Zugerfassung: Eine Momentaufnahme

Moderne Zugerfassungssysteme bedienen sich unterschiedlicher Ansätze. Franz Pointner, Frauscher RAMS Director, analysiert diverse Möglichkeiten auf ihre Eignung hin, aktuelle Anforderungen zu erfüllen.

Zugerfassung: eine MomentaufnahmeDigitale Möglichkeiten verändern die Konzepte zur Zugerfassung.

Was sind die Kernaufgaben von Signaltechniksystemen? Sie sollen das effektive Betriebsmanagement sicherstellen und Kollisionen sowie Entgleisungen verhindern. Dazu benötigen diese Systeme vor allem eines: möglichst aktuelle und zuverlässige Informationen über sämtliche Züge in den von ihnen überwachten Gleisabschnitten. Dafür werden Zugerfassungssysteme eingesetzt. Sie bestätigen die Präsenz eines Zuges und aktualisieren laufend die Angaben zu seiner Position. So ermöglichen es Zugerfassungssysteme, den sicheren und effizienten Betrieb aufrechtzuerhalten sowie relevante Informationen auch an Passagiere und andere Personen, beispielsweise Arbeiter am Gleis, weiterzugeben.

Vielfältige Anforderungen

Auf der Grundlage praktischer Erfahrungen lässt sich eine ganze Reihe von Anforderungen an solche Systeme definieren. Dazu zählt beispielsweise die Erfüllung technischer Voraussetzungen, um stehende und fahrende Züge sowie deren Vollständigkeit gemäß CENELEC Sicherheitsstandards bis hin zu SIL 4 detektieren zu können. Auch die Geschwindigkeit der Erfassung selbst ist ein wichtiger Faktor. Das gilt speziell im Umfeld von Bahnübergängen. Die örtliche Genauigkeit, mit der Züge auf den Punkt präzise erfasst werden, spielt beispielsweise in Bahnhöfen und bei Verschubarbeiten eine Rolle. Möglichkeiten zur Detektion und Meldung von Schienenbrüchen werden ebenfalls zusehends bedeutender. Automatismen oder intelligente Funktionen, die vor allem repetitive Tätigkeiten übernehmen, können menschlichen Fehlern vorbeugen. Zu den weiteren ausschlaggebenden Faktoren gehören hohe Verfügbarkeit, einfache Wartung, attraktive Kostengestaltung und die Minimierung des Risikos für Personal.

Für welches System sich ein Bahnbetreiber letztlich entscheidet, hängt immer auch von seinen strategischen Anforderungen ab. Denn angesichts der Diversität der verschiedenen Faktoren ist kaum zu erwarten, dass ein einzelnes System alle Parameter optimal abdecken kann. Vielmehr wird jede Lösung besondere Stärken zeigen – auch wenn es das Ziel aller Entwicklungen sein muss, einen möglichst hohen Anteil der Anforderungen umzusetzen.

[vgl.: Marc Antoni | Director of the Rail System Department, UIC: What will digitization bring for train detection? – Paper at Wheel Detection Forum 2017, pp. 1-2]

Der Stand der Technik

Auf Basis induktiver Radsensoren liefern Achszähler zuverlässige und
präzise Daten.Auf Basis induktiver Radsensoren liefern Achszähler zuverlässige und präzise Daten.

Derzeit stellen Achszähler und Gleisstromkreise den Stand der Technik zur Zugerfassung dar. Da beide Ansätze bereits umfassend etabliert sind, sollte sich eine genaue Beschreibung ihrer Funktionsweise an dieser Stelle erübrigen. Angesichts ihrer hohen Verfügbarkeit und aufgrund deutlich geringerer Lebenszykluskosten im Vergleich zu Gleisstromkreisen sind Achszähler global weiter auf dem Vormarsch. So können sie wohl als die zukunftsfähigere der beiden Technologien gelten. Beide Systeme eignen sich jedoch grundsätzlich zur sicheren Ausgabe der Frei/Besetzt-Meldung eines Gleisabschnitts. Allerdings detektieren sie den Zug lediglich in begrenzten Gleisabschnitten und ermöglichen keine kontinuierliche Verfolgung der Züge.

Trend: kontinuierliche Zugverfolgung

Genau solche kontinuierlichen Zugerfassungssysteme sind aber für viele Bahnbetreiber attraktiv. Denn sie machen höhere Zugfolgefrequenzen möglich und erlauben damit die bessere Auslastung von Strecken. Vor diesem Hintergrund wurde bereits eine ganze Reihe neuer Ansätze zur Erfassung und Übertragung entsprechender Daten entwickelt. Neben der Funktion der kontinuierlichen Zugerfassung haben diese Systeme häufig auch zum Ziel, die Anzahl der streckenseitig montierten Komponenten zu verringern.

Zu diesen Lösungen zählen das European Train Control System Programm (ETCS) sowie andere Systeme, die auf Satellitenortung, Train-to-Train-Kommunikation oder Detektion mittels Glasfaseroptik sowie auf der Kombination dieser und weiterer Technologien basieren.

European Train Control System ETCS

ETCS Level 1 und 2 kombinieren On-Board-Equipment und gleisseitige Installationen. Letztere sollen in Level 3 entfallen.European train control system: ETCS Level 1 und 2 kombinieren On-Board-Equipment und gleisseitige Installationen. Letztere sollen in Level 3 entfallen.

Das ETCS umfasst drei Systemausbaustufen, die aufgrund der schon lange bestehenden Konzepte ebenfalls zu den etablierten Zugerfassungsmethoden gezählt werden können. Sie basieren auf einer Kombination aus innovativem On-Board-Equipment für Züge und der Kommunikation verschiedener Bestandteile des betrieblichen Systems über Funknetzwerke.

Jedes Gleisfahrzeug benötigt beim Einsatz von ETCS Antennen zur Funkkommunikation: für den Datenaustausch mit Balisen oder Loops sowie für Abstandsmessgeräte, etwa odometrische Systeme oder Doppler-Radare. Darüber hinaus werden Züge mit einem eigenen Computer, dem European Vital Computer (EVC), ausgestattet. Dieser berechnet Geschwindigkeitsprofile, speichert Zug- und Streckendaten und kontrolliert den Betrieb. Die Ausgabe der gesammelten Informationen für den Zugführer erfolgt über ein Driver Machine Interface (DMI).

Balisen übertragen Informationen an vorüberfahrende Züge.Balisen übertragen Informationen an vorüberfahrende Züge.

Gleisseitig benötigen ETCS-Systeme Balisen. Diese werden im Gleis montiert und übertragen die auf ihnen gespeicherten Daten an vorüberfahrende Züge. Pro Signal werden stets zwei Balisen zur Richtungserkennung benötigt. Darüber hinaus erfordert das System Sendemasten zur GSM-R-basierten Kommunikation mit dem Radio Block Centre (RBC).

Während für ETCS Level 1 und 2 auch noch weitere streckenseitige Sicherungssysteme, wie Achszähler, verwendet werden, ist das Ziel der Entwicklung von Level 3 der weitgehende Verzicht auf entsprechende Komponenten. Die Einbindung von Satellitenpositionierung ermöglicht darüber hinaus die Etablierung virtueller Balisen. So soll die Anzahl physischer Eurobalisen im Gleis verringert werden.

Feste Blockabschnitte sollen durch sogenannte Moving Blocks substituiert werden, die eine fließende Kontrolle der Zugabstände und damit – zumindest theoretisch – das Fahren im absoluten Bremswegabstand ermöglichen. Über das RBC gibt dabei jeder Zug seine eigene Position weiter und erhält im Gegenzug Informationen zur aktuellen Position des Zuges vor ihm. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer optimierten Brems- und Beschleunigungssteuerung. Über das DMI werden die Entfernung zum nächsten Bremspunkt, die Geschwindigkeit sowie die dynamisch berechnete Geschwindigkeitsreduktion angezeigt.

Satellitenbasierte Systeme

Per Satellit geortete Züge verfügen über zusätzliches On-Board-Equipment und kommunizieren ihre aktuelle Position an das Traffic Control Centre.

Satellitenbasierte Zugerfasssung: Per Satellit geortete Züge verfügen über zusätzliches On-Board-Equipment und kommunizieren ihre aktuelle Position an das Traffic Control Centre.

Ein im Zusammenhang mit dem ETCS-Programm häufig genannter Kritikpunkt sind die Kosten für die entsprechende Ausrüstung von Zügen. Angesichts des steigenden Bedarfs an kostengünstigen Alternativen zur kontinuierlichen Zugerfassung förderte beispielsweise die EU daher auch Forschungsprojekte, wie etwa SATLOC. Dabei handelt es sich um eine auf dem Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) und öffentlichen Mobilfunknetzen basierende Zugortungslösung, die speziell für Strecken mit vereinfachten betrieblichen Bedingungen entwickelt wurde und noch wird. In diesem System verschmelzen das aus dem ETCS bekannte Radio Block Centre (RBC) und das Control Centre zu einem Traffic Control Centre (TCC).

Schienenfahrzeuge orten sich mittels GNSS, Odometer und Balisen selbst und übertragen die entsprechenden Daten über öffentliche Mobilfunknetze an die Betriebszentrale. Dadurch werden Zugerfassungssysteme sowie Signaltechnikeinrichtungen weitgehend obsolet. Die Kommunikation erfolgt über Mobilfunkmodems mit Dual-SIM, was den Einsatz zweier Netzwerke und damit eine Erhöhung der Verfügbarkeit ermöglicht.

Auf einer Teststrecke mit guten Bedingungen zur Erfassung der Gleisfahrzeuge mittels Satellit und Kommunikation über Mobilfunknetze wurden bereits erfolgreiche Fahrten durchgeführt. Das System arbeitet konform zum European Rail Traffic Management System (ERTMS) und unterstützt benötigte ETCS-Modes sowie ETCS-Telegramme.

Auch das „Train Integrated Safety Satellite System“ 3InSat hat das Ziel, die gleisseitigen Komponenten zu reduzieren. Dabei soll durch den Einsatz von SatNav und SatCom beispielsweise ein Großteil der physischen Balisen wegfallen. Stattdessen soll eine satellitenbasierte Zugverfolgungslösung entstehen, die in ERTMS-Systeme integriert werden kann. So sollen diese Systeme speziell für weniger frequentierte Linien erschwinglicher werden, etwa für Lokal- und Regionalbahnen sowie Güterverkehrsverbindungen.

Eine entsprechende Präsentation von Ansaldo STS auf dem Wheel Detection Forum 2017 in Wien ließ erahnen, wie weit diese Ansätze bereits fortgeschritten sind.

Train-to-Train-Kommunikation über 5G Funknetze

Leistungsstarke Funknetze nach 5G Standard ermöglichen die Vernetzung von Zügen untereinander.

Train-to-train-Kommunikation: Leistungsstarke Funknetze nach 5G Standard ermöglichen die Vernetzung von Zügen untereinander.

5G ist ein neuer Mobilfunkstandard, der sich an einen neuen Markt mit neuen Anforderungen richtet. Ziele sind etwa die Nutzung höherer Frequenzbereiche im Vergleich zu 4G und anderen Vorgängern, Latenzzeiten von unter 1 Millisekunde, die Kompatibilität zu Maschinen und Geräten sowie die Senkung des Energieverbrauchs je übertragenem Bit.

Der Grundsatz eng gemaschter Verknüpfungen soll es dabei ermöglichen, einzelne Punkte im Kommunikationsnetz mit mehreren oder potenziell mit allen anderen verfügbaren Punkten gleichzeitig zu verbinden. So lassen sich auch hocheffiziente Verbindungen zwischen fahrenden Zügen herstellen. Das ermöglicht die Weitergabe von Informationen über Geschwindigkeit, Position und Beschleunigung an nachfolgende Züge. Daraus ergeben sich zusätzliche Optionen für den weiter oben beschriebenen Moving Block-Ansatz des ETCS Level 3, beispielsweise auf stark frequentierten Hochgeschwindigkeitsstrecken.

Auch Daten zu möglichen Gefahrenquellen können effektiv bereitgestellt werden. Diese werden durch Train-to-X-Kommunikation – also der Kommunikation von Zügen mit beliebigen Objekten – gewonnen und auf direktem Weg übertragen. Damit können Fahrverhalten und Betrieb insgesamt wesentlich optimiert werden.

Die größten Herausforderungen bei der Einführung von 5G bestehen in der Erhöhung des Datendurchsatzes, der Verringerung der Latenz und – für den Bahnbereich besonders entscheidend – der maximalen Verfügbarkeit und Sicherheit.

Glasfaseroptik

Beim Einsatz von Glasfaseroptikbasierten Systemen zur Zugerfassung reduziert sich der Nachrüstungsaufwand an Zügen auf ein Minimum.Glasfaseroptik: Beim Einsatz von Glasfaseroptikbasierten Systemen zur Zugerfassung reduziert sich der Nachrüstungsaufwand an Zügen auf ein Minimum.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Lösungen, die auf eine Reduktion gleisseitiger Komponenten abzielen, setzen auf Glasfaseroptik basierende Systeme auf die Minimierung von Nachrüstungsaufwänden an Gleisfahrzeugen. Herkunft, Bauart und technisches Inventar der Schienenfahrzeuge spielen bei der Erfassung keine Rolle, da diese ausschließlich über entlang des Gleises verlegte Glasfaserkabel erfolgt. Dazu muss nur je eine einzelne Faser dieser Kabel mit Laserimpulsen beschickt werden. Das Licht der Impulse wird an einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Glasfaser reflektiert, und die Reflexionen werden an der Sendeeinheit erfasst.

Treffen nun Vibrations- oder Schallwellen auf die Faser, verändert sich das reflektierte Licht minimal. So entsteht eine Signatur, die sich durch entsprechende Algorithmen auswerten und bestimmten Ereignissen an einem konkreten Ort zuordnen lässt. Aus der so möglichen Erfassung von Gleisfahrzeugen entlang einer überwachten Strecke kann eine Vielzahl von Informationen abgeleitet werden. Damit wird die Anzahl benötigter Systeme und Komponenten zur kontinuierlichen Zugerfassung auf ein Minimum reduziert, während Betriebseffizienz und Interoperabilität wesentlich gesteigert werden.

Conclusio

Jeder der hier beschriebenen Ansätze hat das Potenzial, als Einzellösung oder in Kombination mit anderen Technologien die Zugfolgefrequenz auf bestimmten Strecken zu erhöhen. Je nach Eigenschaft und Kosten eignen sich die einzelnen Konzepte zur Anwendung in unterschiedlichen Segmenten, etwa auf Frachtkorridoren, hoch frequentierten Linien oder Nebenstrecken mit geringem Verkehrsaufkommen.

Speziell in der Peripherie sensibler Bereiche, wie etwa an Bahnübergängen oder in Bahnhöfen, wo mehrere Schienenstränge direkt nebeneinander verlaufen, müssen bei allen hier beschriebenen Optionen noch verschiedene Punkte geklärt werden. Das gilt insbesondere mit Blick auf geltende Normen zum Thema Sicherheit. Auch die Anforderungen hinsichtlich Redundanz, Präzision und Verfügbarkeit müssen erfüllt werden. Für die Entwicklung neuer Zugerfassungssysteme ergeben sich so noch eine ganze Reihe von Herausforderungen.

Nicht zuletzt wegen der zunehmenden Digitalisierung des Bahnsektors sind Fortschritte aber schon jetzt deutlich spürbar. Impulse kommen dabei auch von außerhalb der Eisenbahnindustrie, beispielsweise durch neue Möglichkeiten zur Datenerfassung und insbesondere zur Datenübertragung.

Betreiber und Systemintegratoren werden angesichts dieser Dynamik und Vielfalt des Themas zukünftig stark gefordert sein. Sie müssen sich im Spannungsfeld aus Sicherheitskriterien und Wirtschaftlichkeit gezielt mit den Stärken und Schwächen einzelner Lösungsansätze – oder wie im Falle des ETCS mit deren Ausbaustufen – auseinandersetzen. So können sie je nach individuellen Anforderungen, realen oder geplanten Zugfrequenzen, Zustand und Status der Gleisinfrastruktur, geografischen Gegebenheiten und weiteren Kriterien entscheiden, welcher Ansatz für sie der geeignetste ist.

Eine enge Zusammenarbeit von Komponentenherstellern, Systemintegratoren und Bahnbetreibern wird dabei künftig noch wichtiger als bisher. Denn nur so lassen sich die komplexen Herausforderungen im Dreieck aus technischen Möglichkeiten, normativen Anforderungen und individuellen Parametern erfolgreich erfüllen.

Franz Pointner

Franz Pointner

07.03.2018

Applikationen

2293 Wörter

16 Minuten Lesezeit

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