Fahrerlose Züge sind längst Realität – allerdings meist auf eigenen Strecken oder in weitgehend abgeschlossenen Netzen. Beispiele sind die U-Bahn in Nürnberg, die Metro in Kopenhagen oder automatisierte Güterzüge in Westaustralien, die Eisenerz über große Entfernungen transportieren. Deutlich anspruchsvoller wird es, wenn Züge hoch- oder vollautomatisiert im regulären, frei zugänglichen und hochkomplexen Bahnnetz unterwegs sind.
Wo die Herausforderungen liegen und wie weit die Entwicklung ist, erklärt Gert Bikker, Institutsdirektor Schienensystemtechnik am DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik.
Was macht das automatisierte Fahren im „normalen“ Bahnnetz so anspruchsvoll – und welche Chancen bietet es?
Bikker: Die große Herausforderung liegt darin, dass ein Zug dort nicht in einer weitgehend abgeschlossenen Umgebung unterwegs ist. Im regulären Bahnnetz treffen unterschiedliche Zugtypen aufeinander, Bahnübergänge queren die Strecke und viele Abschnitte sind frei zugänglich. Ein hoch- oder vollautomatisiert fahrender Zug muss deshalb seine Umgebung eigenständig und zuverlässig erfassen und sicher reagieren können – etwa auf eine Person im Gleis, einen umgestürzten Baum oder ein auf einem Bahnübergang liegengebliebenes Fahrzeug.
Gleichzeitig eröffnet die Automatisierung neue Möglichkeiten für den Bahnbetrieb. Sie kann dazu beitragen, dem zunehmenden Fachkräftemangel beim Fahrpersonal zu begegnen und Züge flexibler und bedarfsgerechter einzusetzen. Besonders auf Nebenstrecken könnten kleinere, automatisierte Fahrzeuge künftig einen wirtschaftlichen Betrieb auch dort ermöglichen, wo konventionelle Angebote heute an personelle oder wirtschaftliche Grenzen stoßen.
Das DLR untersucht und entwickelt Konzepte für solche neuartigen Schienenfahrzeuge. Unser Ziel ist es, automatisierte Mobilitätsangebote zu schaffen, die sich flexibel an unterschiedliche Anforderungen und Nachfragesituationen anpassen lassen.
Was sind die größten technologischen Herausforderungen beim automatisierten Fahren auf der Schiene?
Systeme können bereits heute automatisch beschleunigen, die Geschwindigkeit regeln, bremsen und an einem definierten Punkt halten. Schwieriger wird es dort, wo auch heute noch die Wahrnehmung oder „Perzeption“ sowie die Erfahrung der Lokführenden gefragt sind. Ein hochautomatisierter Zug muss seine Umgebung permanent erfassen und richtig interpretieren. Dafür kommen beispielsweise Kameras und weitere Sensoren zum Einsatz.
Die Sensoren müssen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen zuverlässig funktionieren – bei Dunkelheit oder Gegenlicht genauso wie bei Regen, Schnee oder Nebel. Gleichzeitig muss das System unterscheiden können, ob ein Objekt tatsächlich eine Gefahr darstellt und wie es am besten darauf reagiert. Gerade bei diesen sogenannten Perzeptions-Systemen, also der technischen Umfelderfassung, spielt zunehmend auch künstliche Intelligenz eine Rolle. Das macht den Sicherheitsnachweis anspruchsvoll.
Bei einem klassischen technischen Bauteil kann man dessen Verhalten vergleichsweise genau beschreiben und überprüfen. Bei komplexen sensor- und KI-basierten Systemen ist das schwieriger. Wir können nicht jede Situation, die auf einer Bahnstrecke auftreten könnte, einzeln im realen Betrieb testen. Deshalb forschen wir am DLR auch an neuen Prüfmethoden. Ein Ansatz ist das szenarienbasierte Testen. Dabei werden typische und besonders kritische Verkehrssituationen systematisch beschrieben, variiert und zunächst in Simulationen untersucht. So lässt sich wesentlich umfassender prüfen, ob ein System auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktioniert. Das ist eine wichtige Voraussetzung für eine spätere Zulassung.
Sensoren für automatisiertes Fahren an einem Testzug. — © DLR / CC-by-nd 3.0
Zwei Abkürzungen tauchen beim automatisierten Fahren auf der Schiene immer wieder auf: ATO und RTO. Was verbirgt sich dahinter?
ATO steht für „automatic train operation“, also den automatisierten Zugbetrieb. Dabei werden Aufgaben, die heute Lokführende übernehmen, schrittweise auf technische Systeme übertragen. Unterschieden wird dabei zwischen verschiedenen Automatisierungsgraden, den sogenannten Grades of Automation oder kurz GoA.
Vereinfacht gesagt reicht die Skala vom manuellen bis zum vollautomatisierten Betrieb. Aktuell im Bahnbetrieb zum Einsatz kommen Systeme bis GoA 2. Dabei übernimmt das ATO-System zentrale Fahrfunktionen wie Beschleunigen, Bremsen und das Einhalten der Geschwindigkeit. Eine Lokführerin oder ein Lokführer bleibt jedoch an Bord und trägt die Verantwortung. Bei der höchsten Stufe GoA 4 ist kein Personal mehr an Bord.
RTO steht für „remote train operation“. Hier bleibt der Mensch Teil des Systems, befindet sich aber nicht im Zug, sondern beispielsweise in einem Kontrollzentrum. Von dort kann er einen Zug überwachen, unterstützen oder – je nach System – fernsteuern. ATO und RTO ergänzen sich deshalb gut: Fährt ein Zug normalerweise automatisiert und kommt in einer ungewöhnlichen Situation nicht weiter, kann entsprechend geschultes Personal mit RTO von einem Kontrollzentrum aus eingreifen. Die Fernsteuerung von Zügen ist aber auch unabhängig davon interessant, zum Beispiel für Rangierfahrten in Depots oder für die Bereitstellung leerer Züge.
Voraussetzung für ATO und RTO sind leistungsfähige Rechner, speziell ausgelegte Sensorik und eine sehr zuverlässige Breitband-Kommunikationsverbindung zwischen Fahrzeug und Kontrollzentrum.
Was fehlt noch, damit automatisiertes Fahren großflächig auf die Schiene und damit in den Praxiseinsatz?
Entscheidend ist jetzt, Technik, Betrieb und Regulierung zusammenzubringen. Für höhere Automatisierungsgrade brauchen wir klare Anforderungen, was beispielsweise ein System zur Umfelderkennung leisten muss und wie dessen Sicherheit nachgewiesen werden kann. Dafür benötigen wir Testszenarien, standardisierte Prüfverfahren und klare Zulassungsprozesse. Hier liegt der Ball bei der nationalen und europäischen Politik und den jeweiligen für den Schienenbereich zuständigen Behörden.
Speziell der Einsatz von KI, um die Automatisierung als lernendes System erfolgreich zu machen, bringt weitere und hochkomplexe Anforderungen mit sich. Abhängig vom Lernverhalten der KI sind jeweils neue Verfahren für ihre Zulassung erforderlich – speziell wenn sie sicherheitsrelevante Funktionen übernehmen soll. Dafür benötigen alle Seiten noch etwas Zeit, um diese Verfahren zu definiert und in Kraft zu setzen.
Generell ist das alles nicht allein eine rein technologische Frage. Im Optimalfall bringen Politik, Behörden, Forschung, Infrastrukturbetreiber und Industrie ihre Expertise zusammen, um gemeinsam festzulegen, wie der hoch- und vollautomatisierte Zugbetrieb in das Bahnsystem integriert werden kann.
Welche Position nehmen Deutschland und Europa beim automatisierten Fahren auf der Schiene ein?
Europa ist bei der Forschung und Entwicklung sehr aktiv. Mit der europäischen Forschungspartnerschaft Europe’s Rail werden viele Aktivitäten gebündelt und gemeinsam mit Bahnbetreibern, Industrie und Forschung vorangetrieben. Dabei geht es auch darum, den automatisierten Zugbetrieb bis hin zu GoA 4 für das europäische Bahnsystem zu entwickeln. Technologisch haben wir große Fortschritte gemacht. Viele einzelne Komponenten existieren bereits und werden in Demonstratoren erprobt. Die Herausforderung besteht jetzt darin, daraus ein Gesamtsystem zu gestalten, das unter realen Bedingungen zuverlässig funktioniert und zugelassen werden kann.
Ein wichtiger nächster Schritt wäre ein Testfeld für hochautomatisiertes und ferngesteuertes Fahren auf der Schiene. Ein solches Testfeld würde die Erprobung über längere Zeit, unter realistischen Betriebsbedingungen und in einem größeren geografischen Umfang ermöglichen. Ähnlich wie beim hochautomatisierten Fahren auf der Straße wird auch die Bahn nicht von heute auf morgen ausschließlich und vollautomatisiert fahren. Den Anfang werden Anwendungsfälle machen in klar abgegrenzten Bereichen, das Rangieren in Depots oder ein Pilotbetrieb auf Nebenstrecken.
Welche Beiträge leistet das DLR beim automatisierten Fahren auf der Schiene?
Wir betrachten am DLR nicht nur den Zug an sich, sondern das Bahnsystem als Ganzes – also das Zusammenspiel von Fahrzeug, Infrastruktur, Betrieb und Mensch. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die bereits erwähnte Perzeption, die Wahrnehmung der Umgebung durch Automatisierungssysteme. Dafür entwickeln und untersuchen wir Sensor- und Ortungssysteme und testen sie zunächst in Simulationen und anschließend unter möglichst realistischen Bedingungen.
Ein zweiter Schwerpunkt ist das Testen und Validieren sicherheitskritischer Systeme. Im Eisenbahnlabor RailSiTe® (Rail Simulation and Testing) in Braunschweig können wir große Teile des Bahnsystems detailliert simulieren und beispielsweise Komponenten für das europäische Zugbeeinflussungssystem ETCS (European Train Control System) sowie für digitale Stellwerke prüfen. Solche Labortests sind wichtig, weil Versuche im realen Schienennetz aufwendig und teuer sind und sich viele Situationen dort nur schwer nachbilden lassen. Bei Testfahrten im Projekt ARTE (automatisiert fahrende Regionalzüge in Niedersachsen) haben das DLR und der Zughersteller Alstom auch schon in der Praxis nachgewiesen, das optische Signale zuverlässig und sicher automatisch erkannt werden können.
Auch die Kooperation von Mensch und Technik ist für uns ein wichtiges Forschungsthema: Denn mit zunehmender Automatisierung verändern sich Aufgaben und Berufsbilder. Bei der Fernsteuerung von Zügen sind zum Beispiel folgende Aspekte wichtig: Welche Informationen benötigt die Person im Kontrollzentrum? Wie viele Züge kann sie gleichzeitig überwachen? Und wie muss ihr Arbeitsplatz gestaltet sein, damit sie in kritischen Situationen schnell und sicher reagieren kann, im Alltag aber auch nicht gelangweilt ist. Aktuell bauen wir am DLR in Braunschweig dafür das Remote Operation Center auf.
Außerdem forschen wir an neuen Betriebskonzepten. Denn die Automatisierung kann auch dazu beitragen, Strecken besser auszulasten. Sie kann den Betrieb robuster machen und neue Angebote auf bislang wenig wirtschaftlichen Nebenstrecken wieder ermöglichen. In Projekten mit Bahnunternehmen, Fahrzeugherstellern und weiteren Forschungseinrichtungen erproben wir deshalb viele dieser Technologien mit Prototypen und unter realitätsnahen Bedingungen und entwickeln sie für den praktischen Einsatz weiter.
Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
