Technik für Bahnen Reisefähige Industrie-Computer

Der Einsatz von Industrieelektronik im Bahnbereich ist mit höchsten Anforderungen verbunden. Dabei sind Rechnerbaugruppen besonders kritisch, denn sie sollen hochperformant sein, über einen weiten Temperaturbereich hinweg arbeiten und auch noch nach Jahren störungsfrei funktionieren.

Während früher der Bedarf an Rechenleistung im Bahnbereich eher moderat war, haben mehrere Faktoren dafür gesorgt, dass heute oftmals gar nicht genug Rechenleistung zur Verfügung stehen kann. Die erste zu nennende Aufgabenstellung ist der Bereich Infotainment, einem Kofferwort aus Information und Unterhaltung (Entertainment). So zeigten in U-Bahnen noch vor wenigen Jahren Lämpchen auf einer Tafel die nächste Station, später LEDs auf einem aufgedruckten Streckenfahrplan. Heute werden stattdessen sonderformatige OLED-Displays eingesetzt, die das Erreichen des nächsten Halts animiert anzeigen – und weitere Informationen zum Angebot an der Haltestelle anbieten. Natürlich können diese elektronischen Fahrstandsanzeiger viel flexibler auf Störungen und Änderungen der Fahrpläne reagieren als eine feste Anzeigetafel. Dafür braucht man dann aber auch ein Vielfaches der früheren Ressourcen. Weitere Anwendungen aus diesem Bereich können die Bereitstellung von Unterhaltungsprogrammen im Fernreiseverkehr sein oder Infrastrukturaufgaben wie Anzeige der Sitzplatzreservierungen oder Audiodurchsagen.

Mehr Funktionen, Komfort und Rechenleistung

Der nächste Großverbraucher an Rechenleistung ist die Realisierung von Sicherheitsaufgaben mit Industriecomputern. Hier sind regelmäßig »two out of three«-(2oo3)-Systeme im Einsatz, bei denen eine Mehrheitsentscheidung getroffen wird – mit den Rechenergebnissen von drei Rechnersystemen, weil zum Beispiel einfache Redundanz und die Abschaltung im Abweichungsfall nicht als sicherer Zustand infrage kommt. Weitere Anwendungen sind Systemüberwachungen, Stellwerke, Fahrwegskontrolle, vorbeugende Wartung (Predictive Maintenance) und so weiter.

Ein weiteres Beispiel für den zukünftig noch steigenden Hunger nach Rechnerleistung sind die Themen Fahrgastsicherheit und Vandalismusprophylaxe, also das gesamte Thema der intelligenten Videoüberwachung. Hier kommt neben dem Anschluss moderner, HD- oder UHD-Kameras noch die Aufgabe der Online-Bildverarbeitung mit komplexen Algorithmen hinzu, um zum Beispiel gefährliche Situationen in U- und S-Bahnen zu detektieren und im Verdachtsfalle eine Sicherheitszentrale zu informieren.

Es ist leicht zu erkennen, dass der Hunger nach Rechenleistung nie gestillt werden wird, und da ist das neue Projekt von Elon Musk, Hyperloop, mit der unterirdischen, menschlichen Flaschenpost ein gutes Beispiel: Dort soll den Fahrgästen die nicht vorhan­dene, vorbeiziehende Landschaft auf großen Bildschirmen gerendert werden, um die Illusion von Fenstern zu erzeugen, die in der Luft-evakuierten Röhre ja keinen Sinn ergeben würden. Die DB ist bei diesem Thema – mit einem anderen Ansatz – ebenfalls aktiv, und wahrscheinlich tatsächlich bald zu sehen (siehe Kurzmeldung am Ende des Artikels).

Modulares System für alle Anforderungen

CompactPCI-Baugruppen (Bild 1) bieten mit ihrem Systemkonzept die richtige Antwort auf die wachsenden Anforderungen. Das CPU-Portfolio erstreckt sich vom Intel-Atom-Prozessor bis zum Intel-Xeon-E3-Prozessor, Generation 7 (Kaby Lake). Das Unternehmen EKF Elektronik bietet neben der Intel-HD-Engine High­end-Grafik-Support durch integrierte MXM-Modullösungen mit z.B. GTX 1070 für CUDA-Berechnungen oder Multiport-Grafikausgabe via DisplayPort. Alle modernen PC-Interfaces wie USB 3.1, Typ C oder Gigabit-Ethernet sind mehrfach vorhanden.

Über die Busrückwand können mit »PCI Express Fat-Pipes« beliebige Peripheriekarten angeschlossen werden. CompactPCI-Serial-Baugruppen sind einzeln steckbar, können zu mehreren Clustern in einem Baugruppenträger zusammengefasst werden und können mit Massenspeicher und Hauptspeicher in jeglicher Anforderung ausgestattet werden. Die Rechenleistung ist soweit steigerbar und auf kleinstem Raum verfügbar, dass das Problem der Abwärme besonderes Augenmerk erfordert und zum Beispiel bei EKF zu der Lösung »CoolConduct« geführt hat [1].

Eine Eigenschaft der Technologie ist für Systeme wie im Bahnbereich unschätzbar wertvoll: die stehende Verkabelung mit Rear I/O. Normalerweise werden Peripheriege­räte und externe Messgeräte über die Frontseite an den Baugruppenträger angeschlossen. Oft erfordert es aber der beengte Einbauplatz, dass die gesamte Verkabelung von hinten an den Baugruppenträger herangeführt wird. Sind die Anschlüsse nur vorne möglich, wird es bestenfalls schwierig und unaufgeräumt. Anders mit Rear I/O: Während vorne auf der Busrückwand die CPU Baugruppen stecken, stellen von hinten auf die Busrückwand aufgesteckte Rear-I/O-
Baugruppen die Übergabepunkte von der CPU oder Peripheriekarte zu den Steuer- und Messgeräten her. Der Wechsel einer CPU-Baugruppe erfolgt damit, ohne die Verkabelung zu tangieren. Dies führt zu drastisch reduzierten MTTR-Werten (Mean Time to Repair, mittlere Reparaturdauer) und damit geringsten Stillstandszeiten. Denn Stillstand kann man im Bahnbereich nicht gebrauchen.

Bahntaugliches CompactPCI

Die wesentlichen Hürden für ein Rechnersystem auf einem Schienenfahrzeug (Rolling Stock) sind die besonderen Temperaturbereiche, die aus dem wechselnden Umgebungsklima folgende Betauung, die auf Schienenfahrzeugen systemimmanent vorhandenen Schocks & Vibrationen, die besondere Energieversorgung und nicht zuletzt die Forderung nach einer sehr langen Verfügbarkeit der Komponenten. Die Temperaturklassen reichen von »moderaten« –25 °C bis +70 °C (T1) bis zu harschen –40 °C bis +85 °C in der Klasse TX.

Die Temperaturgrenzen ergeben sich durch den Bahnbetrieb: Ein Schienenfahrzeug parkt nicht in der beheizten Garage und muss morgens nach langer, kalter Nacht angefahren werden – hier kann es auf Rechnerbaugruppen Probleme durch nicht anschwingende Taktgeber geben. Im umgekehrten Falle muss eine Baugruppe auch booten, wenn sich das Fahrzeug mit ausgeschalteter Klimaanlage in der Sonne aufgeheizt hat und nun starten soll.

Bei EKF beginnt die Bahntauglichkeit daher bereits im Baugruppendesign. Die kritischen Regionen im Schaltplan sind aufgrund der vielen Jahre Erfahrung bestens bekannt und müssen temperaturstabil im Layout umgesetzt werden. Das betrifft zum einen die Leiterbahnverlegung, zum anderen aber auch die korrekte Dimensionierung und die geeignete Auswahl der Bauelemente.

Die Betauung hat direkt mit den Temperaturwechseln zu tun – Luftfeuchtigkeit schlägt sich bei wechselndem Taupunkt an jedweger Elektronik nieder, aber Rechnerbaugruppen mit ihren Mikrogeometrien sind dagegen besonders empfindlich. Diesem Problem, und auch dem Problem der Benetzung mit Feinstäuben (Bremsstaub), die in Kombination mit Feuchtigkeit zu vagabundierenden Kurzschlüssen oder sich sporadisch ändernden parasitären Kapazitäten führen, begegnet EKF durch Coating, einer selektiven Lackversiegelung.
Für Schock & Vibration regelt eine eigene Norm (DIN 61373) die Anforderungen. Mit einiger Erfahrung ist das Problem im Design auf der Baugruppe zu meistern. Es gilt die Grundregel: Schwere Bauelemente gut befestigen, bedrahtete Bestückung reduzieren, ggfs. durch zusätzliche Klebefixierung oder Verguss kritische Strukturen sichern.