Hochgenaue Inertialsensoren im Schienenverkehr

Ohne Inertialsensoren wäre der moderne Schienenverkehr nicht denkbar, denn bei der Entwicklung sowie dem Betrieb von Zügen übernehmen sie zahlreiche wichtige Aufgaben. Eine von ihnen ist die hochgenaue Messung von Schwingungen und Vibrationen an Fahrzeugen, Gleisanlagen und Brücken. Die dadurch ermittelten Daten bilden die Grundlage für einen sicheren, komfortablen Schienenverkehr. Ingenieure können aus ihnen wertvolle Informationen für die Konstruktion von Zügen und die Instandhaltung der Infrastruktur ziehen. Sensoren sorgen aber auch dafür, dass die Fahrdienstleiter in den Leitstellen der Deutschen Bahn immer genau wissen, wo sich ein Zug gerade befindet. Satellitengestützte Navigation alleine reicht dafür nicht aus, da die Signale störanfällig sind.

Der Messtechnik-Spezialist ASC fertigt eine große Bandbreite hochempfindlicher Beschleunigungs- und Drehratensensoren sowie Inertial Measurement Units (IMU) für Test- und Monitoring-Aufgaben im Schienenverkehr. Die Sensoren erfassen Daten in den verschiedensten Anwendungen – nicht nur in Fahrzeugen, sondern auch an Gleisen.

Kapazitive Beschleunigungssensoren von ASC tragen unter anderem zur Betriebssicherheit von Zügen bei. Der Schienenfahrzeug-Hersteller Alstom misst mit ihnen z. B. die Laufdynamik (nach EN 14363) und die Drehgestellfestigkeit (nach EN 13749) unter realen Bedingungen. Die dazu genutzten ASC-Sensoren weisen nicht nur einen hohen Signalhub von ±2,7 V für Messbereiche zwischen ±2 g bis 200 g auf, sondern auch einen weiten Frequenzbereich von DC bis 7 kHz. Darüber hinaus verfügen sie über eine große Langzeitstabilität und ermöglichen damit die präzise Messung selbst geringer Linearbeschleunigungen und niederfrequenter, dynamischer sowie statischer, konstanter Beschleunigungen. Die Sensoren sind äußerst robust gegenüber Witterungseinflüssen, halten selbst Stößen mit einer Intensität von bis zu 6.000 g stand und arbeiten in einem Temperaturbereich zwischen –40 °C und +125 °C. Das sind wichtige Voraussetzungen für den Einsatz auf den Teststrecken, da die Messtechnik hier Wind und Wetter ausgesetzt ist.

Eine große Bedeutung kommt Sensoren auch bei der exakten Positionsbestimmung von Zügen zu – deren genaue Lokalisierung ist essentiell für die Sicherheit im Schienenverkehr. Die satellitengestützte Navigation reicht dazu nicht aus, da die GNSS-Signale in Tunneln, Waldgebieten oder überdachten Bahnhöfen abgeschattet werden und deshalb nicht oder nur schwach beim Empfänger ankommen. Inertial Measurement Units von ASC übernehmen die Positionserfassung in diesen Bereichen und überbrücken damit die Zeitspanne, bis das Satellitensignal wieder vollständig zur Verfügung steht. Die IMUs sind prädestiniert für dieses Anwendungsgebiet, da sie selbst geringste rotatorische und lineare Bewegungen erfassen und nur einen sehr kleinen Bauraum benötigen.

Inertial Measurement Units von ASC bestimmen unter anderem die Position von Güterwaggons im Forschungsprojekt Samira der FH Aachen. Hier wird eine intelligente Rückfahrkamera entwickelt, die den Rangierprozess von Güterzügen deutlich effizienter machen soll. Die Kamera überwacht zusammen mit Sensoren den Fahrweg der Wagen und ermöglicht so die Einsparung von Personal. Der auch bei der Bahn herrschende Fachkräftemangel kann so aufgefangen und die Wettbewerbsfähigkeit des Schienengüterverkehrs verbessert werden. Die IMU von ASC wird als Backup zur Positionsbestimmung an den Güterwagen verwendet: Sie erfasst die exakte Position der Wagen selbst dann, wenn das Signal der satellitengestützten Navigation zeitweise unterbrochen ist. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche hochgenaue Lokalisierung der Wagen garantiert, sodass Rangierfahrten künftig wesentlich schneller durchgeführt werden können.

Für die Zustandsüberwachung des Streckennetzes im Rahmen eines Continuous Track Monitoring (CTM) sind kapazitive und piezoelektrische Beschleunigungssensoren ebenfalls unentbehrlich. Die Deutsche Bahn AG setzt ASC-Sensoren bereits seit einigen Jahren zur Gleislagedatenerfassung an ihren Fernzügen ein, wo sie im Regelbetrieb die vertikale Beschleunigung an den Radsatzlagern und die Beschleunigung im Inneren der Wagenkästen messen (nach EN 13848). Anhand der ermittelten Daten kann die DB Systemtechnik GmbH Unregelmäßigkeiten in der Längshöhe des Gleiskörpers erkennen. Abweichungen in der Längshöhe haben einen großen Einfluss auf die Betriebsqualität: Liegen Fehler in der Geometrie vor, müssen umgehend Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen werden. Im Extremfall sind sogar Streckensperrungen nötig. Durch eine ständige Zustandsüberwachung mithilfe von Sensoren können potenzielle Schäden frühzeitig erkannt und behoben werden. So kommt es erst gar nicht zu Beeinträchtigungen des Fahrbetriebs.

Das Fahrgastaufkommen im Schienenverkehr wächst allerdings ständig und damit steigen die Belastungen für das Streckennetz und die Züge. Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, kommen auch im Bahnbereich immer häufiger digitale Technologien zum Einsatz. Diese erfordern aber immer kompaktere und intelligentere Sensorlösungen. Mit seinen smarten Sensorsystemen ASC Aisys und seinem modularen Funktionsbaukasten bietet ASC die passende Antwort auf diese Herausforderungen. Der Funktionsbaukasten umfasst dabei zum einen die eingesetzte Hardware – also zuverlässige und bewährte Sensorelemente für die Bestimmung der physikalischen Größen Beschleunigung und/oder Winkelgeschwindigkeit, das an die rauen Umgebungsbedingungen angepasste Housing sowie die kabellose oder kabelgebundene Datenübertragung mit einer Vielzahl standardisierter Schnittstellen. Der Funktionsbaukasten beinhaltet zum anderen aber auch die flexibel kombinierbaren Softwarekomponenten zur Signalverarbeitung, die lokal auf dem Sensor stattfindet.

Die smarten Sensorsysteme ASC Aisys verfügen dabei über Rechenleistung, die frei verwendet werden kann, um die Algorithmen für die Merkmalsextraktion an die eigenen Bedürfnisse anzupassen. Mittels pre-processing wird in der ersten Stufe eine Datenreduktion durchgeführt. Auf deren Basis werden bspw. durch die Anwendung von FFTs (Fast Fourier Transformation), Wavelets oder Time Series Merkmalsvektoren extrahiert. Die nachfolgende Trendanalyse und/oder das Clustering der Ergebnisse führt somit gezielt zur Statusinformation der Komponente oder des Systems. Die Datenhoheit obliegt dabei immer dem Anwender und APIs (Programmierschnittstellen) bilden die Grundlage zur Einbindung kundenspezifischer Algorithmen. Smarte Inertialsensoren von ASC können als offenes System in beliebige andere Systeme integriert werden. Sie sind für jede Applikation auf Basis der Beschleunigungs-, Schwingungs- oder Winkelgeschwindigkeitsmessung einsetzbar und werden gemäß der Kundenanforderungen erstellt.

Bisher wurden die Daten noch extern erfasst und in zeitlichen Abständen ausgewertet. Bei den neuen smarten Sensorsystemen ASC Aisys erfolgt die Verarbeitung dagegen direkt auf dem Sensor, der dann eine Statusmeldung nach dem Ampelprinzip ausgibt. Schienennetz-Betreiber können den Zustand der Fahrzeuge und Infrastruktur deshalb jetzt auch in Echtzeit überwachen und Unregelmäßigkeiten noch schneller erkennen. Die Anzahl der Störungen wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Ein störungsfreier Betrieb ist wiederum die Grundvoraussetzung für eine höhere Auslastung der Strecken. Die Deutsche Bahn strebt diese in ihrer Dachstrategie „Starke Schiene“ an, mit der die verkehrs- und klimapolitischen Ziele der Bundesregierung erreicht werden sollen. ASC-Sensoren können also indirekt einen Beitrag für die Verlagerung des Verkehrs von der Straße auf die Schiene leisten.