Funksystem Virtuelles Kuppeln für automatisierten Bahnverkehr im Praxistest

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

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ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Ein neuartiges Funksystem, basierend auf Ultrabreitband-Technologie, soll das virtuelle Kuppeln von Zugteilen und Zugverbänden ermöglichen und somit die Automatisierung des Schienenverkehrs vorantreiben.

Die weitere Automatisierung des Zugbetriebs ist eine Möglichkeit, um auf dem bestehenden Bahnnetz mehr Personen und Güter zu transportieren. Eine wichtige Schlüsseltechnologie dafür ist das virtuelle Kuppeln von Zugteilen und Zugverbänden. Dabei sind einzelne Wagen nicht mehr mechanisch mit einer Kupplung verbunden, sondern nur noch digital. Das heißt, sie fahren in einem festgelegten, engen Abstand hintereinander. Damit das funktioniert, müssen die Zugteile ständig miteinander kommunizieren und möglichst genaue Daten zur jeweiligen Position und Geschwindigkeit austauschen.

Im Projekt R2DATO hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) dafür ein neuartiges Funksystem entwickelt und auf einem abgesperrten Bahngelände erfolgreich getestet.

Virtuelles Kuppeln über 20 bis 200 Meter

Im Projekt hat das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation vor allem die dezentrale direkte Kommunikation zwischen Zügen untersucht. Also wenn sich diese relativ nah beieinander befinden. „Wir sprechen von Distanzen von zwanzig bis zweihundert Metern, die man fürs virtuelle Kuppeln benötigt. Für den Eisenbahnbereich ist das extrem nah. Denn dort hat man, abhängig von der Geschwindigkeit, oft Bremswege, die mehrere hundert Meter bis zu einem Kilometer lang sind“, beschreibt Projektleiter Paul Unterhuber.

Ultrabreitband für schnelle und präzise Kommunikation

Das vom DLR für diesen Einsatzzweck entwickelte und getestete System verwendet Ultrabreitbandkommunikation (englisch ultra-wideband, UWB). Das ist eine Funktechnologie, die ein extrem breites Frequenzspektrum nutzt, um Daten zu übertragen. Sie ermöglicht die präzise Positionsbestimmung und Übermittlung von Daten über kurze Entfernungen.

Aktuell kommt UWB zum Beispiel in Smartphones oder kleinen Ortungsgeräten für den Indoor- oder Industriebereich zum Einsatz. Auch in Autoschlüsseln zum Ver- und Entriegeln von Fahrzeugen wird diese Technik genutzt. „Als weiteren Vorteil ermöglicht es UWB, die Distanz zwischen zwei Zügen sehr genau zu errechnen“, erklärt DLR-Forscher Unterhuber. „Dazu nutzen wir die sogenannte Latenzzeit. Das ist die Zeit, welche die Datenpakete vom Sender zum Empfänger unterwegs sind. Damit haben wir alle notwendigen Informationen, um Beschleunigungs- und Bremsvorgänge im fürs virtuelle Kuppeln wichtigen Nahbereich zu regeln.“

Das für R2DATO entwickelte System verfügt zusätzlich über ein laserbasiertes Referenzsystem. Es ermittelt ebenfalls den Abstand zwischen den Zügen, um die Genauigkeit der Messungen mit UWB zu bewerten. Batterien liefern den Strom für alle Komponenten.

Geringe Abstände erfordern besondere Aufmerksamkeit

Erste Tests fanden auf einer Technikfläche der Niederländischen Staatsbahn „Nederlandse Spoorwegen“ (NS) in Amersfoot statt. Auf einer Strecke von 350 Metern fuhren zwei mit dem DLR-System ausgerüstete Regionalzüge mehrere hundertmal hintereinander auf und ab. Das DLR-System befand sich dabei in zwei kompakten Boxen, die auf den mechanischen Kupplungen an den Zugnasen befestigt waren. Eine dritte Box am Boden diente als Basisstation und sammelte zusätzliche Daten.

Die beiden Züge simulierten viele unterschiedliche Szenarien bei Geschwindigkeiten von zehn bis 25 Kilometern pro Stunde: Zum Beispiel fuhren die Züge mit Abständen von 15 bis 80 Metern hintereinander. Alternativ fuhr nur ein Zug, während der andere stand. Gesteuert wurden die Züge dabei von Lokführern – ein anstrengendes Manöver aufgrund der geringen Abstände. Zum Vergleich stellte das DLR-Team den Lokführern auf einem separaten Monitor auch die Live-Informationen aus dem DLR-System zur Verfügung. „Die Lokführer haben diese zusätzlichen Informationen sehr gut angenommen, weil sie die Steuerung wesentlich vereinfacht haben. In Zukunft sollen Daten aus solchen Systemen nicht nur Lokführer unterstützen, sondern zu einem weitgehend automatisierten oder autonomen Zugbetrieb beitragen“, bilanziert der Wissenschaftler.

Machbarkeit im Bahnumfeld demonstriert

Die ersten Ergebnisse aus den Versuchen stimmten das Team zuversichtlich: Der Abstand zwischen den beiden Zügen konnte bis auf wenige Zentimeter genau bestimmt werden. Mit den im Bahnbereich bisher eingesetzten Technologien ist das nicht möglich. „Generell konnten wir mit den Tests grundsätzlich zeigen, dass die Kommunikation zwischen den Zügen und die darauf basierende Distanzberechnung auch in der Praxis in einem bahnnahen Umfeld funktionieren – auf Entfernungen von wenigen Metern bis hin zu 350 Metern. Damit ist uns der ‚Proof-of-Concept‘ gelungen. Wir haben also die Machbarkeit unseres Konzepts in der Praxis gezeigt. Jetzt werten wir die gesammelten Daten weiter aus und können dann weitere Aussagen zur Präzision und zur Zuverlässigkeit des DLR-Systems treffen“, fasst Projektleiter Unterhuber zusammen.

NGT-Taxi – automatisierter Zugbetrieb auf Nebenstrecken

Auch das im Rahmen der DLR-Schienenverkehrsforschung entwickelte Konzept „Next Generation Train“ (NGT) Taxi setzt auf virtuell gekuppelte Zugteile. Das NGT-Taxi soll den automatisierten Zugbetrieb auf Nebenstrecken ermöglichen und diese Strecken so wieder attraktiver machen: Dazu soll es bedarfsorientiert fahren, also je nach Zahl der Fahrgäste zum Beispiel mehrere Zugwagen virtuell kuppeln.

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