Automatisierung im Schienengüterverkehr

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1 19. Technische Informationsveranstaltung Automatisierung im Schienengüterverkehr Stefan Hagenlocher Geschäftsführender Gesellschafter hwh Ges. für Transport- und Unternehmensberatung mbh Hamburg, 21. Juni

2 Wer ist die hwh GmbH? hwh Gesellschaft für Transport- und Unternehmensberatung Sitz in Karlsruhe (DE), gegründet hwh Beratungsgesellschaft GmbH Sitz in Luzern (CH), gegründet Kunden: Verlader, Wagenhalter, EVU, Speditionen, Verbände, Politik, Ausgewählte Beratungsprojekte der hwh zum Thema Innovationen im SGV: Bewertung Use Cases Telematik und Sensorik Automatische Kupplung Bewertung von Innovationen im SGV 2

3 Trotz intensiver Sanierungsmaßnahmen gelingt es den meisten EVU nicht, eine ansprechende Rendite zu erzielen Kein nachhaltiger, finanzieller Erfolg Sanierung SGV Intensive Sanierungsanstrengungen in den letzten Jahren bei den europäischen Schienengüterverkehrsunternehmen Reduzierung EWLV-Netz / Stilllegung Gleisanschlüsse Aber kein finanzieller Erfolg insbesondere bei europ. Staatsbahnen seit Jahren häufig negative Ergebnissituation Aber auch bei privaten EVU seit Jahren kontinuierlicher Renditeverfall Diverse organisatorische Anpassungen Nur durch Innovationen kann der SGV Schritt halten Vielfältige Innovationen beim LKW Platooning Autonom fahrender Lkw Elektro-Lkw Digitalisierung/Telematik Automatisierung Betriebsabläufe (z.b. Bremsprobe) Energie- und Datenmanagement Automatische Kupplung Autonomes Fahren 3

4 Heute wird SGV mit hohem manuellen Aufwand betrieben Exemplarische Darstellung manueller Tätigkeiten vor Zugabfahrt* Wagen an-/abkuppeln Wagenliste/Bremszettel erstellen Lok an-/abkuppeln *Im Einzelwagenverkehr, insb. in Zugbildungsanlagen, sind die manuell durchzuführenden Tätigkeiten noch wesentlich umfangreicher als oben dargestellt. 4

5 Dabei beschränkt sich der hohe manuelle Aufwand nicht nur auf den Einzelwagenverkehr Ergebnisse Prozessanalyse* bei exemplarischem WLV Ganzzug / KV Seehafenhinterlandverkehr WLV Ganzzug Anzahl Tätigkeiten je Umlauf Gla-Gla** 14x Lok an- und abkuppeln 7x Wagen an- und abkuppeln 3x Aufnahme von Zugdaten 6x Behandeln von Zugdaten 3x Wagenlisten und Bremszettel erstellen 3x Wagentechnische Untersuchung durchführen 6x Bremsproben durchführen (3x volle und 3x vereinfachte Bremsprobe) KV Seehhafenhinterlandverkehr Anzahl Tätigkeiten je Umlauf Terminal-Terminal** 8x Lok an- und abkuppeln 30x Wagen an- und abkuppeln 4x Aufnahme von Zugdaten 4x Behandeln von Zugdaten 4x Wagenlisten und Bremszettel erstellen 4x Wagentechnische Untersuchung durchführen 9x Bremsproben durchführen (4x volle und 5x vereinfachte Bremsprobe) In der Automatisierung von Betriebsabläufen besteht ein hohes Potenzial zur Produktivitätssteigerung im SGV * Quelle hwh ** inkl. Zugbehandlung im Gleisanschluss des Kunden bzw. im KV-Terminal 5

6 Der Bahnsektor sieht erhebliche Potenziale durch die Digitalisierung und Automatisierung im Schienengüterverkehr In einem ersten Schritt auf dem Weg zur Digitalisierung rüsten Wagenhalter ihre Wagenflotten mit Telematikgeräten aus: Beispiele: Die Telematikgeräte ermöglichen zunächst Basis-Funktionalitäten wie z.b. GPS / Track&Trace Laufleistungserfassung Erfassung Ladezustand Stoßdetektion Temperatur, Druck, Die Energieversorgung erfolgt über Batterien. Die Datenübermittlung erfolgt per Funk an eine(n) Cloud/Server. Abbildung: Quelle: Bosch 6

7 Neben den Basisfunktionalitäten gibt es viele weitere Anwendungen mit Potenzial zur Produktivitätssteigerung Basis-Funktionalitäten Telematik Automatisierung Betriebsprozesse Track&Trace Laufleistungserfassung Stoßdetektion Erfassung Ladezustand Erfassung Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Erfassung Türöffnung o.ä. Autom. Bremsprobe Autom. Berechnung Bremsgewicht Autom. Erfassung Wagenreihung Autom. Zugintegritätsprüfung inkl. end-of-train-device Autom. Wagentechnische Untersuchung Komponentenüberwachung on-board (Bremse, Radsatzlager, ) Heißläuferdetektion Entgleisungsdetektion Elektro-pneumatische Bremse in Umsetzung Teilweise in Erprobung, teilweise noch nicht verfügbar Die Digitalisierung und Automatisierung von Bahnbetriebsprozessen steht mit der Ausrüstung von Güterwagen mit Telematikgeräten gerade erst am Anfang. Die Anforderungen an das Energie- und Datenmanagement an Bord eines Güterwagens werden mit zunehmenden Anwendungen steigen. 7

8 Mit der Automatisierung von Betriebsabläufen kann erheblicher manueller Aufwand eingespart werden, aber (Teil-)Automatisierung von Bremsprobe, Berechnung Bremsgewicht, Erfassung Wagenreihung, Zugintegritätsprüfung, wagentechnische Untersuchung, Komponentenüberwachung, u.v.a. führt zu einer Reduzierung des manuellen Aufwands?? aber: Wer kuppelt dann noch die Wagen/Lok an/ab? Woher kommt der Strom on-board für den gestiegenen Energiebedarf? Wie kann eine Intra-Zug-Kommunikation mit sicherheitsrelevanten Daten erfolgen? 8

9 Wichtige Bausteine für eine Automatisierung SGV sind Strom-/ Datenbusleitung sowie eine moderne autom. Kupplung Mit zunehmender Digitalisierung und Automatisierung im Bahnbetrieb sind viele Anwendungen in Entwicklung, dies es ermöglichen werden, die Attraktivität und Produktivität des Schienengüterverkehrs deutlich zu steigern. Automatische Zustandskontrolle Bauteile/ Komponenten Führerloses Fahren Automatische Bremsprobe / elektropneumatische Bremse Automatischer Rangierbetrieb/ Rangierbahnhof Digitalisierung / Automatisierung SGV* Automatische Erfassung der Wagenreihung Automatische Zugintegritätsprüfung Wesentliche Bausteine für die Automatisierung des SGV sind aber: eine zuverlässige Stromversorgung mittels einer durchgehenden Stromleitung; eine zuverlässige Datenübertragung mittels einer durchgehenden Datenbusleitung; eine Automatische Kupplung zwecks Vermeidung manuellen Aufwands, der die Erfolge der Automatisierung konterkarieren würde. * Exemplarische Anwendungen bei der Automatisierung/Digitalisierung SGV 9

10 Woher aber soll die zuverlässige Energieversorgung an Bord der Güterwagen kommen? Ergebnisse einer Umfrage der hwh GmbH im Rahmen Rail Freight Index (Frühjahr 2017)* Teilnehmer: ca. 50 EVU, Bahnspeditionen und Verlader Ca. jeweils ein Drittel der befragten Teilnehmer sprechen sich für Radsatzgenerator, Stromleitung oder Batterien/Photovoltaik aus. Es besteht derzeit noch kein einheitliches Zielbild Energiemanagement on-board in der Branche. Die Energieversorgung der Zukunft müsste in einem gemeinsamen Ansatz mit Wagenhaltern/EVU geklärt werden. Quelle: hwh GmbH 10

11 Die Automatisierung von bahnbetrieblichen Prozessen erfordert ein neues Energie-/Datenmanagement Energiemanagement Datenmanagement Status quo Zukünftig Batterie, ermöglicht Basisfunktionalitäten Telematik (z.b. Positionsmeldung jede Stunde); Lebensdauer ca. 6 Jahre Sobald höhere Anforderungen an Telematik bestehen (neue Funktionalitäten, höhere Sendefrequenz) reduziert sich die Laufzeit der Batterie (teils drastisch) Zunehmender Energiebedarf mit zunehmender Funktionalität Telematik Meldung von sicherheitsrelevanten Ereignissen (z.b. Entgleisung) erfordert ständiges Bestätigen der Sende- bzw. Empfangsbereitschaft der Sensorik è hoher Energieverbrauch Batterien nicht ausreichend, Radsatzgenerator zu teuer Bei Basisfunktionalitäten Telematik Datenübermittlung per Funk von Telematik Device am Wagen zur Cloud Erste Ansätze für Intra-Zug-Kommunikation funkgebunden, aber noch keine Standards/ Harmonisierung Übermittlung von sicherheitsrelevanten Daten (z.b. Entgleisung) erfordert sichere Datenübertragung im Zug (von Wagen zur Lok) Notfallkanal muss immer freigehalten werden Bei funkbasierter Datenübermittlung wird die 100%-verlässliche Übertragung (auch bei Abschattung, im Tunnel, etc.) herausfordernd. Strom-/Datenbusleitung in Kombination mit Akkus/Funk als favorisierte Option 11

12 Die bisherigen Versuche zur Einführung einer AK in Europa sind aus diversen Gründen gescheitert 1960/70er Jahre Unicupler AK69 und Intermat 1990er Jahre Z-AK Entwicklung der Unicupler AK69 und der Intermat-Kupplung in den 60/70er Jahren mit Kompatibilität zur russischen SA3. Einführung innerhalb eines kurzen Zeitraums in Europa war beschlossen. Die Wirtschaftskrise in den 70er Jahren, die Fokussierung der Staatsbahnen auf Investitionen für den HGV im Personenverkehr sowie Bedenken zur Wirtschaftlichkeit der AK führten zu einer Beendigung des Vorhabens. Entwicklung der Z-AK durch Knorr-Bremse in den 90er Jahren als kostengünstige AK. Allerdings nur Aufnahme von Zugkräften, Druckkräfte wurden weiterhin über Puffer aufgenommen. Erprobung von 300 Prototypen in Güterwagen im Tonverkehr. Auch die Z-AK konnte sich nicht durchsetzen, da einem hohen Investitionsaufwand nur geringe Nutzeneffekte gegenüber standen. Quelle Fotos: Ferstl, D. Übersicht Automatische Kupplungssysteme; Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH 12

13 Mittlerweile haben sich aber die Rahmenbedingungen im Schienengüterverkehr massiv geändert Frühes 20. Jahrhundert Spätes 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert AK zur Reduzierung von Rangierunfällen AK zur Produktivitätssteigerung im Rangierbetrieb AK als Baustein zur Automatisierung und Digitalisierung des Schienengüterverkehrs in Europa

14 Eine Investition in die Automatische Kupplung ist eine Investition in die Stärken des Systems Schiene Strom- und Datenbusleitung Effizienzsteigerung Enabler-Funktion Sicherheit / Umwelt Lange Züge Strom- und Datenbus Arbeitssicherheit Elektro-pneumatische Bremse Schwere Züge Schnelle Züge Reduzierung Rangieraufwand Ep-Bremse Autom. Bremsprobe Entgleisungssicherheit Automatische Kupplung Erhöhung Systemgeschwindigkeit Zugintegritätskontrolle Reduzierung Lärm Automatisierte Betriebsabläufe Analyse der Geschäftsprozesse Autonomes Fahren Neue Betriebsbilder Verschleißreduzierung Beschleunigung Grenzaufenthaltszeiten Erhöhung Zuladung Kapazitätserhöhung Netz Erfassung Wagenreihung Predictive Maintenance Überwachung sicherheitsrelevanter Komponenten Reduzierung CO 2 Erhöhung Energierückspeisung beim Bremsen 14

15 Eine moderne AK sollte die Automatisierung des SGV entsprechend unterstützen è AK Typ 4 bzw. 5 als Ziel Die AK soll folgende Funktionalitäten erfüllen Automatisches Kuppeln* Automatisches Kuppeln* Luftleitungen Automatisches Kuppeln* Luft- und Stromleitung Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 Automatisches Kuppeln* Luft-, Strom- und Datenbusleitung Automatisches Kuppeln Luft-, Strom- und Datenbusleitung Ferngesteuertes, vollautomatisiertes Entkuppeln Lediglich AK Typ 5 kann die mechanische Verbindung der Kupplung automatisch entkuppeln. Zudem kuppelt die AK Typ 5 auch Luft-/Strom- und Datenbusleitungen. Für die Realisierung des automatischen Bahnbetriebs ist daher eine vollautomatische Kupplung des Typs 5 erforderlich. * Entkuppeln erfolgt manuell durch Ziehen eines Seilzuges/Hebels 15

16 AK Typen im Kontext Automatisierung und Digitalisierung Nutzen / Automatisierungsgrad Schematische Darstellung Schraubenkupplung Partielle Digitalisierung SGV mit Behelfsmitteln SK AK 1 AK 2 Digitalisierung SGV AK 3 Umfassende Digitalisierung SGV Automatisches Kuppeln von Luft-, Stromund Datenbusleitung ep-bremse Automatisches Entkuppeln ferngesteuert AK 4 Automatisches Kuppeln von Luft-, Strom- und Datenbusleitung ep-bremse Entkuppeln teilautomatisiert* Automatisches Kuppeln von Luft- und Stromleitung ep-bremse Entkuppeln teilautomatisiert* Automatisches Kuppeln von Luftleitung Entkuppeln teilautomatisiert* Automatisches, mechanisches Kuppeln Kuppeln Luftleitung und Entkuppeln manuell Kosten je Kupplung Aufwärtskompatibilität der AK 1 AK 5 wird angenommen AK 5 Vollautomatisierter SGV Teilautomatisierter SGV Manueller SGV 16

17 Fazit Trotz intensiver Sanierungsanstrengungen ist es den EVU in Europa bisher nicht gelungen, eine nachhaltige, positive Ergebnissituation zu erzielen. Die Innovationen im Lkw-Bereich führen zu einem Ausbau des Wettbewerbsvorsprungs der Straße gg. dem SGV. Der Sektor SGV hat verstanden, dass Innovationen erforderlich sind, um die Produktivität deutlich zu erhöhen. Die Wagenflotten werden daher in einem ersten Schritt sukzessive mit Basis-Telematik ausgerüstet. Erhebliches Potenzial zur Produktivitätssteigerung im SGV wird insbesondere in der (Teil-)Automatisierung der heute sehr aufwändigen Betriebsprozesse gesehen. Hierzu gehört bspw. eine Automatisierung der Bremsprobe, der Erfassung der Wagenreihung oder auch eine Zugintegritätsprüfung*. Mit zunehmendem Einsatz von Telematikanwendungen im Güterwagen/Güterzug steigt auch der Energiebedarf. Zudem bedarf es einer sicheren Intra-Zug-Kommunikation bspw. für sicherheitsrelevante Informationen (z.b. Meldung Komponentenzustand, Ereignisse, Zugintegrität, ). Eine physische Strom- und Datenbusleitung in Verbindung mit einer innovativen, automatischen Kupplung wird als ein Baustein für die (Teil)-Automatisierung des SGV in Europa eingeschätzt. Aufgrund der Verfügbarkeit von Strom im Güterzug kann auch eine ep-bremse eingeführt werden. Die Herausforderung für den Sektor SGV besteht darin, eine Migrationsstrategie für die o.g. Innovationen zu entwickeln und auch kurz- bis mittelfristig umzusetzen. Dies beinhaltet u.a. auch die Verständigung auf einen Standard für das Energie-/Datenmanagement sowie für eine autom. Kupplung für den SGV. Mehrere EVU und Wagenhalter haben diese Herausforderung angenommen und arbeiten z.b. im Rahmen des TIS** an solchen Standards und Migrationsstrategien. * als Voraussetzung für Einführung ETCS-Level 3 ** TIS = Technischer Innovationskreis Schienengüterverkehr vgl. 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Stefan Hagenlocher hwh Ges. für Transport- und Unternehmensberatung mbh Hübschstr Karlsruhe Homepage: 18