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Zugsicherungssysteme

Zugsicherungssysteme sind Einrichtungen zur Sicherung von Zugfahrten einer Bahn . Erste Zugsicherungssysteme bestanden in Eisenbahnsignalen die lediglich Informationen an den Fahrzeugführer übermittelten.
Bei geringen Geschwindigkeiten ist die Sicht-Fahrt wie bei Straßenbahnen möglich. Bei diesen kommen als technische Zugsicherung meistens Fahrsperren an Weichen als besonderen Gefahrenpunkten zum Einsatz
Bei höheren Geschwindigkeiten muss eine Fahrt im Raumabstand bzw. in Streckenabschnitten erfolgen. Der Triebfahrzeugführer wird dabei von einer übergeordneten Fahrdienstleitung mit den Signalen über die zu erwartenden Bedingungen auf dem vorausliegenden Streckenabschnitt informiert. Gegebenenfalls kann und muß der Triebfahrzeugführer je nach den gegebenen Signalen vorausschauend die Fahrt regulieren.

Weiterentwickelte Systeme griffen dagegen in den Fahrbetrieb direkt ein indem sie etwa bei Missachtung von Signalen durch eine mechanische Einrichtung am Zug eine selbsttätige Bremsung auslösten. Solche Zugsicherungssysteme wurden in größerem Stil nach dem zweiten Weltkrieg eingeführt als der Eisenbahnverkehr stark zunahm und die Gefahr von Kollisionen durch Nichtbeachten von Signalen wuchs.
Solche Systeme sind zum Teil noch bei S-Bahnen in Betrieb. Die ältesten noch im Gebrauch stehenden Systeme können nur die beiden Informationen Warnung und Halt auf das Triebfahrzeug übertragen. Die Übertragung erfolgt an den Punkten wo die Empfangseinrichtungen im Gleis eingebaut sind. Deshalb werden diese Systeme auch Zugsicherungen mit punktförmiger Zugbeeinflussung genannt.

Mit zunehmender Dichte des Zugverkehrs wurde es erforderlich die freie Strecke zwischen zwei Bahnhöfen in zahlreiche Streckenblöcke zu unterteilen. Jeder Streckenblock wird dabei am Anfang und Ende durch Signale mit Zugbeeinflussungsmöglichkeit wie z.B. der Indusi gesichert. Zusätzlich und unabhängig erfolgt auch eine ständige Kontrolle des Triebfahrzeugführers mit PZB . Mit weiter zunehmender Zug-Geschwindigkeit wurde die Zugsteuerung auf freier Strecke auf eine direkte funkgesteuerte Beeinflussung des Triebfahrzeugs verlagert. Mit Hilfe von Sende-Kabeln können kontinuierlich Information auf den fahrenden Zug übertragen werden. Diese Systeme werden deshalb Linienförmige Zugbeeinflussung ( LZB ) genannt.
Diese wird übrigens jetzt auch bei U-Bahnen verwendet mit dem projektiven Ziel der führerlosen U-Bahn.


Indusi PZB - Punktförmige Zugbeeinflussung

Die Punktförmige Zugbeeinflussung kurz PZB ist ein Zugsicherungssystem . Mit ihrer Hilfe kann effektiv die Nichtbeachtung oder Falscherkennung von Signalen durch den Lokführer verhindert werden.

Technisch besteht die PZB aus streckenseitigen Einrichtungen an den Signalen und lokomotivseitigen Einrichtungen zwischen denen die Informationsübertragung im Vorbeifahren geschieht.

Bei dem in Deutschland und Österreich gebräuchlichen System befindet sich an der Lokomotive eine Sendespule die von einem Schwingkreis mit den drei überlagerten Frequenzen 500 1.000 oder 2.000 Hz gespeist wird. Im Gleis befinden sich Spulen mit passiven Schwingkreisen die je nach Funktion auf eine der drei oben genannten Frequenzen abgestimmt ist.

Bei Überfahrt über einen "scharfen" Gleismagneten (die Schwingkreise werden fälschlicherweise oft als "Magneten" bezeichnet) kommt es durch Resonanzwirkungen zu einem Spannungsabfall im Lokomotivschwingkreis der registriert und verarbeitet wird. Gleismagneten die nicht "scharf" sind haben kurzgeschlossene Schwingkreise so dass keine Beeinflussung der Lok erfolgt.

Die Informationen der einzelnen Schwingkreisfrequenzen sind:

•     1000 Hz - Warnung am Vorsignal

•     500 Hz - Vmax 65 km/h

•     2000 Hz - Halt

Beim Passieren eines Warnung zeigenden Vorsignals erfolgt eine 1000 Hz Beeinflussung des Lok-Schwingkreises. Der Lokführer muss innerhalb von 4 Sekunden eine Quittiertaste drücken. Hierdurch bestätigt er dass er das (Vor-)Signal an dem der Magnet lag erkannt hat und nun falls erforderlich eine Bremsung einleitet. Vergisst er diese Bestätigung erfolgt eine Zwangsbremsung des Zuges.

Zusammen mit der Beeinflussung wird auch ein Countdown ausgelöst nach dessen Ablauf der Zug eine je nach Zugart festgelegte Geschwindigkeit unterschritten haben muss sonst erfolgt auch hier eine Zwangsbremsung.

Kurz vor einem Haltzeigenden Signal wird durch einen 500 Hz Magneten eine zusätzliche Geschwindigkeitsprüfung ausgelöst da der Countdown u.U. nicht ausreicht um einen Zug sicher zum Stehen zu bringen.

Am Haltsignal selbst liegt ein 2000 Hz Magnet der in jedem Fall eine Zwangsbremsung auslöst um Züge die trotz der beiden vorherigen Prüfungen doch noch das Signal überfahren haben rechtzeitig vor dem abzusichernden Gefahrenpunkt zu stoppen.

Erweiterung der PZB-Funktionalität
Das obengenannte Verfahren ist die grundlegende Funktionalität der PZB um einen Zug vor einem Signal rechtzeitig zum Stehen zu bringen die fahrzeugseitige Technik wurde 1954 von der damaligen Deutschen Bundesbahn als Indusi I 54 standardisiert (erste Prototypen der damals noch als "Induktive Zugsicherung" bezeichneten Technik wurden bereits in den 30er Jahren entwickelt und im Versuchsbetrieb eingesetzt). Das System I 54 und dessen Nachfolger I 60 erwiesen sich jedoch stellenweise als noch unzulänglich so dass im Laufe der Jahre immer wieder nachgebessert und neue Funktionen integriert wurden:

Indusi I 60R
Während die I 54/60 noch fast ohne elektronische Bauteile auskam hielt mit der I 60R die Mikroprozessortechnik Einzug in die Bahnsicherungssysteme. Hierdurch wurde es möglich die Geschwindigkeit nicht nur zu bestimmten Zeit- bzw. Wegpunkten zu überwachen sondern kontinuierlich in Form einer Bremskurve während der Zug sich auf das Signal zubewegt. Wenn diese Kurve zu irgendeinem Zeitpunkt überschritten wird löst die I 60R eine Zwangsbremsung aus.

PZB90
Nach schweren Geburtswehen war Mitte der 90er Jahre das neue System PZB90 fertig das im Netz der Deutschen Bahn AG inzwischen für alle schnellfahrenden Triebfahrzeuge vorgeschrieben ist. Neu bei der PZB90 ist ein restriktiver Modus der als Reaktion auf die Eisenbahn-Unglücke in Rüsselsheim und Garmisch-Partenkirchen entstand: Hierbei war es jeweils zu der Situation gekommen dass ein Zug vor einem roten Signal am Bahnsteig hielt der Lokführer dann aber das rote Signal vergaß beschleunigte und über das Signal hinausfuhr. Der restriktive Modus verhindert dies indem er auf besonders niedrige Geschwindigkeiten überprüft wenn ein Zug auf ein rotes Signal zufährt und dann anhält. Der Lokführer darf sich aus dem restriktiven Modus befreien wenn er die Grün-Stellung des Signals zweifelsfrei erkannt hat. Ab der Software-Version 1.6 der PZB90 wurden die Prüfgeschwindigkeiten verschärft - statt 95 km/h nach 20 Sekunden müssen nun beispielsweise 85 km/h nach 23 Sekunden unterschritten sein. Diese neuen Prüfwerte wurden aufwändig mit einem Verkehrsfluss-Simulationsprogramm bestimmt und sollen einen optimalen Kompromiß zwischen Verkehrsfluss und Sicherheit darstellen.


LZB - Linienförmige Zugbeeinflussung

Die Linienförmige Zugbeeinflussung kurz LZB gehört zu den auf schnellfahrenden (v > 160 km/h) Lokomotiven eingebauten Zugsicherungssystemen .

Im Unterschied zur Punktförmigen Zugbeeinflussung ermöglicht die LZB eine kontinuierliche Überwachung von Geschwindigkeit und Bremsverhalten. Dies ist notwendig da Züge die schneller als 160 km/h fahren nicht mehr innerhalb des Regelbremswegs von 1.000 m zum Stehen gebracht werden können. Da der Lokführer ab einer Geschwindigkeit von 160km/h nicht mehr auf Halt-Signale rechtzeitig reagieren kann wird der Zug von einem LZB-Zentralrechner überwacht und bei Gefahr abgebremst. Die LZB zeigt dem Lokführer die Stellung des nächsten Signals bzw. den nächsten Geschwindigkeitswechsel bis zu 10 km (bei manchen Bauarten auch mehr) im Voraus an. In Verbindung mit der Automatischen Fahr-Bremssteuerung AFB ist auf diese Weise eine vollautomatische Steuerung des Zuges möglich. Die Rolle des Lokführers beschränkt sich dann im wesentlichen auf die eines Beobachters. In einem LZB überwachten System können Züge in einem dichteren Abstand fahren.

Die fahrzeugseitige Ausrüstung für den LZB-Betrieb besteht in Deutschland aus folgenden Komponenten:

•     LZB-Fahrzeugrechner (redundantes 2 von 3 Rechnersystem)

•     Sende-/Empfangsantennen

•     Wegsensorik: Wegimpulsgeber/Beschleunigungsmesser

•     Bremswirkgruppe

•     Zugdateneinsteller

•     Modulare Führerstands Anzeige (MFA)

Streckenseitig werden folgende Einrichtungen benötigt:

•     LZB-Zentralrechner

•     Linienleiterschleifen im Gleis mit je einem Streckenrechner

•     Zusätzliche LZB-Signalisierung (v.a. Bereichskennzeichen)

Die Linienleiterschleife besteht aus einem Koaxialkabel . Das Kabel wird als Schleife an einer Schiene und an der Mitte des Gleises verlegt. Zusätzlich wird die Linienleiterschleife alle 100m gekreuzt. Dieser Ort wird auch als Kreuzungstelle bezeichnet. Maximal können 126 Kreuzungstellen pro Linienleiter gelegt werden wodurch sich eine maximale Linienleiterlänge von 12700m ergibt.

Eine LZB-Strecke besteht aus mehreren nacheinander verlegten Linienleitern. Der Übergang von einem Linienleiter zum nächsten wird als BKW (Bereichs-Kennungs-Wechsel) bezeichnet. Jedem 100m-Sektor wird eine Fahrortnummer zugewiesen (1 bis max. 127 in der Betriebsart Aufwärtszählend oder 255 bis min. 129 in der Betriebsart Abwärtszählend).

Außerdem dienen die Kreuzungsstellen zur Korrektur von Wegmessfehlern des Zuges die durch Ortungsfehler der Wegsensorik entstehen.

Der Zentralrechner und die Fahrzeugrechner sind über elektromagnetische Kopplung über Linienleiter und Sende-/Empfangsantennen verbunden.

Aus den vom Zug mitgeteilten Zugdaten dem Streckenprofil und dem momentanen Zustand der Strecke (Weichen-/Signalstellungen) errechnet der Zentralrechner für jeden Zug in seinem Bereich individuelle Informationen (Fahrbefehle) über Höchstgeschwindigkeit Bremskurven Länge der freien Strecke Zielgeschwindigkeit sowie weiterer Informationen für den Lokführer und sendet sie über den Linienleiter an den Fahrzeugrechner.

Von dem Zentralrechner werden LZB-Telegramme (Aufruftelegramme einer Länge von 83 5Bit mit einer Übertragungsrate von 1200Bd) zum Linienleiter gesendet. Ein Zug fährt über eine Voreinstellschleife (50 oder 100m lang) und empfängt Voreinstelltelegramme. Ab der sich an der Voreinstellschleife anschließenden Linienleiterschleife wird das Einfahrorttelegramm vom Fahrzeug empfangen und mittels Antworttelegramm (41 5Bit mit einer Übertragungsrate von 600Bd) an den Zentralrechner beantwortet. Worauf dieser beginnt Kommandotelegramme an diesen Zug zu senden. Das Fahrzeug wechselt in den LZB-Betrieb und antwortet alle 70ms auf jedes Kommandotelegramm mit einem von 4 möglichen Antworttelegrammen.


ETCS - European Train Control System

Die Abkürzung ETCS steht für European Train Control System . Es soll die Vielzahl der in den europäischen Ländern eingesetzten Zugsicherungssysteme ablösen und so eine dichte schnelle und grenzüberschreitende Zugführung in ganz Europa ermöglichen. Es soll mittelfristig im Hochgeschwindigkeitsverkehr Verwendung finden und langfristig im gesamten europäischen Schienenverkehr umgesetzt werden. Seit 2000 wird der Betrieb auf Teststrecken der Deutschen Bahn AG Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) und Österreichischen Bundesbahn (ÖBB) getestet.

Geschichte

Um einen sicheren und reibungslosen Zugverkehr zu gewährleisten sind Zugsicherungssysteme notwendig. In Europa haben sich 14 Arten entwickelt die teilweise nebeneinander und länderabhängig eingesetzt werden und untereinander nicht kompatibel sind. Im grenzüberschreitenden Verkehr müssen daher Triebfahrzeuge mit einem oder evtl. mehreren Zugsicherungssystemen des Gastlandes ausgerüstet sein. Ist das nicht der Fall muss ein Wechsel des Triebfahrzeuges vorgenommen werden der zeit- und kostenaufwendig ist.

Aus Bestrebungen zur Verkürzung der Grenzaufenthaltszeiten entwickelte sich seit Anfang der 90er das Konzept eines einheitlichen Zugsicherungssystems. Seit 1996 wurde auf Grundlage der EU-Richtline 96/48 zur Interoperabilität des europäischen Hochgeschwindigkeitssystems das Zugsicherungssystem ETCS und das mobilfunkbasierte Kommunikationssystem GSM -R ( Global System Mobile - Railways ) entwickelt. Die Internationalen Eisenbahnunion ( UIC Union internationale des chemins de fer ) hat durch das European Rail Research Institute (ERRI) Spezifikationen für ETCS erarbeiten lassen. Seit 1999 wird ETCS von mehreren Bahngesellschaften getestet.

Ziele

Die Einführung des ETCS soll nicht nur die Zugsteuerung und -sicherung zusammenfassen und intelligenter machen sondern auch

•     Kosten für Instandhaltung und Betrieb von ortsfesten Anlagen (z.B. Signalen) sparen

•     die Vielzahl nationaler Zugsicherungssysteme im Hochgeschwindigkeitsverkehr ablösen und dadurch

•     zur Interoperabilität der europäischen Hochgeschwindigkeitsstreckennetze führen

•     die Streckenkapazität steigern

•     die Streckengeschwindigkeit steigern

Funktion

ETCS übernimmt mehrere Funktionen. Es fasst die bisher getrennte Sicherung ( Signale ) und Steuerung ( Stellwerke ) von Zügen zusammen indem es

•     die örtliche Höchstgeschwindigkeit

•     die Höchstgeschwindigkeit des Zuges

•     die korrekte Fahrtstrecke des Zuges

•     die Fahrtrichtung

•     die Eignung des Zuges für die Strecke und

•     die Einhaltung besonderer Betriebsvorschriften

überwacht und ggf. auf Fehler aufmerksam macht oder regelnd eingreift. Diese Informationen werden durch die Bausteine des ETCS verarbeitet: die Eurobalisen die die Daten an den Zug übertragen das Eurocap das die Daten auswertet und via Euroloop oder Euroradio mit dem Leitrechner des Stellwerks abgleicht.

•     Die Eurobalisen sind punktuelle Datenübertragungseinrichtungen im Gleis die beim Überfahren durch den Zug wie ein Transponder Daten übertragen. Es gibt Balisen die immer dieselben festen Daten übertragen und schaltbare Balisen für veränderliche Informationen.

•     Das Eurocab ist eine einheitliche Ausrüstung für Fahrzeuge die aus dem ETCS-Rechner und dem Führerstand besteht.

•     Euroloop ist ein kabelbasiertes Datenübertragungssystem vergleichbar der Linienzugbeeinflussung . Hier wird ein Kabelleiter in einer Schleife ins Gleisbett gelegt.

•     Mit Euroradio können der ETCS-Rechner und die Leitstelle über GSM-R miteinander kommunizieren.

Um den Ansprüchen verschiedener Strecken Nutzungsprofile und Eisenbahnverwaltungen gerecht zu werden wurden unterschiedliche Stufen des ETCS definiert die ETCS Level 1 bis 4. Die einzelnen Stufen sind abwärtskompatibel d.h. Triebfahrzeuge mit Level 3-Ausrüstung können auch Strecken befahren die nach Level 1 oder 2 ausgerüstet sind.

ETCS Level 1

Funktionsweise ETCS Level 1

ETCS Level 1 baut auf der vorhandenen Streckeninfrastruktur auf und ergänzt sie. Die Eurobalisen übernehmen dabei die Rolle einer punktförmigen Zugbeeinflussung und übertragen etwa bei Signalen das Signalbild (als 'schaltbare Balisen' mit variabler Informationsübertragung) oder die aktuelle Streckenhöchstgeschwindigkeit (als Festdatenbalisen). Zum Unterschied von einer punktförmigen Zugbeeinflussung wird beim ETCS Level 1 in jeder Balise ein komplettes Abbild der Gradienten und Geschwindigkeitsbegriffe hinterlegt und gemeinsam mit einer Movement Autority an das Triebfahrzeug übertragen. Damit kann das Fahrzeug kontinuierlich die Einhaltung der erlaubten Geschwindigkeit überwachen. ETCS Level 1 bietet damit die kontinuierliche Zugüberwachung bei einem Verkabelungsaufwand der der punktförmigen Zugbeeinflussung nahe kommt.

ETCS Level 2

Bei Level 2 dienen die Balisen nicht mehr der Informationsübertragung sondern nur noch der Ortung des Zuges.

Funktionsweise ETCS Level 2

Mittels Dopplerradar am Triebfahrzeugboden und Radimpulsgebern an den Triebfahrzeugachsen wird der genaue Standort ermittelt die Balisen dienen nur noch dem Abgleich ("elektronische Der ETCS-Rechner im Zug gibt den ermittelten Standort per Euroradio an die Streckenzentrale weiter und diese meldet ihm die notwendigen Informationen über Fahrt Halt und Geschwindigkeit zurück. Die Information über freie Gleisabschnitte wird weiterhin über ortsfeste Gleisfreimelder an die Streckenzentrale übergeben: das Gleis wird in Abschnitte ("Blöcke") geteilt und der Zug darf in den nächsten nur einfahren wenn dieser nicht von einem anderen Zug belegt ist sondern als 'frei' gemeldet ist.

ETCS Level 3

Funktionsweise ETCS Level 3

ETCS Level 3 unterscheidet sich von Level 2 nur durch den Verzicht auf fest definierte Blockabschnitte. Die Streckenzentrale kontrolliert hier fließend die Abstände der Züge. Dadurch sind die Züge unabhängig von definierten Blockabschnitten und können so geschwindigkeitsabhängig dichter hintereinander geführt werden.

Einführung

1999 wurde das von der UIC spezifizierte ETCS auf der Strecke Wien -- Budapest erfolgreich getestet schon davor waren modifizierte nationale Vorläufer im Einsatz. Folgende Teststrecken wurden eingerichtet:

•     2000 : FS Firenze Campo di Marte — Arezzo (ETCS Level 1)

•     2000 : DB Halle (Saale) / Leipzig — Jüterbog (ETCS Level 1)

•     2000 : SNCF Marles-en-Brie — Tournan (ETCS Level 1)

•     2001 : ÖBB Wien — Nickelsdorf (ETCS Level 1)

•     2002 : SBB Zofingen — Sempach (ETCS Level 2; inzwischen wieder abgebrochen)

•     2003 : DB Halle (Saale) / Leipzig — Jüterbog — Berlin (ETCS Level 2)

•     2004 / 2005 : SBB Mattstetten — Rothrist (ETCS Level 2; bislang ohne Erfolg)

Auch in Frankreich Italien Spanien den Niederlanden Großbritannien und Ungarn wird der Betrieb auf Teststrecken vorbereitet.

Nach Schätzungen der DB AG wird eine europaweite Einführung von ETCS zwischen 15 und 20 Jahren dauern. Man rechnet mit Kosten von rund 500 Millionen Euro allein in Deutschland europaweit mit etwa acht Milliarden Euro.

Quelle Wikipedia



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