IoT im Schienenverkehr
29.11.2022 Networked Systems Expertenwissen embedded world

IoT im Schienenverkehr

Ein eingebettetes System macht die Züge der DB smart. Vom Entertainment bis zur Echtzeitdiagonse. Denn die Anforderungen an die Kommunikationssysteme im Schienenverkehr sind in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Neben WLAN für die Reisenden werden Diagnosesysteme für die vorausschauende Wartung, Anwendungen rund um Videosicherheit oder Reiseinformation in Echtzeit zunehmend state of the art. Mit der modularen Lösung Colibri bedient die Deutsche Bahn diese Anforderungen.

Das Foto zeigt vier Züge der Deutschen Bahn in einem Bahnhof IoT im Zug stellt die Embedded-Entwickler vor besondere Herausforderungen (Copyright: istock.com/AxelRedder)

Vom Entertainment-System bis zur Echtzeitdiagnose

Zentralrechner übernimmt Diagnose-, Kommunikations- und Überwachungsfunktionen


Fahrgäste erwarten heute, dass sie ihre Smartphones, Tablets oder Laptops auch auf der Bahnreise durchgängig online nutzen können. Auch Entertainment-Systeme wie das ICE-Portal mit Filmen und E-Journals haben sich etabliert. Doch es gibt mittlerweile eine Vielzahl anderer Kommunikationsaufgaben rund um IoT (Internet of Things) im Zug. Dazu zählen beispielsweise Reiseinformationssysteme oder die Fahrgastzählung, mit der sich die Auslastung eines Zuges anzeigen lässt. Aber auch Ortung, Echtzeitdiagnosen für Zugsysteme und Videosicherheit gehören dazu.

Die Deutsche Bahn bietet mit Colibri (Coach Link for Broadband Information Exchange) eine modulare Lösung für Verkehrsunternehmen an, die sämtliche Kommunikationsaufgaben abdeckt, einschließlich Support. Herzstück ist ein intelligenter High-Performance-PC von Kontron, der als Zentralrechner im Fahrzeug sämtliche Diagnose-, Kommunikations- und Überwachungsfunktionen in allen Bereichen des öffentlichen Verkehrswesens steuert.

 „Bereits 2015 begann der Einbau von WLAN in Zügen, damit Fahrgäste unterwegs im Internet surfen können – das hat sich schnell zu einem ‚must have‘ entwickelt. Damals entstand Colibri, um das Spektrum weiter in Richtung Diagnose und Sicherheit auszubauen“, berichtet Catharina Schick, Referentin Marketing und Vertrieb für das Produktspektrum Colibri IT am Fahrzeug bei der DB Fahrzeuginstandhaltung.  

Seit 2021 arbeitet Colibri jetzt mit dem Embedded- und IoT-Technologiespezialisten Kontron zusammen. Inzwischen sind fast 2.000 Systeme in Zügen und Bussen im Einsatz. Zur Auswahl stehen drei Zentralrechner-Varianten: ein 5G-Rechner, ein 4G/LTE-Rechner und eine „Rail WLAN only“-Option (eine Light-Variante mit drei LTE-Modems). Vor allem die 5G-Variante zeigt die innovative Ausrichtung, die den Reisenden zukünftig weitere Vorteile bietet, die durch die Features der 5G-Technologie ermöglicht werden.

Skalierbare Hardware für hohe Sicherheitsanforderungen

Die Sicherheitsanforderungen für Hardware in Schienenfahrzeugen sind besonders hoch, gerade was den Brandschutz und die Robustheit betrifft. Daher erfüllen alle Zentralrechner die Norm EN 50155. Die intelligenten High-Performance-PC bieten Kommunikationsoptionen wie WiFi, Gigabit Ethernet, 4G/5G-LTE oder GPS und bis zu vier 5G-Modems für externe Kommunikation, sowie eine eSIM-Option für einen schnellen und einfachen Provider-Wechsel und optional zwei austauschbare SSD-Speichermedien zum Beispiel für die Auswertung von Videodaten.

Zudem arbeiten die Rechner in einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 Grad. Der Verzicht auf bewegliche Teile wie Lüfter erhöht die Ausfallsicherheit signifikant und verlängert die mittlere Betriebsdauer (MTBF) deutlich.

Die Herausforderungen im Transportwesen unterliegen einem permanenten Wandel. Das gesamte Hardware-System-Konzept ist daher modular und skalierbar aufgebaut, sodass es an neue Aufgaben angepasst werden kann.

Embedded System für Retrofitting und Neufahrzeuge

Das eingebettete System umfasst nicht nur die Anwendung in Zügen, sondern lässt sich auch in anderen Transportsystemen wie Bussen sowie in Fahrkartenautomaten und elektrischen Ladesäulen nutzen. Eine einheitliche digitale Lösung für unterschiedliche Transportmittel, Ticketsysteme, Automaten und Terminals zu schaffen, ist eine Mammutaufgabe. Konfigurierbarkeit, Systemoffenheit und Herstellerunabhängigkeit spielen für die DB-Experten deshalb eine zentrale Rolle. Dieser Ansatz ermöglicht das Redesign älterer Fahrzeuge und die Entwicklung innovativer Systeme für Neufahrzeuge.

Das Konzept einer Systemplattform mit standardisierten Schnittstellen bietet ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der einsetzbaren Add-On-Cards verschiedener kabelgebundener, aber auch kabelloser Interfaces und Prozessormodule.

Seitens des unterstützten Betriebssystems ist die Systemlösung Linux-konform. Das Open-Source-Betriebssystem sorgt für ein hohes Maß an Offenheit. Es müssen aber auch Standards eingebunden werden, die aus der Industrie kommen, gerade wenn es um die Einbeziehung technischer Komponenten im Zug geht.


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Predictive Maintenance

„Für die Schienenfahrzeugbetreiber werden Diagnosetechnologien immer wichtiger. Überall dort, wo die Übertragung und Analyse von Sensor- oder Systemdaten genutzt wird, profitiert die Instandhaltung erheblich“, erläutert Catharina Schick: „Dabei werden unterschiedlichste Daten aus der Betriebsführung gesammelt und für Big-Data-Analysen in Rechenzentren auf die Landseite übertragen, um auf dieser Basis Predictive Maintenance umzusetzen“. Jede Hardware-Komponente, die im Fahrzeug und an Colibri angeschlossen ist, wird überwacht, darunter auch Switches, Access Points oder Videokameras.

Aber auch diagnosefähige Systeme wie Türen, Energieversorgung, Heizung, Antrieb oder WC, Klimaanlage, WLAN oder Reiseinformation werden kontinuierlich überprüft. Im Fahrzeug selbst analysiert man Betriebszustände. Sobald Prozesswerte vordefinierte Bereiche verlassen, wird untersucht, ob eine Störung zu erwarten ist.

Hohe Performance für große Datenmengen

Colibri verarbeitet enorme Datenmengen. Allein die Videodaten aus 72 Stunden Aufzeichnung summieren sich auf viele Gigabyte. Sie werden verschlüsselt an einen Netzwerkspeicher übertragen. Der Zentralrechner leistet das Management für das gesamte Netzwerk und sorgt dafür, dass die Verbindung dauerhaft stabil bleibt.

Der Bedarf an Bandbreite ist gerade bei WLAN und Entertainment immens. Wenn beispielsweise 200 Videostreams gleichzeitig unterstützt werden sollen, ist eine leistungsstarke Netzwerkverbindung gefragt. Für die nötige Performance sorgen Intel Core i7-Prozessoren, die außergewöhnlich leistungsstark sind und gleichzeitig eine optimierte Leistungsaufnahme bieten.  

Dies ist für die Kühlung des lüfterlosen Rechners besonders bei hohen Umgebungstemperaturen wichtig. Der Zentralrechner stellt die Verbindung zu den Backend-Systemen auf der Landseite her und die Fahrgäste wählen sich zunächst über Access Points in das WIFI@DB ein. Die Zentralrechner sind mit mehreren Wireless-Modulen zum Beispiel für WLAN, LTE oder 5G und bis zu acht SIM-Karten ausgestattet. Sie greifen jeweils auf unterschiedliche Provider zu, um eine optimale Verbindung zu gewährleisten. Denn bei Bandbreitenbeschränkungen, wie beispielsweise im Tunnel, oder Lücken in der Mobilfunknetzabdeckung stößt die Funkkommunikation immer wieder an Grenzen.

Um die erforderliche Verfügbarkeit zu erreichen und Störfälle zu managen, wird deshalb nicht nur auf eine Funk-Übertragungsmethode gesetzt: Durch einen intelligenten Algorithmus wird fortlaufend überwacht, ob eine bessere Netzabdeckung durch einen anderen Provider vorliegt, um die Module sukzessive in ein anderes Netz einzubuchen. Dadurch wird eine stabile und unterbrechungsfreie Funkverbindung gewährleistet. Derzeit wird hier vor allem 4G genutzt. Perspektivisch soll es das schnellere 5G mit besserer Bandbreite sein. Die Rechner sorgen auch dafür, dass alle WLAN-Clients im System aus Sicherheitsgründen vollständig vom restlichen Zugnetzwerk entkoppelt sind.  


Kurze Implementierungszeit für IoT im Zug

Die Implementierungszeit des Systems pro Fahrzeug ist überschaubar: Die Montage des Zentralrechners mit der Verkabelung zwischen Zug und Land dauert durchschnittlich eine halbe Stunde. Mit dem Verlegen der Leitungen kommen die Experten auf zwei bis drei Stunden Arbeitszeit. Zusätzlich können Sensorik in den Sitzen oder ein Sensor für die Fahrgastzählung über der Tür hinzukommen. Als Human-Machine-Interface dienen Displays mit Touchscreen für Personal und Fahrzeugführer, auf denen sich Diagnosen durchführen lassen.

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Quelle: Die Originalfassung des Artikels von DB Fahrzeuginstandhaltung lesen Sie auf elektroniknet.de