Einsatz moderner Messmethoden in der Bestandsdokumentation

Einsatz moderner Messmethoden in der Bestandsdokumentation

Kombination von inertialer Messtechnik und Laserscanning beim Gleismesssystem GEDO IMS-Scan

Die kontinuierlich zunehmenden Anfor­derungen an die Gleisvermessung treiben Einführung und Einsatz neuer Technologi­en voran. Ingenieure, die sich traditionell im Spannungsfeld zwischen Produktivität, Genauigkeit und Arbeitssicherheit befin­den, müssen heute Daten mit wesentlich höherem Detaillierungsgrad bis hin zu hochauflösenden Punktwolken mit hoher Genauigkeit in kürzerer Zeit erfassen. Die im Rahmen einer Bestandsaufnahme er­fassten Messergebnisse müssen hinsichtlich Präzision und Auflösung sowohl die Anforderungen für die klassische Trassie­rung als auch die Modellierung entspre­chend der BIM-Vorgehensweise (Building Information Modeling, BIM) erfüllen. Da dies auf Basis klassischer Messmethoden nur mit hohem Aufwand zu erreichen ist und es mit auf Fahrzeugen montierten Messsystemen (z.B. Mobile Mapping) we­der hinsichtlich Genauigkeiten noch im Einklang mit den geltenden Vorschriften umfassend möglich ist, kommen zuneh­mend handgeschobene Messsysteme zum Einsatz. Die Kombination von inerti­aler Messtechnik und Laserscanning spielt hierbei eine große Rolle. Ein solches Mess­system wird nachfolgend am Beispiel des GEDO IMS-Scan-Systems vorgestellt.

Messsystem Trimble GEDO IMS-Scan

Bei dem Gleismesssystem GEDO IMS-Scan handelt es sich um einen handgeschobenen und spurgebundenen Gleismesswagen (GEDO CE 2.0), mit dem schnell und effizient die abso­lute und relative Gleislage erfasst werden kann (Abb. 1). Der Wagen ist mit inertialer Messtech­nik (GEDO IMU) und einem Laserscanner ausge­stattet. Bei der IMU (engl.: lnertial Measurement Unit) handelt es sich um ein Multisensorsystem, mit dem die freie Bewegung eines Körpers im Raum erfasst und damit die zurückgelegte Tra­jektorie beschrieben werden kann. In einem Arbeitsschritt werden Spurweite, Überhöhung, Verwindung, Krümmung und Längsneigung des Gleises ermittelt und über ein Wegmessrad (Odometer) miteinander synchronisiert und verortet. In Verbindung mit dem Laserscanner werden zusätzlich sämtliche Objekte im nahen Umfeld des Gleises erfasst und in Form von 3D­Punktwolken repräsentiert. 
Der Gleismesswagen wird nach dem Einset­zen in das Gleis über einen Gasdruckdämpfer auf der Seite des Odometers im Gleis ange­presst und auf der gegenüberliegenden Seite über zwei Punkte immer senkrecht entlang des Schienenverlaufs ausgerichtet. Kugella­ger gewährleisten eine präzise Referenz zur Schieneninnenkante und sorgen für einen na­hezu reibungsfreien Ablauf entlang der Schie­nen. Der Gleismesswagen GEDO CE 2.0 erfüllt die Anforderungen entsprechend EN 13977 an Rollwagen für den Bau und die Instandhaltung. Der auf dem System eingesetzte Laserscanner vom Typ TX8 wird im sogenannten Helical Mo­dus betrieben, in dem der Scannerspiegel nur in seiner Vertikalebene rotiert. Erst durch die Vor­wärtsbewegung des Gleismesswagens entsteht eine dreidimensionale Punktwolke entlang der Gleisachse, die über das Wegmessrad mit den anderen Sensordaten synchronisiert wird. Der Scanner ermöglicht eine maximale Scange­schwindigkeit von 1 Mio. Punkten pro Sekunde. Abhängig von der gewünschten Auflösung in Arbeitsrichtung ergibt sich die Schubgeschwin­digkeit, z.B. 0,6 m/s für eine sehr dichte Punkt­wolke. Zur Sicherstellung der bestmöglichen Genauigkeit ist die Scannerebene rechtwinklig zur Gleisachse ausgerichtet. Es ist aber mög­lich, den Scanner bei entsprechender Kalibrie­rung des Systems zu verdrehen, um senkrecht zur Gleisachse stehende schmale Objekte (z.B. Schilder) besser erkennen zu können. In der Praxis hat sich eine Verdrehung im Bereich von 10° bis 20° bewährt. 
Die Messwerterfassung erfolgt mit einem außendiensttauglichen Feldrechner (z.B. Trimble TSC7) in Verbindung mit der Software GEDO IMS. Die weitere Auswertung der Da­ten wird mit der Software GEDO Scan Office durchgeführt. 

Messablauf und Datenprozessierung

Zur Inbetriebnahme erfolgt zunächst eine 5-minütige Initialisierung, während der die IMU Informationen zur Erdrotation und Nord­ausrichtung erfasst. Während dieser Zeit muss der Wagen nicht zwingend bereits im Gleis positioniert sein. Anschließend ist das System einsatzbereit und der Wagen kann in das Gleis gesetzt werden. Das Systemgewicht liegt un­ter 40 kg, was den Transport durch lediglich zwei Personen erlaubt. Die eigentliche Bedie­nung erfolgt durch eine Person. Während der Messung werden auf dem Bildschirm die zu­rückgelegte Wegstrecke sowie Gleisparameter wie Spurweite, Überhöhung und Verwindung angezeigt. Über ein Ampelsystem wird die aktuelle Geschwindigkeit kontrolliert, um die gewünschte Auflösung in Stationsrichtung sicherzustellen. Parallel kann auch eine Live­Ansicht der Laserscandaten erfolgen. Hier wer­den die Scanpunkte in Querprofilansicht mit Bezug zu einem wählbaren Lichtraumprofil farblich dargestellt. So erkennt man bereits im Feld, ob sich ein Objekt eventuell zu nah am Gleis befinden könnte und auf jeden Fall er­fasst werden muss. 
Muss die Messung unterbrochen werden, weil z.B. eine Zugfahrt angekündigt wird oder sich ein Hindernis im Gleis befindet, kann der Scan pausiert und das System nach vorherigem Markieren der letzten Position sofort (Räum­zeit ca. 10 Sekunden) aus dem Gleis gehoben werden. Nach Ende der Pause wird der Wagen wieder an derselben Stelle in das Gleis gesetzt und die Messung kann fortgesetzt werden. Müssen Hindernisse wie Gleisschaltmittel oder Weichen überbrückt werden, kann der Scan auch hinter dem Hindernis unter Angabe der Länge der Lücke fortgesetzt werden. Sollten sich in dem Bereich potenziell zu scannende Objekte befinden, kann von der letzten Wa­genposition ein statischer 180°-Scan der vor­ausliegenden Umgebung durchgeführt und auf diese Weise die Lücke gefüllt werden. Die Punkte werden automatisch in die Punktwolke integriert. Zur Herstellung des Bezugs zur örtlichen Gleis­vermarkung und damit zum Referenzkoordina­tensystem (z. B. DB-REF) werden die Festpunkte (GVP) im Feld durch Passmarken mit Schach­brettmuster signalisiert.

Die Marke wird entweder direkt am Gleisvermarkungsbolzen angebracht oder es wird mit einem speziellen Lotstab ein Bodenpunkt signalisiert. 
Im ersten Auswertungsschritt muss der Bedie­ner die Passmarken aus der Punktwolke dem jeweiligen Festpunkt zuordnen. Das Zentrum der Marke wird automatisch erkannt, wenn ein beliebiger Punkt auf der Marke vom Be­nutzer angeklickt wurde. Sobald zwei Marken registriert wurden, erfolgt die Positionierung der Kamera bei den nächsten Passmarken automatisch, da die Positionen im Scan über die Koordinaten der Referenzpunkte bereits näherungsweise bekannt sind. Auf Basis die­ser Koordinaten erfolgen die Einpassung der Trajektorie und eine erneute Synchronisation der Laserscandaten. Damit erhält jeder Punkt in der Punktwolke kartesische Koordinaten im Bezugssystem. 

Ergebnis der Prozessierung der Messungen mit der Software GEDO Scan Office sind eine Trajektorie mit Informationen über Spurweite und Überhöhung, die die Gleislage repräsen­tiert, sowie eine hochauflösende dreidimensi­onale Punktwolke. Diese Daten dienen in der Folge als Grundlage für die Trassierung und Modellierung. 

Auswertung und Analyse

Aufgrund fehlender Gleissperrung ist eine klassische Bestandsaufnahme oftmals nicht mehr möglich. Daher gewinnen Methoden zur Bestimmung der Gleislage ohne Betreten des Gleises zunehmend an Bedeutung. Die mit dem GEDO IMS-Scan-System erfasste hochauf­lösende und genaue Punktwolke ermöglicht die Bestimmung der Lage des Nachbargleises rein aus der Punktwolke. Hierzu werden die Schienen des Nachbargleises auf Basis eines ausgewählten Schienenprofils automatisch erkannt und hieraus eine Gleistrajektorie be­rechnet. Danach können sämtliche Auswerte­schritte in Bezug zu dieser Ist-Gleislage vorge­nommen werden. 
Für die Trassierung können Abstandsinformationen zwischen Objekten und der aktuellen Gleislage sowie einer geplanten Trasse direkt aus der Punktwolke abgegriffen werden. Ein­zelne Punkte werden codiert und gespeichert. Neben der manuellen Messung ermöglichen die gewonnenen Daten auch eine automa­tische Kollisionsprüfung. Bei dieser wird ein starres oder dynamisches Profil entlang der Trajektorie durch die Punktwolke geschoben und Einragungen farblich gekennzeichnet [1]. Dynamische Profile können durch Vorga­be von Wagenabmessungen oder Formelsät­ze (z. B. für BVG, SBB etc.) erzeugt werden. Die Daten sind ebenso Grundlage für die Engstel­lendokumentation [2] im Rahmen der Licht­raumdatenbank (LIRA) der Deutsche Bahn AG (DB AG). 
Zur Kontrolle der Abstandsmaße entlang von Bahnsteigen kann die Bahnsteigvorderkante über eine Konturverfolgung bestimmt und als 3D-Polylinie dargestellt und gespeichert werden. Zusätzlich liefert das Ergebnis eines Kollisionstests entlang des Bahnsteiges In­formationen über den Bereich des kürzesten Abstandes. 

Da im Rahmen der Messung fast die gesamte gleisnahe Umgebung erfasst wird, kann auf Basis der Daten auch die Position der Ober­leitung bestimmt werden. Eine entsprechen­de Funktion der Auswertesoftware detektiert diese, erzeugt eine Polylinie und berechnet die Lage und Höhe im überhöhten System in Bezug zur Gleisachse. 
Eine wichtige Aufgabe bei den aktuellen Pro­jekten der DB Station&Service ist die Model­lierung des Ist-Bestands als Ausgangssitua­tion der Planung.

Als Grundlage der Modellierung werden oftmals Laserscandaten von terrestrischen Scans verwendet. Aufgrund der hohen Genauigkeit können hierzu auch die Ergebnisse des GEDO IMS-Scan-Systems verwendet werden. Die Übergabe an die ent­sprechende Software zur Modellierung erfolgt im LAS- oder LAZ-Format. 

Genauigkeitsbetrachtung

Die Analyse der Genauigkeit eines Multisensor-Systems ist auf­grund der komplexen Abhängigkeiten der einzelnen Sensoren un­tereinander sehr schwierig. Die theoretische Betrachtung in Form einer Fehlerfortpflanzung ist nur bei starker Verallgemeinerung durchführbar. Daher sind praxisorientierte Vergleiche mit anderen Messmethoden zielführender. Im Folgenden wird eine Abschät­zung der mit dem System erreichbaren Genauigkeiten durch den Vergleich mit Messdaten präsentiert, die im Rahmen einer hochge­nauen geodätischen Kontrollvermessung nach der Einrichtung der festen Fahrbahn in einem Tunnel gesammelt wurden. 
Bei der Betrachtung der Genauigkeit muss zwischen relativer und absoluter Genauigkeit unterschieden werden. Für die relative Ge­nauigkeit sind Form und Stetigkeit der resultierenden Gleislage ausschlaggebend, für die absolute Gleislage jeweils auch die Posi­tion des Gleises in Bezug zu einer Referenz. Die relative Genauig­keit wird bei dem System rein durch die Genauigkeit der IMU-Mes­sung und zu einem sehr kleinen Anteil durch die Genauigkeit der Spurweitenmessung (+/- 0,3 mm) abgebildet. Die IMU ist in der Lage, die Gleislage über einen gewissen Bereich in Lage, Höhe und Überhöhung hochgenau zu erfassen. Mit fortschreitender Dauer nimmt die Sensordrift immer weiter zu, was aber für eine rein rela­tive Betrachtung in einem im Gleisbau üblichen Auswertebereich (z.B. Wandersehne) keine Rolle spielt. Bei typischen Sehnenlängen sind Genauigkeiten < 1 mm nachweisbar. Für eine absolute Ge­nauigkeitsbetrachtung müssen zusätzliche Messungen zu Fest­punkten eingeführt werden, mit denen die lokale Trajektorie in ein globales Bezugssystem überführt wird. Beim Gleismesssystem GEDO IMS-Scan werden dafür die Festpunkte mit 1 O cm großen quadratischen Passmarken versehen. Während der Auswertung werden durch die Betrachtung aller Scanpunkte auf der Marke eine ausgleichende Ebene und der Mittelpunkt des Quadrats be­stimmt. Durch die große Redundanz kann das Zentrum sehr viel genauer ermittelt werden als durch eine einzelne Beobachtung. Bei der typischen Entfernung zur Zielmarke liegt die Genauigkeit für die Festpunktmessung unter Berücksichtigung aller Fehlerein­flüsse bei +/- 3 mm. 
Bei der Betrachtung der absoluten Genauigkeit hat zusätzlich das Odometer (Wegmessrad) einen Einfluss. Durch Maßstabsänderun­gen (z.B. durch Temperatur) und Schlupf ergeben sich nach in­ternen Korrekturen Abweichungen von 10-20 mm zwischen zwei Festpunkten mit 100 m Abstand. Das ist für die Betrachtung der seitlichen Abweichungen oder der Höhe über SO nicht weiter re­levant. Anstelle eines Koordinatenvergleichs von Objektpunkten wird daher die Klassifizierung der Genauigkeit in Längs- und Quer­richtung getrennt durchgeführt. 

Nach gegenwärtiger Auffassung der Ril 883.3100 ist für die Wei­chenhauptpunkte eine Genauigkeit von 5 mm auch in Längsrich­tung gefordert. Diese Genauigkeit kann mit dem System zwar relativ in Lage und Höhe, aber nicht in Stationsrichtung erreicht werden. Daher muss die Bestandsaufnahme in diesen Bereichen durch klassisch geodätische Messungen ergänzt werden. Da es sich bei dem System nicht um ein klassisch geodätisches Mess­mittel handelt, können zudem die üblichen Methoden zur Genau­igkeitsbetrachtung und Nachweise zur Einhaltung entsprechend Ril 883.3100 nicht angewendet werden. Auf Basis vorliegender Er­fahrungsberichte und Testmessungen hinsichtlich der erreichba­ren Genauigkeit in der Praxis wird der Einsatz von der DB AG aber unterstützt. Hierzu müssen für die Projekte entsprechende Mess­konzepte erstellt und insbesondere Themen wie Qualitätskontrol­len im Feld ausreichend berücksichtigt werden. Entsprechende Maßnahmen ermöglichen später im Büro oder bei der Beurteilung durch den Prüfingenieur Aussagen über die Einhaltung des Mess­konzeptes und die Qualität der Messung. Die erreichbare Genau­igkeit und die Einsetzbarkeit für die Lichtraummessung wurde bereits in [2] untersucht und nachgewiesen. 

Zur Bestimmung der Position des Nach­bargleises wird ein vorgegebenes Schienen­profil (z.B. UIC60) in den Scan eingepasst und daraus die Gleislage abgeleitet. Die hohe Anzahl an Scanpunkten ermöglicht eine sehr präzise Positionierung.

Die Erfassung der Lage des Nachbargleises erfolgt mit ca. 3 mm (1 o) Genauigkeit auf Basis des befahrenen Gleises. Dies konnte bei der Betrachtung des parallel laufenden Gleises aus dem oben angeführten Projekt im Rahmen der Untersuchung zur absoluten Gleislage bestätigt werden. 

Zusammenfassung und Ausblick

Handgeschobene Messsysteme wie das GEDO IMS-Scan, die inertiale Messtechnik und Laserscanning kombinieren, ermögli­chen eine vollumfängliche Gleisaufnahme sowie der gleisnahen Umgebung in einem Arbeitsschritt. Die erzielbaren Genauigkei­ten sind in weiten Bereichen denen einer klassisch geodätischen Aufnahme gleich­zusetzen und müssen nur sehr vereinzelt und für konkrete Anwendungen ergänzt werden. Mit den Messsystemen können die Produktivität und der Detaillierungsgrad der Vermessung deutlich erhöht werden. Durch Anpassung der aktuell geltenden Vorschrif­ten könnten die Rahmenbedingungen für den Einsatz vereinfacht werden. Zusätzliche Anwendungsbereiche wie die BIM-gerechte Schlussdokumentation mit Modellvergleich nach Abschluss der Baumaßnahmen eröff­nen für die Zukunft weiteres Potenzial.

Autoren

Dipl.-Ing. Kai Naumann

Trimble Railway GmbH, Wiesentheid

Dipl.-Ing. Andreas Sinning

Trimble Railway GmbH, Wiesentheid

Quellen

[1] Allemann, J.: Mobile Gleisvermessung für ein gleisgeometrisches Projekt, EI - DER EISENBAHNINGENIEUR Heft 9/2017 
[2] Herzbruch, F.; Sinning, A.: Lichtraumvermessung mit mobilem Scan-System, EI - DER EISENBAHNINGENIEUR Heft 10/2013
[Abb. 4] GI Consult