Digitalisierung am Zug

Wann kommt die vollautonom fahrende Bahn?

Mehr als 5 Mrd. Euro jährlich sind nötig, um den europäischen Zugverkehr bis Mitte des Jahrhunderts zu digitalisieren: Was die Schienen-Infrastruktur dafür an Automatisierungstechnik braucht.

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Bis die Bahnen ihre digitalen Visionen umgesetzt haben, ist noch ein weiter Weg: Auf den Schienen sind noch jede Menge "alte Möhrchen" unterwegs.

Zwischen Friedberg in der Steiermark und Oberwart in Burgenland hat die Zukunft schon begonnen, heißt es. Denn auf der stillgelegten Nebenstrecke forschen im „Open Rail Lab“ rund zwei Dutzend Projektpartner – Universitäten, Fachhochschulen und Bahnzulieferer an Fragestellungen zum automatisierten Schienenverkehr. 25 Kilometer Teststrecke für die neue Bahn, „Think Tank“, Start ups und Innovationsschmiede. Im Mittelpunkt steht die Digitalisierung der Bahn. Vollautonomes Fahren. Die Schiene soll moderner werden. Auch um im intermodalen Wettbewerb gegen Straße und Flugverkehr bestehen zu können.

Visionen auf der Schiene

Weltweit wird mit Hochdruck an der Digitialisierung der Schiene gearbeitet. Die Visionen gehen in Richtung autonom fahrende Hochgeschwindigkeitszüge, die ihren Abstand in „schwimmenden Blöcken“ selbst via GPS und Radartechnik regulieren, digitale Infrastruktursysteme, die mittels  Funk- und Sensortechnik selbstständig über Zentralen Auskunft über ihren Zustand geben. Und Züge, die automatisch Werkstätten informieren, dass Räder, Lüfter oder andere Systemkomponenten bald auszutauschen wären. Dazu gibt es einheitliche Zugleit-Systeme, die den realen europäischen Schienenverkehr digital in neuen Datenzentralen abbilden.

„Alte Möhrchen“ sind Realität

Auch wenn bereits Hochgeschwindigkeitszüge- auf neuen modernisierten Streckenabschnitten mit mehr als 250 Kilometer die Stunde dahinbrausen. „Bis die Bahnen ihre Visionen umgesetzt haben, ist es allerdings noch ein weiter Weg“, sagt die deutsche Bahnexpertin Maria Leenen vom Mobilitätsberatungsunternehmen SCI Verkehr. Denn die Bahnsysteme haben insgesamt einen hohen Modernisierungsbedarf. Im europäischen Bahnsystem herrscht sozusagen die Gleichzeitigkeit der Ungleichzeitigkeit: „Man kann auch heute noch Züge finden, mit denen man vor Jahrzehnten in die Schule gefahren ist“. „Alte Möhrchen“, nennt Leenen fast liebevoll diese Bahnelemente, die eben auch noch zum Gesamtsystem Schiene zählen. ICE´s und Railjets. Ja. Aber auch alte Dieselloks die noch veraltetem Wagenmaterial vorausdampfen – auf Schienen und Weichen, die schon seit Jahrzehnten im Betrieb sind. Das ist eben auch die Realität der Bahn im Jahre 2018. Bahnbetreiber betonen zwar, dass schon seit Jahren mit Hochdruck an der Modernisierung des Schienenverkehrs gearbeitet werde. Aber es gibt noch viel Luft nach oben. „Modernisieren ist teuer“, sagt Leenen. Auf rund 5,5 Milliarden Euro jährlich schätzt die Bahnexpertin das Marktvolumen für die Digitalisierung der europäischen Bahnen ein.

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Condition based maintainance

Dort wo investiert wird, zeigen sich die Vorteile der Digitalisierung. Zum Beispiel bei „Condition based maintainance“.  Bahnzulieferer Siemens betreibt mittlerweile mehrere Datenservice-Center in Europa, in denen Milliarden von Datensätzen von digitalisierten Triebzügen plus Schienen und Stellwerken erfasst werden. Damit können etwa Wartungsarbeiten an Systemteilen, wie Motoren, Schienen, Sensoren oder Türen vorausgesagt werden, bevor diese tatsächlich kaputt gegangen sind. Auf der Hochgeschwindigkeitsstrecke der spanischen Staatsbahn Renfe funktioniert die Datenerhebung und (vorausblickende) Wartung auf der Strecke von Barcelona nach Madrid bereits so gut, dass nur eine von 2300 Fahrten eine Verspätung aus technischen Problem aufgewiesen hat. Für die spanischen Bahnbetreiber ein ausgesprochener Pluspunkt. Konkurriert Renfe doch mit einer Fluglinie auf der gleichen Strecke.

Gleichzeitigkeit der Ungleichzeitigkeit

Die Gleichzeitigkeit der Ungleichzeitigkeit macht das Modernisieren und Digitalisieren aber auch schwierig. Neue hochmoderne Garnituren und  Hochgeschwindigkeitsstrecken sind teuer. Und warum Altes tauschen, wenn es noch funktioniert? „Die einzelnen Systemkomponenten haben sehr lange Lebenszyklen“, sagt Leenen. „Wagenmaterial oder Stellwerke versehen ihren Dienst über Jahrzehnte.“

Gerhard Kreß vom Siemens Mobility Data Services Center in München kennt das Problem: „Es gibt noch alte Stellwerke mit Relais-Schaltungen.“ Diese auszutauschen käme teuer. Mit ein paar Eingriffen in die Hardware kann man aber auch diesen, so Kress, digitale Informationen entlocken, die an Datenzentralen übermittelt werden können. Übertragen werden die Informationen mit einer „Daten-Diode“, das heißt, Informationen können nur in eine Richtung fließen. „Das ist wichtig für die Sicherheit“, sagt Kreß, „denn ansonsten könnten Hacker Stellwerke manipulieren.“

ÖBB digital

In Österreich ist die Infrastruktur-Digitalisierung zwar schon recht weit gediehen. „Viele Stellwerke sind mittlerweile unbesetzt und werden digital von Zentralen aus gesteuert“, sagt Christian Sagmeister, Geschäftsbereichsleiter der ÖBB-Infrastrukur. Aber auch hierzulande hat man mit der Gleichzeitigkeit der Ungleichzeitigkeit zu kämpfen. So sei etwa noch viel altes Wagenmaterial aus Osteuropa unterwegs, das weder mit Sensoren noch Funktechnik Auskunft über ihren Wartungszustand geben. Aber auch dafür weiß man sich mittlerweile mit digitaler Technik zu helfen. So vermisst man in Österreich die Züge aus analogen Zeiten an Infohubportalen „digital“: etwa ob Räder durch blockierte Bremsen heiß gelaufen sind oder ob ihr „Lichtraumprofil“ – die Silhouette eines Zuges von vorne betrachtet, außerordentliche Abweichungen aufweist. „Damit“, so Sagmeister, „können wir auch Wagenmaterial prüfen, das noch keine digitalen Daten sendet“.

Schwimmende Blöcke

Durch die Gleichzeitigkeit der Ungleichzeitigkeit treiben manche Visionen Bahnbetreibern in realo aber noch regelmäßig Schweißperlen auf die Stirn. Zum Beispiel die „schwimmenden Blöcke“: Seit Beginnzeiten der Eisenbahn werden die Bahnstrecken in „Blöcke“ eingeteilt. Um die Sicherheit zu gewährleisten, darf sich in einem Block aber immer nur ein Zug aufhalten. Theoretisch würde die Digitalisierung aber ermöglichen, dass Abstände von Zügen mit einem ausgefeilten System an Sensortechnik konstant gehalten werden könnten und somit mehrere Züge einen Streckenabschnitt befahren könnten.   „Schwimmende Blöcke sind freilich ein massiver Eingriff in die Infrastruktur“, sagt Sagmeister. Zwar können Züge via Satellitennavigationssysteme a´la GPS (USA), Glonass (Russland) oder Galileio (Europa) ziemlich punktgenau geortet werden. „Das funktioniert“, so Sagmeister, „im Prinzip schon auf wenige Zentimeter genau.“ Die Crux an den „schwimmenden Blöcken“ liegt derzeit aber an einem auf den ersten Blick trivialen Problem: Wie kann man zweifelsfrei feststellen, ob der letzte Waggon eines Zuges in einen Streckenabschnitt nicht nur eingefahren, sondern den Block auch wieder verlassen hat? „Es gibt eben noch genügend im Einsatz befindliches Wagenmaterial, wo Waggone noch nicht mit entsprechenden Sensoren und digitaler Technik ausgerüstet sind. Was aber tun, wenn ein Zug einen Waggon – aus welchen Gründen auch immer – verlieren würde? Wie dann den nächstfolgenden Zug vor dem Hindernis auf der Strecke warnen? Und würde ein autonom fahrender Zug zweifelsfrei erkennen können, ob es sich hier um ein „echtes“ gefährliches Hindernis handeln würde? „Wir arbeiten intensiv an der Weiterentwicklung der Systeme“, sagt Sagmeister. „Und die müssen grenzüberschreitend geklärt werden.“

Das Problem der Grenzen

Der grenzüberschreitende Schienenverkehr bereitet europäischen Bahnbetreibern freilich traditionell Probleme. Da die Eisenbahn historisch immer eine nationale Angelegenheit war – auch aus militärischen Überlegungen heraus-  war Eigenbrötelei der Bahnbetreiber System. Das reichte von verschiedenen Spurweiten zwischen Ost- und Westeuropa, über unterschiedliche Stromsysteme und Betriebsspannungen bis hin zu nichtoperablen Funk- und Kommunikationssystemen. Insgesamt existieren in Europa 20 verschiedene Zugleitsysteme, mit zum Teil sich widersprechenden betrieblichen Regelungen, wie etwa Zulassungs-Vorschriften für Lokführer. Grenzüberschreitender Verkehr mit High-Tech-Zügen funktionierte zum Teil nur deshalb, weil diese mit Fahrzeugsystemen ausgerüstet werden, die mit mehr als einem halben Dutzend nichtoperabler Zugleitsysteme kommunizieren können. „Die Harmonisierung der europäischen Bahnsysteme ist eine echte Herausforderung“, sagt Leenen. Zwar gibt es bereits vereinheitlichten Standards, wie etwa das European Rail Traffic Management System (ERMTS). Dieses besteht aus mehreren Komponenten. Über das Global System for Mobiles-Railway (GSM-R) soll ein einheitliches Mobilfunksystem für Sprach- und Datenkommunikation für alle Strecken und Züge garantiert werden. Der „European Traffic Management Layer” (ETML) übernimmt die Funktion einer übergeordneten „Verkehrsleitzentrale“ und das „European Train Control System” (ETCS) stellt sicher, das Züge und Schrecken (Schienen, Weichen, Stellwerke) miteinander grenzüberschreitend digital kommunizieren können. Die flächendeckende Umsetzung des ERMTS wird die Bahnbetreiber aber noch Jahrzehnte beschäftigen, meint Leenen.

Realisierung bis 2035

Ein vereinheitlichtes Leitsystem wäre die Grundvoraussetzung, damit Züge vollautonom grenzüberschreitend fahren könnten. Manche Experten meinen zwar, dass die ersten vollautonom fahrenden Fahrzeuge tatsächlich auf der Schiene und nicht auf der Straße zugelassen werden. Aber auf ein Datum will sich niemand wirklich festlegen. 2035 gilt zwar als Benchmark, aber „bis dahin gibt es aber noch eine ganze Latte an Logistik- und Sicherheitsfragen zu lösen“, sagt Walter Sebron, Sicherheitsexperte im VISSE - Vienna Institute for Safety & System Engineering an der Fachhochschule Campus Wien. Eine Barriere für die Selbstfahrer ist nicht nur das erst lückenhaft vorhandene vereinheitlichte Leitsystem sondern auch die zweifelsfreie Hinderniserkennung: Sensor- und Detektionssysteme eines autonom fahrenden Zuges müssen bei allen Witterungen echte Hindernisse (Menschen auf Gleisen oder Waggone auf der Strecke) von ungefährlichen Einflüssen (Schneeflocken oder Blätter im Herbstwind) hundertprozentig auseinanderhalten können. Derzeit macht das noch Probleme: Ist ein System „übervorsichtig“, bräuchte es für ein paar Kilometer womöglich Stunden – weil es immer wieder stoppt. Wäre es zu forsch justiert, könnten schlimme Unfälle passieren.

Assistenz statt Autonomie

Ob der Führerstand einer Lokomotive jemals unbesetzt bleiben wird? Für manche Experten ist das eher ungewiss. „Ein Lokführer befördert mit einem Zug 400 Personen oder tausende Gütertonnen“, sagt ÖBB-Experte Sagmeister. „Da sind die Rahmenbedingungen anders als auf der Straße.“ Zudem wären noch eine Reihe an rechtlichen Fragen zu klären. Die Zukunft könnten eher Assistenzsysteme sein, die Lokführern Hindernisse frühzeitig mittels Kameras und Sensortechnik detektieren. Bahnzulieferer Bombardier entwickelt dafür Kollisions-Warnsysteme, bei denen moderate Bremsungen vom Assistenzsystem eingeleitet werden, falls der Fahrer davor selber keine gesetzt hat.