Digitalisierung in der Bahnsicherungstechnik

Ein Beitrag von Prof. Dr.-Ing. Jochen Trinckauf, LS für Verkehrssicherungstechnik, TU Dresden und wissenschaftlicher Leiter des CERSS

Die „Digitalisierung der Schiene“ ist ein Schlagwort, mit dem Anstrengungen umschrieben werden, das System Bahn an einigen Stellen zu modernisieren, damit es den Erwartungen an ein verlässliches Verkehrsmittel entsprechen kann. Ein Aspekt dabei ist die Bahnsicherungstechnik. Mehr darüber erfahren Sie im nachfolgenden Beitrag.

Definition von Bahnsicherungstechnik

Bahnsicherungstechnik ist eine Technik zum Steuern, Sichern und Überwachen von Fahrwegen und Fahrgeschwindigkeiten im Schienenverkehr [1]. Die Deutsche Bahn hat dafür Anfang der 1990er Jahre den Begriff „Leit- und Sicherungstechnik“ geprägt.

Dazu gehören die Stellwerke mit den Weichen, Signalen und Gleisfreimeldeeinrichtungen (Gleisstromkreise, Achszähler), Bahnübergangssicherungsanlagen (Lichtzeichen, Halbschranken, Vollabschluss) sowie die Zugbeeinflussungseinrichtungen mit Komponenten an der Strecke und im Fahrzeug (Indusi/PZB 90, LZB, ETCS).

Markante Entwicklungen der Bahnsicherungstechnik

Als unabdingbares Hilfsmittel für die Regelung und Steuerung von Fahrzeugbewegungen am Anfang des 19. Jahrhunderts dienten Nachrichtentechnik und Signalwesen. Zunächst waren die Möglichkeiten, die Informationen auszutauschen, sehr beschränkt und bestanden aus einfachen optischen und akustischen Signalmitteln.

Mit der Entwicklung der optischen Telegraphen wurden auf deutschem Gebiet 1842 die ersten Flügelsignale bei der Leipzig – Dresdner Eisenbahn eingeführt [3]. Hörbare und sichtbare Zeichen sind auch heute die Grundlage der Informationsübertragung zum Menschen. Jedoch übernahm der Mensch in jenen Zeiten auch weiterhin die Rolle des Reglers, Steuerers und Überwachers von Prozessen.

Im Gegensatz zur Automatisierung wird von Mechanisierung gesprochen, wenn ursprünglich manuell durchgeführte Arbeiten zunehmend durch technische Hilfsmittel unterstützt werden. Der nächste logische Schritt zu mehr Sicherheit war die Entwicklung gegenseitiger Abhängigkeiten zwischen Weichen- und Signalstellungen, der sogenannten Signalabhängigkeit [2]. Entsprechend dem allgemeinen Stand der Technik hat man sich seinerzeit der Morsetelegraphie bedient sowie mechanische Stellwerke mit blockelektrischen Abhängigkeiten entwickelt.

Aufkommen elektronischer Stellwerke

Die industriellen Revolutionen haben auch die Bahnsicherungstechnik beeinflusst, sodass in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Relaisstellwerke entstanden und seit dem Ende der 1980er Jahre auch die ersten elektronischen Stellwerke (ESTW) zur Anwendung kamen.

Gerade auch in Deutschland kann man sehen, dass diese Technikgenerationen weiterhin nebeneinander bestehen und demzufolge hinsichtlich technischer Nahtstellen und betrieblicher Anwendungsregeln aufeinander abgestimmt sein müssen. Später kam noch die Zugbeeinflussung hinzu, die zunächst das unbeabsichtigte Vorbeifahren an Halt zeigenden Signalen verhindern und später auch Geschwindigkeitsüberwachungen ermöglichen sollen.

Vernetzung in allen Bereichen: die vierte industrielle Revolution

Nach Mechanisierung, Elektrifizierung und Automatisierung läutet die Durchdringung von Kommunikationsnetzen wie dem Internet in allen Bereichen, sowohl drahtgebunden als auch über Funk, die vierte industrielle Revolution ein. Die Vernetzung, basierend auf neuen technischen Architekturen, sowie die Digitalisierung von Zuständen und deren Steuerung (Zustandsübergänge) mithilfe von Algorithmen sind die Schwerpunkte der Revolution oder, wie diese Periode auch genannt wird, der zweiten Stufe der Digitalisierung [2].

Eine neue Generation der neuen Sicherungstechnik

Im Bereich der Bahnsicherungstechnik sind Automatisierung und Digitalisierung bereits weit vorangeschritten. Viele Steuerungs- und Regelungsprozesse in Bahnsystemen laufen heute weitgehend automatisch ab. Die allgemeine Technologieentwicklung im Bereich sowohl bei der Datenübertragung als auch bei der Vernetzung und Verteilung technischer Intelligenz hat in den Kernzonen der Sicherungstechnik bisher ansatzweise Anwendung gefunden.

Daten können überall erfaßt werden und über Luftschnittstellen übertragen werden, wie dies bereits bei CBTC oder ETCS geschieht. Im Bereich der infrastrukturellen Steuerung dominieren jedoch nach wie vor parallele Schnittstellen und proprietäre Bussysteme. Eine neue Stellwerksarchitektur mit seriellen und auf IP-Technik basierenden Schnittstellen ebnet hier den Weg in die neue Zeit.

Die Signalbauindustrie arbeitet schon seit mehreren Jahren an der IP-Übertragung im ESTW. Diese Änderungen und neue Entwicklungen werden, wenn nicht zur Revolution, so doch mindestens zu einer neuen Generation der Sicherungstechnik führen.

Heutige Anlagenstruktur elektronischer Stellwerke – ESTW

Abbildung 1 (oben) zeigt den typischen territorialen Aufbau eines heutigen ESTW. Die Zentraleinheit (kurz: Zentrale ESTW-Z) und abgesetztes ESTW (ESTW-A) bilden zusammen das Stellwerk.

Um die Beschränkung der Stellentfernung von üblicherweise 6,5 km zu überwinden, werden entlang der Strecke mehrere ESTW-A aufgestellt, dies erfolgt typischerweise in jeder Betriebsstelle. Die Verbindung der ESTW-A untereinander sowie mit der ESTW-Zentraleinheit geschieht mit einem Datenbus (Stellwerksbus). Bis auf wenige Ausnahmen erfolgt die Übertragung von Daten und Energie vom ESTW-A zum Element immer gemeinsam über Kupferkabel, da die Leistungsschaltung im ESTW-A erfolgt. Diese sternförmige Struktur mit paralleler Ansteuerung der Elemente hat einen hohen Verkabelungsaufwand, insbesondere eine hohe Anzahl an Kabeladern zur Folge.

Zukünftige Anlagenstruktur elektronischer Stellwerke

In zukünftigen Anlagen sind die Leistungsschalter näher an den Elementen angeordnet. Dies erfolgt unter Aufgabe des Strukturelements ESTW-A. Ansteuerrechner und Leistungsschalter werden nicht mehr zentral je Betriebsstelle angeordnet, sondern dezentral entlang der Gleise in Form von Element Controllern, die in Schaltschränken oder -häusern im Gleisfeld angeordnet werden.

Dadurch verkürzt sich die Länge der Elementansteuerkabel, die Daten und Energie gemeinsam übertragen, während in der Fläche eine Versorgungsstruktur mit Daten und Energie aufgebaut werden muss (siehe Abbildung 1 unten). Durch dieses Konzept ist zwischen der Bearbeitung der Stellwerkslogik und dem Element Controller (primäre Stellentfernung) eine strikte Trennung zwischen der Übertragung von Daten und Energie auf einem Großteil der Strecke gegeben. Nur zwischen dem Controller und dem Element (sekundäre Stellentfernung) werden Daten und Energie gemeinsam über Kupferkabel übertragen. Während die primäre Stellentfernung praktisch unbegrenzt ist, beträgt die sekundäre Stellentfernung meist weniger als 100 m [5].

Gelegentlich wird für das Stellwerk der Zukunft der Begriff „Digitales Stellwerk (DSTW)“ gebraucht. Doch ist das heutige ESTW etwa nicht digital? Was bedeutet eigentlich digital? Im Gegensatz zum analogen Signal bedient sich ein digitales Signal eines abgestuften und begrenzten Wertevorrats (wertdiskret). Ein Spezialfall des digitalen Signals ist das binäre Signal mit zwei Zuständen, das im Folgenden nur noch gemeint ist. Technisch repräsentieren sich die Zustände in der Elektronik durch den Low- und den Highpegel, „0“ und „1“.

In der Relaistechnik sind es die Zustände „Relaisanker abgefallen“ und „Relaisanker angezogen“, damit sind Relaisschaltungen im eigentlichen Sinne auch digitale Systeme. Selbst im mechanischen Stellwerk werden nur die Endlagen der Hebel ausgewertet! In jedem Fall werden in der Stellwerkstechnik immer nur binäre und damit digitale Signale verarbeitet. Die Informationsverarbeitung im Stellwerk war damit schon immer digital. Insofern ist die Bezeichnung „Digitales Stellwerk“ ein Euphemismus, der heutige Schlagworte aufgreift, dem Wandel in der Informationsverarbeitung im Stellwerk jedoch nicht gerecht wird. Zukünftige Stellwerke sind natürlich auch elektronische Stellwerke, nur dass deren Schnittstellen jetzt seriell sind und auf IP-Technik basieren [2].

Vom Stellwerk zur Fahrbewegungssicherung

In der Bahnsicherungstechnik kommen auch verstärkt Funkanwendungen zur Datenübertragung zum Einsatz, beispielsweise für das Zugbeeinflussungssystem European Train Control System (ETCS).

Dabei ist ab ETCS Level 2 eine ständige, auf Mobilfunk basierende Datenkommunikation zwischen Strecke und Fahrzeug erforderlich. Vergleichbare Entwicklungen existieren auch im Stadtbahnbereich. Unter dem dort üblichen Begriff CBTC (Communication-Based Train Control) werden beispielsweise WLAN-Netzwerke zur Datenübertragung verwendet. Abbildung 3 zeigt eine Prinzip-Skizze für die grundsätzliche Funktionsweise von ETCS- bzw. CBTC-Systemen.

Konsequenterweise wandeln sich zukünftig die Aufgaben von Stellwerken. Vorrangig bleibt nur noch die Sicherung beweglicher Fahrwegelemente (Weiche) bestehen, da Folge- und Gegenfahrschutz zur Fahrbewegungssicherung durch Zugbeeinflussungssysteme realisiert werden können [4].

Literatur

[1] Fenner, W.; Naumann, P. Trinckauf, J.: Bahnsicherungstechnik. Steuern Sichern und Überwachen von Fahrwegen und Fahrgeschwindigkeiten im Schienenverkehr. Publicis Kommunikationsagentur, Erlangen 2003
[2] Bachurina, D., Maschek, U.: Die Leit- und Sicherungstechnik im Spiegel der industriellen Revolutionen. In: Der Eisenbahningenieur (2018), Nr. 01/2017, S. 10 – 13
[3] Pottgießer, H.: Sicher auf den Schienen: Fragen zur Sicherheitsstrategie der Eisenbahn von 1825 bis heute, Birkhäuser Verlag, Basel 1988
[4] Bachurina, D.: Neue Sekundärbahn, Wien: Forum Verkehr Schieneninfrastruktur, 12.02.2019
[5] CERSS Kompetenzzentrum Bahnsicherungstechnik, Dresden: 2018 unveröffentlicht