Wie lassen sich Veränderungen testen, bevor sie in Betrieb gehen? Die SZU arbeitet mit einem digitalen Zwilling, um neue Fahrpläne, Infrastruktur und verschiedene Betriebssituationen zu simulieren und daraus Erkenntnisse zu generieren.
Heute fahren die S4 und die S10 in der Hauptverkehrszeit alle 10 Minuten. Dies soll sich in Zukunft mit dem 7,5-Minuten-Takt verändern. Ab ca. 2032 wird auf beiden Linien in der Hauptverkehrszeit alle 7,5 Minuten ein Zug den Hauptbahnhof verlassen. Was auf dem Bahnnetz zukünftig mit diesen veränderten Rahmenbedingungen passieren wird, lässt sich auf einem Computer abbilden. Genau darum geht es beim digitalen Zwilling. «Einfach gesagt bildet ein digitaler Zwilling das ab, was zukünftig draussen passiert – in digitaler Form», erklärt Severin Baumgartner, Business Analyst Digital Twin Bahnbetrieb, der sich mit Simulationen des 7,5-Minuten-Taktes beschäftigt.
Eine solche Abbildung sei allerdings nie identisch mit der Realität. «Es ist nicht die Realität, sondern eine möglichst realitätsnahe Abbildung der Zukunft.» Denn in der Simulation werden Annahmen getroffen und verschiedene Faktoren hinterlegt. Die Komponente Mensch, also wie das Lokpersonal im Dienst bremst, lässt sich beispielsweise nur bedingt abbilden. Auch Wetter und andere äussere Einflüsse können das tatsächliche Geschehen verändern.
Damit die Simulation verlässliche Aussagen über die Zukunft liefert, muss zuerst die Gegenwart möglichst genau abgebildet werden. Am Anfang steht die SZU, wie sie heute ist: Gleise, Weichen und Signale, die heutigen Züge mit ihren Eigenschaften und der aktuelle Fahrplan. Diese Elemente werden im digitalen Zwilling nachgebaut. Dann lässt man die Züge in der Simulation fahren und prüft, ob sie sich auf der Strecke so verhalten, wie es der Fahrplan vorsieht.
Danach findet der Abgleich mit der Wirklichkeit statt, da ein Fahrplan nur zeigt, wie es sein sollte. Wie es tatsächlich ist, zeigen die über einen bestimmten Zeitraum gemessenen Betriebsdaten. Dies nennt man Kalibrierung. Die Simulation wird mit diesen abgeglichen. Wo nötig, werden Parameter in der Simulation gemäss den Daten aus dem Betrieb angeglichen. Dabei werden die Einstellungen im Modell fein justiert. Wie stark bremst ein Zug? Wie schnell beschleunigt er? Wie reagiert das Lokpersonal auf eine Verspätung? Und wie nahe an der erlaubten Höchstgeschwindigkeit wird tatsächlich gefahren? Erst dieser Abgleich macht die Simulation aussagekräftig.
Das Ergebnis ist das sogenannte Nullszenario: ein digitales Abbild der heutigen SZU, so realistisch wie möglich. Die dabei gefundenen Einstellungen gelten für alle weiteren Simulationen der Zukunft, wie beispielsweise den 7,5-Minuten-Takt.
Gerade weil die Simulation nie ganz der Realität entspricht, liegt ihre Stärke im Vergleich: Sie zeigt, wie sich verschiedene Szenarien auf den Fahrplan von morgen auswirken. Dabei zählt nicht nur, ob die Züge pünktlich sind. Ebenso wichtig ist, ob der Betrieb stabil laufen kann. Eine zentrale Frage, die es dabei zu klären gilt, ist: Übertragen sich kleine Verspätungen auf weitere Züge? Und falls ja: was muss verändert werden, damit dies minimiert werden kann?
Nach diesem Prinzip wurde der Fahrplan mit 7,5-Minuten-Takt untersucht. Verschiedene Fahrplanvarianten wurden simuliert und miteinander verglichen. «Wir wussten vorher nicht, ob der Fahrplan so funktioniert, wie wir ihn geplant hatten.» Die Simulation zeigte, dass der 7,5-Minuten-Takt im Grundsatz funktioniert.
Anschliessend wurde die Stabilität genauer untersucht. Dazu wurden einzelne Züge in der Simulation bewusst verspätet und beobachtet, wie sich diese Verspätung im Netz ausbreitet. So zeigte sich, an welchen Stellen zusätzliche Massnahmen notwendig werden könnten. Bei der Fahrplanung kann es beispielsweise darum gehen, Wendezeiten zu verkürzen. Damit ist die Zeit gemeint, die vergeht, bis der Zug wieder in die andere Richtung losfährt. Bei der Infrastruktur geht es um mögliche Anpassungen am Bahnnetz.
Im Zusammenhang mit dem 7,5-Minuten-Takt und der Einführung von ETCS (European Train Control System) wurde untersucht, welche Zugfolgezeiten, also Abstände, in denen einzelne Züge fahren können, im Kernnetz möglich sind. Das Kernnetz der SZU geht von Saalsporthalle, respektive Binz bis Hauptbahnhof.
Dazu simulierte Severin Baumgartner zunächst mit der bestehenden Infrastruktur und dem vorgesehenen Signalisierungskonzept. Dabei zeigte sich, dass die vorhandenen Signalabstände teilweise zu gross sind für die gewünschte Zugfolge, welche für den 7,5-Minuten-Takt nötig ist. Daraufhin wurde eine eigene Übungsanlage im Simulationsmodell entwickelt. Das Kernnetz wurde dabei teilweise in kürzere Signalabstände, also 40-Meter-Blöcke unterteilt und anschliessend erneut simuliert. So liess sich prüfen, wo kürzere Signalabstände tatsächlich notwendig sind und wo nicht. Je kürzer diese Abstände, desto dichter können die Züge fahren.
«Das Gute ist, dass sich mit dem nötigen Fachwissen und dem digitalen Zwilling relativ schnell und einfach Thesen überprüfen lassen», erklärt Severin Baumgartner. Die gewonnen Erkenntnisse aus der Simulation werden nun als Grundlage für das neue Signalisierungskonzept verwendet.
Auch der umgekehrte Weg ist möglich: Ein Signalisierungskonzept kann entwickelt und anschliessend wieder in einer Simulation überprüft werden. So lässt sich feststellen, ob die vorgesehene Lösung funktioniert oder an bestimmten Stellen zusätzliche Signale notwendig sind.
Die Ergebnisse werden dokumentiert und gemeinsam mit den Abteilungen Betrieb und Infrastruktur analysiert. Daraus können konkrete Massnahmen oder Projekte entstehen.
Der digitale Zwilling liefert somit Entscheidungsgrundlagen für ganz unterschiedliche Fragestellungen. Entscheidend dabei ist, Vertrauen in die Ergebnisse im Unternehmen aufzubauen und die Grenzen der Simulation transparent auszuweisen. Gerade wenn im Unternehmen wenig Erfahrung mit Simulationen vorhanden sind, muss transparent sein, welche Daten und Annahmen hinterlegt sind, auf welcher Grundlage das Modell funktioniert und wie das Ergebnis zustande kommt.
Was im digitalen Zwilling heute getestet wird, erleben Fahrgäste morgen auf der Schiene. Der 7,5-Minuten-Takt ist Teil von SZU_4.0, der Zukunftsformel der SZU: pünktlicher, bequemer und schneller ans Ziel. Für Fahrgäste bedeutet das: häufigere Verbindungen, kürzere Wartezeiten und ein Betrieb, der auch bei kleinen Störungen stabil bleibt.
Mit SZU_4.0 schaffen wir die Voraussetzung für den 7,5-Minuten-Takt. Marcel Geser, Bereichsleiter Markt, spricht darüber, was sich für Fahrgäste verändern wird, warum die Erneuerung nötig ist und wieso das einen grossen Wandel für die SZU bedeutet.
zum Interview