EP4378147A1 - Wasserfahrzeug mit einer mehrzahl von sensoranordnungen - Google Patents

Wasserfahrzeug mit einer mehrzahl von sensoranordnungen

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Publication number
EP4378147A1
EP4378147A1 EP22751672.1A EP22751672A EP4378147A1 EP 4378147 A1 EP4378147 A1 EP 4378147A1 EP 22751672 A EP22751672 A EP 22751672A EP 4378147 A1 EP4378147 A1 EP 4378147A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
data
sensors
data packets
switching unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22751672.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank LIMBERG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tkms Atlas Elektronik GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, Atlas Elektronik GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4378147A1 publication Critical patent/EP4378147A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/08—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by repeating transmission, e.g. Verdan system
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/22—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received using redundant apparatus to increase reliability
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B2241/00—Design characteristics
    • B63B2241/20—Designs or arrangements for particular purposes not otherwise provided for in this class
    • B63B2241/22—Designs or arrangements for particular purposes not otherwise provided for in this class for providing redundancy to equipment or functionality of a vessel, e.g. for steering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B79/00—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation
    • B63B79/10—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation using sensors, e.g. pressure sensors, strain gauges or accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/39—Arrangements of sonic watch equipment, e.g. low-frequency, sonar

Definitions

  • the invention relates to the redundant connection of sensors of an underwater vehicle.
  • Sensor data on underwater vehicles deliver large amounts of data at high data rates, often in large clocked bursts, which must reach the interior of the underwater vehicle for evaluation and use. This must be done reliably and efficiently so that the information obtained is not lost and the number of lines (and the associated number of shipboard breaches) is minimized.
  • the data sources e.g. the sensors in the underwater area
  • the data sink e.g. data processing computer, signal processing computer, data recorder
  • the data connections contain a packet switching unit (e.g. a network infrastructure including, for example, switches and/or routers and/or firewalls), which can switch the data traffic from a defective line to a redundant line in the event of a failure. Due to the resulting deterministic switching times (network convergence time, application convergence time), data is lost during the time that elapses to switch between the transmission paths.
  • a packet switching unit e.g. a network infrastructure including, for example, switches and/or routers and/or firewalls
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for underwater vehicles.
  • Exemplary embodiments show a watercraft with a plurality of sensor arrangements, each of which includes a plurality of sensors, a first and a second packet switching unit, and a signal receiver.
  • the large number of sensors record sensor data, in particular outside of the watercraft, and convert this into an electrical signal corresponding to the sensor data.
  • the electrical signal can be packed into a data telegram by the sensors in order to transmit the electrical signal.
  • the first and the second packet switching unit can operate independently of each other.
  • the first and the second packet switching unit can each have a network infrastructure which, in any number, includes one of the following components or any selection of the following components: switches, routers, firewalls, intrusion detection systems, intrusion prevention systems, domain transitions (cross domain security solutions such as data diodes, bidirectional security gateway, etc.).
  • the sensors have a sensory material.
  • the sensors can be waterborne sound transducers, also referred to as hydrophones.
  • the sensory material is typically a piezoceramic.
  • Water sound transducers can record the sound pressure as sensor data.
  • Other sensors are, for example, pressure sensors that record the hydrostatic pressure as sensor data, eg to determine the current diving depth if the watercraft is an underwater vehicle.
  • the signal receiver can process the sensor signals. For example, the signal receiver can process the sensor signals and forward them to a direction generator.
  • the direction generator can skilfully apply time delays to sensor signals from the same sensors compared to sensor signals from other sensors in order to have the sensors virtually look in one direction. This creates directional sensor signals that are returned to the signal receiver. Based on this directional sensor data, the signal receiver can detect and localize targets in the vicinity of the watercraft.
  • the signal receiver can also be redundantly connected to the direction generator at the same data switching units by means of two Ethernet lines. The data transmission between the signal receiver and the direction generator can be transmitted based on the same principle as the sensor data from the sensors to the signal receiver.
  • the sensor arrangement now combines a large number of sensors. There are various options for this.
  • a first option consists in sensor electronics controlling the multiplicity of sensors.
  • the sensor electronics can, for example, have any selection of the following components: an amplifier to amplify the electrical signal, an analog/digital converter to digitize the electrical signal, a computing unit (e.g. application-specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA) or microcomputer) to convert the (digitized) electrical signal into a data packet.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field programmable gate array
  • microcomputer microcomputer
  • a second option is that the sensor electronics are already part of the sensor. That is, each sensor already has the sensor electronics.
  • the sensors can then be connected to one another, for example by means of a (ring) bus system.
  • a bus master eg terminal adapter or a switch, can operate the (ring) bus system and, for example, call up the data packets from the sensors.
  • a third option is that the sensor arrangement offers a purely functional overview of the sensors.
  • various sonar antennas are typically arranged on a watercraft, for example a hull mounted sonar (Eng.: hull-mounted sonar), a towed array sonar (Eng.: trailing antenna), a flank array sonar (Eng.: side antenna sonar), etc.
  • the Antennas then form the sensor arrangement, while the individual waterborne sound converters (or hydrophones) of the antennas form the sensors.
  • the sensor arrangements e.g. in the first and second option or the sensors (e.g. in the third option) provide the electrical, in particular converted and digitized, signal in the form of a data packet.
  • a data packet can be generated by the associated sensor arrangement or the corresponding sensor for each sensory material and measurement.
  • the data packet has an identification number for each sensor, which uniquely characterizes the data packets. This means that the data packet, which also contains the electrical signal, contains the identification number.
  • the data packet, which also has the electrical signal is therefore not inserted into a new data packet.
  • the protocol for data transmission of the sensor data already contains the identification number. This does not first have to be added by a separate protocol, superordinate protocol.
  • the first packet switching unit maintains a first sensor Ethernet connection per sensor or per sensor arrangement in order to receive the data packets from the sensors of the plurality of sensors.
  • the second packet switching unit maintains a second sensor Ethernet connection per sensor or per sensor arrangement in order to receive the data packets from the sensors of the plurality of sensors. Whether the sensor Ethernet connection is maintained to the sensor arrangement or to the sensor depends on which unit provides the data packets.
  • the (first and/or second) packet switching unit can be a switch, router, firewall, intrusion detection, intrusion prevention, cross domain security solutions or a any combination of the aforementioned network components (in any number) can be used.
  • the signal receiver processes the sensor data.
  • the signal receiver is connected to the first packet switching unit by a first receiver Ethernet connection and to the second packet switching unit by a second receiver Ethernet connection.
  • the first and the second packet switching unit each buffer the incoming data packets from the sensors.
  • the packet switching units transmit the data packets to the signal receiver in each case via the first or the second receiver Ethernet connection.
  • the data can be transmitted sequentially per transmission channel. This means that there is a (quasi) parallel transmission of the data packets via two separate channels to the signal receiver. The probability of packet loss is thus significantly reduced.
  • the two packet switching units transmit the data packets to the signal receiver in the order in which they arrive via the first or the second receiver Ethernet connection.
  • the various data packets that can arrive (quasi) in parallel at the packet switching units due to the connection of the packet switching units to the plurality of sensor arrangements or to the plurality of sensors are then forwarded sequentially, ie one after the other, to the signal receiver.
  • the signal receiver now discards one of the two data packets, in particular based on rules.
  • the idea is to set up parallel data transmission between the sensors and the signal receiver.
  • the sensors each send the measurement data (in parallel) via two different data transmission paths to the signal receiver.
  • the hardware with the two data transmission links is often already available.
  • the signal receiver receives two identical data packets. So that the signal receiver then does not process the sensor data twice, the data packets with the sensor data have an identification number, for example a time stamp or a counter. This means that the two identical data packets have the same identification number. Based on the identification number, the signal receiver then discards a data packet, typically the data packet that arrived last.
  • the sensors of the plurality of sensors or the sensor arrays of the plurality of sensor arrays use a counter.
  • the meter reading is used as an identification number to uniquely characterize the data packets.
  • the counter is reset cyclically, but is selected at least so large that a data packet with any counter reading cannot be overtaken by another data packet with the same counter reading. This means that the counter reading is clear for the packet runtime of the data packets.
  • the size of the counter can be selected in such a way that at most the two identical data packets with the same identification number can always be located on the transmission link, but not another data packet with the same identification number.
  • the signal receiver only discards one of the two data packets if both data packets arrive with the same counter reading within a predetermined time window.
  • This time window is smaller than the (minimum) time in which two different data packets with the same counter reading can arrive at the signal receiver.
  • the counter has a size of at least 16 bits, in particular at least 32 bits. This means that the sensor data from a large number of sensors can also be transmitted without problems resetting the counter.
  • at least 128 sensors, preferably at least 256 sensors, particularly preferably at least 512 sensors of the watercraft can send their sensor data to the signal receiver.
  • the sensors can be at least 256, preferably record sensor data at least 512, particularly preferably at least 1024 times per second.
  • the identification number is a sync counter, for example.
  • the sync counter is, for example, a circuit or a software module that is incremented with each clock, i.e. counted up. If the sync counter overflows, it starts counting again from the beginning.
  • the sync counter can be synchronized with a non-acoustic telegram (e.g. UDP).
  • the non-acoustic telegram can be the telegram with which the data packets of the sensors are sent.
  • the clock for example from the non-acoustic telegrams, can also be used to control when the sensors record sensor data.
  • the clock can be used to control when the sensors or the sensor arrangement are allowed to send data packets to the packet switching units.
  • the clock can be obtained from an electrical clock signal, a time signal (e.g. absolute time from the precision time protocol) or a synchronous Ethernet clock (synchronous Ethernet - SyncE).
  • the sensor arrangements or the sensors are designed to send data packets of sensor data, which were received at the same measurement time (ie the same sampling time), at different times.
  • the points in time can be defined, for example, by a predetermined time interval in which the data packets are to be sent.
  • the predetermined time interval may divide the duration of a clock into smaller units of time. It is thus possible to extend the sending of the data packets provided by the sensors at approximately the same time, so that the risk of the two packet switching units being overloaded by the quantity of data packets arriving at the same time is reduced. In other words, the sending of the data packets (the bursts) that result from this method can be stretched over time using a time slot method. This reduces the interrupt load.
  • the data packets that have been received or generated by the sensors at the same measurement time are transmitted in full by the first packet switching unit before a first data packet is transmitted at a subsequent measurement time.
  • the data packets sent by the sensors become the same Measurement time received or generated have been sent completely by the second packet switching unit before a first data packet of a following measurement time is sent.
  • the sensors of the multiplicity of sensors insert the identification number, for example the meter reading, into the data packet using the same protocol. This is preferably done directly in the application layer, i.e. the seventh layer of the ISO/OSI reference model. This means that the sensor data and the identification number are inserted into the data packet on the same layer and are not encapsulated separately, i.e. provided with their own header or trailer. Thus, the administration data of at least one protocol is saved.
  • the watercraft is an underwater vehicle.
  • the plurality of sensors and the first and second packet switching units are arranged outside of the underwater vehicle, while the signal receiver is arranged inside the underwater vehicle.
  • the first and the second receiver ethernet line routed to route the sensor data to the signal receiver.
  • a method for transmitting sensor data from a watercraft to a signal receiver of the watercraft is shown with the following steps: a) recording a large number of sensor data with a large number of sensors; b) converting the sensor data into an electrical signal corresponding to the sensor data; c) providing the electrical signals in the form of a data packet with an identification number that uniquely characterizes the data packets; d) sending the data packets via a first sensor Ethernet connection to a first packet switching unit and via a second sensor Ethernet connection to a second packet switching unit; e) buffering the data packets in the first and the second packet switching unit; f) sending the data packets from the first packet switching unit to the signal receiver via a first receiver Ethernet connection; g) sending the data packets from the second packet switching unit to the signal receiver via a second receiver Ethernet connection; h) discarding one of the two data packets if two data packets with the same identification number arrive at the signal receiver.
  • the exemplary embodiments also include Industrial Ethernet, e.g., EtherCAT, when reference is made to an Ethernet connection, for example.
  • Industrial Ethernet e.g., EtherCAT
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a watercraft in which sensor data are transmitted to a signal receiver
  • the watercraft 20 comprises a first sensor arrangement 22a and a second sensor arrangement 22b, each of which has a large number (here three) of sensors 24.
  • the watercraft 24 also includes a first packet switching unit 26a and a second packet switching unit 26b and a signal receiver 28.
  • the sensors 24 each record sensor data, for example waterborne noise or the hydrostatic pressure, and emit a corresponding electrical signal.
  • the sensor arrangements 22a, 22b provide the electrical signals, ie the sensor data, per sensor in the form of a data packet 29a, 29b.
  • the conversion of the electrical signals to the Ethernet protocol ie for example the formation of the data packet as an IP packet, takes place outside of the individual sensors in the sensor arrangement.
  • the sensor arrangement has a packet forming module for this purpose, which takes over the formation of the data packet for a number of sensors in the sensor arrangement, in particular all sensors in the sensor arrangement.
  • the sensors can also send the data packet 29a, 29b themselves provide. This means that the digitization and conversion of the signals to the Ethernet protocol, eg in an IP packet, already takes place in the sensor.
  • the data packets 29a of the sensors of the first sensor arrangement 22a are sent from the first sensor arrangement 22a to the first packet switching unit 26a by means of a first sensor Ethernet connection 30a.
  • the same data packets 29a are sent from the first sensor arrangement 22a to the second packet switching unit 26b by means of a second sensor Ethernet connection 30b. Both data packets 29a have the same identification number.
  • the data packets 29b of the sensors of the second sensor arrangement 22b are sent from the second sensor arrangement 22b to the first packet switching unit 26a by means of a further first sensor Ethernet connection 30c.
  • the same data packets 29b are sent from the second sensor arrangement 22b to the second packet switching unit 26b by means of a further second sensor Ethernet connection 30d.
  • These two data packets 29b also have the same identification number, but this differs from the identification number of the two data packets 29a that are sent via the first sensor Ethernet connection. Successive data packets from different sensors or the same sensors with different sensor data also have different identification numbers.
  • each of the sensors is connected to the first packet switching unit with a first sensor Ethernet connection and to the second packet switching unit with a second sensor Ethernet connection.
  • the two packet switching units 26 buffer the data packets.
  • the first packet switching unit 26a sends the received data packets 29a, 29b, typically sequentially, i.e. one after the other, to the signal receiver 28 via a first receiver Ethernet connection 32a.
  • the second Packet switching unit 26b sends the received data packets 29a, 29b, typically sequentially, i.e. one after the other, via a second receiver Ethernet connection 32b to the signal receiver 28. If two data packets with the same identification number arrive at the signal receiver 28, the signal receiver 28 discards one of these two data packets, typically the data packet that arrived last.
  • the protocol 2 shows a schematic representation of the protocols used for data transmission based on the ISO/OSI layer model.
  • the protocols can run in the sensor or in the sensor arrangement or can be divided between the sensor and the sensor arrangement.
  • the transmitter, ie the sensor 24 or the sensor arrangement 22, is shown on the left-hand side. On the right side of the signal receiver 28.
  • the sensor data are received and digitized.
  • the data packet is also generated here, e.g. in an additional instance.
  • a (e.g. proprietary) protocol is used that packs both the sensor data (i.e. the corresponding electrical signal) and the identification number into the data packet.
  • Layers 5 and 6 do not exist in IP-based network protocols.
  • UDP UDP
  • the data packet is packed into a UDP datagram in layer 4 (block 38).
  • the UDP datagram is packed in an IP packet in layer 3 (block 40).
  • the IP packet is prepared for data transmission using the Ethernet protocol. Since the data packet is sent in parallel over two different lines, the IP packet can be duplicated in layer 1 or 2.
  • the ethernet packet of block 42a is sent to the signal receiver 28 over the first sensor ethernet connection and first receiver ethernet connection 44 .
  • the ethernet packet of block 42b is sent to the signal receiver 28 over the second sensor ethernet connection and second receiver ethernet connection 46 .
  • the packet switching units are arranged within the data transmission path, but are not shown here.
  • the transmitted data packets run through layers 1 to 4 in parallel (cf. blocks 48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b).
  • layer 7 block 56
  • the sensor data and the identification number are obtained with knowledge of the (proprietary) protocol. Incoming packets whose identification number was already contained in a data packet can be discarded there before the signal processing gets access to the sensor data.
  • FIG. 3 shows a schematic flowchart of the transmission process from the transmitter, ie the sensor 24 or the sensor arrangement 22, to the signal receiver 28.
  • the sensory material of the sensor records the sensor data 58.
  • FIG. These are encapsulated, together with the identification number, in a UDP datagram 60 and further packed into an IP stack.
  • the IP stack is duplicated and the (first) IP stack 61a is given to a first NIC 62a and the (second) IP stack 61b is given to a second NIC 62b.
  • An alternative is shown in broken lines in FIG.
  • the IP stack is not duplicated first, but rather the sensor data.
  • the sensor data can be digitized and duplicated directly in the sensor or in a corresponding downstream processing unit.
  • the first IP stack 61a in which the data packet is contained, is routed to a first network card 64a of the signal receiver by means of a first network card 62a via the first sensor Ethernet connection 30a and the first receiver Ethernet connection 32a. Physical data transmission takes place on this route, in which, for example, the first packet switching unit also buffers and forwards the data packets (not shown here).
  • the second IP stack (61b, 61 '), in which the data packet is contained, using a second network card 62b via the second sensor Ethernet connection 30b and the second receiver Ethernet connection 32b to a second network card 64b of the signal receiver.
  • This link is also a physical data transmission link in which e.g. the second packet switching unit also buffers and forwards the data packets (not shown here).
  • the received first IP pack 61a and the received second IP pack 62a are unpacked to get the first and second UDP maps 60a, 60b. If it is established during packet processing that a received data packet 29b has an identification for which a data packet 29a has already arrived, this redundant packet 29b is discarded (indicated by the “X” in FIG. 3).
  • the sensor data 58 from the data packet 29a that arrived first is fed to the signal processing of the receiver 28 .
  • the disclosed sensors can be (water) sound transducers. These are designed for use under water, especially in the sea.
  • the sound converters are designed to convert waterborne sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the waterborne sound signal.
  • the sound converters are designed to convert an applied electrical voltage into waterborne sound. Accordingly, the sound converters can be used as waterborne sound receivers and/or as waterborne sound transmitters.
  • the sound transducers have a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensory material.
  • the transducers can be used for (active and/or passive) sonar (sound navigation and ranging). The transducers are not suitable for medical applications.

Landscapes

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Abstract

Es ist ein Wasserfahrzeug (20) mit einer Mehrzahl von Sensoranordnungen (22) gezeigt, die jeweils eine Vielzahl von Sensoren (24) umfassen. Die Sensoren sind ausgebildet, Sensordaten (58) aufzunehmen und in ein den Sensordaten (58) entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln, wobei die Sensoranordnungen (22) oder die Sensoren (24) ausgebildet sind, die elektrischen Signale jeweils in Form eines Datenpakets (29) bereitzustellen, wobei das Datenpaket (29) eine Identifikationsnummer aufweist, die die Datenpakete (29) eindeutig charakterisiert. Ferner umfasst das Wasserfahrzeug eine erste und eine zweite Paketvermittlungseinheit. Die erste Paketvermittlungseinheit (26a) unterhält eine erste Sensor-Ethernetverbindung (30a, 30c) pro Sensor (24) oder pro Sensoranordnung (22), um von den Sensoren (24) die Datenpakete (29) zu erhalten. Die zweite Paketvermittlungseinheit (26b) unterhält eine zweite Sensor- Ethernetverbindung (30b, 30d) pro Sensor (24) oder pro Sensoranordnung (22), um von den Sensoren (24) die Datenpakete (29) zu erhalten. Ein Signalempfänger verarbeitet die Sensordaten (58). Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit (26) ist jeweils ausgebildet, die Datenpakete (29) der Sensoren (24) zu puffern und an den Signalempfänger (28) zu übermitteln, wobei der Signalempfänger (28) ausgebildet ist, wenn zwei Datenpakete (29) mit der gleichen Identifikationsnummer eintreffen, eines der beiden Datenpakete (29) zu verwerfen.

Description

Wasserfahrzeug mit einer Mehrzahl von Sensoranordnungen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die redundante Anbindung von Sensoren eines Unterwasserfahrzeugs.
Sensordaten an Unterwasserfahrzeugen liefern hohe Datenmengen in hohen Datenraten, häufig in getakteten großen Bursts, die zur Auswertung und Nutzung in das Innere des Unterwasserfahrzeugs gelangen müssen. Dies muss zuverlässig und effizient erfolgen, damit die gewonnenen Informationen nicht verloren gehen und die Anzahl der Leitungen (und die damit verbundene Anzahl an Borddurchbrüchen) minimiert wird. Dazu werden die Datenquellen (z.B. die Sensoren im Unterwasserbereich) mit zwei Datenverbindungen zur Datensenke (z.B. Datenverarbeitungsrechner, Signalverarbeitungsrechner, Datenrekorder) angeschlossen, so dass es zwei separate Übertragungswege für die Sensordaten gibt.
Die Datenverbindungen enthalten eine Paketvermittlungseinheit (z.B. eine Netzwerkinfrastruktur umfassend beispielsweise Switches und/oder Router und/oder Firewalls), die bei Ausfall den Datenverkehr einer defekten Leitung auf eine redundante Leitung umschalten kann. Aufgrund der daraus resultierenden deterministischen Umschaltzeiten (Netzwerkkonvergenzzeit, Anwendungskonvergenzzeit) kommt es zu Datenverlusten in der Zeit, die zum Umschalten zwischen den Übertragungswegen vergeht.
Ferner beinhalten alle physikalischen Datenübertragungen inhärent Bitfehlerraten, die zu Paketverlusten führen können. Zudem ist eine Datenhaltung auf den Sensoren (eingebettete Systeme) in größerem Maße technisch nicht sinnvoll realisierbar. Beispielsweise wird bei Verwendung eines Protokolls, dass das Wiederanfordern verlorener Datenpakete zulässt, durch den Protokoll-Overhead zwangsläufig die Bandbreite für die Übertragung der Sensordaten reduziert. Bei einem Protokoll, dass die Wiederanforderung von verlorenen Datenpaketen nicht zulässt, sind die Datenpakete unwiderruflich verloren.
Beides ist nicht erwünscht, da die Signalverarbeitung die Daten innerhalb einer definierten Zeitspanne nach Entstehung der Daten zur Verarbeitung benötigt (Echtzeitfähigkeit im Datentransport zur Datenverarbeitung).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Unterwasserfahrzeuge zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen ein Wasserfahrzeug mit einer Mehrzahl von Sensoranordnungen, die jeweils eine Vielzahl von Sensoren umfassen, einer ersten und einer zweiten Paketvermittlungseinheit sowie einem Signalempfänger. Die Vielzahl von Sensoren nehmen Sensordaten, insbesondere außerhalb des Wasserfahrzeugs, auf und wandeln diese in ein den Sensordaten entsprechendes elektrisches Signal um. Das elektrische Signal kann von den Sensoren in ein Datentelegramm verpackt werden, um das elektrische Signal zu senden. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit können unabhängig voneinander arbeiten. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit können jeweils eine Netzwerkinfrastruktur aufweisen, die, in beliebiger Anzahl, eine der folgenden Komponenten oder eine beliebige Auswahl folgender Komponenten umfasst: Switches, Router, Firewalls, Intrusion Detection Systeme, Intrusion Prevention System, Domänenübergänge (Cross Domain Security Solutions wie Datendioden, bidirektionales Security Gateway u.a.).
Die Sensoren weisen demnach ein sensorisches Material auf. Bei den Sensoren kann es sich um Wasserschallwandler, auch als Hydrophone bezeichnet, handeln. Hier ist das sensorische Material typischerweise eine Piezokeramik. Als Sensordaten können Wasserschallwandler den Schalldruck aufnehmen. Weitere Sensoren sind z.B. Drucksensoren, die als Sensordaten den hydrostatischen Druck aufnehmen, z.B. um die aktuelle Tauchtiefe zu bestimmen, wenn das Wasserfahrzeug ein Unterwasserfahrzeug ist.
Der Signalempfänger kann die Sensorsignale verarbeiten. Beispielsweise kann der Signalempfänger die Sensorsignale aufbereiten und an einen Richtungsbildner weiterleiten. Der Richtungsbildner kann Sensorsignale gleicher Sensoren geschickt mit Zeitverzögerungen im Vergleich zu Sensorsignalen anderer Sensoren beaufschlagen, um die Sensoren virtuell in eine Richtung blicken zu lassen. So entstehen gerichtete Sensorsignale, die an den Signalempfänger zurückgegeben werden. Basierend auf diesen gerichteten Sensordaten kann der Signalempfänger Ziele in der Umgebung des Wasserfahrzeugs detektieren und lokalisieren. Der Signalempfänger kann ebenfalls an dieselben Datenvermittlungseinheiten redundant mittels zweier Ethernetleitungen mit dem Richtungsbildner verbunden sein. Die Datenübertragung zwischen Signalempfänger und Richtungsbildner können basierend auf dem gleichen Prinzip übertragen werden wie die Sensordaten von den Sensoren zu dem Signalempfänger.
Die Sensoranordnung fasst nun eine Vielzahl von Sensoren zusammen. Hierfür gibt es verschiedene Optionen.
Eine erste Option besteht darin, dass eine Sensorelektronik die Vielzahl von Sensoren ansteuert. Die Sensorelektronik kann beispielsweise eine beliebige Auswahl folgender Bausteine aufweisen: einen Verstärker um das elektrische Signal zu verstärken, einen Analog/Digital Wandler um das elektrische Signal zu digitalisieren, eine Recheneinheit (z.B. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), Field Programmable Gate Array (FPGA) oder Kleinstrechner) um das (digitalisierte) elektrische Signal in ein Datenpaket zu überführen. Diese Aufgaben kann die Sensorelektronik für die Vielzahl der Sensoren übernehmen.
Eine zweite Option besteht darin, dass die Sensorelektronik bereits Teil des Sensors ist. D.h., jeder Sensor weist bereits die Sensorelektronik auf. Um die Sensoranordnung zu bilden, können die Sensoren dann z.B. mittels eines (Ring-) Bussystem miteinander verbunden sein. Ein Busmaster, z.B. Terminaladapter oder ein Switch, können das (Ring-) Bussystem betreiben und z.B. die Datenpakete von den Sensoren abrufen.
Eine dritte Option besteht darin, dass die Sensoranordnung eine rein funktionale Zusammenschau der Sensoren bietet. So sind an einem Wasserfahrzeug typischerweise verschiedene Sonar Antennen angeordnet, beispielsweise ein Hüll Mounted Sonar (dt.: Rumpfmontiertes Sonar), ein Towed Array Sonar (dt.: Schleppantenne), ein Flank Array Sonar (dt.: Seitenantennen Sonar), etc. Die Antennen bilden dann die Sensoranordnung während die einzelnen Wasserschallwandler (bzw. Hydrophone) der Antennen die Sensoren bilden.
Die Sensoranordnungen (z.B. in der ersten und der zweiten Option) oder die Sensoren (z.B. in der dritten Option) stellen das elektrische, insbesondere gewandelte und digitalisierte, Signal jeweils in Form eines Datenpakets bereit. In anderen Worten kann pro sensorischem Material und Messung ein Datenpaket von der zugehörigen Sensoranordnung oder dem entsprechenden Sensor erzeugt werden. Das Datenpaket weist je Sensor eine Identifikationsnummer auf, die die Datenpakete eindeutig charakterisiert. Das heißt, das Datenpaket, das auch das elektrische Signal aufweist, enthält die Identifikationsnummer. Das Datenpaket, das auch das elektrische Signal aufweist, wird demnach nicht in ein neues Datenpaket eingefügt. In anderen Worten enthält das Protokoll zur Datenübertragung der Sensordaten bereits die Identifikationsnummer. Diese muss nicht erst durch ein separates Protokoll, übergeordnetes Protokoll, angefügt werden.
Die erste Paketvermittlungseinheit unterhält eine erste Sensor-Ethernetverbindung pro Sensor oder pro Sensoranordnung, um von den Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete zu erhalten. Die zweite Paketvermittlungseinheit unterhält eine zweite Sensor-Ethernetverbindung pro Sensor oder pro Sensoranordnung, um von den Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete zu erhalten. Ob die Sensor-Ethernetverbindung zu der Sensoranordnung oder dem Sensor unterhalten wird, hängt davon ab, welche Einheit die Datenpakete bereitstellt. Als (erste und/oder zweite) Paketvermittlungseinheit kann ein Switch, Router, Firewall, Intrusion Detection, Intrusion Prevention, Cross Domain Security Solutions oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Netzwerkkomponenten (in beliebiger Anzahl) verwendet werden.
Der Signalempfänger verarbeitet die Sensordaten. Der Signalempfänger ist mittels einer ersten Empfänger-Ethernetverbindungen mit der ersten Paketvermittlungseinheit und mit einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung mit der zweiten Paketvermittlungseinheit verbunden. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit puffern jeweils die eintreffenden Datenpakete der Sensoren. Ferner übermitteln die Paketvermittlungsseinheiten die Datenpakete jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung an den Signalempfänger. Die Datenübertragung kann sequentiell pro Übertragungskanal erfolgen. D.h. es erfolgt eine (quasi) parallele Übertragung der Datenpakete über zwei separate Kanäle bis zu dem Signalempfänger. Die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts wird somit deutlich minimiert. Insbesondere übermitteln die beiden Paketvermittlungseinheiten die Datenpakete in der Reihenfolge des Eintreffens jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung an den Signalempfänger.
Die verschiedenen Datenpakete die aufgrund der Verbindung der Paketvermittlungseinheiten jeweils zu der Mehrzahl von Sensoranordnungen bzw. zu der Vielzahl von Sensoren (quasi) parallel bei den Paketvermittlungseinheiten ankommen können, werden dann sequentiell, also nacheinander, an den Signalempfänger weitergeleitet.
Der Signalempfänger verwirft nunmehr, wenn zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer eintreffen, insbesondere regelbasiert, eines der beiden Datenpakete.
Idee ist es, eine parallele Datenübertragung zwischen den Sensoren und dem Signalempfänger aufzubauen. Die Sensoren senden die Messdaten jeweils (parallel) über zwei unterschiedliche Datenübertragungsstrecken zu dem Signalempfänger. D.h. es befinden sich in dem Gesamtsystem zwei gleiche Datenpakete. Die Hardware mit den zwei Datenübertragungsstrecken ist häufig bereits vorhanden. In dieser vorhandenen Architektur werden die beiden Datenübertragungsstrecken jedoch nicht parallel betrieben, sondern nur als Backup, damit bei dem Ausfall einer Datenübertragungsstrecke auf die andere Datenübertragungsstrecke umgeschaltet werden kann. Im Normalfall empfängt der Signalempfänger dann zwei identisch Datenpakete. Damit der Signalempfänger die Sensordaten dann nicht doppelt verarbeitet, weisen die Datenpakete mit den Sensordaten eine Identifikationsnummer auf, z.B. einen Zeitstempel oder einen Zähler. D.h. die beiden gleichen Datenpakete weisen die gleiche Identifikationsnummer auf. Anhand der Identifikationsnummer verwirft der Signalempfänger dann ein Datenpaket, typischerweise das Datenpaket, das als letztes eintrifft.
In Ausführungsbeispielen verwenden die Sensoren der Vielzahl von Sensoren oder die Sensoranordnungen der Mehrzahl von Sensoranordnungen einen Zähler auf. Der Zählerstand des Zählers wird als Identifikationsnummer verwendet, um die Datenpakete eindeutig zu charakterisieren. Der Zähler wird zyklisch zurückgesetzt, ist jedoch zumindest so groß gewählt, dass ein Datenpaket mit einem beliebigen Zählerstand nicht von einem anderen Datenpaket mit dem gleichen Zählerstand überholt werden kann. D.h., für die Paketlaufzeit der Datenpakete ist der Zählerstand eindeutig. In anderen Worten kann die Größe des Zählers so gewählt werden, dass sich auf der Übertragungsstrecke immer maximal die beiden gleichen Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer befinden können, nicht jedoch ein anderes Datenpaket mit der gleichen Identifikationsnummer.
Ferner verwirft der Signalempfänger nur dann eines der beiden Datenpakete, wenn beide Datenpakete mit dem gleichen Zählerstand innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters eintreffen. Dieses Zeitfenster ist kleiner als die (minimale) Zeit, in der zwei unterschiedliche Datenpakete mit dem gleichen Zählerstand bei dem Signalempfänger eintreffen können. In Ausführungsbeispielen weist der Zähler eine Größe von zumindest 16 Bit, insbesondere zumindest 32 Bit, auf. Somit sind auch die Sensordaten einer großen Anzahl von Sensoren übertragbar, ohne dass es Probleme durch das Zurücksetzen des Zählers geben kann. Insbesondere können zumindest 128 Sensoren, bevorzugt zumindest 256 Sensoren, besonders bevorzugt zumindest 512 Sensoren des Wasserfahrzeugs ihre Sensordaten an den Signalempfänger senden. Die Sensoren können zumindest 256, bevorzugt zumindest 512, besonders bevorzugt zumindest 1024 mal pro Sekunde Sensordaten aufnehmen.
Die Identifikationsnummer, insbesondere der Zähler, ist beispielsweise ein Synccounter. Der Synccounter ist beispielsweise eine Schaltung oder ein Software Baustein, der mit jedem Takt inkrementiert, also hochgezählt, wird. Läuft der Synccounter über, fängt er wieder an von vorne zu zählen. Der Synccounter kann beispielsweise mit einem nicht akustischen Telegramm (z.B. UDP) synchronisiert werden. Das nicht akustische Telegramm kann das Telegramm sein, mit dem die Datenpakete der Sensoren versendet werden. Mittels des Takts, beispielsweise von den nicht akustischen Telegrammen, kann z.B. auch gesteuert werden, wann die Sensoren Sensordaten aufnehmen. Alternativ kann mittels des Takts gesteuert werden, wann die Sensoren bzw. die Sensoranordnung Datenpakete an die Paketvermittlungseinheiten senden dürfen. Der Takt kann aus einem elektrischen Taktsignal, einem Zeitsignal (z.B. Absolutzeit aus dem precision time protocol) oder einem synchronen Ethernet Takt (synchrones Ethernet - SyncE) gewonnen werden.
In Ausführungsbeispielen sind die Sensoranordnungen oder die Sensoren ausgebildet, Datenpakete von Sensordaten, die zum gleichen Messzeitpunkt (d.h. des gleichen Abtastzeitpunkts) erhalten worden sind, an unterschiedlichen Zeitpunkten zu verschicken. Die Zeitpunkte können beispielsweise durch ein vorgegebenes Zeitintervall, in dem die Datenpakete verschickt werden sollen, definiert werden. Das vorbestimmte Zeitintervall kann die Zeitdauer eines Takts in kleinere Zeiteinheiten unterteilen. Somit ist es möglich, das Versenden der in etwa zeitgleich von den Sensoren bereitgestellten Datenpaketen zu strecken, so dass die Gefahr einer Überlastung der beiden Paketvermittlungseinheiten durch die Menge der gleichzeitig eintreffenden Datenpakete reduziert wird. In anderen Worten kann durch ein Zeitslotverfahren das Senden der Datenpakete (die Bursts), die durch dieses Verfahren entstehen, zeitlich gestreckt werden. Dies reduziert die Interruptlast. In weiteren Ausführungsbeispielen werden die Datenpakete, die von den Sensoren zum gleichen Messzeitpunkt erhalten bzw. erzeugt worden sind von der ersten Paketvermittlungseinheit vollständig ausgesendet, bevor ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts ausgesendet wird. Ergänzend oder alternativ werden die Datenpakete, die von den Sensoren zum gleichen Messzeitpunkt erhalten bzw. erzeugt worden sind von der zweiten Paketvermittlungseinheit vollständig ausgesendet, bevor ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts ausgesendet wird.
In Ausführungsbeispielen verwenden die Sensoren der Vielzahl von Sensoren bzw. die Sensoranordnungen der Mehrzahl von Sensoranordnungen UDP (User Datagram Protocol) als Protokoll zum Transport der Datenpakete. UDP hat den Vorteil, dass es nur einen geringen Overhead (dt.: Verwaltungsdaten) aufweist. D.h. die zur Datenübertragung der Sensorsignale notwendigen Steuer- und Protokollinformationen nehmen nur einen geringen Teil des Datenpakets ein. Somit wird die Übertragungsstrecke, hier insbesondere die Empfänger- Ethernetverbindungen, effizient für die Übertragung der Sensordaten genutzt und nicht unnötig durch zusätzliche Daten, die für anderen Protokolle notwendig wären, belegt. Ferner entfällt die Quittung des Erhalts der Datenpakete durch den Signalempfänger, wie sie bei anderen Protokollen zur Datenübertragung, z.B. TCP, notwendig ist. Auch hierdurch wird die für die Sensordaten zur Verfügung stehende Bandbreite der Empfänger-Ethernetverbindung erhöht. Zur Vermittlung der durch UDP erzeugten Datagramme wird z.B. das IP Protokoll verwendet. Sensordaten und Identifikationsnummer sind jedoch bevorzugt in dem UDP Datagramm enthalten.
In weiteren Ausführungsbeispielen fügen die Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Identifikationsnummer, beispielsweise den Zählerstand, mittels des gleichen Protokolls in das Datenpaket ein. Dies geschieht bevorzugt direkt in der Anwendungsschicht, d.h. der siebten Schicht des ISO/OSI Referenzmodells. Das heißt, die Sensordaten und die Identifikationsnummer werden auf dergleichen Schicht in das Datenpaket eingefügt und nicht separat gekapselt, d.h. mit einem eigenen Header bzw. Trailer versehen. Somit werden die Verwaltungsdaten von zumindest einem Protokoll eingespart.
In weiteren Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein Unterwasserfahrzeug. Die Vielzahl von Sensoren sowie die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit sind außerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet während der Signalempfänger innerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist. Durch einen Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs werden demnach die erste und die zweite Empfänger-Ethernetleitung geführt, um die Sensordaten zu dem Signalempfänger zu leiten. Die vorgenannten Ausführungsbeispiele zur Reduzierung der zu übertragenen Daten werden im Hinblick auf die Notwendigkeit, die Daten durch den Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs in das Innere des Unterwasserfahrzeugs zu bringen, nochmals wichtiger. Die Anzahl der Durchführungen durch den Druckkörper muss so gering wie möglich und die Größe der einzelnen Durchführungen so klein wie möglich gehalten werden, um die Stabilität des Druckkörpers nicht negativ zu beeinträchtigen.
Analog ist in Verfahren zur Übertragung von Sensordaten eines Wasserfahrzeugs zu einem Signalempfänger des Wasserfahrzeugs mit folgenden Schritten gezeigt: a) aufnehmen von einer Vielzahl von Sensordaten mit einer Vielzahl von Sensoren; b) Umwandeln der Sensordaten in ein den Sensordaten entsprechendes elektrisches Signal; c) Bereitstellen der elektrischen Signale jeweils in Form eines Datenpakets mit einer Identifikationsnummer, die die Datenpakete eindeutig charakterisiert; d) Senden der Datenpakete über eine erste Sensor-Ethernetverbindung zu einer ersten Paketvermittlungseinheit und über eine zweite Sensor-Ethernetverbindung zu einer zweiten Paketvermittlungseinheit; e) Puffern der Datenpakete in der ersten und der zweiten Paketvermittlungseinheit; f) Senden der Datenpakete von der ersten Paketvermittlungseinheit mittels einer ersten Empfänger-Ethernetverbindung zu dem Signalempfänger; g) Senden der Datenpakete von der zweiten Paketvermittlungseinheit mittels einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung zu dem Signalempfänger; h) Verwerfen eines der beiden Datenpakete, wenn zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer bei dem Signalempfänger eintreffen.
Die Ausführungsbeispiele schließen, wenn beispielsweise auf eine Ethernetverbindung Bezug genommen wird, auch Industrial Ethernet, z.B. Ethercat, ein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Blockdarstellung eines Wasserfahrzeugs, in dem Sensordaten an einen Signalempfänger übermittelt werden;
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Protokolle für die Übertragung der Sensordaten anhand des ISO/OSI Schichtenmodells; und
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für die Übertragung der Sensordaten. Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Wasserfahrzeugs 20. Das Wasserfahrzeug 20 umfasst eine erste Sensoranordnung 22a und einer zweiten Sensoranordnung 22b, die jeweils eine Vielzahl (hier drei), Sensoren 24 aufweisen. Das Wasserfahrzeug 24 umfasst ferner eine erste Paketvermittlungseinheit 26a und eine zweite Paketvermittlungseinheit 26b sowie einen Signalempfänger 28.
Die Sensoren 24 nehmen jeweils Sensordaten, z.B. Wasserschall oder den hydrostatischen Druck, auf und geben ein entsprechendes elektrisches Signal aus. Im dargestellten Fall stellen die Sensoranordnungen 22a, 22b die elektrischen Signale, d.h. die Sensordaten, pro Sensor in Form eines Datenpakets 29a, 29b bereit. D.h. die Umsetzung der elektrischen Signale auf das Ethernet Protokoll, also z.B. das Bilden des Datenpakets als IP-Paket, erfolgt außerhalb der einzelnen Sensoren in der Sensoranordnung. Beispielsweise weist die Sensoranordnung hierfür ein Paketformungsmodul auf, das das Bilden des Datenpakets für mehrere Sensoren der Sensoranordnung, insbesondere alle Sensoren der Sensoranordnung, übernimmt. Alternativ können die Sensoren das Datenpaket 29a, 29b auch selbst bereitstellen. D.h., die Digitalisierung und Umsetzung der Signale auf das Ethernet Protokoll, z.B. in ein IP-Paket, erfolgt bereits im Sensor.
Die Datenpakete 29a der Sensoren der ersten Sensoranordnung 22a werden von der ersten Sensoranordnung 22a mittels einer ersten Sensor-Ethernetverbindung 30a an die erste Paketvermittlungseinheit 26a gesendet.
Die gleichen Datenpakete 29a werden von der ersten Sensoranordnung 22a mittels einer zweiten Sensor-Ethernetverbindung 30b an die zweite Paketvermittlungseinheit 26b gesendet. Beide Datenpakete 29a weisen eine gleiche Identifikationsnummer auf. Die Datenpakete 29b der Sensoren der zweiten Sensoranordnung 22b werden von der zweiten Sensoranordnung 22b mittels einer weiteren ersten Sensor- Ethernetverbindung 30c an die erste Paketvermittlungseinheit 26a gesendet. Die gleichen Datenpakete 29b werden von der zweiten Sensoranordnung 22b mittels einer weiteren zweiten Sensor-Ethernetverbindung 30d an die zweite Paketvermittlungseinheit 26b gesendet. Auch diese beiden Datenpakete 29b weisen eine gleiche Identifikationsnummer auf, die sich aber von der Identifikationsnummer der beiden Datenpakete 29a unterscheidet, die über die erste Sensor- Ethernetverbindung gesendet werden. Aufeinanderfolgende Datenpakete unterschiedlicher Sensoren oder der gleichen Sensoren mit unterschiedlichen Sensordaten weisen ebenfalls unterschiedliche Identifikationsnummern auf.
D.h., für einen Zeitpunkt, in dem die Sensoren Sensordaten erfassen, werden pro Sensor-Ethernetverbindung drei Datenpakete übertragen. Die in Summe sechs Datenpakete weisen jeweils unterschiedliche Identifikationsnummern auf. Stellen die Sensoren 24 die Datenpakete selbst bereit, wird jeder der Sensoren mit einer ersten Sensor-Ethernetverbindung an die erste Paketvermittlungseinheit und mit einer zweiten Sensor-Ethernetverbindung an die zweite Paketvermittlungseinheit angeschlossen.
Die beiden Paketvermittlungseinheiten 26 puffern die Datenpakete. Die erste Paketvermittlungseinheit 26a sendet die empfangenen Datenpakete 29a, 29b, typischerweise sequentiell, also nacheinander, übereine erste Empfänger- Ethernetverbindung 32a an den Signalempfänger 28. Die zweite Paketvermittlungseinheit 26b sendet die empfangenen Datenpakete 29a, 29b, typischerweise sequentiell, also nacheinander, über eine zweite Empfänger- Ethernetverbindung 32b an den Signalempfänger 28. Treffen zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer bei dem Signalempfänger 28 ein, verwirft der Signalempfänger 28 eines dieser beiden Datenpakete, typischerweise das zuletzt eingetroffene Datenpaket.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der zur Datenübertragung verwendeten Protokolle anhand des ISO/OSI Schichtenmodells. Die Protokolle können in dem Sensor oder in der Sensoranordnung ablaufen bzw. auf Sensor und Sensoranordnung aufgeteilt sein. Auf der linken Seite ist der Sender, also der Sensor 24 bzw. die Sensoranordnung 22, dargestellt. Auf der rechten Seite der Signalempfänger 28.
In Schicht 7 (Applikationsschicht) des Senders, Block 34, werden die Sensordaten erhalten und digitalisiert. Hier wird ebenfalls, z.B. in einer zusätzlichen Instanz, das Datenpaket erzeugt. Hierzu wird ein (z.B. proprietäres) Protokoll verwendet, das sowohl die Sensordaten (d.h. das entsprechende elektrische Signal), als auch die Identifikationsnummer in das Datenpaket verpackt. Die Schichten 5 und 6 existieren bei IP-basierten Netzwerkprotokollen nicht. Bei Verwendung von UDP wird in Schicht 4 (Block 38) das Datenpaket in ein UDP Datagramm verpackt. Das UDP Datagramm wird in Schicht 3 (Block 40) in ein IP Paket verpackt. In Schicht 1 und 2 (Block 42a, 42b) wird das IP Paket mittels des Ethernet Protokolls zur Datenübertragung vorbereitet. Da das Datenpaket parallel über zwei verschiedene Leitungen gesendet wird, kann das IP Paket in Schicht 1 oder 2 dupliziert werden.
In anderen Systemen können aber basierend auf den Sensordaten bereits zwei Datenpakete erzeugt werden, so dass in Schicht 3 und 4 die beiden Datenpakete bereits parallel verarbeitet werden. Dies wird durch die gestrichelte Linie dargestellt, die die Blöcke 38 und 40 teilt. Dies wird hinsichtlich Fig. 3 nochmals erläutert. Das Ethernetpaket aus Block 42a wird über die erste Sensor-Ethernetverbindung und erste Empfänger-Ethernetverbindung 44 zu dem Signalempfänger 28 gesendet. Das Ethernetpaket aus Block 42b wird über die zweite Sensor-Ethernetverbindung und zweite Empfänger-Ethernetverbindung 46 zu dem Signalempfänger 28 gesendet. Innerhalb der Datenübertragungsstrecke sind die Paketvermittlungseinheiten angeordnet, aber hier nicht dargestellt.
Im Signalempfänger 28 durchlaufen die übertragenen Datenpakete die Schichten 1 bis 4 parallel (vgl. Blöcke 48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b). In Schicht 7 (Block 56) werden die Sensordaten und die Identifikationsnummer unter Kenntnis des (proprietäre) Protokolls erhalten. Eintreffende Pakete, dessen Identifikationsnummer bereits in einem Datenpaket enthalten war, können dort verworfen werden, bevor die Signalverarbeitung Zugriff auf die Sensordaten erhält.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Sendevorgangs von dem Sender, also dem Sensor 24 oder der Sensoranordnung 22, zu dem Signalempfänger 28. Das sensorische Material des Sensors nimmt die Sensordaten 58 auf. Diese werden, zusammen mit der Identifikationsnummer, in einem UDP Datagramm 60 gekapselt und weiter zu einem IP-Stapel verpackt. Der IP-Stapel wird dupliziert und der (erste) IP-Stapel 61a einer ersten Netzwerkkarte 62a und der (zweite) IP-Stapel 61b einer zweiten Netzwerkkarte 62b übergeben. Eine Alternative ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Hier wird nicht erst der IP-Stapel dupliziert sondern bereits die Sensordaten. So können die Sensordaten z.B. direkt im Sensor oder einer entsprechenden nachgelagerten Recheneinheit digitalisiert und dupliziert werden. Es liegen dann (insbesondere digitalisierte) Sensordaten 58, 58' vor, die jeweils in ein UDP-Datagramm 60, 60' gekapselt und zu einem IP-Stapel 61a, 61' verpackt werden. Der (erste) IP-Stapel 61a wird an die erste Netzwerkkarte 62a und der (zweite) IP-Stapel 61' an die zweite Netzwerkkarte 62b übergeben.
Der erste IP Stapel 61a, in dem das Datenpaket enthalten ist, wird mittels einer ersten Netzwerkkarte 62a über die erste Sensor-Ethernetverbindung 30a sowie die erste Empfänger-Ethernetverbindung 32a zu einer ersten Netzwerkkarte 64a des Signalempfängers geleitet. Auf dieser Strecke findet eine physikalische Datenübertragung statt, in der z.B. auch die erste Paketvermittlungseinheit die Datenpakete puffert und weiterleitet (hier nicht gezeigt).
Analog wird der zweite IP Stapel (61b, 61‘), in dem das Datenpaket enthalten ist, mittels einer zweiten Netzwerkkarte 62b über die zweite Sensor-Ethernetverbindung 30b sowie die zweite Empfänger-Ethernetverbindung 32b zu einer zweiten Netzwerkkarte 64b des Signalempfängers geleitet. Diese Strecke ist ebenso eine physikalische Datenübertragungsstrecke, in derz.B. auch die zweite Paketvermittlungseinheit die Datenpakete puffert und weiterleitet (hier nicht gezeigt).
Der empfangene erste IP-Stapel 61a und der empfangene zweite IP-Stapel 62a werden entpackt um an das erste und das zweite UDP-Diagramm 60a, 60b zu gelangen. Wird bei der Paketverarbeitung festgestellt, dass ein empfangenes Datenpaket 29b eine Identifikation aufweist, zu der bereits ein Datenpaket 29a eingetroffen ist, wird dieses redundante Paket 29b verworfen (angedeutet durch das „X“ in Fig. 3). Die Sensordaten 58 aus dem zuerst eingetroffenen Datenpaket 29a werden der Signalverarbeitung des Empfängers 28 zugeführt.
Die offenbarten Sensoren können (Wasser-) Schallwandler sein. Diese sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln.
Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und - Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste:
20 Wasserfahrzeug 22 Sensoranordnung 24 Sensor
26 Paketvermittlungseinheit
28 Signalempfänger
29 Datenpakete
30 Sensor-Ethernetverbindung 32 Empfänger-Ethernetverbindung
34-56 Blöcke 58 Sensordaten
60 UDP Datagramm
61 IP-Stapel 62 Netzwerkkarte des Senders
64 Netzwerkkarte des Empfängers

Claims

Patentansprüche
1. Wasserfahrzeug (20) mit folgenden Merkmalen:
- einer Mehrzahl von Sensoranordnungen (22), die jeweils eine Vielzahl von Sensoren (24) umfassen, die ausgebildet sind, Sensordaten (58) aufzunehmen und in ein den Sensordaten (58) entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln, wobei die Sensoranordnungen (22) oder die Sensoren (24) ausgebildet sind, die elektrischen Signale jeweils in Form eines Datenpakets (29) bereitzustellen, wobei das Datenpaket (29) eine Identifikationsnummer aufweist, die die Datenpakete (29) eindeutig charakterisiert;
- einer ersten Paketvermittlungseinheit (26a), die eine erste Sensor- Ethernetverbindung (30a, 30c) pro Sensor (24) oder pro Sensoranordnung (22) unterhält, um von den Sensoren (24) der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete (29) zu erhalten;
- einer zweiten Paketvermittlungseinheit (26b), die eine zweite Sensor- Ethernetverbindung (30b, 30d) pro Sensor (24) oder pro Sensoranordnung (22) unterhält, um von den Sensoren (24) der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete (29) zu erhalten;
- einem Signalempfänger, der ausgebildet ist, die Sensordaten (58) zu verarbeiten, wobei der Signalempfänger (28) mittels einer ersten Empfänger- Ethernetverbindung (32a) mit der ersten Paketvermittlungseinheit und mit einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung (32b) mit der zweiten Paketvermittlungseinheit verbunden ist;
- wobei die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit (26) jeweils ausgebildet sind, die Datenpakete (29) der Sensoren (24) zu puffern und jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung (32) an den Signalempfänger (28) zu übermitteln; - wobei der Signalempfänger (28) ausgebildet ist, wenn zwei Datenpakete (29) mit der gleichen Identifikationsnummer eintreffen, eines der beiden Datenpakete (29) zu verwerfen.
2. Wasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 1 ,
- wobei die Sensoren (24) der Vielzahl von Sensoren oder die Sensoranordnungen (22) der Mehrzahl von Sensoranordnungen einen Zähler aufweisen
- die Sensoren (24) oder die Sensoranordnungen (22) sind ausgebildet, den Zählerstand des Zählers als Identifikationsnummerzu verwenden, wobei der Zählerstand die Datenpakete (29) eindeutig charakterisiert und den Zähler zyklisch zurückzusetzen, wobei der Zähler zumindest so groß gewählt ist, dass ein Datenpaket (29) mit einem beliebigen Zählerstand nicht von einem anderen Datenpaket (29) mit dem gleichen Zählerstand überholt werden kann;
- wobei der Signalempfänger (28) ausgebildet ist, nur dann eines der beiden Datenpakete (29) zu verwerfen, wenn beide Datenpakete (29) mit dem gleichen Zählerstand innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters eintreffen.
3. Wasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 2,
- wobei der Zähler eine Größe von zumindest 16 Bit, insbesondere zumindest 32 Bit, aufweist.
4. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei die Sensoren (24) der Vielzahl von Sensoren (24) oder die Sensoranordnungen (22) der Mehrzahl von Sensoranordnungen (22) ausgebildet sind, UDP (User Datagram Protocol) als Protokoll zum Transport der Datenpakete (29) zu verwenden.
5. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, - wobei die Sensoren (24) der Vielzahl von Sensoren (24) ausgebildet sind, die Identifikationsnummer, insbesondere einen Zählerstand, mittels des gleichen Protokolls in das Datenpaket (29) einzufügen.
6. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoranordnungen (22) oder die Sensoren (24) ausgebildet sind, Datenpakete (29) von Sensordaten, die zum gleichen Messzeitpunkt erhalten worden sind, an unterschiedlichen Zeitpunkten zu verschicken.
7. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein Unterwasserfahrzeug handelt;
- wobei die Vielzahl von Sensoren (24) sowie die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit außerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet sind und der Signalempfänger (28) innerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist, so dass durch einen Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs die erste und die zweite Empfänger-Ethernetleitung geführt werden, um die Sensordaten (58) zu dem Signalempfänger (28) zu leiten.
8. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit (26) jeweils ausgebildet sind, die Datenpakete (29) der Sensoren (24) zu puffern und die Datenpakete in der Reihenfolge des Eintreffens jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung (32) an den Signalempfänger (28) zu übermitteln.
9. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei die erste Paketvermittlungseinheit ausgebildet ist, die Datenpakete (29), die von den Sensoren (24) zum gleichen Messzeitpunkt erhalten worden sind, vollständig auszusenden, bevor die erste Paketvermittlungseinheit ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts aussendet, und/oder
- wobei die zweite Paketvermittlungseinheit ausgebildet ist, die Datenpakete (29), die von den Sensoren (24) zum gleichen Messzeitpunkt erhalten worden sind, vollständig auszusenden, bevor die zweite Paketvermittlungseinheit ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts aussendet.
10. Verfahren zur Übertragung von Sensordaten (58) eines Wasserfahrzeugs zu einem Signalempfänger (28) des Wasserfahrzeugs mit folgenden Schritten: a) aufnehmen von einer Vielzahl von Sensordaten (58) mit einer Vielzahl von Sensoren; b) Umwandeln der Sensordaten (58) in ein den Sensordaten (58) entsprechendes elektrisches Signal; c) Bereitstellen der elektrischen Signale jeweils in Form eines Datenpakets (29) mit einer Identifikationsnummer, die die Datenpakete (29) eindeutig charakterisiert; d) Senden der Datenpakete (29) über eine erste Sensor-Ethernetverbindung (30a, 30c) zu einer ersten Paketvermittlungseinheit (26a) und über eine zweite Sensor-Ethernetverbindung (30b, 30d) zu einer zweiten Paketvermittlungseinheit (26b); e) Puffern der Datenpakete (29) in der ersten und der zweiten Paketvermittlungseinheit; f) Senden der Datenpakete (29) von der ersten Paketvermittlungseinheit (26a) mittels einer ersten Empfänger-Ethernetverbindung (32a) zu dem Signalempfänger (28); g) Senden der Datenpakete (29) von der zweiten Paketvermittlungseinheit (26b) mittels einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung (32b) zu dem Signalempfänger (28); h) Verwerfen eines der beiden Datenpakete, wenn zwei Datenpakete (29) mit dergleichen Identifikationsnummer bei dem Signalempfänger (28) eintreffen.
EP22751672.1A 2021-07-27 2022-07-13 Wasserfahrzeug mit einer mehrzahl von sensoranordnungen Pending EP4378147A1 (de)

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