Digitale Karten für den Bahnbetrieb: Gordon Isaac über Herausforderungen und Vorteile Digitaler Karten im automatisierten Bahnbetrieb

Unsere Digitale Karte ist eine präzise, digitale Abbildung der Eisenbahninfrastruktur. Sie enthält genaue Standortinformationen zu Objekten wie Gleisen, Signalen, Oberleitungsmasten oder Bahnsteigen. Sie beschreibt außerdem die dreidimensionalen Ausdehnungen dieser Objekte, also die genaue Größe und den Aufbau. Weiterhin beschreibt die Digitale Karte die Streckentopologie, sie stellt also auch Zusammenhänge der verschiedenen Objekte zueinander da. Daraus wird zum Beispiel ersichtlich, welche Fahrbeziehungen zwischen unterschiedlichen Gleisen möglich oder welche Objekte relevant für einen Gleisabschnitt sind.

Die Deutsche Bahn hat unterschiedliche Projekte zum Thema (digitale) Karten, wie etwa InfraMaps oder den Digitalen Befehl, die signifikanten Mehrwerte im betrieblichen Alltag schaffen, ins Leben gerufen. Das besondere an der in dem Projekt AutomatedTrain erzeugten Digitalen Karte ergibt sich aus dem Anwendungsfall des vollautomatisierten Fahrens. Um eine Digitale Karte für vollständig automatisiertes Fahren nutzen zu können, müssen deutlich mehr Details mit einer größeren Präzision erstellt werden. Teil des Projektes AutomatedTrain war es auch, gemeinsam mit den Projektpartnern die notwendigen Inhalte der Digitalen Karte für automatisiertes Fahren in diesem Anwendungsfall zu ermitteln.

Die Digitale Karte fungiert als wichtige Referenz für zugseitige Systeme. Diese Systeme werden von der Digitalen Karte über den Sollzustand des Umfeldes entlang der Strecke informiert. Beispielsweise: „Hier sollte ein Gebäude und hier ein Mast stehen.” Die Digitale Karte wird also, ähnlich wie ein Sensor, als Eingangsquelle für Streckeninformationen genutzt und dann mit den im Fahrbetrieb erfassten Daten abgeglichen. Somit können die Unterschiede zwischen Soll- und Ist-Zustand ermittelt werden, auf deren Basis dann Handlungsentscheidungen getroffen werden. 

Ein wichtiges Einsatzgebiet Digitaler Karten ist die Hinderniserkennung bei der vollautomatisierten Fahrt des Zuges. Bei Zugfahrten ist es aufgrund des langen Bremswegs von hoher Relevanz, Hindernisse bereits in großer Entfernung zu erkennen. Daher ist es essenziell, die Fahrstrecke des Zuges zu kennen, um abschätzen zu können, ob sich ein Hindernis im oder sehr nah am Gleisbereich befindet. Des Weiteren spielt es eine wichtige Rolle, alle Objekte zu kennen, die sich in der Region entlang der Strecke befinden, um zwischen bekannten und unbekannten Objekten unterscheiden zu können. Schließlich können sich durchaus berechtigte Objekte sehr nah am Gleisbereich befinden, wie zum Beispiel Schilder oder Bahnsteige. Diese sollten eben nicht als Hindernisse interpretiert werden und somit Fehlbremsungen auslösen werden.

Weiterhin wird die Karte für die Lokalisierung des Zuges genutzt. Durch die Kenntnis des genauen Streckenverlaufs und weiterer Attribute wie Überhöhung, Streckenneigung und Kurvenradien ist es möglich, die erwartete Position und Blickrichtung des Zuges genauer zu bestimmen. Außerdem können Infrastrukturobjekte, deren Positionen bekannt sind, als Landmarken genutzt werden, um so die genaue Fahrzeugposition zu berechnen. Dies ist unter anderem auch an Bahnsteigen sehr relevant, um einen Präzisionshalt an der genau vorgegebenen Position zu ermöglichen.

Die Digitale Karte fungiert somit als wichtige Eingangsquelle für sicherheitskritische Zugsysteme wie Hinderniserkennung und Lokalisierung. Aus diesem Grund werden an die Digitale Karte hohe Sicherheitsanforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Vollständigkeit gestellt.

Innerhalb der Projektlaufzeit wurden Digitale Karten durch die DB InfraGO AG und den Projektpartner Siemens Mobility GmbH für alle relevanten Teststrecken erstellt: Strecken in Berlin, Hennigsdorf, Wegberg-Wildenrath sowie die eigentlichen Erprobungsstrecken in Stuttgart (die Strecken der zwei S-Bahn-Linien zwischen Bad Cannstatt und Kirchheim unter Teck und zwischen Zuffenhausen und Böblingen), inklusive der Abstellanlage in Esslingen, wurden aufgenommen. Im Raum Stuttgart wird im Juni 2026 ein Teil der Ergebnispräsentation von AutomatedTrain stattfinden.

Hervorzuheben ist, dass wir im Projekt AutomatedTrain gemeinsam mit Siemens Mobility die Prozesskette zur Erstellung und Bereitstellung einer Digitalen Karte ganzheitlich betrachtet haben. Das brachte uns an vielen Stellen Erkenntnisse und Fortschritte. So wurden erstmals konkrete Anforderungen an die Digitale Karte niedergeschrieben, welche Aussagen zu relevanten Objekten und zur Genauigkeit beinhalten. Die durchgeführte Vermessung und Objekterkennung dieser Daten brachte uns die Erkenntnis, dass die hohen Anforderungen an die Karte eine komplexe Verarbeitung sowie einen hohen Detailaufwand erfordern. Ob die Anforderungen wirklich so präzise sein müssen, wird sich in der Erprobung zeigen. Zusätzlich ist es uns erstmals gelungen, eine Schnittstelle zu entwickeln, die das Austauschformat zum Zug definiert. Auch diese Schnittstelle soll im restlichen Projektverlauf im realen Zugbetrieb bestätigt werden.

Beim automatisierten Bahnbetrieb wird eine Digitale Karte erstmals für einen Anwendungsfall verwendet, der hohe Anforderungen an die Genauigkeit, die Vollständigkeit, die Korrektheit der Daten und deren Nachweis stellt. Da solche Karten, die diesen Anforderungen gerecht werden, bislang im Bahnbereich nicht existieren, ist es zum einen notwendig, Karten neu einzumessen. Zum anderen muss ein Prozess zur Erstellung dieser neuen Karten entwickelt und insbesondere ein Nachweis geführt werden, welcher bestätigt, dass dieser Prozess den neuen, hohen Anforderungen genügt. 

Daher wurde die Digitale Karte im Rahmen von AutomatedTrain von Anfang an in den Anforderungsprozess eingebunden. Die Systemanforderungen aller Systeme, welche die Digitale Karte verwenden werden, wurden nicht nur inhaltlich, sondern auch unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen detailliert beschrieben. Auf Basis eines vollständigen Anforderungskatalogs kann ein Prozess entwickelt werden, welcher nachweislich die hohen Anforderungen an Genauigkeit und Vollständigkeit erfüllt.

Im Projekt wurde dieser Prozess zunächst prototypisch aufgesetzt, um Erkenntnisse darüber zu erlangen, welche Schritte notwendig sind, um die Grundlagen für eine spätere Nachweisführung zu legen. Außerdem wurde auf dieser Basis eine prototypische Prozesskette zur Erstellung der Karten als Softwareprodukt implementiert. 

Im Kern dieses Prozesses stehen wiederholte Validierungsschritte, welche sicherstellen, dass zu keinem Zeitpunkt Abweichungen hinsichtlich Genauigkeit und Vollständigkeit entstehen. Der Prozess wurde mithilfe einer Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) durchleuchtet, um eine Liste möglicher prozessualer Schwachstellen aufzustellen. Für jede Fehlerquelle wurden Validierungsmaßnahmen ergriffen, um eine Mitigation des Fehlers zu erreichen. So werden beispielsweise zur Sicherstellung der Lagegenauigkeit der Vermessung, separat nach einem unterschiedlichen Verfahren eingemessene Daten zur Validierung verwendet. Der fortwährende Abgleich zwischen Rohdaten und finalem Produkt, sowie die Einbindung von Sekundärdatenquellen stellen die Vollständigkeit der Digitalen Karte sicher.

Die Prozessentwicklungen im Rahmen des Projektes haben schon jetzt gezeigt, dass eine sorgfältige Anforderungsanalyse unabdingbar ist, um die tatsächlich notwendige Genauigkeit nachzuweisen. Da bei der Erstellung der Digitalen Karte mehrere Prozessschritte notwendig sind, addieren sich Fehlerquellen. Die Diskrepanz zwischen Gesamtfehler der Einzelschritte und definiertem Maximalfehler so gering wie nötig zu halten, wird eine herausfordernde Aufgabe.

Die im Projekt entwickelte Datenschnittstelle, die sowohl die inhaltlichen als auch die qualitativen Anforderungen an die Karteninformationen beschreibt, stellt eine essenzielle Erkenntnis des Projekts dar. Die erarbeiteten Formate und Prozesse werden für eine herstellerunabhängige und interoperable Nutzung der europaweiten Standardisierung bereitgestellt, um somit die Digitalisierung des Bahnbetriebs in ganz Europa zu unterstützen. Die Digitale Karte ist inzwischen ein Bestandteil europäischer Standardisierungsaktivitäten. Sie wird im Rahmen der europäischen Initiative ERJU spezifiziert und standardisiert. Dadurch sollen zukünftig alle europäischen Bahnen auf kompatible Infrastrukturdaten zugreifen können.

Digitale Karten stellen eine wichtige Grundlage, sowohl für die Automatisierung als auch die Digitalisierung des Zugverkehrs dar. Aber auch für den Neu- und den Umbau sowie für Instandhaltungsmaßnahmen der Infrastruktur bringen sie große Vorteile in der digitalen Planung oder einer beschleunigten Abnahme und können dafür zukünftig genutzt werden.

Die Digitale Karte hat sich auch als eine wichtige Datenquelle bei der Erstellung eines digitalen Zwillings erwiesen, der zur Simulation von Szenarien für den automatisierten Zugbetrieb genutzt wird. Mit Hilfe der Karte lässt sich eine fotorealistische Nachbildung des Bahnsystems erzeugen. So können unter anderem seltene Störfälle, wie etwa ein Gepäckstück auf den Gleisen, realitätsnah und in unterschiedlichsten Konstellationen simuliert werden. Diese Szenarien werden verwendet, um verschiedene Sensoren sowie Hinderniserkennungsalgorithmen und -systeme unter realistischen Bedingungen kostengünstig zu testen und zu bewerten, bevor mit aufwendigeren Feldtests begonnen wird.

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Projekts können die Industriepartner auf Grundlage der erzielten Ergebnisse unmittelbar mit ihren Serienentwicklungsphasen starten. Die Digitale Schiene Deutschland hat somit gemeinsam mit den Projektpartnern wichtige Impulse in den Sektor gesendet und den Grundstein gelegt, dass entsprechende Systeme bereits in naher Zukunft von Eisenbahnverkehrsunternehmen bei der Industrie bestellt werden könnten.

AutomatedTrain wird gefördert durch die Bundesrepublik Deutschland und die Europäische Union. Zuwendungsgeber sind das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages sowie die Europäische Union.