Das European Train Control System ETCS: Freie Fahrt auf europäischen Schienennetzen?

INHALTSVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

DARSTELLUNGSVERZEICHNIS

GLIEDERUNG

1. Einleitung

2. Die Technik des European Train Control System
2.1. Die Entwicklung
2.2. Die Leit- und Sicherungstechnik der Eisenbahnen
2.3. Die Funktionsweise von ETCS
2.3.1. ETCS Level 1
2.3.2. ETCS Level 2
2.3.3. ETCS Level 3
2.4. Zusammenfassung und Bewertung der ETCS-Technik

3. ETCS in der praktischen Anwendung
3.1. Pionier der ETCS-Technik: Die Schweiz
3.2. ETCS in Deutschland
3.3. Weitere Teststrecken

4. Gegenwart und Zukunft der ETCS-Technik
4.1. Das Problem der Migration am Beispiel der Deutschen Bahn AG
4.2. Das Problem der Finanzierung
4.3. Die Notwendigkeit zum Wandel

5. Schlußbetrachtung

LITERATURVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellungsverzeichnis

Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau der Signaltechnik

Abb. 2: Aufbau der Linienzugbeeinflussung (LZB)

Abb. 3: ETCS – Comparison Investment Costs

Abb. 4: Aufbau von ETCS Level 1

Abb. 5: Aufbau von ETCS Level 2

Abb. 6: Aufbau von ETCS Level 3

1. Einleitung

Europa wächst zusammen. Durch die EU-Osterweiterung hat die europäische Union seit dem 1. Mai 2004 zehn neue Staaten und 75 Millionen Bürger hinzugewonnen. Dadurch entstehen nicht nur kulturelle und allgemein politische Aufgaben, sondern auch gravierende verkehrspolitische Herausforderungen. Durch die zunehmende internationale Arbeitsteilung steigt das Verkehrsaufkommen, speziell im Güterverkehr, seit Jahren an. Bis 2010 rechnet die Europäische Union mit einem Verkehrsanstieg von 38% in diesem Segment. Besonders wegen regionaler/lokaler Kostenvorteile wird im globalen Wettbewerb der grenzüberschreitende Gütertransport immer wichtiger (Nieuwenhuis, 2003 und EU Weißbuch, 2001).

Zur Zeit werden weniger als 8% (für EU-15 in 2001 7,8% laut EU Energy and Transport in figures, 2003) des europäischen Güterverkehrs mit der Eisenbahn abgewickelt. Dies ist sowohl aus umwelt- wie auch aus verkehrspolitischen Aspekten von der EU nicht gewollt und soll in Zukunft geändert werden. Werden keine Maßnahmen zugunsten der Wettbewerbsfähigkeit der Schiene unternommen, wird der Anstieg des Eisenbahngüterverkehrs nur ca. 13% gegenüber 50% im Straßengüterverkehr ausmachen. Dies würde eine weitere Verschlechterung des Modal Split bedeuten (Hilprecht/Scherp, 2002).

Um die Verlagerung des Verkehrs auf die Schiene möglich zu machen, müssen die Rahmenbedingungen der Bahn konkurrenzfähig zu anderen Verkehrsträgern, vor allem der Straße, sein. Speziell auf langen Strecken (ca. >300-350 Km laut FAZ, 2002 und DVZ, 2004a) kann die Bahn einen Kostenvorteil erringen. Diese Entfernungen fallen in einem Europa mit 25 Staaten ohne weiteres an, dennoch zeigt sich an fast allen Grenzübergängen ein massives Problem: Die fehlende Interoperabilität. Dieser Begriff beschreibt einen Zustand, in welchem Infrastruktur und Fahrzeuge verschiedener Eisenbahnnetze derart beschaffen sind, dass der Betrieb der Fahrzeuge auf jedem Teil des Netzes ohne Rüstzeiten oder ähnliche Probleme/Zeiteinbußen möglich ist. Eine EU-weite Interoperabilität wäre eine Voraussetzung für einen EU-weiten Eisenbahn-Güterverkehr. Zur Zeit herrschen allein in den 15 alten EU-Ländern 4 kontinentale Stromsysteme und 14 unterschiedliche Leit- und Sicherungssysteme. Mit den Interoperabilitätsrichtlinien 96/48/EG und 2001/16/EG für das transeuropäische Hochgeschwindigkeitsnetz bzw. das konventionelle transeuropäische Eisenbahnnetz hat die Europäische Kommission einen verbindlichen Plan zum Abbau dieser Hindernisse geschaffen. Ein Teil dieser Änderungen betrifft die Schaffung eines einheitlichen Leit- und Sicherungssystem, dem sogenannten „European Train Control System“ (kurz: ETCS) (Kohl, 2004).

Im folgenden werden die Entstehungsgeschichte, die Technik und die Vor- und Nachteile von ETCS dargestellt. Darauf folgen einige Anwendungsbeispiele, unter anderem der Test von ETCS in Deutschland. Zum Schluss werden die derzeitige Situation und die Zukunft von ETCS betrachtet.

2. Die Technik des European Train Control System

2.1. Die Entwicklung

Bisher wurden die technischen Probleme an Grenzübergängen durch Mehrsystemtriebfahrzeuge, Wechsel der Lokomotiven und/oder deren Zugführer gelöst. In einigen Fällen gibt es auch Kooperationen zwischen nationalen Eisenbahnunternehmen, die eine gemeinsame Nutzung von bestimmter Technik und Personal zulassen. Dennoch sind letzteres eher Ausnahmefälle, wodurch die durchschnittliche Geschwindigkeit eines grenzüberschreitenden Güterzuges aufgrund von fehlender Interoperabilität bei kläglichen 18 km/h liegt. Ein europaweit genormtes Zugbeeinflussungssystem wie ETCS würde die Interoperabilität deutlich voran bringen (Otteborn, 2002 und DVZ, 2001).^[1]

Im Jahr 1991 begann das Europäische Institut für Eisenbahnforschung ERRI im Auftrag des Internationalen Eisenbahnverbandes UIC mit den ersten Spezifikationen für ein europäisches Zugsicherungssystem. Diese Vorarbeit wurde 1996 von der sogenannten „ERTMS User Group“ weitergeführt. „ERTMS“ steht hierbei für „European Rail Traffic Management System“ und ist der Zusammenschluß von Bahnindustrie und Bahnen zur Entwicklung eines interoperablen Zugsteuerungs- und Zugsicherungssystems. Die beiden Hauptkomponenten dieses Systems sind die Mobilfunktechnik „Global System for Mobile Communication – Rail“ (kurz: GSM-R) und ETCS. Die ERTMS User Group bestand zu Anfang aus der Deutschen Bahn AG, der italienischen Staatsbahn FS und der französischen Staatsbahn SCNF. Später kamen noch die Staatsbahnen der Niederlande, Spanien und Großbritannien dazu. Im Jahr 2000 einigte sich die ERTMS User Group mit dem Europäischen Verbund der Signalindustrie UNISIG auf ein einheitliches System und dessen technische Rahmenbedingungen. Seit dem 1. Dezember 2002 sind diese Spezifikationen als Teil der „Technischen Spezifikationen für Interoperabilität des Teilsystems Zugsteuerung, Zugsicherung und Signalgebung des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsnetz“ (kurz: TSI ZZS) auf Beschluss der EU-Kommision rechtsverbindlich für die EU-Mitgliedsstaaten^[2]

(Nieuwenhuis, 2003 und Müller, 2003).

2.2. Die Leit- und Sicherungstechnik der Eisenbahnen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau der Signaltechnik (Krüger 2003, S. 27)

Die neuen europäischen Leit- und Sicherungssysteme basieren auf der klassischen Signaltechnik, dargestellt in Abbildung 1. Bei der Signaltechnik spielt das Stellwerk eine zentrale Rolle. Das Stellwerk bekommt von einer Leittechnik oder einem Fahrdienstleiter Stellaufträge, auf welcher Strecke ein bestimmter Zug mit wie hoher Geschwindigkeit fahren soll. Das Stellwerk prüft diesen Auftrag auf seine Plausibilität und sendet bei positiver Prüfung entsprechende Signale an den Zugführer und gibt die Strecke frei. Dies geschieht in der Regel über Signalmasten, die wie Verkehrsampeln eine bestimmte Signalsprache haben und von den Zugführern per Blickkontakt gelesen werden. Dieses Fahren „auf Sicht“ ist jedoch nicht zeitgemäß und kann aufgrund menschlichen Versagens schnell zu katastrophalen Unfällen führen. Hinzu kommt, dass Untersuchungen ergeben haben, dass ab einer Geschwindigkeit von 160 Km/h die Wahrscheinlichkeit einer Fehlinterpretation eines Signals stark ansteigt.

Die sogenannte „Zugsicherung“ arbeitet diesem „Nichtbeachten“ von Signalen entgegen. Dafür müssen die Informationen des Stellwerks technisch an das Fahrzeug übermittelt werden, so dass bei einem Fehler des Zugführers die Auswirkungen noch minimiert werden können (z.B. Einleitung einer Notbremsung bevor eine Kollision mit einem anderen Zug droht) (Krüger, 2003, S.27).

1970 wurde von Alcatel die „Linien-Zug-Beeinflussung“ (kurz: LZB) entwickelt. Dieses System ist das zur Zeit modernste und funktional umfangreichste System, welches sich im operativen Einsatz befindet. Zu dem Stellwerk kommt eine LZB-Zentrale, die sowohl die Informationen vom Stellwerk erhält als auch in ständigem Kontakt zu den Zügen steht (siehe Abbildung 2). Dies geschieht durch „Linienleiter“, die sich entlang der Strecke befinden. In den Zügen sind Empfänger für diese Linienleiter und sobald ein Signal empfangen wird, wird es per Funk an die LZB-Zentrale weitergegeben.^[3] Falls ein Zugführer ein optisches Signal übersieht, wird die „falsche“ Geschwindigkeit sofort in der LZB-Zentrale bemerkt und es kann eingegriffen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Aufbau der Linienzugbeeinflussung (LZB) (Krüger, 2003, S. 28)

In Deutschland verlangt die Eisenbahnbau- und –betriebsordnung bei Zugfahrten mit Geschwindigkeiten über 160 Km/h eine kontinuierliche Kommunikationsverbindung zwischen Zug und Strecke und eine Signalisierung auf dem Führerstand. Das System LZB leistet dies und wird seit 1969 von der Deutschen Bahn verwendet

(Krüger, 2003, S. 27-28 und Lemmer, 2002).

Viele andere nationale Bahnen sind aber noch nicht im Besitz eines solch modernen Systems. Der Vorteil einer Umstellung auf ETCS liegt bei diesen Unternehmen nicht nur in der europäischen Einheitlichkeit des Systems, sondern vor allem in der modernen Technik an sich. ETCS könnte bei schneller Umsetzung die Bahnen Europas auf den neuesten Stand der Technik bringen. Das neue System ist der LZB ähnlich, aber insgesamt weniger kostenintensiv (siehe Abb. 3) und genauso wirksam (Die Presse, 2003) .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: ETCS – Comparison Investment Costs (Otteborn, 2002, S.41)

2.3. Die Funktionsweise von ETCS

ETCS wird in drei Stufen, sogenannten „Application Levels“, beschrieben.

2.3.1. ETCS Level 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Aufbau von ETCS Level 1 (Krüger, 2003, S. 29)

Bei der Ausbaustufe 1 in Abbildung 4 erkennt man die bisherige Infrastruktur mit Signaltechnik, Stellwerk, Gleisfreimeldung und optischen Signalen wieder. Diese bisher auf nahezu allen Bahnstrecken Europas vorhandene Technik wird beim ETCS Level 1 beibehalten und nur ergänzt. Diese Ergänzung findet in Form von „Eurobalisen“ statt. Eurobalisen sind Signalsender, die am Streckenrand platziert werden. Sie senden kodierte Signalinformationen an den vorbeifahrenden Zug, welche die Balisen elektronisch vorher automatisch von den Streckensignalen erhalten. Der Zug besitzt zum Empfang eine entsprechende Antenne und zur Verarbeitung einen Computer („European Vital Computer“, kurz: EVC), der in jede Lokomotive problemlos eingebaut werden kann. Dieser Computer errechnet aus den Streckendaten die korrekte Geschwindigkeit und überwacht permanent deren Einhaltung. Fährt der Lokführer zu schnell, warnt der Computer ihn zuerst. Falls nach einer bestimmten Zeit keine Korrektur erfolgt, greift das System auch selbständig ein.

Die Position des Zuges wird mittels der Eurobalisen und spezieller Sensoren zwischen den Balisen ermittelt. Da die Position nicht ständig überwacht wird, sondern dies nur in Abständen bzw. punktweise geschieht, zählt man das ETCS Level 1 auch zu den punktförmigen Übertragungssystemen mit kontinuierlicher Überwachung (Krüger, 2003, S.28-29).

2.3.2. ETCS Level 2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Aufbau von ETCS Level 2 (Krüger, 2003, S. 29)

Wie in Abbildung 5 zu erkennen, ist die Stufe 2 von ETCS der LZB sehr ähnlich. Anstelle der LZB-Zentrale wird hier ein „Radio Block Center“ (kurz: RBC) errichtet. Anstatt von Linienleitern wird der speziell für Eisenbahnen entwickelte digitale Funkverkehr GSM-R in Verbindung mit den Eurobalisen verwendet. Das RBC sendet und empfängt per GSM-R Informationen zum/vom Zug. Die Eurobalisen geben wieder die Position des Zuges an, wobei die Balisen des ETCS Level 2 technisch weniger aufwendig sind als beim Level 1 und einfach im Gleis verlegt werden können. Sie haben mit der Zugsteuerung nichts mehr direkt zu tun und müssen keine Informationen verarbeiten oder senden und benötigen daher auch keine Stromversorgung (daher auch „passive Eurobalisen“ genannt). Der große Vorteil gegenüber der Ausbaustufe 1 ist die kontinuierliche Datenübertragung per GSM-R. Während beim Level 1 Signale nur durch die ortsfesten Eurobalisen übertragen werden, also immer nur nach jeweils einigen Kilometern Fahrt, gibt es beim Level 2 keine derartigen „Lücken“.

Der Unterschied von ETCS Level 2 zur LZB besteht darin, dass die Rechenleistung nicht mehr in der Zentrale erbracht wird, sondern im Fahrzeug selbst. Der Vorteil dabei ist, dass Informationen über den Zug selbst (seinen Bremsweg, seine optimale Geschwindigkeit etc.) im EVC bereits gespeichert sind und die korrekte Geschwindigkeit für den jeweiligen Streckenabschnitt für jeden Zug automatisch berechnet wird. Bei der LZB mussten für jeden Zug in der Zentrale unterschiedliche Geschwindigkeiten einzeln ermittelt werden (Krüger, 2003, S. 28-29).

2.3.3. ETCS Level 3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Aufbau von ETCS Level 3 (Krüger, 2003, S. 29)

Die Stufe 3 unterscheidet sich im Vergleich zu den anderen beiden Levels hinsichtlich der Art der Zugortung. Beim Level 3 wird nicht mit dem System der Punktortung gearbeitet. Der Zug wird stattdessen kontinuierlich elektronisch geortet. Dies wäre eine absolute Neuerung in der Bahntechnik. Während es bei PKW durch GPS oder ähnliche Systeme kein Problem ist, die genaue Ortung durch einen Empfänger/Sender im Fahrzeug zu erreichen, ist dies bei einem Zug nicht ohne weiteres möglich. Das Problem besteht darin, dass bei einer Ortung der Lok, z.B. durch den EVC möglich, nicht garantiert werden kann, dass der Zug noch vollständig ist. Ein verlorener Waggon auf einer als „frei“ gemeldeten Strecke könnte zu einem verheerenden Unfall führen. Zur Zeit ist noch keine technische Lösung für das Problem der „Zugvollständigkeit“ gefunden, was auch durch die unterschiedlichen Fahrzeugtypen in Europa bedingt ist. Bei optimalem Einsatz der Technik wäre bei ETCS der Ausbaustufe 3 sogar ein Betrieb von Fahrzeugen ohne Lokführer möglich. Die gesamte Steuerung würde der Computer übernehmen (Krüger, 2003, S. 29).

[...]

^[1] z.B. werden an Grenzübergängen Zugschlusssignale gewechselt oder es werden Bremseinstellungen geändert, Papiere müssen ausgetauscht werden etc. Dies vereinheitlicht ETCS zumindest und beschleunigt den Grenzverkehr deutlich.

^[2] Wobei EU-Richtlinien erst in nationales Recht eingebunden werden müssen um Gültigkeit zu erlangen

^[3] technisch exakter: durch Kreuzen der Linienleiter-Stränge entsteht eine Phasenverschiebung. Diese erkennt das Fahrzeug und somit kann seine Position bestimmt werden. Diese „Kreuzungsstellen“ befinden sich ca. alle 100m auf der Strecke.