Systematisierung und Möglichkeiten des automatischen Zugbetriebs
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Systematisierung und Möglichkeiten
des automatischen Zugbetriebs
Der automatische Zugbetrieb ist ein Überbegriff für ein Bündel von technischen
und betrieblichen Maßnahmen, die den Bahnbetrieb durch Automatisierung
effizienter machen. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen dem Sprach-
gebrauch in den Systemen der Eisenbahnen und der Light Rail Sparte. Dieser
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Artikel will zur Systematisierung beitragen und aktuelle Entwicklungen aufzeigen.
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Die meisten ATO-Systeme (ATO, Automa- lics) definiert. Diese sind in der IEC 62267 Dipl.-Ing. Andreas Wickmann
tic Train Operation1)) sind in erster Linie Norm festgehalten. Bild 1 setzt die vier Au- Senior Consultant
so ausgelegt, dass sie den Triebfahrzeug- tomatisierungsgrade in Zusammenhang quattron management consul-
ting GmbH, Frankfurt am Main
führer unterstützen, um die Risiken im Zu- zueinander.
andreas.wickmann@quattron.com
sammenhang mit Ausfällen oder Notfällen Je nach GoA kann der Umfang der Auto-
zu verringern. In zweiter Linie erhöhen sie matisierung die Bremssteuerung, die Fahr-
zusätzlich den Effizienzgrad des Fahrbe- steuerung zur Geschwindigkeitskontrolle,
triebes. Die Bezeichnung „automatischer“ die Fahrsteuerung und Türsteuerung am
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Zugbetrieb ist dabei nicht zwangsläufig zu Haltepunkt, bis zur möglichen Fernsteue-
verwechseln mit dem fahrerlosen Betrieb rung für den fahrerlosen Betrieb umfassen.
von Zügen. Allen Automatisierungsgraden gemein ist,
Zur Abgrenzung werden unterschiedli- dass diese auf einem Zugsicherungssys- Zu beachten sind erhebliche definito-
che Automatisierungsgrade (Grade of Au- tem aufsetzen. Widersprechen die Folgen rische Unterschiede zwischen der Verwen-
tomation, GoA 1– 4) nach Vorgabe der UITP von Fahrempfehlungen oder Fahrbefehle dung von ATO im Bereich der Eisenbahnen
(Union Internationale des Transports Pub- dem zulässigen Geschwindigkeitsprofil, nach UIC und bei ATO Systemen in Metro-,
so kommt es zur Intervention. Jenseits der Schnellbahn- und Monorail-Systemen ge-
CBTC (Communication-Based Train Control) mäß UITP Standard. Während im Light-
1) In diesem Text werden grundsätzlich die englischen
Fach-Abkürzungen verwendet, da sie fast durchge-
Technologie ist die künftig am häufigsten zu Rail-Bereich ATO, d.h. ganz allgemein der
hend in der Literatur verwendet werden. In der ersten erwartende Lösung, die Funktion ATO-over- Automatisierte Fahrbetrieb, eine begriffli-
Nennung werden sie einmal ausgeschrieben. ETCS (European Train Control System). che Klammer bildet (Bild 1), ist ATO im Voll-
Bahn-Bereich eher ein Teilaspekt, der unter
der Klammer der Automatisierten Zugsteu-
erung (ATC) subsummiert wird (Bild 2).
Vereinfacht ausgedrückt, übersetzt
ATO hier lediglich die Disposition im ATS in
Fahr-/Bremsbefehle.
Abweichend von der für die Eisenbah-
nen typischeren Form soll im Folgenden in
diesem Artikel ATO jedoch entsprechend der
UITP-Definition als Oberbegriff für ein Zu-
sammenspiel der Sub-Systeme verwendet
werden. ATO soll hier für den automatisier-
ten Fahrbetrieb über die GoA 2 – 4 stehen.
Die technischen Ausprägungen
von ATO-Systemen
Die automatische Zugsteuerung (ATC) ist,
1: Übersicht Automatisierungsgrade nach UITP wie in Bild 2 dargestellt, eine allgemeine
und übergeordnete Bezeichnung von au-
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tomatisierten Regelungssystemen für die
Eisenbahnen. Grundsätzlich wird hierbei
der Geschwindigkeits-Steuerungs-Mecha-
nismus als Reaktion auf die externen Einga-
ben verwendet. Die Sub-Systeme ATO, ATP
und ATS arbeiten zusammen, um den Zug
innerhalb der definierten Toleranzen seines
Fahrplans zu halten. Das Zusammenspiel
der Sub-Systeme passt die Betriebspara-
meter wie z. B. das Verhältnis von Leistung
zu Leerlauf während der Fahrt an und re-
gelt die Verweilzeit im Bahnhof, um den
Zug auf den für ihn festgelegten Fahrplan-
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Slot zu bringen. Der in Bild 2 dargestellte 2: Systematische Einordnung ATO
Kommunikations-Layer funktioniert hier-
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bei als zusätzliches Sub-System, ohne das
die anderen Systeme nicht miteinander
interagieren würden. wodurch möglichst nah entlang der Emer- wachungssystem (ATS) eingesetzt wird. ATS
Die automatische Zugsicherung (ATP) gency Brake Intervention (EBI) gebremst wird oft auch als Verkehrsmanagementsys-
ist wiederum ein Überbegriff für Imple- werden kann. Diese erfordert eine Einlei- tem (TMS, Traffic Management System)
mentierungen der in einigen Zügen instal- tung der Bremsung erst rund 7 Sekunden bezeichnet. In Bild 3 wird gezeigt, wie das
lierten Zugsicherungssysteme, um Kollisio- später als bei Bremsung ab Indication TMS eine Regelkreis-Steuerung zwischen
nen zu verhindern. Dies können z. B. ETCS Curve. Diese Fahrweise kann durch einen Produktions-Planung und Betrieb ermög-
oder CBTC Systeme im Light Rail Bereich Triebfahrzeugführer kaum erreicht werden, licht. Mit der Einbeziehung des TMS kommt
sein. Wenn der Lokführer die Signal- oder da bereits beim Überschreiten der Warning man in Richtung eines geschlossenen Re-
Geschwindigkeitsbeschränkung nicht be- Curve akustische Warnmeldungen zu einer gelkreises, der es ermöglicht, eine auto-
achtet, erzeugt das System einen Über- Reizüberflutung führen würde. Durch den matisierte Konflikterkennung und -lösung
gang in einen sicheren Zustand, indem es Einsatz von ATO ist der Beginn der Annä- in der bereichsweiten Disposition mit den
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den Zug z. B. automatisch abbremst. Bei herungsfahrzeit nicht mehr zwangsläufig Fahrsteuerungsimpulsen an das Fahrzeug
den Eisenbahnen im Europäischen Raum durch die Indication Curve definiert, weil zu verbinden. Sie bieten ein großes Po-
ist ETCS die konkrete Realisierung eines diese Restriktion für eine Maschine nicht tenzial für die direkte Umsetzung von Ver-
Zugsicherungssystems. gilt.2) kehrsmanagementstrategien.
Das ATP-System verwendet die Ziel- Betrachtet man die Betriebs-Leitstelle Die Vision für die Zukunft ist, dass die-
geschwindigkeitsanzeige und akustische als ein zusätzliches System, kann man sa- se Verkehrsmanagementstrategien direkt
Warnungen, um den Lokführer zu alar- gen, dass damit ein zusätzliches Zug-Über- über das TMS in der Betriebsleitstelle ge-
mieren, wenn sie in Gefahr geraten, das steuert werden. Die Zugsteuerung wird
zugewiesene Geschwindigkeitsprofil zu 2) Vgl. Untersuchung zur Einführung von ETCS im Kern- dabei ganz oder teilweise von einem Fahrt-
überschreiten. Wenn der Triebfahrzeug- netz der S-Bahn Stuttgart Abschlussbericht, S.284 rechner übernommen. Die größten Fort-
führer nicht auf die Warnungen reagiert,
betätigt das ATP selbständig die Bremsen.
Es berücksichtigt die Geschwindigkeit und
die Position des Zuges relativ zum oberen
Ende seiner vorgegebenen Beschränkun-
gen bei der Ausgabe der Warnungen und
beim Betätigen der Bremsen. Das ATP-Sys-
tem kann intermittierend sein, schützt vor
Signalüberschreitungen, bietet aber keine
kontinuierliche Geschwindigkeitsüberwa-
chung.
Das beim ATP durchaus noch übliche
manuelle Fahren kann die durchschnittli-
che Reisegeschwindigkeit in der Nähe der
Geschwindigkeitsbegrenzungs-Kennlinie
halten. Der Hauptunterschied zwischen
manuellem Fahren und ATO zeigt sich wäh-
rend des Bremsens, wo ATO eine höhere
durchschnittliche Verzögerung als weni-
ger konsistentes manuelles Fahren bieten
kann. Ein erheblicher Vorteil wird durch die 3: Angestrebte Verzahnung von Planung und Betrieb durch TMS
Ausreizung der ETCS-Bremskurven erreicht,
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schritte auf dem Pfad zunehmender Auto- die Hardwareseitige Architektur zu werfen. in Spitzen- und Nebenzeiten abgestimmt
matisierung lassen sich realisieren, wenn Die ATO-Steuerungs-Logik teilt sich grund- werden. ATO minimiert außerdem den
das streckenseitige ATO-System vom TMS sätzlich auf in fahrzeugseitige ATO-OB (On Gesamt-Energieverbrauch, d. h. es trägt
so genutzt werden kann, dass quasi eine Board) und streckenseitige ATO-TS (Track dazu bei, die laufenden Betriebskosten zu
Fernsteuerung des Zuges möglich wird. So Side) Komponenten. ATO und ETCS nutzen senken. ATO kann z. B. für ein bestimmtes
lässt sich ein größerer Regelkreis zwischen beide Systeme, die sich sowohl in Fahr- Fahrprofil die Geschwindigkeit steuern und
Planung und Betrieb installieren. Hierbei zeug-Seitige und Fahrweg-Seitige Kompo- die Bremsvorgänge optimieren. Sanftere
wird der Übergang von einem fest hinter- nenten aufteilen. Im Fahrzeug sind zwei Änderungen der Beschleunigung und Ver-
legten Fahrplan zu einem dynamischen Komponenten als Fahrtrechner zur Fahr- zögerungen im Vergleich zur manuellen
Produktions-Plan vollzogen. Dabei erfolgt und Bremssteuerung installiert. Dabei liest Steuerung können die Lebensdauer von
über eine automatische Konflikterkennung ATO-OB seine Daten sowohl aus dem ATO- Radsätzen und Traktions-/Bremsausrüs-
beim über- oder unterschreiten vordefi- TS als auch zusätzlich aus ETCS-OB. Dies tung verlängern und können so nicht nur
nierter Toleranzbereiche eine systemische wird häufig als ATO-over-ETCS bezeichnet. Kapital- und Wartungskosten senken, son-
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Lösungsfindung in der bereichsweiten Dis- dern nebenbei dadurch auch den Fahrgast-
position. Vorteile des automatischen Betriebes komfort verbessern.
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Ebenso lassen sich über das ATO-OB Grundsätzlich verschieben sich mit stei-
gemäß Journey Profile implizit viele kleine Die mit dem automatisierten Fahren gendem Automatisierungsgrad die Kosten
Regelkreise, wie das Abgleichen der opti- grundsätzlich einhergehenden Vorteile zu Gunsten des Personalkostenblocks und
malen Trajektorien mit dem TMS nutzen, sind eine konsequente Kontrolle der Zug- zu Lasten der Kapitalkosten. Hier spielen
um ein effizienteres Fahrprofil zu errei- geschwindigkeitsprofile einschließlich jedoch so viele und individuelle Parame-
chen. So lassen sich dann die technischen einer Echtzeitoptimierung. Wie oben er- ter rein, wie z. B. die Gefäßgröße (Länge
Stärken des ATO durch ein TMS optimal läutert, kann der automatische Betrieb die der Züge), Anzahl der Fahrzeuge, Auswir-
ausschöpfen. Untersuchungen im Rahmen Takt-Häufigkeit von Zügen, d. h. die Anzahl kung von Taktverdichtungen und Art der
der Studie ETCS im Kernnetz der S-Bahn der Züge pro Zeit, erhöhen und bietet eine verwendeten Technik, dass es nahezu un-
Stuttgart haben nachgewiesen, dass die bessere Wiederherstellung des Regelbe- möglich ist, allgemeingültige Kostensätze
Mindestzugfolgezeit durch den Einsatz von triebs nach Verzögerungen und kann so die abzuleiten.4) Ein ebenfalls großer Einfluss
ATO mit ETCS homogen um rund 10 Sekun- Pünktlichkeit im System verbessern. Dem- ergibt sich aus dem GoA Level und der je-
den in verschiedenen Bereichen reduziert entsprechend führt ATO im Wesentlichen weils steigenden Vorhaltekosten für die
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werden konnten. Im Vergleich zu ETCS zu einer Erhöhung der Kapazität eines in menschliche Eingriffsmöglichkeit im Falle
ohne ATO konnte die Mindestzugfolgezeit seinen Strecken fest definierten und quasi eines Störfalls.
nochmals um bis zu neun Prozent gesenkt nicht erweiterbaren Systems. So können
werden. In Summe ließ sich mit ATO und bis zu einem gewissen Grad Baumaßnah- Das Ansteigen der Automatisierungsgrade
ETCS die Mindestzugfolgezeit gegenüber men zur Erweiterung der Strecke vermie-
dem Null-Fall um bis zu 41 % im besonders den werden, da fahrerlose Züge durch ihre ATO erlaubt, in seinem Zusammenspiel
belasteten Bereich senken.3) Automatisierung zusätzliche Kapazitäten mit den anderen Sub-Systemen über die
Neben den unterschiedlichen Sub- auf den vorhandenen Strecken schaffen. Entlastung eines Triebfahrzeugführers hin-
Systemen und deren Ausprägungen ist es Ein ATO bietet im Zusammenspiel aus zu gehen und einen Zugbetrieb auch
für eine Betrachtung der technischen Dar- mit einem TMS eine viel größere Flexibi- fahrerlos zu gestalten. ATO kann daher mit
stellungen auch wesentlich, einen Blick auf lität des Fahrplans, der so zu einem Pro- verschiedenen Automatisierungsgraden
duktions-Plan erweitert wird. So können betrieben werden und lässt sich im halbau-
3) Ebenda S. 291 Zugfrequenzen besser auf die Nachfrage tomatischen Zugbetrieb (STO nach GOA2);
dem fahrerlosen Zugbetrieb (DTO nach
GOA3) und dem unbeaufsichtigten Zugbe-
trieb (UTO gem. GOA4) unterscheiden.
Der halbautomatische Zugbetrieb STO
erfordert weiterhin, dass sich ein Fahrer
im Trieb-Fahrzeug befindet. DTO umfasst
die automatische Abwicklung aller Aspek-
te des Zugbetriebs mit einem geschulten
menschlichen Bediener (Fahrer) an Bord
des Zuges. Die Rolle des Fahrers wird in
eine an Bord tätige Rolle für die Fahrgäste
geändert. Er kann den Fahrgästen helfen
(Verbesserung der Servicequalität) und die
Fahrscheinkontrolle durchführen (Verrin-
gerung der Kosten dieser Aufgabe, wenn
sie derzeit von getrennten Mitarbeitern
4: Schema Zusammenspiel TMS, ATO und ETCS 4) „Betriebskosten automatisierter ÖV-Systeme“, Sinner
& Weidmann, ETR Swiss, 10/2019
18 ETR | September 2020 | NR. 9 www.eurailpress.de/etr
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ausgeführt wird). Das Personal kann durch
seine Anwesenheit dazu beitragen, die
wahrgenommene persönliche Sicherheit
der Fahrgäste zu verbessern. Tatsächlich
kann er im Notfall stets die gesamte Kon-
trolle im Zug übernehmen.
Unbegleitete fahrerlose Züge fahren
automatisch, ohne dass Personal an Bord
erforderlich ist. Alle Vorgänge werden von
einer Vielzahl von Ferntechnologien über-
wacht, von CCTV-Systemen (Closed-Circuit
TeleVision), d. h. per Videoüberwachung
und On-Bord-Telemetrie bis hin zu automa-
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tischen Erkennungssystemen. Diese Funk- 5: Kopenhagen fahrerlose Metro Quelle: youtube
tionen werden von einem Kontrollzentrum
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überwacht, das alle Züge und potenziellen
Literatur
Gefahren verfolgt. Solche UTO-Betriebssys- Viele Fluggäste kennen vollautomati-
teme sind heutzutage in der Regel noch sche Fahrzeuge auch schon von diversen [1] Abrach & Schneider „Automatic Train Operation
in sich geschlossene Transport- bzw. Ver- Flughäfen, wo Airport Trains zwischen (ATO) Roadmap/Grundlagendokument“,
kehrssysteme, wie z. B. People-Mover an einzelnen Terminals und Parkhäusern auf www.smartrail40.ch, 05/2018
[2] Bilal Üyümez, „Potenziale einer Mensch-Maschine
Flughäfen. Alle Funktionen des Fahrzeugs dem Flughafengelände pendeln, wie z.B.
Kooperation bei Störungen im automatisierten Betrieb“,
werden automatisch gesteuert. Ein ATP ist in Deutschland an den Flughäfen in Düs- ETR – Eisenbahntechnische Rundschau, 10/2019
installiert, um Kollisionen zu verhindern. seldorf oder Frankfurt oder weltweit z. B. [3] Brandenburger & Grippenkove & Naumann &
Die Fahrzeuge werden mit einem TMS ef- in Hongkong, London Heathrow, New York Thomas-Friedrich, „Der Faktor Mensch im Kontext der
fektiv in den Parametern ihres Produktions- JFK, Paris CDG oder Zürich. Automatisierung des Bahnsystems“, Eurail EI, 10/2018
[4] Ingenieurgemeinschaft „Machbarkeitsstudie ETCS
Plans gesteuert und ihr gesamtes Bewe-
S-Bahn Stuttgart“ „Untersuchung zur Einführung von
gungsprofil wird mitsamt der Türsteuerung Fazit ETCS im Kernnetz der S-Bahn Stuttgart“, Abschlussbe-
von den Betriebs-Leitzentrale aus geregelt.
genehmigt von DVV Media Group GmbH 2020
richt, 01/2019
Die zunehmende Automatisierung des Zug- [5] Jens Nolte, „ATO 2 DB: Basic Phase 1 Test Cases
UTO-Systeme in U-Bahnen und geschlosse- betriebes ist aus heutiger Sicht unumkehrbar. Public”, SBB, BLS, 10/2018
[6] Martin Randelhoff, „Automatisierter Bahnbetrieb
nen Metro-Bahn-Systemen ATO-Systeme sind dabei, sich immer weiter
und führerlose Züge: Eine Einführung (Technik,
auszubreiten, von überwiegend GoA2 bei Vorteile, Hürden, Umsetzungszeitraum)“,
Viele Metros und U-Bahnen auf dieser Welt den Eisenbahnen bis zu vollautomatischen www.zukunft-mobilitaet.net, 11/2014
fahren an oder zumindest in der Nähe ihrer GoA4 in vielen singulären UTO-Systemen. In [7] Matthias Striebich, „Automatisierter U-Bahnbetrieb
Kapazitätsgrenzen. Ein Zuwachs der Fahr- der ganzen Welt lassen sich positive Erfah- in der Praxis“, EI, 08/2019
[8] Michael Meyer zu Hörste, Aspekte der Migration
gastzahlen auf bestehenden Linien ist oft rungswerte ableiten. Der automatische Zug-
zur Voll-Automatisierung des Bahnbetriebs,
kaum mehr möglich. Die Automatisierung betrieb ist sparsamer, energieeffizienter und Signal+Draht, 07+08/2017
ist in vielen Fällen kostengünstiger als der kann mehr Kapazitäten auf baulich unverän- [9] Michael Rüffer, „Automatisiertes Fahren auf der
(oft unterirdische) Bau neuer Strecken oder derten Strecken erzeugen. Schiene“, EI, 02/2020
der Verlängerung von Bahnsteigen. In sol- [10] Nießen & Schindler & Valée, „Assistierter, auto-
matischer oder autonomer Betrieb – Potentiale für
chen Fällen ist perspektivisch die vollständi-
den Schienenverkehr“, ETR – Eisenbahntechnische
ge Automatisierung oft der einzige Weg, um Rundschau, 04/2017
die Betriebsleistung des U-Bahn- oder Met- [11] S. Napoli, „Branchenlösung ATO auf GoA2(+)“,
ro-Systems noch erhöhen zu können, denn www.smartrail40.ch, 05/2018
die Kapazität, gemessen in der Zahl der [12] Sinner & Weidmann, „Betriebskosten automatisier-
ter ÖV-Systeme“, ETR Swiss, 10/2019
beförderten Fahrgäste, wird durch fahrer-
[13] Stephan Anemüller, „Automatisierung des Bahnbe-
lose Züge erhöht. So werden heute neu zu triebs: Weltenwechsel in Detailarbeit“, ETR – Eisenbahn-
bauende U-Bahn-Systeme in aller Regel als technische Rundschau, 01+02/2019
UTO-Systeme ausgeschrieben und errichtet. Summary [14] Tibor Weidner, „Vernetzte Fahrerassistenzsysteme
UTO-Systeme von U-Bahn-Linien fin- – aktuelle Entwicklungen bei der DB Netz AG“, ETR –
Systematization and possibilities of automatic Eisenbahntechnische Rundschau, 03/2020
den sich in Europa u. a. bereits in Barcelona, train operation [15] Tobias Melzer, „Konzeption neuer Technologien für
Budapest, Kopenhagen, Lausanne, Lon- autonomes Fahren“, EI, 02/2020
The automatic rail operation is an umbrella term
don, Mailand, Nürnberg, Paris, Rom und [16] Markus Wachter, „ATO GoA 2 over ETCS L1 LS – Ers-
for a bunch of technical and operational measures
Toulouse. Die Wiener U-Bahn wird 2024 which will make the rail operation more efficient
te Erkenntnisse bezüglich Kompatibilität mit GoA2-TSI
eine neue U-Bahnlinie als UTO-System in Normenentwürfe“, SOB, www.smartrail40.ch, 10/2019
by automation. Hereby, there are considerable
[17] www.blog.wienerlinien.at/u5-vollautomatischer-
Betrieb nehmen. Außerhalb Europas sind differences between the language use in the rail- betrieb, 11/2018
vollautomatische Systeme z.B. in Delhi, way systems and the Light Rail branch. This article [18] www.mobility.siemens.com/ch/de/unternehmen/
Doha, Dubai, Peking, Osaka, Riad, Sao Pau- shall contribute to the systematization and show newsroom/automatic-train-operation-phase-zwei,
lo, Seoul, Shanghai, Singapur und Tokio im current developments. 05/2020
Einsatz, um nur einige zu nennen.
www.eurailpress.de/etr ETR | September 2020 | NR. 9 19Sie können auch lesen
