Für die kontinuierliche Zustandsüberwachung sind drei bis vier Züge im Einsatz, darunter ICEs der zweiten Generation und ICs. Der Gedanke dahinter: Wenn Fernzüge Tag für Tag das Streckennetz abfahren, können sie dabei gleichzeitig Daten sammeln. Mit dieser Aufgabe hat die für die Infrastruktur zuständige DB Netz AG konzernintern die DB Systemtechnik 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 zeitlichen Abständen durchgeführt werden – Hochgeschwindigkeitsstrecken werden üblicherweise alle drei bis vier Monate und Regionalzugstrecken einmal im Jahr untersucht.

„Unser Ziel ist es, mit wenigen Fahrzeugen ein großes Streckennetz zu überwachen“, erläutert Dr. Klaus Ulrich Wolter. Er ist Referent ‚Kontinuierliches Streckenmonitoring‘ bei der DB Systemtechnik 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 ein Datenerfassungssystem, ein Ortungssystem sowie eine Anlage zur Datenübertragung. Das Ortungssystem speichert kontinuierlich die aktuelle Position des Zuges, um die Messwerte einem konkreten Streckenabschnitt zuordnen zu können. Die Datenübertragungseinheit wiederum sendet die kompletten Daten in Echtzeit an die DB Systemtechnik. Hier werden die Daten einmal wöchentlich ausgewertet und den Anlagenverantwortlichen für den jeweiligen Abschnitt zur Verfügung gestellt. Da die Auswertung weitgehend automatisiert geschieht, lassen sich sogar Daten in den Report aufnehmen, die zum Zeitpunkt seines Versands erst einige Stunden alt sind.
 

Wöchentliches Monitoring

Mittlerweile befinden sich rund 2500 km Schienen im wöchentlichen Zustandsmonitoring. Fernzüge mit speziellen Sensoren sind auf der vielbefahrenen Nord-Süd-Route Bremen/Hamburg – München unterwegs sowie auf den Strecken Berlin – Köln und Halle/Leipzig – Bremen.

Dr. Klaus Ulrich Wolter hat das System der kontinuierlichen ­Zustandsüberwachung maßgeblich mitentwickelt.

© DB Systemtechnik / Martin Loibl

„Auf manchen Strecken verkehren nur alle zwei Wochen Züge mit Messtechnik, auf anderen sind es bis zu zwei pro Tag“, berichtet Dr. Wolter. „Im Schnitt werden die Strecken aber viermal in der Woche von einem mit Messtechnik ausgestatteten Zug befahren.“ 

Die Datenerfassung erfolgt mit Beschleunigungssensoren der Firma ASC. An den Fernzügen ist neben uniaxialen kapazitiven Beschleunigungssensoren eine piezoelektrische Ausführung montiert. Letztere gehört zu den Hochfrequenz-IEPE-Sensoren (Integrated Electronics Piezo Electric), die robust, hochgradig stoßfest und hermetisch versiegelt sind. Diese Sensoren eignen sich dank ihrer Stoßfestigkeit von maximal 5000 gpk insbesondere für den Schienenverkehr mit seinen hohen Schockbelastungen. Auch ein weiter Temperaturbereich spielt eine wichtige Rolle, können die Temperaturen an den Messpunkten der Züge doch zwischen circa –30 und +70 °C variieren.

Gleissperrungen und Verspätungen ­verhindern

Die 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.

Die Sensoren von ASC sind in sogenannten 'Sensor-Boxen' verbaut. Sie messen die vertikale Beschleunigung an den Radsatzlagern sowie im Inneren der Wagenkästen und überwachen so die Längshöhe des Gleis-Oberbaus.

© ASC

Der Fokus liegt auf der Messung der Längs­höhe, da sich diese am schnellsten verändert und Abweichungen in diesem Bereich den größten Einfluss auf die Betriebsqualität haben. Liegen hier Fehler in der Geo­metrie vor, müssen sofort Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen beziehungsweise Langsamfahrstellen eingerichtet werden. 

Die Messbereiche der von der Deutschen Bahn verwendeten kapazitiven ASC-Beschleunigungssensoren liegen bei 2 und 50 g. Ihr Signal-Rausch-Verhältnis liegt abhängig vom Messbereich zwischen 7 und 400 µg/√Hz. Für die kontinuierliche Zustandsüberwachung sind vor allem die hohe Empfindlichkeit und Stoßfestigkeit der Sensoren bedeutsam. Mit ausschlaggebend für die Entscheidung für die ASC-Sensoren war zudem die geringe Größe der Messsysteme, da der Bauraum in den so-genannten Sensor-Boxen an den Zügen begrenzt ist. 

Neben den kapazitiven und piezoelektrischen Beschleunigungssensoren setzt DB Systemtechnik auch Drehratensensoren ein. Diese basieren auf der MEMS-Technologie und eignen sich speziell für die Messung von Gleisgeometrie-Fehlern in Bögen. Ein Merkmal der Sensoren ist ihre Bias-Instabilität von 9°/hr. Zudem bieten sie eine Rauschdichte von nur 0,02°/s/√Hz und einen niedrigen Angle Random Walk (0,2°/√Hz).
 

Langsamfahrstellen minimiert

Der Drehratensensor 'ASC 271' kontrolliert den Streckenzustand in Bögen.

© ASC

Seit der Einführung der kontinuierlichen Zustandsüberwachung war die mobile Messtechnik bereits mehr als 6.000.000 Laufkilometer im Einsatz. Auf Grundlage der dabei gewonnenen Daten wurden Maßnahmen eingeleitet, die die Qualität des Oberbaus aus Schiene, Schwellen und Schotter deutlich ver­besserten – die Zahl der Langsamfahr­stellen und Gleissperrungen konnte ­demnach um durchschnittlich 95 % reduziert werden. 

Auf Wunsch der Anlagenverantwortlichen hin werden Schritt für Schritt immer mehr Strecken in das Monitoring aufgenommen. So ist die kontinuierliche Zustandsüberwachung zwar derzeit noch 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.