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Zustandsanalyse von Schienen durch das Advanced Rail Track Inspection System (ARTIS)

GeoWerkstatt-Projekt des Monats Oktober 2016

Projekt: Zustandsanalyse von Schienen durch das Advanced Rail Track Inspection System (ARTIS) 

Forschende: M.Sc. Johannes Bureick, Dipl.-Ing. SFI Dirk Dennig und B.Eng. Johannes Link

Projektidee: Automatisierte Vermessung von Kranbahnschienen im industriellen Umfeld

Kranbahnschienen werden durch den Transport von tonnenschweren Lasten stark beansprucht. Für den Betreiber einer Kranbahn ist es wichtig, den Schienenzustand zu überwachen, um bei Abweichungen vom Sollzustand rechtzeitig Reparaturmaßnahmen einleiten zu können. Werden solche Abweichungen nicht rechtzeitig erkannt und repariert, kann dies im schlimmsten Fall zu einem Schienenbruch führen, wodurch einerseits beträchtliche Personen- und Sachschäden, andererseits kostspielige Stillstandzeiten für den Betreiber verursacht werden können.

Das Geodätische Institut Hannover (GIH) entwickelt zusammen mit Dr. Hesse und Partner Ingenieure (dhp:i) unter Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Messwagen, welcher automatisch Gleisabschnitte abfährt und deren Zustand erfasst (Abbildung 1). Der Messwagen ist dabei u.a. mit Profillaserscannern, Kameras und einem Neigungsmesser ausgestattet. Zusätzlich wird das Messsystem von außerhalb mit einem Lasertracker oder Tachymeter verfolgt um dessen genaue Position im Raum zu bestimmen.

Abbildung 1: ARTIS-Messwagen

Bei einer Geschwindigkeit von bis zu 3,6 km/h ist der Messwagen in der Lage, auch Kranbahnen mit mehreren Hundert Metern Länge in kurzer Zeit abzufahren und zu vermessen. Da der Messwagen auch während des Kraneinsatzes fahren kann, kommt es zu keinen Stillstandzeiten. Durch die Fusionierung aller Sensordaten erhält man eine dreidimensionale Punktwolke der Schiene, bestehend aus mehreren Millionen Punkten (Abbildung 2). 

Abbildung 2: 3D-Punktwolke einer Schiene

Um diese 3D-Punktwolke weiter verarbeiten zu können ist es erforderlich sie durch eine mathematische Funktion zu beschreiben bzw. zu approximieren. Dafür kommen beispielsweise die im Bereich des Fahrzeugdesigns und Reverse Engineering bekannten nicht-uniformen rationalen B-Splines (NURBS) zum Einsatz. Die Approximation durch NURBS sorgt einerseits für eine Glättung der 3D-Punktwolke und andererseits für eine Verringerung der Datenmenge, und erlaubt somit eine einfachere Handhabung und Weiterverarbeitung mittels kommerzieller CAD-Softwareprodukte (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ausschnitt NURBS-Fläche (aus Masterarbeit Daniel Golnik, 2016)

Mit Hilfe der approximierenden NURBS-Fläche ist es möglich die Schiene digital z.B. auf Lage- und Höhenabweichungen, Verdrehungen oder kleinste Deformationen (wie in Abbildung 3 zu sehen) hin zu untersuchen. Durch diese Informationen kann der Betreiber ggf. sofortige Reparaturmaßnahmen, wie z.B. die Nachjustierung der Schiene, das Abschleifen des Schienenkopfes oder den kompletten Austausch eines Schienenstückes, einleiten.