Wie kann man mehr Güter durch Amerikas verstopfte Infrastruktur transportieren? Roboterzüge

Jeder, der den Weihnachtsmorgen damit verbracht hat, einen Tschu Tschu um den Baum zu schicken, weiß, dass Spielzeuge, die auf die Gleise wandern und sich mit hoher Geschwindigkeit abwechseln, die Hauptgefahren für Züge sind – beides sind auch mehr oder weniger die Hauptgefahren für Züge im wirklichen Leben. Sie könnten sich also fragen, wie schwer es sein kann, Züge vollständig autonom zu machen?

Oder vielleicht fragen Sie sich, warum wir uns überhaupt um Züge und ihre Funktionsweise kümmern sollten – was ist das, das 19. Jahrhundert? – also gehen wir ein bisschen zurück. Wenn Sie glauben, dass Amerika für den Transport von Gütern ausschließlich von Lastwagen abhängig ist, leiden Sie möglicherweise unter Tunnelblick: Züge machen ein Drittel der Tonnen-Meilen aus – d Jahr. Das ist fast so viel, wie LKWs transportieren. Die USA verfügen über das kilometerweit ausgedehnteste Schienennetz aller Länder der Erde – ja, sogar noch größer als das Chinas – und sehen sich derzeit einigen der gleichen Engpässe und Überlastungen ausgesetzt wie anscheinend jeder andere Teil der Lieferketten des Landes, aufgrund von beispiellose Aktivität in Häfen und Rekordnachfrage an einigen Bahnknotenpunkten.

Züge mögen wie eine ausgereifte Technologie erscheinen, die wenig Raum für Verbesserungen oder Erweiterungen bietet, da das Hinzufügen neuer Bahnlinien unerschwinglich ist, wie die Kämpfe um die Kosten der Erweiterung des Amtrak-Dienstes gezeigt haben. Forscher, die sich mit dem Thema beschäftigen, sagen jedoch, dass eine vollständige Autonomie ihre Sicherheit verbessern und auch die Frachtmenge, die auf dem amerikanischen Schienennetz befördert werden kann, durch eine effizientere Nutzung erheblich erhöhen könnte.

Während die USA mit dem Mangel an Lkw-Fahrern zu kämpfen haben und Unternehmen sich den Kopf zerbrechen, wie sie ihre Ziele zur Senkung der CO2-Emissionen erreichen können, könnten Züge – die vier- bis fünfmal so effizient wie Lkws pro Meile verbraucht werden – eine zwei Jahrhunderte alte Technologie sein deren Zeit wieder gekommen ist.

Ich habe über die Einschränkungen geschrieben, die großen Ambitionen für selbstfahrende Autos im Wege stehen. Aber Züge haben Qualitäten, die es ihnen ermöglichen, diese Probleme zu umgehen. Am wichtigsten ist, dass Züge auf Schienen sind, was bedeutet, dass sich ein Zugingenieur mit künstlicher Intelligenz nicht um Probleme kümmern muss, die die Fahrer von Autos oder Lastwagen betreffen – kein Auffahren, Spurwechsel, Linksabbiegen gegen den Verkehr und so weiter.

„Wir gehen davon aus, dass Züge schneller ihre volle Autonomie erreichen werden als Fahrzeuge“, sagt Maxim A. Dulebenets, Assistenzprofessor für Bauingenieurwesen an der Florida A&M University, der kürzlich einen umfassenden Überblick über die Literatur zu autonomen Zügen veröffentlicht hat. Ein Grund: Hunderte von Personenzügen verkehren weltweit bereits autonom als Teil von städtischen U-Bahn-Systemen.

Passagiere kommen am Bahnhof Taizicheng der Hochgeschwindigkeitsstrecke Peking-Zhangjiakou in der chinesischen Provinz Hebei an. China hat im Januar 2020 den Betrieb eines vollständig autonomen „Hochgeschwindigkeitszuges“ auf der Strecke aufgenommen.


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Li Xin/Xinhua/Zuma Press

Der erste vollautonome U-Bahn-Zug feierte 1981 in Kobe, Japan, sein Debüt, und die Technologie hat sich seitdem immer weiter verbreitet und verbreitete sich von Paris bis Neu-Delhi und von São Paulo bis Vancouver. Der weltweit erste vollautonome Güterzug, der das australische Outback durchquert, wurde 2019 vom Bergbauunternehmen Rio Tinto in den Liniendienst aufgenommen. Im Januar 2020 hat China den Betrieb eines vollständig autonomen „Hochgeschwindigkeitszuges“ zwischen Peking und der Austragungsort der Olympischen Winterspiele 2022, Zhangjiakou, aufgenommen.

Eine Reihe weiterer Versuche mit autonomen Personen- und Güterzügen sind im Gange. In diesem Monat begannen die Erprobungen eines deutsch-niederländischen autonomen Güterzuges, der den Rotterdamer Hafen bedient. Die staatliche französische Eisenbahngesellschaft testet derzeit einen Zug, der bereits 2023 Fahrgäste befördern könnte. In den USA wurde 2019 ein von New York Air Brake gebautes autonomes Güterzugsystem in der Wüste von Colorado getestet.

Eine Zukunft autonomer Züge könnte bedeuten, dass viel mehr Fracht auf das bestehende Schienennetz Amerikas verlagert wird, ohne neue Strecken hinzuzufügen, sagt Nalin Jain, Group President of Digital Electronics bei Wabtec,

ein Zughersteller mit Sitz in Pittsburgh, dessen Wurzeln mehr als 150 Jahre zurückreichen. Bestehende und zukünftige Technologien ermöglichen es, Züge länger zu machen, mit weniger Abstand zwischen ihnen zu fahren und in Häfen und Bahnhöfen auf effizientere Weise aufzubrechen und wieder aufzubauen, fügt er hinzu.

Ein BNSF-Güterzug mit 76 Containerwaggons und FedEx-Frachtanhängern fährt im August durch Montana. Die Züge sind in den letzten Jahren aufgrund der verbesserten Technologie länger geworden und werden wahrscheinlich noch länger werden.


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William Campbell/Getty Images

Eine von der Europäischen Union finanzierte Studie, die 2020 veröffentlicht wurde, ergab, dass der Wechsel zu neueren Systemen für das Zugmanagement die Kapazität bestehender Schienennetze um bis zu 44 % erhöhen könnte. Eine interne Studie von Wabtec deutet darauf hin, dass in den USA der Anstieg sogar noch höher sein könnte, bis zu 50 %. Eine Zunahme der von Amerikas Schienennetz beförderten Tonnenmeilen in dieser Größenordnung entspräche der Verbringung von etwa einer Million voll beladener Boeing 747-10-Passagierflugzeuge jedes Jahr von Küste zu Küste.

Obwohl der Chef der Dampfingenieure aufgebaut hat, sind automatische Lokführer nicht bereit, überall ausgerollt zu werden, warnt Dr. Dulebenets. Die meisten autonomen Züge werden auf neuen und dedizierten Gleisen gebaut, die sie sich nicht mit anderen, von Menschen gesteuerten Zügen teilen müssen. Diese neueren Systeme beinhalten in der Regel keine Gefahren wie Autobahnkreuzungen, bei denen in den USA jedes Jahr die überwiegende Mehrheit der Unfälle mit Zügen und Kraftfahrzeugen passiert.

Es ist viel schwieriger, autonome Züge zu bauen, die auf gemeinsamen, offenen Schienennetzen fahren, als dasselbe auf geschlossenen U-Bahn-Systemen zu erreichen, sagt Jean-François Beaudoin, Präsident für digitale und integrierte Systeme beim französischen Lokomotivhersteller Alstom.

Dazu müssen diese Züge „Augen und Ohren“ bekommen, wie er sie nennt – Sensoren, die auf dem Gleis nach unerwarteten Hindernissen nach vorne schauen können.

Die Komplexität des US-Bahnnetzes, in dem viele Linien von mehreren privaten Bahnunternehmen gemeinsam genutzt werden, bedeutet, dass die Automatisierung unseres Systems entmutigend sein könnte – ein Prozess, der „Jahrzehnte dauern könnte“, sagt Dr. Dulebenets. Dass autonome Züge mit menschlich gesteuerten Zügen gut spielen können, ähnelt den Herausforderungen der teilweise selbstfahrenden Technologie, bei der Mensch und KI auf eine Weise ineinandergreifen müssen, die für beide nicht zu Verwirrung führt.

In Bezug auf die Sicherheit, sagt Beaudoin: „Wir sind bei Maschinen viel anspruchsvoller als bei Menschen, denn wir haben viel mehr Mitgefühl für einen Menschen, der einen Fehler macht, als für eine Maschine, die einen macht.“ Ein automatisiertes U-Bahn-System muss so konzipiert sein, dass es auf jede Million, die ein menschlicher Ingenieur machen würde, einen Fehler macht, fügt er hinzu.

Ein weiteres potenziell großes Problem ist die Cybersicherheit. Züge können zwischen 4.000 und 20.000 Tonnen wiegen, können gefährliche Stoffe befördern und können meilenweit zum Anhalten brauchen. Wenn sie also fernsteuerbar sind, besteht die Gefahr, dass so viel Masse von Hackern übernommen wird, wenn die Systeme zu ihrer Lenkung nicht absolut sicher sind .

Eine weitere Herausforderung für autonome Züge ist legal – wer ist verantwortlich, wenn unweigerlich ein Unfall passiert? Wie bei autonomen Autos besteht auch hier die Herausforderung darin, dass ein automatisiertes System, auch wenn es sicherer ist als ein menschlich gesteuertes, bei einem Ausfall die Verantwortlichen für einen Unfall verschieben kann. Eine in der Philosophie seit langem bestehende Hypothese zur Ethik der Entscheidungsfindung – das sogenannte Trolley-Problem – kann allzu wörtlich werden, sobald die KI einen Zug vollständig unter Kontrolle hat.

Abgesehen von den Herausforderungen sind Amerikas Züge in gewisser Weise bereits überraschend automatisiert, bemerkt Eric Gebhardt, Chief Technology Officer von Wabtec. Das Bundesgesetz schreibt seit Dezember 2020 vor, dass alle US-Züge mit einem Positive Train Control-System ausgestattet sind, das wie automatische Notbremssysteme in Autos aussieht. Das System verhindert, dass Züge mit anderen Zügen kollidieren, in Kurven zu schnell fahren oder falsch eingestellte Weichen durchblasen.

In einer Lokführerkabine zeigen Bildschirme halbautomatische Zugfahrfunktionen wie das vom Bund vorgeschriebene Positive Train Control System.


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Ed Rieker/Wabtec

Wie bei anderen Arten von Verkehrsinfrastrukturen, wie Häfen, fällt die Umstellung auf autonome Systeme in Zügen mit anderen Upgrades zusammen. Die Logik: Wenn Sie einen neuen Zug kaufen oder ein Schienensystem erheblich aufrüsten möchten, können Sie auch alle verfügbaren und kostengünstigen Upgrades auf einmal durchführen.

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Welche Hindernisse sehen Sie, die die Einführung autonomer Züge möglicherweise verlangsamen könnten? Nehmen Sie an der Unterhaltung unten teil.

Der nächste Schritt in der Zugautomatisierung ist die Abkehr von den derzeitigen „Festblock“-Systemen zur Einhaltung eines Sicherheitsabstands zwischen den Zügen, bei denen die Bahnstrecken in Blöcke fester Länge unterteilt sind, in denen sich jeweils nur ein Zug aufhalten darf. sagt Herr Gebhardt. Ein „Moving Block“-System hingegen lässt Züge dichter aufeinander folgen, weil der Sicherheitspuffer vor und hinter dem Zug mitfährt. Der Wechsel zu einem fahrenden Blocksystem erfordert jedoch die Aufrechterhaltung einer ständigen Kommunikation zwischen den Zügen und einem zentralen Dispatch-System. Mehrere Kunden testen bereits ein solches System, ergänzt Herr Gebhardt.

Die EU-Studie ergab, dass sich die Kapazität des Schienennetzes durch den Einsatz neuer Technologien um die Hälfte erhöhen könnte, wobei davon ausgegangen wird, dass diese Züge ein bewegliches Blocksystem verwenden, das von den Bordcomputern der Züge angetrieben wird. Ein solches System würde mit dem vorausfahrenden Zug kommunizieren und sein Gewicht, das Wetter, seine Aktivitäten und seine Bremszeiten kennen. Ein Vorteil von Schienennetzen ist jedoch, dass sie bereits vor Signalen und Sensoren strotzen, sodass ein Teil der „Intelligenz“ zur Steuerung eines Zuges in und neben dem Gleis selbst eingebaut und Entscheidungen über die Geschwindigkeit von Zügen getroffen werden können durch ein System, das entfernt ist.

Das Remote Operations Center von Rio Tinto in Perth für seinen autonomen Güterzug in der australischen Region Pilbara.


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Rio Tinto

In Australien integriert der weltweit erste und nach wie vor einzige vollzeitautonome Güterzug sowohl fahrzeuginterne als auch systemweite Sensoren und Verarbeitung, sagt ein Sprecher von Rio Tinto. Der Zug selbst verfügt über Kameras, Radar und ein Kollisionserkennungssystem, und die Strecke, auf der er fährt, ist an allen öffentlichen Bahnübergängen mit Überwachungskameras ausgestattet.

Rio Tinto nennt seinen automatisierten Zug „den größten Roboter der Welt“, und es scheint eine zutreffende Beschreibung zu sein. Die Herausforderungen bei der Entwicklung und Bereitstellung automatisierter Züge auf der ganzen Welt sind dieselben, mit denen Roboter in allen anderen Bereichen konfrontiert sind, sagt Dr. Dulebenets. Von der Akzeptanz durch die Öffentlichkeit und der Kommunikation zwischen ihnen und den Fahrern anderer Fahrzeuge bis hin zur Suche nach neuen Rollen für die Arbeitnehmer, die sie möglicherweise aus ihren derzeitigen Rollen verdrängen, sind wir die Haupthindernisse für die Einführung autonomer Züge.

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Führungskräfte von Wabtec, einem in Pittsburgh ansässigen Zughersteller, der seine Wurzeln mehr als 150 Jahre zurückverfolgt, sagen, dass bestehende und zukünftige Technologien es ermöglichen, Züge länger zu machen, mit weniger Abstand zwischen ihnen zu fahren und zu zerlegen und wieder aufzubauen Häfen und Bahnhöfe effizienter zu gestalten. Dadurch könnte die Kapazität bestehender US-Bahnnetze um bis zu 50 % erhöht werden, so das Unternehmen.


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Ed Rieker/Wabtec/Associated Press

Schreiben Sie an Christopher Mims unter christopher.mims@wsj.com

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