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Digitalisierung in der Fahrzeugtechnik– von intelligenter Sensorik zur künstlichen Intelligenz

Die Sicherheits- und Leittechnik ist seit jeher ein zentrales Element in der Eisenbahntechnik und einer der größten Kostentreiber in der gesamten Infrastruktur. Zugbeeinflussungssysteme überwachen die Geschwindigkeit von Zügen und eruieren, ob das Befahren eines bestimmten Abschnittes zugelassen ist. Gegebenenfalls beeinflussen solche infrastrukturseitigen Systeme die Fahrzeuge, um die Sicherheit zu gewährleisten. Diese Systeme haben sich über viele Jahre entwickelt und bieten mit z.B. ECTS ein hohes Sicherheitslevel.

 

Mehr Sicherheit durch Fahrassistenz

Ein gegenläufiger Trend liegt in der Kosteneinsparung und Effizienzsteigerung. Das System Bahn muss günstiger werden um konkurrenzfähig zu bleiben. Um dies zu erreichen, müssen Fahrzeuge „smart“ werden, d. h. Sensorik und Intelligenz müssen in das Fahrzeug. Die Digitalisierung der Fahrzeugtechnik ist im Kommen. Eine Möglichkeit die Sicherheit im Bahnbetrieb zu erhöhen ist es, Fahrzeuge mit Fahrerassistenzsystemen auszurüsten. Diese Systeme unterstützen den Fahrer dabei schwierige Situation richtig zu interpretieren und schnell zu reagieren. Die Verantwortung bleibt jedoch zu jedem Zeitpunkt beim Fahrer, die Sicherheitsanforderungen an solche Systeme sind damit überschaubar und die Kosten für die Betreiber moderat. Speziell auf Bahnlinien, die noch nicht mit modernen Zugbeeinflussungssystemen ausgestattet sind, ist dies eine wirtschaftlich attraktive Option.

 

Bei Light Rail Vehicles (LRV) wie  Straßenbahnen und Peoplemover finden sich Kollisionsvermeidungssysteme immer öfter in den Ausschreibungen von Betreibern. Gerade im urbanen Umfeld gibt es selten Zugbeeinflussungssysteme, dafür umso häufiger schwere Unfälle mit anderen Verkehrsteilnehmern. Assistenzsysteme für diese Anwendung ermitteln mit unterschiedlichen Sensoren (z.B. Kamera, Radar, Ultraschall, LIDAR), ob sich Hindernisse im Fahrwegverlauf befinden, warnen den Fahrer und lösen automatisch eine moderate Bremsung aus. Die Funktion ist vergleichbar mit ähnlichen Systemen aus dem Automobilbereich. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass die funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen im Bahnbereich wesentlich höher sind. Die Entwicklungskosten solcher Systeme schlagen aufgrund der geringen Stückzahlen deutlich zu Buche und oft stellt die Nachrüstbarkeit bestehender Fahrzeugflotten eine große Herausforderung dar.

 

Auch im Vollbahnbereich steigt die Nachfrage für Assistenzsysteme. Die Anforderungen unterscheiden sich jedoch von denen im urbanen Umfeld. Hier werden Funktionen wie unabhängige visuelle Erkennung von Signalen, GNSS-unabhängige Verortung des Fahrzeugs oder kontinuierliches Infrastruktur-Monitoring gefordert.

 

Künstliche Intelligenz für die Schiene

Der technische Fortschritt in diesem Bereich wird durch zwei Entwicklungen vorangetrieben. Einerseits hat die Sensortechnologie ein Niveau erreicht, welches dem Wahrnehmungsvermögen der menschlichen Sinne nahekommt, andererseits gibt es revolutionäre Umbrüche in der Datenauswertung und Interpretation mithilfe von lernenden Systemen und künstlicher Intelligenz. Dieser Umbruch erfordert ein Umdenken am Zuliefermarkt. Die Entwicklung und Produktion von moderner multimodaler Sensorik und künstlicher Intelligenz unter Rücksichtnahme auf die EN 50 xxx Normen erfordert ein völlig neues Profil an Kompetenzen und Dienstleistungen.

Im Gegensatz zu klassischen Sensor- und Assistenzsystemen können diese nicht mehr ausschließlich am sprichwörtlichen „Reißbrett“ entwickelt werden, sondern es müssen Daten im realen Einsatzumfeld gesammelt werden. Dass umfangreiche Trainingsdaten für künstliche Intelligenz notwendig sind, ist mittlerweile umgehend bekannt. Anders als im akademischen Umfeld sind die Schwierigkeiten, die es bei der Durchführung von Datensammel-Kampagnen zu bewältigen gilt, weitgehend unbekannt.

 

Diese Herausforderungen sind im Bahnumfeld nicht zu unterschätzen. Es werden Rekorder-Systeme benötigt, welche einfach in Fahrzeuge integrierbar sein müssen. Diese sollen möglichst autark funktionieren, ohne zusätzlichen betrieblichen Aufwand zu verursachen. Installationen am Fahrzeug benötigen Zulassungen und die neuen Systeme müssen den gängigen Normen entsprechen. Große Datenmengen müssen zuverlässig zu zentralen Datenbanken übertragen werden. Datensicherheit, Datenschutz und zuverlässige Übertragung bei widrigen Umständen sind Anforderungen, die gewährleistet sein müssen, möglichst ohne, dass Fahrer oder Betreiber Handlungen setzen. Oft gibt es noch kein IP-Datenlink am Fahrzeug und es müssen bahntaugliche Wireless-Router installiert werden. Damit ist es aber nicht getan: Bevor diese Daten zum Trainieren einer künstlichen Intelligenz eingesetzt werden können, gilt es diese auszusortieren und zu annotieren. Das eigentliche Erstellen und Trainieren des Systems ist dann nur noch ein Teilaspekt.

Zulassung als wichtiger Eckpunkt

Nach erfolgreicher Erprobung einer neuen Sensortechnologie inkl. künstlicher Intelligenz wartet die nächste große Herausforderung: Die Zulassung. Sensorfusion und künstliche Intelligenz sind brandaktuelle Themen und die Beweisführungskette gegenüber den Zulassungsbehörden kann nicht mit klassischen Vorgehensweisen abgebildet werden. Hier ist die Erfahrung von erfahrenen Experten Gold wert.

 

Mittlerweile etablieren sich Dienstleister, die genau diese Abläufe im Bahnumfeld beherrschen und damit zu strategischen Innovationspartnern für Bahnbetreiber und Systemlieferanten geworden sind. Das Projektgeschäft im Bahnberiech bietet ein gänzlich anderes Umfeld im Vergleich zur Automobilbranche. Kundenspezifische Lösungen sind gefragt. Bahnbetreiber und Systemlieferanten benötigen Experten, die ihnen in den einzelnen Phasen der Einführung intelligenter Sensorik und künstlicher Intelligenz zur Seite stehen.