Source : Swiss engineering
2008-11-18
Radio Frequency Identification - kurz RFID - spielt im gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Leben eine immer bedeutendere Rolle. Zwar ist diese Funktechnologie noch weit davon entfernt eine umfassende Massenanwendung zu sein, doch es gibt bereits heute kaum eine Branche, die dieses Thema ignorieren kann.
Insbesondere bei logistischen Prozessen hat RFID enormes Potenzial. Die Rhätische Bahn will diese Chance nutzen. Dass die Bedeutung der RFID-Technologie rasant ansteigen wird, sagen nicht nur Marktbeobachter voraus, sondern wird auch von mehreren Studien belegt: So soll sich die Zahl der verwendeten Funk-Etiketten (Tags) in den nächsten zehn Jahren weltweit auf das 450fache erhöhen. Der globale RFID-Gesamtmarkt dürfte sich laut diesen Schätzungen bis ins Jahr 2016 auf 20,5 Mia. Euro fast verzehnfachen.
Erfolgreich im Einsatz
Bereits seit längerer Zeit macht die Flugzeugbranche gute Erfahrungen mit der RFID-Technologie. Die Vorteile sind offensichtlich: Eine grosse Airline betreibt einige hundert Flugzeuge; von jedem einzelnen ist der Standort zu jedem Zeitpunkt auf einige Kilometer genau bekannt. Ohne dieses Wissen könnten weder Anschlüsse gewährleistet, noch Wartungsintervalle gesichert, noch die von den Frachtkunden geforderte Termingenauigkeit («just in time») garantiert werden. Bei den Bahnen ist die Situation im Vergleich mit der Flugzeugbranche anders und ähnlich zugleich. Die Zahl der einzelnen Fahrzeuge ist sehr viel grösser, die Zahl der Züge dagegen relativ klein und das Netz überschaubarer (vor allem: statischer) als jenes einer Airline. Sehr ähnlich sind dagegen die betrieblichen Anforderungen an die Überschaubarkeit der Betriebsabläufe und die Verfolgbarkeit der Warensendungen.
Auch die Bahn muss gegenüber ihren Kunden Rechenschaft über den Aufenthaltsort des Transportguts ablegen können. Sie muss Fahrzeuge disponieren und die Laufleistung der Wagen und Lokomotiven so steuern, dass sie zum optimalen Zeitpunkt, nämlich unmittelbar vor Erreichen der zulässigen Laufleistung der Revision zugeführt werden können und dies auch noch so, dass die Werkstätten optimal ausgelastet sind.
Passive RFID-Tags sind schon im Einsatz Die SBB haben deshalb schon vor einiger Zeit ihre Lokomotiven und Reisezugwagen mit einfachen passiven RFID-Tags (siehe Kasten) und ihr Netz mit entsprechenden Lesegeräten ausgerüstet. Auf den Funketiketten ist die jeweilige Fahrzeug oder Referenznummer registriert. Bei der Fahrt über das Lesegerät wird die Fahrzeug-Identifikations nummer erfasst und an eine Zentrale über mittelt. So können die Positionen der Fahr zeuge zwar nicht kontinuierlich, aber immerhin punktuell festgestellt werden. Das System entspricht in etwa einem einfachen Lagerkontrollsystem: Die Artikel sind mittels RFID gekennzeichnet und werden beim Lagereingang und beim Verlassen des Lagers registriert.
Güterwagen sind bei den Schweizer Bahnen jedoch noch nicht elektronisch identifi-
zierbar. Einerseits ist ihre Zahl sehr gross (etwa 11'000 sind in der Schweiz registriert), andererseits verhindern die zahlreichen ausländischen Wagen bisweilen die Komposition technisch homogener Züge. Ist ein Güterzug zusammengestellt, begibt sich deshalb immer ein Visiteur mit einer auf Papier gedruckten Liste von einem Wagen zum nächsten und kontrolliert die Korrektheit der einzelnen Wagennummern. Nach der Abfahrt des Zugs ist dann nur noch die mit RFID ausgerüstete Lokomotive unmittelbar identifizierbar. Der Lauf eines einzelnen Wagens lässt sich hingegen nicht zuverlässig überwachen – ausser indirekt durch den Umstand, dass der Zug bekannt ist, in den er eingereiht ist – ebenso wenig seine Laufleistung und seine Position auf der Zeitachse des individuellen Wartungsintervalls.
RhB macht den nächsten Schritt
Mit diesen Anwendungen ist das Potenzial der RFID-Technik jedoch bei Weitem nicht ausgereizt. Die Rhätische Bahn (RhB) will nun eine Etappe weiter gehen. Die RhB hat gegenüber den SBB den Vorteil, dass ihre Fahrzeuge praktisch nur auf dem eigenen Meterspurnetz zirkulieren. Ein System zur Fahrzeuglokalisierung lässt sich somit für den ganzen Fahrzeugbestand relativ rasch implementieren und später wenn es von Anfang an entsprechend ausgelegt ist mühelos zu einem multifunktionalen Flottenmanagementsystem ausbauen.Konkret wird die RhB bis im Frühjahr 2009 ihre gesamte Fahrzeugflotte durch Siemens Schweiz mit aktiven RFID-Tags ausrüsten. Dabei geht es um rund 1400 Lokomotiven, Reisezugwagen, Güterwagen und Dienstfahrzeuge. An rund dreissig Punkten des Streckennetzes werden in Bahnhofsnähe Lesestellen errichtet. Diese bestehen aus einer in Gleismitte angebrachten Empfangsantenne mit einem Lesegerät, das seinerseits über eine Netzwerkanbindung (LAN) mit einem zentralen Computer verbunden ist. Bei jeder Durchfahrt eines Zuges wird die Identität der einzelnen Fahrzeuge erfasst und an den Zentralcomputer gemeldet. Jedes in Betrieb stehende Fahrzeug wird somit mehrmals täglich lokalisiert und auf diese Weise sein «Lebenslauf» exakt protokolliert.
Die Tags – robust und vielseitig
Im Unterschied zu den SBB, die nur passive RFID-Tags einsetzen, hat sich die RhB für aktive Tags entschieden. Diese können, da mit einer Batterie versehen, grundsätzlich nicht nur fest gespeicherte Informationen wie etwa die Fahrzeugnummer senden, sondern im Rahmen ihrer Speicherkapazität auch von aussen berührungsfrei programmiert werden. Für die SBB mit ihrem international angebundenen Netz besteht diese Option mangels einer europäischen Norm für aktive RFID-Tags derzeit noch nicht.Die Tags werden an den RhB-Fahrzeugen angebracht und sind unempfindlich gegen hohe und tiefe Temperaturen, gegen Verschmutzungen aller Art (auch durch chemisch aggressive Substanzen), gegen Vibrationen, Schocks und Stösse. Die integrierte Batterie hat eine Lebensdauer von rund zehn Jahren. Bei abnehmender Ladekapazität sendet sie rechtzeitig einen Alarm, sodass der RFID-Tag beim nächsten Werkstattaufenthalt des Fahrzeugs ausgewechselt werden kann.
Die Lesegeräte – clever und schnell
Die Lesegeräte sind eine kritische Komponente im System. Sie müssen einerseits den gleichen, bisweilen sehr harten Umwelteinflüssen standhalten können wie die RFID-Tags an den Fahrzeugen. Dazu kommen sehr hohe Ansprüche bezüglich Schnelligkeit und Zuverlässigkeit des Lesevorgangs. Im Moment ist das RhB-System für eine maximale Geschwindigkeit des vorbeifahrenden Zugs von 100 km/h ausgelegt. Da dieTags der einzelnen Fahrzeuge unter Umständen dicht beieinander liegen, wird eine hohe zeitliche Auflösung des Lesevorgangs verlangt und mittels einer eingebauten Uhr auch sichergestellt. Im Extremfall können pro Sekunde hundert verschiedene Funketiketten zuverlässig und in der richtigen Reihenfolge ge lesen, die Informationen mit einer Zeitmarke versehen und zwischengespeichert werden. Sobald während zwanzig Sekunden kein neuer RFID-Tag identifiziert wird, spätestens jedoch drei Minuten nach der Registrierung des ersten Tags geht das System davon aus, dass das Zugsende die Leseantenne passiert hat und sendet die gespeicherten Daten über GSM oder LAN andie Zentrale. Im Fall eines Unterbruchs im Mobilfunksystem werden maximal 150 Datensätze zwischen gespeichert und gesamthaft gesendet, so bald die Übertragung wieder möglich ist. Gelöscht werden die Daten im Lesegerät erst, nachdem der zentrale Server ihren Empfang und ihre Verifizierung bestätigt hat.
Das Potenzial fast unbegrenzt
In der ersten Ausbaustufe ist das RhB-Sys-tem ausschliesslich für die Lokalisierung der einzelnen Fahrzeuge ausgelegt. Zusammen mit den Fahrwegdaten aus dem Siemens-Leitsystem «Iltis» lässt sich die tatsächli-che Laufleistung jedes einzelnen Fahrzeugs ermitteln. Dank der Verwendung aktiver RFID-Tags ist auch die spätere Implementie-rung weiterer Funktionen mühelos möglich. Dabei stehen aus heutiger Sicht prinzipiell zwei Stossrichtungen im Vordergrund: die Übermittlung von Zustandsmeldungen und die Teil-Automatisierung administrativer Vorgänge.
Neben den Standard-Tags sind auch solche mit Sensorikfunktionen erhältlich. Damit lassen sich während der Vorbeifahrt an den Lesestellen zusätzlich zur Identität des Fahrzeugs auch aktuelle Daten übermitteln. Beispiele sind das Fahrzeuggewicht, aus dem sich der Beladezustand ableiten lässt bzw. bei Reisezugwagen die ungefähre Zahl der Personen an Bord. Bei Kühlwagen lässt sich durch den Anschluss eines Temperatursen-sors die Integrität der Kühlkette überwa-chen. Nicht zu vergessen sind auch Anwen-dungen im Dienste der Betriebssicher heit. Beschleunigungs- bzw. Vibrationsmessson-den, Temperaturfühler und andere Messein-richtungen könnten via RFID-Tag poten-zielle Gefahren selbstständig an die Zentrale melden und gegebenenfalls sogar einen Alarm beim Lokführer (via Zugfunk) oder einen automatischen Halt beim nächsten Signal auslösen.
Bezüglich der Teil-Automatisierung adminis -trativer Vorgänge kreisen die Gedanken beispielsweise um Möglichkeiten der Re-gi strierung von Frachtbriefnummern im RFID-Tag des entsprechenden Güterwa-gens. So könnte der Kunde den Weg seiner Sendung via Internet direkt verfolgen, und gleichzeitig liessen sich Vorgänge wie Rechnungsstellungen usw. automatisieren. Auch Geschäftsvorgänge zwischen mehreren Bahnunternehmungen könnten dank der aktiven RFID-Transponder in Zukunft ratio-nalisiert werden, etwa die Abrechnung der Trassenbenützung oder die Übergabe von Güterwagen im internationalen Verkehr. Das Interessante an diesen Zukunftsvisio-nen ist, dass sie sich auf der Basis eines mit aktiven RFID-Tags arbeitenden Fahrzeug-lokalisierungs-Systems ohne grossen Mehr-aufwand realisieren lassen. Die Technik, die von der Rhätischen Bahn derzeit eingeführt wird, ist also in einem gewissen Sinn wie eine neue Schrift, mit der man vorerst nur einzelne, einfache Wörter schreibt, die aber genau so gut für das Schreiben ganzer Bü cher taugt. Es ist also kein Wunder, dass die Systemeinführung bei der Schweizer Gebirgsbahn in der Branche mit grosser Aufmerksamkeit beobachtet wird.
Passive und aktive RFID
RFID (Radio Frequency Identification) bezeichnet Verfahren für die berührungslose Datenübermittlung mittels eines elektro magnetischen Feldes. Die wichtigsten Komponenten sind eine Funketikette (auch Tag oder Transponder genannt) und ein Lesegerät, das bei der Funketikette Informationen «abholt». Im Tag sind in jedem Fall ein Mikrochip und eine Antenne untergebracht.
Passive RFID bedeutet, dass die Funketikette keine eigene Energiequelle aufweist. Das vom Lesegerät ausgestrahlte elektromagnetische Feld wird von der als Spule ausgebildeten Antenne aufgenommen, und der resultierende Strom regt den Chip zu einer Veränderung des Magnetfelds entsprechend der zu übermittelnden Information an. Diese Veränderung wird vom Lesegerät interpretiert. Passive RFID-Tags haben eine geringe Reichweite, sind jedoch sehr klein und billig. Typische Anwendungen: Systeme für die Zutrittskontrolle, Identifikation von Objekten und Tieren, Lagerbewirtschaftung und Verkauf (Kassensysteme). Für diese Anwendungen sind im Prinzip auch optische Systeme (Strichcode) geeignet. Nur, RFID-Systeme sind immun gegen Verschmutzung und auch ohne «Sichtkontakt» funktionsfähig.
Bei der aktiven RFID ist die Funketikette mit einer Batterie ausgestattet und deshalb in der Lage, aktiv Daten abzufragen (etwa von einem Sensor) und in bescheidenem Umfang auch zu verarbeiten, bevor er sie an das Lesegerät sendet. Aktive Tags sind einfacher programmierbar als passive, haben mehr Speicher kapazität und sind über grössere Distanzen (bis 100 m) lesbar. Die Kosten aktiver Tags sind höher als bei passiver RFID, liegen jedoch in jedem Fall weit unter hundert Franken. Typische Anwendungen: Übermittlung technischer Parameter von Maschinen oder Fahrzeugen.
RFID-Tags vermögen sehr harten Umwelteinflüssen standzuhalten. Photo : Siemens
Der Bernina-Express auf dem bekannten Kreisviadukt bei Brusio. Bei der RhB kann das neue RFID-System für den ganzen Fahrzeugbestand in einem Schritt imple¬mentiert werden. Photo: Rhaetische Bahn, Peter Donatch
Prinzipielles Lösungskonzept Siemens des RFID-Systems bei der RhB.Photo : Siemens
Hightech im Kleinformat: Das RFID-Lesegerät ist knapp grösser als eine Zigarettenschachtel. Das Transponder-Modul (Bild) ist sogar noch etwas kleiner. Photo : Siemens
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