Digitalisierung nach Norm Die EN 50716:2023 und die Bahn

Die Digitalisierung hat Einzug in die Bahnindustrie gehalten: Digitale Technologien verbessern Effizienz, Sicherheit und das Fahrgasterlebnis. Sensoren und IoT-Geräte ermöglichen es, die Infrastruktur in Echtzeit zu überwachen. Die DIN ISO EN 50716:2023 spielt eine wichtige Rolle, um Standards für funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Moderne Technologien wie Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) liefern genauere Prognosen und adaptive Reaktionsmechanismen. Digitale Zwillinge, also virtuelle Nachbildungen physischer Eisenbahnanlagen, simulieren und analysieren reale Bedingungen. Sie ermöglichen eine bessere Zugplanung, optimieren Wartung und Verwaltung der Infrastruktur und verhindern Ausfälle im Vorfeld. Mit weniger Energieverbrauch und reduzierten Emissionen trägt die digitale Transformation auch zu Nachhaltigkeitszielen bei. Zudem bieten digitale Plattformen wie mobile Apps und Online-Portale den Fahrgästen Informationen in Echtzeit, nahtlose Fahrkartenlösungen und personalisierte Reiseerlebnisse, was zur Kundenzufriedenheit und betrieblichen Effizienz insgesamt beiträgt.

Cyber-Sicherheit

Eine entscheidende Rolle spielt in diesem Markt die Sicherheit im Internet. Der gängige Software-Standard für die Cyber-Sicherheit von Bahnsystemen, die IEC 62443, bietet einen systematischen und strengen Ansatz und findet auch in anderen Branchen Anwendung. Zusätzlich enthält die neue „CLC/TS 50701:2023 - Technische Spezifikation“ Anforderungen und Empfehlungen für die Cyber-Sicherheit im Eisenbahnsektor; sie wird derzeit als internationale Norm IEC 63452 ausgearbeitet. Unabhängig davon, ob die Software in Zügen oder in der streckenseitigen Infrastruktur zum Einsatz kommt – erfolgreich im Eisenbahnmarkt ist, wer den Eisenbahnbehörden eine robuste Zuverlässigkeit und Systemintegrität demonstriert.

EN 50716:2023

Für die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Eisenbahn-Software sind funktionale Sicherheitsnormen wie die EN 50128 Bahnanwendungen - Telekommunikationstechnik, Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme - Software für Eisenbahnsteuerungs- und Überwachungssysteme von entscheidender Bedeutung. Die Europäische Norm für funktionale Sicherheit EN 50716:2023 Bahnanwendungen - Anforderungen an die Softwareentwicklung wurde am 30. Oktober 2023 vom Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) verabschiedet und ersetzt die EN 50128.

Die EN 50716:2023 unterstützt die Einführung eines iterativen Entwicklungslebenszyklus-Modells. Iterative Methoden wie das Scrum-Projektmanagement bringen funktionsübergreifende Teams zusammen, die auf eine gemeinsame Produktvision und gemeinsame Ziele hinarbeiten, wobei Offenheit und Transparenz bei der Bereitstellung von Lösungen im Vordergrund stehen.

DevOps bietet Entwicklungsteams wichtigen Support bei der Verbesserung von iterativen Arbeitsabläufen, indem es die Lieferketten automatisiert und die Prozessabläufe optimiert. Zusätzlich spielt Continuous Integration (CI), bei der Entwickler ihre Codeänderungen in ein gemeinsames Repository integrieren können, eine entscheidende Rolle. Entwicklungsteams, die iterative Methoden wie DevOps und CI eingeführt haben, konnten eine bessere Vorhersagbarkeit der Software-Bereitstellung und eine größere Flexibilität bei der Reaktion auf Änderungen der Anforderungen und des Designs feststellen. Bemerkenswert ist der Rückgang von Quality-Assurance-Problemberichten und Kundentickets, was zu niedrigeren Test- und Entwicklungskosten und einer höheren Produktqualität und schnelleren Markteinführung führt.

Modellierung in der Software-Entwicklung

Die EN 50716:2023 klärt und erweitert die Möglichkeiten der Modellierung, indem sie auf Modellierungssprachen wie die Unified Modeling Language (UML) und die Systems Modeling Language (SysML) verweist. Diese Werkzeuge unterstützen die Bewältigung von Komplexität, indem sie Implementierungs-, Entwurfs- und Systemdetails auf höheren Darstellungsebenen abstrahieren und so ein klareres Verständnis, eine effektivere Kommunikation und ein besseres Management von Software- und System-Engineering-Projekten ermöglichen.

Mit SysML-Diagrammen, beispielsweise Blockdefinitionsdiagramme oder interne Blockdiagramme, können Entwickler das System und seine externen Akteure definieren und interne Subsysteme oder Blöcke mit Ports und Schnittstellen entwerfen. Sobald der Systemingenieur mit der Modellierung vertraut ist, kann er Verhaltensdiagramme hinzufügen und das modellierte System ausführen, um den Entwurf in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses zu verifizieren. SysML-Modelle können dann an Software-Entwicklungsteams übergeben werden, die Implementierungsklassen weiter definieren, Funktionen hinzufügen und Verhalten mithilfe von UML-Diagrammen wie Zustandsdiagrammen und/oder Aktivitätsdiagrammen bestimmen. Aus den Diagrammen lässt sich ausführbarer Code generieren, und Zustandsdiagramme, Aktivitätsdiagramme und Sequenzdiagramme animiert ausführen, um die Codeaktivität visuell darzustellen.

Die Modellierung ist nicht nur sehr leistungsfähig, sondern bietet auch hohen RoI in Bezug auf die Wiederverwendbarkeit: Ein Entwickler kann das Modell so konfigurieren, dass ausführbarer Code für ein anderes Betriebssystem, eine andere Ziel-Hardware, einen anderen Compiler, eine andere Programmiersprache usw. generiert wird, ohne dass Änderungen am Design notwendig sind.

KI und ML in Bahnsysteme integrieren

Als weitere wichtige Ergänzung setzt die EN 50716:2023 auf den Einsatz von KI und ML, mit Fokus auf ML. Weil ML-Algorithmen ihre Leistung im Laufe der Zeit verbessern, ohne explizit programmiert zu werden, ist ihre Prüfung oder Verifizierung schwieriger, weil die Trainingsdaten wahrscheinlich eine unvollständige Darstellung aller möglichen Eingabezustände sind. Dennoch muss die ML-Anwendung die zugewiesene Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) erfüllen, gemäß den geltenden Anforderungen der Norm EN 50716:2023 entwickelt werden, und die folgenden vier ML-Herausforderungen der Norm erfüllen:

• Sicherstellen, dass die Trainingsdaten ausreichend vollständig und genau sind.

• Die trainierte Software verifizieren.

• Validierung der geschätzten Funktionalität.

• Angriffe von Gegnern abwehren und kausale Argumentation einbeziehen, um fehlende Zusammenhänge abzuschwächen.

Mit modernen Techniken können Unternehmen den Herausforderungen der Verifizierung und Validierung zu begegnen. Gemäß der EN 50716:2023 wird derzeit intensiv an der Erforschung bewährter Verfahren gearbeitet.

Komplexe Anforderungen an Bahnsysteme

Die Norm EN 50716:2023 stellt einen wichtigen Meilenstein in der laufenden digitalen Transformation der Bahnindustrie dar. Sie bietet einen soliden Rahmen für die Entwicklung und Instandhaltung moderner Bahnsysteme und wird auch zukünftig eine entscheidende Rolle bei der Förderung von Innovationen und der Aufrechterhaltung der Standards für funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit spielen. Ihre Anwendung ist ein Bekenntnis zur Nutzung neuer Technologien, um den komplexen Anforderungen moderner Bahnsysteme gerecht zu werden und eine sicherere, effizientere und nachhaltigere Zukunft für den Schienenverkehr zu gewährleisten.  (se)

Bahntechnik

S-Bahn Berlin erprobt neues System zur Erkennung von Hindernissen

Bahntechnik

Siemens Rail Service Center Dortmund: Flottenverfügbarkeit dank Digitalisierung und KI

* Ricardo Camacho ist Director of Safety & Security Compliance bei Parasoft

(ID:50170887)