Die strategischen Konzepte für die Informationstechnik der DB Netz AG

Dr. Michael Leining (DB Netz AG) stellte zunächst fest, dass sich die DB Netz AG elementar von Unternehmen wie Google, Facebook usw. unterscheide, welche die Digitalisierung prägen. Die Trends dieser Digitalisierung sind nur sehr begrenzt für die Bahn oder die Signaltechnik relevant, doch wohin führt der Weg? Joseph Schumpeter beschrieb bereits 1942 den Prozess einer industriellen Mutation, der unaufhörlich die Wirtschaftsstruktur von innen heraus revolutioniert, die alte Struktur zerstört und eine neue schafft. Die vierte industrielle Revolution wird diesen Prozess fortsetzen. Dazu einige Thesen zur Signaltechnik:

• Digitalisierung ist nicht die Übersetzung der analogen Welt in Bits und Bytes.
• Big Data ist keine Bückware, sondern ein unternehmenskritisches Asset.
• Automatisierung ist nur eine Teilmenge digitaler Intelligenz.
• Digitalisierung muss ein Wachstumstreiber sein, sonst brauchen wir sie nicht.
• Digitalisierung muss im Systemgedanken gedacht werden, nicht nur von der Signaltechnik her.
• Der Grundgedanke von Industrie 4.0 gilt auch für die Signaltechnik
• Wir brauchen keine Angst vor Schumpeter zu haben, wenn wir uns jetzt der Herausforderung stellen.

Die Digitalisierung beschränkt sich nicht nur auf technische Aspekte. Das ganze Unternehmen ist davon betroffen. Die einzelnen Aspekte stehen aber nicht isoliert, sondern in einem Geflecht von Wechselwirkungen. Als Hinweis auf die Zielrichtung mögen die folgenden Beispiele dienen:

Die wesentlichen Auswirkungen der Digitalisierung auf Infrastrukturbetreiber (Quelle: DB Netz AG)

• Erhebliche Einsparungen durch die Digitalisierung des Planungsprozesses: Basis für den Effizienzgewinn sind u.a. ein standardisiertes Planungsmodell zum Austausch von Daten, eine zentrale Datenbank zur Vorhaltung der Planungsdaten beim Betreiber und eine intelligente Unterstützung mit Werkzeugen in allen Planungsphasen. Daraus folgen die Beschleunigung des Planungsprozesses, die Erhöhung der Planungsqualität durch frühe Erkennung von Fehlern und durch Fehlervermeidung an Schnittstellen sowie die Vermeidung von Nachträgen.
• Rollout der digitalen Leit- und Sicherungstechnik: Dabei kommen hochredundante Systeme mit zukunftssicheren Standardschnittstellen und integrierter, ortsunabhängiger Bedienung zum Einsatz. Die Energieversorgung wird von der Informationsübertragung getrennt und die Datennetze der Leit- und Sicherungstechnik sowie der Telekommunikation werden ebenso integriert wie die Netze der Energieversorgung. Dies wird mit einer deutlichen Reduktion der Technikstandorte verbunden sein.
• Auswertung von Echtzeitdaten auf Basis einer Diagnose- und Analyseplattform.
• Weitere Projekte: Unter anderem der Einsatz von Fiber Optic Sensing für diverse Überwachungsaufgaben und die Gründung der Plattform CYSIS für Cyber Security sicherheitskritischer Infrastrukturen.

Neu trifft Alt: Herausforderungen bei Ausbildung und Personal

Timo Schygulla (DB Netz AG) begann seinen Vortrag mit der Kernaussage: Technikwandel verändert das Berufsbild in der Leit- und Sicherungstechnik und macht ein Umdenken bei Qualifikation und Qualifizierung erforderlich.

Der demographische Wandel sowie Schwierigkeiten in der Nachfolgeplanung und Qualifizierung verursachen einen fortschreitenden Wissensverlust im Bereich der Anlagen der Leit- und Sicherungstechnik, der Telekommunikationsanlagen und der elektrischen Anlagen 50 Hz, dem entgegen gewirkt werden muss. Einerseits wird die DB Netz AG die hohe Vielfalt der Bestandstechniken noch viele Jahre im Feld haben, andererseits bringt die sukzessive Ablösung durch moderne Technik eine immer stärkere Digitalisierung und Vernetzung von Technologien mit sich. Die geänderten Anforderungen verändern das Berufsbild deutlich. Bereits heute sind zunehmend Qualifikationen aus den Bereichen Informatik, Kommunikations- und Netzwerktechnik notwendig, die zur Einstellung von Fachinformatikern statt Fachelektronikern führen. Auch bei den Außenanlagen wird die IT-Orientierung steigen. Die Mitarbeiter kommen von einem sehr begrenzten externen Markt und bedürfen einer komplexen Qualifizierung.

Die Maßnahmen zur Sicherstellung der Mitarbeiterverfügbarkeit (Quelle: DB Netz AG)

Eine weitere Herausforderung entsteht aus dem organisatorischen Zusammenwachsen der genannten Gewerke, das ohne begleitende Maßnahmen zur Mehrbelastung der Mitarbeiter in der Fläche führt. Eine Mehrbelastung die heute schon anhand von Kennzahlen wie Gesundheitsstand, Überstunden und Besetzung von Rufbereitschaften erkennbar ist und die ohne eine stärkere Integration der Technologien in neue Instandhaltungskonzepte weiter steigen wird. Auch hier ist eine Anpassung des Berufsbildes samt der korrespondierenden Qualifizierungsmaßnahmen notwendig.

Um überhaupt zur Qualifizierung zu kommen, sind weitere Herausforderungen zu meistern: Die Sicherstellung der notwendigen Grundqualifikation der gesuchten Mitarbeiter, ihre Rekrutierung und nachfolgend die langfristige Bindung an das Unternehmen. Insbesondere bei den langen Ausbildungsdauern zum vollständigen Erwerb aller örtlichen Verwendungsprüfungen, auch Schlüsselqualifikationen genannt, die den Mitarbeiter erst für den Einsatz in der Rufbereitschaft qualifizieren, ist dies unabdingbar. Hierbei ist auch auf die Sicherstellung von Verfügbarkeit und Qualität der notwendigen Trainingsmaßnahmen zu achten. Grundlage zum Meistern der Herausforderungen ist die Herstellung von Transparenz bezüglich der Anforderungen der Technik an die Ausbildung der Mitarbeiter. Ausgehend vom Berufsbild und einer soliden Nachführungsplanung können dann sowohl die Ausbildungsinhalte als auch alle nachgelagerten Trainingsmaßnahmen sowie deren Kapazitäten festgelegt werden.

Migration am Beispiel ESTW

Christoph Jakob (Siemens AG) verwies eingangs darauf, dass seit ca. 30 Jahren sind elektronische Stellwerke im Einsatz sind. Bei der DB AG ist inzwischen die dritte ESTW-Generation von Siemens, Simis-D, im Feld. In Summe sind über 300 ESTW-Zentralen bei der DB Netz AG und anderen Bahnen in Deutschland in Betrieb. Das Durchschnittsalter der ESTW beträgt ca. zehn Jahre, wobei schon heute 35 % der Stelleinheiten von ESTW gesteuert werden.

Der kontinuierliche Wandel im Elektroniksektor, getrieben durch Innovationen in der Halbleitertechnik und bei Industrie-Standardkomponenten, erfordert ständige Anpassungen an Hard- und Software. Darüber hinaus sind auch neue oder geänderte gesetzlichen Vorgaben zu berücksichtigen. Netzbetreiber erwarten bei Anlagenverfügbarkeiten von bis zu 50 Jahren den Erhalt der Erweiterungs- und Umbaufähigkeit nebst skalierbarem Funktionsumfang. Des Weiteren soll die Stellwerkstechnologie soweit wie möglich auf Standardkomponenten basieren bzw. selbst Standardschnittstellen erfüllen.

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, ist nicht nur das Wissen vorzuhalten, um die Verfügbarkeit alter Technologien über einen möglichst langen Zeitraum sicherstellen zu können, sondern es sind auch Ablöseprodukte zu erarbeiten, um genau diese Technologien durch innovative Lösungen zu ersetzten oder - anders gesagt - zu migrieren. Ein weiterer entscheidender Faktor ist das Beherrschen der Obsoleszenz, die Sicherung der Verfügbarkeit von Bauteilen für die Fertigung und damit auch für die Ersatzteilversorgung. Migrationslösungen sind der Schlüssel dazu, genau diese Anforderungen zu erfüllen und die Lebensdauer von Anlagen zu verlängern. Die regelmäßige Migration von elektronischen Stellwerken bzw. deren Bestandteile ist aber nicht nur notwendig, um die Lieferfähigkeit von Ersatzlösungen zu gewährleisten, sie ermöglicht auch die Umsetzung neuer Funktionen, Einführung innovativer Technologien und gesteigerte Leistungsfähigkeit. Damit sind Migrationslösungen Schlüsselfaktor für die Systempflege und Investitionsschutz zugleich und stellen das Bindeglied zwischen Alt und Neu dar.

7: Bestandteile der Migration (Quelle: Siemens AG)

Ein Beispiel für eine Migration ist das Gleisfreimeldesystem FTGS. Auslöser war die eingeschränkte Verfügbarkeit von Zulieferteilen für die Fertigung des Bestandsprodukts. Zunächst wurden die am Markt noch verfügbaren Teile beschafft und eingelagert. Gleichzeitig startete die Neuentwicklung des Ablöseprodukts. Die dadurch ermöglichte Teilmigration konnte unter Beibehaltung der Außenanlage und der vorhandenen Grundschaltung durchgeführt werden. Darüber hinaus benötigt das neue Produkt weniger Platz. Auch die Migration von Bestandsstellwerken des Typs Simis-C auf den zukünftig aktuellen Stand inkl. der Einführung von Standardschnittstellen konnte in vier Phasen erreicht werden.

Field Programmable Gate Array

Dipl.-Ing. Roland Herzig (DB AG) ging der Frage nach, ob der Einsatz von Field Programmable Gate Arrays (FPGA) ein Ausweg aus dem durch die Technikzyklen verursachten Obsoleszenzproblem sein kann. Mit steigendem Funktionsumfang, Zentralisierung der Bedienung und Realisierungen in Rechnertechnik ist zwangsläufig die technische Komplexität der Stellwerke gestiegen. Der Einstieg in die Verwendung marktgängiger integrierter Schaltkreise bedeutete gleichzeitig den Einstieg in die Abhängigkeit von kurzfristigen Technikzyklen, die in der Leit- und Sicherungssysteme bis dahin so nicht vorhanden waren. Trotz verschiedener Vorkehrungen bei Industrie und Bahn zur Gewährleistung der Langlebigkeit von Stellwerken musste man erkennen, dass speziell im Bereich von abgekündigten CPU-Bausteinen die Ersatzlösungen sehr aufwendig waren und teilweise Neuentwicklungen nach sich zogen.

Eine kostengünstige Alternative wird in der Anwendung von FPGA gesehen. Dass dieser Baustein helfen kann, zeigen verschiedene Anwendungen bei der Signalbauindustrie. Dabei handelt es sich in erster Linie um kleinere Lösungen in Teilsystemen, mit denen Neuentwicklungen und Ersatz einzelner nicht mehr verfügbarer Schaltkreise umgesetzt wurden. Beispiele dafür sind:

• der Ersatz abgängiger Schaltkreise des Typs Motorola MC 146818 in der Baugruppe EBÜT 80 EGL und CPU-Schaltkreise des Typs 8085 sowie Realisierung der ZSB 2000-Baugruppen bei der Firma Scheidt & Bachmann,
• Einsatz in Anschaltbaugruppen für Doppelschienenschalter und in der Zählbaugruppe der Achszählung bei Pintsch Tiefenbach,
• Einsatz als Chipsatz auf Rechnerbaugruppen und als Logik auf Peripheriebaugruppen bei Siemens sowie
• in diversen Produkten bis SIL 4 bei Thales.

Die DB Netz AG verfolgt in Kooperation mit SBB und ÖBB das Projekt Teilerneuerung einer RSTW-Innenanlage auf Basis eines „FPGA-ESTW“. Hierbei soll gezeigt werden,

• dass FPGA grundsätzlich als Plattform für SIL4-Anwendungen geeignet sind,
• dass die Programmierung bzw. Implementierung der Sicherungslogik auf Basis von vorhandenen Relaisschaltungen erfolgen kann,
• dass die Transformation von Relaisschaltungen in FPGA-Software in einem SIL 4-Prozess mit FPGA-Werkzeugen möglich ist und
• dass der Ersatz durch Nachfolgebausteine kostengünstig und ohne Anpassungen der Anwendersoftware und des Baugruppendesigns erfolgen kann.

Ziel ist die funktionsgleiche Nachbildung der Innenanlage, durch die – ohne Änderung an Stelltisch, Bedienung und Außenanlage - der Stellwerkskern technisch modernisiert wird. In weiteren Schritten kann dann durch Erweiterung der FPGA-Innenanlage ein neuer Bedienplatz und eine neue Außenanlage in NeuPro-Technologie eingeführt werden.

Übergang vom Relais- zum FPGA-Stellwerk (Quelle: DB Netz AG)

Anmerkungen aus dem Auditorium: Die nichtflüchtigen Zustände von Relais durch FPGA im stromlosen Zustand sind nur schwer nachzubilden. Die Relaisschaltungen basieren aber stark auf derartigen Eigenschaften. Herzig führte dazu aus, dass dieses Problem gelöst sei.

Cyber-Security

Neue Gesetzeslage schafft die Rolle der Prüfsachverständigen im Eisenbahnwesen

Hubert Emmerich (DB Netz AG), Joachim Stutzbach (VDB) und Katja Schmid (VDB) referierten gemeinsam über die neue Funktion, die eine Lücke in der Wahrnehmung der notwendigen Prüf- und Bewertungstätigkeiten schließt. Emmerich stellte die Sicht eines Eisenbahninfrastrukturunternehmens dar, während Stutzbach die Sicht der Industrie behandelte. Abschließend ging Schmid auf die rechtliche Situation ein. Durch die EU wurden Rollen zur Prüfung und Bewertung im Eisenbahnwesen definiert:

• Notified Body (Benannte Stelle) für Prüfungen gemäß TSI,
• Designated Body (Bestimmte Stelle) für Prüfungen gemäß notifizierten Unterlagen und
• Assessment Body (Risikobewertungsstelle) zur Bewertung eines Risikomanagementverfahrens.

Sie decken das Prüfen nicht vollständig ab. Deshalb wurde in Deutschland die Rolle des Prüfsachverständige geschaffen. Er führt im Rahmen der Infrastruktur sämtliche Prüftätigkeiten außerhalb der TSI und ggf. notifizierter Unterlagen durch und bewertet Änderungen, welche gemäß CSM-RA als nicht signifikant eingestuft wurden. Tätigkeit, Rechte und Pflichten sowie die Ernennung von Prüfsachverständigen werden zukünftig durch eine Verordnung geregelt, die bereits als Entwurf vorliegt. Danach ist die Anerkennung und die damit verbundene Prüfung Aufgabe des Eisenbahn-Bundesamtes (EBA). Eine Übergangsregelung erlaubt die Weiterarbeit der anerkannten Sachverständigen. Besonders beachtenswert sind zwei Punkte:

• Die Beschränkung des Alters für Prüfsachverständige auf 68 Jahre. Diese gleiche Grenze ist bisher in einer Verwaltungsvorschrift des EBA genannten. Auf Verordnungsbasis sind Ausnahmegenehmigungen nicht mehr so einfach erteilbar. Daher können sich die bestehenden Engpässen bei der Prüfung von Anlagen vergrößern.
• Die Aufwertung des Ergebnisses eines Prüfsachverständigen. Im Entwurf der Verordnung ist geregelt, dass für das Ergebnis der Prüfung durch Prüfsachverständige die „widerlegbare Vermutung der inhaltlichen Richtigkeit“ gilt. Dies befreit das EBA vom Ermittlungsgrundsatz, sodass Ergebnisse von Prüfsachverständigen ungeprüft für Verwaltungsakte übernommen werden können.

In der rechtlichen Bewertung des Entwurfes der Verordnung stellt sich insbesondere die Frage, ob deren Erlass Auswirkungen auf die persönliche Verantwortlichkeit des künftigen Prüfsachverständigen hat:

• Zivilrechtliche Haftung für Personen- und Sachschäden: Hier ist eine verschuldensabhängige Delikthaftung grundsätzlich möglich, in der Praxis aber kaum relevant. Aus der Richtigkeitsvermutung wird sich aus derzeitiger Sicht keine Änderung zulasten des Prüfsachverständigen ergeben.
• Strafrechtliche Verantwortlichkeit: Denkbar wären fahrlässige Körperverletzung oder Tötung. Auch hier ist aus der Richtigkeitsvermutung keine Änderung erkennbar.

Wer hat Ansprüche gegen wen? (Quelle: VDB)

Anmerkungen aus dem Auditorium: In der Risikobewertung wird eine Wahrscheinlichkeit von 10-3 für menschliches Versagen angenommen. Tritt der Fall tatsächlich ein, wird von Fahrlässigkeit gesprochen. Fahrlässigkeit setzt voraus, dass der Betroffene objektiv seine Sorgfaltspflicht verletzt hat. Der Passus der widerlegbaren Richtigkeitsvermutung wurde im österreichischen Eisenbahngesetz durch das Verwaltungsgericht gestrichen, weil damit notwendige behördliche Entscheidungen in den privaten Bereich verlegt werden.

Distributed Power Provision – Flexible Stromversorgung als Baustein der dezentralen Stellwerksarchitektur

Oliver Schwehn (Thales Deutschland) stellte zunächst die Frage nach den Anforderungen eines dezentralen Elements an die Energieversorgung. Eine klassische Stromversorgung hat folgende Aufgabe zu erfüllen:

• Energieverteilung: Versorgung aller Komponenten mit der benötigten Spannungsform,
• Energieerzeugung: Zur Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Versorgung sind Batterieanlagen, Dieselgeneratoren und Umformer von Bedeutung. In der dezentralen Struktur spielen zunehmend Photovoltaik und Brennstoffzellen eine Rolle.
• Elektrische Sicherheit: Sie umfasst neben dem Personen- und Anlagenschutz auch die Rückwirkungsfreiheit für die Signalanlage.
• Überwachung: Die Einhaltung der Betriebsparameter verlangt die Überwachung und die Steuerung, deshalb kommen verstärkt Diagnosemittel zum Einsatz.

In der bisherigen Architektur wird die Energie zentral zur Verfügung gestellt. Die Verteilung an den Ort der Endverbraucher und Gewährleistung der elektrischen Sicherheit übernimmt dabei die Stellwerksanlage. Infolge der Modularisierung entsteht wegen der Installation der Controller-Einheiten im Gleisfeld eine Lücke in der Energieverteilung zwischen Quelle und Controller. Hier setzt das Konzept „Distributed Power Provision (DPP)“ für eine durchgängige Versorgungsstruktur an. Zusätzlich schafft es bei fehlender Versorgungsstruktur die Möglichkeit einer passgenauen Energieverteilung.

Eine entscheidende konzeptionelle Herausforderung bei der Realisierung stellt angesichts der größeren Distanzen die Schutztechnik dar. Heute übliche Betriebsmittel lassen sich dafür nur noch bedingt einsetzen. Da nur eine korrekt ausgelegte Schutztechnik auch die gewünschte Verfügbarkeit gewährleisten kann, hat diese auch unmittelbaren Einfluss auf die Verfügbarkeit der gesamten Stellwerksanlage. Hinzu kommt, dass entlang der Bahnstrecken zum Teil andere bahnspezifische normative Anforderungen gelten, die bei Anlagen in Stellwerksgebäuden nicht vollumfänglich erforderlich sind. Mit dem Energieverteilungskonzept Distributed Power Provision wird Thales ein umfassendes Konzept für die Energieversorgung der Feldelemente anbieten.

Derzeit ist ein Feldtest in Vorbereitung, der in Hinwil innerhalb der SBB-Infrastruktur aufgebaut wird. Der Testaufbau umfasst zwei Netze mit echter Verkabelung direkt am Gleis. Sie werden von zwei Einspeisungen versorgt. Verteilpunkte übernehmen die Anschaltung der zu versorgenden Einrichtungen (mehrere Lichtsignale und ein Weichensimulator). Weiter gibt es einen Buskoppler zur Verbindungder beiden Netze. Ein Fehlersimulator ermöglicht die Simulation verschiedener Störeinflüsse.

Demonstrationsanlage für den Feldtest in Hinwil

Anmerkungen aus dem Auditorium: Bei der Vielzahl der über das Netz verteilten Schaltnetzteile mit ihren negativen Kennlinien besteht die Gefahr, dass sich bei der Stromversorgung chaotische Zustände einstellen. Das Thema führt wieder in den Bereich der Security: Für den Schutz z.B. gegen Angriffe aus dem Diagnosenetz muss vermutlich auf die Ansätze im übrigen Bereich der Leit- und Sicherungstechnik zurückgegriffen werden.

Faseroptische Sensorsysteme im Bahnumfeld – Chancen und Herausforderungen

Der Inhalt dieses Vortrags von Max Schubert (DB Netz AG) war kürzlich Gegenstand eines Beitrags in SIGNAL+DRAHT. Daher wird hier auf einen Bericht verzichtet.

Schlussbetrachtung

Auch wenn die Stichworte „Herausforderungen“ und „Neu trifft Alt“ schon eine Reihe von SIGNAL+DRAHT-Kongressen beschäftigt haben, brachten die Vorträge dieses Blocks interessante Aspekte. Die Herausforderungen zeigen sich wieder einmal beim Rollout von ETCS (und auch CBTC), wobei zunehmend die Praxiserfahrungen bei der Ausstattung ganzer Netze eine Rolle spielen. Dänemark ist da ein gerne zitiertes Beispiel. Das gilt in ähnlicher Weise für die Modernisierung und die Modularisierung der Sicherungstechnik. Dass die Konservierung „alter Relaistechnik“ in FPGA etwas Luft bei der Erneuerung abgängiger Relaisstellwerke schaffen könnte, ist ein interessanter Aspekt. Die praktische Realisierbarkeit ist noch zu beweisen.

Die IT-Sicherheit war interessanterweise noch nie Thema bei einem SIGNAL+DRAHT-Kongress. Das kann nicht daran liegen, dass es in der Leit- und Sicherungstechnik keine IT gibt. Das Thema ist in diesem Sektor auch nicht unbekannt. Der Grund dafür, dass man sich plötzlich intensiv mit diesem Thema beschäftigt, liegt im neuen IT-Sicherheitsgesetz, welches die Infrastrukturbetreiber (und nicht nur sie) zwingt, die Bedrohung endlich zur Kenntnis zu nehmen und zu reagieren. Der Schutz durch proprietäre Technologie und durch die Verwendung geschlossener Netze verliert zunehmend seine Wirkung, wenn marktgängige Komponenten, Netzwerke und Betriebssysteme Eingang in die Leit- und Sicherungstechnik finden und wenn die Vernetzung von Teilsystemen bedrohlich nahe an das Internet reicht. Dass die Gefahren an Stellen lauern, an denen man es nicht für möglich gehalten hätte, hat eindrucksvoll des Live-Hacking gezeigt, wenn auch vermutlich an etlichen Stellen nur Simulation zu sehen war. Auch HoneyTrain – so unpassend man es finden mag – zeigt, dass nach Schwachstellen gesucht wird. Auch wenn das IT-Sicherheitsgesetz für die Betreiber eine aufwendige und teure Angelegenheit wird: Der Preis für einen erfolgreichen und öffentlichkeitswirksam verbreiteten Einbruch in das IT-System einer Leit- und Sicherungsanlage wäre dramatisch höher.

Der „Innovationsknaller“ kam – nicht zum ersten Mal bei einem SIGNAL+DRAHT-Kongress ganz am Ende: Fibe Optic Sensing. Eigentlich müsste man es Fiber Acustic Sensing nennen, denn es sind ja akustische Effekte, die hier zur Wirkung kommen. Die Zahl der möglichen Anwendungen erscheint unbegrenzt und nur ein Problem der geeigneten Auswertung der erfassten Daten. Welche Faszination der Vortrag ausgelöst hat, kann man vielleicht an der Zahl derer erkennen, die nach dem Vortrag das Gespräch mit dem Referenten suchten – für das Ende eines Kongresses sehr ungewöhnlich. Die spannende Frage ist, welche Anwendungen den Weg in die Praxis finden werden und wie sie mit den vielfältigen Varianten des Bahnnetzes zu vereinbaren sein werden.

Wir bedanken uns für die Unterstützung des Kongresses bei unseren Eventpartnern und den Ausstellern:

Bis zum 16. Signal + Draht-Kongress

Vom 10. bis 11.11.2017 wieder in Fulda