BerDiBa - Berliner Digitaler Bahnbetrieb

Der Schlüssel zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Mobilität ist die Digitalisierung des Schienenverkehrs. Mit BerDiBa ('Berliner Digitaler Bahnbetrieb') arbeitet das Fachgebiet MDT an einem innovativen Forschungsprojekt, das sich diesem Thema widmet. Das Projekt umfasst 12 Projektpartner und wird durch das Innovationsförderprogramm ProFIT gefördert.

BerDiBa beschäftigt sich vor allem mit der Entwicklung und Erprobung von Technologien für das automatisierte Fahren von Zügen. Ein wesentlicher Aspekt des autonomen Zugbetriebs ist die Fähigkeit, den eigenen Betriebszustand und den der Umgebung kontinuierlich zu überwachen und zu bewerten. Darüber hinaus zielt unser Projekt auf die Entwicklung von Technologien ab, die diese Zustände vorhersagen können, um einen sicheren und effizienten zukünftigen Betrieb zu gewährleisten.

Das Fachgebiet Elektronische Mess- und Diagnosetechnik ist an verschiedenen Bereichen dieses Projekts beteiligt, die alle einen wichtigen Beitrag zu dem Ziel leisten, den Schienenverkehr zu einem intelligenteren und nachhaltigeren System zu machen.

Gemeinsam mit unseren Projektpartnern haben wir erfolgreich einen Algorithmus zur Optimierung der Instandhaltung entwickelt und implementiert, wodurch die Umlaufplanung verbessert werden konnte. Dafür haben wir ein Mehrkörpermodell für eine mechanische Zugtür entwickelt. In dieses Modell wurde der Verschleiß verschiedener mechanischer Komponenten integriert. Mithilfe dieses Verschleißmodells konnten wir Türöffnungen unter Berücksichtigung verschiedener Bahnhöfe, Strecken und Fahrgastinteraktionen genau simulieren. Die daraus resultierenden Daten ermöglichten es uns, potenzielle Ausfälle genau vorherzusagen. Darüber hinaus entwickelten wir ein Prognosemodell, das die Wahrscheinlichkeit eines Tür- oder Zugausfalls vorhersagt und so unsere Wartungs- und Betriebseffizienz weiter steigert. Dadurch konnte unser Projektpartner, das Zuse-Institut Berlin, eine Optimierung für die Wartungsabläufe entwickeln, was zu einer erheblichen Verbesserung des Umlaufplans führte.

In der zweiten Projektphase simulieren wir die Bewegungen und den Verschleiß von Schienen, die durch die Bildung von Hohllagen verursacht werden. Die Schienen einer Strecke liegen auf Bahnschwellen, welche widerrum auf einem Gleisbett liegen. Mit der Zeit gibt die Struktur des Gleisbetts nach und es entstehen Hohllagen zwischen Gleisbett und Schwellen. Da die Schienen auf diesen Schwellen liegen, führen Hohllagen zu verstärkten vertikalen Zugbewegungen, die im schlimmsten Fall Entgleisungen zur Folge haben.

Wir haben eine Simulationsumgebung entwickelt, die das Verhalten eines Zuges auf den Schienen realistisch nachbildet, indem sie die Verformungen der Schienen sowie die Bewegungen und Kräfte auf die einzelnen Schwellen detailliert modelliert. Eine wesentliche Neuerung ist die Leistung und der Detail-Umfang der Simulation. Aktuelle Simulationsmodelle analysieren das Verhalten auf Schwellenebene, indem sie partielle Differentialgleichungen für Schienenabschnitte von maximal einigen hundert Metern Länge wesentlich langsamer als in Echtzeit berechnen. Unser Ansatz kann beliebig lange Strecken mit nur linearer Komplexität wesentlich schneller als in Echtzeit simulieren.

Um realistische Gleisdaten zu verwenden, haben wir ein Tool entwickelt, das Informationen über bestehende Zuggleise, wie Position, Höhe oder Geschwindigkeitsbegrenzungen, aus OpenStreetMap extrahiert.

Unter Verwendung der Schwellenkräfte aus der Simulation haben wir eine Alterungssimulation mit einem parametrisierten Verschleißmodell entwickelt. Durch die iterative Aktualisierung der Gleisparameter in Abhängigkeit vom Abnutzungsgrad können wir die zunehmenden Zugbewegungen simulieren, die durch die wachsenden Schwellenhohlräume verursacht werden.