Bahnbetrieb und Bahnverkehr im Großprojekt Stuttgart Ulm

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1 Bahnbetrieb und Bahnverkehr im Großprojekt Stuttgart Ulm DB Projekt Stuttgart Ulm GmbH Peter Reinhart I.GC(P) Berlin Gemeinsam für das Bahnprojekt Stuttgart Ulm DIESES PROJEKT WIRD VON DER EUROPÄISCHEN UNION KOFINANZIERT TRANSEUROPÄISCHE NETZE FÜR VERKEHRSINFRASTRUKTUREN

2 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS 5. S-Bahn-ETCS 6. Optimale S-Bahn-Zugfolge 2

3 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS 5. S-Bahn-ETCS 6. Optimale S-Bahn-Zugfolge 3

4 Der neue Hauptbahnhof in Stuttgart 4

5 Stuttgart 21: Grundlegende Neuordnung des Bahnknotens Stuttgart 5

6 Projekt Stuttgart Ulm: 2 Projektteile, 12 neue Strecken (~120 km), 5 neue Stationen 6

7 Bereich Filder/Flughafen: 3 neue Strecken (80 bis 250 km/h), 2 neue Stationen 7

8 Erweiterung der S-Bahn-Stammstrecke, mit neuer Station Mittnachtstraße 8

9 Geplante ETCS-Ausrüstung (weitgehend Level 2, mit Signalen) 9

10 Kleine Wendlinger Kurve Große Wendlinger Kurve? 10

11 Bahnhof Merklingen (Schwäbische Alb): 2013 vorgeschlagen, seit Mai 2017 in Bau 11

12 Verkehrlicher Nutzen: Durchgebundene Linien im Regionalverkehr 12

13 Verkehrlicher Nutzen: Kürzere Reisezeiten 13

14 Stuttgart 21: Stadtentwicklung im Herzen der Stadt 14

15 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS S-Bahn-ETCS Optimale S-Bahn-Zugfolge 15

16 Frühe Neu- und Ausbauvarianten zwischen den Räumen Stuttgart und Ulm (1980er Jahre) (Quelle: Die Bundesbahn, 1987, S. 922) 16

17 Frühe Überlegungen für den Neu- und Ausbau zwischen Stuttgart und Ulm (um 1990) 17

18 Frühe Überlegungen für den Neu- und Ausbau zwischen Stuttgart und Ulm (um 1990) 18

19 Anbindung des Kopfbahnhofs an die Neubaustrecke (Überlegungen um 1990) 19

20 Durchgangsbahnhof als Ergänzung zum Kopfbahnhof (Überlegungen um 1990) 20

21 Das Spitzenstunden-Zugangebot im Kopfbahnhof nahm über die Jahre zu und stagniert auf hohem Niveau Zugankünfte von 7:00 bis 7:59 Uhr im Kopfbahnhof Fern- und Regionalzüge Vorortzüge Zugankünfte (ohne Leerfahrten) im Stuttgarter Hauptbahnhof; Grundlage: Planmäßige werktägliche Zugankünfte (Mo.-Fr.) zwischen 7:00 und 7:59 Uhr, einschließlich Züge mit einzelnen Verkehrstagen (Mo-Fr.), in den Sommerfahrplänen; S-Bahnen, die seit 1978 das Gleisvorfeld des Kopfbahnhofs mitbenutzen, sind nicht dargestellt; für 1981 keine Daten verfügbar 21

22 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS S-Bahn-ETCS Optimale S-Bahn-Zugfolge 22

23 Der Kopfbahnhof (Zustand 2009, vor Baubeginn): viele Gleise alles gut? 23

24 Die typische Geschwindigkeit im Kopfbahnhof: ~40 km/h 24

25 Der Betrieb im Kopfbahnhof ist durch zahlreiche Fahrstraßenausschlüsse geprägt 25

26 Der Betrieb im Kopfbahnhof ist durch zahlreiche Fahrstraßenausschlüsse geprägt 26

27 Der Betrieb im Kopfbahnhof ist durch zahlreiche Fahrstraßenausschlüsse geprägt 27

28 Betriebliche Notlösungen: Mischbetrieb auf S-Bahn-Gleisen im 2,5-Minuten-Abstand 28

29 Begrenzte Möglichkeiten zur Durchbindung (Beispiel: Bad Cannstatt/München => Feuerbach/Frankfurt) 29

30 Der neue Hauptbahnhof: Halb so viele Bahnsteiggleise = halbe Leistungsfähigkeit? 30

31 Der neue Hauptbahnhof: Ein- und Ausfahrbereiche sind konsequent getrennt 31

32 Der neue Hauptbahnhof: Jeweils bis zu vier parallele Ein- und Ausfahrten sind möglich 32

33 Der neue Hauptbahnhof: Bahnsteiggleise sind ungefähr doppelt so schnell befahrbar 33

34 Idealtypischer Integraler Taktfahrplan, Hochleistungsbetrieb oder eine Mischung aus beidem? 34

35 Der neue Hauptbahnhof ist im Bahnsteigbereich mit 13 bis 15 Promille längs geneigt 35

36 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS S-Bahn-ETCS Optimale S-Bahn-Zugfolge 36

37 Konventionelle Optimierung: Beispiel Rohrer Kurve (Flughafen Richtung Horb/Zürich) ARBEITSSTAND 37

38 ETCS: häufige Eindrücke & Kinderkrankheiten Ausrisse: Eisenbahn-Revue International 38

39 ETCS ermöglicht kürzere Durchrutschwege 39

40 Topologisches Prinzip verkürzt Fahrzeiten & erhöht Kapazität: Beispiel Flughafen Ost 40

41 Wenige gezielte Hochleistungsblöcke verkürzen Mindestzugfolgezeiten projektweit um >5 Minuten 41

42 Wenige gezielte Hochleistungsblöcke verkürzen Mindestzugfolgezeiten projektweit um >5 Minuten ARBEITSSTAND 42

43 Schaltabschnittsgrenzen (Auszug Richtlinie ) 43

44 Hochleistungsblock unter schwierigen Randbedingungen: Westlicher Filderbereich ARBEITSSTAND 44

45 Unkonventioneller Hochleistungsblock: Bahnhof Merklingen (Schwäbische Alb) ARBEITSSTAND 45

46 Hochleistungsblock im neuen Hauptbahnhof ARBEITSSTAND 46

47 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS S-Bahn-ETCS Optimale S-Bahn-Zugfolge 47

48 S-Bahn-Liniennetz: Die Stammstrecke wird zur Hauptverkehrszeit von 24 Zügen/Stunde,Richtung befahren Stammstrecke 48

49 Motivation: Die S-Bahn Stuttgart stößt an ihre Leistungsgrenzen Betriebsleistung (in Mio. Platz-km) 14,5 h HVZ/Tag Verlängerung S2 nach Filderstadt Verlängerung S1 nach Kirchheim Verlängerung S4, S60; Nacht-S- Bahnen ( ) 2021 Bis 2016: Ist; 2021: Hochrechnung anhand geplanter Zugzahlen; HVZ = Hauptverkehrszeit 49

50 Motivation: Plan-Haltezeit von 30 s wird vielfach überschritten Eindrücke aus den vergangenen Tagen (Hauptbahnhof (tief), Stadteinwärtsgleis): Montag, 20. November: S3 an 08:46 Uhr, 140 m, > 100% an/ab: 64 Sekunden Mittwoch, 22. November, S3 ist an 7:36 Uhr, 210 m, >> 100 % an/ab: 56 Sekunden Donnerstag, 23. November 2017, S3 ist an 7:19 Uhr, 210 m, ~200 % an/~150 % ab, massiver Fahrgastwechsel: 77 Sekunden Sonntag, 26. November: S3 zum Flughafen, ist an 11:45 Uhr, 210 m: 46 Sekunden Montag, 27. November: S2 Richtung Flughafen ist an 7:39 Uhr (+14), 210 m, > 200 % an/ab, Rückstau an Türen: 105 Sekunden Dienstag, 28. November, S3 ist an 8:04 Uhr, 140 m, > 100 % an, < 100 % ab, anhaltender Zustrom im südlichen Bereich: 64 Sekunden Mittwoch, 29. November: S3 nach Vaihingen ist an 7:31 Uhr, 210 m, ca. 150 % an, > 100 % ab: 50 Sekunden Montag, 4. Dezember: S3 nach Vaihingen ist an 7:19 Uhr, 210 m, ca. 150 % an, ca. 100 % ab: 52 Sekunden Liste: eigene Haltezeitmessungen (Stillstand bis Ingangsetzung) 50

51 Motivation: Die Stammstrecke erhält ein Elektronisches Stellwerk 51

52 Motivation: Weltweit gibt es etwa 20 vergleichbare Projekte Thameslink (Großraum London, Level 2 ab 17. Dezember 2017, ATO ab 2018) S-Bahn Madrid (L1, L2 geplant) S-Bahn Barcelona (L2, im Bau) S-Bahn Brisbane mit neuer Stammstrecke Cross Rilver Rail (L1/L2, ATO, in Planung) S-Bahn Sydney (L2 in Erprobung) Flughafenbahn Danzig (L2 in Betrieb seit 2015) Vorortverkehr Mexiko Stadt (L2, ATO, Inbetriebnahme 2018 geplant) NBS Mattstetten Rothrist (L2 mit 2 Minuten Zugfolgezeit, in Betrieb) S-Bahn Rio de Janeiro (L1, beauftragt) Abbildung: Cross River Rail, Brisbane, Australien; L1 = Level 1 ; L2 = Level 2 52

53 ETCS Level 2 würde die konventionelle Leit- und Sicherungstechnik ergänzen 53

54 Motivation: Auf der Suche nach der optimalen Blockteilung 54

55 Motivation: Auf der Suche nach der optimalen Blockteilung 55

56 Motivation: U-Bahnen, z. B. Victoria Line mit 36 Züge/h bei 40 s Haltezeit Screenshot: Twitter 56

57 Grundlegende Fragen, zum Beispiel: Wie schnell sind eigentlich Stellwerke? (Probeaufaufnahmen am Bahnhof München Hackerbrücke [Signal 43ZR2], 10. November 2017) 57

58 Die Blockteilung der S-Bahn-Stammstrecke München (LZB) als Vorbild 58

59 Die optimale Blockteilung für Stuttgart ARBEITSSTAND 59

60 GSM-R für S-Bahn-ETCS: Gut ausgeleuchtetes, robustes & schnelles Netz ARBEITSSTAND 60

61 Einige Themen, die uns beschäftigen ARBEITSSTAND Optimierte Ortung, optimale Release-Speed-Durchrutschweg-Kombinationen, Nachrücken Optimale Blockteilung Balisen/Datenpunkte, Vermeidung von Balisenteppichen, Verlegegenauigkeit, Antennenlage Ende-zu-Ende-Laufzeiten (Gleisfreimeldung, Stellwerk, RBC, Funk, Fahrzeug, Schnittstellen) GSM-R: Gut ausgeleuchtetes, robustes, schnelles Netz + Vermeidung von Ausreißern Straffes Bremsen, (Gamma-)Modell, relevante Bremskurve, geschickter Umgang mit Neigungen Fahrempfehlungen, Leittechnik, automatisierter Fahrbetrieb (ATO, mit Triebfahrzeugführer), Stellanstöße, Haltezeitprognosen Hochlauf (Infrastruktur, Fahrzeuge), Zwischenzustände, Fahrzeugumrüstung, Vorlaufbetrieb Diverse Betriebsfälle (unbehinderte Fahrt, Wende, Zugnummernwechsel, Kaltstarts, Störfälle...) Schaltabschnittsgrenzen Notwendige Anpassungen an Lastenheften, Regelwerken Ausreizung der ETCS-Spezifikation, Berücksichtigung von Weiterentwicklungen Look & Feel für die fahrenden Kollegen, bestmögliche Unterstützung Redundanz, Fehleroffenbarung, unkomplizierter Wechsel in die Rückfallebene Geringe Ks-Signalabstände, Längsneigungen bis 40 Promille Schneller Fahren im Bestand Austausch mit anderen internationalen Projekten, anderen S-Bahnen, Gremien Präzise Kundeninformation, gute Prognosen auch im Störfall ( ) 61

62 Agenda Das Großprojekt im Überblick Ein Blick zurück Leistungsfähigkeit Optimierung, insbesondere mit ETCS S-Bahn-ETCS Optimale S-Bahn-Zugfolge 62

63 ETCS wie LZB gedacht: Der Hochleistungsblock bringt per se ca. 15 s Zugfolgezeit Mit ETCS-Hochleistungsblock wird die Zugfolgezeit um ¼ Minute verkürzt (ca. 250 m bei 60 km/h). 63

64 Genaue Ortung & laufender Datenaustausch: Entscheidende Grundlage für das optimale System 64

65 Potential: Im automatisierten Fahrbetrieb (ATO) dient die ETCS- Notbremskurve als sicherer Rahmen PRINZIPDARSTELLUNG Im ATO-Betrieb sind alle Betriebskurven außer den Notbremskurven inaktiv. 65

66 Potential: Mindestzugfolgezeit, vom Ende gedacht PRINZIPDARSTELLUNG 2. Schnellbremsweg Zug Schnellbremsweg (Mindestanforderung Strecke) Betriebs- Bremskurve Schnellbremsweg (Mindestanforderung Strecke) Inhomogene Abschnitte Betriebs- Bremskurve Schnellbremsweg (Mindestanforderung Strecke) Puffer/keine Vorausschau Inhomogene Abschnitte Betriebs- Bremskurve Schnellbremsweg (Mindestanforderung Strecke) 1. Reaktion szeiten Puffer/keine Vorausschau Inhomogene Abschnitte Betriebs- Bremskurve Schnellbremsweg (Mindestanforderung Strecke) 1. 66

67 Potentiale: Prämissen des optimalen Systems Die heutigen Kinderkrankheiten von ETCS sind überwunden. ETCS- und weitere Daten werden genutzt, um Erwartungen zu bilden. Je kurzfristiger, desto genauer. Auf dieser Grundlage werden Züge optimal nachgeführt zu dem für die Leistungsfähigkeit entscheidenden Punkt, haarscharf unter der Schnellbremseinsatzskurve. Reaktionszeiten und Durchrutschwege/Gefahrpunktabstände sind (nahe) null. Mit ATO wird zur Verfügung stehende Fahr- und Bremsleistung ausgereizt. 67

68 Status Quo: Zwischen 2 Zügen liegt im unbehinderten Betrieb (60 km/h) 1 km 68

69 Potentiale: Notwendig sind jedoch nur rund 200 m Bremsweg (60 km/h)! Rest: Optimierungspotential (Vorbelegung) Die Bahnsteiglänge entspricht dem Schnellbremsweg (~ 200 m). Potential (Nachbelegung) 69

70 Potentiale: Optimale Nachführung des nachfolgenden Zuges Die Haltezeit ist nicht exakt prognostizierbar, daher wird zunächst ein Erwartungswert der Haltezeit zur optimalen Nachführung genutzt. v v_max? v_opt Erwartete Ingangsetzung t 70

71 Potentiale: Optimale Nachführung des nachfolgenden Zuges Damit kann der nachfolgende Zug mit ATO optimal nachgeführt werden. v v_max v_opt! Tatsächliche Ingangsetzung früher als erwartet? t v v_max v_opt? Tatsächliche Ingangsetzung später als erwartet! Ab der Ingangsetzung kann die Bahnsteigräumung sehr genau prognostiziert werden. t Im optimalen System wird der nachfolgende Zug in der Regel optimal (z. B. 60 km/h am Bahnsteiganfang) nachgeführt auch bei Haltezeitverlängerungen! 71

72 Potentiale: Vom Ende gedacht kritischer Punkt im optimalen System? Der nachfolgende Zug erreicht unbehindert (mit 60 Nach km/h) diesem und knapp Moment unter seiner Notbremskurve beginnt der exakt nachfolgende im selben Moment den Bahnsteiganfang, Zug zu bremsen in dem der vorausfahrende während Zug der den Bahnsteig vorausfahrende gerade Zug geräumt weiter schnell hat. räumt. Der Abstand der Züge und der Abstand zur Notbremskurve Der aus 60 nimmt km/h erforderliche somit wieder Schnellbremsweg zu. (~200 m) steht durch ETCS sicher überwacht zur Verfügung, wird aber nur in Extremfällen in Anspruch genommen. 72

73 Potential: Strafferes Bremsen mit ATO (am Bahnsteig) These: Mit ATO kann (nahezu) genauso schnell gebremst wie beschleunigt werden (ø ca. ~0,9 m/s²). Heute: von 60 km/h (~17 m/s) auf 0 in ~30 s (ø ca. -0,55 m/s²) 73

74 Gesamteffekt (maximale Ausreizung der genannten Potentiale) Heute beträgt die Mindestzugfolgezeit 2 ¼ Minuten: ca. 40 s für Annäherung (Bahnsteig leer) ca. 30 s für Einfahrt am Bahnsteig planmäßig 30 s für Halt ca. 30 s für Räumung Im optimalen System sind es 1 ¼ Minuten: planmäßig 30 s für Halt 22 s für Räumung ca. 22 s für Wiederbelegung kein Leerlauf am Bahnsteig 74

75 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?