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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Untersuchung von Infrastrukturelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein unbemanntes, vorzugsweise autonomes Fluggerät. Außerdem betrifft die Erfindung ein Infrastrukturinspektionssystem. Überdies betrifft die Erfindung ein Transportsystem.
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Infrastrukturelemente, wie zum Beispiel Bauwerke, Schilderbrücken oder Gebäude, insbesondere Fahrleitungssysteme für elektrifizierte Fahrzeuge, müssen von Zeit zu Zeit inspiziert und gewartet werden, um ihre Funktion und Sicherheit zu gewährleisten.
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Solche Infrastrukturelemente können zum Beispiel Teil von elektrischen Transportsystemen für den Transport von Gütern und Personen mit Fahrleitungen zur Versorgung von Fahrzeugen mit elektrischer Energie sein, die in vielen verschiedenen Varianten eingesetzt werden. Am verbreitetsten sind schienengebundene Fahrzeuge, welche meist aus Oberleitungen über Stromabnehmer elektrischen Strom beziehen. Ein zukünftiges Anwendungsgebiet für fahrspurgebundene elektrische Transportsysteme ist der Gütertransport auf Fernstraßen, auch E-Highway-Systeme genannt. Dabei beziehen elektrifizierte Fahrzeuge, insbesondere elektrifizierte Lastkraftwagen, während der Fahrt elektrische Energie aus Fahrleitungen, insbesondere Oberleitungen, die entlang der Fernstraßen montiert sind.
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Ein solches System, welches von einem elektrifizierten Lastkraftwagen genutzt wird, ist in der 1 gezeigt. Dort ist ein elektrisch angetriebener Lastkraftwagen gezeigt, der mit Hilfe eines Stromabnehmers, auch Pantograph genannt, aus einer Oberleitung kontinuierlich elektrische Antriebsenergie bezieht. Das Oberleitungssystem umfasst sogenannte Fahrdrähte, welche die elektrifizierten LKWs zum Beziehen von elektrischer Energie mit Hilfe der Stromabnehmer kontaktieren.
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Die Fahrdrähte sind über Hängerseile an sogenannten Tragseilen aufgehängt, die selbst an Auslegearmen von Strommasten montiert sind. Diese Anordnung wird auch als Kettenwerk bezeichnet.
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Wie bereits erwähnt, müssen Infrastrukturelemente, insbesondere Oberleitungssysteme, in regelmäßigen zeitlichen Abständen untersucht und gewartet werden. Bei einer Inspektion einer Oberleitungsanlage müssen die unteren Mastteile der Oberleitungsanlage, die Fundamente und die Erdung durch eine Sichtprüfung auf ihren betriebssicheren Zustand und ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Weiterhin müssen auch die oberen Mastteile, die Ausleger, das Kettenwerk, die Nachspannvorrichtungen, die Masterverankerungen sowie alle Verstärkerleitungen und Schaltungen durch Sichtprüfung auf ihren betriebssicheren Zustand und ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Überdies muss eine Prüfung der Position der Fahrdrähte vorgenommen werden. Dabei werden die sogenannte Fahrdrahtseitenlage und die Fahrdrahthöhenlage überprüft. D.h., es wird überprüft, ob die Fahrdrähte in der korrekten Höhe angeordnet sind und sich exakt über der vorbestimmten Fahrspur der elektrifizierten Fahrzeuge befinden.
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Herkömmlich werden die genannten Inspektionen durch Befahrung der Strecke, an der die Oberleitungen installiert sind, und Sichtprüfung vor Ort, beispielsweise mit Hilfe eines Fernglases, durchgeführt. Eine solche Sichtprüfung ist allerdings mit einem erheblichen personellen Aufwand verbunden und stellt auch eine Behinderung des Fahrbetriebs dar. Bei E-Highway-Systemen ergibt sich zudem eine Gefährdung durch Inspektionsfahrzeuge und Inspektionspersonal am Rand der betreffenden Fahrstraße. Bei einer Bahnanlage wird das Inspektionspersonal durch herannahende Züge gefährdet.
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Es ist mithin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine Sichtinspektion an Infrastrukturelementen mit reduziertem Risiko für das Inspektionspersonal sowie Unbeteiligte, wie zum Beispiel Verkehrsteilnehmer, vorgenommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patenanspruch 1, ein unbemanntes Fluggerät gemäß Patentanspruch 11, ein Infrastrukturinspektionssystem gemäß Patentanspruch 12 und ein Transportsystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Untersuchung von Infrastrukturelementen wird zunächst ein Ist-Zustand der zu untersuchenden Infrastrukturelemente ermittelt, wobei die Infrastrukturelemente durch ein unbemanntes Fluggerät mit Hilfe einer Bildaufnahmevorrichtung unter Erzeugung von Bilddaten bildlich erfasst werden. D.h., es werden mit Hilfe eines unbemannten Fluggeräts aktuelle Bilder von den zu untersuchenden Infrastrukturelementen aufgenommen, auf deren Basis ein Ist-Zustand der zu untersuchenden Infrastrukturelemente ermittelt wird.
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Anschließend werden Abweichungen des Ist-Zustands von einem Soll-Zustand der Infrastrukturelemente auf Basis eines Vergleichs der erfassten Bilddaten mit Soll-Bilddaten ermittelt. Die für den Vergleich verwendeten Soll-Bilddaten geben zum Beispiel den Zustand der Infrastrukturelemente bei deren Einbau bzw. Aufbau wieder. Sie können zum Beispiel bei dem Aufbau der Infrastrukturelemente aufgenommen worden sein und in einer Datenbank abgespeichert sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Infrastrukturelemente inspizieren, ohne dass sich Prüfpersonal in der Nähe der Infrastrukturelemente aufhalten muss und sich einer Gefahr aussetzt, die mit den Infrastrukturelementen örtlich korreliert ist. Beispielsweise kann ein Betreten einer Gefahrenstelle in der Nähe oder direkt an einem Infrastrukturelement vermieden werden, so dass die Sicherheit für das Prüfpersonal verbessert ist. Weiterhin kann auch zumindest ein Teil des Prüfpersonals, welches herkömmlich vor Ort die Infrastrukturelemente untersucht, eingespart werden. Außerdem kann der Betrieb der Infrastruktur während der Inspektion in der Regel aufrechterhalten werden, da sich keine Prüfpersonen im Nahbereich der Infrastrukturelemente aufhalten müssen, die ansonsten durch den Weiterbetrieb gefährdet wären. Durch den reduzierten Personaleinsatz lassen sich überdies erhebliche Kosten einsparen.
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Das erfindungsgemäße unbemannte, vorzugsweise autonome Fluggerät weist eine Bildaufnahmeeinheit zur automatisierten Erfassung von Bilddaten von zu untersuchenden Infrastrukturelementen auf. Die Bildaufnahmeeinheit kann zum Beispiel eine optische Kamera oder eine Infrarotkamera sein.
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Zudem umfasst das unbemannte Fluggerät eine vorzugsweise autonome Steuereinheit zur vorzugsweise autonomen Ansteuerung von vorbestimmten Flugpositionen und zur Steuerung der Bildaufnahme der Bildaufnahmeeinheit an den vorbestimmten Flugpositionen. Die Steuereinheit kann zum Beispiel direkte Steuerbefehle zur Ansteuerung von Auftriebs- oder Antriebselementen empfangen und verarbeiten, mit denen eine Positionsänderung des unbemannten Fluggeräts vorgenommen werden kann. Die Steuereinheit kann aber auch Navigationsdaten und Routendaten bzw. Positionsdaten verarbeiten und unter Einsatz eines Navigationssystems Steuerbefehle zur Ansteuerung der Auftriebs- oder Antriebselemente ermitteln, so dass das unbemannte Fluggerät eine durch die Navigationsdaten und Routendaten bzw. Positionsdaten vorbestimmte Route abfliegt. Wie bereits erwähnt, dient die Steuereinheit auch der Steuerung der Bildaufnahmeeinheit. Beispielsweise steuert die Steuereinheit die Bildaufnahmeeinheit derart, dass Bilder von den Infrastrukturelementen aus einer vorbestimmten geographischen Position und mit einer vorbestimmten Orientierung der Bildaufnahmeeinheit, beispielsweise eine Kamera, und/oder des unbemannten Fluggeräts aufgenommen werden. Dabei werden zum Beispiel aktuelle Positionsdaten, welche von einem Navigationssystem ermittelt wurden, sowie vorab bestimmte theoretische Positionsdaten berücksichtigt, von denen aus eine Bildaufnahme von einem bestimmten Infrastrukturelement besonders günstig durchzuführen ist. Beispielsweise werden hierzu die aktuellen Positionsdaten mit den theoretischen Positionsdaten verglichen und bei einer Übereinstimmung die Bildaufnahmeeinrichtung angewiesen, eine Bildaufnahme von einem Infrastrukturelement durchzuführen.
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Überdies weist das erfindungsgemäße unbemannte Fluggerät auch eine Funkschnittstelle zum Empfang von Steuerbefehlen und zur Übertragung der erfassten Bilddaten an ein vorzugsweise stationäres Datenspeichersystem und/ oder einen vorzugsweise stationären Benutzerarbeitsplatz auf. Die Funkschnittstelle kann zum Beispiel eine Mobilfunkschnittstelle umfassen, die mit einem oder mehreren der bekannten Mobilfunkstandards, wie zum Beispiel GSM, UMTS oder LTE kompatibel ist. Die Funkschnittstelle kann auch eine Schnittstelle zu einem drahtlosen Netzwerk, insbesondere einem drahtlosen lokalen Netzwerk umfassen. Die Datenübertragung kann also für den Fall einer Übertragung per Telekommunikation kontinuierlich oder für den Fall des Zugriffs auf ein lokales Netzwerk auch nur punktuell erfolgen, je nachdem, welche Datenübertragungsinfrastruktur jeweils im Bereich der zu untersuchenden Infrastrukturelemente vorhanden ist. Der Einsatz des unbemannten Fluggeräts erlaubt es, eine Inspektion von Infrastrukturelementen mit verbesserter Sicherheit und geringerem Personalaufwand durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße Infrastrukturinspektionssystem weist mindestens ein erfindungsgemäßes unbemanntes Fluggerät auf und außerdem ein vorzugsweise stationäres Datenspeichersystem zur Speicherung von Flugpositionsdaten, der erfassten Bilddaten, von einen Soll-Zustand charakterisierenden Soll-Bilddaten und Auswertungsergebnissen. Das Datenspeichersystem kann zum Beispiel Teil eines sogenannten Backend-Systems sein, das als eine Art Serversystem ausgebildet ist. Es kann zum Beispiel stationär in einer Überwachungszentrale untergebracht sein. Alternativ kann das Datenspeichersystem auch in einer mobilen Überwachungseinheit, wie zum Beispiel ein Wartungsfahrzeug oder ein bemanntes Fluggerät, angeordnet sein.
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Weiterhin ist Teil des erfindungsgemäßen Infrastrukturinspektionssystems auch ein vorzugsweise stationärer Benutzerarbeitsplatz zur Steuerung des unbemannten Fluggerätes und vorzugsweise zur Durchführung eines Vergleichs zwischen einem Ist-Zustand und einem Soll-Zustand der untersuchten Infrastrukturelemente auf Basis der erfassten Bilddaten und der Soll-Bilddaten. Der Benutzerarbeitsplatz kann zum Beispiel ebenfalls ein Rechner- oder Serversystem umfassen und in der genannten Überwachungszentrale oder in einer mobilen Überwachungseinheit untergebracht sein. Er schafft insbesondere die Möglichkeit für einen Benutzer, in den Inspektionsprozess einzugreifen, Steuerungsbefehle einzugeben und an das unbemannte Fluggerät zu übermitteln sowie Bilddaten von dem unbemannten Fluggerät oder dem Datenspeichersystem zu empfangen und entweder automatisiert zu verarbeiten oder durch den Benutzer zu verarbeiten.
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Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Infrastrukturinspektionssystem einen Start/Landeplatz für das unbemannte Fluggerät aufweisen. Dabei umfasst der Start/Landeplatz vorzugsweise eine Energieversorgungsschnittstelle. Die Energieversorgungsschnittstelle kann zum Beispiel eine elektrische Ladeschnittstelle und/oder eine Kraftstoffversorgungseinheit umfassen, je nachdem, über welche Art von Antrieb das unbemannte Fluggerät verfügt.
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Das erfindungsgemäße Transportsystem auf einem Wegesystem mit einem fahrspurgebundenen Energieversorgungssystem, insbesondere einem Oberleitungssystem, umfasst das erfindungsgemäße Infrastrukturinspektionssystem. Ein solches Transportsystem umfasst üblicherweise elektrische Fahrzeuge, welche Personen und Güter transportieren, ein Wegesystem, auf dem sich die elektrischen Fahrzeuge fortbewegen können, und ein fahrspurgebundenes Energieversorgungssystem mit einer Infrastruktur zur fahrspurgebundenen Energieversorgung der elektrischen Fahrzeuge, insbesondere einem Oberleitungssystem. Bei der Inspektion der Oberleitungen lässt sich das erfindungsgemäße Infrastrukturinspektionssystem besonders vorteilhaft einsetzen, da die Gefahren aufgrund der in den Oberleitungen vorhandenen Elektrizität sowie aufgrund des auf dem Wegesystem auftretenden Straßenverkehrs für das Inspektionspersonal reduziert werden können. Zudem kann durch Einsparung von Personal vor Ort die Anzahl der Wartungspersonen insgesamt reduziert werden.
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Die wesentlichen Komponenten der Steuereinheit des erfindungsgemäßen unbemannten Fluggeräts und des stationären Arbeitsplatzes des erfindungsgemäßen Infrastrukturinspektionssystems können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuereinheiten auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung, vorzugsweise einer Steuereinheit, eines erfindungsgemäßen Infrastrukturinspektionssystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm von dem Infrastrukturinspektionssystem ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zur Steuereinheit und/oder zur Speicherung an oder in einer Steuereinheit kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Steuereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das unbemannte Fluggerät eine der folgenden Arten von Fluggeräten:
- – ein ferngesteuertes Fluggerät,
- – ein teilautonomes Fluggerät,
- – ein autonomes Fluggerät.
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Als ein ferngesteuertes Fluggerät soll in diesem Zusammenhang ein Fluggerät verstanden werden, welches vollständig über externe Steuerbefehle gesteuert wird. Unter einem teilautonomen Fluggerät soll ein Fluggerät verstanden werden, welches einen Teil der möglichen Flugmanöver selbständig ohne eine direkt Fernbedienung durch Bedienpersonal durchführen kann. Ein autonomes Fluggerät dagegen kann sämtliche Flugmanöver, beispielsweise gemäß einer vorgegebenen Route selbsttätig und autonom ausführen. Der Vorteil eines vollständig autonomen Fluggeräts besteht darin, dass während eines Inspektionsfluges kein Bedienpersonal zur Steuerung des Fluggeräts entlang einer Inspektionsroute benötigt wird. Das Wartungspersonal kann sich zum Beispiel auf die Auswertung der von dem autonomen Fluggerät aufgenommenen Bilddaten konzentrieren bzw. für den Fall einer automatisierten Auswertung der Bilddaten auf das Einleiten von eventuell notwendigen Reparatur- und Wartungsmaßnahmen konzentrieren.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens fliegt das unbemannte, vorzugsweise autonome, Fluggerät zur bildlichen Aufnahme des Ist-Zustands der zu untersuchenden Infrastrukturelemente eine vorbestimmte Untersuchungsstrecke, vorzugsweise automatisiert, ab. Die vorbestimmte Untersuchungsstrecke ist so gewählt, dass das Fluggerät mit seiner Bildaufnahmeeinheit Bildaufnahmen von Infrastrukturbauelementen aus einem günstigen Blickwinkel und einer geeigneten Entfernung durchführen kann. Auf diese Weise wird für eine Auswertung und Beurteilung des technischen Ist-Zustands der Infrastrukturelemente geeignetes Bildmaterial gewonnen.
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In einer besonders praktikablen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für den Fall, dass Abweichungen des Ist-Zustands vom Soll-Zustand ermittelt wurden, automatisiert Korrekturmaßnahmen an den Infrastrukturelementen eingeleitet. Bei dieser Variante können also Wartungsarbeiten ohne Eingreifen einer Bedienperson eingeleitet und optional auch automatisiert durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Höhenposition eines Fahrdrahts eines Oberleitungssystems durch automatisierte Tragseilspanner korrigiert werden. Hierzu können die automatisierten Tragseilspanner beispielsweise von dem stationären Benutzerarbeitsplatz aus oder direkt von dem unbemannten Fluggerät aus automatisiert, d.h. ohne Eingreifen von Bedienpersonal über einen Kommunikationskanal, beispielsweise über Funk oder über eine Kommunikationsleitung, angesteuert werden. Diese Variante erlaubt einen besonders geringen Personalaufwand.
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Alternativ oder zusätzlich können auch Informationen hinsichtlich der ermittelten Abweichungen zur Begutachtung an Überwachungspersonal übermittelt werden. Das Überwachungspersonal entscheidet dann, ob und welche Maßnahmen zur Instandsetzung der betreffenden Infrastrukturelemente notwendig sind. Bei dieser Ausgestaltung, welche auch mit einer automatisierten Auswertung der Abweichungen des Ist-Zustands vom Soll-Zustand kombiniert werden kann, ist durch die Auswertung durch geschultes Personal eine besonders sorgfältige Begutachtung des aktuellen Zustands der Infrastrukturelemente sowie eine flexible und intelligente Reaktion auf auftretende Schäden an der Infrastruktur möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das unbemannte Fluggerät einen Quadrokopter oder einen Hexakopter. Quadrokopter oder Hexakopter werden als Massenprodukte hergestellt und lassen sich kostengünstig erwerben. Sie sind weiterhin sehr exakt in eine gewünschte Position steuerbar, so dass bei der Inspektion Positionen, von denen aus Bildaufnahmen von Infrastrukturelementen durchgeführt werden sollen, genau angeflogen werden können. Weiterhin können die genannten Fluggeräte eine bestimmte Position auch über einen längeren Zeitraum halten, so dass auch Bildaufnahmen, welche eine längere Zeit beanspruchen, an einer bestimmten Position vorgenommen werden können.
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Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in den erfassten Bilddaten Kenngrößen ermittelt, welche den Erhaltungszustand der untersuchten Infrastrukturelemente charakterisieren. Beispielsweise können die Kenngrößen Abstände zwischen verschiedenen Objekten oder Infrastrukturelementen oder deren Position umfassen. Sie können auch eine geometrische Änderung oder eine Änderung der optischen Eigenschaften von Oberflächen umfassen. Diese Kenngrößen können vorzugsweise automatisiert aus den erfassten Bilddaten extrahiert werden. Dabei werden zum Beispiel die einzelnen Objekte anhand ihrer geometrischen Form, ihrer Größe oder ihrer Oberflächeneigenschaften identifiziert und Abstände zwischen den einzelnen Objekten unter Berücksichtigung einer bei der Bildaufnahme eingestellten Gegenstandsweite oder eines anderen aus den Bilddaten zu errechnenden Maßstabs ermittelt. Die Kenngrößen können also vorzugsweise automatisiert und ohne Eingreifen durch zusätzliches Bedienpersonal ermittelt werden und bei einer Auswertung des Ist-Zustands und einer Entscheidungsfindung betreffend geeignete Maßnahmen zur Instandsetzung und Wartung der Infrastrukturelemente genutzt werden.
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Besonders bevorzugt umfassen die Kenngrößen Abstände zwischen Fahrdrähten von Oberleitungen und/ oder die Höhenposition von Fahrdrähten von Oberleitungen. Für den Fall, dass die Infrastrukturelemente Oberleitungen umfassen, kann anhand der genannten speziellen Kenngrößen die Funktionstüchtigkeit und Sicherheit eines solchen Oberleitungssystems bzw. Oberleitungsabschnitts überprüft werden, ohne dass dafür Prüfpersonal vor Ort arbeiten muss. Somit wird eine Gefährdung des Prüfpersonals durch während der Prüfung vorbeifahrende Fahrzeuge vermieden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Trainingsmodus für das unbemannte Fluggerät vorab das unbemannte Fluggerät entlang einer später abzufliegenden Untersuchungsstrecke mit Hilfe einer Fernbedienung gesteuert. Dabei werden mit Hilfe der Fernbedienung Steuerungsbefehle zum Aufnehmen von Soll-Bilddaten, welche den Soll-Zustand der zu untersuchenden Infrastrukturelemente entlang der abgeflogenen Untersuchungsstrecke abbilden, an das unbemannte Fluggerät übermittelt. Ein solcher Soll-Zustand kann zum Beispiel festgelegte Werte von Kenngrößen umfassen, die aus den zugeordneten Soll-Bilddaten entnehmbar sind. Weiterhin werden die erfassten Soll-Bilddaten, die bei dem Abfliegen der Untersuchungsstrecke eingenommenen Flugpositionen sowie die per Fernbedienung übermittelten Steuerungsbefehle abgespeichert. Die genannten Daten können zum Beispiel in einem Datenspeichersystem abgespeichert werden und vor dem Start eines späteren Inspektionsflugs abgerufen und an eine interne Steuerungseinheit des unbemannten Fluggeräts übermittelt werden, so dass das unbemannte Fluggerät seinen Inspektionsflug autonom oder zumindest teilautonom durchführen kann und kein Personal sich in der Nähe der zu prüfenden Infrastruktur aufhalten muss oder auch nur steuernd eingreifen muss. Das Datenspeichersystem ist dabei vorzugweise als zentrales Datenspeichersystem ausgebildet, auf das mehrere unbemannte Fluggeräte an unterschiedlichen Positionen zugreifen können. Auf diese Weise wird eine hohe wirtschaftliche Effektivität und eine hohe Flexibilität, was den Zugriff auf die in dem Datenspeichersystem befindlichen Daten sowie deren Verarbeitung betrifft, erreicht. Zusätzlich können die Inspektionsintervalle, nach denen jeweils ein Inspektionsflug mit Hilfe des unbemannten Fluggeräts vorgenommen werden soll, durch einen Benutzer konfiguriert werden.
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In einer besonders effektiven Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erfassten Soll-Bilddaten, die Flugpositionen sowie die per Fernbedienung übermittelten Steuerungsbefehle in einem stationären Datenspeichersystem abgespeichert. Ein solches stationäres Datenspeichersystem kann zum Beispiel in einer Überwachungszentrale angeordnet sein und Teil eines sogenannten Backend-Servers sein, mit dem auch automatisiert die von dem Fluggerät erfassten Bilddaten verarbeitet werden können. Ein solches stationäres Datenspeichersystem verfügt im Vergleich zu einer mobilen Einrichtung üblicherweise über umfangreiche Zugriffs- und Datenübertragungsmöglichkeiten, die einen schnellen Zugriff und eine schnelle Datenverarbeitung durch mehrere unterschiedliche Nutzer von verschiedenen Orten aus erleichtern.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei dem Schritt des Ermittelns eines Ist-Zustands der zu untersuchenden Infrastrukturelemente die vorab in dem Trainingsmodus erfassten und abgespeicherten Flugpositionen automatisiert abgeflogen. D.h., das Aufsuchen insbesondere der Positionen für die Bildaufnahme zur Inspektion von Infrastrukturelementen geschieht vorzugsweise auf Basis der in dem Trainingsmodus erfassten Positionsdaten, so dass ein Eingreifen oder Fernsteuern durch Bedienpersonal nicht notwendig ist und somit für die Durchführung der Inspektion sich auch niemand in der Nähe der zu inspizierenden Infrastrukturelemente aufhalten muss.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt des automatisierten Ermittelns von Abweichungen des Ist-Zustands vom Soll-Zustand in einem stationären Arbeitsplatz durchgeführt, welcher von dem stationären Datenspeichersystem die Soll-Bilddaten und von dem unbemannten Fluggerät die aktuellen Bilddaten empfängt. Auf diese Weise kann die Auswertung der von einem oder mehreren unbemannten Fluggeräten erfassten Bilddaten bezüglich des Ist-Zustands von zu untersuchenden Infrastrukturelementen zentral durchgeführt werden, so dass Ressourcen zur Auswertung nur einmal vorhanden sein müssen und Bilddaten von verschiedenen unbemannten Fluggeräten auch sofort kombiniert werden können, so dass ein vollständiges Bild von einem Infrastrukturabschnitt gewonnen werden kann.
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Alternativ kann das automatisierte Ermitteln von Abweichungen des Ist-Zustands vom Soll-Zustand auch in dem automatisierten Fluggerät durchgeführt werden. Die Auswertung der erfassten Bilddaten kann also alternativ auch dezentral erfolgen. Dieses Vorgehen kann zum Beispiel dann sinnvoll sein, wenn eine Datenübertragung zwischen dem unbemannten Fluggerät und einer zentralen Überwachungseinheit wie zum Beispiel dem beschriebenen stationären Arbeitsplatz, nur zeitweise oder lokal, d.h. nur dann, wenn sich das unbemannte Fluggerät an bestimmten Positionen aufhält, möglich ist. Auf diese Weise kann das unbemannte Fluggerät trotz mangelnder Datenübertragungsverbindung selbständig eine Auswertung der erfassten Bilddaten vornehmen und eventuell sofort Maßnahmen einleiten oder sogar durchführen, welche zur Erhaltung bzw. Instandsetzung der betreffenden Infrastrukturelemente beitragen. Um diese Operationen durchzuführen, kann das unbemannte Fluggerät zusätzlich Wartungs-, Steuer- und Reparaturfunktionalitäten umfassen. Diese können zum Beispiel in Form von Software oder Hardware ausgebildet sein. Als Hardware können zum Beispiel auch Greifarme oder mit Werkzeugen versehene Arme oder Ausleger eingesetzt werden.
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In einer besonders effektiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die Infrastrukturelemente Bauelemente einer elektrischen Versorgungsleitung eines fahrspurgebundenen Transportsystems. Wie bereits erwähnt, es notwendig die Baugruppen eines Oberleitungssystems hinsichtlich korrekter Positionierung und korrekter Funktion zu überprüfen. Vorteilhaft werden durch die erfindungsgemäße automatisierte Inspektion der Aufwand sowie das Risiko für Wartungspersonal minimiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Transportsystems mit einem Fahrleitungssystem zur Versorgung von elektrifizierten Lastkraftwagen mit elektrischer Energie,
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2 ein Infrastrukturinspektionssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur automatisierten Untersuchung von Infrastrukturelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Transportsystems 100. Ein elektrifizierter LKW 1 fährt auf eine Fahrbahn 2 und entnimmt mit Hilfe eines Pantographen 3 elektrische Energie aus einem Oberleitungssystem 4. Das Oberleitungssystem 4 umfasst sogenannte Fahrdrähte 4.1, die über einer Fahrspur des Fahrzeugs 1 parallel zueinander verlaufen. Zusätzlich weist das Oberleitungssystem 4 ein Tragsystem auf, welches seitlich der Fahrspur des LKWs 1 aufgestellte Masten 4.4 umfasst, von welchen Ausleger (nicht gezeigt) seitlich über eine Fahrspur der Fahrbahn 2 ragen. Über der Fahrbahn verlaufen ferner Tragseile 4.2, die von den Auslegern gestützt werden und zwischen diesen kettenlinienförmig durchhängen. An einem Tragseil 4.2 hängt jeweils ein Fahrdraht 4.1, wobei die Verbindung zwischen Tragseil und Fahrdraht über eine Vielzahl von Hängerseilen 4.3 hergestellt ist, deren Längen mit zunehmender Entfernung von den Masten 4.4 abnehmen, damit eine annähernd konstante Fahrdrahthöhe über der Fahrbahn 2 eingestellt werden kann. Ein Hängerseil 4.3 wird an einem Fahrdraht 4.1 mittels einer Hängerklemme (nicht gezeigt) befestigt, deren Klemmkanten mittels einer Schraubverbindung in je einer von zwei Längsrillen des Fahrdrahtes formschlüssig in Eingriff gehalten werden. Diese Art der Befestigung stellt sicher, dass die Hängerklemmen (nicht gezeigt) keine Hindernisse beim Beschleifen der Fahrdrähte 4.1 durch den Stromabnehmer 3 des Fahrzeugs 1 darstellen. An den Enden der die Fahrdrähte 4.1 umfassenden Fahrleitung 4 wird das Kettenwerk durch nicht näher bezeichnete Nachspanneinrichtungen abgespannt. Wie bereits erwähnt, müssen die Positionen der Fahrdrähte 4.1, die Masten 4.4, die Hängerseile 4.3 sowie die Tragseile 4.2 regelmäßig inspiziert werden. Weiterhin müssen auch Mastteile, Ausleger, Mastverankerungen, Nachspannvorrichtungen, Verstärkerleitungen und Schaltungen auf ihren betriebssicheren Zustand und ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Schließlich müssen auch die Fundamente der Masten 4.4 sowie die Erdung regelmäßig sichtgeprüft werden. Insbesondere müssen bei einem Oberleitungssystem die Höhe der Fahrdrähte 4.1 über der Fahrbahn 2, deren Abstände zueinander und deren Relativposition zur Fahrbahnmitte geprüft werden.
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In 2 ist ein Infrastrukturinspektionssystem 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, welches zum Beispiel zur Überwachung bzw. regelmäßigen Inspektion der Infrastruktur eines elektrifizierten Transportsystems mit Oberleitungen eingesetzt werden kann.
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Teil des Infrastrukturinspektionssystems 6 ist unter anderem ein autonomes Fluggerät 5. Das autonome Fluggerät 5, beispielsweise eine Drohne, umfasst Auftriebs- und Antriebseinheiten (nicht gezeigt), wie zum Beispiel Propeller bzw. Rotoren, Flügel und/oder Ruder, um sich durch die Luft zu bewegen. Weiterhin weist das autonome Fluggerät 5 eine autonome Steuereinheit 5.2 auf. Mit der autonomen Steuereinheit 5.2 werden die Auftriebs- und Antriebseinheiten derart angesteuert, dass eine gewünschte geographische Position erreicht wird. Zur Navigation kann das autonome Fluggerät 5 zum Beispiel einen Transponder zur Kommunikation mit einem Satellitennavigationssystem aufweisen. Weiterhin umfasst das autonome Fluggerät 5 auch eine Funkschnittstelle 5.3, mit der Steuerdaten SD oder Flugpositionsdaten FPD von einem stationären Benutzerarbeitsplatz 6.2 empfangen werden können. Die Steuerdaten SD können zum Beispiel direkte Steuerbefehle SB zum Ansteuern der Auftriebs- und Antriebseinheiten des autonomen Fluggeräts 5 umfassen, mit denen das autonome Fluggerät 5 zum Beispiel in einem Trainingsverfahren zu verschiedenen geographischen Positionen hin ferngesteuert wird. Die Steuerdaten SD können auch Flugstreckendaten enthalten, welche eine vorbestimmte Flugroute des autonomen Fluggeräts 5 umfassen. Die Funkschnittstelle 5.3 ist mit der autonomen Steuereinheit 5.2 über eine Datenübertragungsleitung verbunden, so dass ein Datenaustausch zwischen der autonomen Steuereinheit 5.2 und externen Einrichtungen, wie zum Beispiel dem stationären Benutzerarbeitsplatz 6.2 erfolgen kann.
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Das autonome Fluggerät umfasst zudem auch eine Bilderfassungseinheit 5.1, in diesem speziellen Ausführungsbeispiel eine optische Kamera, mit der Bilder von zu untersuchenden Infrastrukturelementen aufgenommen werden können. Die Bilderfassungseinheit 5.1 wird von der autonomen Steuereinheit 5.2 gesteuert und zwar derart, dass Bilddaten BD an vorbestimmten geographischen Positionen von vorbestimmten Infrastrukturelementen, wie zum Beispiel Fahrdrähten, Masten, Tragseilen (siehe 1), aufgenommen werden.
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Teil des Infrastrukturinspektionssystems 6 ist außerdem ein bereits genannter stationärer Benutzerarbeitsplatz 6.2. Der stationäre Benutzerarbeitsplatz 6.2 dient der direkten Steuerung des autonomen Fluggerätes 5 in einem Trainingsverfahren, bei dem das autonome Fluggerät 5 entlang einer Inspektionsroute direkt ferngesteuert wird. Dabei werden die Positionsdaten FPD dieser Route ermittelt und anschließend dem autonomen Fluggerät 5 zur Verfügung gestellt, so dass das autonome Fluggerät 5 nach der Trainingsphase seine Inspektionsroute von allein findet, also ohne direkte Fernsteuerung durch einen Benutzer. In der Trainingsphase werden mit Hilfe des autonomen Fluggeräts 5 auch Soll-Bilddaten SBD von Infrastrukturbauelementen entlang der Inspektionsroute erfasst, die von dem autonomen Fluggerät 5 an eine Funkschnittstelle 6.2.1 des stationären Arbeitsplatzes 6.2 übermittelt werden. Der stationäre Arbeitsplatz 6.2 umfasst außerdem eine zentrale Prozesseinheit 6.2.2, mit der die von dem autonomen Fluggerät 5 erfassten und über die Funkschnittstelle 6.2.1 empfangenen Bilddaten BD, SBD verarbeitet werden. Die zentrale Prozesseinheit 6.2.2 ist außerdem mit einer Datenbank 6.1 verbunden, in der unter anderem Flugpositionsdaten FPD betreffend geographische Positionen FP, welche das autonome Fluggerät 5 bei seinen Flügen aufsucht, erfasste Bilddaten BD, einen Soll-Zustand SZ charakterisierende Soll-Bilddaten SBD sowie Auswertungsergebnisse abgespeichert werden. Die zentrale Prozesseinheit 6.2.2 ist außerdem mit einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 6.2.3 verbunden, die zum Beispiel eine Tastatur zur Eingabe von Befehlen durch einen Benutzer und eine Schnittstelle zu einem Ausgabebildschirm umfasst, auf dem die von dem autonomen Fluggerät 5 erfassten Bilddaten SBD, BD angezeigt werden können. Mit Hilfe der zentralen Prozesseinheit 6.2.2 wird zudem ein Vergleich zwischen einem Ist-Zustand IZ und einem Soll-Zustand SZ (siehe 3) der untersuchten Infrastruktur-Elemente 4 durchgeführt. Dies geschieht durch einen Vergleich der von dem autonomen Fluggerät 5 erfassten Bilddaten BD mit Soll-Bilddaten SBD, welche in der Datenbank 6.1 abgespeichert wurden und zum Beispiel in einer Trainingsphase mit dem autonomen Fluggerät 5 erfasst wurden.
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Weiterhin umfasst das Infrastrukturinspektionssystem 6 einen Landeplatz 6.3 für das autonome Fluggerät 5. Der Landeplatz 6.3 kann zum Beispiel benachbart zu den zu überwachenden Infrastrukturelementen positioniert sein. Der Landeplatz 6.3 umfasst einen Start- und Landebereich 6.3.1, auf dem das autonome Fluggerät 6.3 starten und landen kann, und eine Energieversorgungsschnittstelle 6.3.2, mit der dem autonomen Fluggerät 6.3 vor einem erneuten Start die benötigte Energie, beispielsweise Treibstoff oder elektrische Energie, zugeführt werden kann.
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In 3 ist ein Flussdiagramm 300 gezeigt, mit dem ein Verfahren zur automatisierten Untersuchung von Infrastrukturelementen veranschaulicht wird. In einem der eigentlichen Infrastrukturinspektion vorgeschalteten Trainingsverfahren werden zunächst Basisinformationen gesammelt, die später bei der eigentlichen Inspektion der betreffenden Infrastruktur zur Navigation sowie als Referenzdaten bzw. Soll-Bilddaten SBD Anwendung finden.
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Im Rahmen des Trainingsprozesses, welches zum Beispiel kurz nach der Fertigstellung eines Infrastrukturabschnitts durch geführt werden kann, wird zunächst bei dem Schritt 3.1 ein autonomes Fluggerät entlang einer später bei der Inspektion abzufliegenden Untersuchungsstrecke US entlang einer zu untersuchenden Infrastruktur mit Hilfe einer Fernbedienung gesteuert. Dazu werden Steuerdaten SD mit Hilfe einer Fernbedienung an das autonome Fluggerät übermittelt, mit denen das autonome Fluggerät direkt ferngesteuert wird. D.h., die Steuerdaten SD umfassen Steuerbefehle SB zur Ansteuerung von Auftriebs- und Antriebseinheiten des autonomen Fluggeräts, mit denen eine Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung oder Flughöhenänderung des autonomen Fluggeräts vorgenommen werden kann. Das autonome Fluggerät ermittelt während dieses Vorgangs immer wieder seine geographische Position, beispielsweise mit Hilfe eines Satellitennavigationssystems (z.B. GPS), und gewinnt so Positionsdaten FPD, welche eine abzufliegende Inspektionsroute festlegen.
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Bei dem Schritt 3.II werden mit Hilfe der Fernbedienung Anweisungen zum Aufnehmen von Soll-Bilddaten SBD an das autonome Fluggerät übermittelt. Diese Anweisungen umfassen Steuerungsbefehle SB bzw. werden in Form von Steuerungsdaten SD zur Abbildung von zu untersuchenden Infrastrukturelementen übermittelt. Die Abbildung der zu untersuchenden Infrastrukturelemente soll den Soll-Zustand SZ der zu untersuchenden Infrastrukturelemente 4 entlang der abgeflogenen Untersuchungsstrecke darstellen. Derartige Abbildungen werden vorzugsweise an verschiedenen geographischen Positionen FP und von verschiedenen Infrastrukturbauelementen oder Abschnitten von Infrastrukturbauelementen aufgenommen.
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Anschließend werden bei dem Schritt 3.III die erfassten Bilddaten als Soll-Bilddaten SBD, die zugehörigen Flugpositionen FP, bei denen die Bilddaten SBD erfasst wurden, sowie die per Fernbedienung übermittelten Steuerungsbefehle SD an ein stationäres Speichersystem 6.1 (siehe 2) übermittelt und dort abgespeichert. Weiterhin werden durch einen Benutzer Inspektionsintervalle festgelegt, nach deren Ablauf jeweils ein Inspektionsflug durchzuführen ist. Damit ist der Trainings- oder Lernvorgang abgeschlossen und es können nun in regelmäßigen Abständen mit Hilfe des autonomen Fluggeräts Inspektionsflüge entlang der zu untersuchenden Infrastruktur vorgenommen werden, um deren Erhaltungszustand und Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
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Bei dem Schritt 3.IV wird ein solcher Inspektionsflug durch ein autonomes Fluggerät vorgenommen. Dazu werden dem autonomen Fluggerät die bei dem Trainingsverfahren erfassten Positionsdaten FPD vorab übermittelt. Anschließend navigiert das autonome Fluggerät selbsttätig bzw. automatisiert anhand der empfangenen Positionsdaten FPD sowie von aktuellen geographischen Positionsdaten, welche von einem Navigationssystem bezogen werden und die aktuelle Position des autonomen Fluggeräts angeben. Somit muss das autonome Fluggerät nicht von einem Benutzer ferngesteuert werden, wodurch vorteilhaft zusätzlicher Aufwand zu dessen Steuerung und Personal eingespart werden können.
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Bei dem Schritt 3.V werden Bilddaten BD von zu untersuchenden Infrastrukturbauelementen mit Hilfe einer Kamera erfasst und an einen zentralen Arbeitsplatz 6.2 (siehe 2) übermittelt. Bei Energiebedarf kann das autonome Fluggerät auch seinen Inspektionsflug unterbrechen und zu einem Landeplatz 6.3 (siehe 2) mit einer Nachladestation 6.3.2 (siehe 2) fliegen. Anschließend nimmt das autonome Fluggerät seine Flugroute automatisch wieder auf, d.h., es fliegt an die Position des Inspektionsflugs, bei der es seinen Flug vorher unterbrochen hat.
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Auf Basis der erfassten Bilddaten BD wird bei dem Schritt 3.VI nun ein Ist-Zustand IZ ermittelt, welcher unter Rückgriff auf die Soll-Bilddaten SBD aus der Datenbank 6.1 (siehe 2) mit einem Soll-Zustand SZ, vorzugsweise automatisiert, verglichen wird. Werden bei dem Schritt 3.VI Abweichungen des Ist-Zustands IZ vom Soll-Zustand SZ ermittelt, welche einen vorbestimmten Toleranzbereich überschreiten, so werden bei dem Schritt 3.VII Korrekturmaßnahmen KM veranlasst. Diese können automatisiert veranlasst werden oder auch von einem Benutzer veranlasst werden, der diese Entscheidung auf Basis der erhaltenen Vergleichs- bzw. Auswerteinformation trifft.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Die Erfindung ist weder auf die Anwendung im Straßenverkehr noch auf eine Anwendung mit Oberleitungen beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich auf andere Verkehrssysteme, wie zum Beispiel Schienensysteme und/oder mit Stromschienen als Versorgungsleitungen ausgerüstete Transportsysteme, oder auch allgemein auf Infrastrukturabschnitte angewandt werden. Es wird der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
