Mit hoher Genauigkeit

Mit hoher Genauigkeit

3D-Vermessung von Kranschienen-Profilen und -Befestigungen

Für eine präzise Beschreibung der geometrischen Lage von verlegten Führungs-, Fahr- und Leitschienen, beispielsweise bei Krananlagen, sind in Richtlinien Messgrößen und Toleranzen definiert. Für eine objektive Beurteilung von Schienenanlagen werden ergänzende Zustandsparameter benötigt. Hierzu dient das neu entwickelte Advanced Railtrack Inspection System (ARTIS).

Führungs-, Fahr- und Leitschienen, z. B. bei Krananlagen, spielen im Logistikprozess eine entscheidende Rolle. Eine Vermessung wird im Rahmen von UVV-Prüfungen, bei einem Neubau, einem Austausch der Schienen, einem neuen Kran oder dann, wenn sie zur Klärung eines Sachverhalts benötigt wird, durchgeführt. Richtlinien wie die VDI 3576 [1] für Kranbahnen dienen auch zur Vermeidung von Unstimmigkeiten zwischen Betreiber, Kranlieferant und Kranbahnbauer. Es ist für alle beteiligten Parteien von Vorteil, wenn sie sich auf die Anwendung einer Richtlinie und einer der darin enthaltenen Toleranzklassen einigen.

Eine schnelle und automatisierte Zustandserfassung von Schienen dient als Entscheidungsgrundlage zur Sicherstellung der Betriebssicherheit und zur Standzeitverlängerung. Hierbei haben sowohl der Verlauf der Schienenachse als auch die Geometrie der eigentlichen Schiene und der Zustand der Schienenbefestigungen Einfluss auf das Ergebnis. Bisher angewendete Systeme werden den Forderungen jedoch nicht ausreichend gerecht, so dass nach einer passenden Lösung für die Erfassung, Auswertung und Dokumentation gesucht wurde.

Nachfolgend vorgestellt wird ein neu entwickeltes Multi-Sensor-System (MSS) und Messverfahren zur kinematischen Positionierung und Echtzeitauswertung eines selbstfahrenden Schienenmessfahrzeugs. Das patentierte modulare Advanced Railtrack Inspection System (ARTIS, Bild 1), dient der durchgehenden, automatisierten Vermessung der 3D-Lage von primär Kranschienen, dem (Kranschienen-)Profilquerschnitt, Schienenstößen und erstmals auch den (Kranschienen-)Befestigungen. ARTIS ermöglicht eine Vermessung außerhalb der Schienenflucht, so dass der Prozess vor allem bei Hallenkranbahnen deutlich sicherer und schneller ausführbar ist. Dank des flexiblen Aufbaus lässt sich das System auf sämtlichen Führungs-, Fahr- und Leitschienen im industriellen Umfeld einsetzen. ARTIS wurde in Kooperation zwischen dem Hamburger Vermessungsbüro Dr. Hesse und Partner Ingenieure und dem Geodätischen Institut der Leibniz-Universität Hannover entwickelt.1)

Aktueller Stand der Messtechnik

Für eine objektive (d. h. im Rahmen der Messgenauigkeit reproduzierbare) Bestimmung der Messgrößen ist eine Erfassung der Schienen erforderlich. Bisher führten nicht reproduzierbare Bezugspunkte an der Schiene bzw. die nicht korrekte Rekonstruktion der Schienenachse (durch Messen an nicht abgenutzten Flächen der Schienenkopfseiten) zu einem subjektiven Ergebnis. Das Bild 2 zeigt die Definition 
der Schienenachse: Die praktische Schienenachse ist die reale Achse der abgenutzten Schiene – (alSK + arSK)/2. Die theoretische Schienenachse ist die Achse der neuen Schiene – 
(lSK + rSK)/2.

Im industriellen Umfeld sind keine Systeme bekannt, die annähernd die relevanten Messgrößen liefern könnten. Einzig im Bereich der Kranbahnvermessung existieren einzelne Systeme. Bei Gegenüberstellungen in [3] und [4] ist eine Standardkonfiguration festzustellen (Bild 3), bei der meist ein Vermessungsinstrument die Position eines Schienenmesswagens bestimmt. Ist ein Inklinometer integriert, das zu jedem Messzeitpunkt die Neigung quer zur Schienenachse misst, kann der Offset, der durch die Neigung des Reflektors auftritt, korrigiert werden [3]. In Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeit und Aufnahmefrequenz des Tachymeters beträgt der Messpunktabstand wenige Zentimeter. Der Verlauf der Schiene kann somit detailliert beschrieben werden. Bei einer kinematischen Messung ist es erforderlich, dass das Tachymeter das auf dem Wagen montierte Prisma in Schienenlängsrichtung beobachtet. Bei einer exzentrischen Bestimmung vom Boden aus muss gewährleistet sein, dass das Prisma immer zum Tachymeter hin ausgerichtet ist. Der Einsatz eines 360°-Prismas in einigen Systemen ist kritisch zu hinterfragen, da dessen Zentriergenauigkeit in Abhängigkeit vom Reflektor allein 2 mm und mehr beträgt.

Auf eine Kranbahn wirken statische und dynamische Kräfte. Der Kräfteverlauf bei einer Kranfahrt geht hierbei vom Rad in die Schiene, in die Schienenbefestigung usw. bis in den Untergrund. Alle Komponenten sind kontinuierlich Beanspruchungen ausgesetzt. Über die Zeit kann es zum Lösen von Schienenbefestigungen oder plastischen Verformungen kommen. Zusätzlich zu den dynamischen Verformungen, die bei einer Kranfahrt auftreten, wird das Verhalten erst bei einer Messung unter Belastung erkennbar. In [5] wird beschrieben, den Messwagen an den Kran zu hängen und während der Fahrt kinematisch zu tracken. Die Gegenüberstellung der Mess-ergebnisse offenbart die Differenzen einer Kranbahn im statischen und dynamischen Zustand. So gibt es zwar automatisierte Systeme, die jedoch nicht die relevanten Zielgrößen für eine objektive Bestimmung der Schienenachse liefern. Auch Informationen über die Schienengeometrie und die Schienenbefestigung, wie sie für die Beurteilung der Stand- und Betriebssicherheit zwingend notwendig sind, werden nicht erfasst.

Advanced Railtrack 
Inspection System (ARTIS)

Ausstattung und Aufbau 
des Messwagens

Zum System ARTIS gehören ein selbstfahrender Schienenmesswagen (Bild 1) und ein externes Vermessungsinstrument. Je nach Genauigkeitsanforderung wird entweder ein Tachymeter – dann in der Flucht der Schiene stehend – oder ein Lasertracker, der auch exzentrisch platziert sein kann, für die Positionierung eingesetzt.

Auf dem modular ausgelegten MSS befinden sich folgende Sensoren (Bild 4): zwei Profillaserscanner (PLS), zwei Kameras, eine inertiale Messeinheit (IMU), ein zweiachsiges Inklinometer und zwei Odometer.

ARTIS kann je nach Aufgabenstellung modular eingesetzt werden:

Bei der Erfassung der Messgrößen z. B. gemäß VDI 3576: Tracking der Fahrzeugplattform durch Tachymeter oder Lasertracker; keine PLS und Kameras.

Bei der Erfassung aller Mess- und Zielgrößen: Die Fahrzeugplattform ist mit PLS und Kameras ausgestattet. Für die Georeferenzierung aller Messpunkte wird der Wagen durch ein Tachymeter oder einen Lasertracker getrackt.

Zur Dokumentation des Zustands der Schiene, der Schienenbefestigung und der Schienenneigung: Die Fahrzeugplattform fährt mit den montierten PLS und Kameras über das Profil; kein Tracken durch Tachymeter oder Lasertracker.

Durch ein ferngesteuertes motorisiertes Führungssystem kann das Fahrzeug an Schienenprofilbreiten zwischen 20 mm und 300 mm angepasst werden. Eine entscheidende Funktionalität des Systems ist die variable Ausrichtung der PLS und Kameras (dreh- und verschiebbar quer zur Schiene) auf die zu vermessende Schiene und Schienenbefestigung. Die Kalibrierung lässt sich schnell und weitestgehend automatisiert erledigen (s. [2,6]).

Mess- und neue Zielgrößen

Die in Richtlinien (z. B. VDI 3576) definierten Messgrößen umfassen:

  • Schienenlage und -höhe

  • Stichmaße zur lokalen Beurteilung der Schienenlage und -höhe

  • Spurweite (Spurmittenmaß)

  • Längs- und Querneigung der Einzelschienen

  • Höhenunterschied der beiden Schienen zueinander

  • Schränkung der beiden Schienen zueinander.

Um die hohen Anforderungen zu erfüllen, müssen die Kenngrößen im Sub-mm-Bereich (einfache Standardabweichung) erfasst werden können. Eine Genauigkeitsabschätzung zeigt Bild 5. Maße der inneren Geometrie, wie z. B. die Stichmaße, können genauer erfasst werden, da hier die Präzision des Messverfahrens entscheidend ist.

ARTIS ist darauf ausgelegt, folgende Zielgrößen zu erfassen:

  • Abnutzung der Schiene (theoretische und praktische Schienenachse)

  • Verschleiß des Schienenprofils (Auswalzungen, Abnutzungen, Ausbrüche usw.)

  • Schienenstöße (90°-Stoß, Schrägstoß, Stufenstoß, geschweißt, ungeschweißt)

  • Schienenbefestigungen (Position korrekt, verdreht/verschoben oder nicht mehr vorhanden).

Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass die Positionen der Stützen in der Auswertung mit aufgeführt werden sollten, da sie das Bild über den Zustand der Kranbahn abrunden.

Qualität der Messung

Die Qualität der bestimmten Messgrößen soll anhand von Lage und Höhe der Schienenachse dargestellt werden. Gewählt wurde ein für die Praxis relevanter Aufbau, bei dem der Lasertracker exzentrisch auf dem Hallenboden steht (Bild 6). Dies hat mehrere Vorteile: Der Lasertracker steht vibrations- und erschütterungsfrei, der Bediener ist während der Messung nicht der Absturzgefahr ausgesetzt, und auf eine Arbeitsbühne kann im Normalfall verzichtet werden.

Im konkreten Beispiel werden die Messunsicherheiten für einen 150 m langen Schienenstrang berechnet und dargestellt. Der Lasertracker steht 1,5 m über dem Boden und 20 m von der 10 m hohen Schienenachse entfernt. Angegeben werden die einfache Messunsicherheit u der einzelnen Koordinatenkomponenten für die X-, Y- und Z-Achse (Bild 5, Mitte) sowie der resultierende 3D-Punktfehler nach Helmert (Bild 5, rechts). Die Berechnungen wurden gemäß dem GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements, ISO/IEC Guide 98) [7] durchgeführt. Hierbei flossen alle signifikanten Einflussfaktoren – von der Stationierung des Lasertrackers im Festpunktfeld über die Positionierung des Schienenmesswagens bis hin zu Antastabweichungen der Schiene – in das Unsicherheitsbudget mit ein. Es zeigt sich, dass über eine Messentfernung von rd. 100 m somit eine erweiterte Messunsicherheit U (mit k = 2) von rd. 1 mm für den 3D-Punktfehler nach Helmert eingehalten werden kann (UP = kuP). ARTIS erfüllt somit die anspruchsvolle Toleranzklasse 1 der VDI 3576.

Für das Erreichen der dargestellten Genauigkeit ist der richtige Reflektor wichtig. Lackner u. a. [8] haben einige Reflektoren untersucht und Unterschiede bei der Zentriergenauigkeit dokumentiert.

Aus diesen Gründen wurde der ARTIS-Messwagen mit einem dreh- und kippbaren Corner-Cube-Reflektor ausgerüstet (Bild 7, ganz rechts).

Verarbeitung und Aufbereitung 
der Messdaten

Die Schienenachse und die Geometrie der Schiene sind als kontinuierliche Objekte zu modellieren. Dies geschieht mit Freiformkurven und –flächen (mehr dazu in [2, 4, 9]). Vorteilhaft wirkt sich hierbei die flexible Anpassungsfähigkeit an die lokalen Gegebenheiten aus. Bild 8 zeigt exemplarisch einen Detailausschnitt.

Kurzes Resümee

Die Technik zur Kranbahnvermessung hat sich in den zurückliegenden 70 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Den letzten großen Schritt stellen selbstfahrende Schienenmesswagen dar. Das System ARTIS erweitert die Möglichkeiten durch zusätzliche Sensorik. Ein umfassendes, objektives Bild der Schienenanlage wird automatisiert und mit ausreichender Genauigkeit ermittelt. Zusätzlich kann der Zustand des Schienenprofils, der Schienenbefestigungen und der Schienenstöße dokumentiert werden. (nh)

Die Ergebnisse dieses Beitrags basieren auf einem Kooperationsprojekt zwischen dem Vermessungsbüro Dr. Hesse und Partner Ingenieure (dhp:i) und dem Geodätischen Institutder Leibniz-Universität Hannover (GIH), das von der AiF als Projektträger des Bunde
VDI 3576: Schienen für Krananlagen – Schienenverbindungen, Schienenlagerungen, Schienenbefestigungen, Toleranzen für Kranbahnen. Stand: 2011, Beuth-Verlag.
Dennig, D.; Bureick, J.; Link, J.; Diener, D.; Hesse, C.; Neumann, I.: Comprehensive 
and highly accurate measurements of 
crane runways, profiles and fastenings (Manuskript eingereicht bei „Sensors“, 2017).
Neumann, I.; Dennig, D.: Development of the kinematic Crane-Track-Surveying-System „RailControl“ – Reducing Operational Interruption of Crane Tracks. Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), Berlin (2011) 5, S. 162–169.
Neumann, I.; Dennig, D.; Diener, D.; 
Hesse, C.; Link, J.; Bureick, J.: Kinematisches Monitoring von Führungs-, Fahr- und Leitschienen im industriellen Umfeld. 
18. Int. Ingenieurvermessungskurs 
Graz 2017.
Dennig, D.; Neumann, I.: Kranbahnvermessungssystem „Railcontrol“. 
Präziser Soll-Ist-Vergleich. Hebezeuge Fördermittel, Berlin 48 (2008) 3, S. 120–121.
Strübing, T.; Neumann, I.: Positions- und Orientierungsschätzung von LIDAR-Sensoren auf Multisensorplattformen. 
zfv, Augsburg (2013) 3, S. 210–221.
ISO/IEC Guide 98: Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM, 1995).
Lackner, S.; Lienhart, W.: Impact of 
Prism Type and Prism Orientation on 
the Accuracy of Automated Total Station Measurements. In: 3rd Joint International Symposium on Deformation Monitoring Vienna, 2016.
Golnik, D.: Bayessche Schätzung von B-Spline-Kurven. Leibniz-Universität Hannover, Geodätisches Institut, Masterarbeit 2016 (unveröffentlicht).
Technische Logistik 06/2017 PDF-Download (2.01 MB) Autor: Dirk Dennig, Johannes Bureick, Christian Hesse, Ingo Neumann