Artikel: Das schnellste Labor auf Schienen
Mit dem advanced TrainLab erprobt die Deutsche Bahn neue Technologien
Sie sind die wohl ungewöhnlichsten ICE-Züge der Deutschen Bahn: Um die neuesten Technologien für den Eisenbahnverkehr erproben zu können, betreibt die Deutsche Bahn zwei Versuchszüge. Das erste advanced TrainLab wurde im Dezember 2018 in Dienst gestellt, das zweite „Labor auf Schienen“ folgte im August 2021.
Fast wöchentlich sind beide TrainLabs in ganz Deutschland auf Testfahrt. An Bord der Züge sind Expert:innen der DB mit Kooperationspartner:innen aus der Industrie oder von wissenschaftlichen Einrichtungen. Die TrainLabs sollen der gesamten Bahnbranche für Experimente zur Verfügung stehen und jenes Spektrum an Versuchen innovativer Technologien abbilden, das mit den regulären Zügen im Personen- oder Güterverkehr der DB nicht möglich ist.
Beide Versuchszüge ähneln auf den ersten Blick einem normalen ICE, sie unterscheiden sich aber in wesentlichen Punkten: Der üblicherweise rote Streifen an der Seite ist beim advanced TrainLab grau. Einige Sitzreihen sind ausgebaut, um im Innenraum Platz für Messtechnik zu schaffen. Auf dem Dach fehlt der Stromabnehmer, denn die Testzüge haben Dieselmotoren. Damit können sie auch auf nicht elektrifizierten Strecken fahren und sind auf diese Weise flexibler einsetzbar. Die TrainLabs fahren ausschließlich zu Testzwecken und verkehren nicht im Personenverkehr.
Technisch handelt es sich um Triebzüge der Baureihe 605 (ICE-TD), die bis 2017 im Personenverkehr im Einsatz waren. Jeder Zug besteht aus zwei Mittel- und zwei Endwagen und ist insgesamt 107 Meter lang. Vier jeweils 560 Kilowatt (761 PS) starke Motoren können jeden Zug auf 200 km/h Höchstgeschwindigkeit beschleunigen. Dadurch sind Versuche im Hochgeschwindigkeitsbereich ebenso möglich wie im Schritttempo.
Beheimatet sind die Versuchszüge in Halle-Ammendorf. Dort steht auch die Tankstelle, aus der die Züge ganz speziellen Biokraftstoff tanken können: Der zu 100 Prozent aus biologischen Rest- und Abfallstoffen hergestellte Kraftstoff ermöglicht es, den CO₂-Ausstoß im Vergleich zum normalen Diesel um bis zu 90 Prozent zu senken.
Welche Tests und Versuche mit dem advanced TrainLab möglich sind, zeigt folgende Übersicht von laufenden bzw. abgeschlossenen Projekten:
Mobilfunk: Nachträgliches Lasern von Fensterscheiben
Eine dünne Metallschicht auf den Zugfenstern, die als Wärmeschutz dient, behindert das Eindringen von Mobilfunkwellen in das Zuginnere und verschlechtert so den Mobilfunkempfang. Bei Neufahrzeugen wird das Problem durch die Verwendung von neuen, mobilfunkdurchlässigen Fensterscheiben gelöst.
Bei Bestandsfahrzeugen kann in die Metallschicht ein sehr feines Muster eingebracht werden. Dies geschieht durch nachträgliches Lasern der Fensterscheiben. So können die Mobilfunkwellen besser ins Wageninnere gelangen.
Die Konnektivität für die Fahrgäste verbessert sich deutlich, z.B. bei Internet- und Sprachanwendungen. In einer Erstanwendung des Verfahrens wurden Scheiben des advanced TrainLabs nachträglich gelasert und dienen als fahrende Referenz- und Messanwendung für die Technologie.
WLAN mit ITonICE: Modernes und robustes Surfen im ICE
Mit ITonICE bringt die DB seit Mitte 2020 eine herstellerunabhängige IT-Plattform in die ICE-Züge. Sie bildet die technische Basis für einheitliche Echtzeit-Reiseinformationen, ein modernes Reservierungssystem und verbessertes WLAN. Für ein leistungsfähigeres WLAN kommen zusätzliche Accesspoints, Router und Außenantennen zum Einsatz. Wir wollen mehr Funksignal von außen in die Züge holen und innen besser verteilen. Damit die Technik am Ende auch einwandfrei funktioniert und die richtigen Komponenten an der richtigen Stelle eingesetzt werden, wurden die WLAN-Komponenten der herstellunabhängigen IT-Plattform auf dem advanced TrainLab einem ausgiebigen Performance-Test unterzogen.
Die Testfahrten fanden in der ersten Jahreshälfte 2021 zwischen Berlin und Halle statt. Mit der einzigartigen Connectivity Testplattform auf dem aTL konnten unsere Experten verschiedene Komponenten-Setups unmittelbar während der Fahrt vergleichen und so feststellen, welche Kombination der Komponenten tatsächlich den größten Mehrwert für ein ausfallsichereres und deutlich leistungsfähigeres WLAN liefert.
Sensorplattform: Hochpräzise Daten für den automatisierten Bahnbetrieb
Die Digitale Schiene Deutschland testet auf dem advanced TrainLab Technologien für den automatisierten Bahnbetrieb, die u.a. die Wahrnehmung des Zugumfeldes und die Echtzeitortung von Zügen ermöglichen. Mit verschiedenen Sensoren wie Radar, Lidar und (IR-)Kameras lässt sich die Umgebung des Zuges exakt erfassen. Eine speziell entworfene Sensorplattform ermöglicht es, die Sensoren auf dem Testfahrzeug auch bei Hochgeschwindigkeit zu nutzen. Dabei lassen sich auf der eingesetzten mobilen Sensorplattform auch bahnfremde Technologien prüfen, indem der Zugang zu Test- und Messdaten und ihre Auswertung vereinfacht wird. Zukünftig sollen die hier prototypisch erprobten Technologien zu einem robusteren und störungsarmen Bahnbetrieb mit höherer Kapazität beitragen.
ETCS Guardia: Eine Innovation für das europäische Zugsicherungssystem
Der Infrastrukturausbau auf das europäische Zugsicherungssystem ETCS erfordert eine Vielzahl von Fahrzeugausrüstungen mit innovativen ETCS-Lösungen im gesamten Sektor. Durch Stadler Signalling wurde eine ETCS Onboard Unit (OBU) mit eingebundenem Class B-System PZB entwickelt, die aufgrund der modularen Bauweise und der innovativen Systemintegration ohne den Fahrzeughersteller gemeinsam mit der DB nachgerüstet werden konnte. Mit der ETCS Guardia OBU können nach Erhalt der Zulassung ETCS-Strecken der Level 1 LS und Level 2 Baseline 2 und 3 befahren werden. Perspektivisch steht dem deutschen Markt so ein weiterer Lieferant für ETCS OBUs für verschiedenste Fahrzeugbaureihen zur Verfügung. Mit ETCS Guardia an Bord kann das advanced TrainLab zudem ein noch breiter gefächertes Spektrum an Erprobungsmöglichkeiten neuer ETCS Entwicklungen, aber auch weiterer innovativer Technologien abdecken.
HVO-Einsatz: Mit alternativen Kraftstoffen für mehr Nachhaltigkeit
Das advanced TrainLab fährt aktuell mit regenerativem Test-Kraftstoff, ohne dass Anpassungen am Fahrzeug oder der Tankinfrastruktur nötig sind. Der Test-Kraftstoff, der sogenannte HVO (HVO= hydrogenated vegetable oil), besteht zu 100 Prozent aus umgewandelten biologischen Rest- und Abfallstoffen wie Altspeiseölen. Moderne chemische Verfahren bringen die Abfallprodukte in den Tank: Diese werden gefiltert, gereinigt und zu einem hochwertigen synthetischen Kraftstoff verarbeitet. In der ersten Testphase 2019 wurde eine detaillierte Umweltbilanz erstellt, bei der der gesamte Energiebedarf ab der Erzeugung berücksichtigt wird.
Der Biokraftstoff kann die CO2-Bilanz um bis zu 90% verbessern. Während der Testfahrten wurden Motorkenndaten aufgenommen, um eventuelle Auswirkungen auf das Leistungsverhalten der Motoren frühzeitig zu erkennen.
Die Ergebnisse des Probebetriebs auf dem advanced TrainLab waren so positiv, dass immer mehr Dieselfahrzeuge der DB mit HVO unterwegs sind. Das Ziel ist es, schnellstmöglich ganz auf herkömmlichen Dieselkraftstoff zu verzichten.
Konnektivität: Flexibles Testen für eine verbesserte Zug-Land-Kommunikation
Auf einem der TrainLabs findet sich eine ganz besondere Ausstattung – die Connectivity Testplattform. Dabei handelt es sich um einen Dachträger für Antennen auf den Mittelwagen des Fahrzeugs. Auf jeden Wagen können so bis zu 20 Antennen gleichzeitig montiert werden. Der Clou dabei ist, dass die Antennen nicht direkt auf dem Fahrzeugdach, sondern auf eine Montageplatte montiert werden. Von den Antennenplätzen sind bereits Kabel ins Fahrzeuginnere vorverlegt, die jeweils in einem 19-Zoll Rack enden, wo entsprechendes Messequipment Platz findet. Auf diese Weise werden die Konstruktions- und Montagearbeiten deutlich reduziert, wodurch unsere Testvorbereitungen flexibel und effizient umgesetzt werden können.
Zugfunk: Innovative Antennensysteme für das zukünftige Bahnfunknetz
Die Digitale Schiene Deutschland erprobt zusammen mit Ericsson und Rohde & Schwarz neuartige Antennen- und Übertragungstechnologien für das bahnbetriebliche Funknetz der Zukunft. Die Untersuchungen finden im sog. Digitalen Testfeld Bahn im Erzgebirge statt und nutzen das Frequenzspektrum bei 1.9 GHz, das für den zukünftigen Funkstandard FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) vorgesehen ist – dem Nachfolger des GSM-R Funksystems. Erkenntnisse aus den Test-reihen werden helfen, die Funknetzplanung im Hinblick auf künftige digitale Bahnanwendungen zu optimieren.
Für die Erprobung wird eine Dachträgerplattform (Connectivity Testplattform) auf dem advanced TrainLab genutzt, die das flexible Anbringen mehrerer Zugantennen erlaubt. Damit können verschiedene Strategien für die Platzierung von Fahrzeugantennen für FRMCS bewertet sowie eine Bewertung von Signalübertragungseigenschaften vor-genommen werden.
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Lokalisierung und Kommunikation: Forschung für einen effizienteren und sicheren Bahnbetrieb
Bei einer zweiwöchigen Versuchsreihe mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Instituts für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war das advanced TrainLab Anfang 2021 als rollendes Labor mit Hochfrequenztechnik, Spezialantennen und Sensoren an Bord im Einsatz.
Im Projekt „V2X-DuRail“ untersuchte das DLR-Team insbesondere Funksysteme im fünf Gigahertz Frequenzband, die eine sichere Kommunikation zwischen Zügen, Teilzügen und Wägen, sowie mit dem kreuzenden Straßenverkehr ermöglichen sollen. Für das Bahnsystem der Zukunft ist es zudem essenziell, jederzeit zuverlässig bestimmen zu können, wo sich ein Zug befindet, wie lang er ist und ob er noch vollständig ist. Das DLR-Projekt „IMPACT“ (Intelligent Magnetic Positioning for Avoiding Collisions of Trains) erschließt dazu eine neue Lokalisierungsmethode, die Magnetfeld-messungen nutzt und auch dort funktioniert, wo die Satellitennavigation an ihre Grenzen stößt.
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Obsoleszenz: Zuverlässige Komponenten der Antriebstechnik
Die Antriebstechnik der Züge im Bahnsektor ist von der Alterung einzelner Komponenten stark betroffen, dazu gehören im Speziellen die Traktionsumrichter, diese wandeln den Bahnstrom aus der Oberleitung oder der Stromschiene für die Antriebsmotoren um. Alte nicht mehr lieferbare Technologien müssen durch kostengünstige, zuverlässige und einfach zu installierende Lösungen ersetzt werden. Dieser Herausforderungen stellt sich der portugiesische Hersteller Nomadtech, sie testen innovative Komponenten auf dem advanced TrainLab. Erfolgreich wurde ein Triebkopf des advanced TrainLab mit der neuen Technologie der IGBT-Stromrichter ausgestattet. Ziel der Erprobung ist es den Zügen im Personenverkehr eine zuverlässige, energiesparende und einfache Technologie zur Verfügung zu stellen, die gleichzeitig die Deutsche Bahn unabhängig von den großen Herstellern der Antriebstechnik im Bahnsektor macht.
Infrastrukturüberwachung: Inspektion von Eisenbahnbrücken bei der Überfahrt
Im Rahmen vom BMDV geförderter Forschungsprojekte erprobte das Institut für Statik und Konstruktion der TU Darmstadt mittels im advanced TrainLab verbauter Sensorik die Zustandserkennung von Eisenbahnbrücken.
Mithilfe der aufgezeichneten Daten werden Methoden für das Drive-by-Monitoring validiert, die helfen sollen, den Inspektionsaufwand von Eisenbahnbrücken zu reduzieren.
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Umfelderkennung: Hindernisse im Gleis rechtzeitig und zuverlässig erkennen
Gemeinsam mit Siemens Mobility wird seit Anfang 2019 der Siemens „Mainline Assistant“ im Rahmen des Siemens-Programms „Assistiertes und führerloses Fahren für Tram und Mainline” getestet. Der Mainline Assistant kann das Auffahren auf Prellböcke oder Hindernisse im Gleis verhindern und soll perspektivisch das teilautomatisierte Fahren zum Ab- und Bereitstellen von Zügen möglich machen.
Hinderniserkennung mit ADAS
Das System besteht aus unterschiedlicher Sensorik wie Kamera, Radar-Sensor und Lidar und ist über eine Spezialanfertigung vollständig in das Fahrzeug integriert. Auf dem advanced TrainLab werden die neuesten Algorithmen im Bereich Sensorfusion und KI-basierte Hinderniserkennung erprobt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Messung der Funktion der Sensoren bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen und bei Verschmutzung. Die Ergebnisse fließen in die Produktentwicklung ein und werden regelmäßig mit dem interessierten Fachpublikum im Rahmen von Demonstrationsfahrten diskutiert.
Das Video zeigt die Annäherung des Laborzuges an verschiedene Hindernisse bei Tests im digitalen Testfeld im Erzgebirge.
Pünktlichkeit und Stabilität: Mit reproduzierbaren Bremswegen zu weniger Verzögerungen im Betriebsablauf
Die Versuche mit Knorr-Bremse und DB Systemtechnik im Rahmen des EU-Förderprogrammes „Shift2Rail“ sollen die Bremswirkung und Anfahrbeschleunigung bei verschiedenen Umweltbedingungen optimieren. Während der Testfahrten werden unterschiedliche Haftwerte zwischen Rad und Schiene simuliert. Ziel ist die punktgenaue Einhaltung der Bremswege durch Verknüpfung von Bremssystem und Sandungsanlage, für ein optimiertes Zusammenspiel mit Kundenleitsystemen am Bahnsteig und erhöhte Betriebsstabilität.
Im neuen Glanz: Erprobung mit sechs Lacksystemen
Das advanced TrainLab wurde im Zuge einer Erprobung für Oberflächenbeschichtungen rund um neu lackiert. Das Besondere ist, dass jeder Wagen mit anderen Lacksystemen beschichtet wurde. Beteiligt waren die Firmen wefa, FreiLacke, Mankiewicz, Akzo Nobel und KABE. Umgesetzt wurde die Lackierung bei der Firma MSG Ammendorf. Erstmalig im Schienenfahrzeugbereich wurden für die Seitenklappen des Zuges Pulverlacke eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Kratzer aus und sind bei der Verarbeitung besonderes schonend für die Umwelt, da sie ohne schädliche Lösemittel auskommen. Allen Lacken gemein ist die versprochene Beständigkeit gegen Reinigungs- und insbesondere gegen aggressive Grafitti-Lösemittel. Außerdem können bei einigen Lacken Fertigungszeiten reduziert werden. Der Langzeitversuch wird durch einen Fachbereich der DB Systemtechnik bis 2023 begleitet. In dieser Zeit werden an definierten Messpunkten am Fahrzeug die Glanzgrad- und Farbtonänderung gemessen, dokumentiert und allen Beteiligten zur Verfügung gestellt.
Sensorik: Zustandsüberwachung von Fahrzeug und Schienen
Mit ZF Friedrichshafen wurden von 2019 bis 2021 Versuche mit Sensoren durchgeführt, die Schienen und Fahrzeugkomponenten überwachen und eine vorausschauende Instandhaltung möglich machen sollten. Das im advanced TrainLab eingesetzte „Condition-Monitoring-System“ kombinierte dafür dreiachsige Beschleunigungssensoren mit Temperatur- und Neigungssensoren. Die kabellosen Messfühler erfassten Schwingungen und Temperaturverhalten. Verschleiß und Schäden an Fahrzeug und Infrastruktur sollten dadurch frühzeitig erkannt werden. Mithilfe des Systems konnten etwa Flachstellen an Rädern erkannt sowie Radsatzlager, Radsatzwellen, Getriebe und Motoren als auch der Schienenzustand überwacht werden. Ziel war es, damit Wartungszyklen zustandsbezogen zu planen und die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Fahrzeugflotte zu erhöhen.
Die Versuche am advanced TrainLab sind inzwischen abgeschlossen. Das Projekt wird von der DB Systemtechnik gemeinsam mit ZF fortgeführt und weiterentwickelt.
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