Bahninfrastrukturen - Planung, Bau, Erhaltung Teil 1 (Masterstudium)

• Ansteuerung der Aussenanlagen ("Vermittler" zw. Steuerzentrum und Aussenanlagen)
   
• Sicherungslogik (Vermeidung von Falscheingaben)
   
• Mensch-Maschine-Schnittstelle für die Bedienung

• mechanische / elektromechanische Stellwerke: erster wichtiger Schritt zur Zentralisierung, mechanisches Verschlussregister (Relaisstellwerke: elektromagnetische Stellwerke, Drucktastenstellwerke)
  (-) Bedienelemente (Hebel, Schalter) physisch mit Sicherheitselementen verbunden => nicht automatisierbar
  (-) örtliche Personalpräsenz erforderlich => sehr teuer!
   
• computerbasierte elektronische Stellwerke: sicherheitslogische Abhängigkeiten und Abläufe in der Stellwerkssoftware implementiert (BAR, STWR, EAR)

Die Strecke ist lückenlos in diskrete, örtlich festgelegte Abschnitte unterteilt. Vor jedem dieser Blockabschnitte steht ein Hauptsignal. Ein Zug darf nur eingelassen werden, wenn der vorausfahrende Zug den Abschnitt vollständig verlassen hat.

• Mehrabschnittssignalisierung: wenn die Länge eines Blockabschnitts kürzer ist als die Zugslänge oder der Bremsweg => (+) Streckenkapazität
• Einabschnittssignalisierung: Blocklänge grösser als die Bremslänge

Um den offenen Netzzugang und den grenzüberschreitenden Fahrzeugeinsatz zu erleichtern, strebt das Projekt ERTMS (European Rail Traffic Management System) der Europäischen Union die Harmonisierung der verschiedenen Zugsicherungs- und Zugbeeinflussungssysteme an => ERTMS ist dabei Teil der Technischen Spezifikation für die Interoperabilität (TSI).

Es besteht aus:

• ETCS (European Train Control System): neue einheitliche technische Zugsicherungssysteme aufgeteilt in verschiedene Levels/Stufen (z.B. Eruobalise, Euroloop, On-Board Unit, RBC usw.)
   
• GSM-R (Global System for Mobile Communication - Railway): Digitales Mobilfunk-Kommunikationssystem für den Sprech- und Datenfunk => Telekommunikation

• ETCS Level 0: ein mit dem ETCS-Fahrzeuggerät (OBU) ausgerüstetes Fahrzeug auf einer Strecke ohne ETCS-Ausrüstung. Der einzige Unterschied zu einem Zug ohne OBU ist, dass Letztere die Höchstgeschwindigkeit des Zuges überwacht
   
• ETCS Level 1: signalgesteuerte (aktive) Balisen übetragen zwischen den Schienen die Daten des Fahrweges
  punktförmig auf den Zug. Der Bordrechner vergleicht den daraus berechneten Geschwindigkeitsverlauf mit
  der aktuellen Geschwindigkeit des Zuges
   
• ETCS Level 2: einer konventionelle Zugsintegritätskontrolle (Prüfung der Vollständigkeit der Züge) sowie eine Prüfung der Streckenbelegung durch streckenseitige Gleisfreimeldeeinrichtungen. Die ortsfeste Signalisierung wird dagegen durch eine Führerstandssignalisierung ersetzt. Das Zugbeeinflussungssystem des Zuges kommuniziert mit der Streckenzentrale (RBC) durch GSM-R (Funkverbindung), welche die Züge laufend mit Informationen über die zu befahrene Strecke versorgt und die Fahrerlaubnis erteilt
   
• ETCS Level 3: Zugintegritätskontrolle und Prüfung der Streckenbelegung auf dem Zug, womit die Gleisfreimeldeeinrichtungen entfallen. Die festen Blöcke werden durch einen virtuellen Schutzraum jedes Zuges
  ersetzt, der sich mitbewegt und seine Länge fortlaufend der Zuggeschwindigkeit anpasst. Das RBC erfasst die
  Standortmeldungen der Züge und erteilt im Abgleich mit den Stellwerken die Fahrerlaubnis an die Züge (über GSM-R)

ECTS Level 2: Gleisfreimeldeeinrichtung, RBC (GSM-R), feste Blockeinteilung, Zugschlusskontrolle an der Strecke
(-) hohe Kosten (Gleisfreimeldeeinrichtungen)
(-) Störungsrisiken
(+) Kompatibilität mit den bisherigen Stellwerken
 

ECTS Level 3: keine Gleisfreimeldeeinrichtung, RBC (GSM-R), bewegliche Blockeinteilung, Zugschlusskontrolle auf dem Zug
(-) mit den bisherigen Stellwerken nicht umsetzbar => neuartige Anforderungen
(+) max. Kapazitätsausnutzung
(+) min. Infrastrukturkosten

Wegen fehlender Selbstorganisationsfähigkeit, um Bahnsystem plangemäss, in hoher Qualität und stabil zu betreiben
=> übergreifende Koordination durch Steuerung und Regelung notwendig

Bestmögliche Übereinstimmung zw. Soll- und Istwert wird durch einen geschlossenen Regelkreis erreicht, der auf die Rückmeldung bzw. Rückführung der Istwerte als Eingangsgrösse basiert (und somit die Einwirkung von Störungen zu berücksichtigen!).

Eingangsgrösse (Sollwert) => Regler => Stellgrösse zu Anlage / Prozess (gestört durch Störgrössen) => Istwert => Messglied (Sensoren) => Abweichung zu Sollwert? => Regler...

Die Betriebslenkung überwacht den Betriebsablauf und erteilt Anordnungen bei Abweichungen vom Regelbetrieb (Bedien- und Dispositionsebene):

• Bedienung / Ansteuerung der Stellwerke (zentralisiert manuell oder automatisiert)
   
• Betriebsüberwachung: netzweiter Überblick über die Zuglage in Echtzeit
   
• Disposition: Eingriffe in den Betriebsablauf im Fall von Abweichungen vom Sollzustand

Die Leittechnik fasst die informationstechnischen Datenströme (Informationen, Anweisungen, Hahndlungen, Befehle usw.) aus den vernetzten Systemen zusammen, um dadurch den gesamten Fertigungs- oder Produktionsprozess zu überwachen und zu steuern.

Hier werden alle angeschlossenen Stellwerke zentralisiert und aus Distanz angesteuert, Bedienebene (wobei die Sicherungslogik und die Ansteuerung der Aussenanlagen weiterhin im sogenannten Ortsstellwerk verbleiben, Sicherungsebene!).

Dispositionssysteme fassen die Betriebsüberwachung (Soll-Ist-Vergleich) und die Disposition zusammen.

Teilfunktionalitäten:

• Zuglaufverfolgung: verfolgt die Standorte der einzelnen Züge und stellt dem Personal diese Informationen zur Verfügung
   
• Betriebsüberwachung: führt die Informationen zur Betriebslage zusammen und beurteilt diese an zentraler Stelle (Lagebeurteilung). Sie vergleicht kontinuierlich Soll und Ist zwischen Produktionsplan und Realität und stellt Konflikte fest
   
• Disposition: setzt die Erkenntnisse aus der Betriebsüberwachung in Massnahmen zur Verringerung der Abweichung des Istzustandes zum Sollzustand um

NB: diese Funktionalitäten werden mit Algorithmen entwickelt und modelliert, die optimierte Konfliktlösungsvorschläge
hervorbringen => komplexe Optimierungsprobleme mit sehr hohem Rechenbedarf aufgrund der sehr grossen Zahl an Variablen und der ebenfalls zahlreichen Prozessabhängigkeiten!

Die Automatisierungstechnik umfasst Methoden und Mittel, um einem System ein zielorientiertes, sicheres und
selbsttätig ablaufendes Verhalten aufzuprägen.
Bei der Bahn vereinigt sie infrastrukturseitig die Fernsteuersysteme mit den weiterentwickelten automatisierten Dispositionssystemen

(+) keine örtliche Besetzung mehr notwendig
(+) max. Präzision & Reaktionsfähigkeit
(+) Möglichkeit, komplexere Produktions- und Betriebsabläufe zu bewältigen (manuell nicht möglich!)

• Senkung Produktionskosten & Erhöhung Produktivität bei gleichen Kosten => Steigerung Wirtschaftlichkeit
• Kapazitätssteigerung (Knoten), besseres Angebot => Leistung
• Senkung des Ressourcenverbrauchs (Energie) => Energieeffizienz
• Erhöhung Sicherheit & Zuverlässigkeit
• Erhöhung Produktionsqualität

• ATO (Automatic Train Operation): automatische Fahr- und Bremssteueurung => fahrzeugseitig
• ATP (Automatic Train Protection): automatische Fahrwegsicherung und Fahrtüberwachung => infrastrkturseitig
• TMS (Train Management System): automatische Betriebslenkung / Disposition => infrastrkturseitig

LSS dienen der Fernüberwachung und -bedienung technischer Einrichtungen, führen Betriebs- und Zustandsinformationen zentral zusammen (Visualisierung von Ereignissen und Erfassung von Vorschlägen von Massnahmen), Unterhaltsfunktionen und Kommunikationsschnittstellen (durch ein Vielzahl von Sensoren!).

NB: Sie überwachen nicht den Zugbetrieb, denn dies ist die Aufgabe der Sicherungs- und Leittechnik!

• Beleuchtung, Raumtemperatur, Klimaanlagen
• Einbruckmeldeanlagen, Türschliessungen, Fernsehanlagen (Security)
• Brandmeldeanlagen

Bahnsicherungs- und Leittechnik einerseits, Leit- und Störmeldesysteme andererseits sind zwar zwei grundsätzlich getrennte Systeme mit unterschiedlichen Aufgaben. Einerseits steht die Überwachung des Bahnbetriebs, andererseits die Überwachung von (untergeordneten, betrieblichen) technischen Einrichtungen und Visualisierung von Betriebss- und Zustandsinformationen.

Bei komplexen zeitgemässen Infrastrukturen (langen Bahntunnels oder Strecken in Gelände mit Naturgefahren) werden allerdings die beiden Systeme technisch miteinander verbunden und können miteinander kommunizieren und Reaktionen / Massnahmen auslösen (z.B. bei Lawinen- oder Hochwassergefahr).

NB: Dies erhöht einerseits die Sicherheit, andererseits reduziert es potenziell die Verfügbarkeit des Bahnsystems, da auch Fehlmeldungen des LSS zu einer Blockade des Bahnbetriebs führen können! Somit werden auch die beiden Systeme quasi entlasten, da die Funktionen / Aufgaben somit aufgeteilt sind.

Gleisplanentwurf: betriebliche Anforderungen in funktionale Anlagenelement umsetzen.

z.B. optimale Anordnung und Verknüpfung der Gleise, weiter Infrastrukturen (Personen-, Güterverkehrs- oder Betriebsanlagen optimal eingliedern, Verknüpfung mit dem Umfeld und anderen Verkehrssystemen konzipieren.

NB: Im Vorprojekt sollen keine funktionale Änderungen des Gleisplanes mehr nötig sein!

1. Makroskopisch: strategisch (abstrakte Darstellung Streken & Knoten)
    
2. Mesoskopisch: weist funktionale Eignung nach,für Vorstudie & Kapazitätsbeurteilung (vollständige Darstellung Gleisanlagen, aber keine geometrische Durchbildung)
    
3. Mikroskopisch: weist technische Machbarkeit nach, im Vorprojekt (projektsorientierte Darstellung mit horizontaler und vertikaler Linienführung)

Die Gleistopologie zeigt demnach die Anordnung und gegenseitige Verknüpfung der topologischen Grundelemente sowie die funktionale Anordnung weiterer Anlagenteile und Gebäude. Abstrakte, aber aussagenkräftig Darstellungsform über alle relevanten Funktionalitäten.

Topologien = Konfiguration von Netzwerkknoten und -verbindungen

Mesoskopische Detaillierungsstufe <=> Topologieentwicklung

• Lage der Gleise und ihrer logischen Verknüpfungen
• Signalplan (Sicherheit, Sicherungsanlagen)
• Lage der Zu- und Abgänge von/nach dem Siedlungsraum und anderen Verkehrsmitteln
• ...

• Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Topologievarianten
   
• Kosten Gleisanlagen und Stellwerkkosten
   
• Anlagenleistungsfähigkeit und kapazitätskritische & sicherheitskritische Stellen

• Angebotskonzept pro Linie
   
• Betriebskonzept pro Linie
   
• Umsteigebeziehungen zw. Linien

1. Gleis <=> Fahren
    
2. Weiche <=> Verzweigen
    
3. Gleisdurchschneidung (Kreuzung) <=> Abkreuzen

Sie kombiniert die Funktionen Verzweigen und Kreuzen in einer einzigen Bauform.

Oft steht zur Gestaltung einer Gleisanlage nur ein beschränkter Platz zur Verfügung, weshalb man die Längenentwicklung mit einer Kreuzungsweiche minimieren möchte.

1. Einfacher Spurwechsel (unidirektional)
    
2. Doppelter Spurwechsel (bidirektional getrennt) bei Strecken
   (-) Platzverhältnisse beachten, Entwicklungslänge beträchtlich!
    
3. Doppelter gekreuzter Spurwechsel (bidirektional gekreuzt) bei Knoten
   (-) Höhere Investitions- und Unterhaltskosten
   (+) aber dafür reduzierter Platzbedarf

1. Serie von doppelten Kreuzungsweichen
   (-) höhere Unterhaltungskosten (ähnliche Inverstionskosten)
   (-) nur mit beschränkter Geschwindigkeit (100 km/h) befahrbar
   (+) günstig bei engen Platzverhältnissen (weniger Platzbedarf)
    
2. Serie von einfachen Weichen
   (-) viel mehr Platz erforderlich
   (+) tiefere Unterhaltungskosten (ähnliche Investitionskosten)
   bevorzugt bei ausreichenden Platzverhältnissen

1. Gleisharfe: für das nächstliegende Gleis nur eine Weiche zu befahren
   (-) Abnützung Gleise und Weichen sehr unterschiedlich (unterhaltungsrelevant!) (erste Weiche am häufigsten benutzt)
    
2. Binäre Gleisbaum: für jedes Gleis gleich Anzahl Weichen zu befahren
   (-) Anzahl Gleise muss einer Zweier-Potenz entsprechen!
   (-) nur günstig, wenn alle Gleise für den Betrieb gleichwertig sind
   (+) weniger Platzbedarf

1. Einrichtungsbetrieb: nur in eine Richtung befahrbar
   (-) unflexibel und aufwendige Eingriffe (z.B. Sicherungsanlagen) notwendig bei nachträglicher Änderung der Betriebsform
   (-) mögliche Kapazität einer Topologie läss sich nicht ausschöpfen
   (+) einfachere und preisgünstigere Sicherungsanlagen
    
2. Zweirichtungsbetrieb: in beide Richtungen befahrbar
   (-) höhere Kosten der Sicherungsanlagen
   (+) maximale Flexibilität
   (+) betriebliche Vorteile (heute am üblichsten)

1. Links- oder Rechtsbetrieb: einheitliches Regime
    
2. Banalisierung: alle parallele Gleise können in beide Richtungen genutzt werden (bei entsprechender signaltechnischer Ausrüstung) entweder durch temporäre Umdispositionen oder planmässige Richtungswechsel

1. Linienbetrieb: Doppelspuren örtlich gebündelt, ohne deren Betriebsregime zu ändern. Die beiden Doppelspuren entsprechen zwei parallel zueinander verlaufenden unabhängigen Doppelspuren, werden aber üblicherweise durch Spurwechsel miteinander verbunden
    
2. Richtungsbetrieb: Gleise mit gleicher Fahrtrichtung gruppiert, sodass pro Fahrtrichtung je mindestens zwei direkt benachbarte Gleise zur Verfügung stehen