Vollautomatische Streckenüberwachung durch Fiber Optic Sensing
Artikel: Digitale Lauscher an der Schiene
11/2020 – Das Projekt Fiber Optic Sensing von DB Netz AG und DB Systel kann die Reisendenwarnung entscheidend verbessern – mit faseroptischer Sensortechnik und KI-gestützter Datenplattform.
„Achtung an Gleis 4. Ein Zug fährt durch.“ Mit dieser oder einer ähnlichen Durchsage warnt die Deutsche Bahn Reisende, wenn ein Zug beispielsweise mit 160 Kilometern pro Stunde einen Bahnsteig passiert. Doch auch bei langsameren Passagier- oder Güterzügen wird über eine Durchfahrt informiert. Was nur wenigen Bahnkunden bekannt sein dürfte: Diese von der DB Station&Service durchgeführte Maßnahme ist meistens aufwendige „Handarbeit“.
Doch das soll sich nun ändern: Fiber Optic Sensing (FOS) ist in der Lage, im Zusammenspiel mit künstlicher Intelligenz und einer Big-Data-Plattform exakt zu ermitteln, wo genau sich ein Zug im jeweiligen Streckenabschnitt befindet und wann er einen Bahnhof erreicht. Das Sensorsystem, das die akustischen Signale herannahender Züge mittels Glasfasertechnik erfasst, ermöglicht in Kombination mit der Big-Data-Plattform eine vollautomatische Reisendenwarnung am Bahnsteig.
Bestehende Infrastruktur optimal genutzt
„Derzeit muss DB Station&Service unabhängig von der Geschwindigkeit des Zuges an deutschlandweit circa 170 Bahnsteigkanten warnen“, weiß Andy Lämmerhirt von der DB Netz AG. Er ist Betreuer des Projekts Fiber Optic Sensing (FOS), das mit einem Team der DB Systel das Zusammenspiel von FOS und einer speziellen Datenplattform optimiert, um einen unter allen Einsatzbedingungen idealen und sicheren Warnzeitpunkt zu ermitteln.
Zwar existiert seit Jahren für die Strecke Berlin–Hamburg ein vollautomatisches Warnsystem, bei dem Einschaltkontakte die Warnungen auslösen. Doch das System ist im Vergleich zu einem Warnsystem auf FOS-Basis kostenintensiver und nicht so flexibel. Mit einer FOS-Box ist es möglich, alle Bahnsteigkanten auf einer Strecke von bis zu 100 Kilometern mit nur einem Sensorsystem zu überwachen
Die FOS-Technologie kann hierbei auf rund 14.000 Kilometer Lichtwellenleiter entlang der Bahnstrecken in Deutschland zurückgreifen: Es sind die in Betontrögen verlegten Streckenfernmeldekabel. „Sie dienen unter anderem der Kommunikation zwischen den Stellwerken“, weiß Andreas Freese, der als Product Owner seitens DB Systel am Projekt FOS beteiligt ist.
2500 Lichtimpulse pro Sekunde
Diese Kabel haben stille Reserven. „Die 24 bis 144 Fasern pro Kabel sind nicht komplett belegt“, ergänzt Andy Lämmerhirt. Die ungenutzten Fasern können flächendeckend für FOS genutzt werden. Schon eine freie Faser reicht aus, um das Glasfaserkabel zu einer Art virtuellem Mikrofon umzuwandeln. In einem Abstand von etwa 40 bis 80 Kilometern werden in den Stellwerken die einzelnen FOS-Sensorsysteme der Hersteller installiert. Diese bestehen aus einer Sende- und Empfangseinheit, einer Auswerteeinheit sowie einer Eingabeeinheit.
Als Verfahren für die Detektion von Ereignissen wird die Optische Zeitbereichsreflektometrie (engl.: Optical Time Domain Reflectometry) genutzt. Die Sende- und Empfangseinheit sendet bei diesem Verfahren Laserimpulse durch den Lichtwellenleiter und detektiert das zurückgeworfene Streulicht. Bis zu 2500 Lichtimpulse werden pro Sekunde in die Faser geleitet. Fährt etwa ein Zug entlang der überwachten Strecke, verursacht dieser Vibrationen, die sich bis zum Lichtwellenleiter im Kabeltrog neben der Strecke ausbreiten. Diese durch Mikrobiegungen verursachten Reflexionen im Kabel kann man nicht nur messen. Sie lassen auch die Ursache der Reflexion erkennen. „Jedes Ereignis hat seine typischen Muster an Vibrationen, die es auslöst. Wir analysieren das Muster – seine Frequenz und seine Amplitude –, und ein Algorithmus kann lernen, diese Muster wiederzuerkennen“, erklärt Andy Lämmerhirt. Das Datenmaterial wird auf bekannte Muster hin analysiert – fast in Echtzeit und auf bis zu zehn Meter genau. Eine einzige Sende- und Empfangseinheit kann bis zu 100 Kilometer Strecke optisch abtasten.
Mit 99-prozentiger Sicherheit
Durch FOS wird jede Zugfahrt komplett überwachbar. „Wir können jederzeit ermitteln, wo der Zug ist und wie schnell er fährt“, weiß Daniel Pöppelmann, der als Lead Architect beim Projekt FOS für die Integration der Daten auf der Big-Data-Plattform zuständig ist. „Die KI erkennt den Zug und verfolgt seinen Lauf. Die Informationen werden über eine Schnittstelle in die Datenplattform eingespeist.“
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde auf einer Schnellfahrstrecke zwischen Würzburg und Fulda bereits die Genauigkeit der Messung einer Zugankunft an einem virtuellen Bahnhof mittels FOS ermittelt: Sie beträgt 99 Prozent und liegt damit weit über den Anforderungen. Nach Abschluss der ersten Versuchsphase soll FOS nun auf eine erste betriebliche Nutzbarkeit in Form der Reisendenwarnung untersucht werden. Dazu erfolgt zunächst bis Ende des Jahres der Proof of Concept, also die Überprüfung der prinzipiellen Machbarkeit des Projekts. „Danach ist geplant, das System auf einem Teilstück der Strecke von Berlin nach Dresden einem mehrere Monate langen Praxistest zu unterziehen: „Wir wollen den Algorithmus, der die Züge erkennt, noch robuster machen“, sagt Lämmerhirt. Zwar ist es für das FOS-System bereits jetzt kein Problem, bei Wind und Wetter die Züge und ihre Geschwindigkeiten zu erkennen. Es kann auch die Laufgeräusche eines ICE von den Schallemissionen einer nahen Tagesbaustelle unterscheiden. „Aber es gibt noch Optimierungsbedarf“, sagt Lämmerhirt.
Alle Daten unter einem Dach
„Eine andere Herausforderung ist sicherlich die Integration der verschiedenen Datenquellen aus dem Konzern“, ergänzt Pöppelmann. „Die sind ja historisch gewachsen, und darum arbeitet die Infrastruktur mit ganz anderen Datenstrukturen als die Zugdisposition. Das erschwert zu erkennen, welchen Zug wir da als FOS-Event sehen und wo er hinfährt.“ Doch Pöppelmann ist optimistisch, die Verschränkung der FOS-Daten mit Konzerndaten aus dem Betrieb und der Infrastruktur zu meistern. „Wir haben eine super Unterstützung aus allen Ebenen des Unternehmens und im PoC-Team alle Skills, die wir dazu brauchen“, sagt Pöppelmann.
Das Innovationspotenzial von Fiber Optic Sensing ist kaum zu überschätzen. Die Deutsche Bahn erschließt sich eine komplett neue Informationsquelle. Das birgt nicht nur Vorteile für die Bahnreisenden, die zukünftig genauer und konstanter vor Zugdurchfahrten gewarnt werden können. „FOS macht ganz neue Anwendungen mit massivem Nutzen für die Bahninfrastruktur möglich“, sagt Pöppelmann. Durch Distributed Acoustic Sensing ist das System zum Beispiel in der Lage, Flachstellen an Rädern zu erkennen. Weit gediehen ist inzwischen schon die Identifikation von Geräuschen, die auf einen Kabeldiebstahl hindeuten – was wiederum helfen würde, Zugausfälle oder Verspätungen zu verringern. Mit der Kombination aus multifunktionalem Sensorsystem und integrativer Datenplattform sorgt das Projekt Fiber Optic Sensing also für mehr Überblick und Sicherheit – nicht nur auf den Bahnsteigen, sondern auch auf der Schiene.
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