Kolloquium 50 Jahre LZB Universität Braunschweig am 29. September 2015

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1 Kolloquium 50 Jahre LZB Universität Braunschweig am 29. September 2015 ENTWICKLUNG UND EINSATZ EINER RECHNERGESTEUERTEN LZB-ZENTRALE HELMUT UEBEL

2 Vorgeschichte Nach grundsätzlichen Systemüberlegungen begannen bei Standard Elektrik Lorenz die LZB-Aktivitäten im Frühjahr 1968 mit der Laborerprobung des Übertragungssystems über Linienleiter. Die bereits vorhandenen Grundlagen waren: Ein weitgehend durchentwickeltes System der Firma Siemens auf Basis einer sicheren Magnetkern-Transistor-Logik Übertragungsversuche auf verschiedenen DB-Strecken, auf der Strecke Forchheim-Bamberg mit 200 km/h im Jahr Demonstrationsanlage für Fahrten über 160 km/h anlässlich der Verkehrsausstellung 1965 auf der Strecke München Augsburg. Die Technik war 3-Phasen-MT-Technik von Siemens. Bericht ORE A46 zur Datenübertragung zwischen Zug und Strecke sowie DB- Ergänzungen: - Frequenzen - Modulationsverfahren - Telegrammstruktur - Übertragungssicherung - Telegramminhalt 2

3 Startschuss für die Entwicklung der rechnergesteuerten LZB-Zentrale Beschluss: Am 25. November 1969 wurde bei der Hauptverwaltung der Deutschen Bundesbahn in Frankfurt der Einsatz von Prozessrechnern als Streckenrechner für die LZB - Strecke festgelegt. Dr. Köth (verdeckt), Prof. Schmitz, Dr. Jakob, H. Voth (verdeckt), H. Hereth (verdeckt), H. Wolf Die Hauptbedingung war: Für das LZB-Rechnersystem ist die im ORE definierte Luftspalt- Schnittstelle zwischen dem Linienleiter und der Empfangs- bzw. Sendespule des Triebfahrzeuges festgelegt. 3

4 Überlegungen zur Technik Streckenzentrale Die ersten Prozessrechner für industriellen Einsatz waren erhältlich. Das Ziel war, die Flexibilität dieser neuen Rechner zu nutzen, um eine leistungsfähige Sreckenzentrale zu entwickeln Maximal 60 Züge auf einer 36 km langen zweigleisigen Strecke Jeder dieser 60 Züge sollte mindestens einmal pro Sekunde einen neuen Fahrbefehl erhalten Alle Schnittstellen sollten elektronisch sein und wenn möglich auf serieller Datenübertragung beruhen, um Leitungen zu sparen. Alle intelligenten Aufgaben sollten von den Rechnern ausgeführt werden. Es sollten ganze Streckenbereiche von einer Streckenzentrale gesteuert werden können, um Schnittstellen an den Übergabestellen der Linienleiterbereiche zu reduzieren. Die Sicherheit der Streckenzentralen sollten das Niveau von Stellwerken erreichen. Die Systemverfügbarkeit sollte in der Größenordnung der Stellwerke liegen. Die Reparaturzeit sollte kurz sein. Diagnose- und Statistikfunktionen sollten integriert sein. 4

5 Probleme beim Einsatz von Rechnern Sicherheit Es gab weltweit keinen Einsatz von Rechnern in sicheren Signalsystemen. Der bisherige Weg der Sicherheit basierend auf unverlierbaren Eigenschaften von Bauelementen musste weitgehend verlassen werden. Die Sicherheit musste auf der Systemebene erreicht werden. Vorbilder für elektronische Steuersysteme mit hoher Sicherheitsverantwortung gab es bereits in Kernkraftwerken. Hier handelte es sich aber nicht um Rechner. Die Frage der Überprüfung der Korrektheit der Software und der Werkzeuge wie Assembler oder Compiler waren ungeklärt. Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit Mit einem Rechner konnte weder die Sicherheit noch die Verfügbarkeit der Steuerzentrale erreicht werden. Über Mehrrechnersysteme gab es nur Überlegungen von Universitäten und es existierten militärische Versuchsanlagen bzw. Anlagen für die Raumfahrt. 5

6 Blockschaltbild Streckenzentrale Eingabekanäle Eingabe von Stellwerken, Nachbarzentralen, Leitzentrale und Fahrzeugen Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3 Majoritäts-und Überwachungslogik Ausgabekanäle 6

7 3 Vergleicher Blockschaltbild sichere Datenausgabe Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3 Steuerung Durchschaltung sicher 7 Ausgabekanäle

8 Sichere Datenausgabe der LZB-Zentrale, Sicherheitsprinzipien Sicherheit der Rechner 2 von 3 Rechner müssen in ihren Daten übereistimmen, damit sie ausgegeben werden. Der dritte Rechner dient als Funktionsreserve und zur Identifizierung eines fehlerhaften Rechners In den Rechnern laufen Prüfprogramme Jeder Datensatz wird aus der Ausgabe von zwei als richtig erkannten Rechner kombiniert Sicherheit der Vergleicher In den Phasen, in denen sie nicht zur Ausgabe verwendet werden, fälschen die Rechner absichtlich ihre Ausgabe, um die Vergleicher zu prüfen. Sicherheit der Steuerung Im Abstand von Minuten fälscht ein Rechner, der gerade nicht zur Ausgabe verwendet wird, seine Daten so, dass er ausgeschlossen wird (Änderung Konfiguration) Sicherheit der Durchschaltung keine Überprüfung, Sicherheitsnachweis auf Bauelemente-Ebene 8

9 Auswahl der Rechner Leistungsfähigkeit Die meisten Prozessrechner, auch die des damaligen Marktführers DEC, waren zu langsam, insbesondere bei der Berechnung beziehungsweise Prüfung des Codesicherungs-Anhangs der Telegramme von und zu den Zügen. Ein Start-Up-Unternehmen aus den USA, General Automation, das Factory Floor - Rechner entwickeln wollte, zeigte sich interessiert an der Aufgabe. In einer einwöchigen Diskussion mit dem Präsidenten (und Chefentwickler) unter Optimierung des Befehlssatzes des neuen Rechners wurde eine technische Lösung gefunden. Erst durch die Entwicklung einer straff organisierten linearen Ablaufsteuerung konnte die erforderliche E/A Leistung erreicht werden. Die erste Anlage arbeitete mit 16k 16-Bit-Worten Kernspeicher. Lieferbarkeit Es wurden Abkommen geschlossen, die Im Fall der Unfähigkeit der Lieferung durch General Automation einen Nachbau ermöglichten. Anmerkung: Inzwischen wird die 6. Generation eingesetzt, die immer noch softwarekompatibel ist. 9

10 LZB-Zentale Linker Schrank: 3 Rechner Mittlerer Schrank: Rechner-Eingabe (Multiplexer) Rechner-Ausgabe und Majoritätsauswahl Rechter Schrank: Datenübertragung 10

11 11 Bahnhof Rotenburg / Wümme, damals Rotenburg (Han)

12 Meilensteine in der Entwicklung der Streckeneirichtung LZB L Konzeption, Entwicklung und Sicherheitsnachweis Betriebserprobung auf der Strecke Hamburg-Bremen mit planmäßigen Zügen (3 Zentralen). Erste Inbetriebnahme mit Sicherheitsverantwortung auf Rechnerbasis Ertüchtigung bis 300 km/h auf der Strecke Hamm-Gütersloh Pinar de las Rozas-Chamartin-Atocha (Madrid) Serienausrüstung bei der DB (7 Zentralen) Beschluss der DB zur Ausrüstung der NBS mit LZB Betriebsbeginn der NBS Fulda-Würzburg und Mannheim- Hockenheim (4 Zentralen) mit LZB als führendem Signalsystem Inbetriebnahme der NBS Madrid-Cordoba-Sevilla zur Weltausstellung in Sevilla (8 Zentralen, 480 km) Inbetriebnahme der ersten Zentrale Salzburg-Wien 12

13 Linienleiterverlegung Der Linienleiter dient zur Datenübertragung und zur Ortung In Deutschland wird die Verlegeart B3 verwendet, ein Leiter in der Gleismitte, der andere in der Schienenkehle. Die beiden Leiter werden alle 100 m gekreuzt. Dadurch wird eine Phasenumkehr in den Empfangsantennen des Fahrzeugs erkannt. In der Schweiz wurde die Verlegeart A3 verwendet, die nur einen Leiter in der Mitte hat. In diesen ist alle 100 m ein Transformator eingebaut, der die Phasenumkehr bewirkt. Die Phasenumkehr dient zur Wegmessung und zur Kompensation von Störungen durch Schienenströme Ein logische Linienleiterschleife hat eine Länge von maximal 12,7 km 13

14 14 Linienleiter-Verlegung A3 mit Phasenumkehrtrafo

15 Langschleifen und ihre Probleme Bei Langschleifen ist die physikalische Länge identisch zur logischen Länge (maximal 12,7 km). Bei Unterbrechung der Schleife oder Defekt des Speisegeräts fällt die gesamte Länge aus und zusätzlich die folgende Schleife (kein BKW erkannt). Der Pegel schwankt zwischen der Einspeisestelle in der Mitte der Schleife und den Enden stark. Der Abschlusswiderstand der Schleife ist 360 Ohm, was einen Mittelwert darstellt. Bei starkem Regen oder Schnee sinkt der Wellenwiderstand und es kommt zu stehenden Wellen, d.h. Pegelschwankungen. Durch verschiedene Leitungslängen in Weichenbereiche kommt es zu Unsymmetrie. 15

16 Kurzschleifen statt Langschleifen Kurzschleifen haben eine Länge von 300m Die logische Schleifenlänge bleibt unverändert. Betrieb im Kurzschluss, d.h. mit Konstantstrom Ein Kurzschleifen-Speisegerät versorgt zwei Kurzschleifen (rechts und links) Bei Defekt einer Schleife kann das Fahrzeug die Strecke ohne Ausfall überbrücken. Die Systemzuverlässigkeit steigt stark an. Der Signalpegel ist konstant. Die Übertragungsqualität steigt deshalb. Die Ausrüstung von Weichen ist unproblematisch. Trotz höherer Kosten überwog der Gewinn an Betriebszuverlässigkeit, alle Langschleifen wurden auf Kurzschleifen umgerüstet. 16

17 Kurzschleifen-Speisegerät 2 Baugruppenträger oben: Datenübertragung zur Zentrale Sender Empfänger Stromversorgung Unterer Teil: Überspannungsableiter und Sicherungen gegen Zerstörung durch Blitzschlag 17

18 CIR-ELKE Abkürzung für Computer Integrated Railroading- Erhöhung der Leistungsfähigkeit im Kernnetz der Eisenbahn Ziel: Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Kernnetzes um bis zu 40 %. Maßnahmen, die über die Standard-LZB hinausgehen: Teilblöcke, die jeweils von einem CIR-ELKE-Zug belegt werden können, dadurch hohe Zugdichte (Fernbahn: 300 m, S-Bahn 50m) Kommandierung von Geschwindigkeitseinschränkungen ab Gefahrenpunkt durch die Führerstands-Signalisierung und nicht ab Signal Dunkelschaltung von Signalen, um Widersprüche zu vermeiden Doppelübertragung von Telegrammen zum Zug und Vergleich im Fahrzeuggerät zur Erhöhung der Sicherheit Selteneres Ansprechen von stehenden Zügen, um den Datenkanal zu entlasten Pilotstrecke Offenburg-Basel

19 Ausrüstung mit LZB: Fernbahn-Netz DB Ende km/h + CIR ELKE 10,0 km Zulauf S-Bahn München 160 km/h 6,9 km 160 km/h + CIR ELKE 124,3 km Zugfolge Rheinstrecke 200 km/h 200 km/h + CIR ELKE 230 km/h 230km/h + CIR ELKE 250 km/h 250 km/h + CIR ELKE 300 km/h 300 km/h + CIR ELKE 1.102,4 km 52,1 km 46,0 km 256,6 km 127,5 km 91,1 km 79,3 km 165,8 km 19

20 Streckenlänge in km Ausrüstung mit LZB: Fernbahn-Netz der DB Ende km/h + CIR ELKE 160 km/h 160 km/h + CIR ELKE 200 km/h 200 km/h + CIR ELKE 230 km/h 230km/h + CIR ELKE 250 km/h 250 km/h + CIR ELKE 300 km/h 300 km/h + CIR ELKE 20

21 Ausrüstung mit LZB: Fernbahnstrecken Europäisches Ausland Österreich (ÖBB) 151,3 km Westbahn (Salzburg-Wien) Spanien (Adif, früher Renfe) 756 km, davon 480 km Madrid-Cordoba-Sevilla Die Strecke Madrid-Cordoba-Sevilla wurde zur Weltausstellung 1992 gebaut und von der EU gefördert. Bedingung dafür war u.a. der Bau in Europäischer Spurweite von 1435 mm. Dieses war eine der Voraussetzungen für die europäische Interoperabilität im Hochgeschwindigkeits-Netz. 21

22 LZB in der Schweiz (SBB) Ausrüstung der Strecke Bodio- Lavorgo mit LZB L72 (Gotthard-Südrampe) Testbeginn 1974 Verlegung des Linienleiters durch die SBB nach A3 (Phasenumkehr- Trafos) Ausrüstung von 6 Loks Re 4/4 und Regionalzügen durch BBC Übergabe der Strecke 9/1974 an die SBB Täglich 15 Züge auf der Strecke 1979 Entscheidung der SBB gegen kontinuierliche Zugbeeinflussung 22

23 23 Bahnhof Lavorgo Zug mit Lok Re 4/4

24 Zusammenfassung und Ausblick Die LZB hat sich insbesondere bei der DB sehr bewährt durch folgende Vorteile gegenüber anderen Systemen: Erhöhung der Sicherheit durch kontinuierliche Geschwindigkeitsüberwachung Keine Schutzabschnitte erforderlich wie bei Systemen basierend auf kodierten Gleiskreisen Hohe Systemverfügbarkeit durch Redundanz in der Zentrale und in der Datenübertragung (Kurzschleifen) Steigerung der Systemkapazität durch kurze Blockabschnitte ohne Lichtsignale (CIR-ELKE) Erhöhung der Strecken-Höchstgeschwindigkeit ohne Erhöhung der Anzahl der Signal-Geschwindigkeitsbegriffe Möglichkeit des automatischen Fahrens Genaue Standortmeldung der Züge und ihrer Geschwindigkeiten zur besseren Disposition Ausblick Das Nachfolgesystem für die LZB ist ETCS Level 2, das europaweit eingeführt wird. Es ist zu hoffen, dass es ähnlich erfolgreich wird wie die LZB! 24

25 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit 25