Autonome Züge: Revolution auf der Schiene

Die progressive Implementation von Zügen ohne Lokführerin oder Lökführer markiert den Start einer Revolution im deutschen Schienenverkehr, die weitreichende Auswirkungen auf Effizienz und Nachhaltigkeit in privater und wirtschaftlicher Logistik hat. Denn bei Zügen gibt es verschiedene Automatisierungsstufen, wie vollautomatisierte Züge ohne Triebwagenführer und ohne Personal, die beispielsweise zur Abfahrt die Türen prüfen und im Notfall den Zug evakuieren. Allerdings sind Ansätze, die ohne KI eine Vollautomatisierung der Bahnen erreichen wollen, zumeist kostspieliger, da sie eine stärkere Infrastruktur erfordern. Deswegen platziert sich Deutschland weltweit als Pionier, indem es die Entwicklung und Implementierung von automatisierten Zügen mithilfe von KI vorantreibt. 

Denn automatisch fahrende Züge tragen zur Modernisierung des Verkehrswesens bei und stärken Deutschlands Position als Innovationsführer im globalen Schienenverkehrssektor. Dennoch besteht Klärungsbedarf, wie KI-Verfahren mit den Anforderungen und Genehmigungsverfahren für fahrerlose Züge vereinbart werden können. Hier setzt das Projekt safe.trAIn an. 

Das Projekt safe.trAIn strebt danach, die Grundlagen für den sicheren Einsatz von KI für fahrerlose Regionalzüge zu schaffen. Ziel ist es, die bisher in ausschließlich geschlossener und kontrollierter Umgebung fahrende vollautomatisierte Bahn auch auf offenere Umgebungen wie den regionalen Schienenverkehr zu bringen, in der Hindernisse wie Personen oder umgekippte Bäume von automatisierten Zügen sicher erkannt werden müssen. 

Safe.trAIn entwickelt Prüfstandards und Methoden für den Einsatz von selbstfahrenden Zügen bei der Automatisierung des Schienenverkehrs. Es wird gezeigt, wie diese Standards auf einen konkreten Anwendungsfall, den fahrerlosen Regionalzug, angewendet werden können. Schwerpunkte des Projekts sind: 

• KI-basierte Methoden für fahrerlose Züge 
• Sicherheitsnachweise (Safety) für Züge mit KI-Komponenten 
• Testverfahren und Prüfmethoden für die Verifikation 

Das Projektkonsortium besteht aus 17 Partnern, darunter Unternehmen der Bahnindustrie, Technologieanbieter, Forschungseinrichtungen sowie Normungs- und Prüforganisationen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 23 Mio. Euro gefördert. 

Das Fraunhofer IKS ist im Rahmen des safe.trAIn Projekts dafür verantwortlich, Methoden und Werkzeuge zum Nachweis der Vertrauenswürdigkeit von KI-Methoden zu entwickeln. Autonome Züge sollen so sicher und effizient wie nur möglich konzipiert werden, was sich primär durch eine nachverfolgbare Erklärbarkeit, Robustheit und Erfüllung der Safety-Anforderungen der zugehörigen KI-Systeme erreichen lässt. Das Fraunhofer IKS konzentriert sich auf drei Hauptthemen: 

• Beschreibung und Überwachung der Operational Design Domain (ODD) für den Schienenverkehr 
• Robustheit von KI und Überwachungsmechanismen für KI-basierte Systeme 
• Sicherheitsnachweise für KI-Funktionen bei der Umgebungswahrnehmung des Zugs 

Außerdem arbeitet das Fraunhofer IKS an Verfahren zur Qualitätssicherung von KI-Funktionen schon während der Entwicklung. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Erforschung von Methoden, die die Transparenz und Interpretierbarkeit von KI-Anwendungen bei autonomen Zügen erhöhen. 

Die Integration von automatisierten Zügen in Deutschland in den Schienenverkehr verspricht eine transformative Wirkung, die Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit des Transportsystems verbessern wird. Das Fraunhofer IKS arbeitet insbesondere an zwei Arbeitspaketen: 

• Sicherheitsnachweise für KI-Methoden: Das Fraunhofer IKS ist verantwortlich für die Entwicklung von Prüfmethoden und Werkzeugen zur Nachweisführung der Vertrauenswürdigkeit von KI-Methoden. Es werden Methoden erforscht, um die Erklärbarkeit, Robustheit und Sicherheit von KI-Anwendungen sicherzustellen. 
• Sicherheitsarchitektur für KI-basierte Funktionen: Das Fraunhofer IKS forscht an der Sicherheitsarchitektur für KI-basierte Funktionen im vollautomatisierten Betrieb (GoA4). Dabei werden besonders die Definition und der Einfluss der Operational Design Domain betrachtet, so dass der Zug sicher in der definierten Umgebung betrieben werden kann.

Außerdem ist das Fraunhofer IKS an der Standardisierung der Ergebnisse des Projekts beteiligt. Unter anderem entsteht die DIN DKE SPEC 99002 »Terminologie – KI in Bahnanwendungen«. 

Das Projekt safe.trAIn leistet einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des Schienenverkehrs. Es legt den Grundstein für weitere Automatisierungslösungen und liefert wichtige Ergänzungen zu aktuellen Standardisierungsaktivitäten.