Weltmarktführer bei immersiven 3D-Simulatoren nutzt digitale Zwillinge von Hexagon für mehr Sicherheit im Bahnverkehr

Seit mehr als 10 Jahren liefert Hexagon CORYS, einem Anbieter von Trainings- und Techniksimulatoren, 3D-Daten und Know-how zur Erstellung objektbasierter, besonders realistischer computergenerierter 3D-Simulationen (CGI) von Eisenbahnnetzen weltweit. CORYS und Hexagon arbeiten bis heute zusammen – derzeit auf der Basis hochauflösender luftbildgestützter Daten aus dem HxGN Content Program.

In den Sektoren Energie, Prozessindustrie und Transport hat sich CORYS einen exzellenten Ruf für seine sehr realistischen Computersimulationen erworben. Die immersiven Trainingssimulatoren von CORYS zur Ausbildung von Lokführern sind wahrscheinlich die komplexesten Produkte des Unternehmens, da sie hunderte – teils sogar tausende – Kilometer des realen Schienennetzes exakt abbilden.

Eisenbahngesellschaften nutzen diese Systeme, um die Fahrer auf verschiedenste erschwerende Bedingungen vorzubereiten: von Regen über dichten Schneefall bis zu blendendem Sonnen- schein. Auch Änderungen an Gleisen, Signalen und Weichen können spontan simuliert werden. Der Simulator unterstützt sogar hypothetische Szenarien, wie eine Kuh, die sich auf die Gleise verirrt hat, oder ein Auto, das auf einem Bahnübergang liegen geblieben ist.

Diese Szenarien werden in einer computer- generierten 3D-Umgebung simuliert, die genau mit der realen Gleisgeometrie und dem Gelände des bestehenden Schienennetzes übereinstimmt. Die Ausbildung der Lokführer an solchen Simulatoren ist für den sicheren, zuverlässigen und energieeffizienten Bahnbetrieb entscheidend.

"Die Sicht vom simulierten Führerstand der Lok entspricht genau dem, was der Lokführer in der Praxis sieht", erklärt Simon Musäus, Vice President of Business Development bei Hexagon. "CORYS entwickelt für jeden Loktyp in der Flotte des Kunden einen entsprechenden Simulator."

Figure 1. A CGI-based simulation of a boxcar obstructing the BNSF railroad track was created using aerial data from the HxGN Content Program. (Source: CORYS)

Bessere Ausbildung durch den Einsatz digitaler Zwillinge

CORYS zählte zu den ersten Unternehmen, die objektbasierte 3D-Modellierungstechnologien zu Trainingszwecken von Lokführern einsetzten. Die immersiven Lösungen trainieren die Fahrer durch Simulation unterschiedlichster realitätsnaher Betriebssituationen.

CORYS nutzt Luftbilddaten aus dem HxGN Content Program für seine 3D-Simulationen, da diese Daten exakt, aktuell und sofort verfügbar sind. Die absolute Konsistenz der Datensätze über ganze Länder und Regionen hinweg ist bei der Modellierung von hunderten von Gleiskilometern sehr wichtig. Hexagon liefert hierfür maßge- schneiderte Datenkonzepte. In manchen Fällen bedeutet das sogar, zusätzliche Daten zu erfassen, um die individuellen Anforderungen von CORYS zu erfüllen.

"Die Hexagon-Daten sind für uns qualitativ ein Quantensprung, was die Detailgenauigkeit, Auflösung und Genauigkeit der visuellen Umgebungselemente betrifft", erklärt Greg Hayes, Vice President Business Development bei CORYS.
"Wir erzielen sehr gute Resultate, wenn es darum geht, dass die Lokführer in spe die Streckenführung kennenlernen, üben, mit schwierigen Situationen umzugehen, und an ihrer Aufmerksamkeitsspanne arbeiten."

Bei den 3D-Datensätzen, die Hexagon für CORYS bereitstellt, handelt es sich um digitale Zwillinge der Bahnkorridore, die sich zu beiden Seiten des Gleises auf 100 Meter und mehr erstrecken. Die beiden wichtigsten Datenprodukte sind extrahierte Objekte (Gebäude, Bäume, Signale, Schilder, Straßen, Wasserwege usw.) sowie Geländemodelle.

Figure 2. CGI of a train station and its surrounding buildings, vegetation and other objects using aerial data from the HxGN Content Program. (Source: CORYS)

Digitale Zwillinge des Schienennetzes

In der Regel besteht der erste Schritt eines Projekts darin, dass der Bahnbetreiber Hexagon einen Netzplan digital oder auf Papier zur Verfügung stellt. Dieser Netzplan dient Hexagon zur Kartierung der Gleisbereiche und Signale, die modelliert werden müssen. Alle anderen Datensätze werden anhand dieser Gleiskoordinaten georeferenziert.

Bei der Erstellung des digitalen Zwillings des Schienennetzes greift Hexagon vorwiegend auf zwei Datenprodukte aus dem HxGN Content Program products –  zurück: landesweite Luftbilddaten (Ortho und Stereo) sowie 3D-Stadtmodelle. Für die USA und Westeuropa werden alle zwei bis drei Jahre landesweite Luftbilddaten mit einer Auflösung von 15 Zentimetern erfasst. Diese Auflösung ist ausreichend für die großflächige Modellierung des Geländes außerhalb dicht besiedelter städtischer Gebiete.

Hexagon extrahiert Position, Typ und Ober- flächenbeschaffenheit von Objekten entlang der Gleise in 3D aus Orthofotos und Stereobildern. Zur korrekten Identifizierung der Objekte verwendet Hexagon digitale Videos, die von den Lokomotiven im gesamten Streckennetz erfasst wurden. Das Team von Hexagon nutzt die 3D-Informationen aus den Orthofotos und Stereobildern, um digitale Geländemodelle der Landschaft entlang der Strecke zu erstellen

Eine wesentlich größere Herausforderung ist die korrekte Darstellung von Objekten in Städten, insbesondere an Bahnhöfen, wo sich mehr und größere Gebäude und Objekte befinden. Hier kommen die 3D-Stadtmodelle in Hochauflösung zum Einsatz, basierend auf mit dem Leica CityMapper-2 sensor. gleichzeitig erfassten Luftbild- und LiDAR-Daten. Verfügbar sind sowohl Nadir- als auch Schrägaufnahmen mit einer Auflösung von 5 Zentimetern, ergänzt durch die gleichzeitige Erfassung von 20 Punkten pro Quadratmeter mit LiDAR.

Durch die Kombination aus LiDAR-Punktwolke und Bilddaten kann Hexagon Objekte mit einer Genauigkeit von 10 Zentimetern oder besser ableiten. Aus diesen Datensätzen generiert Hexagon dann digitale Geländemodelle des städtischen Eisenbahnnetzes einschließlich extrahierter Objekte wie Gebäude, Bäume und Fahrbahnflächen, die samt georeferenzierter Position mit LOD (Level of Detail) 3.2 dargestellt werden. CORYS „füttert“ seine Modellierungs- und Simulationstools mit diesen Datenprodukten.  

Weitere Anwendungen für digitale Zwillinge im Eisenbahnsektor

Manche Eisenbahngesellschaften setzen die Simulationen ihrer Schienennetze auch für andere Anwendungen ein. Greg Hayes erläutert: "Da die gesamte Umgebung genau reproduziert wird, können die computergenerierten Bilder in die visuellen Tools der Disponenten integriert werden und zudem als Grundlage für die Arbeit der Gleisinstandhaltungsteams sowie für Notfallplanung, Feuerwehr- und Rettungsübungen dienen.“

Für CORYS stellt die Implementierung digitaler Zwillinge bei Simulatoren und anderen Anwendungen einen wichtigen Faktor für zusätzliche Sicherheit dar. Das Ergebnis dieser sehr realitätsnahen Simulationen sind bestens ausgebildete Lokführer, die optimal auf die sichere Beförderung von Fahrgästen und Fracht vorbereitet sind. Das HxGN Content Program stellt aktuelle und exakte Geodaten als Basis für sehr realistische Simulationen bereit. Das Team von Hexagon hat zudem die erforderliche Expertise, um die Daten entsprechend der hohen Anforderungen von CORYS optimal anzupassen.

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