Use Case Bahnanwendungen: So sorgen Industrie-PCs für Sicherheit und Komfort im Zug, auf der Schiene und am Bahnhof

Rund um den Schienenverkehr kommen Embedded-PCs in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Welche Anforderungen dabei von Industrie-PCs erfüllt werden müssen und welche Standards, Technologien und Innovationen für Bahn- und Verkehrsanwendungen Stand der Technik sind, haben wir in einem PLUG-IN Blogbeitrag für Sie zusammengestellt. Mit dem folgenden Text widmen wir uns konkreten Use-Cases für PCs in Schienenfahrzeugen, entlang der Bahnstrecke und an Bahnhöfen.

Über 5 Millionen Reisende pro Tag verzeichnete die Deutsche Bahn 2023, die mit rund 24.000 Zügen pro Tag zu Arbeit und Schule pendeln, die Bahn im Nahverkehr nutzen oder verreisen. Hinzu kommen über 2.000 Güterzüge, die täglich rund 500 Tonnen Güter pro Zug transportieren – im Durchschnitt über Strecken von knapp 400 km (alle Zahlen: Deutsche Bahn: Kennzahlen 2023). Die größten Herausforderungen dabei: die Sicherheit für Reisende und Mitarbeitende gewährleisten, den Fahrplan einhalten und mit Komfort und Service rund um den Bahnbetrieb überzeugen. In all diesen Bereichen kommen Industrie-PCs zum Einsatz. KI-gesteuerte Überwachung, hochgenaue Geo-Lokalisierung oder Breitband-Internet für Reisende im Zug: im Hintergrund all dieser Anwendungen arbeiten robuste und zuverlässige Box-PCs und Embedded-Systeme. Diese sind oft universell einsetzbar – und verfügen doch über spezielle Hardware und Software für den Bahneinsatz.

Einige allgemeine Anwendungen für Industrie-PCs im Schienenverkehr sind:

• Sicherheit und Überwachung
• Wartung und Diagnose
• Fahrgastkomfort, Information und Entertainment
• Kommunikation und Konnektivität

• Routenoptimierung
• Reduzierung von Emissionen und Umweltauswirkungen
• Konformität und Dokumentation
• Notfallerkennung und Reaktion

In-Vehicle Computing

Im Schienenfahrzeug übernehmen Embedded-PCs die zentrale Steuerung von Zug, Route und Systemen wie Bremsen, Antrieb und Energieversorgung. Mit Kameras und anderen Sensoren erkennen sie auch bei höchster Geschwindigkeit Hindernisse auf den Schienen und leiten vollautomatisch Notbremsungen und weitere Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung ein. Weitaus häufiger – zum Glück – werden die Daten verwendet, um Wartungsbedarfe entlang des Fahrwegs zu erkennen, zu dokumentieren und für die Umsetzung weiterzugeben. On-bord Computer können außerdem Geschwindigkeits-Begrenzungen erkennen und entsprechend darauf reagieren. 

Kontinuierliche Optimierung des Schienenverkehrs

Parallel zur Steuerung sammeln In-Vehicle PCs für Schienenfahrzeuge kontinuierlich Daten und werten diese in Echtzeit aus. Veränderungen der Leistung von Antrieb und Fahrwerk, Leistungsaufnahme und Energieverbrauch, Vibrationen und andere Auffälligkeiten können so frühzeitig und vollautomatisch erkannt werden. Basierend auf diesen Daten können Mängel frühzeitig identifiziert, Wartungen geplant und Sicherheitsrisiken minimiert werden. Die Überwachung der Leistungsdaten hilft außerdem, den Betrieb zu optimieren und damit Emissionen und Umweltbelastung zu minimieren.

Sicherheit und Überwachung

Im Zug-Inneren helfen PC-Systeme, die Sicherheit der Fahrgäste sowie des Zugbetriebs zu überwachen. Sie erheben und verarbeiten Daten zu Belegung, Temperatur und Luftqualität und steuern Belüftung und Klimatisierung. Mit neusten KI-Algorithmen können darüber hinaus Notfallsituationen wie Bewusstlosigkeit, Panik oder Überfälle automatisch erkannt und an das Zugpersonal oder eine Rettungsstelle übermittelt werden. Ebenso erkennen PC-Systeme unerlaubten Zugang oder Zugriff auf Zugsysteme und können bei Verdacht auf Vandalismus Alarme auslösen. In tatsächlichen Notsituationen wie Notbremsungen oder Unfällen übernehmen Embedded-PCs entsprechende Notfallsteuerungen, vom Bremsen des Zugs und Abschalten der Stromversorgung bis zum automatischen Einleiten eines Notrufs und der Öffnung von Sicherheitstüren etc. 

Um eine durchgängige Überwachung und Kontrolle auch von Außerhalb zu ermöglichen, übertragen IPCs live-Daten zu Standort, Geschwindigkeit und Fahrzustand an eine Leitstelle. 

Komfort und Service im Zug

Die Daten zum Reiseverlauf stehen auch Fahrgästen und Personal als Live-Auskunft zu Fahrt und geplanten Ankunftszeiten zur Verfügung. Dafür werden sie über Apps und Webseiten auf den Endgeräten der Nutzer oder auf Infotainment-Systemen im Schienenfahrzeug visualisiert. Ein weiterer Baustein für Komfort und Service an Bord ist eine optimale Versorgung mit Breitband-Internet. Auch dafür kommen Industrie-PCs zum Einsatz, die Datenverbindungen über Mobilfunknetze oder Satellit aufbauen und als WLAN im Inneren der Fahrzeuge bereitstellen – auch bei höchsten Geschwindigkeiten und trotz der Abschattung im Inneren. 

Bahn-PCs: Gerüstet für raue Umgebungsbedingungen

Für die dargestellten Anforderungen im In-Vehicle Computing verfügen Embedded-PCs über besondere Eigenschaften und Ausstattungen. Ein Beispiel ist die IVX-1000 Serie von Vecow . Sie bietet mit leistungsstarken Intel Core i9/i7/i5/i3 Prozessoren ausreichend Rechenleistung für klassische Anwendungen ebenso wie für Edge-AI Anwendungen. Die Box-PCs arbeiten ohne Lüfter, können aber dennoch in einem erweiterten Temperaturbereich eingesetzt werden. Hinzu kommen die als M12-Steckverbinder ausgeführten Schnittstellen, die auch bei hoher Belastung durch Schock und Vibration im Bahnalltag hochfeste und zuverlässige Verbindung sicherstellen. Mit dem weiten Eingangsspannungsbereich von 16V bis 160V DC und 500V Überspannungsschutz können sie sehr universell installiert werden und bieten auch bei wechselnder Stromversorgung eine hohe Sicherheit für den Betrieb sowie geringe Risiken für Ausfall oder Datenverlust. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde die Vecow IVX-1000 Serie erfolgreich für Bahnanwendungen gemäß EN50155:2021 zertifiziert.

Sicherheit entlang der Schiene

Neben dem Zug selbst ist auch die Überwachung der Fahrstrecke wichtig für die Sicherheit des Bahnbetriebs. Hier kommen kamera- und sensorbasierte PC-Systeme zum Einsatz, die Schienen, Pantografen und Fahrwerk der Bahnfahrzeuge überwachen und Veränderungen dokumentieren und melden. Für die letztgenannten Anwendungen werden häufig auch Laser-Sensoren verwendet, die per Triangulation Veränderungen an Material und Form hochpräzise sichtbar machen. Die Daten werden auf entsprechenden Edge AI Systemen direkt am Sensor ausgewertet und zur Speicherung und Dokumentation per Datenverbindung transferiert.

Embedded-PCs übernehmen außerdem die Steuerung und Überwachung von Signalen und Schrankenanlagen sowie die Datenverarbeitung in Notrufsystemen entlang der Strecke. Besondere Herausforderungen sind hierbei die Sprachverarbeitung in lauten Umgebungen und die Datenübertragung in signalschwachen Umgebungen.

Erweiterbare Workstations als Antwort auf künftige Anforderungen

Die Anforderungen und Systeme für Anwendungen entlang der Schiene decken sich in vielen Punkten denen für In-Vehicle Installationen. Um zahlreiche Sensordaten verarbeiten zu können, bietet die ECX-3200 Serie von Vecow bis zu vier unabhängige 2.5 GigE LAN-Schnittstellen, beim Modell ECX-3200MX als robuste M12-Rundsteckverbinder mit PoE+-Fähigkeit ausgelegt; damit können zahlreiche Kameras angeschlossen und Daten in Echtzeit übertragen und ausgewertet werden. Bis zu 32 isolierte digitale Ein- und Ausgänge sowie Erweiterbarkeit per Mini PCIe/PCIe ermöglichen die Ausstattung mit Wireless-Konnektivität, die Anpassung der PCs für unterschiedliche Anforderungen oder die Erweiterung für die Integration neuer Sensoren und Technologien.

Embedded-PCs am Bahnhof

Generell gelten an Bahnstationen dieselben Anforderungen zur Überwachung wie entlang der Strecke oder im Zug. Besondere Herausforderung ist hier die größere Fläche, die höhere Personenfrequenz und die entsprechend aufwendigere Datenanalyse. Hier helfen AI-basierte Systeme und die Kombination zahlreicher Sensoren und Daten – mit entsprechenden Anforderungen an die PC-Systeme zur Verarbeitung. 

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich für Haltestellen sind Auskunfts-, Informations- und Ticketsysteme. Sie basieren im besten Fall auf Live-Daten der Fahrzeuge und geben so in Echtzeit Auskunft über Verbindungen, Auslastung und Reisezeiten und stellen damit ein Bindeglied zwischen Fahrplan, Zug und Reisendem dar. Das Ergebnis ist im besten Fall eine hohe Pünktlichkeit und Zufriedenheit. Komfortfunktionen wie Datenstreaming oder Entertainment helfen, dieses Reiseerlebnis zu verbessern und schaffen weitere Möglichkeiten, zum Beispiel für multimediale Werbung im Bahnhof.

Edge-AI Server mit flexiblem Speicherplatz für Multimedia und Datenmanagement

Entertainment-Anwendungen ebenso wie datenintensive Sicherheits- und Überwachungsanwendungen erfordern viel Speicherplatz und schnelle Datenverarbeitung. Darauf sind PC-Systeme wie der Edge AI Server Vecow ICS-1110S spezialisiert: Er bietet unter anderem zwei 10G SFP+-Ports und vier LAN-Anschlüsse für schnelles Datenstreaming, Wireless-Schnittstellen wie 5G, WiFi 6 und LTE/GPRS/UMTS für Remote-Zugriff und -Steuerung sowie zehn M.2/U.2-Trays für die variable Ausstattung mit Speichermedien. Auch hier unterstützten der breite Eingangsspannungsbereich, softwaregesteuerte Einschaltkontrolle und umfassende Security-Funktionalitäten den Einsatz rund um Bahn- und Verkehrsanwendungen, bis hin zum Einsatz für Überwachung oder Infotainment im Schienenfahrzeug selbst.

Auf einen Blick: Besondere Anforderungen an Rechensysteme für Bahn- und Verkehrsanwendungen

• Höchste Rechenleistung auf Workstation-Niveau, mit neuesten Intel Plattformen und Chipsets, erweitert durch GPUs und andere spezialisierte AI-Einheiten.
• Speicherplatz ausreichend für große Datenmengen – ob für die Aufzeichnung von Fahrzeug- und Kameradaten oder für Infotainment-Anwendungen.
• Kommunikation über 5G/4G//LTE/GPRS/UMTS bzw. WiFi/BT, für Echtzeit-Datenübertragung, Media-Streaming sowie Remote-Steuerung und -Überwachung.
• Robustes, kompaktes Design gemäß geltender Bahn-Standards, unempfindlich gegen Schock und Vibration sowie Überspannungen und mit entsprechenden Konnektoren.

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