Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/autonomes-fahren-wenn-die-strecke-dem-zug-ein-telegramm-schickt-1701-125419.html    Veröffentlicht: 13.01.2017 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/125419

Autonomes Fahren

Wenn die Strecke dem Zug ein Telegramm schickt

Auf der Straße wird schon automatisiert gefahren, auch U-Bahnen sind fahrerlos unterwegs. Nun sollen die Züge folgen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Infrastruktur, die dem Zug sagt, ob er freie Fahrt hat.

Meldung an die Lok: "Rotes Signal voraus. Geschwindigkeit reduzieren und halten." Der Zug hält rechtzeitig, auf offener Strecke. Es ist aber kein Signal zu sehen. Das Zugbeeinflussungssystem hat dem Zug gesagt, wo er halten soll. Dieses hat ihm die Information schon vor vielen Kilometern übermittelt, wo sich ein virtuell logisches Signal befindet, das Rot zeigt, damit der Zug rechtzeitig zum Stehen kommt.

<#youtube id="t5VamLhE2QE"> So soll der Zugverkehr der Zukunft aussehen: Der Zug fährt selbständig. Heute überwacht der Lokführer den Zug noch selbst. Die Deutsche Bahn (DB) arbeitet jedoch seit einigen Monaten am automatisierten Fahrbetrieb (Automatic Train Operation, ATO): Bei der Erzgebirgsbahn wird ein Testfeld für einen Dieseltriebwagen eingerichtet. Die ersten Testfahrten sollen im Sommer 2017 stattfinden.

U-Bahnen fahren ohne Zugführer

Auf der Schiene fahren lediglich einige U-Bahnen fahrerlos, beispielsweise in Paris, London, Kopenhagen oder Vancouver. Auf den Flughäfen in Frankfurt, London Stansted und Kuala Lumpur transportieren fahrerlose Züge Passagiere zwischen Terminals hin und her. Auch auf der Straße wird automatisiertes Fahren getestet: Manche Autos verfügen bereits über Assistenzsysteme, die dem Fahrer das Chauffieren zumindest teilweise abnehmen.


Das Problem bei der Bahn: Anders als auf einer U-Bahn-Trasse teilen sich unterschiedliche Zuggattungen die Strecken: schnelle ICEs, langsame Güterzüge, Nahverkehrszüge, die an vielen kleinen Bahnhöfen halten. "Das autonome Fahren ist in einem komplexen Schienensystem, in dem schnelle und langsame Personenzüge sowie Güterzüge fahren, schwieriger als bei einer U-Bahn - aber es ist möglich", sagte Deutsche-Bahn-Chef Rüdiger Grube im vergangenen Sommer der Frankfurter Allgemeinen Zeitung (FAZ).

ETCS sorgt für Einhaltung der Geschwindigkeitsbegrenzung

Eine Voraussetzung für ATO ist eine neue Infrastruktur mit einem neuen Zugbeeinflussungssystem - und daran baut die Bahn gerade. European Train Control System (ETCS) heißt das System, das die Züge künftig leiten soll. Es habe zwei Funktionen, sagt Jörn Schlichting im Gespräch mit Golem.de. Er leitet zusammen mit Philipp Bührsch das ETCS-Programm der DB Netz, die für das Streckennetz der DB zuständig ist. ETCS überwache das Einhalten der erlaubten Höchstgeschwindigkeit und verhindere, dass Rot zeigende Signale nicht beachtet werden. Bremst ein Zugführer nicht rechtzeitig für ein rotes Signal, greift das System ein und sorgt dafür, dass der Zug rechtzeitig vor dem Signal stoppt. Fährt ein Zug zu schnell, verlangsamt ihn das Zugbeeinflussungssystem.

Damit wäre im Prinzip schon die Grundlage für den automatisierten Betrieb gegeben. "Der Triebfahrzeugführer könnte praktisch den Hebel nach vorn legen. Das System bremst ihn automatisch, und er fährt immer mit der maximal erlaubten Geschwindigkeit", sagt Bührsch. "Das ist eigentlich schon ein Stück Automatisierung. Aber ganz so weit ist es real noch nicht, denn würde der Lokführer tatsächlich so fahren, würden das zu einem ständigen Beschleunigen und Abbremsen führen. Für eine echte Automatisierung des Bahnbetriebs muss also noch einiges getan werden."

ETCS ist eine wesentliche Grundlage für den automatisierten Zugbetrieb. Derzeit sind allerdings noch technisch ältere Zugbeeinflussungssysteme im Einsatz. Für ETCS ist ein Umbau der bestehenden Infrastruktur sowie eine Umrüstung des Lokparks notwendig. Für die Fahrgäste hat das ETCS noch einen angenehmen Nebeneffekt: Der Mobilfunkempfang verbessert sich potenziell.

Die Infrastruktur kommuniziert

Wie auf der Straße gibt es auch bei der Zugautomatisierung mehrere Stufen (Grades of Automation, GoA). Die unterste Stufe der GoA 0 beinhaltet keine Unterstützung durch Technik: Der Zug wird allein vom Fahrer auf Sicht gesteuert (On-Sight Train Operation), ähnlich wie eine Straßenbahn.

Bei GoA Stufe 1 kommt eine Zugbeeinflussung hinzu, wie zum Beispiel zur Einhaltung einer Geschwindigkeitsbegrenzung. Bei der Bahn heißen diese Systeme Punktförmige Zugbeeinflussung (PZB) und Linienzugbeeinflussung (LZB). Diese sollen künftig durch die ETCS Level 1 und 2 ersetzt werden.

Die Balise schickt ein Telegramm

Dabei wird ETCS Level 1 wie die PZB bis zu einer Geschwindigkeit von 160 Kilometern pro Stunde wirksam sein. Dafür werden zwischen den Schwellen sogenannte Balisen installiert. Das sind Transponder, die beim Überfahren ein sogenanntes Telegramm an einen Zug übertragen. Eine Festdatenbalise enthält einen festen Datensatz, der an jeden Zug übertragen wird. Dazu gehören die Position oder Informationen über Strecke, wie etwa Kurven, Steigungen oder die erlaubte Geschwindigkeit auf dem Streckenabschnitt.

Über Transparentdatenbalisen (Transparent Data Balise oder Controllable Balise) hingegen können dynamisch unterschiedliche Telegramme an einen Zug übertragen werden. Eine solche Balise ist mit einem Überträger an der Strecke verbunden, der Lineside Electronic Unit (LEU). Eine LEU kann Daten eines Signals auslesen wie zum Beispiel die Stellung "Halt!". Die LEU überträgt diese Information an die Balise, die sie wiederum an den Zug weitergibt. Der Bordrechner des Zuges, der European Vital Computer (EVC) wertet die empfangenen Daten aus. Er stellt sicher, dass der Zug nicht zu schnell fährt oder löst rechtzeitig eine Zwangsbremsung aus.

Der Zug kommuniziert per Funk

Fährt ein Zug schneller als 160 km/h kommuniziert er ständig mit der Funkstreckenzentrale, dem Radio Block Center (RBC). Der Zug sendet seine Position, Fahrtrichtung und seine Geschwindigkeit an das RBC. Diese Daten ermittelt der EVC anhand der Daten aus den Festdatenbalisen und Sensoren wie Dopplerradar oder Radimpulsgebern.

Das RBC sammelt Informationen über die Strecke, Gleisfreimeldungen sowie die Schaltung von Signalen. Daraus erzeugt das System RBC eine Movement Authority oder Fahrerlaubnis und schickt sie an den Zug. Da der Lokführer nicht mehr auf Sicht fährt, sondern anhand der per Funk empfangenen Daten, brauchen diese Strecken keine Signale mehr.

Da ETCS Level 2 eine flächendeckende Mobilfunkabdeckung erfordert, wird es für die Reisenden einen angenehmen Nebeneffekt geben: Sie haben überall auf der Strecke Empfang. Soweit ist es aber noch nicht.

Die EU baut die Infrastruktur aus

Die erste ETCS-Level-2-Neubaustrecke in Deutschland wurde im Dezember 2015 in Thüringen, von Erfurt nach Leipzig mit einem Abzweig nach Halle, in Betrieb genommen - gut 120 Kilometer. Weitere Strecken werden nachgerüstet - in wenigen Jahren sollen 2.500 Kilometer Strecke nachgerüstet sein. Das gesamte deutsche Schienennetz umfasst rund 33.000 Gleiskilometer.

Gebaut wird aber nicht nur hierzulande: ETCS ist ein europäisches System, das die nationalen Zugbeeinflussungssysteme ablösen soll. Denn auf den Schienen gibt es noch keine europäische Einigung. Wenn vor einen grenzüberschreitenden Zug keine Lokomotive gespannt werden kann, die mit mehreren Zugbeeinflussungssystemen kompatibel ist, muss die Lok an der Grenze gewechselt werden. Manchmal muss sogar der Lokführer getauscht werden.

Wichtige europäische Korridore haben Vorrang

Ziel ist es, zunächst wichtige europäische Verbindungsstrecken mit ETCS auszustatten: die sogenannten TEN-Kernnetzkorridore, die Hauptmagistralen des Transeuropäischen Netzes (TEN).

TEN ist ein Projekt der Europäischen Union zum Ausbau der Infrastruktur, um die Entwicklung des europäischen Binnenmarkts und das Zusammenwachsen der Union voranzubringen. Die Neubaustrecke Erfurt - Halle/Leipzig ist Teil eines TEN-Prioritätsprojekts: einer Eisenbahnstrecke von Berlin nach Palermo, die wiederum zum TEN-Kernnetzkorridor Skandinavien - Mittelmeer gehört.

Galileo ist auch ein Teil von TEN

Auch der im vergangenen Sommer eröffnete Gotthard-Basis-Tunnel gehört als Teil des Rhein-Alpen-Korridors zu TEN. Das Projekt umfasst aber nicht nur Verkehrswege: Dazu gehören auch Energie- und Telekommunikationssysteme sowie das kürzlich in Betrieb genommene Satellitennavigationssystem Galileo.

Umgerüstet werden muss für ETCS aber nicht nur die Infrastruktur. Auch die Züge selbst brauchen eine neue Ausstattung: Dazu gehört der Bordrechner, der EVC. Die Kommunikation mit der Infrastruktur übernimmt zum einen das Balise Transmission Module (BTM) mit einer Balisenantenne unter dem Fahrzeug. Darüber wird auch die Balise mit Strom versorgt: Das BTM erzeugt ein Magnetfeld, durch das die Balise induktiv angeregt wird.

Neue Züge haben ETCS

Für die drahtlose Kommunikation im ETCS Level 2 braucht das Fahrzeug eine entsprechende Mobilfunkausrüstung für den Standard Global System for Mobile Communications - Rail (GSM-R), das Funksystem der Eisenbahn. Um Ausfallsicherheit zu gewährleisten, sollten immer zwei diese Systeme installiert werden. Seit 2015 müssen alle neuen Züge mit ETCS ausgestattet werden. Vorhandene können nachgerüstet werden - was je nach Modell unterschiedlich aufwendig ist.

Der Zugführer fährt aber weiterhin den Zug, unterstützt von den assistierenden Sicherheitseinrichtungen wie ETCS.

Anfang der 2020er Jahre soll es losgehen

Erst beim halbautomatischen Zugbetrieb (Semi-Automatic Train Operation, STO) - das ist GoA Stufe 2 - gibt der Fahrer die Steuerung ab. Er startet noch die Fahrt, er öffnet und schließt die Türen. Der Zug fährt dann automatisch. Der Fahrer kann aber noch die Kontrolle über den Zug übernehmen. Im begleiteten fahrerlosen Zugbetrieb (Driverless Train Operation, DTO) ist der Zugführer praktisch nur noch für die Türen und für das Beheben von Störungen zuständig. In diesem Modus wird es aber noch Bedienelemente geben, um den Zug falls erforderlich steuern zu können.

Die höchste Stufe der GoA schließlich ist der vollautomatische fahrerlose Zugbetrieb (Manless Train Operation, MTO, oder Unattended Train Operation, UTO). Hierbei ist - analog zu den fahrerlosen Autos - kein fahrendes Personal mehr an Bord. Dafür müsste dann sämtliche Intelligenz auf dem Fahrzeug sein, damit dieses autonom agieren kann. Es müsste seine Position und seine Route kennen und sich die Weichen dafür entsprechend selbst freischalten können. Dabei muss ein Zug mit anderen kommunizieren und klären, welcher Vorrang hat.

Für den fahrerlosen Zugbetrieb fehlt die Technik

Allerdings: Das sei bislang so komplex, dass es dafür heute noch keine verfügbare technische Lösungen gebe, sagt Schlichting. Allein für die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander würden Bandbreiten gebraucht, die bisher nicht einmal LTE biete.

Jedoch geht es beim automatisierten Zugbetrieb nicht nur um die Technik. So fehlten etwa noch die gesetzlichen Grundlagen, ganz zu schweigen von den erforderlichen Zulassungen durch die Prüfbehörden. Die rechtlichen Grundlagen will die Bahn zusammen mit der Bundesregierung erarbeiten - ähnlich wie es das Bundesverkehrsministerium mit den Automobilherstellern gemacht hat.

Bahn-Chef Grube ist optimistisch, dass die Probleme in absehbarer Zeit geklärt werden. "Ich rechne damit, dass wir 2021, 2022 oder 2023 so weit sind, dass wir in Teilen unseres Netzes vollautomatisch fahren können", sagte er der FAZ.  (wp)


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