Digitale Hüllkurve auf Laserscan-Basis

Die Leipziger Verkehrsbetriebe realisieren digitale Hüllkurvenberechnungen auf Basis von Laserscan-Punktwolken. Sie dienen zur Vorbereitung des Einsatzes und der Zulassung von Fahrzeugen nach BOStrab. Unterstützt werden sie von der GEO DIGITAL GmbH aus Düsseldorf.

Die Hüllkurvenberechnung dient dazu, die sichere Befahrbarkeit von Engstellen zu bestimmen. Damit wird auch geprüft, ob zwei Fahrzeuge gefahrlos passieren können. Daher wird diese spätestens im Rahmen von Fahrzeugneubeschaffungen oder des beabsichtigten Einsatzes abweichender Fahrzeugabmessungen eingesetzt. Geregelt wird der sichere Betrieb in der Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung (BOStrab), diese gilt im Bereich der digitalen Erfassung des Lichtraumprofils als überholt. Seit rund 25 Jahren wird in den Gremien geprüft, ob ein kinematischer Ermittlungsweg aufgenommen wird, dies ist aber bis dato noch nicht geschehen.

Doch die Notwendigkeit wird gerade für Betreiber des ÖPNV-Netzes immer größer. Vor diesem Hintergrund realisieren die Leipziger Verkehrsbetriebe (LVB) GmbH bei der digitalen Berechnung der Hüllkurve die Erfassung der Bestandsdaten der Gleisanlagen via mobilem Laserscanning. Anfang März dieses Jahres wurde dazu das gesamte Streckennetz erfasst. Die LVB arbeiten seit Jahrzehnten an der Verbreiterung der Fahrzeuge. Die nächste Fahrzeugbeschaffung ab ca. 2024 soll eine Breite von 2,40 Meter haben und damit nochmals 10 Zentimeter breiter als bisher. Dies soll eine deutliche Erweiterung der Transportkapazitäten bringen.

Altes Thema, neu interpretiert

Die Herausforderungen rund um die Hüllkurvenberechnungen sind groß. Insbesondere sind die bogengeometrischen Ausschläge – sprich wie deutlich das Fahrzeug in der Kurve von der theoretischen Breite mit Bezug auf die Gleisachse abweicht – entscheidend. Hierfür müssen einfache Ermittlungsverfahren zur Anwendung kommen. „Dies ist jedoch aufgrund des zur (genauen) Ermittlung des benötigten lichten Raumes erforderlichen Aufwandes nach der Lichtraumrichtlinie kaum möglich“, so Uwe Kretzschmar von den LVB. Darüber hinaus gebe es keinerlei Regelung für die Übergangsbereiche zwischen einzelnen Elementen der Gleisgeometrie.

Die LVB haben alle betroffenen Teile des Schienennetzes (über 140 Kilometer Gesamtnetz für Straßenbahnlinien) per mobilem 3D-Laserscanner erfasst. Foto: Leipziger Verkehrsbetriebe GmbH

Bedingt durch die Rückständigkeit der BOStrab gehen einzelne Straßenbahnbetriebe unterschiedlich mit dem Thema um. Die LVB haben wie die meisten größeren Netzbetreiber in den letzten Jahrzehnten hauseigene Lösungen geschaffen, schließlich gibt es das Konzept der „digitalen Hüllkurve“ für Straßenbahnen schon lange. Bereits ab Mitte der 90er Jahre arbeiteten die LVB mit den ersten spezialisierten Modulen der GEOPAC-Software von GEO DIGITAL. Doch im Zuge von Ausgliederung der Planung in externe Tochtergesellschaften entwickelte sich das Thema unterschiedlich. „So entstand der kuriose Effekt, dass außerhalb des Verkehrsbetriebes mit Computermodellen gearbeitet wurde, jedoch innerhalb des Verkehrsbetriebes die Nachweise ‚von Hand‘ und auf Papier zu erbringen waren“, beschreibt Kretzschmar. Dies änderte sich erst mit einer teilweisen Rückgliederung der Planung in den Jahren nach 2010. Ab diesem Zeitpunkt wurde die Umsetzung einer durchgehend digitalen Nachweisführung und einer digitalen Hüllkurve ein wesentliches Ziel. Aufgrund der Erfahrungen war klar, dass digitale Straßenbahnfahrzeuge und ein durchgehend vorhandenes, digitales Streckennetz dafür die Grundlage bieten müssen.

Digitales Streckennetz

Zunächst wurden dazu alle im Linienverkehr einge-setzten Fahrzeuge mit dem GEOPAC-Trameditor auf der Grundlage der Herstellerangaben „nachgebaut“ und deren „Verhalten“ im Computer mit den Herstellerangaben abgeglichen. Wichtig war dann, die bisherige, analoge Nachweisführung von der Fahrzeugseite durch ein Referenz- oder Bemessungsfahrzeug mit digitaler Erfassung zu ersetzen, sprich eine homogene Bemessung der betroffenen Gleisabschnitte zu erstellen. Zudem sollten dabei der gesamte 3D-Raum – also auch Bahnsteigkanten, Türlagen (für die Barrierefreiheit) und der Stromabnehmer und dessen Lauf – abgebildet werden.

Da die Zusammenführung und/oder die Digitalisierung von (teilweise historischen) Plan-, Bestands- und Papierplänen dafür nicht möglich war, beschäftigte man sich in Leipzig schon frühzeitig mit den per Laserscanning erfassten Punktwolken. In den Jahren 2013/14 wurden erstmals Probedaten bei einem Bahnübergang aufgenommen. „Diese Daten lieferten die Grundidee für die nun vorangetriebene Umsetzung und den Einsatz der neuen Technologie“, so Kretzschmar.

In enger Zusammenarbeit mit der Siemens Mobility GmbH und GEO DIGITAL haben die LVB im ersten Schritt im Sommer 2018 eine Pilotmessung über ca. 10 Kilometer Gleis durchge-führt. Die kinematische Gleisaufnahme auf Basis eines speziell ausgerüsteten Schienenfahrzeugs erfolgte in 4 Überfahrten (2 x 2 in jede Richtung). Zur Erhöhung der Genauigkeit der Trassen (relative Genauigkeit zueinander) wurden die Messfahrten außerdem zueinander registriert. Schwerpunkt der Pilotmessung war und ist die Umsetzung der von Siemens für den Vollbahnbereich entwickelten Auswertungstechnologien (offene Vignolschiene) auf die innerstädtischen Anforderungen eines Straßenbahnbetriebes, zum Beispiel Rillenschiene und Fahrbahnlage. Die Datenauswertung erfolgte innerhalb der LVB. „Nachdem Anfang 2019 die Daten unseren Anforderungen entsprechend vorlagen, konnten wir mit Unterstützung der GEO DIGITAL kurzfristig zusätzliche, spezielle CAD-Funktionen zur vereinfachten Nutzung der Daten realisieren und eine erfolgreiche Erstauswertung der Pilotmessung durchführen“, sagt Kretzschmar.

Vor-Ort Prüfung der Abstandsmaße bei Schienenfahrzeugen mit Styroporblöcken. Die Engstellen können nun digital exakt berechnet werden. Foto: Leipziger Verkehrsbetriebe GmbH

In dem gemessenen Abschnitt konnten drei punktuelle Engstellen identifiziert werden, die den Einsatzbedingungen der neuen Fahrzeuggeneration nicht entsprechen und genauer geprüft werden müssen. Tatsächliche Kollisionsgefahr bestand an einer dieser drei Stellen, was die Vor-Ort-Prüfung bestätigte. Die bisherigen Ergebnisse bestätigen für die Leipziger die gewählte Herangehensweise. „Die festgestellten kritischen Punkte wurden an empirisch nicht zu erkennenden, örtlich aber wiederum typischen Stellen vorgefunden und würden bei einem sofortigen Einsatz der 2,4 m-Fahrzeuge eine Betriebsgefahr und in der Konsequenz die Verhinderung der Zulassung bedeuten“, sagt Kretzschmar. Nutzwert der Laserscan-Aufnahmen

Bei der Präsentation der Ergebnisse des Pilotprojektes wurden zusätzlich von der GEO DIGITAL erzeugte Videoanimationen genutzt, die sich als besonders hilfreich erwiesen. „Letzt-endlich wurde durch alle Beteiligten der erhebliche Nutzwert der Laserscan-Aufnahme des Gesamtgleisnetzes, den individuellen softwareseitigen Auswertungsmöglichkeiten und den daraus kurzfristig ableitbaren Aussagen für die Umsetzung des Gesamtprojektes erkannt und auch bestätigt“, so Kretzschmar. Aktuell können bereits erste Probedaten aus der März-Befahrung genutzt werden. Die vollständigen Daten des Gesamtnetzes sollen in der zweiten Jahreshälfte zur Verfügung stehen. Dann können sie auch für die Einführung der neuen Fahrzeuggeneration nachhaltig genutzt werden. (sg)

www.geodigital.de

www.l.de