Industrielle Bildverarbeitung PCI Express auf Schienen

rasendschneller Zug
rasendschneller Zug

Oft erscheint eine Aufgabenstellung auf den ersten Blick lösbar. Im Projektverlauf aber türmen sich fast unüberwindbare Hindernisse auf. So war das auch bei einem Schieneninspektionssystem, dessen Anforderungen schließlich mit PCI-Express-Hard- und Software-Komponenten erfüllt wurden.

Mit einem Gleispflegefahrzeug soll der Fahrweg beim Befahren kontinuierlich überprüft werden. Dazu werden mit hochauflösenden Kameras beide Schienen des Schienenpaars aus einem Abstand von ca. 30 cm aufgenommen. Die Bildfläche bei der infrage kommenden Optik entspricht etwa 25 cm Schienenlänge in Full-HD-Auflösung. Da für die Analyse beide Schultern jeder Schiene erfasst werden müssen, ergeben sich vier unabhängige Videostreams (innen und außen, jeweils linke und rechte Schiene). Eine fünfte Kamera nimmt aus einer etwas erhöhten Perspektive in quasi Aufsicht die Schienenlauffläche und den dazwischen befindlichen Fahrweg auf. Ein hochgenauer GPS-Signalgeber stellt die Ortsinformation für alle Bilder bereit.

Die Bilder werden vorverarbeitet. Im Wesentlichen wird durch Differenz- und Schwellwertbildung eine Klassifizierung mit einer gewünscht hohen Falsch-Positiv-Sensitivität durchgeführt, damit später ein menschlicher Sichter an den als verdächtig markierten Stellen eine genauere Inspektion durchführen kann.

Wem das jetzt bekannt vorkommt, der irrt sich natürlich nicht: Es handelt sich hier im abstrakten Sinne um nichts anderes als um ein automatisches optisches Inspektionssystem (AOI). Dort kommt ein Kamerabündel meistens mit einem XY-Antrieb zum Einsatz und beleuchtet den Prüfling mit verschiedenen Lichtquellen, um einen größeren Spektral- bzw. Kontrastbereich abzudecken.

Der Flaschenhals

Das mobile AOI soll bei seiner Überwachungsfahrt eine Geschwindigkeit von mindestens 20 m/s (>70 km/h) erreichen. Es sind also mindestens 80 Bilder je Sekunde je Kamera nötig (20 m Fahrweg je Sekunde/0,25 m Bildgröße). Bei der gewünschten Full-HD-Auflösung und einer Farbtiefe von 3 × 8 bit ergibt das eine Datenrate von annähernd 4 Gbit/s (>500 MB/s) je Videokanal. Solche Kameras sind zum Beispiel mit PCI-Express-Anschluss erhältlich und werden in der Prozessindustrie zur Abfüll- oder sonstigen Produktionskontrolle eingesetzt.

Die Umgebungsbedingungen auf einem Schienenfahrzeug stellen an die notwendigen Rechnersysteme besondere Anforderungen in Bezug auf mechanische Festigkeit, Stromversorgung, Ausfallsicherheit, Wartungsfreundlichkeit und vor allem langfristige Verfügbarkeit. Hier bieten sich CompactPCI-Serial-Industriecomputer in 19-Zoll-Technik an, die neben ihrem besonderen mechanischen Aufbau auch über die notwendige Leistungsfähigkeit des Systembus verfügen.

Mehrere Rechner notwendig

Für jedes Kamerapaar einer Schiene wird ein eigenes Kamerasubsystem KAS bereitgestellt (Bild 2), das die Live-Bilder der beiden Kameras verbindet und zusammen mit dem Klassifikationsmarker und der hochgenauen Position an den übergeordneten Prüfkontrollrechner PKR sendet. Weitere Aufgaben des KAS sind die Steuerung der LED-Blitze sowie einige andere Systemfunktionen. Am PKR wird auch die fünfte Kamera, die das Übersichtsbild aufnimmt, angeschlossen und gesteuert. Zentraler Index für die Zusammenführung aller fünf Bilder sind die Zeitstempel, die sich aus dem GPS-Signal generieren lassen und damit eine präzise Zuordnung zwischen Bild und Aufnahmeposition auf der Schiene erlauben.

Lange Zeit war im industriellen Umfeld – erst recht auf einem Schienensystem – die Speicherung von Daten auf einem magnetischen Massenspeicher mit großen Anforderungen an eine stoßgedämpfte Lagerung verbunden. Heutzutage ist an dieser Stelle durch die Verwendung von SSDs (Solid State Drives) eine deutliche Entspannung eingetreten. Beim Schieneninspektionssystem kommt ein SATA-RAID-Subsystem zum Einsatz, das mit vier SSDs die Datenspeicherung durchführt. Angeschlossen an den Prüfkontrollrechner, aber untergebracht in einer eigenen Wechselbox lassen sich bei Plattengrößen von 4 TB mehr als halbstündige Prüffahrten aufzeichnen, was einer Strecke von ca. 30 km entspricht.

Die Komplexität der Aufgabe macht auf den ersten Blick klar, dass eine einzelne CPU für die Lösung unzureichend ist. Eine Aufteilung in Subsysteme mit eigenen CPU-Baugruppen ist daher naheliegend und heute auch das Mittel der Wahl. Jedoch stellt sich bei solchen Lösungen die Frage nach der am besten geeigneten Verbindung der drei Rechnereinheiten. Prinzipiell wäre bei der Kopplung zwischen den Systemen eine 10-Gbit/s-Ethernet-Verbindung in Frage gekommen. Mehrere Gründe haben bei dieser Applikation aber für eine andere Lösung gesprochen.