DE102020200471B4 - Militärisches Wasserfahrzeug mit Sensoren - Google Patents

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Abstract

Wasserfahrzeug (100), beinhaltend:- mehrere Fahrzeugkomponenten (104-110), die jeweils ein oder mehrere Sensoren (112-120) beinhalten, wobei zumindest einige der Fahrzeugkomponenten zu einer Antriebseinheit (104) und einem Navigationssystem (106) gehören, wobei die Sensoren zur Erfassung von Messwerten ausgebildet sind, wobei die Messwerte Betriebszustände der Fahrzeugkomponente, die den die Messwerte erfassenden Sensor beinhaltet, und/oder Zustände des Wasserfahrzeugs oder seiner Umgebung angeben;- eine Datenbank (122), wobei in der Datenbank eine Historie von Messwerten der Sensoren in Verbindung mit einem Zeitstempel persistent und geschützt gespeichert sind; und- ein elektronisches Automatisierungssystem (124), wobei das Automatisierungssystem ausgebildet ist zur automatischen und/oder semiautomatischen Steuerung von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten in Echtzeit in Abhängigkeit von den Messwerten und/oder in Abhängigkeit von einer Nutzereingabe eines Nutzers, die in Antwort auf eine Ausgabe der Messwerte über eine Benutzerschnittstelle erfolgt, charakterisiert dadurch, dass:- es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein militärisches Wasserfahrzeug handelt;- zumindest einige der Fahrzeugkomponenten zu einem Waffensystem (102) gehören; und charakterisiert dadurch, dass das Wasserfahrzeug umfasst:- mehrere zu einem Rechnerverbund (126) miteinander vernetze Computer (202-208), die im Verbund als Host so zusammenarbeiten, dass zumindest eine Instanz der Datenbank bereitgestellt wird;- mehrere Analysemodule (260-268), die in mehreren unterschiedlichen Containern (212-230) und damit isoliert voneinander ausgeführt werden;- eine Containerverwaltungssoftware,◯ wobei die Containerverwaltungssoftware konfiguriert ist zur automatisierten Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung mehrerer Container auf den mehreren Computern auf eine Weise, dass die Computer jeweils als Hostsystem für ein oder mehrere Container dienen, wobei die Container voneinander isoliert sind;◯ wobei die Containerverwaltungssoftware (256) dazu konfiguriert ist, die Erzeugung von Containern und die Instanziierung und das Beenden der Analysemodule so zu orchestrieren, dass:▪ bei Ausfall oder Unerreichbarkeit eines der Computer (202-208) automatisch auf einem anderen der Computer die Container und die Analysemodule gestartet werden, die durch den Ausfall oder die Unerreichbarkeit des einen Computers nicht mehr vorhanden oder erreichbar sind; und/oder▪ bei Überschreiten einer maximalen Zahl der aktuell auf den Computern laufenden Instanzen eines der Analysemodule automatisch eine dieser Instanzen zu beenden und/oder einen der Container, der eine Instanz dieses Analysemoduls beinhaltet, zu löschen; und/oder▪ bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf einen anderen der Computer zu migrieren; und/oder▪ bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen der Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf diesen Computer zu migrieren; und/oder▪ bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren, eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf mindestens einem weiteren der Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; und/oder▪ bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf diesen einen Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; und charakterisiert dadurch, dass- die ein oder mehrere Analysemodule (260-268)jeweils dazu ausgebildet sind, eine Analyse von zumindest einem Teil der in der Datenbank (122) gespeicherten Messwerte auszuführen;- das Automatisierungssystem (124) einerseits und die ein oder mehreren Analysemodule (260-268) andererseits voneinander operativ entkoppelt sind; und- sowohl das Automatisierungssystem als auch die ein oder mehreren Analysemodule dazu ausgebildet sind, ihre jeweiligen Steuerungs- oder Analyse-Funktionen ohne Nutzung einer Internetverbindung auszuführen.

Description

  • Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Hintergrund
  • Militärische Wasserfahrzeuge sind oftmals hochkomplexe Systeme, die für spezifische Einsatzzwecke entwickelt wurden und über eine Vielzahl von Komponenten teils unterschiedlicher Hersteller verfügen. Im Vergleich zu zivil genutzten Wasserfahrzeugen zeichnen sich militärische Wasserfahrzeuge oftmals durch eine vergleichsweise kleine Stückzahl, hohe Komplexität, hohe Anzahl an verwendeten Fahrzeugkomponenten und hohe Schutzbedürftigkeit von fahrzeugbezogenen Daten aus. Die Zusammensetzung der Fahrzeugkomponenten ist also oftmals sehr heterogen und es ist angesichts der Vielzahl und Integrationsdichte an Komponenten und Herstellern nicht immer möglich, das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten für jedes denkbare Einsatzszenario umfassend zu testen. Hinzu kommt die Tendenz der Hersteller der Fahrzeugkomponenten, Messwerte, die durch komponenteninterne Sensoren erfasst wurden, geheim zu halten um zu verhindern, dass Dritte dieses Wissen nutzen könnten, um die Fahrzeugkomponente nachzubauen oder zu „hacken“.
  • Diese Umstände stellen also erhebliche technische Hemmnisse für eine Integration der Fahrzeugkomponenten von militärischen Wasserfahrzeugen dar.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 025 803 A1 beschreibt eine Schiffsbrennkraftmaschine mit einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs der Schiffsbrennkraftmaschine. Die Steuerungseinrichtung bestimmt auf Grundlage der Position des Schiffs Sollbetriebparameter für die Schiffsbrennkraftmaschine.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 086 355 A1 beschreibt ein Waffensystem zur Objektabwehr, insbesondere zum Einsatz auf Handelsschiffen, umfassend: mindestens eine Rohrwaffe, eine Schussauslösungs-Einrichtung, ein Sensorsystem zum Erfassen von Daten, insbesondere Umgebungs- und/oder Ziel-Daten, und ein Autorisierungssystem. Das Autorisierungssystem ist dabei dazu eingerichtet, die Schussauslösungs-Einrichtung abhängig von dem Empfang des Freigabesignals freizugeben oder zu sperren. Die Anmeldung betrifft ferner ein Verfahren, ein Computerprogramm, ein Autorisierungssystem sowie ein Schiff.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 31 50 895 A 1 beschreibt ein Kampfschiff mit über elektronische Steuergeräte verbundenen Anlagen. Bei dem Kampfschiff mit steuernden und gesteuerten Anlagen sind elektronische Steuergeräte vorgesehen, die aus von der zugeordneten steuernden Anlage kommenden Rohinformationen Steuersignale für die zugeordneten gesteuerten Anlagen bilden. Die elektronischen Steuergeräte weisen für jede zugeordnete gesteuerte Anlage eine Korrekturstufe zur Modifizierung dar gebildeten Steuersignale in Abhängigkeit von einem Bettungsfehler der betreffenden gesteuerten Anlage und/oder der das Steuergerat beaufschlagenden steuernden Anlage auf. Es sind weiter Speicher für die Bettungsfehlerwerte in Abhängigkeit von der Horizontalwinkellage der gesteuerten Anlage und/oder der steuernden Anlage vorgesehen.
  • Die US-Patentanmeldung US 2008 / 0 120 620 A1 beschreibt die Verwendung einer „offenen Softwarearchitektur“ für die Navy-Flotte.
  • Die US-Patentanmeldung US 2018 / 0 304 969 A1 beschreibt ein Schiff mit einem Propeller montiert an einer drehbaren Welle und ein Verfahren zur Umwandlung der Leistung einer rotierenden Welle in Schub um das Schiff über das Wasser zu treiben. Das Verfahren umfasst die Beschaffung von Messwerten, die für die Wellenleistung beschreibend sind, eine Schätzung zweier überschüssigen Wellenleistungen verursacht durch Verschmutzung des Propellers und durch Verschmutzung des Schiffsrumpfes, und Ausgabe eines Hinweises auf die Propellerreinigung und/oder Rumpfreinigung in Abhängigkeit von den geschätzten überschüssigen Wellenleistungen.
  • Die US-Patentanmeldung US 2019 / 0 176 945 A1 beschreibt eine Bewegungssteuerung eines Schiffes in einer Art und Weise, die Leistung und Geräuschemission optimal ausgleicht.
  • Die US-Patentanmeldung US 2006 / 0 058 929 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verifizieren eines Kontrollsystems eines Schiffes, in dem das Steuersystem in seinem Betriebszustand Sensorsignale von Sensoren empfängt und als Antwort Steuersignale an Aktoren sendet, um eine gewünschte Position, Geschwindigkeit, Kurs oder anderes beizubehalten.
  • Die US-Patentanmeldung US 2018 / 0 356 826 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur Erleichterung von Entscheidungen auf einem Wasserfahrzeug. Das Verfahren umfasst: Erfassung von Umgebungsdaten der Umgebung, in der sich das Wasserfahrzeug befindet; Erzeugung einer Vielzahl von digitalen Modellen, die jeweils eine Auswirkung der Umwelt auf eine entsprechende Fähigkeit des Wasserfahrzeugs modellieren; unter Verwendung der Umweltdaten und der digitale Modelle, Modellieren einer Auswirkung der Umgebung auf die Fähigkeiten des Wasserfahrzeugs und Erstellen einer Risikobewertung für eine ausgewählte Aktion.
  • Die Veröffentlichung ANDO, Hideyuki: Smart ship application platform project (SSAP Project). In: Sea Japan 2014, Environmental Technology Seminar, 11. April 2014, 11 S. URL: https://www.mlit.go.jp/common/001039009.pdf [abgerufen am 2020-07-20] beschreibt Anwendungsdienste im Kontext eines „Smart Ships“, um einen optimalen Schiffsbetrieb im Hinblick auf Sicherheit und Energieeffizienz zu erreichen.
  • Zusammenfassung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes militärisches Wasserfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
  • Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die im Folgenden aufgeführten Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
  • In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein militärisches Wasserfahrzeug.
  • Das militärische Wasserfahrzeug beinhaltet mehrere Fahrzeugkomponenten, die jeweils ein oder mehrere Sensoren beinhalten. Zumindest einige der Fahrzeugkomponenten gehören zu einem Waffensystem, einer Antriebseinheit und einem Navigationssystem. Die Sensoren sind zur Erfassung von Messwerten ausgebildet, wobei die Messwerte Betriebszustände der Fahrzeugkomponente, die den die Messwerte erfassenden Sensor beinhaltet, und/oder Zustände des Wasserfahrzeugs oder seiner Umgebung angeben.
  • Das militärische Wasserfahrzeug beinhaltet ferner eine Datenbank. In der Datenbank ist eine Historie von Messwerten der Sensoren in Verbindung mit einem Zeitstempel persistent und geschützt gespeichert.
  • Das militärische Wasserfahrzeug beinhaltet ein elektronisches Automatisierungssystem. Das Automatisierungssystem ist ausgebildet zur automatischen und/oder semi-automatischen Steuerung von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten in Echtzeit in Abhängigkeit von den Messwerten und/oder in Abhängigkeit von einer Nutzereingabe eines Nutzers, die in Antwort auf eine Ausgabe der Messwerte über eine Benutzerschnittstelle erfolgt.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da ein derart ausgebildetes Wasserfahrzeug die von den Sensoren erfassten Messdaten in zweifacher Weise nutzt: zum einen werden die Messdaten dazu verwendet, direkt oder indirekt das Automatisierungssystem und damit dessen Kontrolle über einzelne Fahrzeugkomponenten zu beeinflussen. Beispielsweise können die erfassten Messwerte direkt als Input an das Automatisierungssystem weitergeleitet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Messwerte oder zumindest einige von diesen einem Nutzer angezeigt werden, sodass dieser auf Basis dieser Messwerte entscheiden kann, wie das Automatisierungssystem bedient werden muss. Eine erste Verwendung der jeweils aktuell gültigen Messdaten besteht also in der Beeinflussung der Steuerung der Wasserfahrzeugkomponenten in Echtzeit. Zum anderen werden die Messdaten zusätzlich in einer Datenbank gespeichert. Dies geschieht so, dass der zeitliche Verlauf der Erzeugung der Messdaten (die „Historie“ der Messwerte) der Datenbank entnehmbar ist, z. B. anhand der Zeitstempel (vorzugsweise UTC bzw. standortunabhängig und eindeutig), die jeweils den Zeitpunkt der Erfassung eines Messwerts angeben. Dass die Messdaten persistent in einer Datenbank gespeichert werden erlaubt es, automatisch mit der Zeit eine Datenbasis zu erschaffen, durch deren Analyse komplexe Abhängigkeiten und Wechselwirkungen mehrerer Fahrzeugkomponenten bzw. deren Zuständen (Temperatur Motor, Drehzahl Turbine, Vibration eines Ruders) unter Berücksichtigung von Umgebungsparametern (Temperatur, Luftfeuchte, Druck, Tiefe, geographische Position) in Erfahrung gebracht werden können. Beispielsweise kann der Inhalt der Datenbank als Trainingsdatensatz verwendet werden, um einen Machine-Learning Algorithmus auf Basis dieser Daten zu trainieren. Im Ergebnis können also verborgene , nicht offensichtliche oder technisch indirekt erkennbare Zusammenhänge und Wechselwirkungen ermittelt werden, und das im Prinzip auf eine für jedes Fahrzeug individuelle Weise, was besonders im militärischen Bereich mit geringen Stückzahlen und vielen Sonderanfertigungen von hoher Relevanz ist.
  • Die Messwerte werden geschützt in der Datenbank gespeichert, was bedeutet, dass diese mittels sicherheitstechnischer Maßnahmen vor dem Zugriff durch Unberechtigte geschützt sind, z.B. durch Verschlüsselung oder Verhinderung von anonymem Zugriff durch Vergabe von Zugriffsrechten.
  • Somit ist es möglich, im Prinzip sämtliche auf einem Wasserfahrzeug anfallenden Messwerte, die von verschiedenen Fahrzeugkomponenten und von verschiedenen Herstellern kommen können, digital zu erfassen und sowohl für die Kontrolle des Fahrzeugs in Echtzeit zu verwenden als auch zur nachträglichen Analyse einer Historie der von den Sensoren (egal ob in der Automation verfügbar oder nicht) eines Wasserfahrzeugs erfassten digitalen Messwerte. Die Betreiber des Wasserfahrzeugs haben also die Möglichkeit, auf Basis der in der Datenbank gespeicherten Historie und optional unter der Verwendung eigener Analysetools wertvolles Wissen über ein individuelles Wasserfahrzeug zu erlangen, auch wenn die Daten von einer komplexen, heterogenen Umgebung aus Fahrzeugkomponenten und Sensoren verschiedener Hersteller stammen. Da die Messwerte verschiedener Sensoren verschiedener Fahrzeugkomponenten in einer einzigen Datenbank gespeichert wurden, sind diese den verschiedensten multivariaten Analysen zugänglich, wie diese z.B. im Kontext von Big-Data verwendet werden. Der Zeitstempel, der z.B. als UTC Zeitstempel ausgebildet sein kann, erlaubt es, die verschiedenen Messwerte eindeutig zueinander und optional auch zu den Zeitpunkten, an welchen Steuerbefehle an Fahrzeugkomponenten oder Sub-Komponenten gesendet wurden, in Beziehung zu setzen.
  • Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen also eine einheitliche Verwendung und Analyse aller anfallenden/erfassbaren digitalen Daten, die bei den immer komplexer werdenden Plattformen, Anlagen und Systemen an Bord eines militärischen Wasserfahrzeugs anfallen bzw. erfasst werden können, und ermöglichen dadurch eine reibungsfreie Integration, Installation, Inbetriebnahme und langjährigen Betrieb des Fahrzeugs und seiner Komponenten.
  • Ausführungsformen der Erfindung können insbesondere im militärischen Bereich hilfreich sein, da die Detailkenntnisse der Nutzer von einzelnen Fahrzeugkomponenten oft gering oder in militärischen Belastungssituationen nicht zuverlässig abrufbar sind. Tendenziell werden die Fahrzeuge und Komponenten immer komplexer und die Besatzungsstärke immer geringer (bis hin zu einer Besatzungsstärke von Null, was einer völlig autonomen Fahrzeugsteuerung entspricht). Die Erfassung und Speicherung der Sensordaten in der Datenbank kann diese Nachteile kompensieren.
  • Das Wasserfahrzeug umfasst mehrere (mindestens zwei) zu einem Rechnerverbund miteinander vernetzte Computer, die im Verbund als Host so zusammenarbeiten dass zumindest eine Instanz der Datenbank bereitgestellt wird. Es ist auch möglich, dass einige oder alle Daten der Datenbank in redundanter Weise auf den mehreren Computersystemen gespeichert sind, z.B. indem mehrere Instanzen der Datenbank einschließlich einiger oder aller Daten der Datenbank auf den mehreren Computern erzeugt werden.
  • Das Wasserfahrzeug umfasst zudem eine Containerverwaltungssoftware die konfiguriert zur automatisierten Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung („Orchestrierung“) mehrerer Container auf den mehreren Computern auf eine Weise, dass die Computer jeweils als Hostsystem für ein oder mehrere Container dienen, wobei die Container jeweils Programme, die innerhalb dieses Containers laufen von Programmen, die außerhalb dieses Containers laufen, isolieren.
  • Die Containerverwaltungssoftware ist konfiguriert zur automatisierten Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung („Orchestrierung“) der mehreren (mindestens zwei) Container auf den mehreren Computern auf eine Weise, dass die Computer jeweils als Hostsystem für ein oder mehrere Container dienen, wobei die Container voneinander isoliert sind (z.B. die Container des gleichen Host-Computersystems wie auch unterschiedlicher Host-Computersysteme voneinander isoliert sind).
  • Dies kann vorteilhaft sein, da die Integration mehrerer Computer in einen Rechnerverbund und die Verwendung einer Containerverwaltungssoftware zur Orchestrierung mehrerer auf den Computern gehosteten Containern bewirken kann, dass das System und die Bereitstellung der Datenbank und/oder einzelnen Analysemodule hoch performant und dabei auch sehr ausfallsicher ist. Beispielsweise können die Container so orchestriert werden, dass sie die Datenbank oder Teile der Datenbank und/oder ein oder mehrere Analysemodule mehrfach bereitstellen, sodass ein paralleler Zugriff auf identische Kopien der Daten bzw. Analysemodule möglich ist. Dies erhöht im Hinblick auf die Datenbank die Geschwindigkeit von Lese- und Schreibzugriffen auf die in der Datenbank gespeicherten Messwerte und erhöht die Ausfallsicherheit. Im Hinblick auf die gemäß mancher Ausführungsformen redundant bereitgestellten Analysemodule erhöht dies ebenfalls die Verfügbarkeit (ggf. parallele Durchführung des gleichen Analysetyps) und Ausfallsicherheit der entsprechenden Analysemodule. Beides ist im Kontext eines militärischen Wasserfahrzeugs von hoher Wichtigkeit, denn ein Ausfall der Datenbank und/oder von Softwareprogrammen, die in den Containern instanziiert sind, kann zu einem kritischen Datenverlust, Dateninkonsistenzen oder dem Ausfall von Prognose- und Warnfunktionen auf Basis aktuell gespeicherter oder in der Vergangenheit gespeicherten Messdaten führen. Außerdem ermöglicht die Verwendung von Containern und der Containermanagementsoftware zur Orchestrierung der Container eine einfache Skalierung des Systems, z.B. wenn im Laufe der Zeit eine deutlich größere (Mess)datenmenge gespeichert und/oder analysiert werden soll und/oder wenn die Anzahl der Softwareprogramme, die auf dem Rechnerverbund instanziiert werden soll, mit der Zeit größer wird.
  • Die Verwendung von Containern für die Bereitstellung und Isolation von Softwareapplikationen gewährleisten die Trennung und Verwaltung der auf einem Rechner genutzten Ressourcen. Die Verwendung von Containern ermöglicht es, eine Applikation auf verschiedene Computern und Umgebungen (beispielsweise verschiedene Rechner eines Rechnernetzes, aber auch auf Rechnern unterschiedlichen Typs wie z.B. Entwicklung, QA, Produktion) zu instanziieren. Weiterhin werden Updates vereinfacht.
  • Gemäß Ausführungsformen ist jeder der Container dahingehend zugriffsbeschränkt, dass er nur auf einen bestimmten, ihm allein zugewiesenen Speicherbereich des Hauptspeichers sowie auf native Anwendungen (z.B. native Datenbanken) zugreifen kann.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen werden nur die Analysemodule innerhalb von Containern gehostet während die Datenbank als native Datenbank auf einem der Computer betrieben wird. Entsprechende Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil haben, dass der Zugriff auf die in der Datenbank gespeicherten Daten durch die in den Containern instanziierten Analysemodule erleichtert werden kann.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen sind zumindest einige der Container so konfiguriert, dass eine virtuelle Vernetzung zwischen einigen der Containern vorliegt, sodass die in einem Container instanziierten Analysemodule auf den Inhalt von einer Datenbanken, die innerhalb von einem mit dem eigenen Container vernetzten Containern instanziiert ist, zugreifen kann. Entsprechende Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass ein Nutzer, z.B. über die Containerverwaltungssoftware, sehr genau und feingranular festlegen kann, welche Analysemodule innerhalb welcher Container auf die Inhalte anderer Container zugreifen können. Beispielsweise ist es möglich, dass ein erster Container eine erste Datenbank mit den Messwerten der Sensoren S1, S12 und S37 beinhaltet und ein zweiter Container eine zweite Datenbank mit den Messwerten der Sensoren S17 und S35. Die Sensoren S1, S12 und S37 kommen von Sensoren des Herstellers H1, die Messwerte der Sensoren S17 und S35 dagegen von Hersteller H2. Es ist nun möglich, das Computernetzwerk bzw. die Container so zu konfigurieren, dass die Analysesoftware A1 des Herstellers H1 in einem dritten Container läuft, der selektiv auf die erste Datenbank im ersten Container zugreifen darf, nicht jedoch auf die Daten der Sensoren des Herstellers H2 in dem zweiten Container. Analog kann die Konfiguration beinhalten, dass die Analysesoftware A2 des Herstellers H2 in einem vierten Container läuft, der selektiv auf die zweite Datenbank im zweiten Container zugreifen darf, nicht jedoch auf die Daten der Sensoren des Herstellers H1 in dem ersten Container.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung kann es sich bei den Computern um Server handeln, also um Computer, die ein oder mehrere Programme oder Funktionen (z.B. Analysemodule, Datenbanken, etc.) an externe Entitäten (z.B. andere Server, Analysemodule die auf anderen Servern instanziiert sind, Nutzern, etc.) bereitstellen. Oftmals sind Servercomputer gekennzeichnet durch überdurchschnittlich hohe Rechenkapazitäten und/oder überdurchschnittlich hohe Mengen an verfügbarem Arbeitsspeicher.
  • Das militärische Wasserfahrzeug umfasst ferner ein oder mehrere Analysemodule, die jeweils dazu ausgebildet sind, eine Analyse von zumindest einem Teil der in der Datenbank gespeicherten Messwerte durchzuführen. Das Automatisierungssystem einerseits und die ein oder mehreren Analysemodule andererseits sind voneinander operativ entkoppelt. Die ein oder mehreren Analysemodule sind dazu ausgebildet, ihre jeweiligen Analyse-Funktion ohne Nutzung einer Internetverbindung auszuführen. Gemäß Ausführungsformen sind sowohl das Automatisierungssystem als auch die ein oder mehreren Analysemodule dazu ausgebildet, ihre jeweiligen Steuerungs- oder Analyse-Funktion ohne Nutzung einer Internetverbindung auszuführen.
  • Beispielsweise sind die Analysemodule dazu ausgebildet, die in der Datenbank gespeicherte Historie der Messwerte zu analysieren und auf Basis der Analyse Vorhersagen bezüglich des aktuellen und/oder künftigen Zustands des Wasserfahrzeugs oder seiner Komponenten und/oder eine in technischer oder taktischer Hinsicht sinnvolle Aktion zu berechnen. Insbesondere werden gemäß Ausführungsformen zunächst Handlungsempfehlungen berechnet, die dann manuell, halb- oder vollautomatisch umgesetzt werden.
  • Vorzugsweise sind zumindest einige der Analysemodule dazu ausgebildet die Messwerte von zwei oder mehr Sensoren von zwei oder mehr unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten und optional zudem einen oder mehreren Umgebungsparameter (Luftdruck, Wassertemperatur, Tiefe, geographische Position des Fahrzeugs, Strömungsstärke des umgebenden Wassers, etc.) auszuwerten. Dies hat den Vorteil, dass auch Wechselwirkungen die zwischen den Fahrzeugkomponenten und/oder Umgebungsparametern bestehen, durch retrospektive Analyse der Historie dieser Messparameter erfassbar sind und für eine Vorhersage künftiger Zustände und Aktionen verwendet werden können.
  • Die Ausführung der Steuerungs- und/oder Analysefunktion ohne Nutzung einer Internetverbindung kann vorteilhaft sein, da eine Internetverbindung auf hoher See oftmals nicht zuverlässig verfügbar ist und sogar dann, wenn sie verfügbar ist, im militärischen Bereich in manchen Fällen und für manche Systeme abgeschaltet ist, um die Sicherheit des Systems zu erhöhen und die Detektionswahrscheinlichkeit zu verringern.
  • Die Analyse wird auf den Daten der Datenbank ausgeführt und die Analysemodule sind operativ getrennt von dem Automatisierungssystem. Das bedeutet, dass das Automatisierungssystem nicht durch Operationen für das Lesen und Verarbeiten der Messdaten durch die Analysemodule beeinträchtigt wird. Dies ist vorteilhaft, da das Automatisierungssystem ein Echtzeitsystem ist, das durch die operative Trennung davor geschützt wird, dass die Reaktionsgeschwindigkeit und/oder Responsivität des Automatisierungssystems durch die Ausführung der Analysemodule beeinträchtigt wird. Im militärischen Kontext ist es von großer Wichtigkeit, dass das Automatisierungssystem unmittelbar und in Echtzeit auf aktuelle Gegebenheiten reagieren kann, z.B. um in Gefechtssituationen automatisch die richtigen Schritte einzuleiten um das Wasserfahrzeug zu drehen, zu bremsen, zu beschleunigen, und/oder um defensive oder aggressive Maßnahmen umzusetzen.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung ist die operative Entkopplung realisiert durch eine asynchrone Arbeitsweise von Automatisierungssystem einerseits und den ein oder mehreren Analysemodulen andererseits.
  • Beispielsweise kann die operative Entkopplung beinhalten, dass das Automatisierungssystem und die Analysemodule so programmiert sind, dass diese unabhängig voneinander arbeiten, also an keiner Stelle das Automatisierungssystem Daten benötigt und/oder auf Daten wartet, die das Analysemodul bereitstellt.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann die operative Entkopplung realisiert sein in Form eines asynchronen Schreib- oder Lesezugriff auf die Datenbank durch das Automatisierungssystem oder durch einen operativ mit dem Automatisierungssystem verbundenen Dienst einerseits und durch die ein oder mehreren Analysemodule andererseits. Beispielsweise kann die operative Entkopplung beinhalten, dass das Automatisierungssystem aktuelle Messdaten von den Sensoren über einen ersten Kommunikationskanal direkt empfängt ohne dass vor oder während der Datenübertragung über den ersten Kanal die Messdaten in die Datenbank geschrieben werden. Das bedeutet, das Automatisierungssystem erhält die aktuellen Messdaten der Sensoren direkt und unmittelbar nach deren Erfassung von den jeweiligen Sensoren und damit ohne Verzögerung die durch das Schreiben von Messdaten auf einen Datenspeicher auftreten können. Asynchron hierzu werden die Messdaten in die Datenbank geschrieben um die Historien der Messparameter fortzuschreiben. Der Datenkanal über welchen dieser Schreibprozess stattfindet kann auch als zweiter Kommunikationskanal bezeichnet werden und z.B. ausgebildet sein als eine Vielzahl von Datenbankverbindungen, die von den Sensoren im Hinblick auf die Datenbank ausgebildet werden. Die Verwendung des ersten Kommunikationskanals und der ein oder mehreren zweiten Kommunikationskanäle bedeutet, dass auch dann, falls beim Schreiben der Messdaten in die Datenbank Engpässe oder Verzögerungen auftreten sollten, dies nicht zu einer Verzögerung der Weiterleitung der Messdaten an das Automatisierungssystem führt, da die Datenübertragung der Messdaten an das Automatisierungssystem von der Speicherung der Messdaten in der Datenbank zeitlich und operativ entkoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Wasserfahrzeug einen Dienst, über welchen das Automatisierungssystem Daten aus der Datenbank ausliest und/oder Daten, die von dem Automatisierungssystem erzeugt wurden, in die Datenbank schreibt. Der Lese- und/oder Schreibzugriff dieses Dienstes ist in diesem Fall von den Lese-/Schreibzugriffen durch die Analysemodule operativ entkoppelt.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann die operative Entkopplung realisiert sein durch eine Instanziierung des Automatisierungssystems einerseits und der ein oder mehreren Analysemodule andererseits auf unterschiedlichen Computern. Beispielsweise kann die asynchrone Arbeitsweise dadurch realisiert sein, dass das Automatisierungssystem auf einem oder mehreren ersten Computern gehostet ist und die Datenbank und die Analysemodule auf einem oder mehreren zweiten Computern. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass dem Automatisierungssystem einerseits und der Datenbank und den Analysemodulen andererseits unterschiedliche CPU und/oder Arbeitsspeicherressourcen eines verteilten Rechnernetzes zugewiesen werden, sodass es ausgeschlossen ist, dass das Automatisierungssystem mit den Analysemodulen um Ressourcen konkurriert.
  • All diese Maßnahmen können vorteilhaft sein, da sie sicherstellen, dass das Automatisierungssystem bzw. die Echtzeitfähigkeit des Automatisierungssystems durch die Speicherung und Analyse der Historie der Messdaten nicht beeinträchtigt ist.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Wasserfahrzeug mehrere Analysemodule, die in mehreren unterschiedlichen Containern und damit isoliert voneinander ausgeführt werden.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da dies die Ausfallsicherheit, Wartbarkeit und Performance der von den Analysemodulen ausgeführten Analyseverfahren verbessert. Beispielsweise existieren mächtige Programme zur Verwaltung von Containern auf mehreren Computern, die es ermöglichen, durch redundante Erzeugung mehrerer Instanzen eines Analysemoduls innerhalb mehrerer unterschiedlicher Container zu bewirken, dass bestimmte Analysen parallel auf unterschiedlichen Teildatensätzen der Daten der Datenbank und damit besonders schnell ausgeführt werden können. Außerdem sorgt die Erzeugung mehrerer Instanzen des gleichen Analysemoduls dafür, dass sichergestellt ist, dass auch bei Ausfall oder Unerreichbarkeit eines Rechners im Rechnerverbund sofort auf eine andere bereits existierende Instanz des gleichen Analysemoduls umgeschaltet werden kann, das auf einem anderen Rechner läuft, und/oder dass in kurzer Zeit diese andere Instanz in einem neuen Container auf dem anderen Computer erzeugt werden kann. Außerdem ist es möglich, sehr schnell und flexibel die Anzahl und Verteilung der von ein oder mehreren Analysemodulen erzeugten Instanzen zu erhöhen oder erniedrigen je nachdem was die jeweilige Situation erfordert.
  • Beispielsweise ist in einer sicherheitskritischen militärischen Operation von untergeordneter Bedeutung, ob ein Analysemodul, welches anhand der zurückgelegten Strecke den nächsten routinemäßigen Servicetermin für das Wasserfahrzeug vorhersagt, ausreichend CPU- und Arbeitsspeicher-Kapazität für seine Arbeit zur Verfügung hat oder ob dieses Modul überhaupt instanziiert ist. Es kann aber z.B. bei einem kritischen Wendemanöver von hoher Wichtigkeit sein, dass ein anderes Analysemodul, das anhand verschiedener material- und strömungsbezogener Messwerte am Ruder, der Turbine und anderen Fahrzeugkomponenten, korrekt berechnen kann, ob Materialbelastungsgrenzen überschritten oder die Stabilität des Schiffes gefährdet ist, alle erforderlichen CPU und Speicherressourcen verfügbar hat, um seine Berechnungen korrekt und schnell durchzuführen.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung wird in jedem der Container maximal eine Instanz von maximal einem der Analysemodule ausgeführt.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da hierdurch sichergestellt ist, dass jede Instanz eines Analysemoduls in einem eigenen Container ausgeführt wird. Dies ermöglicht eine höchst feingranulare Orchestrierung der Analysemodule auf der Ebene einzelner Instanzen derselben mithilfe des Containermanagementprogramms.
  • Der Umstand, dass die einzelnen Analysemodule dank deren Ausführung in getrennten Containern voneinander operativ isoliert sind ist im Kontext eines militärischen Wasserfahrzeugs besonders vorteilhaft: beispielsweise können die Analysemodule von verschiedenen Herstellern von Fahrzeugkomponenten stammen. So kann zum Beispiel ein erstes Analysemodul vom Hersteller einer Turbine bereitgestellt werden und dazu ausgebildet sein, Messwerte bezüglich der Drehzahl, Temperatur und Vibrationsverhalten einer vom gleichen Hersteller stammenden Turbine mit Sensoren für Drehzahl, Temperatur und Vibrationszustand der Turbine zu analysieren. Die Analyse kann verschiedenen Zwecken dienen: zum Beispiel, um festzustellen, ob kritische Systemzustände erreicht wurden, die zum Erlöschen der Herstellergarantie führen und/oder die eine Inspektion oder eine Überholung der Turbine erforderlich machen. Die Analyse kann aber auch dazu dienen, zu untersuchen, wie die einzelnen Messwerte voneinander abhängen, also ob die Turbine zum Beispiel innerhalb verschiedener Drehzahlbereiche unterschiedliche Vibrationsmuster zeigt. Ein zweites Analysemodul kann zum Beispiel vom Hersteller eines Motors bereitgestellt werden und dazu ausgebildet sein, Messwerte bezüglich der aktuellen Motortemperatur, des aktuellen Energieverbrauchs des Motors oder sonstiger motorbezogener Messwerte zu analysieren. Die Analyse kann ebenfalls verschiedenen Zwecken dienen wie z.B. der Feststellung des Erreichens oder Überschreitens eines kritischen Motorzustands, was zum Erlöschen der Herstellergarantie führen und/oder die eine Inspektion oder eine Überholung des Motors erforderlich machen könnte. Die Analyse kann aber auch dazu dienen, zu untersuchen, wie die einzelnen Messwerte voneinander abhängen, also ob der Motor zum Beispiel innerhalb verschiedener Temperaturbereiche unterschiedliche Vibrationsmuster und/oder Leistungskurven zeigt. Sowohl der Hersteller der Turbine als auch der Hersteller des Motors wie auch letztlich der Betreiber des Wasserschiffes selbst profitieren davon, dass die Analysemodule der verschiedenen Hersteller voneinander getrennt sind, denn dadurch ist es ausgeschlossen, dass Softwareprogramme von Dritten beabsichtigterweise oder unbeabsichtigterweise mit einem bestimmten Analysemodul interagieren und dieses dazu zum Absturz bringen oder zu einer fehlerhaften Funktionsausführung führen. Gerade im militärischen Bereich muss ständig damit gerechnet werden, dass vermeintlich vertrauenswürdige Software in Wirklichkeit Schadsoftware enthält, die dazu bestimmt ist, den Betrieb von Fahrzeugen bzw. Fahrzeugkomponenten zu stören und/oder Informationen bezüglich der Funktionsweise der Fahrzeugkomponenten unberechtigterweise in Erfahrung zu bringen. Bestimmte Personen oder Organisationen könnten ein Interesse daran haben zu erfahren, wie eine bestimmte Fahrzeugkomponente arbeitet und/oder zu bewirken, dass eine Fahrzeugkomponente unzuverlässig oder fehlerhaft arbeitet und dadurch z.B. langfristig wichtige Funktionen des Wasserfahrzeugs kurzzeitig oder dauerhaft ausschaltet. Dies kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung dadurch verhindert werden, dass die einzelnen Analysemodule isoliert voneinander jeweils innerhalb eines eigenen Containers ausgeführt werden.
  • Außerdem erleichtert die Ausführung von genau einer Instanz eines Analysemoduls pro Container die Orchestrierung der Container zum Beispiel zum Zwecke des Load-Balancing, Upscaling oder Downscaling, da der Ressourcenverbrauch eines Containers weitgehend identisch ist bzw. stark korreliert mit dem Ressourcenverbrauch des in diesem Container instanziierten Analysemoduls.
  • Die Containerverwaltungssoftware ist dazu konfiguriert, die Erzeugung von Containern, die Instanziierung und das Beenden der Analysemodule so zu orchestrieren, dass ein oder mehrere der folgenden Wirkungen eintreten:
    • - bei Ausfall oder Unerreichbarkeit einer der Computer automatisch auf einem anderen der Computer die Container und die Analysemodule gestartet werden, die durch den Ausfall oder die Unerreichbarkeit des einen Computers nicht mehr vorhanden oder erreichbar sind; hierdurch kann die Robustheit der Analysefunktionalität eines Wasserfahrzeugs gegenüber Ausfällen einzelner Rechner erhöht werden; Gerade im militärischen Bereich muss damit gerechnet werden, dass in Kampfsituationen Bestandteile des Wasserfahrzeugs wie z.B. einzelne Rechner und/oder Netzwerkverbindungen innerhalb eines Rechnerverbunds zerstört oder beschädigt werden oder zumindest kurzfristig ausfallen; durch die Fähigkeit der Containerverwaltungssoftware, in solchen Situationen eine neue Instanz des ausgefallenen Analysemoduls zu erzeugen, ist also besonders vorteilhaft; und/oder
    • - bei Überschreiten einer maximalen Zahl der aktuell auf den Computern laufenden Instanzen eines der Analysemodule automatisch eine dieser Instanzen zu beenden und/oder einen der Container, der eine Instanz dieses Analysemoduls beinhaltet, zu löschen oder auf einen anderen Computer zu verschieben; dies kann vorteilhaft sein, da sicherstellt, dass nicht benötigte CPU- und SpeicherRessourcen automatisch freigegeben werden, wenn sie für analytische Tätigkeiten aktuell nicht mehr benötigt werden; umso schneller können diese freien Ressourcen im Notfall für lebenswichtige Systeme bereitgestellt werden; die „maximale Zahl“ kann z.B. eine Zahl sein, die in einer Konfiguration der Containermanagementsoftware manuell oder automatisch spezifiziert wurde. Maximal bedeutet, dass eine Überschreitung dieses Werts als unerwünscht angesehen wird und eine bestimmte Folge oder Aktion induziert, die vorzugsweise dazu geeignet ist, die Zahl der Instanzen zu reduzieren; und/oder
    • - bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf einen anderen der Computer zu migrieren; die Containerverwaltungssoftware kann also Load-Balancing Funktionen durchführen; und/oder
    • - bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen der Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf diesen Computer zu migrieren; die Containerverwaltungssoftware kann also Load-Balancing Funktionen durchführen; in manchen Ausführungsformen kann dieser eine Computer zur Energieeinsparung deaktiviert oder in den Schlafmodus versetzt werden; und/oder
    • - bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren (z.B. Container mit höchstem CPU/Speicher Verbrauch oder Container der eine Instanz eines bestimmten Analysemoduls beinhaltet), eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf mindestens einem weiteren der Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; die Containerverwaltungssoftware kann also Upscaling Funktionen durchführen; und/oder
    • - bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren (z.B. Container mit höchstem CPU/Speicher Verbrauch), eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf diesen einen Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; die Containerverwaltungssoftware kann also Load-Balancing Funktionen durchführen; und/oder
    • - bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen der auf diesem einen Computer gehosteten Container zu löschen; die Containerverwaltungssoftware kann also Downscaling-Funktionen durchführen.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da hierdurch der Verbrauch an CPU und ArbeitsspeicherRessourcen besser auf die Computer des Rechnerverbunds verteilt und eine bessere Reaktionszeit erreicht werden kann. Außerdem kann eine bedarfsgerechte Skalierung der Container und der darin instanziierten Analysemodule erreicht werden.
  • Nach Ausführungsformen ist zumindest einigen der Analysemodule jeweils ein Teil der Daten der Datenbank spezifisch zugewiesen. Die Teile der Daten sind auf eine Weise geschützt gespeichert, dass nur dasjenige Analysemodul auf diese lesend und/oder schreibend zugreifen kann, welches diesem Teil der Daten zugewiesen ist.
  • Beispielsweise kann die Zuweisung derart erfolgen, dass ein Analysemodul, das von einer bestimmten Firma entwickelt wurde, die auch eine Fahrzeugkomponente hergestellt hat oder mit den Herstellern in einer vertraglichen Beziehung steht, Zugriff auf Messdaten hat, die von Sensoren dieser Fahrzeugkomponente erfasst und gespeichert werden, nicht jedoch auf die Messdaten der Sensoren anderer Fahrzeugkomponenten.
  • Gemäß eines weiteren Beispiels erfolgt die Zuweisung derart, dass ein Analysemodul, das von einer bestimmten Firma entwickelt wurde, die auch mehrere Fahrzeugkomponenten hergestellt hat oder mit den Herstellern dieser Komponenten in einer vertraglichen Beziehung besteht, Zugriff auf die Messdaten hat, die von Sensoren dieser mehreren Fahrzeugkomponenten erfasst und gespeichert wurden. Auf die Messdaten der Sensoren anderer Fahrzeugkomponenten hat das Analysemodul keinen Zugriff.
  • Gemäß eines weiteren Beispiels erfolgt die Zuweisung derart, dass ein Analysemodul, das von einer bestimmten Firma entwickelt wurde, die auch ein oder mehrere Fahrzeugkomponenten hergestellt hat oder mit den Herstellern dieser ein oder mehreren Fahrzeugkomponenten in vertraglicher Beziehung steht, Zugriff auf die Messdaten hat, die von den Sensoren dieser ein oder mehreren Fahrzeugkomponenten erfasst und gespeichert wurden und zusätzlich Zugriff auf Messdaten hat, die als allgemein (für jedes Analysemodul des Wasserfahrzeugs) frei zugänglich in der Datenbank gespeichert wurden.
  • Die Analysemodule von Wasserfahrzeugen gemäß Ausführungsformen der Erfindung können den Messdaten der Datenbank gemäß einer beliebigen Kombination der hier beschriebenen Beispiele zugewiesen sein.
  • Die verschiedenen Formen der spezifischen Zuweisung von Messdaten und Analysemodulen kann vorteilhaft sein, da die Hersteller von Fahrzeugkomponenten dadurch sicherstellen können, dass nur Analysemodule, denen dieser Hersteller vertraut, Zugriff auf die von den Sensoren diese Fahrzeugkomponente erzeugten Messdaten haben. Die Anbringung von Sensoren verschiedenen Typs auf und/oder in Fahrzeugkomponenten eines militärischen Wasserfahrzeuges durch den Hersteller der jeweiligen Komponente hat den Vorteil, dass wichtige Zustandsparameter der Fahrzeugkomponente wie zum Beispiel Temperatur, Vibrationsverhalten, Belastungsparameter, Umgebungs-Parameter, etc. verfügbar gemacht werden. Diese Messdaten sind für den Hersteller der Fahrzeugkomponenten relevant, zum Beispiel für Test-, Entwicklungs- und Reparaturzwecke und zur Feststellung von Garantiefällen. Die Messdaten sind aber auch für den Betreiber des Wasserfahrzeugs (zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Fahrzeugkomponente und/oder zum besseren Verständnis von Wechselwirkungen der Fahrzeugkomponente mit anderen Komponenten oder Umgebungs-Parametern) relevant.
  • Für den Hersteller einer Fahrzeugkomponente und/oder den Betreiber des Fahrzeugs ergibt sich das Problem, dass die Preisgabe sämtlicher Messwerte gegebenenfalls Aufschluss über die Arbeitsweise und interne Komponentenzustände gibt, welche firmenintern bleiben sollten, zum Beispiel um Mitbewerbern den Nachbau zu erschweren und/oder um zu verhindern, dass Angreifer die Fahrzeugkomponente gezielt manipulieren können. Ein Hersteller von Fahrzeugkomponenten hat daher an sich kein Interesse daran, dass die Messdaten bezüglich dieser Fahrzeugkomponente offengelegt werden. Dies verhindert gegenwärtig eine Integration der Messdaten der Sensoren in verschiedene Fahrzeugkomponenten, was für den Betreiber militärischer Wasserfahrzeuge in sicherheitstechnischer Hinsicht ein Nachteil ist, denn viele technisch relevante Effekte, wie zum Beispiel ein bestimmtes Verhalten eines Ruders, einer Turbine oder einer sonstigen komplexen Komponente des Wasserfahrzeugs, ergeben sich erst aus dem komplexen Zusammenwirken mehrerer Fahrzeugkomponenten, die jeweils unterschiedliche interne Zustände aufweisen können.
  • Die beschriebene IT-Architektur wonach einzelnen Analysemodulen bestimmte Teile der Messdaten der Datenbank so zugewiesen sind, dass die Module selektiv nur auf die ihnen explizit zugewiesenen Teile zugreifen können, nicht aber generell auf alle in der Datenbank gespeicherten Messdaten, kann vorteilhaft sein, da auf Basis dieser IT Architektur der Betreiber des militärischen Wasserfahrzeugs den Lieferanten bzw. Herstellern der jeweiligen Fahrzeugkomponenten (einschließlich deren Sensoren) zusichern kann, dass die von den Sensoren erfassten Messdaten nur bestimmten Analysemodulen zugänglich sind, die von beiden Seiten als vertrauenswürdig angesehen und akzeptiert wurden. Es wird also eine IT-Architektur geschaffen, die den Herstellern militärischer Fahrzeugkomponenten ermöglicht, sensible Messdaten auf eine sichere Weise nur an bestimmte Analysemodule zur Verfügung zu stellen. Das Risiko, dass ein Mitbewerber oder Angreifer die Messdaten verwendet, um eine Fahrzeugkomponente nachzubauen oder anzugreifen kann also ausgeschlossen werden.
  • Der Betreiber des militärischen Wasserfahrzeugs profitiert davon, dass die Messdaten einer Vielzahl von Fahrzeugkomponenten gemäß Ausführungsformen der Erfindung nur an ausgewählte, vertrauenswürdige Analysemodule bereitgestellt werden: Hersteller von Fahrzeugkomponenten im militärischen Bereich tendierten bisher dazu, Messdaten von Sensoren der von diesen Herstellern erzeugten Fahrzeugkomponenten allenfalls intern zu erfassen und nur von Fahrzeugkomponenteninternen Recheneinheiten zu analysieren, ohne die Messdaten nach außen preiszugeben oder gar über einen längeren Zeitraum zu speichern. Dank der IT-Architektur von Wasserfahrzeugen gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Hersteller von Fahrzeugkomponenten nun auf die Komponenten-internen Recheneinheiten zur geheimen Analyse der Messdaten verzichten, da die Messdaten mehrerer Sensoren und Fahrzeugkomponenten zwar in einer Datenbank zentral gespeichert werden, dennoch aber nicht jedes Analysemodul beliebig auf diese Daten zugreifen kann.
  • Einige aktuell verfügbare Automatisierungssysteme für militärische Wasserfahrzeuge bieten zwar ebenfalls Zugriff auf Sensordaten mehrerer Sensoren, jedoch nur auf die jeweils gültigen Ist-Werte von Einzelsystemen, die nicht oder nur wenig praktikabel nutzbare historische Profile und Trends der Messwerte über einen längeren Zeitraum enthält. Aufgrund der Echtzeit-Anforderungen an solche Automatisierungssysteme hatte man bisher davon Abstand genommen, die knappen Ressourcen des Automatisierungssystems von Wasserfahrzeugen durch rechenintensive Analysen umfangreicher historischer Datenbestände zu belasten. Dank der verteilten Vorhaltung der Analysemodule in mehreren Containern in einem vom Automationssystem losgelösten Rechnerverbund ist es jedoch gemäß Ausführungsformen der Erfindung möglich, auch komplexe Analysen durchzuführen, teilweise auch in Echtzeit, und diese bereitzustellen, ohne dass die Echtzeitfähigkeit des Automatisierungssystems beeinträchtigt wird. Das Problem, dass Hersteller von Fahrzeugkomponenten mit integrierten Sensoren die von diesen erfassten Messwerte aus verschiedenen Gründen nicht preisgeben wollen bzw. können wurde durch eine IT-Architektur überwunden, die sicherstellt, dass nur ausgewählte Analysemodule mit den entsprechenden Rechten auf die Messwerte zugreifen können. Somit wurde eine IT-Architektur geschaffen, die besonders vorteilhaft im Kontext der spezifischen Gegebenheiten militärischer Wasserfahrzeuge ist.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung sind mehrere der Analysemodule jeweils einer der Fahrzeugkomponenten spezifisch zugewiesen und sind dazu konfiguriert, zumindest die Messwerte, die von den ein oder mehreren Sensoren dieser einen Fahrzeugkomponente, der sie zugewiesen sind, erfasst werden, direkt oder indirekt (über die Datenbank) zu empfangen, zu analysieren und das Ergebnis der Analyse auszugeben. Unter einem indirekten Empfang über die Datenbank ist gemeint, dass die von den Sensoren erfassten Messwerte zunächst in die Datenbank geschrieben werden und in einem zweiten Schritt dann das Analysemodul auf die in der Datenbank gespeicherten Messwerte zugreift. Dieser indirekte Empfang über die Datenbank hat den Vorteil, dass die Analysemodule keine Schnittstelle aufweisen müssen, um von einem bestimmten Sensor Messdaten empfangen zu können.
  • Gemäß einer Ausführungsform besitzen die ein oder mehreren Sensoren Schreibrechte auf die Datenbank und sind dazu ausgebildet, die Messwerte in geeignetem Format in der Datenbank zu speichern. Beispielsweise können die Sensoren über eine Netzwerkschnittstelle verfügen und so konfiguriert sein, dass sie die erfassten Messwerte kontinuierlich in die Datenbank schreiben.
  • Gemäß anderer Ausführungsformen sind die Sensoren dazu konfiguriert, die von ihnen erfassten Messwerte zunächst in einem lokalen flüchtigen oder nichtflüchtigen Datenspeicher des Sensors zu speichern. Eine weitere Komponente des Wasserfahrzeugs (z.B. das Automatisierungssystem, eines der Analysemodule oder eine sonstige Software) liest die lokal gespeicherten Messdaten und schreibt sie in die Datenbank, sodass die Analysemodule nun über die Datenbank auf die Messwerte zugreifen können.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eines der mehreren Analysemodule, die einer der Fahrzeugkomponenten zugewiesen ist, dazu ausgebildet, eine Analyse durchzuführen, welche beinhaltet:
    • - eine Erkennung aktueller oder künftiger kritischer Zustände der einen Fahrzeugkomponente; und/oder
    • - eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands der einen Fahrzeugkomponente; und/oder
    • - dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand der einen Fahrzeugkomponente sind; und/oder
    • - eine Berechnung einer Handlungsempfehlung an einen Menschen in Bezug auf die eine Fahrzeugkomponente; und/oder
    • - eine Berechnung eines Steuerbefehls an die eine Fahrzeugkomponente zur automatischen Durchführung des Steuerbefehls.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da die ein oder mehreren Analysemodule dazu verwendet werden können, nicht nur retrospektiv einzelne Korrelationen und Zusammenhänge zu erkennen, sondern auf Basis der in der Datenbank gespeicherten Historie von Messdaten mehrerer Sensoren auch dazu verwendet werden können, technisch und/oder taktisch kritische Situationen in oder auf dem Wasserfahrzeug vorherzusagen sowie auch Handlungsanweisungen und Steuerbefehle vorherzusagen, die dazu beitragen können, die kritische Situation zu vermeiden oder abzumildern. Die Analysemodule können somit Funktionen übernehmen, die bisher ausschließlich von dem Automatisierungssystem wahrgenommen wurden. Während das Automatisierungssystem typischerweise wenig flexibel ist, da es typischerweise Messwerte einer vordefinierten Anzahl von Sensoren einer vordefinierten Menge an Fahrzeugkomponenten integriert, ist die Verwendung von Analysemodulen in Ergänzung zum Automatisierungssystem vorteilhaft, da die Analysemodule gemäß Ausführungsformen der Erfindung innerhalb einer IT-Architektur instanziiert sind, die auf Basis von Containervirtualisierung und automatischer Containerorchestrierung hochverfügbar, robust und leicht skalierbar ist und die die Messdaten der Fahrzeugkomponenten auf sichere Weise vor Zugriff durch unberechtigte Dritte schützt.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung beinhalten die Sensoren von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten zumindest einen kryptographischen Verschlüsselungsschlüssel. Eines der Analysemodule ist der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugeordnet und beinhaltet einen zu diesem kryptographischen Verschlüsselungsschlüssel korrespondierenden Entschlüsselungsschlüssel. Bei den beiden „korrespondierenden“ Schlüsseln des Sensors und des Analysemoduls kann es sich um einen geheimen, „symmetrischen“ kryptographischen Schlüssel handeln, der sowohl zur Ver- als auch Entschlüsselung der Messwerte verwendet wird. Alternativ dazu kann es sich bei den beiden korrespondierenden Schlüsseln um ein asymmetrisches kryptographisches Schlüsselpaar handeln, wobei der von dem Sensor verwaltete und gespeicherte Schlüssel ein öffentlicher kryptographischer Schlüssel (Verschlüsselungsschlüssel) ist und wobei der von dem Analysemodul verwaltete und sicher gespeicherte Schlüssel ein privater kryptographische Schlüssel (Entschlüsselungsschlüssel) ist. Die Sensoren der zumindest einen Fahrzeugkomponente sind dazu ausgebildet, zumindest einige der von ihnen erfassten Messwerte in verschlüsselter Form in der Datenbank zu speichern und/oder direkt an das der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugewiesene Analysemodul zu übermitteln. Das zumindest eine Analysemodul ist dazu konfiguriert, die zumindest einigen Messwerte mit dem Entschlüsselungsschlüssel zu entschlüsseln und die entschlüsselten Daten zu analysieren.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung haben alle Sensoren, die in oder an derselben Fahrzeugkomponente angebracht sind, den gleichen öffentlichen Verschlüsselungsschlüssel. Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung haben alle Sensoren von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs einen eigenen öffentlichen Schlüssel, der sich vom öffentlichen Schlüssel der anderen Sensoren dieser Fahrzeugkomponente unterscheidet.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da die Verwendung von Verschlüsselungsverfahren ein besonders hohes Maß an Sicherheit dafür bietet, dass die Messdaten von Sensoren einer bestimmten Fahrzeugkomponente ausschließlich von berechtigten Analysemodulen gelesen und interpretiert werden können.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung beinhalten die Sensoren von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten einen Signierschlüssel. Der Signierschlüssel gehört vorzugsweise zu einer PKI eines Herstellers dieser Fahrzeugkomponente. Eines der Analysemodule ist der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugeordnet und beinhaltet einen zu diesem Signierschlüssel korrespondierenden Signaturprüfschlüssel. Die Sensoren der zumindest einen Fahrzeugkomponente sind dazu ausgebildet, zumindest einige der von ihnen erfassten Messwerte mit dem Signierschlüssel zu signieren und diese in signierter Form in der Datenbank zu speichern und/oder direkt an das der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugewiesene Analysemodul zu übermitteln. Das zumindest eine Analysemodul ist dazu konfiguriert, die zumindest einigen Messwerte mit dem Signaturprüfschlüssel zu prüfen und die signierten Daten nur dann zu analysieren, wenn die Signaturprüfung ergibt, dass die Signatur valide ist.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da hierdurch der Betreiber des Wasserfahrzeugs davor geschützt wird, dass ein Angriff auf die Stabilität und Integrität des militärischen Wasserfahrzeugs dadurch erfolgt, dass eine manipulierte Fahrzeugkomponente und/oder manipulierte Sensoren falsche Analysen und Prognosen erzeugt. Insbesondere dann, wenn diese Analysen und Prognosen automatisch in entsprechende Steuerbefehle umgesetzt werden, besteht die Gefahr, dass durch eine derartige Manipulation das Wasserfahrzeug kurzfristig oder langfristig beschädigt oder nicht mehr einsatzfähig gemacht wird. Beispielsweise kann ein bestimmtes Analysemodul normalerweise dazu verwendet werden, auf Basis von GPS Positionsdaten, der aktuellen Rotationszahl der Turbine und einem aktuellen Winkel des Steuerruders den künftigen Kurs für die nächsten 5 km vorherzusagen. Ein manipulierter Winkelsensor des Steuerruders kann falsche Winkeldaten liefern, die dazu führen, dass der Kurs des Wasserfahrzeugs falsch berechnet wird. Dies kann dazu führen, dass das Schiff sich faktisch auf einem anderen Kurs befindet als dem vorhergesagten und auf Grund aufläuft oder mit Felsen kollidiert. Diese Gefahr kann dadurch behoben werden, dass die Sensoren die von Ihnen erzeugten Messdaten signieren, wobei die Signatur auf eine vertrauenswürdige Instanz, zum Beispiel einen bestimmten Hersteller, verweist. Dadurch, dass das Analysemodul die Signatur der Messdaten prüft, bevor es diese verwendet, kann ausgeschlossen werden, dass manipulierte Sensoren und/oder manipulierte Fahrzeugkomponenten Fahrzeug und Besatzung bedrohen.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung sind eines oder mehrere der Analysemodule jeweils dazu konfiguriert, ihr Ergebnis der Analyse an einen Nutzer und/oder an das Analysesystem auszugeben und/oder in der Datenbank zu speichern.
  • Beispielsweise können die Ergebnisse auf einem Bildschirm angezeigt, mittels eines Druckers ausgedruckt und/oder per Lautsprecher ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Ergebnisse an eine Software oder Hardwarekomponente ausgegeben werden, zum Beispiel an das Automatisierungssystem.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da die Ergebnisse die Daten einer Vielzahl von Sensoren einer Vielzahl von Fahrzeugkomponenten und/oder Umgebungsparameter integrieren und hierbei nicht nur aktuelle Messwerte, sondern auch die Historie der Messwerte berücksichtigen können. Da die Analysemodule als einzelne, isolierte Software Module implementiert sind, sind Anzahl und Zusammensetzung der Analysemodule leicht an sich im Laufe der Lebenszeit des Fahrzeugs möglicherweise ändernde Zusammensetzung der Fahrzeugkomponenten anpassbar. Die Analyseergebnisse der Analysemodule stellen somit eine Quelle für Systemdiagnosen und Steuerbefehle dar, welche die Funktionen des Automatisierungssystems auf besonders flexible Weise ergänzen. Je nach Art des Analyseergebnisses und Implementierung können die Analyseergebnisse Handlungsempfehlungen an einen Nutzer sein, wobei die Handlungen von dem Nutzer bzw. manuell ausgeführt werden müssen. Es kann sich auch um Handlungsempfehlungen handeln, die automatisch von den Fahrzeugkomponenten ausgeführt werden können und deren Ausführung vom Nutzer lediglich nochmals manuell bestätigt werden muss. Es kann sich auch um Steuerbefehle handeln, die direkt und ohne den Nutzer einzubeziehen direkt von den Analysemodulen an das Automatisierungssystem gegeben werden und dieses dazu veranlassen, automatisch die in den Befehlen spezifizierte Aktion auszuführen, z.B. eine Abluftklappe zu öffnen, den Winkeln eines Ruders zu korrigieren, etc.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eines der Analysemodule dazu ausgebildet, eine Analyse (z.B. Korrelationsanalyse, Machine-Learning (ML) basierten Vorhersage, regelbasierte Vorhersage, etc.) auf den Messwerten mehrerer (mindestens zwei) unterschiedlicher Sensoren von mehreren unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten durchzuführen. Die Analyse beinhaltet:
    • - eine Erkennung aktueller oder künftiger kritischer Zustände von einer Fahrzeugkomponente; und/oder
    • - eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands einer Fahrzeugkomponente; und/oder
    • - dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand einer der Fahrzeugkomponenten sind; und/oder
    • - eine Berechnung einer Handlungsempfehlung an einen Menschen; und/oder
    • - eine Berechnung eines Steuerbefehls an eine der Fahrzeugkomponenten zur automatischen Durchführung des Steuerbefehls.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da ML-basierte Verfahren und verschiedene andere Formen der Korrelationsanalyse besonders dafür geeignet sind, aus historischen Messwerten mehrerer unterschiedlicher Parameter komplexe, komponentenübergreifende, lineare wie nichtlineare Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zu erkennen und auf Basis dieser erkannten Abhängigkeiten Vorhersagen über aktuelle und künftige Systemzustände zu berechnen.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung sind die Daten der Datenbank in den mehreren Computern verteilt und/oder redundant gespeichert.
  • Dies kann vorteilhaft sein, da die Ausfallsicherheit erhöht wird, falls einer der Rechner ausfällt oder nicht erreichbar ist. Außerdem erlaubt eine redundante Speicherung parallelen Zugriff auf Kopien der gleichen Daten und damit eine Beschleunigung der Abfrage.
  • Nach Ausführungsformen der Erfindung sind die Daten der Datenbank verteilt in verschiedenen Containern verschiedener Rechner gespeichert. Die Containerverwaltungssoftware ist dazu konfiguriert, die Erzeugung von Containern und die Speicherung, Replikation und Löschung der Daten in den Containern so zu orchestrieren, dass:
    • - im Normalbetrieb die Daten der Datenbank in redundanter Weise so in den mehreren Computern verteilt gespeichert werden, sodass diese bei Ausfall von einem oder mehreren der Computer aus den in den übrigen Computern gespeicherten Daten rekonstruierbar sind; und/oder
    • - bei Ausfall eines der Computer automatisch ein anderer der Computer, auf welchem eine Kopie derjenigen Teile der Daten, die in dem ausgefallenen Computer gespeichert waren, identifiziert wird, und die auf diesem anderen Computer enthaltenen Daten den Analysemodulen und der Automatisierungssystem bereitgestellt werden (z.B. durch Starten dieses anderen Computers, Freigabe eines Zugriffs auf die Teildaten, etc.); und/oder
    • - bei Ausfall eines der Computer automatisch Neuverteilung zumindest eines Teils der in mehreren Containern redundant und verteilt gespeicherten Daten derart, dass der bisherige Grad der Redundanz der Daten der Datenbank wiederhergestellt wird; und/oder
    • - bei Überschreiten eines vordefinierten maximalen Speicherbedarfs in einem der Computer automatisch zumindest Teile der auf diesem Computer gespeicherten Daten der Datenbank auf einen anderen der Computer zu migrieren oder zu kopieren; hierfür können z.B. Load-Balancing-Funktionen wie sie z.B. in der Software Kubernetes bereits enthalten sind verwendet werden.
  • Dies kann aus analogen Gründen wie die redundante Instanziierung der Analysemodule auf mehreren Computern vorteilhaft sein. Insbesondere wird die Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Zugriffszeiten durch parallelen Zugriff verkürzt.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System umfassend mindestens zwei militärische Wasserfahrzeuge gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen oder Beispiele und ein Computersystem. Das Computersystem beinhaltet eine Schnittstelle zum sicheren Import des Inhalts der Datenbanken der mindestens zwei Wasserfahrzeuge. Das Computersystem beinhaltet außerdem eine Flottenanalysesoftware. Die Flottenanalysesoftware ist dazu ausgebildet, die Messwerte der Datenbanken der mindestens zwei Wasserfahrzeugen zu analysieren. Die Flottenanalysesoftware ist dazu konfiguriert, automatisch zu erkennen, ob die Messwerte unterschiedlicher Wasserfahrzuge von Fahrzeugkomponenten gleichen Typs erfasst wurden. Die Analyse umfasst:
    • - eine Erkennung desjenigen der Wasserfahrzeuge, dessen Gesamtheit an Fahrzeugkomponenten im besten oder schlechtesten Zustand ist im Hinblick auf zumindest ein technisches Bewertungskriterium (z.B. Füllstand Tank, Verfügbarkeit von Energieressourcen, Zeit bis zur nächsten Wartung, Indikator der Ausfallsicherheit, Indikator der Geeignetheit des Wasserfahrzeug für bestimmtes Einsatzszenario;); und/oder
    • - eine Erkennung kritischer Zustände von einer Fahrzeugkomponente in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge; beispielsweise kann durch Analyse historischer Messdaten in den Datenbanken der mehreren Wasserfahrzeuge erkannt werden, dass bei einigen wenigen Wasserfahrzeugen eine Kombination aus Anstellwinkel des Ruders und der Drehzahl der Turbine, die bei der Mehrzahl der Wasserfahrzeuge unproblematisch war, einen instabilen Zustand des Wasserfahrzeugs bewirkt hat, die manuelles Eingreifen erforderlich gemacht hat, sodass diese wenigen Fahrzeuge zur Inspektion gebracht werden sollten; bestimmte Vibrationsmuster können erkennen lassen, dass eine Fahrzeugkomponente eines bestimmten Wasserfahrzeugs an Materialermüdung leidet oder von Vibrationen und Bewegungen benachbarter Komponenten negativ beeinflusst wird, sodass auch für dieses eine Inspektion empfehlenswert scheint; und/oder
    • - eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands einer Fahrzeugkomponente in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge; beispielsweise kann der Zeitpunkt, wann angesichts der anhand der Vibrationswerte ableitbaren Materialermüdung und/oder angesichts der üblichen Wartungsintervalle jedes der Wasserfahrzeuge den nächsten Inspektionstermin hat, sodass dasjenige Fahrzeug, dessen vorhergesagter Inspektionstermin am weitesten in der Zukunft liegt als das geeignetste für einen aktuellen, längeren Einsatz angesehen werden kann; und/oder
    • - dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand einer der Fahrzeugkomponenten in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge sind; beispielsweise kann die Flottenanalysesoftware erkennen, dass nur diejenigen Schiffe, die in Gewässern mit einer Wassertemperatur von unter 6°C unterwegs waren, Probleme mit dem Auslösen einer Bewegung bei einem bestimmten Bauteil hatten, sodass die Vermutung naheliegt, dass die Materialkontraktion bei niedrigen Temperaturen Auslöser für die Probleme war und das Bauteil nicht geeignet für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen ist. Die Analyse mehrerer Wasserfahrzeuge kann es hier ggf. ermöglichen, Ursachen aufzudecken, die ohne die Daten mehrerer Fahrzeuge auszuwerten, nicht oder wahrscheinlich nicht erkannt worden wären.
  • Bei der Flottenanalysesoftware kann es sich um ein einzelnes, komplexes Applikationsprogramm handeln oder um eine Kombination mehrerer einzelner Analyseprogramme, die verschiedene Arten von Analysen auf den Historien von Messwerten, die von Sensoren mehrerer Wasserfahrzeuge über einen Zeitraum von mehreren Stunden, Tagen, Wochen, Monaten oder Jahren erfasst wurden, durchführen können.
  • Gemäß mancher Ausführungssysteme beinhaltet das Computersystem, das die Flottenanalysesoftware hostet, auch einen Entschlüsselungsschlüssel und/oder Signaturprüfschlüssel, wobei diese Schlüssel von dem/den Hersteller(n) der Fahrzeugkomponenten oder der Wasserfahrzeuge bereitgestellt werden, falls die Hersteller diese Schlüssel für den Kunden, also den Betreiber des Wasserfahrzeugs, freigeben.
  • Unter einem „militärischen Wasserfahrzeug“ wird hier ein Wasserfahrzeug verstanden, das dazu ausgebildet ist, von Streitkräften zur Erfüllung ihrer Aufgaben verwendet zu werden. Oftmals haben Fahrzeuge für militärische Zwecke spezifische Anpassungen, z.B. verstärkte Wände oder Böden zum Schutz vor Minen, einen Tarnanstrich, Waffen- und/oder Verteidigungssysteme. Wasserfahrzeuge sind Fahrzeuge, die zur Fortbewegung auf dem oder im Wasser bestimmt sind. Insbesondere kann es sich um ein windbetriebenes oder ein maschinenbetriebenes Wasserfahrzeug handeln, z.B. Segelschiffe, Luftkissenboote, Tragflächenboote, UnterseeBoote, Fregatten, Flugzeugträger, Versorgungsschiffe, etc. Beispielsweise können manche Fregatten zur Seeraumüberwachung, Ubootjagd, Bekämpfung von Überwassereinheiten und Abwehr von Luftangriffen, auf das eigene Schiff bzw. den Verband ausgebildet bzw. ausgerüstet sein. Versorgungsschiffe sind dazu ausgebildet, Einsatzgruppen der Marine, die sich aufgabenorientiert aus unterschiedlichen Schiffen und Booten zusammensetzen können, zu unterstützen. Die logistische Hauptaufgabe eines Versorgungsschiffes besteht in der Versorgung mit Betriebsstoffen, Verbrauchsgütern, Proviant und Munition. Dabei kann ein Versorgungsschiff durchaus auch mit einem Waffensystem versehen sein, z.B. um feindliche Übergriffe abzuwehren.
  • Unter einer „Fahrzeugkomponente“ wird hier ein Teil des Wasserfahrzeugs verstanden, das in seiner Gesamtheit zumindest eine bestimmte Funktion erfüllt. Eine Fahrzeugkomponente kann ein Bauteil, also ein Einzelteil eines technischen Komplexes sein, oder ein System aus mehreren Bauteilen, die in Ihrer Gesamtheit diese Funktion erfüllen. Typischerweise werden alle Bestandteile einer bestimmten Fahrzeugkomponente als Einheit in ein Fahrzeug verbaut. Beispielsweise können eine Ruderanlage, eine Radaranlage, ein Waffensystem, eine Motoreinheit, eine Steuereinheit etc. jeweils eine Fahrzeugkomponente darstellen.
  • Unter einem „Sensor“, auch als Detektor, (Messgrößen- oder Mess-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler bezeichnet, ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (physikalisch z. B. Wärmemenge, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallfeldgrößen, Helligkeit, Beschleunigung oder chemisch z. B. pH-Wert, Ionenstärke, elektrochemisches Potential) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt. Dabei kann das weiterverarbeitbare elektrische Signal insbesondere datentechnisch verarbeitbare Daten umfassen, die eine Repräsentation der Größe darstellt. Das weiterverarbeitbare elektrisches Signal muss dabei nicht unbedingt im Detektor selbst erzeugt werden, sondern kann auch durch an den Detektor angeschlossene Elektronik aus dem Ausgabesignal des Detektors erzeugt werden.
  • Unter einem „Waffensystem“ wird hier ein (oftmals komplexes) technisches Wehrmaterial, insbesondere militärisches Großgerät, verstanden. Ein Bestandteil des Waffensystems ist die eigentliche Waffe. Beispielsweise kann ein Kriegsschiff Waffen in Form von Luftabwehrflugkörpern in innerhalb eines als Nahbereichsverteidigungssystem ausgebildeten Waffensystems beinhalten. Insbesondere kann ein Waffensystem ein Verbund einzelner technischer Elemente sein, welche untereinander wechselwirken und durch diesen Verbund eine verbesserte Waffenwirkung erzielen oder überhaupt erst ermöglichen.
  • Beispielsweise ist die „Common Remotely Operated Weapon Station“ (CROWS) ein Waffensystem. Ein weiteres Beispiel für ein Waffensystem ist ein Geschütz auf einer Selbstfahrlafette oder einem Schiffsdeck. Je nach Ausführungsform wird die Motorleistung des Wasserfahrzeugs sowohl für den Antrieb des Wasserfahrzeugs als auch zum Richten des Geschützes verwendet oder das Waffensystem beinhaltet einen eigenen, unabhängigen Motor zum Ausrichten des Geschützes. Ein Flugabwehrraketensystem ist ein weiteres Beispiel für ein Waffensystem. Die verschiedenen Elemente wie Sensoren (z. B. eine Radaranlage), Steuerstelle und Startanlage des Flugabwehrraketensystems können verschiedene Messdaten erfassen, die zur Überwachung, Statuskontrolle und korrekten Ausrichtung der Radaranlage und/oder der Raketen verarbeitet werden.
  • Unter einer „Antriebseinheit“ wird hier die konstruktive Einheit bezeichnet, die mittels Energieumformung eine Maschine, z.B. eine Schiffsturbine, bewegt. Häufig ist dies ein Motor mit einem eventuell notwendigen Getriebe. Die Antriebseinheit kann einen Drehantriebe oder einen Linearantrieb beinhalten. Die Antriebseinheit kann ihre Energie aus fossilen Quellen (insb. Öl, Erdgas, Kohle), Atomenergie (Kernspaltung), Batteriekraft und anderen Energieträgern beziehen.
  • Unter einem „Navigationssystem“ wird hier ein technisches System verstanden, das mit Hilfe von Positionsbestimmung (Satellit, Funk, GSM bzw. inertes oder autonomes System) und Geoinformationen (Topologie-, Straßen-, Luft- oder Seekarten) eine Zielführung zu einem gewählten Ort oder eine Route unter Beachtung gewünschter Kriterien ermöglicht.
  • Unter einem „Messwert“ wird hier der Wert einer Messgröße, der von einem Sensor geliefert wird. Beispiele für Messwerte sind z.B. eine Temperatur in °C, eine Position in Form einer GPS Koordinatenangabe, eine Rotationsgeschwindigkeit in Umdrehung pro Minute etc. „Messwerte“ werden auch als „Messdaten“ bezeichnet.
  • Unter einer „Datenbank“ wird hier eine Datenstruktur zur strukturierten Speicherung von Daten verstanden. Eine Datenbank kann ein Verzeichnisbaum oder eine Datei sein. Vorzugsweise ist eine Datenbank eine von einem Datenbankmanagementsystem (DBMS) verwaltete Datenstruktur. Ein DBMS ist ein System zur elektronischen Datenverwaltung, das dazu ausgebildet ist, große Datenmengen effizient, widerspruchsfrei und dauerhaft zu speichern und benötigte Teilmengen in unterschiedlichen, bedarfsgerechten Darstellungsformen für Benutzer und Anwendungsprogramme bereitzustellen. Zur Abfrage und Verwaltung der Daten bietet ein Datenbanksystem eine Datenbanksprache an. Die Datenbank kann eine relationale Datenbank sein. Die Struktur der Daten wird durch ein Datenbankmodell festgelegt.
  • Unter einer „Historie von Messwerten“ wird hier eine Datenmenge verstanden welche den zeitlichen Verlauf mehrerer Messwerte spezifiziert.
  • Unter einem „Zeitstempel“ wird hier ein Datenwert verstanden, der einen bestimmten Zeitpunkt spezifiziert, z.B. den Zeitpunkt (Datum und Uhrzeitangabe) wann ein bestimmter Messwert erfasst wurde. Vorzugsweise werden Zeitstempel in der koordinierten Weltzeit UTC angegeben oder mit Bezug zu dieser. Dies kann möglichen Missverständnissen wegen der global unterschiedlichen Zeitzonen vorbeugen.
  • Unter dem Ausdruck „persistent gespeichert“ wird hier eine Speicherung von Daten auf einem nicht-volatilen Speichermedium verstanden.
  • Unter dem Ausdruck „geschützt gespeichert“ wird hier eine Speicherung von Daten verstanden, welche technisch sicherstellt, dass nur eine bestimmte Auswahl an Nutzern und/oder Applikationen, die sich als zugriffsberechtigt ausweisen kann, auf die geschützten Daten schreibend und/oder lesend zugreifen kann. Beispielsweise kann der Schutz darin bestehen, die Daten in einem zugriffsgeschützten Bereich zu speichern und/oder die Daten verschlüsselt zu speichern, sodass diese nur von einem Programm gelesen werden können, das einen geeigneten Entschlüsselungsschlüssel besitzt
  • Ein „Echtzeitfähiges“ System, z.B. ein echtzeitfähiges Automatisierungssystem, ist ein System, das dazu ausgebildet ist, eine Aufgabe in „Echtzeit“ durchzuführen. Das bedeutet, dass das System in der Lage ist, diese Aufgabe fortwährend innerhalb einer vordefinierten maximalen Dauer zu erfüllen. Typischerweise bedeutet dies, dass das genannte Hard- und/oder Softwaresystem einer „Echtzeitbeschränkung“ unterliegt, z.B. von Ereignis zu Systemreaktion. Echtzeitprogramme müssen die Reaktion innerhalb bestimmter Zeitvorgaben gewährleisten, die oft als „Fristen“ bezeichnet werden. Echtzeit-Antworten werden oft in der Größenordnung von Millisekunden und manchmal Mikrosekunden oder Sekunden verstanden. Ein System, das nicht als Echtzeitbetrieb spezifiziert ist, kann in der Regel keine Antwort innerhalb eines Zeitrahmens garantieren, obwohl typische oder erwartete Antwortzeiten angegeben werden können.
  • Unter einem „Host“ oder „Host-Computer“ wird hier ein Computer verstanden, der allein oder in Interoperation mit einem oder mehreren weiteren Computern ein bestimmtes Softwareprogramm (Gast-Softwareprogramm) bereitstellt, also für weitere Programme und/oder Nutzer verfügbar macht. Bei dem Gastprogramm kann es sich um eine Datenbank, ein Applikationsprogramm, einen Service oder sonstige Programme und Programmodule handeln.
  • Unter einem „Container“ wird hier eine Laufzeitumgebung für Softwareprogramme verstanden, welche alle für die Ausführung dieser Softwareprogramme benötigten Systemkomponenten beinhaltet und an diese bereitstellt und welche die innerhalb dieses Containers laufenden Softwareprogramme von Programmen außerhalb des Containers isoliert. Ein Container kann eine virtuelle Maschine sein, die von einem Hypervisor (Programm zur Verwaltung der virtuellen Maschinen) erzeugt und verwaltet werden. Vorzugsweise ist ein Container eine Laufzeitumgebung, die mittels eines Containervirtualisierungsprogramms verwaltet werden kann. Container gemäß diesen Ausführungsformen benötigen typischerweise weniger Ressourcen als virtuelle Maschinen, da sie auf das Starten eines eigenen Betriebssystems verzichten und stattdessen im Kontext des Host-Betriebssystems laufen. Trotzdem sind die Container gegeneinander und vom Host-System abgeschottet, wenn auch nicht so stark, wie bei einer Virtualisierung.
  • Beispielsweise kann die freie Software „Docker“ verwendet werden, um Container zu definieren und Anwendungen mittels Containervirtualisierung voneinander zu isolieren. Docker vereinfacht die Bereitstellung von Anwendungen, weil sich Container, die alle nötigen Pakete enthalten, leicht als Dateien transportieren und installieren lassen. Docker packt die Anwendung und alle für deren Ausführung benötigten Systemkomponenten in einer einzigen Datei, den sogenannten „Container“. Docker-Container sorgen dafür, dass die Anwendung verlässlich läuft, nachdem sie von einer Umgebung in eine Andere versetzt worden ist. Dies vereinfacht nicht nur das Deployment komplexer Anwendungen auf verschiedenen Computern, sondern auch eine flexiblere Anwendungsinfrastruktur, die sich leichter ändern, erweitern und skalieren lässt.
  • Containervirtualisierung ist eine Methode, um mehrere Instanzen eines Betriebssystems (als sog. „Gäste“) isoliert voneinander auf einem Hostsystem zu betreiben. Im Gegensatz zur Virtualisierung mittels eines Hypervisors auf der Basis mehrerer virtueller Maschinen hat Containervirtualisierung zwar einige Einschränkungen in der Art ihrer Gäste, gilt aber als besonders ressourcenschonend. Containervirtualisierung basiert auf mehreren Prinzipien, die in einzelne Softwareprodukten zur Containervirtualisierung unterschiedlich implementiert sind. Ein Kern davon ist jedoch immer ähnlich: mehrere Container nutzen einen Kernel gemeinsam und isolieren zumindest einige der verwendeten Betriebssystemmitteln voneinander.
  • Beispielsweise kann das Open-Source-Programm Kubernetes als Containermanagementprogramm verwendet werden. Bei Kubernetes handelt es sich um eine Software zur Container-Orchestrierung, die es ermöglicht, Anwendungen auf einfache und effiziente Weise über mehrere Hosts zu orchestrieren. Kubernetes ermöglicht eine vereinfachtes oder sogar vollautomatisches Deployment, Betrieb, Wartung und Skalierung von Container-basierten Anwendungen. Gruppen von Hosts, auf denen die Container laufen, werden in Clustern von physischen oder virtuellen Maschinen zusammengefasst und als Einheit verwaltet. Kubernetes definiert ein Container Runtime Interface (CRI), das Container-Plattformen implementieren müssen, um mittels Kubernetes orchestriert werden zu können. Diese Implementierungen werden auch als „Shims“ bezeichnet. Das macht die Kubernetes Plattformagnostisch: neben bzw. anstelle von Docker können auch andere Plattformen mit entsprechenden Shims, wie z. B. CRI-O oder KataContainers verwendet werden.
  • Unter einer „Containerverwaltungssoftware“ wird hier eine Software verstanden, die konfiguriert ist zur automatisierten Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung („Orchestrierung“) mehrerer (mindestens zweier) Container auf mehreren Computern auf eine Weise, dass die Computer jeweils als Hostsystem für ein oder mehrere Container dienen, wobei die Container (des gleichen Host-Computersystems wie auch unterschiedlicher Host-Computersysteme) voneinander isoliert sind. Bei den mehreren Containern kann es sich bei komplexen Fahrzeugen um mehrere hundert Container handeln. Beispielsweise kann Kubernetes als Containerverwaltungssoftware verwendet werden.
  • Unter einem „Analysemodul“ wird hier eine Software verstanden, die dazu ausgebildet ist, mittels einem oder mehrerer unterschiedlicher rechnerischer Verfahren Messdaten von einem oder mehreren Sensoren so zu verarbeiten, dass eine Antwort auf eine analytische Fragestellung erzeugt wird. Die Software kann ein Skript, ein komplexes Applikationsprogramm, eine Programmbibliothek oder eine Kombination von zwei oder mehreren der vorgenannten Möglichkeiten sein. Das rechentechnische Verfahren kann eine Heuristik, eine von einem Programmierer explizit spezifizierte Regel, ein mathematischer und insbesondere statistischer Algorithmus, z.B. ein Korrelationsanalyseverfahren, oder ein sonstiges explizit formuliertes Rechenverfahren sein. Das rechnerische Verfahren kann auch ein Verfahren sein, welches nur implizit formuliert ist, z.B. in Form des im Zuge eines Trainingsprozesses erstellten mathematischen Modells eines Machine-Learning-Programms. Beispielsweise kann das Modell in der Netzwerkarchitektur und den Gewichten von Netzwerkknoten eines neuronalen Netzwerks spezifiziert sein. Die analytische Fragestellung kann verschiedene Fragen betreffen, z.B. eine Frage nach dem aktuellen oder für die Zukunft vorhergesagten Zustand einer Fahrzeugkomponente (Parameter für Vibration, Leitfähigkeit, Elastizität etc. zeigen kritischen Verschleißzustand an?), oder eine Frage beim Zusammentreffen welcher Messparameterwerte ein kritischer Systemzustand erreicht wurde bzw. in der Zukunft voraussichtlich erreicht wird, die Frage nach der aktuellen und künftigen Verfügbarkeit von Treibstoff oder Verschleißteilen, oder eine Frage nach einer empfohlenen Maßnahme, um einen aktuellen oder künftigen kritischen Zustand des Fahrzeugs oder einer Fahrzeugkomponente zu verhindern oder abzumildern.
  • Unter einer „Verschlüsselungsschlüssel“ wird hier ein kryptographischer Schlüssel verstanden, der dazu ausgebildet ist, zur Verschlüsselung von Daten verwendet zu werden. Bei symmetrischen Verfahren, also bei allen klassischen Methoden der Kryptographie und auch bei modernen Algorithmen wie beispielsweise dem Data Encryption Standard (DES) oder seinem Nachfolger, dem Advanced Encryption Standard (AES), verwenden beide Kommunikationspartner denselben (geheimen) Schlüssel sowohl zum Ver- als auch zum Entschlüsseln. Asymmetrische Verfahren, wie beispielsweise das RSA-Kryptosystem, verwenden Schlüsselpaare, die aus einem öffentlichen Schlüssel (englisch public key) und einem privaten Schlüssel (engl. private key, deutsch auch „geheimer Schlüssel“) bestehen. Der öffentliche Schlüssel ist nicht geheim, er wird zumindest derjenigen Partei bekannt gegeben, die Daten in verschlüsselter Form an den Inhaber des geheimen Schlüssels senden soll. Mit dem öffentlichen Schlüssel können Daten verschlüsselt. Dabei ist es wichtig, dass ein öffentlicher Schlüssel eindeutig einer bestimmten Entität, z.B. einem Benutzer oder einem Analysemodul, zugeordnet werden kann. Um einen Geheimtext wieder zu entschlüsseln wird der private Schlüssel benötigt. Im Gegensatz zu symmetrischen Verfahren, bei denen sich mehrere Parteien einen geheimen Schlüssel teilen, verfügt bei asymmetrischen Verfahren nur eine Partei über den privaten (geheimen) Schlüssel. Daher ist es grundlegend, dass der private Schlüssel nicht aus dem öffentlichen abgeleitet werden kann.
  • Unter einem „Automatisierungssystem“ wird hier ein System zur vollautomatischen oder semiautomatischen Steuerung eines Wasserfahrzeugs verstanden. Die Steuerung erfolgt mittels festgelegten Regeln auf Basis von aktuellen Messwerten von ein oder mehreren Sensoren, die vom Automatisierungssystem in Steuerbefehle umgesetzt werden, und/oder erfolgt auf Basis von Steuerbefehlen, die ein Nutzer über eine Nutzer-Schnittstelle eingibt. Vorzugsweise ist das Automatisierungssystem ein echtzeitfähiges Automatisierungssystem. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist das Automatisierungssystem dazu ausgebildet, nicht nur aktuelle Messwerte und/oder manuell eingegebene Steuerbefehle als Input zu empfangen und das Fahrzeug entsprechend zu steuern, sondern auch Ergebnisse der Analysen von einem oder mehreren der Analysemodule, wobei das Automatisierungssystem die Ergebnisse als Steuerbefehle interpretiert und umsetzt.
  • Unter einem „Rechnerverbund“ oder Computercluster, meist einfach Cluster genannt, wird hier eine Anzahl von vernetzten Computern verstanden. Der Verbund kann so konfiguriert sein, dass die Rechenkapazität und/oder die Verfügbarkeit der Computer oder der von diesen bereitgestellten Dienste erhöht wird. Die in einem Rechnerverbund befindlichen Computer (auch „Knoten“) werden auch oft als Server bezeichnet. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung hosten die Computer des Rechnerverbunds jeweils ein oder mehrere Container, deren Verteilung auf den Computern von einer Containerverwaltungssoftware orchestriert wird. In den Containern können Analysemodule oder andere Programme ausgeführt werden, die z.B. als Dienst implementiert sein können und deren Ergebnisse an bestimmte Fahrzeugkomponenten bereitgestellt werden können. Aufgrund dieser Bereitstellungsfunktion von Analyseergebnissen können die Computer auch als „Server“ bezeichnet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
    • 1A ein Blockdiagramm eines militärischen Wasserfahrzeugs mit mehreren sensorbestückten Fahrzeugkomponenten;
    • 1B ein System umfassend mehrere militärische Wasserfahrzeuge und einen Computer mit einer Flottenanalysesoftware;
    • 2 ein Blockdiagramm eines verteilten Computersystems, das zum Speichern und Analysieren von Sensormessdaten verwendet werden kann;
    • 3 mehrere analysemodul-spezifische asymmetrische kryptographische Schlüsselpaare und deren Verwendung;
    • 4 Komponenten eines militärischen Wasserfahrzeugs mit mehreren Datenbanken und Analysemodulen.
  • 1A illustriert ein Blockdiagramm eines militärischen Wasserfahrzeugs 100 mit mehreren sensorbestückten Fahrzeugkomponenten. Beispielsweise umfassen die Fahrzeugkomponenten ein Antriebsystem 104, das z.B. einen mit Diesel betriebenen Schiffsmotor mit einem an den Motor gekoppelten Getriebe beinhaltet. In dem Antriebsystem sind mehrere Sensoren zur Messung verschiedener Parameter des Motors und des Getriebes enthalten, darunter auch ein Sensors 112 für die Drehzahl einer Welle, die mechanisch an das Getriebe gekoppelt ist.
  • Zu den Fahrzeugkomponenten des Wasserfahrzeugs gehört auch ein Navigationssystem 106 mit einem GPS Sensor 114 zur Bestimmung der aktuellen Position des Fahrzeugs sowie ein Ruder 108 mit einem Lage- oder Winkelsensor zur Bestimmung des aktuellen Winkels des Ruders relativ zur Längsachse des Wasserfahrzeugs. Außerdem ist in dem Fahrzeug eine elektronische Überwachungseinheit 110 mit mehreren Sensoren als weitere Fahrzeugkomponente verbaut, die mehrere Sensoren 118, 120 beinhaltet. Die Sensoren der Komponente 110 ermitteln automatisch und vorzugsweise kontinuierlich oder wiederholt Fahrzeugs- und Umgebungsparameterwerde. Zu diesen Parametern gehören z.B. Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Wassertemperatur, Strömungsstärke des Wassers und/oder sonstige Parameter.
  • Alle oder einige der erfassten Parameter werden unmittelbar nach ihrer Erfassung an ein Automatisierungssystem 124 weitergeleitet. Das Automatisierungssystem ist ein vollautomatisches oder semi-automatisches System zur Überwachung und Kontrolle von internen Zuständen des Wasserfahrzeugs sowie zur Steuerung der Bewegung oder sonstiger Aktionen des Fahrzeugs oder seiner Komponenten. Das Automatisierungssystem ist ein Echtzeitsystem, das dazu ausgebildet ist, die von den Sensoren empfangenen Messwerte und Eingaben von Nutzern über eine Nutzeroberfläche zu verwenden um in Abhängigkeit von diesen das Wasserfahrzeug zu steuern.
  • Mit der Zeit fallen so im laufenden Betrieb des Schiffs eine große Anzahl an Messdaten an, die mit einem Zeitstempel versehen werden, welcher die Zeit der Erzeugung der Messdaten widerspiegelt. Die Messdaten und deren Zeitstempel werden in einer Datenbank 122 gespeichert und bilden somit eine Historie der für ein oder mehrere Messparameter erfassten Parameterwerte ab. Bei der Datenbank handelt es sich z.B. um eine relationale Datenbank, z.B. PostgreSQL oder MySQL Datenbank, oder z.B. um eine NoSQL-Datenbank.
  • Die Datenbank sowie mehrere Analysemodule zur Analyse der Daten sind in einem Computersystem 126 gespeichert und instanziiert. Das Computersystem 126 kann ein Standalone-, monolithisches Computersystem sein. Vorzugsweise ist es aber ein Rechnernetz, das mehrere Computer umfasst, die zu einer funktionalen Einheit verbunden sind. Ein solches Rechnernetz ist z.B. im Hinblick auf 2 näher beschrieben.
  • Das Wasserfahrzeug beinhaltet außerdem eine Waffensystem 102, welches ebenfalls Sensoren enthält (nicht gezeigt). Da das Wasserfahrzeug auch aufgrund des Waffensystems als Ziel für gegnerische Kräfte bedeutsam ist und zudem bei einer Fehlsteuerung für die eigene Besatzung als auch für unbeteiligte Dritte eine potentielle Gefahr darstellt, ist ein sicherer Betrieb des Automatisierungssystems von besonders hoher Bedeutung. Ein „sicherer Betrieb“ bedeutet hier, dass das Automatisierungssystem wie auch die Daten auf deren Basis es seine Entscheidungen trifft vor Manipulation durch Dritte geschützt sein muss.
  • Beispiel 1: Verbesserte Überwachung und Steuerung einer Ruderanlage
  • Beispielsweise kann es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein überseeisches Wasserfahrzeug mit einer Ruderanlage, insbesondere einer Doppelruderanlage handeln. Die Ruderanlage verfügt über ein Steuersystem, das dazu ausgebildet ist, die Lage der Ruder zu überwachen und über ein Verstellsystem zu kontrollieren.
  • Derartige Anlagen werden im Stand der Technik nur gemäß SOLAS (International Convention for the Savety of Life At Sea) und damit nur rudimentär überwacht (Sammelalarm). Für militärische Wasserfahrzeuge ist die Präzision der Überwachung oft nicht ausreichend: Mit den derzeit verfügbaren Doppel-Ruderanlagen kann es vorkommen, dass die Ruder nicht synchron auf Ruderlagen-Steuerbefehle reagieren: Zum Beispiel erreicht das Steuerbord-Ruder eine Ruderlage auf den Steuerbefehl schneller als ein zu diesem korrespondierender Ruderlagen-Steuerbefehl das Backbord-Ruder erreicht. Auch bei Zeitgleichheit des Eintreffens der Befehle kann es sein, dass eine Seite der Ruderanlage den Befehl nicht so schnell umsetzen kann wie die andere Seite. Diese Asynchronität beeinträchtigt die Performance der Ruderplattform und erschwert die präzise Kontrolle weiterer Systemkomponenten, z.B. des Waffensystems. Die Ursachen für eine asynchrone Befehlsweiterleitung und/oder Umsetzung könnten vielfältig sein und auf komplexe Weise zusammenwirken: Unterschiedliche Gleiteigenschaften der Ruderschäfte, alternde Potentiometer in entsprechenden Schaltungen, unterschiedliche Steuerdrücke und vieles mehr.
  • Ausführungsformen der Erfindung begegnen diesem Problem wie folgt: Es wird eine Ruderanlage verwendet, die mit einer Vielzahl von Sensoren für mehrere unterschiedliche ruderanlagenspezifische Parameter, hier als „Ruderanlage-Parameter“ bezeichnet, enthält. Zu den Ruderanlage-Parametern gehören zwei oder mehr der folgenden Parameter: Drücke von Ölkreisläufen der Ruderanlage, Spannungen des elektrischen Steuersystems der Ruderanlage, Ströme des elektrischen Steuersystems der Ruderanlage, Position der Ruder und/oder auftretende Beschleunigungen (insbesondere Vibrationen) an den Ruderschäften. Die Sensoren der Ruderanlage sind dazu konfiguriert, regelmäßig innerhalb vergleichsweise kurzer Zeitintervalle (z.B. mindestens einmal pro Minute, vorzugsweise mindestens 10 mal pro Sekunde) eine Messung eines Ruderanlage-Parameters vorzunehmen, diesen Messwert optional zu verschlüsseln und/oder zu signieren und in einer Datenbank in Verknüpfung mit einem Zeitstempel zu speichern. In manchen Ausführungsformen kann die Aufnahmefrequenz des Sensors auch dynamisch an die Gegebenheiten angepasst werden, z.B. Erhöhung der Messfrequenz bei Änderung eines oder mehrerer relevanter Parameter über einen vordefinierten Grenzwert. Der Zeitstempel kann z.B. den Zeitpunkt angeben wann ein Messwert in die Datenbank gespeichert wird, wobei dieser Zeitpunkt sehr nahe am Zeitpunkt der Messwerterfassung liegt und daher auch diesen Zeitpunkt zumindest näherungsweise repräsentiert. Auch die Positionsdaten der Ruder der Ruderanlage werden von Sensoren als „Ruderanlage-Parameter“ erfasst, sodass es dem Steuersystem ermöglicht wird, festzustellen, ob die Ruder der Ruderlage die Positionen erreicht haben, die sie gemäß der Steuerbefehle einnehmen sollen.
  • Zusätzlich zu diesen „Ruderanlage-Parameter“ erfassen mehrere weitere Sensoren innerhalb oder außerhalb der Ruderanlage Umgebungsparameterwerte, z.B. Geschwindigkeit des Schiffes, Wassertemperatur und/oder Wassertiefe und/oder Betriebszustände weiterer Fahrzeugkomponenten, z.B. eines Pumpsystems. Sollte zum Beispiel die Geschwindigkeit des Schiffes (gemessen z.B. in Metern zurückgelegter Strecke pro Sekunde) nicht zur Verfügung stehen, können alternativ die Antriebsleistung und/oder Turbinendrehzahl als Indikator der Geschwindigkeit verwendet werden.
  • Ausführungsformen erfassen implizit die Zeiten, die eine Ruderanlage benötigt, bis die Ruder bei gegebenen Umweltbedingungen und beim gegebenen Zustand der Ruderanlage die jeweils gegebenen Steuerbefehle umsetzen und die gewünschten Positionen erreicht haben, denn die Messdaten und vorzugsweise auch die Steuerbefehle werden mit Zeitstempeln versehen und in der Datenbank gespeichert. Durch Analyse der Historie dieser Messwerte bzw. Befehle durch ein Analysemodul können somit auf einfache Weise Messwerte und Ruderwerkzustände mit den Zeitpunkten in Bezug gesetzt werden, an welchen das Steuersystem Steuerbefehle an das Stellsystem gesendet hat.
  • Gemäß Ausführungsformen wird ein Analysemodul bereitgestellt, welches anhand der erfassten und in der Datenbank gespeicherten und mit Zeitstempeln verknüpft gespeicherten Messwerte von Ruderanlage-Parametern, Umgebungsparametern und Ruderanlage-Steuerbefehlen die Zeiten ermittelt, bis ein Steuerbefehl unter den jeweils herrschenden Bedingungen vollständig von den durch den Befehl betroffenen Rudern umgesetzt wurde. Die ermittelten Zeiten werden von dem Analysemodul dazu verwendet, das Senden der Steuerbefehle und/oder den Inhalt der Steuerbefehle so anzupassen, dass die Synchronisation der Ruder der Ruderanlage verbessert wird.
  • Nach Ausführungsformen ist das Analysemodul z.B. dazu konfiguriert, Korrelationen zwischen gemessenen Ruderlegezeiten und Wertebereichen von Ruderanlage-Parametern und Umgebungsparametern zu erkennen. Es werden also eine große Menge an Faktoren berücksichtigt, nicht nur eine aktuelle Abweichung der Ruderposition von der Soll-Position, um zu ermitteln, ob und wann ein Ruder eine gewünschte Position einnehmen wird. Möglicherweise auftretende Asynchronitäten zwischen den Rudern auf Backboard-Seite und auf Steuerboard-Seite können so frühzeitig und sicher erkannt werden und es ermöglichen, frühzeitig zu reagieren und die Steuerbefehle an einzelne Ruder schnell und dynamisch, gemäß bevorzugter Ausführungsformen in Echtzeit, anzupassen. Eine Vorhersage von Asynchronitäten erlaubt es außerdem, notwendige Wartungsarbeiten vorherzusagen und erleichtert die diesbezügliche Planung.
  • Das Analysemodul für die verbesserte Steuerung der Ruderanlage kann z.B. anhand der Beschleunigungs- bzw. Vibrationsdaten mögliche Ursachen für Asynchronitäten identifizieren und an einen Nutzer ausgeben. Hierbei werden jedoch nicht nur die Beschleunigungsdaten (Schwingungen/Vibrationen), sondern auch die anderen Ruderanlage-Parameterwerte und Umgebungsparameterwerte in der Analyse berücksichtigt. Dies kann vorteilhaft sein, da auftretende Schwingungen und Vibrationen stark von der Wassertiefe, Ruderlage, Seegang, Bewuchs, Schaltungszuständen der Ruderanlage und von der Schiffsgeschwindigkeit abhängen. Ohne Berücksichtigung des Kontexts sind die Beschleunigungsdaten daher oftmals nicht ausreichend um eine exakte Steuerung der Ruderanlage oder eine exakte Vorhersage des Termins für die nächste nötige Wartung zu ermöglichen. Eine Analyse der Beschleunigungsdaten in Kombination mit den weiteren Ruderanlage-Parametern und Umgebungsparametern ermöglicht es dagegen, Schwingungszustände zu identifizieren, die etwas über die aktuelle Abweichung einer Ruder-Ist-Position von einer Ruder-Soll-Position oder den aktuellen Materialermüdungszustand der Ruderanlage auszusagen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Fahrzeugkomponenten des Wasserfahrzeugs eine Ruderanlage mit einer Steuereinheit, ein oder mehreren steuerbordseitigen und ein oder mehreren backbordseitigen Rudern. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Lage und Bewegung der steuerbordseitigen und backbordseitigen Ruder durch das Senden von Steuerbefehlen an die steuerbordseitigen Ruder einerseits und an die backbordseitigen Ruder andererseits zu koordinieren, insbesondere zu synchronisieren. Die Ruderanlage beinhaltet mehrere Sensoren, die zur Erfassung von Ruderanlage-Parameterwerten ausgebildet sind, wobei die Ruderanlage-Parameter zwei oder mehr der folgenden Messparameterwerte umfassen: aktuelle Lage der Ruder, Schwingungen der Ruder, Bewuchs der Ruder (z.B. mittels optischem Sensor oder mit Kraftsensor, der die Kraft in Richtung der Anströmung misst), Schwingungen von Komponenten der Ruderanlage, Schaltungszustände der Ruderanlage.
  • Ein oder mehrere der anderen Fahrzeugkomponenten und/oder der Ruderanlage beinhalten zudem mehrere Sensoren, die zur Erfassung von Umgebungs-Parameterwerten ausgebildet sind, wobei die Umgebungs-Parameter zwei oder mehr der folgenden Messparameterwerte umfassen: Wassertiefe, Seegang, Schiffsgeschwindigkeit.
  • Eines der Analysemodule ist ein Analysemodul für die verbesserte Steuerung der Ruderanlage und ist dazu ausgebildet, die Ruderanlage-Parameterwerte, die Umgebungs-Parameterwerte sowie Zeitdauern zwischen einem Senden der Steuerbefehle von der Steuereinheit an die jeweiligen Ruder bis zur Umsetzung der Steuerbefehle zu analysieren, um Korrelationen zwischen den Zeitdauern, den Ruderanlage-Parameterwerten, und den Umgebungs-Parameterwerten zu erkennen und/oder um die Koordination der Ruder der Ruderanlage zu verbessern.
  • Beispielsweise kann das Analysemodul für die verbesserte Steuerung der Ruderanlage dazu ausgebildet sein, automatisch festzustellen, dass bei dem gegebenen Seegang und Bewuchs der Befehl an die steuerbordseitigen Ruder 400 Millisekunden früher gesendet werden muss als der zu diesem korrespondierende Steuerbefehl an die backbordseitigen Ruder. Das Analysemodul sendet ein entsprechendes Kontrollkommando an die Steuereinheit der Ruderanlage und veranlasst hierdurch die Steuereinheit, den Befehl an die steuerbordseitigen Ruder erst nach der besagten Verzögerung an die backbordseitigen Ruder zu senden.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist das Analysemodul für die verbesserte Steuerung der Ruderanlage dazu ausgebildet, die Ruderanlage-Parameterwerte, die Umgebungs-Parameterwerte, die Zeitdauern zwischen einem Senden der Steuerbefehle von der Steuereinheit an die jeweiligen Ruder bis zur Umsetzung der Steuerbefehle und zusätzlich Zustands- und/oder Vibrationsparameterwerte zu analysieren, die von Sensoren anderer Fahrzeugkomponenten, insbesondere des Motors und/oder des Getriebes und/oder einer Radaranlage, erfasst wurden, um Korrelationen zwischen den Zeitdauern, den Ruderanlage-Parameterwerten, den Umgebungs-Parameterwerten und den Zustands- und/oder Vibrationsparameterwerten der anderen Fahrzeugkomponenten zu erkennen und/oder um die Koordination der Ruder der Ruderanlage zu verbessern.
  • Diesen Merkmalen liegt die Beobachtung zu Grunde, dass auch Fahrzeugkomponenten das Verhalten und die Steuerbarkeit der Ruderanlage beeinflussen können, die nicht einem explizit steuernden Zusammenhang mit der Ruderanlage stehen. So könnte z. B. eine Radaranlage durch die von einem Antriebs-Dieselmotor bei einer bestimmten Geschwindigkeit erzeugte Frequenz angeregt werden, die zu einer negativen Beeinflussung der Ruderanlage führt.
  • Beispielsweise kann die Steuerung in Form von Logik-Regeln implementiert sein. Diese Regeln können neben der hier beschriebenen Steuerung der Ruderanlage auch zur Steuerung anderer Wasserfahrzeugkomponenten verwendet werden. Beispielsweise kann eine der Logikregeln beinhalten, dass ein Verbrennungsmotor sich nur starten lässt, wenn mindestens ein Abgasweg geöffnet ist. Bei jedem Startvorgang dieses Motors wird diese Regel ausgeführt und je nach Ergebnis der Prüfung ob ein Abgasweg offen ist entweder ein solcher Abgasweg automatisch geöffnet oder der Startvorgang - ggf. begleitet von einer Meldung an den Nutzer - abgebrochen.
  • Beispiel 2: Verbesserte Erkennung und Vorhersage von Verbrauch und Zuständen
  • Umgebungsparameter und zustandsbezogene Parameter von Fahrzeugkomponenten hängen in komplexer Weise voneinander ab.
  • Wenn beispielsweise die Seewassertemperatur höher ist, arbeiten die Kühlsysteme, die Seewasser zur Kühlung verwenden, anders als bei kaltem Seewasser. Die Stromaufnahme erhöht sich und die für die Stromerzeugung verwendeten Dieselmotoren werden stärker belastet. Dies hat dann wiederum Auswirkungen auf Wartung und Verschleiß der Aggregate, die durch eine höhere Seewassertemperatur nicht nur höher belastet werden, weil mehr Energie für die Kühlung verwendet werden muss, sondern zusätzlich schlechter ihre eigene Kühlung realisieren können, da die Maschinen und Kapseln in der Regel ebenso mit Seewasser gekühlt werden wie der Motor selbst. Die Leistungskennwerte von seewassergekühlten Fahrzeugkomponenten sind daher oftmals schlecht vergleichbar und die Vorhersagen bezüglich ihres Energieverbrauchs mit Unsicherheiten behaftet.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist eines der Analysemodule dazu konfiguriert, den aktuellen oder künftigen Energieverbrauch und/oder den aktuellen oder künftigen Verschleißgrad einer Fahrzeugkomponente in Abhängigkeit von der Temperatur des als Kühlwasser verwendeten Umgebungswassers zu berechnen.
  • Mit dieser Datengrundlage können z.B. auch automatisch gleichartige Betriebsmodi des gesamten Wasserfahrzeugs gefunden werden, z.B. Betriebsmodi, die durch die Temperatur des Umgebungswassers definiert sind, um die Bewertung von Messdaten und/oder sonstiger Leistungsparameter des ganzen Wasserfahrzeugs so zu berücksichtigen, dass nur vergleichbare Betriebsmodi des Fahrzeugs miteinander verglichen werden.
  • Weiterhin können durch Analyse von Leistungs- und Zustandsmesswerten, die von Sensoren einer Vielzahl von Fahrzeugkomponenten erfasst und in der Datenbank gespeichert wurden sowie durch Erfassung und Analyse der Nutzungsprofile der einzelnen Fahrzeugkomponenten (die z.B. spezifizieren, wie oft welche ggf. redundanten Fahrzeugkomponenten bei welchen Situationen verwendet werden und/oder wie hoch die Auslastung verschiedener Fahrzeugkomponenten bei unterschiedlichen Bereitschafts- und Nutzungszuständen ist) kann sowohl die Inbetriebnahmeals auch die Nutzungsphase verschiedener Fahrzeugkomponenten verbessert werden. Diese Erkenntnisse können es ermöglichen, automatisch oder manuell die Betriebsmodi einzelner Fahrzeugkomponenten zu optimieren oder die technischen Eigenschaften einer (neuen) Fahrzeugkomponente zu verbessen.
  • Beispiel 3: Fahrzeugübergreifende Analysen
  • Die Erfassung und Speicherung einer Vielzahl an Messwerten über längere Zeiträume hinweg (Messwerthistorie) gemäß Ausführungsformen der Erfindung hat bereits auf der Anwendungsebene erhebliche Vorteile.
  • Weitere erhebliche Vorteile ergeben sich für Systeme, gemäß welchen die Messwert-Historien mehrerer Parameter, die von mehreren Wasserfahrzeugen erfasst wurden, durch eine Flottenanalysesoftware analysiert wird. Beispielsweise kann zumindest für die Ruderanlage der Fahrzeuge ein Erfassungssystem und Analysemodul entwickelt wurden sein wie für Beispiel 1 beschrieben. Die Ruderanlagen der verschiedenen Fahrzeuge können, müssten aber nicht, typgleich sein (also z.B. vom gleichen Hersteller stammen). Denn selbst falls sich die Ruderanlagen leicht unterscheiden, können zumindest Subsysteme wie z.B. die einzelnen Sensoren der Ruderanlage oder die Steuereinheit typgleich oder vergleichbar sein. Oftmals verwenden verschiedene Hersteller von bestimmten Fahrzeugkomponenten die gleichen, von einem Zulieferer gestellten Bauteile.
  • Durch Import der Datenbanken mit den Messwert-Historien mehrerer Wasserfahrzeuge in eine zentrale und besonders geschützte Datenbank, z.B. innerhalb der sicheren Infrastruktur eines Heimathafens, können also plattformübergreifende Auswertungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der historischen Daten im Zuge des Aufenthalts eines Wasserfahrzeugs im Heimathafen in die zentrale Datenbank importiert und von der Datenbank des Wasserfahrzeugs gelöscht werden. Dies erhöht die Datensicherheit und reduziert den Speicherbedarf der Datenbank des Wasserfahrzeugs.
  • Die verschiedenen Datensätze können mehrfach dienlich sein. Die Flottenanalysesoftware kann z.B. durch Analyse verschiedener Umgebungsparameter wie Luft- und Wassertemperatur, Strömungsverhältnissen etc. feststellen ob die Fahrzeuge bzw. Fahrzeugkomponenten unter vergleichbaren Bedingungen betrieben wurden bzw. solche Fahrzeuge und Komponenten identifizieren, die unter vergleichbaren, d.h., hinreichend ähnlichen, Bedingungen betrieben wurden. Im nächsten Schritt kann die Flottenanalysesoftware dann analysieren und erkennen, ob Fahrzeugkomponenten eines bestimmten Typs oder Herstellers im Hinblick auf ein oder mehrere Leistungsparameter besser oder schlechter sind als funktionsgleiche Fahrzeugkomponenten eines anderen Typs oder eines anderen Herstellers. So kann ein bereits aufgetretenes Problem auf der einen Fahrzeugkomponente ggf. auf einer anderen verhindert werden. Weiterhin kann Fahrzeugübergreifend festgestellt werden, wie eine bestimmte Fahrzeugkomponente besser betrieben werden kann oder eben nicht betrieben werden soll, um bestimmte Schäden zu vermeiden.
  • Die von der Flottenanalysesoftware berechneten Handlungsempfehlungen können an einen Nutzer ausgegeben werden um diesen dazu zu veranlassen, Verbesserungen für eine bestimmte Fahrzeugkomponenten sowie typgleiche oder typähnliche Komponenten vorzunehmen. Gemäß manchen Ausführungsformen können einzelne Analysemodule und/oder die Flottenanalysesoftware dazu konfiguriert sein, auch taktische Empfehlungen aufgrund der Daten der Datenbank(en) zu berechnen und auszugeben.
  • 1B zeigt ein System 150 mit mehreren militärische Wasserfahrzeugen 100, 130, 132. Jedes der Wasserfahrzeuge kann ausgebildet sein als ein Wasserfahrzeug der hier beschriebenen Ausführungsformen. Vorzugsweise gehören die Wasserfahrzeuge alle zum gleichen oder zu einem ähnlichen Fahrzeugtyp. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wasserfahrzeuge zu unterschiedlichen Fahrzeugtypen gehören, auch in diesem Fall kann eine Auswertung der Sensordatenhistorien für mehrere Wasserfahrzeuge vorteilhaft sein, z.B. wenn die Fahrzeuge unterschiedlichen Typs einige oder mehrere Fahrzeugkomponenten des gleichen Typs beinhalten, sodass ein Vergleich der komponentenbezogenen Messwerte zumindest für diese Fahrzeugkomponenten sinnvoll ist.
  • Das System 150 beinhalten außerdem ein Computersystem 134, das z.B. als einzelner Rechner oder Rechnerverbund ausgebildet sein kann. Das Computersystem beinhaltet eine Schnittstelle 136 zum sicheren Import des Inhalts der Datenbanken der Wasserfahrzeuge 100, 130, 132. Je nach Implementierungsvariante kann die Schnittstelle 136 unterschiedlich implementiert sein. Es kann sich z.B. über eine kabelgebundene Schnittstelle handeln, z.B. auf Basis der Glasfasertechnologie, die eine rasche Übertragung von großen Datenmengen zulässt. In manchen Fällen kann es sich aber auch um eine kontaktlose Schnittstelle handeln, z.B. über eine Schnittstelle einer Funkverbindung, oder um eine USB-Schnittstelle zum Import von Daten auf einem portablen Laufwerk über USB. In jedem Fall sind mehrere technische und/oder organisatorische Sicherheitsvorkehrungen getroffen, um sicherzustellen, dass die Daten während der Übertragung nicht ausgelesen oder manipuliert werden können. Beispielsweise kann die Übertragung nur verschlüsselt über einen Ende-zu-Ende verschlüsselten Datenübertragungskanal erfolgen. Oder es kann eine Authentifizierung des die Datenübertragung veranlassenden Nutzers erforderlich sein, z.B. über passwortbasierte und/oder biometrische Authentifizierungsverfahren. Beispielsweise kann das Computersystem 134 und die Schnittstelle 136 zur sicheren Datenübertragung Bestandteil der IT-Infrastruktur eines Heimathafens sein, die dazu genutzt werden kann, die von den Wasserfahrzeugen während ihrer Einsätze automatisch erzeugten Messdaten zu importieren und gesammelt auszuwerten.
  • Die Auswertung der Daten mehrerer Wasserfahrzeuge wird von einer Flottenanalysesoftware 138 durchgeführt, die auf dem Computersystem 134 instanziiert ist. Die Flottenanalysesoftware analysiert die importierten Messwerte der Datenbanken der Wasserfahrzeugen. Die importierten Daten können z.B. in einer zentralen relationalen Datenbank auf dem Computersystem 134 gespeichert und dort analysiert werden. Die Flottenanalysesoftware erkennt im Zuge der Analyse automatisch, ob die Messwerte unterschiedlicher Wasserfahrzuge von Fahrzeugkomponenten gleichen Typs erfasst wurden. Diese Information kann hilfreich sein um sicherzustellen, dass die richtigen Messwerte verglichen werden. Ein Temperatursensor eines Motors misst die Motortemperatur, ein Temperatursensor an der Außenseite des Fahrzeugs unterhalb des Wasserspiegels misst die Wassertemperatur. Es ist wichtig, bei der Analyse zu berücksichtigen, von welchem Sensor bzw. von welcher Fahrzeugkomponente ein Parameterwert „Temperatur“ stammt, denn ein Vergleich ist in der Regel nur dann sinnvoll, wenn die Messwerte von Sensoren und Komponenten gleichen oder ähnlichen Typs stammen, also z.B. nur die Temperaturwerte für die Komponente „Motor“ miteinander verglichen werden. Vorzugsweise wird auch der Hersteller bei der Analyse miteinbezogen. Es kann z.B. sein, dass unterschiedliche Hersteller des gleichen Typs von Fahrzeugkomponente (Motor) den Sensor an leicht unterschiedlichen Positionen anbringen oder unterschiedliche Sensortypen verwenden. In diesem Fall kann die Berücksichtigung der unterschiedlichen Hersteller bzw. sonstiger relevanter Umstände dazu beitragen, falsche Analyseergebnisse aufgrund einer fehlerhaften Interpretation kleinerer herstellerbedingter Messwertabweichungen erzeugt werden.
  • Im Zuge der Analyse erkennt die Flottenanalysesoftware dasjenige der Wasserfahrzeuge anhand der importierten Messdaten, welches oder welche der Wasserfahrzeuge im Hinblick auf zumindest ein bestimmtes Zielkriterium optimal oder am schlechtesten beschaffen sind. Bei dem Zielkriterium handelt es sich um ein technisches Bewertungskriterium wie z.B. dasjenige Fahrzeug mit dem besten Füllstand von Energie und Verschleißteilreserven, dasjenige Fahrzeug mit dem geringsten Wartungsstau und/oder mit der längsten Zeit bis zur Fälligkeit der nächsten Inspektion. Zusätzlich oder alternativ dazu erkennt die Flottenanalysesoftware kritische Zustände von Fahrzeugkomponenten in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge. Beispielsweise kann die Flottenanalysesoftware all diejenigen Fahrzeuge identifizieren, in welchen Vibrationsparameter darauf hindeuten, dass innerhalb der letzten 6 Monate in einem Motor z.B. aufgrund von Materialermüdung oder anderer ungünstiger Faktoren Temperaturen und/oder Drehzahlwerte gemessen wurden, die als gefährlich für die Fahrzeugkomponente und/oder die Besatzung angesehen werden muss.
  • In manchen Ausführungsformen ist die Flottenanalysesoftware dazu ausgebildet, den Zeitpunkt des Eintretens eines kritischen Zustands einer Fahrzeugkomponente in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge vorherzusagen. Das könnte der Zeitpunkt sein, an welchem Energie-, Sauerstoffgas-, oder Lebensmittelvorräte zur Neige gehen, an welchem mit einem Versagen eines essentiellen Bauteils aufgrund von Verschleiß zu rechnen ist oder dergleichen.
  • In manchen Ausführungsformen ist die Flottenanalysesoftware außerdem dazu ausgebildet, automatisch ein oder mehrere Umgebungs-Parameter und/oder Fahrzeugkomponenten-Parameter und deren entsprechende Parameterwertebereiche zu identifizieren, die ursächlich für einen kritischen Zustand einer der Fahrzeugkomponenten in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge sind. Dies ist ein besonders vorteilhafter Aspekt gerade im Kontext hoch komplexer militärischer Wasserfahrzeuge: bisweilen sind Fahrzeugkomponenten und Bauteile schon deutlich vor dem erwarteten, normalen Lebenszeitende defekt, ohne dass hierfür eine eindeutige Ursache zu erkennen ist. Bisweilen ist auch zu beobachten, dass ein bestimmtes Bauteil in einem bestimmten Wasserfahrzeug immer wieder versagt während das gleiche Bauteil in anderen Wasserfahrzeugen des gleichen Typs und mit den gleichen Komponenten deutlich länger hält. Angesichts des hochkomplexen Zusammenwirkens verschiedener Bauteile und Umweltfaktoren wird regelmäßig vermutet, dass die Ursache des Problems in einer Wechselwirkung des Bauteils mit seiner Umgebung besteht, wobei nicht genau bekannt ist, welche Ursache konkret für das Versagen des Bauteils verantwortlich ist. Die mechanischen Belastungen von Bauteilen hängen von verschiedensten Faktoren ab, zum Beispiel dem Vibrationsverhalten räumlich benachbarter Bauteile, dem Seegang, Wind und Strömungsbedingungen denen das Fahrzeug im Rahmen seines Einsatzes ausgesetzt ist und nicht zuletzt auch von manuell eingegebenen Steuerbefehlen der Besatzung. Angesichts dieser Komplexität ist es oft nicht möglich, konkrete Ursachen für den Ausfall von Komponenten durch genaue Inspektion eines bestimmten Fahrzeugs zu identifizieren. Erst durch eine Analyse einer Vielzahl von Messwerten, die über einen längeren Zeitraum von den Sensoren einer Vielzahl von Wasserfahrzeugen erfasst und gespeichert wurden, ist es möglich, den Ausfall bestimmter Bauteile mit dem Zusammenwirken mehrerer anderer Faktoren zu korrelieren, zum Beispiel einer bestimmten Fahrweise, einer bestimmten Lufttemperatur, eines bestimmten Salzgehalts, bestimmten Strömungsverhältnissen und der Verwendung bestimmter weiterer Bauteile und Fahrzeugkomponenten anderer Hersteller. Somit ermöglicht die Flottendiagnose eine verbesserte Fehlerdiagnose aufgrund einer breiteren Datenbasis einschließlich der Erkennung von Fehlern, die in höchst komplexer, oftmals nichtlinearer Weise durch Zusammenwirken mehrerer spezifischer Faktoren verursacht werden.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm eines verteilten Computersystems 126, das zum Speichern und Analysieren von Sensormessdaten verwendet werden kann. Das hier gezeigte Computersystem beinhaltet 5 Computer 202, 204, 206, 208, die funktional über ein Netzwerk 280, zum Beispiel ein Intranet, zu einem Rechnerverbund miteinander verbunden sind und auf welchen jeweils mehrere Container 212-230 instanziiert sind. Jede der Computer verfügt über ein oder mehrere Prozessoren 240, 242, 244, 246, Arbeitsspeicher 248, 250, 252, 254 sowie optional auch über ein oder mehrere nicht-flüchtige Datenspeicher.
  • In jedem der Container ist maximal eine Instanz eines Analysemoduls enthalten und wird dort ausgeführt. Beispielsweise können die Analysemodule jeweils als sogenannter Mikroservice implementiert sein.
  • Einige Analysemodule sind nur in einer einzigen Instanz vertreten. Beispielsweise läuft Analysemodul AM2 nur in Form einer einzigen Instanz 262 innerhalb des Containers 214, das Analysemodul AM3 nur in Form einer einzigen Instanz 264 in Container 216, und Analysemodul AM4 nur in Form einer einzigen Instanz 268 in Container 222. Manche Analysemodule können aber auch in mehreren Instanzen innerhalb einer entsprechenden Anzahl an Containern ausgeführt werden. Beispielsweise ist Analysemodul AM1 in Form der beiden Instanzen 260, 266 in den Containern 212 bzw. 220 instanziiert.
  • Wie viele Instanzen der einzelnen Analysemodule instanziiert und/oder geschlossen werden und auf welchem der Rechner dies geschieht wird von der Containerverwaltungssoftware 256 gesteuert. Die Software 256 orchestriert die Instanziierung, Migration und Schließung von Containern und darin enthaltenen Analysemodulen dynamisch nach verschiedenen Optimierungskriterien, die vorzugsweise von einem Nutzer konfigurierbar sind. Optimierungskriterien können zum Beispiel Load-Balancing, Upscaling und Downscaling Kriterien sein, die dafür sorgen, dass die Rechenlast ausgewogen unter den Computern verteilt ist, manche häufig benötigte Analysemodule parallel in mehreren Instanzen ausgeführt werden können, eine schnelle Antwortzeit und/oder hohe Ausfallsicherheit gewährleistet wird.
  • Die von den Sensoren der verschiedenen Fahrzeugkomponenten des Wasserfahrzeugs 100 erfassten Messdaten werden in einer Datenbank 122 gespeichert. Um die Ausfallsicherheit der Datenbank zu erhöhen werden die Inhalte der Datenbank in redundanter Weise auf den verschiedenen Computern 202-208 verteilt gespeichert. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur verteilten, redundanten Speicherung von Daten bekannt, zum Beispiel die Speicherung mittels Fehlerkorrekturverfahren unter Verwendung von Fehlerkorrekturbits. In manchen Ausführungsformen können einige der Container 224-230 auch zur Speicherung von Teilen der Daten der Datenbank verwendet werden.
  • Das Automatisierungssystem 124 beinhaltet ebenfalls ein oder mehrere Prozessoren 282, Arbeitsspeicher 284 und eine Automatisierungssoftware 286. Die Automatisierungssoftware ist dazu konfiguriert, aktuell erfasste Messdaten von zumindest einigen der Sensoren dynamisch zu empfangen und diese, gegebenenfalls zusammen mit von einem Nutzer eingegebenen Befehlen, als Input zu verwenden, um ein oder mehrere Steuerbefehle aus diesem Input abzuleiten und auf Basis der Steuerbefehle das Verhalten der ein oder mehreren Fahrzeugkomponenten 102, 104, 106, 108, 110 automatisch zu steuern.
  • Das Computersystem 290 mit dem Automatisierungssystem 124 ist über einen Datenkommunikationskanal 292 mit dem Rechnerverbund 126 verbunden. In manchen Ausführungsformen kann das Automatisierungssystem über die Datenverbindung 292 eine Anfrage an einen Zugriffsdienst 288 senden, um über diesen Daten aus der verteilt gespeicherten Datenbank 122 zu lesen und für die Berechnung von Steuerbefehlen zu verwenden. Das Automatisierungssystem ist operativ entkoppelt von den Analysemodulen, das heißt, es läuft vorzugsweise auf einem anderen Computer und greift, sofern es die in der Datenbank gespeicherten Messwerte nutzt, asynchron zu den Analysemodulen auf die Messwerte zu.
  • 3 zeigt mehrere analysemodul-spezifische asymmetrische kryptographische Schlüsselpaare die zur sicheren Übertragung und Speicherung von Messdaten verwendet werden können.
  • Beispielsweise kann das Antriebssystem 104 von einem ersten Hersteller H1 hergestellt werden. Der Hersteller H1 entwickelt außerdem ein Analysemodul AM4, dass dazu ausgebildet ist, Messwerte, die von einem oder mehreren Sensoren 112 des Antriebs erfasst werden, zu analysieren, um automatisch den aktuellen und/oder künftigen Zustand des Antriebssystems 104 vorherzusagen. Vor oder im Zuge der Entwicklung des Analysemoduls AM4 erzeugt der Hersteller H1 ein erstes asymmetrisches kryptographisches Schlüsselpaar mit einem ersten geheimen Entschlüsselungsschlüssel 344 und einem dazu korrespondierenden öffentlichen Verschlüsselungsschlüssel 332. Vor Auslieferung des Analysemoduls AM4 an den Betreiber oder Hersteller des militärischen Wasserfahrzeugs 100 wird der geheime kryptographische Entschlüsselungsschlüssel 344 so in dem Analysemodul AM4 integriert, dass er nicht von unberechtigten Dritten ausgelesen werden kann. Außerdem wird der Drehzahlsensor 112 des Antriebssystems 104 mit dem öffentlichen Verschlüsselungsschlüssel 332 versehen.
  • Die öffentlichen Schlüssel, hier sämtlich mit dicken Umrisslinien dargestellt, können zusammen mit ihren jeweils korrespondierenden privaten Schlüsseln für jeden einzelnen Sensor einer Fahrzeugkomponente spezifisch erstellt werden. In anderen Ausführungsformen ist es jedoch auch möglich, dass sich alle Sensoren einer Fahrzeugkomponente das gleiche kryptographische Schlüsselpaar bzw. den öffentlichen Schlüssel dieses Paares teilen und den öffentlichen Schlüssel dazu verwenden, die von den Sensoren jeweils erfassten Messdaten zu verschlüsseln. Eine sensorindividuelle Erzeugung von Schlüsselpaaren hat den Vorteil einer sehr feingranularen Steuerung der Zugriffsrechte. Eine fahrzeugkomponenten-individuelle Erzeugung von Schlüsselpaaren und die Verwendung des gleichen öffentlichen Schlüssels durch die Sensoren der gleichen Fahrzeugkomponente hat den Vorteil der vereinfachten Schlüsselverwaltung, denn in der Regel, wenn auch nicht immer, haben die von verschiedenen Sensoren eines Fahrzeugs erfassten Messdaten identische oder ähnliche Anforderungen an deren Geheimhaltung.
  • Alle Messwerte, die der Sensor 112 erfasst, um diese in der Datenbank 122 zu speichern, werden mit dem öffentlichen Schlüssel 332 verschlüsselt. Das bedeutet, dass alle anderen Analysemodule AM1, AM2 und AM3 die von dem Drehzahlsensor 112 erfassten und mit dem Schlüssel 332 verschlüsselten Daten nicht entschlüsseln können.
  • In einer Ausführungsform ist der Drehzahlsensor 112 allerdings dazu konfiguriert, Kopien der von ihm erfassten Messwerte mit einem öffentlichen Schlüssel 330, der einem Analysemodul AM3 eines anderen Herstellers H2 zugewiesen ist, zu verschlüsseln, sodass dieses Analysemodule AM3 die Kopien mit seinem korrespondierenden privaten kryptographischen Schlüssel 342 entschlüsseln kann. Beispielsweise können vertragliche Vertrauensbeziehungen zwischen Hersteller H1 und Hersteller H2 des Ruders 108 bestehen, sodass der Sensor 112 des Antriebssystems die von ihm erfassten Messwerte nicht nur mit dem öffentlichen Schlüssel 332, sondern in Kopie auch mit dem öffentlichen Schlüssel 330 verschlüsselt, sodass nicht nur Analysemodul AM4 sondern auch Analysemodul AM3 auf diese Messwerte zugreifen und entschlüsseln kann.
  • In analoger Weise kann die Fahrzeugkomponente 110, die einen Temperatursensor 120 und einen Drucksensor 118 beinhaltet, von einem dritten Hersteller H3 hergestellt werden. Der Hersteller H3 entwickelt außerdem die Analysemodule AM5 und AM6, die in mehreren Kopien auf dem Computersystem 126 instanziiert sein können. Module AM5 und AM6 werten beide jeweils sowohl Temperaturdaten als auch Druckdaten aus, allerdings im Hinblick auf unterschiedliche Analysezwecke bzw. Fragestellungen. Der Sensor 120 erzeugt seine Messdaten in Form von zwei Kopien von Messdaten, die mit unterschiedlichen öffentlichen Schlüsseln 324, 322 verschlüsselt sind. Auch der Sensor 118 erzeugt seine Messdaten in Form von zwei Kopien von Messdaten, die mit den öffentlichen Schlüsseln 324, 322 verschlüsselt sind. Daten, die mit dem Schlüssel 322 verschlüsselt wurden können von jedem Analysemodul, das den zugehörigen privaten Schlüssel 334 enthält, entschlüsselt und verarbeitet werden. Daten, die mit dem Schlüssel 324 verschlüsselt wurden können von jedem Analysemodul, das den zugehörigen privaten Schlüssel 336 enthält, entschlüsselt und verarbeitet werden. Jede der mehreren Instanzen 306-312 des Analysemoduls AM5 beinhaltet den privaten Schlüssel 334. Jede der mehreren Instanzen 314-318 des Analysemoduls AM6 beinhaltet den privaten Schlüssel 336.
  • Das Ruder 108 beinhaltet in dem dargestellten Beispiel drei Sensoren unterschiedlichen Typs, darunter der Winkelsensor 114. Jedem der Sensoren ist ein öffentlicher Schlüssel 326-330 zugeordnet, der mit einem korrespondierenden privaten Schlüssel 338-342 ein asymmetrisches kryptographisches Schlüsselpaar bildet. Die von den Sensoren erfassten Messwerte werden in dreifacher Kopie verschlüsselt jeweils mit einem anderen der öffentlichen Schlüssel in die Datenbank gespeichert. Analysemoduls AM1 kann nur diejenigen Daten entschlüsseln, die mit dem öffentlichen Schlüssel 326 verschlüsselt wurden. Analysemoduls AM2 kann nur diejenigen Daten entschlüsseln, die mit dem öffentlichen Schlüssel 328 verschlüsselt wurden. Analysemoduls AM3 besitzt allerdings zwei private Schlüssel 340, 342 und kann daher Daten entschlüsseln, die mit dem öffentlichen Schlüssel 328 oder mit dem öffentlichen Schlüssel 330 verschlüsselt wurden.
  • Diese genaue Kontrolle von Zugriffsrechten ist gerade im Bereich militärischer Wasserfahrzeuge sehr vorteilhaft, denn oftmals ist erst eine Kombination bestimmter Daten sicherheitskritisch, nicht einzelne Datenwerte. Beispielsweise sind GPS Positionsdaten in jedem Fall sicherheitskritisch, denn sie erlauben es gegnerischen Einheiten, einen Angriff auf das Wasserfahrzeug einzuleiten. Die Position des Wasserfahrzeugs unterhalb des Wasserspiegels (falls es sich um ein U-Boot handelt) ist allein in der Regel nicht kritisch, sofern keine weiteren Positionsdaten bekannt sind. Gleiches gilt für Daten wie Wassertemperatur oder Strömungsverhältnisse. Allerdings erlaubt eine Kombination der Position des Wasserfahrzeugs unter Wasser mit Strömungs- und Temperaturdaten in manchen Fällen eine zumindest ungefähre Bestimmung der aktuellen Position des Wasserfahrzeugs.
  • Die Verwendung verschiedener Verschlüsselungsschlüssel für verschiedene Arten von Messdaten gemäß Ausführungsformen der Erfindung erlaubt eine feingranulare Kontrolle des Zugriffs auf diese Messdaten. Analysemodule haben nur einen oder nur einige wenige private Schlüssel und können somit nur auf diejenigen Messdaten zugreifen und diese verarbeiten, die von einem Sensor erfasst wurden, der einen zu diesen privaten Schlüssel korrespondierenden öffentlichen Schlüssel zur Verschlüsselung verwendet hat.
  • Nach Ausführungsformen verfügt eine einzelne besonders vertrauenswürdige Software über eine Kopie aller privaten Schlüssel der Analysemodule. Beispielsweise kann die besonders vertrauenswürdige Software ein weiteres Analysemodul mit erweiterter Berechtigung sein, das vom Betreiber des Fahrzeugs entwickelt wurde. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Flottenanalysesoftware über eine Kopie aller privaten Schlüssel der Analysemodule verfügen, um die Daten aller Sensoren aller Wasserfahrzeuge einer Flotte analysieren zu können.
  • 3 zeigt die Zuweisung von privaten Entschlüsselungsschlüsseln an die einzelnen Analysemodule und die Zuweisung von öffentlichen Verschlüsselungsschlüssel an die Sensoren (oder diese Sensoren enthaltenden Fahrzeugkomponenten). Die Sensoren erheben Messdaten und verschlüsseln diese mit den ihnen zugewiesenen öffentlichen Schlüsseln.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden weitere asymmetrische kryptographische Schlüsselpaare den Sensoren und Analysemodulen zugeiwesen, allerdings zum Zwecke der Signaturprüfung (hier nicht dargestellt). In diesem Fall werden private Signierschlüssel den einzelnen Sensoren oder den diese Sensoren beinhaltenden Fahrzeugkomponenten zugewiesen. Die Sensoren oder Fahrzeugkomponenten verwenden die Signierschlüssel, um die erfassten und optional verschlüsselten Messdaten zu signieren. Die einzelnen Analysemodule haben Zugriff auf öffentliche Signaturprüfschlüssel, die jeweils mit einem der Signierschlüssel ein asymmetrisches kryptographisches Schlüsselpaar bilden. Beispielsweise können die öffentlichen Signaturprüfschlüssel Bestandteil einzelner Analysemodule sein. Die Analysemodule sind dazu konfiguriert, die Validität der Signaturen der Messdaten mit Signaturprüfschlüsseln zu prüfen, und die Messdaten nur dann weiterzuverarbeiten wenn deren Signatur valide ist.
  • 4 zeigt beispielhaft einige Komponenten eines militärischen Wasserfahrzeug mit mehreren Analysemodulen („AMs“) und einer Datenbank 122. Die Datenbank 122 ist hier in Form von zwei unterschiedlichen Datenbanken realisiert, die jeweils unterschiedliche Teile der Daten beinhalten. Datenbank 122.1 enthält Messdaten mit einem normalen Sicherheitsniveau, die ganz oder in Teilen in unverschlüsselter Form vorliegen. Datenbank 122.2 dagegen beinhaltet sensible Messdaten, die im militärischen Bereich auch als „rote Daten“ bezeichnet werden, und die vorzugsweise mit einem oder mehreren verschiedenen kryptographischen Schlüsseln verschlüsselt sind, z.B. gemäß eines im Hinblick auf 3 beschriebenen Verschlüsselungsverfahrens. Die Box 406 repräsentiert eine Vielzahl unterschiedlicher Messwerte von unterschiedlichen Sensoren verschiedener Fahrzeugkomponenten. Beispielsweise können die Messwerte von folgenden Fahrzeugkomponenten und Subsystemen stammen: diverse interne Messdaten (z.B. zustandsbezogene Messwerte verschiedener Fahrzeugkomponenten), SBM (schadensbezogene Messdaten, z.B. bezüglich Schäden nach Havarie und/oder Kampfeinsatz), EBM (Energiebezogene Messdaten, z.B. Zustandsdaten eines Dieselaggregats), ONA (own noise analysis) und Vibrationsdaten. Insbesondere die Vibrationsdaten sind wichtig um aktuelle und künftige Systemzustände abschätzen zu können, da diese Daten es in den meisten Fällen ermöglichen, mechanischen Betriebsprobleme von sich drehenden Maschinen zu identifizieren, insbesondere Alterungsprozesse in Stahlkonstruktionen.
  • Die Ausgabeschnittstelle 404 kann z.B. ein Bildschirm oder ein Lautsprecher sein oder eine Maschine-zu-Maschine-Schnittstelle. Beispielsweise kann die Schnittstelle eine GUI sein, die dem Nutzer 424 das Ergebnis der Analyse der einzelnen Analysemodule anzeigt, um dem Nutzer zu ermöglichen, geeignete Maßnahmen zu ergreifen.
  • Beispielsweise kann das Analysemodul 410 ein Analyseergebnis erzeugen, wonach die Energievorräte in drei Tagen bei gleichbleibendem Verbrauch erschöpft sein werden. Das Ergebnis wird dem Nutzer über den Bildschirm angezeigt sodass dieser selbst geeignete Maßnahmen ergreifen kann, z.B. rechtzeitig einen Hafen ansteuern oder den Energieverbrauch drosseln. Das Analysemodul für 112 kann durch Analyse mehrerer Messwerte wie zum Beispiel aktuell verfügbare Energievorräte, Strömungsverhältnisse, Windverhältnisse in Kombination mit vom Nutzer spezifizierten Daten wie zum Beispiel gewählter Route für die nächsten Tage die voraussichtliche Reichweite der Energievorräte Vorhersagen. Für den Fall, dass die Berechnung ergibt, dass bei der aktuell gewählten Route die Energievorräte nicht ausreichen, bei Wahl einer alternativ möglichen Route die Vorräte ausreichen würden, kann das Modul die alternative Route vorschlagen, sodass der Nutzer die alternative Route lediglich bestätigen muss um zu bewirken, dass das Automatisierungssystem des Fahrzeugs automatisch das Fahrzeug auf die alternative Route lenkt. Manche Analysemodule können ihr Analyseergebnis auch direkt an einzelne Fahrzeugkomponenten ausgeben. Beispielsweise kann das Modul 410 für den Fall, dass ein Energienotstand auf dem Wasserfahrzeug eingetreten ist, automatisch sämtliche Energieverbraucher auf dem Wasserfahrzeug, die als nicht essenziell für den Betrieb des Wasserfahrzeugs angesehen werden, ausschalten bzw. die Bereitstellung von Energie an diese Energieverbraucher beenden.
  • Zumindest einige der Fahrzeugkomponenten können über eine Schnittstelle 402 verfügen, um erfasste Messdaten auch direkt an eine oder mehrere der Analysemodule 410-422 zu übermitteln. Dies kann insbesondere im Hinblick auf Messdaten sein, die für schnelle Reaktionen einzelner Analysemodule in Echtzeit wichtig sind, da hierdurch Verzögerungen durch das Schreiben der Messdaten in eine Datenbank vermieden werden können, gegebenenfalls können die Messdaten auch im Hintergrund bzw. asynchronen in die Datenbank geschrieben werden.
  • Die hier gezeigten Analysemodule sind nach Anwendungsfeldern gruppiert, zum Beispiel in Module des Energieerzeugungssystems EES, des Wartungssystems, oder des „Service“ Systems). Das Service-System umfasst verschiedene Services, z.B. bezüglich der Erfassung und/oder des Reportings verschiedener Fehler von Komponenten des Wasserfahrzeugs.
  • Nach manchen Ausführungsformen haben verschiedene externe Systeme Zugriff auf die Analysemodule und deren Ergebnisse, zum Beispiel über eine externe Schnittstelle 408. Die Schnittstelle 408 kann zum Beispiel zum Export der Daten der Datenbank 122 im Heimathafen verwendet werden, sodass eine Flottenanalysesoftware die exportierten Daten auswerten kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    militärisches Wasserfahrzeug
    102
    Waffensystem
    104
    Antriebssystem
    106
    Navigationssystem
    108
    Rudersystem
    110
    Fahrzeugkomponente
    112
    Drehzahlsensor
    114
    GPS Sensor
    116
    Winkel-/Positions-Sensor
    118
    Drucksensor
    120
    Temperatursensor
    122
    Datenbank
    124
    Automatisierungssystem
    126
    verteiltes Computersystem
    130
    militärisches Wasserfahrzeug
    132
    militärisches Wasserfahrzeug
    134
    Computersystem
    136
    Import-Schnittstelle
    138
    Flottenanalysesoftware
    140
    Bildschirm
    202-208
    Computersystem
    212-230
    Container
    260-268
    Analysemodul-Instanzen
    260, 266
    Instanzen des Analysemoduls AM1
    270-278
    Teile der Daten der Datenbank 122
    240-246
    CPUs
    248-254
    Arbeitsspeicher
    256
    Containerverwaltungssoftware
    280
    Netzwerkverbindung (Intranet)
    282
    CPUs
    284
    Arbeitsspeicher
    286
    Automatisierungssoftware
    288
    Datenbank-Zugriffsdienst
    290
    Computersystem
    292
    Datenverbindung
    302, 304
    Instanzen des Analysemoduls AM2
    306-312
    Instanzen des Analysemoduls AM5
    314-318
    Instanzen des Analysemoduls AM6
    322-332
    öffentliche Verschlüsselungsschlüssel zum sicheren Datenaustausch mit bestimmten Analysemodulen
    334-344
    private Entschlüsselungsschlüssel, spezifisch für bestimmte Analysemodule
    402
    Eingang Schnittstelle
    404
    Ausgabe-Schnittstelle
    406
    Messwerte
    408
    externe Schnittstelle
    410-422
    Analysemodule

Claims (16)

  1. Wasserfahrzeug (100), beinhaltend: - mehrere Fahrzeugkomponenten (104-110), die jeweils ein oder mehrere Sensoren (112-120) beinhalten, wobei zumindest einige der Fahrzeugkomponenten zu einer Antriebseinheit (104) und einem Navigationssystem (106) gehören, wobei die Sensoren zur Erfassung von Messwerten ausgebildet sind, wobei die Messwerte Betriebszustände der Fahrzeugkomponente, die den die Messwerte erfassenden Sensor beinhaltet, und/oder Zustände des Wasserfahrzeugs oder seiner Umgebung angeben; - eine Datenbank (122), wobei in der Datenbank eine Historie von Messwerten der Sensoren in Verbindung mit einem Zeitstempel persistent und geschützt gespeichert sind; und - ein elektronisches Automatisierungssystem (124), wobei das Automatisierungssystem ausgebildet ist zur automatischen und/oder semiautomatischen Steuerung von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten in Echtzeit in Abhängigkeit von den Messwerten und/oder in Abhängigkeit von einer Nutzereingabe eines Nutzers, die in Antwort auf eine Ausgabe der Messwerte über eine Benutzerschnittstelle erfolgt, charakterisiert dadurch, dass: - es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein militärisches Wasserfahrzeug handelt; - zumindest einige der Fahrzeugkomponenten zu einem Waffensystem (102) gehören; und charakterisiert dadurch, dass das Wasserfahrzeug umfasst: - mehrere zu einem Rechnerverbund (126) miteinander vernetze Computer (202-208), die im Verbund als Host so zusammenarbeiten, dass zumindest eine Instanz der Datenbank bereitgestellt wird; - mehrere Analysemodule (260-268), die in mehreren unterschiedlichen Containern (212-230) und damit isoliert voneinander ausgeführt werden; - eine Containerverwaltungssoftware, ◯ wobei die Containerverwaltungssoftware konfiguriert ist zur automatisierten Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung mehrerer Container auf den mehreren Computern auf eine Weise, dass die Computer jeweils als Hostsystem für ein oder mehrere Container dienen, wobei die Container voneinander isoliert sind; ◯ wobei die Containerverwaltungssoftware (256) dazu konfiguriert ist, die Erzeugung von Containern und die Instanziierung und das Beenden der Analysemodule so zu orchestrieren, dass: ▪ bei Ausfall oder Unerreichbarkeit eines der Computer (202-208) automatisch auf einem anderen der Computer die Container und die Analysemodule gestartet werden, die durch den Ausfall oder die Unerreichbarkeit des einen Computers nicht mehr vorhanden oder erreichbar sind; und/oder ▪ bei Überschreiten einer maximalen Zahl der aktuell auf den Computern laufenden Instanzen eines der Analysemodule automatisch eine dieser Instanzen zu beenden und/oder einen der Container, der eine Instanz dieses Analysemoduls beinhaltet, zu löschen; und/oder ▪ bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf einen anderen der Computer zu migrieren; und/oder ▪ bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen der Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz auf diesen Computer zu migrieren; und/oder ▪ bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf diesem Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren, eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf mindestens einem weiteren der Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; und/oder ▪ bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen auf einem anderen Computer gehosteten Container samt der darin laufende Analysemodulinstanz zu identifizieren eine Kopie dieses identifizierten Containers samt darin laufenden Analysemodul auf diesen einen Computer zu instanziieren; und Analysen unter Einbeziehung zumindest der Analysemodulinstanz in dem identifizierten Container und der weiteren instanziierten Analysemodulinstanz parallel auszuführen; und charakterisiert dadurch, dass - die ein oder mehrere Analysemodule (260-268)jeweils dazu ausgebildet sind, eine Analyse von zumindest einem Teil der in der Datenbank (122) gespeicherten Messwerte auszuführen; - das Automatisierungssystem (124) einerseits und die ein oder mehreren Analysemodule (260-268) andererseits voneinander operativ entkoppelt sind; und - sowohl das Automatisierungssystem als auch die ein oder mehreren Analysemodule dazu ausgebildet sind, ihre jeweiligen Steuerungs- oder Analyse-Funktionen ohne Nutzung einer Internetverbindung auszuführen.
  2. Das militärische Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die operative Entkopplung realisiert ist durch: - asynchrone Arbeitsweise von Automatisierungssystem einerseits und den ein oder mehreren Analysemodulen andererseits; und/oder - asynchroner Schreib- oder Lesezugriff auf die Datenbank (122) durch das Automatisierungssystem oder durch einen operativ mit dem Automatisierungssystem verbundenen Dienst (288) einerseits und durch die ein oder mehreren Analysemodule (260-268) andererseits; und/oder - Instanziierung des Automatisierungssystems einerseits und der ein oder mehreren Analysemodule andererseits auf unterschiedlichen Computern (202-208; 290).
  3. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei in jedem der Container maximal eine Instanz von maximal einem der Analysemodule ausgeführt wird.
  4. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zumindest einigen der Analysemodule jeweils ein Teil der Daten der Datenbank spezifisch zugewiesen ist, wobei die Teile der Daten auf eine Weise geschützt gespeichert sind, dass nur dasjenige Analysemodul auf diese lesend und/oder schreibend zugreifen kann, welches diesem Teil der Daten zugewiesen ist.
  5. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mehrere (260, 262, 264; 306, 314) der Analysemodule jeweils einer (108; 110) der Fahrzeugkomponenten spezifisch zugewiesen sind und dazu konfiguriert sind, zumindest die Messwerte, die von den ein oder mehreren Sensoren dieser einen Fahrzeugkomponente, der sie zugewiesen sind, erfasst werden, direkt oder indirekt über die Datenbank zu empfangen, zu analysieren und das Ergebnis der Analyse auszugeben.
  6. Das militärische Wasserfahrzeug nach Anspruch 5, wobei zumindest eines der mehreren Analysemodule, die einer der Fahrzeugkomponenten zugewiesen ist, dazu ausgebildet ist, eine Analyse durchzuführen, welche beinhaltet: - eine Erkennung aktueller oder künftiger kritischer Zustände der einen Fahrzeugkomponente; und/oder - eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands der einen Fahrzeugkomponente; und/oder - dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand der einen Fahrzeugkomponente sind; und/oder - eine Berechnung einer Handlungsempfehlung an einen Menschen in Bezug auf die eine Fahrzeugkomponente; und/oder - eine Berechnung eines Steuerbefehls an die eine Fahrzeugkomponente zur automatischen Durchführung des Steuerbefehls.
  7. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, - wobei die Sensoren von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten zumindest einen kryptographischen Verschlüsselungsschlüssel (324, 322, 330, 328, 326, 332) beinhalten, - wobei eines der Analysemodule der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugeordnet ist und einen zu diesem kryptographischen Verschlüsselungsschlüssel korrespondierenden Entschlüsselungsschlüssel (334, 336, 338, 340, 342, 344) beinhaltet; - wobei die Sensoren der zumindest einen Fahrzeugkomponente dazu ausgebildet sind, zumindest einige der von ihnen erfassten Messwerte in verschlüsselter Form in der Datenbank zu speichern und/oder direkt an das der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugewiesene Analysemodul zu übermitteln; - wobei das zumindest eine Analysemodul dazu konfiguriert ist, die zumindest einigen Messwerte mit dem Entschlüsselungsschlüssel zu entschlüsseln und die entschlüsselten Daten zu analysieren.
  8. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, - wobei die Sensoren von zumindest einer der Fahrzeugkomponenten einen Signierschlüssel beinhalten; - wobei eines der Analysemodule der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugeordnet ist und einen zu diesem Signierschlüssel korrespondierenden Signaturprüfschlüssel beinhaltet; - wobei die Sensoren der zumindest einen Fahrzeugkomponente dazu ausgebildet sind, zumindest einige der von ihnen erfassten Messwerte mit dem Signierschlüssel zu signieren und diese in signierter Form in der Datenbank zu speichern und/oder direkt an das der zumindest einen Fahrzeugkomponente zugewiesene Analysemodul zu übermitteln; - wobei das zumindest eine Analysemodul dazu konfiguriert ist, die zumindest einigen Messwerte mit dem Signaturprüfschlüssel zu prüfen und die signierten Daten nur dann zu analysieren, wenn die Signaturprüfung ergibt, dass die Signatur valide ist.
  9. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein oder mehrere der Analysemodule jeweils dazu konfiguriert sind, ihr Ergebnis der Analyse an einen Nutzer und/oder an das Analysesystem auszugeben (404) und/oder in der Datenbank zu speichern.
  10. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zumindest eines der Analysemodule dazu ausgebildet ist, eine Analyse auf den Messwerten mehrerer unterschiedlicher Sensoren von mehreren unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten durchzuführen, wobei die Analyse beinhaltet: - eine Erkennung aktueller oder künftiger kritischer Zustände von einer Fahrzeugkomponente; und/oder - eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands einer Fahrzeugkomponente; und/oder - dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand einer der Fahrzeugkomponenten sind; und/oder - eine Berechnung einer Handlungsempfehlung an einen Menschen; und/oder - eine Berechnung eines Steuerbefehls an eine der Fahrzeugkomponenten zur automatischen Durchführung des Steuerbefehls.
  11. Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, - wobei eine der Fahrzeugkomponenten eine Ruderanlage mit einer Steuereinheit, ein oder mehreren steuerbordseitigen und ein oder mehreren backbordseitigen Rudern beinhaltet, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Lage und Bewegung der steuerbordseitigen und backbordseitigen Ruder durch senden von Steuerbefehlen an die steuerbordseitigen Ruder einerseits und an die backbordseitigen Ruder andererseits zu koordinieren, - wobei die Ruderanlage mehrere Sensoren beinhaltet, die zur Erfassung von Ruderanlage-Parameterwerten ausgebildet sind, wobei die Ruderanlage-Parameter zwei oder mehr der folgenden Messparameterwerte umfassen: aktuelle Lage der Ruder, Schwingungen der Ruder, Bewuchs der Ruder, Schwingungen von Komponenten der Ruderanlage, Schaltungszustände der Ruderanlage; - wobei ein oder mehrere der Fahrzeugkomponenten mehrere Sensoren beinhalten, die zur Erfassung von Umgebungs-Parameterwerten ausgebildet sind, wobei die Umgebungs-Parameter zwei oder mehr der folgenden Messparameterwerte umfassen: Wassertiefe, Seegang, Schiffsgeschwindigkeit; - wobei eines der Analysemodule ein Analysemodul für die verbesserte Steuerung der Ruderanlage ist und dazu ausgebildet ist, die Ruderanlage-Parameterwerte, die Umgebungs-Parameterwerte sowie Zeitdauern zwischen n einem Senden der Steuerbefehle von der Steuereinheit an die jeweiligen Ruder bis zur Umsetzung der Steuerbefehle zu analysieren, um Korrelationen zwischen den Zeitdauern, den Ruderanlage-Parameterwerten, und den Umgebungs-Parameterwerten zu erkennen und/oder um die Koordination der Ruder der Ruderanlage zu verbessern.
  12. Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, - wobei eine der Fahrzeugkomponenten zumindest einen Sensor zur Erfassung von Schwingungen dieser einen Fahrzeugkomponente beinhaltet, - wobei eines der Analysemodule dazu ausgebildet ist, die Schwingungen der einen Fahrzeugkomponente zu analysieren, um den aktuellen und oder künftigen Zustand einer anderen der Fahrzeugkomponenten zu berechnen; und/oder - wobei eines der Analysemodule dazu ausgebildet ist, die Schwingungen der einen Fahrzeugkomponente zu analysieren, um eine Steuerung der anderen der Fahrzeugkomponenten zu verbessern.
  13. Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei einer der Sensoren die Temperatur des das Wasserfahrzeug umgebenen Wassers misst und in der Datenbank speichert, wobei eines der Analysemodule dazu konfiguriert ist, den aktuellen oder künftigen Energieverbrauch und/oder den aktuellen oder künftigen Verschleißgrad einer Fahrzeugkomponente in Abhängigkeit von der Temperatur des als Kühlwasser verwendeten Umgebungswassers zu berechnen.
  14. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei Daten der Datenbank in den mehreren Computern verteilt und/oder redundant gespeichert sind.
  15. Das militärische Wasserfahrzeug nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Daten der Datenbank verteilt in verschiedenen Containern verschiedener Rechner gespeichert sind, wobei die Containerverwaltungssoftware dazu konfiguriert ist, die Erzeugung von Containern und die Speicherung, Replikation und Löschung der Daten in den Containern so zu orchestrieren, dass: - im Normalbetrieb die Daten der Datenbank in redundanter Weise so in den mehreren Computern verteilt gespeichert werden, sodass diese bei Ausfall von einem oder mehreren der Computer aus den in den übrigen Computern gespeicherten Daten rekonstruierbar sind; und/oder - bei Ausfall eines der Computer automatisch ein anderer der Computer, auf welchem eine Kopie derjenigen Teile der Daten, die in dem ausgefallenen Computer gespeichert waren, identifiziert wird, und die auf diesem anderen Computer enthaltenen Daten den Analysemodulen und der Automatisierungssystem bereitgestellt werden; und/oder - bei Ausfall eines der Computer automatisch Neuverteilung zumindest eines Teils der in mehreren Containern redundant und verteilt gespeicherten Daten derart, dass der bisherige Grad der Redundanz der Daten der Datenbank wiederhergestellt wird; und/oder - bei Überschreiten eines vordefinierten maximalen Speicherbedarfs in einem der Computer automatisch zumindest Teile der auf diesem Computer gespeicherten Daten der Datenbank auf einen anderen der Computer zu migrieren oder zu kopieren; und/oder - bei Unterschreiten einer vordefinierten minimalen Rechenlast eines der Computer automatisch zumindest einen der auf diesem einen Computer gehosteten Container zu löschen.
  16. System (150) umfassend: - mindestens zwei militärische Wasserfahrzeuge (100, 130, 132) gemäß einem der vorigen Ansprüche; - Ein Computersystem (134) mit: ◯ einer Schnittstelle (136) zum sicheren Import des Inhalts der Datenbanken der mindestens zwei Wasserfahrzeuge; ◯ eine Flottenanalysesoftware (138), wobei die Flottenanalysesoftware dazu ausgebildet ist, die Messwerte der Datenbanken der mindestens zwei Wasserfahrzeugen zu analysieren, wobei die Flottenanalysesoftware dazu konfiguriert ist, automatisch zu erkennen, ob die Messwerte unterschiedlicher Wasserfahrzuge von Fahrzeugkomponenten gleichen Typs erfasst wurden, wobei die Analyse umfasst: ▪ eine Erkennung desjenigen der Wasserfahrzeuge, dessen Gesamtheit an Fahrzeugkomponenten im besten oder schlechtesten Zustand ist im Hinblick auf zumindest ein technisches Bewertungskriterium; und/oder ▪ eine Erkennung kritischer Zustände von einer Fahrzeugkomponente in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge; und/oder ▪ eine Vorhersage der Zeit des Eintretens eines kritischen Zustands einer Fahrzeugkomponente in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge; und/oder ▪ dem automatischen Identifizieren von ein oder mehreren Umgebungs-Parametern und/oder Fahrzeugkomponenten-Parametern, die ursächlich für einen kritischen Zustand einer der Fahrzeugkomponenten in einem oder mehreren der Wasserfahrzeuge sind.
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