Datenerfassung und Fernzugriff mit CompactRIO in mobilem Einsatz

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"Das vorgestellte System ermöglicht die zuverlässige und wirksame Bestimmung der Gurtnutzungsquote in Reiseomnibussen."

- Dipl.-Ing. (FH) Peter Bach, Fachhochschule Trier

The Challenge:
Entwicklung eines mobilen Überwachungssystems zur Gurtnutzung in Reisebussen auf Basis von CompactRIO zur Ermittlung der Gurtnutzungsquote.

The Solution:
Die eingesetzte Datenerfassungsplattform basiert auf CompactRIO System, und wurde zur Datenfernübertragung und -steuerung durch ein zusätzliches GPRS-GPS-Modul wirkungsvoll erweitert.

Author(s):
Dipl.-Ing. (FH) Peter Bach - Fachhochschule Trier
Prof. Dr. Norbert Bahlmann - Fachhochschule Trier
Dipl.-Ing. Wolfram Koerver - S.E.A. Datentechnik GmbH

Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments. Der vollständige Beitrag ist auch im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2007, veröffentlicht.


Kurzfassung

Die Gurtnutzung ist bei allen Fahrzeugen von hoher Bedeutung und wird gerade in Pkw regelmäßig überwacht. In Bezug auf die Gurtnutzung in Reiseomnibussen existierten bisher jedoch keine validen wissenschaftlichen Untersuchungen. Solche Untersuchungen, vor allem die Erhebung von Daten zur Ermittlung der Gurtnutzungsquote in Omnibussen, wurden daher im Rahmen einer Pilotstudie durchgeführt. Zunächst wurde ein Omnibus vollständig mit Gurtnutzungs- und Sitzplatzsensoren ausgestattet, um die Gurtnutzung im realen Verkehr zu erfassen. Als Datenerfassungsplattform im Fahrzeug dient das CompactRIO System von National Instruments, das durch ein cRIO-GPRS/GPS-Mobile Modul von S.E.A. Datentechnik GmbH erweitert wurde. Die aufgezeichneten Daten lassen sich so über das Mobilfunknetz abrufen. Weiterhin ist eine Positionsabfrage des Fahrzeugs per SMS jederzeit möglich. Mit Hilfe des Systems konnte eine Gurtnutzungsquote von 25% nachgewiesen werden. Des Weiteren umfasst das Projekt die Erprobung von Maßnahmen zur Steigerung der Akzeptanz von Sicherheitsgurten in Omnibussen, die anschließend mit Hilfe des Systems evaluiert werden können.

Einleitung

Omnibusse gehören zu den sichersten Verkehrsmitteln. Das negative Bild, das aufgrund dramatischer Darstellungen in der Öffentlichkeit zum Teil besteht, lässt sich durch statistische Zahlen eindeutig widerlegen. Im Jahr 2005 waren nach Angaben des Statistischen Bundesamtes nur 1,2% aller im Straßenverkehr in Deutschland verletzten Personen Omnibusinsassen. Dies entspricht einer Zahl von 524. Trotz der relativ geringen Verletztenzahl sind im Hinblick auf das Ziel der stetigen Steigerung der Sicherheit des Straßenverkehrs Handlungsbedarf und auch noch Handlungsmöglichkeiten gegeben.

Ziel ist zum einen die Vermeidung von Unfällen und zum anderen - im Falle eines Unfalles - die Folgen für die Insassen zu mindern. In diesem Zusammenhang ist die Nutzung von Sicherheitsgurten ein wichtiger Sicherheitsfaktor.

Studien zeigen, dass das Verletzungsrisiko bei Omnibusunfällen davon abhängt, ob die Insassen angeschnallt sind oder nicht. Daher verlangt der deutsche Gesetzgeber seit 1999, dass neue Omnibusse mit Sicherheitsgurten ausgerüstet werden müssen. Die Fahrgäste sind zudem verpflichtet, die Gurte zu nutzen und seit 2004 kann in Deutschland für das Nicht-Anlegen sogar ein Bußgeld verhängt werden. Mittlerweile besteht auch europaweit die Ausrüstungs- und Anschnallpflicht in Reiseomnibussen. Dennoch gibt es immer wieder Verletzte bei Unfällen, weil Insassen vorhandene Gurte nicht nutzen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage der aktuellen Gurtnutzungsquote in Reiseomnibussen. Anders als beim Pkw, bei dem in Deutschland Quoten von über 90% dokumentiert werden, existieren für Omnibusse weltweit keine validen wissenschaftlichen Daten. Aufgrund des herrschenden Forschungsdefizits startete das Institut für Fahrzeugtechnik der Fachhochschule Trier in Kooperation mit der Universität Trier, Fachbereich Psychologie, in Eigenregie eine Pilotstudie. Zunächst wird die aktuelle Gurtanlegequote in Reiseomnibussen bestimmt. Weiterhin werden kostengünstige, einfach umsetzbare Methoden entwickelt und evaluiert, die zu einer erhöhten Akzeptanz von Sicherheitsgurten in Omnibussen führen.

Aufbau des Erfassungssystems

Um in einem Reiseomnibus das Anschnallverhalten sinnvoll überwachen zu können, muss ein Fahrzeug unkenntlich für Fahrer und Fahrgäste mit Sitzplatzbelegungs- und Gurtnutzungssensoren ausgestattet und über einen längeren Versuchszeitraum überwacht werden. Nach Möglichkeit sollte die Abfrage der Daten ohne einen direkten Zugang zum Fahrzeug erfolgen und jederzeit möglich sein. Ein Busunternehmen unterstützt die Untersuchung und stellt einen Reiseomnibus zur Verfügung. Das Fahrzeug wird für sehr vielfältige Zwecke eingesetzt, so dass sich das Fahrzeug in der Hauptreisezeit nahezu täglich im Einsatz befindet und auch mehrere Wochen nicht zum Stützpunkt zurückkehren kann.

Die notwendigen Sensoren für die Sitzbelegungs- und Gurtnutzungserkennung sind eigene Entwicklungen, da für Omnibusse keine derartigen Systeme existieren. Die Sensoren zur Erfassung der Sitzbelegung bestehen aus Reed-Kontakten, die in die Unterseite der Sitzfläche eingeschraubt sind. Der Sensor für die Gurtnutzung ist ein industrieller Endlagenschalter, der an der Gurtrolle anliegt. Bei der Abwicklung des Gurtes von der Spule reduziert sich deren Dicke und der Taster schaltet. Beide Sensoren befinden sich zwischen der Sitzfläche und dem Sitzgestell und sind für die Fahrgäste nicht sicht- und fühlbar. Die Sensoren sind über Kabelstränge aus Netzwerkkabel mit dem Datenerfassungssystem im Unterboden des Fahrzeugs verbunden.

Die eingesetzte Datenerfassungsplattform ist das CompactRIO (kurz: cRIO) System von National Instruments. Dieses PAC-System (Programmable-Automation-Controller) verbindet die Real-Time- mit der FPGA-Technologie und ist speziell für Stand-alone-Applikationen ausgelegt. Für die vorliegende Problemstellung zur Sitzüberwachung in einem Omnibus liegt der Vorteil des Systems in der sehr kompakten Bauweise und dem direkten Betrieb über das Bordnetz.

Das im Fahrzeug eingesetzte System besteht aus dem cRIO Real-Time-Controller (Modell NI cRIO-9004) und dem cRIO Chassis mit FPGA-Chip (Modell NI cRIO-9104). Zur Überwachung aller 51 Sitzplätze des Fahrzeugs werden vier digitale I/O-Module vom Typ 9425 eingesetzt. Für das cRIO-System wurde die Software in der Programmiersprache  LabVIEWTM geschrieben. Die Programmierung erfolgt hierbei in sogenannten VIs (Virtuelle Instrumente), wobei ein VI für den Real-Time-Controller und ein VI für die Ansprache des FPGA-Systems erstellt werden muss. Die Software wurde vollständig auf einem PC geschrieben und via Netzwerkkabel auf das cRIO-System überspielt und ausgeführt. Neben den Modulen für die Datenerfassung wurde das cRIO durch GPS/GSM/GPRS-Mobile-Module von S.E.A. Datentechnik GmbH erweitert. Damit lässt sich das komplette System im Fahrzeug über das Mobilfunknetz fernsteuern sowie überwachen und erlaubt die Datenfernabfrage. Das cRIO GPRS-Modul besitzt einen Slot zur Aufnahme einer GSM-SIM-Karte und Anschlüsse für Mobilfunk- und GPS-Antennen.

Funktion

Während der Omnibus fährt, erfasst das System in einem Intervall von zehn Minuten die Sitzbelegung sowie die Gurtnutzung jedes einzelnen Sitzplatzes und speichert diese Information zusammen mit der jeweiligen GPS-Zeit und der GPS-Position in dem Flash-Speicher des cRIO ab. Die Erfassung findet nur statt, wenn die Handbremse gelöst ist, das Fahrzeug somit fährt und die Fahrgäste auch angeschnallt sein müssen.

Zum Datenabruf wird eine SMS-Nachricht an die Mobilnummer der SIM-Karte im Mobile-Modul gesendet. Die cRIO-Software liest alle eingehenden SMS und löscht die Nicht-Relevanten. Bei entsprechender Kennung (beispielsweise mit dem SMS-Text „Daten“) öffnet die Software eine transparente TCP/IP Verbindung zum Internet via GPRS. Die bis dato gespeicherten Daten im Flash-ROM werden zu einem Host-PC in der Zentrale übertragen, dessen IP-Adresse innerhalb der Software hinterlegt ist. Auf dem Host-PC läuft für den Datenempfang eine spezielle LabVIEW Software, die auf einkommende Verbindungen des Omnibus-Systems wartet. Sobald die Verbindung aufgebaut ist, werden die automatisch übermittelten Datenpakete des CompactRIO Systems in einzelnen Datenfiles auf dem zentralen PC abgelegt. Das Prinzip der Datenabfrage ist in Bild 1 (Schritte 1 bis 5) dargestellt. Durch das cRIO-Gxxx-Modul ist ein direkter Zugang zum Fahrzeug unnötig. Möglich wäre jedoch auch eine direkte Datenabfrage über ein cRIO WLAN Module im Busdepot. Neben der Datenabfrage wurden zusätzliche Funktionen mit dem Mobile-Modul realisiert. Beispielsweise wird mit der SMS-Nachricht „Position“ an das System von dem FPGA-VI des cRIO im Fahrzeug umgehend eine Nachricht mit der GPS-Position zurückgesendet.


Ergebnisse

Das System befindet sich seit April 2006 im Einsatz und hat in der Reisesaison 2006 über 2.100 Betriebsstunden fehlerfrei absolviert. Lediglich im Rahmen einer Funktionsprüfung aller Sensoren mussten vier Sitzbelegungssensoren neu justiert werden. Die Auswertung (einer Datenmenge von insgesamt 120000 belegten Sitzen) ergab eine durchschnittliche Anschnallquote von 25%. Der Unternehmer stellt zusätzlich zu den empirischen Daten Informationen über die Reisegruppen zur Verfügung, um ein Gurtnutzungsprofil (beispielsweise von Schulkindern oder Senioren) erstellen zu können. Wie die bisherigen Ergebnisse zeigen, müssen jedoch hierzu weitere Daten erhoben werden, um eine hohe statistische Aussagefähigkeit zu erhalten. Ausgehend von der insgesamt geringen Quote werden im Rahmen der Studie Maßnahmen erprobt, die die Akzeptanz der Sicherheitsgurte erhöhen sollen. Maßnahmen werden beispielsweise Piktogramme sein, die an jedem Sitz angebracht werden sowie eine kurze und einprägsame Aufforderung, die über die Bildschirme im Fahrzeug bei jedem Start kurz und automatisiert abläuft.

Zusammenfassung

Das vorgestellte System ermöglicht die zuverlässige und wirksame Bestimmung der Gurtnutzungsquote in Reiseomnibussen. Die eingesetzte Datenerfassungsplattform ist ein CompactRIO System, das durch ein zusätzliches GPRS-GPS-Modul wirkungsvoll erweiterte wurde. Hierdurch kann das System im Versuchsfahrzeug ohne direkten Zugang jederzeit überwacht und ferngesteuert werden.

Author Information:
Dipl.-Ing. (FH) Peter Bach
Fachhochschule Trier
Schneidershof
Trier 54293
Germany
Tel: +49 651 8103-319
Fax: +49 651 8103-377
bachpe@fh-trier.de

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