Remote controlled train operation: An analysis of remote driving technology and a possible pilot project in Norway

Abstract

Med den nært forestående implementeringen av neste generasjons jernbanekommunikasjonssystem i Europa (Bane NOR, 2022a; UIC, 2023), er det svært aktuelt å evaluere de potensielle teknologiske funksjonene som kan integreres. En slik mulig funksjon er tilrettelegging for fjernstyrt kjøring av tog. Denne oppgaven er delt inn i to hovedtemaer. Først gjennomføres en litteraturstudie om den nåværende situasjonen for fjernstyringsteknologi, med tog i fokus. I denne delen gjennomgås de viktigste teknologiske delsystemene som trengs for å oppnå fjernstyring av jernbanen. Dette inkluderer infrastruktur for kommunikasjon, behov for datakapasitet, metoder for videooverføring, og programvare for fjernstyring. Det legges ekstra vekt på utviklingen i de senere årene, samt de ulike alternativene som eksisterer i dag. Motivasjonen for å bruke fjernstyring, både teoretisk og fra eksisterende prosjekter, blir gjennomgått. I tillegg blir noen av de ofte nevnte problemene med fjernstyring av jernbane addressert. Alle disse elementene brukes til å diskutere de nåværende mulighetene for fjernstyring, samt den mulige fremtidige utviklingen av teknologien. Infrastrukturelle behov, potensiell verdiskapning og aktuelle hindringer er blant elementene som tas i betraktning. Avhandlingen konkluderer med at fjernstyring er en funksjon som det er fullt mulig å integrere i den smarte jernbanen. Det argumenteres samtidig for at den er svært avhengig av andre funksjoner, for eksempel en høy grad av automatisering, for å oppnå sitt fulle potensiale for verdiskapning. Gitt den kommende avviklingen av GSM-R (Bane NOR, 2022a) argumenteres det for at fjernstyring ikke bør være den primære motivasjonen for en kostbar oppgradering til et 5G-basert jernbanenett. Det andre temaet i denne oppgaven dreier seg om et spesifikt fjernstyringsprosjekt. Som en del av EUs FutuRe-prosjekt om revitalisering av regionale toglinjer (EU-Rail, 2023a) fikk NTNU i oppdrag å velge ut en jernbanestrekning der et høyt automatisert prototypekjøretøy kan testes ut. Det ble bestemt at den første versjonen av dette kjøretøyet skal bruke fjernstyring. Viktige egenskaper ved egnede jernbanelinjer gjennomgås derfor i denne rapporten, før en liste over alternativer presenteres. Det gjennomføres en omfattende informasjonsinnhenting, som brukes som grunnlag for å velge ut en liste over fire gode kandidater. Avhandlingen konkluderer med å foreslå den sørligste delen av Thamshavnbanen, mellom Løkken og Svorkmo, som det foretrukne stedet for testing av den fjernstyrte prototypen.

With the approaching implementation of the next generation of railway communication systems in Europe (Bane NOR, 2022a; UIC, 2023), an evaluation of the potential technological features it could integrate is very timely. One such possible feature is facilitation for remote driving of the rolling stock. This thesis is split in two main topics. First, a literary study on the state of remote driving technology is conducted, with a focus on the railway sector. In this section, key technological subsystems needed for achieving railway remote driving are reviewed. This includes railway communication infrastructures, data communication requirements, and remote driving software. Throughout, an extra emphasize is put on the recent development, and the different alternatives currently available. The motivation for utilizing remote driving, both theoretical and from existing projects, is reviewed. Some of the most frequently mentioned issues associated with railway remote driving is also addressed. All of these elements is used to discuss the current capabilities of remote driving, as well as the possible future trajectory of the technology. Infrastructural needs, potential value creation, and current obstacles is among the elements that are taken into account. The thesis concludes that remote driving is a highly feasible feature to integrate into the smart railway. It is argued, however, that it is highy dependant on other features, such as a high grade of automation, to realize it’s full value. With the upcoming discontinuation of GSM-R (Bane NOR, 2022a), it is argued that remote driving should not be the primary motivation for a costly upgrade to a 5G rail network. The second topic for this thesis revolves around a specific remote driving project. As part of EU’s FutuRe-project on revitalizing regional train lines (EU-Rail, 2023a), NTNU was tasked with selecting a railway line where a highly automated prototype vehicle can be tested. It was decided that the first iteration of this vehicle should be operated by remote controls. The important characteristics of suitable railway line-candidates is therefore reviewed in this report, before a list is presented. Extensive information gathering is performed, which is used as a foundation for selecting a shortlist of the preferable options. A more in-depth analysis is then conducted on the shortlist of options, in part by the use of a trade-off study. The thesis concludes by suggesting that the southernmost part of Thamshavnbanen, between Løkken and Svorkmo, is the preferable location for testing the remotely driven prototype.