Wie drahtlose Sensornetzwerke vom bevorstehenden Ausbau des britischen Eisenbahnnetzes profitieren können

Das Land, das die Dampflok erfunden hat, ist dabei, die Entwicklung der Eisenbahn wieder in Gang zu bringen. Und digitale Technologien könnten dazu beitragen, das Vereinigte Königreich an die Spitze der Bahninnovation zu bringen, während sich das Land auf eine der größten Infrastrukturinvestitionen der letzten Jahre vorbereitet. Zusätzlich zu den Ausgaben für Instandhaltung, Erneuerung und Verbesserung, die für den aktuellen und zukünftigen Kontrollzeitraum von Network Rail prognostiziert werden, sowie zu den laufenden Investitionen in die Projekte Crossrail 1 und 2, wird im kommenden Jahrzehnt Geld in das Northern Powerhouse fließen, das die Städte im Norden miteinander verbindet.

Das Juwel in der Eisenbahnkrone ist jedoch die Hochgeschwindigkeitsstrecke 2 (HS2), die zum größten einzelnen Infrastrukturprojekt des Vereinigten Königreichs werden soll, da sie die Reisezeiten zwischen London, Birmingham, Manchester, den East Midlands und Leeds verkürzt. In ihrem Überblick über die britische Eisenbahninfrastruktur vom März 2019 schätzt die Wirtschaftsprüfungsgesellschaft BDO, dass diese Projekte in den kommenden zehn Jahren Investitionen in Höhe von 200 Mrd. GBP nach sich ziehen werden, was mehr als eine Verdoppelung der in den letzten zehn Jahren ausgegebenen 80 Mrd. GBP bedeutet. 

Das war natürlich, bevor COVID-19 einen Schatten auf die Aussichten für die britische Wirtschaft warf. Es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass die britische Regierung ihr Modernisierungsprogramm für den Schienenverkehr so weit wie möglich vorantreiben wird. Im September wurde beispielsweise der viel beachtete Baubeginn für HS2 bekannt gegeben, ein Projekt, das nach Angaben der Regierung 22.000 Arbeitsplätze schaffen wird. Angesichts der durch COVID-19 und den Brexit angeschlagenen öffentlichen Finanzen wird es wichtiger denn je sein, dass solche Projekte pünktlich und innerhalb des Budgets abgeschlossen werden. 

Vermeidung von Fehlern und Unfällen

Und genau hier könnte die digitale Technologie eine wichtige Rolle spielen. Eine der größten Herausforderungen bei jedem großen Infrastrukturprojekt besteht darin, sicherzustellen, dass Störungen und Unfälle den Fortschritt nicht aus dem Ruder laufen lassen. Bei Eisenbahnstrecken, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken können, ist das Wissen über den Zustand des Bodens unter den Gleisen in dieser Hinsicht von größter Bedeutung. Erdbewegungen und Rutschungen können ein Projekt buchstäblich zum Entgleisen bringen und erhebliche Verzögerungen und Kosten verursachen. 

Um dem entgegenzuwirken, stützen sich die Projektmanager auf die Geotechnik, die Boden- und Felsmechanik kombiniert, um ein Bild der Untergrundbedingungen und -materialien zu erhalten. Die Bedeutung dieser Disziplin bei Eisenbahnprojekten sollte nicht unterschätzt werden. In dieser Studie heißt es zum Beispiel: "Das Verständnis des Bodens und der spezifischen geotechnischen Risiken war entscheidend für die erfolgreiche Durchführung von Crossrail, dem 14 bis 8 Milliarden Pfund teuren Projekt zum Bau der Elizabeth Line, einer Ost-West-Eisenbahnlinie durch London, Großbritannien."

Geotechnische Risiken sind leicht zu beherrschen, wenn der Projektentwickler über ausreichende und aktuelle Daten über die Bodenverhältnisse verfügt. Die Beschaffung dieser Daten ist jedoch aus mehreren Gründen schwierig:

• Die Sensor-Hardware und -Software muss in der Lage sein, große Streckenabschnitte und eine hohe Dichte an Sensoren in Bahnhöfen, Tunneln und kritischen Bereichen abzudecken. 
• Die Überwachung kann nicht durch veränderte Umweltbedingungen wie Vegetationswachstum oder nahe gelegene Bauwerke beeinträchtigt werden. 
• Die Sensorsysteme müssen an schwer zugänglichen Stellen arbeiten können und starken Vibrationen ausgesetzt sein. 
• Es reicht nicht aus, eine einzige Variable zu überwachen; die Sicherheit der Gleise hängt von einer Reihe von Parametern ab.
• In einigen Gebieten haben die Überwachungssysteme möglicherweise keinen Zugang zu externen Stromquellen. 
• Die Wartung kann kostspielig sein, und der Zugang zu den Standorten ist nicht immer einfach, so dass sie auf ein Minimum reduziert werden muss.  

Verfolgung einer breiten Palette von Maßnahmen

Üblicherweise erfassen Bahnsensorsysteme Bodenbewegungen, um die Gleisstabilität und -geometrie zu gewährleisten, Störungen im Untergrund zu erkennen und Gefahren in umliegenden Bauwerken wie Böschungen, Stützmauern und Tunneln zu erkennen. Sensornetzwerke können aber auch zur Überwachung einer Reihe anderer Größen wie Temperatur und Feuchtigkeit eingesetzt werden. Eine neue Generation von Sensornetztechnologien bringt weitere Vorteile mit sich.

Long Range(LoRa)-Geräte und -Netzwerksysteme können mit einer Vielzahl von Sensorprotokollen und -technologien integriert werden und werden mit einer benutzerfreundlichen Verwaltungssoftware geliefert. Die Benutzeroberfläche ermöglicht es Ingenieuren, mehrere Geräte gleichzeitig zu konfigurieren, zu überwachen und zu verfolgen. Die Systeme sind drahtlos und zuverlässig, mit Geräten, die von National Rail zertifiziert wurden und über ein robustes Design mit internen Antennen verfügen. Die Datensicherheit erstreckt sich vom Gerät bis hin zur Cloud-Ebene. 

Sie können mit einer einzigen Batterie bis zu 10 Jahre im Einsatz bleiben oder mit Wind- oder Solaranlagen betrieben werden. Edge- und Cloud-Computing-Konnektivitätsmanagement-Optionen sind ebenfalls verfügbar, je nach bevorzugter Nähe zum Datenspeicher. Diese Einfachheit, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit machen LoRa zur Technologie der Wahl für technische Dienstleister und können zu erheblichen Einsparungen im Vergleich zur manuellen Überwachung oder zu kabelbasierten Systemen führen.

Ingenieurbüros erkennen diese Vorteile und gewinnen zunehmend Angebote, die auf den Fähigkeiten von LoRa-End-to-End-Systemen basieren. Und der Wert von LoRa-Sensornetzwerken hört nicht auf, sobald die Bahnstrecke in Betrieb genommen wurde. Die Probleme, die bei Bauprojekten auftreten können, wie z. B. Steinschlag oder fehlende vertikale Gleisausrichtung, sind vielleicht sogar noch schwerwiegender, wenn sie bei in Betrieb befindlichen Eisenbahnstrecken auftreten.

Verbesserung der Sicherheit der Fahrgäste

Diese Tatsache wurde im August 2020 auf tragische Weise deutlich, als ein Zug in Aberdeenshire entgleiste, nachdem er auf einen durch starken Regen verursachten Erdrutsch gestoßen war. Drei Menschen kamen bei dem Unfall ums Leben. Die gute Nachricht ist, dass LoRa-Netze, wenn sie beim Bau neuer Bahnstrecken wie HS2 entlang der Gleise installiert werden, die Grundlage für Frühwarnsysteme bilden können, die die Sicherheit der Fahrgäste nach der Inbetriebnahme der Bahnstrecken verbessern können. 

In Zukunft könnten solche Systeme beispielsweise Zugbetreiber auf Veränderungen der Gleisbedingungen aufmerksam machen, die auf eine Gefahr auf der Strecke hinweisen könnten. Sie könnten auch den Wartungsteams dabei helfen, Bereiche des Gleises zu lokalisieren, die von einem Ausfall bedroht sind, so dass präventive Wartungsarbeiten lange vor einem Zwischenfall durchgeführt werden können. 

Solche Systeme könnten nicht nur die Sicherheit der Fahrgäste verbessern, sondern auch die Effizienz des Schienenverkehrs erheblich steigern und gleichzeitig die Kosten senken. Die sensorgestützte Zustands- und Störungsüberwachung könnte es den Ingenieurteams beispielsweise ermöglichen, sich nur auf die Gleisabschnitte zu konzentrieren, die wirklich benötigt werden, ohne den Betrieb für nicht erforderliche Routinewartungen einschränken zu müssen.

Anpassung an eine breite Palette von Sensoren

Zustandsüberwachungssysteme können etwa alle 30 Minuten Gleisdaten erfassen und frühzeitig vor physischen Problemen wie Trümmern auf dem Gleis oder Kommunikationsstörungen wie einer defekten Antenne an einem Gerät warnen. Sensorsysteme können Überhöhungen (Höhenunterschiede zwischen Innen- und Außenschienen) und Verdrehungen (Überhöhungsgradienten über eine Bahnstrecke) auf dem Gleis messen, die auf gefährliche Instabilitäten, Steinschlag, Risse, Setzungen oder Porenwasserdruckschwankungen hinweisen können. 

LoRa-Netzwerkplattformen wie das drahtlose Überwachungssystem von Worldsensing sind perfekt geeignet, um solche Dienste anzubieten, da sie eine wachsende Anzahl von Sensortypen und Technologien aufnehmen können. Darüber hinaus ist LoRa ein etablierter Industriestandard, der auch in Zukunft Bestand haben dürfte. 

Weltweit wurde die Worldsensing-Plattform bereits bei Großprojekten wie dem Hieflau-Tunnel in Österreich, der U-Bahn-Linie U5 in Deutschland, der Roslagsbanan-Bahn in Schweden, dem Purple Line Rail Link in den USA und dem Auckland City Rail Link in Neuseeland eingesetzt. Im Vereinigten Königreich hat es zur Verbesserung der Sicherheit bei Projekten wie HS1 und Crossrail beigetragen. Es wurde auch für den Einsatz beim HS2-Projekt zertifiziert. Jetzt müssen die Sensoren nur noch in den Boden gebracht werden.