Kvalita kritické infrastruktury, jako jsou železniční a silniční sítě, je pro moderní společnost životně důležitá. Současné extrémy počasí však mohou způsobit poškození železničních tratí, silnic, tunelů a mostů. Fraunhoferův ústav pro aplikace techniky fyzikálního měření IPM vyvinul nový 3D laserový skener, který lze použít k častému a podrobnému sledování stavu dopravní infrastruktury a jenž umožní včas plánovat údržbářské práce. Multispektrální senzorový systém měří povrchovou strukturu a povrchovou vlhkost na kolejích, pražcích, vozovce nebo na stěnách tunelů a podjezdů, vše v jediném kontrolním procesu.
Zimní bouře, silné srážky a povodně mohou značně poškodit železniční síť nebo silnice. Zjišťování trhlin a jiných vad na povrchu vozovky, na stěnách tunelů a na dalších komponentách infrastruktury je proto velmi důležité. Jedním ze způsobů kontroly je použití inspekčního vozidla s bezkontaktními přesnými mobilními laserovými skenery, které mohou prostor mapovat ve třech dimenzích.
Vědci z Fraunhoferova ústavu IPM ve Freiburgu vyvinuli systém kontroly tunelů (Tunnel Inspection System – TIS), který používá dvě různé vlnové délky laserového světla. Mimo skenování geometrie tunelu, mostu nebo jiné struktury má systém také jedinečnou schopnost měřit povrchovou vlhkost skenovaného objektu. Systém TIS může např. určit, zda je vnitřní stěna tunelu suchá, nebo vlhká, a tím poskytnout životně důležitou informaci o stavu tunelového tělesa. Během vývoje systému výzkumníci navrhli mnoho dalších užitečných aplikací. Na rozdíl od metod založených na fotografickém snímkování nebo použití videozáznamu pracuje systém TIS rovněž v nepříznivých světelných podmínkách a v noci. Stejně jako v případě tunelů skener dokáže posoudit i strukturální stav povrchu silnice a jednotlivých komponent železnice. Použitý synchronní záznam přesné geografické polohy snímače v počítači dovoluje automaticky zjistit a vyhodnotit pozici nalezené závady nebo poškození s velkou přesností.
Nejrychlejší laserový skener na světě
Skener TIS detekuje vady i velikosti milimetrů. „Skener instalovaný na železničním inspekčním vozidle dokáže skenovat povrchy při rychlosti až 80 km/h, měří celkovou geometrii kolejiště a během následných inspekcí zaznamená jakékoliv změny v dané geometrii,“ popisuje zařízení prof. Alexander Reiterer, výzkumník ve Fraunhoferově ústavu IPM.
Systém zachycuje dva miliony měřených bodů za sekundu. Rotující zrcadlo se používá k vychylování měřícího paprsku v kruhu 360° 200krát za sekundu, což zajišťuje výborné pokrytí povrchu kontrolovaného objektu. TIS je tak nejrychlejší skener svého druhu na světě. Může měřit do vzdálenosti až 80 m, což je pro inspekce a monitorování víc než postačující.
Výsledkem procesu skenování je 3D model ve formě „bodového mraku“. Systém byl navržen pro práci i v drsných podmínkách a může pracovat při teplotách od –50 do +50 °C.
Laserové prostorové skenery dodávané v současné době obecně pracují na principu měření doby propagace fotonů. Jinými slovy, přístroj měří dobu potřebnou k tomu, aby fotony cestovaly z emitoru k objektu a zpět k detektoru. Získanou hodnotu přístroje použijí k výpočtu měřené vzdálenosti v závislosti na rychlosti světla.
Systém TIS používá odlišný přístup s pomocí složitější metody měření fázového posunu:
„Používáme vysokofrekvenční modulaci intenzity vysílaného signálu. Doba propagace fotonů k cíli a zpět se vypočítá z fázového posunu mezi vysílaným a přijímaným signálem,“ vysvětluje prof. Reiterer.
Povrchovou vlhkost měří TIS pomocí dvou laserových paprsků různých vlnových délek (1 320 nm a 1 450 nm), které jsou emitovány kolineárně. Paprsky jsou absorbovány molekulami vody s přesně definovaným rozdílem. Intenzita odraženého paprsku dává informaci o množství vlhkosti na měřeném povrchu, např. na stěně tunelu.
Strojové učení zvyšuje efektivitu analýzy
Georeferenční data s vysokým rozlišením, vytvářená skenerem, jsou k dispozici v digitální formě. Následující analýza je založena na metodách strojového učení. Použitím speciálně vyvinutých algoritmů systém automaticky detekuje předměty přítomné v monitorovaném prostoru. Ty mohou zahrnovat komponenty tratě, jako jsou koleje, pražce nebo stožáry podél tratě, a stěny tunelů. Systém poté ke každému datovému bodu přiřadí specifikaci a další informace o předmětu, ke kterému patří. To poskytuje základ pro automatické odvozování komplexních mapových údajů. Ale dříve než algoritmy dokážou interpretovat naměřené hodnoty, musí být vyškoleny. „Velkou výzvou je vybudování databáze, která je vhodná pro výcvik systému,“ říká prof. Reiterer. Fraunhoferův ústav IPM již shromáždil data, která využívá množství různorodých aplikací, jež je možné použít pro vlastní a specifické školení strojové inteligence.
Získaná data pro kolejiště, silnice, tunely a okolí dopravních cest jsou ukládána do rozsáhlých interaktivních databází a stávají se tak klíčovým podkladem pro dlouhodobé monitorování a údržbu dopravní infrastruktury.
Kompaktní a bezúdržbový systém
Systém TIS je v současné době ve fázi prototypu a byl již testován ve švýcarském zkušebním tunelu, kde byla úspěšně realizována počáteční řada měření. Vědci usilují o to, aby byl finální přístroj mimořádně kompaktní a jeho rozměry nepřekročily 30 × 30 × 30 cm. Další charakteristikou, která dělá skener jedinečným, je skutečnost, že celý systém je dodáván jako plně integrovaný uzavřený samostatný produkt. Rotující komponenty, které odkloní laserový paprsek, jsou umístěny ve skleněném válci. „Zapouzdření systému je robustní, s dlouhou životností a bez údržby,“ uvádí prof. Reiterer. Dalším krokem testování bude zkušební provoz na silnicích a železnicích v reálných podmínkách. „Velká část evropské dopravní infrastruktury je ve špatném stavu. Je nezbytné, abychom danou situaci začali sledovat mnohem pozorněji. Jediným způsobem, jak toho dosáhnout, je uplatnit monitorovací systémy, které zefektivňují kontrolní postupy. TIS nabízí první multimodální systém, který dokáže současně měřit několik parametrů, jmenovitě geometrii tratě nebo silnice (3D data), opotřebení kolejiště nebo strukturu povrchu vozovky a její vlhkost. Je to velký krok vpřed z hlediska nákladů, rychlosti a efektivity,“ doplňuje prof. Reiterer.
Příklady využití laserových skenerů
Prediktivní údržba: optické monitorování drážní infrastruktury a vlaků
Vývoj systému TIS vedl k návrhu a výrobě specializovaných verzí systému pro monitorování specifických komponent traťové infrastruktury vybavených specializovanými aplikacemi pro vyhodnocení dat.
Monitorovací systém opotřebení trolejového vodiče
(Wire Wear System – WWS)
Většina vlaků má dnes elektrický pohon a jsou napájeny z trolejových vedení. Když je vlak v pohybu, sběrač, např. pantograf, trvale sjíždí po horním vedení, které je většinou ze slitiny mědi, pod určitým kontaktním tlakem. Z dlouhodobého hlediska se nadzemní trolejová vedení opotřebují a časem hrozí, že se přetrhnou – což může mít fatální následky. Trolejové dráty, jakmile se jejich průměr zmenší pod stanovenou tloušťku, je třeba vyměnit. Železniční společnosti proto v pravidelných intervalech kontrolují tloušťku trolejového drátu – pokud možno rychle a efektivně v běžném provozu.
Měřicí systém opotřebení trolejového drátu WWS, vyvinutý společností Fraunhofer IPM, měří stupeň opotřebení až deseti kontaktních drátů současně, aniž by se jich dotýkal. Zbytková tloušťka kontaktních drátů s původně kruhovým profilem se počítá ze šířky plochy způsobené kontaktním tlakem při pohybu smykadla sběrače po drátu trolejového vedení. Laserový snímač s rotujícím zrcátkem při rychlosti 100 km/h měří stupeň opotřebení vodičů každých 13 mm.
Díky vysoké frekvenci měření a rychlému zpracování dat je systém vhodný pro rychlosti až 350 km/h. Vzhledem k použití laserového paprsku WWS nevyžaduje denní světlo, a proto je schopný spolehlivě pracovat v noci, v tunelech nebo pod mosty. WWS lze také použít v rámci několikasenzorového systému CIS (Contact Wire Inspection System) a jeho nízkorychlostní varianty CIS-LS.
Detekční systém polohy stožárů
(Laser Pole Detection System – LPS)
LPS detekuje a počítá sloupy podél železničních tratí. Skládá se ze dvou snímacích jednotek s laserovými senzory vzdálenosti namontovanými v párech na levé a pravé straně čela inspekčního vozu. Celý systém se proto spoléhá na celkem čtyři moduly pro měření vzdálenosti – a tímto zvláštním uspořádáním spolehlivě rozlišuje mezi stožáry, trolejovými dráty nebo napájecím vedením. LPS měří opticky, a tedy bezkontaktně při rychlosti jízdy až 250 km/h.
Inspekce tunelů bez přerušení provozu
Optický multisenzorový systém TIS umožní v blízké budoucnosti rychlou a účinnou kontrolu struktury tunelů. Systém je v současné době vyvíjen jako součást výzkumných projektů Fraunhoferova ústavu Incas a Eurostars Oportunity. Uvedení na trh je plánováno během roku 2021.
TIS poskytne přesné prostorově lokalizované informace o povrchové struktuře a vlhkosti stěn tunelů ve vysokém rozlišení ve 3D. Nová skenovací metoda a vysoce výkonná elektronika poprvé umožňují měření ve velké rychlosti, a tedy rychlou a nepřetržitou kontrolu tunelů. Multispektrální senzorový systém je založen na laserovém skeneru s několika vlnovými délkami a nové jednotce pro vychylování laserového paprsku, která poprvé dovoluje skenovat objekty v prostorovém úhlu 360ş. Měření a následně rychlost jízdy inspekčního vozidla budou čtyřikrát vyšší než rychlost dostupných systémů při zachování stejné kvality dat, proto není nutné blokovat průjezd tunelů pro jejich inspekci. Systémem je možné současně získat všechny požadované charakteristiky stavu infrastruktury během jediné inspekční cesty. Díky kompaktní a flexibilní konstrukci systému lze TIS použít na mnoha různých mobilních prostředcích, jako jsou drezíny, vlaky nebo silniční vozidla. Specifikace je v tab. 1.
Použití laserových skenerů pro silnice a dálnice
Skener profilu vozovky
(Pavement Profile Scanner – PPS)
Měřicí systém PPS z Fraunhoferova ústavu IPM vytváří podrobný 3D výškový profil povrchu vozovky. Skener velikosti krabice na boty se montuje na měřicí vozidlo nad povrch vozovky. S jediným laserovým paprskem bezpečným pro obsluhu skenuje PPS silnici v šířce přibližně 4 m. Vzdálenost od silnice je určena měřením doby šíření laserového paprsku k silnici a zpět. Laser skenuje povrch 800krát za sekundu kolmo ke směru pohybu inspekčního vozidla. Každý z takto generovaných profilů se skládá z přibližně 900 až 1 800 měřených bodů; v závislosti na vybrané měřicí frekvenci lze zaznamenat i nerovnosti vozovky v rozsahu menším než 0,2 mm.
Měřicí rychlost umožňuje vozidlu pracovat během pravidelného provozu – tímto způsobem lze monitorovat silnice ve městě i dálnice, aniž by byl narušen provoz.
Detekce poškození vozovky a jejího okolí
Měřicí systém PPS-Plus generuje data o podélné a příčné rovnoměrnosti a obraz povrchu vozovky s vysokým rozlišením. Pomocí patentovaného přístupu dosahuje rozlišení umožňujícího detekovat trhliny v rozsahu milimetrů a další strukturální vlastnosti povrchu vozovky. Tyto parametry jsou důležité pro posouzení stavu vozovky. Výhodou je, že skener PPS-Plus je určuje všechny najednou.
Výstup systému je integrován s přesným navigačním systémem, také vyvinutým ve Fraunhoferově ústavu, který dovoluje vkládat získaná data do mapových aplikací, např. Mobile Urban Mapper MUM, jenž integruje všechny potřebné informace o ulicích, silnicích a dálnicích pro údržbu a dopravní plánování.
Systém obsahuje funkci plně automatizovaného vyhodnocení dat. Integrací systému umělé inteligence 3DAI, rovněž vyvinutého ve Fraunhoferově ústavu, s automatizovanou interpretací 2D a 3D dat umožňuje automatické a efektivní vyhodnocení rozsáhlých datových souborů. Výsledkem může být např. mapa, která podle potřeby zobrazí pouze zájmové objekty, jako jsou např. stav ulice nebo praskliny na vozovce.
Plánování stavby, inventarizace, údržba
Městská infrastruktura se neustále mění: budovy se staví nebo bourají, stromy a keře rostou nebo jsou prořezávány a další vlivy prostředí vedou ke stálým změnám charakteristických parametrů objektů. Stavební projekty lze efektivně provádět pouze tehdy, jsou-li k dispozici aktuální a spolehlivé údaje o prostředí stavby.
Pro snížení nákladů se v současné době většina stavebních opatření obvykle plánuje na základě existujících, ale často zastaralých údajů (převzatých např. z katastrů). Jen ve velmi vzácných případech jsou získávána a do procesu plánování zahrnuta aktuální data, ačkoliv tento postup slibuje velkou přidanou hodnotu. Měřicí systémy z Fraunhoferova ústavu IPM zaznamenávají údaje o prostředí v místě zamýšlené stavby snadno a levně.
Mobilní městský mapovač MUM
Fraunhoferův ústav IPM se svým mobilním městským mapovačem MUM nabízí kompletní integraci několika měřicích systémů do integrované aplikace pro rychlé získávání 2D a 3D dat prostředí. MUM je modulární systém, který lze přizpůsobit příslušnému úkolu. Zahrnuje např. 360ş laserový skener CPS, skenující až dva miliony měřených bodů za sekundu se skenovací frekvencí v rozsahu 10 až 200 Hz při rozlišení vzdálenosti 1 mm. Přitom je možné snadno sloučit data z několika takových skenovacích hlav. Pro strukturování mračna bodů s pomocí informací RGB se používá několik kamer s vysokým rozlišením. Nejmodernější metody určování polohy, jako jsou DGPS, IMU a odometrie, umožňují přesný výpočet polohy mobilní platformy a poskytují tak konzistentní georeferenční mrak bodů.
Závěr
Skenovací systém TIS je relativně nový a již zahrnuje pokročilé aplikace pro mnoho odvětví dopravy. Lze očekávat, že během 20. let tohoto století budou vyvinuty jeho další modifikace – např. pro letiště, lodní dopravu nebo i pro zemědělství a údržbu dopravních prostředků.
[Fraunhofer IPM: Multi-sensor system for the precise and efficient inspection of roads, railways and similar assets. Tisková zpráva, červenec 2020.]
Petr V. Liška
Obr. 1. Laserový skener v krytu na střeše vozidla (video: https://www.youtube.com/watch?v=up4ohln-U0Q)
Obr. 2. Detekce objektů v obrazu
Tab. 1. Specifikace TIS pro monitorování tunelů