Smart Maintenance, mehr als virtuelle Realität

Für die Entwicklung und Erprobung von Technologiekomponenten für die Maschinen von morgen benötigt Plasser & Theurer praxisnahe Testbedingungen. Der EM100VT arbeitet dabei als Trägerfahrzeug und bildet eine ideale Forschungsumgebung für innovative Technologiesprünge mit hohem Anwendungspotenzial.



FLORIAN AUER
Leiter Technologie und Innovation, Plasser & Theurer

In wenigen Jahren schon könnte die hier entwickelte Mess- und Erfassungstechnologie auf jeder Bahnbaumaschine Anwendung finden.

Die Entwickler sind direkt am Fahrzeug dabei und testen bei regelmäßigen Messfahrten neue Technologien unter Realbedingungen. Hier werden Daten gesammelt und verifiziert, um mit den Ergebnissen die neuen Systeme zu verbessern. Die tatsächlichen Bedingungen im Einsatz vor Ort (Lichtverhältnisse, Schotterzustand, Hindernisse etc.) sind im Labor nicht nachbildbar. Durch Praxiserfahrungen können sie früh integriert werden, um bahntaugliche Systeme mit hoher Alltagskompetenz zu entwickeln.

Die Digitalisierung des Gleises und Gleisumfelds mit all seinen Komponenten wird Realität.

Bisher müssen die notwendigen Planungsdaten für Instandhaltungsarbeiten bzw. Oberbauerneuerungen mittels Streckenbegehungen und Messfahrten erfasst werden. Konkret wird dabei die Strecke mit einem Messrad abgelaufen und eine Hindernisliste sowie eine Fotodokumentation erstellt. Dieses Dokument wird später nachbearbeitet und ist eine wesentliche Grundlage in der Planung. Weitere Tabellen, CAD-Pläne und andere Unterlagen ergänzen die Dokumentation.

Für die umfassende Erfassung des physischen Fahrwegs (Gleis, Oberleitung und erweitertes Gleisumfeld) sind neue Tools in Entwicklung. Vieles wird derzeit im EM100VT integriert und in der Praxis erprobt – VT steht für Virtual Track.

Das Fahrzeug wird als Entwicklungsplattform eingesetzt und ist damit eine wichtige Basis für die digitale Produktentwicklung. Zahlreiche Messkomponenten arbeiten schon im Echtbetrieb, ein Teil ist in Entwicklung und im Teststatus. Ab der zweiten Jahreshälfte 2018 wird damit die systematische Aufnahme und Digitalisierung des Fahrwegs Realität.

Derzeit laufen mit dem EM100VT Tests mit verschiedenen neuen Entwicklungen in Verbindung mit unseren bekannten Mess­einrichtungen:

Innere Geometrie

Zur Bestimmung der Gleisgeometrie kommt unser bekanntes und vielfach in unseren Messfahrzeugen der EM-Serie eingesetztes Messsystem (siehe Kasten) zum Einsatz.

Dieses berührungslose Gleisgeometriemesssystem mit integrierter GPS-Navigation und optischer Spurweitenmessung (Dual OGMS) dient zur Aufzeichnung der Gleisgeometrie. Das Ergebnis sind relative 3D-Raumkurven.

Unsere berührungslose Messtechnik ist Stand der Technik

Ein wesentlicher Beitrag zur Mechanisierung und Automatisierung bei Messung, Aufzeichnung und Analyse der Gleisgeometrie ist unser Messdrehgestell, mit dem jedes Messfahrzeug von Plasser & Theurer standardmäßig ausgestattet ist. Inzwischen wird diese Messtechnik zunehmend auch auf Stopfmaschinen integriert, wie z. B. auf einer Unimat Combi 08-275 für Einzelfehlerbehebung in Italien.

Das Messdrehgestell ist mit einem Messrahmen ausgestattet, der an den vier Achslagern befestigt ist. Darauf aufgebaut sind die Inertialmesseinheit (IMU) sowie die insgesamt vier Messsensoren der doppelten Spurweitenmessung (Dual OGMS). Der Gesamtaufbau ist äußerst robust ausgeführt. Durch diese Anordnung werden Rahmen, IMU und Sensoren ständig parallel zu den Schienenoberflächen geführt, wodurch der Messrahmen als Referenzebene für die Gleismessung herangezogen werden kann.

Da das Drehgestell das Gleis während der Messfahrt belastet, bietet dieser Aufbau die Gleisgeometriemessung unter realistischer Belastung. Eine Kompensation von Federwegen oder Wagenkastenbewegungen ist nicht erforderlich. Das System liefert vom Stillstand des Fahrzeugs bis zur Maximalgeschwindigkeit höchste Messpräzision.

Äußere Geometrie der Gleise (Fixpunkte)

Neuartige grafische Referenzpunkte werden von Stereokameras an der Fahrzeugseite bei bis zu 100 km/h erfasst. LED-Lichtpanels schaffen eine standardisierte Beleuchtungssituation (exakt justierter Strahlwinkel, Wellenlänge etc.) für die beiden Spezialkameras. Die Lage der Fixpunkte (Höhe, Entfernung) wird in Echtzeit rechnerisch ermittelt. Bei einer Bildrate von bis zu 200 Bildern pro Sekunde und 5 MB Auflösung muss eine große Datenmenge laufend verarbeitet und abgeglichen werden. Dauerhaft gespeichert werden nur die tatsächlich erforderlichen Daten.

Bei den Referenzpunkten wurden unterschiedliche Materialien und grafische Muster getestet. Die Oberfläche ist nun retroreflektierend, das heißt, die einfallende Lichtstrahlung wird zurück zur Strahlungsquelle bzw. zur Kamera reflektiert, Fremdlicht wie Sonnenlicht stört dabei so wenig wie möglich. Die neuen Referenzpunkte könnten auch als Synchronpunkte für den regelmäßigen Abgleich der IMU (Drift-Abgleich) eine Mehrfachnutzung erfüllen.

Ab Herbst wird dieses Messsystem im Rahmen eines Streckenversuchs in Italien getestet und wertvolle Erfahrungen aus dem Praxiseinsatz liefern. Die Rete Ferroviaria Italiana (RFI), der Infrastrukturbetreiber der italienischen Staatsbahn, hat eine Flotte von Maschinen zur Einzelfehlerbehebung vom Typ Unimat Combi 08-275 im Einsatz. Diese sind mit unserem Messdrehgestell ausgestattet und eignen sich hervorragend für Tests des neuen Fixpunktmesssystems.

Absolute Lage des Gleises (georeferenziert)

Erstmals kommt am EM100VT auch ein neuartiges Multiantennenmesssystem zur Bestimmung der GNSS/GPS-Position zum Einsatz. In einem Praxistest wird untersucht, in welchem Ausmaß die Weiterentwicklungen der satellitengestützten Vermessung für die millimetergenaue Bestimmung der Lage der Gleise verwendet werden können. Auch das in Entwicklung befindliche europäische Satellitennavigationssystem Galileo wird einer Genauigkeitsanalyse unterzogen.

Das Verortungssystem eignet sich für Geschwindigkeiten bis zu 100 km/h und arbeitet mit insgesamt vier GPS-Antennen. Diese sind für eine hohe Genauigkeit vom elastisch aufgehängten Kabinengehäuse der Trägermaschine entkoppelt und mittels eigenem Rahmen mit dem Maschinenrahmen fix verbunden.

Die Hauptantenne ist Standard in unserem Inertialmesssystem. Mit vier zusätzlichen Antennen lässt sich ein wesentlich exakteres Verortungsergebnis gewinnen. Die Streuung der üblichen GPS-Referenz wird damit viel geringer – die Qualität der Daten steigt.

3D-Scan (Punktwolken mit Farbinfo)

Für die 3D-Datenerfassung (Mobile Mapping) kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz:

Zwei umlaufende Laserscanner mit einer Messdatenrate von je einer Million Punkten pro Sekunde liefern eine hoch aufgelöste graue 3D-Punktwolke. Jeder Scanner arbeitet mit 250 Umdrehungen pro Sekunde, was 250 Scans pro Sekunde entspricht.

Ein Rundum-Farbscanner liefert ein exakt passendes 360-Grad-Farbbild dazu.

Dieses Mobile Mapping ist eine sehr leistungsfähige 3D-Datenerfassung. Durch geeignete Positionierung der Scanner und Neigung der Scanebenen können selbst senkrechte Flächen abseits des Gleises exakt erfasst werden. Künstliche Intelligenz wird genutzt, um aus den Punktwolken Objekte zu identifizieren.

Datenaufbereitung für den Digital Twin

Ziel ist es, alle gewonnenen Daten dem Digital Twin zur Verfügung zu stellen. Dafür werden äußere Geometrie der Gleise (Fixpunkte) und innere Geometrie (Gleisgeometrie, Raumkurven) den Georeferenzdaten GPS/GNSS gegenübergestellt. Durch diesen Abgleich wird die gesamte Datengenauigkeit noch weiter verbessert.

RailTopoModel der UIC

Für globalen Austausch und globale Nutzung von Eisenbahnnetzdaten hat der Internationale Eisenbahnverband UIC ein eigenes Netzmodell entwickelt, das RailTopoModel.

Das RailTopoModel ist ein konzeptionelles, übergreifendes Modell, das aufgrund seiner strukturierten Beschreibung die Möglichkeit bietet, mehrere Bahnanwendungen mit einem einzigen Datenmodell zu stützen. Beispielhaft hier die wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten für den vereinfachten Datenaustausch:

  • Infrastrukturregister RINF (Register of Infrastructure)
  • ETCS (European Train Control System)
  • INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the European Community)

Das RailTopoModel zielt auf einen schnellen und effizienten Datenaustausch zwischen den verschiedenen Eisenbahnbeteiligten ab.

Unsere Datenerfassung und Datenaufbereitung für den Digital Twin arbeitet im hochgenauen Super-Nano-Betrachtungslevel des RailTopoModel.