Rail4Future: Das digitale Bahnsystem
Bis zum Jahr 2050 sollen die CO2-Emissionen im Verkehrssektor um 90 Prozent (im Vergleich zum Bezugsjahr 1990) reduziert werden. So lautet ein zentrales Ziel des „European Green Deal“. Auf dem Weg zur nachhaltigen Mobilität spielt der Schienenverkehr als einer der umweltfreundlichsten und energieeffizientesten Transportmittel eine entscheidende Rolle. Alleine in Österreich haben die ÖBB im Jahr 2020 insgesamt rund 287 Millionen Bahnkunden und über 95 Millionen Tonnen Güter klimaschonend an ihr Ziel gebracht.
Große Herausforderungen
Um auch in Zukunft als Mobilitäts- und Logistikdienstleister das volle Potential ausschöpfen zu können, gilt es für die ÖBB eine Vielzahl an Herausforderungen zu meistern. So müssen höhere Kapazitäten zur Verfügung gestellt werden, was bei der Nutzung der bestehenden Bahninfrastrukturanlagen mehr Abnützung aller Komponenten im Gleis bedeutet. Gleichzeitig sollen die Gesamtkosten für die Bereitstellung der Infrastruktur, also für Maßnahmen sowohl im Neubau als auch bei Umbauten und in der Instandhaltung, gesenkt werden. Zudem ist es notwendig, die Resilienz des Systems Bahn in Bezug auf Umwelteinflüsse zu maximieren. Da wetterbedingte Störeinflüsse des Bahnbetriebs permanent zunehmen, sind erhebliche Investitionen für technische Schutzmaßnahmen und Anzeige neu gedachte Verkehrskonzepte erforderlich, um die gesamte Infrastruktur fit für den Klimawandel zu machen.
Notwendige Forschung
Wichtige Fragestellungen betreffen in diesem Kontext das Alterungsverhalten und somit die Planung und Umsetzung von Maßnahmen für die Basisinfrastruktur wie Schiene, Schwelle, Schotterbett, Brücken und Tunnels. Für eine Life-Cycle-Analyse und die Bewertung des Zustandes und des Verhaltens von Anlagen existieren teilweise bereits analytische Ansätze, numerische Methoden und Werkzeuge. Diese befassen sich jedoch in der Regel mit einer einzelnen Anlage und konzentrieren sich dabei auf einen bestimmten Aspekt oder eine einzelne Komponente. Das Verständnis der Interaktionen im System erfordert zusätzliche Grundlagenforschung, um tiefergehende Einblicke in die komplexen physikalischen Phänomene zu bekommen, die im Eisenbahnverkehr auftreten.
Digitaler Zwilling
„Die Zukunft des effizienten Einsatzes und Managements von Bahnressourcen liegt in einem vollständig vernetzten und digitalisierten Bahnsystem“, sagt dazu Thomas Petraschek. Dem Leiter Forschung & Entwicklung bei den ÖBB obliegt die Führung eines multidisziplinären Konsortiums, in dem Bahnbetreiber, Industrie, wissenschaftliche Partner und Hochschulen ihre Expertise und ihre Felddaten im Rahmen von „Rail4Future“ bündeln. Die Partner des COMET-Projekts „Railways for Future - Resilient Digital Railway Systems to Enhance Performance“ haben es sich zum Ziel gesetzt, das digitale Bahnsystem der Zukunft zu gestalten. „Dafür wird eine neuartige, hochleistungsfähige und vollständig virtuelle Validierungsplattform für Simulationen ganzer Bahnstrecken entwickelt“, skizziert Petraschek die hochkomplexe Forschungsaufgabe. Durch die Verschränkung von Daten aus unterschiedlichsten Quellen sowie durch den Einsatz neuartiger Berechnungsmodelle und Modellierungstechniken soll also ein digitales Abbild von Streckenabschnitten erstellt werden, ein sogenannter Digitaler Zwilling.
Grundlage für Innovationen
Erklärtes Ziel des Forschungsprojekts ist es, das dynamische Verhalten und den Zustand von Komponenten wie Schiene oder Weiche und die langfristigen Trends von bahntechnischen Strukturen wie Brücken oder Tunnels zu bewerten. „Die Forschungsergebnisse können einen kontinuierlichen Fluss von zuverlässigen und aussagekräftigen Informationen sicherstellen. Und zwar über die gesamte Lebensdauer der verschiedenen Eisenbahninfrastrukturkomponenten und interagierenden Schienenfahrzeuge hinweg − angefangen von der Planung, Produktion und Konstruktionsphase bis hin zum Betrieb und zur Degradierung“, so Petraschek, der sich von Rail4Future ein tiefes Grundverständnis und eine Beschreibung des Gesamtsystems Bahn erwartet. Die Analyse der Auswirkungen neuer Betriebsszenarien (z.B. Kapazitätserhöhung, Umweltbedingungen) sowie die virtuelle Bewertung neuartiger Komponenten und Schienenfahrzeuge bei gleichzeitiger Minimierung von On-Track-Tests sollen die Grundlagen für entscheidende Innovationsschritte im Bahnsystem bilden.
Damit kann einerseits die Bereitstellung bestehender Anlagen über die gesamte Lebensdauer optimiert werden, da das rechtzeitige Erkennen bzw. die Prognose des Eintritts von Verschleiß und mechanischen Schäden hilft, die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Eisenbahnbetriebs zu steigern. Andererseits werden es die Simulationen mit dem Digitalen Systemzwilling ermöglichen, die Innovationszyklen neuer Produkte oder Lösungen wesentlich zu verkürzen.
Das Konsortium
An die 20 Projektpartner aus Wissenschaft und Industrie arbeiten im Rahmen von Rail4Future (Projektlaufzeit: April 2021 bis September 2024) daran, durch Simulationen Analysen zur zuverlässigeren und kosteneffizienteren Bewertung von Anlagenzuständen, Systemverhalten und Auswirkungen von Maßnahmen zu ermöglichen.