Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen

Transkript

1 Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen Dipl.-Ing. Markus Pelz Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung, DLR e.v.

2 Inhalt Vorstellung DLR-IFS Motivation Problembeschreibung Kausale Analyse und Sicherheitsschichten Technologiestand Technologieentwicklung Ausblick und Zusammenfassung Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 2

3 Kurzer Lebenslauf Markus Pelz Verkehrsingenieurwesen an der TU Dresden (VIW 99) Vertiefung Verkehrstelematik Professur für Verkehrssicherungstechnik Studien- und Diplomarbeit bei der Scheidt & Bachmann GmbH Seit Februar 2005 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Meine Aufgaben Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung (FS bald TS) Bereich Bahnsysteme Betriebliche Einbindung optischer Sensoren für sicherheitsrelevante Aufgaben im Bahnbereich Alles rund um das Thema Bahnübergang Sicherheitsnachweisführung technischer Systeme Betreuung von Studenten, Promovieren, Veröffentlichungen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 3

4 Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung

5 Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. in der Helmholtz-Gemeinschaft Forschungsbereiche Luftfahrt Raumfahrt Energie Verkehr Das DLR in Zahlen Gesamtbudget: Mio. Euro Mio. Euro Wissenschaftliche Kompetenz: über MitarbeiterInnen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 5

6 Schwerpunkt Verkehr Beteiligte Institute Institut für Verkehrsforschung Projekt Verkehrsstudien DNW Hamburg Trauen Braunschweig Neustrelitz Berlin-- Adlershof Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung Göttingen Köln-Porz Bonn St. Augustin Institut für Fahrzeugkonzepte sowie 21 weitere Institute aus den Bereichen Luftfahrt, Raumfahrt und Energie Darmstadt Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 6

7 Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung Sitz: Braunschweig, Berlin Seit: 2001 Leitung: Prof. Dr.-Ing. Karsten Lemmer Mitarbeiter: Momentan etwa 100 Mitarbeiter aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen Aufgabenspektrum Grundlagenforschung Erstellen von Konzepten und Strategien Prototypische Entwicklungen Forschungsgebiete Automotive Bahnsysteme Verkehrsmanagement Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 7

8 Forschungsaktivitäten Automotive Human Factors Konzepte und Technik FAS Ergonomie Technik FAS Methoden und Werkzeuge Simulatoren Fahrzeuge Task Force Ortung Bahnsysteme Betriebsführung Technik Betriebswissen schaften Life Cycle Management/ Migration Task Force Sicherheit Zugbeeinflussung, ETCS, Testen, RailSiTe Stellwerke Verkehrsmanagement Verkehrserfassung Floating Car Data Messstrecke Bild- und Signalverarbeitung Verkehrsbeeinflussung Für Katastrophen und Großereignisse Simulation Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 8

9 Bereich Bahnsysteme Aufgaben / Projekte aus dem Bereich Sicherheit Analyse Sicherungssysteme mit Fehler, Möglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) Identifikation von Unfallursachen mit Why-Because-Analyse (WBA) Sicherheitsnachweisführung für Schienenfahrzeuge Cross Acceptance von sicherheitsrelevanten Applikationen Zertifizierungsrichtlinie für GNSS Forschung für eine wirtschaftliche Sicherheitsnachweisführung Stellwerkssimulation im RailSiTe Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 9

10 Forschungsinfrastruktur Bereich Bahnsysteme RailSiTe Rail Simulation and Testing Vom Stellwerksbediener Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 10

11 Forschungsinfrastruktur Bereich Bahnsysteme RailSiTe Rail Simulation and Testing über Strecke und Zugdynamik Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 11

12 Forschungsinfrastruktur Bereich Bahnsysteme RailSiTe Rail Simulation and Testing zum Bahnübergang und Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 12

13 Forschungsinfrastruktur Bereich Bahnsysteme RailSiTe Rail Simulation and Testing bis hin zum Triebfahrzeugführer Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 13

14 Inhalt Vorstellung DLR-IFS Motivation Problembeschreibung Kausale Analyse und Sicherheitsschichten Technologiestand Technologieentwicklung Ausblick und Zusammenfassung Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 14

15 Motivation Hohe Stückzahl an Bahnübergängen (BÜ) Nicht technisch gesicherte BÜ Technisch gesicherte BÜ Vielzahl von Vorfällen an BÜs Schaden an Material Verletzung / Tod von Menschen Viele Unfälle entstehen durch Missachten von Regeln Nicht-Erkennen eines Hindernisses Keine Gefahrenraumfreimeldung bei Halbschrankenanlagen und/oder Lichtzeichenanlagen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 15

16 Zielstellung Aufgaben für die Forschung Zukünftige BÜ Sicherungssysteme Im Sinne der Europäischen Harmonisierung Hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Redundanz Muss den rauen Gegebenheiten standhalten Bei Wind und Wetter Unterstützung menschlicher / technischer Funktionalitäten Sicherheitstechnik wie heute bezahlbare Sicherheit Zielstellung Identifikationen von Verbesserungen Für einen höheren Level an Sicherheit, wo benötigt Für einen einfachen Weg der Zulassung, wo benötigt Für bessere betriebliche Eigenschaften Für mehr kosteneffiziente Lösungen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 16

17 Vorgehen Entwicklungsphasen Unfälle am BÜ Neues Sicherungssystem Reale Welt Problembeschreibung Kausale Analyse Sicherheit Kosten Sicherheitsschichten identifizieren Technologie-Entwicklung Sicherheitsschichten vergleichen Abstraktion Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 17

18 Problembeschreibung

19 Eigenschaften Schienenverkehr allgemein Bisher keine fahrzeugautarke Ortung und Kollisionsvermeidung Ortung der Züge streckenseitig hohe Wartungskosten Bahnübergang allgemein Geringe Sichtweiten lange Bremswege, niedrige Streckengeschwindigkeit Einschaltung und Freigabe durch Ortung der Schienenfahrzeuge Überwiegend keine Ortung oder Detektion anderer Verkehrsteilnehmer im Gefahrenraum Kollision Unterschied Zusammenstoß und Zusammenprall Kollisionen Schienenfahrzeug gegen Schienenfahrzeug und Schienenfahrzeug gegen Straßenfahrzeug Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 19

20 Ist-Stand Gefahrenraumüberwachung Gefahrenraumüberwachung / -freimeldung In Deutschland bei Vollschrankenanlagen Pflicht Keine Information bei anderen BÜ-Typen Automatisch System von Honeywell RADAR Sehr teuer Durch Fahrdienstleiter / Schrankenwärter Durch Hinsehen vor Ort Durch (Fern-) Beobachten mittels Videoübertragung Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 20

21 Ist-Stand Überwachungsarten Bahnübergangssicherung Hauptsignalabhängig überwacht (Hp) Einschaltung durch das Stellwerk Signalabhängigkeit BÜ muss gesichert sein Prinzip: stellen - überprüfen fahren Fernüberwachung (Fü) Einschaltung durch den Zug Überprüfung des Zustandes im Stellwerk Fdl Prinzip: einschalten - fahren - überprüfen Überwachungssignal (ÜS) Einschaltung durch den Zug Überprüfung des Zustandes im ÜS Fahrer Prinzip: fahren einschalten überprüfen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 21

22 Ist-Stand Einschaltarten Bahnübergangssicherung bei 120 km/h Hp platform braking distance = 1000 m different distance point of activating LC > 1500 m Fü point of activating LC = 1000 m ÜS point of activating LC ~ 1333 m braking distance = 1000 m Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 22

23 Kausale Analyse des Bahnsystems, Definition Sicherheitsschichten

24 Sicherheitsschichten Wahrung der Sicherheit eines Systems Jedes System hat ein Sicherheitskonzept zur Wahrung der jeweiligen Sicherheit. Fehler Sicherheitsschichten existieren zum Schutz des Systems und der ihm ausgesetzten Menschen Mindern der Risiken Abwenden von Gefahren Abfangen von Fehlern Verhindern von Unfällen Absolute Sicherheit ist nicht erreichbar. Jedes Sicherheitskonzept, jede Sicherheitsschicht hat Lücken. Unfall Sicherheitsschichten Gefahren Versagen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 24

25 Schweizer-Käse-Modell Darstellung der Schichten und ihrer Lücken Schweizer-Käse-Modell von James Reason mehr als ein einzelner Fehler, damit es zu einem Unfall kommt Käsescheibe = Schutzschicht / Sicherheitsschicht Löcher im Käse = Lücken Unfall Pfad der Lücken Pfad der Lücken muss sämtliche Sicherheitsschichten durchstoßen, bevor es zu einem Unfall kommen kann Pfad der Lücken zeigt, an welchen Stellen das Sicherheitskonzept Schwachstellen hat Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 25

26 Unfallursachenanalyse Why-Because-Analyse Why-Because-Analyse (WBA) streng kausale Argumentation graphische Darstellung für heterogene Systeme geeignet einfach zu verstehen Vorgehensweise WBA zu untersuchendes Ereignis (Unfall) festlegen Fakten zusammenstellen (List of Facts) Why-Because-Graph (WBG) erstellen Vollständigkeit überprüfen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 26

27 Unfall am Bahnübergang Why-Because-Graph (WBG) Grundursachen 0 Zusammenprall Zug-LKW am BUE 6 LKW auf BUE verkeilt 11 Trotz Schnellbremsung kein Stehenbleiben 7 Schranke zwischen LKW und Anhaenger 9 Spaete Schnellbremsung (90m) 16 Hohe Fahrtgeschwindigkeit 3 Absenkende Halbschranken 18 Kupplung unter Schranke 10 Sicht auf BUE (180m) 12 Tf erhaelt keine rechtzeitige Meldung ueber BUE-Blockierung 14 LKW faehrt sich unguenstig an Leitplanke fest 1 Kurve vor dem BUE 17 Bewaldung an der Streckentrasse 4 Fernueberwachter BUE 19 Keine Gefahrenraumueberwachung 2 Erlaubte Hoechstgeschwindigkeit (120 km/h) 5 LKW mit Anhaenger (19m lang) 8 Enge Rechtskurve fuer LKW (Strassenseite) 13 Geometrie Strasse-BUE 15 Falsche Einschaetzung des Kurvenradius Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 27

28 Ist-Stand der Technologien

29 Anforderungen an ein Kollisionsvermeidungssystem Bahnübergangssicherung Reduzierung der Unfallzahlen 1/3 aller Bahnunfalltoten am BÜ 1 Verringerung des Schadensausmaß Verringerung Wartezeiten Wegoptimale Anmeldung Ortung der Schienenfahrzeuge Hohe Ortungsgenauigkeit 1 m bei Querrichtung 5 m bei Längsrichtung Funktionsfähig trotz Abschattung (z. B. Tunnel, Wald etc.) 1 Im Jahr 2005 in der EU, laut Eurostat 2007 Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 29

30 Ortungssensoren Ist-Stand heute Streckenseitig Gleisstromkreise Achszähler Balisen Fahrzeugseitig Wegimpulsgeber / Odometer Radar Balisenleser (GPS) Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 30

31 Anwendungen GNSS bei der Bahn Beispiele Praxis Vermessung Oberbau Frachtverfolgung Etc. Beispiele Forschung Kollisionsvermeidungssystem Wegmessung ETCS Etc. Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 31

32 Anwendungen Bild gebender Verfahren bei der Bahn Beispiele Praxis Gefahrenraumbeobachtung Zugschlussbeobachtung Zugabfertigung durch den Fahrer Beispiele Forschung Oberleitungsbeobachtung Hinderniserkennung Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 32

33 Lösungsstrategie Kombination verschiedener Sensoren Vorhandene und preiswerte Technik nutzen Unterstützung herkömmlicher Sicherungstechnik Ergänzende Verfahren basierend auf Satellitentechnik Bild gebende Verfahren, Optische Sensoren Vorteil von GNSS und optischen Sensoren verfügbar, preiswert, vielfach einsetzbar, kombinierbar Nachteil von GNSS und optischen Sensoren einzelne Sensoren nicht hinreichend zuverlässig / sicher Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 33

34 Technologie-Entwicklung

35 GNSS und optische Sensoren zur Ortung Sichere und zuverlässige fahrzeugautarke Ortung Lösung Sensordatenfusion von GNSS und optischen Sensoren, sowie einer digitalen Karte Gleislängsortung mit Hektometertafeln Gleisquerortung durch Gleiserkennung 24 2 D 1 2 Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 35

36 GNSS zur Kollisionsvermeidung Railway Collision Avoidance System (RCAS) Alert! Beide Züge Bestimmen ihre Position und ihren Bewegungsvektor Verteilen sie (Broadcast) Erkennen drohende Kollisionen lösen entsprechende Reaktionen aus Erhöhung der Sicherheit auf Strecken mit manuellem Betrieb und bei Bauzuständen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 36

37 Optische Sensoren zur Kollisionsvermeidung Gefahrenraumüberwachung Situation Bahnübergang gesichert mit Halbschranken, Lichtzeichen und Andreaskreuz KEINE Gefahrenraumüberwachung. Kamera 1 Gefahrenraum Lösungsvorschlag Zwei Kamera-System Unterstützung der bestehenden Sicherungstechnik Eine Kamera an jeder Schrankenseite Jedes Kamerasystem verfügt über Sichtbarem Bereich (Video) und Nicht-sichtbarem Bereich (Infrarot) Kamera 2 Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 37

38 GNSS und optische Sensoren zur Kollisionsvermeidung Einschaltung und Aktivierung Betriebliche Integration Einschaltung durch genaue Ortung und Funkübertragung Reduzierte Wartezeit und Akzeptanzsteigerung (Optimierte Einschaltung) Aktivierte Erkennung von Gegenständen im Gefahrenraum Warnung oder automatisiertes Bremsen Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 38

39 GNSS und optische Sensoren zur Kollisionsvermeidung Warnung und Ausschaltung Ausgabemöglichkeiten (Warnung) Warnung an Fahrdienstleiter ( sehr lange Reaktionszeit) Warnung an den Triebfahrzeugführer ( Human Faktoren, Gewerkschaft etc.) Automatisches Bremssystem basierend auf RCAS 1 ( Sichere Übertragung!) Zugschlusserkennung zur Ausschaltung der BÜ-Sicherungstechnik Fahrdienstleiter 1 Railway Collision Avoidance System Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 39

40 Verifikation

41 Unfall am Bahnübergang Pfad der Lücken Pfad der Lücken Pfad der Lücken Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 41

42 Unfall am Bahnübergang Grundursachen Sicherheitsschichten Eliminieren eines kausalen Faktors verhindert das Eintreten des übergeordneten Knotens verhindert diesen Unfall oder verringert das Schadensausmaß entspricht dem Schließen einer Lücke in einer Sicherheitsschicht Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 42

43 Ausblick und Zusammenfassung

44 Ausblick Aufstellen von Betriebsszenarien inkl. Rückfallebenen Messkampagnen und Entwicklung der Technik Vergabe von Studien- und Diplomarbeiten und Praktikumsstellen (siehe Angebote) Kontakte zu Herstellern und Anwendern weiter ausbauen Benötigte Demonstratoren Kamerasensoren am Bahnübergang Kamerasensoren an Bord eines Zuges Bahnübergang vom RailSiTe RailDriVE Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 44

45 RailDriVE Demonstrator für Ortung Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 45

46 Zusammenfassung Das Eisenbahnsystem ist eines der sichersten Verkehrssysteme. Absolute Sicherheit ist nicht möglich. Verbesserung gegenüber dem Ist-Stand ist stets möglich. GNSS wird im Bahnbereich zukünftig auch für sicherheitsrelevante Aufgaben eingesetzt. Optische Sensoren können sicherheitsrelevante Aufgaben unterstützen. Mit einem Sensorverbund aus GNSS und optischen Sensoren werden Techniken und Verfahren sicherer und zuverlässiger Redundanz Fahrzeugautarke Ortung umsetzbar Kosten eingespart Für optimale Forschung wird eine Demonstrationsplattform benötigt, um ein realistisches Testumfeld zu erhalten. Ergebnisse aus ersten Tests werden weitere Ansätze identifizieren. Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 46

47 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Markus Pelz, Tel.: oder im Internet: ab dem heißen wir Institut für Verkehrssystemtechnik! Entwicklung einer Gefahrenraumfreimeldeanlage zur Kollisionsvermeidung an Bahnübergängen > 47