Automatic Train Operation

Transkript

1 Automatic Train Operation Hochautomatisiertes Fahren durch London im Schienenfernverkehr

2 Vision 2050: Die Zukunft der Mobilität wird spannend Quelle: Wikipedia Quelle: Pocket-lint Wir stellen uns oft die richtigen Fragen, geben aber die falschen Antworten. Autos werden autonom fahren ja, aber später und anders als vielleicht vermutet! Das Sicherheitsniveau wird sich erheblich verbessern. Der Energieverbrauch wird sich verringern. Kapazitäten und Flexibilität werden immens gesteigert. Übergangsfrei intermodal zu reisen wird der Normalfall sein. Seite 2

3 Ist das autonome Fahren im Schienenfernverkehr am Gipfel der überzogenen Erwartungen angekommen? Erwartungen Technologischer Auslöser Gipfel der überzogenen Erwartungen Tal der Enttäuschungen 2015 (5 10 Jahre) 2016 (mehr als 10 Jahre) Pfad der Erleuchtung Plateau der Produktivität 2013 (5 10 Jahre) Autonome Straßenfahrzeuge = Autonomes Fahren im Schienenfernverkehr? Zeit Quelle: Gartners Hype cycle der Jahre 2013, 2015, 2016 Seite 3

4 Systeme des Schienenfernverkehrs sind bereits höher automatisiert als Systeme des Straßenverkehrs eine gute Basis für die Vollautomatisierung Teilweise automatisiert Fahrzeugführer behält die Kontrolle Hoch automatisiert Fahrer greift begrenzt ein Vollautomatisiert Ohne Eingriff eines Fahrers Produktstatus Automatische Zugsicherung Fahrerassistenzsysteme Automatischer Zugbetrieb Fahrerloser und unbemannter Zugbetrieb Serie Serie Nahverkehr/Forschung und Entwicklung Fernverkehr GoA0 1 GoA1 GoA2 GoA3 GoA4 Automatisierungsgrad / Status SAE 0 2 SAE 1 SAE 2 SAE 3 SAE 4 SAE 5 Herausforderung: Im Fehlerfall muss das System einen sicheren Status einnehmen Assistenzsysteme Fahrerassistenzsysteme für Autobahnen Autopilot Produktstatus Serie Entwicklung Forschung N/A 1 GoA = Grade of Automation, Automatisierungsgrad nach International Electrotechnical Commission/Commission Électrotechnique Internationale, Internationaler Standard SAE Levels 0-5: Automatisierungsgrade wie von der Society of Automotive Engineers (SAE) definiert Seite 4

5 Projekt RUBIN, Nürnberg Vollautomatisierter / fahrerloser Betrieb auf Linien U2 und U3 Weltweit erstes Projekt, bei dem ein konventionelles U-Bahn-System zum vollautomatisierten, fahrerlosen Betrieb migriert wurde. 46 Züge, ausgerüstet mit einem on-board ATC System Linie U2: 12 km, 16 Stationen Linie U3: 6,1 km, 9 Stationen Headway: 100 s (85 s theoretisch möglich) In Betrieb seit 2008 Seite 5

6 Projekt Crossrail, London Fahrzeugseitige Doppelausrüstung für den Betrieb unter CBTC und ERTMS Crossrail Trainguard MT CBTC-Betrieb im Kerngebiet mit Übergang zum ETCS Level 2 oder konventioneller Sicherungstechnik mit AWS/TPWS in den Randgebieten. 21 km neuer Tunnel 24 Züge/Stunde im Normalbetrieb 200 Millionen Fahrgäste pro Jahr Headway: 2,5 min (90 s theoretisch möglich) Betrieb ab 2018 Seite 6

7 Der exponentielle Anstieg der Digitalisierung wird auch das Bahnwesen grundlegend verändern und das hat bereits begonnen! Ich rechne damit, dass wir 2021, 2022 oder 2023 so weit sind, dass wir in Teilen unseres Netzes vollautomatisch fahren können. Rüdiger Grube, ehemaliger Vorstandsvorsitzender Deutsche Bahn AG FAZ.net, 2016 Seite 7

8 Im Sinne des olympischen Gedankens: Ist ein vollautomatisierter Bahnbetrieb stets die beste Lösung? GoA2 GoA 3/4 GoA1 GoA = Grade of Automation, Automatisierungsgrad nach International Electrotechnical Commission / Commission Électrotechnique Internationale, Internationaler Standard Seite 9

9 Der Eisenbahnbetrieb ist hoch komplex die Notwendigkeit der Automatisierung wurde früh erkannt und in Teilbereichen umgesetzt Betriebliche Schicht Fahrdienstleiter Kommunikation & betriebliche Regeln Triebfahrzeugführer Stellwerksbedienung Triebfahrzeugbedienung ATO Technische Schicht Fahrweg Zugbeeinflussung Fahrzeug ETCS Seite 10

10 Obwohl seit mehreren Jahrzehnten die Aufgaben des Triebfahrzeugführers grundlegende Veränderungen erfahren haben Aktive Steuerung Überwachen Seite 11

11 ist die nächste Evolutionsstufe Gegenstand teilweise kontroverser öffentlicher Diskussionen Seite 12

12 Auf welcher Basis soll das häufig diskutierte autonome Fahren auf der vorhandenen Infrastruktur aufsetzen? Anzahl Stellwerke nach Bauarten (DB AG) Bauform Anzahl Anteil am Gesamtbestand in % Mechanische Stellwerke Streckenausrüstung (DB AG) in km Betriebslänge Elektromechanische Stellwerke Relais- / Drucktastenstellwerke Kontinuierliche Zugbeeinflussung LZB (zweigleisig) ETCS (VDE 8) (Leipzig Messe Erfurt Hbf) Elektronische Stellwerke Sonstige Bauformen 91 2 Stellwerke gesamt Nächste Jahre: ~2.500 km der Gleise mit ETCS ausgerüstet Bis 2022: ~1.450 km davon entlang ERTMS Corridor A Bis 2030: Class B Train Control System LZB ersetzt durch ETCS Bis 2050: TEN-Strecken in Deutschland mit ETCS ausgestattet Quelle: DB AG, 2014 Quelle: DB Netz AG 2015 Seite 13

13 Unterschiede zwischen den Bedingungen für Entwicklungen von Systemen für das vollautomatisierte Fahren bei U-Bahnen und im Schienenfernverkehr Bereich U-Bahn-Verkehr Schienenfernverkehr Fahrzeuge Infrastruktur Umgebungsbedingungen Betrieb System Unternehmenseigene Fahrzeuge, begrenzte Anzahl von Typen Begrenztes Streckennetz, einfaches Layout Geschütztes Netz und zugangsbeschränkt Personenverkehr Proprietäre Lösungen Ein Hersteller Integrierte ATP/ATO-Lösung Verschiedene Betreiber mit zahlreichen Fahrzeugtypen (Neu- und Altfahrzeuge) Existierende Infrastruktur, Sehr komplex Öffentlich zugänglich, z.b. an Bahnübergängen Urbaner Verkehr, Hochgeschwindigkeits-, Regionalund Güterverkehr Interoperabel ATO over ETCS DAS, Connected-DAS Seite 14

14 Aber langsam ein paar Dinge sollten vorweg richtig sortiert werden Low CAPEX Level 2 High-speed line High density Level 1 LS Safety level Recovery from disruptions ATO No vendor lock-in Low LCC Regional Flexibility of drivers resources High capacity Freight Infrastructure costs Flexible use of the system Energy efficiency Positive train control High system reliability Level 3 Interoperability ETCS Headway Seite 15

15 Ein paar notwendige Einordnungen im Zusammenhang des Automatic Train Operation (ATO) für den Schienenfernverkehr es wird zukünftig autonom gefahren Teilweise richtig! Im Schienenfernverkehr ist vollautomatisiertes Fahren denkbar. Autonomes Fahren ist noch etwas anderes. Güter könnten sich evtl. autonom von A nach B bewegen. Vollautomatisierung ist im Schienenfernverkehr möglich Ja! Es besteht die Möglichkeit bestimmte betriebliche Szenarien vollautomatisiert zu realisieren. Aus der umfangreichen Erfahrung aus dem Nahverkehr lassen sich viele bewährte Funktionen auf den Fernverkehr übertragen. ATO ist eine weitere Stufe der Zugsicherung/-beeinflussung Falsch! ATO ist eine Zusatzfunktion, welches auf der Basis eines sicheren Zugbeeinflussungssystems, z.b. ETCS aufsetzt. Automatisierung kostet Arbeitsplätze Falsch! Die Produktivität wird durch eine hochautomatisierte Systemlösung gesteigert mehr Züge können am Tag verkehren. Aber klar ist, eine Arbeitsplatzverlagerung wird stattfinden. Seite 16

16 Hochautomatisiertes Fahren im Fernverkehr wird bereits Realität: 2018 wird die erste "ATO over ETCS" Anwendung den Betrieb aufnehmen Anforderungen Erhöhung der Kapazität auf der bestehenden Infrastruktur in London 24 Züge pro Stunde und pro Richtung Thameslink Programme Indicative future network Bedford Peterbrough King s Lynn Cambridge ST PANCRAS INTERNATIONAL Farringdon City Thameslink Umsetzung LutonAirport Parkway Letchworth BLACKFRIARS Ziele nur mit ATO over ETCS Level 2 erreichbar Trainguard ATO over ETCS im Kernbereich, DAS mit TPWS bzw. DAS mit ETCS in den anderen Bereichen Vorteile Hocheffizientes ETCS-System (vergleichbar mit einem Metrosystem) Cricklewood Wimbledon Guildford Farringdon Blackfriar Elephant and Castle Horsham St Pancras International City Thameslink London Bridge Gatwick Airport Bromley South Lewisham Swanley Seven Oaks Tonbridge East Grinstead Dartford Ashford Anwendbar auf alle Eisenbahnverkehre Littlehampton Brighton Eastbourne TPWS Train Protection and Warning System Stations indicated are for route identification only This map shows an indicative rout network. The 2015 Thameslink train service is subject to further evaluation and consultation by the DfT Key July 2007 By end 2015 (possible destinations) Seite 18

17 Neue Fahrzeuge für London Thameslink Neue Fahrzeuge mit Trainguard ATO over ETCS Level 2 60 Züge mit 8 Wageneinheiten 55 Züge mit 12 Wageneinheiten Seite 19

18 ATO over ETCS ein Gesamtsystemansatz TMS Traffic Management System koordiniert die Zugbewegungen. ETCS trackside ETCS on-board ATO trackside Track-to-train communication ATO on-board European Train Control System stellt die sichere Fahrterlaubnis bereit. ATS ATO Kommunikation erfolgt über ETCS und GSM-R. European Train Control System on-board unit (OBU) gewährleistet die sichere Zugbewegung. Automatic Train Operation gewährleistet optimale Zugbewegungen. Seite 20

19 Optimale Koordination der Fortbewegung durch Zusammenarbeit von TMS und ATO ATS Fahrplan Haltezeiten (nominal, min, max) Fahrzeiten (nominal, min, max) 1. ATO sendet Ankunftssignal an TMS. 2. TMS sendet benötigte Abfahrtszeit an ATO Ankunftssignal 2. Abfahrtszeit ATO Zug Station 1 Station 2 Strecke Seite 21

20 Optimale Koordination der Fortbewegung durch Zusammenarbeit von TMS und ATO ATS Fahrplan Haltezeiten (nominal, min, max) Fahrzeiten (nominal, min, max) 3. ATO sendet Abfahrtssignal an TMS. 4. TMS berechnet optimale Fahrtzeit Abfahrtssignal 4. Fahrtzeit ATO Zug Station 1 Station 2 Strecke Seite 22

21 Optimale Koordination der Fortbewegung durch Zusammenarbeit von TMS und ATO ATS Fahrplan Haltezeiten (nominal, min, max) Fahrzeiten (nominal, min, max) 5. ATO berechnet optimales Geschwindigkeitsprofil. 5. ATO Berechnung ATO Zug Station 1 Station 2 Strecke Seite 23

22 Optimale Koordination der Fortbewegung durch Zusammenarbeit von TMS und ATO ATS Fahrplan Haltezeiten (nominal, min, max) Fahrzeiten (nominal, min, max) 6. ATO fährt den Zug im optimalen Geschwindigkeitsprofil. 6. ATO Kontrolle ATO Train Station 1 Station 2 Strecke Seite 24

23 Vorteil 1: ATO verkürzt die Zugfolge durch späteres Bremsen und konstantes Fahren und erhöht damit die Leistungsfähigkeit einer Strecke Bremsaufforderung durch ETCS ETCS Bremsweg Block zulässige Geschwindigkeit Zugfolge zwischen mit ATO betriebenen Zügen Zugfolge zwischen normal betriebenen Zügen Optimierungspotential durch ATO Seite 25

24 Vorteil 2: ATO kann den Energieverbrauch um bis zu % reduzieren Die energiesparendste Fahrkurve wird in Echtzeit von ATO berechnet und umfasst nur vier Fahrweisen: volle Beschleunigung, Cruising, Coasting und volle Verzögerung. ATO erlaubt längere Ausrollphasen. Die energiesparende Fahrweise wird für jede Zugfahrt optimiert und beruht nicht auf einer begrenzten Zahl fester Profile. Darüber hinaus vermindert ATO den Verschleiß der Bremsen am Fahrzeug und reduziert die CO 2 -Emissionen. v v Volle Beschleunigung Cruising Volle Verzögerung Coasten Zeitoptimierte Zugfahrt s Energieoptimierte Zugfahrt s Seite 26

25 Vollautomatisierung im Schienenfernverkehr bleibt eine Herausforderung, aber wir sind bereits auf dem richtigen Weg Zahlreiche Cross-Urban-Projekte weltweit Assistenzlösungen werden verstärkt angefragt ATO over ETCS (GoA2) ist Stand der Technik Vollautomatisiertes Fahren (GoA3/4) ist möglicherweise die Zukunft, aber: Komplexes Streckenlayout. Das Netz ist nicht vollständig gegen äußere Einflüsse zu schützen (z.b. durch Zäune, Über- und Unterführungen etc.). Neben den technischen Herausforderungen müssen die Systeme in Europa harmonisiert werden. ATO wird den Betrieb mit ETCS Level 3 stabilisieren und weitere Potenziale heben. Seite 27

26 Neue Lösungen auf dem Prüfstand zur Bahntauglichkeit Innovationsprojekte Seite 28

27 Erste Demonstration gemeinsam mit DB Cargo: ATO-Funktionalität im Kontext Güterverkehr erfolgreich getestet Demonstrierte Szenarien Automatisiertes Anfahren an Wagengruppe zum Kuppeln Mit Tablet ferngesteuerte Abfahrt und exaktes Halten des Zuges Automatisiertes Bremsen und Anfahren nach Streckenvorgabe Automatisierte Fahrt mit Höchstgeschwindigkeit, sowie Abfahren einer Langsamfahrstelle Sensorgesteuerte Erkennung von Hindernissen Seite 29

28 Automatisiertes, sensorgestütztes Anfahren an Wagengruppe zum Kuppeln Integration der Sensorik und Komponenten in eine Bestandslok Anbindung ATO an die Fahrzeugsteuerung Ausführung von ATO-Steuerkommandos Exaktes Anfahren an Puffer zum Kuppeln Seite 30

29 Automatisiertes Anfahren, Fahren entlang eines Geschwindigkeitsprofils, Bremsen und exaktes Anhalten anhand betrieblicher Streckenvorgaben Screenshot DB Cargo Film Initialisierte Abfahrt des Zuges per Tablet Ruckfreie Kontrolle eines 230 m langen Güterzuges (Fahren, Bremsen, Langsamfahren, Halten) Zielhalt genauer als +/- 50cm Seite 31

30 Automatisierte Fahrt mit ATO optimiert das Fahrprofil Tf ATO Seite 32

31 Automatisierte Fahrt auf ein Hindernis, sensorgestützte Erkennung und Halt Screenshot DB Cargo Film Erprobung von Kfz-Sensoren LIDAR und RADAR mit ATO RADAR auf 400 m ertüchtigt (Softwareanpassung) Fusion der Sensordaten und Kopplung mit ATO Meldung detektierter Hindernisse an ATO in Echtzeit Seite 33

32 Zielsetzung für weitere Innovationsprojekte zum vollautomatisierten Fahren im Schienenfernverkehr Aktiver Dialog zwischen Betreibern und Herstellern bezüglich technisch-betrieblicher Machbarkeit, Zulassung Akzeptanz durch Gesellschaft, Kunden und Mitarbeitern betrieblicher Szenarien, Rückfallebenen, akzeptabler technischer Lösungen Kostenreduktion, Flexibilisierung des Fahrplans eines realistischen Bildes von ATO und höherer Automatisierungsstufen Seite 34

33 Herausforderung für Lösungen im Schienenfernverkehr: Interoperabilität ATO Trackside ATO Trackside ATO Onboard ETCS Onboard Triebfahrzeugführer, Zug Seite 35

34 Es müssen noch weitere Lösungen erarbeitet werden, um das Ziel eines GoA4-Betriebs zu erreichen GoA1 GoA2 GoA3 GoA4 ATO/DAS GoA4- Fähigkeit ETCS TMS Neue Technologie Seite 36

35 In Abhängigkeit von Kundenwünschen, Migrationsszenarien und Technologien ETCS ist die Grundlage für Innovationen ATO ETCS Level 3 GoA3/4 UNISIG-Gremien Shift2Rail-Arbeitspakete zu ATO, Moving Block etc. ETCS Level 3 Demonstrator Seite 37

36 Kontakt Dr. Markus Pelz Siemens AG, MO MM ML S 1 Ackerstr Braunschweig markus.pelz@siemens.com Weitere Informationen: Seite 38

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Automatic Train Operation - hochautomatisiertes Fahren durch London im Schienenfernverkehr