Sensoren

Streckenmonitoring im laufenden Betrieb bei der Deutschen Bahn

Der Zustand des Schienennetzes muss durch regelmäßige Kontrollen überprüft werden. Seit einigen Jahren setzt die Deutsche Bahn AG im Rahmen ihrer Digitalisierungsstrategie DB 4.0 auch Regelzüge zur Überwachung der Infrastruktur ein. Hochpräzise Sensoren der ASC GmbH aus Pfaffenhofen tasten dabei das Gleisbett millimetergenau ab.

Für die „kontinuierliche Zustandsüberwachung“ kommen drei bis vier Züge zum Einsatz, darunter ICEs der 2. Generation und ICs. Der Gedanke dahinter: Wenn Fernzüge Tag für Tag das Streckennetz abfahren, können sie dabei auch gleich Daten sammeln. Die für die Infrastruktur zuständige DB Netz AG hat damit konzernintern die DB Systemtechnik GmbH beauftragt. Erfasst werden vor allem Fehler in der Längshöhe, die etwa 75% aller sogenannten Gleislagefehler ausmachen. Die Messfahrten helfen der Deutschen Bahn dabei, Abweichungen in der Gleisgeometrie zu erkennen, bevor es zu kostspieligen Schäden kommt. Sie ergänzen die regelmäßigen Inspektionen mit Gleismesszügen, die in größeren Abständen durchgeführt werden. So werden Hochgeschwindigkeitsstrecken üblicherweise alle drei bis vier Monate untersucht und Regionalzugstrecken einmal im Jahr.

Messdaten sind oft nur wenige Stunden alt

„Unser Ziel ist es, mit wenigen Fahrzeugen ein großes Streckennetz zu überwachen“, sagt Dr.-Ing. Klaus Ulrich Wolter. Er ist Referent ’Kontinuierliches Streckenmonitoring’ bei der DB Systemtechnik GmbH in München und hat das Messsystem von Anfang an mit aufgebaut. Wesentliche Komponenten des Systems sind Sensoren, die sich im Drehgestell und im Inneren des Wagenkastens eines Zuges befinden. Hinzu kommen noch ein Datenerfassungssystem, ein Ortungssystem und eine Anlage zur Datenübertragung. Das Ortungssystem speichert ständig die aktuelle Position des Zuges, damit die Messwerte einem konkreten Streckenabschnitt zugeordnet werden können. Die Datenübertragungseinheit wiederum sendet die kompletten Daten in Echtzeit an die DB Systemtechnik in München-Freimann. Von DB Systemtechnik werden die Daten einmal wöchentlich ausgewertet und den Anlagenverantwortlichen für den jeweiligen Abschnitt zur Verfügung gestellt. Da die Auswertung weitgehend automatisiert geschieht, können sogar Daten in den Report aufgenommen werden, die zum Zeitpunkt seines Versands erst einige Stunden alt sind. 

Mehrere Tausend Kilometer Streckennetz werden überwacht

Mittlerweile befinden sich rund 2500 km Schienen im wöchentlichen Zustandsmonitoring. Fernzüge mit speziellen Sensoren sind nicht nur auf der vielbefahrenen Nord-Süd-Route Bremen/Hamburg – München unterwegs, sondern auch auf den Strecken Berlin – Köln und Halle/Leipzig – Bremen. „Auf manchen Strecken verkehren nur alle zwei Wochen Züge mit Messtechnik, auf anderen sind es bis zu zwei pro Tag“, berichtet Wolter. „Im Schnitt werden die Strecken aber viermal in der Woche von einem mit Messtechnik ausgestatteten Zug befahren.“

Die Qualität der dabei gewonnenen Daten hängt ganz maßgeblich von den eingesetzten Sensoren ab. DB Systemtechnik hat sich deshalb für Beschleunigungssensoren der ASC GmbH aus dem oberbayerischen Pfaffenhofen entschieden. „Unsere Kollegen aus Minden verwenden sie schon länger und sind sehr zufrieden“, begründet Monitoring-Spezialist Wolter die Wahl. „Die technischen Spezifikationen passen perfekt und wir bekommen einen ausgezeichneten Support.“ 

Sensoren müssen starke Stöße aushalten können

An den Fernzügen ist neben den uniaxialen kapazitiven Beschleunigungssensoren ASC OS- 115LN 050 und ASC OS-115LN 002 auch die piezoelektrische Ausführung ASC P401A15 montiert. Letztere gehört zu den Hochfrequenz-IEPE-Sensoren (Integrated Electronics Piezo Electric), die sich durch eine große Robustheit auszeichnen und hochgradig stoßfest sowie hermetisch versiegelt sind. Diese Sensoren verfügen über einen weiten Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 15 kHz und einen Messbereich von ±50, ±100 und ±500 g. Ihre hohe Stoßfestigkeit von bis zu 5.000 gpk ist fürden Einsatz im Schienenverkehr mit seinen hohen Schockbelastungen von großem Vorteil. Ein weiteres Argument für den ASC P401A15 ist sein weiter Temperaturbereich von –55 bis +150 °C, da die Temperaturen an den Messpunkten der Züge zwischen ca. –30 und +70 °C variieren können.

Messungen verhindern Gleissperrungen und Verspätungen

Die ASC-Sensoren messen sowohl die vertikale Beschleunigung an den Radsatzlagern als auch die Beschleunigung im Inneren der Wagenkästen. Sie überwachen auf diese Weise vor allem die Längshöhe des Oberbaus, der sich aus Schienen, Schwellen und Schotter zusammensetzt. Der Fokus liegt auf der Messung der Längshöhe, weil sie sich am schnellsten verändert und Abweichungen in diesem Bereich den größten Einfluss auf die Betriebsqualität haben. Liegen hier Fehler in der Geometrie vor, müssten sofort Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen bzw. Langsamfahrstellen eingerichtet werden. Das hätte Verspätungen im Zugverkehr und damit viele Unannehmlichkeiten zur Folge.

Die Messbereiche der von der DB verwendeten kapazitiven ASC-Beschleunigungssensoren OS-115LN 002 und OS-115LN 050 liegen bei 2g und 50g. Sehr gut ist auch das Signal-Rausch-Verhältnis der Sensoren, das abhängig vom Messbereich zwischen 7 und 400 µg/√Hz liegt. Für die kontinuierliche Zustandsüberwachung bei der Deutschen Bahn sind vor allem die hohe Empfindlichkeit und Stoßfestigkeit der ASC-Sensoren wichtig. Mitentscheidend war auch die geringe Größe der Messsysteme, denn der Bauraum in den sogenannten Sensor-Boxen an den Zügen ist begrenzt.

ASC liefert auch maßgeschneiderte Sensoren

Neben den kapazitiven und piezoelektrischen Beschleunigungssensoren setzt DB Systemtechnik auch Drehratensensoren vom Typ ASC 271 ein. Diese basieren auf der MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical System) und eignen sich speziell für die Messung von Gleisgeometrie-Fehlern in Bögen. Eine Besonderheit der Sensoren ist ihre ausgezeichnete Bias-Instabilität von 9°/hr, darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine sehr niedrige Rauschdichte von 0.02°/s/√Hz und einen niedrigen Angle Random Walk aus(0,2°/√Hz).

Dr.-Ing. Klaus Ulrich Wolter hat aber nicht nur die große Präzision und Robustheit der Sensoren überzeugt. Er weiß auch die hohe Flexibilität von ASC zu schätzen: „Ein Sensor wurde speziell an unsere Bedürfnisse angepasst, so dass das Kabel jetzt fest mit dem Gerät verbunden ist.“ Die starke Kundenorientierung ist ein Markenzeichen der Sensor-Spezialisten, die einen Großteil ihrer Produkte für spezielle Anwendungen maßgeschneidert fertigen. Da am Firmensitz in Deutschland produziert wird, gelten zudem sehr hohe Qualitätsstandards.

Condition Monitoring ist ein großer Erfolg

Seit der Einführung der kontinuierlichen Zustandsüberwachung war die mobile Messtechnik bereits mehr als 6.000.000 Laufkilometer im Einsatz. Auf der Grundlage der dabei gewonnenen Daten wurden Maßnahmen eingeleitet, die die Qualität des Oberbaus aus Schiene, Schwellen und Schotter deutlich verbesserten. So konnte die Zahl der Langsamfahrstellen und Gleissperrungen um durchschnittlich 95 Prozent reduziert werden. Ein weiterer Indikator für den Erfolg des Monitorings ist das große Interesse der Anlagenverantwortlichen an den Messdaten. Auf ihren Wunsch hin werden Schritt für Schritt immer mehr Strecken in das Monitoring aufgenommen.

Noch ist die kontinuierliche Zustandsüberwachung auf die Fernverkehrsstrecken beschränkt. Dr. Wolter denkt aber bereits über eine Ausweitung nach: „Die Technik ist durchaus auch für das weitverzweigte Streckennetz der Regionalzüge interessant.“

 

Bildquellen: DB Systemtechnik/Martin Loibl und ASC GmbH