Am Beginn stand die Vision der autonomen Stopfmaschine

Auf einen Blick

Herausforderung
Die voll automatisierte Erfassung des Gleises mit einer großen Zahl an Ausführungsvarianten und Stopfhindernissen, die komplexe Analyse, Auswertung sowie Umsetzung in exakte Handlungsanweisungen für die Steuerung des Hebe-, Richt- und Stopfvorgangs – alles „live“ in Echtzeit.

Lösung
Nutzung innovativer neuer Verfahren (künstliche Intelligenz/neuronale Netze) bei der Erstellung der Algorithmen für das Weichenstopf-Assistenzsystem.
Die sehr kurze Entwicklungszeit wurde durch die Entwicklung am Simulator möglich. In einer erweiterten „Hardware in the Loop“-Anwendung wurde das Assistenzsystem im Zusammenspiel mit dem Simulator entwickelt und auch dort getestet.

Nutzen
„PlasserSmartTamping – The Assistant“ bietet eine große Arbeitserleichterung für den Maschinenbediener beim Weichenstopfen.
Der Maschinenbetreiber profitiert durch niedrigere Personalkosten, da die Beistopferkabine unbesetzt bleiben kann. In Zukunft sind günstigere Maschinen durch den Wegfall der Beistopferkabine möglich.
Der Infrastrukturbetreiber profitiert durch eine gleichbleibende und dokumentierte Qualität der Stopfung, denn durch die Erfassung der Aggregatseinstellung können alle Stopfvorgänge erfasst und in einem Abnahmeprotokoll dargestellt werden.

Was bedeutet...

Scrum ...

(aus dem Englischen für „Gedränge“) ist ein Vorgehensmodell des Projekt- und Produktmanagements, insbesondere zur agilen Softwareentwicklung in kleinen Teams. Scrum besteht aus nur wenigen Regeln, der Ansatz ist empirisch, inkrementell und iterativ. Er beruht auf der Erfahrung, dass viele Entwicklungsprojekte zu komplex sind, um in einen lückenlosen Plan gefasst werden zu können. Ein großes Projekt wird in mehreren kleineren Teilen entwickelt, man beginnt mit den wichtigen Teilen und erledigt die weniger wichtigen später. In Scrum wird neben dem Produkt auch die Planung iterativ und inkrementell entwickelt. Der langfristige Plan wird kontinuierlich verfeinert und verbessert.

Am Beginn stand die Vision der autonomen Stopfmaschine

Mit den Möglichkeiten der Datenverarbeitung und der Automatisierung von Arbeitsprozessen werden neue Chancen für die Lösung künftiger Herausforderungen geschaffen. Die Potenziale des zunehmend digitalisierten Alltags motivieren dazu, Altbekanntes zu überdenken und neue Lösungen für künftige Anwendungen zu entwickeln. Die Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen bedingen immer komplexere Systeme, gleichzeitig sinkt die Verfügbarkeit von Fachkräften. Eine Antwort, um mit all diesen Herausforderungen zurechtzukommen, ist die Implementierung von automatisierten Systemen. Bei Plasser & Theurer hat man sich dieser Aufgabe angenommen und in nur knapp drei Jahren von der Idee bis zur Auslieferung ein Weichenstopf-Assistenzsystem entwickelt. Peter Wimmer, Entwickler bei Plasser & Theurer, spricht dazu im Interview über Herausforderungen, Erfahrungen und Chancen.


Wie und wann begann die Entwicklung?

Im Jahr 2015 starteten wir mit der Idee, eine Stopfmaschine zu automatisieren. Zu diesem Zeitpunkt noch eine völlig abstrakte Vorstellung. In den ersten Monaten stand die Entwicklung grundlegender Auswerte-Algorithmen im Vordergrund. Dabei ging es zum Beispiel um die Erkennung von Schienen und Schwellen sowie Schotter in den erfassten Daten des Laserscanners. Rasch erzielten wir mit den grundlegenden Forschungsarbeiten erste Erfolge und die Idee eines Weichenstopf-Assistenzsystems schien nicht nur mehr eine Vision zu sein, sondern wurde zunehmend konkret. Mitte 2016 fiel schließlich die Entscheidung, die Entwicklung weiter zu intensivieren und innerhalb eines Jahres ein Produkt zu schaffen.

Wie automatisiert man Handlungsabläufe in der Maschinenbedienung?

Für unser junges und rasch wachsendes Entwicklerteam war das Assistenzsystem eine große Herausforderung, bei der wir auch softwaretechnisch Neuland betreten haben. Eine Besonderheit des Systems besteht beispielsweise darin, mit unterschiedlichsten Weichentypen zurechtzukommen, ohne für jede weitere Variante einen zusätzlichen Programmcode schreiben zu müssen. Entstanden sind daher Algorithmen, welche die Aggregate anhand eines allgemeingültigen Satzes an Regeln steuern. Das System muss dabei eine sehr große Zahl an Ausführungsvarianten von Stopfhindernissen erkennen können, und das bei jeder Witterung sowie auch bei nicht optimalen Bedingungen, wie etwa Bewuchs im Gleis.

Das Weichenstopf-Assistenzsystem „PlasserSmartTamping – The Assistant“ von Plasser & Theurer hilft dem Bediener, die operativen Systeme der Maschine zu managen, und stellt einen wichtigen Schritt zur Automatisierung von Stopfmaschinen dar.

Welche Methoden kamen dabei zur Anwendung?

Händisch programmierte Algorithmen stoßen bei einem derart komplexen System rasch an ihre Grenzen oder wären viel zu diffizil und damit nicht handhabbar. Als Lösung wurde daher ein neuronales Netz eingesetzt, das nach einer Trainingsphase mit Beispieldaten gelernt hat, ähnliche, jedoch nicht identische Objekte korrekt zu klassifizieren. Ein weiterer Erfolgsfaktor liegt nicht nur auf technischer, sondern auch auf organisatorischer Seite. Hier haben wir neue Wege beschritten: Scrum als Projektmanagementmethode bot uns einen agilen Entwicklungsprozess. So konnten wir schnell auf Feedback und neue Erkenntnisse reagieren.

Wie wird eine Software-Entwicklung auf das Gleis gebracht?

Tests im Feld sind teuer und aufwendig zu organisieren, da sowohl eine Maschine mit Bediener als auch eine Weiche verfügbar sein müssen. Daher haben wir uns schon frühzeitig dafür entschieden, den bereits bekannten Schulungssimulator auch für unsere Zwecke zu nutzen. Die P-IC-Steuerung steuert dabei ein nachgebildetes 3D-Modell der Maschine. Auf die Nachbildung der Kabine mit Bedienelementen wie beim Schulungssimulator haben wir zugunsten einer kompakten bürotauglichen Lösung verzichtet. Der Simulator war eine große Erleichterung im Entwicklungsalltag, denn nun war es möglich, neu entwickelte Funktionen unter annähernd realen Bedingungen unmittelbar im Büro zu testen, ohne wertvolle Zeit für die Organisation von aufwendigen Feldtests zu verlieren.

Fließen auch Erfahrungen aus der Praxis ein, also vom „echten“ Gleis?

Zusätzlich zu den Simulator-Tests finden selbstverständlich regelmäßig Versuche auf Maschinen statt. So wurden zum Beispiel die ersten Laserscans auf einem Schleifanhänger aufgezeichnet. Mittlerweile sind wir schon einen großen Schritt weiter, denn es steht eine eigene Maschine für Feldtests zur Verfügung. Beim Bau dieser Maschine, des Unimat 09-4x4/4S E³, wurden bereits alle mechanischen und steuerungstechnischen Anforderungen für das Weichenstopf-Assistenzsystem berücksichtigt. Von Beginn an gab es einen regen Austausch zwischen allen Abteilungen. Insbesondere die Steuerungstechnik hatte immer wieder gute Vorschläge und Hinweise für das Entwicklungsteam. Aber auch die Erfahrungen aus der Praxis sind in Form von umfassendem Feedback unserer Maschinenbediener in die Entwicklung eingeflossen. Ohne das Know-how der anderen Fachabteilungen wäre die Entwicklung nicht möglich gewesen.

Konnte sich das neue System schon im Einsatz bewähren?

Im Oktober 2016 wurde erstmalig die Steuerung des Hebe- und Richtaggregates mit dem Assistenzsystem auf einer Stopfmaschine, dem Unimat 09-475/4S N-Dynamic, unter realen Bedingungen getestet. Bereits zu diesem Zeitpunkt war zu erkennen, welch großes Potenzial diese Entwicklung hat. Etwas später, nämlich auf der iaf 2017, stand dieselbe Maschine erneut im Fokus. Bei der Weltpremiere wurde das Assistenzsystem der Fachwelt präsentiert, indem die Stopfmaschine völlig automatisch und lediglich durch einen Maschinenbediener überwacht eine Weiche komplett durchgestopft hat. Das war wirklich ein ehrgeiziges Ziel, doch wir haben es geschafft – und das in dieser kurzen Entwicklungszeit.

Was sind die nächsten Meilensteine?

Der nächste Schritt ist die Implementierung des Systems beim Kunden. Im Dezember 2018 wurde die erste Maschine mit Weichenstopf-Assistenzsystem, ein Unimat Combi 08-275, an einen Kunden ausgeliefert. Das Assistenzsystem wird im Rahmen einer Entwicklungspartnerschaft schrittweise eingeführt. Wertvolle Erfahrungen aus dem Praxiseinsatz fließen an uns zurück, um das System weiter zu optimieren. Das Potenzial und Interesse für die Implementierung weiterer Weichenstopf-Assistenzsysteme ist groß und wir als Entwicklerteam sind stolz, dafür verantwortlich zu sein.                                          

Welche Anwendungsgebiete sind noch denkbar?

Rückblickend gesehen, haben wir in nur drei Jahren eine Menge erreicht und dabei vieles richtig gemacht. Standen bisher schon zahlreiche Assistenzsysteme dem Maschinenbediener zur Seite, geht die Entwicklung weiter zur teilautonom arbeitenden Maschine.

Nach der Assistenz in Weichen gehen wir in Richtung Streckendurcharbeitung mit Hinderniserkennung. In Zukunft sollen weitere Sensoren auch von Schotter überdeckte Schwellen und Hindernisse erkennen. Zusätzlich arbeiten wir an Konzepten zur Automatisierung weiterer Aggregate. Unsere klare Vision ist die Entwicklung einer völlig autonom agierenden Maschine.

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