Im ersten Beitrag wurden die Grundlagen des europäischen Zugbeeinflussungssystems beschrieben. In diesem Folgebeitrag geht es um die erforderliche strecken- und fahrzeugseitige Ausrüstung, die für das Fahren mit ETCS erforderlich ist.
Streckenausrüstung
Die Ausrüstung der Strecke ist grundsätzlich abhängig vom ETCS-Level (vgl. Teil 1 dieser Reihe), das der Infrastrukturbetreiber festlegt.
Am „auffälligsten“ sind die im Gleis verlegten Balisen (auch als „Eurobalise“ bezeichnet – Im betrieblichen Regelwerk wird der Begriff „Balise“ verwendet). Diese sind in sog. Balisengruppen gebündelt. Je nach Funktion und Aufgabe können Balisengruppen aus einer oder mehreren Balisen (bis zu acht) verlegt sein. Mindestens zwei Balisen sind erforderlich, um fahrtrichtungsbezogene Information zu übermitteln. Balisen sind ein wesentlicher Bestandteil der in Deutschland genutzten ETCS-Level (siehe Titelbild).
Beim Befahren einer im Gleis verlegten Balisengruppe wird diese durch die Balisenantenne des Fahrzeugs induktiv mit Energie versorgt. Sie sendet daraufhin ihre Balisennachricht. Diese besteht aus einem Telegramm je Balise. Jedes Telegramm kann mehrere Pakete enthalten. Diese Pakete definieren das kleinste sinnvolle Informationsbündel.
Bei den Balisen wird zwischen schaltbaren („Transparentdatenbalisen“) und nicht-schaltbaren Balisen („Festdatenbalisen“) unterschieden. Innerhalb einer Balisengruppe können diese Balisen miteinander kombiniert werden. Wie sich diese unterscheiden, zeigt Tabelle 1.
Die Balisen erfüllen in den Systemen ETCS-Level 1 und 2 teilweise unterschiedliche Funktionen (Tabelle 2).
Bei der beschriebenen Ortungsfunktion werden in die Balisen keine festen Kilometerangaben projektiert. Stattdessen überträgt die Balise eine Kennnummer, die – im ETCS-Level 2 – vom Fahrzeug an die ETCS-Zentrale übermittelt wird. Diese kann im sogenannten Streckenatlas, in dem die Balisen einer Gleiskante[3] zugeordnet werden, die Position des Zuges ermitteln. Daraus ermittelt die ETCS-Zentrale Balisenlisten mit Entfernungsangaben, die dem Fahrzeug übermittelt werden. Aus diesen Informationen kann auch das Fahrzeug feststellen, welche Balisen in welchem Erwartungsfenster angetroffen werden.
Die Rückstellung der fahrzeugseitigen Odometrie[4] erfolgt durch die Verlinkung der Balisen. Dazu übermittelt die ETCS-Zentrale – oder bei ESG in besonderen Fällen die vorherige Balisengruppe – eine sogenannte Linking-Information, die Abstandsangaben zu den nächsten Balisen enthält. Hierdurch wird die Odometrie regelmäßig korrigiert.
Zusätzliche Ausrüstung auf Strecken mit ETCS-Level 2
Zur weiteren streckenseitigen Ausrüstung gehört beim ETCS-Level 2 das (Neben-)Signal Ne 14. Das Signal Ne 14 (Abbildung 1) befindet sich am Standort von Hauptsignalen oder, bei ETCS-Level 2 ohne Lichthauptsignale, an Standorten von virtuellen Hauptsignalen und schützt den nachfolgenden Gefahrenbereich (bspw. Weichen einer Überleitstelle). Das Signal Ne 14 kennzeichnet eine Ganzblockgrenze.
Das Signal Ne 14 „ETCS-Halt-Tafel (ETCS Stop Marker)“ gebietet gemäß Ril 301.1401 „Halt für Züge in ETCS-Betriebsart SR“. Das Signal Ne 14 kennzeichnet somit die Stelle, vor der Züge in der ETCS-Betriebsart SR anhalten müssen.
Ein alleinstehendes Signal Ne 14 gebietet – gemäß Ril 301.1401 – ferner Halt:
- für Züge, die nicht in der ETCS-Betriebsart FS oder OS verkehren
- für Rangierfahrten
- für Kleinwagenfahrten
Bei ETCS-Level 2 können die Strecken auch in Teilblöcke unterteilt werden, um die Streckenkapazität zu erhöhen (vgl. Teil 1 dieser Reihe). Um die Teilblockgrenzen zu kennzeichnen, werden Blockkennzeichen (ETCS Location Marker) verwendet (Abbildung 2).
Sie unterscheiden sich in ihrer Darstellung gegenüber den bisherigen Blockkennzeichen auf LZB-Strecken, die durch einen schwarzen Kreis auf weißem Grund gekennzeichnet waren. Diese sind auf einigen ETCS-Level 2-Strecken aber auch noch anzutreffen.
Signale Ne 14 sowie die Blockkennzeichen sind in ETCS-Level 2 erforderlich. Neben den Balisen und Signalen Ne 14 ist in ETCS-Level 2 eine ETCS-Zentrale (Radio Block Center, RBC) notwendig, um die Fahrtinformation über GSM-R zu übertragen.
Die ETCS-Zentrale erhält die Information zur Stellung der Weichen und Signale des Fahrwegs über eine Schnittstelle vom Stellwerk, erzeugt daraus eine ETCS-Fahrterlaubnis (auch als „MA“, Movement Authority, bezeichnet) und sendet diese über Funk an das Fahrzeug. Das Fahrzeug dagegen sendet zeit- und wegabhängig eine Information u. a. zur aktuellen Geschwindigkeit, Betriebsart und Position (Position-Report) an die ETCS-Zentrale.
Wird die Funkverbindung zwischen Fahrzeug und der ETCS-Zentrale in den ETCS-Betriebsarten FS und OS unterbrochen, versucht das Fahrzeuggerät gemäß dem nationalen Wert, eine neue Funkverbindung zur ETCS-Zentrale herzustellen. Gelingt dies nicht innerhalb von 40 Sekunden, wird eine Zwangsbetriebsbremsung bis zum Stillstand eingeleitet.[5]
Diese Informationen werden im ETCS-Fahrzeuggerät (siehe unten) ausgewertet, die jeweiligen Bremskurven errechnet und überwacht. Die Werte werden dem Triebfahrzeugführenden (Tf) als Führungsgrößen (Vsoll, Vist und Zielentfernung) am Multifunktionsdisplay (MFD) angezeigt.
Abschließend ist für Level 2 noch ein Schlüsselmanagement erforderlich, um eine sichere Funkverbindung zwischen den GSM-R-ETCS-Funkmodulen im Fahrzeug und der ETCS-Zentrale aufbauen zu können.
Fahrzeugausrüstung
Das ETCS-Fahrzeuggerät mit dem EVC (European Vital Computer) ist das Herzstück von ETCS auf den Fahrzeugen. Es berechnet u. a. die Bremskurven und überwacht die Fahrt des Zuges. Daran angeschlossen ist z. B. das DMI (Driver Machine Interface) als Schnittstelle zwischen Tf und Fahrzeug. Das DMI beinhaltet u. a. das MFD als Eingabe- und Anzeigegerät für den Tf.[6]
Um Balisen zu lesen, ist eine Balisenantenne erforderlich. Das Fahrzeug verfügt ferner über GSM-R-Datenantennen, um Information von der ETCS-Zentrale empfangen zu können. Eine Speicherung der Fahrdaten erfolgt durch die JRU (Juridical Recording Unit) bzw. ORD (On-Board Recording Device).
Bei ETCS ist die Information zum zurückgelegten Weg ganz besonders wichtig. ETCS muss genau wissen, wo sich das Fahrzeug befindet, um zu überwachen, wie weit es welche Geschwindigkeit (noch) fahren darf.
Dazu ist eine fahrzeugseitige Odometrie erforderlich, die aus mehreren Sensoren verschiedener Typen besteht. Diese kann fahrzeugseitig unterschiedlich ausgestaltet sein, bspw. durch Wegimpulsgeber oder ein Radar.
Durch Schlupf oder Verringerung des Radumfanges können Messfehler auf Seiten des Fahrzeuges auftreten, weshalb – wie bereits beschrieben – eine regelmäßige Korrektur der Messwerte durch das Befahren von Balisen erfolgt.
Die Informationen werden im ETCS-Fahrzeuggerät ausgewertet. Das ETCS-Fahrzeuggerät errechnet daraus – in Abhängigkeit der eingegebenen Zugdaten, des Bremsmodells und den nationalen Werten der Infrastruktur zugspezifisch eine Schar von Bremskurven und überwacht deren Einhaltung.
Dabei werden diese Bremskurven unterschieden:
- Schnellbremsablaufkurve (EBD):
Beschreibt den zu erwartenden Verlauf einer Schnellbremsung unter Berücksichtigung der vollen Bremswirkung. Die EBD darf nicht überschritten werden, weil diese direkt bis zum Gefahrpunkt führt. Sie selbst löst keine Reaktion auf dem Fahrzeug aus, dafür ist die EBI erforderlich. - Schnellbremseinsatzkurve (EBI):
Erforderlich, um das Fahrzeug an der EBD ablaufen zu lassen. Die EBI löst eine Zwangsbremsung aus. Sie ist der EBD vorgelagert, damit diese keinesfalls überschritten wird. - Vollbremsablaufkurve (SBD):
Beschreibt den Verlauf einer Vollbremsung, wird für Zielbremsungen auf einen ETCS-Halt berechnet. Sie löst keine Reaktion auf dem Fahrzeug aus, dafür ist die SBI erforderlich. - Vollbremsbremseinsatzkurve (SBI):
Erforderlich, um das Fahrzeug an der SBD ablaufen zu lassen. - Warnkurve (W):
Der Tf wird vor einem unmittelbar bevorstehenden Bremseingriff durch Überschreiten der SBI gewarnt. - Sollgeschwindigkeitskurve (P):
Bildet die berechnete Sollgeschwindigkeit ab und wird dem Tf als Führungsgröße im MFD angezeigt. Sie kann durch das Eisenbahnverkehrsunternehmen mittels Führungskurve (Guidance Curve – GUI) abgeflacht werden, um bspw. verschleißarmes Bremsen zu fördern. - Ankündigungskurve (I):
Der Tf wird auf einen in Kürze erforderlichen Bremsvorgang hingewiesen.[7]
Im Hinblick auf mögliche Kapazitätssteigerungen kommt der Modellierung der Bremskurven eine hohe Bedeutung zu.[8]
Unterschiede zur linienförmigen Zugbeeinflussung (LZB)
Anzeigegeführt zu fahren ist im Bahnbetrieb nichts Neues – die LZB ist schon seit vielen Jahren im Betrieb und führt die Züge im Bestandsnetz, bspw. auf Neubaustrecken mit bis zu 300 km/h. Einige Unterschiede zwischen der LZB und ETCS-Level 2 zeigt Tabelle 3.
Darstellung und Bremskurven am MFD bei ETCS-Level 2
Für den Tf ist das MFD der wichtigste Bestandteil der fahrzeugseitigen ETCS-Ausrüstung. Es dient ihm zur Auswahl bzw. zum Eingeben von Daten (bspw. Zugdaten), ferner der Anzeige relevanter Information. Das MFD gibt es als Softkey-Variante oder als Touchscreen-Variante.
Die Darstellungen am MFD sind durch die Spezifikation vorgegeben und verbindlich.[10]
Die Darstellung am MFD ist zweigeteilt: Auf der linken Seite ist u. a. die Geschwindigkeitsanzeige dargestellt, über die dem Tf auch die ETCS-Level und weitere Information und Aufträge angezeigt werden.
Auf der rechten Seite findet der Tf insbesondere einen Vorschaubereich, der bei Anzeigeführung Information zur Strecke überträgt, bspw. Geschwindigkeitswechsel oder Neigung (Abbildungen 3 und 4).
Bestimme Aufträge müssen durch den Tf quittiert werden, bspw. ein Levelwechsel.
Es wurde bereits darauf eingegangen, dass ETCS fahrzeugseitig verschiedene Bremskurven berechnet und permanent überwacht. Die Farben am Tachokreis (nur in der ETCS-Betriebsart FS) und der Tachonadel können dabei – abhängig von der Soll- und Ist-Geschwindigkeit – in unterschiedlichen Farben angezeigt werden (Tabelle 4).[11]
Wie sieht ETCS beim Fahrdienstleiter aus?
Wie bereits beschrieben, überträgt das Stellwerk die Information über Weichen und Signale der eingestellten Fahrstraße an die ETCS-Zentrale, welche daraus die ETCS-Fahrterlaubnis erstellt und an das Fahrzeug sendet. Dies erfolgt ohne weitere Mitwirkung des Fahrdienstleiters (Fdl).
Der Fdl verfügt im ESTW/DSTW über eine separate ETCS-Bedienoberfläche. Darüber ist es möglich, Restriktionen (Langsamfahrstellen) und ETCS-Sperren (Bereiche, die ein Zug nicht ETCS-geführt durchfahren darf) einzugeben. Die ETCS-Bedienoberfläche zeigt dazu eine topologische Darstellung der ETCS-Zentrale an. Auch kann er über die Bedienoberfläche Informationen abrufen, bspw. über die in ETCS geführten Züge.
Ausblick
Durch die Automatic Train Operation (ATO) kann in Verbindung mit ETCS perspektivisch ein automatisierter Bahnbetrieb durchgeführt werden. Für die Nutzung von ATO ist eine Fahrt in der ETCS-Betriebsart FS erforderlich, um dann in die ETCS-Betriebsart AD (Automatic Driving) zu wechseln, wenn ATO aktiv ist und die Geschwindigkeitsregelung übernimmt. Durch ATO wird u. a. eine Erhöhung der Kapazität sowie eine Senkung des Energieverbrauchs angestrebt.
Die Automatisierungsgrade – bezeichnet als „GoA“ (Grade of Automation; Stufen der Automatisierung) – werden in der IEC 62290-1 für den schienengebundenen städtischen Verkehr (z. B. Metro) definiert und unterteilen sich in vier Stufen GoA1 bis GoA4, wobei GoA4 dem höchsten Automatisierungsgrad entspricht. Dabei bietet GoA2 schon viele Vorteile, weshalb eine Umsetzung bei der DB angestrebt wird. Parallel wird auch an der Entwicklung von GoA3 und 4 gearbeitet.
Die ATO übernimmt ab GoA2 nach Anforderung durch den Tf die Geschwindigkeitsregelung des Zuges bis zum nächsten Zielpunkt. Anhand zeitlicher und räumlicher Zielpunkte ist dadurch eine vorausschauende Fahrweise möglich. Der Tf ist dabei stets für die Überwachung verantwortlich und kann jederzeit eingreifen.
Im Digitalen Knoten Stuttgart soll ATO GoA2 implementiert werden.[14] Mit ATO kann ferner eine sehr hohe Haltegenauigkeit (von bis zu ± 50 cm beim Digitalen Knoten Stuttgart bei der S-Bahn-Stammstrecke) erreicht werden.
Bei einigen Bahnen wurden bereits verschiedene Stufen pilotiert bzw. eingeführt, beispielsweise bei der SBB. In Deutschland wurde die Nutzung von GoA2 und 4 im Rahmen der „Digitalen S-Bahn Hamburg“ auf dem ITS-Weltkongress 2021 präsentiert. Dabei wurden die 23 Kilometer lange Strecke zwischen den Stationen Berliner Tor und Bergedorf/Aumühle sowie die Fahrzeuge mit entsprechender Technik ausgerüstet und die Fahrt in GoA2 durchgeführt. Ferner wurde die vollautomatische Durchführung von Rangierfahrten (Bereitstellung der Züge) im Bahnhof Bergedorf in GoA4 demonstriert.[15]
Perspektivisch ist auch ein Fahren im Bremswegabstand denkbar. Die festen Blockaufteilungen wären dann nicht mehr erforderlich, da die Züge die Zugvollständigkeit überwachen und an die ETCS-Zentrale zurückmelden.
In den nachfolgenden Beiträgen werden die betrieblichen Abläufe, wie die Abfahrt eines Zuges, die Fahrt im Regelbetrieb und bei betrieblichen Besonderheiten, ausführlich dargestellt.
Mehr Infos zu ETCS gibt es auf DB Planet (Zugang erforderlich):
https://db-planet.deutschebahn.com/pages/etcs-2/apps/content/inhalt
Quellen und Anmerkungen
[1] Als „Aufstarten“ wird der Beginn oder die Wende eines Zuges in ETCS bezeichnet.
[2] Unter „Verlinken“ wird die Verknüpfung von Balisen zu anderen Balisen bzw. Balisengruppen verstanden.
[3] Vereinfacht ausgedrückt ist eine Gleiskante ein definierter Gleisabschnitt.
[4] Als Odometrie wird der Prozess der Bewegungsmessung eines Zuges zur Geschwindigkeit- und Wegmessung beschrieben (gemäß Subset 023, Version 3.3.0, Abschnitt 4).
[5] Vgl. Ril 483.0701 Abschnitt 10 (3) ETCS-Fahrzeugeinrichtungen bedienen.
[6] Vgl. Ril 483.0701 Abschnitt 7 (1) ETCS-Fahrzeugeinrichtungen bedienen.
[7] Vgl. Jochen Trinckauf, Ulrich Maschek, Richard Kahl, Claudia Krahl: ETCS in Deutschland, Kapitel 1.10.1., Seite 127 ff.
[8] Vgl. Förster, J.; Kümmling, M.; Olesch, M.; Reinhart, P.; Vandoorne, K.; Vogel, T.: ETCS-Bremskurven im Spiegel der Praxis. Der Eisenbahningenieur 6/2023, Seite 45 ff.
[9] Vgl. Alfred Braun: Aufstellen von Bremstafeln für Strecken mit Linienzugbeeinflussung. In: ZEVrail, Glasers Annalen. Band 112, Nr. 4, April 1988,S. 108–118.
[10] Vgl. https://www.era.europa.eu/system/files/2023-01/sos3_index006_-_era_ertms_015560_v360.zip
[11] Vgl. Ril 483.0701 Abschnitt 8 ETCS-Fahrzeugeinrichtungen bedienen.
[12] Die Spezifikationsgruppe #2 wird häufig als SRS 3.4.0 bezeichnet. Die Spezifikationsgruppe #3 wird häufig als SRS 3.6.0 bezeichnet.
[13] Eine Zwangs(betriebs)bremsung wird von ETCS mit einer Vollbrems- bzw. Schnellbremseinsatzkurve eingeleitet und bei Erreichen definierter Bedingungen ggf. wieder aufgehoben. In bestimmten Fällen – bspw. Überfahren eines Haltzeigenden Signals – erfolgt ein Wechsel in die Betriebsart Trip inkl. Zwangsbremsung. Diese kann durch den Tf erst nach definierten Bedingungen wieder aufgehoben werden.
[14] Vgl. Frank Dietrich, Marco Meyer, Rene Neuhäuser, Florian Rohr, Thomas Vogel, Norman Wenkel: Fahrzeugnachrüstung für den Digitalen Knoten Stuttgart. In: „EI – DER EISENBAHN-INGENIEUR“, 09/2021.
[15] Vgl. Deutsche Bahn AG: Die DB ist Vorreiter beim autonomen Fahren, online unter: www.deutschebahn.com/de/Digitalisierung/technologie/Bahnbetrieb-der-Zukunft-neue-Technologien/Die-DB-ist-Vorreiter-beim-autonomen-Fahren–3376636
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