Thales Lucy-Zug unterwegs im Dunkeln, im Hintergrund Windräder
Connectivity

Autonome Züge: Mit 5G vom Test zur Wirklichkeit

Autonome Züge könnten schon bald eine wertvolle Ergänzung im öffentlichen Personen- oder Güterverkehr darstellen. Vor dem Hintergrund akuten Fachkräftemangels und dem Wunsch nach mehr Effizienz im Schienenverkehr wird das Thema derzeit intensiv erforscht. Ein erster Schritt in diese Richtung ist der teleoperierte Zug, der kürzlich dank Vodafones 5G-Netz und dem privaten Bahnbetreiber Thales auf einer Teststrecke im Erzgebirge unterwegs war.

Autonomes Fahren ist einer der wichtigsten Trends des 21. Jahrhunderts und betrifft immer mehr auch den Zugverkehr. Dank künstlicher Intelligenz, Big-Data-Algorithmen und immer schnelleren Mobilfunknetzen können in kürzester Zeit Unmengen an Daten verarbeitet werden – und ohne menschliches Zutun in sinnvolle Entscheidungen überführt werden.

Auf einer Teststrecke im Erzgebirge hat Vodafone zusammen mit Thales einen Zug aus der Ferne gesteuert. Der Lokführer saß dabei an einem Rechner im eigens aufgebauten Leitstand und nicht in der Lok selbst.

Inhaltsverzeichnis

Wie funktioniert eigentlich eine fahrerlose Bahn?

Keine Frage – beim Thema Zugfahren steht aus Sicht des Bahnbetreibers und der Fahrgäste vor allem das Thema Sicherheit im Vordergrund. Ein Zug ohne Lokführer muss blitzschnell korrekte Entscheidungen treffen können: Er muss etwa eine Notbremsung einleiten oder aus Sicherheitsgründen in den nächsten Bahnhof weiterfahren. Das funktioniert nur, wenn alle wichtigen Informationen zu jeder Zeit in digitaler Form vorliegen und mit intelligenten, lernfähigen Algorithmen bearbeitet werden. Einfach einen Zug per Fernsteuerung auf ein Gleis zu schicken, ist somit die eine Sache – eine Reise von A nach B im öffentlichen Schienenraum durchzuführen, eine ganz andere.

Züge, die bereits mehr oder weniger ohne menschliches Zutun ihren Dienst verrichten, sind derzeit nur in örtlich beschränkten Kleinprojekten Realität. So befördert seit 2002 der sogenannte Skytrain Fahrgäste zwischen den einzelnen Terminals des Düsseldorfer Flughafens. Beim Skytrain handelt es sich um ein teilautonomes Zugbeförderungssystem, das an einer Fahrschiene hängt.
Die erste Bahn dieser Art wurde bereits im Jahr 1984 auf dem Gelände der Technischen Universität Dortmund in Betrieb genommen. Sie verbindet unter dem Namen "H-Bahn" inzwischen nicht nur den Nord- und Südcampus der Universität miteinander. Darüber hinaus wurde die Linie bis in den Dortmunder Technologiepark und den Ortsteil Eichlinghofen, in dem viele Studenten leben, verlängert. 
Das Besondere an dieser Bahn ist, dass sie nicht auf Schienen fährt, sondern an einer aufgeständerten Gleiskonstruktion hängt – ähnlich wie dies bei der Wuppertaler Schwebebahn der Fall ist. Kollisionen mit anderen Zügen, die nicht im selben System fahren, sind so ausgeschlossen. Die Überwachung der Bahn erfolgt von einer zentralen Leitstelle aus – die Züge selbst kommen ohne Fahrer aus und fahren schon jetzt mehr oder weniger von selbst.
Es gibt noch weitere Strecken in Deutschland, die schon jetzt von (teil-)autonomen Zügen befahren werden – jedoch ebenfalls auf festgelegten, eigens abgesperrten Einzelstrecken und kabelgebunden. Beispiele hierfür sind die Nürnberger U-Bahn-Linien U3 (seit 2008) und U2 (seit 2010), die jeweils ohne Fahrer auskommen. Außerdem fährt in Potsdam seit einiger Zeit eine Straßenbahn im vollautonomen Probebetrieb: Für Notfälle und aufgrund gesetzlicher Bestimmungen ist in der Potsdamer Straßenbahn allerdings immer ein Fahrer mit an Bord.
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Das Thema des autonomen Zugfahrens ist also nicht grundsätzlich neu. Sollen jedoch Züge auf beliebigen Strecken (also auch auf dem Land) fahren, dann wird es komplex: Jederzeit und ohne Vorwarnung können Hindernisse oder technische Probleme auftreten. Ohne umfangreiche Sensorik, intelligente Algorithmen und ein leistungsstarkes Übertragungsnetz müsste wirklich autonomes Zugfahren eine Illusion bleiben. 

Der teleoperierte Zug als Zwischenschritt zum autonomen Schienenfahrzeug

Ein weiterer, wichtiger Schritt in Richtung des autonomen Zugfahrens ist der sogenannte teleoperierte Zug. Der Lokführer sitzt nicht mehr im Cockpit und schaut durch ein Fenster auf die Strecke. Statt dessen sitzt er in einem vielleicht mehrere Kilometer entfernten Raum vor einer Steuerkonsole und blickt auf mehrere Bildschirme. Einer davon zeigt weiterhin die Sicht, die er als Lokführer im Cockpit auch hätte. Andere wiederum zeigen wichtige Betriebsparameter des Zuges wie den Bremsdruck, den Zustand der Türen und andere Dinge an. 
Der Lokführer entscheidet aus der Ferne über Vorgänge wie Beschleunigen, Bremsen, Haltepunkte und vieles mehr. Diese Befehle werden dann in Quasi-Echtzeit an das Fahrzeug übergeben und dort von Maschinen ausgeführt. 
Was zunächst wie eine simple Fernsteuerung klingt, ist technisch extrem aufwändig: Immerhin müssen die gesamten Informationen, die sonst im Cockpit des Zuges zusammenlaufen, auf sicherem und verzögerungsfreiem Weg in die Leitstelle und wieder zurück zum Zug übertragen werden.
Das Bild zeigt einen Mann mit einem Notebook

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Das können besonders im Downstream (also auf dem Weg in die Leitstelle) bisweilen riesige Datenmengen sein – insbesondere, wenn es um umfangreiches und hochauflösendes Videomaterial geht. Treffen diese Informationen zeitverzögert beim Lokführer in der Ferne ein, hat dieser möglicherweise keine Chance mehr, auf Probleme rechtzeitig zu reagieren. Außerdem muss gewährleistet sein, dass der Zug bei einem Abbruch der Datenverbindung nicht einfach als Geisterzug weiter über die Strecke rast.
Thales Lucy-Zug im Depot, im Hintergrund Bäume
Der Thales Lucy wurde im Erzgebirge via 5G-Mobilfunk ferngesteuert. Bild: Deutsche Bahn AG / Thales

Künstliche Intelligenz, Big Data und 5G müssen perfekt zusammenspielen

Ein autonomes Zugsystem besteht daher im Wesentlichen aus diesen Komponenten:
  • Dem Triebwagen mit entsprechender Sensorik für die Erfassung von Daten, Komponenten für deren Übermittlung und automatisch steuerbare Systeme wie beispielsweise das Brems- und Antriebssystem
  • Einer leistungsstarken Konnektivität wie dem Vodafone 5G-Netzwerk, das Latenzzeiten im geringen Millisekundenbereich, Hochtechnologien wie Network Slicing und garantierte Bandbreiten sicherstellt
  • Einer Steuerzentrale für teleoperiertes Fahren, an der alle Fäden zusammenlaufen, beziehungsweise in einem weiteren Schritt eine redundante Cloud-Infrastruktur, die die Sensorwerte intelligent verarbeitet und in Fahr- oder Bremsbefehle (und vieles mehr) umsetzt

Erster 5G-Feldversuch erfolgreich: Im Erzgebirge mit Vodafone und Thales

Vodafone unternimmt bekanntermaßen große Anstrengungen im Bereich des 5G-Ausbaus. Doch ein 5G-Netz "aus dem Nichts" aufzubauen und damit einen Zug zu steuern, stellt eine besondere Herausforderung dar. Dieser haben sich die Vodafone-Ingenieure gemeinsam mit den Experten von Thales, einem privaten Technologiekonzern aus Frankreich, kürzlich gestellt. Sie haben im Erzgebirge am Smart Rail Connectivity Campus ein 5G-Netz in Betrieb genommen, einen Leitstand aufgebaut und den Thales-eigenen Testzug "Lucy" auf die Gleise geschickt.
Wie das genau aussah, verrät Ihnen nachstehendes Video:
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Die Eckdaten des Projekts im Detail:
  • Projektziel: Mobile Fernsteuerung eines Zuges ohne Kabelverbindung
  • Ort der Testfahrt: Smart Rail Connectivity Campus, Erzgebirgsbahn, 09456 Annaberg-Buchholz
  • Höhe des 5G-Masten (MTT-Gitterturm): 35 Meter
  • Latenzzeit für die Datenübertragung: kleiner als zehn Millisekunden
  • Downstream-Rate: Mehr als 380 Megabit pro Sekunde
  • Upstream-Rate: Mehr als 60 Megabit pro Sekunde
Es handelte sich um die erste teleoperierte Testfahrt eines Zuges mit Hilfe des 5G-Mobilfunks überhaupt. Weitere Tests werden natürlich folgen. Neben dem möglichen Einsatz im Personenverkehr lässt sich das System auch bei Güterzügen anwenden. Diese könnten so mit viel weniger zeitlichem Aufwand rangiert werden. 
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Zuverlässige autonome Steuerungen mit 5G und Cloud-Computing hätten im Personen- und Güterverkehr nicht nur große Effizienzgewinne zur Folge, sondern könnten langfristig die Sicherheit erhöhen, da der Faktor "menschliches Versagen" wegfallen würde.
Das kommende 5G-Netz eignet sich offensichtlich hervorragend für Echtzeitanwendungen wie Zugsteuerungen, aber auch für die Kransteuerung, autonomes Autofahren und Anwendungen in der Medizintechnik. Im Grunde sind der Fantasie für künftige Entwicklungen kaum Grenzen gesetzt. Autonome Züge sind dabei nur eine Idee von vielen spannenden Anwendungen, die dank der Entwicklung des neuen Mobilfunkstandards 5G so langsam Gestalt annehmen.
Nicht nur die Art, wie wir reisen, wird sich bald revolutionieren – in der Arbeitswelt finden ebenfalls disruptive Veränderungen statt. Auf unserer Vodafone Business-Website erfahren Sie noch mehr zum Thema New Work und wie die Einführung auch bei Ihnen im Unternehmen gelingt.
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