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Mit Matrox Imaging bleiben die Züge in der Spur

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AEA Technology Rail aus Derby/Großbritannien entstand aus den Bereichen Forschung und Entwicklung (BR Research) der ehemaligen staatlichen British Rail. BR Research wiederum war der erste Neuerwerb (1997) von AEA Technology plc nach deren Gründung aus der Abteilung technischer Support, Forschung und Entwicklung der UK Atomic Energy Authority.

AEA Technology Rail arbeitet jetzt vorrangig als technisches Beratungsunternehmen und Entwicklungsfirma für den Eisenbahnmarkt. "Unsere Zielgruppe sind Firmen mit speziellen technischen Problemen im gesamten Bahnbereich. Wir bieten Lösungen für alles, was damit zusammenhängt - Signalanlagen, Bautechnik und Maschinenbau, Wagen, Schienen etc.," erklärt Jon Pocock, Produktmanager VIEW™ bei AEA Technology Rail. Die Firma arbeitet weltweit, der größte Teil des Eisenbahngeschäfts wird jedoch in Großbritannien abgewickelt. Diese "Ideenschmiede" hat mehrere Produkte für die Zustandsüberwachung entwickelt, die in der VIEW-Anwendungsfamilie automatischer Inspektionssysteme für Fahrzeuge zusammengefasst werden. Dazu gehören die überprüfung von Bremsklötzen, Blöcken, Vorsatzteilen und Radprofilen. Das Team von Pocock installiert die unterschiedlichsten Computersysteme, entweder auf den Zügen oder entlang der Strecke, um verschiedene Parameter des Zuges oder der Infrastruktur zu messen und auf Basis der ermittelten Daten Wartungsentscheidungen zu ermöglichen.

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Die Produktpalette hat sich aus Arbeiten entwickelt an überwachungssystemen für Dieselmotoren zur Vorhersage wahrscheinlicher Fehler, zur Berechnungen von Passagierzahlen durch Wiegen des Zuges während der Fahrt, und aus Messungen der von den Zügen ausgehenden Streckenbelastungen durch Aufzeichnung der Schwingungen und des ausgeübten Druckes auf die Oberleitungen. Viele der überwachungsaufgaben sind relativ einfach und klar, im Gegensatz zu den mechanisch und elektrisch schwierigen Umgebungsbedingungen.

Die überwachung von Abnutzung und Verschleiß der Räder

TreadVIEW™ gehört zur Produktfamilie VIEW™ für die überwachung von Abnutzung und Verschleiß von Zugrädern aus Stahl. Das Radprofil und der Spurkranz spielen für eine ruhige und sichere Fahrt des Zuges eine entscheidende Rolle. Durch die Form des Rades wird der Zug in Kurven geführt und kann dann wieder in eine neutrale Position auf der Schiene zurückzukehren. Jeder kennt das quietschende Geräusch, das Zugräder beim Passieren von Kurven verursachen - laut Pocock entsteht dieses Geräusch, wenn Rad und Schiene aneinander reiben, was weder für den Zug noch für die Schienen gut ist. Der Abrieb von Material an den Rädern führt zu Vertiefungen am Spurkranz, was beim Passieren des Zuges von Bahnübergängen und Stationen gefährlich werden kann. Andererseits kann ein abgenutztes Rad aber ausgewechselt und das ideale Profil maschinell wieder hergestellt werden.

Für eine sichere und effektive Ausführung der Wartung und die Kontrolle der Kosten ist die Wahl des richtigen Zeitpunktes für diese Arbeiten wichtig. Da die Züge für den Radwechsel aus dem Verkehr gezogen und die Räder in ein spezielles Spannwerkzeug eingebaut werden müssen, führt man diese Arbeiten nur dann aus, wenn sie absolut erforderlich geworden sind. Verschleißen die Räder ungewöhnlich schnell, dann kann dies ein Anzeichen für weitere Probleme sein, wie beispielsweise eine fehlerhafte Aufhängung des Fahrgestells oder mangelhafte Schienen (Schmierprobleme in Abschnitten mit hoher Reibung wie Kurven). Der gesamte Fuhrpark kann großen Schaden nehmen, wenn diese Probleme nicht rechtzeitig erkannt werden.

Die VIEW-Systeme werden normalerweise am Ende von Waschstationen für Züge installiert. Der Zug frequentiert diese Stationen alle 2 - 3 Tage und fährt dann langsam mit 8-10 km/h durch die Waschanlage. In diesem Bereich können die Wagenräder regelmäßig untersucht werden und es ist sichergestellt, dass jedes einzelne Rad inspiziert und erfasst wird. Allerdings kommt der Zug nicht nur nass aus der Waschanlage, sondern auch mit verschiedenen sauren und alkalischen Lösungen - eine wirklich feindliche Umgebung für die empfindliche Elektronik. Da die Waschstationen auch starke elektro-magnetische Wellen ausstrahlen, muss das Systemgehäuse robust und abgedichtet sein, bis hin zur Ausstattung mit einen Scheibenwischer, damit die Sicht der CCTV-Kamera nicht durch Tropfen auf dem Schutzglas gestört wird. Diese Umgebungsbedingungen sind gegenwärtig eine große Herausforderung für Pocock und sein Team. Im Gegensatz dazu umfasst der eigentliche Bildverarbeitungsteil nur 15 - 20% der Gesamtaufgabe.

Ein Beleuchtungsproblem

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Bei der TreadVIEW-Anwendung wird durch eine divergente Punktstrahl-Laserquelle eine strukturierte Beleuchtung in Form einer Linie auf das Rad projiziert. Als Laser wird ein Lasiris 100mW Laser mit einer Wellenlänge von 670 nm verwendet. Durch einen Strahlteiler wird der Laser angepasst, um eine gleichbleibend intensive divergente Linie zu erzielen, die das Rad an einem Punkt seines Umfanges erhellt. Dadurch wird eine konstante Helligkeit über die gesamte angestrahlte Fläche erreicht. Beim Prototypsystem gab es Probleme hinsichtlich der Helligkeit des Lasers gegenüber den Lichtbedingungen der Umgebung. Die glänzenden Räder reflektierten das Umgebungslicht genau in die Kamera, während das Licht des Lasers zurück in den Laser reflektiert wurde. In die Kameralinse wurde daraufhin ein optischer Bandpassfilter mit einer Passfrequenz ähnlich der des Lasers integriert. So wurde ein großer Teil des Umgebungslichtes herausgefiltert, bevor das Bild erfasst wurde.

"Die Matrox Imaging Library Software hat uns vorrangig bei der Auswahl des benötigten Details im Bild geholfen," sagt Pocock. Einmal mit dem Matrox Pulsar Framegrabber Board erfasst, wird das Bild per Software gefiltert, um störende Lichteffekte zu eliminieren - allerdings wird durch diesen Vorgang auch ein Teil des Laserlichtes entfernt. Dieses Problem wurde dadurch gelöst, daß das Bild Zeile für Zeile vorverarbeitet wurde, um die Spitzenwerte zu extrahieren. Wird kein Spitzenwert gefunden, werden die Grauwerte solange ausgeglichen, bis ein Spitzenwert entdeckt wird. Schlägt auch dieser Versuch fehl, dann wird die nächste Linie untersucht, bis der Spitzenwert gefunden wird. Bei diesem Prozess wird intensiv auf die Matrox Imaging Library zugegriffen und Pocock sagt, dass er sehr wenige andere Anwendungsbibliotheken kennt, die den Entwicklern das Design eines derartigen Prozesses erlauben und darüber hinaus eine vernünftige Geschwindigkeit garantieren. TreadVIEW-Bilder werden innerhalb 0,5 - 1 Sekunde verarbeitet. Obwohl die Verarbeitung in Echtzeit keine große Rolle spielt, ist es dennoch entscheidend, eine Antwort in einer annehmbaren kurzen Zeit zu erhalten.es take 0.5-1 second to process and while realtime speed is not important, producing an answer in a reasonably short time is.

Einsparung von Zeit und Ressourcen

In vergleichenden Untersuchungen mit dem hochpräzisen Messgerät "Miniprof", das bei manuellen Radprüfungen verwendet wird, wurde mit Treadview eine Genauigkeit innerhalb 0,5 mm am fahrenden Wagen erzielt, was für regelmäßige und kostengünstige Messungen hinreichend ist. Pocock führt dazu aus, dass für eine umfassende Untersuchung eines Fuhrparks der Londoner U-Bahn mit "Miniprof" ein Zwei-Mann-Team ungefähr drei Mann-Monate benötigen würde. Bei der Installation eines TreadVIEW-Systems kann das gleiche Ergebnis innerhalb von sieben Tagen erzielt werden - ohne Einsatz von Personal. Durch den Einsatz von Treadview im normalen Fahrbetrieb können von den gewonnenen Daten Mittelwerte gebildet und die ohnehin geringe Fehlerquote nochmals um ein Drittel reduziert werden.

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Die Grenzen für eine weitere Erhöhung der Genauigkeit werden durch die Stärke des Lasers gesetzt und nicht dadurch, dass die Laserlinie nicht genau genug zu extrahieren wäre. Beim Prototypsystem wurde herausgefunden, dass es notwendig ist, den Kameraverschluss für die Erhöhung der Menge des erfassten Laserlichtes länger offen zu lassen. Gleichzeitig kam es hierdurch aber zu einem leichten Flackern durch den erhöhten Eintritt von Umgebungslicht in die Kamera. Durch die Verwendung eines stärkeren Lasers (100 mW) wurde dieses Problem letztendlich gelöst. Andere Faktoren sind die Breite des Laserstrahls - ca. 1 mm - und Varianten in der Geometrie der Räder beim Passieren von Laser und Kamera. Die Ausrichtung der Räder, der Laser und die Kamera sind kritische Faktoren für eine akkurate geometrische Transformation bei der Bilderfassung. Die TreadVIEW-Software enthält ein 3D-Transformationselement für die Korrektur dieser Fehler.

Bei der praktischen Anwendung hat Pocock herausgefunden, dass man mit dem System den Zeitpunkt für die Durchführung von Wartungsarbeiten dann genau bestimmen kann, wenn die Messung innerhalb von ±0,5 mm in einem Gesichtsfeld von ±10 mm ausgeführt wird. Bei regelmäßigen Inspektionen mit Treadview kann auch den Zyklus der Wartungsarbeiten verändert werden, so dass diese vorverlegt oder verschoben werden können.

Neue Räder passen sich in der Regel schnell an das abgenutzte Profil von abgenutzten Schienen an und umgekehrt. Danach verringert sich der Verschleiß von Rädern und Schienen. Die Abnutzungsraten werden aber größer je mehr die Profile verschleißen. Nach einer gewisseZeit erreichen Schienen und Wagen eines Eisenbahnsystems deshalb eine Art Gleichgewicht. Eine wesentliche Veränderung - z.B. durch Einführung eines neuen Fuhrparks oder den Austausch eines größeren Gleisbereiches - kann dieses Gleichgewicht stören. Es kann zu neuen Arten des Verschleißes an Rädern und Schienen kommen und das durchschnittliche Abnutzungsprofil verändert sich. Mit TreadVIEW können solche weitreichenden Veränderungen erkannt werden, bevor diese eine plötzliche Verschlechterung der Qualität der Räder eines gesamten Fuhrparks verursachen. Von wachsender Bedeutung für private Schienennetzbetreiber ist, dass mit TreadVIEW Haftungsfragen hinsichtlich der Abnutzung an Schienen und Rädern geklärt werden können.

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