Multisensorsystem für präzise Inspektion Straße, Schiene und Co. effizient überwachen

Ans Messfahrzeug montiert, fährt der 3D-Laserscanner mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 km/h das Objekt ab und registriert dessen Gesamtgeometrie und auch die entsprechenden Veränderungen.
Ans Messfahrzeug montiert, fährt der 3D-Laserscanner mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 km/h das Objekt ab und registriert dessen Gesamtgeometrie und auch die entsprechenden Veränderungen.

Mit einem 3D-Laserscanner, den das Fraunhofer-Institut IPM entwickelt hat, lassen sich Verkehrsinfrastrukturen engmaschig überwachen und Instandhaltungsmaßnahmen frühzeitig planen. Der multispektrale Sensor misst Oberflächenstrukturen und die Feuchte der Bauwerksoberfläche in einem Messvorgang.

Winterstürme, schwere Niederschläge oder Hochwasser können große Schäden am Bahnnetz und an Straßen verursachen. Um Risse und andere Defekte in Fahrbahnbelägen oder Tunnelwänden rechtzeitig zu entdecken, kommen Messfahrzeuge mit mobilen Laserscannern zum Einsatz, die die Umgebung dreidimensional, berührungslos und hochpräzise erfassen.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg haben ein Tunnel-Messsystem entwickelt, das mit zwei Laserwellenlängen arbeitet und neben der Geometrie des Bauwerks zusätzlich die Feuchte von Oberflächen misst. Das Tunnel Inspection System (TIS) erkennt also, ob etwa die Innenwand eines Tunnels trocken oder feucht ist, was Rückschlüsse auf den Zustand des Bauwerks zulässt. Im Gegensatz zu kamerabasierten Verfahren funktioniert das TIS auch bei schlechten Lichtverhältnissen. Der Scanner kann nicht nur den Zustand von Tunneln, sondern auch von Straßen und Schienen erfassen. Er liefert georefenzierte 3D-Daten, die automatisiert ausgewertet werden können.

Sehr schneller Laserscanner

Das TIS identifiziert Defekte im Millimeterbereich. »Ans Messfahrzeug montiert fährt der Scanner mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 km/h das Objekt ab und registriert dessen Gesamtgeometrie und, bei mehrmaligem Vermessen, auch die entsprechenden Veränderungen«, erläutert Prof. Dr. Alexander Reiterer, Wissenschaftler am Fraunhofer IPM. Das System misst zwei Millionen Messpunkte pro Sekunde, der Messstrahl legt also zwei Millionen Mal pro Sekunde die Distanz vom Messgerät zum untersuchenden Objekt, etwa einer Wand, zurück.

Über einen rotierenden Spiegel wird der Messstrahl 200 Mal pro Sekunde in einem 360-Grad-Radius abgelenkt und somit engmaschig über das Messobjekt geführt. Damit ist er der schnellste Scanner dieser Art weltweit, so die Wissenschaftler. Distanzen bis zu 80 Meter werden dabei gemessen. Das Scanergebnis liefert eine 3D-Beschreibung der Umgebung in Form einer Punktwolke. Ausgelegt für raue Umgebungen, funktioniert das Messgerät bei Temperaturen von –50 °C bis +50 °C.

Laserscanner wenden meist das Prinzip der Lichtlaufzeitmessung an: Dabei wird die Laufzeit des Lichts vom Emitter zum Objekt und zurück zum Detektor gemessen und über die Lichtgeschwindigkeit auf die Distanz geschlossen. Beim TIS ist das anders: Es nutzt das komplexere Phasenvergleichsverfahren: »Dabei wird die Intensität des Senders hochfrequent moduliert. Die Laufzeit des Lichts zum Ziel und wieder zurück wird aus der Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal gewonnen«, erklärt Prof. Dr. Alexander Reiterer.

Um die Oberflächenfeuchtigkeit zu messen, kommen zwei kollinear ausgesendete Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge (1.320 nm und 1.450 nm) zum Einsatz, die von Wasser unterschiedlich stark, aber sehr spezifisch absorbiert werden. Die Intensität der gemessenen Signale gibt Aufschluss über die Feuchte an der Oberfläche der Tunnelwand.

Effizient auswerten durch Machine Learning

Die vom Scanner erzeugten hochaufgelösten, georeferenzierten Daten liegen digital vor – eine wichtige Voraussetzung für langfristiges Infrastruktur-Monitoring. Die anschließende Auswertung basiert auf Machine-Learning-Verfahren. Anhand eigens entwickelter Algorithmen erkennt das System automatisch, welche Objekte in dem betrachteten Areal vorhanden sind. Das kann ein Laternenpfahl sein oder ein Riss in der Wand. Das System ordnet dann jedem Datenpunkt die Zusatzinformation zu, zu welchem Objekt er gehört. Daraus lässt sich umfangreiches Kartenmaterial automatisiert ableiten.

Doch bevor die Algorithmen die erfassten Daten interpretieren können, müssen sie trainiert werden. Am Fraunhofer IPM liegen solche Daten für verschiedenste Anwendungsfälle vor und können für das individuelle und anwendungsspezifische Training eingesetzt werden.

Kompakt und wartungsfrei

Derzeit liegt das TIS als Prototyp vor, erste Test-Messungen in einem Schweizer Versuchsstollen wurden bereits erfolgreich abgeschlossen. Das finale System soll mit einer Größe von 30 cm x 30 cm x 30 cm sehr kompakt ausfallen. Ein weiteres Merkmal des Scanners: Das komplette System ist gekapselt, die rotierende Komponente, die den Laserstrahl ablenkt, wird von einem Glaszylinder umhaust. Das gewährleistet ein robustes, langlebiges und wartungsfreies System. Im nächsten Schritt soll es unter realen Bedingungen auf Straße und Schiene getestet werden.