Güterzüge fahren der Digitalisierung noch hinterher

Im Vergleich zu Transportmitteln im Straßen- und Luftverkehr lassen sich Waggons von Güterzügen derzeit nur rudimentär mit intelligenten Komponenten überwachen. Güterwaggons verfügen aufgrund der höheren Lasten, Stoß- und Zugkräfte über andere Kupplungen als Wagen von Personenzügen und lassen sich daher nicht wie diese elektrisch verbinden. Schutzvorrichtungen für die Elektrik gegen Regen und Schmutz sind wegen der unterschiedlich konstruierten Kupplungen nicht nur nicht ohne weiteres von Personen- auf Güterwagen übertragbar, Waggons von Güterzügen werden auch häufiger und zudem manuell gekoppelt. Das heißt, um Innovationen im Schienengüterverkehr mit Hilfe von Sensorik, Ortung und Zustandsüberwachung ins Rollen zu bringen, werden Monitoring-Lösungen benötigt, mit denen die vielen schon genutzten Güterwaggons effektiv und kosteneffizient nachgerüstet werden können und die im täglichen Betrieb nicht zusätzlich konfiguriert werden müssen.

Monitoring über Mobilfunk funktioniert schon, ist aber störungsanfällig

Über Funksysteme lassen sich beispielsweise die Daten, die für die Freigabe von Streckenabschnitten benötigt und derzeit mit wartungsaufwändiger Infrastruktur entlang der Trassen erhoben werden, in den Zügen selbst ermitteln. Im Zug integrierte, vernetzte Monitoring-Systeme könnten künftig Positionen und Laufzeiten von Güterwaggons erfassen, den Zug auf Vollständigkeit kontrollieren, automatische Kopplungen von Wagen ermöglichen sowie Fracht und Räder überwachen. Zu diesem Zweck gibt es bereits Systeme, die Daten für jeden einzelnen Waggon per Mobilfunk direkt an eine externe zentrale Kontrollinstanz senden, zum Teil auch mit zusätzlichem GPS-Empfänger. Bei einer Streckenführung mit schlechter oder keiner Mobilfunkanbindung ist die zentrale Datenverarbeitung allerdings entsprechend störanfällig. Zielvorgaben der Bahn erfordern Meldungen binnen zwei Sekunden vom Zug zur Zentrale und sind damit nicht flächendeckend erreichbar.

Erweiterter Ansatz: Monitoring über ein lokales Funksensornetz

Im Projekt fast realtime wurde daher ein erweiterter Ansatz untersucht und in einem Demonstratoraufbau praktisch erprobt. Hierbei werden die einzelnen Waggons über ein lokales Funksensornetz als zuginterne Monitoring-Anwendung drahtlos verbunden. Mobilfunk ist somit nur für übergeordnete Anwendungen im Streckennetz notwendig. Ziel für die neue Lösung war es, Betriebsparameter, wie z.B. Temperatur und Vibrationen, aller Wagen eines Güterzugs zu überwachen, deren Reihung und Vollständigkeit zu ermitteln sowie diese Informationen in Echtzeit zu übertragen. Dazu müssen Ereignisse in einem Zug mit bis zu 100 Waggons und damit von bis zu 100 Sensormodulen an den Datenkonzentrator samt Mobilfunk-Zugriffspunkt im Triebwagen und von dort an eine zentrale, für viele Züge zuständige Kontrollinstanz in der Cloud in weniger als zwei Sekunden gemeldet werden.

Diese Anforderung ist beträchtlich, da in Zügen zum einen die Funkausbreitung aufgrund der metallischen Umgebung suboptimal ist. Zum anderen kann ein Kommunikationsproblem nicht wie bei klassischen Netzwerkstrukturen durch andere benachbarte Sensormodule abgefangen werden, da die Module Waggon für Waggon linear angeordnet sind. Ein Datenpaket muss somit auf einem einzigen möglichen Weg Modul für Modul durch den Zug gereicht werden.

An Modellbahn erprobte Lösung soll auf Güterzüge übertragen werden

Das IMMS hat den Prototyp für ein zuginternes Funksensornetz für das oben beschriebene Monitoring-System für einen Modellzug realisiert. Dazu hat das Institut für eine schnell nachrüstbare, wartungsarme und preiswerte Lösung verfügbare Hard- und Softwarekomponenten für Funksensormodule untersucht. Diese wurden so ausgewählt und konfiguriert, dass Verzögerungen bei der Datenübertragung, sog. Latenzen, sowie der Energiebedarf für die Monitoring-Aufgaben minimal gehalten werden. Der Partner Funkwerk Systems GmbH hat Lösungen erarbeitet, mit denen die erhobenen Daten des lokalen Funksensornetzes des IMMS per Mobilfunk an die zentrale Cloud-basierte Kontrollinstanz gesendet werden.

Ergebnis ist ein latenzoptimiertes und energieeffizientes Monitoring-System, das Daten eines Güterzugs in weniger als zwei Sekunden zur Verarbeitung in die Cloud schicken kann, um von dort Zustandsänderungen und Ereignisse zu kontrollieren, zu bewerten und bei Bedarf automatisch Aktivitäten auszulösen. Die Vorverarbeitung der Daten in den Funkmodulen kann durch einen zusätzlichen Kommunikationskanal von der Steuerungsinstanz zu den Modulen konfiguriert werden. Diese teilweise Verlagerung der Intelligenz in die Module macht die Lösung effizienter, da so weniger Daten übertragen werden müssen. Sämtliche Konfigurationsnachrichten werden von den Modulen bestätigt und damit die Kommunikation abgesichert.