Ohr an der Schiene

Rund 15.000 Triebfahrzeuge, 8.000 Reise- und 141.000 Güterwaggons sind jeden Tag auf dem deutschen Schienennetz unterwegs¹, um Waren und Personen von A nach B zu transportieren. Damit dabei alles reibungslos abläuft, müssen die rund 33.000 Kilometer Streckennetz immer in einwandfreiem Zustand sein. Eine Mammutaufgabe für die DB Netz AG, die als ­Eisenbahninfrastrukturtochter der Deutschen Bahn für Instandhaltung, Weiterentwicklung und Betrieb des Schienennetzes zuständig ist. Glasfasern und optische Messverfahren sollen jetzt bei der vorausschauenden Überwachung und Wartung helfen.

Hören mit Licht

Entlang des bundesweiten Streckennetzes liegen heute bereits über 14.000 Kilometer Glasfaserkabel. Sie dienen in erster Linie der Datenübertragung für die Leit- und Sicherungstechnik. Bald könnten sie aber noch eine weitere Aufgabe übernehmen – als Lichtwellenleiter für das Fiber Optic Sensing (FOS), eine faseroptische Technologie, mit der man quasi ein Ohr auf die Schiene legen kann.

Das ist nicht so paradox, wie es auf den ersten Blick scheint. Ein Impulslaser mit einer Pulsfrequenz von 2,5 kHz sendet kontinuierlich Lichtimpulse in eine Glasfaser. Jedes Geräusch verursacht Schwingungen, sodass sich die Faser leicht verformt. Das Licht wird abgelenkt. Anhand der Rayleigh-Reflexion (siehe unten) können diese Änderungen gemessen und ausgelesen werden. Da jedes Geräusch so einzigartig ist wie ein Fingerabdruck, kann es in einer Datenbank klar einem bestimmten Ereignis zugeordnet werden. So stellt das System fest, ob es sich um ein „erlaubtes“ Geräusch handelt – etwa einen fahrenden Zug – oder um ein unvorhergesehenes Ereignis. Neben der Ortung von Schäden, zum Beispiel bei Kabeldiebstahl, kann das Verfahren insbesondere auch genutzt werden, um Position und Geschwindigkeit eines Zuges noch präziser zu bestimmen. Diese Daten könnten genutzt werden, um die Reisenden in Echtzeit über Unregelmäßigkeiten im Fahrplanablauf zu informieren.

Bisher musste für eine flächendeckende Überwachung alle 80 Kilometer ein Auslesegerät an die Fasern angeschlossen werden. Die Einheit empfängt dann aus jeder Richtung die Signale von 40 Kilometern Schienenstrang. Mit moderner Technologie sind inzwischen Reichweiten von 80 bis 90 km möglich. Der technische Aufwand wird sich dadurch in Zukunft halbieren. Diese Geräte registrieren nicht nur sämtliche Geräusche; über die Laufzeit des Lichtimpulses kann ein Ereignis auch auf wenige Meter genau lokalisiert werden. So könnte die Betriebszentrale schneller zur richtigen Zeit am richtigen Ort reagieren.

Ein entscheidender Vorteil der FOS-Technologie ist, dass sie auf bestehende Infrastrukturen aufbauen kann. Eine einzelne Faser aus diesen Strängen würde bereits für ein effizientes FOS ausreichen.

Bewährte Technologie – ausführliche Tests

Die Technik selbst ist nicht neu. Sie wird zum Beispiel von Öl- und Gaskonzernen verwendet, um ihre Pipelines zu überwachen. Im Vergleich zu einem Schienennetz ist das jedoch eine relativ einfache Aufgabe. Auch wenn ihr Bau eine große Ingenieursleistung war, so ist die derzeit längste Öl-Pipeline gerade einmal 4.700 km lang. Zudem handelt es sich in erster Linie um eine einzelne Struktur, während die Eisenbahnschienen in manchen Gegenden sehr engmaschig miteinander vernetzt sind. Zum Vergleich: Um die Espo-Pipeline in Russland zu überwachen wären rein rechnerisch ein paar Dutzend Messgeräte nötig. Für das gesamte deutsche Schienen­netz würde diese Zahl auf mehrere Hundert wachsen.

Eine solche Investition will wohl überlegt sein. Daher testet die Deutsche Bahn seit Dezember 2016 an mehreren Strecken, wie sich FOS in den regulären Bahnbetrieb integrieren lässt. Die erste Studie an einem 33 Kilometer langen Streckenabschnitt zwischen Fulda und Würzburg wurde bereits abgeschlossen. Bis Mitte 2018 liefen drei weitere Tests an sehr unterschiedlichen Streckenabschnitten. Dabei musste die FOS-Technik verschiedene, klar definierte Aufgaben erfüllen. Am Regionalbahnhof Berlin-Wannsee sollte sie sich als effizientes Mittel zur Entdeckung von Kabeldieben beweisen. An der rechten Rheinstrecke, wo größtenteils Güterzüge verkehren, lag der Fokus auf Hangrutschen. Und schließlich wurde FOS an der neuen ICE-Trasse zwischen Erfurt und Halle eingesetzt, um den Gleiskörper zu überwachen und Zugläufe zu verfolgen. Alle drei Tests hat die Technologie erfolgreich bestanden. Auf Basis der Ergebnisse will die Bahn jetzt über das weitere Vorgehen entscheiden.

Vorbeugende Wartung

Die Vision ist der Aufbau eines intelligenten Systems, das – bei nur geringfügiger Erweiterung der Infrastruktur – verwertbare Sensordaten als Entscheidungsgrundlage bereitstellt. Bei einem flächendeckenden Ausbau würde die Bahn den Schwerpunkt zunächst auf  die Überwachung der Strecke und auf den Zugbetrieb legen. Ein weiterer Einsatzbereich wäre die vorbeugende Instandhaltung von Fahrzeugen.

Mit Hilfe ausgewählter streckengebundener Technologien wird heute bereits der Zustand von Zügen im laufenden Betrieb überwacht. Dank des „Wayside Monitoring“ lassen sich Defekte und Toleranzmaßüberschreitungen frühzeitig erkennen, sodass Wartungsmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können. Lange, bevor an Zug oder Schiene ein ernstzunehmender Schaden entsteht.

Mit FOS wird die Bahn äußeren Einflüssen künftig noch besser und frühzeitiger begegnen können. Zudem geben die mit Hilfe der Technik gewonnenen Daten Aufschluss über den Zustand der Infrastruktur, des fahrenden Materials sowie zu Ort und Geschwindigkeit der Züge. Das unterstützt – ebenso wie das Wayside Monitoring – nicht nur die vorausschauende Instandhaltung, sondern die Information der Kunden sowie den Reisekomfort.

¹ https://www.destatis.de/DE/ZahlenFakten/Wirtschaftsbereiche/TransportVerkehr/UnternehmenInfrastrukturFahrzeugbestand/Tabellen/Fahrzeugbestand.html

 

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Rayleigh, Brillouin und Raman - Die Glasfaser als linearer Sensor

In eine Glasfaser eingestrahltes Licht wird immer zu einem sehr geringen, aber messbaren, Anteil zurückgestreut. Dabei treten drei verschiedene physikalische Effekte auf: Rayleigh-, Brillouin- und Raman-Streuung. Je nach Anwendung kann jede davon für ein spezifisches Messverfahren genutzt werden.

Rückstreuung: Die Rückstreumessung nutzt die Rayleigh-Streuung, die mit derselben Wellenlänge in entgegengesetzter Richtung läuft. Über die Dämpfung können Störstellen oder minimale Änderungen in der Faserlänge erkannt werden. Da nur ein Faserende für die Messung benötigt wird, eignet sich diese Technologie ideal für Messungen an bereits verlegten Fasern.

Temperatur: Durch den Effekt der Raman-Streuung lassen sich Temperaturänderungen sichtbar machen. Aufgrund von Molekülschwankungen ändert sich die Wellenlänge des gestreuten Lichts. Mit entsprechenden Messgeräten werden ortsaufgelöste Temperaturmessungen möglich, die Rückschlüsse auf strukturelle Veränderungen zulassen – zum Beispiel im Bergbau oder bei Tunneln.

Thermische und mechanische Störungen: Beim Brillouin-Messverfahren werden Laser-Signale unterschiedlicher Frequenz von beiden Seiten in die Glasfaser geschickt. Wenn die Wellen aufeinandertreffen, entsteht charakteristisches Streulicht, dessen Wellenlänge sich bei mechanischer oder thermischer Beanspruchung messbar verändert. Temperaturänderungen und Belastungen auf eine Faser lassen sich so auf wenige Meter genau lokalisieren.