Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 65 Digitalisierung MOBILITÄT Der Weg zur digitalen Bahn Forschung, Entwicklung und Innovation für ein Verkehrssystem von morgen Europäische Union, Bahnsystem, Forschung, Entwicklung, Innovation, Digitalisierung, Nachhaltigkeit Mit dem Europäischen Forschungsrahmenprogramm „Horizon 2020“ soll eine intelligente und nachhaltige Wachsstumsstrategie in Europa Realität werden. Die Gestaltung eines intelligenten und ökologisch integrierten Verkehrssystems gehört unabdingbar dazu. Und so wurde Shift2Rail ins Leben gerufen, eine Technologieinitiative (JTI) im Bahnbereich, die als öffentlich-private Partnerschaft Qualität und Effizienz des Schienenverkehrs mit innovativen Verfahren verbessern soll. Ziel ist es, einen einheitlichen europäischen Eisenbahnraum (Single European Railway Area, SERA) zu schaffen, der den Umstieg von der Straße auf die Schiene erleichtern soll: umweltfreundlich, nachhaltig und als Teil des sicheren Verkehrssystems in Europa. Im Fokus stehen Digitalisierung und Informations- und Kommunikations-Technologien - allerdings keine einheitliche Strategie. Daniel Tokody, Peter Holicza, Maria Tor D igitalisierung, also der Einsatz von Informations- und Komm u nika tio n s -Te c h n o l o g i e n (IKT), verändert nicht nur die Prozesse der Branchen. Sie verändert klassische Geschäftsmodelle, generiert neue Einkommensquellen, erweitert die Möglichkeiten der Wertschöpfung und erschafft damit den Begriff Digital Business. Bis 2020 können etwa sieben Milliarden Menschen, Unternehmen und Geräte übers Internet verbunden sein. In diesem Netzwerk kann durch die Kommunikation von Menschen, Unternehmen und Geräten ein neuer digitaler Geschäftsraum entstehen - so jedenfalls sieht man es beim Beratungsunternehmen Gartner Group [1]. Digital rail strategy Die digitale Wandlung von Wirtschaft und Gesellschaft wirkt sich auf das europäische Verkehrssystem und dadurch auch auf das Bahnsystem aus. Deutschland ist Marktführer im Bereich Verkehrsdienstleistungen, hat als erstes erkannt, welche Möglichkeiten die Digitalisierung bieten kann und fördert sowohl die Entwicklung neuer Fahrzeuge und Fahrzeugsysteme als auch die Verbreitung vernetzter, automatisierter Verkehrsmittel. Ein zunehmend wichtigeres Ziel im Bahnbereich ist die Entwicklung automatisierter Systeme verbunden mit verschiedenen IT- und Automatiksystemen. Die dadurch entstehende Datenmenge wächst rasant und liefert Informationen, mit denen das Bahnsystem einfacher und ökonomischer betrieben werden kann. In Deutschland wurde das zwölf Punkte umfassende Aktionsprogramm „Digitale Strategie 2025“ entwickelt, das bis zum Jahr 2025 umgesetzt werden soll. Einer der Punkte: Digitale Mobilität voranbringen [2]. Die Digitalisierung wirkt sich auch auf Gesetzesänderungen im Verkehrssystem aus. Um die Entwicklung voranzutreiben und die europäischen Digitalisierungsbemühungen zu unterstützen, müssen Richtlinien geschaffen werden, die absolut technologieneutral sind und die Bildung einheitlicher, digitalisierter Fachpolitik unterstützen. Basierend auf den Erfahrungen verkehrstechnischer Innovationen werden europäische Standards ausgearbeitet [2]. Bild 1 zeigt die Schlüsselelemente als Voraussetzung für digitale Umwandlung (Transformation) und als Teil der integrierten Fachpolitik und des strategischen Rahmensystems. Diese können bei der Verwirklichung von Wirtschaftswachstum und Wohlstand von großer Bedeutung sein. Auf Grundlage der digitalen Umwandlung (z. B. das zu erreichende Niveau der digitalen Infrastruktur und der Dienstleistungen) stehen sechs Säulen der Umwandlung. Digitale Technologien haben Einfluss und Auswirkungen auch auf andere Wirtschaftsbereiche und fördern somit das Wirtschaftswachstum. IKT als relevante Innovation spielt eine wesentliche Rolle im Verkehrssektor und dort eben auch beim Schienenverkehr. Hier gilt es, zunächst eine nachhaltige und klimafreundliche Infra- Foto: pixabay Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 66 MOBILITÄT Digitalisierung struktur mit niedriger CO 2 - und Schadstoffemission zu entwickeln. Strategisches Ziel ist die Herstellung und Verwendung „grüner“ Verkehrsmittel als Teil der Anpassungs- und Gegenmaßnahmen in Bezug auf den Klimawandel. Diese Entwicklung muss langfristig gedacht werden und ist Teil der Anpassung europäischer Städte und Regionen an den Klimawandel. Auch Verkehrsinfrastrukturen sollten in der Lage sein, die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. In Ungarn beispielsweise wurde ein Teil der Bahn-Infrastruktur an Deichen gebaut, die bei einer eventuellen Überschwemmung auch eine wichtige, schützende Rolle spielen. Dabei müssen nicht zwangsläufig neue Infrastrukturen gebaut werden, die enorme Kosten mit sich bringen, wenn bestehende Einrichtungen an die Veränderungen angepasst werden können. Hier sind innovative Lösungen gefragt [4]. Die genannten Veränderungen werden sich, gerade auch durch nachhaltige Verkehrsentwicklung, auf die Attraktivität vieler Städte positiv auswirken. Die Veränderung der Verkehrssysteme ist damit ein Projekt, das die Lebensqualität der Menschen erhöht [5]. Digitalisierung und die Verwendung intelligenter Systeme können dabei die richtigen Werkzeuge sein: Laut OECD könnten Smartphones, Internet of Things (IoT), Big Data und Datenanalyse, die Nutzung Künstlicher Intelligenz für intelligente Systeme, Cloud-Technologie oder die M2M-Kommunikation essentielle Technologien für diese Veränderung sein [3]. Ihre Verwendung ist selbstverständlich auch im Bahnsystem möglich: für Kontroll- und Steuerungssysteme, Instandhaltung, die Infrastruktur und die Verkehrsmittel selbst. Laut Roland Berger ist digitale Transformation auf vier grundlegende Prozesse zurückzuführen: die Interkonnektivität, die digitalen Daten, die Automatisierung und das digitale Benutzerinterface. Interkonnektivität kann bedeuten, vorhandene mobile Geräte zu nutzen. Die Verarbeitung und Auswertung digitaler Daten (Big Data) ermöglicht bessere Prognosen und Entscheidungen. Automatisierung ist Voraussetzung für die Verwendung autonomer und selbstlernender cyber-physischer Systeme. Und das digitale Benutzerinterface macht die kontinuierliche Nutzung der Verkehrsinfrastruktur und der dazu gehörenden Dienstleistungen für die User 24 Stunden am Tag möglich - mit Smartphone oder online [6]. Die Digitalisierung des Bahnsystems hält eine Reihe von Herausforderungen bereit - unter anderem: • Hohe Adaptations- und Umsetzungskosten für die neuen Technologien • Umsetzung der datenbasierten Funktionen • Gewährleistung, dass die richtigen Daten kontinuierlich vorliegen • Datensicherheit • Ausreichende Zahl gut ausgebildeter Arbeitskräfte • Vernetzung und Interoperabilität unterschiedlicher Systeme • Schnelle technologische Änderungen, die Einfluss auf das verwendete Business-Modell haben • Möglicher Wettbewerbsnachteil gegenüber anderen Branchen in der schnellen technischen Adaptation • Konservatismus in der Branche • Abwartende Haltung der Industrie gegenüber neuen Entwicklungen. Doch sie bringt auch Vorteile - mit neuen Unternehmensstrategien und Geschäftsmodellen, mit innovativen neuen Produkten und Dienstleistungen. Beispiele dafür sind: • Reibungslose Intermobilität (Mobilitätsplattform, papierloser Ticketverkauf ) • Vorhersagen von Bahnverspätungen • Zustandsmonitoring der Infrastruktur in Echtzeit • Vernetzte Fahrzeuge und autonome Züge • Optimierung technischer Lebenszyklen • Gesteigerte Energieeffizienz und Nachhaltigkeit • Kostenreduzierung bei Forschung und Entwicklung • Effizientere Produktion • Fähigkeit zu kontinuierlicher Innovation • Bessere Sicherheit für Kunden und Mitarbeiter Ziel all dieser Innovationen ist eine digitalisierte und automatisierte Mobilität in Europa [6]. Shift2Rail und die Schlüsseltechnologien Shift2Rail ist eine europäische Kooperation zwischen dem öffentlichen Sektor und dem Privatsektor. Ziel dieser Kooperation ist es, die Forschungs- und Innovationstätigkeiten der EU in der Branche zu synchronisieren und unter der Führung von Shift2Rail eine weltweit konkurrenzfähige Bahnindustrie zu schaffen, wie es im Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 festgelegt wurde. Die Planungen für 2018, Forschungs- und Innovationsprogramme werden durch die Themen Digitalisierung, Automatisierung und Sicherheit beeinflusst-[7]. Essenzielle Schlüsseltechnologien Für eine zukünftige Wettbewerbsfähigkeit bestimmter Forschungs- und Entwicklungsrichtungen in Europa wurden in 2009 essentielle Grundtechnologien festgelegt [8]. Damit Europa weiterhin zur Weltspitze gehören kann, ist die gezielte, umfassende Kooperation zwischen Industrie und Wissenschaft, Regierungen und Wirtschaft nötig. Die Kommission definiert Schlüsseltechnologien als „wissensintensiv und durch hohe FuE-Intensität, schnelle Innovationszyklen, hohen Kapitalaufwand und hochqualifizierte Arbeitskräfte gekennzeichnet“ [9]. Zu den essenziellen Schlüsseltechnologien gehören Nanotechnologie, Mikro- und Nanoelektronik, Photonik, Forschung zu Bild 1: Das integrierte fachpolitische und strategische Rahmensystem der digitalen Umwandlung für Wirtschaftswachstum und Wohlstand [3] Internationales Verkehrswesen (70) 3 | 2018 67 Digitalisierung MOBILITÄT innovativen Materialien und die Biotechnologie [8, 9]. Den Verkehrssektor betreffen mehrere dieser Technologien. • Moderne, smarte Materialien fördern die Nachhaltigkeit. Diese Stoffe unterstützen das Recycling und können Energiebedarf und die Schadstoffemission reduzieren. Bei in Europa selten vorkommenden Rohstoffen ist es außerdem wichtig, den Importbedarf so weit wie möglich zu reduzieren. • Die Entwicklung mikro- und nanoelektrischer Technik ist nicht nur für den Verkehrsbereich entscheidend. Sie wirkt auch auf zahlreiche mit dem Verkehrssektor verbundene Bereiche wie Energie, Umwelt oder Produktion [8, 9]. Diese essenziellen Technologien sind auch im Bahnbereich relevant [10, 11]. Dabei ist Informations- und Kommunikationstechnologie die Verbindung, die bei der Umsetzung eines digitalisierten Bahnsystems eine wichtige Rolle spielt. Mit den Schwerpunkten der IKT-Norm für den digitalen Binnenmarkt hat die Europäische Kommission folgende Prioritäten festgelegt: • 5G-Kommunikation, • Cloud Computing, • Internet der Dinge, • Datentechnologien und • Cybersicherheit. Sie gelten als technische Grundbausteine für einen digitalen, einheitlichen Markt mit dem Ziel der industriellen Digitalisierung Europas [11]. Technologischer Reifegrad (TRL) Bei der Entwicklung der Digitalisierung im Bahnsystem wird der Technology Readiness Level (TRL) zur Bewertung des Entwicklungsstandes neuer Technologien auf der Basis einer systematischen Analyse genutzt. Ursprünglich 1988 von der NASA für die Bewertung von Raumfahrttechnologien entwickelt, gibt der TRL auf einer Skala von 1 bis 9 an, wie weit entwickelt eine Technologie ist. Im europäischen Forschungskontext wird TRL als Grundlage und zur Bewertung von Zukunftstechnologien bis zur vollständigen kommerziellen Umsetzung genutzt. Diese neun Stufen beschreiben den Eintritt neuer Technologien in den Markt von der Beobachtung und Beschreibung des Funktionsprinzips über Versuch und Prototyp bis hin zu einem qualifizierten System mit Nachweis des erfolgreichen Einsatzes [9]. Zusammenfassung Im Rahmen der Horizont 2020-Strategie sollen 3 % des Bruttoinlandsprodukts für Forschung und Entwicklung verwendet werden. Bei einigen Schlüsseltechnologien ist jedoch die Chance, dass die Forschungsergebnisse in der EU als Produkte und Dienstleistungen auf dem Markt landen, trotz vorhandener Forschungs- und Entwicklungskapazitäten ziemlich gering. Um diese Situation zu verbessern, sind besser durchdachte europäische Strategien in den Bereichen Forschung, Innovation und Kapitalisierung notwendig. Es gibt derzeit keine kohärente Strategie auf europäischer Ebene, wie diese Schlüsseltechnologien einschließlich Digitalisierung auf der Schiene besser entwickelt werden können, als in einem einheitlichen Bahnsektor [8]. Zentraler Gedanke der digitalen Bahnstrategie ist die Investition in die Forschungsentwicklung. Modernisierung und Digitalisierung bedeuten nicht, dass in jedem Zug und an jeder Station kostenloses WLAN zur Verfügung steht. Vielmehr geht es um eine automatisierte Bahninfrastruktur (autonomous rail), die Entwicklung autonomer Schienenfahrzeuge sowie digitale Planungsprozesse und -methoden. Von der Idee bis zum Produkt und von den Grundlagenforschungen bis zum Markteintritt können den Digitalisierungsbemühungen zahlreiche Schwierigkeiten im Wege stehen. Bei den industriepolitischen Strategien, die Bahnindustrie betreffend, ist das gemeinsame Ziel auch die Bewältigung der europäischen und sozialen Herausforderungen. Dadurch sind Forschung und Innovation mit dem Fokus auf den Bahnverkehr in Europa gut unterstützte Themen [12]. Bis 2050 sollen die CO 2 -Emissionen gegenüber 1990 um 60 % reduziert werden. Dieses Ziel muss auch im Verkehrsbereich ins Auge gefasst werden [12]. Ein wettbewerbsfähiges und nachhaltiges Verkehrssystem spielt eine wichtige Rolle für die künftige Entwicklung der europäischen Wirtschaft, der EU-Initiative „Intelligentere Städte und Orte“ die Transformation hin zu einer karbonarmen Gesellschaft. Dazu muss die technologische Entwicklung an die gesellschaftlichen Bedürfnisse angepasst, Forschungsergebnisse zügig umgesetzt werden [13]. Für die digitale Entwicklung eines einheitlichen europäischen Eisenbahnraums SERA gibt es bereits Beispiele spezifisch arbeitender Projekte, so auch die Themengruppe Space4Rail. Forschung, Entwicklung und Innovation werden damit deutlich dazu beitragen, die Lösungen zur Erreichung dieser Ziele zu erreichen, gestalten und verbreiten. So- kann ein intelligentes, umweltfreundliches und integriertes Verkehrssystem entstehen. ■ Als Grundlage dieses Beitrags diente Forschung, die im Rahmen des Projekts „Development of Intelligent Railway Information and Safety Systems” durchgeführt wurde (Ausschreibungs-Identifikationsnummer: GINOP-2.2.1-15-2017-00098). LITERATUR [1] J. Lopez (2014): Digital Business is Everyone’s Business. Online: https: / / www.forbes.com/ sites/ gartnergroup/ 2014/ 05/ 07/ digital-business-is-everyones-business/ #4776c5737f82. [Zugriff: 31.01.2018] [2] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2018): Action programme on digitalisation. Online: http: / / www.de.digital/ DIGITAL/ Navigation/ EN/ Action-Programme/ action-programme.html. [Zugriff: 28.01.2018]. [3] OECD (2017): Going Digital: Making the Transformation Work for Growth and Well-being Going digital [4] Europäische Kommission (2016): Supporting the Implementation of Green Infrastructure, Rotterdam [5] Y. Chen and A. Whalley (2012): Green Infrastructure: The Effects of Urban Rail Transit on Air Quality. Am. Econ. J. Econ. Policy, vol. 4, no. 1, S. 58-97 [6] Roland Berger (2017): Rail supply digitization [7] Shift2Rail (2018): Amended Annual Work Plan and Budget for 2018 [8] Kommission der Europäischen Gemeinschaften (2009): An die Zukunft denken: Entwicklung einer gemeinsamen EU-Strategie für Schlüsseltechnologien - {SEK2009) 1257}. Brüssel [9] Europäische Kommission (2012): Eine europäische Strategie für Schlüsseltechnologien - Eine Brücke zu Wachstum und Beschäftigung [10] A. Conte and E. Davila (2017): Workshop on Digitising European Industry -European Digital Transformation And Standardisation [11] Europäische Kommission (2016): Schwerpunkte der IKT-Normung für den digitalen Binnenmarkt, COM(2016) 176 final. Brüssel, S. 17 [12] Der Rat der Europäischen Union (2013): Beschluss des Rates über das Spezifische Programm zur Durchführung des Rahmenprogramms für Forschung und Innovation ‘Horizont 2020’ (2014-2020) und zur Aufhebung der Beschlüsse. Brüssel [13] Europäische Kommission (2011): WEISSBUCH: Fahrplan zu einem einheitlichen europäischen Verkehrsraum - Hin zu einem wettbewerbsorientierten und ressourcenschonenden Verkehrssystem, S.-36 Peter Holicza, Dipl.-Ing. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Projektkoordinator, Doctoral School on Safety and Security Sciences, Óbuda Universität, Budapest (HU) holicza.peter@rh.uni-obuda.hu Maria Tor, Dipl.-Ing. Dipl.-Oec. Betriebsingenieur, Dozentin für Wirtschaft, Budapest (HU) mariator1962@gmail.com Daniel Tokody, Dipl.-Ing. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Projektkoordinator, Doctoral School on Safety and Security Sciences, Óbuda Universität; Ungarische Staatseisenbahnen, Budapest (HU) tokody.daniel@mav.hu