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Dokumentenidentifikation DE102006038808B4 04.09.2008
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern
Anmelder SABIK Informationssysteme GmbH, 19061 Schwerin, DE
Erfinder Christensen, Morten H., 19055 Schwerin, DE
Vertreter Jaap, R., Pat.-Anw., 19370 Parchim
DE-Anmeldedatum 18.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006038808
Offenlegungstag 28.02.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse G08B 29/02(2006.01)A, F, I, 20060818, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B63B 22/16(2006.01)A, L, I, 20060818, B, H, DE   B63B 51/00(2006.01)A, L, I, 20060818, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Derartige Verfahren zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern und die entsprechende Vorrichtung werden zur Fernüberwachung der Funktion von Leuchtfeuern eingesetzt.

Leuchtfeuer dienen in der Schifffahrt bei Dunkelheit und Nebel als Orientierungspunkte und werden zur Kennzeichnung von Wasserstraßen verwendet. Dabei werden die Leuchtfeuer in Unterfeuer und Oberfeuer unterschieden, wobei die Oberfeuer im Küstenbereich auf dem Festland, z. B. auf Leuchttürmen, angeordnet sind. Unterfeuer dagegen befinden sich auf dem Wasser und sind an Bojen angebracht.

Die Funktion der Leuchtfeuer muss zur Vermeidung von Schiffsunfällen durch den Betreiber der Wasserstraße gewährleistet werden. Ein besonderes Augenmerk ist dabei auf Wasserstraßen mit einem hohen Verkehrsaufkommen, wie z. B. in Hafeneinfahrten zu richten. So muss bei Hafeneinfahrten der Hafenbetreiber nicht nur die einwandfreie Funktion der Leuchtfeuer gewährleisten, sondern auch den Funktionsnachweis für jedes einzelne Leuchtfeuer dokumentieren.

In einfacher Weise kann die Funktionsfähigkeit der Leuchtfeuer durch regelmäßige Kontrollfahrten und manuelle Überprüfung überwacht werden. Dazu fährt ein Kontrolleur die entsprechende Wasserstraße bei Dunkelheit ab und überprüft durch Inaugenscheinnahme die Funktion der einzelnen Leuchtfeuer.

Allerdings sind derartige Kontrollfahrten kostenintensiv. Außerdem lässt sich mit ihnen keine zeitlich lückenlose Überwachung der Leuchtfeuer realisieren, so dass in den Zeitabschnitten zwischen den Kontrollfahrten die einwandfreie Funktion der Leuchtfeuer nicht überwacht und dokumentiert wird.

Deshalb ist aus der WO 2004/032064 A1 ein System zur Fernüberwachung von Unterfeuern bekannt, bei dem von dem Unterfeuer aus ein Funksignal an eine Kontrollstation übertragen wird und in der Kontrollstation das Funksignal verarbeitet und zur Auswertung an eine Schaltzentrale weitergeleitet wird. Dazu ist das Unterfeuer mit einem Sensor, z. B. einem optischen Sensor mit Signalwandler, und einem Funksender ausgestattet. Die Kontrollstation weist einen Funkempfänger auf.

Durch den optischen Sensor und den Signalwandler wird das Leuchtsignal des Unterfeuers optisch erfasst und in eine Information umgewandelt. Diese Information wird anschließend an den Funksender übertragen, wobei der Funksender ein der Information entsprechendes Funksignal ausstrahlt. Das Funksignal wird durch den Funkempfänger der Kontrollstation empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches dann an die Schaltzentrale weitergeleitet wird.

Von Nachteil an dieser Lösung ist aber, dass jedes einzelne Unterfeuer mit einer separaten optischen Überwachung sowie einem Funksender ausgestattet werden muss. Das verursacht einen erhöhten Stromverbrauch des Unterfeuers sowie zusätzliche Investitions- und Betriebskosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern und eine entsprechende Vorrichtung zu entwickeln, bei dem die Funktion der Leuchtfeuer optisch und kontinuierlich überwacht wird, ohne dass in jedem Leuchtfeuer eine separate Überwachungseinrichtung notwendig ist.

Verfahrensseitig wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5. Im Bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 gelöst und zweckmäßig durch die Unteransprüche 7 bis 10 ausgestaltet.

Das lösungsgemäße Verfahren zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern und die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.

Vorteilhaft bei der Anwendung des lösungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung ist es, dass die Funktionszustände der Leuchtfeuer mit mindestens einer Videokamera dokumentiert werden und jedes aufgenommene aktuelle Bild in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird. Dadurch kann die Funktion der überwachten Leuchtfeuer optisch und kontinuierlich überwacht werden, wobei keine separate Überwachungseinrichtung an den überwachten Leuchtfeuern notwendig ist.

Verfahrensseitig ist es von Vorteil, wenn die Bildaufnahmefrequenz der Videokamera mindestens das Zweifache der Taktfrequenz der Leuchtfeuer entspricht, weil somit alle Funktionszustände der Leuchtfeuer erfasst werden, obwohl die Leuchtfeuer ihr Lichtsignal mit einer definierten Taktfrequenz ausstrahlen.

Verfahrensseitig ist außerdem von Vorteil, wenn der Alarm bei Abweichung mindestens zweier aufeinanderfolgend aufgenommener aktueller Bilder vom Sollbild ausgelöst und an der Anzeige angezeigt wird. Dadurch können Fehlerquellen unterdrückt werden, die aus einem kurzzeitig verdeckten Sichtfeld der Videokamera auf die zu überwachenden Leuchtfeuer z. B. durch ein vorbeifahrendes Schiff entstehen.

Verfahrensseitig ist es besonders von Vorteil, wenn zur Auswertung in der Auswerteeinheit entweder jedes aufgenommene aktuelle Bild durch ein Künstlich-neuronales Netz, insbesondere durch ein Kohonennetz erkannt und mit einem Sollbild verglichen wird oder die Auswertung in der Auswerteeinheit mittels der Merkmalsextraktion zum Vergleich der Helligkeit des aktuellen Bildes mit einem Schwellwert erfolgt. Dabei sind im ersten Fall auf dem Sollbild die Leuchtfeuer im Funktionszustand „leuchtend" aufgenommen und im zweiten Fall ist der Schwellwert ein gemittelter Helligkeitswert der Leuchtfeuer auf dem aktuellen Bild.

Vorrichtungsseitig ist es von Vorteil, wenn die Überwachungseinrichtung ein Fernbildaufnahmesystem ist, welches aus einer Videokamera mit einer Speichereinheit, einer Auswerteeinheit und der Anzeige besteht. Dabei ist die Videokamera derart positioniert, dass in ihrem Sichtfeld die zu überwachenden Leuchtfeuer zu sehen sind. Die Videokamera ist jeweils über eine elektrische Leitung mit der Speichereinheit und der Auswerteeinheit verbunden. Dadurch ist die Überwachungseinrichtung flexibel und einfach auf eine veränderte Lage der Leuchtfeuer anpassbar.

Außerdem können mit dieser Vorrichtung die Leuchtfeuer bezüglich ihres Diebstahles oder ihrer Zerstörung durch Dritte überwacht sowie die Verursacher von Schiffskollisionen mit überwachten Leuchtfeuern ermittelt werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Dazu zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern und

2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften aktuellen Bildes und Sollbildes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der 1 ein Fernbildaufnahmesystem 1, das aus einer Videokamera 2 mit einer Speichereinheit 3, einer Auswerteeinheit 4 und einer Anzeige 5 besteht.

Dabei ist die Videokamera 2 beispielhaft an einem örtlich erhöhten Punkt angeordnet, von dem aus die zu überwachenden Leuchtfeuer 6 zu sehen sind. Mit der Videokamera 2 werden die zu überwachenden Leuchtfeuer 6 aufgenommen, wobei jedes aktuelle Bild 7 der Aufnahme einerseits in der Speichereinheit 3 abgespeichert und andererseits an die Auswerteeinheit 4 übertragen wird. Dazu ist die Videokamera 2 über eine elektrische Leitung 8 mit der Speichereinheit 3 und über eine elektrische Leitung 9 mit der Auswerteeinheit 4 verbunden.

In der Auswerteeinheit 4 wird jedes aktuelle Bild 7 der Aufnahme mit einem Sollbild 10 verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleiches wird durch die Anzeige 5 angezeigt.

Das Sollbild 10 ist eine Aufnahme der Leuchtfeuer 6 im Funktionszustand „leuchtend". Dazu wird einmalig das Sollbild 10 digitalisiert und durch ein Raster 11 eingeteilt. Dabei sind die Abmaße der Raster 11 derart gewählt, dass die Leuchtfeuer 6 unabhängig von den Wind- und Strömungsverhältnissen vollständig und ausschließlich in einem Rasterfeld 12 abgebildet werden.

Nach dem gleichen Prinzip wird auch mit jedem aktuellen Bild 7 verfahren. Dementsprechend wird das aktuelle Bild 7 ebenfalls digitalisiert und durch das Raster 11' eingeteilt, wobei das Raster 11' des aktuellen Bildes 7 identisch mit dem Raster 11 des Sollbildes 10 ist. Beispielhaft ist in der 2 ein mit dem Sollbild 10 übereinstimmendes aktuelles Bild 7 dargestellt.

Durch den Vergleich werden die Rasterfelder 12 des Sollbildes 10, in denen sich ein Leuchtfeuer 6 befindet, mit den äquivalenten Rasterfeldern 12' des aktuellen Bildes 7 verglichen. Dabei führt den Vergleich ein Kohonennetz durch eine Mustererkennung aus.

Das Kohonennetz ist ein Künstlich-neuronales Netz und muss in einer Lernphase trainiert werden. Dazu werden dem Kohonennetz mehrere Sollbilder 10 mit unterschiedlichen relevanten Wetterbedingungen als Trainingsdaten vorgesetzt. Dabei gehören zu den relevanten Wetterbedingungen alle in Betracht kommenden Wetterbedingungen, bei denen die Leuchtfeuer 6 in Betrieb sein soll.

In der Lernphase trainiert das Kohonennetz, in dem es seine Netzparameter den Trainingsdaten derart anpasst, dass der globale Fehler des Kohonennetzes am geringsten ist. In einer sich der Trainingsphase anschließenden Testphase wird dann die Funktion des Kohonennetz überprüft. Dazu werden mit dem Intelligenten Fernbildaufnahmesystem 1 die aktuellen Bilder 7 verarbeitet und das an der Anzeige 5 angezeigte Ergebnis manuell optisch überprüft.

Neben dem Einsatz des Kohonennetzes ist es aber auch denkbar, den Vergleich zwischen den Rasterfeldern 12, 12' des aktuellen Bildes und dem Sollbild 10 mit jeder anderen geeigneten Methode durchzuführen.

Eine weitere Möglichkeit der Auswertung des aktuellen Bildes 7 in der Auswerteeinheit 4 bietet eine Merkmalsextraktion, bei der kein Sollbild 10, wie bei der Auswertung mit einem Künstlich-neuronalen Netz, notwendig ist.

Zum Festlegen der interessierenden Gebiete auf dem aktuellen Bild 7 gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit ist das Markieren der interessierenden Gebiete von Hand durch eine Bedienperson und die zweite Möglichkeit ist das automatische Markieren der interessierenden Gebiete durch eine Differenzbildanalyse.

Bei der automatischen Markierung werden die interessierenden Gebiete in einer Initialisierungsphase durch eine mathematische Analyse aus mehreren aktuellen Bildern 7 ermittelt. Dabei werden mit der mathematischen Analyse Helligkeitsunterschiede bei dem Vergleich der aktuellen Bilder 7 gefunden, die dann den interessierenden Gebieten entsprechen.

Nach der einmaligen Markierung der interessierenden Gebiete wird mittels der Merkmalsextraktion die Entscheidung getroffen, ob die Helligkeit eines interessierenden Gebietes auf dem aktuellen Bild 7 als ein leuchtendes Leuchtfeuer 6 aufzufassen ist oder nicht. Dazu wird ein Schwellwert gebildet, bei dessen Unterschreitung das Leuchtfeuer 6 aus und bei dessen Überschreitung das Leuchtfeuer 6 an ist.

Ein derartiger Schwellwert kann beispielhaft der Mittelwert zwischen den Helligkeitswerten „Leuchtfeuer an" und „Leuchtfeuer aus" sein.

Aber auch hier ist es auch denkbar, jede andere geeignete Methode der Schwellwertbildung einzusetzen.

Die Funktion des lösungsgemäßen Verfahrens zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern und der entsprechenden Vorrichtung soll nun nachstehend erläutert werden.

Dazu wird das Fernbildaufnahmesystem 1 entsprechend der 1 angeordnet, wobei das in die Auswerteinheit 4 integrierte Kohonennetz bereits trainiert ist bzw. die interessierenden Gebiete automatisch oder manuell markiert sind. Liegt eine relevante Wetterbedingung vor, bei der die Leuchtfeuer 6 ihre Lichtsignale mit jeweils einer definierten Taktfrequenz ausstrahlen, dann wird ein aktuelles Bild 7 von den zu überwachenden Leuchtfeuern 6 erfasst. Dieses aktuelle Bild 7 wird einerseits über die elektrische Leitung 8 an die Speichereinheit 3 und dort, zusammen mit den relevanten Betriebsdaten wie beispielsweise Datum und Uhrzeit der Aufnahme abgespeichert. Andererseits wird das aktuelle Bild 7 über die elektrische Leitung 9 an die Auswerteeinheit 4 übertragen. In der Auswerteeinheit 4 wird das aktuelle Bild 7 ebenfalls digitalisiert und bei der Auswertung des aktuellen Bildes mittels eines Kohonennetzes durch das Raster 11' eingeteilt. Anschließend werden durch das Kohonennetz die Rasterfelder 12' des aktuellen Bildes 7, in denen sich ein Leuchtfeuer 6 befindet, mit dem äquivalenten Rasterfelder 12 des Sollbildes 10 verglichen.

Bei der Auswertung des aktuellen Bildes mittels Merkmalsextraktion werden in der Auswerteeinheit 4 die interessierenden Gebiete dahingehend überprüft, ob die Helligkeiten der jeweiligen interessierenden Gebiete unter- oder oberhalb des Schwellwertes liegen. Bei Unterschreitung des Schwellwertes wird das interessierende Gebiet als „Leuchtfeuer aus" und bei Überschreitung des Schwellwertes als „Leuchtfeuer an" bewertet.

Das Ergebnis des Vergleiches zwischen aktuellen Bild und Sollbild 10 durch das Künstlich-neuronale Netz bzw. die Bewertung aus der Merkmalsanalyse wird von der Auswerteeinheit 4 an die Anzeige 5 übertragen und dort angezeigt.

Ist ein überwachtes Leuchtfeuer 6 defekt, so wird durch die Auswerteeinheit 4 entweder bei dem Vergleich des aktuellen Bildes 7 der Aufnahme mit dem Sollbild 10 durch das Künstlich-neuronale Netz eine Abweichung registriert oder der Schwellwert bei der Merkmalsextration unterschritten. Dadurch wird dann von der Auswerteeinheit 4 zusätzlich ein Fehlersignal an die Anzeige 5 übertragen und dort mit angezeigt.

Zusätzlich können diese Fehlersignale zusammen mit relevanten Betriebsdaten wie beispielsweise Datum und Uhrzeit des Auftretens des Leuchtfeuerdefektes auf ein Speichermedium abgespeichert werden.

1
Intelligentes Fernbildaufnahmesystem
2
Videokamera
3
Speichereinheit
4
Auswerteeinheit
5
Anzeige
6
Leuchtfeuer
7
aktuelles Bild
8
elektrische Leitung
9
elektrische Leitung
10
Sollbild
11, 11'
Raster
12, 12'
Rasterfeld


Anspruch[de]
Verfahren zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern, bei dem bei Ausfall mindestens eines überwachten Leuchtfeuers (6) ein Alarm ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionszustände der Leuchtfeuer (6) mit mindestens einer Videokamera (2) dokumentiert werden und jedes aufgenommene aktuelle Bild (7) in einer Auswerteeinheit (4) ausgewertet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmefrequenz der Videokamera (2) mindestens das Zweifache der Taktfrequenz der Leuchtfeuer (6) entspricht. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung in der Auswerteeinheit (4) jedes aufgenommene aktuelle Bild (7) mit einem Sollbild (10) verglichen wird, wobei auf dem Sollbild (10) die Leuchtfeuer (6) im Funktionszustand „leuchtend" aufgenommen sind, und der Ausfall mindestens eines überwachten Leuchtfeuers (6) als Abweichung des aktuellen Bildes (7) vom Sollbild (10) dargestellt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der aufgenommenen aktuellen Bilder (7) mit dem Sollbild (10) durch ein Künstlich-neuronales Netz, insbesondere durch ein Kohonennetz durchgeführt und der Alarm bei Abweichung mindestens zweier aufeinanderfolgend aufgenommener aktueller Bilder (7) vom Sollbild (10) ausgelöst sowie an der Anzeige (5) angezeigt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung in der Auswerteeinheit (4) mittels einer Merkmalsextraktion erfolgt, wobei mit der Merkmalsextraktion die Entscheidung getroffen wird, ob die Helligkeit eines interessierenden Gebietes auf dem aktuellen Bild (7) als ein leuchtendes Leuchtfeuer (6) aufzufassen ist oder nicht, und bei Ausfall mindestens eines überwachten Leuchtfeuers (6) der Alarm ausgelöst sowie an der Anzeige (5) angezeigt wird. Vorrichtung zur Fernüberwachung von Leuchtfeuern, bestehend aus einer Überwachungseinrichtung mit einer Anzeige (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung ein Fernbildaufnahmesystem (1) ist, welches aus einer Videokamera (2) mit einer Speichereinheit (3), einer mehrere Bilder miteinander vergleichenden Auswerteeinheit (4) und der Anzeige (5) besteht, wobei die Videokamera (2) jeweils über eine elektrische Leitung (8, 9) mit der Speichereinheit (3) und der Auswerteeinheit (4) verbunden sowie feststehend ausgeführt und auf einen vorbestimmten geographischen Punkt ausgerichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes aktuelle Bild (7) die jeweilige aktuelle Aufnahme der zu überwachenden Leuchtfeuer (6) mit der Videokamera (2) ist, wobei jedes aktuelle Bild (7) einerseits in der Speichereinheit (3) abgespeichert und andererseits an die Auswerteeinheit (4) übertragen wird. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) mit einem Künstlich-neuronalen Netz, insbesondere mit einem Kohonennetz zum Vergleich jedes aktuellen Bildes (7) mit einem Sollbild (10) ausgestattet ist, wobei das Sollbild (10) eine Aufnahme der Leuchtfeuer (6) im Funktionszustand „leuchtend" ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) mit einer Merkmalsextraktion zum Vergleich der Helligkeit des aktuellen Bildes (7) mit einem Schwellwert ausgestattet ist, wobei der Schwellwert der Mittelwert zwischen den Helligkeitswerten „Leuchtfeuer an" und „Leuchtfeuer aus" ist.






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