Die neue Schnittstelle zwischen ETCS und Zug: Vorteile eines echten Standards

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1 Die neue Schnittstelle zwischen ETCS und Zug: Vorteile eines echten Standards Braunschweiger Verkehrskolloquium am 10. Januar 2013 Dr. Wolfgang Jakob B

2 Agenda ERTMS/ETCS Bezug zur Europäischen Gesetzgebung Problembeschreibung Lösungsansatz Lösung Beispiel 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 1

3 Führerstandsignalisierung mit ETCS Level 2 GSM-R Funk Funkblockzentrale (RBC) Signal optional ETCS Gleisabschnittgrenze Ortungs-Balisen Stellwerk 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 2

4 ERTMS/ETCS European Rail Traffic Management System (ERTMS) European Train Control System (ETCS) Level 0 Level 1 Level 1 LS Level 2 Level 3 Keine Zugsicherung Punktförmige Zugsicherung Eurobalise ersetzt Indusi Kontinuierliche Zugsicherung (ähnlich LZB) Kontinuierliche Zugsicherung und Zugvollständigkeitsüberwachung (mobiler Block) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 3

5 Verbreitung von ERTMS weltweit More than 56,000km of railway tracks and 6,800 vehicles are already running or Trackside Onboard equipment contracted to be equipped with ERTMS Significant growth since 2010: ERTMS has become «the» global signalling standard 37 Nations are using ERTMS throughout the world 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 4

6 Bezug zur Europäischen Gesetzgebung (Trans Europäische Netze TEN) TSI CCS (COMMISSION DECISION of 25 January 2012 (2012/88/EU) European Deployment Plan for ERTMS COMMISSION DECISION of TSI Loc&Pas (COMMISSION DECISION of 26 April 2011 (2011/291/EU)) Interoperability Directive (DIRECTIVE 2008/57/EC) Safety Directive (DIRECTIVE 2008/110/EC) Common Safety Methods (regulation (EC) No. 352/2009) Die Europäische Gesetzgebung regelt die Interoperabilität, die Zulassung von Fahrzeugen und den ungehinderten Netzzugang auf das TEN-Netz Davon sind betroffen die Fahrzeuge und die Infrastruktur 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 5

7 System Structure (Subset-026) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 6

8 Wo liegt das Problem? Die Schnittstelle zwischen Fahrzeug und ERTMS/ETCS OBU ist heute nur funktional beschrieben Bis Ende 2011 gab es nicht einmal eine gültige FIS! ERTMS/ETCS Lieferant und Fahrzeuglieferant spezifizieren bei jedem Projekt die Schnittstelle neu Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) und Infrastruktur Manager (IM) sprechen häufig mit Sicherheitsanforderungen und Sicherheitsarchitektur werden bei jedem Projekt neu erfunden Die sichere Integration der OBU ins Fahrzeug wird stets neu gestaltet Die unterschiedliche Ausgestaltung der Schnittstelle beeinflusst auch die betrieblichen Eigenschaften des Fahrzeuges Die Vielfältigkeit der Fahrzeuge (von einfachen Wartungsfahrzeugen bis zu Hochleistungs ICEs) führt zu einer großen Anwendungsvielfalt 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 7

9 Durch fehlenden Europäischen Standard verursachte Multiplikation von Kosten 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 8

10 Welche Kosten verursacht der fehlende Standard? Von Projekt zu Projekt unterschiedliche Anpassungsaufwendungen Von Projekt zu Projekt neue und unterschiedliche Projektierungen Von Projekt zu Projekt neue Zertifikate der NoBos Die in das Fahrzeug integrierte OBU benötigt bei jedem Projekt einen Nachweis der sicheren Integration und eine EU verification durch einen NoBo ist ebenfalls projektspezifisch Eine vom EBA erteilte Betriebserlaubnis ist nur national gültig Für die Sicherheit erforderlichen Wartungsvorschriften sind ebenfalls nur national gültig 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 9

11 ETCS Reference Architecture (Subset-091, Chapter ) Interlockings & Trackside Objects Control Centre Train Detection Systems Driver and Workers Emergency Services Railway Neighbours Level Crossings Unfitted Infrastructure National Signalling and Operating Rules Existing ATP Systems GSM Radio & Eurobalise Air Gaps Adjacent Radio Block Centre (L2 Only) Train Interface to TSI compliant Rolling stock TSI Compliant Rail Network Harmonised Application & Operating Rules Train Data Scheme and Train Specific Data National Signalling Domain Harmonised Domain ETCS Class 1 Reference Architecture 10

12 Interoperability Directive Safety Directive 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 11

13 Ersparnisse Ersparnisse durch einen (Industrie) Standard Reduzierte Anpassungskosten da Architektur der Schnittstelle durch den Standard vorgegeben wird Einmalige reduzierte Anpassungskosten pro Fahrzeugtyp (lediglich Konfigurationsaufwand) Zusätzliche Ersparnisse durch einen TSI Standard Die TSI Konformität muss nur einmal nachgewiesen werden (RA nach CSM ist enthalten) Zulassungskosten fallen nur einmal in der EU an: Ersparnis: Zulassungskosten pro Fahrzeugtyp in (n-1) Ländern* *Voraussetzung: NSAs halten sich an die Interoperabilitätsrichtlinie 2008/57/EC 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 12

14 Unterschiedliche Anwendungsfälle High Tech Triebzüge Elektrische/Diesel Antriebe Unterschiedliche Bremssysteme Unterschiedliche Bussysteme Regionalzüge Elektrische/Diesel Antriebe Unterschiedliche Bremssysteme Unterschiedliche Bussysteme Nahverkehrszüge Elektrische/Diesel Antriebe Unterschiedliche Bremssysteme Unterschiedliche Bussysteme Lok bespannte Personen/Güterzüge Elektrische/Diesel Antriebe Unterschiedliche Bremssysteme Unterschiedliche Bussysteme Wartungsfahrzeuge (mit Antrieb) Die Schnittstelle muss konfigurierbar sein, d.h. für jeden Anwendungsfall muss es eine Standardlösung geben 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 13

15 Übersicht der funktionalen Ein-/Ausgaben (nach Subset-034) Mode Control E.g. Sleeping Control of Brakes E.g EB command E.g Special brake inhibit E.g. Special brake status Control of Train Functions E.g. Pantograph trackside-orders E.g. Traction Cut Off Train Status E.g. Direction Controller Train Data E.g. Train data information E. g. Traction/Brake model parameters National System Isolation 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 14

16 No Functional I/O as per [7] Source Signal type Par Ser 1 Sleeping VEH Two state X X 2 Passive Shunting VEH Two state X X 3 Non-Leading VEH Two state X X 4 Isolation OBU Two state X X 5 Service Brake Command OBU Two state X X 6 Brake pressure VEH Composite Signal X 40 Funktionale Ein-/Ausgaben 7 Emergency brake Command OBU Two state, redundant output (as long as no SIL4 bus connection exists. A SIL 4control is currently not realistic and therefore not assumed.) X X 8 Emergency brake feedback (implementation requirement. Not part of subset-034) VEH Two state X X 9 Test in progress (implementation requirement. Not part of subset-034) OBU Two state X X 10 Emergency Brake Command Status (Implementation requirement. Not part of subset-034) OBU Two state X X Special Brake Inhibit Trackside Orders OBU 11 Regenerative Brakes OBU Two state X X 12 Magnetic Shoe Brakes OBU Two state X X 13 Eddy Current Brakes for Service Brake OBU Two state X X No Functional I/O as per [7] Source Signal type Par Ser 14 Eddy Current Brakes for Emergency Brake OBU Two state X X 15 Special Brake Inhibit STM Orders OBU The same signal to be used as for ETCS orders X X 16 Special Brake Status VEH This information is transmitted by the Train Data Information interface Additional Brake Status see above Change of Traction System (Variant 1) OBU, VEH composite X 20 Change of Traction System (Variant 2) OBU, VEH composite X X 21 Pantograph-Trackside orders (Variant 1) OBU, VEH composite X 22 Pantograph-Trackside orders (Variant 2) OBU, VEH composite X X 23 Pantograph- STM orders OBU The same signals to be used as for ETCS orders X X 24 Air Tightness-Trackside orders (Variant 1) OBU, VEH composite X 25 Air Tightness-Trackside orders (Variant 2) OBU, VEH composite X X 26 Air Tightness-STM order OBU The same signals to be used as for ETCS orders X X 27.1 Passenger door (Variant 1) OBU composite X 27.2 Door release (option depending on safety requirements) OBU Two state X 28 Main Power Switch- trackside orders (Variant 1) OBU, VEH composite X 29 Main Power Switch- trackside orders (Variant 2) OBU, VEH composite X X 30 Main Power Switch- STM orders OBU The same signals to be used as for ETCS orders X X No Functional I/O as per [7] Source Signal type Par Ser 31 Traction Cut Off at Warning limit OBU Two states X X 32 Change of allowed Power Consumption (Variant 1) OBU Composite X 33 Cab Status VEH Two states (per cab) X X 34 Direction Controller VEH Two states (per direction) X X 35 Train integrity VEH Four states X X 36 Traction Status VEH Two state s X X 37 Type of Train Data Entry VEH Four states X X 38 Train Data information VEH Composite X 39 National System Isolation VEH Two states (per NTC) X X 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 15

17 Allgemeine Anforderungen an eine Plug and Play Schnittstelle Vehicle ERTMS/ETCS OBU Funktionale Anforderungen getrennt nach ETCS und Fahrzeug Kodierung Elektrische Spezifikation Sicherheit Verantwortung getrennt nach ETCS und Fahrzeug Tolerable Failure Rate (TFR) FDT (Failure Detection Time) Exported constraints OBU Fahrzeug Betrieb Wartung Ort der Schnittstelle 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 16

18 Parallel and Serial Links between vehicle and ETCS on-board unit 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 17

19 Interface concept 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 18

20 Hardwired Parallel Interface Train Interface technical concept Serial Interface Optional external gateway for adaptation to a new train bus TRAIN BUS TIU Standard Bus (MVB or CAN) INTERNAL GATEWAY OBU TRAIN Profibus for STMs according to Subset 035 Application rules for the interface to be validated for both sides Definition of FFFIS for the «red» interfaces according to subset Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 19

21 Schnittstellenanforderungen (Ziel: Plug and Play) Funktionale- und Sicherheits-Anforderungen: TSI CCS (und TSI Loc&Pas) Technische Anforderungen Allgemeine Anforderungen an die Parallelschnittstelle Reference Input/Output Architecture (RIO) Boolean Inputs/Outputs (EN u.a.) Allgemeine Anforderungen an die serielle Schnittstelle IEC 61375; EN 50159; MVB; CAN; ECN Standard Architekturen a) und b) Informationen und deren Kodierung (identisch für parallele und serielle Schnittstelle) Sicherheitsanalyse (getrennt für parallele und serielle Schnittstelle) Einzelfehler/Mehrfachfehler Failure Mode Effect Analysis (FMEA) und Fehlerbäume Anforderungen an die Schnittstelle (TFR; FDT; exported constraints) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 20

22 Reference I/O pair 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 21

23 EB architecture with main brake pipe and private transfer components (valves) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 22

24 EB architecture with pneumatic safety line (main pipe) feedback by separate relay 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 23

25 Serial Interface for safety related signals according to EN Train Architecture a) Switch or relay or other binary input 0 1 OBU Bus Interface I/O Input Bus Interface I/O Input Bus Interface Serial Bus When using Architecture a) the following principles shall be used: deriving the signal information from two antivalent contacts transferring these antivalent information via two channels via the Serial IF 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 24

26 Serial Interface for safety related signals according to EN and IEC TCMS Consist Network CCU/ MPU Safe Data Transmission channel OBU Gateway Bus Interface Bus Interface Bus interface IEC61375 Serial Bus Architecture b) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 25

27 Beispiel für die TI Sicherheitsanforderungen Periodic Self Tests Exported constraints to the ERTMS/ETCS on-board equipment: The ERTMS/ETCS on-board equipment has to ensure periodical self-tests according to the FDT specified for the different functions. If the ERTMS/ETCS on-board equipment cannot perform the technical solution there has to be an exported constraint to the vehicle. Exported constraints to the vehicle: The vehicle has to ensure periodical self-tests according to the FDT specified for the different functions. If the vehicle cannot perform the technical solution there has to be an exported constraint to the operation. 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 26

28 Hazardous events regarding TI (CCS Subset-091) TI-1 TI-2 TI-3 TI-4 Service brake / emergency brake not commanded when required Service brake / emergency brake release commanded when not required Inappropriate sleeping request Incorrect brake status TI-5 Incorrect direction controller position report TI- 6a TI- 6b Loss of Cabin Active signal Wrong Cabin considered as Active TSI CCS core hazard definition (0.67*10-9 dangerous failures/hour ) Exceedance of the safe speed / distance as advised to ETCS 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 27

29 Handling of Direction Controller signals as a typical example for the TI Architektur Referenz Architektur oder serielle Schnittstelle gemäß Kapitel 3, 4 und 5 von Subset-119 Die Fahrtrichtungssteuerung ist sicherheitsrelevant gemäß Subsets-088/091 (TI-5) Kodierung T_FW_S T_BW_S Interpretation 0 0 Keine Richtung (neutral) Interpretation 1 0 Vorwärts (bezüglich der besetzten Kabine) Interpretation 0 1 Rückwärts (bezüglich der besetzten Kabine) Interpretation 1 1 Ungültig (Fehler) Fehlerzustände Fehlerhafte Fahrtrichtungseingabe Die TFR Anforderung für jedes der beiden Signale beträgt 1e-5/h mit einer FDT = 24 Exported constraints Exported constraint to the vehicle or operation: In case of vehicle is at standstill an ERTMS/ETCS on-board equipment independent system is in charge to ensure the rollaway protection 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 28

30 Fehlerbaum der Direction Controller Position 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 29

31 FMEA Failure: Inappropriate reception of Direction Controller position signal Operational mode: SH, SR, OS, UN, PT, RV, FS, LS Failure effects ETCS rollaway protection is deactivated No more protection of the vehicle by ETCS. (TI-5) External mitigation Driver (knows which direction is selected) Safety-related function: Rollaway protection and driver s activity control function is supported by Fail-safe Dead-Man Supervision (TSI Loc Pas, chapter ) or Additionally other vehicle side rollaway protection systems The driver has to ensure the standstill before leaving the cab Severity: Catastrophic Internal mitigation Reverse movement protection 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 30

32 TSI Struktur der TI 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project 31

33 The connector for ETCS: Standard Train Interface (TI) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 32

34 European rail network for competitive freight (Regulation EC 913/2010) 10. Januar 2013 Train Interface Unit Project Braunschweig 33

35 Verband der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) e.v. Mit exzellenten und wirtschaftlichen Bahnsystemen für mehr nachhaltigen Verkehr auf der Schiene