Güterwagen 4.0 Ausgewählte technologische Ansätze für einen wettbewerbsfähigen Schienengüterverkehr Prof. Dr.-Ing. Manfred Enning FH Aachen

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Sara Schuler
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1 5. Fachsymposium Schienengüterverkehr und Bahn-Effizienz Güterwagen 4.0 Ausgewählte technologische Ansätze für einen wettbewerbsfähigen Schienengüterverkehr Prof. Dr.-Ing. Manfred Enning FH Aachen Lehrgebiet Bahnsystemtechnik Prof. Dr. Raphael Pfaff FH Aachen Lehrgebiet Schienenfahrzeugtechnik [ xy ] - 1

2 Einzelwagen? Braucht man die noch? 4 Thesen 1. Der Lkw kann alles besser Lkw-Elektrifizierung / - Konvois. Zuende gedacht? Just in Sequence: Wartende Fahrer Pariser Abkommen erfordert MEHR Bahn 2. Ausgleich des EWV durch andere Bahn-Produkte Ganzzugmengen entstehen aus Wagengruppen KV nutzt Hauptrouten, EWV auch Infrastruktur der Fläche Hunderte Millionen Invest in Rbf sind Invest in EWV 3. Güterwagen dürfen nichts kosten. Geringe Laufleistung, nicht planbar Platzkarte im Güterzug: Xrail Flexible Routen: Netzwerkbahn 4. Industrie 4.0 ist nicht EWV-kompatibel Falsch! Es fehlt nur der Güterwagen 4.0 [ xy ] - 2

3 Warum ist EWV oft unattraktiv? Lange Laufzeiten durch häufige Zugumstellung im Knotenpunktsystem Unpünktlichkeit durch Verpassen bzw. überfüllte Anschlüsse Hohe Kosten durch personal-/ zeitintensive Prozesse Häufige technische Störungen, Mangelhafte Ladungsverfolgung Komplizierte Prozesse auf der letzten Meile [ xy ] - 3

und flüssig Zugvorbereitung immer noch viel zu lang Foto: Enning, FH Aachen!

4 Neue Chancen für Steigerung der Attraktivität Foto: Enning, FH Aachen Modernisierung der ZBA weitgehend abgeschlossen Zugumstellungen gehen schnell und flüssig Zugvorbereitung immer noch viel zu lang Foto: Enning, FH Aachen! Verbesserung an Wagen dringend notwendig um das Potenzial heben zu können! [ xy ] - 4

Zuglängen Quelle: Deutsche Bahn [7] Schnellere Wagenumläufe Planbare Umläufe

5 Güterwagenumläufe werden planbar Quelle: Xrail [6] Pünktlichkeit Buchungssystem Mischung der Systeme Einzelwagen, Ganzzug, KV IT-Integration Nutzung freier Zuglängen Quelle: Deutsche Bahn [7] Schnellere Wagenumläufe Planbare Umläufe Invest in rollendes Material Voraussetzung: Nutzen muss bei Akteuren ankommen [ xy ] - 5

Kennt sich Kennt seinen Zustand Kennt seine Ladung Ist aktiv Ist kommunikativ Dumme Ladung Hat

6 Funktionalität eines Güterwagen 4.0 Güterwagen und Ladungen werden Dinge im Internet-of-Things (IoT) Cloud Zug-Bus Lokale Bedienung Wagen Kennt sich Kennt seinen Zustand Kennt seine Ladung Ist aktiv Ist kommunikativ Dumme Ladung Hat Eigenschaften Änderung bei Laden Intelligente Ladung Kennt sich Kennt ihren Zustand Ist kommunikativ (Ist aktiv) Güterwagen 4.0 hat Strom, Kommunika7onsschni:stellen, Sensoren und Aktoren [ xy ] - 6

Prozessoptimierung in ZBA Durch Nutzung von Cloud- und IoT-Technologien lässt sich der Zugbildungsprozess schneller und sicherer durchführen.

Bremsprobe! Fahrt Schneller, leiser, zuverlässiger, sicherer Zugbildung Slok! Zugtaufe! G/P-Einst! Zugschluss! Bremsprobe!

7 Prozessoptimierung in ZBA Durch Nutzung von Cloud- und IoT-Technologien lässt sich der Zugbildungsprozess schneller und sicherer durchführen. Auflösung Zerlegeliste! Lok (über Cloud) (Festlegen), R-Beh absperren, HL entlüften. Trennstelle anzeigen. Rlok/ Abdrücklok setzt an! Zugtaufe! Bremsprobe! Fahrt Schneller, leiser, zuverlässiger, sicherer Zugbildung Slok! Zugtaufe! G/P-Einst! Zugschluss! Bremsprobe! (WU in UIC-Gate/Big Data) Kein Laden der R-Behälter, kein Vergessen der Sperrhähne Papierlos, schnell Höhere ProdukRvität geringe Kosten je Wagen weniger Infrastrukturbedarf kürzerer Aufenthalt [ xy ] - 7

Vorteile im Hauptlauf Durch elektrische Energieversorgung und lokale Intelligenz gewinnen EVU, Wagenhalter und Versender durch Datenverfügbarkeit und neue Geschäftsmodelle. Für das EVU Zugintegrität!

8 Vorteile im Hauptlauf Durch elektrische Energieversorgung und lokale Intelligenz gewinnen EVU, Wagenhalter und Versender durch Datenverfügbarkeit und neue Geschäftsmodelle. Für das EVU Zugintegrität! Voraussetzung für ETCS L3 ep-bremsvorsteuerung Heißläufer- / Entgleisungsdetektion on Board Vorwarnzeit durch Condition Monitoring Zugang zu neuen datenbasierten Geschäftsmodellen Für den Wagenhalter / ECM Verschleißminimierung durch optimierte Bremsnutzung Laufleistungserfassung, Condition Based Maintenance Dokumentation von Betrieb und Wartung Für den Versender Orts- und Zustandsinformation der Ladung Nutzung der Zug-DV-Infrastruktur oder direkte Mobilfunkverbindung Quelle: Rurtalbahn Cargo [5] [ xy ] - 8

9 Bahnintegrierte Produktion mit angetriebenen Güterwagen Ökologische und ökonomische Abläufe in der Produktionslogistik mit Einbindung in Industrie 4.0 werden durch intelligente und angetriebene Güterwagen 4.0 ermöglicht. Angetriebene Güterwagen als Freiluft-FTS Kommunikation der Wagen untereinander, mit Intralogistik, mit Weichen Autonomes Ausweichen/ Sortieren/ Einlagern/ Auslagern Keine Kosten durch wartende Lkw-Fahrer / Minimierung des Umschlags [ xy ] - 9

10 Funktionalität eines Güterwagen 4.0 Das Ziel der Ergänzung der Güterwagen-Funktionalität ist es, manuelle Tätigkeiten zu vermeiden. Die Verfügbarkeit von elektrischer Energie wird vorausgesetzt. Strom-Infrastruktur Bordstromnetz, Energiegewinnung, -speicherung, ggf. Traktionsbatterie Dateninfrastruktur Redundante, robuste CPU Lokales Datennetz (Sensoren, Aktoren, Verbindung zu Ladung) Datenübertragung über Kuppelstelle Datenübertragung zum Bediener/ Tower / Zentrale, in die Cloud Sensoren Aktoren Schwingung, Temperatur, Abstand, Ort/Bewegung, Drücke Bremssteuerung, Feststellbremse, Antrieb [ xy ] - 10

11 Das Betriebssystem des Güterwagens Um Insellösungen und teure Spezialentwicklungen zu vermeiden ist eine offene Standardisierung nötig das Betriebssystem des Güterwagens. Strom Energy-Harvesting aus Vertikal- oder Fahrbewegung Generator auf Radsatzwelle / -lager Kompatibilität mit Straßen-(Nutz)-Fahrzeug (z.b. 48 V-Technik) Weitere Standardisierungen: Leitungsführung, Steckverbinder, Standardzugangspunkte, Belastbarkeit Energiemanagement (Prioritätsgesteuertes Abschalten von Verbrauchern) CPU Dezentrale Peripherie, Standard-BS (z.b. Linux) Standardisierte Funktionen, Aufrufschnittstellen für Sensoren und Aktoren (Güterwagenbetriebssystem) Cyber Physical System Datenbeschreibung von Funktionen und Zustand [ xy ] - 11

12 Lösungsansatz Aktorik Bremssteuerung Die Automatisierung ausgewählter Funktionen der Bremse bietet großes Potential für arbeits- und energieeffiziente Abläufe. Bistabile Funktionen Endabsperrhähne Bremse aus Bremsartumstellung Leer/Beladen- Umstellung Monostabile Funktionen Sensorik A-Kammer entlüften Ep-Bremsen C-Druck Feststellbremse gelöst Außenanzeigen HL-Druck Feststellbremse [ xy ] - 12

13 Features der Bremssteuerung Die Nutzung von Aktorik kann im Bereich Bremssteuerung viele im Zugverband händisch auszuführende Bedienhandlungen ersetzen. Isolation des R-Behälter 90% der pneumatischen Energie bleiben erhalten C-Druck-Messung Ermöglicht automatische Bremsprobe ep-bremsen Egalisiert abzubremsende Massen Elektromechanische Feststellbremse Autom. Auflaufbremse Keine Hemmschuhe Reduzierte Unfallgefahr [ xy ] - 13

Der Smart Buffer Für den Bereich der Wearables konzipierte Netzwerke können äußerst energieeffizient Daten übertragen und Entfernungen messen.

14 Der Smart Buffer Für den Bereich der Wearables konzipierte Netzwerke können äußerst energieeffizient Daten übertragen und Entfernungen messen. Datenübertragung: Energieeffizient Mesh-Routing an MAC-Adresse Nutzung von IEEE Abstandsmessung: Fehler < 0,1 m Widerspruchsüberwachung (2 Puffer) Überwachung der Zugintegrität Wagenreihung bei Zugtaufe Zugschlusssignal [ xy ] - 14

15 Der Weg zum Güterwagen 4.0 Regulatorische Aufgaben Allokation des ROI Sicherheitsnachweis Zulassung Steuerungsaufgaben Dialog Anwender-Entwickler Internationale Vernetzung (ERRI, ERA, UIC...) Kommerzielle und logistische Aufgaben Betriebswirtschaftlich sinnvolle Kundenrelationen suchen Kosten der Migration Anschubfinanzierung Migrationsszenarien Technische und betriebliche Aufgaben Vernetzung/Protokolle Wagenuntersuchung Energy Harvesting Energiespeicher Antrieb Smart Buffer [ xy ] - 15

16 Foto: Tappert, FH Aachen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir freuen uns auf Sie am 1. und 2. September bei der VDI-Tagung Automatisierung für Schienenverkehrssysteme in Aachen. Der Studiengang Schienenfahrzeugtechnik im Internet: [ xy ] - 16

17 Quellenangaben (Literatur, Internet, Bildquellen): LITERATUR: [1] Stuhr, H.; Siegmann, J.: Hat der Einzelwagenverkehr (EV) in Europa noch eine Chance. In: Eisenbahntechnische Rundschau 03/2012 [2] Bruckmann, D.; Fumasoli, T.; Grotrian, J.: Innovationen im Wagenladungsverkehr. In: Laesser, C.; Bieger, T.; Maggi, R. (ed.): Jahrbuch 2012, Schweizerische Verkehrswirtschaft, [3] Kupke, Th.: Funkbasierte energieautarke Kommunikation für Eisenbahngüterzüge. Dissertation TU Braunschweig, [4] Enning, M. et al.: FlexCargoRail Definitionsphase : Berichtsband zum Verbundprojekt. Abschlussbericht BMWI, 19G7013A, 2009 Bilder: [5] Rurtalbahn Cargo, Aachen Das Copyright aller grafischen Darstellungen liegt bei den Autoren Internet: [6] Abgerufen am [7] Abgerufen [ xy ] - 17

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