29. November 2016

Autonomes Fahren auf der Schiene: Wie die Bahnen schon heute selbstständig unterwegs sind

Autonomes Fahren auf der Schiene: Eine selbstfahrende U-Bahn in Kopenhagen
Autonomes Fahren auf der Schiene: Eine selbstfahrende U-Bahn in Kopenhagen

Autonomes Fahren wird ein wesentlicher Teil unserer Mobilität der Zukunft. Der Schienenverkehr spielt dabei eine zentrale Rolle. Sicherheit, Kapazität und Energieeffizienz – selbstfahrende Bahnen bieten Lösungen für die Herausforderungen der Verkehrswende. Was kaum jemand bemerkt: In dieser Zukunft hat die Eisenbahn längst Station gemacht.

Für Andreas May von der Verkehrs-Aktiengesellschaft (VAG) Nürnberg ist es schon fast ein alter Hut. Seit über acht Jahren sind die U-Bahnen auf den Linien U2 und U3 autonom unterwegs. Dort, wo eigentlich der Fahrerstand wäre, sitzen in der Nürnberger U-Bahn Fahrgäste und lesen ihre Zeitung oder hantieren vertieft mit ihrem Smartphone. „Die selbstfahrende U-Bahn ist bei uns zu einem alltäglichen Verkehrsmittel geworden“, sagt May. Recht hat er, denn der vollautomatische U-Bahn-Betrieb ist schon seit Jahren kein Testballon mehr. Nicht nur in Deutschland, sondern in ganz Europa findet autonomes Fahren im Schienenverkehr schon heute im Regelbetrieb statt. Und neue Metrolinien werden mittlerweile von Anfang an für selbstfahrende Bahnen konzipiert.

Was ist autonomes Fahren?

Beim vollautomatischen U-Bahn-Betrieb ist Nürnberg Vorreiter. Aber autonomes Fahren auf der Schiene ist in Deutschland noch weiter verbreitet als auf den ersten Blick ersichtlich. Denn autonomes Fahren meint nicht nur den Betrieb einer vollautomatisierten und selbstfahrenden Bahn. Vielmehr wird in verschiedene Assistenz- und Automatisierungsgrade (Grade of Automation GoA) unterschieden, wobei die selbstfahrende Bahn die höchste Stufe darstellt (GoA 4). Alle Abläufe geschehen automatisch: Das Fahren und Anhalten des Zugs, das Öffnen und Schließen der Türe und der unverzügliche Stopp an einem sicheren Standort im Falle einer Störung.

Je nachdem, welche dieser Abläufe automatisch oder von einem Fahrer ausgeführt werden, ergeben sich Abstufungen im Automatisierungsgrad. Auch der Einsatz von Fahrerassistenzsystemen ist ein Bereich des autonomen Fahrens. Solche Systeme sind bei der Eisenbahn auf dem Vormarsch, sie sorgen zum Beispiel für einen besonders energieeffizienten Fahrbetrieb und für mehr Pünktlichkeit bei der Bahnfahrt. Werden dagegen alle Abläufe vom Lokführer durchgeführt, spricht man vom Automatisierungsgrad Null (GoA 0).

Autonomes Fahren bei der Bahn: Automatisierungsgrade (Quelle: UITP)

Autom. Grad
BetriebAnfahrtHaltTüren schließenStörfall
1 manuellFahrerFahrerFahrerFahrer
2 teilautomatischautomatischautomatischFahrerFahrer
3 vollautomatischautomatischautomatischZugbegleiter überwachtZugbegleiter überwacht
4 selbstfahrendautomatischautomatischautomatischautomatisch

Das sind die Voraussetzungen für autonomes Fahren auf der Schiene

Sämtliche Abläufe, die ein Lokführer bei der Fahrt ausübt, werden im vollautomatischen Betrieb von der Technik übernommen. Dementsprechend müssen Strecken, Bahnanlagen und Fahrzeuge mit besonderen Technikkomponenten ausgestattet werden. Im Zuge der Digitalisierung kommen dabei immer leistungsfähigere Systeme zum Einsatz.

Signaltechnik: Eine selbstfahrende Bahn benötigt eine Fülle an Informationen. Insbesondere über die Strecken auf denen sie verkehrt, über ihre eigene Position und die, der anderen Bahnen im Netz. Diese Daten werden von Sensoren und Signalen entlang der Gleise gesammelt. Der Zugabstand zum Beispiel ist eine Kerninformation für autonomes Fahren. Auch für die Steuerung der Züge müssen entsprechende Systeme auf den Strecken verbaut werden. Die Gleisanlagen selbst brauchen eine ausreichende Beleuchtung und einen sicheren Seitengang, damit im Störfall der sichere Ausstieg aus der Bahn gewährleistet ist. Der Fluchtweg zum nächsten Notausgang darf maximal 400 Meter betragen.

Fahrzeugtechnik: Neben einer zentralen Recheneinheit, die den Verkehr auf dem Streckennetz steuert, müssen die Fahrzeuge für autonomes Fahren mit speziellen Systemen ausgerüstet werden. Im Wesentlichen sind dies die automatische Zugsicherung (ATP) und die automatische Zugsteuerung (ATO). Während die Zugsicherung Zugabstände und Geschwindigkeiten errechnet und kontrolliert, ist die Zugsteuerung für das autonome Fahren zuständig. Bei all diesen Vorgängen werden auch Informationen zwischen den fahrerlosen Bahnen ausgetauscht, weshalb man das gesamte System auch „Communication Based Train Control“ nennt.

Bahnanlagen: Selbstfahrende Bahnen benötigen für den betrieblichen Ablauf kein Personal. Ein wichtiger Moment ist jedoch das Zu- und Aussteigen der Fahrgäste, bei dem mitunter auch gefährliche Situationen entstehen können. Bahnsteige können auf verschiedene Arten überwacht und gesichert werden. Einige Städte setzen dabei auf Bahnsteigtüren, die vor der Abfahrt des Zuges schließen. In Nürnberg dagegen werden Bahnsteige per Radar überwacht, um die Sicherheit der Fahrgäste zu gewährleisten.

Im Video: Autonomes Fahren bei der Nürnberger U-Bahn (07:41 min.)

Was sind die besonderen Merkmale automatischer Stadtbahnsysteme?

In den Großstädten von acht europäischen Ländern verkehren mittlerweile selbstfahrende Metros. Darunter London, Paris, Kopenhagen, Budapest und Barcelona – in all diesen europäischen Metropolen sind täglich tausende Fahrgäste mit autonomen U-Bahnen unterwegs. Stadtbahnsysteme sind für autonomes Fahren in besonderer Weise geeignet:

  • Das System ist geschlossen: Der Verkehr auf den einzelnen Linien ist nicht gemischt und kann einfacher geplant werden.
  • Das Liniennetz ist weniger komplex: Beim Betrieb mit nur einer Zuggattung gibt es weniger Unterschiede bei den Anforderungen an Technik und Infrastruktur.
  • Das Tunnelsystem ist weniger anfällig: Die Risikoeinwirkungen von außen sind geringer, zudem kann im Störungs- oder Notfall schnell Hilfe herbeigerufen werden.

Autonomes Fahren auf der Schiene: Das sind die Vorteile

Flexibilität: Vollautomatische Metrosysteme sind enorm flexibel, sie  reagieren wesentlich schneller auf zu- und abnehmende Fahrgastaufkommen. Bei Großveranstaltungen etwa können so unkompliziert zusätzliche Züge in den Fahrplan eingespeist werden, ohne die reguläre Personalplanung durcheinander zu bringen. Aber auch die alltäglichen Stoßzeiten sind mit selbstfahrenden Bahnen besser zu bewältigen.

Pünktlichkeit: Durch die zentrale Steuerung und Überwachung der Züge in Kombination mit den berechenbaren Beschleunigungs- und Fahrtkurven ist es möglich, die Pünktlichkeit der Bahnen zu verbessern und Ankunfts- und Abfahrzeiten genauer zu berechnen – und zwar bis auf die Sekunde. Schon jetzt gibt es in U-Bahnhöfen autonomer Metrosysteme elektronische Anzeigen, die die Ankunft eines Zuges sekundengenau herunter zählen.

Kapazität: Weil selbstfahrende Bahnen in einem ständigen gegenseitigen Austausch stehen, können bisher statische Sicherheitsabstände kleiner werden. Das führt zu einer höheren Auslastung des Netzes und ermöglicht eine engere Taktung. Im Ergebnis fahren mehr Bahnen: Man kommt schneller an sein Ziel und es können mehr Fahrgästen befördert werden. Die Verkürzung der Sicherheitsabstände bedeutet dabei kein Sicherheitsrisiko, weil die selbstfahrenden Bahnen stets in Echtzeit den benötigten Bremsweg berechnen.

Verfügbarkeit & Verlässlichkeit: Autonome Bahnen bremsen und beschleunigen sehr konstant. Zudem sammeln sie für den Fahrbetrieb ständig Daten – auch über ihren eigenen Zustand. Verschleiß oder Defekte können so reduziert werden. Durch Wartungssensoren in modernen Zügen können Fehler schon frühzeitig erkannt und behoben werden. Auch die Wartungszeiten sind kürzer. Das spart Kosten und beugt dem Risiko von Ausfällen vor. Autonomes Fahren auf der Schiene ist dadurch in besonderem Maße ressourcenschonend.

Energieeffizienz: Wie fahre ich sparsam und effizient? Autonome Systeme können die optimale Beschleunigung eines Zuges berechnen. Dabei nutzen sie viele unterschiedliche Daten: Sensoren erfassen zum Beispiel das Gewicht der Fahrgäste. Auch Informationen über die Strecke – Steigung, Kurven, Geschwindigkeitsbegrenzungen – fließen in die Berechnungen mit ein. In Kombination mit der üblichen Rückgewinnung von Energie beim Bremsen können fahrerlose Bahnen so bis zu 30 Prozent Energie einsparen.

Fahrerlose Bahn: Und der Lokführer?

Triebfahrzeugführer werden auch in Zukunft den größten Teil der Fahrgäste und Güter auf der Schiene transportieren. Autonomes fahren löst den Fahrer nicht ab, vielmehr schaffen die selbstfahrenden Bahnen zusätzliche Kapazitäten und Angebote. Aktuell fehlen den Eisenbahnverkehrsunternehmen mehr als 1.500 Lokführer. Trotz hervorragender Berufsaussichten entscheiden sich immer weniger Menschen für diesen anspruchsvollen Beruf.

Allerdings wird die Nachfrage an Verkehrsdienstleistungen immer größer, sowohl im Personen- als auch im Güterverkehr. Vollautomatische Metrosysteme helfen, das erhöhte Verkehrsaufkommen auch tatsächlich zu bewältigen. Insbesondere wenn wir aufgrund der Klimafreundlichkeit der Eisenbahn die Verkehrswende beschleunigen und mehr Verkehr von der Straße auf die Schiene verlagern wollen.

Darüber hinaus können durch autonomes Fahren weitere Angebote entwickelt werden, die heute mit hohen Personalkosten und Einschnitten im Privatleben verbunden sind: Etwa ein durchgängiger U-Bahnbetrieb auch während der Nacht oder ein uneingeschränkter Verkehr an Feiertagen. Im Güterverkehr könnten die Rangierfahrten von selbstfahrenden Loks erledigt werden.

Teilautomatische Systeme brauchen immer Personal an Bord und letztlich wird auch ein autonomes System nicht ohne menschliche Kontrolle auskommen. Hier ergeben sich neue Berufsbilder und Aufstiegschancen, zum Beispiel mit dem Wechsel in die Leitstelle.

Was kostet eine autonome U-Bahn?

Die Kosten einer vollautomatisierten Metrolinie unterscheiden sich nach der Art des Projekts: Handelt es sich um den Bau einer neuen Linie, oder soll eine bestehende Verbindung für den vollautomatisierten Betrieb umgerüstet werden? Genaue Angaben lassen sich nicht machen, der Internationale Verband für öffentliches Verkehrswesen (UITP) hat aber ungefähre Richtgrößen für die Umrüstkosten pro Kilometer für autonomes Fahren entwickelt. Im Falle eines Neubaus ist ein automatisiertes System demnach lediglich drei Prozent teurer als eine konventionelle Metrolinie. Die Umrüstung einer bestehenden Verbindung ist laut UITP dagegen nur mit Mehrkosten von rund 30 Prozent zu bewerkstelligen. Die Umstellung bestehender U-Bahn-Linien auf autonomes Fahren lohnt sich für Eisenbahnverkehrsunternehmen deshalb nicht in jedem Fall. Beim Bau zukünftiger Linien jedoch entscheidet man sich heute meist schon für die automatisierten Linien.

Gute Erfahrungen in Nürnberg

In Nürnberg hat man schon gute Erfahrungen gesammelt: „Das Tolle an meinem Job ist die Abwechslung“, verrät uns Dimitrios Terzidis. Seit über zehn Jahren arbeitet er bei dem Betreiber, der VAG. Angefangen hat er als Lokführer. Und U-Bahnen fährt Herr Terzidis noch immer, allerdings nicht mehr jeden Tag. 2006 nahm er an einer Weiterqualifizierung teil. Seitdem ist er auch für die technische Kontrolle der Bahnanlagen zuständig. Manchmal findet man ihn auch in der selbstfahrenden Linie U2 oder an einem Bahnsteig. Dort beantwortet er die Fragen der Fahrgäste und erklärt gerne das autonome U-Bahnsystem. „Wir fahren sicher, die Bahnen fahren sicher – das ist eine wunderbare Sache“, sagt er dann.

Weitere Informationen zum autonomen Fahren und zu fahrerlosen Bahnen

Portrait der autonomen U-Bahn in Nürnberg

Einführung: Automatisierter Bahnbetrieb und führerlose Züge