Einführung des hochautomatisierten Fahrens - auf dem Weg zum vollautomatischen Bahnbetrieb - Siemens
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Einführung des hochautomatisierten Fahrens –
auf dem Weg zum vollautomatischen Bahnbetrieb
The introduction of highly automatic operation –
towards fully automatic train operation
Gerd Tasler | Volker Knollmann
E ine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist es, eine kos-
tengünstige und nachhaltige Mobilität bei steigender Nachfra-
ge zu gewährleisten. Das gilt gleichermaßen für alle Verkehrsträ-
O ne of the greatest challenges of our age involves ensur-
ing cost-effective, sustainable mobility in the face of in-
creasing demand. This applies to all types of transport, both
ger, sowohl im Personen- als auch Güterverkehr. So wird z. B. in passenger and freight traffic, equally. For example, the 2030
der „Verkehrsprognose 2030“ des Bundesministeriums für Verkehr transport forecast study commissioned by the German Feder-
und digitale Infrastruktur (BMVI) bis zum Jahr 2030 in Deutsch- al Ministry of Transport and Digital Infrastructure assumes
land mit erheblichen Verkehrsleistungszuwächsen im Personen- considerable increases in transport capacity of approximately
verkehr von ca. 20 % und im Güterverkehr von rund 40 % bezogen 20 % in passenger rail transport and about 40 % in freight rail
auf 2010 für den Schienenverkehr ausgegangen [1]. Damit steigen transport in Germany by the year 2030 in comparison with
auch die Anforderungen an die Kapazität und die Verfügbarkeit 2010 [1]. This goes hand in hand with the increasing require-
von Bahnverkehrssystemen, die in allen Betriebssituationen eine ments for the capacity and availability of rail transport sys-
hohe Sicherheit, operative Verfügbarkeit und Qualität des Bahn- tems which have to ensure high levels of rail transport safe-
verkehrs unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten gewährleisten ty, operative availability and quality in all operating situations
müssen. Ohne eine weitere Erhöhung des Automatisierungsgra- subject to economic aspects. These challenges can hardly be
des sind diese Herausforderungen kaum mehr zu erfüllen. met unless the level of automation is raised further.
1 Einleitung 1 Introduction
Mit der Spurführung durch das Rad-Schiene-System weist die Eisen- Compared with road transport, the wheel-to-rail system
bahn im Vergleich zum Straßenverkehr einen entscheidenden Sys- means that railways have a decisive advantage and are there-
temvorteil auf und ist damit besonders prädestiniert für eine Auto- fore particularly predestined for automation. Diverse auto-
matisierung. Bereits heute sind bei den Eisenbahnen vielfältige Au- mation functions are already in use on railways today: elec-
tomatisierungsfunktionen im Einsatz: Elektronische Stellwerke steu- tronic interlocking systems set and protect routes, automatic
ern und sichern die Fahrwege, automatische Zugbeeinflussungssys- train control systems ensure that trains run safely at maxi-
teme sorgen für die Sicherung der Zugfahrten bei größtmöglicher mum line capacity and intelligent control systems have as-
Streckenkapazität und intelligente Betriebsleitsysteme übernehmen sumed the timely allocation of routes and make sure that ex-
das zeitgerechte Einstellen von Fahrstraßen und sorgen dafür, dass isting capacities are better deployed by making full use of all
die vorhandenen Kapazitäten durch Ausschöpfung aller Leistungsre- performance reserves and that the rail services provide high-
serven besser ausgenutzt werden und auch in betrieblichen Ausnah- level efficiency and quality even in exceptional operating sit-
mesituationen eine hohe Leistungsfähigkeit und Qualität des Bahn- uations. Digitisation enables a further boost in capacity by
verkehrs gewährleistet wird. Mit der Digitalisierung wird eine weitere optimising complete operational sequences in rail transport
Leistungssteigerung durch die Optimierung kompletter Betriebsab- in line with operative and business parameters. This goes to-
läufe im Bahnverkehr nach operativen und betriebswirtschaftlichen gether, for example, with more intensive networking across
Kennziffern möglich. Damit ist u. a. eine stärkere Vernetzung über ver- various areas of activity, systems and applications and also
schiedene Arbeitsbereiche, Systeme, Anwendungen und auch über beyond different means of transport. In turn, this opens up
verschiedene Verkehrsträger hinweg verbunden. Und das wiederum new possibilities for rail automation through to fully auto-
bietet neue Möglichkeiten für die Automatisierung im Bahnverkehr, mated train operations.
bis hin zu einem vollautomatischen Bahnbetrieb. Fully automatic train operations have long since become a re-
Bei U-Bahnen ist ein vollautomatischer Bahnbetrieb längst Realität, da ality in metros since they are particularly suitable for driverless
sich diese wegen ihrer Trassenführungen in geschlossenen Tunnelsys- operations as they are routed in closed tunnel systems. Siemens
temen besonders gut für einen fahrerlosen Betrieb eignen. Weltweit hat has already equipped more than 300 route km with technology
Siemens mittlerweile über 300 Streckenkilometer mit Technologie für for driverless train operations worldwide and it is therefore the
den fahrerlosen Betrieb ausgerüstet und ist damit Marktführer in die- market leader in this field. However, mainline, freight and re-
sem Bereich. Doch auch im Fern-, Güter- und Regionalverkehr besteht gional rail services are becoming increasingly interested in using
zusehends der Wunsch, die Möglichkeiten des automatischen Fahrens the possibilities provided by automatic train operation (ATO) in
zu nutzen, um den zukünftigen Herausforderungen gerecht zu werden. order to meet future challenges.
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Dabei unterscheiden sich die mit einem automatischen Fahren The benefits expected from ATO in mainline rail services do not
(ATO = Automatic Train Operation) erwarteten Vorteile im Fern- differ (or they differ only slightly) from those in mass transit:
verkehr nicht oder nur kaum von denen im Nahverkehr: • boosting infrastructure and transport capacity by decreasing
• Steigerung der Strecken- und Transportkapazität durch Verringe- the operational headway
rung der Zugfolgeabstände • improving timetable stability and punctuality by means of
• Verbesserung der Fahrplanstabilität und Pünktlichkeit durch more regular and predictable run times between stations,
gleichmäßige und planbare Fahrzeiten zwischen den Stationen, eliminating the variations inherent in manual driving and
ein reproduzierbares Fahrverhalten unter Beseitigung individu- also reducing the time reserves as a result of increased op-
eller Fahrweisen der Triebfahrzeugführer und das Verringern von erational quality
Fahrzeitreserven als Ergebnis einer gesteigerten Betriebsqualität • saving energy by optimising the speed profile
• Energieeinsparung durch optimierte Fahrweise • reducing mechanical wear and tear on traction and braking
• Verringerung von mechanischer Beanspruchung und Verschleiß systems with lower maintenance costs
beim Antriebs- und Bremssystem mit geringeren Wartungskosten • reducing noise, especially in freight operations, by means of
• Lärmminderung, speziell im Frachtverkehr, durch ein sanftes und smoother and more homogeneous driving with less braking
gleichmäßiges Fahren mit weniger Bremsvorgängen • increasing passenger comfort by means of smoother and
• Erhöhung des Fahrgastkomforts durch ein sanftes und gleichmä- more homogeneous driving and providing more uniform
ßiges Fahren und gleichbleibende Fahrqualität travel quality
• Erhöhung der Flexibilität für einen bedarfsorientierten Zugver- • increasing the flexibility for demand-oriented train opera-
kehr (bei GoA3/4, GoA = Grade of Automation) tions (for GoA3/4; GoA = Grade of Automation)
• Verbesserung der Betriebskosten durch Effektivitätssteigerung • improving operating costs by increasing staff effectiveness
des Personals (bei GoA3/4) (for GoA3/4)
Tab. 1 gibt einen Überblick über die wesentlichen Randbedingun- Tab. 1 provides an overview of the major constraints and driv-
gen und Treiber zur Einführung des automatischen Fahrens in den ing factors for the introduction of ATO in the different mainline
verschiedenen Marktsegmenten des Fernverkehrs. market segments.
Grundlegende Unterschiede gegenüber dem Nahverkehr gibt es je- However, the prevailing operating conditions are subject to fun-
doch in den betrieblichen Rahmenbedingungen, die als besondere damental differences in comparison with mass transit. These
Herausforderungen bei der Einführung und Verbreitung des auto- differences have to be taken into consideration with regard to
matischen Fahrens im Fernverkehr berücksichtigt werden müssen: the introduction and rollout of ATO in mainline services:
• Größe und Komplexität des Streckennetzes: Das Streckennetz • the size and complexity of the line network: a mainline net-
im Fernverkehr ist deutlich größer und komplexer als im Nah- work is considerably larger and more complex than a mass
verkehr. Das macht die Installation der benötigten Infrastruk- transit network. This makes the installation of the necessary
tur schwieriger und erfordert intelligente Lösungen, um die be- infrastructure more difficult and requires intelligent solu-
nötigten „digitalen Streckendaten“ für das automatische Fahren tions for maintaining and distributing the necessary “digital
bereitzustellen und zu verteilen. maps” for ATO.
• Netzweiter Fahrzeugeinsatz verschiedener Betreiber: Im Normalfall • the network-wide deployment of vehicles from different op-
müssen im Fernverkehr alle Fahrzeuge im gesamten Streckennetz erators: in general, all vehicles must be able to operate on all
einsetzbar sein. Das erschwert die Einführung von ATO, weil eine aus- parts of the mainline network. This makes it difficult to roll
reichende Abdeckung mit Strecken- und Fahrzeugausrüstungen nur out ATO because sufficient coverage with trackside and on-
mit hohem Aufwand erreichbar ist. Zusätzlich werden die Fahrzeuge board equipment is only possible at considerable cost. In addi-
von verschiedenen Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) betrieben. tion, the vehicles are operated by a range of different rail trans-
• Große Anzahl verschiedener Fahrzeugtypen: Die fahrdynami- port companies.
schen Eigenschaften (Beschleunigungs- und Bremsverhalten) • the large variety of vehicle types: the dynamic behaviour (ac-
können sich zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen er- celeration, deceleration) can differ considerably between ve-
Personenfernverkehr Güterfernverkehr und Minenbahnen Mainline passenger services Mainline freight and mining services
Fern- und Regional- Fern- und Regional- Mainline and regi- Mainline and regi-
Industrial and mi-
verkehr, hohe Zug- verkehr, geringe Zug- Güterverkehr Minenbahnen onal services, high onal services, low Freight
ning
dichte dichte traffic density traffic density
Kapazitätssteige- Senkung Betriebs- Energieeinspa- Automatisches Be- Capacity increase Low operating Energy savings Automated
rung bei vorhande- kosten rungen und Entladen on existing infra- costs loading and
ner Infrastruktur structure Interoperability unloading
Reduzierung der Interoperabilität Robuste High-end- Reduction of
Mischverkehr Ausrüstung Lösungen Mixed traffic equipment Driverless train Robust high-end
Fahren ohne Lok- operations solutions
Interoperabilität Hohe Anforderun- führer Fahren ohne Lok- Interoperability High safety / secu-
gen an Sicherheit führer rity requirements High safety / secu- Driverless train
Hohe Verfügbar- (Safety & Security) Hohe Anforderun- High availability of rity requirements operations
keit des Gesamt- gen an Sicherheit Hohe Anforde- overall system
systems (Safety & Security) rungen an Verfüg- High availability
barkeit High safety / secu- requirements
Hohe Anforderun- rity requirements
gen an Sicherheit Geringere Anforde- Lower safety /
(Safety & Security) rungen an Sicher- security
heit (Safety) requirements
Tab. 1: Wesentliche Randbedingungen und Treiber zur ATO-Einführung Tab. 1: The major constraints and driving factors for the introduction of ATO
im Fernverkehr in mainline rail services
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heblich unterscheiden. Um eine netzweite betriebliche Opti- hicle classes. In order to achieve an optimized service at net-
mierung zu erreichen, müssen sowohl die Betriebsleittechnik work level, both traffic management and on-board equip-
als auch die fahrzeugseitigen Ausrüstungen für das automati- ment must be able to deal with this variety.
sche Fahren mit dieser Variabilität umgehen können. • mixed traffic and mixed operations: the joint use of the line
• Mischverkehr und Mischbetrieb: Typisch für den Fernverkehr ist network by high-speed, regional and freight trains is typical
die gemeinsame Nutzung des gesamten Streckennetzes durch for mainline services. Given the size of the network and the
den Hochgeschwindigkeits-, Regional- und Güterverkehr. Auf- fleets, a mix of advanced automatic operations and regular
grund der Größe des Streckennetzes und der darauf verkehren- non-automatic operations will be inevitable for a consider-
den Fahrzeugflotten wird für einen längeren Zeitraum ein Misch- able period of time. This is not only a technical challenge,
betrieb von automatischen und nicht-automatischen Fahrzeu- but it also limits the achievable improvements during the
gen erforderlich sein. Das ist nicht nur eine technische Heraus- migration phase.
forderung, sondern mindert auch die erreichbaren Verbesserun- Unlike mass transit, the implementation of an ATO system for
gen in der Einführungsphase des automatischen Fahrens. mainline operations requires action from both rail transport
Anders als im Nahverkehr müssen für die Realisierung des automati- companies and fleet operators (on-board ATO) and the infra-
schen Fahrens im Fernverkehr sowohl die EVU als Betreiber der Fahr- structure manager (ATO integration into the traffic manage-
zeugflotten (für die Ausrüstung der Fahrzeuge mit den fahrzeugseiti- ment system and the installation of the communication infra-
gen ATO-Komponenten) als auch der oder die Infrastrukturbetreiber structure) in order to optimize rail services throughout the net-
(zur Anbindung der ATO-Fahrzeuggeräte an die Betriebsleittechnik work. These entities are typically represented by different com-
und Bereitstellung der notwendigen Kommunikationsinfrastruktur) panies, which makes technical integration and contractual rela-
eingebunden werden, um eine netzweite betriebliche Optimierung tions difficult.
des Zugverkehrs zu erreichen. Das führt zweifelsohne zu einer zusätz- Tab. 2 shows the special key aspects of mainline services in com-
lichen Komplexität bei der technischen Integration und den benötig- parison with those of mass transit which have to be taken into
ten Vertragsbeziehungen. consideration during the introduction and rollout of the ATO
Tab. 2 zeigt die wesentlichen Besonderheiten im Vergleich zum on mainline railways.
Nahverkehr, die bei der Einführung und Verbreitung des automa- Further challenges need to be overcome in the introduction
tischen Fahrens im Fernverkehr zu berücksichtigen sind. of fully automated driverless and unattended train operations
Weitere Herausforderungen gilt es bei der Einführung eines vollautoma- (GoA3 / GoA4) on mainline railways. In addition to technical
tisierten fahrerlosen und unbegleiteten Fahrens (GoA3 /GoA4) im Fern- solutions pertaining to fallen obstacle detection and platform
verkehr zu meistern. Hier sind neben den technischen Lösungen zur Hin- protection, i. e. obstruction detection in a largely publicly acces-
derniserkennung und Bahnsteigsicherung, also der Gefahrenraumüber- sible track network, operational fall-back scenarios also have to
wachung in einem weitestgehend öffentlich zugängigen Streckennetz, be described and established, which will enable safe operations
auch betriebliche Rückfallszenarien zu beschreiben und zu etablieren, with maximum capacity in the event of any disruptions. [2]The
die im Störungsfall einen sicheren Betrieb bei größtmöglicher Leistungs- normative and legal conditions and the operating rules have to
fähigkeit ermöglichen. [2] Hierfür sind auch normative und rechtliche be adjusted to this end [3].
Rahmenbedingungen sowie betriebliche Regelwerke anzupassen [3]. This is also the reason why the implemented approach to fully
Auch aus diesem Grund wird im „normalen“ Fernverkehr der automatic train operations (GoA3 for passenger traffic / GoA4
Weg zum vollautomatisierten Fahren (GoA3 für Personenver- for passenger and cargo traffic) in “normal” mainline servic-
kehr / GoA4 für Personen- und Güterverkehr) über das hochauto- es will first pass through highly automatic train operations in
matisierte Fahren entsprechend GoA2 führen. Damit lassen sich line with GoA2. As such, a higher line throughput, an ener-
bei einem überschaubaren technischen Aufwand ein höherer gy-optimized driving strategy and improved timetable stabil-
Durchsatz, eine energieoptimierte Fahrweise und eine Verbesse- ity and punctuality can be achieved with a reasonable techni-
rung der Fahrplanstabilität und Pünktlichkeit erreichen. cal effort.
Bereich Nahverkehr Fernverkehr Area Mass transit Mainline
Fahrzeuge Unternehmenseigene Fahr- Unterschiedliche Betreiber Vehicles Company-owned vehicles, a Various train operators with
zeuge, begrenzte Anzahl ver- mit einer Vielzahl verschiede- limited number of different a large number of different
schiedener Fahrzeugtypen ner Fahrzeugtypen vehicle types vehicle types
Infrastruktur Begrenztes Streckennetz, Existierende Infrastruktur, Infrastructure A geographically limited An existing, highly complex
einfaches Layout sehr komplex network, a simple layout infrastructure
Umgebungsbedingungen Geschütztes und Öffentlich zugängliches Stre- Environmental conditions A closed, access-protected An open, publicly accessible
zugangsbeschränktes Stre- ckennetz network network
ckennetz Operation Purely passenger transport Mixed traffic comprising high-
Betrieb Reiner Personenverkehr Mischverkehr von Hochge- speed, regional and freight
schwindigkeits-, Regional- transport
und Güterverkehr System Proprietary and vendor- Multiple vendors for signal-
System Proprietäre und hersteller- Mehrere Anbieter für Signal- specific solutions, a single ling, interoperable and stan-
spezifische Lösungen, ein technik, interoperable und vendor for signalling (track- dardised solutions (e. g. “ATO
Hersteller für Signaltechnik standardisierte Lösungen side, onboard), an integra- over ETCS”), DAS and C-DAS
(Strecke, Fahrzeug), integ- (z. B. ATO over ETCS), DAS und ted ATP / ATO solution
rierte ATP / ATO-Lösung C-DAS Operator Typically a single operator Multiple operators of infra-
Betreiber Typischerweise ein Betrei- Mehrere Betreiber für Infra- who owns both infrastruc- structure (infrastructure ma-
ber für Infrastruktur und struktur (Infrastrukturbetrei- ture and vehicles nagers) and vehicles (train
Fahrzeuge ber) und Fahrzeuge (EVU) operators)
Tab. 2: Wesentliche Unterschiede im Nah- und Fernverkehr Tab. 2: The important differences between mass transit and mainline operations
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2 Das ATO-Gesamtsystem 2 The ATO system
Ein ATO-System besteht grundsätzlich aus zwei Komponenten: An ATO system essentially comprises two components:
• Die streckenseitige Komponente ATO-TS (ATO trackside) sam- • ATO trackside (ATO-TS) collects both static and dynamic
melt statische sowie dynamische Strecken- und Fahrplandaten data on the infrastructure, tracks and timetables from the ex-
von existierenden streckenseitigen TMS (Traffic Management isting TMS (Traffic Management System) and transfers the
System) und überträgt diese an die ATO-Fahrzeuggeräte. data to the ATO-OB.
• Die fahrzeugseitige Komponente ATO-OB (ATO onboard) berechnet • ATO onboard (ATO-OB) continuously calculates the opti-
das jederzeit optimale Fahrprofil anhand der Daten über Infrastruk- mum speed profile based on the available data on the infra-
tur, Strecke und Fahrplaninformationen und kontrolliert die Antriebs- structure, track and timetables and controls the traction and
und Bremsvorrichtungen des Fahrzeugs für die automatisierte Fahrt. braking systems for automated train runs.
Um einen größtmöglichen Nutzen des hochautomatisierten Fahrens In order to maximize the benefit of the highly automatic train
unter den besonderen Bedingungen im Fernverkehr entsprechend operation under the special conditions prevailing in mainline
Tab. 2 realisieren zu können, muss die dafür notwendige technische services as set out in tab. 2, the relevant necessary on-board
Ausrüstung auf den Fahrzeugen (ATO-OB) und die streckenseitige In- equipment (ATO-OB) and the trackside infrastructure (ATO-
frastruktur (ATO-TS) als Gesamtsystem verstanden werden. Mit der TS) have to be seen as an overall system. The online connec-
Online-Anbindung an die streckenseitige Betriebsleittechnik steht tion to the TMS continuously provides the current timetable
die aktuelle Fahrplanlage kontinuierlich zur Verfügung. Zusammen position. Together with the track data, this is the only way that
mit den Streckendaten können nur so auf den Fahrzeugen die opti- optimum speed profiles can be calculated onboard the vehicles
malen Geschwindigkeitsprofile auf Basis der aktuellen Fahrplan- und based on the current timetable and route information. It is irrel-
Fahrweginformationen berechnet werden. Dabei ist es unerheblich, evant whether this information is used “merely” for a connect-
ob diese Informationen „nur“ für ein Fahrerassistenzsystem (C-DAS = ed driver advisory system (C-DAS) with driving recommenda-
Connected Driver Advisory System) mit Fahrempfehlungen oder für tions or for an ATO system with access to the vehicle’s traction
ein ATO-System mit Durchgriff auf die Antriebs- und Bremssteuerung and braking control system for automatic operation. In both
des Fahrzeugs zum automatischen Fahren verwendet werden. In bei- cases, the acceptance of the system would suffer considerably, if
den Fällen würde die Akzeptanz für die Systeme erheblich leiden, the DAS driving recommendations or the ATO driving strategy
wenn die Fahrempfehlungen des DAS oder aber das Fahrverhalten failed to match the operational reality.
der ATO nicht zur betrieblichen Realität passen würden. Since an ATO system basically involves a non-failsafe system,
Da es sich bei einem ATO-System grundsätzlich um ein nicht-si- ATO train movements are protected by the onboard automatic
cheres System handelt, werden die Zugbewegungen beim ATO train protection (ATP) system, which intervenes as a “regula-
jederzeit durch das auf dem Fahrzeug installierte Zugsicherungs- tor” whenever the permitted speed is exceeded. Thus, the in-
system (ATP = Automatic Train Protection) gesichert. Dieses troduction of an ATO system will not have an adverse effect on
greift bei Überschreiten der zulässigen Geschwindigkeitsvorga- safe railway operations. This also means that the ATO system’s
ben durch das ATO-System „regulierend“ ein. Auf diese Weise hat possibilities and quality criteria are decisively determined by the
die Einführung eines ATO-Systems keinen negativen Einfluss auf properties of the monitoring ATP system.
die Sicherheit des Bahnbetriebs. Dadurch werden aber auch die Just as flexible train operations within the European mainline
Möglichkeiten und Qualitätskriterien einer ATO maßgeblich von rail network are the objective of introducing and rolling out the
den Eigenschaften des „überwachenden“ Zugsicherungssystems ETCS as the European train control system, ATO-equipped ve-
bestimmt. hicles have to be capable of being used in an interoperable en-
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So wie es das Ziel der Einführung und Verbreitung von ETCS als vironment. For this reason, an ATO standard is an essential ob-
europäisches Zugsicherungssystem ist, Züge flexibel im europä- jective for European standardisation activities. This is currently
ischen Fernverkehrsnetz einsetzen zu können, so sollen auch die being driven by UNISIG and the EU-funded “Shift2Rail” (S2R)
mit ATO ausgerüsteten Fahrzeuge im interoperablen Umfeld ver- project. The necessary interfaces and functions are being speci-
wendbar sein. Aus diesem Grund ist die Definition einer Standard- fied for the interoperable use of “ATO over ETCS” and demon-
ATO ein wesentliches Ziel europäischer Standardisierungsaktivitä- strated in terms of their practical applicability in proofs of con-
ten. Diese werden gegenwärtig durch UNISIG und das EU-finan- cept and pilot applications within the context of the “Advanced
zierte Projekt „Shift2Rail“ (S2R) vorangetrieben. Im Rahmen des Traffic Management and Control Systems” IP2 innovation pro-
Innovationsprogramms IP2 „Advanced Traffic Management and gram. The air interface between the ATO-TS and the ATO-OB
Control Systems“ werden die notwendigen Schnittstellen und (Subset-126) is of key significance for the purposes of interop-
Funktionen für einen interoperablen Einsatz einer ATO mit ETCS erable operations. The “ATO over ETCS” standardisation pro-
(„ATO over ETCS“) spezifiziert und im Rahmen von „Proof of Con- ject is creating the conditions for the widespread use of ATO
cepts“ und Pilotanwendungen auf ihre praktische Anwendbarkeit systems with ETCS. For example, upgrading to the ETCS is not
nachgewiesen. Für einen interoperablen Betrieb ist dabei die Luft- only “the basis for automatic train operations on lines” for the
schnittstelle zwischen den ATO-TS und den ATO-OB von entschei- German Railways, but “it is also paving the way to the next boost
dender Bedeutung (Subset-126). Mit dem Standardisierungsvor- in rail transport technology”. [4]
haben „ATO over ETCS“ werden die Voraussetzungen für eine weit- Fig. 1 shows the “ATO over ETCS” reference architecture
verbreitete Anwendung von ATO-Systemen mit ETCS geschaffen. (GoA2) with the relevant system components and standardised
Dabei ist z. B. für die DB AG der ETCS-Ausbau nicht nur „die Basis interfaces (Subsets).
für ein autonomes Fahren auf der Schiene“, sondern „bereitet [auch] Fig. 2 depicts the high-level architecture of an ATO system from a
den nächsten Technologieschub im Zugverkehr vor“. [4] functional point of view with the relevant data flows and functions.
Bild 1 zeigt die Referenzarchitektur von „ATO over ETCS“ (GoA2) Even if the ETCS is now being progressively introduced on lines
mit den relevanten Systemkomponenten und den standardisier- in different EU states, it will still take decades before the full ETCS
ten Schnittstellen (Subsets). rollout is achieved and the ETCS thus replaces the existing nation-
Bild 2 zeigt die High-level-Architektur eines ATO-Systems aus funk- al train control systems in the trans-European networks (TEN-T).
tionaler Sicht mit den relevanten Datenflüssen und Funktionen. For example, according to current planning, the existing LZB con-
Auch wenn das europäische Zugsicherungssystem ETCS nunmehr tinuous automatic train control system in Germany, which covers
nach und nach auf Strecken in verschiedenen EU-Ländern einge- about 2,500 km of track, is to be gradually replaced by ETCS Level
führt wird, wird es dennoch Jahrzehnte dauern, bis es flächende- 2 by 2030. According to the relevant EU Directive, the entire TEN-
ckend ausgerollt ist und damit auch die vorhandenen nationalen T (in Germany approx. 16,000 km out of a total of 33,000 km of
Zugsicherungssysteme in den Transeuropäischen Transportnetzen track) has to be equipped with the ETCS by 2050 [5].
(TEN-T) ersetzen wird. So soll z. B. nach jetziger Planung in Deutsch- Many railway operators are therefore pursuing ambitious pro-
land das bestehende LZB-System mit ca. 2500 km bis 2030 schritt- grams (i. e. “SmartRail 4.0” for railways in Switzerland [6],
weise durch ETCS L2 ersetzt werden. Und bis 2050 muss entspre- German Railways’ “Digitale Schiene Deutschland” (digital
chend EU-Verordnung das gesamte TEN-T-Netz (in Deutschland ca. railways in Germany) [7] and “Digital Railway” in the UK [8])
16 000 km von gesamt 33 000 km) mit ETCS ausgerüstet sein [5]. in order to ensure that the railways are fit to meet the chal-
Viele Bahnbetreiber verfolgen auch deshalb ehrgeizige Program- lenges of the future. Automation and digitisation play a key
me (z. B. „SmartRail 4.0“ für die Bahnen in der Schweiz [6], „Digitale part in this process. However, it is clear that infrastructures
Bild 1: Referenzarchitektur Shift2Rail „ATO over ETCS“ (GoA2)
Fig. 1: The “ATO over ETCS” Shift2Rail (GoA2) reference architecture
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Bild 2: High-level-Architektur aus funktionaler Sicht
Fig. 2: The high-level architecture from a functional point of view
Schiene Deutschland“ bei der DB AG [7], „Digital Railway“ in Groß- which have evolved over decades cannot be transformed into
britannien [8]), um die Bahnen fit für die Herausforderungen der “ideal digital landscapes” overnight.
Zukunft zu machen. Dabei spielen Automatisierung und Digitali-
sierung eine entscheidende Rolle. Doch klar ist auch, dass sich die 3 Introduction and migration strategies
über Jahrzehnte gewachsenen Infrastrukturen nicht über Nacht in
„digitale Ideallandschaften“ verwandeln lassen. Success in the introduction of highly automated train operations
will considerably depend on suitable introduction and migra-
3 Einführungs- und Migrationsstrategien tion strategies. This is because, on the one hand, such strategies
have to be based on the existing technical equipment and the
So wird auch der Erfolg beim Einführen des hochautomatisier- prevailing operational conditions and, on the other hand, the
ten Fahrens maßgeblich von geeigneten Einführungs- und Mi necessary investments have to be protected in the long term and
grationsstrategien abhängen. Denn einerseits müssen diese auf harmonised with the achievable benefit. This is particularly the
die vorhandene technische Ausrüstung und betrieblichen Rah- case, if the implementation of ATO is planned on lines equipped
menbedingungen aufsetzen und andererseits sollen die notwen- with an existing national train control system which are only to
digen Investitionen langfristig geschützt werden und im Gleich- be equipped with the ETCS in the long term.
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klang zum erreichbaren Nutzen stehen. Das gilt vor allem dann, While keeping in mind the difficulties set out in tab. 2, we con-
wenn ein ATO-Betrieb auf Strecken mit einem bestehenden na- sider two areas of mainline operation to be of particular interest
tionalen Zugsicherungssystem geplant ist, die erst langfristig für for the first ATO deployments:
eine Ausrüstung mit ETCS vorgesehen sind. • freight: it is not uncommon for some freight locomotives to
Unter Berücksichtigung der Besonderheiten nach Tab. 2 bieten operate primarily on the same corridors and lines in a more
sich nach unserer Einschätzung vor allem diese beiden Bereiche or less fixed rotation. Such fixed combinations of locomotives
für erste ATO-Anwendungen im Fernverkehr an: and lines can be testbeds for the ATO system in freight traf-
• Güterverkehr: Es ist nicht ungewöhnlich, dass einige Lokomoti- fic. Of all the ATO benefits, a reduction in energy consump-
ven im Güterverkehr überwiegend auf den gleichen Korridoren tion and wear and tear would be of primary importance for
und Linien in einem mehr oder weniger festgelegten Umlauf such tests.
verkehren. Diese Verkehre können als ideale Erprobungsfelder • commuter / regional: these trains typically operate in a larg-
für den ATO-Einsatz im Güterverkehr angesehen werden. Ne- er, yet still limited network. They combine certain mainline
ben allen anderen Vorteilen eines automatischen Fahrens sind aspects (i. e. higher speeds of up to 120 km/h or 160 km/h)
dabei die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Verrin- with mass transit characteristics (fixed headways, short dwell
gerung der mechanischer Beanspruchung und des Verschleißes times). Many of these networks feature high-density trunk
von vorrangiger Bedeutung für diese Untersuchungen. sections that merge incoming/outgoing branch lines in city
• S-Bahn und Regionalverkehr: Diese Züge verkehren typischer- centres. ATO can help to properly align the approaching trains
weise auf größeren, aber noch begrenzten Streckennetzen. Sie in such trunk sections so that any unnecessary stops and de-
kombinieren Aspekte des Fernverkehrs (z. B. höhere Geschwin- lays at junctions are avoided. In addition, ATO can also deliv-
digkeiten bis zu 120 km/h oder 160 km/h) mit charakteristi- er the shortest possible running times in the trunk sections by
schen Eigenschaften des Nahverkehrs (feste Zugfolgen, kur- driving at the maximum speed permitted by the train protec-
ze Haltezeiten). Viele dieser Netze verfügen über sogenannte tion system. Both measures optimise the traffic flow, maxim-
Stammstrecken, die ein- und ausgehende Strecken in bzw. aus ise the line throughput and stabilise the timetable.
einem Stadtzentrum bündeln. Die ATO kann auf diesen Stamm- A prominent example of the latter use case is the Thameslink
strecken dafür sorgen, dass sich annähernde Züge so in diese Project where Siemens has provided a combination of rolling
Stammstrecken einfädeln, dass ein unnötiges Anhalten und stock, an ETCS signalling system and ATO for a service with 24
Verzögerungen beim Einfädeln vermieden werden. Zusätzlich trains per hour, track and direction on a north-south trunk line
kann die ATO durch maximale Spitzfahrt für kürzeste Fahrzei- (the “core area”) through the heart of London. This is the first
ten auf der Stammstrecke sorgen. Beides führt zur Optimierung commercial application of ATO in mainline services in combi-
des Verkehrsflusses und größtmöglichem Durchsatz bei hoher nation with the ETCS. [9, 10]
Fahrplanstabilität. Along with these experiences gained from highly automated
Ein prominentes Beispiel für den letztgenannten Anwendungsfall train operations in line with GoA2 under real mainline operat-
ist das Thameslink-Projekt, bei dem Siemens eine Kombination aus ing conditions, the conditions for the introduction of ATO sys-
Fahrzeugen, ETCS-Ausrüstung und ATO für einen Betrieb mit 24 Zü- tems are favourable for the following reasons:
gen pro Stunde, Gleis und Richtung auf der Nord-Süd-Stammstrecke • increased passenger numbers: commuter and regional lines
durch das Herz von London bereitstellt. Dabei handelt es sich um have seen a constant increase in passenger numbers over re-
die erste kommerzielle ATO-Anwendung im Fernverkehrsbereich in cent years and this trend is likely to continue. The introduc-
Kombination mit dem Zugsicherungssystem ETCS. [9, 10] tion of ATO can help to increase network capacity with only
Zusammen mit diesen Erfahrungen beim hochautomatisierten moderate investments compared to new infrastructure.
Fahren entsprechend GoA2 unter realen Betriebsbedingungen im • fleet replacements: many operators are expected to invest in
Fernverkehr bestehen gegenwärtig günstige Rahmenbedingun- new rolling stock over the next few years (the rapid transit
gen für die Einführung von ATO-Systemen, denn: system in Berlin, Germany, for instance). If these new vehi-
• Die Fahrgastzahlen steigen kontinuierlich. Im S-Bahn- und Regi- cles are already equipped with an ATO system, the installa-
onalverkehr steigen die Fahrgastzahlen kontinuierlich über die tion and, in particular, certification costs required for later
letzten Jahre und dieser Trend wird weiter anhalten. Die Einfüh- installations can be considerably reduced.
rung von ATO-Systemen kann dabei helfen, die Netzwerkkapa- • the standardisation of ATO as “ATO over ETCS”: the “ATO
zität mit moderaten Investitionen im Vergleich zu neuer Infra- over ETCS” standardisation project in Shift2Rail defines,
struktur zu steigern. for example, the air interface between the ATO-TS and the
• Bestehende Fahrzeugflotten werden modernisiert. Viele Be- ATO-OB as required for interoperable operations (Sub-
treiber werden in den nächsten Jahren ihre bestehenden Fahr- set-126). This interface can be used to ensure the later mi-
zeugflotten modernisieren (in Deutschland z. B. für die S-Bahn gration of ATO solutions which are based on an older ETCS
Berlin). Werden diese neuen Fahrzeuge bereits mit einem ATO- baseline or on national train control systems. Investments
System ausgerüstet, können die bei einer späteren Installation which have already been made in any ATO applications will
notwendigen Installations-, aber vor allem Zulassungskosten thus remain protected on the way towards the introduction
erheblich reduziert werden. of ETCS.
• ATO wird als „ATO over ETCS“ standardisiert. Mit dem Standardi- The continuous connection of the ATO-OB to the TMS is the
sierungsvorhaben „ATO over ETCS“ in Shift2Rail wird u. a. die für key to the successful introduction of an ATO system with a per-
einen interoperablen Betrieb notwendige Luftschnittstelle zwi- ceptible operational benefit. The ATO-TS which supplies the
schen ATO-TS und ATO-OB festgelegt (Subset-126). Unter An- ATO-OB with timetable data, infrastructure data and addition-
wendung dieser Schnittstelle kann eine spätere Migration auch al control information acts as a kind of gateway. Although de-
von ATO-Lösungen gewährleistet werden, die auf einer älteren veloped within the “ATO over ETCS” context, the concepts of
ETCS-Baseline bzw. auf nationalen Zugsicherungssystemen ba- Subset-126 can essentially be used for non-ETCS applications
12 SIGNAL + DRAHT (110) 6 / 2018
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sieren. Bereits getätigte Investitionen für ATO-Anwendungen as well. The necessary adjustments (i. e. the use of GPS instead
bleiben so auf dem Weg in Richtung ETCS geschützt. of Eurobalises for position detection) can be implemented as an
Der Schlüssel für die erfolgreiche Einführung eines ATO-Systems overlay on top of the standard. The following migration path
mit einem spürbaren betrieblichen Nutzen ist die kontinuierliche thus evolves:
Verbindung der ATO-OB mit der Betriebsleittechnik. Als eine Art • the introduction of the ATO-TS and the implementation of
Gateway fungiert dabei das streckenseitige ATO-TS, welches die the necessary adapters for the connection to the existing TMS
ATO-Fahrzeuggeräte mit Fahrplandaten, Infrastrukturdaten und • the use of Subset-126 for the realisation of the interface be-
zusätzlichen Steuerungsinformationen versorgt. Auch wenn die- tween the ATO-OB and the ATO-TS with any necessary ex-
se Luftschnittstelle zwischen Fahrzeug und Landseite im Kontext tensions for the national legacy systems
von „ATO over ETCS“ spezifiziert wird, kann sie auch für Nicht- • the migration of the ATO-OB solution to “ATO over ETCS”
ETCS-Anwendungen genutzt werden. Notwendige Anpassungen during the introduction of the ETCS reusing the connection
(z. B. Nutzung von GPS statt Eurobalisen zur Positionserkennung) to the TMS via the existing ATO-TS
können als „Overlay“ zum Standard implementiert werden. Damit This migration path also applies to the driver advisory systems
zeichnet sich folgender Migrationspfad ab: connected to a control system (C-DAS). C-DAS enables vehi-
• Einführung von ATO-TS und Realisierung der notwendigen cles, which cannot be automated at all or can only be automat-
„Adapter“ zur Anbindung an die bestehende Betriebsleittechnik ed with unjustifiable expense due to their restricted control op-
• Nutzung von Subset-126 für die Realisierung der Schnittstelle tions, to be integrated into a network-wide automation strate-
zwischen ATO-OB und ATO-TS mit ggf. notwendigen Erweite- gy. If, however, the use of C-DAS is seen as the first step to-
rungen für nationale Bestandssysteme wards highly automated train operations, the vehicles should al-
• Migration der ATO-OB-Lösung nach „ATO over ETCS“ bei Einfüh- ready be equipped with technology which is technically suitable
rung von ETCS unter Wiederverwendung der Anbindung der for later upgrading to GoA2-ATO. Only the connection of the
Betriebsleittechnik über das bestehende ATO-TS ATO-OB to the vehicle’s traction and brake control would then
Dieser Migrationspfad gilt gleichbedeutend auch für Fahrerassis- be required as the next step.
tenzsysteme mit Leittechnikanbindung (C-DAS). Fahrzeuge, die Such driver advisory systems can be installed without any par-
sich aufgrund ihrer eingeschränkten Steuerungsmöglichkeiten ticular challenges and independent of the train’s control sys-
nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand automatisieren las- tem. The train’s running dynamic behaviour simply needs to be
sen, können mit solchen C-DAS-Systemen in eine netzweite Au- known and mappable so that it can be taken into consideration
tomatisierungsstrategie eingebunden werden. Wird der Einsatz together with the current train positions when calculating the
von C-DAS jedoch als erster Schritt in Richtung zum hochautoma- track-related speed profiles in order to create the driving recom-
tisierten Fahren gesehen, dann sollten die Fahrzeuge dafür bereits mendations. As described above, however, the introduction of
mit Geräten ausgestattet werden, die für eine spätere Hochrüs- GoA2-ATO requires an ATP monitoring system.
tung zu einer GoA2-ATO technisch geeignet sind. Für den nächs- National train control (NTC) systems are typically monolithic,
ten Schritt ist dann „nur“ noch die Anbindung des ATO-OB an die closed, proprietary devices which often come with a special cer-
Antriebs- und Bremssteuerung des Fahrzeugs nötig. tification history. Hence, any change or extension for the pur-
Solche Fahrerassistenzsysteme können ohne besondere Herausfor- pose of upgrading these NTC systems to ATO is out of the ques-
derungen und unabhängig von einem Zugsicherungssystem einge- tion in the vast majority of cases. Instead, solutions are required
richtet werden. Lediglich die fahrdynamischen Eigenschaften der which, when specially adapted, surround the NTC system and
Züge müssen bekannt und abbildbar sein, damit diese zusammen take its special characteristics into consideration. We thus see
mit den aktuellen Zugpositionen bei der Berechnung der Fahrpro- the following basic solutions for implementation:
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file zur Bildung der Fahrempfehlungen berücksichtigt werden. Die • NTC re-engineering inside the ATO-OB: NTC systems typ-
Einführung einer GoA2-ATO hingegen erfordert, wie bereits weiter ically interact with the driver through lamps, buttons or
oben beschrieben, ein überwachendes Zugsicherungssystem. sounds. These inputs and outputs reflect the current NTC sta-
Bei den bestehenden nationalen Zugsicherungssystemen (NTC = tus including any signalling data received from the trackside.
National Train Control) handelt es sich jedoch oftmals um in sich ge- This allows the ATO system to record the NTC status and to
schlossene und proprietäre Systeme mit einer spezifischen Zulas- adapt the ATO driving characteristics accordingly. The fact
sungshistorie. Eine Änderung oder Erweiterung, um diese NTC für that many NTC systems only use comparably simple braking
ein automatisches Fahren zu ertüchtigen, ist schon deshalb in den curve models makes this approach even more feasible.
allermeisten Fällen ausgeschlossen. Stattdessen werden Lösungen • additional information from the TMS, track data or driver:
benötigt, die sich, speziell adaptiert, um das NTC „legen“ und die the NTC system may not provide all the driving data for train
dort anzutreffenden Besonderheiten berücksichtigen. Wir sehen da- control. In these cases, the ATO-OB requires additional in-
her für eine Umsetzung folgende prinzipiellen Lösungsansätze: formation from the track data, from the TMS or directly from
• Re-Engineering des NTC innerhalb des ATO-OB: NTC interagie- the driver (i. e. signal locations or signalled speeds).
ren mit dem Fahrer typischerweise über Lampen, Tasten oder • early alignment with national authorities: the concepts for
Sound. Diese Ein- und Ausgaben bilden den aktuellen Status the ATO-NTC combinations need to be aligned with the in-
des NTC inklusive der von der Strecke erhaltenen Signalinfor- volved authorities early on in order to satisfy any procedur-
mationen ab. Mit diesen Informationen kann die ATO den NTC- al or safety requirements. A typical staged deployment com-
Status erfassen und die Fahrweise entsprechend anpassen. Die- prising a concept phase, a design phase, simulators, pilots and
se Vorgehensweise wird durch die häufig vergleichsweise einfa- the rollout helps all the involved parties to better control any
chen Bremskurvenmodelle der NTC zusätzlich begünstigt. risks and to gradually gain experience with the new system.
• Zusatzinformationen vom TMS, Streckendaten oder Fahrer: Von These principles can help to provide effective “ATO over NTC”
den NTC werden ggf. nicht alle benötigten Führungsgrößen für solutions which meet today’s demand for automation and which
eine Zugsteuerung bereitgestellt. Das ATO-OB benötigt dann can be available before the ETCS (together with “ATO over
zusätzliche Informationen aus den Streckendaten, vom TMS ETCS”) is rolled out in the European rail network on a large
oder direkt vom Fahrer (z. B. Signalstandorte oder signalisierte scale. This approach can be applied in the same way to the ETCS
Geschwindigkeiten). Baseline 2 on-board units which are already in operation. Sie-
• Frühe Abstimmung mit den nationalen Zulassungsstellen: Die mens is at the vanguard in implementing appropriate pilot ap-
Konzepte zur Realisierung eines ATO-Betriebs mit NTC müssen plications for vehicles equipped with ETCS BL2.
frühzeitig mit den beteiligten Zulassungsstellen abgestimmt wer-
den, um die notwendigen Prozess- und Sicherheitsanforderun-
gen zu erfüllen. Die bei der Einführung zu durchlaufenden Pha-
sen Konzept, Design, Simulation(en), Pilot(en) und Roll-out unter-
stützen alle beteiligten Parteien, die Risiken besser zu steuern und
schrittweise Erfahrungen mit dem neuen System zu sammeln.
Diese Lösungsprinzipien können dabei helfen, leistungsfähi- LITERATUR | LITERATURE
ge „ATO over NTC“-Lösungen bereitzustellen, die dem heutigen [1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Verkehrs-
Bedarf an Automatisierungslösungen gerecht werden und ver- prognose 2030 (https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/ver-
kehrsprognose-2030.html, 17.02.2018, 16:35)
fügbar sein können, noch bevor ETCS (zusammen mit „ATO over
[2] Pachl, J.: Betriebliche Randbedingungen für autonomes Fahren auf
ETCS“) im großen Maß im europäischen Bahnnetz ausgerollt ist. der Schiene, Deine Bahn, Heft 9/2017
Für bereits in Betrieb befindliche ETCS Baseline 2-Fahrzeuggerä- [3] Meyer zu Hörste, M.: Aspekte der Migration zur Voll-Automatisierung
te kann diese Vorgehensweise gleichermaßen angewendet wer- des Bahnbetriebs, SIGNAL+DRAHT, Heft 7+8/2017
den. Siemens ist hier federführend bei der Umsetzung von ent- [4] Deutsche Bahn AG: Zukunft Bahn – Gemeinsam für mehr Qua-
sprechenden Pilotanwendungen für mit ETCS BL2 ausgerüstete lität, mehr Kunden, mehr Erfolg, Herbst 2015, S. 2 (https://www.
deutschebahn.com/file/de/12819522/U7iLPXszVcfW1Dzv9Vs_mD-
Fahrzeuge beteiligt.
k5O14/11870318/data/Zukunft_Bahn.pdf, 17.02.2018, 16:35)
[5] Hohn, N.: Aktueller Stand der Implementierung von „ETCS signalge-
führt“ (ETCS Level 1 Limited Supervision), SIGNAL+DRAHT, Heft 9/2017
[6] Messerli, M.: SmartRail 4.0 – Das ETCS-Stellwerk, 19.04.2017 (http://
AUTOREN | AUTHORS watt.verkehr.bauing.tu-darmstadt.de/SRSS/Vortraege/Messerli.pdf,
17.02.2018, 16:35)
Dipl.-Ing. Gerd Tasler
[7] Deutsche Bahn AG: „Digitale Schiene Deutschland“ (http://www.
Produktmanager ATO (Mainline) / Product Manager ATO (Mainline)
deutschebahn.com/de/presse/suche_Medienpakete/16787744/medien-
Siemens AG
Anschrift /Address: Ackerstr. 22, D-38126 Braunschweig paket_digitale_schiene_deutschland.html, 17.02.2018, 16:35)
E-Mail: gerd.tasler@siemens.com [8] „A Digital Railway for a modern Britain“ (http://digitalrailway.co.uk/,
17.02.2018, 16:35)
Dr. Volker Knollmann [9] Allianz pro Schiene: ATO over ETCS – Chancen durch höhere Auto-
Gruppenleiter R&D Systemarchitektur / Group Leader R&D System Architecture matisierung, 03.05.2017 (https://www.allianz-pro-schiene.de/themen/
Siemens AG aktuell/ato-automatisierung-mit-etcs/, 17.02.2018, 16:35)
Anschrift /Address: Ackerstr. 22, D-38126 Braunschweig [10] Götz, C.; Morton, D.: Integrierte Lösung für Londons Bahnverkehr,
E-Mail: volker.knollmann@siemens.com Elektrische Bahnen, Heft 11-12/2014
14 SIGNAL + DRAHT (110) 6 / 2018Sie können auch lesen
