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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Überwachung von einer unterirdischen
Grube.
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Bekanntlich
existiert eine große
Anzahl von unterirdischen Gruben, die nicht mehr genutzt werden.
Man weiß,
dass, welche Vorsichtsmaßnahmen auch
immer am Ende der Nutzung solcher Gruben getroffen wurden, diese
den Boden in der Zone, wo sie angelegt wurden, beträchtlich
schwächen.
Auch weiß man,
dass, wenn sich diese Gruben unter städtischen Zonen mit einer starken
Gebäudekonzentration
befinden, das Einstürzen
der Gruben oder die teilweise Zerstörung ihrer hangenden Bereiche,
Stützen
oder Pfeiler erhebliche Schäden
an den über
der Grube errichteten Gebäuden
verursachen können.
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Um
Veränderungen
dieser Gruben und insbesondere des mechanischen Widerstands ihrer hangenden
Bereiche überwachen
zu können,
besteht eine bevorzugte Lösung
in einer regelmäßigen visuellen
Inspektion der Gruben. Man weiß jedoch, dass
diese Lösung
wenig zufriedenstellend ist, wenn sie sich nicht mit einer relativ
hohen Regelmäßigkeit durchführen lässt, dass
sie mit der Kompetenz und Erfahrung der die Überwachung durchführenden Person
verbunden ist und dass sie auf jeden Fall mit beträchtlichen
Kosten verbunden ist.
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Um
diese Nachteile zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, an gewissen zu überwachenden Stellen
der unterirdischen Grube Messaufnehmer für mechanische Spannungen oder
für Dimensionsgrößen anzuordnen.
Derartige Messaufnehmer können zum
Beispiel vertikale „Konvergenzrohre" aufweisen, die zwischen
dem Hangenden der Grube und deren Liegenden angeordnet sind und
mit denen Verkürzungen
gemessen werden. Gleichermaßen
können Messgeräte für mechanische
Spannungen zum Beispiel an bestimmten vertikalen Stützen angeordnet werden,
die seit dem Anlegen der Grube be stehen. Es hat sich jedoch herausgestellt,
dass mit derartigen Lösungen,
selbst bei Erhöhung
der Anzahl der Messaufnehmer für
mechanische Spannungen, die Messkontrollen nur über sehr lokale Bereiche der Grube
Aufschluss geben können.
Da die Grube eine erhebliche Oberfläche aufweist, muss weiterhin
die Anzahl der Messaufnehmer relativ groß sein, was zu einer sehr komplexen
und aufwändigen
Gesamtauslegung der Überwachungseinrichtung
führt,
obwohl damit, wie bereits oben erwähnt, nur punktuelle Informationen
geliefert werden können.
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In
der
US 4,649,524 wird
ein Überwachungssystem
von unterirdischen Gruben vorgeschlagen, das in den Gruben angeordnete
akustische oder seismische Messaufnehmer aufweist. Die Verarbeitungsmittel
erlauben die Überwachung
des Eintretens eines charakteristischen Ereignisses. Dazu wird die
Energie des Signals in bestimmten Zeitabständen bestimmt oder mit einer
festen oder variablen Energieschwelle verglichen. Jedoch geht aus
dieser Druckschrift nicht hervor, wie man die Energieschwelle, wenn
sie variabel ist, bestimmen kann.
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Daher
ist es wünschenswert,
eine Überwachungseinrichtung
für nichtgenutzte
unterirdische Gruben zu schaffen, die eine globale Kontrolle der gesamten
unterirdischen Grube gestattet und eine höchst wirksame und automatische
Feststellung und Aufzeichnung des Eintretens charakteristischer
Ereignisse ermöglicht,
die Anzeichen einer bedenklichen Veränderung der Grube oder ihrer
Stützen
sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein System zur Überwachung
von einer unterirdischen Grube vorgeschlagen mit folgenden Merkmalen:
- – N
akustischen oder seismischen, in der Grube angeordneten Messaufnehmern
(Ck), von denen jeder ein Signal abgibt,
das für
dasjenige akustische oder seismische Signal, welches er aufgenommen
hat, repräsentativ
ist; und
- – Verarbeitungsmitteln
für die
von jedem Messaufnehmer gelieferten Signale, um aus diesem das mögliche Eintreten
eines charakteristischen Ereignisses in der Grube ableiten zu können, wobei die
Verarbeitungsmittel Mittel zur Berechnung der in dem Signal während Zeitspannen
T enthaltenen Energie aufweisen, wodurch eine Geräuschinformation
B erhalten wird; wobei das System durch folgende weitere Merkmale
charakterisiert ist:
- – Mittel
zur Berechnung der in dem repräsentativen
Signal während
Zeitspannen T' enthaltenen Energie,
mit T' = T/k, wobei
k immer größer ist
als 1, wodurch eine Energieinformation E erhalten wird;
- – Mittel
zur Berechnung des Verhältnisses
R zwischen der Energieinformation E und der Geräuschinformation B und zum Vergleich
des Wertes R dieser Beziehung mit einem vorbestimmten Schwellenwert
S, wobei die Zeitspannen T' der Berechnung
der Energieinformation (E) aufeinanderfolgenden, nebeneinanderliegenden
Teilstücken
des repräsentativen
Signals und die Zeitspannen T der Berechnung der Geräuschinformation
(B) aufeinanderfolgenden, um einen Betrag T' versetzten Teilstücken des repräsentativen
Signals entsprechen; und
- – Mittel
zum Speichern der Energieinformation E, falls der Wert R der Beziehung
größer als
der Schwellenwert S ist.
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Aufgrund
der Verwendung akustischer oder seismischer Messaufnehmer kann,
bei geeigneter Anordnung derselben in der Grube, eine globale Überwachung
der Grube durch die Ausbreitung von Geräuschen durch die Grube realisiert
werden, wobei die Geräusche
für das
Eintreten bestimmter Ereignisse charakteristisch sind, wie das Herabfallen von
Blöcken
des Hangenden der Grube, oder das Auftreten von Rissen in dem Hangenden
oder in den Stützen
der Grube oder auch für
das Einstürzen
von Pfeilern. Die Verarbeitungsmittel für die von den Messaufnehmern
gelieferten Signale erlauben weiterhin die Verwendung eines Schwellenwerts,
der einem effektiven Geräusch
entspricht. Die Mittel zum Speichern der repräsentativen Informationen von
einzelnen charakteristischen Ereignissen gestatten ferner eine beträchtliche
Verringerung der Menge der zu speichernden Informationen und ermöglichen
eine Überwachung
der Grube in Echtzeit.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Verarbeitungsmittel des Überwachungssystems dazu bestimmt,
in Echtzeit zu funktionieren.
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Gemäß einem
weiteren charakteristischen Merkmal der Erfindung basiert die Verarbeitung
der von den Messaufnehmern gelieferten Signale auf der Berechnung
der in den Signalen während
der vorbestimmten Zeitspannen enthaltenen Energie. Die Verwendung
der in den Signalen enthaltenen Energie erlaubt es, auf zuverlässige Weise
eine wirksame Feststellung des Eintretens charakteristischer Ereignisse zu
erhalten und kumulierbare quantifizierte Größen zur Interpretation zu liefern.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Unterscheidung
der Energie für jeden
Messaufnehmer durch unterschiedliche Frequenzbänder des akustischen Signals.
Die Kombination der Energieinformationen und der Information bezüglich des
Frequenzbereichs, in dem diese Energie gemessen ist, ermöglicht den
Erhalt einer vollständigen
und einfach verwertbaren Information was das Auftreten charakteristischer
Ereignisse im Inneren einer unterirdischen Grube anbetrifft.
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die jedoch
die Erfindung nicht einschränken.
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Die
Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Figuren, in denen:
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1 eine
Ansicht verschiedener Teile des Überwachungssystems
einer Grube darstellt;
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2 ein
vereinfachtes Schema des gesamten Überwachungssystems der Grube
zeigt; und
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3 eine
vereinfachte Übersicht
der verschiedenen Verarbeitungsschritte darstellt, wie sie durch
das erfindungsgemäße Überwachungssystem einer
Grube verwirklicht werden.
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Zunächst ist
in 1 das gesamte Überwachungssystem
von einer unterirdischen Grube gezeigt, die in dieser Figur mit
dem Bezugszeichen 10 benannt ist.
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Das
System schließt
N im Inneren der unterirdischen Grube geeignet angeordnete Messaufnehmer
Ck ein. Diese Messaufnehmer können entweder akustische
Messaufnehmer von der Art eines Mikrofons, oder seismische Messaufnehmer
von der Art eines Geophons oder eine Kombination beider sein. Im erstgenannten
Fall können
die Messaufnehmer die direkt durch das Eintreten von Ereignissen,
wie das Herabfallen von Blöcken
des Hangenden der Grube oder die Rissbildung bei Stützen oder
auch Pfeilern, erzeugten akustischen Signale aufnehmen. Im Fall von
Gephonen nehmen diese das durch das Liegende und die Wände der
Grube in Folge des Auftretens eines solchen Ereignisses übertragene
Signal auf. In beiden vorgenannten Fällen erlauben die akustischen
oder seismischen Messaufnehmer die Aufnahme für das Eintreten von Ereignissen
in der gesamten überwachten
Grube repräsentativen
Signalen.
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Jeder
Messaufnehmer ist an eine Schnittstellenschaltung 12 angeschlossen,
der im wesentlichen die Umwandlung des von jedem Messaufnehmer gelieferten
Analogsignals in ein Digitalsignal ermöglicht, während dafür eine vorangehende Aufnahme
des Ana logsignals erfolgt. Jede Schnittstellenschaltung erlaubt
gleichermaßen
eine temporäre Speicherung
der so erhaltenen Informationen, um die Verarbeitung dieser Informationen
in Echtzeit zu ermöglichen,
wie weiter unten näher
erklärt
werden wird. Die Schnittstellenschaltungen 12 sind mit
einer Verarbeitungsgruppe 14 verbunden, die in Reaktion auf
die Verarbeitung der von den Schnittstellenschaltungen 12 gelieferten
Signale das Aussondern derjenigen Signale ermöglicht, die für das Eintreten
eines Ereignisses in der Grube repräsentativ sind, sowie das Speichern
und Kumulieren dieser repräsentativen
Informationen in einem Hauptspeicher 16 erlaubt. Die im
Speicher 16 kumulierten und gespeicherten Informationen
können
periodisch an eine Zentralüberwachungsgruppe 18 übermittelt
werden, die gleichermaßen ähnliche
Informationen eines anderen Überwachungssystems
von einer anderen Grube oder einem anderen Bereich der Grube, wenn diese
größere Dimensionen
aufweist, empfangen kann.
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Aus 2 lassen
sich die verschiedenen Schaltungen, die das Überwachungssystem der Grube 10 bilden,
entnehmen.
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Jede
Schnittstellenschaltung 12 ist im wesentlichen durch eine
Einrichtung zur Signalaufnahme und Analog-Digitalumwandlung 20 der
durch den zugehörigen
Messaufnehmer C gelieferten Signale gebildet. Am Ausgang der Schaltung 20 wird
also eine Folge von digitalen Informationen, die für die Amplitude
des durch den Messaufnehmer zu verschiedenen Zeitpunkten der Signalabtastung
erhaltenen akustischen oder seismischen Signale repräsentativ
sind, erhalten. Die Schaltung 12 weist ebenfalls eine durch
zwei Pufferspeicher 24 und 26 gebildete Speichergruppe 22 auf,
die die Verarbeitung der Informationen durch die Verarbeitungsgruppe 14 in Echtzeit
ermöglicht.
Jeder Pufferspeicher 24 und 26 ist alternativ
mit dem Ausgang der Digitalisierungseinrichtung 20 und
der Ausgang jedes Speichers 24 und 26 ist alternativ
auch mit dem Eingang der Verarbeitungsgruppe 14 verbunden.
Diese Verbindungen sind durch zwei physikalische Schaltglieder 28 und 30 symbolisiert,
wobei es sich von selbst versteht, dass diese Schaltungen durch
Datenverarbeitungsmittel verwirklicht werden. Die Zeitspanne der
Schaltung zwischen den beiden Speichern 24 und 26 ist mit
T1 bezeichnet. Wenn gemäß diesem System einer der beiden
Speicher während
der Zeitspanne T1 die von der Einrichtung 20 gelieferten
digitalen Informationen speichert, ist der andere Speicher mit der Verarbeitungsgruppe 14 verbunden.
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In
der vorstehenden Beschreibung wurde berücksichtigt, dass soviele Schnittstellenschaltungen 12 wie
Messaufnehmer vorgesehen sind. Die Erfindung schließt selbstverständlich auch
den Fall ein, dass eine einzige Schnittstellenschaltung vorgesehen
ist, die die von N Messaufnehmern gelieferten Signale empfängt. Die
einzige Signalaufnahmeeinrichtung empfängt dann die N multiplexen
Signale.
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Gleichfalls
kann ein einziges Pufferspeicher-Paar vorgesehen sein, um in alternativer
Weise die durch die Einrichtung zur Signalaufnahme und Analog-Digitalumwandlung
gelieferten multiplexen Informationen zu speichern.
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Es
kann gleichermaßen
als selbstverständlich
vorgesehen sein, dass, wenn die Messaufnehmer Ck mit
ihren eigenen Signal-Digitalisierungseinrichtungen
ausgestattet sind, der oder die Schnittstellenschaltungen 12 allein
die Pufferspeicher einschließen.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 14 wird, genauer gesagt, durch
einen Mikroprozessor 32 gebildet, der einer Gruppe von
Speichern zugeordnet ist. In der Figur ist ein nicht flüchtiger
Programmspeicher 34 dargestellt, um in permanenter Weise
die vom Mikroprozessor 32 erstellten Unterprogramme zu
speichern, ein dynamischer Arbeitsspeicher 36, beispielsweise
ein RAM-Speicher, sowie eine Gruppe von Zwischenspeichern 38 zur
Speicherung von aus der Verarbeitung durch den Mikroprozessor 32 resultierenden
Informationen.
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Um
eine Verarbeitung dieser Informationen in Echtzeit zu ermöglichen,
ist die Speichergruppe 38 aus zwei getrennten Speicherbereichen 40 und 41 gebildet,
die alternativ mit dem Mikroprozessor 32 verbunden werden
können,
dessen Periodizität
D sehr viel größer ist
als die Periode T, um die Informationen in der Folge ihrer Verarbeitung
zu speichern, wobei der andere Speicher mit dem Mikroprozessor 32 verbunden
ist, um eine Umordnungsoperation bezüglich der Daten in dem Speicher 42 durchzuführen. Nach
der Umordnungsarbeit können
Informationen gleicher Art kumuliert und in den Hauptspeicher 16 übertragen
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 werden im Folgenden die unterschiedlichen
Verarbeitungsschritte der durch die Einrichtung 14 bereitgestellten
Informationen beschrieben.
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In
dieser Figur sind die verschiedenen Messaufnehmer Ck und
Schnittstellenkreise 20 dargestellt, die nicht erneut beschrieben
werden müssen.
Die erste Informationen-Verarbeitungsphase ist hier die gleiche
für jedes
der mit einem Messaufnehmer verbundenen Digitalsignale. Es genügt daher,
die Verarbeitungsoperationen, wie sie beispielsweise auf die dem
Messaufnehmer C1 zugehörigen Signale ausgeübt werden,
zu beschreiben.
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Der
erste Verarbeitungsschritt, durch das Bezugszeichen 50 dargestellt,
besteht in einer Filterung der in einem der Pufferspeicher 24 oder 26 enthaltenen
digitalen Informationen. Diese digitalen Filtermittel erlauben ein
Filtern des Signals nach P Frequenzbändern. Beispielsweise könnte man
fünf Frequenzbänder, die
zwischen 0 und 300 Hz, vorzugsweise zwischen 0 und 250 Hz gleichmäßig verteilt sind,
verwenden. Nach dem Filterschritt 50 werden P Folgen von
Informationen erhalten, die den numerischen Werten des in jedem
der P Frequenzbänder erhaltenen
Signals entsprechen. Da die auf jede Reihe der gefilterten Informationen
angewandte Verarbeitung die gleiche ist, wird im Folgenden die Verarbeitung
für die
dem Filterband Fi zugehörige Reihe von Informationen
beschrieben.
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Bevor
die verschiedenen Verarbeitungsschritte im Einzelnen erläutert werden,
soll zunächst ihr
Prinzip dargestellt werden. Dieses Prinzip besteht darin, dass zuerst
ein Geräuschswert über eine
Zeitspanne T berechnet wird, wobei der Geräuschswert Bi der
in dem Signal während
der Zeitspanne T enthaltenen Energie entspricht. In gleicher Weise
wird für
die Zeitspannen T' die
in dem Signal während
einer Zeitspanne T' enthaltene
Energie und das Verhältnis
Ri zwischen der Energie Ei und
dem Geräusch Bi berechnet. Wenn dieses Verhältnis oberhalb
einer Schwelle Si liegt, wird man davon
ausgehen, dass während
der betreffenden Zeitspanne T' ein
charakteristisches Ereignis in der Grube eingetreten ist und die
Energie Ei gespeichert ist. Anderenfalls
wird das der Zeitspanne T' zugehörige Signal
ignoriert.
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Dergleichen
wird die Berechnung des Geräuschs
Bi über
aufeinanderfolgende Perioden während
der Zeitspanne T vorgenommen, die jeweils T' betragen. Dazu ist zu bemerken, dass
die zu den Pufferspeichern gehörende
Periode T1 etwa mit der Periode T gleich
ist. Außerdem
ist die Periode T gleich k T',
wobei k eine Zahl größer als
1 ist. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel
ist k = 10. Im Allgemeinen liegt k zwischen 5 und 15.
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In
dem in 3 dargestellten Schritt 52 führt der
Mikroprozessor 32 ein im Speicher 34 enthaltenes
Unterprogramm durch zur Berechnung der in dem gefilterten Signal
während
der Zeitspanne T enthaltenen Energie, um eine Geräuschinformation
Bi zu erhalten. Im Schritt 54 führt der
Mikroprozessor ein anderes im Speicher 34 enthaltenes Unterprogramm aus
zur Berechnung der in dem gefilterten Signal während einer Zeitspanne T' enthaltenen Energie. Daraufhin
berechnet der Mikroprozessor 32 im Schritt 56,
unterstützt
durch ein ständig
im Speicher 34 enthaltenes Unterprogramm, das Verhältnis Ri zwischen der Energie Ei und
dem Geräusch
Bi. Im Schritt 28 vergleicht der
Mikroprozessor 32 das Verhältnis Ri mit
einem vorbestimmten Schwellenwert Si. Wenn
das Verhältnis
Ri oberhalb des Schwellenwerts Si liegt, wird die berechnete Energie Ei in der Speichergruppe 28, z.B.
in dem Speicher 40, mit der zusätzlichen Angabe des Messaufnehmer
Ck und der entsprechenden Frequenz Fi gespeichert. Wenn dagegen der Wert des
Verhältnisses
Ri unter dem Schwellenwert liegt, wird die
Energie Ei nicht gespeichert. Ebenfalls
werden in dem Speicherbereich 40 die Folgen von sich auf
die Energien beziehenden Informationen für die einzelnen Messaufnehmer
und die das Eintreten charakteristischer Ereignisse betreffenden
Frequenzbänder
gespeichert. Zur Verarbeitung der Informationen in Echtzeit ist
der Speicher 38 in zwei Unterspeicher 40 und 42 geteilt,
von denen jeder zur Aufnahme von Informationen über die Energie während der
abwechselnden Perioden D dient. D.h., dass die Informationen während einer
Periode D in dem Speicherbereich 40 gespeichert werden, während der
andere Speicherbereich 42 isoliert ist, um eine Umordnung
der Informationen zu ermöglichen,
die während
der vorangegangenen Periode D dort gespeichert worden sind. Die
in dem Speicher 42 umgeordneten Informationen werden durch
den Mikroprozessor 32 verarbeitet, um die Kumulation der Energieinformationen
bezüglich
ein und desselben Messaufnehmers und ein und demselben Frequenzbandes
zu berechnen. Die kumulierten Informationen Hi,k werden
dann in den Hauptspeicher 16 übertragen. Während der
auf D folgenden Periode werden die Informationen in dem Speicher 42 gespeichert, bis
die gespeicherten Informationen in dem Speicher 14 einer
Umordnung und einer Kumulationsberechnung unterzogen werden im Hinblick
auf ihre Übertragung
in den Hauptspeicher 16.
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Damit
erlauben die Informationen über
die kumulierte Energie Hi,k, die die kumulierte
Energie in einem der Frequenzbänder
für einen
der Messaufnehmer darstellen, eine relativ genaue Bestimmung des
Eintretens charakteristischer Ereignisse sowie deren Lokalisierung
und nähere
Bestimmung, um die Überwachung
der gesamten unterirdischen Grube zu gestatten.
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Aufgrund
der Verarbeitung der von den akustischen oder seismischen Messaufnehmern
gelieferten Signale in Echtzeit können daraus Informationen gewonnen
werden, die für
eine durchgängige Überwachung
der gesamten unterirdischen Grube verwendet werden können, sowie
Verarbeitungsmittel, insbesondere der Datenverarbeitung verwendet
werden, die für
eine derartige Einrichtung akzeptabel sind.