SBB 17.06.2015, 11:00 Uhr

Digitalisierung des Zugverkehrs

Die SBB entwickelt IT-Anwendungen für einen optimalen und sicheren Schienenverkehr. Die Grundlage bilden 5000 Parameter aus dem Bahnbetrieb, die in Echtzeit verarbeitet werden.
Das Streckennetz der SBB wird durch IT auf Effizienz getrimmt
Wolfgang Kelz ist Country Sales Director Deutschland, Österreich und Schweiz bei Tibco. Das Schienennetz der Schweizerischen Bundesbahnen ist das am dichtesten befahrene Bahnnetz der Welt. Die SBB befördert jedes Jahr etwa 350 Millionen Fahrgäste und fast 50 Millionen Tonnen Güter auf ihren Trassen. Das Streckennetz von rund 3000 Kilometern umspannt eine Fläche von 41'000 Quadratkilometern. Aus geografischen und finanziellen Gründen ist der Ausbau nur sehr eingeschränkt möglich. Um Ziele wie höhere Auslastung bei gleichbleibendem Komfort und maximaler Sicherheit sowie geringerem Energiebedarf zu erreichen, setzt die SBB auf grössere Effizienz. Die Konsequenz: Auf dem vorhandenen Gleisnetz müssen mehr Züge in geringerem Abstand fahren.

10'000 Signale pro Sekunde

Zur Zielerreichung setzt die SBB massiv auf Technologie. Das selbst entwickelte Rail Control System (RCS) unterstützt 300 verantwortliche Disponenten dabei, den landesweiten Personen- und Güterverkehr auf der Schiene zu überwachen und zu steuern. Dafür verarbeitet das System laufend riesige Datenmengen: Pro Sekunde fliessen circa 10'000 Statusmeldungen und Informationen aus den mehr als 780 Bahnhöfen und Haltestellen sowie von 1000 Zügen aus dem Streckennetz. Dazu gehören unter anderem Meldungen aus der Leittechnik wie Zugstandorte und Lenkdaten oder Formationen, Umläufe und Sperren aus den Planungssystemen.
Kombiniert man all diese Daten, entsteht eine Gesamtschau auf das Streckennetz und alle sich darin bewegenden Züge im Regional-, Fern- und Güterverkehr. Um diese Datenflut zu bewältigen, braucht es eine Infrastruktur, die in der gebotenen Geschwindigkeit mit dem enormen Datenvolumen zurechtkommt. Bei der Wahl des Anbieters für diese Infrastruktur entschied sich die SBB für den Lieferanten Tibco. Die Lösung wurde gemeinsam mit einigen anderen Produkten einem Belastungstest unterzogen. Das Resultat: Allein die Messaging-Plattform Tibco Rendezvous war in der Lage, zuverlässig die grossen Datenmengen zu verarbeiten, bei der SBB rund 1,5 Terabyte pro Tag. Nächste Seite: Millionen Verspätungsminuten Alle zehn Sekunden passiert ein Zug der SBB ein Signal, somit verändert sich der Status im Bahnnetz pro Sekunde 50 bis 100 Mal. Jedes Mal sendet die Tibco-Software eine Nachricht an das RCS-System. Dort kommt der Status in wenigen Zehntelsekunden an. Die Daten werden umgehend in der RCS-Anwendung verarbeitet und in die Berechnung von Prognosen mit einbezogen. Das Ergebnis wird auf die Wahrscheinlichkeit möglicher Konflikte hin überprüft und anschliessend über das Netzwerk (WAN) an diejenigen Client-Rechner übergeben, die die RCS-Anwendung gerade nutzen. Der aktuelle Zugstandort wird innerhalb einer Sekunde dargestellt und die aktualisierte Prognose innerhalb drei Sekunden. Anpassungen im Fahrplan des Zuges, die Dispositionen, können im System ebenso innert Sekunden durchgeführt werden. Das Ziel ist es, unnötige Stopps der Züge so weit wie möglich zu vermeiden. Sie bringen nicht nur möglicherweise den Fahrplan durcheinander, was für den Kunden zu Verspätungen führt, sondern ausserdem viel Energie kosten.
Die RCS-Anwendung ist seit 2009 im Produktivbetrieb. Seither sehen die Disponenten auf acht Bildschirmen, wo die Züge im Moment sind und voraussichtlich in den nächsten 90 Minuten sein werden. Diese Vorausschau basiert auf dem Fahrplan und einer Prognose für den tatsächlichen Fahrverlauf des Zuges. In die Prognose fliessen diverse aktuelle Situationsdaten mit ein, etwa wie schnell der Lokführer fährt und wieviel Verspätung dieser spezielle Zug aufgrund seiner technischen Daten und Bedingungen auf der Strecke – Geschwindigkeitsbeschränkungen, Langsamfahr-Strecken wegen Baustellen und anderem – einholen kann, oder wieviel er vermutlich aufbauen wird.

Einfädeln in Zürich und am Gotthard

Das RCS hat seither deutlich zu einem reibungsloseren Betrieb beigetragen. Eine besondere Herausforderung stellen Streckenabschnitte dar, an denen mehrere Trassen zusammenlaufen. Zürich-Killwangen ist so ein Nadelöhr. Um das Einfädeln aller Züge bei hohem Verkehrsaufkommen möglichst reibungslos und ohne unnötige Bremsmanöver oder gar Halte zu dirigieren, entstand ein weiteres Steuerungsprogramm für die Leittechnik: Hub Optimization Technology (HOT). Das System erlaubt es, abhängig vom Verkehrsaufkommen die Geschwindigkeitsvorgaben im Streckennetz anzupassen, um einen reibungsloseren Schienenverkehrsfluss zu ermöglichen. Nach ersten guten Erfahrungen plant die SBB das HOT-System an drei weiteren neuralgischen Punkten einzuführen. So soll es auch zwischen 2016 und 2018 an der Südverbindung durch den Gotthard etabliert werden.
Durch die Verfügbarkeit des riesigen Datenpools ergaben und ergeben sich bei der SBB ständig neue Ideen, wie man mit zusätzlichen Applikationen noch mehr Effizienz erreicht, für mehr Pünktlichkeit und Sicherheit sorgt und wie der Energieverbrauch weiter gesenkt werden kann. «Da wir jetzt die Daten zentral und schnell verfügbar haben, sind neue und innovative Anwendungen umsetzbar», erklärt Jürg Balsiger, Leiter Solution Center Infrastruktur bei der SBB. Sein Kollege Mathias Becher ergänzt: «Unsere Kommunikationsplattform funktioniert so stabil und kann so gut skalieren, dass wir quasi beliebig viele Anwender und PCs mit neuen Anwendungen andocken können.» RCS und HOT waren also erst der Anfang. Sie hatten den Betrieb der SBB schon spürbar verbessert, indem sie etwa 1,7 Millionen Verspätungsminuten im Bereich Zürich einsparen. Dennoch kam es immer noch zu rund täglich 2000 ungeplanten Halten. Gelänge es, die unnötigen Brems- und Beschleunigungsmanöver sowie ungeplante Halte weiter zu reduzieren, würde sich dies nicht nur positiv auf den Energieverbrauch, sondern auch den Materialverschleiss auswirken. Nächste Seite: Tablet-Assistent für Lokführer Mit einer weiteren Software könnte die Geschwindigkeit einzelner Züge weiter optimiert und so Konflikte bereits im Vorfeld aufgelöst werden. Wie bei Bus und Strassenbahn sollte auch im Bahnnetz die «Grüne Welle» eingeführt werden. Es entstand das System «Adaptive Lenkung» (ADL). Aufbauend auf den Prognosen zum Status des Gesamtsystems aus dem RCS, entstehen in ADL nun Empfehlungen für Lokführer. ADL sendet dazu Hinweise an die Tablets im Lokführerstand. Diese Fahrempfehlung basiert auf der optimalen Geschwindigkeit mit dem tiefsten Energieverbrauch («Eco-Modus»). Zeitgleich sind laufend an die 1000 Züge im Streckennetz unterwegs. Hier kommt es in etwa zwei bis zehn Prozent der Fälle zu Steuerungskonflikten. Die Plattform analysiert jedoch 30 Minuten im Voraus die Situation und berechnet eine Anpassung des Geschwindigkeitsprofils in Echtzeit für jeden einzelnen Zug. Ähnlich wie schon bei RCS ist für eine optimale Steuerung nicht nur ein genaues Bild des Status quo nötig. Komplexe Berechnungsmodelle kommen zum Zug, um möglichst genau den zu erwartenden Zustand in der nahen Zukunft zu bestimmen.
Aus den Lokomotiven werden damit allerdings keine ferngesteuerten «Geisterzüge». Der Lokführer ist nach wie vor die letzte Instanz; er entscheidet autonom in jeder Situation. Folgt er aus irgendeinem Grund der Empfehlung von ADL nicht, berechnet die Plattform umgehend das Geschwindigkeitsprofil neu und gibt eine aktualisierte Empfehlung. Alle drei Sekunden wird für jeden Zug die Prognose zum Fahrtverlauf neu berechnet. Dazu werden 5000 Parameter analysiert und verknüpft.

Energiebedarf um Millionen gesenkt

Durch einen effizienteren Zugbetrieb ermöglicht ADL Energie-Einsparungen von acht bis zehn Millionen Schweizer Franken pro Jahr. Weil Störungen vermieden werden, erhöhte sich auch die Fahrplanstabilität. Ausserdem wurden eine intensivere Nutzung der Strecken und damit eine Kapazitätssteigerung möglich. Seit Ende 2014 ist ADL schweizweit für alle Züge und alle Strecken in Betrieb. Parallel arbeiten die SBB-Verantwortlichen an weiteren Ideen, um die Erreichung der Vorgaben Pünktlichkeit und Sicherheit, Energie-Einsparung sowie Kapazitätssteigerung voranzutreiben. So gibt es derzeit erste Überlegungen, die Bewegungssensoren in den Tablet-PCs der Führerstände als weitere Datenquelle zu nutzen. Diese könnten in ein System zur Abfahrtswarnung eingebunden werden, das Alarm schlägt, wenn ein Zug trotz Rotlicht anfährt. Dabei genügt es allerdings nicht, allein die Sensor-Daten auszulesen, weiss Balsiger. Vielmehr müssen die Eigenschwingungen der Lokomotive und, Störungen durch schnell vorbeifahrende Züge und diverse andere Faktoren berücksichtigt werden. Der Aufwand lohne sich, denn die Berechnungen wären ein wertvoller Beitrag zum Kollisionsschutz, führt der SBB-Manager aus. Daneben wäre es denkbar, den Lokführer vor einem Signalwechsel zu informieren, damit er den Zug langsam starten kann. Die SBB treibt die Digitalisierung intensiv voran. Dies blieb auch andernorts nicht unbemerkt. «Wir haben bereits erste Anfragen anderer Eisenbahngesellschaften, die sich unser System genauer anschauen wollen», berichtet Balsiger. «Unsere IT-Lösung in der Bahnproduktion ist derzeit vermutlich führend in Europa, wenn nicht sogar weltweit.»

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