Die KI steuert den Zug von morgen

In wachsenden Metropolen steigt der Mobilitätsbedarf, doch neue Straßen brauchen Platz und versiegeln noch mehr Boden. Die Schiene muss mehr Fahrgäste befördern, während Lokführer fehlen. Die Automatisierung verspricht dichtere Takte, flexibleren Betrieb und geringere Kosten. Künstliche Intelligenz (KI) soll Hindernisse erkennen und Züge sicher steuern.

Fahrerlose U-Bahnen

In mehr als 40 Städten weltweit fahren U-Bahnen bereits ohne Fahrer. Den Anfang machte 1983 Lille. Nürnberg folgte 2008, Paris rüstete unter anderem die Linie 4 um. Geschlossene U-Bahn-Systeme eignen sich besonders gut: Sie sind von Straßenverkehr und unerwarteten Hindernissen weitgehend abgeschirmt. Da die Züge im ständigen gegenseitigen Austausch stehen, können Sicherheitsabstände kleiner werden und Intervalle verkürzt werden. Die Verkürzung der Intervalle bedeutet kein Sicherheitsrisiko, weil die selbstfahrenden Bahnen stets in Echtzeit den benötigten Bremsweg berechnen.

Aktuell gibt es in der Wiener U-Bahn noch keinen fahrerlosen Zugbetrieb im regulären Fahrgastnetz. Alle derzeit verkehrenden Linien – U1, U2, U3, U4 und U6 – fahren im halbautomatischen Betrieb mit Fahrer. An einigen Endstationen werden die Züge bereits fahrerlos über die Kehranlage gewendet. Mit dem kommenden Megaprojekt der U5 wird sich das jedoch ändern: Sie wird die erste vollautomatische Linie Wiens werden. Bahnsteigtüren sichern die Stationen. Die vorgesehenen X-Wagen von Siemens fahren seit 2023 im Wiener Netz, bislang mit Fahrern.

Vollautomatisierte Züge

Auf Regional- und Fernverkehrsstrecken ist die Lage komplizierter. Menschen, Tiere oder Bäume können Gleise blockieren. Schlechtes Wetter beeinträchtigt Sicht und Bremsverhalten. Nötig sind Hinderniserkennung und moderne Sicherungstechnik. Hinzu kommen hohe Kosten durch die Anpassung von Schienennetzen, regulatorische Hürden wie noch fehlende klare Gesetze, Normen und Zulassungen verlangsamen die Umsetzung.

Zudem ist zwischen „autonom“ und „vollautomatisiert“ zu unterscheiden. Der Begriff „autonome Züge“ impliziert eine vollständige Unabhängigkeit von menschlicher Steuerung, was derzeit in Europa technisch und regulatorisch noch nicht realisierbar ist. Stattdessen sind „fahrerlose“ oder „vollautomatisierte Züge“ die fachlich korrekten Bezeichnungen. Beim autonomen Fahren bewegt sich das Verkehrsmittel vollkommen selbstständig aufgrund der an Bord installierten Sensorik und Künstlicher Intelligenz im Verkehrsraum. Das ist beim Autofahren das Ziel. „Auf der Schiene geht das natürlich auch und wahrscheinlich sogar besser, aber der Trend weist eher zum vollautomatisierten Fahren“, sagt Christian Schindler, Lehrstuhlinhaber und Direktor des Instituts für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme (IFS) an der RWTH Aachen.

Zwei Abkürzungen tauchen beim automatisierten Fahren immer wieder auf und ergänzen einander: ATO (Automatic Train Operation) übernimmt Fahrfunktionen wie Beschleunigen und Bremsen. RTO (Remote Train Operation) ermöglicht es, Züge aus einem Kontrollzentrum zu unterstützen oder fernzusteuern, etwa bei Störungen. Der Mensch bleibt Teil des Systems.

Sensoren als Augen des Zuges

Für die Hinderniserkennung werden „Kameras“, „Radar“ und die Komponente „Lidar“ (Light Detection and Ranging) kombiniert. „Lidar“ vermisst die Umgebung mittels LIDAR-Sensoren und fasst die Ergebnisse in einer hochauflösenden 3D-Karte der Umwelt mit hoher Reichweite zusammen. „Radar“ (Radio Detection und Ranging) ist eine funktionsgestützte Ortungs- und Abstandsmessung, das System gilt als robust, kostengünstig und liefert auch bei schlechter Witterung meist zuverlässige Daten. „Kameras“ erkennt und klassifiziert zusätzlich. So werden ständig Daten für den Fahrerbetrieb gesammelt, das beugt dem Risiko von Ausfällen vor. Autonome Züge erscheinen so ressourcenschonend und tragen zur Verbesserung der Sicherheit bei. Denn momentan ist menschliches Versagen eine der Hauptursachen für Eisenbahnunfälle.

Chance für Nebenbahnen

In Österreich wurde bereits 2018 die Strecke Friedberg–Oberwart im Projekt Open.Rail.Lab als Testumgebung für selbstfahrende Züge genutzt. Heimo Hirner, Leiter des Forschungszentrums AI, Software und Safetty an der Fachhochschule Campus Wien sieht in kleinen selbstfahrenden Schienenfahrzeugen eine Chance für wirtschaftlich gefährdete Nebenbahnen: „Wenn wir das in den kommenden Jahren nicht umsetzen, sind die Nebenstrecken tot“, warnte er gegenüber APA Science. „Deshalb müsste das angedachte Fahrzeug, das maximal zehn Passagiere transportiert, selbstständig fahren und autonom Objekte erkennen“, sagt Hirner. Das größte Hindernis bleibt das europäische Regelwerk. In der Praxis konzentrieren sich österreichische Pilotprojekte derzeit stärker auf automatisierte Busse und Shuttles, etwa zur Anbindung von Orten an Bahnhöfe. Es geht um das Schließen der Lücke der letzten Meile.

Milliardenmarkt der Zukunft

Das Marktforschungsunternehmen Fortune Business Insights schätzte das weltweite Marktvolumen autonomer Züge für 2025 auf 9,84 Milliarden US-Dollar und prognostiziert 21,67 Milliarden Dollar bis 2034. „Europa ist bei der Forschung und Entwicklung sehr aktiv. Mit der europäischen Forschungspartnerschaft Europe‘s Rail werden viele Aktivitäten gebündelt und gemeinsam mit Bahnbetreibern, Industrie und Forschung vorangetrieben. Technologisch haben wir große Fortschritte gemacht“, sagt Gert Bikker, Institutsdirektor Schienensystemtechnik am Institut für Verkehrssystemtechnik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Viele einzelne Komponenten existieren bereits und werden in Demonstrationen erprobt, die Herausforderung besteht jetzt darin, daraus ein Gesamtsystem zu entwickeln, das unter realen Bedingungen zuverlässig funktioniert und zugelassen werden kann. Den Anfang für vollautomatisiertes Fahren auf der Schiene werden Anwendungsfälle machen in klar abgegrenzten Bereichen, das Rangieren in Depots oder ein Pilotprojekt auf Nebenstrecken.

Im Hochgeschwindigkeitsverkehr fahren weiterhin keine vollständig fahrerlosen Züge nach GoA-4-Standard. Ein erster Schritt erfolgte in China: Auf der chinesischen Strecke Peking–Zhangjiakou verkehren Züge mit bis zu 350 km/h teilautomatisiert, aber mit Triebfahrzeugführer an Bord. Im australischen Bergbau nutzt Rio Tinto dagegen seit 2018 fahrerlose Güterzüge auf einem eigenen Netz, die über 30.000 Tonnen Eisenerz transportieren. Es handelt sich um nicht schnellfahrende Züge mit eigenem Schienennetz, auf dem bis zu 40 fahrerlose Züge im Einsatz sind.

Für öffentliche Bahnen ist der Weg schwieriger. Ein ICE mit 300km/h Geschwindigkeit kommt erst nach Kilometern zum Stillstand. Beim Einfahren in den Bahnhof wird auf Sicht gefahren. Christian Schindler rechnet deshalb noch jahrzehntelang mit Triebfahrzeugführern, sie werden in der Fernbedienung und Störungsbehebung arbeiten: „Das Berufsbild wird sich ändern, der Beruf wird bleiben.“