Der Artikel erschien exklusiv für Mitglieder bereits im September in der Mitgliederzeitschrift DVWG aktuell Ausgabe 91.
1. Infrastrukturerhalt und -modernisierung
Ein leistungsfähiges Schienennetz erfordert eine intakte und auf aktuelle wie zukünftige kapazitative Anforderungen ausgelegte Infrastruktur. Ausbau, Instandhaltung und Modernisierung tragen gemeinsam dazu bei und könnten von digitalen Methoden profitieren.
Die Automatisierungspotenziale im Genehmigungs- und Prüfprozess bieten Chancen für effizientere Verfahren. Insbesondere modellbasiertes Prüfen und Genehmigen, etwa mittels Building Information Modeling (BIM), können die Datenkonsistenz verbessern und behördliche Prozesse unterstützen. Dafür sind prozessuale Anpassungen und IT-Standards zu erforschen und rechtlich zu verankern. Außerdem wird die frühe Öffentlichkeitsbeteiligung als eine Beschleunigungsmaßnahme bei Neu- und Ausbauprojekten untersucht.
Im Bau selbst bergen standardisierte Verfahren ein signifikantes Beschleunigungspotenzial. Begleitforschung ist erforderlich, um neuartige Bauprozesse zu optimieren und zu standardisieren. Zudem kann sie die Prüfung alternativer Baukonzepte auf ihre Wirtschaftlichkeit hin ermöglichen.
Angesichts der Alterung und Beanspruchung vieler Anlagen und Ingenieurbauwerke ist zudem die systematische Instandhaltung und Ablösung bestehender Infrastruktur unerlässlich. Die zunehmende Bedeutung der prädiktiven Instandhaltung erzeugt neue Anforderungen bezüglich der regulatorischen Rahmenbedingungen. Die Identifikation rechtlicher Anpassungsbedarfe, etwa im Hinblick auf Nachweispflichten, ist ein zentrales Forschungsthema. Ergänzend bedarf es belegter Verfahren zur Ermittlung der Restlebensdauer.
Aber auch neue Technologien der Instandsetzung bieten Möglichkeiten, die Belastung von Bauteilen zu reduzieren oder diese zu ertüchtigen. So werden Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung von Bestandsbauwerken untersucht, wie beispielsweise die Integration von Schwingungsdämpfern.
2. Technologieeinführung und Digitalisierung
Die Einführung neuer Technologien führt zu neuen Herausforderungen hinsichtlich der Technik, aber auch bezüglich Organisation, Regulierung und Akzeptanz. Daher bedarf es einer systematischen Potenzialanalyse digitaler Anwendungen und neuartiger Technologien. Hierzu zählen unter anderem automatisierte Fahrfunktionen, KI-gestützte Betriebsoptimierung, datengestützte Instandhaltung oder digitale Zwillinge von Infrastrukturelementen. Funktionale sowie Sicherheitsanforderungen und Zulassungsvoraussetzungen beispielsweise bzgl. Anforderungen an Datenverfügbarkeit, Cybersicherheit oder Arbeitsschutz sind zu klären. Forschung liefert dabei die Basis um regulatorische Vorgaben an den Stand der Technik anzupassen und Innovationen zu ermöglichen.
Zugleich gilt es, den Wandel zu gestalten und Organisationen im Bahnsektor beim Übergang in eine zunehmend digitale Betriebswelt zu begleiten. Das DZSF unterstützt diesen Prozess unter anderem mit Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, aber auch Studien zur Arbeitsplatzgestaltung oder Personalentwicklung.
Aufgabe des DZSF ist es, Potenziale und Risiken aufzuzeigen und wo angebracht, Wege zur Nutzung zu bereiten, also Hindernisse oder Regulierungslücken aufzuzeigen und Lösungsvarianten zu diskutieren.
3. Resilienz und Umweltanpassung
Neben den eingangs erwähnten Anforderungen an das System, die sich aus dem Betrieb ergeben, gewinnen der Klimawandel und zunehmende externe Risiken an Bedeutung. Resilienz gegenüber Umwelteinflüssen, anthropogenen Störungen und anderen Schadereignissen ist ein zentrales Kriterium für die zukünftige Leistungsfähigkeit des Systems.
Hier ist die Schaffung einer Datengrundlage, flankiert von Risikoanalysen und Studien zu Anpassungsmaßnahmen Teil der strategischen Forschung. Die Klimaanpassung verlangt bauliche wie betriebliche Maßnahmen – etwa zur Kühlung technischer Anlagen, zur Sicherung von Fahrwegen gegen Überflutung, dem Entwickeln adaptiver Betriebsverfahren oder angepasster Materialen.
Zugleich rückt mit der zunehmenden Digitalisierung die Cybersicherheit und die physische Sicherheit von Kommunikationseinrichtungen ins Blickfeld. Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der technischen, wirtschaftlichen und regulatorischen Voraussetzungen für skalierbare Modernisier- und Nachrüstungslösungen, um Cybersicherheit bei wachsender Potenz von Angreifern zu gewährleisten. Mit dem DZSF-Cybersecurity-Labor steht Forschungsinfrastruktur beispielsweise zur experimentellen Untersuchung der Sicherheit von bahnspezifischen Protokollen zur Verfügung.
4. Umwelt- und Klimaschutz
Trotz der Bekanntheit des Schienenverkehrs als klimafreundliches Verkehrsmittel, bleibt das Ausschöpfen des Dekarbonisierungspotenzials eine Herausforderung v.a. im Hinblick auf Antriebsformen und Energieversorgung, etwa durch die stärkere Integration regenerativer Energieanlagen in das Bahnstromnetz und zunehmender Elektrifizierung.
Für nicht abgasbedingte stoffliche Emissionen wie Abriebpartikel fehlen bislang fundierte Erkenntnisse zu Freisetzung, Transport und Verbleib in der Umwelt. Hierzu hat das DZSF Dauermessstellen eingerichtet und ein Umweltmonitoringprogramm umgesetzt, das die Grundlage zur Weiterentwicklung von Modellierungsansätzen und Regelwerken bildet.
Geräusch- und Erschütterungsemissionen stellen insbesondere in dicht besiedelten Gebieten sowie entlang stark frequentierter Güterverkehrskorridore eine große Herausforderung dar. Um den wachsenden Schutzbedarf zu decken, baut das DZSF mit dem LärmLab ein dauerhaftes Experimentier- und Versuchsfeld für innovative Technologien zur Reduktion von Schall- und Schwingungsübertragung auf.
5. Regulierung und Systemstandardisierung
Zahlreiche Regelwerke, Verordnungen und Richtlinien als komplexes Regelwerk bieten ein hohes Maß an Sicherheit. Der Schienenverkehr – auch mit seinen internationalen Verbindungen – würde jedoch von einer Vereinheitlichung und Vereinfachung profitieren. Dies erfordert eine strukturierte Analyse bestehender Vorgaben. In Anbetracht des herausfordernden Umfangs der Regelwerke und des bestehenden Personalmangels könnte zudem der Einsatz digitaler, wenn möglich automatisierter Verfahren der Prüfung und Genehmigung Erleichterung bringen.
Technische Voraussetzungen für einen einheitlichen europäischen Schienenraum werden mit den Technischen Spezifikationen Interoperabilität (TSI) sowie internationalen Normen definiert. Das Ziel, Interoperabilität und Standardisierung zu erreichen und zu mehr Wettbewerb und Kosteneffizienz beizutragen, bleibt durch die weitgehende Teilharmonisierung der TSI weiterhin herausfordernd. Forschende können Interoperabilitätslücken aufzeigen und Standardisierungs- und Normungsgremien bei deren Schließung unterstützen und so die breitere Nutzung innovativer Technologien ermöglichen.
6. Sozio-technische Aspekte und Zugänglichkeit
Neben den technischen, wirtschaftlichen und regulatorischen Fragen gewinnt auch das Forschungsfeld der Sozio-Technologie zunehmend an Bedeutung. Sozio-technische Untersuchungen liefern wertvolle Erkenntnisse beispielsweise zur Wahrnehmung von Sicherheit, neuen Technologien (z. B. GoA3), zur Gestaltung des Fahrzeuginnenraums oder Bahnhöfen der Zukunft. Die gesellschaftliche Akzeptanz ist ein Schlüsselfaktor für die erfolgreiche Umsetzung von Projekten und die Nutzung des Verkehrsträgers. Neue Kompetenzprofile im Bereich Digitalisierung, Automatisierung und Infrastrukturmanagement erfordern gezielte Ausbildungs- und Weiterbildungsstrategien sowie die Stärkung der Attraktivität des Sektors für Nachwuchskräfte.
Um umgekehrt Zugänglichkeit und Teilhabe zu verbessern, werden tragfähige Geschäftsmodelle, barrierearme Zugänge, Infrastrukturanforderungen und Akzeptanzbedingungen untersucht. Das DZSF forscht beispielsweise zur Entwicklung integrierter Mobilitätskonzepte für Nebenstrecken, die ein hohes Potenzial zur Anbindung strukturschwacher Regionen bieten. Parallel dazu soll der europäische Güterverkehr gestärkt werden, indem neben technischen Innovationsansätzen Marktzugangsmöglichkeiten, Warenströme und Transportketten untersucht und mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen ein anforderungsgerechter Zugang erleichtert wird.
Insgesamt wird in der Verschiedenheit der Anforderungen an das System Schienenverkehr und den daraus resultierenden Herausforderungen deutlich, dass technologische Innovationen auf tragfähige Geschäftsmodelle und klare politische Rahmenbedingungen stoßen müssen, um Akzeptanz zu sichern und die Weichen wieder auf Erfolg zu stellen.
Dr.-Ing. Birgit Jaekel leitet den Fachbereich Sicherheit und kritische Infrastruktur am Deutschen Zentrum für Schienenverkehrsforschung. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich Verifikation und Validierung sowie Anwendungen der Verkehrsprozessoptimierung.