Digital Twin – die neue Welt des Gleisbaus

Der digitale Wandel im Zeitalter 4.0 stellt auch die Eisenbahn vor große Herausforderungen – auf der Benutzerseite durch die Änderung der Mobilitätsbedürfnisse, auf der Betreiberseite durch neue Möglichkeiten für die Fahrwegbewirtschaftung. Die digitale Revolution verändert die Ordnung der Dinge und macht ein neues Denken und Arbeiten notwendig.



Zukünftig richtet sich der Fokus auf eine mehrdimensionale Betrachtung des Fahrwegs, die Konstruktionsdaten, Messergebnisse, Datenmodelle und vieles mehr bis hin zu Zeit- und Kostendaten zusammenführt. Wir zeigen den Weg von dem nach Aufgaben geteilten Modell (Divided Concept) zum integrierten, gesamtheitlichen Ansatz (Integrated Concept). Durch die Vernetzung von Infrastrukturdaten mit den Informationen der Maschinenflotte kann in der Folge auch für die Gleisinstandhaltung ein großer Mehrwert geschaffen werden.

Der DIGITAL TWIN als Basis für die nachhaltige Optimierung des Eisenbahnfahrwegs

  • Der physische Fahrweg wird vollständig messtechnisch erfasst und alle relevanten Eigenschaften und Merkmale werden in eine virtuelle Welt gespiegelt („digitaler Zwilling“).
  • Im virtuellen Fahrweg werden ganzheitliche Untersuchungen durchgeführt und Optimierungsmöglichkeiten entwickelt. So können die Auswirkungen von Instandhaltungsmaßnahmen auf den Lebenszyklus der Anlagen „punktgenau“ abgeleitet wer­den. Die Ergebnisse unterstützen die Managemententscheidungen.
  • Ein ständiger Soll-Ist-Vergleich zwischen dem realen und dem virtuellen Fahrweg ist die Grundlage für die Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen in der realen Welt.

Ein virtueller Zwilling des Fahrwegs

Alle relevanten Attribute des realen Fahrwegs werden in eine virtuelle Welt – in den Digital Twin – gespiegelt. Das Ergebnis ist ein konsistentes, datenbankgestütztes Fahrwegmodell, das eine Fülle von Informationen sowie deren Abhängigkeiten untereinander enthält. Der Digital Twin bildet eine qualitativ hochwertige Datengrundlage für eine BIM-konforme Planung (Building Information Modeling). Dies ergibt eine einheitliche Betrachtungsebene für alle unterschiedlichen fachlichen Sichtweisen.

Die Nutzung der Daten wird künftig noch stärker der nachhaltigen und ganzheitlichen Optimierung des Asset- und Life-Cycle-Managements der Infrastruktur dienen. Die Planung einer nachhaltigen Infrastrukturbewirtschaftung wird auf der richtigen und vollständigen Informationsgrundlage aufbauen.

Was ist BIM (Building Information Modeling)?

Building Information Modeling (BIM) vereinfacht die komplexen Aspekte von Planung, Bau und Betrieb eines Bauwerks, reduziert Fehleranfälligkeit, macht Kosten transparent, steigert die Geschwindigkeit von Prozessen und stärkt die Zusammenarbeit aller am Projekt Beteiligten. BIM ist nicht einfach ein virtuelles Gebäudemodell oder ein Softwarepaket wie CAD. Tatsächlich handelt es sich um eine Arbeitstechnik zur Projektsteuerung in der Planungs-, Bau- und Betriebsphase. Ein mehrdimensionales BIM-Modell wird in dieser Art zum Building Life-Cycle-Management (BLM) und durch die Vernetzung der einzelnen Dimensionen zur Realität:

  • 3D-Netzmodell samt Objektbeschreibung: Die Beschreibung des Eisenbahnnetzes basiert auf einem Knoten-Kanten-Modell wie dem RailTopoModel der UIC. Das Netz ist feinmaschig aufgebaut und erlaubt die Integration von Einzelobjekten wie Schwellen; alle Objekte sind georeferenziert.
  • Dimension Zeit: Alle Informationen werden zumindest tagesaktuell in einer Datenbank gespeichert. Aus den historischen Daten lässt sich ein differenziertes Trendverhalten ableiten.
  • Dimension Kosten: Der Begriff Kosten wird hier breit zusammengefasst. Baukosten, Betriebskosten und auch der buchhalterische Anlagenwert werden subsumiert und den Instandhaltungsprozessen zugeordnet.
  • Dimension Nachhaltigkeit: Hier werden alle Informationen gespeichert, die für einen nachhaltigen Fahrweg notwendig sind. Berücksichtigt werden auch die Qualitätsnachweise bei der Herstellung und dem Einbau der Komponenten.
  • Dimension Life-Cycle-Management: Zur vollständigen Dokumentation der Instandhaltungsprozesse gehören Zustandsüberwachung, Routine-Instandhaltung, Wiederherstellung, Instandsetzung und Erneuerung des Fahrwegs. Für ein effizientes Life-Cycle-Management ist die exakte Beschreibung des Qualitätsverhaltens der Anlagen essenziell. Winterdienst und Gründienst sind Teil dieser gesamtheitlichen Betrachtung.
  • Dimension Betrieb: Hier fließen alle für das Verschleißverhalten des Fahrwegs relevanten Parameter ein, z. B. Zugart, Zuganzahl, Beanspruchungen der Gleise und der Oberleitung. Ortsfeste Messeinrichtungen haben in dieser Dimension einen besonderen Stellenwert.

Wir arbeiten bereits intensiv am virtuellen Zwilling des Gleises – am Digital Twin. Damit eröffnen wir neue Wege der Zusammenarbeit zwischen Instandhaltungsmaschine und Infrastruktur.

BIM (Building Information Modeling) im Bahnbau

Die digitale Transformation, wie wir sie derzeit erleben und wie sie mit BIM auch in der Baubranche angekommen ist, verändert die Planung, die Errichtung und den Betrieb von Bauwerken maßgeblich. Neben der Planungslogik und der Ausführungsqualität verbessert BIM auch die Betriebseffizienz. Die Anwendung dieser Vorgangsweise für den Bereich von linienförmigen Bauwerken, wie dem Eisenbahnfahrweg, wird vorangetrieben. Entsprechende Spezifikationen dafür sind in Ausarbeitung.

Die Zukunft – das integrierte Online-Railway-Managementsystem

Die Nutzung der Daten wird künftig noch stärker der nachhaltigen und ganzheitlichen Optimierung des Asset- und Life-Cycle-Managements der Infrastruktur dienen. Die Planung einer nachhaltigen Infrastrukturbewirtschaftung wird auf der richtigen und vollständigen Informationsgrundlage aufbauen. Daten und Informationen werden verstärkt Einfluss auf die Infrastrukturprozesse und die Entwicklung ganzer Organisationsstrukturen haben.

Eine künftige Aufgabe wird es sein, die Netzmodellierung unter Integration von „BLM for Rail Infrastructure“ (BLM = Building Life-Cycle-Management) voranzutreiben. Damit wird die Zusammenarbeit in allen Bereichen von Planung, Bau und Betrieb des Eisenbahnfahrwegs unterstützt. Ergänzt um sämt­liche im Zuge des Lebenszyklus generierten Daten, stellt ein integriertes Online-Railway-Managementsystem den gesamtheitlichen Anspruch für das Infrastrukturmanagement dar, um nachhaltig agieren zu können.

Wir entwickeln die Tools für die Datenerfassung

Der Bedarf an Objekterfassungssystemen zur automatisierten Aufnahme und Einbettung der Anlagenkomponenten in das Netzmodell wird in absehbarer Zeit zunehmen. Unser Modell des Digital Twin und die von uns entwickelten Tools zur automatisierten Erfassung und Erstellung des Datenmodells sind dabei wesentliche Schritte. Damit wird eine umfassende messtechnische Erfassung des physischen Fahrwegs Realität. Im Rahmen der Objekterkennung ist die Nutzung von Künstlicher Intelligenz inzwischen nicht mehr wegzudenken.

Ideal für die Cloud geeignet

Der Digital Twin ist wie BIM generell softwaretechnisch prädestiniert für die Datenwolke. Nur mit der Cloud können alle Projektbeteiligten erforderliche aktuelle Daten abrufen oder Änderungen live am Modell verfolgen bzw. durchführen. Umso wichtiger sind dabei ein einheitliches Verständnis zum Datenaustausch und miteinander kompatible Softwarelösungen – eine offene Infrastrukturplattform.

PlasserSmartMaintenance

Mit PlasserSmartMaintenance bereiten wir uns für ein neues Zeitalter des Gleisbaus vor. Das "Internet of Machines" bringt einen neuen Zugang zu Gleisbaumaschinen für Bediener und Entscheider. Mit Hilfe moderner Sensorik und Testnutzer-Gruppen entwickeln wir neue Schnittstellen der Kommunikation, Auswertemechanismen und digitale Werkzeuge für die optimale Leistungsentfaltung.

Der Weg zur Smart Machine – die PlasserSmartMaintenance-Initiative

Ist der Digital Twin bereit und mit passenden Daten ausgestattet, steht einem Zusammenspiel mit der Gleisbaumaschine nichts mehr im Weg. Die Applikationen unserer PlasserSmartMaintenance-Initiative wachsen ständig. Die zentrale Plattform setzt sich aus konkreten Apps mit vernetzten Cloud-Lösungen und Web-Services zusammen. Im Vordergrund steht der einfache Zugang zu den relevanten Daten für die einzelne Maschine, die Flotte und die Infrastruktur.

Die Maschine wird damit zunehmend intelligenter – sie wird zur „Smart Machine“. Wir nutzen die Möglichkeiten der Digitalisierung, um Qualität und Zuverlässigkeit zu steigern und dem Kundenwunsch nach mehr Automatisierung und Transparenz nachzukommen.

Der Digital Twin eröffnet neue Wege der Zusammenarbeit zwischen Instandhaltungsmaschine und Infrastruktur. Die Qualitätsnachweise über erbrachte Leistungen sind unmittelbar vom Auftraggeber einsehbar. Im Gefahrenbereich halten sich weniger Menschen auf, Kontrollarbeiten können in sichere Büros verlagert werden. Die Betrachtung von Trends in Kombination mit intelligenten Auswertungsmethoden ermöglicht Analysen und Vorschläge für Maßnahmen zu Predictive Maintenance im Bereich des Eisenbahnfahrwegs.

​Ziele/Vorteile

  • Unterstützung für die Streckenverantwortlichen
    Für die Planung von Instandhaltungs- und Inspektionsarbeiten benötigt der Anlagenverantwortliche den Überblick über den ihm zugewiesenen Streckenabschnitt.

    Neue digitale Tools erarbeiten Handlungsempfehlungen und helfen damit auf einfachste Art und Weise. Die Messdaten werden visualisiert und analysiert, anfallende Instandhaltungsarbeiten können geplant („work order“) und verwaltet werden.
  • Virtuelle Gleisbegehung
    Der Digital Twin ist die Basis für PlasserVirtualTrack (aktuell in Entwicklung), eine virtuelle Gleisinspektion gemäß den Vorgaben der jeweiligen Infrastrukturbetreiber vom Büro aus. Begehungen vor Ort entfallen, wodurch mehrere Einsparungs­potenziale bei gleichzeitiger Minimierung der Gefahren für die Anlagenverantwortlichen entstehen.
  • Gleislage-Editor
    Alle erfassten und generierten Daten können vielfältig in andere Systeme übergeführt werden. Das zentrale Geometrie-Datenverzeichnis tauscht mit Trassierungssystemen sowie Leitcomputern von Gleisbaumaschinen Design- und Messdaten aus. Und dies sowohl mit Absolutwerten als auch mit Relativwerten.