Funksensoren für datenbasierte Instandhaltung

14. Januar 2021 Steffen Pohler Kommentare 0 Kommentare

Durch den nachträglichen Einbau von Funksensoren können Störungen an Türen und anderen Komponenten von Schienenfahrzeugen erkannt und auch vorhergesagt werden.

Der folgende Beitrag wurde original in Ausgabe 09/2020 der Fachzeitschrift Der Eisenbahningenieur (EI) veröffentlicht. Die Republizierung auf dem Blog der Nubix Software-Design GmbH erfolgt dankenswerter Weise mit freundlicher Genehmigung des Verlages DVV Media Group GmbH (p1):

„Wartung und Instandhaltung gehören zu den größten Kostenpunkten bei Eisenbahnunternehmen, egal ob Personen- oder Güterverkehr, staatlich oder privat betrieben. Digitalisierung ermöglicht optimierte Prozesse und verkürzt Ausfall- und Stillstandzeiten. 20 % Einsparung sind bei Wartungs- und Instandhaltungskosten möglich.“ [1]

Das Ziel der Entwicklung war die Schaffung eines Sensorsystems, welches permanent den Zustand von Fahrgasttüren überwacht, um zuverlässige Prognosen von zu erwartenden Störungen zu ermöglichen. Dabei sollten Eingriffe in die Bordelektronik der Systemkomponenten unbedingt vermieden werden. Die einfache Nachrüstbarkeit der Sensorik und deren Kosten-Nutzen-Verhältnis war zu beachten.

Erprobung im Feldversuch

Nach mehrjähriger Versuchs- und Entwicklungsarbeit stellte die nubix Software-Design GmbH aus Dresden das Funk-Sensor-System „VELA“ vor. Das System erhielt eine Musterzulassung der Deutschen Bahn AG (DB) für den Versuchsbetrieb. In einem mehrmonatigen Feldversuch, der gemeinsam mit der S-Bahn Hannover und der S-Bahn Rhein-Main an Fahrgasttüren der Baureihe (BR) 425 und 430 durchgeführt wurde, konnte die spezifikationsgemäße Funktion des Systems nachgewiesen werden.

Abb.1: VELA-Sensor – angebracht am Öffnungs- und Schließantrieb einer Fahrgasttür im Typ BR 430; Bildquelle: Nubix

Das System erfüllte nicht nur die gesteckten Erwartungen, sondern zeigte schon nach kurzem Betrieb das große Potenzial, was in ihm steckt. So wurden nicht nur die aufgelaufenen Störungen sicher erkannt, sondern auch deutliche Indizien für eine bevorstehende Störung beobachtet. Eine echte Vorhersage für die präventive Wartung also.

Funktionsprinzip

Die VELA-Sensoren werden in Form eines Zwischensteckers zwischen Türantrieb und Türsteuergerät eingefügt (Abb. 1). Die Montage erfolgt werkzeuglos und ohne aufwendige Verkabelung. Der Sensor bleibt für die Bordelektronik des Fahrzeugs „unsichtbar“ und ist rückwirkungsfrei. Es werden lediglich wenige Milli-Watt der Motorenergie für die Speisung des Sensors abgegriffen.

Der Sensor erfasst anschließend jedes Öffnen und Schließen der überwachten Tür. Dabei misst dieser den nötigen Kraftaufwand und die Geschwindigkeit der Türblätter im vollständigen Verlauf. Der Sensor überträgt die aufgezeichneten Daten anschließend drahtlos zu einem Datensammler (SAM). Hierzu wird eine eigens zu diesem Zweck entwickelte Funktechnologie verwendet, die selbst unter komplizierten Einbaubedingungen eine zuverlässige Datenübertragung innerhalb des Fahrzeuges sicherstellt und so gänzlich ohne aufwendige Verdrahtung auskommt.

Abb. 2: VELA-Datensammler (SAM) im Innern eines Wagenzuges vom Typ BR 430; Bildquelle: Nubix

Je Fahrzeug wird ein solcher SAM montiert (Abb. 2), der die Daten aller verbauten Sensoren im Fahrzeug empfangen, zusammenführen und speichern kann. Die primäre Funktion ist jedoch der möglichst schnelle Transport der Daten in die Cloud. Dafür können drei unterschiedliche Übertragungswege genutzt werden:

öffentliche WLAN-Zugänge in Zügen und an Bahnhöfen
das öffentliche LTE-Netz
das bereits in weiten Teilen Deutschlands und Europa verfügbare NarrowBand-IoT- Netz (IoT, Internet of Things) mit erheblich besserer Reichweite und Zuverlässigkeit.

Die Rohdaten der Sensoren aller Fahrzeuge werden auf einem zentralen cloudbasierten Datenbankserver gespeichert. Die Verwendung der Cloud erlaubt höchste Zuverlässigkeit, Sicherheit

, Erreichbarkeit und vor allem Skalierbarkeit der Datenbasis.

Datenbereitstellung und Auswertung

Aus der Datenbasis heraus erfolgt die Auswertung der Daten mittels einer Softwarelösung der Firma nubix. Die Analyse- und Auswertungsanwendung wird ständig verbessert und weiterentwickelt. Aktuell gestattet sie eine übersichtliche Datenpräsentation mit einer Heuristik zur Vorhersage von Wartungsbedarf oder Erkennung von Störungen. Die Daten können nun nach Wunsch des Bahnbetreibers als „Rohdaten“ in vorhandene Systeme exportiert werden.

Abb. 3: Grafische Auswertung der vom VELA-System aufgezeichneten Daten an einer fehlerfrei arbeitenden Fahrgasttür im Typ BR 430; Bildquelle: Nubix

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz einer Künstlichen Intelligenz (KI), welche lernend die Daten analysiert und entsprechende Zustandsberichte generiert und in konfigurierbarer Form zur Verfügung stellen kann. In Abb. 3 und 4 sind zwei beispielhafte Visualisierungen der Daten dargestellt. Hierbei handelt es sich um die Langzeitüberwachung von zwei exemplarisch ausgewählten Türsystemen. In vertikaler Richtung „stapeln“ sich die Messdaten, in horizontaler Richtung ist der Verlauf der Messung je Vorgang ersichtlich.

Abb. 4: Grafische Auswertung der vom VELA-System aufgezeichneten Daten an einer Fahrgasttür im Typ BR 430, die auf Minderfunktion oder bevorstehenden Ausfall hinweist; Bildquelle: Nubix

Anwendungsmöglichkeiten

Die Sensortechnik ist grundsätzlich in der Lage, die verschiedensten Systemkomponenten wie Klimaanlagen, Transformatoren, Klapptritte, Türen und WC-Module zu überwachen. Durch den geringen Energiebedarf der Sensoren ist es sogar möglich, schwer zugängliche Komponenten an „stromlosen“ Fahrzeugen wie Güterwagen o. ä. zu überwachen.

Weitere Informationen erhalten Sie bei:

Herrn Andreas Petter
nubix Software-Design GmbH — Breitscheidstraße 36 — 01237 Dresden — Fon +49 351 4793813 — vertrieb@nubix.de — https://www.nubix.de/

Quellen

[1] Roland Berger-Studie 2016: „Eisenbahnbranche sollte Wartung und Instandhaltung weiter digitalisieren“

(p1) Originalartikel (hinter Registrierschranke): https://eurailpress-archiv.de/Search.aspx?q=Nubix&o=1; EI – DER EISENBAHNINGENIEUR | Ausgabe 09/2020; Datenbasierte Instandhaltung: Funksensoren erfolgreich im Test; September 2020 | Steffen Pohler; Rechte bei: DDV Media Group GmbH, http://www.dvvmedia.com/, veröffentlicht auf: https://www.eurailpress.de/

(Titelbild) Bombardier-ET BR 430, für S-Bahn Rhein-Main; Wikimedia; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peter_Stehlik_2014.03.30_051copyrhight.jpg#/media/File:Peter_Stehlik_2014.03.30_051copyrhight.jpg; Lizenz: Creative Commons CC BY-SA 3.0

Data-based maintenance: Wireless sensors succesfully tested

By subsequently installing radio sensors, its possible to detect and also predict faults on doors and other components of rail vehicles.

The following article was originally published in issue 09/2020 from „Der Eisenbahningenieur“ (EI) – journal. The republication by blog of Nubix Software-Design GmbH is done with the kind permission of the publisher DVV Media Group GmbH (p1):

„Maintenance and servicing are among the biggest cost factors for railway companies, regardless of whether they are transporting pepole or goods, state or privately operated. Digitization enables optimized processes and shortens downtime and stillstand. 20% savings are possible in maintanance and repair costs.“ [1]

The aim of the development was to create a sensor system that permanently monitors the condition of passenger doors in order zu enable reliable forecasts of expected malfunctions. Interventions in the onboard electronics of the system should absolutely be avoided. The simple retrofitting of the sensors an their costbenefit ration hat to betaken into account.

Field testing

After several years of testing and development nubix Software-Design GmbH Dresden presented th wireless sensor system VELA. The system received a type certificate from Deutsche Bahn AG (DB) at trial operation. In a field trial lasting serveral months, carried out jointly with the S-Bahn Hanover and the S-Bahn Rhein-Main on passenger doors of series BR 425 and 430, the function of the system according to the specifications could be verified.

Fig.1: VELA sensor – mounted on the opening and closing drive on a passenger door type BR 430; image source: Nubix

The system not only fulfilled the set expectations, but also showed its great potential after just a short time period. Thus, not only incurred faults were reliably recognized, but clear indications of an impending fault were also observed. A real prediction for preventive maintenance.

Working principle

The VELA sensors are inserted as an adapter between door and door control unit (Fig.1) The assembling takes place without tools and complex wiring. The sensor remains „invisible“ to onboard electronics and without retroactive effect on vehicle. Only a few milliwatt of motor energy are tapped to power the sensor. The sensor then detects every opening and closing of monitored door. This measures the required force and speed of door panels in complete course.

The sensor transmits the recorded data wirelessly to a data collector (SAM). A radio technology specially developed for this purpose is used, which ensures reliable data transmission even under complicated installing conditions and does not require am complex wiring.

Fig.2: VELA data collector (SAM) inside a wagon train type BR 430; image source: Nubix

Such a SAM gets installed in each vehicle (Fig.2), which can receive, merge and save data of all sensors installed. The primary function is the fastest possible data transport in to the cloud. Three different transmission paths may be used:

public WLAN access in trains and at train stations,
the public LTE networks,
the Narrow Band IoT network (IoT, Internet of Things), which is already available in large parts in Germany an Europe, with significantly better range and reliability.

The raw data from the sensors of all vehicles are stored on a central cloud-based database server. With using cloud infrastructure we allow a maximum of reliability, security, accessibility and, above all, database scalability.

Data provision and evaluation

Collected data are evaluated by using a nubix own software solution. The analysis and evaluation application is constantly being improved and developed. This allows a clear data presentation in real time with a heuristic for prediction maintenance requirements or detection of faults.

Fig.3: Graphical analyse of collected data by VELA on correctly working passenger door, type BR 430; Source: Nubix

The data may be exported to other systems as raw data by request of railway operator. Another possibility is the use of artifical intelligence (KI), which analyses data while learning an generates corresponding status reports making them available in a configurable way. Fig.3 and fig.4 visualizes two examples of collected and processing data. It shows th long-term monitoring at two passenger doors. Vertically it’s stacking measurements, horizontaly it shows the progress of measurement per operation.

Fig.4: Graphical analyse of collected data by VELA on passenger door, type BR 430 with progressive wear ; Source: Nubix

Possible applications

The sensor technology is basically able to monitoring the most diverse system components such as air conditioning systems, transformers, folding steps, doors and toilet modules. Due to the low energy requirements of sensors it is even possible to monitoring components that ar difficult to access on „de-energized“ vehicles such as freight cars or similar.

Further Informations by:

Mr. Andreas Petter
nubix Software-Design GmbH — Breitscheidstraße 36 — 01237 Dresden — Phone +49 351 4793813 — vertrieb@nubix.de — https://www.nubix.de/

Sources