Internationales Verkehrswesen (69) 3 | 2017 82 TECHNOLOGIE Wissenschaft Nutzung satellitenbasierter Ortung als sicherer und zugelassener Ortungssensor im Schienenverkehr Ortung, Schienenverkehr, Zulassung, Nebenstrecken Um die Interoperabilität im europäischen Schienenverkehr zu ermöglichen, wird ETCS zunächst auf den transeuropäischen Korridoren implementiert. Jedoch existieren zahlreiche Nebenstrecken, die teilweise von einer Stilllegung bedroht sind. Sowohl zur effizienten Zugsicherung auf Nebenstrecken als auch für ETCS eignet sich die satellitenbasierte Ortung als sichere Sensorik. Dieser Artikel befasst sich im Überblick mit der Nutzung satellitenbasierter Ortung im Schienenverkehr. Hansjörg Manz S eitens der Europäischen Union (EU) wurden und werden viele Maßnahmen getroffen, um den grenzüberschreitenden Schienenverkehr zu harmonisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Harmonisierung von streckenseitiger und fahrzeugseitiger Signalisierungstechnik notwendig. Bei Einsatz der satellitenbasierten Ortung wäre aufgrund des Verzichts auf streckenseitige Ausrüstungskomponenten abgesehen von verschiedenen Spurweiten lediglich die Harmonisierung der fahrzeugseitigen Signalisierungstechnik erforderlich. Vorteile der satellitenbasierten Ortung In diesem Kapitel werden die vielfältigen Vorteile der satellitenbasierten Ortung im Schienenverkehr dargestellt - vom wirtschaftlichen Betrieb über den Verzicht auf streckenseitige Infrastruktur bis zur Erhöhung der Streckenkapazität jeweils mit Fokus die Nutzung für ETCS. Wirtschaftlicher Betrieb von Nebenstrecken Die Mitgliedsstaaten der EU zuzüglich Schweiz und Norwegen verfügen derzeit über ein Schienennetz von 223 000 km [1] von denen etwa 118 000 km [2] Nebenstrecken sind. Diese sind teilweise nicht wirtschaftlich zu betreiben und daher von einer Stilllegung bedroht - in Deutschland wurden z. B. 5134 km des Streckennetzes seit 1994 stillgelegt, 93 % davon bis 2004 [3]. Somit besteht besonders auf Nebenstrecken ein hoher Bedarf an kosteneffizientem und für den Fahrgast attraktivem Betrieb. Verzicht auf streckenseitige Infrastruktur Die streckenseitige Infrastruktur wie etwa Achszähler müssen intensiv gewartet sowie instandgehalten werden und sind Witterung und Vandalismus ausgesetzt. Bei vergleichsweise wartungsarmen Sensoren wie Radio Frequency Identification (RFID) oder Balisen ist zu beachten, dass diese zwar geringere Herstellungskosten als z.B. die Systeme Punktförmige Zugbeeinflussung (PZB) oder Linienförmige Zugbeeinflussung (LZB) haben, jedoch nur eingesetzt werden können, wenn sie an einer kartografisch bestimmten Stelle im Gleis verlegt sind und über die gesamte Lebenszeit dort verbleiben. Erhöhung der Streckenkapazität Eine Vielzahl der weltweiten Strecken wird mit blockbasierten Zugbeeinflussungssystemen betrieben, wobei die Blöcke bis zu 20 km lang sein können, was deren Kapazität stark einschränkt. In Deutschland sind die Blockabstände meist wesentlich kürzer, dennoch kann die Kapazität des deutschen Schienennetzes durch eine Optimierung der Leit- und Sicherungstechnik um 20 Mrd. tkm erhöht werden [4], was ca. 20 % der Transportleistung des deutschen Schienennetzes entspricht. Die Steigerung der Kapazität würde eine höhere Wettbewerbsfähigkeit und somit einen höheren Marktanteil ermöglichen. Dafür sollte das Abstandshalteverfahren „Moving Block“ eingeführt werden, welches eine kontinuierliche (satellitenbasierte) Ortung benötigt. ETCS als europäisches Zugbeeinflussungssystem Für die Nutzung von ETCS sind fahrzeug- und streckenseitige Komponenten notwendig, es sind bspw. drei bis Internationales Verkehrswesen (69) 3 | 2017 83 Wissenschaft TECHNOLOGIE zwölf Balisen pro Kilometer Gleis zu installieren [5]. Auf Hochgeschwindigkeitsstrecken betragen die Gesamtkosten für Signaltechnik bei ETCS Level 2 ca. 300 000 Euro pro Kilometer [6]. An dieser Stelle bietet eine satellitenbasierte Ortungseinheit wesentliche Vorteile, da lediglich eine fahrzeugseitige Einrichtung notwendig ist und somit keine Interaktionen mit der Strecke betrachtet werden müssen. Struktur der Zugbeeinflussung in Europa In diesem Kapitel wird die Struktur der Zugbeeinflussung betrachtet, um daraus die notwendigen Schritte für die Nutzung der satellitenbasierten Ortung ableiten zu können. In den folgenden Abschnitten wird zunächst die Entwicklung und Anwendung der Zugbeeinflussung in Europa dargestellt, darauf aufbauend der Wandel zur europäischen Zugbeeinflussung erörtert. Anschließend wird auf die technische Umsetzung von ETCS und dessen Nutzung in Europa eingegangen. Entwicklung und Anwendung der Zugbeeinflussung in-Europa Aufgrund ihrer national getrennten Entwicklung unterscheiden sich die verschiedenen europäischen Systeme meist signifikant voneinander. Aus dieser Vielfältigkeit resultieren Hindernisse für die von der EU geforderte Interoperabilität zwischen den Nationalstaaten Europas. Eine Übersicht über die wesentlichen in Europa eingesetzten Zugbeeinflussungssysteme ist in Bild 1 dargestellt. Wandel zur europäischen Zugbeeinflussung Speziell die in Bild 1 dargestellte Diversität an Zugbeeinflussungssystemen war eine entscheidende Motivation für die Entwicklung von ERTMS (European Rail Traffic Management System), welches sich zu einem Maßstab der Zugbeeinflussung entwickelt hat, der weltweit in 38 Ländern angewandt wird. ERTMS besteht aus dem Zugbeeinflussungssystem ETCS, einem Kommunikationssystem (GSM-R) und dem Europäischen Zugmanagementsystem (European Train Management Layer - ETML) [7]. Technische Umsetzung von ETCS ETCS wurde in fünf Leveln geplant, davon ermöglichen Level 1 bis 3 technische Interoperabilität [8]. In Level 1 erfolgt die Signalisierung ausschließlich über die Strecke, ab Level 2 sind keine streckenseitigen Signale mehr vorhanden. Die Ortung erfolgt dabei mit Hilfe von Balisen, die durch virtuelle Balisen ersetzt werden können, welche bei Überfahrt dieselbe Handlung auslösen wie eine im Gleisbett verlegte Balise. Bei Level 3 wird auf die streckenseitige Zugvollständigkeitsüberprüfung verzichtet. Nutzung von ETCS in Europa In vielen Nationalstaaten Europas wird die Einführung von ETCS forciert, weil die bestehenden Zugbeeinflussungssysteme veraltet und ineffizient sind. ETCS wird gegenwärtig schrittweise auf den TEN des Schienenverkehrs, welche 47 % des Schienennetzes der EU umfassen, eingeführt. So haben sich Belgien, Dänemark und die Schweiz für eine landesweite Einführung von ETCS um 2020 entschieden. Ortung im Schienenverkehr Die Ortung im Schienenverkehr ist für dessen sichere Betriebsführung von großer Bedeutung. Flankenschutz, Folgefahrschutz und Gegenfahrschutz werden durch die Kenntnis der Fahrzeugposition ermöglicht, Schutz vor Entgleisungen durch Überwachung der Geschwindigkeit [9]. In den nächsten Abschnitten werden die zur Ortung nutzbaren Sensoren strukturiert sowie ein Überblick über fahrzeugseitige Sensoren und die digitale Karte gegeben. Strukturierung der zur Ortung verwendeten Sensoren Auf Grundlage der Kenntnis über das Wesen von Sensoren können diese gegliedert werden, was in Bild 2 entsprechend ihres Wirkprinzips und ihrer Verortung erfolgt. Diese Analyse ist die Grundlage für die Sicherheitsnachweisführung und Erstellung der Systemarchitektur im weiteren Verlauf dieser Arbeit. Fahrzeugseitige Sensoren und digitale Karte Für die Unterstützung der satellitenbasierten Ortung im Schienenverkehr sind lediglich fahrzeugseitige Sensoren relevant. Am meisten eignen sich der Inertialsensor, der Raddrehzahlgeber, der Radarsensor und der Wirbelstromsensor. Der Inertialsensor ist im Inneren des Fahrzeugs montiert und ermittelt die Beschleunigung. Der Raddrehzahlgeber zählt durch den direkten Kontakt zwischen Fahrzeug und Infrastruktur die Umdrehungen des Rades, was jedoch mit Schlupf behaftet ist. Ein Radarsensor misst durch den Dopplereffekt elektromagnetischer Wellen die Bewegung des Fahrzeugs, die Geschwindigkeit, Strecke, Richtung und Beschleunigung. Der Wirbelstromsensor wurde als verlässlicher schlupffreier Sensor zur Wegstreckenmessung mittels magnetischer Interferenz für nicht sicherheitsrelevante Anwendungen im Schienenverkehr entwickelt [11], jedoch bis- LVZ EBICAB 900 KVB, TVM, BRS LZB, INDUSI ATP BACC , RSDD EVM ALSN EBICAB 700 SHP ALSN LVZ ASFA , TVM, BRS EBICAB 700 diverse ALSN AWS , TBL, PDS, TPWS EBICAB 700 ALSN ALSN ALSN LZB, INDUSI, andere LZB, INDUSI INDUSI nicht bekannt ZUB 121 , SIGNUM ATBL , TBL ATBL , TBL, BRS BRS diverse ZUB 123 Bild 1: Zugbeeinflussungssysteme in Europa nach [8] Internationales Verkehrswesen (69) 3 | 2017 84 TECHNOLOGIE Wissenschaft her nicht im Regelbetrieb eingesetzt. Für jede Strecke, auf der ein Zug mit satellitenbasierter Ortung verkehren soll, ist eine digitale Karte notwendig, um alle Elemente der befahrenen Streckenabschnitte darzustellen. Sicherheitsnachweisführung für die satellitenbasierte Ortung im Schienenverkehr Im Sicherheitsnachweis wird die sichere Systementwicklung formal und projektspezifisch mit dem Ziel der Vollständigkeit dokumentiert. Dabei ist es von Bedeutung, dass alle für das Erreichen des Sicherheitsziels notwendigen spezifischen Techniken und Maßnahmen abgedeckt werden. Falls gewisse Punkte nicht vollständig abgedeckt wurden, können sicherheitsbezogene Anwendungsbedingungen erstellt werden, ohne deren Implementierung die Gesamtsicherheit des Systems gefährdet ist. Dabei werden zum jeweiligen Stand der Entwicklung bestehende Mängel aufgelistet und Vorschläge zu deren Behebung angeboten. Zur Nutzung der satellitenbasierten Ortung im Schienenverkehr werden im nächsten Abschnitt sinnvoll einsetzbare Sensoren dargestellt, im folgenden Abschnitt wird deren sichere Kombination zu einer Ortungseinheit betrachtet. Sensorik zur sicheren Ortung Für eine gleisselektive Ortung im Schienenverkehr sollte die Ortungseinheit aus Sensorik, Ortung und Geodatenbank bestehen. Die kontinuierliche Verarbeitung der Sensorausgänge erfolgt in einem echtzeitfähigen System, welches die Ortungsinformationen in festgelegten, kurzen Abständen liefert. Zur Unterstützung der Sensoren können Informationen aus dem Stellwerk bezüglich der Weichenlage und positionsbezogene Informationen über die Abschnittsbelegung genutzt werden. Der GNSS-Empfänger berechnet seine Position kontinuierlich aus den von den Satelliten gesendeten Positionsdaten und den gemessenen Laufzeiten zwischen Satellit und Empfänger in einem Koordinatensystem. Für den Fall der Nichtverfügbarkeit oder Ungenauigkeit von GNSS ist ein domänenspezifisches Hodometer notwendig. Inertialsensoren können unterstützend genutzt werden. Die Sensoren sind austauschbar, wenn sie die Anforderungen erfüllen. Um Einflüsse durch Schlupf zu vermeiden, wird sich hier für den Wirbelstromsensor entschieden, da dieser als relativ unempfindlich gegenüber Schlupf gilt. Eine zu nutzende digitale Karte ist auf dem Auswerterechner installiert und enthält geometrische und topologische Informationen sowie relevante Daten des Verkehrsnetzes, als Vorbereitung für die Datenfusion sind Filter sinnvoll [12]. Die Fusion der Daten des GNSS- Empfängers und des Hodometers erfolgt in der Ortungsfusionskomponente über Koppelortung oder Multisensorverfahren [11]. Sichere Kombination der Sensorik zur Ortungseinheit In der Ortungsfusionskomponente werden die Eingangsinformationen auf Konsistenz geprüft. Das ange- Sensoren Elektromagnetische und akkustische Sensoren Fahrzeugseitige Sensoren Infrastrukturseitige Sensoren Kombinierte Sensorsysteme zur Ortung Kombinierte satellitenbasierte Systeme Menschliche Sinnesorgane als Sensorsystem Ultraschall (akustisch) Radar (elektromagnetisch) Lidar/ Ladar (elektromagnetisch) Tachometer Beschleunigungssensoren Induktive Sensoren Hallsensoren Hodometer Punktförmige Zugbeein ussung Krokodil der SNCF über Schleifkontakte Induktive Zugsicherung Transponderbasierte Systeme RFID System Eurobalise (für ETCS) GPS Galileo Auge Ohr Laser-Scanner (elektromagnetisch) (Stereo-) Kamerasysteme Radimpulsgeber Wirbelstromsensor Linienförmige Zugbeein ussung LZB GLONASS COMPASS GNSS- Ergänzungssysteme WAAS CWAAS EGNOS MSAS SNAS GAGAN QZSS Induktionsschleifen in der Infrastruktur Personen-/ Fahrgastzählung Achszähler Gleisstromkreis Lichtschranke Bild 2: Gliederung von Sensoren nach [9] und [10] Internationales Verkehrswesen (69) 3 | 2017 85 Wissenschaft TECHNOLOGIE strebte Sicherheitslevel des Schienenverkehrs wird durch redundante Strukturen gewährleistet, womit trotz Nutzung industrieller Komponenten die Ortungsinformationen als sicher betrachtet werden können. Zur weiteren Nutzung der Daten wird ein Konfidenzintervall zur betrieblichen Verwendung angegeben. Die Fusion der Daten der digitalen Karte und der Ortungsfusionskomponente erfolgt in der Ortungseinheit mit Hilfe eines automatischen Kartenabgleichs (Map Matching) unter Nutzung der Bewegungseigenschaften des Schienenverkehrs. Dabei werden die durch die Ortung ermittelten Daten mit einer digitalen Karte verknüpft. Um diesen Vorgang mit der erforderlichen Präzision und Genauigkeit durchführen zu können, sind hohe Qualität und Aktualität der digitalen Karte wichtig. Zur sicheren Ortung des Zuges werden von jedem Sensortyp zwei diversitäre Sensoren verwendet. Durch einen Datenfusionsalgorithmus wird damit die exakte Position des Zuges in Echtzeit berechnet. Zusätzlich hat die Ortungseinheit die Aufgabe, die Gültigkeit der Ortungsinformation durch selbstüberprüfende Algorithmen anzugeben. Aus den anforderungsgemäßen Sensoren lässt sich nach dem Ortsaspekt die Architektur der Ortungseinheit darstellen (Bild 3). Bei der Fahrzeugarchitektur sind Hard- und Softwareschnittstellen zu berücksichtigen, welche die Übertragung der Informationen von den Sensoren zur Ortungseinheit, von dort zum Zug sowie weiter zum Zugbeeinflussungssystem gewährleisten. Zusammenfassung In diesem Artikel wurden zunächst die Vorteile der satellitenbasierten Ortung eingeführt sowie die Ortung allgemein strukturiert. Darauf aufbauend wird die zu nutzende Sensorik dargestellt, was in der Sicherheitsnachweisführung und der Systemarchitektur der sicheren satellitenbasierten Ortungseinheit für den Schienenverkehr mündet. In einem weiteren Beitrag wird die Strukturierung der Anforderungen für die Systementwicklung betrachtet. Das wesentliche Ergebnis der in diesem Artikel dargestellten Arbeit ist die Realisierbarkeit der sicheren satellitenbasierten Ortung im Schienenverkehr zusammen mit einer dafür nutzbaren Systemarchitektur, die angewandt werden kann. ■ Der Beitrag stellt einen Teil der Ergebnisse der Dissertation des Autors dar. Hansjörg Manz: „Zur Sicherheitsnachweisführung einer bordautonomen satellitenbasierten Ortungseinheit für den Schienenverkehr“, ISBN 978-3-8440-4784-4 LITERATUR  [1] UIC (2013): Railway Statistics - Synopsis 2012, Paris, 2013. http: / / www.uic.org/ spip. php? article1347  [2] Europäische Kommission (EC) (2013a): Length of TEN-T roads per country and link type. http: / / ec.europa.eu/ transport/ themes/ infrastructure/ ten-t-policy/ transport-mode/ doc/ road_tab1.pdf, Rev. 2013-10-16  [3] EBA (2013): Liste der stillgelegten (DB-) Strecken seit 01.01.1994 http: / / www.eba.bund. de/ SharedDocs/ Publikationen/ DE/ Infrastruktur/ Stilllegung/ stilllegung_brd.xls? __ blob=publicationFile&v=3, Rev. 2013-07-08  [4] Holzhey, M.(2010): Ausbaukonzeption für einen leistungsfähigen Schienengüterverkehr in Deutschland Schienennetz 2025/ 2030. Förderkennzeichen 363 01 244; UBA-FB 001400, Dessau-Roßlau, 2010  [5] Beyer, S.; Fußy, M. (2014): Herausforderungen bei der Realisierung des DB-Projektes VDE-8. Hrsg: DVV Media Group: Int. Signal+Draht Kongress, Fulda, 2014  [6] Yarman, S. (2015): Latest Communication and Signalization Technologies in Railways. In: IC-ARE‘15. Hrsg: Universität Istanbul: International Congress on Advanced Railway Engineering, Istanbul, 2015  [7] VDV (2008): ERTMS Das Leitsystem für Europas Schiene. Hintergrundpapier 4/ 2008, Berlin, 2008  [8] Meyer zu Hörste, M. (2004): Methodische Analyse und generische Modellierung von Eisenbahnleit- und -sicherungssystemen. TU Braunschweig, Dissertation. 571, VDI-Verl., Düsseldorf, 2004  [9] Maschek, U. (2015): Sicherung des Schienenverkehrs. Grundlagen und Planung der Leit- und Sicherungstechnik, 3., überarb. u. erw. Aufl. 2015, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden, 2015 [10] Schnieder, E. (2007): Verkehrsleittechnik. Automatisierung des Straßen- und Schienenverkehrs; mit 45 Tabellen, Springer, Berlin [u.a.], 2007 [11] Hasberg, C. (2011): Simultane Lokalisierung und Kartierung spurgeführter Systeme. Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dissertation. 019, KIT - Scientific Publishing, 2011 [12] Grasso Toro, F. (2015): Development of Intelligent GNSS-based Land Vehicle Localisation Systems. TU Braunschweig, Dissertation, Braunschweig, 2015 Hansjörg Manz, Dr.-Ing. RAMS Manager, ESE Engineering und Software- Entwicklung GmbH, Braunschweig hansjoerg.manz@ese.de Ortsaspekt Fahrzeugarchitektur Aufstellungsort Raum Technische Anlage Teilanlage Kombinationsgruppe Anlagenkomplex 1 n 1 n 1 n n 1 enthält 1 1 1 1 n 1 1 n Ort Einbauort n 1 1 EVC Ortungseinheit 1 1 1 1 STM 1 1 Ortungsfusionskomponente Auswerterechner 1 1 1 1 GNSS- Baugruppe Wirbelstrombaugruppe 1 2 1 2 Fahrzeugdach Inertial- Baugruppe 1 2 Fahrzeugchassis Geräteschrank 1 1 Digitale Karte 1 1 1 1 1 1 n 1 enthält Einbauort Technische Zugausrüstung optional Bild 3: Fahrzeugarchitektur der satellitenbasierten Ortungseinheit entsprechend des Ortsaspekts