Autonome Züge: Stand der Dinge & Ausblick

Gehören Verspätungen der Bahn bald der Vergangenheit an? KI und autonomes Fahren könnten für mehr Effizienz im Schienenverkehr sorgen.

Seit dem 19. Jahrhundert werden in Deutschland Züge betrieben. Erst mit Dampf, Torf, Holz oder Kohle, später mit Elektrizität, aber immer geführt von menschlichen Lokführer:innen. Das könnte sich bald ändern. Wie im Straßenverkehr soll autonomes Fahren künftig auch auf Gleisen für optimalen Verkehrsfluss sorgen. Verspätungen und Kapazitätsmängel könnten bald der Vergangenheit angehören. Wir haben uns den aktuellen Stand autonomer Züge in Deutschland, Frankreich und Japan angeschaut.

Was ist Automated Train Operation?

• Automated Train Operation ist ein digitales System zum automatischen Betrieb eines Zuges.
• Je nach Automationsgrad (GoA, Grade of Automation) werden Zugführer unterstützt oder sogar ersetzt.
• Die höchste Stufe der Zug-Automatisierung ist GoA4 mit Fernsteuer-Möglichkeit.

Einer der führenden Entwickler von sogenannten „Automated Train Operation“-Systemen oder kurz „ATO“ ist der französische Transport-Konzern Alstom. Der will schon in zwei Jahren eine Weltneuheit im Schienenverkehr präsentieren. Jean-François Beaudoin, Senior Vice President von Alstom Digital Mobility, beschreibt autonomes Fahren von Zügen in einem Interview folgendermaßen: ATO ist ein digitales System, das den automatischen Betrieb eines Zuges ermöglicht und den Zugführer unterstützt.

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Der Automatisierungsgrad bei Zügen wird im Standard IEC 62290-1 festgelegt. In der niedrigsten Stufe GoA1 werden sämtliche Vorgänge vom Betrieb bis zur Türschließung und dem Fahren und Halten am Bahnhof vom Lokführer durchgeführt. Je höher der Automatisierungsgrad („Grade of Automation“ oder „GoA“), desto mehr Aufgaben übernimmt das System.

GoA4 ist der höchste Automatisierungsgrad und vergleichbar mit Stufe 5 des autonomen Fahrens laut SAE-Norm. Der Computer steuert den Betrieb eines Zuges vollständig nach vorgegebenen Algorithmen und vorab aufgezeichneten Einsatzprofilen. Der Lokführer wird zum Troubleshooter und kümmert sich um die Fehlerbehebung und Wartung des Systems. Es besteht die Möglichkeit zur Fernsteuerung, ein Eingreifen in die Abläufe durch menschliche Lokführer oder anderes Sicherheitspersonal ist nicht mehr erforderlich.

Wo liegen die technischen Herausforderungen von autonomen Zügen?

• Züge operieren in offener und ungeschützter Umgebung.
• Wetterbedingungen, Bahnübergänge, Bahnhöfe, Menschen und Tiere können den Betrieb von Zügen beeinflussen.

Während fahrerlose und voll automatisierte U-Bahnen keine Seltenheit mehr sind, ist die Umsetzung der Technologie für das freie Verkehrsnetz noch immer eine große Herausforderung. Laut Beaudoin werden U-Bahnen in einer geschlossenen und geschützten Umgebung betrieben. Regionalzüge hingegen operieren auf ungeschütztem Terrain, das sich über hunderte Kilometer Länge erstreckt.

Dazu kommen unterschiedliche Wetterlagen, Objekte, Tiere oder Menschen, die plötzlich auf den Gleisen auftauchen können und andere unvorhersehbare Ereignisse. Ein autonom fahrender Zug muss seine Umgebung zu hundert Prozent erfassen und auf sämtliche Szenarien reagieren können. Sicheres autonomes Zugfahren benötigt außerdem exakte Berechnungen von Abständen zwischen einzelnen Zügen. Ein leistungsstarkes und fehlerfrei arbeitendes Computer- und KI-System sowie sichere Netzwerke müssen ebenfalls gewährleistet sein.

Was sind die Vorteile von autonomen Zügen?

• Autonome Züge können mit optimierter Geschwindigkeit durch berechnete Brems- und Anfahrzeiten fahren.
• Sie fahren pünktlich und ohne Verspätungen.
• Der Energieverbrauch wird durch gleichmäßigeren Betrieb gesenkt.

Autonom fahrende Robo-Taxis mit elektrischem Antrieb sollen künftig in vielen Metropolen die Verkehrs- und CO2-Belastung in den Innenstädten reduzieren. Im Zusammenspiel mit smarter Infrastruktur könnten selbstfahrende Vehikel für einen fließenden Verkehr sorgen. Ein Beispiel dafür sind Chinas Smart City-Projekte. Im Zugverkehr peilt man ähnliche Ziele an.

Autonom fahrende Züge ermöglichen laut Herstellern optimierte Geschwindigkeiten. KI-Systeme berechnen optimale Abbrems- und Beschleunigungszeiten, wodurch die Züge punktgenau starten und halten. Die menschliche Reaktionszeit würde eliminiert. Es werde einfacher, auf unvorhersehbare Ereignisse zu reagieren und Reisezeiten fielen allgemein kürzer aus.

Auch die Kapazität der Strecke könnte erhöht und die Anzahl der Züge flexibel an den Bedarf angepasst werden. Bahnkunden profitieren demnach von einer gesicherten Regelmäßigkeit und Verspätungen kämen kaum noch vor. Mehr Züge und höhere Kapazitäten würden gleichzeitig für eine Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schienen führen.

Automatisiertes Fahren senkt zudem den Energieverbrauch der Züge. Die Umweltbelastung würde also ebenfalls reduziert. Auch niedrigere Preise für Bahntickets könnten durch die reduzierten Kosten und die erhöhte Effizienz realisiert werden.

Stand der Forschung in Europa: Autonome Züge schon ab 2023?

• Die staatliche Eisenbahngesellschaft Frankreich (SNCF) testete im Oktober 2020 eine teilautonome Prima BB 27000 mit voll automatisierter Beschleunigungs- und Bremsfunktion.
• Seit März 2021 wird ein Regionalzug des Typs TER Regio 2N mit entsprechender Prototyp-Technik von Bombardier und mehreren weiteren Firmen in einer Versuchsreihe getestet.
• Eine vollständige Autonomie ohne Sicherheitsfahrer soll bis zum Jahr 2023 erreicht werden

2018 gründete die staatliche Eisenbahngesellschaft Frankreich (SNCF) zusammen mit dem Forschungsinstitut Railenium Technology und weiteren Industriepartnern zwei Konsortien zur Entwicklung von automatisierten Zügen. Gemeinsam mit Alstom, Altran, Hitachi und Apsys wird ein autonomer Güterzug entwickelt.

An einem automatisierten Personenzug arbeiten zudem Bombardier, dessen Zugsparte ebenfalls zum Alstom-Konzern gehört, Bosch, Spirops und Thales. Ziel der Projekte ist das Erreichen einer vollständigen Autonomie ohne Sicherheitsfahrer bis zum Jahr 2023. Zwei Jahre später soll der Industrialisierungsprozess beginnen.

Seit März dieses Jahres wird die Funktionsweise eines Prototyps in einer mehrstufigen Versuchsreihe getestet. Die Züge werden mit einer ähnlichen Technologie ausgestattet wie beim autonomen Fahren von Pkws und Lkws. Wärmekameras, Radare, Lidars und weitere Bewegungssensoren erfassen die Umgebung und sammeln wichtige Bewegungsdaten. Für Testfahrten wurde ein herkömmlicher Regionalzug des Typs TER Regio 2N mit dieser Technologie ausgestattet.

Erste Testfahrten erfolgreich durchgeführt

Während der ersten Tests auf kommerziellen Strecken im Norden Frankreichs steuerte ein speziell geschulter Lokführer das Vehikel. Dabei wurde die Funktionsweise des Wahrnehmungs- und Erkennungssystems für Signale entlang der Strecke und eines Geolokalisierungssystems, das über einen Satelliten die genaue Position des Zuges liefern soll, beobachtet.

Im Mai startete dann die zweite Versuchsreihe des Projekts. Auf einem Anschlussgleis in Busigny testete das Konsortium ein Betriebssystem für das automatische Bremsen und Beschleunigen der Maschine unter Aufsicht eines Lokführers. Der autonome Zug legte an einem Tag dreißig Mal eine Strecke von 700 Metern mit Höchstgeschwindigkeiten von 25 km/h zurück.

Zuvor brachte die SNCF schon im Oktober 2020 eine teilautonome Prima BB 27000 auf die Gleise zwischen Longwy und Longuyon. Die Lokomotive fuhr unter Aufsicht und realen Betriebsbedingungen mit vollständig automatisierten Beschleunigungs- und Bremsfunktionen.

Wann wird autonomes Zugfahren in Deutschland umgesetzt?

Alstom betreibt auch hierzulande Testprojekte mit dem Ziel, automatisierte Zugfahrten im regionalen Passagierverkehr anzubieten. Dazu kooperiert der Konzern mit dem Regionalverband Großraum Braunschweig, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der Technischen Universität Berlin.

Im regulären Fahrgastbetrieb wird derzeit der Automatisierungsgrad GoA3 getestet, also automatische Brems- und Beschleunigungsvorgänge unter Aufsicht eines Sicherheitslokführers. Der vollautomatische Betrieb gemäß GoA 4 ohne menschliches Personal kommt beim Rangieren zum Einsatz. Alstom will die Machbarkeit von autonomen Zügen bis 2023 demonstrieren. Danach soll die Zulassung des automatisierten Regionalverkehrs vorbereitet werden.

Weitere Projekte zum autonomen Zugfahren in Deutschland

Das bayerische Verkehrsministerium und die Stiftung Innovation und Zukunft finanzieren derzeit eine Vorstudie für das Projekt "BahnAutonom Bayern 2029 – Automatisiertes Bahnfahren" auf Nebenstrecken im ländlichen Raum. In Zusammenarbeit mit dem privaten Bahnanbieter Agilis und dem Schweizer Zugbauer Stadler soll in den kommenden Jahren auf einer Nebenstrecke zwischen Forchheim und Ebermannstadt bei Erlangen automatisierter Zugverkehr erprobt werden.

Im sächsischen Annaberg-Buchholz soll ein Kompetenzzentrum für intelligenten Schienenverkehr entstehen. Der „Smart Rail Connectivity Campus“ (SRCC) will digitale Vernetzung und Kommunikation mit der Eisenbahn verbinden und schrittweise automatisiertes Fahren sowie multimodal vernetzte Mobilitätsangebote ermöglichen.

Das ambitionierte Projekt wird vom Bundesverkehrsministerium unterstützt. Fördermittel in Höhe von 18 Millionen Euro sollen unter anderem dabei helfen, eine Forschungshalle zu errichten. Auch ein ehemaliges Bahnhofsgebäude wird saniert, um darin Firmen anzusiedeln. Über 160 Teilnehmer zählt das Smart-Rail-Projekt, darunter die Deutsche Bahn, Vodafone, Siemens, der französische Konzern Thales, die Technische Universität Chemnitz und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Auf einer 25 Kilometer langen, stillgelegten Bahnstrecke zwischen Annaberg, Buchholz und Schwarzenberg werden verschiedene Sensortechnologien erprobt. Ein geplantes 5G-Netzwerk soll künftig die „digitale Schiene“ ermöglichen. Zug, Schienen und Signale entlang der Strecke sowie die Leitstelle kommunizieren dann über das leistungsstarke Mobilfunknetz.

Für die Testfahrten setzt SRCC künftig einen fast dreißig Jahre alten Triebwagenzug namens LUCY ein. Der wurde von Thales mit einem KI-System und modernster Sensortechnologie ausgestattet, die aus der Luft- und Raumfahrtforschung stammt.

Shinkansen: Japans erster automatisierter Hochgeschwindigkeitszug

Die japanische Eisenbahngesellschaft JR East verfolgt einen Plan: Bis 2027 soll das Zugfahren in Japan revolutioniert werden. Neue technische Innovationen sollen im Rahmen der Move Up 2027-Initiative für mehr Sicherheit, Flexibilität und Klimaneutralität sorgen.

Dazu zählen unter anderem smarte Züge, die von Brennstoffzellen angetrieben werden, die Wasserstoff als Energiequelle nutzen. Für die Instandhaltung sollen Roboter eingesetzt werden. Drohnen beobachten die Schienen und helfen bei der Untersuchung von Unfällen.

Die smarten Züge sollen zudem automatisiert werden, um Kosten und Zeit zu sparen sowie die sinkende Zahl an verfügbaren Arbeitskräften zu kompensieren. JR East geht von einer sinkenden Population in den Gebieten Tokyo, Saitama, Chiba und Kanagawa von etwa dreißig Prozent bis 2040 aus.

Erste erfolgreiche Testfahrt eines automatisierten Zuges in Japan

Mitte November dieses Jahres schickte JR East einen Hochgeschwindigkeitszug der Baureihe Shinkansen E7 auf eine automatisierte Testfahrt. Ein Sicherheitsfahrer übergab die Steuerung auf einer fünf Kilometer langen Strecke in Niigata an das System.

Sicherheitspersonal überwachte die Fahrt zusätzlich von einem Kontrollzentrum aus und war dabei stets über eine lokale 5-G-Leitung mit dem autonom fahrenden Zug verbunden. Die Geschwindigkeit des Zugs wurde für den Test auf 110 km/h gedrosselt - unter normalen Bedingungen sind bis zu 260 km/h möglich.

Während der Fahrt kam es zu keinerlei Komplikationen. Für den Haltepunkt gab JR East eine Fehlertoleranz von 50 Zentimetern aus. Der automatisierte Zug verfehlte die Haltelinie allerdings nur um acht Zentimeter. Laut JR East sei das vergleichbar mit der Haltetechnik eines von menschlichen Lokführer:innen gesteuerten Zuges. Wann die Eisenbahngesellschaft automatisierte Züge im Regelbetrieb einsetzen will, steht noch nicht fest.

Titelbild: SNCF, Quelle: SNCF, Lok-Report, Alstom, SRCC, Wikipedia, The Japan Times

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