Ein Netz aus faserigen Ohren erstreckt sich über Tausende und Abertausende Kilometer unter Ihren Füßen und lauscht. Unabhängig davon, ob Sie über vergrabene Glasfaserkabel laufen oder mit dem Auto darüberfahren, erzeugt die oberirdische Aktivität eine charakteristische Vibration, die die Art und Weise, wie Licht durch die Kabel wandert, ein wenig stört. Mit der richtigen Ausrüstung können Wissenschaftler diese Störung analysieren, um herauszufinden, um welche Quelle es sich handelte und wann genau sie sich dort aufhielt.
Diese sich schnell ausbreitende Technik ist als Distributed Acoustic Sensing (DAS) bekannt und ist so empfindlich, dass Forscher sie kürzlich zur Überwachung der Kakophonie eines Massenzikadenaufkommens eingesetzt haben. Andere nutzen die Kabel als hochempfindliches Instrument zur Erkennung von Vulkanausbrüchen und Erdbeben: Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Seismometer, das an einem Ort befestigt ist, kann ein Netz aus Glasfaserkabeln eine ganze Landschaft abdecken und so beispiellose Details des Grollens der Erde an verschiedenen Orten liefern.
Jetzt experimentieren Wissenschaftler damit, DAS auf eine Eisenbahnstrecke in Ihrer Nähe zu bringen. Wenn ein Zug entlang eines Gleisabschnitts fährt, erzeugt er Vibrationen, die Analysten im Laufe der Zeit überwachen können. Wenn sich dieses Signal plötzlich ändert, kann dies auf ein Problem mit der Schiene hinweisen, beispielsweise auf einen Riss oder eine gerissene Schwelle. Oder wenn auf einem Gebirgspass ein Steinschlag über die Strecke hinwegfegt, „hört“ DAS möglicherweise auch das und warnt die Bahnbetreiber vor einem Problem, das das menschliche Auge noch nicht bemerkt hat. Allmählichere Änderungen des Signals könnten auf die Entwicklung von Fehlern in der Gleisausrichtung hinweisen.
Zufälligerweise verlaufen entlang vieler Bahnstrecken bereits Glasfaserkabel zur Anbindung sämtlicher Signalanlagen oder für die Telekommunikation. „Dafür nutzen Sie die bereits verfügbaren Einrichtungen und Infrastrukturen, was die Kosten senken kann“, sagt Ingenieur Hossein Taheri studieren DAS für Eisenbahnen an der Georgia Southern University. „Es könnte einige Eisenbahnen geben, die nicht über Glasfaser verfügen, und da muss man sich zurückziehen. Aber ja, die meisten von ihnen haben es normalerweise schon.“
Um diese Faser anzuzapfen, benötigen Sie ein Gerät namens Interrogator, das Laserimpulse durch die Kabel schießt und die winzigen Lichtteilchen analysiert, die zurückreflektiert werden. Angenommen, ein Stein schlägt 20 Meilen vom Vernehmer entfernt auf die Strecke. Dadurch entsteht eine charakteristische Bodenvibration, die die Glasfaser in der Nähe des Gleises stört, was sich im Lichtsignal bemerkbar macht. Da Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit kennen, können sie die Zeit, die das Signal benötigt, um zu ihrem Vernehmer zurückzusenden, genau messen und so die Entfernung zur Störung auf 10 Meter oder etwa 30 Fuß genau bestimmen.
Für einen bestimmten Streckenabschnitt hätten Sie die DAS-Signale bereits über einen längeren Zeitraum analysiert und so ein Schwingungsprofil für eine normale, gesunde Eisenbahn erstellt. Wenn die DAS-Daten plötzlich etwas anderes anzeigen, liegt möglicherweise ein Problem vor, das sich wie ein EKG zeigt, das ein Problem mit dem menschlichen Herzschlag erkennt. „Wir erstellen ein Profil der Strecke und suchen nach Veränderungen in der akustischen Signatur“, sagt Daniel Pyke, ein Bahnexperte und Sprecher von Sensonic, das DAS-Technologie für Eisenbahnen entwickelt. „Wir wissen, welche Strecke sollen Hört sich so an, als wüssten wir, was für ein Zug sollen klingt wie. Und wir wissen, dass, wenn sich etwas ändert – sagen wir mal, dass sich diese Verbindung löst –, jemand benötigt wird, der das Problem repariert, bevor es zu einem Problem wird.“
Laut Pyke kann das System von Sensonic die Strecke von seinem Abfragegerät aus 40 Kilometer (25 Meilen) in beide Richtungen überwachen. Er fügt hinzu, dass ein System dieser Art, das kontinuierlich läuft, möglicherweise die menschliche Arbeit einsparen könnte, die für die Inspektion von Eisenbahnschienen auf der ganzen Welt erforderlich ist – eine gefährliche Aufgabe angesichts der riesigen Maschinen, die im Umlauf sind. Wenn jemand in den Kabeln nach Kupfer zum Verkauf stöbert, kann Sensonic dies ebenfalls erkennen, oder sogar, wenn Leute vorbeigehen und unbefugt die Gleise entlanggehen.
Noch seltsamer ist, dass Sensonic in Indien die Schritte von Elefanten in der Nähe von Eisenbahnschienen entdeckt hat, um sowohl die Art als auch die Passagiere eines Zuges zu schützen. Dadurch würde ein Alarm ausgelöst, um das Personal vor einer möglichen Kollision zu warnen. „Wir mussten tatsächlich einen Elefanten mieten und die Eisenbahn entlangwandern“, sagt Pyke. „Es war eine der interessantesten Ausgaben, die Sie jemals einreichen werden.“
Die Herausforderung besteht darin, dass DAS fast produziert zu viele Daten. Anstelle eines einzelnen Sensors, der an einem Punkt entlang eines Gleises sitzt, erstreckt sich dieser über weite Strecken entlang der Schiene. Es kommen also Daten aus einer Entfernung von 40 Metern über das Glasfaserkabel und aus einer Entfernung von 40 Kilometern sowie von jedem noch so kleinen Punkt dazwischen an – Tag und Nacht. „Die Dateien, die Sie generieren, sind riesigDaher müssen Sie maschinelles Lernen nutzen, um es zu automatisieren“, sagt David Milne, Forschungsingenieur an der University of Southampton studieren DAS und Eisenbahnen. „Es wird einfach so viele Daten geben. Wenn Sie keinen Computer haben, der Ihnen dabei hilft, ist das meiner Meinung nach weder zu bewältigen noch wirtschaftlich.“
Sensonic gibt an, die KI anhand realer Eisenbahndaten trainiert zu haben, um im Lärm ein Ereignis wie einen Steinschlag zu erkennen. Dann ist eine an Bahnbetreiber gesendete Warnung nur noch Kilobyte groß. „Die zur Identifizierung dieser Ereignisse verwendeten maschinellen Lern- und KI-Modelle werden kontinuierlich verfeinert, um sowohl ihre Empfindlichkeit zu verbessern als auch Fehlalarme zu reduzieren“, sagt Pyke.
Der Einsatz von DAS für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter auch im Eisenbahnverkehr, steckt noch in den Kinderschuhen, weshalb die Forscher diese Systeme immer noch verfeinern. „Verteilte akustische Sensorik ist ein Bereich, den Zulieferer und Transportunternehmen untersuchen, um zu sehen, ob sie die Sicherheitsziele sinnvoll voranbringen kann“, sagt Jessica Kahanek, Sprecherin der Association of American Railroads. „Wenn Eisenbahnen neue Technologien testen, wollen sie nicht nur sehen, ob sie im Labor funktionieren, sondern auch, ob sie funktionieren können, wenn sie den harten Betriebsrealitäten eines Outdoor-Netzwerks ausgesetzt werden, das den Kontinent umspannt.“
Was auch immer der Anwendungsfall sein mag, Sie werden in den kommenden Jahren noch viel mehr über DAS hören, da die Technologie eine wachsende Zahl von Störungen über der Erde „hört“.