Rail2X-Projekt Wenn Weichen, Schranken und Züge miteinander kommunizieren

| Redakteur: Jürgen Schreier

Die Entwicklung datenbasierter Anwendungen für das deutsche Schienennetz ist Ziel des Rail2X-Projekts. Erforderlich dafür sind viel Know-how in der Software-Entwicklung sowie Domänenwissen in den Bereichen Eisenbahnbetrieb und Zulassungswesen. Das Projekt wird vom Hasso-Plattner-Institut (HPI), Potsdam, bearbeitet.

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Das gut 33.000 Kilometer lange deutsche Schienennetz birgt ein enormes Potenzial für datenbasierte Anwendungen.
Das gut 33.000 Kilometer lange deutsche Schienennetz birgt ein enormes Potenzial für datenbasierte Anwendungen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Die Bahn ist das beliebteste Verkehrsmittel der Deutschen. Angaben der Deutschen Bahn zufolge ist die Zahl der Fahrgäste seit Jahresbeginn spürbar gestiegen, und zwar von 11 auf 12,2 Millionen, also um 10,7 Prozent im Vergleich zum Januar des Jahres 2019. Zum Teil dürfte der Zuwachs auf die Mehrwertsteuersenkung im Bahn-Fernverkehr zurückzuführen sein.

Mobilität bedarfsgerechter gestalten

Aber auch das rund 33.000 Kilometer lange Schienennetz in Deutschland birgt ein enormes Potenzial für datenbasierte Anwendungen. So ermöglicht ein neues "Digitales Testfeld" der Deutschen Bahn Tests neuer Technologien unter realen Bedingungen. Dazu zählt auch die Vehicle-to-everything-Technology (V2X), mit der Wissenschaftler des Hasso-Plattner-Instituts (HPI) im Rahmen des Rail2X-Projekts daran forschen, Mobilität effizienter und bedarfsgerechter zu gestalten.

Wie funktikoniert V2X?

Die Vehicle-to-Everything-(V2X)-Technologie ermöglicht die Kommunikation von Fahrzeugen mit ihrer Umgebung. Durch die "Sichtbarmachung des Unsichtbaren" warnt V2X den Fahrer vor Gefahren im Straßenverkehr und soll so zur Verringerung von Verkehrsunfällen beitragen. Neben der Verbesserung der Sicherheit ist V2X geeignet, den Verkehrsfluss zu optimieren, Verkehrsstaus zu verringern und die Auswirkungen des Verkehrs auf die Umwelt zu reduzieren.

Als Übertragungsmittel stehen zur Verfügung: WLAN und ein auf ein Mobilfunknetz gestütztes V2X-Netz, das die standardisierten WLAN-nutzenden Netze überlagert. Die ursprüngliche Form des V2K nutzt WLAN-Technologie zwischen den Fahrzeugen, die dem Fahrzeug-Ad-hoc-Netz der in der Reichweite des WLANs der anderen sich befindenden Teilnehmer angehören. Da keine Infrastruktur erforderlich ist, ist diese Technik geeignet, zur Verkehrssicherheit in strukturschwachen Gebieten beizutragen. WLAN eignet sich für diese Anwendung auf Grund seiner kurzen Latenzzeiten wegen der kurzen Steuersequenzen und der daher geringen Datenmenge. Die Funktechnik ist für die USA in den „IEEE 802.11“-Regeln definiert, in Europa als ITS-G5.

Neuere V2X-Lösungen nutzen Mobilfunknetze, die als Cellular V2X (oder C-V2X) bezeichnet werden, um sie von Netzen zu unterscheiden, die WLAN nutzen. Zahlreiche Organisationen der Industrie, wie die 5G Automotive Association (5GAA), werben für die Nutzung von C-V2X. C-V2X wurde ursprünglich als LTE der Version 14 der 3GPP definiert für die Anwendungen V2V, V2I und V2N. Mit der Version 16 wurde die Funktionalität auf die Unterstützung des 5G-Standards erweitert.

Mehr zu C-V2X

An dem auf drei Jahre ausgelegten Projekt, das durch das Förderprogramm für die Mobilität 4.0 (mFUND) des Bundesverkehrsministeriums (BMVI) finanziert wird, arbeiten mit dem HPI insgesamt acht Konsortialpartner.

"Die Digitalisierung bei der Bahn erfordert vor allem Know-how in der Software-Entwicklung, neben Wissen aus den Bereichen Eisenbahnbetrieb und Zulassungswesen", sagt der Leiter des Projekts am HPI und Leiter des Fachgebiets Betriebssysteme und Middleware, Professor Andreas Polze. Die neue Teststrecke helfe dabei, Wissen zu bündeln und neue Forschungsergebnisse schneller in die Praxis umzusetzen.

Im Mittelpunkt von Rail2X stehen drei Anwendungsszenarien:

  • Deutschlandweit gibt es noch 1000 sogenannte Anrufschranken. An diesen muss vor und nach dem Überqueren des Bahnübergangs über eine Sprechanlage mit dem Fahrdienstleiter telefoniert und die Überquerung erbeten bzw. bestätigt werden. Mit der V2X-Technologie ausgestattete Autos könnten diese Kommunikation automatisch vornehmen.
  • Auf derselben Technik basiert auch die Herangehensweise für Bedarfshaltestellen der Bahn. Statt einem herannahenden Zug durch Winken einen Haltewunsch zu signalisieren, könnte durch die WLAN-Technologie (IEEE 802.11p) und einen Taster die Kommunikation zwischen Bahnsteig und Zug auch ohne Sichtverbindung erfolgen. So können auch Bedarfshalte an schwer einsehbaren Haltepunkten ermöglicht werden.
  • Aktuell gibt es im deutschen Schienennetzwerk etwa 66.000 Weichen und Kreuzungen. Bei diesen soll die Wartung bedarfsgerechter ausgeführt werden, um zu frühe oder zu späte Wartung zu vermeiden. Sensoren an der Weiche könnten Wartungsdaten an darüberfahrende Züge abgeben und so die Wartung nach Bedarf früher eingeleitet oder verzögert werden.

Die Ergebnisse des Rail2X-Forschungsprojekts werden im neuen Digitalen Testfeld der Deutschen Bahn im Erzgebirge und auf der InnoTrans 2020 in Berlin präsentiert.

Sichere Bahnübergänge durch Machine Learning

Nokia und der japanische Bahnbetreiber Odakyu Electric Railway arbeiten bei der Erprobung der Sicherheit von Bahnübergängen auf KI-Basis zusammen. Momentan werden Versuche mit der SpaceTime-Szenenanalyse von Nokia durchführt, um Möglichkeiten zur Verbesserung der Sicherheit an Bahnübergängen zu ermitteln.

Während der Tests am Bahnübergang Tamagawa Gakuenmae Nr. 8 in Machida City (Tokio) soll die Szenenanalyse von Nokia anormale Ereignisse erkennen, indem sie Methoden des Machine Learning auf verfügbare Kamerabilder angewendet werden. Die Versuche werden vom 14. Februar bis zum März 2020 durchgeführt.

Die Szenenanalyse analysiert die verfügbaren Bilddaten die von konventionellen Kameras am Bahnübergang erzeugt werden, und identifiziert potenzielle Probleme in Echtzeit. Der Einsatz leistungsstarker (Edge-)Computertechnik kann auch die erforderliche Bandbreite zu entfernten Standorten, die möglicherweise nur über eine begrenzte Konnektivität verfügen, erheblich reduzieren.

Die Odakyu Electric Railway setzt stark auf innovative Technologien, um ihren Kunden ein sorgenfreies Reisen zu ermöglichen. Als einer der führenden privaten Bahnbetreiber in Japan verfügt die Odakyu Electric Railway derzeit über 229 Kreuzungspunkte auf 120,5 Kilometern Gleislänge sowie 137 Radarsysteme zur Objekterfassung.

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