Intelligente 3D LiDAR-Sensorik für mehr Sicherheit beim Rangieren von Güterzügen

Traffic & Infrastructure

IKADO macht Rangierfahrten mit Hilfe von Blickfeld LiDAR-Sensoren sicherer

Überblick

Beim Rückwärtsrangieren von Güterzügen fehlt Lokführenden der direkte Blick auf den Fahrweg. Traditionell übernimmt deshalb eine zweite Person am Zugende die Überwachung des Gleisbereichs und gibt Informationen zu möglichen Hindernissen per Funk weiter. Das SAMIRA-Projekt verfolgt einen anderen Ansatz: Ein mobiles Sensorsystem am letzten Wagen erfasst das Umfeld und stellt dem Lokführenden die relevanten Informationen direkt in der Kabine zur Verfügung.

Bereits im ersten SAMIRA-Projekt konnte ein Proof of Concept zeigen, dass sich ein solches System technisch realisieren lässt.

Mit SAMIRA 2.0 geht die Entwicklung nun einen entscheidenden Schritt weiter: Die IKADO GmbH, ein IT-Systemhaus mit Sitz in Aachen, entwickelt das bestehende System für den praktischen Einsatz weiter. Im Fokus stehen unter anderem die Erhöhung des Software-Reifegrads, ein robustes, bahntaugliches Gehäuse und die Optimierung der Sensorik. Dabei spielt 3D-LiDAR von Blickfeld eine zentrale Rolle bei der präzisen Erfassung des Gleisumfelds.

Herausforderung

Die ursprüngliche Idee hinter SAMIRA adressiert eine konkrete Herausforderung beim Rangieren auf dem Firmengelände: Wenn ein Güterzug rückwärts fährt, muss der Fahrweg hinter dem Zug zuverlässig überwacht werden. Eine manuelle Überwachung bindet zusätzliches Personal, ist witterungsabhängig und bringt die begleitende Person unmittelbar in die Nähe des fahrenden Zuges.
Aber auch ein Assistenzsystem muss diese Aufgabe unter anspruchsvollen Bedingungen übernehmen. Vorhandene Infrastruktur, wie Gleise, Schotter und Schwellen, muss bei unterschiedlichen Licht-Bedingungen präzise von relevanten Hindernissen unterschieden werden.
Besonders anspruchsvoll ist die Überwachung des Lichtraumprofils – des Bereichs, der für die sichere Durchfahrt des Zuges freigehalten werden muss. Bereits kleine Objekte können hier relevant sein. Gleichzeitig darf das System Objekte außerhalb des Fahrwegs, beispielsweise Strommasten oder einen Zug auf dem Nachbargleis, nicht fälschlicherweise als Hindernis klassifizieren.
Hinzu kommen die Anforderungen an die Hardware: Ein am Zug montiertes System muss Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit und wechselnden Witterungsbedingungen standhalten.

Lösung

Im ursprünglichen SAMIRA-System wurden Kameradaten und 3D-LiDAR-Punktwolken miteinander fusioniert. Während Kameras Objekte anhand ihres visuellen Erscheinungsbilds erkennen können, liefert LiDAR die für die räumliche Einordnung entscheidenden Tiefeninformationen.
Dieser Ansatz wird in SAMIRA 2.0 fortgesetzt. Dabei hat sich im Laufe der Entwicklung gezeigt, dass insbesondere die LiDAR-Punktwolken eine wertvolle Grundlage für die Entwicklung eigener Algorithmen bieten.
Das System kennt seine eigene Bewegungsrichtung und kann deshalb nicht nur einzelne Messungen betrachten, sondern Informationen über die Zeit auswerten. Dadurch lassen sich auch Objekte erkennen, die zunächst nur von wenigen Scanlinien erfasst werden. Die zeitliche Auswertung erhöht damit die effektive Erkennungsleistung.

SAMIRA Sensormodul mit Blickfeld 3D-LiDAR zur Hinderniserkennung beim Rangieren von Güterzügen. — Das SAMIRA Sensormodul erfasst das Gleisumfeld und unterstützt die sichere Durchführung von Rangierfahrten.

Präzise Erkennung im Lichtraumprofil
Ein zentraler Anwendungsfall ist die Überwachung des Lichtraumprofils. Hier kommt es auf eine sehr genaue räumliche Abgrenzung an: Ein Objekt wenige Zentimeter außerhalb des relevanten Bereichs muss anders bewertet werden als ein Hindernis, das in den Fahrweg hineinragt.
Die 3D-Punktwolke ermöglicht es, diese räumlichen Grenzen präzise abzubilden. Für IKADO ist dies ein wesentlicher Vorteil gegenüber der eingesetzten Radar- und Kameratechnik. Während Radar im Eisenbahnumfeld unter anderem durch Reflexionen von Schotter und Schwellen vor Herausforderungen steht, liefert LiDAR detaillierte räumliche Informationen, die sich gezielt für die eigene Algorithmik auswerten lassen.

Neue Anwendung: Hemmschuherkennung
Aus der intensiven Arbeit mit den LiDAR-Daten sind inzwischen weitere Anwendungsmöglichkeiten entstanden. Eine davon ist die Erkennung von Hemmschuhen – Stahlkeilen, die auf die Schiene gelegt werden, um einen Zug am Weiterfahren zu hindern.
Da Hemmschuhe nur etwa 15 bis 20 Zentimeter hoch und aus größerer Entfernung schwer sichtbar sind, ist ihre Erkennung mit einer Kamera allein anspruchsvoll. IKADO entwickelt deshalb einen Ansatz, bei dem ein kleiner Reflektor am Hemmschuh angebracht und dessen charakteristische Reflexion im LiDAR-Datensatz ausgewertet wird.
Auf diese Weise soll eine zuverlässige Erkennung auch über Distanzen von mehr als 50 Metern möglich werden.

Bahntaugliche Hardware für den praktischen Einsatz
Parallel zur Softwareentwicklung wurde die Hardware grundlegend weiterentwickelt. Das neue Gehäuse ist wasser- und wetterfest und wurde speziell auf die Anforderungen des Bahnbetriebs ausgelegt.
Eine besondere Herausforderung war die Kühlung. In Rangierbereichen herrschen häufig staubige Bedingungen, weshalb keine aktive Kühlung mit Außenluft eingesetzt werden kann. Gemeinsam mit Blickfeld wurde daher ein geschlossenes Kühlkonzept mit nach außen geführtem Kühlmechanismus und Wasserkühlung entwickelt. Der Blickfeld-Sensor kann dabei direkt an den Kühlflächen angebracht werden.
Auch die drahtlose Datenübertragung wurde gegenüber dem ersten Projekt weiterentwickelt: Statt WLAN kommt in SAMIRA 2.0 5G zum Einsatz.

3D-LiDAR-Punktwolke des Gleisbereichs zur präzisen Hinderniserkennung im SAMIRA System. — Die 3D-LiDAR-Punktwolke ermöglicht die präzise räumliche Erfassung des Gleisumfelds und die Überwachung des Lichtraumprofils.

Ergebnisse

Die bisherige Entwicklung hat SAMIRA deutlich näher an einen praktischen Einsatz gebracht. Nach dem erfolgreichen Proof of Concept des ersten Projekts konnten die Algorithmen weiterentwickelt und die Anforderungen an einen Einsatz im Bahnbetrieb in die Systementwicklung integriert werden.
Die LiDAR-Sensorik übernimmt dabei einen wesentlichen Teil der Hinderniserkennung im Nah- und Mittelfeld. Besonders bei der räumlich präzisen Überwachung des Lichtraumprofils zeigt die 3D-Erfassung ihre Stärken.

Bei Blickfeld haben wir genau das bekommen, was wir beim Kauf erwartet haben. Gerade bei einem Entwicklungsprojekt wie SAMIRA ist aber nicht nur entscheidend, was ein Sensor auf dem Papier leistet. Ebenso wichtig ist für uns, dass wir mit dem Hersteller direkt über konkrete Anforderungen und Herausforderungen sprechen und gemeinsam Lösungen entwickeln können. Diese Zusammenarbeit mit Blickfeld hat für uns sehr gut funktioniert.

Sam Münchow

Head of Research & Development, IKADO GmbH

Ausblick

Der nächste große Schritt ist die mehrmonatige Praxiserprobung. Die Tests sollen über mehrere Monate und insbesondere über den Winter laufen, um das System unter realen Betriebs- und Witterungsbedingungen zu validieren. Parallel soll die Produktentwicklung weiter vorangetrieben werden.
Auch die Sensorarchitektur könnte sich perspektivisch weiterentwickeln. Statt Radar und LiDAR langfristig zu kombinieren, wird geprüft, ob ein zweiter LiDAR-Sensor mit einer anderen Charakteristik eine leistungsfähigere redundante Sensorik ermöglichen kann.
Damit entwickelt sich die ursprüngliche Idee des SAMIRA-Projekts kontinuierlich weiter: Was mit dem Ziel begann, Lokführende beim Rückwärtsrangieren mit digitalen Informationen über den Fahrweg zu unterstützen, soll zu einem robusten Assistenzsystem für den praktischen Güterbahnbetrieb werden.

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