Feldversuch "Digitaler Knoten 4.0"

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Der Feldversuch Digitaler Knoten 40 ist ein zentrales Projekt der deutschen und europäischen Verkehrs- und Logistikbranche, das die Digitalisierung von Schienennetzen vorantreibt. Er dient als Testumgebung für innovative Technologien zur Steuerung von Zugverkehr in hochfrequentierten Knotenpunkten. Ziel ist die Erhöhung der Kapazität, Effizienz und Pünktlichkeit im Schienenpersonen- und Güterverkehr durch digitale Stellwerkstechnik und automatisierte Prozesse.

Allgemeine Beschreibung

Der Feldversuch Digitaler Knoten 40 ist Teil des Programms Digitale Schiene Deutschland (DSD) und wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) sowie der Deutschen Bahn (DB) koordiniert. Der Name leitet sich vom Ziel ab, bis zu 40 Züge pro Stunde und Richtung durch einen Eisenbahnknoten zu leiten – eine Steigerung, die mit konventioneller Technik nicht realisierbar wäre. Der Versuch findet primär im Rhein-Main-Gebiet statt, einem der verkehrsreichsten Knoten Europas, und konzentriert sich auf die Strecken um Frankfurt am Main, wo Güter- und Personenverkehr stark gebündelt sind.

Kern des Projekts ist die Einführung eines digitalen Stellwerks (DSTW), das auf der europäischen Standardtechnologie European Train Control System (ETCS) Level 2 basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen, mechanischen oder elektromechanischen Stellwerken ermöglicht das DSTW eine vollautomatisierte Zugfolgestellung mit minimalen Sicherheitsabständen. Die Technologie nutzt kontinuierliche Datenübertragung zwischen Zug und Leitstelle via GSM-R (Global System for Mobile Communications – Railway) oder zukünftig FRMCS (Future Railway Mobile Communication System).

Ein weiterer zentraler Aspekt ist die virtuelle Kopplung von Zügen, bei der mehrere Züge digital zu einem Verbund zusammengefasst werden, um die Kapazität besser auszunutzen. Dies reduziert Wartezeiten und ermöglicht eine flexiblere Disposition. Der Feldversuch testet zudem KI-gestützte Algorithmen zur Echtzeit-Optimierung von Fahrplänen, die Störungen wie Verspätungen oder Ausfälle automatisch ausgleichen. Die Ergebnisse sollen als Blaupause für die Digitalisierung weiterer Knoten in Deutschland und Europa dienen.

Finanziert wird der Versuch im Rahmen des Bundesprogramms "Zukunft Schiene" mit einem Volumen von mehreren hundert Millionen Euro. Beteiligt sind neben der DB Netz AG auch Technologiepartner wie Siemens Mobility, Thales und Alstom, die Komponenten für die digitale Infrastruktur liefern. Die Laufzeit des Projekts ist auf mindestens fünf Jahre angelegt, wobei erste Teilabschnitte bereits seit 2021 im Probebetrieb sind.

Technische Grundlagen

Die technische Basis des Feldversuchs Digitaler Knoten 40 bildet das ETCS Level 2 in Kombination mit dem Digitalen Stellwerk (DSTW). ETCS Level 2 ersetzt klassische Signalsysteme durch eine kontinuierliche Datenübertragung zwischen Zug und Leitstelle. Jeder Zug erhält dabei dynamische Bewegungsbefehle, die an die aktuelle Verkehrslage angepasst sind. Die Position der Züge wird über GPS und Balisen (transponderbasierte Ortungspunkte) mit einer Genauigkeit von unter 10 Metern bestimmt.

Ein entscheidender Innovationsschritt ist die Automatisierungsstufe GoA 2 ("Grade of Automation 2"), bei der Züge automatisch beschleunigen, bremsen und halten, während der Triebfahrzeugführer weiterhin die Türfreigabe und Störungsmanagement übernimmt. Langfristig strebt das Projekt GoA 3 (vollautomatisierter Betrieb ohne Personal an Bord) an, was jedoch regulatorische Anpassungen erfordert. Die Kommunikation läuft über das GSM-R-Netz, das speziell für Eisenbahnanwendungen entwickelt wurde und eine Latenzzeit von unter 500 Millisekunden garantiert.

Für die virtuelle Zugkopplung werden Algorithmen eingesetzt, die Züge mit ähnlichen Zielen und Geschwindigkeiten zu "digitalen Konvois" zusammenfassen. Dies reduziert den Sicherheitsabstand zwischen den Zügen von bisher 1,5–2 Kilometern auf unter 400 Meter, was die Kapazität der Strecke deutlich erhöht. Die Steuerung erfolgt über eine Cloud-basierte Leitsoftware, die Echtzeitdaten von Sensoren, Wetterstationen und anderen Zügen verarbeitet.

Ein weiteres Element ist die prädiktive Instandhaltung, bei der KI-Systeme Verschleißerscheinungen an Weichen, Oberleitungen oder Rädern vorhersagen. Durch die Auswertung von Vibrations-, Temperatur- und Stromdaten können Wartungsarbeiten gezielt geplant werden, bevor es zu Ausfällen kommt. Dies senkt die Ausfallrate um bis zu 30 Prozent und verlängert die Lebensdauer der Infrastruktur.

Anwendungsbereiche

• Schienenpersonenverkehr: Der Feldversuch soll die Pünktlichkeit im Regional- und Fernverkehr erhöhen, indem Engpässe in Knotenpunkten wie Frankfurt Hauptbahnhof reduziert werden. Durch kürzere Zugfolgen können mehr Verbindungen angeboten werden, ohne neue Gleise bauen zu müssen.
• Güterverkehr und Logistik: Für Logistikunternehmen ermöglicht die digitale Steuerung eine bessere Auslastung der Strecken, insbesondere in der Nacht. Virtuell gekoppelte Güterzüge können flexibler disponiert werden, was Lieferketten beschleunigt.
• Stadt- und Regionalplanung: Die Technologie unterstützt die Verknüpfung von Schiene und anderen Verkehrsmitteln (z. B. durch taktgenauen Anschluss an Busse oder S-Bahnen) und trägt so zur Verkehrswende bei.
• Europaweite Standardisierung: Die Ergebnisse des Feldversuchs fließen in die EU-weite Harmonisierung von Bahnsystemen ein, insbesondere im Rahmen des Shift2Rail-Programms, das eine interoperable Eisenbahninfrastruktur anstrebt.

Bekannte Beispiele

• Frankfurt Rhein-Main (Deutschland): Haupttestgebiet des Feldversuchs mit Fokus auf den Frankfurter Hauptbahnhof und die umliegenden Strecken. Hier werden bis zu 40 Züge pro Stunde in beide Richtungen erprobt, darunter ICE-, Regional- und Güterzüge.
• ERTMS-Korridore in Europa: Die Technologie wird bereits in Teilabschnitten des Betuweroute (Niederlande) und des Gotthard-Basistunnels (Schweiz) eingesetzt, allerdings noch nicht mit der gleichen Kapazitätssteigerung wie im Feldversuch Digitaler Knoten 40.
• Digitales Testfeld Annaberg (Österreich): Ein ähnliches Projekt der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB), das jedoch stärker auf alpine Streckenbedingungen ausgelegt ist.
• Shift2Rail-Initiativen: Mehrere EU-geförderte Projekte, wie X2Rail oder 4SECURail, nutzen Erkenntnisse aus dem Feldversuch für die Entwicklung europäischer Standards.

Risiken und Herausforderungen

• Technische Komplexität: Die Integration von ETCS, KI-Algorithmen und virtueller Kopplung erfordert eine fehlerfreie Software, da bereits kleine Störungen zu Kettenreaktionen im gesamten Netz führen können. Die SIL-4-Zertifizierung (Safety Integrity Level 4) für alle Komponenten ist aufwendig.
• Datensicherheit und Cyberangriffe: Die digitale Steuerung macht das System anfälliger für Hackerangriffe. Besonders kritisch sind Denial-of-Service-Attacken (DoS), die die Kommunikation zwischen Zug und Leitstelle unterbrechen könnten. Die DB setzt hier auf quantenkryptografische Verschlüsselung in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut.
• Regulatorische Hürden: Die Zulassung automatisierter Systeme (GoA 2/3) erfordert Anpassungen im Eisenbahnrecht und in den TSI-Normen (Technische Spezifikationen für die Interoperabilität) der EU, was politische Abstimmungsprozesse verzögern kann.
• Akzeptanz bei Mitarbeitenden: Lokführer und Fahrdienstleiter müssen umgeschult werden, da sich ihre Rolle von der direkten Steuerung hin zur Überwachung automatisierter Prozesse verändert. Gewerkschaften wie die Eisenbahn- und Verkehrsgewerkschaft (EVG) fordern begleitende Qualifizierungsprogramme.
• Kosten und Wirtschaftlichkeit: Die Investitionen in digitale Infrastruktur sind hoch (ca. 1 Million Euro pro Kilometer Strecke). Ob sich die Technologie langfristig rechnet, hängt von der tatsächlichen Kapazitätssteigerung und den Einsparungen bei Wartung und Personal ab.

Ähnliche Begriffe

• ETCS (European Train Control System): Europäischer Standard für Zugsicherungssysteme, der nationale Systeme wie das deutsche PZB (Punktförmige Zugbeeinflussung) oder das französische TVM ersetzt. ETCS Level 2 kommt im Feldversuch Digitaler Knoten 40 zum Einsatz.
• GoA (Grade of Automation): Klassifizierungssystem für den Automatisierungsgrad von Zügen (GoA 0 = manuell, GoA 4 = vollautomatisiert ohne Personal). Der Feldversuch zielt auf GoA 2 mit Option auf GoA 3.
• Digitale Schiene Deutschland (DSD): Programm des BMDV zur Digitalisierung der deutschen Eisenbahninfrastruktur, unter dem der Feldversuch Digitaler Knoten 40 läuft. Weitere Projekte sind z. B. die Digitale S-Bahn Hamburg.
• Virtuelle Kopplung: Technologie, bei der Züge digital zu einem Verbund zusammengefasst werden, um die Strecke effizienter zu nutzen. Wird im Feldversuch in Kombination mit ETCS erprobt.
• FRMCS (Future Railway Mobile Communication System): Nachfolgetechnologie für GSM-R, die ab 2030 eingeführt werden soll und höhere Datenraten sowie 5G-Integration ermöglicht.

Zusammenfassung

Der Feldversuch Digitaler Knoten 40 ist ein Leuchtturmprojekt der Bahnbranche, das die Machbarkeit einer hochfrequentierten, digital gesteuerten Schieneninfrastruktur nachweist. Durch den Einsatz von ETCS Level 2, virtueller Zugkopplung und KI-gestützter Leitsoftware soll die Kapazität in Knotenpunkten wie Frankfurt um bis zu 33 Prozent gesteigert werden. Die Ergebnisse haben Bedeutung für den gesamten europäischen Schienenverkehr, da sie in die Standardisierung durch die EU einfließen. Trotz technischer und regulatorischer Herausforderungen könnte der Feldversuch den Weg für eine vollautomatisierte Bahn der Zukunft ebnen – mit positiven Effekten für Pünktlichkeit, Umweltbilanz und Wirtschaftlichkeit.

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