Ohne mechanische Verbindung: Virtuelles Kuppeln von Zügen per Ultrabreitband

Eine verstärkte Automatisierung im Zugverkehr könnte die Kapazität des bestehenden Schienennetzes erhöhen. Eine Schlüsseltechnologie dafür ist das virtuelle Kuppeln, bei dem einzelne Züge oder Waggons nicht mehr mechanisch verbunden sind, sondern rein digital. Sie fahren in einem festgelegten, sehr engen Abstand hintereinander. Damit dies reibungslos funktioniert, müssen die Zugteile kontinuierlich Daten über ihre Position und Geschwindigkeit austauschen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat dafür im Rahmen des von der EU mit knapp 54 Millionen Euro geförderten Projekts R2DATO ein neuartiges Funksystem entwickelt und jetzt erfolgreich auf einem Testgelände erprobt.

Im Fokus des an R2DATO beteiligten DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation lag dabei die dezentrale Kommunikation zwischen Zügen, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. „Wir sprechen von Distanzen von zwanzig bis zweihundert Metern, die man fürs virtuelle Kuppeln benötigt“, erklärt DLR-Projektleiter Paul Unterhuber. „Für den Eisenbahnbereich ist das extrem nah.“ Denn dort komme es – abhängig von der Geschwindigkeit – zu Bremswegen, „die mehrere hundert Meter bis zu einem Kilometer lang sind“.

UWB: Präzise Distanzmessung auf kurze Entfernung

Das vom DLR entwickelte System nutzt Ultrabreitbandkommunikation (UWB), eine Funktechnologie, die ein extrem breites Frequenzspektrum zur Datenübertragung verwendet. Sie ermöglicht eine hochpräzise Positionsbestimmung und Datenübermittlung über kurze Distanzen. UWB wird bereits etwa in Smartphones, Ortungsgeräten für den Innen- oder Industriebereich und in Autoschlüsseln eingesetzt.

„Als weiteren Vorteil ermöglicht es UWB, die Distanz zwischen zwei Zügen sehr genau zu errechnen“, berichtet Unterhuber. Dazu nutze das Institut die Latenzzeit, die Datenpakete vom Sender zum Empfänger benötigen. Damit seien alle notwendigen Informationen vorhanden, „um Beschleunigungs- und Bremsvorgänge im für das virtuelle Kuppeln wichtigen Nahbereich zu regeln“.

Zusätzlich verfügt das System über ein laserbasiertes Referenzsystem, das ebenfalls den Abstand zwischen den Zügen misst. Es hilft, die Genauigkeit der UWB-Messungen zu überprüfen. Alle Komponenten werden von Batterien mit Strom versorgt. Mit dem parallel vorangetriebenen Projekt „digitale automatische Kupplung“ hat R2DATO nichts zu tun.

Erster Test auf Gleisen in Holland

Die ersten Tests fanden auf einem 350 Meter langen Gleis der Niederländischen Staatsbahn (NS) in Amersfoort statt. Zwei Regionalzüge, die mit dem DLR-System ausgerüstet waren, legten die Strecke mehrere hundert Mal zurück. Die entscheidende Technik befand sich dabei in kompakten Boxen, die an den mechanischen Kupplungen der Züge befestigt waren. Eine weitere Einheit am Boden diente als Basisstation zur Datensammlung.

Die Züge simulierten verschiedene Szenarien bei Geschwindigkeiten von 10 bis 25 Kilometern in der Stunde, wobei die Abstände zwischen 15 und 80 Metern betrugen. Auch Szenarien, in denen ein Zug fuhr und der andere stand, wurden simuliert. Die Züge wurden von Lokführern gesteuert, was aufgrund der geringen Abstände nicht einfach zu meistern war. Das DLR-Team stellte ihnen dafür auf einem separaten Monitor Live-Informationen aus dem System zur Verfügung. Künftig sollen diese Daten zu einem weitgehend automatisierten oder autonomen Zugbetrieb beitragen.

Machbarkeit des Konzepts demonstriert

Die Testergebnisse bezeichnet das DLR als vielversprechend: Der Abstand zwischen den Zügen ließ sich auf wenige Zentimeter genau bestimmen, was mit bisherigen Technologien im Bahnbereich nicht möglich ist. „Generell konnten wir mit den Tests grundsätzlich zeigen, dass die Kommunikation zwischen den Zügen und die darauf basierende Distanzberechnung auch in der Praxis in einem bahnnahen Umfeld funktionieren“, freut sich Unterhuber. Die gesammelten Daten sollen weiter ausgewertet werden. Die R2DATO-Koordination liegt beim französischen Bahnbetrieb SNCF. Beteiligt sind etwa auch die Deutsche Bahn, die ÖBB, die italienische Staatsbahn und diverse Ausrüster.

Das im Rahmen der Schienenverkehrsforschung entworfene DLR-Konzept Next Generation Train (NGT) setzt ebenfalls auf virtuell gekuppelte Zugverbände. Ein „NGT-Taxi“ soll den automatisierten Betrieb auf Nebenstrecken ermöglichen und diese wieder attraktiver machen. Es könnte bedarfsorientiert – mit virtuell gekuppelten Waggons – auf die Zahl der aktuell reisewilligen Fahrgäste reagieren.

(nie)