Digital Rail Summer School (DRSS) 2021

Professur für Betriebssysteme und Middleware, Hasso-Plattner-Institut
DB Netze, DB Institute of Technology, DB Systel
Fachgebiet Bahnbetrieb und Infrastruktur, Technische Universität Berlin
Institut für Bahntechnik
Professur Betriebssysteme, Technische Universität Chemnitz
Professur für Verkehrssicherungstechnik, Technische Universität Dresden
Lehrstuhl für Technische Informatik, Universität Passau
Fachgebiet System- und Software-Engineering, Technische Universität Ilmenau
INCYDE GmbH

Ankündigung

Eindrücke von der DRSS 2020

Digitalisierung des Bahnsystems bedeutet nicht nur die Einführung neuer Geräte und computergestützter Verfahren, sondern Digitalisierung steht auch für neue Herausforderungen bei der Aus- und Weiterbildung aller Beteiligter. Digitalisierung ist ein zentrales Thema, das in allen Bereichen Anwendung findet und diese auf neue Art verbindet. Für diese Aufgabe müssen Informatik-Sachverstand mit Wissen aus Eisenbahnbetrieb und Zulassungswesen kombiniert werden. Kein einziger Studien- oder Ausbildungsgang bringt heute alle diese Aspekte unter einen Hut.

it IT-Systeme (Software Engineering) center->it certification Zulassung center->certification railway Bahnwesen (digitale LST) railway->center

Abbildung 1: Die drei Dimensionen der Digitalisierung

Werden die betrieblich-technischen Systemfunktionen des Bahnbetriebs – wie zulässige Geschwindigkeiten, Fahrstraßen oder Fahrerlaubnisse – als Ausgangspunkt genommen, so gibt es dort mit der Einführung digitaler Leit- und Sicherungstechnik eine Vielzahl von Veränderungen. Diese Umstände resultieren in neuen Vorschriften (bspw. für ETCS-2-Betrieb), die im Störungsfall zu erheblichen Kapazitätseinbrüchen führen können. Störungsfälle werden im Bahnbetrieb traditionell ausführlich getestet, allerdings stets auf der Ebene des Gesamtsystems. Im Anbetracht der Notwendigkeit Komponenten häufig zu aktualisieren, muss dieses Verfahren modularer und effizienter gestaltet werden.

Die in der Informatik derzeit populären Programmiersprachen – wie Java, Python oder JavaScript – eignen sich gut für dynamische Systeme, agile Prozesse und die App-Entwicklung. Keine dieser Programmiersprachen ist jedoch ohne Einschränkungen zulassungsfähig für sicherheitsrelevante Systeme wie z. B. die im Bahnbetrieb. Darüber hinaus ist absehbar, dass in den kommenden Jahren lernende Systeme und Algorithmen auf Basis künstlicher Intelligenz einen Reifegrad erlangen werden, der es ihnen erlaubt Funktionen in der Betriebsführung der Eisenbahnen zu erfüllen. Diese Ansätze stehen jedoch im Gegensatz zur bisherigen "volldeterministischen" Zulassung, wonach Sicherheitsnachweise für Systeme und Komponenten nur auf einem vollständig vorhersehbaren Verhalten basieren.

Paradigmenwechsel, wie z. B. auch die verteilte Implementierung von Leit- und Sicherungstechnik oder ein Failover über Systemgrenzen hinweg, erfordern auch bei der Zulassung neue Ansätze. Das bisherige Zulassungswesen basiert auf systematischen Methoden (z. B. formuliert in EN 5012x), die einerseits die Komplexität des Eisenbahnsystems deterministisch strukturieren und auf dieser Basis eine Nachweisführung ermöglichen. Damit sind Zulassungsprozesse für Eisenbahnsysteme per se sehr aufwändig und führen zu dem Phänomen, wonach zugelassene Komponenten möglichst oft und möglichst lange in andere Systeme (und nachfolgende Generationen) "vererbt" werden. Dies steht im Gegensatz zu den technischen Möglichkeiten digitaler Systeme und zu den zunehmend erkennbaren Mechanismen digitalisierter Märkte.

Es müssen neue Ideen entwickelt werden, mit denen die Sicherheit des Eisenbahnsystems und des Eisenbahnbetriebs erstens tatsächlich sichergestellt ist und zweitens vor Inbetriebnahme nachweisbar ist. Damit dieser Prozess möglichst zielorientiert, effizient und effektiv abläuft, bedarf es gegenseitiges Verständnis sowohl auf Seiten der künftigen Systementwickler als auch auf Seiten der künftigen Systemanwender. Es bedarf einer Sensibilisierung auf die jeweiligen Rollen, Zuständigkeiten, auf das Ziel, den Weg dorthin und auf die gegebenen Randbedingungen. Unter diesen Voraussetzung können die Herausforderungen der Entwicklung und Zulassung bahntechnischer Systeme im Zeitalter der Digitalisierung vorangebracht werden.

Die Digital Rail Summer School 2021 greift in der dritten Iteration die Herausforderungen der drei Dimensionen der Digitalisierung im Bahnbetrieb auf – nämlich: Informatik, Bahnbetrieb und Zulassungswesen. Als Ergebnisse der DRSS 2021 sehen wir:

  • Ein integriertes Aus- und Weiterbildungskonzept
  • Dissemination von Ergebnissen über Videos/Poster
  • Basisarbeit für Projektanträge für Digitalisierungsprojekte (mFUND, etc.)
  • ECTS-Leistungspunkte (Credits) für Studierende der beteiligten Universitäten

Partner

Gemeinsam mit erfahrenen Partnern aus Industrie, Forschung und Lehre, spannen wir ein Netzwerk an Wissen und gestalten und verbinden die drei Dimensionen der Digitalisierung im Bahnbetrieb.

Struktur

Die DRSS 2021 besteht aus vier großen Blöcken. Auf einen einwöchigen, integrierten Vorkurs folgt eine zweimonatige Projektphase. Die eigentliche Summer School wird vom 6.-10. September im Umfeld des Digitalen Testfelds vom DB Institute of Technology veranstaltet. Ergebnisse sollen schließlich präsentiert werden.

cluster_projekt cluster_demo cluster_dissemination vorkurse Integrierte Vorkurse Mai, Juni online projekt Projektphase Juni/Juli HPI, TUB, IFB, TUC, DB vorkurse->projekt demo Labor- und Demophase 6.-10. September Jöhstadt, digitales Testfeld projekt->demo dissemination Dissemination (Poster, Video) 9.-10. September Jöhstadt demo->dissemination

Abbildung 2: Ablauf der Digital Rail Summer School

Vorkurse

Die integrierten Vorkurse müssen aufgrund der gegenwärtigen Situation in digitaler Form durchgeführt werden. Dafür werden vorproduzierte Videos bereitgestellt und interaktive Diskussionsrunden per Video-Konferenzschaltung eingerichtet. Durch verschiedene SprecherInnen (FachexpertInnen) werden folgende Themen adressiert (Liste noch nicht vollständig); die Präsentation der Themen variiert in Länge (mindestens vier Stunden) und Lehrform (z. B. Übung, Workshop, Vorlesung):

  • Erstellen von Systemspezifikationen (BBI/IFB)
  • Softwaretechnik/Softwareentwicklung-Know-how (HPI)
  • Systemgestütztes Anforderungsmanagement (IFB)
  • Bahnbetrieb im Kontext der Digitalisierung; Entwicklung und Beschaffung bahntechnischer Systeme (IFB)
  • Systementwicklung und -analyse durch Co-Simulation und Fehlerinjektion (HPI)
  • Planung und praktische Durchführung des Bahnbetriebs (TUB)
  • Safety/Security bei der Entwicklung eingebetteter Software (TUC)
  • Grundlagen der Stellwerkslogik und -planung (TUD)
  • Formalisierung der LST-Planung mit PlanPro (TUD)

Ziel der Vorkurse ist es vor allem, TeilnehmerInnen mit unterschiedlichem Vorwissen fachübergreifendes Wissen zu vermitteln. Darüber hinaus ist es möglich, domänenspezifisches Wissen zu vertiefen. Betrachtet man Abbildung 1, so bewegen wir uns entlang der Achsen in Richtung Koordinatenursprung. Mit den folgenden Projekten sowie vor allem der Labor- und Demophase im Erzgebirge wird die DRSS 2021 den Fokus auf die Integration des Wissens aus allen drei Dimensionen legen. Dazu sind weitere Vorträge von ExpertInnen im September (3. Schritt) geplant.

Projektphase

Zweiter Schritt nach den Vorkursen ist die Projektphase. Hier sollen TeilnehmerInnen der DRSS 2021 Erfahrungen bei der praktischen Umsetzung von Software-Projekten für den Bahnbetrieb sammeln können.

In diesem Jahr haben wir uns drei interdisziplinäre Projekte vorgenommen, um gemeinsam mit den Studierenden und der Industrie Potentiale aufzuzeigen:

  • EULYNX Live – Co-Simulation mit Hardware-in-the-Loop; Ansteuerung eines Weichenantriebs aus dem Simulationsmodell heraus (zunächst im universitären IoT-Lab am HPI, dann im Digitalen Testfeld)
  • Automatisiertes Fahren
  • Hackathon zu IT-Security – Simulation zu vorhandenen und zukünftige Sicherheitsbarrieren für den Erhalt der Integrität und Verfügbarkeit anhand realistischer Simulationsumgebung

Dabei wird es den TeilnehmerInnen möglich werden, unterschiedliche Schwerpunkte zu setzen. Das HPI betreut den Schwerpunkt der Systemerstellung und Programmierung, BBI und IFB fokussieren auf den Projektablauf und werden mit den TeilnehmerInnen Prozessbestandteile wie Anforderungserfassung, Risikobetrachtung und Zulassungsprozess durchlaufen.

Die TeilnehmerInnen werden sich in der Projektphase austauschen, z. B. durch Vor-Ort-Treffen oder Telefonkonferenzen.

Labor- und Demophase

Die Labor- und Demophase besteht aus einer Woche mit Fachvorträgen aus Wissenschaft und Industrie, gemeinsamer Projektarbeit, sowie Exkursionen. Wir stellen somit eine Plattform für gegenseitige Lehre, gegenseitigen Austausch und Vernetzung bereit.

Für Studierende fallen für die Labor- und Demophase im digitalen Testfeld Jöhstadt Kosten von rund 120 € für Unterkunft und Verpflegung an. TeilnehmerInnen aus anderen Bereichen bitten wir die Kosten individuell per E-Mail (drss-2021-org@lists.myhpi.de) zu erfragen.

Zielgruppe

Die Veranstaltung richtet sich an Studierende (aller Universitäten, aller Fachrichtungen), die sich für IT-Systeme bei der Bahn interessieren. Im Mittelpunkt stehen dabei eingebettete Systeme für sicherheitsrelevante Funktionen zur Steuerung von Hardware im Bahnsystem, sowie Entwicklung von sicherheitskritischer Hard- und Software mit modell- und simulationsbasierten Ansätzen.

Auch MitarbeiterInnen der Deutschen Bahn, befreundeter europäischer Bahnen sowie der Herstellerfirmen im Bereich Digitaler Leit- und Sicherungstechnik sind herzlich eingeladen an der DRSS 2021 teilnehmen.

Leistungserfassungsprozess

Sowohl der Vorkurs (Screencasts und Sprechstunden) als auch die Projektphase werden je nach Universität individuell mit ECTS-Punkten (European Credit Transfer System) veranschlagt. Die einzelnen Universitäten werden ihren Studierenden die Möglichkeit geben, eine Prüfung entsprechend der jeweiligen Modulbeschreibungen im Anschluss an die DRSS 2021 abzulegen und somit benotete ECTS-Punkte zu erwerben.

Universität Vorkurse Projekte Modulbeschreibung
HPI

3 ECTS

(ITSE-A/E, OSIS-K/T, SAMT-K/T, CODS-K/T/S, CYAD-K/T/S)

3 ECTS

(ITSE-A/E, OSIS-K/T, SAMT-K/T, CODS-K/T/S, CYAD-K/T/S)

Link
TUB 3 ECTS 3 ECTS Link
TUC 5 ECTS Link
TUD 5 ECTS Link
TUI 5 ECTS (Vorlesung + Projektteilnahme) Link