unplanmäßige Verwendung zu Lernzwecken für den unerfahrenen Bediener verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer unsachgemäßen Verwendung und/oder unplanmäßigen Verwendung ein Warnsignal mittels einer Warneinheit der Arbeitsmaschine (1) abgegeben und/oder ein Betrieb der Arbeitsmaschine (1) eingeschränkt oder gestoppt wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eine Analyse der Verwendung der Arbeitsmaschine (1) durchzuführen.