European Rail Traffic Management System ERTMS Stand und Perspektiven nach 20 Jahren Entwicklungsarbeit 3999

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1 Stand und Perspektiven nach 20 Jahren Entwicklungsarbeit 3999 Inhalt 1. Einleitung 2. Europäische Randbedingungen und Vorgaben 3. Internationale Zugdisposition: Europtirails 4. Signalanlagen: INESS Integrated European Signalling System 5. Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System 6. Zugkommunikation: GSM-R 7. Stand der Implementierung von ETCS und GSM-R 8. Mit ERTMS erschliessbares Verbesserungspotential 9. Schlussfolgerungen, Ausblick Peter Winter 1

2 Einleitung (1) Am Juni 1989, also vor 20 Jahren tagte der Ausschuss Bahnanlagen der UIC in Dresden unter der Leitung von Herrn Hans Klemm, Direktor für Signal- und Fernmeldeanlagen der ehemaligen deutschen Reichsbahn. Damals wurde erstmals die Frage Funktionale und technische Anforderungen an ein neues einheitliches Europäisches Zugbeeinflussungssystem diskutiert und der Vortragende mit der Leitung der Aktivitäten zur deren Klärung beauftragt. Dieses 20-Jahr Jubiläum hat die UIC bewogen, ein reich illustriertes Compendium on ERTMS herauszugeben. Die folgende Präsentation gibt eine Zusammenfassung des 240-seitigen Buches. Der Aufenthalt in Dresden kurz vor der Wende war auch kulturell und menschlich ein unvergessliches Erlebnis. Mehrere historische Gebäude wie Hofkirche, Zwinger, Schloss und Oper waren wieder aufgebaut; die Liebfrauenkirche, eine der genialsten und prächtigsten Kirche Deutschlands lag aber immer noch in Trümmern und die Gastgeber waren überzeugt, dass diese niemals wieder aufgebaut würde Peter Winter 2

3 Einleitung (2) ERTMS umfasst Europäisch geförderte Aktivitäten in den folgenden Bereichen: Betriebsleitzentrale Fernsteuerzentrum Stellwerk Internationale Disposition: Europtirails Echtzeit- Standorterfassung von Zügen Berichte über Ablauf der Zugfahrten Role of Interlockings in ERTMS Signalisierung: INESS Integrated European Signalling System Fernsteuerung Block- und Fahrstrassensteuerung mit ortsfester Gleisfreimeldung Steuerung/ Überwachung von Bahnübergängen Steuerung/ Überwachung von Weichen,... Steuerung/ Überwachung von Aussensignalen usw. Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System Automatische Warnung/ v-überwachung Führerstandsignalisierung usw. Bahnkommunikatio on : GSM-R Alle Arten von Sprach- und Da atenkommunikation Peter Winter 3

4 Einleitung (3) An der ERTMS Entwicklung sind zahlreiche Instanzen beteiligt: EU- Gremien (EU- Kommission, ERTMS Koordinator, ERA), nationale Behörden, Benannte Stellen, Bahnen (Infrastruktur Betreiber, Unternehmen für Reise- und Güterverkehr), Signalbaufirmen, Firmen der GSM-R Industrie usw.. Entsprechend mannigfaltig sind auch Ziel- und Interessenskonflikte: Nationale Traditionen < > Europäische Vereinheitlichung Hochgeschwindigkeit < > Universalität für alle Arten von Bahnverkehr Anwender < > Lieferfirmen Verantwortliche Infrastruktur < > Verantwortliche Bahnunternehmen Signalbaufirmen < > GSM-R Firmen Rollmaterialhersteller < > Signalbaufirmen Technologie < > Betriebs- und Sicherheitsvorschriften Führerstandsignalisierung < > Aussensignalisierung Streckenbasierte Zugortung < > Positionierung durch den Zug Maximal mögliche Sicherheit < > Risiko bezogene Sicherheit Kurzfristige Wirtschaftlichkeit < > Langfristige Wirtschaftlichkeit usw. Peter Winter 4

5 Einleitung (4) Treibende Faktoren für Veränderungen Beschaffungen im Wettbewerb von mehreren konkurrierenden Anbietern Technische Interoperabilität Betriebliche Interoperabilität Hohe Sicherheit und Qualität des Zugverkehrs Maximale Nutzung der Anlagenkapazität Minimale Lebenszykluskosten Notwendigkeit der Anpassung an die stürmische Technologie-Entwicklung im Bereich der Informatik und der Fernmeldetechnik. Seit ca wurden verschiedene Vorläufer-Projekte initiiert, welche ähnliche Haupt- Merkmale wie ERTMS aufweisen (Führerstandsignalisierung, Funk-Datenübertragung, zugbasierte Ortung): In Europa das französische ASTREE, der deutsche FunkFahrBetrieb oder der schwedische Radioblock, der sich seit über 10 Jahren im kommerziellen Betrieb bewährt In Nord Amerika mehrere Entwicklungen von Communication Based Train Control Systemen (CBTC) In Japan das Advanced Train Administration and Communications Systems (ATACS). Peter Winter 5

6 Europäische Vorgaben (1) Die EU hat ein umfassendes gesetzliches Regelwerk für die Harmonisierung der Zugbeeinflussung und Signalgebung in Kraft gesetzt und aktualisiert dieses periodisch. Direktive 2004/49 über die Sicherheit der EU Bahnen Direktive 2008/57 über die Interoperabilität des EU Bahnsystems TSI s für Hochgeschwindigkeit:... Zugbeeinflussung und Signalgebung... TSI s für konventionelle TEN Bahnen:... Zugbeeinflussung und Signalgebung... Gleis Freimeldung (Funkt. Anforderungen) EMC (Elektro Magn. Kompatibilität) Zielsysteme für die Zukunft (Klasse A Systeme) ETCS GSM-R Bestehende Systeme für die Migrationsphase (Klasse B Systeme) Zugbeeinflussung Analog Funk Peter Winter 6

7 Europäische Vorgaben (2) ETCS Netz Konventionelle Hauptlinien Damit soll ein End-zu- End Verkehr von ausschliesslich mit ETCS ausgerüsteten Zügen ermöglicht werden. Hochgeschwindigkeits-Linien Die Europäische Gesetzgebung postuliert die Schaffung eines grenzüberschreitenden ETCS Netzes primär für HGV und konventionelle Hauptlinien. Zur Unterstützung einer zügigen Realisierung dieses komplexen Vorhabens wurde eigens ein EU- Koordinator bestellt. Peter Winter 7

8 Europäische Vorgaben (3) Grundprizip für die ETCS Einführung EU Conventional Bahnsystem Rail System Inception Keimzellen Kernel ETCS -Netz Keimzellen ( Inception Kernel ) sind Bahnprojekte bei welchen ETCS zwingend anzuwenden ist. Es handelt sich vor allem um vorrangige Bahnprojekte, die in den Planungen für das Transeuropäische Verkehrsnetz und /oder für Kohäsions- Vorhaben enthalten sind. Im ETCS-Netz sind diese Bahnprojekte derart zusammengefasst und mit Erweiterungen abgerundet, dass sich durchgehende ETCS Korridore ergeben. Für West- und Mitteleuropa wurden sechs prioritär zu bearbeitende Korridore identifiziert. Eine Förderung von ETCS Fahrzeugausrüstungen ist ebenfalls vorgesehen, allerdings zu Grenzkosten bei Neubeschaffungen oder im Zusammenhang mit grösseren Revisionsarbeiten. Peter Winter 8

9 Europäische Vorgaben (4) Die EU Gesetzgebung definiert die Anforderungen an ein Konfigurations- Management und die Grundsätze für künftige Überarbeitungen der Spezifikationen. Dabei hat die neugeschaffene Eisenbahn Agentur ERA die Systemführerschaft für ETCS und GSM-R. Das nachstehende Schema zeigt die Abläufe am Beispiel des ETCS: Railway sector Unisig Super Group UNIFE Unisig Steering Group European Railway Agency Database of CR CCS TSI Support Group CER Community of European Rlys ERTMS Control Group CCS TSI Working Party ERA ERA CR packages EIM European Infrastructure Manager System Vers. Mgt. European Railway Agency FRS, SRS NPM ERTMS user s group Control Group General Assembly European Commission Railway Interoperability and Safety Committee Annex A TSI CC&S Peter Winter 9

10 Internationale Zugdisposition: Europtirails (1) Spezielle Anforderungen für die grenzüberschreitende Betriebsführung Wo sind die Züge? Wie verlief die Fahrt? Die Beantwortung dieser Fragen wird für internationale Züge dadurch erschwert, dass diese häufig in flexiblen partnerschaftlichen Kooperationen geführt werden und die Infrastruktur Betreiber in der Regel nur über die Daten für ihre Streckenabschnitte und für Züge der Stammkunden verfügen. Europtirails ist in der Lage, alle erforderlichen Betriebsinformationen von internationalen Zügen in Echtzeit über deren ganze Route zu liefern. Diese Daten werden den Kunden im wesentlichen in Form von geographischen Darstellungen und von Tabellen zur Verfügung gestellt. Projektgeschichte Europtirails wurde in den letzten 10 Jahren in mehreren Schritten von einem Konsortium mit 6 Bahnen, UIC, Firmen, Hochschulen unter namhafter EU Förderung entwickelt. Nach der Spezifikation, Produktentwicklung und erfolgreichen Pilotanwendung auf dem Korridor Antwerpen Genua wurde bahn-seitig die Firma RailNetEurope mit der kommerziellen Anwendung beauftragt. Europtirails erfüllt auch Anforderungen der TSI Telematik Anwendungen für den Güterverkehr sowie der Pünktlichkeit ( Performance Regime ) von Reisezügen. Peter Winter 10

11 Internationale Zugdisposition: Europtirails (2) Aktuelles Einsatzgebiet von Europtirails Ca Datenerfassungsstellen Überwachung von ca internationalen Zügen pro Monat. Zur Zeit ist Europtirails in 9 Ländern bei total 11 Infrastruktur- Betreibern im Gebrauch. Die Daten werden von den nationalen Betriebsleitsystemen abgegriffen und mittels einem sternförmigen Übertragungsnetz der Zentrale in Wien zugeleitet. Von hier aus werden die Informationen entsprechend den vertraglichen Abmachungen gezielt (gefiltert) den beteiligten Bahnunternehmen zur Verfügung gestellt. Europtirails beruht weitgehend auf standardisierter ITC Technologie. Es hat keinen direkten Einfluss auf die Sicherheit des Zugverkehrs. Peter Winter 11

12 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (1) Aktuelle Situation: Es sind viele Stellwerke in veralteter Technologie im Gebrauch, daher grosser Erneuerungsbedarf Keine einheitliche Grundlagen für Beschaffungen gemäss CENELEC Normen Keine standardisierte funktionale Anforderungen Keine standardisierte Schnittstellen zu ETCS Level 2 und 3. Vorläuferprojekt Eurointerlocking der UIC: Rund 15 Bahnen haben mit dem Projekt Eurointerlocking eine erhebliche Vorleistung zur Vereinheitlichung und Systematisierung des Engineerings von Stellwerken erbracht. Einzelne Signalbaufirmen wirkten individuell mit und leisteten wertvolle Beiträge. Zukunftsanforderungen: Kostenreduzierung über den ganzen Lebenszyklus Verbesserte Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wartbarkeit Höhere Leistungsfähigkeit Engineering entsprechend den Grundsätzen von CENELEC Funktionale Ausrichtung auf ETCS in allen Levels. Peter Winter 12

13 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (2) Ergebnisse des Eurointerlocking Projektes: - Marktanalyse und Geschäftsmodell für neue Stellwerke - Grundlagen für eine einheitlich strukturierte Spezifikations-Sprache - Standardisierung von Verfahren und Werkzeugen für die Datenvorbereitung - Analyse von Gefährdungen, Ableitung der Sicherheitsrisiken aus den funktionalen Anforderungen - Umschreibung von ca. 30 qualitativen Anforderungen - Umschreibung der funktionalen Anforderungen mittels DOORS: Atomisierung der Anforderungen auf kleinste Einheiten. Erfassung dieser Elemente bei ca. 10 Bahnen - Vorbereitungen zur Schaffung eines Standard-Satzes ( Kern ) von funktionalen Anforderungen für ein Einheits-Stellwerk (durch gezielte Ausweitung des Kerns und/oder Elimination von individuellen Anforderungen einzelner Bahnen) - Simulation und Modellierung der funktionalen Anforderungen. Alle diese Ergebnisse sind auf einer CD ROM dokumentiert und stehen für das Nachfolgeprojekt INESS zur Verfügung. Peter Winter 13

14 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (3) Erfassen der funktionalen Anforderungen mit DOORS, Stand Ende 2008 nicht bearbeitet in Arbeit erfasst erfasst und abgestimmt Fahrstrassen allgemein Fahrstrassen Einwahl Fahrstrassen Verschluss Fahrstrassen Rückstellung Überwachung Signal Weiche motorisiert Handweiche Verschlüsse Gleisfreimeldung Streckenblock Bahnübergang Lokale Rangierzone Befehle Zustände Stellwerk allgemein Erfasst/ abgestimmt Finnland 100% Portugal 100% Holland 100% Schweiz 100% Italien 25% Schweden 15% Polen 65% England Norwegen 35% Dänemark 45% Peter Winter 14

15 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (4) Simulation der funktionalen Anforderungen Anforderungen default default alternate position for position for flank physical self- self- Operation selective protection additional painting designation direction restoring restoration Timer protection element flank zone in TVP fouling TVP GUI Type x pos y pos orientation label instruction P01 even 10 TVP402 Point r2l_up ` 1` [] P02 odd 10 TVP403 TVP303 Point l2r_down `2` [] P03 even 10 TVP303 TVP403 Point r2l_up ` 3` [] P04 odd 10 right SS14 TVP303 Point l2r_down `4` [] P05 even 10 TVP204 Point r2l_up ` 5` [] P06 odd 10 TVP204 Point l2r_up `6` [] P07 even true left 10 right SS59 TVP304 TVP304 Point r2l_down `7` [] P09cd odd 10 TVP406 Point l2r_down `9cd` [] P09ab even 10 TVP406 TVP502 Point r2l_up `9ab` [] P11cd odd 10 TVP307 Point l2r_down `11cd` [13,7] P11ab even 10 TVP307 Point r2l_up `11ab` [-28,-6] P13 even true right 10 TVP207 Point r2l_up `13` [] P21 odd 10 TVP210 Point l2r_up `21` [] P22 odd 10 right SS04 TVP311 TVP311 TVP312 Point l2r_up `22` [-15,-6] P23 odd 10 TVP409 Point l2r_down `23` [-15,4] P24 even 10 left SS69 TVP310 TVP310 TVP312 Point r2l_up `24` [8,-6] P25 even 10 TVP408 Point r2l_down `25` [8,4] P26 odd 10 TVP408 Point l2r_up `26` [] P31 even 10 TVP802 Point l2r_up `31` [] P32 even 10 TVP804 Point l2r_down `32` [] P33 odd 10 left SS93 TVP805 TVP805 Point r2l_up `33` [] P34 even true left 10 TVP902 Point l2r_down `34` [] Information über Gleiskonfiguration und Anzeige/Bedienung (Spezifische Anwendung) Modellierte Anforderungen Simulation Simulierte Anforderungen (Generische Anwendung) Peter Winter 15

16 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (5) Neues Europäisches Projekt INESS Nach mehrjähriger Vorbereitungsarbeit durch UIC und UNIFE ist im letzten Oktober das Projekt INESS mit 30 Partnern (Bahnen, Signalbaufirmen, Hochschulen, ) in Angriff genommen worden. Projektdauer ist 3 Jahre, von den 16,5 Mio Totalkosten übernimmt die EU über 10 Mio. Es sind folgende Aktivitäten vorgesehen: A: Projekt-Führung B: Geschäftsmodell E: Funktionale Architektur & Schnittstellen C: System Aufbau D: Generische Anforderungen F: Prüfung & Abnahme G: Prozess für den Sicherheits- Nachweis Eine spezielle Herausforderung wird darin bestehen, die neue Stellwerksnorm funktional und bezüglich der Struktur optimal auf ETCS mit seinen 3 Anwendungsstufen auszurichten. Der Level 1 beeinflusst die heutige Grundstruktur im Prinzip nicht. Die Levels 2 und 3 müssen der GSM-R Datenübertragung und der Führerstand-Signalisierung Rechnung tragen. Beim Level 3 tritt an Stelle der Gleis-Freimelde- Einrichtungen die Ortung durch den Zug. Peter Winter 16

17 Signalanlagen: Integrated European Signalling System (6) Ausrichtung von INESS auf ETCS in den drei Anwendungsstufen Fernsteuerung Stellwerk - Weichensteuerung - Blocksteuerung - Steuerung Aussensignale - usw. LEU Fernsteuerung Stellwerk - Weichensteuerung - Blocksteuerung - usw. RBC - Fahr- Erlaubnis - usw. GSM- R Fernsteuerung RBC - Blocksteuerung - Fahrerlaubnis - usw. Stellwerk - Weichensteuerung - usw. GSM- R ETCS ETCS ETCS EB EB EB Level 1 Level 2 Level 3 Peter Winter 17

18 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (1) 20 Jahre Forschung und Entwicklung für ETCS Studien und Spezifikations- Entwürfe EU Aktivitäten EURET- Forschungs- Programm ERTMS- Masterplan zur Unterstützung von Tests und Pilot - Anwendungen HGV Definitive Spezifikationen, Tests und Pilotanwendungen EU-Direktiven für Interoperabilität Konv. Linien HGV TSI ZBS Serien -Anwendung Konv. Linien Gründung von ERA, Nomination ERTMS Koordinator Machbar- keits- Studie UIC/ERRI Projekt Gruppe A200 UIC/ERRI Vortests mit Eurobalise Bahn Sektor Aktivitäten ERTMS User s Gruppe EMSET- Projekt Unisig Spezifikationen UIC-Projekt ETCS Low Cost Demonstr. ETCS level 1 Wien - Budapest ETCS Level 1 Erst- Anwendung in Bulgarien ETCS Level 2 Erst- Anwendung in der Schweiz ETCS Anwendungen in Italien, Luxemburg, Spanien und der Schweiz ETCS Anwendungen in verschiedenen Ländern MoU betreffend Europäische Güter- Korridore Peter Winter 18

19 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (2) Phase : Machbarkeitsstudien, Konzept, Spezifikationsentwürfe Seitens EU Arbeitsgruppe «Zugbeeinflussung» (E. Leonardi) im Rahmen HGV Planung. Schlussfolgerung: Es ist deshalb ein einheitliches Europäisches Zugsicherungs- und Steuerungssystem für den Bahnverkehr einzuführen, zuerst für den HGV Verkehr und später entsprechend den Bedürfnissen und den verfügbaren Ressourcen auch für die übrigen Verkehre. Das einheitliche Europäische Zugbeeinflussungssystem sollte innert 5 Jahren, das heisst ab 1996 betriebsbereit sein. Seitens UIC Machbarkeitsstudie, Projektdeklaration mit Vision für ETCS. Bildung einer Studiengruppe A200. Hauptaktivitäten: Konzept für Datenübertragung (Kombination von GSM-R mit Euroradio-Protokoll, Eurobalise, Euroloop), 3-Level Konzept für ortsfeste Ausrüstung, Konzept für Fahrzeuggerät mit STM s, Ergonomie für Anzeige und Bedienung im Führerstand mittels Berührungsbildschirmen usw.. Erste Entwürfe für Funktionales und Systemlastenheft (FRS, SRS). Regelmässige Informations- und Diskussions- Veranstaltungen. Broschüren und professionelle Präsentationen vor allem zu SRS. Für die Fortsetzung der Arbeiten im Rahmen eines ERTMS Masterplans wurden die Arbeitsergebnisse von A200 im Prinzip übernommen, jedoch mit Abstrichen und Korrekturen: Keine Möglichkeit der Hintergrund-Überwachung bei Level 1, Fahrzeuggerät als Black-Box, Rückstellung von Level 3, Abstrich gewisser Funktionen wie Überwachung und Steuerung von Niveauübergängen. Peter Winter 19

20 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (3) Ursprüngliche Vision für Level 1 und Level 2 In der Projekt-Deklaration für ETCS ist der Level 1 als Automatische Zugsicherung (ATP) in Ergänzung zu den Streckensignalen definiert. Die ATP hat für den Triebfahrzeugführer keine direkte Auswirkung, solange er die von aussen signalisierten Anweisungen korrekt befolgt. Einzig bei Fehlhandlungen greift sie derart korrigierend ein, dass der Zug in keinem Fall die höchstzulässige Geschwindigkeit überschreitet oder einen Gefahrenpunkt überfährt. Die Automatische Zugsicherung muss sehr zuverlässig funktionieren; weil sie dem Triebfahrzeugführer nicht direkt eine Geschwindigkeit anweist, ist jedoch keine absolute signaltechnische Sicherheit erforderlich. Der Level 2 ist als Automatische Zugsteuerung (ATC) definiert, wobei die höchstzulässige Geschwindigkeit direkt im Führerraum angezeigt wird. Der Triebfahrzeug- Führer kann die Zuggeschwindigkeit innerhalb der vorgegebenen Begrenzung wählen. Da eine fehlerhafte Geschwindigkeitsinformation unmittelbar zu einem entsprechend fehlerhaften Fahrverhalten führen würde, muss bei dieser Anwendungsform die Zugbeeinflussung absolut signaltechnisch sicher sein. Peter Winter 20

21 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (4) Ursprüngliche Vision für das Fahrzeuggerät A200 postulierte ein Fahrzeuggerät mit offenen internen Schnittstellen und der Möglichkeit von STM s mit Früh-Einspeisung der Daten. (Early Data Injection). Effektiv wurde aber nur ein absolutes Minimum an Schnittstellen offen Spezifiziert. Peter Winter 21

22 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (5) Phase : Finalisierung der Spezifikationen, Prototyp-Entwicklung, Tests Wichtige Akteure in dieser Phase waren der ERTMS User s group und die Unisig Gruppe von 6 Signalbaufirmen. Diese finalisierten und ergänzten die A200 Spezifikationen. Im EMSET Projekt unter Leitung von CEDEX in Madrid entwickelten die Unisig Firmen gemeinsam Verfahren und Geräte für den funktionalen Test der ETCS Produkte. Pilotanwendungen erfolgten in 7 Ländern auf Grund von öffentlichen Ausschreibungen. Die erste kommerzielle Anwendung wurde in Bulgarien mit Level 1 realisiert. Level 2 wurde erstmals in der Schweiz zwischen Olten und Luzern ohne Aussensignale eingesetzt. Diese letztlich erfolgreiche Pilotanwendung brachte allen Beteiligten einen enormen Lerneffekt. England: AMTC (WCML) Alstom France: Tournan - Marles en Brie Alstom, Ansaldo STS Spain: Albacete - Villar de Cinchilla Bombardier, Invensys The Netherlands: Meppel - Leeuwaarden Heerlen - Maastricht Alstom, Bombardier Germany: Berlin - Halle - Leipzig Siemens, Thales Austria/ Hungary: Vienna - Budapest Alcatel, Alstom, Ansaldo STS Italy: Florenz - Arezzo Alstom-Ansaldo STS In diesen breit verteilten Erprobungen waren alle 6 Unisig Firmen in parallelen Projekten einbezogen. Preis dafür war die aufwändige nachträgliche Harmonisierung der Spezifikationen. Peter Winter 22

23 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (6) Funktionalität, Datenflüsse, Systemgrundsätze ETCS deckt universell alle erforderlichen Steuer- und Überwachungsfunktionen für den Reise- und Güter-Verkehr auf HGV-, konventionellen und Regionallinien ab. Die Datenverarbeitung erfolgt so weit wie möglich auf den Fahrzeugen. Dabei bestehen Schnittstellen zum Zug wie auch zur Streckenausrüstung. Die 3 Anwendungsstufen (Level) erlauben ein optimale Anpassung an verschiedene Konfigurationen von Signalanlagen. Die ETCS Spezifikation legt zahlreiche Prinzipien und Verfahren, einschliesslich einer standardisierten EDV- Sprache fest. Diese sind weitgehend unabhängig vom Weg der Datenübertragung (Balisen, Loops oder GSM-R Funk) und damit auch von der Anwendungsstufe, was Umschaltungen zwischen den Levels erleichtert. Datenfluss bei ETCS Level 2 Statisches v Profil Eurobalise Niedrigster Wert GSM-R Primäre Streckendaten Fahrerlaubnis Dynam. v Profil Fahrerlaubnis vom Radioblock Vergleich ETCS Fahrzeuggerät Bremsansteuerg. Fahrstrasse vom Stellwerk Luftspalt Zugdaten Gleisfreimeldung ETCS Streckenausrüstung Peter Winter 23

24 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (7) Möglichkeiten der ETCS Anwendung fahrzeugseitig Bestehende Systeme ETCS Level 1 ETCS Level 1,2 ETCS Level 1,2,3 Die ETCS Fahrzeugausrüstung kann stufenweise von Level 1 zu Level 2 und später zu Level 3 erweitert werden. Zwischen den Leveln besteht abwärts- Kompatibilität. Möglichkeiten der ETCS Anwendung streckenseitig Level 1 Strategie Level 2 Strategie Bestehende Systeme ETCS Level 1 ETCS Level 2 Aussen- Signale Keine Anpassung der Stellwerke erforderlich Bestehende Zugbeeinflussungs-Systeme können parallel weiter betrieben werden Keine Aussen- Signale GSM-R Funk Neue Stellwerke oder Anpassung von bestehenden Stellwerken erforderlich Kein Parallel System vorhanden, alle Züge müssen mit ETCS ausgerüstet sein! Peter Winter 24

25 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (8) Laufende Weiterentwicklung von ETCS: ERTMS Regional In Schweden wird 2010 auf einer 135 km langen Pilotlinie ERTMS Regional, eine Sonderform von ETCS Level 3 in den kommerziellen Betrieb gehen. Infrastruktur-seitig sind die Investitionskosten halb so gross wie für eine konventionelle Ausrüstung. Die Züge weisen eine ETCS Level 2 Ausrüstung auf. Eine technische Einrichtung zur Zugvollständigkeits-Kontrolle erübrigt sich auf Zügen mit Einzelfahrzeugen. Bei längeren Zügen bestätigt der Führer händisch die Zugvollständig-keit vor der Abfahrt (wie in der SRS für ETCS vorgesehen). Die Spezifikation für die signaltechnische Ausrüstung gehört Banverket und steht anderen Bahnen zur Verfügung. GSM-R/ Euroradio Aufsichts- Beamter GSM-R/ GPRS Objekt - Steuerung/ Überwachung Betriebsleitzentrale Stellwerk/ RBC/ Fernsteuerung GSM-R LAN/ WAN Signal Tafeln Zug mit ETCS Level 2/3 Weiche Balisen Peter Winter 25

26 Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control System (9) Laufende Weiter-Entwicklung von ETCS: Neue Basisversion 3.0 der SRS Haupt-Gradmesser für den Entwicklungsstand von ETCS sind die Versionen des System- Lastenheftes (SRS). Für heutige Beschaffungen ist gesetzlich die Version 2.3.0d vorgeschrieben. Im Zusammenhang mit den ERTMS Korridoren ist per 2012 eine weitere, abwärtskompatible Basisversion 3.0 in Erarbeitung. Diese wird einige funktionale Erweiterungen beinhalten. Es handelt sich u.a. um: - Harmonisierte Bremskurven für gemischt zusammengesetzte Güter- oder Reisezüge. Dabei werden Vorgaben für die anzuwendenden Sicherheitsmargen für einem gegebenen Netzteil mittels Eurobalisen auf die Züge übertragen. - Neue Betriebsart Hintergrundüberwachung (Limited Supervision) bei Level 1: Der Führer fährt ausschliesslich mit Zielvorgaben durch die Aussensignale und der Grad der Überwachung durch ETCS wird Infrastruktur-seitig der Wahrscheinlichkeit von Gefährdungen bei Fehlhandlungen des Lokführers angepasst. Damit lassen sich sowohl Investitionskosten bei den Anlagen senken als auch die Kapazität der Anlagen bestmöglich ausschöpfen (Geschwindigkeits-Überwachung ausschliesslich mit Notbremskurven). - Möglichkeit der Datenaktualisierung bei Level 1 mittels GSM-R Funk-Infill. Diese Option ist vor allem für Italien wichtig, wo im konventionellen Netz ein Gleisstromkreis-basiertes Zugbeinflussungs-system (BAAC) verwendet wird. GSM-R Infill wird gestatten, ETCS Level 1 mit adaequater Leistungsfähigkeit parallel zum Altsystem zu installieren. Peter Winter 26

27 Zugkommunikation: GSM-R (1) Anwendungsgebiet, gesetzliche Grundlagen, Spezifikationen Das vom allgemeinen GSM-Standard abgeleitete Digital-Funksystem GSM-R deckt grundsätzlich alle bahndienstlichen Sprach- und Datenkommunikationsbedürfnisse ab. GSM-R ist gleich wie ETCS in der Europäischen Gesetzgebung verankert. Den Bahnen sind die erforderlichen Frequenzbänder (je 4 MHz für Aufund Abwärtsverbindung) im 900 MHz Bereich gesetzlich zugeteilt. Die Spezifikation beruht auf den allgemeinen GSM Grundlagen und einigen speziell für den Bahnbetrieb erforderlichen zusätzlichen Merkmalen wie funktionale Adressierung, standortabhängige Adressierung, Gruppenaufruf, Notruf, definierte Prioritäten für Gruppenaufrufe. Verschiedene Hersteller bieten Produkte für das ortsfeste Netzwerk sowie Mobil- und Handfunkgeräte an. Die Auslastung der GSM-R Netze ist im Allgemeinen klein im Vergleich zu GSM-R. EC Directives es concerning development of railways and Interoperability TSI for Control-Command and Signalling EIRENE and MORANE Specifications ETSI GSM Specifications (Third Generation Partnership Project) Peter Winter 27

28 Zugkommunikation: GSM-R (2) Spezielle Anforderungen für die ETCS Datenübertragung ETCS erfordert eine extrem hohe Verfügbarkeit und Qualität der Datenübertragung. Als Teil von ETCS wurden Euroradio Schnittstellenmodule mit Verschlüsselung der Meldungen zwischen der ortsfesten Ausrüstung und den Zügen entwickelt. Bis heute können die ETCS Meldungen nur auf fest zugeteilten Kanälen übertragen werden, was technisch überholt ist und die begrenzten Frequenz-Ressourcen übermässig beansprucht. Längerfristig ist deshalb auch für die ETCS Anwendung ein frequenzökonomisches Vermittlungsverfahren mit Verschachtelung der Telegramme für mehere Züge auf einem einzigen Kanal unumgänglich. MS 1. Channel 1 GSM-R land mobile network. BTS MS n Packet Switching Mobile stations Base Transceiver Station Peter Winter 28

29 Stand der ETCS und GSM-R Implementierung (1) In Betrieb stehende ETCS Anwendungen in Europa (Stand Ende 2008) Bis heute wurden vor allem nationale Anwendungen ohne internationale Vernetzung realisiert. Das längste ETCS Streckennetz hat Spanien, gefolgt von Italien. Die Schweiz verfügt zur Zeit über mehr als die Hälfte aller mit ETCS (Level 2) ausgerüsteten Fahrzeuge. Land Streckenlänge (km) ETCS Level Lieferant ETCS Strecken Ausrüstung Bulgarien Thales? Deutschland Siemens/Thales 60 Italien Ansaldo STS/ Alstom 150 Luxemburg 162 (inkl. Bhf. Luxemburg) 1 Thales 46 Niederlande 110 2/1 Alstom? Österreich 67 1 Siemens/Thales 12 Schweiz 80 2 Alstom/Thales ca. 600 Spanien 970 2/1 Alstom/Ansaldo STS/Invensys/Thales Ungarn Thales 23 Total ca ca Anzahl Fahrzeuge mit ETCS Des weitern gibt es in allen EU-Mitgliedstaaten mehr oder weniger konkrete Planungen für ETCS Anwendungen. Peter Winter

30 In Betrieb stehende GSM-R Anwendungen in Europa (Stand Ende 2008) Ende 2008 waren ca. 36% ( km) des geplanten GSM-R Netzes im Betrieb Handfunk-geräte und Fahrzeuggeräte waren aktiviert. Die Einführung von GSM-R verläuft zügiger als bei ETCS. Stand der ETCS und GSM-R Implementierung (2) Peter Winter 30

31 Planung für ERTMS Korridore in Europa Es sind 6 Prioritätskorridore geplant. Deutschland ist von 4 Korridoren betroffen. Stand der ETCS und GSM-R Implementierung (3) Peter Winter 31

32 Stand der ETCS und GSM-R Implementierung (4) Realisierte oder im Bau befindliche ETCS Projekte ausserhalb Europa s Ausserhalb Europa s sind ETCS Anwendungen auf ca Strecken km und ca Fahrzeugen im Betrieb oder im Bau. Des weitern gibt es konkrete Planungen für ETCS z.b. in Australien und Neuseeland. Land Streckenlänge (km) ETCS Level Lieferant ETCS Strecken Ausrüstung Algerien 426 1/2 Thales? China /2 Alstom/Ansaldo STS/Bombardier/ Hitachi/Siemens Indien Ansaldo STS 119 Kroatien 34 1 Bombardier? Mexiko 35 1 Thales 20 Saudi Arabien ,2 Siemens/Thales 15 Süd Korea Ansaldo STS/Bombardier 466 Taiwan Bombardier 811 Türkei Ansaldo STS/Thales/Invensys 70 Total ca ca ETCS entwickelt sich zu einem globalen de facto Standard! Anzahl Fahrzeuge mit ETCS 210 Peter Winter 32

33 Stand der ETCS und GSM-R Implementierung (5) Programm für neue Schnellfahrlinien in China China treibt ein gewaltiges Programm für den Bau neuer HGV Linien voran, welche die Provinzstädte mit mehr als Einwohnern vernetzen. Der aktualisierte Mittelund Langfristplan sieht bis km neue HGV Linien vor. Shijiazhuang-Taiyuan 250 DPL 189.9km Zhengzhou-Xian 300 DPL 456.6km Harbin-Dalin 300 DPL 904.5km (under plan) Beijing-Tianjin 300 DPL 115km Beijing-Shanghai 300 High Speed Railway 1300km Wuhan-Guangzhou 300 DPL 968.5km Das chinesische Zugbeeinflussungs- System CTCS übernimmt wesentliche Elemente von ETCS. Nanjing-Hefei- Wuhan 250 DPL km Guangzhou-Shengzheng 300 DPL 105km Peter Winter 33

34 Mit ERTMS erschliessbares Verbesserungspotential (1) Allgemeine Vorteile der Standardisierung Die erwarteten Vorteile der ERTMS Standardisierung stellen sich erst langsam, nach erfolgter Konsolidierung der Spezifikationen, Optimierung der Produkte und Klärung der Einsatzbedingungen ein. Es verfügen erst wenige Länder über optimierte verbindliche Migrationsstrategien. Die technische Interoperabilität wird durch automatisierte Tests im Labor verbessert und deren Nachweis beschleunigt. Für die betriebliche Interoperabilität sind noch grosse Anstrengungen zur Harmonisierung der Betriebs-Verfahren und Vorschriften nötig. Der Wettbewerb zwischen den Herstellern verstärkt sich insbesondere auf den neuen Märkten zunehmend. Hinsichtlich der Sicherheit wurde nachgewiesen, dass sich die hohen gesetzlichen Anforderungen an die Führerstandsignalisierung erfüllen lassen. Für die ETCS- Kernausrüstung wurden einheitliche Kriterien und Verfahren für die Sicherheitsnachweise festgelegt. Es sind noch Anstrengungen zur Harmonisierung der nationalen Sicherheits- Anforderungen für die Einbettung von ETCS in die umgebenden, europäisch noch nicht standardisierten Systeme erforderlich. Peter Winter 34

35 Mit ERTMS erschliessbares Verbesserungspotential (2) Maximale Nutzung der Streckenleistungsfähigkeit Im Auftrag der UIC hat das VIA der RWTH Aachen für typische Streckenkonfigurationen und Betriebsprogramme untersucht, wie sich die verschiedenen Anwendungskonfigurationen von ETCS auf die Streckenleistungsfähigkeit auswirken. Die nachstehende Figur zeigt das Beispiel einer konventionellen Hauptlinie mit vmax 160 km/h. Die markantesten Leistungs- Steigerungen im Vergleich zum Level 1 lassen sich mit Level 1 Limited Supervision (+11%), Level 2 mit optimierter Blockunterteilung (+37%) sowie mit dem Level 3 (+42%) erzielen. [%] ,3 142, ,8 104,3 100,0 101,6 103,1 105,2 95 Level 1 with limited supervision Level 1 (service brake not available) Level 1 Level 1 with a second infill balise (400 m ahead of the main signal) Level 1 with infill-loop/ radio-infill Level 2 Level 2 with optimised block sections Level 3 ETCS application configuration Peter Winter 35

36 Mit ERTMS erschliessbares Verbesserungspotential (4) Kosten, Wirtschaftlichkeit Die UIC ermittelt seit 2008 systematisch die Lebenszyklus-Kosten der ETCS Anwendungen verschiedener Bahnen. Für gewisse Infrastruktur Projekte ist der Anteil der Entwicklungs-Kosten sehr hoch (50% im ersten Jahr). Bei einem typischen Projekt zur Neu-Ausrüstung von Fahrzeugen liegt dieser Wert bei 10%. Die nordischen Bahnen (Schweden, Norwegen) haben bewiesen, dass sich mit gemeinsamen massierten Beschaffungen von Fahrzeug- Ausrüstungen die Kosten erheblich senken lassen. Kosten für die Zug- Beeinflussungs-Systeme einer Mehrsystem - Lok für den Korridor A Rotterdam Genua. Die Kostenanteil der Alt- Systeme beträgt ca. 72%. Am teuersten ist das SCMT (I). ETCS (NL, CH) hat einen Kostenanteil von ca. 28%. Die gesamte Ausrüstung für die Zugbeeinflussung macht ca % der totalen Fahrzeugkosten aus! Peter Winter 36

37 Schlussfolgerungen, Ausblick (1) Zukunftsperspektiven für GSM und GSM-R GSM hat eine über 2025 hinaus gesicherte Zukunft vor sich, wobei der Trend zu höherer Datenübertragungsraten die Hardware und Software der ortsfesten Netzausrüstung verändern wird. Für GSM-R sind Ausweitungen der Anwendungen z.b. Ersatz der traditionellen festen Kommunikationsnetze, Kommunikation mit Notsprechstellen und Baudienst Gruppen, Flottenmanagement vorgezeichnet. An Stelle der Zuteilung von festen Übertragungskanälen werden auch für die ETCS Kommunikation mehrere Züge über den gleichen Kanal angesteuert werden. In der Vergangenheit erfolgte die Weiterentwicklung der GSM Netzwerke primär Technologie orientiert. Neuerdings macht sich eine Gruppe von namhaften Netzwerkbetreibern für ein Next Generation Mobile Networks Projekt stark, welches sich mehr an den vorhersehbaren künftigen Kundenanforderungen (insbesondere dem Bedürfnis nach Breitband-Datenübertragung) orientiert und Lösungen bevorzugt, welche sich ohne grosse Brüche aus den bestehenden Systemen heraus realisieren lassen. Diese langfrist Weiterentwicklung von GSM (Long Term Evolution LTE) stellt auch für GSM-R eine äusserst interessante Zukunftsperspektive dar. Peter Winter 37

38 Schlussfolgerungen, Ausblick (2) Erreichter und formell auf 2012 beschlossener Entwicklungs-Stand für ETCS Mit der aktuellen ETCS Systemversion 2.3.0d (d steht für debugged ) liegt eine solide Basis zur Sicherstellung der Interoperabilität vor. Die in Arbeit stehende neue Basisversion 3.0 wird einige zusätzliche Funktionalitäten bringen, welche vor allem für den gemischten Verkehr auf konventionellen Hauptlinien erforderlich sind. Damit erfüllt sich die ursprüngliche Vision der UIC bezüglich universeller Funktionalität weitgehend. Ein weiterer markanter Schritt in der Systementwicklung erfolgt nächstes Jahr mit der Inbetriebnahme von ERTMS Regional auf einer schwedischen Pilot-Linie. Längerfristige Perspektiven für die Streckenausrüstung Für die Streckenausrüstung zeichnen sich mittel- und längerfristig folgende Notwendigkeiten ab: - Harmonisierung und Re-engineering im Bereich der Signaltechnik mit INESS. Einheitliche Open-Source Software für die Kernfunktionen? - Harmonisierung der Betriebs- und Sicherheitsanforderungen Peter Winter 38

39 Schlussfolgerungen, Ausblick (3) Längerfristige Perspektiven für die ETCS Fahrzeugausrüstung - Aus Sicht der Fahrzeugbetreiber ist eine weitergehende Standardisierung der ETCS Fahrzeugausrüstung unumgänglich. Dies wird sowohl die Beschaffung als auch den Unterhalt dieser Ausrüstungen vereinfachen und verbilligen. Die Initiative der DB für eine Open-Source Fahrzeugausrüstung zielt in diese Richtung - Von strategischer Bedeutung ist die universelle Einführung des Levels 3 für alle Verkehrsarten. Hierzu ist die Entwicklung von technischen Einrichtungen zur Zugvollständigkeitskontrolle voranzutreiben - Falls es gelingt, gewisse Schnittstellen (z.b. zu Kommunikations- und Ortungssystemen, Streckendateien usw.) universeller zu gestalten bzw. neu einzuführen, hat das ETCS Fahrzeuggerät ein grosses Zukunfts-Potential für weltweite Anwendungen. Peter Winter 39