FH Aachen

LiDAR unterstützt die Gleisüberwachung für sicheres und komfortables Rangieren von Güterzügen

Überblick

Sensordaten-Fusion trägt zur Digitalisierung des Güterzugbetriebs bei

Um beim Rangieren von Güterzügen auch beim Rückwärtsfahren den Gleisbereich im Blick zu haben, entwickelt ein Konsortium bestehend aus fünf Partnern, unter ihnen die FH Aachen, ein System zur Gleisüberwachung – das SAMIRA Rangier-Assistentenzsystem. Dabei werden LiDAR-Punktwolken mit Kameradaten fusioniert, um zuverlässig Objekte im Fahrweg zu detektieren. Durch diesen Digitalisierungsschritt werden Personalressourcen geschont und gleichzeitig die Grundlage für einen autonomen Eisenbahnbetrieb gelegt.

Mobiles Assistenzsystem zur Gleisüberwachung während des Rangierens von Güterzügen

Herausforderung

Manuelle Überwachung des Gleisbereichs ist immer schwieriger umzusetzen

Das Rangieren von Güterzügen ist bislang ein Zwei-Personen-Job: Fährt der Zug rückwärts, muss ein Rangierbegleitender auf dem letzten Wagon stehen und dem Lokführenden per Funk durchgeben, ob sich Hindernisse im Gleisbereich befinden. Diese Aufgabe muss bei Wind und Wetter erledigt werden und ist zudem nicht ganz ungefährlich – entsprechend schwierig ist es, Personal für diese Position zu finden. Zwar gibt es bereits die Möglichkeit, dass der Lokführende selber diese Aufgabe übernimmt, aber auch dies ist keine optimale Lösung, da bei Richtungswechseln stets die gesamte Zuglänge abgelaufen werden muss, was sehr zeitaufwändig ist.

 

Lösung

Assistenzsystem erfasst während des Rangierens den gesamten Gleisbereich und erkennt Hindernisse

Das Projektteam entwickelt deshalb ein Assistenzsystem für das Rangieren von Güterzügen, das die Gleisüberwachung übernimmt und somit die Lokführenden unterstützt. Dieses portable, akkubetriebene Gerät wird an das Zugende angebracht und beinhaltet verschiedenste Sensorik zur Umfelderfassung sowie einen Computer zur Datenverarbeitung. Die integrierte Sensorik umfasst zwei Blickfeld LiDAR-Sensoren zur 3D-Hinderniserkennung, eine Stereokamera für den Nahbereich, zwei weitere Kameras, die die Datenbasis für Algorithmus-gestützte Objekterkennung liefern und einen Radar-Sensor. Darüber hinaus verfügt das System über ein akustisches Warnsignal. Der Lokführende wird in der Kabine mit einem Tablet ausgestattet, das den Gleisbereich hinter dem Zug im Live-Feed zeigt sowie auf Objekte, Personen, Signale oder andere Fahrzeuge im überwachten Bereich hinweist.

Erkannt werden diese Objekte durch die Fusion von Kamerabildern und 3D-Punktwolken: Bilderkennungsalgorithmen identifizieren auf Basis des Kamerabildes den Gleisbereich und Objekte, wie Menschen oder Fahrzeuge. Sie können allerdings nicht die genaue Position von erkannten Objekten feststellen, dieser Schritt wird durch die Fusion mit der Punktwolke ermöglicht. Auf diese Art kann zuverlässig sichergestellt werden, dass der Fahrweg des Zuges beim Rückwärtsfahren frei ist, ohne dass ein Rangierbegleiter benötigt wird.

Fusion von Kamerabild und 3D LiDAR-Punktwolke

Die FH Aachen, verantwortlich für die LiDAR- und Kamera-Systeme, hat sich aus mehreren Gründen für die Integration von Blickfeld-Sensorik in das System entschieden. Für die Rangieranwendung eignet sich das horizontale Sichtfeld des Cube 1 von 70° optimal, um den Gleisbereich auch beim Fahren von leichten Kurven im Blick zu behalten. Die Sensorik muss zudem extrem robust sein, da die Vibration im Eisenbahnbetrieb sehr hoch ist; der Solid-State-Charakter der Blickfeld-Sensoren ist hier von großem Vorteil. Des Weiteren stechen die hohe Auflösung der Punktwolkendaten bei einem geringen Preis hervor.

 

Blickfelds LiDAR-Sensorik ist genau das, was wir in Bezug auf Preis, Auflösung und Sichtfeld für unser System gesucht haben.
Matthias Blumenschein
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Schienenfahrzeugtechnik, FH Aachen

Ausblick

Grundstein für den autonomen Zugbetrieb

Um Rangierfahrten noch umfangreicher absichern zu können, gibt es Projektüberlegungen, dass in einem nächsten Schritt stationäre Module zur Gleiseinsicht eingeführt werden. Etwa hinter Kurven oder anderen für den Lokführer schwer einsehbaren Abschnitten, könnte das System einen Live-Feed in die Lokführerkabine senden, sodass gegebenenfalls rechtzeitig eine Bremsung eingeleitet werden kann. In einer zweiten Stufe kann diese Technik als Vorstufe zum autonomen Betrieb dienen.

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