Wer fährt den Zug von morgen?
Ein Zug rauscht mit 200 km/h über die Gleise, wenige hundert Meter weiter versperrt ein Liegenbleiber an einem Bahnübergang die Strecke. Für einen Lokführer heißt das: erkennen, bewerten, reagieren – innerhalb von Sekundenbruchteilen. Ein automatisierter Zug muss dieselbe Situation meistern. Nur dass anstelle des Menschen Sensoren und Software entscheiden.
Züge ohne Lokführer sind keine Neuentwicklung. Bereits 1983 ging im nordfranzösischen Lille eine völlig autonome U-Bahn in den Regelbetrieb – immerhin vor mehr als vier Jahrzehnten. Auch in Städten wie Dubai, Paris, Singapur, Kopenhagen oder Nürnberg sind Züge innerstädtisch vollautomatisch unterwegs. In Australien fährt ein Güterzug ohne Menschen im Führerstand Tausende Tonnen Eisenerz von A nach B. Allerdings eint diese Beispiele alle das gleiche Prinzip: Sie funktionieren in abgeschlossenen Netzen und nicht im regulären, frei zugänglichen und hochkomplexen Bahnnetz, in dem unterschiedliche Zugtypen aufeinandertreffen und in dem sich die Umgebung niemals vollständig kontrollieren lässt.
„Ein hoch- oder vollautomatisiert fahrender Zug muss seine Umgebung eigenständig und zuverlässig erfassen und sicher reagieren können – etwa auf eine Person im Gleis, einen umgestürzten Baum oder eben auf ein am Bahnübergang liegengebliebenes Fahrzeug“, sagt Prof. Dr. Gert Bikker, Institutsdirektor Schienensystemtechnik am Institut für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Für Bikker ist automatisiertes Fahren deshalb weniger eine Frage des einzelnen Zuges als des gesamten Systems. Fahrzeug, Infrastruktur, Betrieb und Mensch müssen zusammenspielen. Die Technik dafür ist in vielen Bereichen bereits erstaunlich weit.
Hier fahren Züge bereits autonom
Was sind die größten technologischen Herausforderungen?
Beschleunigen, bremsen, die Geschwindigkeit halten oder punktgenau anhalten – das können automatische Zugsysteme längst. Auch fahrerlose U-Bahnen erkennen ihre Umgebung und reagieren auf Hindernisse. Sie verkehren allerdings meist auf Strecken, deren Zugänge und Abläufe sich vergleichsweise gut kontrollieren lassen. Im offenen Bahnnetz ist die Aufgabe deutlich komplexer: Hier können zigtausende oftmals unvorhersehbare Szenarien auftreten.
Ein autonomer Zug muss deshalb nicht nur erkennen, was vor ihm liegt. Er muss mögliche Gefahren möglichst frühzeitig identifizieren, ihre Bedeutung einschätzen und daraus die richtige Reaktion ableiten. Dafür müssen Kameras und weitere Sensoren die Strecke und ihre Umgebung noch kontinuierlicher und noch detailreicher erfassen als in den abgeschlossenen Systemen – auch Wetter, Regen, Schnee, Nebel oder auch Gegenlicht spielen eine Rolle. Die Systeme müssen beispielsweise einen Menschen am Gleisrand von einer Person unterscheiden können, die sich tatsächlich in den Gefahrenbereich bewegt. Entscheidend ist, dass sie nicht erst reagieren, wenn ein Hindernis unmittelbar vor dem Zug auftaucht, sondern früh genug erkennen, ob eine Situation kritisch werden könnte. Denn bei einem schweren Zug, der mit hoher Geschwindigkeit unterwegs ist, kann der Bremsweg mehrere Hundert Meter betragen.
ATO fährt – RTO greift ein
In der Fachwelt begegnen einem bei dieser Diskussion zwei Abkürzungen besonders häufig: ATO und RTO. ATO steht für „Automatic Train Operation“, also den automatisierten Zugbetrieb. Dabei übernimmt die Technik Schritt für Schritt Aufgaben, die bislang beim Lokführer liegen. Je nach Automatisierungsgrad (Grades of Automation) kann das vom automatischen Anfahren und Bremsen bis zum vollständig fahrerlosen Betrieb reichen.
Grades of Automation – was ist das?
Ob Auto oder Zug: Autonomie kommt nicht auf einen Schlag. Beim Auto reichen die Stufen von Level 1 bis 5, bei der Bahn von GoA 1 bis GoA 4 – jeweils vom unterstützten bis zum vollständig automatisierten Fahren.
GoA 1 – Automatisierter Betrieb: Der Zug wird vom Triebfahrzeugführer gefahren; Systeme unterstützen ihn etwa beim Anfahren und Bremsen.
GoA 2 – Teilautomatisierter Betrieb: Das System übernimmt Anfahren, Fahren und Bremsen. Ein Triebfahrzeugführer bleibt im Führerstand und überwacht den Betrieb.
GoA 3 – Fahrerloser Betrieb: Der Zug fährt automatisch, ohne Triebfahrzeugführer im Führerstand. Personal bleibt jedoch an Bord und kann bei Störungen oder Notfällen eingreifen.
GoA 4 – Vollautomatischer Betrieb: Der Zug fährt vollständig autonom und ohne Personal an Bord, einschließlich Start, Fahrt, Bremsen und Türsteuerung.
RTO geht einen anderen Weg. „Remote Train Operation“ bedeutet, dass der Mensch nicht mehr im Zug sitzen muss, sondern beispielsweise aus einem Kontrollzentrum heraus überwacht oder – je nach System – fernsteuert. Das kann besonders interessant werden, wenn ein automatisierter Zug mit einer Situation konfrontiert wird, die seine Systeme nicht sicher bewältigen können. Dann könnte die Kombination aus ATO und RTO zum entscheidenden Prinzip werden: Die Technik übernimmt den Normalbetrieb, der Mensch bleibt als Rückfallebene im System. Voraussetzung dafür sind vor allem leistungsfähige Rechner, zuverlässige Sensorik und eine stabile Breitband-Kommunikationsverbindung zwischen Zug und Leitstelle. RTO ist darüber hinaus auch für andere Anwendungen interessant – etwa beim Rangieren in Depots oder bei der Bereitstellung leerer Züge.
Welchen Beitrag leistet das DLR beim automatisierten Fahren auf der Schiene?
Dass automatisiertes Fahren beim DLR nicht nur auf dem Papier existiert, zeigt ein Blick nach Norddeutschland. Im Forschungsprojekt ARTE – „Automatisiert fahrende Regionalzüge in Niedersachsen“ – haben das DLR und der Zughersteller Alstom (auch Schaeffler hat eine strategische Partnerschaft mit Alstom) einen Regionalzug für den automatisierten Betrieb aufgerüstet. Das Besondere: Die Technik sollte mit der bestehenden Infrastruktur zurechtkommen. Statt die Strecke für den Versuch komplett umzubauen, mussten Kameras und Sensoren lernen, mit dem zurechtzukommen, was auch ein menschlicher Lokführer vor sich hat. Das Projekt lief von 2022 bis Ende 2024. Bei Testfahrten wiesen DLR und Alstom nach, dass optische Signale zuverlässig und sicher automatisch erkannt werden können.
Was nach einem überschaubaren technischen Detail klingt, ist für das autonome Fahren zentral: Ein Zug muss nicht nur wissen, wo er ist und wie schnell er fährt. Er muss seine Umgebung verstehen. Und genau das ist der Punkt, an dem aus automatisierter Zugsteuerung automatisiertes Fahren wird.
Wie schwierig diese Aufgabe ist, zeigt auch ein Blick in das RailSiTe-Labor des DLR in Braunschweig. RailSiTe steht für „Rail Simulation and Testing“ und bildet große Teile des Bahnsystems unter Laborbedingungen ab – von Stellwerk und Streckeninfrastruktur bis zur Schnittstelle zwischen Strecke und Zug. Dort lassen sich sicherheitskritische Systeme und Szenarien testen, die sich im laufenden Bahnverkehr nur mit großem Aufwand oder gar nicht reproduzieren lassen.
© DLR
Institutsdirektor Bikker sagt: „Gerade bei den sogenannten Perzeptions-Systemen, also der technischen Umfelderfassung, spielt zunehmend künstliche Intelligenz eine Rolle. Das macht aber den Sicherheitsnachweis anspruchsvoll. Bei einem klassischen technischen Bauteil kann man dessen Verhalten vergleichsweise genau beschreiben und überprüfen. Bei komplexen sensor- und KI-basierten Systemen ist das schwieriger. Wir können nicht jede Situation, die auf einer Bahnstrecke auftreten könnte, einzeln im realen Betrieb testen. Deshalb forschen wir am DLR an neuen Prüfmethoden. Ein Ansatz ist das szenarienbasierte Testen. Dabei werden typische und besonders kritische Verkehrssituationen systematisch beschrieben, variiert und zunächst in Simulationen untersucht. So lässt sich wesentlich umfassender prüfen, ob ein System auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktioniert. Das ist eine wichtige Voraussetzung für eine spätere Zulassung.“
Doch der Blick des DLR reicht über die Technik im Zug hinaus. Mit zunehmender Automatisierung verändert sich auch die Rolle des Menschen. Wie viele Züge kann ein Operator gleichzeitig überwachen? Welche Informationen braucht er dafür? Und wie muss sein Arbeitsplatz gestaltet sein, damit er in einer kritischen Situation schnell reagieren kann? In Braunschweig entsteht dafür derzeit ein Remote Operation Center. Dort soll erforscht werden, wie sich automatisierter und ferngesteuerter Bahnbetrieb künftig sicher miteinander verbinden lassen.
„Die Herausforderung besteht jetzt darin, ein Gesamtsystem zu gestalten, das unter realen Bedingungen zuverlässig funktioniert und zugelassen werden kann.“
Gleichzeitig eröffnet die Automatisierung neue Möglichkeiten für den Bahnbetrieb. Sie kann dazu beitragen, dem zunehmenden Fachkräftemangel beim Fahrpersonal zu begegnen und Züge flexibler und bedarfsgerechter einzusetzen. Besonders auf Nebenstrecken könnten kleinere, automatisierte Fahrzeuge künftig einen wirtschaftlichen Betrieb auch dort ermöglichen, wo konventionelle Angebote heute an personelle oder wirtschaftliche Grenzen stoßen. Genau solche neuartigen Schienenfahrzeuge und flexiblen Mobilitätsangebote untersucht das DLR.
Was fehlt noch, damit automatisiertes Fahren großflächig auf die Schiene kommt?
„Entscheidend ist jetzt, Technik, Betrieb und Regulierung zusammenzubringen“, sagt DLR-Experte Bikker. „Für höhere Automatisierungsgrade braucht es klare Anforderungen – etwa daran, was ein System zur Umfelderkennung leisten muss und wie dessen Sicherheit nachgewiesen werden kann. Dafür seien Testszenarien, standardisierte Prüfverfahren und klare Zulassungsprozesse notwendig.
Damit wird deutlich: Politik, Behörden, Forschung, Infrastrukturbetreiber und Industrie müssen gemeinsam klären, wie hoch- und vollautomatisierter Betrieb in das bestehende Bahnsystem integriert werden kann. „Generell ist das alles nicht allein eine technologische Frage“, sagt Bikker.
