European Rail Traffic Management System ERTMS Stand und...

European Rail Traffic Management System ERTMS

Stand und Perspektiven nach 20 Jahren Entwicklungsa rbeit 3999

1. Einleitung

2. Europäische Randbedingungen und Vorgaben

3. Internationale Zugdisposition: Europtirails

4. Signalanlagen: INESS Integrated European Signalling System

Inhalt

Rail Automation TU Braunschweig Juni 2009Peter Winter 1

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

European Rail Traffic Management System ERTMSEinleitung (1)

Am 20. – 22. 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.


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 Liebfrauen-kirche, eine der genialsten und prächtigsten Kirche Deutschlands lag aber immer noch in Trümmern und die Gastgeber waren überzeugt, dass diese niemals wieder aufgebaut würde…


Role of Interlockings in ERTMS

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Internationale Disposition: Europtirails• Echtzeit- Standorterfassung von Zügen• Berichte über Ablauf der Zugfahrten

Signalisierung: INESS Integrated EuropeanSignalling System • Fernsteuerung• Block- und Fahrstrassensteuerung mit ortsfester

Fernsteuerzentrum

Betriebsleitzentrale

ERTMS umfasst Europäisch geförderte Aktivitäten in den folgenden Bereichen:


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Alle

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• Block- und Fahrstrassensteuerung mit ortsfester Gleisfreimeldung

• Steuerung/ Überwachung von Bahnübergängen• Steuerung/ Überwachung von Weichen, ... • Steuerung/ Überwachung von Aussensignalen• usw.

Zugbeeinflussung: ETCS EuropeanTrain Control System• Automatische Warnung/ v-Überwachung• Führerstandsignalisierung • usw.

Stellwerk


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


− 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.


Treibende Faktoren für Veränderungen

Einleitung (4)

− 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.


− 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).

Seit ca. 1980 wurden verschiedene Vorläufer-Projekte initiiert, welche ähnliche Haupt-Merkmale wie ERTMS aufweisen (Führerstandsignalisierung, Funk-Datenübertragung, zugbasierte Ortung):


TSI’s für Hochgeschwindigkeit:

.... Zugbeeinflussung und Signalgebung ...

Europäische Vorgaben (1)

Direktive 2004/49 über die Sicherheit der EU Bahnen

Direktive 2008/57 über die Interoperabilität des EU Bahnsystems

Die EU hat ein umfassendes gesetzliches Regelwerk für die Harmonis ierung der Zugbeeinflussung und Signalgebung“ in Kraft gesetzt und aktualisiert dieses periodisch.


TSI’s für konventionelle TEN Bahnen:

.... Zugbeeinflussung und Signalgebung ...

ETCS GSM-R

Zielsysteme für die Zukunft (Klasse A Systeme)

Bestehende Systeme für die Migrationsphase (Klasse B Systeme)

Zugbeein-flussung

Analog Funk

EMC

(Elektro Magn.

Kompa-tibilität)

Gleis Freimeldung

(Funkt. Anforde-rungen)


ETCS Netz

Europäische Vorgaben (2)

Die Europäische Gesetzgebung postuliert die Schaffung eines grenzüber-schreitenden ETCS Netzes primär für HGV und konventionelle Hauptlinien .

Damit soll ein End-zu-End Verkehr von


Konventionelle Hauptlinien

Hochgeschwindig-keits-Linien

ausschliesslich mit ETCS ausgerüsteten Zügen ermöglicht werden.

Zur Unterstützung einer zügigen Realisierung dieses komplexen Vorhabens wurde eigens ein EU-Koordinator bestellt.

European Rail Traffic Management System ERTMSEuropäische Vorgaben (3)

Grundprizip für die ETCS Einführung EU Conventional Rail System

ETCS -Net

Inception Kernel

EU Bahnsystem

ETCS -NetETCS -Netz

Inception KernelKeimzellen


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.

European Rail Traffic Management System ERTMSEuropäische Vorgaben (4)

Die EU Gesetzgebung definiert die Anforderungen an ein Konfigurations- Management und die Grundsätze für künftige Überarbeitungen der Spezifi kationen . Dabei hat die neugeschaffene Eisenbahn Agentur ERA die Systemführerschaft für ETCS und GSM-R.

Das nachstehende Schema zeigt die Abläufe am Beispiel des ETCS:

UNIFE

European Railway Agency Unisig

Steering Group

Railway sector

UnisigSuper Group

Database of CR

ERA


European Commission Annex A

Railway Interoperabilityand Safety Committee

ERA

European Railway Agency

CCS TSI Working Party

ERTMSControl Group

System Vers. Mgt.

NPM Control Group

EIMEuropean Infrastructure

Manager

CERCommunity of European Rlys

CCS TSISupport Group

ERTMSuser’s group

General Assembly

ERACR

packages

FRS,SRS

TSI CC&S

European Rail Traffic Management System ERTMSInternationale Zugdisposition: Europtirails (1)

Spezielle Anforderungen für die grenzüberschreitend e 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


im wesentlichen in Form von geographischen Darstellungen und von Tabellen zur Verfügung gestellt.

ProjektgeschichteEuroptirails 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.

European Rail Traffic Management System ERTMSInternationale Zugdisposition: Europtirails (2)

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

Aktuelles Einsatzgebiet von Europtirails


Ca. 3’200 Datenerfassungsstellen

Überwachung von ca. 60’000 internationalen Zügen pro Monat.

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.

European Rail Traffic Management System ERTMSSignalanlagen: Integrated European Signalling Syste m (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


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.

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.


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


- 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.


Erfassen der funktionalen Anforderungen mit DOORS, Stand Ende 2008

nicht bearbeitetin Arbeit

erfassterfasst und abgestimmt

Fah

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Finnland 100%Portugal 100%Holland 100%Schweiz 100%Italien 25%Schweden 15%Polen 65%EnglandNorwegen 35%Dänemark 45%


Simulation der funktionalen

Anforderungen

Anforderungen

Information über designation

physical direction

self-restoring

default position for

self-restoration

Operation Timer

default position for selective

protection

alternate flank

protection element

additional flank zone in TVP fouling TVP GUI Type x pos y pos orientation label

painting instruction


Information über Gleiskonfiguration und

Anzeige/Bedienung (Spezifische Anwendung)

designation direction restoring restoration Timer protection element flank zone in TVP fouling TVP GUI Type x pos y pos orientation label instructionP01 even 10 TVP402 Point 441 391 r2l_up ̀1` []P02 odd 10 TVP403 TVP303 Point 511 400 l2r_down `2` []P03 even 10 TVP303 TVP403 Point 539 441 r2l_up ̀3` []P04 odd 10 right SS14 TVP303 Point 546 450 l2r_down `4` []P05 even 10 TVP204 Point 576 491 r2l_up ̀5` []P06 odd 10 TVP204 Point 596 491 l2r_up `6` []P07 even true left 10 right SS59 TVP304 TVP304 Point 624 450 r2l_down `7` []

P09cd odd 10 TVP406 Point 753 400 l2r_down `9cd` []P09ab even 10 TVP406 TVP502 Point 747 391 r2l_up `9ab` []P11cd odd 10 TVP307 Point 788 450 l2r_down `11cd` [13,7]P11ab even 10 TVP307 Point 781 441 r2l_up `11ab` [-28,-6]P13 even true right 10 TVP207 Point 815 491 r2l_up `13` []P21 odd 10 TVP210 Point 186 491 l2r_up `21` []P22 odd 10 right SS04 TVP311 TVP311 TVP312 Point 241 441 l2r_up `22` [-15,-6]P23 odd 10 TVP409 Point 241 400 l2r_down `23` [-15,4]P24 even 10 left SS69 TVP310 TVP310 TVP312 Point 273 441 r2l_up `24` [8,-6]P25 even 10 TVP408 Point 273 400 r2l_down `25` [8,4]P26 odd 10 TVP408 Point 280 391 l2r_up `26` []P31 even 10 TVP802 Point 396 91 l2r_up `31` []P32 even 10 TVP804 Point 581 100 l2r_down `32` []P33 odd 10 left SS93 TVP805 TVP805 Point 630 91 r2l_up `33` []P34 even true left 10 TVP902 Point 601 50 l2r_down `34` []

SimulationModellierte Anforderungen

Simulierte Anforderungen(Generische Anwendung)


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


C: System Aufbau

D: Generische Anforderungen

E: Funktionale Architektur & Schnittstellen

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 sei nen 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.


Ausrichtung von INESS auf ETCS in den drei Anwendun gsstufen

Stellwerk- Weichensteuerung - Blocksteuerung - Steuerung Aussensignale - usw.

Stellwerk- Weichensteuerung- Blocksteuerung- usw.

Fernsteuerung

Stellwerk- Weichensteuerung- usw.

Fernsteuerung Fernsteuerung

RBCRBC- Blocksteuerung


LEU

GSM-R

GSM-R

ETCS ETCS ETCS

EB EB EB

RBC- Fahr-Erlaubnis

- usw.

- Fahrerlaubnis- usw.

Level 1 Level 2 Level 3

European Rail Traffic Management System ERTMSZugbeeinflussung: ETCS European Train Control Syste m (1)

EURET-Forschungs-Programm

ERTMS-Masterplan zur Unterstützung von Tests und

Pilot -Anwendungen

EU-Direktiven für Interoperabilität

EU Aktivitäten

HGV Konv. Linien

TSI ZBS

HGVKonv. Linien

Studien und Spezifikations-Entwürfe

Definitive Spezifikationen, Tests und Pilotanwendungen

Serien -Anwendung

Gründung von ERA,

Nomination ERTMS

Koordinator

20 Jahre Forschung und Entwicklung für ETCS


Bahn Sektor Aktivitäten

Machbar-keits-Studie

UIC/ERRI

ERTMS User‘s Gruppe

Projekt Gruppe

A200UIC/ERRI EMSET-

Projekt

UIC-Projekt ETCS

Low Cost

Unisig Spezifikationen

Demonstr.ETCS level

1 Wien -Budapest

ETCSLevel 1 Erst-

Anwendung in BulgarienVortests mit

Eurobalise

1989

ETCS Level 2 Erst-

Anwendung in der Schweiz

ETCS Anwendungen

in Italien, Luxemburg, Spanien und der Schweiz

ETCS Anwendungen

in verschiedenen

Ländern

MoU betreffend

EuropäischeGüter-

Korridore

200896 00 029492 98 04 0691 93 95 97 99 01 03 05 0790


Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control Syste m (2)

Phase 1989–1995: Machbarkeitsstudien, Konzept, Spez ifikationsentwürfe

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


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 Mas terplans” 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.


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

Zugbeeinflussung: ETCS European Train Control Syste m (3)

Ursprüngliche Vision für Level 1 und Level 2


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.


Ursprüngliche Vision für das FahrzeuggerätA200 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.



Phase 1996 – 2002: Finalisierung der Spezifikationen , Prototyp-Entwicklung, Tests

England:AMTC (WCML)Alstom

The Netherlands:Meppel - LeeuwaardenHeerlen - MaastrichtAlstom, Bombardier

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


Alstom

Spain:Albacete -Villar de CinchillaBombardier, Invensys

France:Tournan - Marles en BrieAlstom, Ansaldo STS

Italy:Florenz - ArezzoAlstom-Ansaldo STS

Alstom, Bombardier

Germany:Berlin - Halle -LeipzigSiemens, Thales

Austria/ Hungary:Vienna - BudapestAlcatel, Alstom, Ansaldo STS

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.

In diesen breit verteilten Erprobungen waren alle 6 Unisig Firmen in parallelen Projekten ein-bezogen. Preis dafür war die aufwändige nachträgliche Harmonisierung der Spezifikationen.


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.

Datenfluss bei ETCS Level 2ETCS FahrzeuggerätZug-

Die ETCS Spezifikation legt zahlreiche Prinzipien und


ETCS Streckenausrüstung

LuftspaltEurobalise

Fahrerlaubnis vom Radioblock

Gleis-freimeldung

GSM-R

FahrstrassevomStellwerk

ETCS FahrzeuggerätZug-daten

Statischesv Profil

Dynam. v Profil

VergleichBrems-

ansteuerg.

NiedrigsterWert

Primäre Strecken-daten

Fahr-erlaubnis

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.


Möglichkeiten der ETCS Anwendung fahrzeugseitig

Die ETCS Fahrzeugausrüstung kann stufenweise von Level 1 zu Level 2 und später zu Level 3 erweitert werden. Zwischen den Leveln besteht abwärts- Kompatibilität.

Bestehende Systeme

ETCS Level 1

ETCS Level 1,2

ETCS Level 1,2,3

Möglichkeiten der ETCS Anwendung streckenseitig

Level 1 Strategie Level 2 Strategie


• 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!

Level 1 Strategie Level 2 Strategie

Bestehende Systeme

ETCS Level 2

ETCS Level 1


Betriebsleitzentrale

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 Zug-vollständigkeits-Kontrolle erübrigt sich auf Zügen mit Einzelfahrzeugen. Bei längeren Zügen bestätigt der Führer händisch die Zugvollständig-keit vor


Weiche

Signal Tafeln

Aufsichts-Beamter

BalisenZug mit

ETCS Level 2/3

Stellwerk/ RBC/

Fernsteuerung

Objekt -Steuerung/

Überwachung

GSM-R/ EuroradioGSM-R/ GPRS

GSM-RLAN/ WAN

händisch die Zugvollständig-keit vor der Abfahrt (wie in der SRS für ETCS vorgesehen). Die Spezifikation für die signal-technische Ausrüstung gehört Banverket und steht anderen Bahnen zur Verfügung.


Laufende Weiter-Entwicklung von ETCS: Neue Basisver sion 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 zusammengese tzte 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


- 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.

European Rail Traffic Management System ERTMSZugkommunikation: GSM-R (1)

Anwendungsgebiet, gesetzliche Grundlagen, Spezifika tionen

Das vom allgemeinen GSM-Standard abgeleitete Digital-Funksystem GSM-R deckt grundsätzlich alle bahndienstlichen Sprach- und Datenkommunikationsbedürfnisse ab.

ECDirectiv

es

ECDirectivesconcerning

development of railways and

GSM-R ist gleich wie ETCS in der Europäischen Gesetzgebung verankert. Den Bahnen sind die erforderlichen Frequenzbänder (je 4 MHz für Auf-und Abwärtsverbindung) im 900 MHz Bereich gesetzlich zugeteilt .

Die Spezifikation beruht auf den allgemeinen


TSI for Control-Command and

Signalling

EIRENE and MORANESpecifications

ETSI GSM Specifications(Third Generation Partnership Project)

railways and Interoperability

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 Handfunk-geräte an. Die Auslastung der GSM-R Netze ist im Allgemeinen klein im Vergleich zu GSM-R.

European Rail Traffic Management System ERTMSZugkommunikation: GSM-R (2)

Spezielle Anforderungen für die ETCS Datenübertragu ng

ETCS erfordert eine extrem hohe Verfügbarkeit und Q ualität 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

MS n

GSM-R land mobile network

Channel 1BTS

Mobile stations Base Transceiver Station

Packet Switching

.

.

.

...

European Rail Traffic Management System ERTMSStand der ETCS und GSM-R Implementierung (1)

In Betrieb stehende ETCS Anwendungen in Europa (Sta nd 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) ETCSLevel

Lieferant ETCS Strecken Ausrüstung

Anzahl Fahrzeuge mit ETCS

Bulgarien 440 1 Thales ?

Deutschland 135 2 Siemens/Thales 60

Italien 470 2 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/AnsaldoSTS/Invensys/Thales

212

Ungarn 190 1 Thales 23

Total ca. 2‘650 ca. 1‘070

Des weitern gibt es in allen EU-Mitgliedstaaten mehr oder weniger konkrete Planungen für ETCS Anwendungen.


In Betrieb stehende GSM-R Anwendungen in Europa (Stand Ende 2008)

Ende 2008 waren ca. 36% (55‘000 km) des geplanten GSM-R Netzes im Betrieb . 120‘000


Betrieb . 120‘000 Handfunk-geräte und 26‘000 Fahrzeuggeräte waren aktiviert.

Die Einführung von GSM-R verläuft zügiger als bei ETCS.


Planung für ERTMS Korridore in Europa

Es sind 6 Prioritätskorridore geplant. Deutschland ist von 4 Korridoren betroffen.



Realisierte oder im Bau befindliche ETCS Projekte a usserhalb Europa’s

Land Streckenlänge (km) ETCSLevel

Lieferant ETCS Strecken Ausrüstung

Anzahl Fahrzeuge mit ETCS

Algerien 426 1/2 Thales ?

China 4‘000 1/2 Alstom/Ansaldo STS/Bombardier/ Hitachi/Siemens

210

Ausserhalb Europa‘s sind ETCS Anwendungen auf ca. 10‘000 Strecken km und ca. 1‘700 Fahrzeugen im Betrieb oder im Bau. Des weitern gibt es konkrete Planungen für ETCS z.B. in Australien und Neuseeland.


Indien 242 1 Ansaldo STS 119

Kroatien 34 1 Bombardier ?

Mexiko 35 1 Thales 20

Saudi Arabien 2‘050 1,2 Siemens/Thales 15

Süd Korea 758 1 Ansaldo STS/Bombardier 466

Taiwan 1‘200 1 Bombardier 811

Türkei 950 1 Ansaldo STS/Thales/Invensys 70

Total ca. 9‘865 ca. 1‘711

ETCS entwickelt sich zu einem globalen de facto Standard !


Programm für neue Schnellfahrlinien in China

China treibt ein gewaltiges Programm für den Bau neuer HGV Linien voran, welche die Provinzstädte mit mehr als 500’000 Einwohnern vernetzen.

Beijing-Tianjin 300 DPL 115km

Harbin-Dalin 300 DPL 904.5km (under plan)

Shijiazhuang-Taiyuan 250 DPL 189.9km

Zhengzhou-Xian

Der aktualisierte Mittel-und Langfristplan siehtbis 2020 16‘000 km neue HGV Linien vor.

Das chinesische Zugbeeinflussungs-


Beijing-Shanghai 300 High Speed Railway 1300km

300 DPL 115kmZhengzhou-Xian 300 DPL 456.6km

Nanjing-Hefei-Wuhan 250 DPL

525.8 kmWuhan-Guangzhou 300 DPL 968.5km

Guangzhou-Shengzheng 300 DPL 105km

Zugbeeinflussungs-System CTCS übernimmt wesentliche Elemente von ETCS.

European Rail Traffic Management System ERTMSMit 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


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.


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.

142,1[%]


Level 1 withlimited

supervision

Level 1(service brakenot available)

Level 1 Level 1 with asecond infill

balise (400 mahead of themain signal)

Level 1 withinfill-loop/radio-infill

Level 2 Level 2 withoptimised

block sections

Level 3

ETCS application configuration

105,2

142,1

137,3

103,1101,6100,0104,3

110,8

95

115

135


Kosten, Wirtschaftlichkeit

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

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


Am teuersten ist das SCMT (I).

ETCS (NL, CH) hat einen Kostenanteil von ca. 28%.

Die gesamte Ausrüstung für die Zugbeeinflussung macht ca. 20 ... 25% der totalen Fahrzeugkosten aus!

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.

European Rail Traffic Management System ERTMSSchlussfolgerungen, Ausblick (1)

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

Zukunftsperspektiven für GSM und GSM-R


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.

European Rail Traffic Management System ERTMSSchlussfolgerungen, Ausblick (2)

Erreichter und formell auf 2012 beschlossener Entwi cklungs-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 Streckenausrüst ung

Für die Streckenausrüstung zeichnen sich mittel- und längerfristig folgende Notwendigkeiten ab:

- Harmonisierung und Re-engineering im Bereich der Sig naltechnik mit INESS. Einheitliche Open-Source Software für die Kernfunktionen?

- Harmonisierung der Betriebs- und Sicherheitsanforder ungen


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

Schlussfolgerungen, Ausblick (3)


- 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 .

European Rail Traffic Management System ERTMS Stand und...

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