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Autonomer Stadtbahnverkehr mit modularen Leitsystemen

05.05.2021 - Verkehr, Technologie, Künstliche Intelligenz

Fahrgäste profitieren durch automatisiertes Fahren von einer höheren Zugtaktung, sowie von besserer Fahrplanstabilität und Pünktlichkeit. Quelle: PSI Transcom

Der autonome Schienenverkehr ist in den ersten europäischen Metropolen bereits Realität. Auch in Deutschland nimmt er als wichtiges Puzzleteil moderner Mobilitätskonzepte weiter Fahrt auf. Dabei zeigt sich: Als zentrale Dispositionsoberfläche eignen sich vor allem modulare, agile Leitsysteme.

Warum entscheiden sich immer mehr Verkehrsbetriebe für einen hochautomatisierten Schienenverkehr? Was sind die Treiber dieser Entwicklung? Vereinfacht zusammengefasst: Weil die Mobilität der Zukunft nachhaltig, bedarfsgerecht und zuverlässig sein muss. Autonomes Fahren im Schienenverkehr spielt zur Erreichung dieser Ziele eine Schlüsselrolle.

Sämtliche Abläufe funktionieren dann in Abhängigkeit des Automatisierungsgrads (Grade of Automation, GoA) automatisch oder teilautomatisch:

  • Das Fahren und Anhalten des Zugs
  • Das Öffnen und Schließen der Türen 
  • Der unverzügliche Stopp an einem geeigneten Standort im Falle einer Störung

Aus der Praxis: S-Bahn Hamburg bald digitalisiert

„Digitale S-Bahn Hamburg“ heißt das Pilotprojekt, mit dem die S-Bahn Hamburg gerade den nächsten Schritt in Richtung nachhaltiger ÖPNV geht. Vier S-Bahn-Züge werden dort Ende des Jahres zwischen den Stationen Berliner Tor und Bergedorf/Aumühle hochautomatisiert fahren. Ausschließlich bei Unregelmäßigkeiten oder Störungen greifen die Lokführer dann ein. Verläuft das Projekt erfolgreich, wird schrittweise das gesamte S-Bahnnetz digitalisiert.

Die S-Bahn Hamburg setzt dabei auf ihr Train Management System PSItraffic. Seit über 20 Jahren überwacht und steuert die Lösung des Berliner Softwareanbieters PSI Transcom Hamburgs S-Bahn-Verkehr und versorgt die Fahrgäste zuverlässig mit Informationen über die Zugverbindungen. Im Zuge der ATO-Ausrüstung (ATO – Automatic Train Operation) überträgt das System die Fahrplan- und Halteinformationen an das ATO-System.

Künftig werden diese Informationen in Form von Journey- und Segmentprofiles – die Halteorte inklusive – in Abhängigkeit der disponierten Zugstärke an das fahrzeugseitige ATO-System per Funk übermittelt. Auf diese Weise schaffen sie die Basis für den hoch- und vollautomatischen Zugbetrieb.

Ressourcenschonend und klimafreundlich unterwegs

Die Gründe dieser Entwicklung sind vielfältig. Ein wesentlicher Treiber ist der ökologische Aspekt. Durch gleichmäßiges Beschleunigen, Fahren und Bremsen sind die Züge deutlich ressourcenschonender und damit klimafreundlicher unterwegs. Autonomer Zugverkehr in der Stadt kann zudem die Antwort auf die wachsende Nachfrage nach Kapazität und Verfügbarkeit liefern.

Durch den automatisierten Fahrbetrieb lässt sich die Zugtaktung bei gleichbleibend hoher Sicherheit und mit geringen baulichen Veränderungen der Strecken bedarfsgerecht erhöhen.

In einigen europäischen Metropolen fahren schon heute autonome U-Bahnzüge mit einem Abstand von nur noch 90 Sekunden. Dort profitieren Fahrgäste von

  • der höheren Zugtaktung
  • einer verbesserten Fahrplanstabilität und
  • Pünktlichkeit.

Die Bedarfsorientierung ist schließlich ein weiterer, zentraler Vorteil, der mit der hohen Flexibilität eines autonomen Schienenverkehrs einhergeht.

PSItraffic verbindet in unterschiedlichen modularen Ausbaustufen die essentiellen Systeme im Bahnbetrieb. Quelle: PSI Transcom
PSItraffic verbindet in unterschiedlichen modularen Ausbaustufen die essentiellen Systeme im Bahnbetrieb. Quelle: PSI Transcom

Mehr Zeit fürs Wesentliche

Durch vollautomatische Fahrten versprechen sich Verkehrsbetriebe ebenfalls eine Abmilderung der Nachwuchsproblematik. Immerhin fehlten nach Angaben der Bundesregierung allein der Deutschen Bahn im vergangenen Jahr mehr als 700 Lokführer. Trotz Verbesserung der Arbeitsbedingungen und Entlohnung ist das 3- bis 4-Schichtsystem eines Fahrzeugführers mit den heutigen Ansprüchen an eine ausgeglichene Work-Life-Balance kaum mehr vereinbar und daher wenig attraktiv.

In anderen, vorrangig ländlichen Regionen wird der Fachkräftemangel durch eine hohe Mitarbeiterfluktuation noch verschärft. Zumal mit dem Weggang von Mitarbeitern immer wieder auch relevantes Wissen für Besonderheiten der Strecke verloren geht.

Insbesondere in komplexeren Liniennetzen wie im Fern- und Güterverkehr kann und soll vollständig auf Lokführer aber auch künftig nicht verzichtet werden. Dort sind vor allem vollautomatische Fahrten ohne Gäste denkbar – etwa Rangier-, Werkstattfahrten und Zugwendungen.

Sie ersparen Fahrern bspw. die ungeliebte Suche nach Zügen und lange Wege in den Aufstellanlagen und somit wertvolle Arbeitszeit für das Wesentliche: Das Steuern der Züge. 

Hoher Automatisierungsgrad durch moderne Technologien

Ein ATO-System besteht dabei im Wesentlichen aus drei Bereichen: dem Leitsystem, den streckenseitigen Komponenten (ATO trackside) sowie den fahrzeugseitigen Komponenten (ATO onboard). Während Ersteres für die Streckenkommunikation verantwortlich ist, sammeln Komponenten entlang der Strecke statische und dynamische Strecken- und Fahrplandaten vom Traffic Management System und übertragen diese an die ATO-Fahrzeuggeräte. Diese Onboard-Komponenten berechnen das optimale Fahrprofil und kontrollieren die Antriebs- und Bremsvorrichtungen.

Durch moderne Technologien wie z. B. durchgängig automatisierte Leit- und Sicherungssysteme funktioniert der Schienenverkehr schon heute mit einem recht hohen Automatisierungsgrad und bietet eine gute Basis für die Weiterentwicklung hin zu ATO. Das ist u. a. auch auf die – im Gegensatz zum Straßenverkehr – stabile Umgebung zurückzuführen. Genau hier lassen sich innerhalb des Schienenverkehrs aber auch einige wesentliche Unterschiede ausmachen.

So sind vor allem Stadtbahnsysteme im Vorteil: Sie basieren auf einem vollständig geschlossenen Liniennetz und sind durch das Tunnelsystem deutlich weniger äußeren Risiken ausgesetzt.

PSItraffic Zug-Management. Für einen störungsfreien und sicheren Fahrbetrieb.

Bahnübergänge, Sturmschäden oder Schnittstellen zu anderen Linien gibt es nicht. In der Praxis hat sich zudem bereits gezeigt, dass sich auch die Sicherheit am Bahnsteig durch automatisch ausfahrbare Wände leicht und zuverlässig gewährleisten lässt.

Im Fernverkehr sind

  • höhere Geschwindigkeiten,
  • Abhängigkeiten von anderen Bahnstrecken sowie
  • stärkere, äußere Einflussfaktoren (Witterung oder das Geschehen an Bahnübergängen)

zu berücksichtigen.

Aktuell herausfordernd sind in diesem Kontext die noch fehlenden Standards bzw. zahlreichen proprietären Schnittstellen. Hierdurch fehlen zum heutigen Zeitpunkt auch einheitliche Systemgrenzen.

Bedarfsgerecht anpassbare Leitsysteme

Vor diesem Hintergrund stellen sich Verkehrsunternehmen die Frage, ob generalistische Leitsysteme als zentrale Datendrehscheibe sowohl für den Fern- und Güterverkehr als auch im deutlich weniger komplexen, autonomen Stadtverkehr gleichermaßen gut geeignet sind. Ein Blick in die Praxis belegt am Beispiel der S-Bahn Hamburg, dass sich gerade im urbanen Kontext agile, bedarfsgerecht anpassbare Systeme bewähren. Durch sie lassen sich bspw. die losen Systemgrenzen individuell anpassen.

Flexible Leitstellenlösungen wie PSItraffic, die über offene, standardisierte Schnittstellen vollständig in unterschiedliche Systemlandschaften eingebunden sind, eigenen sich auch in einem ATO-System als zentrale Dispositionsoberfläche zur Steuerung des Bahnbetriebs.

Hoch automatisierte Leit- und Sicherungssysteme  bieten eine gute Basis für die Weiterentwicklung  hin zu ATO. Quelle: PSI Transcom
Hoch automatisierte Leit- und Sicherungssysteme
bieten eine gute Basis für die Weiterentwicklung
hin zu ATO. Quelle: PSI Transcom

Entscheidend ist in diesem Zusammenhang der modulare Aufbau. Denn so kann das System in unterschiedlichen Ausbaustufen die essenziellen Systeme im Bahnbetrieb verbinden. Angefangen bei der kurzfristigen Fahrplandisposition über ein passgenaues Werkstattmanagement sowie eine optimierte Umlauf- und Personalplanung bis hin zur Zuglenkung und Fahrgastinformation.

Der Vorteil gegenüber einer bloßen Zugtaktung: Das System betrachtet das gesamte Liniennetz und übernimmt die dispositive Steuerung. So lassen sich auch Störungen oder Konflikte frühzeitig erkennen, und Disponenten erhalten in Echtzeit optimierte Lösungsvorschläge. Die getroffenen Dispositionsentscheidungen werden wiederum per Knopfdruck an andere Systeme kommuniziert. In Verbindung mit einem ATO-Betrieb fallen so stark repetitive Arbeiten weg und ermöglichen eine optimale Kapazitätsnutzung verfügbarer Ressourcen. 

Kurzum: Die über die Jahrzehnte gewachsene und oftmals heterogene Stellwerkstechnik erfordert für ihre Anbindung an eine zentrale Leitstellenlösung ein zukunftsorientiertes und flexibles Leitsystem mit variablen Schnittstellen.

Starre ATO- oder CBTC-Lösungen als reine Weiterentwicklung eines Zugsicherungssystems eignen sich hingegen wenig, um gesamte Netze mittels Fahrplandisposition und inklusive der Integration der relevanten Umsysteme vollautomatisch zu lenken. Nicht zuletzt erfordert ein generalistisches System in der Regel deutlich höhere Investitionen in die streckenseitige Infrastruktur und Stellwerkstechnik. 

Agile Leitsysteme auch im ATO-Betrieb führend

Genau wie die Industrie muss sich auch der Schienenverkehr künftig noch stärker an Kennzahlen der Ressourcenschonung und Klimaneutralität messen lassen. Um gleichzeitig den wachsenden Bedarfen gerecht zu werden und Antworten zu finden auf die anhaltende Nachwuchsproblematik, ist der autonome Schienenverkehr vor allem im städtischen Kontext unumgänglich.

Technisch verfügen die Verkehrssysteme bereits über eine verlässliche Basis. Das gilt auch für agile und offene Leitsoftware, die auch im Zusammenspiel mit den weiteren ATO-Komponenten die führende Rolle übernimmt.

Lesen Sie mehr zum Thema PSItraffic Train Management in unserer aktuellen Broschüre.

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Robert Baumeister

Division Manager Train Management, PSI Transcom GmbH