Potenziale der Automatisierung im Schienenverkehr und 5G als Kommunikationsebene

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1 8. Forum Bahntechnik 2019 Potenziale der Automatisierung im Schienenverkehr und 5G als Kommunikationsebene Dr. Michael Leining NEXTRAIL Stefan Lossau quattron management consulting Nürnberg, den 12. März 2019

2 Agenda 8. Forum Bahntechnik Kurzvorstellung Automatisierung Schienenverkehr Kommunikationsebene 5G 2

3 Die quattron group integriert strategische und technische Beratung, Projektmanagement sowie IT-Lösungen für komplexe Infrastrukturen Solutions for infrastructure > 15 Jahre Marktpräsenz > 100 Berater und Ingenieure > 10 Mio. Umsatz Strategie-, Finance-, Prozess- und Organisationsberatung für Infrastrukturtechnologien Projektmanagement großer und komplexer Eisenbahn- infrastruktur- Projekte Technische Beratung, Spezifikation, Infrastrukturdaten, RAMS- Analysen, Prüfung und Abnahmen für ETCS und LST IT-Lösungen und Services für Infrastruktur- Projekte Strategie- und Transaktionsberatung, Kommunikation und Politik für Daseinsvorsorge, Energie, Verkehr, Immobilien und Gesundheitswirtschaft Projektmanagement und technische Beratung für TK- Infrastruktur sowie Akquisition und Funk-/ Festnetzplanung 3

4 Agenda 8. Forum Bahntechnik Kurzvorstellung 2. Automatisierung Schienenverkehr 3. Kommunikationsebene 5G 4

5 Autonomes Fahren wird in allen Verkehrsträgern Einzug halten Quelle: Gnangarra, commons.wikimedia.org Quelle: Tobias Bär, commons.wikimedia.org Straßenverkehr Eisenbahnen Autonomer Verkehr Schifffahrt Luftverkehr (Artikel: WBdNJgjaIOFYbbZHTwaq-ap3) Quelle: Ben Smith, commons.wikimedia.org 5

6 Automatisierung im Nahverkehr ist schon lange Realität - auch hier in Nürnberg Source: Tristos, Wikipedia Source: Subscriptshoe, Wikipedia Source: Cmglee, Wikipedia Source: Thyristorchopper, Wikipedia Source: LeoMSantos, Wikipedia 6

7 Quelle: Sebastian Terfloth, de. Wikipedia.org Quelle: Sirap bandung, en. Wikipedia.org Quelle: Tim Lezard, usilive.org Quelle: Freddy2001, de. Wikipedia.org Ein wesentlicher Technologiesprung liegt zwischen GoA 1/2 und GoA 3/4 Störungsmanagement Tür-Schließung Zug in Bewegung setzen Zug fahren und anhalten () Der Zug wird manuell gefahren. Mindestens Abfahrt und Halt werden durch einen Lokführer durchgeführt. Automatisches Abfahren der Geschwindigkeitskurven gem. Vsoll möglich (vgl. AFB bei LZB und ETCS). Der Zug fährt automatisch, nur Abfahrtsauftrag durch Lokführer. Der Lokführer ist immer noch im Führerstand, um das Schließen der Türen zu überwachen und ggf. Fehlermanagement zu betreiben. Ein Zugbegleiter ist anwesend, der das Schließen der Türen überwacht, in Notfällen eingreifen kann und den Zug führen könnte. Er sitzt jedoch nicht zwangsläufig vorne. Der Zug fährt gänzlich unbegleitet, alle Funktionen sind automatisiert. Das Kontrollsystem übernimmt alle Fahrt- und Überwachungsfunktionen. GoA 1 Nicht-automatisiertes Fahren GoA 2 Teil-automatisiertes Fahren GoA 3 Fahrerloses Fahren GoA 4 Voll-automatisiertes Fahren 7

8 Erwartungen an automatisiertes Fahren Kapazität Betriebsqualität Energiekosten senken Flexibilität Kosteneffizienz Höhere Sicherheit Taktverdichtung Mehr Züge ohne Bau weiterer Gleise Pünktlichkeit Anpassung an aktuelle Betriebslage Flexible Einsatzplanung Bereitstellung zusätzlicher Kapazitäten für Spitzen Unabhängigkeit von Betriebspersonalen Energieeinsparung Keine betrieblichen Fehlhandlungen 8

9 CBTC Funktionen und Teilsysteme, die in Mainline-Systemen unüblich sind Moving block oder sehr dichter fixed block Full supervision bzw. permanente Überwachung der Zugsicherung Automatisiertes Fahren, mindestens GoA 2 GoA 3/ 4: Überwachungs- / Steuerungsfunktionen Innenraum und technische Systeme Reisenden-Lenkung, insbesondere Bahnsteigtüren (Screen Doors) Hoch integrierte Traffic Management Systeme Weitgehend abgeschirmte Trassenführung Zugintegritätsprüfung 9

10 Mit geringfügigen Weiterentwicklungen lässt sich ATO über ETCS zeitnah einsetzen Verfügbare Systeme Digitale Stellwerke DSTW ETCS L2 ohne Signale ATO GoA 2 Funksystem Dispositionssysteme Status Bereitstellung standardisierter Schnittstellen Produkte verfügbar Spezifikationen bis GoA 2 vorhanden Spezifikationen sind vorhanden Ausnutzen wesentlicher Vorteile des ATO ist gegeben Mit GPRS kann GSM-R auch heute schon für ATO genutzt werden Dispositionssysteme nur mit Einschränkungen als TMS nutzbar Weiterentwicklungsbedarf Bei Bedarf Ergänzung weitere Standardschnittstellen Erweiterung der ETCS Spec. um GoA 2 Funktionalitäten keiner FRMCS 1 bis GoA 4 auslegen TMS Funktionen entwickeln Dispo-Systeme erweitern 1 FRMCS = Future Railway Mobile Communication System (Nachfolge GSM-R) 10

11 Mindestausrüstung für eine GoA 2 Konfiguration mit heute verfügbarer Technologie GSM-R Onboard Zugsicherungssystem (ETCS OBU) ATO System ATS System (S = Supervision / Diagnose) Disposition / Steuerung Ggf. lokaler Funk zur Übertragung von Journey Profiles ESTW/DSTW ATS Infrastrukturseitig Zugsicherungssystem (RBC) ATO System ATS System (S = Supervision / Diagnose) Funk-System (IP-basiert) Stellwerk Zugsteuerungssysteme / Dispositionssysteme ETCS ATP ATO 11

12 ATO und ETCS sind Systeme, die eine strecken- und eine fahrzeugseitige Komponenten haben Strecken-Seite Bedienung Funkschnittstelle ATO Zugsteuerung ATO-TS RBC ESTW Modem ATO-OB Modem ETCS-OB Version 3.6.0, ergänzt um CR1238*) Funkschnittstelle Zugsicherung ORD Fahrzeug-Seite *) Im CR1238 werden ATO relevanten Modifikationen von ETCS spezifiziert. 12

13 Die Funktionen eines dynamischen TMS können die Kapazität weiter steigern Streckenfunktionalität (ATO TS) ATO/TMS-Gesamtfunktionalität Fahrzeugfunktionalität (ATO OB) Kontinuierliche, globale Betriebsoptimierung durch innovatives TMS Ableitung von ATO-Fahrvorgaben anhand aktueller Betriebslage (dynamische Fahrpläne) Berücksichtigung von aktuellen Infrastruktureinschränkungen Unterstützung durch (Teil-) Automatisierung von Betriebsentscheidungen und Kommunikationsprozessen Automatisches Fahren und Stoppen des Zuges (entlang dynamischer Fahrpläne und Infrastrukturdaten) Hochpräzises Abfahren der ATO-Geschwindigkeitskurve durch ETCS gesichert Abfertigungsprozess, Start und Streckenbeobachtung sowie ständige Eingriffsmöglichkeit durch Triebfahrzeugführer Kontinuierliche Kommunikation Fahrzeug Strecke über leistungsfähiges Funksystem (z. B. 5G) Optimierung der ATO- Geschwindigkeitskurve entlang der aktuellen (streckenseitigen) ATO-Fahrvorgaben Steuerung des Fahrzeugs entlang der ATO-Geschwindigkeitskurve, überwacht durch ETCS Präzises, automatisches Halten Laufende Statusmeldungen an die Strecke TMS = Traffic Management System/Verkehrsleitsystem 13

14 Agenda 8. Forum Bahntechnik Kurzvorstellung Automatisierung Schienenverkehr 3. Kommunikationsebene 5G 14

15 Ein dynamisches TMS steigert den Kapazitätseffekt - Voraussetzung ist ein schnelles Funksystem 5G Optimale Ausrüstung für eine künftige GoA 2 / 3 / 4 Konfiguration mit 5G als Kommunikationsebene Dynamische Verkehrsmanagementsysteme (TMS) führen die Züge jederzeit gemäß der aktuellen Betriebssituation unter Berücksichtigung netzweiter Optimierungseffekte Traffic Management System ETCS DSTW ATS ATP ATO Ein echtzeitfähiges und ein damit für die Kommunikation zeitkritischer Systeme geeignetes Funksystem wie 5G ist Voraussetzung hierfür. 15

16 Mit einem dynamischen TMS steigt die Komplexität des Systems und damit die Anforderungen an die Laufzeit Strecken-Seite CCTV Maintenance Aufgabenmanagement Konfliktlösung HMI PIS Fahrstrom Schnittstellen Infrastrukturdatenmanagement Aktueller Fahrplan ATO-TS CTC Datenbank / Statistik ESTW RBC Zugsteuerung ATO-OB ETCS-OB Version 3.6.0, ergänzt um CR1238*) ORD Fahrzeug-Seite 16

17 In der Schweiz basiert das technische Zielbild des automatisierten Bahnbetriebs auf einem 5G - Funksystem Mobil Fest Zentral 17

18 5G-Potenziale ergeben sich neben der Latenzzeit auch aus den Dimensionen Datenrate und Anzahl von Endgeräten Anwendungsfelder auf Basis bester Verbindungsqualität, Stabilität und Verfügbarkeit (QoS) 5G < 1ms mit geringen Latenzzeiten bspw. für Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation hier steht Echtzeit-Datenübertagung im Fokus und weniger die Übermittlung enormer Datenmengen: Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC) Dienste mit hohen Datenübertragungsraten wie z.b. hochauflösendes Videostreaming Bis 10 Gbit/s insb. bei mehreren Teilnehmern in einer Zelle): Enhanced Mobile Broadband embb Globale Vernetzung bzw. Internet der Dinge (IoT) einer riesigen Anzahl von smarten Geräten (von heute 7 Mrd. Smartphones zu zukünftig 500 Mrd. Endgeräten) mit Sensoren: Massive Maschine Type Communication (mmtc) 18

19 Weitere Anwendungen ergeben sich bei hohen Datenraten wie bspw. Diagnose / Entstörung aus der Ferne Präzise Lokalisierung (5G Enhanced Positioning) Innenraumüberwachung Fahrzeuge ATO mit ETCS 1 5G Connectivity Anlagenüberwachung (Dopplung IT Security) Reisendenlenkung (insbesondere Screen doors) 1 5G hier nicht zwingend, theoretisch auch 4G ausreichend Instandhaltung / Entstörung / Ferndiagnose 19

20 Mobilitäts-Plattformen mit großer Menge von Verkehrsträgern (IoT) erfordern ebenfalls 5G-Kommunikation Parkplatz Scooter- Strom Bike- Sharing Ride-Sharing Taxi Mobilitäts-Plattform Car-Sharing Bus Bahn Schiffe Tram S-Bahn U-Bahn 20

21 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Michael Leining Stefan Lossau THE RAILWAY EXPERTS THE TECHNOLOGY TRANSFORMERS Solutions for infrastructure 21