Digitale Eisenbahn

Niemand hatte die Absicht, am 5. Mai 1998 Eisenbahngeschichte zu schreiben. Es fehlte nur an Lokomotiven in Phippsburg, CO. Statt der üblichen fünf Lokomotiven standen nur vier zur Verfügung, um einen 108-Wagen-Kohlezug durch die Union Pacific zu ziehen Die steile Toponas-Steigung der Eisenbahn am Westhang der Rocky Mountains. Was folgte, ist unter Lokomotivbauern legendär.

Die Lokomotiven waren brandneue Giganten von General Electric mit dem gewissen Etwas: Ihre Fahrmotoren wurden mit Wechselstrom statt mit Gleichstrom betrieben. Als sie an diesem Tag die Toponas-Steigung erklimmen, verlangsamten sich die Züge auf kaum wahrnehmbare sechs Meter pro Minute. Kein Ingenieur mit Selbstachtung hätte mit herkömmlichen Gleichstrommotoren einen so waghalsigen Trick versucht: Räder wären durchgerutscht, der Zug wäre stehengeblieben, und die Motoren selbst wären wie ein Ei gebraten worden. Aber nichts davon ist passiert. Tatsächlich zeigten spätere Untersuchungen, dass die Lokomotiven mehr Zugkraft erzeugt hatten, als bei dieser Geschwindigkeit für möglich gehalten wurde. Dieser Kraftakt leitete eine radikale Transformation des Eisenbahnwesens ein – eine Revolution, die direkt aus den Fortschritten in der Informationstechnologie resultiert.

Der Nanotube-Computer

Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2002



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Technisch gesehen ist es schwierig, im Eisenbahnwesen etwas zu finden, das sich in den letzten zehn Jahren nicht verändert hat. Dutzende von Mikroprozessoren in heutigen Diesellokomotiven betreiben fast alle ihre Systeme, von der Kraftstoffzufuhr bis zur Kabinenklimatisierung. Pollinien, die einst an den Fenstern rasender Personenzüge vorbeiblitzten, verschwinden zugunsten von Mikrowellen- oder Glasfaserkommunikation. Experimentelle neue Dispatch- und Kontrollsysteme könnten Ingenieuren bald sagen, ob sie die kraftstoffsparendsten Drosseleinstellungen verwenden.

Sagen Sie den meisten Leuten Züge und sie denken an die Passagiervielfalt. Aber in den Vereinigten Staaten sind die Eisenbahnen mit den größten wirtschaftlichen Auswirkungen diejenigen, die Fracht transportieren. Eisenbahnen befördern 25 Prozent der US-Fracht. Sie sind mit Abstand der effizienteste Weg, um Kohle, Getreide und Chemikalien in großen Mengen zu bewegen. Doch die Bahnen pflegen längst eine Art Hassliebe zur Spitzentechnologie. Kohlebefeuerte Dampflokomotiven gaben sie zum Beispiel erst auf, als General Motors in den 1940er Jahren den dieselelektrischen Motor entwickelte und Eisenbahnen im ganzen Land vorführte. Und selbst dann steckten viele Eisenbahnen jahrelang in Dampf.

In den letzten zehn Jahren haben sich die Eisenbahnen jedoch mit ihrer eigenen Version einer Informationsrevolution beschäftigt. Die Kombination von Computern und drahtlosen Systemen verschafft den Eisenbahnen eine größere Kundendienstkapazität und eine bessere Disposition und Kostenkontrolle – sowie den Verzicht auf Heere von Angestellten. Charles Dettmann, Executive Vice President for Operations, Research and Technology bei der Association of American Railroads mit Sitz in Washington, DC, argumentiert, dass die Wettbewerbsfähigkeit der Eisenbahnen – vielleicht sogar ihre Existenz – von ihrem Einsatz von Informationstechnologien abhängt.

Eisenbahngesellschaften sind ein sehr harter Verkauf. Normalerweise bin ich in der Lage, sie weiter voranzutreiben, als sie wollen, sagt Carl D. Martland, Senior Research Associate am Center for Transportation Studies des MIT und Berater der Eisenbahnindustrie. Sie bestehen darauf, dass sie wissen, dass es einen Produktivitätsvorteil geben wird, und werden nur so weit gehen, wie dieser Vorteil sie trägt. Sie haben sehr gute Arbeit geleistet, indem sie gesagt haben: Tut mir diese Technologie etwas?“

Modelleisenbahn

Noch vor zwei Jahrzehnten war das Powder River-Becken im Osten von Wyoming ein karges, baumloses Outback mit wenigen Menschen und ohne Industrie. Aber die Region hatte etwas, was die USA Anfang der 1990er Jahre plötzlich brauchten: viel schwefelarme, relativ sauber verbrennende Kohle. Tatsächlich erstreckt sich unter dem östlichen Drittel von Wyoming ein dickes Kohleflöz. Und die einzige praktische Möglichkeit, so viel Kohle aus dem abgelegenen Powder River-Becken zu transportieren, ist die Bahn.

Die beiden Eisenbahnen, die die Region bedienen - Union Pacific und Burlington Northern Santa Fe - haben mehr als 5 Milliarden US-Dollar ausgegeben, um das größte und modernste industrielle Eisenbahnsystem des Landes zu bauen. Angetrieben durch die Verschärfung der Luftverschmutzungsvorschriften boomt die Nachfrage nach schwefelarmer Kohle jetzt über die kühnsten Träume hinaus; ein abschnitt der strecke ist die erste bahnstrecke der geschichte, die täglich mehr als eine Milliarde Kilogramm befördert.

Und weil die Eisenbahn und die Minen neu sind, bietet der Powder River-Betrieb eine saubere Tafel für die Schaffung eines möglichst effizienten Betriebs - ohne die Belastung durch ältere Infrastrukturen und die veraltete Technologie, die Eisenbahnen oft betrieben haben. Nicht zu sehen sind die Arbeiter, die einst mühsam alle Autonummern abgeschrieben und an die Zentrale gefaxt haben. Wenn jeder leere Zug in die Mine einfährt und jeder beladene Zug verlässt, lesen Scanner automatische Identifikationsetiketten, zeichnen jede Wagennummer auf und melden die Daten an das Harriman Dispatching Center von Union Pacific in Omaha, NE.

Das Harriman Center ist das Herzstück eines ehrgeizigen Bemühens, ein ganzes Eisenbahnsystem von einem zentralen Standort aus zu leiten, um Züge mit einem Computerprogramm abzufertigen, das die Punkte wählt, an denen sie sich treffen oder passieren. Das Harriman-System kontrolliert den Verkehr auf mehr als 27.000 Kilometern Union-Pacific-Strecken in 23 Bundesstaaten - obwohl menschliche Disponenten jederzeit eingreifen können, wenn sie mit den Entscheidungen des Computers nicht einverstanden sind - und es ermöglicht die Koordination von Bewegungen über die gesamte Eisenbahn statt auf einer einzelnen Linie oder Division.

Leere Züge fahren in das kohlehaltige Silo des Powder River-Beckens unter dem Eisenbahn-Äquivalent des Tempomaten ein. Züge kriechen mit rund 1,5 Stundenkilometern ein, Geschwindigkeiten, die nur der geschickteste Ingenieur mit der Hand erreichen kann. Computergesteuerte Laderutschen befüllen jeden Wagen mit dem geplanten Kohlegewicht von 100.000 Kilogramm, auf etwa 0,2 Prozent genau. Ein Zug kann in 45 Minuten mit Kohle befüllt werden, also etwa doppelt so schnell wie bisherige Ladeautomaten.

Während Kohlezüge aus den Powder River-Feldern herausfahren, sprechen die Lokomotiven ständig mit der Zentrale von Union Pacific in Omaha. Der Datenstrom liefert einen laufenden Bericht über den Zustand des Zuges, der von einer Reihe von Sensoren gemeldet wird, die beispielsweise den Öldruck, die Betriebstemperatur, die PS-Leistung und den Kraftstoffverbrauch überwachen. Früher (etwa Anfang der 1990er Jahre) wussten die Ingenieure nur dann, dass mit einer Lokomotive etwas nicht stimmte, wenn sie bereits ernsthaft in Schwierigkeiten war. Dann schrillten die Alarmglocken, oder der Motor ging plötzlich aus oder fing an zu rauchen. Union Pacific stattet seine gesamte Flotte mit Bordcomputern aus, die ständig den Standort und den Zustand der Lokomotiven verfolgen und diese Informationen dann an einen Wartungsschalter in der Zentrale melden.

Sobald die Flotte ausgestattet ist, wird eine bestimmte Lokomotive dem Omaha-Center signalisieren, dass es ein Problem gibt, lange bevor es dem Lokomotivführer mitteilt. Die Sensoren sollten normalerweise Hunderte oder Tausende von Kilometern Probleme erkennen, bevor sie schwerwiegend genug werden, damit der Ingenieur sich darum kümmern kann. Die Information, dass eine Lokomotive beispielsweise 15 Prozent mehr Kraftstoff verbraucht als normal, ist für den Ingenieur wenig wichtig, aber für die Wartungstechniker, die die Lokomotive überwachen, von großem Interesse.

Die Installation von Computern in Lokomotiven ist nicht genau so, als würde man sie in die kontrollierte Umgebung eines Büros stellen. Schmutz, Vibrationen und extreme Hitze und Kälte gehören zum täglichen Bahnbetrieb. Union Pacific experimentierte monatelang mit verschiedenen Arten von Stoßdämpfern und schwingungsdämpfenden Materialien. Laut Chief Technology Officer Lyden Tennison wurden Lehren von einem anderen Unternehmen gezogen, das sich mit der Anpassung von Hightech-Geräten an unwirtliche Bedingungen auskennt. Wir haben viel vom Militär gelernt, sagt er. Lokomotiventechniker waren zum Beispiel zunächst amüsiert, als sie erfuhren, dass das Militär Prozessoren, die in ihren Steckdosen steckten, unter ständigen Vibrationen hielten, indem sie sie mit Zahnseide festschnürten. Amüsiert, aber beeindruckt: Union Pacific hat diese Lösung angenommen.

AC/DC

Wie lange hält der Whoop-Akku?

Während des gesamten Dieselzeitalters funktionierten Lokomotiven nach einem einfachen Prinzip: Ein Dieselmotor drehte einen Generator, der elektrischen Wechselstrom erzeugte, der dann in Gleichstrom umgewandelt wurde, um die Fahrmotoren anzutreiben, die die Achsen antreiben. Der Sprung nach vorn, der es möglich machte, die Toponas-Klasse hochzuziehen, hing von einem grundlegenden Technologiewandel in den 1990er Jahren von Gleichstrommotoren zu Wechselstrommotoren ab. Diese Änderung wurde durch die Verfügbarkeit schneller, kostengünstiger Mikroprozessoren ermöglicht.

Der Strom sowohl für eine Gleichstromlokomotive als auch für eine Wechselstromlokomotive beginnt ihren Weg zu den Rädern auf die gleiche Weise. Bei beiden Typen dreht ein Dieselmotor einen Generator, der Wechselstrom erzeugt, der dann in Gleichstrom umgewandelt wird. (Die anfängliche Wechselstromleistung bei konstant 60 Zyklen pro Sekunde konnte die Lokomotive nur mit einer Geschwindigkeit betreiben.) Hier weichen die Technologien jedoch voneinander ab. In einer Gleichstromlokomotive geht die Gleichstromleistung direkt zu den Motoren, die die Räder drehen. In einem Wechselstrommotor fließt der Gleichstrom durch eine Reihe von computergesteuerten Komponenten, die Wechselrichter genannt werden, die den Gleichstrom in Wechselstrom zerhacken. Dieser Wechselstrom wird wiederum den Motoren zugeführt.

Computerchips machen Wechselstrommotoren praktisch, indem sie den Stromfluss mit einer Präzision regulieren, die auf andere Weise unmöglich ist. Die Chips überwachen und steuern den Gleichstrom, der in die Wechselrichter eindringt, und stellen sicher, dass diese die richtige Menge an Wechselstrom an die Fahrmotoren liefern. Dies ist keine leichte Aufgabe: Jeder Wechselrichter kann bis zu 500 Ein-Aus-Befehle pro Sekunde benötigen, um den Wechselstromfluss zu regulieren. Und während 500 Befehle pro Sekunde an einem Tag mit Gigahertz-Chips unscheinbar erscheinen mögen, ist der richtige Vergleich nicht mit anderen Computern, sondern mit Menschen. Stellen Sie sich einen Lokführer vor, der versucht, jede Sekunde 500 Änderungen der Drosselklappenstellung vorzunehmen.

AC-Motoren sind robuster als ihre DC-Cousins. Sie wurden brutalen Tests unterzogen, die eine maximale Stromproduktion forderten, manchmal tagelang. Diese Tests gingen weit über alles hinaus, was die schlimmste Eisenbahnumgebung produzieren könnte, und die Motoren kamen laut Michael E. Iden, Generaldirektor für Fahrzeug- und Lokomotiventechnik bei Union Pacific, nie einer Überhitzung nahe. Solange die Ausrüstung richtig funktioniert, sollten Wechselstrommotoren wirklich nie durchbrennen, sagt Iden. Viele Eisenbahnen verwenden sogar Wechselstrom-Lokomotiven anstelle von Druckluftbremsen, um Züge auf schweren Steigungen stationär zu halten, sagt Iden. Diese Technik, die das zeitaufwendige Abpumpen der Druckluftbremsen vermeidet, würde einen Gleichstrommotor in Minuten braten.

Neben ihrer Fähigkeit, schwerere Lasten zu ziehen, verbessern Wechselstrommotoren den Gesamtwirkungsgrad. Jedes Lokomotivrad berührt eine Schienenfläche, die nicht größer als ein Nickel ist. Der Gewichtsanteil an diesem Rad, der in Zugkraft umgewandelt wird, wird als Adhäsion bezeichnet. Während die besten Gleichstrommotoren einen Kraftschluss von etwa 30 Prozent aufbringen können, nutzen Wechselstromlokomotiven die präzise Computersteuerung der Fahrmotoren, um einen Kraftschluss von durchschnittlich 34 bis 38 Prozent zu erreichen; Jeder Prozentpunkt an Haftkraft liefert die Zugkraft für fünf weitere voll beladene Kohlewagen.

Spuren erstellen

Züge müssen natürlich auf Gleisen fahren. Und nach der Verlegung müssen Schiene und Schwellen gewartet und kontrolliert werden. Die Informationstechnologie spielt in dieser traditionell arbeitsintensiven Angelegenheit eine transformierende Rolle. In den letzten zwei oder drei Jahren sind beispielsweise Schienenausrichtungssysteme aufgekommen, die Laser verwenden, um Entfernung und Richtung zu messen. Computer berechnen dann die korrekte Krümmung und den richtigen Höhenwinkel eines Gleises und geben die Informationen an Maschinen weiter, die die Schiene und die Schwellen anbringen. Wichtig ist die Möglichkeit, die Gleisgeometrie schnell zu messen, ohne vom menschlichen Sehvermögen abhängig zu sein, sagt Louis Cerny, ein unabhängiger Eisenbahnberater in Gaithersburg, MD.

Ein besonders zeitaufwändiger Schienenwartungsjob - das Verteilen von Schotter zwischen den Gleisen - ist auch ein Adrenalinschub. Im Juni lieferte Herzog Contracting – ein Eisenbahnbauunternehmen mit Sitz in St. Joseph, MO – einen neuen Schotterzug an Union Pacific. Das Entladen von 60 Waggons mit Ballast dauert normalerweise mindestens zwei Tage; Herzogs Zug erledigt die Arbeit in 30 Minuten. Während der Zug tuckert, entscheiden Computer, die von Satelliten des globalen Positionsbestimmungssystems gesteuert werden, welche Autotüren sie öffnen und wie viel Ballast abgepumpt werden muss (und unterbrechen sogar den Fluss an Straßenkreuzungen).

Ähnliche Fortschritte helfen bei der Gleisinspektion. Diese Arbeit war früher die Domäne eines einsamen Gleisbauers, der ein paar schwere Werkzeuge trug und die Gleise entlangging, um zu sehen, ob sich die Gleise bewegten oder ob sich Spikes herausziehen oder Schienenverbindungen zu stark biegen. Das ultimative automatisierte Gleisinspektionssystem ist ein System, das 1999 von Plasser American, einem Hersteller von Inspektionswagen, und Ensco, einem Hersteller von Hardware und Software für die Eisenbahninspektion, an die Federal Railroad Administration geliefert wurde. Diese selbstfahrende Masse von Sensoren und Computern, die mit bis zu 145 Stundenkilometern dahinrollt, erzeugt Auslesungen des Gleiszustands und schickt Einsatzkräfte an die Orte, an denen Probleme auftreten. Die meisten großen Güterbahnen in den Vereinigten Staaten setzen solche Wagen jetzt entweder ein oder haben sie bestellt.

Ensco hat auch Fernüberwachungssysteme entwickelt, die in jeden Triebwagen oder jede Lokomotive eingebaut werden können. Die Systeme, die jetzt bei Amtrak und mehreren S-Bahnen im Einsatz sind, bewerten kontinuierlich Gleisanomalien, Fahrqualität und den mechanischen Zustand einer Lokomotive. Wenn ein Problem auftritt, senden die Monitore einen Alarm über Satellit oder eine terrestrische Funkverbindung. Detaillierte Informationen zu dem Problem und seiner genauen Lage können dann über das Internet abgerufen werden. Andere neue Inspektionsgeräte verwenden computergestütztes Sehen, um nach Defekten in Luftbremsschläuchen zwischen Autos zu suchen. Pulsierende Laser, die sich in einer Kreisscheibenform auffächern, können ein genaues Bild des Rades erzeugen, während es rollt und Oberflächendefekte besser registriert als ein erfahrener Prüfer, wenn das Rad stillsteht. Alle diese Detektoren sind so konzipiert, dass sie dem Zugpersonal oder dem Fahrdienstleiter Störungsstellen melden, bevor ein kleines Problem größer wird und ein Wrack verursacht.

Auf der ganzen Linie

Da die Kosten für die Technologie ständig sinken, könnten die Eisenbahnen für eine weitere Automatisierungsrunde bereit sein. Der erste Kandidat ist eine Idee, die Eisenbahnen bisher gemieden haben, die sogenannte positive Zugkontrolle. Die Computer, die das Gas und die Bremse einer Lokomotive steuern, wären mit Empfängern von Global Positioning System ausgestattet, die ihnen genau sagen, wo sie sich befinden und wie schnell sie fahren. Die Modifikation wurde ursprünglich als Sicherheitsverbesserung vorgeschlagen, um Kollisionen zu vermeiden: Wenn ein Lokführer an einem Haltesignal vorbeirast, signalisiert das System dem Computer, den Zug zu verlangsamen oder anzuhalten. Dieser Antrag konnte die Eisenbahnen jedoch nicht überzeugen. Es hätte viel Geld für eine minimale Verbesserung der Sicherheit gekostet und war daher nicht kostengünstig, erklärt Martland vom MIT.

hat Krebs einen Geruch?

Aber viele Bahnbeamte beginnen, den Business Case für eine positive Zugsteuerung zu verstehen: Die gleiche Technologie liefert kontinuierliche Updates über den Standort jeder Lokomotive auf der Bahn. Hochgeschwindigkeits-Personenzüge wie auf der Strecke von Boston nach Washington sind bereits mit fortschrittlicher Tracking- und Kontrolltechnologie ausgestattet. Die Technologie wird auch bei einer Reihe von Unternehmen entwickelt, allen voran Union Switch und Signal mit Sitz in Pittsburgh.

Die Kombination von Satelliten mit Computern zur Steuerung der Zuggeschwindigkeit ist nur ein Schritt in Richtung eines vollständig computergesteuerten Betriebs. U-Bahnen verkehren routinemäßig auf diese Weise; der Fahrer fährt mit. Aber ein Güterzug ist nicht so einfach wie eine U-Bahn. Ein langer Zug kann zum Beispiel gleichzeitig eine Steigung erklimmen und eine andere abwärts fahren. Und jeder Güterzug hat seine eigenen Bremseigenschaften, die ein Lokführer schnell beherrschen muss; Ein falscher Umgang mit einem Zug kann schwere Schäden verursachen, wie zum Beispiel gerissene Kupplungen und möglicherweise sogar Entgleisungen. Einige Eisenbahnen experimentieren jedoch mit Computern, die die Eigenschaften eines Zuges so schnell wie ein Ingenieur lernen können. Zum Beispiel haben Computer die Kontrolle über schwere Erzzüge in Minnesota übernommen, die effizient arbeiten und bei roten Signalen reibungslos anhalten.

Der nächste logische Schritt ist der vollautomatische Betrieb, mit einem Techniker nur als Monitor an Bord. Während die Technologie, um dies zu implementieren, weitgehend vorhanden ist, stehen andere Faktoren als Hindernisse im Vordergrund. Die hohen Vorlaufkosten zum Beispiel halten Eisenbahnen davon ab, neue Systeme zu installieren, die keinen offensichtlichen Gewinn bringen. Sicherheit ist ein weiteres Anliegen; automatisierte Kontrollsysteme müssen sich als äußerst zuverlässig erweisen, bevor sie menschliche Bediener ersetzen können, und erst wenn ein solcher Ersatz möglich ist, zahlt sich die Technologie wirtschaftlich aus.

Die Computerisierung hat es Eisenbahnen bereits ermöglicht, mit weniger Menschen zu arbeiten. Die neuesten Entwicklungen stellen einen Angriff auf die Arbeitsplätze der beiden wichtigsten Personen dar, die einen Zug führen: des Ingenieurs und des Schaffners. Und der Einsatz erfordert die Neuverhandlung von Verträgen mit Gewerkschaften, die Arbeitnehmer vertreten, die durch neue Systeme verdrängt werden könnten.

Es sieht so aus, als sei der lange Aufstieg zum Toponas-Gefälle nur der Anfang einer rasanten Reise in eine computerautomatisierte Zukunft. Iden von Union Pacific sagt: Wir fangen gerade erst an, die Vorteile der Technologie zu nutzen.

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