DE102020122546B4

DE102020122546B4 - System zur Überwachung des Vortriebs von Vortriebsmaschinen, insbesondere von Tunnelbohrmaschinen

Info

Publication number: DE102020122546B4
Application number: DE102020122546.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hess; Bernd Zimmermann; Jens Endres
Original assignee: Bta GmbH
Current assignee: Bta GmbH
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2040-08-29
Also published as: DE102020122546A1; DE202021004045U1; WO2022043463A1

Abstract

System (1) zur Überwachung des längs einer Sollvortriebsachse (S) zu erfolgenden Vortriebs von Vortriebsmaschinen (2a, 2b, 2c), insbesondere von Tunnelbohrmaschinen, umfassend- eine im Bereich eines Vortriebselements (2a) der Vortriebsmaschine, insbesondere eines Bohrkopfes, zu montierende optoelektronische Zieleinheit (5), welche einen beleuchteten Schirm (6) aufweist,- eine entfernt von der Zieleinheit (5) aufstellbare und parallel zur Sollvortriebsachse (S) ausrichtbare Kamera (7) zur optischen Erfassung des Schirms (6) der Zieleinheit (5), und- eine mit der Kamera (7) verbundene Datenverarbeitungsanlage (9) zur digitalen Auswertung der mittels der Kamera (7) aufgenommenen Bilder,dadurch gekennzeichnet,dass der Schirm (6) der Zieleinheit (5) zur Darstellung einer vorgegebenen Mehrzahl an unterschiedlich großen Leuchtpunkten (L1, L2, L3, L4, L5) eingerichtet ist, unddass die Datenverarbeitungsanlage (9) zur automatischen Ermittlung der Position und Größe der unterschiedlichen Leuchtpunkte (L1, L2, L3, L4, L5) in den von der Kamera (7) aufgenommenen Bildern eingerichtet ist, so dass unter Auswertung der ermittelten Position und Größe der Leuchtpunkte (L1, L2, L3, L4, L5) etwaige Abweichungen der Ist-Position des Vortriebselements (2a) von der Sollvortriebsachse (S) ermittelbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Überwachung des längs einer Sollvortriebsachse zu erfolgenden Vortriebs von Vortriebsmaschinen, insbesondere von Tunnelbohrmaschinen, mit

- einer im Bereich eines Vortriebselements der Vortriebsmaschine, insbesondere eines Bohrkopfes, zu montierenden optoelektronischen Zieleinheit, welche einen beleuchteten Schirm aufweist,
- einer entfernt von der Zieleinheit aufstellbaren und parallel zur Sollvortriebsachse ausrichtbaren Kamera zur optischen Erfassung des Schirms der Zieleinheit, und
- einer mit der Kamera verbundenen Datenverarbeitungsanlage zur digitalen Auswertung der mittels der Kamera aufgenommenen Bilder.

Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und dienen zur kontinuierlichen Überwachung, ob das Vortriebselement bzw. der Bohrkopf einer zur Herstellung von unterirdischen Röhren bzw. Tunneln eingesetzten Tunnelbohrmaschine sich exakt auf der Sollvortriebsachse befindet.
Die Bedieneinheit von Vortriebs- bzw. Tunnelbohrmaschinen, bei welchen es sich z.B. um Pressbohranlagen zur grabenlosen Herstellung von Röhren bzw. Tunneln handeln kann, ist dabei mit ihrer von einem Maschinenführer zu steuernden Bedieneinheit typischerweise entfernt vom Bohrkopf in einem Startschacht angeordnet, von welchem aus die Herstellung der Röhre vorangetrieben wird. Dabei ist zu bemerken, dass zwischen dem Startschacht (oder einem sonstigen Aufstellort der Bedieneinheit für die Vortriebs- bzw. Tunnelbohrmaschine) und dem Bohrkopf in der Regel technisch bedingt keine physikalische Verbindung (z.B. in Form von Kabeln) vorgesehen sein kann. Daher können zwischen Startschacht und Zieleinheit typischerweise keine Daten über Kabel ausgetauscht werden und die optoelektronische Zieleinheit muss intern mit Strom versorgt werden, insbesondere mit einer ggfs. wiederaufladbaren Batterie. Auch ein Datenaustausch mittels Funkwellen ist beispielsweise bei den in einer ersten Phase des Pressbohrens verwendeten Rohren mit sehr kleinen Innendurchmessern (ca. 55mm) fehleranfällig und dadurch keine Lösung.
Das Grundprinzip der aus dem Stand der Technik bekannten Überwachungssysteme gattungsgemäßer Art besteht nun darin, zur Überwachung der Ist-Position des Vortriebselements bzw. Bohrkopfs eine optoelektronische Zieleinheit mit einem beleuchteten Schirm einzusetzen, wobei die Zieleinheit im bzw. am Bohrkopf (insbesondere an einem bezogen auf die Vortriebsrichtung hinteren Teil des Bohrkopfs) exakt auf dessen Vortriebsachse (oder ggfs. auch in einem vorgegebenen Abstand versetzt hierzu) montiert ist, und wobei der Schirm der Zieleinheit - bezogen auf die Vortriebsrichtung - nach hinten in Richtung des Startschachts weist. Der Schirm wird dann aus der Entfernung mittels einer Kamera, die typischerweise mit einer Vergrößerungsoptik (z.B. einem Fernrohr) ausgestattet und im Startschacht aufgestellt ist, während des Vortriebs beobachtet. Die Kamera mit Vergrößerungsoptik wird dabei so positioniert und im Hinblick auf ihre Richtung und Neigung so eingestellt, dass ihre optische (Ziel-)Achse parallel zur bzw. exakt auf der Sollvortriebsachse der zu erstellenden Röhre liegt.
Die von der digitalen Kamera aufgenommenen Bilder werden dann auf einem zum Überwachungssystem gehörenden Display dargestellt, so dass der Maschinenführer im Startschacht bei Betrachtung des Displays visuell überprüfen kann, ob der Bohrkopf sich noch mit der gewünschten Genauigkeit auf der Sollvortriebsachse befindet.
Auf dem Schirm der Zieleinheit ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ein beleuchtetes Fadenkreuz bzw. eine Anordnung aus mehreren auf dem Schirm verteilten Leuchtdioden (LEDs) vorgesehen, die bei geeigneter Montage der Zieleinheit am Bohrkopf die Lage der Vortriebsachse erkennen lassen, wodurch der Maschinenführer den Bohrkopf steuern kann, mit dem Ziel, ihn stets auf der Sollvortriebsachse zu bewegen.
Die Datenauswertung bei den bisher am Markt verwenden Systemen besteht darin, in gewissen Abständen (zeitlich bzw. nach bestimmten vom Bohrkopf zurückgelegten Strecken) Screenshots der Videobilder zu erstellen und zu speichern. Eine Berechnung, Speicherung und/oder Anzeige numerischer Positionsdaten findet bei den aktuell am Markt verwendeten Systemen nach Kenntnis der Anmelderin nicht statt.
Das Gebrauchsmuster DE 92 11 555 U1 beschreibt ebenfalls ein System der eingangs genannten Art zur Überwachung des Vortriebs von Vortriebsmaschinen, bei welchem die am Vortriebselement der Vortriebsmaschine angeordnete Zieleinheit zwei zueinander beabstandete Leuchtkästen aufweist, auf welchen jeweils ein aus jeweils mehreren LEDs gebildetes markantes Zeichen dargestellt wird. Bei Überwachung der auf den Leuchtkästen dargestellten Zeichen mittels einer im Startschacht oder im ausgebauten Tunnel hinter dem Bohrkopf der Vortriebsmaschine angeordneten Kamera könne so unter Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder und der Form der mittels der LED's erzeugten Leuchtzeichen mittels eines elektronischen Rechners die Position der Vortriebsmaschine mit einer Präzision von +/- 1 mm ermittelt und angegeben werden und sämtliche Mess- und Rechenwerte in einer Datenbank abgespeichert werden.
Mit der vorliegenden Erfindung soll nun ein möglichst zuverlässiges System zur Überwachung des Vortriebs von Vortriebs- bzw. Tunnelbohrmaschinen der eingangs genannten Art bereitgestellt werden, welches aufgrund neuartiger Gestaltung des Schirms der Zieleinheit und der hierzu vorgesehenen Datenauswertung die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme im Hinblick auf die erzielbare Präzision übertreffen kann. In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung werden zusätzliche Funktionalitäten bereitgestellt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System nach Anspruch 1, welches neben den eingangs genannten Merkmalen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schirm der Zieleinheit zur Darstellung einer vorgegebenen Mehrzahl an unterschiedlich großen Leuchtpunkten eingerichtet ist, und dass die Datenverarbeitungsanlage zur automatischen Ermittlung der Position und Größe der unterschiedlichen Leuchtpunkte in den von der Kamera aufgenommenen Bildern eingerichtet ist, so dass unter Auswertung der ermittelten Position und Größe der Leuchtpunkte (in den von der Kamera aufgenommenen Bildern) etwaige Abweichungen der Ist-Position des Vortriebselements von der Sollvortriebsachse ermittelbar sind.
Dadurch dass die optoelektronische Zieleinheit zur gleichzeitigen Darstellung einer vorgegebenen Mehrzahl an Leuchtpunkten unterschiedlicher Größe auf ihrem Schirm eingerichtet ist, und dass die Datenverarbeitungsanlage zur automatischen Ermittlung der Position und Größe der verschiedenen Leuchtpunkte in den von der Kamera aufgenommenen Bildern eingerichtet ist, lässt sich unter Vergleich mit den vorgegebenen (d.h. bekannten) Positionen und Größen der Leuchtpunkte auf dem Schirm eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Präzision in der Ermittlung einer etwaigen Abweichung der Ist-Position des Vortriebselements von der Sollvortriebsachse erzielen. Ferner ergeben sich hierdurch, was weiter unten noch näher erläutert wird, einfache Möglichkeiten zur Durchführung von Plausibilitätstests bei der automatischen Datenerfassung und -auswertung.
Das erfindungsgemäße System umfasst eine typischerweise im Startschacht (d.h. hinter dem Bohrkopf) aufzustellende (Digital-)Kamera auf, welche mit einer geeigneten Vergrößerungsoptik (z.B. mit einem Zielfernrohr) ausgestattet ist, wobei die von der Kamera übermittelten Bilder auf einfache und wenig fehleranfällige Weise mittels der Datenverarbeitungsanlage auswertbar sind. Die Kamera wird dabei typischerweise mittels eines geeigneten Stativs, so positioniert und in ihrer Richtung und Neigung so eingestellt, dass ihre optische (Ziel-)Achse parallel zur bzw. exakt auf der zu bohrenden Achse (Sollvortriebsachse) der Röhre entspricht. Für eine möglichst einfache und präzise Justage der Kamera in die Sollrichtung und -neigung kann das Stativ geeignete Stellmotoren zur elektromotorischen Einstellung der gewünschten Richtung und Neigung aufweisen, was aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, wobei die korrekte Kameraausrichtung ggfs. unter Zuhilfenahme von geeigneten Richtungs- und Neigungssensoren eingestellt und überwacht werden kann.
Die optoelektronische Zieleinheit wird im bzw. am Bohrkopf mit ihrem - bezogen auf die Vortriebsrichtung - nach hinten weisenden Schirm vorteilhaft zentrisch zur Vortriebsachse montiert und von der entfernt hierzu aufgestellten Kamera gefilmt, sodass jede Abweichung des Bohrkopfs von der Sollvortriebsachse von der Kamera eingefangen und mit Hilfe einer geeigneten Bildverarbeitungs- und Auswertungssoftware ausgewertet werden kann, indem im Rahmen der Datenverarbeitung die Positions- und Größendaten zu der Mehrzahl an unterschiedlich großen Leuchtpunkten automatisch erfasst und ausgewertet werden.
Die ermittelten Daten zur Position und Größe der ermittelten Leuchtpunkte in den Kamerabildern und/oder die hieraus auf mathematisch einfache Weise berechenbaren Daten zur Abweichung der Ist-Position des Bohrkopfs von der Sollvortriebsachse können digital in numerischer Form abgespeichert und protokolliert werden. Ferner können die Auswertedaten graphisch und numerisch dargestellt werden und zum Beispiel an geeigneter Stelle in einem das aktuelle Kamerabild darstellenden Display angezeigt werden, welches ebenfalls mit der Datenverarbeitungsanlage verbunden ist und welches dem Maschinenführer das aktuelle Kamerabild anzeigt.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit hoher Präzision und Fehlersicherheit ermittelbaren Daten zur aktuellen Bohrkopfposition können direkt ohne weitere manuelle Arbeitsschritte weiterverarbeitet und gespeichert werden, was insbesondere für die Qualitätssicherung und Dokumentation des Vortriebs wichtig ist.
Zur Datenauswertung sei auf folgende Aspekte verwiesen:

Die verschiedenen auf dem Schirm der Zieleinheit dargestellten Leuchtpunkte haben erfindungsgemäß unterschiedliche Größen (insbesondere unterschiedliche Durchmesser im Falle kreisförmiger bzw. kreisförmig berandeter Leuchtpunkte) und sind in vorgegebenen Abständen, z.B. gleichabständig, auf dem Schirm angeordnet. Der Abstand zwischen den einzelnen Leuchtpunkten und deren jeweilige Größe ist bekannt, wodurch eine Umrechnung der Bildpixel in eine metrische Entfernung unter Ermittlung eines Umrechnungsfaktors (sog. Pixelfaktor) möglich wird. Mit Hilfe dieses Umrechnungsfaktors kann der metrische Durchmesser der in einem Kamerabild erkannten Leuchtpunkte über den jeweiligen Pixeldurchmesser ermittelt werden. Sobald in einem Kamerabild zwei Leuchtpunkte korrekt erkannt werden, kann (bei geeigneter Anordnung der Leuchtpunkte auf dem Schirm und geeignet gewählten Größen der insgesamt auf dem Schirm befindlichen Leuchtpunkte) die aktuelle Abweichung der Ist-Position des Bohrkopfs von der Sollvortriebsachse (Abweichung in horizontaler und vertikaler Richtung) berechnet werden.

Zur Erkennung der Leuchtpunkte werden vorteilhaft die unterschiedlichen Helligkeitswerte des Videobildes herangezogen. Das Grundprinzip des Leuchtpunktdetektionsalgorithmus beruht darauf, dass die Leuchtpunkte (bekannter Geometrie) heller sind als die restliche Umgebung im Videobild, wodurch eine Ermittlung dieser Leuchtpunkte (Helligkeit liegt über einem Schwellenwert) möglich wird.
Ein Filter- und Detektionsalgorithmus, der zeilen- und spaltenweise angewandt wird, ermöglicht dabei die Erkennung mehrerer Leuchtpunkte. Über die Anzahl der Pixel (Fläche) pro Leuchtpunkt können die Leuchtpunkte nach Größe/Durchmesser unterschieden werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Mittelpunkte der Leuchtpunkte in vorgegebenen Abständen auf einer geraden Linie auf dem Schirm angeordnet sind, wobei vorteilhaft einer der Leuchtpunkte im Zentrum des Schirms angeordnet ist. Durch die automatische Erfassung des Verlaufs dieser Linie, auf welcher sich die Mittelpunkte der Leuchtpunkte befinden, kann dabei auch eine etwaige Verrollung des Bohrkopfs festgestellt werden.
Beispielsweise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gesamtzahl von zwei, drei, vier oder fünf - vorzugsweise kreisförmig berandeten - Leuchtpunkten mit jeweils unterschiedlichen Größen / Durchmessern auf dem Schirm der Zieleinheit dargestellt sein, wobei vorteilhaft ein Leuchtpunkt exakt im Zentrum des Schirms vorgesehen ist, welcher bei geeignet zentrischer Anordnung der Zieleinheit im bzw. am Bohrkopf exakt auf dessen Vortriebsachse liegt.
Typische Leuchtpunktdurchmesser, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewählt werden können, liegen im Bereich von 1 bis 10 mm. Selbstverständlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Anordnungen mit mehr als fünf Leuchtpunkten auf dem Schirm der Zieleinheit vorgesehen sein.
Bei Verwendung eines Schirms mit fünf auf einer Linie liegenden, kreisförmigen Leuchtpunkten können z.B. die fünf Leuchtpunkte Durchmesser von 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm und 5mm aufweisen, wodurch sich die Größenverhältnisse von je zwei benachbarten Leuchtpunkten unterscheiden, so dass bereits eine Erfassung von zwei der fünf Lichtpunkte und die Ermittlung von deren Relativgrößen (d.h. deren Größenverhältnis) ausreicht, um zu ermitteln, welche zwei der fünf Leuchtpunkte tatsächlich erfasst wurden. Die Leuchtpunkte können in größenmäßig auf- bzw. absteigender Reihenfolge mit beispielhaften Abständen von je 10 mm zwischen den Mittelpunkten benachbarter Leuchtpunkte angeordnet sein, wobei der mittlere Leuchtpunkt mit einem Durchmesser von 3 mm dann vorteilhaft das Zentrum des Schirms bildet. Bei Verwendung eines Schirms mit drei auf einer Linie liegenden Leuchtpunkten können diese beispielsweise Durchmesser von 3 mm, 6 mm und 9 mm aufweisen, wobei dann vorteilhaft der Punkt mit einem Durchmesser von 6 mm im Zentrum des Schirms liegt.
Die gerade Linie, auf welcher die Mittelpunkte der verschiedenen Leuchtpunkte liegen, kann bei bestimmungsgemäßer Montage des Bohrkopfs vorteilhaft horizontal ausgerichtet sein.
Zusätzlich können dann am oberen und unteren Rand des Schirms der Zieleinheit in vorteilhafter Weise zwei beleuchtete Orientierungspfeile angeordnet sein, die zum Mittelpunkt des Schirms zeigen. Diese dienen zum einen der optischen Orientierung für den Maschinenfahrer und zum anderen als weiteres Hilfsmittel für die digitale Bildauswertung.
So können die optionalen Orientierungspfeile, falls für die Kamera sichtbar und erfolgreich detektiert, ggfs. auch zur eindeutigen Bestimmung der Durchmesser der Leuchtpunkte herangezogen werden. So muss z.B. der Lichtpunkt mit dem geringsten Abstand zu einem oder beiden Pfeilen der Mittelpunkt sein.
Die erfindungsgemäß gegebene Darstellung unterschiedlich großer Leuchtpunkte auf dem Schirm der Zieleinheit erlaubt dabei im Übrigen auch die Realisierung einfach zu realisierender Plausibilitätstest im Rahmen der Datenauswertung, da beispielsweise die (Absolut- und Relativ-)Größen der unterschiedlichen Leuchtpunkte und deren (Absolut- und Relativ-) Positionen bekannt sind und somit die von der Kamera erfassten Leuchtpunkte auf dem Schirm zuverlässig von zufälligen Lichtreflexen unterscheidbar sind.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann somit vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung von Plausibilitätstest eingerichtet ist, in deren Rahmen überprüft wird, ob die im Rahmen der Datenauswertung in den Bildern der Kamera ermittelten Positionen, Abstände, Flächen, Größen, Durchmesser und/oder die Anzahl der darin erfassten Leuchtpunkte mit den tatsächlichen Positionen, Abständen, Flächen, Größen, Durchmesser und/oder der Anzahl der Leuchtpunkte auf dem Schirm innerhalb vorgegebener Fehlergrenzen übereinstimmen.
Generell kann vorgesehen sein, dass sich im Rahmen der Datenauswertung jedes Mal dann, wenn mindestens ein Leuchtpunkt detektiert wird, alle oder bestimmte der vorgenannten Plausibilitätstests anschließen. Das System kann dabei vorteilhaft so eingerichtet sein, dass jede Videobildauswertung und jeder Plausibilitätstest einen definierten Status als Ergebnis liefert, der sofort mitprotokolliert und abgespeichert wird. Kann mindestens ein Leuchtpunkt eindeutig erkannt werden, ist der Status zur Detektion des betreffenden Leuchtpunkts positiv. Kann kein Leuchtpunkt eindeutig bestimmt werden (negativer Status), kann das System zur Erzeugung einer Warnmeldung eingerichtet sein. Diese Warnmeldung gibt an, welcher interne Test während der Auswertung nicht erfüllt wurde (z.B. Linien-, Durchmesser-, Abstandstest etc.). Durch entsprechende Warnungen und die Auswertung derselben können im Übrigen auch zuvor ermittelte Systemparameter nachgeregelt werden, um während des Vortriebs eine bessere Auswertung zu ermöglichen.
Vom kontinuierlichen Videostream können bei einem erfindungsgemäßen System in benutzerdefinierten Zeitintervallen automatisch „Screenshots“ bzw. Bilddateien der von der Kamera aufgenommenen Bilder gespeichert werden. Mit Hilfe dieser Bilddateien kann mit einer speziellen Auswertungssoftware ggfs. auch im Nachhinein eine Analyse erfolgen (Postprocessing). Dadurch können fälschlich nicht erkannte Leuchtpunktkonstellationen (d.h. negativer Status, wenn ein Test nicht erfüllt wurde), durch späteres Verändern der Auswerteparameter, im Nachgang des Vortriebs ermittelt werden. Durch das Mitprotokollieren des Zeitstempels können auch bestimmte Maschinendaten (z.B. Vortriebslänge, Pressendrücke) der Bilddatei zugeordnet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems kann zudem vorgesehen sein, dass wenigstens ein Leuchtpunkt, insbesondere ein zentraler Leuchtpunkt im Zentrum des Schirms der Zieleinheit, wenigstens einen dunklen Spot innerhalb seiner leuchtenden Fläche aufweist, und dass die Datenverarbeitungsanlage dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen dunklen Spot innerhalb des Leuchtpunkts zu identifizieren.
Auf diese Weise kann ein spezieller Leuchtpunkt der Mehrzahl an Leuchtpunkten auf dem Schirm, insbesondere ein zentral auf dem Schirm angeordneter Leuchtpunkt, in besonderer Weise ausgezeichnet sein. Damit wird insbesondere erlaubt, dass bei alleiniger Erfassung dieses Leuchtpunkts (und Erkennung des darin vorgesehenen dunklen Spots) bereits die Abweichung der Ist-Position des Bohrkopfs von der Sollvortriebsachse ermittelbar ist. Dies ist insbesondere auf den ersten Metern des Tunnel- bzw. Röhrenvortriebs von Vorteil, in welchen die mit einer Vergrößerungsoptik ausgestattete Kamera möglicherweise nur den zentralen Leuchtpunkt des Schirms erfasst, da die daneben liegenden Leuchtpunkte noch nicht im Blickfeld der Kamera liegen.
Zur Erkennung des dunklen Spots (Punkts) in der helleren Umgebung des Leuchtpunkts kann ein zu dem weiter oben beschriebenen Detektionsalgorithmus inverser Detektionsalgorithmus angewendet wird, bei dem innerhalb eines detektierten Leuchtpunkts ein Bereich mit unterhalb eines Schwellwerts liegenden Helligkeitswerten identifiziert wird.
Dabei kann dann vorteilhaft ergänzend vorgesehen sein, dass ein Leuchtpunkt auf dem Schirm (insbesondere ein zentraler Leuchtpunkt im Zentrum des Schirms) zwei dunkle Spots innerhalb seiner leuchtenden Fläche aufweist, wobei ein erster dunkler Spot im Zentrum des Leuchtpunkts und ein zweiter dunkler Spot außermittig darin angeordnet ist. Auf diese Weise kann aufgrund der bekannten asymmetrischen Anordnung des zweiten (außermittigen) dunklen Spots innerhalb des Leuchtpunkts bei Erkennung von dessen Position innerhalb des ihn umgebenden Leuchtpunkts auch eine Verrollung des Bohrkopfs erkannt werden, womit dies auch bereits auf den ersten Metern des Tunnel- bzw. Röhrenvortriebs möglich ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems kann ferner vorgesehen sein, dass die Zieleinheit ein längliches Gehäuse, welches z.B. als zylindrische Röhre ausgebildet ist, mit darin integrierter Elektronik und Stromversorgung aufweist, wobei der Schirm an einem stirnseitigen Ende des Gehäuses der Zieleinheit ausgebildet ist und mittels wenigstens einer LED unter Ausbildung der Mehrzahl an Leuchtpunkten beleuchtet ist.
In besonders vorteilhafter Weise kann bei dem erfindungsgemäßen System ferner vorgesehen sein, dass die optoelektronische Zieleinheit zur automatische Abschaltung bei einer definierten Temperatur zum Schutz vor Überhitzung und/oder zur zeitgesteuerten Abschaltung nach einer definierten Zeit zur Energieeinsparung bei Ruhezeiten der Vortriebsmaschine eingerichtet ist.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass an oder in der optoelektronischen Zieleinheit, insbesondere im Bereich des Schirms der Zieleinheit, ein derart mit deren Elektronik gekoppelter Lichtsensor angeordnet ist, dass durch Belichtung des Lichtsensors aus der Ferne mit Hilfe eines Lasers wenigstens eine elektronische Funktion der Zieleinheit steuerbar ist. In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass die wenigstens eine (durch Belichtung des Lichtsensors mit Hilfe eines Lasers steuerbare) elektronische Funktion der Zieleinheit ausgewählt ist aus der Gruppe an Funktionen

- Einschalten der Zieleinheit,
- Ausschalten der Zieleinheit,
- Erhöhen und/oder Verringern der Helligkeit der Beleuchtung des Schirms der Zieleinheit.

Auf diese Weise kann die optoelektronische Lichteinheit beispielsweise, sofern sich diese zuvor ausgeschaltet hatte oder sofern diese zuvor ausgeschaltet wurde, aus der Ferne, insbesondere aus dem Startschacht heraus, mittels eines Lasers berührungslos wieder eingeschaltet werden, wobei im vorstehend genannten Sinne unter einem Einschalten oder Ausschalten der Zieleinheit insbesondere das Ein- oder Ausschalten der Beleuchtung des Schirms zu verstehen ist. Auch ein Übergang in einen Ruhebetriebsmodus (mit ausgeschalteter Beleuchtung des Schirms) und nur minimalem Stromverbrauch zur Überwachung des Lichtsensors ist als Abschalten im vorstehend genannten Sinne zu verstehen.
Und schließlich kann in einer abermals bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems vorgesehen sein, dass an oder in der optoelektronischen Zieleinheit, insbesondere im Bereich des Schirms der Zieleinheit, wenigstens eine zusätzliche Lichtquelle, insbesondere in Form einer LED, vorgesehen ist. Eine solche zusätzliche Lichtquelle kann beispielsweise als Warnlicht fungieren, deren Licht dann von der entfernt aufgestellten Kamera aufgenommen und insbesondere automatisch mittels Bildverarbeitung von der Datenverarbeitungsanlage erkannt werden kann. Die Datenverarbeitungsanlage ist also dann bevorzugt in geeigneter Weise zur automatischen Erkennung eines von der zusätzlichen Lichtquelle erzeugten Lichtsignals eingerichtet, wobei - je nach Bedarf - ggfs. unterschiedliche Lichtsignale (z.B. durch unterschiedliche zeitliche Taktung des Signals und/oder geeignete Modulierung) erzeugt und erkannt werden können (z.B. ein erstes Warnsignal zur Anzeige einer über einem Schwellwert liegenden Temperatur und ein zweites Warnsignal zur Anzeige eines geringen Ladungszustands der Batterie der optoelektronischen Lichteinheit). Nach automatischer Erkennung des Warnsignals durch die Datenverarbeitungsanlage kann dann ein entsprechender Warnhinweis auf dem Display des Systems angezeigt werden, so dass der Maschinenführer entsprechend informiert wird.
Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und verschiedene dabei verwendbare Schirme mit unterschiedlicher Leuchtpunktanordnung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems,
2 eine perspektivische, teils schematische Darstellung der in dem gegebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Zieleinheit,
3a ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß an der Zieleinheit verwendbaren Schirms mit einer Mehrzahl an Leuchtpunkten unterschiedlicher Größe,
3b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß an der Zieleinheit verwendbaren Schirms mit einer Mehrzahl an Leuchtpunkten unterschiedlicher Größe und
4 das von der Kamera eines erfindungsgemäßen Systems bei Verwendung des Schirms gemäß 3a eingefangene Kamerabild, wenn der Bohrkopf eine gewisse Abweichung von der Sollvortriebsachse und eine gewisse Verrollung zur Normallage hierzu aufweist.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Überwachung des Vortriebs des Vortriebselements 2a einer Vortriebsmaschine gezeigt, mit welcher vorliegend eine unterirdische, horizontale Röhre zwischen einem Startschacht 3 und einem Endschacht 4 längs einer Sollvortriebsachse S hergestellt werden soll.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Vortriebsmaschine um eine Pressbohranlage, bei welcher das Vortriebselement (=Bohrkopf) 2a über rohrförmige Elemente 2b, die den bereits gebohrten Tunnelteil auskleiden, von einem im Startschacht angeordneten Maschinenteil 2c angetrieben wird, wobei der im Startschacht 3 angeordnete Maschinenteil 2c vorliegend nur schematisch dargestellt ist, da es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf dessen konkrete Ausgestaltung nicht ankommt und da die vorliegende Erfindung auch bei andersartigen Vortriebs- bzw. Tunnelbohrmaschinen verwendbar ist, die an sich aus dem Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bereits bekannt sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist im Hinblick auf die konkrete Gestaltung der Vortriebsmaschine 2a, 2b, 2c lediglich wichtig, dass an dessen Vortriebselement 2a, wie in 1 dargestellt, eine optoelektronische Zieleinheit 5 mit einem - in Bezug auf die Sollvortriebsrichtung - nach hinten weisenden Schirm 6 montierbar ist und dass eine Kamera 7 zur entfernten Beobachtung der Zieleinheit derart aufstellbar ist, dass sie freien Blick auf den Schirm 6 der Zieleinheit 5 hat. Die später anhand der 2 noch näher erläuterte Zieleinheit 5 ist dabei bevorzugt derart zentrisch an dem Vortriebselement 2a montiert, dass das Zentrum des Schirms 6 exakt auf der Vortriebsachse des Vortriebselements 2a liegt.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems weist ferner eine digitale Kamera 7 auf, welche mittels eines geeigneten Stativs 8 (bzw. einer sonstigen geeignet einstellbaren Halterung) entfernt von der Zieleinheit 5 im Startschacht 3 aufgestellt ist, wobei die Kamera 7 so aufgestellt und hinsichtlich Neigung und Richtung so feinjustierbar ist, dass ihre optische Achse A exakt in Richtung der Sollvortriebsachse S für die Vortriebsmaschine 2a, 2b, 2c zeigt und im gegebenen Beispiel exakt mit dieser übereinstimmt. Somit weist die optische Achse A der Kamera 7 bei korrekt auf der Sollvortriebsachse S befindlichem Vortriebselement 2a exakt in Richtung des Zentrums des Schirms 6 der Zieleinheit 5.
Die Kamera 7 weist eine geeignete Vergrößerungsoptik (z.B. einen optischen 30-fach Zoom) auf und sollte für den gegebenen Zweck geeignet lichtstark sein. In der Praxis findet bei der Anmelderin derzeit eine kommerziell erhältliche SONY®-Kamera (Modell FCB-EV7520A mit Full-HD-Auflösung, 30-fachem optischen Zoom und geeigneter Lichtstärke und -sensitivität) Verwendung.
Weiterhin weist das erfindungsgemäße System noch eine mit der Kamera 7 verbundene Datenverarbeitungsanlage 9 auf. An diese ist ferner ein Display 10 zur Darstellung der von der Kamera 7 aufgenommenen Bilder angeschlossen, um dem Maschinenführer der Vortriebsmaschine 2a, 2b, 2c das aktuelle Kamerabild zu Steuerzwecken zu zeigen. Die Datenverarbeitungsanlage ist dabei vorteilhaft dazu eingerichtet, wie in 1 veranschaulicht, auf dem Display 10 gleichzeitig das (vorteilhaft zumindest teilweise den Schirm 6 der Zieleinheit 5 zeigende) Kamerabild und die im Rahmen der automatischen Datenauswertung gewonnenen Auswertedaten (z.B. zu einer etwaigen Abweichung der Ist-Position des Vortriebselements 2a von der Sollvortriebsache S) wiederzugeben.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren optoelektronischen Zieleinheit 5, welche vorliegend ein zylindrisches Gehäuse 11 mit einer darin angeordneten Elektronik 12 und einer autarken Stromversorgung 13 in Art einer wiederaufladbaren Batterie (beide nur schematisch dargestellt) aufweist. An einem stirnseitigen Ende des Gehäuses 11 der Zieleinheit befindet sich ein - mittels einer oder mehrerer LEDs, ggfs. unter Verwendung üblicher Lichtleitertechnik - beleuchteter Schirm 6, auf welchem in dem in 2 gezeigten Beispiel in linearer Anordnung drei runde, kreisförmige Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃ unterschiedlicher Größe (beispielsweise mit Durchmessern von 9, 6 und 3 mm) so angeordnet sind bzw. dargestellt werden, dass der mittlere Leuchtpunkt L₂ mit einem Durchmesser von 6 mm mit seinem Mittelpunkt exakt im Zentrum des Schirms 6 liegt, während die Mittelpunkte der zwei weiteren Leuchtpunkte L₁, L₃ auf einer (gedachten) Linie links- bzw. rechtsseitig des mittleren Leuchtpunkts und mit gleichem Abstand hierzu angeordnet sind.
Im Rahmen der Datenauswertung kann zu jedem in einem Kamerabild erkannten Leuchtpunkt dessen Mittelpunkt und dessen Pixel-Durchmesser im Kamerabild ermittelt werden. Aus der bekannten Anordnung und Größe der Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃ auf dem Schirm kann sodann, wie dies weiter oben bereits ausführlich beschrieben wurde, unter Identifikation der einzelnen Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃ in einem Kamerabild eine etwaige Horizontal- und/oder Vertikal-Abweichung zwischen der Ist-Position des Vortriebselements 2a und der Sollvortriebsachse S ermittelt und in absoluter metrischer Größe errechnet, protokolliert und auf dem Display dargestellt werden.
Die Zieleinheit 5 kann dabei so an dem Vortriebselement 2a der Vortriebsmaschine 2a, 2b, 2c montiert sein, dass die die Mittelpunkte der drei Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃ verbindende Linie in Normalstellung des Vortriebselements 2a exakt horizontal verläuft, so dass eine Vorrollung des Vortriebselements 2a durch einen entsprechend geneigten Verlauf der die drei Leuchtpunktmittelpunkte verbindenden Linie erkannt und ein zugeordneter Verrollungswinkel errechnet, protokolliert und auf dem Display dargestellt werden kann.
Auf dem beleuchteten Schirm 6 der in 2 dargestellten Zieleinheit 5 sind schließlich noch zwei dreieckige und zum Zentrum des Schirms zeigende Orientierungspfeile P₁, P₂ vorgesehen, die für den Maschinenführer als Orientierungshilfe dienen und die, wie ebenfalls bereits beschrieben, auch im Rahmen der automatischen Datenauswertung (z.B. im Rahmen von Plausibilitätstests, etc.) verwendet werden können.
Ferner ist auf dem Schirm 6 der in 2 dargestellten Zieleinheit 5 noch ein Lichtsensor 14 angeordnet, der - wie weiter oben bereits beschrieben - auf geeignete Weise derart mit der Elektronik 12 der Zieleinheit 5 gekoppelt ist, dass eine aus der Entfernung (z.B. aus dem Startschacht heraus) erfolgende Beleuchtung des Lichtsensors 14 mittels eines Lasers zur (Wieder-)Einschaltung der Zieleinheit 5 führt, wobei mittels des Lichtsensors 14 ggfs. auch weitere oder andere Funktionen realisierbar sind, wie weiter oben bereits beschrieben.
Schließlich ist auf dem Schirm 6 der in 2 dargestellten Zieleinheit 5 noch eine zusätzliche Lichtquelle 15 in Form einer LED angeordnet, die - wie weiter oben ebenfalls bereits beschrieben - z.B. als Warnlicht zur Anzeige einer überhöhten Temperatur und/oder eines niedrigen Ladungszustands der Batterie der optoelektronischen Zieleinheit nutzbar ist. Wenn die Zieleinheit 5 beispielsweise dazu eingerichtet ist, sich bei Überschreiten einer Temperatur von z.B. 85°C auszuschalten, dann kann vorgesehen sein, dass die zusätzliche Lichtquelle 15 bei Überschreiten einer Temperatur von z.B. 75°C bereits zu leuchten oder blinken beginnt, so dass der Maschinenführer gewarnt werden kann, dass die Temperatur bereits oberhalb von 75°C liegt und somit bei weiterer Temperaturerhöhung mit einer Abschaltung der Zieleinheit 5 zu rechnen ist.
Die 3a und 3b zeigen zwei Beispiele für alternative Gestaltungen des Schirms 6 einer im Rahmen der Erfindung verwendbaren optoelektronischen Zieleinheit 5.
Bei der in 3a dargestellten Variante, die wie die zuvor diskutierte Zieleinheit 5 wiederum drei Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃ unterschiedlicher Größe und zwei Orientierungspfeile P₁, P₂ aufweist, sind in den mittleren Leuchtpunkt L₂ zwei dunkle Spots (=dunkle, im gegebenen Beispiel ebenfalls kreisförmige Flecken) vorgesehen, von denen einer exakt zentrisch und einer außermittig innerhalb des Leuchtpunkts L₂ liegt. So kann im Rahmen der Datenauswertung, wie weiter oben bereits erläutert, bereits dann, wenn nur der mittlere Leuchtpunkt L₂ von der Kamera erfasst wird, eine etwaige Abweichung der Ist-Position des Vortriebselements 2a von der Sollvortriebsachse S erfasst, größenmäßig ermittelt und auf dem Display angezeigt werden. Auch eine etwaige Verrollung des Vortriebselement kann so bei alleiniger Erfassung des mittleren Leuchtpunkts L₂ und der zwei darin enthaltenen dunklen Spots ermittelt und angezeigt werden.
Die in 3b dargestellte Variante eines erfindungsgemäß verwendbaren Schirms 6 weist insgesamt fünf mit ihren Mittelpunkten auf einer geraden Linie liegende Leuchtpunkte L₁, L₂, L₃, L₄, L₅ auf, die in absteigender Reihenfolge von links nach rechts Durchmesser von 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm und 1 mm aufweisen, wobei auch hier wiederum zwei entsprechend der vorherigen Beispiele angeordnete Orientierungspfeile P₁, P₂ vorgesehen sind. Es versteht sich von selbst, dass bei erfindungsgemäßer Verwendung einer Mehrzahl an unterschiedlich großen Leuchtpunkte auch andere Leuchtpunktanordnungen wählbar sind und dass ggfs. (zusätzlich zu unterschiedlich großen Leuchtpunkten) auch mehrere gleich große Leuchtpunkte auf dem Schirm 6 vorgesehen sein könnten.
4 zeigt schließlich das von der Kamera 7 eines erfindungsgemäßen Systems bei Verwendung des Schirms 6 gemäß 3a aufgenommene Kamerabild, wenn der Bohrkopf eine gewisse Abweichung von der Sollvortriebsachse S und eine gewisse Verrollung zur Normallage aufweist, wobei in das Kamerabild zusätzlich numerische Auswertedaten eingeblendet sind.
Wenn sich das Vortriebselement 2a der Vortriebsmaschine 2a, 2b, 2c exakt auf der Sollvortriebsachse S befände, so würde der Mittelpunkt des mittleren Leuchtpunkts L₂ exakt im Zentrum Z des Kamerabilds erscheinen. In dem in 4 dargestellten Beispiel existiert jedoch eine Abweichung, aus welcher im Rahmen der automatischen Datenauswertung ermittelt und in das Kamerabild eingeblendet werden konnte, dass die Ist-Position des Vortriebselements 2a in horizontaler Richtung um eine Entfernung dh=7 mm und in vertikaler Richtung um eine Entfernung dv=4.7 mm von der Sollvortriebsachse abweicht. Ferner konnte ein Verrollungswinkel α = 11° ermittelt und in das Kamerabild eingeblendet werden.

Claims

System (1) zur Überwachung des längs einer Sollvortriebsachse (S) zu erfolgenden Vortriebs von Vortriebsmaschinen (2a, 2b, 2c), insbesondere von Tunnelbohrmaschinen, umfassend - eine im Bereich eines Vortriebselements (2a) der Vortriebsmaschine, insbesondere eines Bohrkopfes, zu montierende optoelektronische Zieleinheit (5), welche einen beleuchteten Schirm (6) aufweist, - eine entfernt von der Zieleinheit (5) aufstellbare und parallel zur Sollvortriebsachse (S) ausrichtbare Kamera (7) zur optischen Erfassung des Schirms (6) der Zieleinheit (5), und - eine mit der Kamera (7) verbundene Datenverarbeitungsanlage (9) zur digitalen Auswertung der mittels der Kamera (7) aufgenommenen Bilder, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (6) der Zieleinheit (5) zur Darstellung einer vorgegebenen Mehrzahl an unterschiedlich großen Leuchtpunkten (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) eingerichtet ist, und dass die Datenverarbeitungsanlage (9) zur automatischen Ermittlung der Position und Größe der unterschiedlichen Leuchtpunkte (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) in den von der Kamera (7) aufgenommenen Bildern eingerichtet ist, so dass unter Auswertung der ermittelten Position und Größe der Leuchtpunkte (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) etwaige Abweichungen der Ist-Position des Vortriebselements (2a) von der Sollvortriebsachse (S) ermittelbar sind.
System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) ferner ein mit der Datenverarbeitungsanlage (9) verbundenes Display (10) zur Darstellung der von der Kamera (7) aufgenommenen Bilder aufweist, wobei auf dem Display (10) auch die im Rahmen der Datenverarbeitung ermittelten Abweichungen der Ist-Position des Vortriebselements (2a) von der Sollvortriebsachse (S) dargestellt werden.
System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Leuchtpunkte (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) in vorgegebenen Abständen auf einer geraden Linie auf dem Schirm (6) angeordnet sind, wobei vorteilhaft einer der Leuchtpunkte (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) im Zentrum des Schirms (6) angeordnet ist.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage (9) zur Durchführung von Plausibilitätstest eingerichtet ist, in deren Rahmen überprüft wird, ob die im Rahmen der Datenauswertung in den Bildern der Kamera (7) ermittelten Positionen, Abstände, Flächen, Größen, Durchmesser und/oder die Anzahl der darin erfassten Leuchtpunkte mit den tatsächlichen Positionen, Abstände, Flächen, Größen, Durchmesser und/oder der Anzahl der Leuchtpunkte auf dem Schirm innerhalb vorgegebener Fehlergrenzen übereinstimmen.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leuchtpunkt (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅), insbesondere ein zentraler Leuchtpunkt im Zentrum des Schirms der Zieleinheit, wenigstens einen dunklen Spot innerhalb seiner leuchtenden Fläche aufweist, und dass die Datenverarbeitungsanlage (9) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen dunklen Spot innerhalb des Leuchtpunkts zu identifizieren.
System (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leuchtpunkt (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) zwei dunkle Spots innerhalb seiner leuchtenden Fläche aufweist, wobei ein erster dunkler Spot im Zentrum des Leuchtpunkts und ein zweiter dunkler Spot außermittig darin angeordnet ist.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinheit (5) ein längliches Gehäuse (11) mit darin integrierter Elektronik (12) und Stromversorgung (13) aufweist, wobei der Schirm (6) an einem stirnseitigen Ende des Gehäuses (11) der Zieleinheit (5) ausgebildet ist und mittels wenigstens einer LED unter Ausbildung der Mehrzahl an Leuchtpunkten (L₁, L₂, L₃, L₄, L₅) beleuchtet ist.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Zieleinheit (5) zur automatischen Abschaltung bei einer definierten Temperatur zum Schutz vor Überhitzung und/oder zur zeitgesteuerten Abschaltung nach einer definierten Zeit zur Energieeinsparung bei Ruhezeiten der Vortriebsmaschine (2a, 2b, 2c) eingerichtet ist.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der optoelektronischen Zieleinheit (5), insbesondere im Bereich des Schirms (6) der Zieleinheit (5), ein derart mit deren Elektronik (12) gekoppelter Lichtsensor (14) angeordnet ist, dass durch Belichtung des Lichtsensors (14) aus der Ferne mit Hilfe eines Lasers wenigstens eine elektronische Funktion der Zieleinheit (5) steuerbar ist.
System (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine durch Belichtung des Lichtsensors (14) mit Hilfe eines Lasers steuerbare elektronische Funktion der Zieleinheit (5) ausgewählt ist aus der Gruppe an Funktionen - Einschalten der Zieleinheit (5), - Ausschalten der Zieleinheit (5), - Erhöhen und/oder Verringern der Helligkeit der Beleuchtung des Schirms (6) der Zieleinheit (5).
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der optoelektronischen Zieleinheit (5), insbesondere im Bereich des Schirms (6) der Zieleinheit (5), wenigstens eine zusätzliche Lichtquelle (15), insbesondere in Form einer LED, vorgesehen ist.