Digitale S-Bahn Hamburg - Erstmalige Streckenausrüstung von ATO over ETCS in Deutschland
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Digitale S-Bahn Hamburg
Erstmalige Streckenausrüstung von ATO over ETCS in Deutschland
JAN SCHRÖDER | CHRISTOPH GONÇALVES Einleitung die Freie und Hansestadt Hamburg, DB und
ALPOIM | BORIS DICKGIESSER | MARKUS TALG Hamburg wächst kontinuierlich und erlebt Siemens Mobility auf eine Forschungs- und
eine steigende Mobilitätsnachfrage. Diese Entwicklungskooperation verständigt, einen
Nachfrage soll klimafreundlich u. a. mit der hoch- und vollautomatisierten Bahnbetrieb
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Mit dem Projekt Digitale S-Bahn Hamburg Schiene und im konkreten Fall mit der S- zum ITS-Weltkongress im Oktober 2021 auf
wird erstmalig in Deutschland der digita- Bahn Hamburg bedient werden. Die Stadt 23 km Strecke erstmals in Deutschland zu re-
lisierte Eisenbahnbetrieb mit Fahrgästen Hamburg plant hierfür die Einführung des alisieren.
realisiert. Wesentliche Ziele des Projekts Hamburg Taktes und die Erweiterung des
sind die Konzeption und Realisierung des Angebots auf acht S-Bahn-Linien um die ETCS und ATO – Hochautomatisierte Fahrt
hochautomatisierten Fahrens auf einem neuen S-Bahn-Linien S32 und S4. Die S-Bahn und vollautomatisierte Bereitstellung
23 km langen Streckenabschnitt der S-Bahn Hamburg rechnet insgesamt mit einem über- Im Rahmen des Projekts Digitale S-Bahn Ham-
Hamburg sowie einer vollautomatisier- durchschnittlichen Wachstum an Fahrgästen burg sollen zwei Hauptanwendungen des
ten, fahrerlosen Bereitstellung in der Sta- von bis zu 50 %. Damit stößt das Kernnetz an Bahnbetriebs mit vier Fahrzeugen der Baurei-
tion Bergedorf. Es ist ein Pilotprojekt der seine Kapazitätsgrenze. he 474 der S-Bahn Hamburg vorgestellt wer-
sektorweiten Initiative „Digitale Schiene Für ein weiterhin sicheres, zuverlässiges den (Abb. 1):
Deutschland“ zur erstmaligen Einführung und pünktliches S-Bahn-System sind um- 1. Die hochautomatisierte Fahrt
des automatisierten Fahrens im deutschen fangreiche Investitionen zur Kapazitätser- 2. Die vollautomatisierte Bereitstellung
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Schienenverkehr. Die Ergebnisse dienen als höhung unvermeidlich. Im Vergleich zum Bei der hochautomatisierten Fahrt verkehrt
Blaupause für weiterführende Digitalisie- Neubau von Gleisen stellt die Digitalisierung der Zug angelehnt an den Automatisierungs-
rungsprojekte. Zum ITS (Intelligent Trans- des Bahnbetriebs eine attraktive Alterna grad GoA 2 mit Fahrgästen und Triebfahr-
port System) Weltkongress im Oktober tive dar, insbesondere hinsichtlich Zeit und zeugführer auf der 23 km langen Strecke
2021 werden Deutsche Bahn AG (DB) und Investitionsbedarf. zwischen den Stationen Berliner Tor und Au-
Siemens Mobility den automatisierten Fahr- Die S-Bahn Hamburg ist dabei Vorreiter für mühle im Grunde vollautomatisch. Der Trieb-
gastbetrieb auf der Pilotstrecke erstmalig die umfassende Digitalisierung des Bahn- fahrzeugführer muss nur noch eingreifen,
der Weltöffentlichkeit demonstrieren. betriebs in Deutschland. Hierzu haben sich wenn Störungen auftreten.
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Abb. 1: Infografik Projekt Digitale S-Bahn Hamburg Quelle: Deutsche Bahn
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Abb. 2: Systemarchitekturskizze Quelle: Deutsche Bahn
Im Bahnhof Bergedorf wird die vollautoma- onen und der fahrdynamischen Eigenschaften Neben ETCS ist auch ATO ein europäisch spe-
tisierte Bereitstellung angelehnt an den Au- der Fahrzeuge errechnet sich das ETCS-Fahr- zifiziertes System. Dabei ist das kombinierte
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tomatisierungsgrad GoA 4 vorgestellt. Dabei zeuggerät die eigene Bremskurve, die erfor- Zielsystem als ATO over ETCS bezeichnet. Auch
steigen Triebfahrzeugführer und Fahrgäste am derlich ist, um vor dem nächsten Gefahrpunkt, bei ATO sind insbesondere auch die interope-
Bahnsteig aus. Die S-Bahn fährt dann vollauto- beispielsweise vor einem Grenzzeichen, zum rablen Schnittstellen für einen transeuropäi-
matisch in ein Kehrgleis, wendet und wird an Stehen zu kommen oder eine kommende Ge- schen ATO-Verkehr festgelegt (Abb. 2).
der gegenüberliegenden Bahnsteigkante be- schwindigkeitseinschränkung nicht zu über- Die Aufgabenteilung zwischen ETCS und ATO
reitgestellt, wo Triebfahrzeugführer und Fahr- schreiten. ist klar beschrieben. Während ETCS als Zugbe-
gäste wieder einsteigen können. Diese individuelle Berechnung der Bremswege einflussungssystem das sicherheitsrelevante
Die technische Basis des hoch- und vollau- führt durch eine optimierte Teilung der Zug- System ist, wird durch ATO im Schutze des ETCS
tomatisierten Bahnbetriebs bildet der von folgestellen zu einer Minimierung der Min- die Zugsteuerung ohne Sicherheitsverantwor-
Shift2Rail (Europäisches Forschungsprojekt destzugfolgezeit. Die Mindestzugfolgezeit be- tung übernommen. Nichtsdestotrotz der weit-
zur Weiterentwicklung der Bahntechnologie) stimmt den zeitlichen Abstand, mit dem zwei reichenden Automatisierungsfunktionen bleibt
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entwickelte, kommende europäische Stan- aufeinander folgende Züge behinderungsfrei bei jeder Aktivität der Triebfahrzeugführer an
dard ATO over ETCS. Statt einer Neuentwick- hintereinander verkehren können. Durch die Bord. Dieser überwacht den Betrieb und greift
lung und konzeptionellen Neugestaltung der angewandten Technologien des Systems ETCS bei fahrzeug- oder streckenseitigen Störungen
Systemarchitektur für einen automatisierten in Unterstützung durch ATO wird eine Mini- im System ein. Auch bei sonstigen Einflüssen im
Bahnbetrieb haben sich DB und Siemens Mo- mierung der Mindestzugfolgezeit in Abhän- offenen Bahnsystem (z. B. Hindernisse im Gleis)
bility bewusst dazu entschieden, den kom- gigkeit von der Blockteilung bis nahezu auf übernimmt der Triebfahrzeugführer weiterhin
menden europäischen Standard ATO over die physikalischen Grenzen der Fahrdynamik die konventionelle Steuerung. Aus Sicherheits-
ETCS als technische Systemarchitektur zu- ermöglicht. Dies führt zu einer höheren Kapa- gründen ist dieses Übersteuern der ATO auf
grunde zu legen, samt aller dazugehörigen zität im Gesamtsystem sowie einem stabileren mehreren Wegen und sehr einfach und intuitiv
funktionalen Beschreibungen und Schnitt- Bahnbetrieb, der die Chance bietet, entstande- möglich. Beispielsweise reicht das Auslenken
stellenspezifikationen. Die Vorteile liegen klar ne Verspätungen wieder aufzuholen bzw. das des Fahr- und Bremshebels in die Bremsstel-
auf der Hand: ein europäischer Standard ETCS Ausmaß von Folgeverspätungen zu reduzieren. lung, um sofort das System ATO zu deaktivieren
(European Train Control System) lässt nicht nur Bei dem System Automatic Train Operation und die manuelle Steuerung zu übernehmen.
einen interoperablen und transeuropäischen (ATO) handelt es sich um die Technologie, Für die Realisierung von ATO over ETCS sind
Eisenbahnverkehr zu, sondern ermöglicht an- die den hochautomatisierten Fahrbetrieb im Projekt Digitale S-Bahn Hamburg diverse
hand der standardisierten Schnittstellen auch ermöglicht. Dabei wird die Steuerung des Umbauten an der Bestandsinfrastruktur und
einen offenen Komponentenwettbewerb. Zuges teilweise oder ganz durch das ATO- an den Bestandsfahrzeugen notwendig. Infra-
Fahrzeuggerät übernommen. Dies betrifft strukturseitig ist eine ETCS-Zentrale erforder-
ATO over ETCS insbesondere das Beschleunigen und Brem- lich, die die in ihrem Steuerbereich ETCS-ge-
Im Unterschied zum konventionellen Signal- sen des Zuges als auch die Türöffnung und führten Züge verwaltet. Über eine Anbindung
system ermöglich ETCS Level 2 (L2) die kon- -schließung. Dabei werden anhand der fahr- an das Stellwerk werden die Fahrstraßen aus
tinuierliche Zugsicherung über die tatsächli- dynamischen Informationen des Fahrzeugs dem Stellwerk über die ETCS-Zentrale an die
chen realen fahrdynamischen Eigenschaften und der per Funk aus der ATO-Streckenzen- ETCS-geführten Fahrzeuge per Funk übertra-
der Fahrzeuge in Abhängigkeit von der aktu- trale übermittelten Infrastruktur- und Fahr- gen. Die ETCS-Zentrale (engl. Radio Block Cen-
ellen Geschwindigkeit. planinformationen optimierte Fahrprofile tre – RBC) kennt neben dem eigenen Strecken
Dabei werden die Züge nicht mehr durch entwickelt und automatisiert abgefahren. atlas des Steuerbereiches auch die Standorte
Lichtsignale an der Strecke gegen das Auf- Dies führt dann zu einem kapazitäts- und aller ETCS-geführten Züge. Für die Standort-
fahren gesichert, sondern erhalten über Funk energieoptimierten Betrieb, der aber im Ver- bestimmungen sind infrastrukturseitig in den
die erlaubte Fahrtdistanz sowie die zulässigen spätungsfall auch die maximalen Fahrreser- Gleisen Eurobalisen und auf der Fahrzeugseite
Geschwindigkeiten. Anhand dieser Informati- ven ausnutzen kann. Balisenantennen montiert.
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Da sich Eingangsdaten für eine ETCS- und
ATO-Projektierung zu ca. 90 % gleichen – bei-
de System benötigen z. B. Geschwindigkeits-
und Gradientenprofile, Balisenpositionen und
Informationen über Stromschienenlücken –,
wurde entschieden, die zusätzlichen Informa-
tionen für die ATO over ETCS-Funktionalität in
der PT 1-Planung ETCS zu ergänzen. Der Vorteil
liegt dabei in der Konsistenz der Daten, sodass
Informationen, die in unterschiedlichen Sys-
temen gleichermaßen genutzt werden, stets
nur eine Quelle aufweisen. Als Ergänzung der
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PT 1-Planung wurden auf Basis des neu ge-
schaffenen Zusatzes zum Regelwerk 819.20
z. B. die betrieblichen ATO-Halteorte (Timing
Points), Bogenradien sowie neue ETCS-Daten-
punkte für Präzisionshalte und Bahnsteigbe-
reiche aufgenommen.
Die PT 1-Planung wurde zudem in einem elek-
tronisch einlesbaren Übergabeformat erstellt,
sodass manuelle Fehler in der Datenübernah-
Abb. 3: Streckenausrüstung S-Bahn-Strecke mit Ne 14 und Balisen Quelle: Siemens Mobility me zur Projektierung der technischen Systeme
vermieden werden konnten. Analog zu der
PT 1-Planung wurde auch die Projektierung
Spezifikationserstellung Die Lastenhefte wurden im Rahmen des Pro- für die Systeme ATO-TS und ETCS-TS nicht in
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Die Umsetzung des Systems ATO over ETCS im jekts in einer Forschungs- und Entwicklungs- unterschiedlichen, sondern in ein und demsel-
Rahmen des Projektes bedingte die Neuschaf- kooperation gemeinschaftlich zwischen der ben Projektierungswerkzeug durchgeführt. So
fung und Anpassung von Lastenheften. Bei- DB und Siemens Mobility erarbeitet. In der ist sichergestellt, dass die Zielsystemdateien
spielsweise mussten streckenseitig ein Delta- Kooperation wurden die Inhalte der Lasten- für ATO-TS und ETCS-TS konsistent zueinan-
Lastenheft ETCS sowie ein Lastenheft ATO-TS hefte im Team aus Experten der Betreiber und der sind. Da für die ATO-Funktionalität, insbe-
(Automatic Train Operation – Track Side) ge- Hersteller stets in Bezug auf betriebliche und sondere für das präzise Halten am Bahnsteig,
schaffen werden. Wesentliche Bestandteile des technische Realisierbarkeit in dem höchst an- eine besonders hohe Genauigkeit der Vermes-
Delta-Lastenhefts ETCS sind die Anpassungen spruchsvollen Zeitplan definiert und bewer- sungsdaten gefordert ist, wurde im Projektie-
der Vorgaben des generischen Lastenhefts tet. Beschleunigt wurde das Verfahren durch rungswerkzeug die zusätzliche Möglichkeit
BTSF (Betrieblich Technische Systemfunktio- die agile Arbeitsweise, indem die technischen geschaffen, abweichend von der metergenau-
nen) auf ein S-Bahn-System mit besonders ge- Inhalte der Lastenhefte in regelmäßigen en Information in ETCS eine zentimetergenaue
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ringen Signalabständen und einer hohen Zug- Sprint-Rhythmen erarbeitet und immer zeit- Position der Balisen anzugeben. Im Ergebnis
folge, die Definition neuer Datenpunkte für nah abgestimmt wurden. Im Ergebnis dieser dieser Vorgehensweise bei der Projektierung
ATO-Präzisionshalte und Bahnsteiginformatio- gemeinsamen Arbeitsweise lagen zwischen können auch bei späterem Erweiterungs- oder
nen, aber auch die Umsetzung technischer Un- Beginn der Lastenhefterstellung im Juli 2018 Anpassungsbedarf der Strecke gleichzeitig in
terstützungen für betriebliche Besonderheiten und der ersten Probefahrt ATO over ETCS im einem Projektierungsschritt aktualisierte Ziel-
der S-Bahn Hamburg wie z. B. das Vorbeifahren November 2020 auf Basis der nach diesen Las- systemdateien für ATO-TS und ETCS-TS erzeugt
auf Sicht an definierten Halt zeigenden Block- tenheften entwickelten Systeme weniger als werden.
signalen ohne Zustimmung des Fahrdienstlei- zweieinhalb Jahre!
ters. Das Lastenheft für das technische System Montage und Realisierung
ATO-TS musste hingegen komplett neu erstellt Planung und Projektierung Der für die Ausrüstung mit ATO over ETCS vor-
werden. Basis hierfür waren im Wesentlichen Die Planung für die ETCS-L2-Ausrüstung einer gesehene Abschnitt der Strecke 1244 (Berliner
die Shift2Rail-Spezifikationen Subset-125 und Stecke erfolgt bei der DB für alle Strecken auf Tor – Aumühle) ist zum Zeitpunkt des Projekt-
-126. Da aber beispielsweise die Schnittstelle Basis der Richtlinie (Ril) 819.1344. Diese Richt- starts mit Siemens ESTW-Technik (Simis C)
zu einem Dispositionssystem noch nicht eu- linie ist bisher hauptsächlich für den ETCS- (Elektronisches Stellwerk – ESTW) und punkt-
ropäisch definiert wurde, war die Erarbeitung Betrieb bei Fernbahnen ausgelegt und bein- förmiger Zugbeeinflussung (PZB) ausgerüstet.
einer entsprechenden Spezifikation, die es haltet keine Erweiterung für ATO-Funktionen. Um die ETCS-Zentrale anzubinden, erfolgte
ermöglicht, die Fahrplaninformation des Be- Anpassungen dieser Richtlinie müssen jedoch zunächst die Hochrüstung des ESTW-Z Berge-
standssystems IMS (Integriertes Management stets auf Auswirkungen bestehender Planun- dorf (S-Bahn) auf Basis des Simis C ZeSAR Z3
System) dem System ATO-TS bereitzustellen, gen aller ETCS-Anlagen geprüft werden. Hier (Zentraler Schnittstellen- und Aufrüstrechner).
eine der besonderen Herausforderungen. hat sich die Besonderheit, dass die S-Bahnen Dieser wurde dort, nach erfolgter Typzulas-
Um auch auf kurzfristige, ungeplante Gleiswech- Hamburg und Berlin mit der Ril 819.20 ein ei- sung durch das Eisenbahn-Bundesamt und
sel reagieren zu können, wurde eine weitere genständiges Planungsregelwerk für LST-Pla- darauf aufbauender Prototypfreigabe durch
Schnittstelle vom ATO-TS zum ETCS-Diagnose- nungen aufweisen, als äußerst vorteilhaft er- die DB Netz, erstmals eingesetzt. Die Inbe-
system geschaffen. Mittels dieser Schnittstelle wiesen. Dadurch war es möglich, erforderliche triebnahme inklusive Softwarewechsel erfolg-
werden in der ATO-TS aus den Movement Au- Regelwerksergänzungen und -änderungen in te am 15. April 2019.
thorities (MA) der ETCS-Zentrale an die Fahrzeu- einem Zusatz zu dieser Richtlinie zu formulie- Die im Stellbereich des ESTW-Z Bergedorf (S-
ge ständig die aktuellen Fahrwege gegen die ren, sodass die Anpassungen keine Wirkung Bahn) installierte Gleisfreimeldeanlage war
geplante Route des Fahrplans auf Übereinstim- auf alle Netze der DB, sondern lediglich auf aufgrund der Haltfallanforderungen durch
mung geprüft und bei Bedarf als korrigiertes diese hatten und damit in einer Rekordzeit ETCS nicht kompatibel. Aus diesem Grund
Journey Profile an ein Fahrzeug versendet. umgesetzt werden konnten. wurden Zählpunkte versetzt und in den Bahn-
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höfen Bergedorf und Aumühle der Ersatz von wurde mit der Realisierung einer vollautoma- Das Ergebnis, hochautomatisiertes Fahren
Frequenz-Ton-Gleisstromkreisen (FTGS) durch tischen Bereitstellung ein weiterer wichtiger mit ATO over ETCS, steht für effiziente sowie
Achszählung durchgeführt. Ebenso wurden Schritt zu einer höheren Automatisierungsstufe nachhaltige Mobilität. Die erhöhte Leistungs-
alle betroffenen 79 Hauptsignale mit ETCS- geschaffen. fähigkeit des Schienennetzes durch dichtere
Halttafeln (Ne 14) ausgerüstet (Abb. 3). Die Die Projektpartner DB und Siemens Mobility Zugfolgen, die kontinuierliche Übertragung
Montagearbeiten erfolgten im ersten und haben darüber hinaus eindrucksvoll bewiesen, der Informationen zur aktuellen Verkehrsla-
zweiten Quartal des Jahres 2020, die ESTW- wie die neuen Technologien ETCS und ATO in- ge an die Fahrzeuge per Funk, ein optimales
Inbetriebnahme mit Softwarewechsel wurde klusive eines erweiterten, hochautomatisierten Geschwindigkeitsprofil mit weniger Brems-
am 22. Juni 2020 durchgeführt. Bahnbetriebs in kürzester Zeit auf einer beste- vorgängen und dadurch ein sinkender Ener-
Parallel zum Umbau der ESTW-Streckenausrüs- henden Strecke und existierenden Fahrzeugen gieverbrauch führen zu einem stabileren
tung erfolgte die Verlegung der ETCS-Balisen, erfolgreich umgesetzt werden kann. Von An- Fahrplan mit pünktlicheren Zügen und zu
insgesamt wurden 379 Datenpunkte (jeweils fang an stand das Projekt unter einem enormen einem deutlich höheren Reisekomfort für die
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aus ein oder zwei Balisen bestehend) installiert. Zeitdruck. Der Zeitraum zwischen Projektstart Fahrgäste.
Es handelt sich hierbei um Festdatenbalisen. 2018 und der öffentlichen Vorstellung im Ok- Mit der besonderen Form der Zusammenar-
Die Datenpakete wurden vor der Ausliefe- tober 2021 zum ITS-Weltkongress beinhaltete beit im Rahmen einer Entwicklungskoope-
rung nach Hamburg im Siemens-Werk Braun- neben der Entwicklung, Realisierung, Installa- ration wurden zweifellos Maßstäbe gesetzt.
schweig aufgespielt und dort vom Abnahme- tion und Inbetriebnahme der Fahrzeug- und Die überaus positiven Erfahrungen fanden
prüfer geprüft. Die Installation der Trainguard Streckenkomponenten auch eine vorangestell- vielfach höchste Anerkennung. Dieses Zu-
200 RBC ETCS-Zentrale Bergedorf im Rechner- te umfangreiche Spezifikationsphase für den sammenarbeitsmodell hat sich somit bestens
raum der ESTW-Zentrale Bergedorf erfolgte im ATO over ETCS-Betrieb für die „Digitale Schiene für kommende Vorhaben empfohlen. Zurzeit
Mai 2020. Die dauerhafte Kopplung mit dem Deutschland“ auf Basis offener Schnittstellen, wird an Plänen gearbeitet, diese Technik über
ESTW erfolgte am 31. Juli 2020, womit die Her- inklusive der zu berücksichtigenden Spezifika die Pilotstrecke hinaus im Hamburger S-Bahn-
stellung der Funktionsfähigkeit (HdF) erklärt des Hamburger S-Bahn-Betriebs. Netz einzusetzen.
wurde. Auf dieser Grundlage erfolgten ab dem
3. August 2020 unter Nutzung der nächtlichen
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Betriebspause der S-Bahn die ETCS-Abnahme-
prüffahrten. Als Abnahmeprüffahrzeug wurde
der VT1.0/1.5 ETCS (Desiro) eingesetzt.
Die Inbetriebnahme ETCS L2 auf der Stre-
cke 1244 im Abschnitt Berliner Tor – Aumühle
erfolgte am 1. März 2021, seit diesem Tag sind
planmäßige, ETCS-geführte Zugfahrten im Re-
gelbetrieb auf der Strecke möglich.
Die ATO-Zentrale Hamburg Bergedorf (S-Bahn)
wurde im August 2020 im Rechnerraum der
ESTW-Z und ETCS-Z Bergedorf S-Bahn instal-
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liert. Am 28. August 2020 wurde dafür die HdF
erklärt. Die ATO-Abnahmeprüffahrten mit zwi-
schenzeitlich umgerüsteten S-Bahn-Fahrzeu-
gen wurden im März 2021 auf Basis des bereits
in Betrieb befindlichen Systems ETCS durchge-
führt. Die Inbetriebnahme ist für August 2021
vorgesehen, Grundlage hierfür wird eine ent-
sprechende Weisung der DB Netz sein.
Zeitgleich erfolgte die Anpassung und Aus-
rüstung der vier Bestandsfahrzeuge der
Baureihe 474 der S-Bahn Hamburg mit der
Trainguard 200 ETCS- und ATO-Fahrzeugaus-
rüstung.
Wichtiger Baustein für
die Digitale Schiene Deutschland Dipl.-Ing. (FH) Jan Schröder Christoph Gonçalves Alpoim, M. Sc.
Mit der Digitalen S-Bahn Hamburg wird ein wei- Projektleiter Stellv. Projektleiter
terer, wichtiger Baustein der Digitalisierung des Digitale S-Bahn Hamburg Digitale S-Bahn Hamburg
deutschen Schienennetzes Realität. Während Deutsche Bahn AG, Berlin Deutsche Bahn AG, Berlin
die erste Stufe des Programms „Digitale Schiene jan.schroeder@deutschebahn.com christoph.goncalves-alpoim@
deutschebahn.com
Deutschland“ die Digitalisierung der Infrastruk-
tur mit Digitalen Stellwerken (DSTW) sowie der
Infrastruktur und der Fahrzeuge mit ETCS be-
inhaltet, sollen in der zweiten Stufe neue Tech-
nologien für den Bahnbetrieb eingeführt wer- Dipl.-Inform. Boris Dickgießer Dipl.-Math. Markus Talg
den. Das im Projekt Digitale S-Bahn Hamburg Projektleiter Systemmanager
erstmals realisierte hochautomatisierte Fahren Digitale S-Bahn Hamburg Projekt Digitale S-Bahn Hamburg
auf Basis von ETCS und ATO ist bereits ein Kern Siemens Mobility GmbH, Siemens Mobility GmbH,
element der zweiten Stufe des digitalisierten Braunschweig Braunschweig
Bahnbetriebs mit neuen Technologien. Zudem boris.dickgiesser@siemens.com markus.talg@siemens.com
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