WO2005001788A1 - Verfahren und anordnung zur identifizierung und/oder differenzierung von durch sensoren angezeigten stoffen in gasgemischen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur identifizierung und/oder differenzierung von durch sensoren angezeigten stoffen in gasgemischen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, welche insbesondere einsetzbar sind zur Überwachung von Industrieanlagen, insbesondere der chemischen Industrie, für großflächige Überwachung von Schweißkontrollsystemen, als Lecksuchsystem für Raffineriegelände, für den Intrusionschutz von Containern oder auch zum Energiemanagement von Gebäuden und Anlagen. Hierfür wird vorgeschlagen, daß Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.

Description

Verfahren und Anordnung zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, welche insbesondere einsetzbar sind zur Überwachung von Industrieanlagen, insbesondere der chemischen Industrie, für großflächige Überwachung von Schweißkontroll- systemen, als Lecksuchsystem für Raffineriegelände, für den Ihtrusionschutz von Containern, als Überwachungssystem für E missionen und Immissionen oder auch zum Energiemanagement von Gebäuden und Anlagen.

Die Sensorentwicklung nimmt in vielen Bereichen immer mehr an Bedeutung zu. Dabei werden „dumme" Sensoren von einer neuen Generation intelligenter Sensoren verdrängt . Die Entwicklung ist durch modernste Technologien, hoher Integrationsdichte und künstlicher Intelligenz geprägt.

Im Bereich der Brandüberwachung werden bisher am häufigsten die folgenden Arten von Sensoren eingesetzt: optische Rauchmelder, Ionisationsrauchmelder, Flammenmelder, - Wärmemelder (IR) , - chemische Gassensoren. Als besonders erfolgversprechend wurden die erst seit kurzem verfügbaren Halbleitergassensoren angesehen. Sie sind robust und langzeitstabil, zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit (Erkennung im ppm-Bereich) , Auswertbarkeit und geringes Rauschen aus . Außerdem werden sie zu vergleichsweise geringen Preisen angeboten. Trotz dieser Vorteile haben sie sich bisher auf dem Markt nicht durchgesetzt. Der Grund hierfür liegt in der hohen Empfindlichkeit, die dazu führt, daß häufig Alarm ausgelöst wird mit einer hohen Fehlerquote. Das Problem dieser hochempfindlichen Halbleitergassensoren liegt in der Nichtunterscheidbarkeit oder unzulänglichen

Unterscheidbarkeit der Alarme.

Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, mehrere, für verschiedene Schadstoffe oder Empfindlichkeiten ausgelegte Halbleitergassensoren einzusetzen oder einen Sensor mit verschiedenen Metalloxid-Schichten zu versehen. Geben ein oder mehrere Sensoren ein Signal, so wird aus den verschiedenen, jeweils ansprechenden Sensoren auf die Art des auslösenden Ereignisses geschlossen. Analog wird aus den jeweils ansprechenden Metalloxid-Schichten auf das auslösende Gasgemisch geschlossen. Nachteilig an diesem Verfahren ist insbesondere, dass im ersten Falls stets mehrere Sensoren eingesetzt werden müssen. Beim zweiten Fall stellt es einen Nachteil dar, daß die in einem Sensor verwendeten Metalloxid- Schichten die Menge der unterscheidbaren Gasgemische und damit auch die Einsatzgebiete eines solchen Sensors einschränken. Halbleitergassensoren werden gegenwärtig z. B. in der Automobilindustrie verwendet, um die Lüftungsklappen bei Mittelklassewagen zu steuern, um so abzusichern, dass keine schädlichen Gase in die Fahrgastzelle dringen. Zur professionellen Brandüberwachung jedoch werden bisher Halbleitergassensoren kaum eingesetzt, da ein Fehlalarm in diesem Falle ganz erhebliche Folgen hätte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium bereitzustellen, welche die oben genannten Mängel beheben und insbesondere ein intelligentes System zu schaffen als Gesamtlδsung für eine sichere und schnelle Erfassung und Erkennung von Ereignissen, wie beispielsweise Brände und gasförmige Luftveränderungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Ansprüchen .1, 17, 26 sowie 27 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den- Unteransprüchen enthalten.

Es ist hierfür vorgesehen, dass Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungs- einrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.

Eine Anordnung zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen ist vorteilhafterweise so eingerichtet, daß sie mindestens einen Prozessor und/oder Chip umfaßt, der (die) derart eingerichtet ist (sind) , daß ein Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Zuständen durchführbar ist, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von die- sem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in ei- ner zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt. Ein Computerprogramm zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen ermöglicht es einem Computer, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Zuständen durchzuführen, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in ei- ner zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt .

Beispielsweise können diese Computerprogramme (gegen Gebühr oder unentgeltlich, frei zugänglich oder passwortgeschützt) downloadbar in einem Daten- oder Kommunikationsnetz bereitgestellt werden. Die so bereitgestellten Computerprogramme können dann durch ein Verfahren nutzbar gemacht werden, bei dem ein Computerprogramm nach Anspruch 26 aus einem elektronischen Datennetz wie beispielsweise aus dem Internet auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird. Um eine Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen durchzuführen, wird vorteilhafterweise ein computerlesbares Speichermedium eingesetzt, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen durchzuführen, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automa- tisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß bei der Auswertung durch das Computerprogramm Verfahren der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden. Insbesondere können bei der Auswertung durch das Computerprogramm neuronale Netze eingesetzt werden. Das bringt den Vorteil mit sich, daß dadurch die Fehlalarmquote erheblich reduziert wird. Unterstützt wird dies noch dadurch, daß zur Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen eine Bibliothek von Kriterien und/oder Mustern verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann optimiert werden, indem die Bibliothek (en) an den Einsatzbereich der Sensoren angepasst wird (werden) . In den Bibliotheken sind dann lediglich solche Kriterien und/oder Muster enthalten, die Stoffe, Ereignisse oder Zustände beschreiben, welche in der zu überwachenden Umgebung real auftreten können und entscheidungsrelevant sind.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn als Sensoren Halbleitergassensoren und/oder Metalloxidsensoren verwendet werden. Als vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn beim Einsatz von Halbleitergassensoren die automatische Auswertung auf Basis eines Temperaturwechselverfahrens durchgeführt >wird.

Nachdem durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Zustand identifiziert wurde, erweist es sich in vielen Fällen als vorteilhaft, daß in Abhängigkeit von identifizierten Stoffen eine Signalisierung der Detektion dieser Stoffe erfolgt. Dieses Vorgehen wird insbesondere Anwendung finden, bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Brandüberwachung und/oder zur Sicherung von geschlossenen Räumen, insbesondere von Containern, gegen unberechtigtes Öffnen und/oder Eindringen.

Alternativ oder parallel zu der Signalisierung kann auch automatisch eine Aktion angestoßen werden, oder die durch das Verfahren gewonnenen Ergebnisse werden nur abgespeichert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die automatische Auswertung durch das Computerprogramm die Reaktion auf frühere Auswertungsergebnisse berücksichtigt (selbstlernendes System) .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Parameter erfasst und/oder übertragen werden, aus denen der geographische Standort von Sensoren ermittelbar ist. Dabei wird vorteilhafterweise ein Global Positioning System (GPS) eingesetzt. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann angebracht, wenn mobile Objekte, wie beispielsweise Container, mit Sensoren ausgestattet sind, da so der jeweilige Standort des Objektes sicher festgestellt werden kann.

Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sensoren und/oder eine die Sensoren umfassende Überwachungseinrichtung über Kommunikationsnetze fernkonfiguriert werden.

Insbesondere bei großflächigen zu überwachenden Bereichen wird die Überwachung dadurch verbessert, daß die Sensoren der Überwachungseinrichtung netzartig in dem zu überwachenden Bereich installiert werden.

Bei der Überwachung besonders wichtiger Bereiche kann die Zuverlässigkeit der Überwachung und die Ausfallsicherheit verbessert werden, indem eine redundante Übertragung der Parameter und/oder der Analyseergebnisse erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, daß die Anordnung mindestens einen Sensor, mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, - mindestens ein Mittel der künstlichen Intelligenz,

- mindestens eine Referenzbibliothek,

- mindestens ein Mittel zur Alarm-Ausgabe und/oder

- mindestens ein Mittel zur visuellen Datenausgabe umfasst, wobei diese Komponenten der Anordnung durch Mittel zur Datenübertragung miteinander verbunden sind. Dabei erweist es sich als Vorteil, wenn die Sensoren als Halbleitergassensoren und/oder als Metalloxidsensoren und/oder das (die) Mittel der künstlichen Intelligenz als neuronales Netz ausgebildet sind und/oder wenn die Bibliothek (en) Klassifikationsmuster für Veränderungen der LuftZusammensetzung umfasst.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch entsprechende Auswahl der Klassifikationsmuster in den Bibliotheken für verschiedene Verwendungen jeweils spezielle, optimal angepasste Sensorsysteme bereitgestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind jegliche Luftveränderungen identifizierbar; beispielsweise kann das Verfahren eingesetzt werden für den Intrusionschutz von Containern, wenn die Bibliotheken Muster für Luftveränderungen enthalten, die ein Öffnen des Containers signalisieren.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß die Anordnung Mittel umfasst, mit denen der geographische Standort von Sensoren 1 ermittelbar ist. Vorteilhaft ist es dabei insbesondere, wenn die Anordnung Mittel umfasst, mit denen ein Global Positioning System (GPS) nutzbar ist.

Eine weiterer bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, daß die Anordnung fernkonfigurierbar ist . In weiträumigen, zu überwachenden Gebieten wird vorteilhaft eine Anordnung eingesetzt, wobei die Sensoren 1 der Anordnung netzartig in dem zu überwachenden Bereich installierte sind.

Als weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ist anzusehen, dass insbesondere selbstlernende Systeme eine flexible und schnelle Anpassung an die jeweiligen Markterfordernisse erlauben. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Systeme fernkonfigurierbar ausgelegt sind. Die als Halbleitergassensoren realisierten Sensoren sind robust, langzeitstabil und besitzen darüber hinaus ein sehr gutes Preis-/Leistungsverhältnis .

Neuronale Netze in Verbindung mit einer ausgereifter Elektronik bringen eine neue Qualität an Erkennung mit geringer Fehlalarmquote hervor, wobei die Intelligenz darin besteht, zwischen natürlichen oder künstlichen ungefährlichen Veränderungen der Luft und gefährlichen Ereignissen unterscheiden zu können. Ein neuronales Netz erkennt auch aus den Daten von weitverzweigt installierten Sensoren online die wichtigsten Schad- und Rauchgase bzw. den Sauerstoffgehalt der Luft. Es kann zwischen absolut gefährlichen Brandgasen und witterungsbedingten Veränderungen der LuftZusammensetzung unterschieden werden. Damit können Brände oder austretende Gase geografisch eindeutig sicher und schnell erkannt und die Meldungen an die Leitstellen übertragen werden.

Die Erfindung weist, kurz zusammengefasst , die nachfolgend aufgezählten Vorteile auf: - hohe Flexibilität der Einsatzbereiche, - Erkennbarkeit und Klassifikation der Brand- Rauch- und anderer Gase, - Brandfrüherkennung. Frühzeitige Erkennung des Brandes bereits im Schwelstadium, wo optische Sensoren noch nicht reagieren, genaue geografische Zuordnung (auch GPS) , - unabhängig von Wetter und Sichtbedingungen, - hohe Zuverlässigkeit mit geringen Fehlalarmmeldungen, gute Auswertbarkeit mittels elektronischer Systeme und - vielfältige Einsatzbereiche in Industrie, öffent- liehen Einrichtungen und privaten Bereichen.

Die Einsatzgebiete des Systems sind vielfältig. Sie reichen von der Industrie bis hin zur Umweltüberwachung und in den privaten Bereich. Von der Industrie sind insbesondere zu nennen die chemische Industrie und Laboratorien, die Petrochemie, die großflächige Überwachung von Schweißkontrollsystemen, Lecksuchsysteme für Raffineriegelände, Überwachung von Pipelines unterschiedlicher Gase und Energie Controlling System und Energiemanagement von Gebäuden und Anlagen.

Öffentliche Einrichtungen (Rauchverbotszonen) können damit ebenso überwacht werden wie Waldgebiete (Brand und Umwelteinflüsse) oder Ballungsräume mit starker Luft- schadstoffbelastung. Ozonüberwachung, Schadstofferkennung bei Bränden (Dioxin) , Parkhausüberwachung (Tiefgaragen) , Wetterstationen sind weitere Einsatzbereiche.

Darüber hinaus kann die Erfindung zur Überwachung in bzw. von Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Hier vor allem als Brandfrüherkennungssystem, für die Überwachung von Kabelbäumen, des Austritts von Treibstoffen oder zur Rauchverbotsüberwachung. Als Wald-Monitoring-System (WMS) dient die Erfindung der Waldbrandfrüherkennung, der automatisierte Nachkontrolle von abgebrannten Waldstücken und/oder - der Erfassung von Schadstoffen.

Die Erfindung ist des weiteren für eine ideale Absicherung von Tunnelanlagen auf Brand und gefährliche Gase (einschl. Smog) geeignet. Dies ist vor allem für das Verkehrswesen (U- Bahn) von Bedeutung. Im Bauwesen stellt die Überwachung von Schächten und Röhren oder die Nachkontrolle bei Schweißarbeiten eine wichtige Anwendung dar. Ebenso ist die Erfindung einsetzbar zur Brandfrüherkennung in Gebäuden (Bibliotheken, Hotels) , zur Erkennung und Unterscheidung verschiedener Brände (Käbelbrand, Papierbrand) , zur Überwachung von Elektroverteilern sowie zur Früherkennung von Gasleitungs- Defekten. Wobei speziell bei Gasleitungen die Gefahrenfrüherkennung und eine spezielle Überwachung von Verbindungsstellen der Leitungen wie Ventilen, Muffen wichtige Aspekte sind, die durch die Erfindung gewährleistet werden.

Die Erfindung beinhaltet ein neues Verfahren zur sicheren Erkennung und Differenzierung von gefährlichen und nichtgefährlichen Gasen. Dabei wird absichtlich auf Schwellwerte verzichtet . Die Sensorik mit ihrer notwendigen Elektronik wird an beliebigen Stellen in Deutschland oder der Welt errichtet. Über ein Funknetz wird der Sensor so konfiguriert, dass er ein für seine Aufgaben optimales Profil erhält. Dieses Profil kann jederzeit per Funk geändert und an neue Bedingungen angepasst werden. Auf der Gegenseite (Zentrale) wird diesem Sensormodul ebenfalls ein Profil zugeordnet. Es besteht aus einer Bibliothek der zu erkennenden Stoffe, die in einem Neuronalen Netz implementiert werden. Die Kommunikation zwischen Zentrale und Sensormodul erfolgt derart, dass im Alarmfall das Profil auch online geändert werden kann, falls unbekannte Stoffe auftreten sollten.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das im Sensor oder in der Datenverarbeitungseinrichtung hinterlegte Profil

- Angaben zum Temperaturbereich des Chips, - Angaben zu der Anzahl der Messungen pro Zyklus, Angaben zu der Anzahl der Zyklen pro Zeiteinheit und/oder

- Angaben zu den bei der Auswertung genutzten neuronalen Netzen umfasst . Die Datenübertragung erfolgt über GPRS oder auch UMTS. Es werden in einer bevorzugten Ausführungsform nur dann Daten übertragen, wenn eine Alarm vorliegt.

In einer anderen speziellen Ausführungsform werden keine

Zeitfenster der Datenübertragung verwendet, da man nie weiß, wann ein Brand ausbricht .

In einer anderen speziellen Ausführungsform werden nicht nur

SMS oder Mail verwendet, da bei dieser Datenübertragung eine

Verzögerung bis zur Ankunft der SMS mehrere Stunden betragen kann. Die Datenübertragung erfolgt auf einem Sprach-/ Datenkanal .

Das Verfahren kann auch mobil mit GPS Unterstützung eingesetzt werden.

Das Verfahren ist für physikalisch unterschiedlich arbeitende

Sensoren anwendbar. So kann z.B. das Verfahren mit dem Sensormodul auch in Geräte wie z.B. in SetTop Boxen integriert werden. Mit dieser Technologie können Tausende von Sensoren überwacht und betreut werden. Defekte werden schnell und sicher erkannt .

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Veranschaulichung der räumlichen Verteilung der Module des erfindungsgemäßen ÜberwachungsSystems und der Kommunikation zwischen diesen Modulen, Fig. 3 Veranschaulichung des modularen Aufbaus des erfindungsgemäßen ÜberwachungsSystems,

Fig. 4 Darstellung einer beispielhaften Brandüberwachung in einem U-Bahn-Tunnel, Fig. 5 Darstellung eines beispielhaften Einsatzes der Erfindung zur Tunnelüberwachung. Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft an dem Spezialfall der Brandüberwachung mehr detailliert erläutert werden. Dabei ist. zu berücksichtigen, dass die Erfindung nicht auf die Brandüberwachung eingeschränkt ist, sondern vielmehr ebenso gut zur Überwachung chemischer Anlagen oder als Lecksuchsystem für Raffineriegelände eingesetzt werden kann.

Anhand von Figur 1 und Figur 3 werden der prinzipielle Ablauf bei der Datenerfassung und Auswertung sowie der modulare Aufbau des erfindungsgemäßen ÜberwachungsSystems verdeut1icht : Zur Gasanalyse werden bevorzugt Halbleitersensoren 1 mit einer langer Lebensdauer und sehr hoher Empfindlichkeit (ppm Bereich) verwendet . Von diesen Halbleitersensoren 1 werden in einem ersten Schritt beispielsweise folgende physikalische Parameter während der Zustandsüberwachung erfasst: Schadstoffanteil der Luft (Gasanalyse) Temperatur Luftfeuchtigkeit und erforderlichenfalls der geografischer Standort. Dies kann beispielsweise mit dem Temperaturwechselverfahren erfolgen.

In einem zweiten Schritt werden die erfassten Daten bereits im Sensor 1 permanent analysiert. Dies gewährleistet kurze Reaktionszeiten in der Datenerfassung. Die Analyse umfasst dabei beispielsweise einen Vergleich des in der aktuellen Messung bestimmten Schadstoffanteils mit dem Schadstoffanteil der Messung des vorhergehenden Taktes und mit einem „Normalwert". Weichen die Werte der aktuellen Messung von vorgegebener Toleranzgrenzen - also von den beiden Vergleichswerten - um einen bestimmten Betrag ab, findet eine Vor-Alarmentscheidung statt und es erfolgt eine Übertragung der Daten an eine Leitstelle/Zentrale 2, wo u. a. eine Datenverarbeitungseinrichtung installiert ist. Die Datenübertragung kann dabei über ein Bussystem 4 oder Glasfasernetze 5 erfolgen, wobei diese Art der Datenübertragung insbesondere verwendet werden wird, wenn der Sensor 1 in einer festen Struktur 6 installiert ist, während bei einer Installation des Sensors 1 in einer mobilen Struktur 7 eine drahtlose Datenübertragung über Funk 8 oder anderen drahtlosen Übertragungsmöglichkeiten (z. B. GPRS) benutzt werden wird (vgl. Figur 2) . Durch eine auf dieser Datenverarbeitungseinrichtung installiertes Computerprogramm werden die übertragenen Daten ausgewertet. Gegebenenfalls werden die Ergebnisse der Auswertung durch ein Mittel zur visuellen Datenausgabe 9 visualisiert . Dies kann als kombinierte 2D-Anzeige von raumbezogenen Sensordaten und/oder als 3D-Visualisierung von Gassensoren und von deren Auswertung durch Neuronale Netze 10 erfolgen. Bei positiver Vor-Alarmentscheidung erfolgt anschließend eine Klassifikation der Daten. Hierbei werden vorteilhafterweise Mittel der künstlichen Intelligenz, wie etwa neuronale Netze 10, eingesetzt, die z. B. durch eine umfangreiche Referenzbibliothek 11 unterstützt werden. In einer solchen Bibliothek 11 sind Sensordaten, Messkurven, Analyseergebnisse u. ä. für die Luftveränderungen durch unterschiedlichste Stoffe, wie bspw. Benzin, Diesel, Ölen, Papierbrand, Reifenbrand, Zigarettenrauch und dergleichen, als Referenzbzw. Klassifikationsmuster gespeichert. In Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswertung wird im folgenden Schritt eine Alarmentscheidung getroffen und bei Erfüllung von Kriterien, die in der Regel von dem überwachenden Ereignis abhängen und entsprechend vorgegeben werden können, über ein Mittel zur Alarm-Ausgabe 12 Alarm ausgelöst und so der Eintritt eines zu überwachenden Ereignisses signalisiert. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird durch den Alarm gleichzeitig signalisiert, um welches Ereignis es sich handelt. Es kann beispielsweise signalisiert werden, ob ein Kabelbrand, Sprayer, ein Waggonbrand, eine festgefahrene Bremse, Dioxin, Ölbrand o. ä. detektiert wurde.

In jeder Stufe des Verfahrens können die Daten bzw. Analyseergebnisse oder Visualisierungen auch zu vorgegebenen Stellen übermittelt werden. Hierfür können das Internet (e- mail) oder SMS genutzt werden.

Durch dieses Vorgehen wird durch Verknüpfung der Daten mit lernfähigen Netzen (Neuronale Netze) eine hohe (Eigen-) Intelligenz des Systems erreicht . Ein neuronales Netz erkennt aus den Daten der Sensoren online die wichtigsten Schad- und Rauchgase bzw. den Sauerstoffgehalt der Luft. Es kann dadurch zwischen absolut gefährlichen Brandgasen und anderen Veränderungen der LuftZusammensetzung unterscheiden.

Das Sensormodul hat eine Lebenskontrollfunktion und steht mit der Zentrale 1 bis n-Mal pro Tag in Verbindung. Die Daten werden also im Sensormodul mit einer hohen Auflösung erfasst und über einen Mikroprozessor ausgewertet. Falls ein Alarm vorliegt werden die Daten über eine Funkstrecke zur Zentrale gesandt. Dort erfolgt eine qualitative und quantitative Auswertung. Hier wird auch der Voralarm aus dem Sensormodul bestätigt oder verworfen. Im Alarmfall wird die Messwertabfrage auf den kürzesten Zyklus gesetzt. Falls keine Funkverbindung hergestellt werden kann, werden die Daten gespeichert und es erfolgt ein zyklischer Verbindungsaufbau bis die Verbindung hergestellt worden ist. Kommt weiterhin keine Verbindung zustande wird eine andere Zielnummer angewählt. Durch die Client (Sensor) /Server (Zentrale) Architektur lassen sich die Module optimal und effektiv konfigurieren und betreiben.

Dieses Verfahren gewährleistet insbesondere - kurze Reaktionszeiten in der Datenerfassung, - die Möglichkeit, verschiedene Gase mit einem einzigen Sensorsystem zu erkennen, eine schnelle Sensorregeneration auch bei hohen Fremdgasbelastungen sowie eine geringe Fehlalarmwahrscheinlichkeit durch Erkennung von Klassifikationsmustern. Die Erfindung ist vorteilhaft beispielsweise zur Überwachung öffentlicher Verkehrsmittel einsetzbar, wie am Anwendungsbeispiel S- u. U-Bahn deutlich wird. Dabei kann zwischen den Nutzeffekten innerhalb der Fahrzeuge, wie etwa - Brandschutz, Sprayeralarm durch Lösungsmittel und/ oder - Emissionserkennung, Immissionsschutz und den Nutzeffekten außerhalb der Fahrzeuge, wie beispielsweise - Brandüberwachung von Tunnelanlagen (vgl. Figur 4) - Erkennung von defekten Waggonbremsen und elektrischen Leitungen durch Gasemission (Abstand ca. 200 bis 500 m) unterschieden werden.

Die Überwachung von Tunnelanlagen ist in Figur 4 skizziert. In dem U-Bahn-Tunnel 13 zwischen einem ersten Bahnhof 14 und einem zweiten Bahnhof 15 sind in Abständen, die der speziellen Situation in dem U-Bahn-Tunnel 13 angepasst sind, Sensoren 16 angebracht . Diese sind durch Datenübertragungsmittel 17 (Kabel oder Funk) mit einem Datenbus 18 verbunden, welcher wiederum (durch Datenüber- tragungsmittel 17) mit der Zentralen Leitstelle 2 verbunden ist. Unter Umständen kann die Leitstelle 2 auch in bereits vorhandene (Überwachungs-) Systeme integriert werden.

Eine Strukturdarstellung für eine beispielhafte Tunnel- Überwachung ist in Figur 5 wiedergegeben. Hierbei werden die

Sensoren 19 über ein glasfasergestütztes BUS-System 20 entlang der Tunneltrasse 21 in einem Abstand von 100 bis 500 m angeordnet. Es kann sich als praktisch erweisen, wenn mehrere Sensoren 19 zu einem Sensor-Cluster 22 zusammengefasst werden. Die Sensoren 19 sind über diese Sensor-Cluster 22 durch Datenverbindung, z. B. über ein Glasfaserkabel 20, welches in der Tunneltrasse 21 verlegt ist, mit einer oder mehreren Leitstellen 2 verbunden. Als praktisch erweist es sich, wenn an jedem Tunneleingang je eine Leitstelle 2 eingerichtet ist. Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen, können in den Leitstellen 2 redundante Serverfarmen (z. B. Linux-Cluster) eingerichtet sein. Als RedundanzSystem zur weiteren Erhöhung der AusfallSicherheit wird ein Funknetz 23 eingesetzt, über welches die Sensoren 19 bzw. Sensor-Cluster 22 mit der oder den Leitstellen 2 verbunden sind.

Die Vorteile, die sich durch diese Struktur ergeben, sind eine hohe Ausfallsicherheit durch Parallelmeldung über Funk, die Möglichkeit, eine unbegrenzte Anzahl an Sensoren einzusetzen und - die Erkennung unterschiedlichster Emissionen, indem eine große Schadstoffbibliothek zugrundegelegt wird.

Sowohl in Tunneln als auch in großflächigen Waldgebieten können die Sensoren netzartig installiert werden. Die Sensoren analysieren konstant die Luftbeschaffenheit. Entwickelt sich ein lokaler Brandherd, wird diese Information sofort in der Leitstelle 2 ausgewertet. Dadurch, daß mittels GPS die genaue Lage jedes Sensors bestimmt werden kann, ist es möglich, das Feuer und seine Größe auf den Meter genau zu lokalisieren. Für die Feuerwehr ein Zeitgewinn. Zudem kann automatisch eine Nachkontrolle des betroffenen Gebietes erfolgen. Die Sensoren ermitteln nicht nur Gase, sondern auch Luftfeuchtigkeit und Temperaturen. Waldbrandwarnstufen können beispielsweise individuell und genau ermittelt und letztendlich sogar entsprechend objektiviert werden. Ein weiteres Einsatzgebiet liegt in der Überwachung von hochwertiger Technik wie z. B. der Überwachung von IT-Technik oder der Datenschranküberwachung in Rechenzentren. Hier spielen vor allem die Früherkennung von kritische Situationen wie Überhitzung, Schwelbränden und Bränden eine Rolle. Dadurch wird ein rechtzeitiges Herunterfahren der Technik (stromlos schalten) bzw. die Löschung (z. B. mit Stickstoff) durch aktive Steuerung gewährleistet. Außerdem ist eine Überwachung hinsichtlich des Zustandes der Batterien, Stromausfall und/oder Sabotage möglich. Dies kann als Fernüberwachung erfolgen; ebenso können die im Zusammenhang mit der Tunnelüberwachung erwähnten redundanten Komponenten (doppelte Übertragung parallel über Kabel und Funk, redundante Serverfarmen) eingesetzt werden.

Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung liegt im Bereich des Intrusionschutzes. Da durch eine entsprechend eingerichtete Bibliothek jegliche Luftveränderungen identifiziert werden könne, kann das Verfahren auch für den Intrusionschutz von Containern im Schiffs- oder Luftverkehr eingesetzt werden. Die dabei verwendeten Bibliotheken müssen dazu Muster für Luftveränderungen enthalten, die ein Öffnen des Containers signalisieren. Verbunden mit Mitteln, die den geografischen Standort der Container ermitteln lassen, wird damit ein schnelles und zielgerichtetes Reagieren auf unberechtigtes Öffnen eines Containers ermöglicht . Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Bezugszeichenliste

Sensor, Halbleitergassensor Leitstelle/Zentrale Modul zur Datenbearbeitung und Visualisierung Bussystem Glasfasernetz feste Strukturen mobile Strukturen Funk Mittel zur visuellen Datenausgabe neuronales Netz Bibliothek, Referenzbibliothek Mittel zur Alarm-Ausgabe U-Bahntunnel erster Bahnhof zweiter Bahnhof Sensor Datenübertragungsmittel Datenbus Sensor glasfasergestützes Bus-System Tunneltrasse Sensor-Cluster Funknetz

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung durch das Computerprogramm Verfahren der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Auswertung durch das Computerprogramm die Reaktion auf frühere Auswertungsergebnisse berücksichtigt (selbstlernendes System) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung durch das Computerprogramm neuronale Netze eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen eine Bibliothek von Kriterien und/oder Mustern verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bibliothek (en) an den Einsatzbereich der Sensoren angepasst wird (werden) .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Sensoren Daten erfasst und/oder übertragen werden, aus denen der geographische Standort dieser Sensoren ermittelbar ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des geographischen Standorts von Sensoren ein Global Positioning System (GPS) eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren und/oder eine die Sensoren umfassende Überwachungseinrichtung über Kommunikationsnetze fernkonfiguriert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren der Überwachungseinrichtung netzartig in einem zu überwachenden Bereich installiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine redundante Übertragung der Parameter und/oder der Analyseergebnisse erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren Halbleitergassensoren und/oder Metalloxidsensoren verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Auswertung auf Basis eines Temperaturwechselverfahrens durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von identifizierten Stoffen eine Signalisierung der Detektion dieser Stoffe erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das im Sensor oder in der Datenverarbeitungseinrichtung hinterlegte Profil - Angaben zum Temperaturbereich des Chips, - Angaben zu der Anzahl der Messungen pro Zyklus, - Angaben zu der Anzahl der Zyklen pro Zeiteinheit und/oder - Angaben zu den bei der Auswertung genutzten neuronalen Netzen umfasst.
16. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Brandüberwachung und/oder zur Sicherung von geschlossenen Räumen, insbesondere von Containern, gegen unberechtigtes Öffnen und/oder Eindringen.
17. Anordnung mit mindestens einem Prozessor und/oder Chip, der (die) derart eingerichtet ist (sind) , daß ein Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen durchführbar ist, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung - mindestens einen Sensor (1) , - mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, - mindestens ein Mittel der künstlichen Intelligenz, - mindestens eine Referenzbibliothek (11) , - mindestens ein Mittel zur Alarm-Ausgabe (12) und/oder - mindestens ein Mittel zur visuellen Datenausgabe (9) umfasst, wobei diese Komponenten der Anordnung durch Mittel zur Datenübertragung miteinander verbunden sind.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1) als Halbleitergassensoren und/oder als Metalloxidsensoren ausgebildet sind.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das (die) Mittel der künstlichen Intelligenz als neuronales Netz (10) ausgebildet sind.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bibliothek (en) Klassifikationsmuster für Veränderungen der LuftZusammensetzung umfasst.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel umfasst, mit denen der geographische Standort von Sensoren (1) ermittelbar ist.
23. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel umfasst, mit denen ein Global Positioning System (GPS) nutzbar ist.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung fernkonfigurierbar ist.
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1) der Anordnung netzartig in einem zu überwachenden Bereich installierte sind.
26. Computerprogramm, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifizierung und/ oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen durchzuführen, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.
27. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Identifizierung und/oder Differenzierung von durch Sensoren angezeigten Stoffen in Gasgemischen durchzuführen, wobei Sensoren mit einem veränderbaren, an spezifische Bedingungen angepaßten Profil konfiguriert werden, bei Ansprechen eines Sensors wenigstens ein Teil der von diesem Sensor erfassten, Stoffe in Gasgemischen charakterisierenden Parameter und/oder wenigstens ein Teil der von diesem Sensor generierten Daten durch ein Computerprogramm automatisch ausgewertet wird, die Identifizierung und/oder Differenzierung von Stoffen anhand vorgebbarer Kriterien, Profile und/oder Muster erfolgt und in Abhängigkeit der Auswertung das Profil des Sensors neu konfiguriert und/oder das bei der Auswertung durch das Computerprogramm genutzte Profil neu festgelegt wird, wobei die automatische Auswertung wenigstens teilweise in einer zentralen Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt und der Datenaustausch zwischen Sensor und Datenverarbeitungseinrichtung über ein Kommunikationsnetz erfolgt.
28. Verfahren, bei dem ein Computerprogramm nach Anspruch 26 aus einem elektronischen Datennetz wie beispielsweise aus dem Internet auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird.
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121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase