Gewährleistung der Sicherheit im System Bahn durch innovative Fahrzeuginstandhaltung

Schon heute zählt die Eisenbahn in Europa zu den sichersten und modernsten Verkehrsmitteln. Datengetriebene Softwaremodelle und Digitalisierungsinitiativen liefern umfangreiche neue Potenziale für die Gewährleitung und Erhöhung der Sicherheit in der Bahnverkehrstechnik: Vor allem die automatisierte Erfassung und Speicherung jener Daten, die unmittelbar den Zustand des Fahrzeugs bzw. dessen sicherheitskritischer Bauteile beeinflussen, ist wesentlich für eine moderne, sicherheitsorientierte Instandhaltungsstrategie. Besonderer Bedeutung kommt dabei der multidimensionalen Durchgängigkeit von Daten und Informationsflüssen während des betrieblichen Einsatzes der Fahrzeuge zu. Daher die Wechselwirkung aller technischen, logistischen, topologischen und ökologischen Betriebseinflüsse, welche schlussendlich mittelbare, oder unmittelbare Auswirkung auf den sicheren betrieblichen Zustand eines Fahrzeuges haben. Diese Einflüsse und Wechselwirkungen haben folglich direkten Auswirkungen auf die Wartung und Instandhaltung der Schienenfahrzeuge und den sicheren Bahnbetrieb zu gewährleisten und zu dokumentieren. In diesem Dokument finden Sie folglich zentrale Ansätze, die für die Sicherheit auf Schiene in Bahnverkehrsunternehmen maßgeblich sind.

Sicherheit auf der Schiene in Europa

Wie eingangs erwähnt zählt die Eisenbahn in Europa laut ERA (European Railway Association) zu den sichersten Transportmitteln – auch im Vergleich zu anderen Verkehrsträgern. Laut dem aktuellen „Report on Railway Safety and Interoperability in the EU“ der ERA wurden im Jahr 2018 in den EU-28-Ländern 1721 schwere Unfälle, 885 Todesfälle und 760 schwere Verletzungen registriert. In Deutschland ist im Schnitte mit 2,7 Verunglückten und 0,04 getöteten Personen pro Milliarde Personenkilometer zu rechnen.

Die Kosten, die dadurch entstehen, sind hoch: Insgesamt belaufen Sie sich, seriösen Schätzungen zufolge, auf rund fünf Milliarden Euro pro Jahr – also mehr als doppelt so viel wie die in den Vorjahren veröffentlichte Zahlen zeigen. Zurückzuführen ist das vor allem auf den deutlichen Anstieg bei den Einheitskosten für Unfallopfer, die sich mit 2.897 Millionen Euro insgesamt am deutlichsten zu Buche schlagen. Schwere Verletzungen (379 Mio. Euro), Materialschäden sowie Verspätungen (393 Mio. Euro) bzw. weitere Kosten (142 Mio.) fallen im Vergleich weniger stark ins Gewicht. Insgesamt ist das Thema der Bahnsicherheit ein sehr breites und umfassendes Thema, daher wird in diesem Beitrag insbesondere auf die Bahnsicherheit im Bereich der Fahrzeuginstandhaltung der hierauf Einfluss nehmenden Parameter fokussiert.

Die Rolle von ECM

Der ordnungsgemäße Betrieb von Eisenbahnfahrzeugen ist die Grundlage für das Funktionieren eines sicheren Eisenbahnsystems. Fundament einer betriebssicheren Nutzung von Eisenbahnfahrzeugen ist zum einen eine fundierte Instandhaltungsstrategie und zum anderen die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Durchführung und Dokumentation der durchgeführten Instandhaltungstätigkeiten. Als wesentlicher Schlüsselfaktor ist daher die Beherrschbarkeit des Instandhaltungsprozesses seitens Fahrzeughalter, ebenso seitens der Instandhaltungswerkstätte, zu verstehen. Als häufigste Gründe für sicherheitsrelevante Vorfälle an Eisenbahnfahrzeugen gehörten zuletzt etwa

• Lagerschäden (vor allem Risse, Verunreinigungen, Verschleiß, übermäßige Lockerung),
• Schäden an Bremssystemen (Undichtigkeiten, Verschleiß/Erwärmung/Abriss der Beläge, Schäden an Ventilnockenwellen und plötzliche Unwägbarkeiten),
• Schäden an den Aufhängungssystemen (Brüche, Brüche der Blattfedern, Verschleiß, Verunreinigungen der Drehgestell-Lenklager, plötzliche Defekte).

Aufgrund dieser Erfahrungen sah sich schlussendlich der Gesetzgeber veranlasst ein entsprechendes Regelwerk auf europäischer Ebene einzuführen, welche die Wichtigkeit und Verantwortung aller „an der Instandhaltung beteiligter Stellen“ betont, regelt und festlegt. Diese Rollen und Verantwortungen wurden in der Entity in Charge of Maintenance (ECM) definiert. Die ordnungsgemäße Durchführung, bzw. Einhaltung der ECM gilt daher als Grundvoraussetzung und Fundament für ein sicheres Funktionieren von Eisenbahnsystemen.

Multidimensionale Durchgängigkeit als zentrales Mittel

Zwar sind in der ECM Verordnung EU 2019/779 die Verantwortlichkeiten und Grenzen zwischen „den an der Instandhaltung beteiligten Stellen“  klar geregelt und festgelegt, die Handover-Prozesse im Sinne einer „Technischen Betriebsfreigabe“ und „Wiederinbetriebnahme“ eindeutig beschrieben, so gilt dennoch der Austausch von Informationen zwischen den zuständigen ECM-Stellen gemeinhin dennoch als besonders kritisch – und relevant. Insbesondere im Zusammenhang mit der Definition, der Verfolgung, Einschätzung und Ableitung von Maßnahmen zu sicherheitskritischen Bauteilen. Klassischerweise finden sich hierzu Informationen und Kenntnisse in unterschiedlichen rechtlichen Sphären, Verantwortungen und Systemen. Ein durchgängiger Austausch von Daten und Information zwischen diesen Sphären stellt daher eine Grundvoraussetzung der Weiterentwicklung der Instandhaltungsstrategien und damit der Erhöhung der Gesamtsicherheit des Systems Bahn dar. Zusätzlich kommt, gemäß der neuen Verordnung EU 2019/779, der für die Instandhaltung zuständige Stelle, eine neue wichtige Verantwortung hinzu. Nämlich die Überwachung und strukturierte Weiterentwicklung der sicherheitskritischen Bauteile. Daher steigen auch damit die Erfordernisse eines multidimensionalen Informationsflusses über operative, betriebliche und technische Prozesse im Asset- und Komponentenmanagement der Fahrzeugflotten. Die digitale Transformation schafft dabei neue Mittel und Wege, durchgängig die technische Sicherheit von Eisenbahnfahrzeugen sowie deren sicherheitskritischen Bauteile zu gewährleisten. Denn eine digitalbasierte Instandhaltungsmanagement-Software bildet nicht nur ein durchgängige Instandhaltungsstrategie sowie sämtliche damit einhergehende Vorgänge ab, sondern erlaubt auf Basis von belastbaren Informationen korrektive und präventive Instandhaltungsmaßnahmen abzuleiten. Darüber hinaus fasst die Instandhaltungsstrategie die Inspektionen nach den entsprechenden Intervallen und Herstellervorgaben zusammen.

360° im Blick

In diesem Zusammenhang wird für Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVUs) eine gesamtheitliche Sicht auf das Fahrzeug immer wichtiger, um überhaupt in der Lage zu sein die komplexen Prozesse der Instandhaltung beherrschen und so die Bahnsicherheit gewährleisten zu können. Nur durchgängige Flotten- Asset- und Instandhaltungslösungen, welche sich grundsätzlich an den Prozessen der ECM-Verordnung orientieren und diese abdecken, gewährleisten Effektivität und letztlich vor allem Sicherheit auf Schiene. RAIL ASSET, eine Softwarelösung der BOOM RAIL SOLUTIONS, setzt bei dieser geforderten multidimensionalen Durchgängigkeit an. Es ermöglicht daher einen durchgängigen Informationsfluss über die ECM Rollen ECM2 – ECM4: Die BOOM RAIL SOLUTIONS als Standardsoftware-Produkt der internationalen Bahnindustrie erlaubt die Einhaltung der Dokumentationspflichten nach ECM als Fundament einer sicherheitsbasierten Instandhaltungsstrategie, Instandhaltungsplanung und Instandhaltungsabwicklung – und liefert mit einer Asset-Biografie wirtschaftliche, technische und logistische Parameter für eine 360° Sicht auf das Fahrzeug, 365 Tage im Jahr. Die BOOM RAIL SOLUTIONS orientieren sich mit ihren Modulen direkt an den ECM Rollen und ermöglichen somit den „Digital Twin“ eines Schienenfahrzeuges, oder ganzer Flotten.

Um maximale Sicherheit zu gewährleisten, sind allerdings weitere, zu Informationen verdichtete, Daten nötig: Denn nur die direkte Verknüpfung von Daten mit der entsprechenden Komponenteneinheit und deren Zuordnung zum Fahrzeug ermöglichen Rückschlüsse auf den aktuellen Status des Fahrzeugs und bildet Grundlage für innovative Wartungsstrategien wie „Modulare Wartung“ oder „Zustandsorientierte Wartung“. RAIL ASSET ermöglicht durch diesen 360°/365 Tage Rundumblick, langfristige Optimierungen im Einsatz und in der Wartung der Fahrzeuge. Kern der Innovation ist in diesem Kontext die Möglichkeit RAIL ENGINEERING mit RAIL FLEET mit RAIL ASSET mit RAIL WORKSHOP nahtlos miteinander zu verbinden und als integrative Einheit zu nutzen. Der Informations- bzw. Datenaustausch wird dadurch durchgängig optimiert und schafft einen ganzheitlichen Überblick über alle Phasen des Lebenszyklus des Schienenfahrzeuges – in Konformität zu ECM. Auf dieser wechselwirkenden Grundlage können proaktiv Instandhaltungsstrategien weiterentwickelt werden, Versuche und Modifikationen initiiert werden und so neue Erkenntnisse und Maßnahmen zur Verbesserung der Bahnsicherheit abgeleitet werden.

Instandhaltung in Echtzeit

Vor allem die automatisierte Erfassung und Speicherung jener Daten in Echtzeit, die unmittelbar den Zustand des Fahrzeugs bzw. dessen sicherheitskritische Bauteile beeinflussen, ist wesentlich für eine moderne und sicherheitsorientierte Strategie. Folglich wird dem Real-Time-Monitoring eine zunehmend wichtigere Bedeutung beigemessen: Zustandsüberwachung einzelnen Komponenten in Echtzeit, unmittelbare Befundung des „Health-State“ von Fahrzeugkomponenten und hochaggregiert auf das gesamte Fahrzeug, wird dadurch ermöglicht. Die BOOM RAIL SOLUTIONS Standardsoftware für den Schienenverkehr basiert nicht nur auf angewandten Prozessen und internationalen Bahn-Normen und Standards, sondern ist, auf Basis von Sensorik und Telematik, auch für die automatisierte Übernahme und Interpretation von Echtzeitdaten ausgelegt.

Komplexes Radsatzmanagement

Besonders im Kontext des als sicherheitskritisch eingestuften Radsatzes lässt sich die Wichtigkeit der durchgängigen Datenerfassung mit 360°-Blick festmachen: Der Radsatz unterliegt aufgrund des Wirkens von verschiedensten Kräften und Einflüssen während des Rad-Schiene-Kontakts einem dynamischen Verschleiß, in dessen Folge Schadstellen an den Radreifen bzw. Achsen auftreten können. Die Rollkontaktermüdung im Eisenbahnbetrieb – also die Bildung von Rissen durch das wiederholte Abrollen der Räder auf Schiene – gilt bei Infrastruktur-Managern oft als sehr hohe bzw. höchste Kostenstelle. Als Anhaltspunkt: In der EU werden durch die Rollkontaktermüdung jährlich rund 300 Millionen Euro an Kosten verursacht. Die Deutsche Bahn gibt pro Jahr etwa 66 Millionen Euro für Schienenschleifen und Schienenaustausch in Zusammenhang mit Rollkontaktermüdung aus. Die kontinuierliche Zunahme des Schienenverkehrs in den letzten Jahrzehnten, die Zunahme der Achslasten sowie die Einführung von leistungsfähigen Lokomotiven führten zuletzt zu einer Zunahme von Rollkontaktermüdungsschäden. Obwohl die Bahn insgesamt als extrem sicheres Transportmittel gilt, gibt es Unfälle – etwa die Entgleisung eines Zugs am 17. Oktober 2000 im britischen Hatfield, dessen Folgen vier Todesopfer und über 70 Verletzte forderten. Zurückzuführen war das Unglück auf einen Rollkontaktermüdungsschaden. Die Simulation und Prognose von Rollkontaktermüdungsschäden sind daher von besonders hoher Wichtigkeit im Bahnverkehrswesen. Darüber hinaus ist der Rad-Schiene-Kontakt aber auch maßgeblich für Lärm und Geräuschpegel von Eisenbahnen verantwortlich.

In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass in den BOOM RAIL SOLUTIONS, die Dokumentation der Instandhaltung des Radsatzes (in der DIN-Norm EN15313 festgelegt) durch automatisierte Begutachtung und Vermessung erfolgen kann – beispielsweise mit standardisierten Profil-Messgeräten wie NextSense/Calipri. Auf Basis dieser Informationen werden Instandhaltungsmaßnahmen abgeleitet und im Idealfall Prozesse punktgenau ausgerichtet. Im Bereich des Radsatzmanagements bedeutet dies die zielgerichtete Planung der Aufarbeitung bzw. des Radsatzwechsels.

Sogenannte „Wheelset Predictions“, wie man sie etwa im Bahnstandardprodukt BOOM RAIL SOLUTIONS vorfindet, ermöglichen die Sichtbarkeit zwischen der Differenz von typischen, zu erwartenden und tatsächlichen Verschleißkurven – und damit Prädiktion. Auch strecken- und nutzungsbezogene atypische Belastungs- und Verschleißprofile können auf Fahrzeuge und Flotte angewandt werden um so ihre Restlaufleistung und Einsatzplanung zu optimieren.