Funksensoren für datenbasierte Instandhaltung

Funksensoren für datenbasierte Instandhaltung

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.

Steffen Pohler, Verkaufsleiter Nubix, Dresden
steffen.pohler@nubix.biz


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

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